JP2004006662A - 窒化ガリウム系化合物半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化ガリウム系化合物半導体素子における光の取り出し効率向上。
【解決手段】上記目的を達成するため、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる発光素子において、前記窒化ガリウム系化合物半導体素子の側面が凹凸を有することを特徴とし、前記凹凸のサイズが７０ｎｍ以上であり、前記凹凸がエピ部分、及び／又は、基板部分に形成されていることにより取り出し効率が向上した。
【選択図】 図１
【解決手段】上記目的を達成するため、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる発光素子において、前記窒化ガリウム系化合物半導体素子の側面が凹凸を有することを特徴とし、前記凹凸のサイズが７０ｎｍ以上であり、前記凹凸がエピ部分、及び／又は、基板部分に形成されていることにより取り出し効率が向上した。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は基板上に一般式ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移を有し、バンドギャップが１．９５ｅＶ〜６ｅＶまで変化し、その発光色は紫外から赤色にまで及ぶため、発光ダイオード、レーザダイオード等、発光素子の材料として有望視されている。その窒化ガリウム系化合物半導体よりなる発光素子は、一般にＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ法等の気相成長法を用いて基板上にｎ型及びｐ型、あるいはｉ型に成長して積層し、電極を形成すべき層から電極を取り出した後、チップ状としてリードフレームに固定し、最後にエポキシ等の樹脂で封止することによって得られる。
【０００３】
しかしながら、その窒化ガリウム系化合物半導体素子は、基板との屈折率の関係で発光した光が窒化ガリウム系化合物半導体を導波するか、基板部分を導波するかが決まる。サファイア基板のように窒化ガリウム系化合物半導体より屈折率が低いものを使用すると、光が窒化ガリウム系化合物半導体を導波し、ＧａＮ基板のように窒化ガリウム系化合物半導体と同程度の屈折率の基板を使用すると、光が窒化ガリウム系化合物半導体と基板部分の両方を導波し、ＳｉＣ基板のように窒化ガリウム系化合物半導体より屈折率が高いものを使用すると、光が基板部分を導波する。
【０００４】
前記のように異種基板の上に、窒化ガリウム系化合物半導体という全く異なる材料を積層するいわゆるヘテロエピタキシャル構造をとる場合、他のＧａＡｓ、ＧａＰ等、同一材料の上に積層される発光素子に比して、基板とエピタキシャル膜との屈折率の違いにより外部量子効率が悪くなるという欠点を有している。具体的にはサファイアやＳｉＣ等基板と窒化ガリウム系化合物半導体との屈折率の違い、および窒化ガリウム系化合物半導体素子とそれを封止する樹脂との屈折率の違いにより、窒化ガリウム系化合物半導体の発光がそれらの界面で多重反射されて、反射光は窒化ガリウム系化合物半導体内部で吸収されてしまい、発光を効率よく外部に取り出せないという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
窒化ガリウム系化合物半導体基板と窒化ガリウム系化合物半導体素子、および封止樹脂との多重反射を抑制し、外部量子効率を向上させて、発光効率を向上させることができる。従って、本発明はこのような事情を鑑み成されたものであり、その目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半導体内部の光の多重反射を抑えることにより、窒化ガリウム系化合物半導体素子の外部量子効率を向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
我々は窒化ガリウム系化合物半導体内部の多重反射を抑制し、外部量子効率を上げるため数々の実験を行ったところ、内部で反射する光を窒化ガリウム系化合物半導体の側面で乱反射させることにより、上記問題が解決できることを新たに見いだした。よって、窒化ガリウム系化合物半導体基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる発光素子において、前記窒化ガリウム系化合物半導体素子の側面が凹凸を有することを特徴とする。これにより光取り出し面方向に放射された光の取り出し面における全反射が抑制され、光の取り出し効率がよくなる。特に、前記凹凸の高さが３５ｎｍ以上であると効果が顕著に現れる。これは凹凸の高さ（図８（ｂ），図９（ｂ）において定義）がλ／２ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）以上でより効果的であるためである。凹凸高さがλ／２ｎより小さければ光が乱反射しにくくなるため、光の波長と屈折率から３５ｎｍ以上でより効果的になる。凹凸の角度は図７（ｂ），図８（ｂ）において定義する。０°〜９０°までの角度を取ることができる。０°は全く加工なしの状態を意味し、９０°は作製不可能である。
凹凸形状は図８と図９のようなパターンが代表的であるが、これらの形状に限定されない。単に定義するために特定形状にしただけであり、光の進行方向を変化させるような凹凸形状であれば全て含まれる。図８形状を狙ってマスクを施し、エッチングを行っても程度の差はあるが角が丸められ図９形状に近付く方向にある。図９は出射端面からの光の指向性が高まる。すなわち図８においては凹凸から発生した光が隣接する凸部に最入射する問題があるが、図９形状においては程度の差はあるがそのような問題は発生し難く、本願発明をより有効に発現させることが可能になる。
【０００７】
また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体素子は、前記凹凸が窒化ガリウム系化合物半導体、及び／又は、基板部分に形成されている。窒化ガリウム系化合物半導体のみに凹凸を形成するか、基板部分のみに凹凸を形成するか、窒化ガリウム系化合物半導体と基板部分の両方に凹凸を形成するかは加工のしやすさや、相対屈折率によって変わる。図１のように凹凸形成を行おうとしてもエッチング条件によっては図５のような凹凸形状になる場合がある。これは電極面側からエッチングしており、Ｐ電極に近い側ほどエッチング環境にさらされるためであるが、これにより凹凸加工がメサ状になりｐ電極側への光の指向性が向上し、フェイスアップ実装するに当たり有利に作用する。逆にフェイスダウン実装をする場合は基板側からエッチングし、凹凸加工をメサ状にするのがより有効になり好ましい。
【０００８】
また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体素子は、前記基板が窒化ガリウム系化合物半導体より屈折率が低い場合においては、窒化ガリウム系化合物半導体にのみ凹凸を有する。また、前記基板が窒化ガリウム系化合物半導体と屈折率が同程度である場合においては、窒化ガリウム系化合物半導体及び基板部分に凹凸を有する。また、前記基板が窒化ガリウム系化合物半導体より屈折率が高い場合においては、基板部分にのみ凹凸を有する。光は屈折率の高い部分を優先的に導波するため、屈折率の高い部分の側面にのみ凹凸を有すると効果はある。もちろん屈折率の低い部分も少なからず光が導波するため、屈折率の低い部分の側面に凹凸を有するとより一層効果が上がる。
【０００９】
また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体素子は、前記凹凸が窒化ガリウム系化合物半導体に形成されており、かつ、該凹凸が窒化ガリウム系化合物半導体最表面より少なくとも活性層まで形成されている。活性層で発光した光が、横方向に導波した場合、少なくとも活性層の側面まで凹凸を形成していると最表面で乱反射して量子効率が向上する。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体素子について説明する。
【００１０】
図１，２，３，４，５は、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式的斜視図である。
図６は、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式的断面図である。
図７は、従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式的斜視図である。
図８は凹凸形状を三角形状にした場合の図である。（ａ）は、端面加工を施した窒化ガリウム系化合物半導体の端面加工部に着目した平面図である。（ｂ）は、凹凸を特定するための高さと角度を定義付けした図である。
図９は凹凸形状を波型形状にした場合の図である。（ａ）は、端面加工を施した窒化ガリウム系化合物半導体の端面加工部に着目した平面図である。（ｂ）は、凹凸を特定するための高さと角度を定義付けした図である。
図１０は、窒化ガリウム系化合物半導体素子の凹凸形状（高さ・角度）と効率アップを示す図である。
図１１は、凹凸の角度と光の取り出し効率のＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図である。
図１２は、凹凸の角度と効率アップのＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図である。
尚、本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、本発明の第１の窒化ガリウム系化合物半導体素子に関係した素子であるが、本発明に係る第１の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、以下に説明する実施の形態の素子構造に限定されるものではない。
本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、図６に示すように、基板１上に、バッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層４、アンドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ及びアンドープの上層５ｃの３層からなるｎ側第１多層膜５、第３及び第４の窒化物半導体層よりなるｎ側第２多層膜層６、多重量子井戸構造の活性層７、ｐ型不純物を中濃度ドープの多層膜又は単一膜のｐ型クラッド層８、ｐ型不純物を低濃度ドープのｐ型低濃度ドープ層９、ｐ型不純物を高濃度ドープのｐ型コンタクト層１０が順に積層された構造を有する。
更にｎ型コンタクト層４上にｎ電極１３を介しｎパッド電極１４が、ｐ型コンタクト層１０上にｐ電極１１を介しｐパッド電極１２がそれぞれ形成されている。
更に窒化ガリウム系化合物半導体素子の側面に凹凸を形成する。
以下、本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体素子の各要素について詳細に説明する。
【００１１】
本発明において、基板１としては、サファイアＣ面、Ｒ面又はＡ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ１２Ｏ４）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板、ＺｒＢ２等の半金属基板を用いることができる。
【００１２】
本発明において、バッファ層２としては、一般式ＧａｄＡｌ１−ｄＮ（但しｄは０＜ｄ≦１の範囲である。）で表される窒化物半導体を用いることができるが、結晶性の良好な層とするために、Ａｌの割合０．０５〜０．８の範囲が好ましい。
バッファ層２の膜厚は、０．００２〜０．５μｍとし、成長温度は、バッファ層２を良好な多結晶として形成し、この多結晶を種結晶としてバッファ層２の上に結晶性を良好な窒化物半導体を成長させるために、２００〜９００℃の範囲で設定する。
【００１３】
バッファ層２上にアンドープＧａＮ層３を成長させると結晶性の良好なアンドープＧａＮ層３を形成することができ、そのアンドープＧａＮ層３上に成長させるｎ側コンタクト層４などの結晶性も良好にできる。このアンドープＧａＮ層３の膜厚は１μｍ以上とする。膜厚をこの範囲に設定すると、ｎ側コンタクト層４及びその上に形成する層を結晶性良く成長できる。
【００１４】
次に、本発明において、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層４は、ｎ型不純物を５×１０１８／ｃｍ３以上の濃度で含有する。
【００１５】
ｎ型コンタクト層４は、一般式ＩｎｅＡｌｆＧａ１−ｅ−ｆＮ（０≦ｅ、０≦ｆ、ｅ＋ｆ≦１）で表される材料で構成できるが、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を得るために、ＧａＮ又はｆ値０．２以下のＡｌｆＧａ１−ｆＮとすることが好ましい。また、ｎ型コンタクト層４の膜厚は１〜１０μｍとする。
【００１６】
次に、本実施の形態において、ｎ側第１多層膜層５は、基板側から、アンドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ、アンドープの上層５ｃの３層から構成されている。
これら下層５ａ〜上層５ｃを構成する窒化物半導体としては、ＩｎｇＡｌｈＧａ１−ｇ−ｈＮ（０≦ｇ＜１、０≦ｈ＜１）で表される種々の組成の窒化物半導体を用いることができる。
【００１７】
本発明において、ｎ側第１多層膜層５の膜厚は２０００〜６０００オングストロームとする。
第１多層膜層５の膜厚は、下層５ａ、中間層５ｂ、及び上層５ｃの各膜厚を適宜調整することにより、総膜厚を前記の範囲とすることができる。
【００１８】
アンドープの下層５ａの膜厚は１０００〜５０００オングストロームとする。
【００１９】
ｎ型不純物ドープの中間層５ｂの膜厚は１５０〜４００オングストロームとする。この不純物がドープされた中間層５ｂは、キャリア濃度を十分高くして発光出力を比較的大きくする機能を有する層であり、この層を形成しない発光素子は、形成した発光素子に比べて発光出力が低下する。
また、膜厚が１０００オングストロームを超えると逆に発光出力が低下する。ｎ型不純物のドープ量は５×１０１８／ｃｍ３以上の濃度とする。
【００２０】
アンドープの上層５ｃの膜厚は２５〜１５０オングストロームとする。このアンドープの上層５ｃは、リーク電流の防止に大きく関与する層である。
【００２１】
次に、本発明において、ｎ側第２多層膜層６は、Ｉｎを含む第３の窒化物半導体層と、その第３の窒化物半導体層と異なる組成を有する第４の窒化物半導体層とを積層することにより構成する。このｎ側第２多層膜層６において、第３の窒化物半導体層、第４の窒化物半導体層はそれぞれ少なくとも２層以上積層し合計で４層以上積層する。
ｎ側第２多層膜層６において、第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚は５０オングストローム以下にする。
【００２２】
例えば、第３の窒化物半導体層をＩｎＧａＮとし、第４の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＩｎＧａＮからなる第３の窒化物半導体層のＩｎの組成比を、活性層に接近するに従って次第に多くしたり、また少なくしたりすることにより、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成することができ、多層膜層内部において屈折率を変化させることができる。なおＩｎ組成比が減少するに従い、屈折率は小さくなる。
【００２３】
本発明において、多重量子井戸構造の活性層７は、Ｉｎ及びＧａを含有する窒化物半導体、ＩｎａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜１）で形成される。
【００２４】
井戸層の膜厚としては１０〜５０オングストロームに調整する。
一方、障壁層の厚さは１０〜３００オングストロームに調整する。障壁層の膜厚を前記範囲とすると出力を向上させることができる。
【００２５】
本発明において、ｐ型クラッド層８は、ｐ型低濃度ドープ層９とｐ型コンタクト層１０との中間の濃度（中濃度ドープ）となるように構成される。
【００２６】
多層膜ｐ型クラッド層８の多層膜を構成する第１、第２の窒化物半導体層の膜厚は、１０〜４０オングストロームの膜厚に調整され、第１窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との膜厚は、同一でも異なっていてもよい。このような膜厚の２種類の層を１ペアとして複数回積層して多層膜層を形成する。そして、多層膜ｐ型クラッド層８の総膜厚の調整は、この第１及び第２の窒化物半導体層の各膜厚を調整し積層回数を調整することにより行う。多層膜ｐ型クラッド層８の総膜厚は、特に限定されないが、５００オングストローム以下である。
第１の窒化物半導体層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）を成長させることが望ましく、第２の窒化物半導体は好ましくはＡｌｐＧａ１−ｐＮ（０≦ｐ＜１、ｎ＞ｐ）、ＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ≦１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物半導体を成長させることが望ましい。
【００２７】
前記ｐ型クラッド層にドープされるｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第ＩＩＡ族、ＩＩＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。
【００２８】
次に、本発明において、ｐ型不純物を低濃度でドープしたｐ型低濃度ドープ層９は、一般式ＩｎｒＡｌｓＧａ１−ｒ−ｓＮ（０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１、ｒ＋ｓ＜１）で表される種々の窒化物半導体を用いて形成することができるが、好ましくはＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）又はＡｌｓＧａ１−ｓＮ（０≦ｓ＜１）で表される３元混晶の窒化物半導体、より好ましくは結晶性の点から２元混晶のＧａＮよりなる窒化物半導体を用いて形成する。
【００２９】
本発明において、ｐ型低濃度ドープ層９の膜厚は、１０００〜４０００オングストロームに設定する。
【００３０】
次に、本発明において、ｐ型不純物の高濃度ドープのｐ型コンタクト層１０は、前記低濃度ドープ層９と同様に、一般式ＩｎｒＡｌｓＧａ１−ｒ−ｓＮ（０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１、ｒ＋ｓ＜１）で表される窒化物半導体を用いて形成することができるが、結晶性の良好な層を形成するために、好ましくは３元混晶の窒化物半導体、より好ましくはＩｎ、Ａｌを含まない二元混晶のＧａＮからなる窒化物半導体とする。更にｐ型コンタクト層１０をＩｎ、Ａｌを含まない２元混晶とすると、ｐ電極１１とのオーミック接触をより良好とでき、発光効率を向上させることができる。
ｐ型コンタクト層１０の膜厚は、０．０５〜０．２μｍとする。
【００３１】
反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００３２】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層４の表面を露出させる。エッチング時のマスクパターンを工夫することによって、窒化ガリウム系化合物半導体側面や基板側面に凹凸を形成することができる。
【００３３】
また、窒化ガリウム系化合物半導体側ではなく、基板側にのみ凹凸を形成する場合は、ｎ型コンタクト層を表面に露出させる前後に基板側から特定形状の保護膜を形成し、エッチングする。凹凸のサイズは発光波長と屈折率に依存する。すなわち凹凸の高さがλ／２ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）以上でより効果的であるためである。これよりも凹凸が小さければ光が凹凸を感じにくくなり乱反射しにくくなる。この原理により３５ｎｍ以上の凹凸が有効になるが、これは上記の式に窒化ガリウム系化合物半導体の中で最も短い値である２００ｎｍ（２００〜６３５ｎｍ）を、屈折率としてはＳｉＣ：約２．８、ＧａＮ：約２．５、ＡｌＮ：約２．２、サファイア：約１．８であるため最も大きな値である約２．８を代入すると約３５ｎｍになる。確かに種々測定の結果、３５ｎｍを境に光の取り出し効率がアップしている。上限は一概に言えないが、チップサイズと同等ぐらいである。これ以上のサイズになると発光部分よりも凹凸部分の方が大きくなり光の取り出し効率そのものはアップするが単位体積あたりの能力は低下（発光部分が相対的に少なくなるため）する。
【００３４】
次に凹凸を形成する部位であるが、エピ部分と基板部分が考えられる。光はそもそも屈折率の高いところを伝播する性質があるため、エピと基板に屈折率差があるときは屈折の高い部分に凹凸を付けることで取り出し効率を高めることが出来る。すなわちエピ部分は主成分がＧａＮであるから２．０であるが、その基板として種々考えられるが、上記したＳｉＣ、ＧａＮ、サファイアが代表的である。ＳｉＣを使用する場合は、（基板の屈折率＞エピの屈折率）になるから、基板側に凹凸を設けることが有効である。基板にＧａＮを使用する場合は、（基板の屈折率≒エピの屈折率）になるから、基板とエピの両方に凹凸を設けることが有効である。基板にサファイアを使用する場合は、（基板の屈折率＜エピの屈折率）になるから、エピ側に凹凸を設けることが有効である。凹凸は周期的である必要が無く、サイズを揃える必要も無い。また、基板とエピの両方に凹凸を有する場合はむしろ基板とエピの屈折率の差を考慮して凹凸のサイズを変更するのが好ましい。
【００３５】
また、（基板の屈折率＜エピの屈折率）でエピ側に凹凸を設ける場合、少なくとも活性層まで形成されている方がより効果的である。基板とエピの屈折率と凹凸の関係は前述したが、エピ内でも同様のことが言える。すなわち、エピ内において活性層は屈折率が高くなっている。よって、活性層で発光した光は活性層内部を積層方向に対し水平に伝播する傾向にある。よって、活性層の部位に凹凸があるとより効果的である。
【００３６】
サファイア等の絶縁基板を使用する場合やＧａＮ基板を使用する場合は、ｐｎ両電極がＧａＮ表面に形成されることになる。ｎ型ＧａＮ層の表面にはＴｉとＡｌよりなるｎ電極が形成され、ｐ型ＧａＮの表面にはＮｉとＡｕよりなるｐ電極が形成される。この電極材料を選択することにより、ｎ電極およびｐ電極はそれぞれの層と良好なオーミック接触が得られ、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．６Ｖと非常に良好な特性を示している。
一方、導電性異種基板の裏面に電極を形成する場合は当該基板とのオーミック性を考慮して電極材を適宜選択する必要がある。
【００３７】
【実施例】
以下に本発明に係る実施例を示すが、本発明はこれに限定されない。
［実施例１］
図６を元に実施例１について説明する。
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
【００３８】
（バッファ層２）
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１上にＧａＮよりなるバッファ層２を約１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３９】
（アンドープＧａＮ層３）
バッファ層２成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層３を１．５μｍの膜厚で成長させる。
【００４０】
（ｎ型コンタクト層４）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４を２．２６５μｍの膜厚で成長させる。
【００４１】
（ｎ型第１多層膜層５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮからなる下層５ａを２０００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなる中間層５ｂを３００オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる上層５ｃを５０オングストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚２３５０オングストロームの第１多層膜層５を成長させる。
【００４２】
（ｎ型第２多層膜層６）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を２０オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第４＋第３の順で交互に１０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を４０オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるｎ型第２多層膜層６を６４０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４３】
（活性層７）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層を４層、交互に積層して、総膜厚１１２０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。
【００４４】
（中濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層８）
次に、温度１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを５×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用いＭｇを５×１０１９／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第１＋第２の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第１の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層８を３６５オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４５】
（低濃度ドープのｐ型低濃度ドープ層９）
続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型低濃度ドープ層９を２０００オングストロームの膜厚で成長させる。この低濃度ドープ層９は、成長時はアンドープとして成長させるが、中濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層８にドープされているＭｇが、低濃度ドープ層９を成長する間に拡散し、さらに下記の高濃度ドープのｐ型コンタクト層１０を成長させる際にＭｇが拡散し、低濃度ドープ層９はｐ型を示す。
この低濃度ドープ層９のＭｇ濃度は、最も濃度が低い部分では、２×１０１８／ｃｍ３となる。また低濃度ドープ層９のＭｇ濃度の変化は、ｐ型クラッド層８に接している部分ではｐ型クラッド層のＭｇ濃度とほぼ同様の値を示すが、ｐ型クラッド層８から離れるに従い徐々に減少し、ｐ型コンタクト層１０と接近している付近（ｐ型コンタクト層１０を成長させる直前）でのＭｇ濃度がほぼ最低値を示す。
【００４６】
（高濃度ドープのｐ型コンタクト層１０）
続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０を１２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４７】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００４８】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層１０の表面又は側面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層１０側からエッチングを行い、ｎ型コンタクト層４の表面を露出させる。
【００４９】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、５，１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０μｍの凹凸を側面に形成する。
【００５０】
エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層１０のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極１１と、そのｐ電極１０の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１２を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたｎ型コンタクト層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１２を形成してＬＥＤ素子とする。
【００５１】
このＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、Ｖｆは３．５Ｖで発光させた結果を図１０に図示する。４５°において効率が低下しているが、これは端面で反射させずに取り出すことを目的としているのであるが、角度が４５°の凹凸面は光学的に無加工面と等価である。すなわち無加工面で反射する光は４５°凹凸面でも反射する結果となり、凹凸加工の効果が薄くなる。
また、凹凸の高さは０〜４５°の範囲では凹凸の高さによらず凹凸の角度によってほぼ一義的に取り出し効率が決まるが、４５°〜９０°の範囲では凹凸のサイズに大きく依存する結果となった。凹凸の高さが高いほど効率が上がる事に関しては不明である。設計上の問題としては余り凹凸部分を大きくすると相対的に発光部分が小さくなり、サイズあたりの効率が低下することになる。よって突起の角度は０〜４５°が好ましく、より好ましくは５°〜４０°、さらに好ましくは１０°〜３０°が最も好ましい。凹凸の高さとしては、３５ｎｍ〜４０μｍが好ましい。
図１１に凹凸高さが２０μｍに対する凹凸の角度と光の取り出し効率のＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図を示す。基板の屈折率としてはＳｉＣ：約２．８、ＧａＮ：約２．５、ＡｌＮ：約２．２、サファイア：約１．８である。窒化ガリウム系化合物半導体素子の屈折率は約２．５である。空気の屈折率は１．０である。一方Ｅｐｏｘｙ樹脂の屈折率は約１．６であるため、基板に関係なく窒化ガリウム系化合物半導体から空気中（外部）に光を取り出すに関し、中間的な屈折率を有するＥｐｏｘｙが介在することによって界面反射が抑制され、取り出し効率は高いことが読み取れる。さらに中間的なＥｐｏｘｙが介在しても角度依存性は変化しないことも分かった。
図１２に凹凸高さが２０μｍに対する凹凸の角度と効率アップのＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図を示す。図１１が実際の光の取り出し量を図示したのに対し、図１２は無加工状態を１００％ととして規定し、その状態からの角度変化に対しての効率を表している。この図より凹凸の効果はＥｐｏｘｙ封止ができないときにはより効果が顕著に現れることが分かった。すなわち樹脂が劣化して樹脂封止ができない紫外線領域では本願は特に有効である。ここで封止材としてＥｐｏｘｙ樹脂に関して述べたが、これに限定される訳ではなく、ガラス、シリコーン、フッ素樹脂なども当然使用可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体素子はその側面を特定形状としていることにより、窒化ガリウム系化合物半導体層内の多重反射を抑えることができる。従って、窒化ガリウム系化合物半導体の発光を有効に外部に取り出すことができ、発光素子の外部量子効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図５】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図６】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す図１におけるＡ−Ｂ線での模式断面図である。
【図７】従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図８】（ａ）凹凸が三角形状の端面加工を施した窒化ガリウム系化合物半導体の端面加工部に着目した平面図である。（ｂ）三角形状の凹凸を特定するための高さと角度を定義付けした図である。
【図９】（ａ）凹凸が波型形状の端面加工を施した窒化ガリウム系化合物半導体の端面加工部に着目した平面図である。（ｂ）波型形状の凹凸を特定するための高さと角度を定義付けした図である。
【図１０】窒化ガリウム系化合物半導体素子の凹凸形状（高さ・角度）と効率アップを示す図である。
【図１１】凹凸の角度と光の取り出し効率のＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図である。
【図１２】凹凸の角度と効率アップのＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図である。
【符号の説明】
１・・・サファイア基板
２・・・バッファ層
３・・・アンドープＧａＮ層
４・・・ｎ型コンタクト層
５・・・ｎ型第１多層膜層
５ａ・・・アンドープの下層
５ｂ・・・ｎ型不純物ドープの中間層
５ｃ・・・アンドープの上層
６・・・ｎ型第２多層膜層
７・・・活性層
８・・・中濃度ドープのｐ型クラッド層
９・・・低濃度ドープのｐ型低濃度ドープ層
１０・・・高濃度ドープのｐ型コンタクト層
１１・・・ｐ電極
１２・・・ｐパッド電極
１３・・・ｎ電極
１４・・・ｎパッド電極
【産業上の利用分野】
本発明は基板上に一般式ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移を有し、バンドギャップが１．９５ｅＶ〜６ｅＶまで変化し、その発光色は紫外から赤色にまで及ぶため、発光ダイオード、レーザダイオード等、発光素子の材料として有望視されている。その窒化ガリウム系化合物半導体よりなる発光素子は、一般にＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ法等の気相成長法を用いて基板上にｎ型及びｐ型、あるいはｉ型に成長して積層し、電極を形成すべき層から電極を取り出した後、チップ状としてリードフレームに固定し、最後にエポキシ等の樹脂で封止することによって得られる。
【０００３】
しかしながら、その窒化ガリウム系化合物半導体素子は、基板との屈折率の関係で発光した光が窒化ガリウム系化合物半導体を導波するか、基板部分を導波するかが決まる。サファイア基板のように窒化ガリウム系化合物半導体より屈折率が低いものを使用すると、光が窒化ガリウム系化合物半導体を導波し、ＧａＮ基板のように窒化ガリウム系化合物半導体と同程度の屈折率の基板を使用すると、光が窒化ガリウム系化合物半導体と基板部分の両方を導波し、ＳｉＣ基板のように窒化ガリウム系化合物半導体より屈折率が高いものを使用すると、光が基板部分を導波する。
【０００４】
前記のように異種基板の上に、窒化ガリウム系化合物半導体という全く異なる材料を積層するいわゆるヘテロエピタキシャル構造をとる場合、他のＧａＡｓ、ＧａＰ等、同一材料の上に積層される発光素子に比して、基板とエピタキシャル膜との屈折率の違いにより外部量子効率が悪くなるという欠点を有している。具体的にはサファイアやＳｉＣ等基板と窒化ガリウム系化合物半導体との屈折率の違い、および窒化ガリウム系化合物半導体素子とそれを封止する樹脂との屈折率の違いにより、窒化ガリウム系化合物半導体の発光がそれらの界面で多重反射されて、反射光は窒化ガリウム系化合物半導体内部で吸収されてしまい、発光を効率よく外部に取り出せないという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
窒化ガリウム系化合物半導体基板と窒化ガリウム系化合物半導体素子、および封止樹脂との多重反射を抑制し、外部量子効率を向上させて、発光効率を向上させることができる。従って、本発明はこのような事情を鑑み成されたものであり、その目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半導体内部の光の多重反射を抑えることにより、窒化ガリウム系化合物半導体素子の外部量子効率を向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
我々は窒化ガリウム系化合物半導体内部の多重反射を抑制し、外部量子効率を上げるため数々の実験を行ったところ、内部で反射する光を窒化ガリウム系化合物半導体の側面で乱反射させることにより、上記問題が解決できることを新たに見いだした。よって、窒化ガリウム系化合物半導体基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる発光素子において、前記窒化ガリウム系化合物半導体素子の側面が凹凸を有することを特徴とする。これにより光取り出し面方向に放射された光の取り出し面における全反射が抑制され、光の取り出し効率がよくなる。特に、前記凹凸の高さが３５ｎｍ以上であると効果が顕著に現れる。これは凹凸の高さ（図８（ｂ），図９（ｂ）において定義）がλ／２ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）以上でより効果的であるためである。凹凸高さがλ／２ｎより小さければ光が乱反射しにくくなるため、光の波長と屈折率から３５ｎｍ以上でより効果的になる。凹凸の角度は図７（ｂ），図８（ｂ）において定義する。０°〜９０°までの角度を取ることができる。０°は全く加工なしの状態を意味し、９０°は作製不可能である。
凹凸形状は図８と図９のようなパターンが代表的であるが、これらの形状に限定されない。単に定義するために特定形状にしただけであり、光の進行方向を変化させるような凹凸形状であれば全て含まれる。図８形状を狙ってマスクを施し、エッチングを行っても程度の差はあるが角が丸められ図９形状に近付く方向にある。図９は出射端面からの光の指向性が高まる。すなわち図８においては凹凸から発生した光が隣接する凸部に最入射する問題があるが、図９形状においては程度の差はあるがそのような問題は発生し難く、本願発明をより有効に発現させることが可能になる。
【０００７】
また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体素子は、前記凹凸が窒化ガリウム系化合物半導体、及び／又は、基板部分に形成されている。窒化ガリウム系化合物半導体のみに凹凸を形成するか、基板部分のみに凹凸を形成するか、窒化ガリウム系化合物半導体と基板部分の両方に凹凸を形成するかは加工のしやすさや、相対屈折率によって変わる。図１のように凹凸形成を行おうとしてもエッチング条件によっては図５のような凹凸形状になる場合がある。これは電極面側からエッチングしており、Ｐ電極に近い側ほどエッチング環境にさらされるためであるが、これにより凹凸加工がメサ状になりｐ電極側への光の指向性が向上し、フェイスアップ実装するに当たり有利に作用する。逆にフェイスダウン実装をする場合は基板側からエッチングし、凹凸加工をメサ状にするのがより有効になり好ましい。
【０００８】
また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体素子は、前記基板が窒化ガリウム系化合物半導体より屈折率が低い場合においては、窒化ガリウム系化合物半導体にのみ凹凸を有する。また、前記基板が窒化ガリウム系化合物半導体と屈折率が同程度である場合においては、窒化ガリウム系化合物半導体及び基板部分に凹凸を有する。また、前記基板が窒化ガリウム系化合物半導体より屈折率が高い場合においては、基板部分にのみ凹凸を有する。光は屈折率の高い部分を優先的に導波するため、屈折率の高い部分の側面にのみ凹凸を有すると効果はある。もちろん屈折率の低い部分も少なからず光が導波するため、屈折率の低い部分の側面に凹凸を有するとより一層効果が上がる。
【０００９】
また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体素子は、前記凹凸が窒化ガリウム系化合物半導体に形成されており、かつ、該凹凸が窒化ガリウム系化合物半導体最表面より少なくとも活性層まで形成されている。活性層で発光した光が、横方向に導波した場合、少なくとも活性層の側面まで凹凸を形成していると最表面で乱反射して量子効率が向上する。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体素子について説明する。
【００１０】
図１，２，３，４，５は、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式的斜視図である。
図６は、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式的断面図である。
図７は、従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式的斜視図である。
図８は凹凸形状を三角形状にした場合の図である。（ａ）は、端面加工を施した窒化ガリウム系化合物半導体の端面加工部に着目した平面図である。（ｂ）は、凹凸を特定するための高さと角度を定義付けした図である。
図９は凹凸形状を波型形状にした場合の図である。（ａ）は、端面加工を施した窒化ガリウム系化合物半導体の端面加工部に着目した平面図である。（ｂ）は、凹凸を特定するための高さと角度を定義付けした図である。
図１０は、窒化ガリウム系化合物半導体素子の凹凸形状（高さ・角度）と効率アップを示す図である。
図１１は、凹凸の角度と光の取り出し効率のＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図である。
図１２は、凹凸の角度と効率アップのＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図である。
尚、本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、本発明の第１の窒化ガリウム系化合物半導体素子に関係した素子であるが、本発明に係る第１の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、以下に説明する実施の形態の素子構造に限定されるものではない。
本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体素子は、図６に示すように、基板１上に、バッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層４、アンドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ及びアンドープの上層５ｃの３層からなるｎ側第１多層膜５、第３及び第４の窒化物半導体層よりなるｎ側第２多層膜層６、多重量子井戸構造の活性層７、ｐ型不純物を中濃度ドープの多層膜又は単一膜のｐ型クラッド層８、ｐ型不純物を低濃度ドープのｐ型低濃度ドープ層９、ｐ型不純物を高濃度ドープのｐ型コンタクト層１０が順に積層された構造を有する。
更にｎ型コンタクト層４上にｎ電極１３を介しｎパッド電極１４が、ｐ型コンタクト層１０上にｐ電極１１を介しｐパッド電極１２がそれぞれ形成されている。
更に窒化ガリウム系化合物半導体素子の側面に凹凸を形成する。
以下、本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体素子の各要素について詳細に説明する。
【００１１】
本発明において、基板１としては、サファイアＣ面、Ｒ面又はＡ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ１２Ｏ４）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板、ＺｒＢ２等の半金属基板を用いることができる。
【００１２】
本発明において、バッファ層２としては、一般式ＧａｄＡｌ１−ｄＮ（但しｄは０＜ｄ≦１の範囲である。）で表される窒化物半導体を用いることができるが、結晶性の良好な層とするために、Ａｌの割合０．０５〜０．８の範囲が好ましい。
バッファ層２の膜厚は、０．００２〜０．５μｍとし、成長温度は、バッファ層２を良好な多結晶として形成し、この多結晶を種結晶としてバッファ層２の上に結晶性を良好な窒化物半導体を成長させるために、２００〜９００℃の範囲で設定する。
【００１３】
バッファ層２上にアンドープＧａＮ層３を成長させると結晶性の良好なアンドープＧａＮ層３を形成することができ、そのアンドープＧａＮ層３上に成長させるｎ側コンタクト層４などの結晶性も良好にできる。このアンドープＧａＮ層３の膜厚は１μｍ以上とする。膜厚をこの範囲に設定すると、ｎ側コンタクト層４及びその上に形成する層を結晶性良く成長できる。
【００１４】
次に、本発明において、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層４は、ｎ型不純物を５×１０１８／ｃｍ３以上の濃度で含有する。
【００１５】
ｎ型コンタクト層４は、一般式ＩｎｅＡｌｆＧａ１−ｅ−ｆＮ（０≦ｅ、０≦ｆ、ｅ＋ｆ≦１）で表される材料で構成できるが、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を得るために、ＧａＮ又はｆ値０．２以下のＡｌｆＧａ１−ｆＮとすることが好ましい。また、ｎ型コンタクト層４の膜厚は１〜１０μｍとする。
【００１６】
次に、本実施の形態において、ｎ側第１多層膜層５は、基板側から、アンドープの下層５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ、アンドープの上層５ｃの３層から構成されている。
これら下層５ａ〜上層５ｃを構成する窒化物半導体としては、ＩｎｇＡｌｈＧａ１−ｇ−ｈＮ（０≦ｇ＜１、０≦ｈ＜１）で表される種々の組成の窒化物半導体を用いることができる。
【００１７】
本発明において、ｎ側第１多層膜層５の膜厚は２０００〜６０００オングストロームとする。
第１多層膜層５の膜厚は、下層５ａ、中間層５ｂ、及び上層５ｃの各膜厚を適宜調整することにより、総膜厚を前記の範囲とすることができる。
【００１８】
アンドープの下層５ａの膜厚は１０００〜５０００オングストロームとする。
【００１９】
ｎ型不純物ドープの中間層５ｂの膜厚は１５０〜４００オングストロームとする。この不純物がドープされた中間層５ｂは、キャリア濃度を十分高くして発光出力を比較的大きくする機能を有する層であり、この層を形成しない発光素子は、形成した発光素子に比べて発光出力が低下する。
また、膜厚が１０００オングストロームを超えると逆に発光出力が低下する。ｎ型不純物のドープ量は５×１０１８／ｃｍ３以上の濃度とする。
【００２０】
アンドープの上層５ｃの膜厚は２５〜１５０オングストロームとする。このアンドープの上層５ｃは、リーク電流の防止に大きく関与する層である。
【００２１】
次に、本発明において、ｎ側第２多層膜層６は、Ｉｎを含む第３の窒化物半導体層と、その第３の窒化物半導体層と異なる組成を有する第４の窒化物半導体層とを積層することにより構成する。このｎ側第２多層膜層６において、第３の窒化物半導体層、第４の窒化物半導体層はそれぞれ少なくとも２層以上積層し合計で４層以上積層する。
ｎ側第２多層膜層６において、第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層の内の少なくとも一方の膜厚は５０オングストローム以下にする。
【００２２】
例えば、第３の窒化物半導体層をＩｎＧａＮとし、第４の窒化物半導体層をＧａＮとした場合、ＩｎＧａＮからなる第３の窒化物半導体層のＩｎの組成比を、活性層に接近するに従って次第に多くしたり、また少なくしたりすることにより、実質的に組成傾斜した窒化物半導体層を形成することができ、多層膜層内部において屈折率を変化させることができる。なおＩｎ組成比が減少するに従い、屈折率は小さくなる。
【００２３】
本発明において、多重量子井戸構造の活性層７は、Ｉｎ及びＧａを含有する窒化物半導体、ＩｎａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜１）で形成される。
【００２４】
井戸層の膜厚としては１０〜５０オングストロームに調整する。
一方、障壁層の厚さは１０〜３００オングストロームに調整する。障壁層の膜厚を前記範囲とすると出力を向上させることができる。
【００２５】
本発明において、ｐ型クラッド層８は、ｐ型低濃度ドープ層９とｐ型コンタクト層１０との中間の濃度（中濃度ドープ）となるように構成される。
【００２６】
多層膜ｐ型クラッド層８の多層膜を構成する第１、第２の窒化物半導体層の膜厚は、１０〜４０オングストロームの膜厚に調整され、第１窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との膜厚は、同一でも異なっていてもよい。このような膜厚の２種類の層を１ペアとして複数回積層して多層膜層を形成する。そして、多層膜ｐ型クラッド層８の総膜厚の調整は、この第１及び第２の窒化物半導体層の各膜厚を調整し積層回数を調整することにより行う。多層膜ｐ型クラッド層８の総膜厚は、特に限定されないが、５００オングストローム以下である。
第１の窒化物半導体層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）を成長させることが望ましく、第２の窒化物半導体は好ましくはＡｌｐＧａ１−ｐＮ（０≦ｐ＜１、ｎ＞ｐ）、ＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ≦１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物半導体を成長させることが望ましい。
【００２７】
前記ｐ型クラッド層にドープされるｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第ＩＩＡ族、ＩＩＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。
【００２８】
次に、本発明において、ｐ型不純物を低濃度でドープしたｐ型低濃度ドープ層９は、一般式ＩｎｒＡｌｓＧａ１−ｒ−ｓＮ（０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１、ｒ＋ｓ＜１）で表される種々の窒化物半導体を用いて形成することができるが、好ましくはＩｎｒＧａ１−ｒＮ（０≦ｒ＜１）又はＡｌｓＧａ１−ｓＮ（０≦ｓ＜１）で表される３元混晶の窒化物半導体、より好ましくは結晶性の点から２元混晶のＧａＮよりなる窒化物半導体を用いて形成する。
【００２９】
本発明において、ｐ型低濃度ドープ層９の膜厚は、１０００〜４０００オングストロームに設定する。
【００３０】
次に、本発明において、ｐ型不純物の高濃度ドープのｐ型コンタクト層１０は、前記低濃度ドープ層９と同様に、一般式ＩｎｒＡｌｓＧａ１−ｒ−ｓＮ（０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１、ｒ＋ｓ＜１）で表される窒化物半導体を用いて形成することができるが、結晶性の良好な層を形成するために、好ましくは３元混晶の窒化物半導体、より好ましくはＩｎ、Ａｌを含まない二元混晶のＧａＮからなる窒化物半導体とする。更にｐ型コンタクト層１０をＩｎ、Ａｌを含まない２元混晶とすると、ｐ電極１１とのオーミック接触をより良好とでき、発光効率を向上させることができる。
ｐ型コンタクト層１０の膜厚は、０．０５〜０．２μｍとする。
【００３１】
反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００３２】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層４の表面を露出させる。エッチング時のマスクパターンを工夫することによって、窒化ガリウム系化合物半導体側面や基板側面に凹凸を形成することができる。
【００３３】
また、窒化ガリウム系化合物半導体側ではなく、基板側にのみ凹凸を形成する場合は、ｎ型コンタクト層を表面に露出させる前後に基板側から特定形状の保護膜を形成し、エッチングする。凹凸のサイズは発光波長と屈折率に依存する。すなわち凹凸の高さがλ／２ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）以上でより効果的であるためである。これよりも凹凸が小さければ光が凹凸を感じにくくなり乱反射しにくくなる。この原理により３５ｎｍ以上の凹凸が有効になるが、これは上記の式に窒化ガリウム系化合物半導体の中で最も短い値である２００ｎｍ（２００〜６３５ｎｍ）を、屈折率としてはＳｉＣ：約２．８、ＧａＮ：約２．５、ＡｌＮ：約２．２、サファイア：約１．８であるため最も大きな値である約２．８を代入すると約３５ｎｍになる。確かに種々測定の結果、３５ｎｍを境に光の取り出し効率がアップしている。上限は一概に言えないが、チップサイズと同等ぐらいである。これ以上のサイズになると発光部分よりも凹凸部分の方が大きくなり光の取り出し効率そのものはアップするが単位体積あたりの能力は低下（発光部分が相対的に少なくなるため）する。
【００３４】
次に凹凸を形成する部位であるが、エピ部分と基板部分が考えられる。光はそもそも屈折率の高いところを伝播する性質があるため、エピと基板に屈折率差があるときは屈折の高い部分に凹凸を付けることで取り出し効率を高めることが出来る。すなわちエピ部分は主成分がＧａＮであるから２．０であるが、その基板として種々考えられるが、上記したＳｉＣ、ＧａＮ、サファイアが代表的である。ＳｉＣを使用する場合は、（基板の屈折率＞エピの屈折率）になるから、基板側に凹凸を設けることが有効である。基板にＧａＮを使用する場合は、（基板の屈折率≒エピの屈折率）になるから、基板とエピの両方に凹凸を設けることが有効である。基板にサファイアを使用する場合は、（基板の屈折率＜エピの屈折率）になるから、エピ側に凹凸を設けることが有効である。凹凸は周期的である必要が無く、サイズを揃える必要も無い。また、基板とエピの両方に凹凸を有する場合はむしろ基板とエピの屈折率の差を考慮して凹凸のサイズを変更するのが好ましい。
【００３５】
また、（基板の屈折率＜エピの屈折率）でエピ側に凹凸を設ける場合、少なくとも活性層まで形成されている方がより効果的である。基板とエピの屈折率と凹凸の関係は前述したが、エピ内でも同様のことが言える。すなわち、エピ内において活性層は屈折率が高くなっている。よって、活性層で発光した光は活性層内部を積層方向に対し水平に伝播する傾向にある。よって、活性層の部位に凹凸があるとより効果的である。
【００３６】
サファイア等の絶縁基板を使用する場合やＧａＮ基板を使用する場合は、ｐｎ両電極がＧａＮ表面に形成されることになる。ｎ型ＧａＮ層の表面にはＴｉとＡｌよりなるｎ電極が形成され、ｐ型ＧａＮの表面にはＮｉとＡｕよりなるｐ電極が形成される。この電極材料を選択することにより、ｎ電極およびｐ電極はそれぞれの層と良好なオーミック接触が得られ、Ｉｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．６Ｖと非常に良好な特性を示している。
一方、導電性異種基板の裏面に電極を形成する場合は当該基板とのオーミック性を考慮して電極材を適宜選択する必要がある。
【００３７】
【実施例】
以下に本発明に係る実施例を示すが、本発明はこれに限定されない。
［実施例１］
図６を元に実施例１について説明する。
サファイア（Ｃ面）よりなる基板１をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
【００３８】
（バッファ層２）
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１上にＧａＮよりなるバッファ層２を約１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３９】
（アンドープＧａＮ層３）
バッファ層２成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層３を１．５μｍの膜厚で成長させる。
【００４０】
（ｎ型コンタクト層４）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４を２．２６５μｍの膜厚で成長させる。
【００４１】
（ｎ型第１多層膜層５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮからなる下層５ａを２０００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮからなる中間層５ｂを３００オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる上層５ｃを５０オングストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚２３５０オングストロームの第１多層膜層５を成長させる。
【００４２】
（ｎ型第２多層膜層６）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を２０オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第４＋第３の順で交互に１０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を４０オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるｎ型第２多層膜層６を６４０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４３】
（活性層７）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層を４層、交互に積層して、総膜厚１１２０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。
【００４４】
（中濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層８）
次に、温度１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを５×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用いＭｇを５×１０１９／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第１＋第２の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第１の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層８を３６５オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４５】
（低濃度ドープのｐ型低濃度ドープ層９）
続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型低濃度ドープ層９を２０００オングストロームの膜厚で成長させる。この低濃度ドープ層９は、成長時はアンドープとして成長させるが、中濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層８にドープされているＭｇが、低濃度ドープ層９を成長する間に拡散し、さらに下記の高濃度ドープのｐ型コンタクト層１０を成長させる際にＭｇが拡散し、低濃度ドープ層９はｐ型を示す。
この低濃度ドープ層９のＭｇ濃度は、最も濃度が低い部分では、２×１０１８／ｃｍ３となる。また低濃度ドープ層９のＭｇ濃度の変化は、ｐ型クラッド層８に接している部分ではｐ型クラッド層のＭｇ濃度とほぼ同様の値を示すが、ｐ型クラッド層８から離れるに従い徐々に減少し、ｐ型コンタクト層１０と接近している付近（ｐ型コンタクト層１０を成長させる直前）でのＭｇ濃度がほぼ最低値を示す。
【００４６】
（高濃度ドープのｐ型コンタクト層１０）
続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０を１２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４７】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００４８】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層１０の表面又は側面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層１０側からエッチングを行い、ｎ型コンタクト層４の表面を露出させる。
【００４９】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、５，１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０μｍの凹凸を側面に形成する。
【００５０】
エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層１０のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極１１と、そのｐ電極１０の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１２を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたｎ型コンタクト層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１２を形成してＬＥＤ素子とする。
【００５１】
このＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、Ｖｆは３．５Ｖで発光させた結果を図１０に図示する。４５°において効率が低下しているが、これは端面で反射させずに取り出すことを目的としているのであるが、角度が４５°の凹凸面は光学的に無加工面と等価である。すなわち無加工面で反射する光は４５°凹凸面でも反射する結果となり、凹凸加工の効果が薄くなる。
また、凹凸の高さは０〜４５°の範囲では凹凸の高さによらず凹凸の角度によってほぼ一義的に取り出し効率が決まるが、４５°〜９０°の範囲では凹凸のサイズに大きく依存する結果となった。凹凸の高さが高いほど効率が上がる事に関しては不明である。設計上の問題としては余り凹凸部分を大きくすると相対的に発光部分が小さくなり、サイズあたりの効率が低下することになる。よって突起の角度は０〜４５°が好ましく、より好ましくは５°〜４０°、さらに好ましくは１０°〜３０°が最も好ましい。凹凸の高さとしては、３５ｎｍ〜４０μｍが好ましい。
図１１に凹凸高さが２０μｍに対する凹凸の角度と光の取り出し効率のＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図を示す。基板の屈折率としてはＳｉＣ：約２．８、ＧａＮ：約２．５、ＡｌＮ：約２．２、サファイア：約１．８である。窒化ガリウム系化合物半導体素子の屈折率は約２．５である。空気の屈折率は１．０である。一方Ｅｐｏｘｙ樹脂の屈折率は約１．６であるため、基板に関係なく窒化ガリウム系化合物半導体から空気中（外部）に光を取り出すに関し、中間的な屈折率を有するＥｐｏｘｙが介在することによって界面反射が抑制され、取り出し効率は高いことが読み取れる。さらに中間的なＥｐｏｘｙが介在しても角度依存性は変化しないことも分かった。
図１２に凹凸高さが２０μｍに対する凹凸の角度と効率アップのＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図を示す。図１１が実際の光の取り出し量を図示したのに対し、図１２は無加工状態を１００％ととして規定し、その状態からの角度変化に対しての効率を表している。この図より凹凸の効果はＥｐｏｘｙ封止ができないときにはより効果が顕著に現れることが分かった。すなわち樹脂が劣化して樹脂封止ができない紫外線領域では本願は特に有効である。ここで封止材としてＥｐｏｘｙ樹脂に関して述べたが、これに限定される訳ではなく、ガラス、シリコーン、フッ素樹脂なども当然使用可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体素子はその側面を特定形状としていることにより、窒化ガリウム系化合物半導体層内の多重反射を抑えることができる。従って、窒化ガリウム系化合物半導体の発光を有効に外部に取り出すことができ、発光素子の外部量子効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図５】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図６】本発明の一実施の形態である窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す図１におけるＡ−Ｂ線での模式断面図である。
【図７】従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す模式斜視図である。
【図８】（ａ）凹凸が三角形状の端面加工を施した窒化ガリウム系化合物半導体の端面加工部に着目した平面図である。（ｂ）三角形状の凹凸を特定するための高さと角度を定義付けした図である。
【図９】（ａ）凹凸が波型形状の端面加工を施した窒化ガリウム系化合物半導体の端面加工部に着目した平面図である。（ｂ）波型形状の凹凸を特定するための高さと角度を定義付けした図である。
【図１０】窒化ガリウム系化合物半導体素子の凹凸形状（高さ・角度）と効率アップを示す図である。
【図１１】凹凸の角度と光の取り出し効率のＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図である。
【図１２】凹凸の角度と効率アップのＡｉｒ封止とＥｐｏｘｙ封止の相関図である。
【符号の説明】
１・・・サファイア基板
２・・・バッファ層
３・・・アンドープＧａＮ層
４・・・ｎ型コンタクト層
５・・・ｎ型第１多層膜層
５ａ・・・アンドープの下層
５ｂ・・・ｎ型不純物ドープの中間層
５ｃ・・・アンドープの上層
６・・・ｎ型第２多層膜層
７・・・活性層
８・・・中濃度ドープのｐ型クラッド層
９・・・低濃度ドープのｐ型低濃度ドープ層
１０・・・高濃度ドープのｐ型コンタクト層
１１・・・ｐ電極
１２・・・ｐパッド電極
１３・・・ｎ電極
１４・・・ｎパッド電極
Claims (7)
- 基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる発光素子において、前記窒化ガリウム系化合物半導体素子の側面が凹凸を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子。
- 前記凹凸の高さが３５ｎｍ以上である請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
- 前記凹凸が窒化ガリウム系化合物半導体、及び／又は、基板部分に形成されている請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
- 前記基板が窒化ガリウム系化合物半導体より屈折率が低い場合においては、窒化ガリウム系化合物半導体にのみ凹凸を有する請求項３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
- 前記基板が窒化ガリウム系化合物半導体と屈折率が同程度である場合においては、窒化ガリウム系化合物半導体及び基板部分に凹凸を有する請求項３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
- 前記基板が窒化ガリウム系化合物半導体より屈折率が高い場合においては、基板部分にのみ凹凸を有する請求項３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
- 前記凹凸が窒化ガリウム系化合物半導体に形成されており、かつ、該凹凸が窒化ガリウム系化合物半導体最表面より少なくとも活性層まで形成されている請求項２乃至請求項５に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。
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