JP2003197961A

JP2003197961A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子

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Publication number: JP2003197961A
Application number: JP2001398452A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Sendai; 敏明千代; Masanobu Senda; 昌伸千田; Kazuki Nishijima; 和樹西島; Jun Ito; 潤伊藤; Naoki Shibata; 直樹柴田; Toshimasa Hayashi; 稔真林
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】基板表面の凹凸面に簡易にかつ結晶性良くII
I族窒化物系化合物半導体層を成長させる。【解決手段】基板表面の上にIII族窒化物系化合物半
導体で形成されてその表面がテクスチャー構造、断面台
形状、若しくはピット状であるバッファ層を形成し、該
バッファ層の上にIII族窒化物系化合物半導体発光素子
層を形成する。ここで各工程において前記基板の温度は
実質的に一定温度に保たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はIII族窒化物系化合物
半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】III族窒化物系化合物半導体発光素子
（以下、単に「発光素子」という）では、サファイア基
板の表面を鏡面としてその上にバッファ層を介してIII
族窒化物系化合物半導体を成長させていた。この発光素
子を所謂フリップチップ型（特開２０００−３６６１９
号公報等参照）として使用するときには、サファイア基
板の屈折率とIII族窒化物系化合物半導体の屈折率との
間に差異があることから、両者の界面へ角度をもって入
射する光、即ち、当該界面と光進行方向との挟角が小さ
な光を外部へ充分に取り出すことができない。

【０００３】そこで、ＫａｚｕｙｕｋｉＴａｄａｔｏ
ｍｏらによって、サファイア基板の表面をパターン化す
ることが提案されている（文献名：High Output Power
InGaN Ultraviolet Light-Emitting Diodes Fabricated
on Patterned Substrates Using Metalorganic Vapor
Phase Epitaxy）。その論文によれば、それぞれ３μｍ
の幅のリッジと溝（深さ：１．５μｍ）がフォトリソグ
ラフィによりパターン形成されている。これにより、サ
ファイア基板とIII族窒化物系化合物半導体層との界面
へ大きな角度をもって入射する光をリッジと溝との段差
面（側面）から外部へ放出できることとなり、光の取り
出し効率が向上する。

【０００４】他方、基板とIII族窒化物系化合物半導体
層との熱膨張率の相違による歪が問題となって、III族
窒化物系化合物半導体層内に転位が発生したり、またそ
の結晶性が低下するので、これを改善するため特開２０
０１−１６８３８６号公報に示される発明が提案されて
いる。即ち、基板とIII族窒化物系化合物半導体層との
間に形成されるＡｌＮバッファ層の表面をテクスチャー
構造、断面台形状、若しくはピット状とする。これによ
り、バッファ層とIII族窒化物系化合物半導体層との間
の歪みが緩和される。これは、ヘテロ界面に傾斜面が存
在することによりヘテロ界面にかかる応力が当該傾斜面
と平行に加わることとなって分散され、もって応力が緩
和されることによると考えられる。このようなバッファ
層は、汎用的な低温バッファ層の製造条件に比べて、基
板を高温（１０００℃程度）にすることにより得られ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記２つの従来技術を
フリップチップ型発光素子の光取出し効率からみた場
合、次の課題がある。前者においては、基板（サファイ
ア、屈折率：１．７７）とその上に形成されるＧａＮ層
（屈折率：２．５２）との間の屈折率の差が大きいの
で、両層の界面に対して角度をもって入射した光（当該
界面と光進行方向との挟角が小さな光）を透過させるこ
とが可能となり、もって光の取り出し効率が大きい。し
かしながら、転位を低減させるためにはＦＡＣＥＬＯ法
のような成長途中で圧力や温度を変化させるといった細
かい制御が必要であり、量産性が低い。他方、後者の従
来技術によれば、III族窒化物系化合物半導体層の転位
を低減しその結晶性を向上させることができるので、発
光効率の向上を図れるが、テクスチャー構造等のバッフ
ァ層をＡｌＮ（屈折率：２．２１）とした場合、当該Ａ
ｌＮバッファ層の上に形成されるｎ型ＧａＮ層（屈折
率：２．５２）との間の屈折率差が小さいので、両層の
界面において光が反射されやすくなる。よって、光の取
出し効率が不充分である。

【０００６】また、前者の従来技術をその製造工程から
みたとき、以下の課題がある。即ち、その実施例によれ
ば、フォトリソグラフィを用いてパターン化した基板表
面に低温成長バッファ層を積層し、更にその上にｎ型層
を二段階成長させている。このような成長方法はFACELO
(Facet-controlled epitaxial lateral overgrowth)と
してYoshiki Hondaらによって提案されているものであ
り（文献名：Transmission Electron Microscopy Inves
tigation of Dislocations in GaN Layer Grownby Fac
et-Controlled Epitaxial Layer Overgrow）、III族窒
化物系化合物半導体層内における転位発生低下ないしそ
の結晶性向上を図る。このような製造工程を経る場合、
熱効率の点で課題が生じている。つまり、一般的な有機
金属気相成長法（以下、「ＭＯＣＶＤ」法という）を採
用して素子を形成するときのIII族窒化物系化合物半導
体層の成長温度は１０００℃以上である。一方、バッフ
ァ層の成長温度は４００〜５００℃程度であるため、１
０００℃程度で行われる基板クリーニングからIII族窒
化物系化合物半導体層までの温度履歴をみると、高温
（１０００℃）→低温（４００〜５００℃）→高温（１
０００℃）となり、温度調整が困難なばかりでなく、熱
効率も悪い。他方、ｎ型層も２層構造となっているの
で、製造工程が手間のかかるものとなている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の課題
を解決すべく検討を重ねた結果、本発明に想到した。即
ち、その表面を凹凸面とした基板と、該凹凸面の上に形
成されたバッファ層であって、III族窒化物系化合物半
導体で形成されてその表面がテクスチャー構造、断面台
形状、若しくはピット状であるバッファ層と、該バッフ
ァ層の上に形成されるIII族窒化物系化合物半導体層
と、を備えてなる、III族窒化物系化合物半導体発光素
子。

【０００８】このように構成された発光素子によれば、
基板表面を凹凸面としてその上にテクスチャー構造等の
バッファ層が形成される。このようなバッファ層は基板
のクリーニング温度及びIII族窒化物系化合物半導体の
成長温度と実質的に等しい温度で形成される。従って、
発光素子の製造時に基板温度が一定に保たれることとな
り、温度調整が容易となり、かつ熱効率も向上する。よ
って、かかる構成の発光素子は安価に製造可能となる。

【０００９】また、バッファ層をテクスチャー構造等と
することにより、その上に形成されるIII族窒化物系化
合物半導体層中の転位は、この論文の転位密度と同等ま
で減少させられるとともにこれに良好な結晶性を確保で
きる。即ち、従来技術のようにｎ型層を２層構造とする
FACELO法を採用する必要がない。この点からも安価な発
光素子を提供できることとなる。

【００１０】更にこの発光素子によれば、基板とIII族
窒化物系化合物半導体層との間にテクスチャー構造等の
バッファ層が介在されている。基板表面の凹凸とバッフ
ァ層の凹凸が相俟って、基板とIII族窒化物系化合物半
導体層との界面に生ずる応力がより効果的に緩和され
る。よって、III族窒化物系化合物半導体層中の転位発
生を抑制できるとともにそこに高い結晶性を確保でき
る。また、反りも発生しがたくなり、クラックの発生防
止はもとより、製造時のアライメントも確実かつ容易に
なる。

【００１１】そして本発明の発光素子によれば、基板表
面の凹凸が段差面（側面）を有する。したがって、サフ
ァイア基板とIII族窒化物系化合物半導体層との界面へ
大きな角度をもって入射する光（当該界面と光進行方向
との挟角が小さな光）であっても、当該段差面（側面）
から外部へ放出できることとなり、光の取り出し効率が
向上する。

【００１２】基板表面の凹凸部を粗研磨により形成すれ
ば、フォトリソグラフィ工程に比べて製造方法が簡易か
つ安価なものとなる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成要素について
詳細に説明する。（基板）基板はその上にIII族窒化物系化合物半導体層
を成長させられるものであれば特に限定されず、サファ
イア、スピネル、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリ
ウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガ
ン、ＹＳＺ（安定化ジルコニアイットリア）、ＺｒＢ_２
（ジルコニアジボライド）等からなる基板を用いること
ができる。特に、サファイア基板、特にそのｃ面を用い
ることが好ましい。結晶性のよいIII族窒化物系化合物
半導体層を成長させるためである。

【００１４】（基板表面を凹凸面とする方法１：粗研磨
を用いる方法）（第１の工程）第１の工程ではバルクから切り出した基
板を粗研磨する。粗研磨の条件は、基板の材質や要求さ
れる粗さによって適宜選択されるものであるが、例えば
研磨材の平均粒径を２〜５μｍとし、基板の回転速度を
４０〜８０とし、研磨時間を６０〜１８０分とする。研
磨材にはダイヤモンドスラリー等を使用することが好ま
しい。

【００１５】このような粗研磨工程は、基板を鏡面加工
するときにも用いられている。なお、基板を鏡面加工す
るには、粗研磨された表面をさらに細かい研磨材を用い
て仕上げ研磨する。従来技術で説明したフォトリソグラ
フィによる基板表面のパターン化方法においても、まず
基板を鏡面加工し、その後にフォトリソグラフィを実行
する。したがって、この粗研磨の工程を経ていることと
なる。

【００１６】（第２の工程）第２の工程では、第１の工
程で形成された凸部の頂部を除去して平坦化する。平坦
化することによりその上に単結晶のIII族窒化物系化合
物半導体層を成長させることが可能になる。粗面化され
た基板（第２の工程のないもの）の上に成長される半導
体層は多結晶となり素子を構成することができなくな
る。III族窒化物系化合物半導体の単結晶層を確実に、
かつ結晶性良く得るには、平坦化された面が面積比で基
板面の５０％以上を占めるようにすることが好ましい。

【００１７】第２の工程はドライエッチングにより行う
ことができる。反応速度などの観点からＲＩＥ（リアク
ティブイオンエッチング）を採用することが好ましい
が、ＩＣＰ等の方法でもよい。第２の工程として、第１
の工程で用いた研磨材よりも細かい粒径の研磨材（第２
の研磨材）を用いた研磨工程を採用することもできる。
この研磨工程を、従来行われていた仕上げ研磨で代替す
ることもできる。これらの研磨条件は、いずれも第１の
工程で得られた凸部の頂部を除いて平坦部が形成される
ように、基板の材質や求められる平坦部の面積比に応じ
て、適宜選択される。

【００１８】図１に第１の工程で得られた基板１の表面
の模式図を示した。同図（Ａ）は断面図、同図（Ｂ）は
平面図である。第１の工程で得られた粗面において、山
と谷の間の平均距離（高さ）は０．１μｍ以上とするこ
とが好ましい。この高さより小さいと、第２の工程を実
行したときに基板表面に充分な凹凸を確保できないおそ
れがある。更に好ましくは１μｍ以上である。高さの上
限は、研磨材により制限されることとなるが、ほぼ３μ
ｍ以下とすることが好ましい。図２には、第２の工程を
経た後の基板１の表面の模式図を示した。山の頂部が除
去されて平坦面３が形成されている。その結果、断面が
台形状の凸部５となる。台形状凸部５の高さは０．０７
μｍ以上とすることが好ましい。これより低い高さでは
段差面７（凸部５の側面）の広さが不充分になるからで
ある。

【００１９】（基板表面を凹凸面とする方法２：フォト
リソグラフィによる工程）基板表面に凹凸部を形成する
方法としてフォトリソグラフィを採用することができ
る。例えば図３Ａに示すように、サファイア基板３０１
上にＳｉＯ_２／Ｔｉ／Ｎｉ層からなるメタルマスク３０
３を蒸着で成膜する。次に、レジスト層３０５を形成し
てフォトリソグラフィによりストライプ状にパターニン
グする。このとき、図４に示すようにドット状にパター
ニングすることも可能である。

【００２０】その後、酸溶液を用いたケミカルエッチン
グによりメタルマスク３０３をサファイア基板３０１ま
でエッチングして、有機溶剤（アセトン等）によりレジ
スト層３０５を除去する。

【００２１】その後、ＲＩＥを用いてサファイア基板３
０１をエッチングし、図３Ｂに示すような凹凸面を形成
する。この凹凸面において、リッジ３１０の幅Ｗｒ、溝
３１２の幅Ｗｇ及びリッジ３１０の頂部と溝３１２の底
部との高さＨは任意に設計できるものであるが、高さＨ
は０．０１μｍ〜１０μｍとすることが好ましく、更に
好ましくは０．５〜２μｍである。高さが０．０１μｍ
に満たないと凹凸の側面（段差面）の広さが不充分とな
って光取出し効率が充分に向上しない。リッジ３１０及
び溝３１２の幅Ｗｒ、Ｗｇもそれぞれ１〜１０μｍとす
ることが好ましい。更に好ましくは１〜５μｍである。
なお、リッジ３１０の頂部は実質的に平坦部であり、そ
の総計の面積は基板３０１の表面の５０％以上を占める
ものとする。なお、実施例では高さＨを０．８μｍ、リ
ッジ３１０の幅Ｗｒを１０μｍ、溝３１３の幅Ｗｇを５
μｍとした。

【００２２】（バッファ層）前の工程で得られた基板の
凹凸表面にテクスチャー構造、断面台形状若しくはピッ
ト状のバッファ層を形成する。図５に示すように、バッ
ファ層１２としてその表面がテクスチャー構造のものが
図２の基板の上に形成される。ここにテクスチャー構造
とは、任意の断面をみたとき下地層表面がノコギリ歯状
に、即ち傾斜面を介して谷と山とが繰返している構造を
指す。この山部は、独立した多角錐形（円錐形も含む）
の場合と山脈状に連なっている場合の両方を含む。ま
た、この明細書において、断面台形状とは山部頂上にお
ける平坦領域が多くなったものを指し、更に平坦領域が
多くなったものをピット状と呼ぶ。この明細書では斜面
領域の占める割合が平面投影面上で７０〜１００％をテ
クスチャー構造、３０〜７０％を断面台形状、５〜３０
％をピット状と呼ぶ。このようなバッファ層を用いるこ
とによりIII族窒化物系化合物半導体層とバッファ層と
の間の歪みが緩和される。これは、ヘテロ界面に傾斜面
が存在することによりヘテロ界面にかかる応力が当該傾
斜面と平行に加わることとなって分散され、もって応力
が緩和されることによると考えられる。このようにして
歪みが緩和されると、そりの問題が低減される。その結
果、III族窒化物系化合物半導体層へクラックが入るこ
とを未然に防止できることはもとよりその結晶性が向上
し、さらには素子作製時のアライメントも取り易くな
る。以上、詳細は特開２００１−１６８３８６号公報を
参照されたい。

【００２３】図５に示すバッファ層１２をIII族窒化物
系化合物半導体製とする場合、後で形成される素子機能
を有するIII族窒化物系化合物半導体と実質的に同じ温
度である高温（１１５０℃程度）において形成される。

【００２４】上記において、テクスチャー構造等を持つ
バッファ層は基板上へ、成長条件を調整することによ
り、アズグロウンに形成するものである。平坦面のバッ
ファ層を成長させておいてその平坦面をエッチングなど
の方法で処理することにより、バッファ層の表面をテク
スチャー構造、断面台形状、ピット状とすることも可能
である。

【００２５】バッファ層１２はＡｌＮ、ＩｎＮ、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のIII
族窒化物系化合物半導体で形成することができる。その
他、金属窒化物、酸化物で形成することもできる。この
バッファ層は周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ
法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相
成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティ
ング法、電子シャワー法等によって形成することができ
る。

【００２６】基板とバッファ層との間に堆積層を形成す
ることが好ましい。バッファ層がIII族窒化物系化合物
半導体からなる場合、堆積層も同じくIII族窒化物系化
合物半導体で形成するか或いは金属窒化物系化合物半導
体で形成することが好ましい。堆積層はIII族窒化物系
化合物半導体のなかでもＡｌ_ｘＧａ_１ _−ｘＮ（０≦ｘ≦
１）からなるものとすることが好ましく、更に好ましく
はＡｌＮである。金属窒化物系化合物半導体のなかでは
窒化チタン、窒化ハフニウム、窒化ジルコニウム及び窒
化タンタルから選ばれる１種又は２種以上からなるもの
とすることが好ましい。更に好ましくは窒化チタンであ
る。このとき基板はサファイア製とすることが好まし
く、更に好ましくはサファイア基板のａ面に堆積層を形
成する。かかる堆積層の形成方法として周知のIII族窒
化物系化合物半導体及び金属窒化物系化合物半導体の形
成方法（ＭＯＣＶＤ法やスパッタ法等）が採用できる。
堆積層の膜厚はとくに限定されるものではないが、数〜
数１００ｎｍ（数１０〜数１０００Å）とする。本発明
者らの検討によれば、基板とバッファ層（歪緩和層）と
の間に堆積層を介在させることにより、バッファ層表面
の傾斜を制御し易くなる。即ち、所望の構造の（テクス
チャー構造、断面台形状、ピット構造）表面を形成する
ための条件の幅が広くなり、当該所望の構造の表面の形
成が容易になる。これにより、かかるバッファ層を有す
る素子を歩留りよく製造できる。

【００２７】堆積層はこれを二層以上設けることができ
る。基板の上に接して形成される第１の堆積層の上にII
I族窒化物系化合物半導体、好ましくはＡｌＮ又はＧａ
Ｎからなる中間層を形成し、この中間層の上に第２の堆
積層を形成し（これを繰返すことも可能）、この第２の
堆積層の上にバッファ層を形成する。第１の堆積層と第
２の堆積層とは同一の組成であっても、異なる組成であ
ってもよい。中間層の厚さも特に限定されるものではな
い。複数の堆積層が形成される例として、特開平７−２
６７７９６号公報及び特開平９−１９９７５９号公報を
参照されたい。

【００２８】（III族窒化物系化合物半導体）III族窒化
物系化合物半導体は、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ
_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦
１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２
元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧ
ａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆ
る３元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボ
ロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、ま
た、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素
（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で
置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のド
ーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物とし
て、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができ
る。ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓ
ｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、ｐ型不純物を
ドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照
射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも
可能であるが必須ではない。III族窒化物系化合物半導
体層の形成方法は特に限定されないが、周知の有機金属
気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢ
Ｅ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッ
タ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によ
って形成することができる。なお、発光素子の構成とし
ては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造
のものを用いることができる。さらに、量子井戸構造
（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用
することもできる。

【００２９】図６は基板１の上に、バッファ層を介して
（図６中省略、図６の部分拡大図である図５参照）、II
I族窒化物系化合物半導体層１０としてＧａＮ層（ｎ型
層）が積層された状態を示す。ＧａＮ層の上には、後述
の実施例で説明するように、発光する層を含む層やｐ型
層が順次積層される。

【００３０】

【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。
サファイア基板を準備して、汎用的な基板研磨用の研磨
装置にセットする。そして、下記の条件で研磨を行い、
第１の工程を実行した。平均粒径３μｍ回転数６０ｒｐｍ研磨時間６０分その表面写真を図７に示す。次に、次の条件で再研磨を
行い、第２の工程を実行した。平均粒径０．５μｍ回転数６０ｒｐｍ研磨時間６０分その表面写真を図８に示す。図７と図８とを比較して、
平坦部分の形成が確認できる。

【００３１】他の実施例では、第２の工程として、下記
の条件でＲＩＥ法によりエッチングを行った。ＢＣｌ流量４０ｓｃｃｍパワー１５０Ｗ時間５時間この工程によっても、図８と同様に基板を処理すること
ができた。

【００３２】このような基板２１を用い、図９に示す発
光素子２０を形成する。発光素子２０の各層のスペック
は次の通りである。

【００３３】上記構成の発光ダイオードは次のようにし
て製造される。まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応装置内へ水
素ガスを流通させながら図８のサファイア基板２１を１
１３０℃まで昇温して表面をクリーニングする。その
後、その基板温度においてＴＭＡ及びＮＨ_３を導入して
ＡｌＮ製のバッファ層２２をＭＯＣＶＤ法で成長させ
る。このとき、ＴＭＡ：３０μｍｏｌ／分、ＮＨ_３：３
ＳＬＭの条件で流し、所定の膜厚を成長させることでＡ
ｌＮバッファ層２２はテクスチャー構造となる。同様
に、上記条件においてＮＨ_３の流量を１／２〜１／３と
することにより、バッファ層２２を断面台形状とするこ
とができる。同様に、上記条件においてＮＨ_３の流量を
１／４〜１／９とすることにより、バッファ層２２をピ
ット状とすることができる。

【００３４】サファイア上に平坦なＡｌＮを成膜する条
件においては、特にＡｌＮの成膜初期においてＡｌＮが
ｃ軸方向（基板垂直方向）に成長する速度とｃ軸と垂直
方向（基板平行方向）に成長する速度とを比較すると、
後者の速度が十分大きい。従って、ＡｌＮは基板平行方
向に二次元的に成長をした後、基板垂直方向へ三次元的
に成長する。即ち、成長表面ではＡｌ原子とＮ原子とが
マイグレーションして均一な成長サイトを形成するのに
十分な時間がある。この条件に対してＮ量を増加させる
と特にＡｌ原子が適切なマイグレーションをする前に成
長表面の原子と結合してしまい、基板垂直方向の成長速
度が大きくなる。その結果、基板平行方向の成長が不均
一となってテクスチャー構造を作り出すことができる。
テクスチャー構造を形成する途中過程が断面台形状であ
り、ピット状であるといえる。なお、更にＮ量を増加さ
せるとグレイン成長となり、単結晶化しない。

【００３５】次いで、基板温度を１１３０℃に維持した
状態でｎ型層２３を形成し、それ以降のIII族窒化物系
化合物半導体層２４、２５を常法（ＭＯＣＶＤ法）に従
い形成する。この成長法においては、アンモニアガスと
III族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガ
リウム（ＴＭＧ)、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）
やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加
熱された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望
の結晶を基板の上に成長させる。

【００３６】次に、Ｔｉ／Ｎｉをマスクとしてｐ型層２
５、発光する層を含む層２４及びｎ型層２３の一部を反
応性イオンエッチングにより除去し、ｎ電極パッド２６
を形成すべきｎ型層２３を表出させる。

【００３７】半導体表面上にフォトレジストを一様に塗
布して、フォトリソグラフィにより、ｐ型層２５上の電
極形成部分のフォトレジストを除去して、その部分のｐ
型層２５を露出させる。続いて、ｐ型層２５上に、Ｒｈ
からなるｐ電極２８を蒸着により形成する。ｎ電極２６
はＡｌとＶの２層で構成され、蒸着によりｎ型層２３上
に形成される。その後、周知の方法でアロイ化する。な
お、基板と反対面が光放出面となる発光素子（非フリッ
プチップタイプ）の場合は、ｐ電極及びｎ電極は次のよ
うにして形成する。即ち、半導体表面上にフォトレジス
トを一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、ｐ型
層２５上の電極形成部分のフォトレジストを除去して、
その部分のｐ型層２５を露出させる。その後、蒸着装置
にて、露出させたｐ型層２５の上に、Ａｕ−Ｃｏ透光性
電極層を形成する。次に、金合金からなるｐ電極パッ
ド、アルミ合金からなるｎ電極パッドを蒸着する。

【００３８】このように形成された発光素子２０によれ
ば、発光する層を含む層２４から放出された光は基板２
１とｎ型層２３との界面に到達する。その光のなかで、
当該界面が平坦面であれば反射されたであろう入射角度
を有する成分であっても、基板表面の段差面に入射する
と、これを透過する。よって、高い光取り出し効率を有
するものとなる。更には、この発光素子によれば、基板
２１とｎ型層２３との間にテクスチャー構造のバッファ
層２２が介在されている。基板２１表面の凹凸とバッフ
ァ層２２の凹凸が相俟って、基板２１とｎ型層２３との
界面に生ずる応力をより効果的に緩和する。よって、II
I族窒化物系化合物半導体層に高い結晶性を確保でき
る。また、反りも発生しがたくなり、クラックの発生防
止はもとより、製造時のアライメントも確実かつ容易に
なる。

【００３９】上記において、バッファ層にテクスチャー
構造のものを採用したが、これに限られるものでない。
表面が平坦なバッファ層を用いることもできる。さらに
基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じ
て、除去することもできる。ここでｎ型層２３はＧａＮ
で形成するが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩ
ｎＧａＮを用いることができる。また、ｎ型層２３には
ｎ型不純物としてＳｉがドープされているが、このほか
にｎ型不純物として、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いる
こともできる。ｎ型層２３は発光する層を含む層２４側
の低電子濃度ｎ-層とバッファ層２２側の高電子濃度ｎ
＋層とからなる２層構造とすることができる。発光する
層を含む層２４は量子井戸構造の発光層を含んでいても
よく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、
ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。発
光する層を含む層２４はｐ型層２５の側にマグネシウム
等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いIII
族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは
発光する層を含む層２４中に注入された電子がｐ型層２
５に拡散するのを効果的に防止するためである。発光す
る層を含む層２４の上にｐ型不純物としてＭｇをドープ
したＧａＮからなるｐ型層２５が形成される。このｐ型
層はＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮとする
こともできる、また、ｐ型不純物としてはＺｎ、Ｂｅ、
Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることもできる。さらに、ｐ型
層２５を発光する層を含む層２４側の低ホール濃度ｐ−
層と電極側の高ホール濃度ｐ＋層とからなる２層構造と
することができる。上記構成の発光素子において、各II
I族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でＭＯＣＶ
Ｄを実行して形成するか、分子線結晶成長法（ＭＢＥ
法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ
法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法
で形成することもできる。

【００４０】次に、発光素子２０を用いて発光装置を構
成した例を説明する。図１０に示されるのは、発光素子
２０を用いたフリップチップタイプのＬＥＤ１００であ
る。ＬＥＤ１００は、発光素子２０、リードフレーム３
０及び３１、サブマウント用基板５０、並びに封止樹脂
３５から概略構成される。

【００４１】図１１は、リードフレーム３０のカップ状
部３３部分を拡大した図である。図１１に示されるよう
に、発光素子２０は、サブマウント用基板５０を介して
リードフレーム３０のカップ状部３３にマウントされ
る。基板５０はｐ型領域５１及びｎ型領域５２を有し、
その表面には、Ａｕバンプ４０が形成される部分を除い
てＳｉＯ_２からなる絶縁膜６０が形成されている。図示
されるように、電極側を下にして発光素子２０を基板５
０にサブマウントすることにより、ｐ電極２８はＡｕバ
ンプを介して基板５０のｐ型領域５１に接続され、同様
に、ｎ電極２６はＡｕバンプを介して基板５０のｎ側領
域５２に接続される。これにより、発光素子２０のｐ電
極２８及びｎ電極２６が基板５０のｐ型領域５１及びｎ
型領域５２とそれぞれ電気的に接続される。基板５０
は、発光素子２０がマウントされる面と反対の面を接着
面として、銀ペースト６１によりリードフレーム３０の
カップ状部３３に接着、固定される。

【００４２】図１２に、発光素子２０を用いて構成され
る他のタイプの発光装置（ＬＥＤ２００）を示す。ＬＥ
Ｄ２００は、ＳＭＤ（Surface Mount device）タイプの
ＬＥＤである。尚、上記のＬＥＤ１００と同一の部材に
は同一の符号を付してある。ＬＥＤ２００は、発光素子
２０、基板７０、及び反射部材８０を備えて構成され
る。発光素子２０は、上記ＬＥＤ１００における場合と
同様に、電極側をマウント面として基板７０にマウント
される。基板７０の表面には配線パターン７１が形成さ
れており、かかる配線パターンと発光素子２０のｐ電極
２８及びｎ電極２６がＡｕバンプ４０を介して接着され
ることにより、発光素子２０の両電極は配線パターンと
電気的に接続される。基板７０上には発光素子２０を取
り囲むように反射部材８０が配置される。反射部材８０
は白色系の樹脂からなり、その表面で発光素子２０から
放射された光を高効率で反射することができる。

【００４３】この発明は、上記発明の実施の形態の説明
に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載
を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変
形態様もこの発明に含まれる。

【００４４】以下、次ぎの事項を開示する。２１その表面を凹凸面とした基板と、該凹凸面の上に
形成されたバッファ層であって、III族窒化物系化合物
半導体で形成されてその表面がテクスチャー構造、断面
台形状、若しくはピット状であるバッファ層と、該バッ
ファ層の上に形成されるIII族窒化物系化合物半導体層
と、を備えてなる、積層体。２２前記凹凸面の凸部の頂部は実質的に平坦面であ
り、該平坦面は前記基板の表面において面積比でほぼ５
０％以上である、ことを特徴とする２１に記載の積層
体。２３前記凹凸面において、凹部と凸部の高低差がほぼ
０．０７〜３μｍである、ことを特徴とする２１又は２
２に記載の積層体。２４前記凹凸面はフォトリソグラフィにより形成され
たものである、ことを特徴とする２１〜２３のいずれか
に記載の積層体。２５前記凹凸面は基板の表面を粗面化し、該粗面の頂
部を除去して得られたものである、ことを特徴とする２
１〜２３の何れかに記載の積層体。２６基板表面に凹凸面を形成する工程、該凹凸面の上
にIII族窒化物系化合物半導体で形成されてその表面が
テクスチャー構造、断面台形状、若しくはピット状であ
るバッファ層を形成する工程、該バッファ層の上にIII
族窒化物系化合物半導体発光素子層を形成する工程、を
含み、各工程において前記基板の温度は実質的に一定温
度に保たれる、ことを特徴とする積層体の製造方法。２７フォトリソグラフィにより前記基板表面の凹凸面
を形成する、ことを特徴とする２６に記載の積層体の製
造方法。２８前記表面を粗面化する第１の工程（フォトリソ工
程を除く）と、前記粗面の凸部の頂部を除去して平坦化
する第２の工程と、により前記基板表面の凹凸面を形成
する、ことを特徴とする２６に記載の積層体の製造方
法。２９前記第２の工程により、前記基板表面のほぼ５０
％以上を平坦面とする、ことを特徴とする２８に記載の
積層体の製造方法。３０前記第１の工程は第１の研磨材を用いて研磨によ
り行い、前記第２の工程はドライエッチングにより行
う、こと特徴とする２８又は２９に記載の積層体の製造
方法。３１前記第１の工程は第１の研磨材を用いて研磨によ
り行い、前記第２の工程は前記第１の研磨材より小さな
粒径の第２の研磨材を用いて研磨により行う、ことを特
徴とする２８又は２９に記載の積層体の製造方法。３２前記第１の研磨材の平均粒径は２〜５μｍであ
る、ことを特徴とする、３０又は３１に記載の積層体の
製造方法。３３前記第２の工程はリアクティブイオンエッチング
により行う、ことを特徴とする３０に記載の積層体の製
造方法。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明において第１の工程を経た後の基
板の状態を示す模式図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）
は平面図である。

【図２】図２は本発明において第２の工程を経た後の基
板の状態を示す模式図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）
は平面図である。

【図３】図３はフォトリソグラフィ工程を含む方法によ
って、基板表面を凹凸面にする方法を模式的に示す断面
図である。

【図４】図４はドット状の凹凸面を有する基板を示す平
面図である。

【図５】図５は基板上に形成されたテクスチャー構造の
バッファ層を模式的に示す断面図である。

【図６】図６は基板の上にIII族窒化物系化合物半導体
層を形成した状態を模式的に示す断面図である。

【図７】図７はこの発明の実施例において第１の工程を
経た後の基板の平面を示す写真である。

【図８】図８はこの発明の実施例において第２の工程を
経た後の基板の平面を示す写真である。

【図９】図９はこの発明の実施例の発光素子の構成を模
式的に示す断面図である。

【図１０】図１０は実施例の発光素子を組み込んだ発光
装置の構成を模式的に示す断面図である。

【図１１】図１１は図１０に示した発光装置の部分拡大
図である。

【図１２】図１２は実施例の発光素子を組み込んだ他の
態様の発光装置の構成を模式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１、２１、３０１基板３平坦面５凸部７段差面１０、２３、２４、２５ III族窒化物系化合物半導体
層１２、２２バッファ層２０発光素子１００、２００発光装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西島和樹愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１番地豊田合成株式会社内 (72)発明者伊藤潤愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１番地豊田合成株式会社内 (72)発明者柴田直樹愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１番地豊田合成株式会社内 (72)発明者林稔真愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１番地豊田合成株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA40 CA04 CA40 CA65 CA66 CA74 CA75 CA77

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】その表面を凹凸面とした基板と、該凹凸面の上に形成されたバッファ層であって、III族
窒化物系化合物半導体で形成されてその表面がテクスチ
ャー構造、断面台形状、若しくはピット状であるバッフ
ァ層と、該バッファ層の上に形成されるIII族窒化物系化合物半
導体層と、を備えてなる、III族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項２】前記凹凸面の凸部の頂部は実質的に平坦
面であり、該平坦面は前記基板の表面において面積比で
ほぼ５０％以上である、ことを特徴とする請求項１に記
載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項３】前記凹凸面において、凹部と凸部の高低
差がほぼ０．０７〜３μｍである、ことを特徴とする請
求項１又は２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光
素子。
【請求項４】前記凹凸面はフォトリソグラフィにより
形成されたものである、ことを特徴とする請求項１〜３
のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素
子。
【請求項５】前記凹凸面は基板の表面を粗面化し、該
粗面の頂部を除去して得られたものである、ことを特徴
とする請求項１〜３の何れかに記載のIII族窒化物系化
合物半導体発光素子。
【請求項６】基板表面に凹凸面を形成する工程、該凹凸面の上にIII族窒化物系化合物半導体で形成され
てその表面がテクスチャー構造、断面台形状、若しくは
ピット状であるバッファ層を形成する工程、該バッファ層の上にIII族窒化物系化合物半導体発光素
子層を形成する工程、を含み、各工程において前記基板の温度は実質的に一定温度に保
たれる、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体
発光素子の製造方法。
【請求項７】フォトリソグラフィにより前記基板表面
の凹凸面を形成する、ことを特徴とする請求項６に記載
のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】前記表面を粗面化する第１の工程（フォ
トリソ工程を除く）と、前記粗面の凸部の頂部を除去して平坦化する第２の工程
と、により前記基板表面の凹凸面を形成する、ことを特徴と
する請求項６に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光
素子の製造方法。
【請求項９】前記第２の工程により、前記基板表面の
ほぼ５０％以上を平坦面とする、ことを特徴とする請求
項８に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製
造方法。
【請求項１０】前記第１の工程は第１の研磨材を用い
て研磨により行い、前記第２の工程はドライエッチング
により行う、こと特徴とする請求項８又は９に記載のII
I族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】前記第１の工程は第１の研磨材を用い
て研磨により行い、前記第２の工程は前記第１の研磨材
より小さな粒径の第２の研磨材を用いて研磨により行
う、ことを特徴とする請求項８又は９に記載のIII族窒
化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】前記第１の研磨材の平均粒径は２〜５
μｍである、ことを特徴とする、請求項１０又は１１に
記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方
法。
【請求項１３】前記第２の工程はリアクティブイオン
エッチングにより行う、ことを特徴とする請求項１０に
記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方
法。