JP2003332618A

JP2003332618A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2003332618A
Application number: JP2002135064A
Authority: JP
Inventors: Takahide Shiroichi; 隆秀城市; Kazuyuki Tadatomo; 一行只友
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-11-21
Anticipated expiration: 2022-05-10
Also published as: JP3889662B2

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｓｉ基板を用いながらも、改善された発光強
度を有するＧａＮ系発光素子、およびその製造方法を提
供すること。【解決手段】Ｓｉ基板上に、バッファ層を介してまた
は直接的に、ＧａＮ系結晶層からなる積層構造を形成
し、該積層構造は、電流注入によって発光可能なよう
に、ｐ型層と、ｎ型層と、これらの間に位置する発光層
とを有する。Ｓｉ基板の下面には開口を設け、該開口の
内部には、バッファ層および／または積層構造が露出し
ている。これによって、発光層から下方へ発せられた光
のうち、開口に達した光は、Ｓｉ基板で吸収されること
なく、開口を通って外界に出て行くことが可能となり、
発光出力が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ系半導体発
光素子（以下、ＧａＮ系発光素子ともいう）に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来のＧａＮ系発光素子の最も代表的な
構造は、結晶成長のための最初の出発基板としてサファ
イア基板を用い、該基板上にＧａＮ系結晶層（ｎ型層、
ｐ型層を含む）を順次成長させた素子構造となってい
る。

【０００３】しかし、サファイア基板は、基板自体の製
作工程が複雑でありかつ高品質な基板が得られにくいた
めに、コストが高く、また大面積の結晶基板が得られ
ず、ＧａＮ系発光素子のコスト低減化を阻害している。
そこで本発明者らは、大面積で高品質でありかつ安価な
結晶基板を用いることに着目し、この要件に合致した結
晶基板として、Ｓｉ基板に着目した。Ｓｉ基板は、シリ
コンウエハとして知られるように、融液からの結晶引き
上げ法で得られる高品質なバルク結晶から大量に生産で
きる、高品質でかつ安価な結晶基板である。

【０００４】しかし、格子定数の不整合や熱膨張係数の
不整合のために、Ｓｉ基板上には未だ高品質なＧａＮ系
結晶が成長し難い。転位などの結晶欠陥を多量に含んだ
低品質のＧａＮ系結晶からなる発光層では、強い光を発
生させることができず、よってＳｉ基板は高効率ＧａＮ
系発光素子用の基板としては用いられていない。またさ
らに、本発明者等がＳｉ基板を用いてＧａＮ系発光素子
を実際に製作したところ、高品質なＧａＮ系結晶が成長
し難いという問題だけでなく、ＧａＮ系結晶が発する緑
色〜紫外の短波長光がＳｉ基板に吸収されるために、外
部への光の取り出し量がさらに低くなっているというこ
とがわかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
問題を解決し、Ｓｉ基板を用いながらも、改善された発
光強度を有するＧａＮ系発光素子、およびその製造方法
を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は以下の特徴を有
するものである。（１）Ｓｉ基板上に、バッファ層を介してまたは直接的
に、ＧａＮ系結晶層からなる積層構造が形成され、該積
層構造は、電流注入によって発光可能なように、ｐ型層
と、ｎ型層と、これらの間に位置する発光層とを有し、
Ｓｉ基板の下面には開口が設けられ、該開口の内部に
は、バッファ層および／または積層構造が露出している
ことを特徴とする、ＧａＮ系半導体発光素子。

【０００７】（２）上記開口の内部に露出しているバッ
ファ層および／または積層構造が、凹凸を呈している、
上記（１）記載のＧａＮ系半導体発光素子。

【０００８】（３）当該ＧａＮ系半導体発光素子が、出
力光を積層構造の上方側から取り出すように用いられる
ものであって、上記開口の内部に露出しているバッファ
層および／または積層構造の露出面に、発光層からの光
を上方へ反射する反射コーティングが設けられている、
上記（１）または（２）記載のＧａＮ系半導体発光素
子。

【０００９】（４）当該ＧａＮ系半導体発光素子が、出
力光を基板側から取り出すように用いられるものであっ
て、上記積層構造には、発光層よりも上層側に、発光層
からの光を下方へ反射する反射構造が設けられている、
上記（１）または（２）記載のＧａＮ系半導体発光素
子。

【００１０】（５）上記開口の内部に露出しているバッ
ファ層および／または積層構造の露出面に、発光層から
の光が上方に反射することを抑制し通過させる反射防止
膜が設けられている、上記（１）、（２）、（４）のい
ずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子。

【００１１】（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記
載のＧａＮ系半導体発光素子を製造するための方法であ
って、Ｓｉ基板上に、バッファ層を介してまたは直接的
に、ＧａＮ系結晶層からなる上記積層構造を気相成長に
よって形成する工程と、該工程の後に、Ｓｉ基板に、該
基板の下面の側から開口を加工し、該開口内にバッファ
層および／または積層構造を露出させる工程とを、有す
ることを特徴とする、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方
法。

【００１２】（７）Ｓｉ基板上にバッファ層を介してま
たは直接的に上記積層構造を形成するに際し、上記Ｓｉ
基板上面に凹凸を形成し、バッファ層を介してまたは直
接的に、該凹凸を覆うようにＧａＮ系結晶層を成長させ
ることを特徴とする上記（６）記載の製造方法。

【００１３】（８）上記凹凸が、成長するＧａＮ系結晶
にとって〈１１−２０〉方向または〈１−１００〉方向
の凹溝を一定間隔で配置してなるストライプ状の凹凸で
ある、上記（７）記載の製造方法。

【００１４】本明細書で用いている「上層」、「下面」
などの上下方向を示す語句は、Ｓｉ基板を下側とみなす
ことによって、各層の位置関係や光の進行方向を明確に
示して説明するためのものであって、素子構造の絶対的
な上下方向を限定するものではなく、素子の実装方向
（実装時の姿勢）を限定するものでもない。また、当該
ＧａＮ系発光素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導
体レーザ（ＬＤ）などであってよい。積層構造中のｐ型
層、ｎ型層は、どちらが下側（Ｓｉ基板側）であっても
よいが、高品質な結晶を得やすいことなどの製造上の理
由から、ｎ型の層を下側とする態様が好ましい。以下の
説明では、ＧａＮ系ＬＥＤを例として挙げ、積層構造中
のｐ／ｎの上下位置関係はｎ型が下側である場合を例と
して挙げるが、これらの態様に限定するものではない。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明によるＧａＮ系発
光素子の構成を、製造方法に言及しながら図を用いて説
明する。本発明によるＧａＮ系発光素子は、図１（ａ）
の素子構造の断面図、図１（ｂ）の素子下面を見せた斜
視図に示すように、Ｓｉ基板１上にＧａＮ系結晶層から
なる積層構造Ｓを成長させてなる構造を有する。以下、
Ｓｉ基板を単に「基板」ともいう。積層構造Ｓは、ｐ型
層３と、ｎ型層５と、これらの間に位置する発光層４と
を有し、さらにｎ型電極（下部電極）Ｐ１、ｐ型電極
（上部電極）Ｐ２が設けられ、電流注入によって発光可
能な発光素子構造となっている。Ｓｉ基板１には開口ｍ
が設けられ、該開口の内部には、バッファ層及び／又は
積層構造（図１の例ではバッファ層の下面）が露出する
構成となっている。

【００１６】上記構成とすることによって、発光層から
下方へ発せられた光のうち、開口（切り欠き）ｍに達し
た光Ｌは、Ｓｉ基板で吸収されることなく、開口を通っ
て外界に出て行くことが可能となり、発光出力が向上す
る。従って、基板側から光を取り出すべく基板を上側と
する実装（所謂、フリップチップ実装、またはアップサ
イドダウン）によって、当該ＧａＮ系発光素子の有用性
は顕著となる。また、後述するように、基板を下側とす
る実装（以下、「通常姿勢の実装」という）の場合であ
っても、開口によって露出した積層構造の界面を反射面
として利用することによって、発光層から下方へ発せら
れた光を上方へ反射するように作用させることも可能で
あり、発光出力は向上する。残存するＳｉ基板は、フリ
ップチップ実装であれば発光層から発せられた光のうち
の一部の光の取出しを阻害する危惧が、また通常姿勢の
実装であれば発光層から発せられた光の一部を吸収する
危惧が若干はある。しかし、残存するＳｉ基板と対向す
る部分にｐ電極を形成せず、Ｓｉ基板が残存しない部分
と対向する発光層部分を発光させることなどによってか
かる危惧は容易に解消することができる。

【００１７】ｐ型層、ｎ型層、発光層の位置関係など、
発光素子を構成するための積層構造内の基本的な層の配
置構成、各層に用いるＧａＮ系材料の組合わせなどは限
定されず、従来公知のＧａＮ系発光素子の積層構造部分
を参照してよい。ただし、Ｓｉ基板は半導体であるか
ら、図１（ａ）のｎ型電極Ｐ１のように、電極を基板に
形成することが可能である。図１の例では、積層構造Ｓ
の構成は、下側から順に、ＧａＮ系ｎ型コンタクト層３
（ｎ型クラッド層と兼用）、ＧａＮ系発光層４、ＧａＮ
系ｐ型コンタクト層６が気相成長によって積層されたも
のとなっている。コンタクト層やクラッド層などは、専
用の層として設けてもよい。電極Ｐ１、Ｐ２は、電流注
入が可能なように、基板を含めた素子構造全体のｐ型
側、ｎ型側に適宜設けてよい。

【００１８】本発明でいう「ＧａＮ系半導体」または単
に「ＧａＮ系」とは、Ｉｎ_XＧａ_YＡｌ_ZＮ（０≦Ｘ≦
１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で示さ
れる化合物半導体であって、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、
ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどが重要な
化合物として挙げられる。

【００１９】積層構造における発光に係る構造は、ダブ
ルヘテロ接合構造（クラッド層／発光層（活性層）／ク
ラッド層）、量子井戸構造（単一量子井戸（ＳＱＷ）構
造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、ＳＱＷ構造が積層さ
れたものなどをも含む）など、あらゆる発光可能な構造
であってよい。ＭＱＷ構造は、高出力、高効率の点で特
に好ましい構造である。発光層の材料としては、ＧａＮ
（発光波長３６５ｎｍ）、ＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成、活性
層・井戸層の幅の選択によって発光波長は制御できる）
などが挙げられ、これにＡｌ組成が加えられてもよい。

【００２０】本発明に利用し得るＳｉ基板は、六方晶系
のＧａＮ系結晶を成長させるためには、３回対称性を有
した（１１１）面が好ましく用いられる。

【００２１】Ｓｉ基板上にＧａＮ系結晶層からなる積層
構造を成長させるに際しては、必要に応じてバッファ層
を介在させてよい。好ましいバッファ層としては、Ｇａ
Ｎ系低温成長バッファ層およびＧａＮ系高温成長バッフ
ァ層が挙げられ、ＧａＮ低温成長バッファ層、ＡｌＮ低
温成長バッファ層、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造の低温成
長バッファ層、ＡｌＮ高温成長バッファ層、ＡｌＮ／Ｇ
ａＮ超格子構造の高温成長バッファ層などが好ましいも
のとして挙げられる。ＧａＮ系低温成長（高温成長）バ
ッファ層の材料、形成方法、形成条件は、公知技術を参
照すればよい。当該ＧａＮ系発光素子をフリップチップ
実装し、開口から光を取り出す場合、バッファ層を除去
しないのであれば、該バッファ層の材料は、発光層のＧ
ａＮ系材料よりも大きいバンドギャップのものを選択す
るのが好ましい。

【００２２】Ｓｉ基板に設ける開口は、発光層から発せ
られた光を外界に通過させ得るものであればよい。ここ
でいう開口とは、図１に示すような、Ｓｉ基板の下面中
央部を除去して形成した穴の態様（Ｓｉ基板の側面外周
が途切れることなく残っている態様）だけでなく、図２
（ｂ）に示すような、Ｓｉ基板の側面を一部除去した切
り欠きのような態様を含むものである。

【００２３】開口の形状、大きさ、配置パターンなどの
態様は限定されないが、外界へ通過する光量をより多く
すること、および、基板の機械的強度を損なわないこと
を考慮してこれら態様を決定することが好ましい。ま
た、基板の下面に形成される電極（下部電極）は、基板
の下面のうち、開口の残部に形成されることになる。下
部電極のパターンは、電流経路や電流量に直接関係し、
発光層での発光に大きな影響を与える。従って、開口の
態様は、下部電極のパターンをも考慮して決定すること
が好ましい。

【００２４】図２は、基板の下面（正方形のチップとし
ている）を見た図であって、開口にハッチングを施して
該開口の態様を例示している。図２（ａ）は、開口を、
基板の下面中央の穴として形成した態様である。この態
様は、開口が１つの大面積の通過口であり得ると共に、
基板の機械的強度も確保され、好ましい態様である。開
口形状は、素子分断されたベアチップの外周形状が通常
方形であることから、同図のように方形状とすることが
好ましいが、他の多角形、円形、楕円形など、任意の形
状であってもよい。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）の
態様からさらに基板の側壁部を除去した態様であり、図
２（ｃ）は、開口を基板下面の中央には設けず、基板側
部を切り欠いた態様を例示している。これらの態様は、
電極面積は、図２（ａ）の態様に比べて小さいが、光が
側方に広がりやすいという利点がある。

【００２５】開口形状によって残された基板下面の形状
は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような□型、Ｕ字型、Ｈ
型の他、Ｌ型、Ｘ（または＋）型、−型など、自由に設
計してよいが、上記したように、光の通過口としての良
否、基板としての機械的強度の良否、下部電極パターン
としての良否などを考慮することが好ましい。

【００２６】開口の面積は、素子外形の規模によって求
められる機械的強度も異なるが、例えば、基板下面の外
形が、一般的な発光素子のチップ外形に見られる一辺３
ｍｍ〜２００μｍ程度の場合には、該基板下面の面積の
９５％〜２５％程度を占めるような大きさが好ましい。
より具体的な一例をあげると、図２（ａ）の態様では、
基板下面の形状が１ｍｍ×１ｍｍの方形の場合、開口形
状は（０．９ｍｍ×０．９ｍｍ）〜（０．８ｍｍ×０．
８ｍｍ）程度の方形が好ましい例である。

【００２７】ここで、開口の形成方法、素子構造全体の
加工手順などを中心として、本発明の製造方法を説明す
る。当該製造方法では、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ
基板１上に、バッファ層を介してまたは直接的に、Ｇａ
Ｎ系結晶層からなる上記積層構造Ｓを気相成長によって
形成し、該工程の後に、図３（ｂ）に示すように、Ｓｉ
基板に、該基板の下面の側から開口ｍを加工し、該開口
内にバッファ層および／または積層構造を露出させる。
同図の例では、バッファ層の下面が露出している。電極
の加工時期は限定されないが、基板下面の下部電極につ
いては、基板の下面全面に電極を形成した後に、開口を
加工する手順が容易であり、開口内への電極の入り込み
も抑制される。図３では、電極は図示していない。

【００２８】開口の加工方法は限定されないが、開口パ
ターンの加工精度の点から、フォトリソグラフィ技術を
パターン形成に利用したエッチングが好ましい方法であ
る。エッチング自体は、例えば、ＨＣｌ等のガスを用い
た気相エッチングや、リン酸、硫酸、ＫＯＨ等のエッチ
ング液を用いたウエットエッチング、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃な
ど気相−固相界面における化学的・物理的反応を利用し
たドライエッチングなどが挙げられる。ＧａＮ系材料に
は影響を与えずＳｉ基板だけを選択的にエッチングでき
るウエットエッチング方法は、開口深さを制御する必要
が無いので好ましい。一方、Ｓｉ基板のみならず意図的
にバッファ層や積層構造の最下層の一部までも除去して
もよく、その場合には、両材料系に対して無差別的にエ
ッチング可能な物理的エッチング性の強いドライエッチ
ング方法を採用すればよい。

【００２９】本発明では、Ｓｉ基板上にＧａＮ系結晶層
からなる積層構造を気相成長させるに際し、図４、図５
に模式的に示すように、Ｓｉ基板１の表面に凹凸を形成
し、該凹凸を覆うようにＧａＮ系結晶層３を成長させ
て、該ＧａＮ系結晶層の転位密度を低減することを提案
する。これによって、発光強度はさらに向上する。

【００３０】ＧａＮ系結晶が凹凸を覆って成長すると
は、後述するように、凹部を空洞として残すように覆う
成長、凹部内にもＧａＮ系結晶が成長し空洞が残らない
ように覆う成長、これらの中間的な成長のいずれであっ
てもよい。Ｓｉ基板上へのＧａＮ系結晶成長にこのよう
な成長手法を取り入れることによって、ＧａＮ系結晶の
横方向（ラテラル）成長や、ファセット成長が可能にな
り、成長するＧａＮ系結晶層の転位密度を有効に低減す
ることができる。

【００３１】凹凸のパターンは、ドット状の凹部（また
は凸部）が配列されたパターン、直線状または曲線状の
凹溝（または凸尾根）が一定間隔・不定の間隔で配列さ
れたストライプ状や同心円状のパターンなどが挙げられ
る。凸尾根が格子状に交差したパターンは、ドット状
（角穴状）の凹部が規則的に配列されたパターンとみる
ことができる。凹凸の断面形状は、矩形（台形を含む）
波状が好ましいが、三角波状、サインカーブ状などであ
ってもよい。

【００３２】これら種々の凹凸態様の中でも、直線状の
凹溝（または凸尾根）が一定間隔で配列された、ストラ
イプ状の凹凸パターン（断面矩形波状）は、パターンの
作製が容易でありながら、優れた転位密度低減効果を示
すので好ましい。

【００３３】凹凸パターンをストライプ状とする場合、
そのストライプの長手方向は任意であってよいが、これ
を覆って成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉
方向（以下、特に断らない限り、結晶方位は全て成長す
るＧａＮ系結晶自体に関する方位である）とした場合、
横方向成長が抑制され、｛１−１０１｝面などの斜めフ
ァセットが形成され易くなる。この結果、図４（ａ）に
示すように、凹部底面、凸部上面に、三角形断面を呈す
るＧａＮ系結晶３ａを成長させることができる。２はバ
ッファ層である。ＧａＮ系結晶をいったん三角形断面を
呈するように成長させた時点で、成長温度を上昇させる
など成長条件を変えることによって、図４（ｂ）に示す
ように、上面が平坦化された結晶層３へと成長させるこ
とができる。この一連の操作によって、図４（ａ）の結
晶内にあった転位（Ｃ軸方向に伝播する）は、ファセッ
ト面（三角形の斜面）で横方向に曲げられ、ＧａＮ系結
晶層３の上面には転位密度の低い領域が生じ、発光層で
の高出力化に寄与する。以下、この成長法を「凹凸ファ
セット成長法」と呼ぶ。

【００３４】凹凸ファセット成長法を実施した後、図４
（ｃ）に示すように、Ｓｉだけを選択的に除去し得るエ
ッチングにて基板の下面側から開口ｍを加工すると、開
口内には、バッファ層２がＧａＮ系結晶層３と共に凹凸
（基板上面の凹凸を反転させたもの）を呈して現われる
ことになる。図４（ｃ）の例では、開口内に現われた凹
凸の表面はバッファ層２であって、一部にＧａＮ系結晶
層３が露出しているが、最初の基板凹凸へのバッファ層
の形成状態によっては、開口内にバッファ層だけが露出
する場合もある。また、バッファ層を介さない成長で
は、当然にＧａＮ系結晶層３だけが凹凸を呈して露出す
る。従って、これらの露出態様から、「開口の内部に
は、バッファ層および／または積層構造が露出してい
る」と言うことができる。開口内に露出したバッファ層
は、エッチングによって除去してもよい。

【００３５】一方、基板表面の凹凸パターンをストライ
プ状とし、そのストライプの長手方向を〈１−１００〉
方向とした場合、図５（ａ）に示すように、ＧａＮ系結
晶３ａは、先ず、専ら凸部の上部から成長を開始し、ラ
テラル（横）方向（Ｃ軸に垂直な方向）に高速成長し、
図５（ｂ）に示すように、凹部を空洞として残した状態
でＧａＮ系結晶層３となる。該結晶層のうち凹部を覆う
部位には、転位が伝播せず、高品質な部分が含まれる。
以下、この成長法を「凹凸ラテラル成長法」と呼ぶ。

【００３６】ただし、ストライプの長手方向を〈１−１
００〉方向にした場合であっても、ファセット面が形成
されやすい成長条件を選ぶ事により〈１１−２０〉方向
の場合と同様の効果を得ることができる。また、凹凸の
幅や段差の取り方によっては、凹部の内部にもＧａＮ系
結晶が成長し、十分な空洞が残らない場合もある。

【００３７】凹凸ラテラル成長を実施した後、図５
（ｃ）に示すように、Ｓｉだけを選択的に除去し得るエ
ッチングにて基板の下面側から開口ｍを加工すると、図
４（ｃ）の場合と同様、開口内には、バッファ層２がＧ
ａＮ系結晶層３と共に現われることになる。この場合、
上記の凹凸ファセット成長法の場合のような顕著な凹凸
にはならないが、基板の凹凸上への成長段階において凹
部内にＧａＮ系結晶が少しは入り込むために、多少の凹
凸を呈することになる。

【００３８】以上のように、Ｓｉ基板の凹凸面への結晶
成長によって、ＧａＮ系結晶の転位密度が低減され、リ
ーク電流の抑制、発光効率の向上など、転位密度低減自
体の効果によって発光素子の電気的・光学的特性がより
改善される。また、この場合に重要な点は、開口による
光吸収低減効果、基板凹凸による転位密度の低減効果と
いう個々の効果のみならず、開口加工によって凹凸面を
露出させた結果、光取出し効率が著しく向上する効果が
ある。即ち、通常実装の場合は、界面が空気層（或いは
反射防止膜、樹脂）と接するため反射率が向上する。ま
た、全反射角の制限でＬＥＤチップから脱出できなかっ
た光が、凹凸の効果で光の進行方向がランダム化され、
ＬＥＤチップの外部に取出され易くなる。フリップチッ
プ実装の場合は、光の取出し面が凹凸上になるため、上
記全反射角の制限が緩み、光取出し効率が向上する。

【００３９】凹凸の断面を矩形波状とする場合の好まし
い寸法は次のとおりである。凹溝の幅は、１μｍ〜２０
μｍ、特に２μｍ〜５μｍが好ましい。凸部の幅は、１
μｍ〜２０μｍ、特に２μｍ〜５μｍが好ましい。凹凸
の振幅（凹溝の深さ）は、凹部、凸部の内、広い方の２
０％以上の深さを確保することが好ましい。

【００４０】凹凸の加工方法としては、例えば、通常の
フォトリソグラフィ技術を用いて、目的の凹凸の態様に
応じてパターン化し、ＲＩＥ技術等を使ってエッチング
加工を施して目的の凹凸を得る方法などが例示される。

【００４１】ＧａＮ系結晶層の成長方法としては、ＨＶ
ＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが挙げられる。厚
膜を作製する場合はＨＶＰＥ法が好ましいが、薄膜を形
成する場合はＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法が好ましい。

【００４２】当該ＧａＮ系発光素子を通常姿勢の実装用
として光を上方側から取り出す場合には、図６（ａ）に
示すように、開口内に露出したバッファ層および／また
は積層構造の表面に反射コーティングＲ１を施し、開口
によって露出した界面を反射面として利用する態様が好
ましい。これによって、発光層から下方に向かった光Ｌ
１は、効率よく上方に反射され、素子としての出力がよ
り向上する。

【００４３】反射コーティングは、発光層から発せられ
た光を反射させ得るものであればよく、例えば、ＳｉＯ
₂／ＴｉＯ₂誘電体多層膜が挙げられる。また、反射コー
ティングの形成方法は、電子ビーム加熱真空蒸着法な
ど、公知技術を参照してもよい。

【００４４】また、当該ＧａＮ系発光素子をフリップチ
ップ実装用として出力光を基板側から取り出す場合に
は、発光層から上方に向かった光を下方へ反射する反射
構造を設ける態様が好ましい。反射構造としては、図６
（ｂ）に示すように、上部電極Ｐ２を高反射特性を有す
るように形成し反射鏡として用いる態様や、積層構造内
の発光層よりも上層側に多層のＧａＮ系結晶層からなる
ブラッグ反射層構造を設ける態様などが挙げられる。ま
たさらに、上記開口内に露出したＧａＮ系結晶層等の表
面に反射防止膜Ｑ１を形成し、外部への光取り出し率を
より高めてもよい。これらの態様によって、発光層から
上方に向かった光Ｌ１は下方に反射され、、さらに、開
口内露出面での反射が抑制され、出力がより向上する。

【００４５】上記反射防止膜としては、当該発光素子を
エポキシ樹脂で封止する態様の場合、発光波長（λ_p）
でのｐ型ＧａＮコンタクト層の屈折率をｎ_G、エポキシ
樹脂の屈折率をｎ_Rとすると、実効屈折率ｎがｎ_Gとｎ_R
の相乗平均となる材料からなり、かつｔ＝λ_p／４ｎな
る厚みの薄膜が好ましい。しかし、上記実効屈折率ｎに
近い屈折率の材料で、上記厚みｔに近い厚みの膜を形成
すれば反射防止効果は十分得られる。また、反射防止膜
の形成方法は、公知技術を参照してもよい。

【００４６】

【実施例】実施例１本実施例では、フリップチップ実装用の発光素子とし
て、図２（ａ）に示す開口形状、図４（ｃ）に示す開口
断面形状を有するＧａＮ系発光素子を形成した。Ｓｉ
（１１１）基板の面にフォトレジストによるストライプ
状のパターニング（幅３μｍ、周期６μｍ、ストライプ
方位：ストライプの長手方向が、その上に成長するＧａ
Ｎ結晶にとって〈１１−２０〉方向）を行い、１．５μ
ｍの深さまで断面方形となるよう湿式エッチングし、表
面がストライプ状パターンの凹凸となったＳｉ基板を得
た。

【００４７】フォトレジストを除去後、ＭＯＶＰＥ装置
に基板を装着し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温
し、サーマルクリーニングを行った。温度を３５０℃ま
で下げ、III族原料としてトリメチルアルミニウム（以
下ＴＭＡ）を、Ｎ原料としてアンモニアを流し、厚さ５
０ｎｍのＡｌＮ低温成長バッファ層を成長させた。

【００４８】続いて温度を１０００℃に昇温し、原料と
してトリメチルガリウムとアンモニアを流し、ｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を成長させ
た。結晶は、基板凸部の上面、凹部の底面から、断面三
角形でファセット面を含む尾根状の結晶（ファセット構
造）として発生した。ファセット構造を経由して凹部が
空洞として残らないようにかつ上面が平坦となるように
成長させた。

【００４９】続いて、ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層
からなるＭＱＷ構造、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型
ＧａＮコンタクト層を順に形成し、発光波長４００ｎｍ
の紫外線ＬＥＤ用エピ基板とした。

【００５０】続いて、Ｓｉ基板を適正な厚み（５０μｍ
〜１００μｍ程度）まで研磨し、Ｓｉ基板底面にはｎ型
電極を、ｐ型ＧａＮコンタクト層表面にはｐ型電極（反
射コーティングと兼用）を形成した。

【００５１】さらに、Ｓｉ基板をエッチングして開口
（内寸：２００μｍ×２００μｍ）を形成し、該開口内
に露出したＡｌＮ低温成長バッファ層の表面に反射防止
膜Ｑ１を形成し、素子分離を行い、ベアチップ状態のＬ
ＥＤ素子とした。

【００５２】（評価）上記で得られたＬＥＤ素子をフリ
ップチップ実装し、エポキシ樹脂で封止し、２０ｍＡ通
電にて波長４００ｎｍでの出力および駆動電圧を測定し
たところ、それぞれ１８ｍＷおよび３．８Ｖであった。

【００５３】また、上記と同じ条件で成長させたＧａＮ
系ＬＥＤのｎ型ＧａＮ層上面をカソードルミネッセンス
で観察し、転位密度を測定したところ、２×１０⁸ｃｍ
^-2であった。

【００５４】実施例２本実施例では、通常実装用の素子とすべく、ｐ型ＧａＮ
コンタクト層表面には透明ｐ型電極（反射防止膜と兼
用）を形成し、開口内に露出したＡｌＮ低温成長バッフ
ァ層の表面に反射コーティングを形成したこと以外は、
上記実施例１と同様にして、ＧａＮ系ＬＥＤを実際に製
作した。実施例１と同様の条件でＬＥＤを評価したとこ
ろ、出力は１６ｍＷ、駆動電圧は３．８Ｖであった。

【００５５】比較例１本比較例では、Ｓｉ基板の表面に凹凸を設けずに、上記
実施例１と同様のＧａＮ系結晶からなる素子構造を成長
させて、フリップチップ実装用のＧａＮ系発光素子を製
作した。また、基板の下面には開口を設けず、基板の下
面全面に透明電極を形成した。実施例１と同様の条件で
ＬＥＤを評価したところ、駆動電圧は３．８Ｖであった
が、出力は５ｍＷと低く、また、ｎ型ＧａＮ層上面の転
位密度は１×１０⁹ｃｍ^-2であった。

【００５６】

【発明の効果】以上のように、Ｓｉ基板に開口を設け、
さらこれに組合わせてＧａＮ系結晶の転位密度を低減さ
せたことによって、Ｓｉ基板を用いる場合でも、より高
出力のＧａＮ系半導体発光素子を提供することができる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＧａＮ系半導体発光素子の構造例
を示す模式図であり、（ａ）は素子構造の断面図、
（ｂ）は素子下面を見せた斜視図である。

【図２】本発明によるＧａＮ系半導体発光素子における
基板の下面（正方形のチップとしている）を見た図であ
って、開口にハッチングを施して該開口の態様を例示し
ている。

【図３】本発明によるＧａＮ系半導体発光素子の製造方
法の一例を模式的に示す断面図である。

【図４】本発明によるＧａＮ系半導体発光素子の製造方
法において、凹凸ファセット成長法によってＧａＮ系結
晶層を成長させる場合の構造を模式的に示す断面図であ
る。

【図５】本発明によるＧａＮ系半導体発光素子の製造方
法において、凹凸ラテラル成長法によってＧａＮ系結晶
層を成長させる場合の構造を模式的に示す断面図であ
る。

【図６】本発明によるＧａＮ系半導体発光素子の別の構
造例を模式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１Ｓｉ基板２バッファ層ＳＧａＮ系結晶層からなる積層構造Ｐ１電極Ｐ２電極ｍ開口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉ基板上に、バッファ層を介してまた
は直接的に、ＧａＮ系結晶層からなる積層構造が形成さ
れ、該積層構造は、電流注入によって発光可能なよう
に、ｐ型層と、ｎ型層と、これらの間に位置する発光層
とを有し、Ｓｉ基板の下面には開口が設けられ、該開口の内部に
は、バッファ層および／または積層構造が露出している
ことを特徴とする、ＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項２】上記開口の内部に露出しているバッファ
層および／または積層構造が、凹凸を呈している、請求
項１記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項３】当該ＧａＮ系半導体発光素子が、出力光
を積層構造の上方側から取り出すように用いられるもの
であって、上記開口の内部に露出しているバッファ層お
よび／または積層構造の露出面に、発光層からの光を上
方へ反射する反射コーティングが設けられている、請求
項１または２記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項４】当該ＧａＮ系半導体発光素子が、出力光
を基板側から取り出すように用いられるものであって、
上記積層構造には、発光層よりも上層側に、発光層から
の光を下方へ反射する反射構造が設けられている、請求
項１または２記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項５】上記開口の内部に露出しているバッファ
層および／または積層構造の露出面に、発光層からの光
が上方に反射することを抑制し通過させる反射防止膜が
設けられている、請求項１、２、４のいずれかに記載の
ＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載のＧａＮ
系半導体発光素子を製造するための方法であって、Ｓｉ基板上に、バッファ層を介してまたは直接的に、Ｇ
ａＮ系結晶層からなる上記積層構造を気相成長によって
形成する工程と、該工程の後に、Ｓｉ基板に、該基板の下面の側から開口
を加工し、該開口内にバッファ層および／または積層構
造を露出させる工程とを、有することを特徴とする、Ｇ
ａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】Ｓｉ基板上にバッファ層を介してまたは
直接的に上記積層構造を形成するに際し、上記Ｓｉ基板
上面に凹凸を形成し、バッファ層を介してまたは直接的
に、該凹凸を覆うようにＧａＮ系結晶層を成長させるこ
とを特徴とする請求項６記載の製造方法。
【請求項８】上記凹凸が、成長するＧａＮ系結晶にと
って〈１１−２０〉方向または〈１−１００〉方向の凹
溝を一定間隔で配置してなるストライプ状の凹凸であ
る、請求項７記載の製造方法。