JP2005129896A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子を提供する。
【解決手段】 一つ以上の曲面状突出部を含む基板を有する発光素子を提供することによって、半導体結晶層の成長及び発光素子の完成された形態においても均一の欠陥密度の制御及びストレス分布の制御が容易な基板及びこれを採用した発光素子を提供できる。また、発光層で発生した光の発光素子外部への抽出効率を高められる。
【選択図】 図３Ｃ

Description

本発明は、発光素子に係り、より詳細には発光素子に使われる基板の表面結晶方位を限定して、欠陥密度の制御及びストレス分布の制御が容易であり、光抽出効率を向上させた高効率発光素子に関する。

一般に、発光素子にはレーザーダイオード及び発光ダイオードがあり、このうち発光ダイオード(Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は化合物半導体の特性を用いて、電気エネルギーを赤外線、可視光線または光の形態に変換させ、信号の発信に使われる素子である。電気エネルギーを光エネルギーに変換させることは、温度輻射及び発光の２種に大別される。このときの発光には、光の励起によるＰＬ（ｐｈｏｔｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、Ｘ線や電子線の照射により発生するＣＬ（ｃａｔｈｏｄｅ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）及びＥＬ(ｅｌｅｃｔｒｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ)などがある。ここで発光ダイオードはＥＬの一種であり、現在III-Ｖ族化合物半導体を利用した発光ダイオードが実用化されている。

III族窒化物系化合物半導体は、直接遷移型半導体であり、他の半導体を用いた素子より高温で安定した動作が可能であるため、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ)などの発光素子に広く応用されている。このようなIII族窒化物系化合物半導体は、通常サファイア(Ａｌ_２Ｏ_３)を基板に用いてその上に形成されることが一般的である。

図１には、サファイア基板を使用したIII族窒化物系化合物半導体の一般的な構造を示した。サファイア基板１１の上部にｎ−ＧａＮ層１２が形成され、前記ｎ−ＧａＮ層１２上の一部に活性層１３、ｐ−ＧａＮ層１４、及びｐ型電極層１５が順次に形成される。そして、前記ｎ−ＧａＮ１２層上部の前記活性層１３が形成されていない部位にｎ型電極層１６が形成される。一般的なＬＥＤでは、内部の活性層で発生した光をいかに効率的に外部に抽出できるかが重要な課題である。

サファイア基板及び活性層の縦方向に発生した光を効率的に抽出するため、透明電極または反射層を形成する努力をしてきた。しかし、活性層で発生する光の相当量は横方向に伝播するので、これを縦方向に抽出するために、例えば半導体素子の積層構造側壁に所定の角度を形成させ、前記側壁を反射面に形成させる等の努力をしたが、その加工及び費用面で問題点がある。また、サファイア基板を使用したIII族窒化物系化合物半導体発光素子の光出力を向上させるために、フリップチップ形態の素子構造を採択しているが、光抽出効率はＧａＮとサファイア基板間の屈折率差により約４０％台に留まっている。

最近では、図２Ａに示したように、サファイア基板２１表面を加工して凹凸構造を形成させ、その上部に活性層２２を含んでいる半導体結晶層を形成させたＬＥＤ構造が紹介された。これは、活性層２２の下方に凹凸状の屈折率界面を形成させることによって、素子内部で消滅する横方向光の一部を外部に抽出可能にしたことである。

また、サファイア基板２１上にIII族窒化物系化合物半導体を形成させた場合、サファイア基板２１とIII族窒化物系化合物半導体との格子定数の不整合により転位が発生するという問題点がある。これを防止するために、図２ｂのようにサファイア基板２１表面に凹凸構造を導入して、その上にＧａＮ層２３を形成させた。このような凹凸構造を有するサファイア基板上にＬＥＤを形成させる工程を概略的に図２Ｃに示した。すなわち、図２Ｃの（ａ)のような凹凸構造を有するサファイア基板２１上に、ＧａＮ層２３を形成させる場合、図２Ｃの（ｂ）のように凹凸の上部及び各凹凸の側部でＧａＮがファセット成長２４し、このような成長が進行した後、図２Ｃの（ｃ）のような平坦化されたＧａＮ層２３を得る。このように平坦化されたＧａＮ層２３上部に活性層２２などを形成させて完成した発光ダイオードを図２Ｃの（ｄ）に示した。

前記のようにパターン化したサファイア基板(Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ：ＰＳＳ）を使用して半導体結晶層を成長させる場合、パターン上において実質的にファセット成長が行われた後に平坦化が進行するので、その平坦化のために相当な厚さに再成長させねばならないという問題点がある。

また、特許文献１、２には、サファイア基板に段差を形成させ、前記段差の上面及び側部でIII族窒化物系化合物半導体を成長させて、貫通転位を防止する構造が紹介されている。ところが、段差下段に空間が形成されて、成長層を平坦化させるためにはIII族窒化物系化合物半導体を相対的に厚く形成しなければならないという短所がある。

その他にサファイア基板上で半導体結晶層の再成長時、欠陥密度を減少させる方法としてＥＬＯＧ及びＰＥＮＤＥＯ法などが使われている。しかし、ＥＬＯＧの場合、別のマスク層が必要であり、ＰＥＮＤＥＯ法の場合、基板との界面部位に空洞が形成されて光抽出効率が低下するという問題点がある。
特開２００２−１６４２９６号公報 特開２００２−２８０６１１号公報

本発明は前記問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、パターニングされた基板上に発光層を含む発光素子を形成させる場合、その平坦化が効率的に進行し、かつ半導体結晶層の成長及び発光素子の完成された形態においても均一の欠陥密度の制御及びストレス分布の制御が容易な基板及び発光素子を提供することである。

また、本発明の目的は、発光層で発生した光の発光素子外部への抽出効率を高めうる発光素子を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明においては、基板及び前記基板上に活性層を含む半導体結晶層が形成されている発光素子において、
前記基板は、一つ以上の曲面状突出部を含み、前記曲面状突出部表面の結晶方位は、(０００１)面と相違した結晶方位を有する面からなることによって、その上部に形成されるIII族窒化物系化合物半導体の成長方位と相異なることを特徴とする発光素子を提供する。

本発明において、前記曲面状突出部表面の各部位の曲率は、０より大きく、前記曲面状突出部の形態は、半球状またはストライプ状でありうる。

本発明において、前記曲面状突出部の各表面は、(０００１)面と相違した結晶方位を有する。

本発明において、前記基板は、サファイアまたはＳｉ系基板である。

本発明において、前記半導体結晶層は、III族窒化物系化合物半導体であり、その構造は、例えばｎ−ＧａＮ層、前記ｎ−ＧａＮ層上の一部に活性層、ｐ−ＧａＮ層及びp型電極層が順次に形成され、前記ｎ−ＧａＮ層の上部の前記活性層が形成されていない部位にｎ型電極層が形成されることが望ましい。

また、本発明においては、基板及び前記基板上に活性層を含む半導体結晶層及び電極が形成されている発光素子の製造方法において、（ａ）平面基板上に一つ以上の曲面状突出部を形成させる段階と、（ｂ）前記基板上に活性層を含む半導体結晶層を形成させる段階と、を含むことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。

本発明において、前記（ａ）段階は、平面基板上にフォトレジストをパターニングする段階と、ハードベーキングを実施する段階と、前記基板面をエッチングして一つ以上の曲面状突出部を形成させる段階と、を含むことが望ましい。

本発明において、前記基板面をエッチングする場合、エッチングガスは、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、ＨＣｌ、ＣＣｌ_４、ＳｉＣｌ_４などのＣｌ系のガスのうち選択された何れか一つでありうる。

また、本発明においては、基板及び前記基板上にIII族窒化物系化合物半導体結晶層及び電極を形成させる発光素子の製造方法において、（ａ）前記基板の表面に一つ以上の曲面状突出部を形成させる段階と、（ｂ）前記曲面状突出部の間の基板の平坦面からIII族窒化物系化合物半導体結晶層を成長させ始めて、前記曲面状突出部表面を覆うまでに成長させる段階と、を含む発光素子の製造方法を提供する。

本発明によれば、曲面状突出部を有するようにパターニングされた上に発光層を含む発光素子を形成させる場合、その平坦化が効率的に進行し、半導体結晶層の成長及び発光素子の完成された形態において均一な欠陥密度の制御及びストレス分布の制御が容易であり、結果的に発光層で発生した光の発光素子外部への抽出効率を向上させることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る発光素子について詳細に説明する。

図３Ａは、本発明に係る発光素子の基板として使われるサファイア基板またはＳｉを含む基板の断面図である。図３Ａに示すように、本発明に係る発光素子の基板３１表面には曲面状の突出部３２が形成されている。このような突出部３２は、従来技術に関する図２Ａ〜図２Ｃの凹凸構造を有する基板の形状とは異なる。すなわち、図２Ａ〜図２Ｃの凹凸構造は、その上部及び側部が各々平面状なので上部及び側部が区別され、前記側部は基板２１面を基準として所定の角度に傾いた形態を示す。

しかし、本発明に係る図３Ａの基板３１の表面に形成されている突出部３２は、突出部３２全体が曲面であって、上部及び側部の区別がなく、平坦面が存在しない曲面状であることを特徴とする。したがって、突出部３２の各部位における曲率は０より大きい。前記突出部３２と前記基板３１との間を除いては角部が存在しない。これにより、本発明に係る発光素子の基板３１の突出部３２表面の結晶方位は、その上部に形成されるIII族窒化物系化合物半導体の結晶成長方位(ｃ軸)と異なる。すなわち、本発明に係る曲面状突出部３２の表面は、(０００１)面と相違した結晶成長面からなる。したがって、前記突出部３２の表面では前記III族窒化物系化合物半導体の成長がよくなされない。

図３Ｂは、前記図３Ａの基板３１の表面を示す斜視図である。突出部３２は、球の一部を切断した形態で、基板表面に存在する全ての突出部３２が同じサイズ、形態であるが、これに限定されず、突出部３２のサイズ、形態、及び突出部の各部位における曲率は少し差がありうる。例えば、突出部３２の下部側の曲率が上部側より大きい場合もあり、その反対の場合もありうる。また、突出部３２の形態は全体が曲面であり、半球状、ストライプ状、または曲がった蹄鉄状であってもよい。そして、突出部の配列形態にも制限がなく、格子型配列構造のように規則的な形態になっても、または不規則的な配列形態になっても良い。

本発明に係る発光素子の基板３１は、サファイア基板に限定されず、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素(ＳｉＣ）のようなIII族窒化物系化合物半導体を成長させる基板であれば使うことができる。

図３Ｃは、本発明に係る複数の曲面状突出部３２が形成されている基板３１を含むフリップチップ形態の発光素子の断面図である。図面を参考すれば、複数の曲面状突出部３２が形成されている基板３１上にｎ−ＧａＮ層３３が形成され、前記ｎ−ＧａＮ層３３上の一部に活性層３４、ｐ−ＧａＮ層３５及びp型電極層３６が順次に形成される。また、前記ｎ−ＧａＮ層３３上部の前記活性層３４が形成されていない部位にｎ型電極層３７が形成される。前記基板３１を除いた構造は、III族窒化物系化合物半導体発光素子とそれほど違いはない。このとき、前記基板３１上に形成させるIII族窒化物系化合物半導体は、ＧａＮに限定されず、ＡｌＮまたはＩｎＮのような２元系、その他３元系及び４元系を含む。

以下、本発明に係る発光素子の製造方法について説明する。基板表面に複数の曲面状突出部を形成させる工程の一実施の形態を次の通り説明する。

まず、平面基板上にフォトレジスト(ｐｈｏｔｏ ｒｅｓｉｓｔ:ＰＲ)をパターニングする。ここでは一般的な写真エッチング方法で進行し、基板のエッチング深さに対する目標値によって使われるフォトレジストの厚さが変わる。例えば、サファイア基板のエッチング深さが約１.２μmである場合、フォトレジストの厚さは約２μmにすることができる。

次に、ハードベーキングを実施する。この時の温度は約１１０℃である。

また、前記サファイア基板をエッチングするが、この時は、一般的なＲＩＥ(Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング)法で行う。本発明のような曲面状の突出部を基板上に形成させるため、エッチングガス、作動圧力及び作動パワーなどを適切に調節する。本実験ではエッチングガスとしてＣｌ_２／ＢＣｌ_３を使用し、作動圧力は３ｍＴｏｒｒ、作動パワーは８００Ｗを使用したが、これに限定されない。例えば、使われるエッチングガスとしては、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、ＨＣｌ、ＣＣｌ_４、ＳｉＣｌ_４などのＣｌ系のガスのうち何れか一つを選択することが望ましい。そして、作動圧力も使われるエッチングガスによって数ｍＴｏｒｒ〜数十ｍＴｏｒｒで調節でき、１〜４０ｍＴｏｒｒ程度であれば望ましい。

前記のような工程によって基板表面に複数の曲面状突出部を形成させうる。次に、前記基板の上部に発光素子の製作に必要なｎ−ＧａＮ層、活性層、ｐ−ＧａＮ層、p型電極層、及びｎ型電極層などを形成させる。本発明に係る発光素子において、基板３１の上部に形成される化合物半導体層は、従来の形態とそれほど違わず、その製造工程も公知の技術を使用すれば容易に実施できる。ただし、前記曲面状突出部を有する基板表面に発光素子の構造を形成させる場合、別のマスク層が必要ない。

このような製造工程を図４Ａ〜図４Ｄで概略的に示した。図４Ａ〜図４Ｄは本発明に係る発光素子の製造過程を示す断面図である。すなわち、図４Ａ及び図４Ｂは、平面基板３１の表面をエッチングして、曲面状突出部３２を有するサファイア基板３１を形成させる工程を示しており、図４Ｃは、前記曲面状突出部３２を有する基板上にＧａＮ層３３の初期成長形態を示す図面である。また、図４Ｄは、前記図４ＣのＧａＮ層３３を成長させ続けてその表面を平坦化したことを示す図面である。図４Ｃの平坦化されたｎ−ＧａＮ層３３の上部にその他の活性層３４及び電極層３６、３７を全部形成させて完成されたフリップチップ形態の発光素子が図３Ｃに示されている。曲面状突出部３２を有する基板３１及びＧａＮ界面上に空洞が形成されない。前記ＧａＮ層３３以後の活性層などの成長工程は従来技術によく記載されているので、ここでは省略する。

図４Ａ〜図４Ｄに示した発光素子形成形態は、前記図２Ｃに示した凹凸形態の表面を有する基板上に発光素子を形成させたものとは異なる。すなわち、本発明に係る発光素子でＧａＮ平坦化層３２を得る場合、前記ＧａＮが従来技術のようなファセット成長をせず、平坦化膜を得るためのＧａＮ層３２の厚さが相対的に薄くなる。また、エピタキシャル成長が行われるが、本発明の場合、突出部３２表面ではＧａＮ層３３の成長が容易に行われない。

本発明の場合、突出部３２の表面がその上部に形成されるIII族窒化物系化合物半導体の結晶成長方向と異なる結晶方位にするために曲面状突出部３２を形成させた。したがって、III族窒化物系化合物半導体の成長は突出部３２の間の基板３１表面、すなわち平坦部で始まり、その厚さが厚くなりつつ前記突出部３２の側部及び最上部を覆うことになる。

これを図５Ａ及び図５ＢのＳＥＭ写真を通じて確認した。図５Ａは、本発明の一実施の形態による曲面状突出部２の表面を有する基板３１上にＧａＮ層３３を塗布して平坦化する過程を示したものであり、図５Ｂは、従来技術による凹凸表面を有する基板３１上にＧａＮ層３３を塗布して平坦化する過程を示したものである。倍率は異なるが、基板３１の表面に形成された曲面状突出部３２及び平坦面を有する凹凸は全てその高さが同じ状態で製作された。同じ条件で２つの基板３１上にＧａＮ層３３を形成させながらＳＥＭ写真を撮影した結果を見れば、図５Ａの（ｂ）及び図５Ｂの（ｂ）で本発明と従来技術との差が明らかである。

すなわち、図５Ａの（ｂ）の場合、曲面状突出部３２の上部を除いてはＧａＮ層３３により基板３１の平坦化が進行した。一方、図５Ｂの（ｂ）の場合、凹凸部の上部及びその側面でＧａＮのファセット成長がなされており、平坦化程度も非常に低い状態である。また、本発明に係る図５Ａの（ｃ）の場合、曲形突出部３２を有する基板３１上部にＧａＮが塗布されながら完全な平坦化が行われた。ところが、図５Ｂの（ｃ）の場合、凹凸の上部は平坦化が行われたが、各凹凸の間には完全な平坦化ができていない状態である。

図６は、従来技術及び本発明に係る発光素子の光出力を比べるための図面である。ここで、Ａは、従来の平面基板１１上に形成させた発光素子を示し、前記図１の構造に該当する。Ｂは、従来の凹凸形態の表面を有する基板２１上に形成させた発光素子の構造を示し、前記図２Ｄに該当する。Ｃは、本発明に係る曲面状突出部３２を有する基板３１上に形成させた発光素子を示し、前記図３Ｃに該当する。

図６を参照すれば、平面基板１１上に発光素子を形成させたＡの場合に比べて、凹凸表面を有する基板２１上に発光素子を形成させたＢの光出力が約５０％向上し、曲面状突出部３２表面を有する基板３１上に発光素子を形成させたＣの光出力がＡに比べて約６０％以上向上したことが分かる。また、本発明に係る発光素子Ｃが凹凸表面の基板２１上に発光素子を形成させたＢに比べて光出力が約１０％以上向上したことが分かる。これは、曲面状突出部３２を有する基板３１を使うことによって、半導体結晶層間の界面形態が光経路を変更させる光学レンズを形成し、成長する半導体結晶層の欠陥密度を減少させたからである。

前記の説明において多くの事項が具体的に記載されているが、これは発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施の形態の例示として解釈すべきである。本発明の範囲は、説明された実施の形態ではなく特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されなければならない。例えば、本発明に係る発光素子の曲面状突出部はその上部に形成されるIII族窒化物系化合物半導体の結晶成長方向と異なればよく、その形状も半球状、ストライプ状、蹄鉄状であってもよく、かつ配列形態も規則的、不規則的の配列形態を全部含みうる。

本発明は、発光素子を製造する場合にその基板として広く利用できる。欠陥密度の制御及びストレス分布の制御を容易にして、光抽出効率を向上させる。

サファイア基板を使用したIII族窒化物系化合物半導体の一般的な構造を示す図面である。 従来技術によるサファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体を形成させた構造及び過程を示す図面である。 従来技術によるサファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体を形成させた構造及び過程を示す図面である。 従来技術による凹凸構造を有する基板上にＬＥＤを形成させる過程を概略的に示す図面である。 本発明に係る発光素子の基板を示す断面図である。 図３Ａの基板表面を示すＳＥＭ写真である。 本発明に係る曲面状突出部が形成された基板を含むフリップチップ形態の発光素子断面図である 本発明に係る発光素子の製造過程を示す断面図である。 本発明に係る発光素子の製造過程を示す断面図である。 本発明に係る発光素子の製造過程を示す断面図である。 本発明に係る発光素子の製造過程を示す断面図である。 本発明に係る曲面状突出部表面を有するサファイア基板上にＧａＮ層を塗布して平坦化させる過程を示すＳＥＭ写真である。 従来技術による上部が平坦な形態の凹凸表面を有するサファイア基板上にＧａＮ層を塗布して平坦化する過程を示すＳＥＭ写真である。 従来技術及び本発明に係る発光素子の光出力を比べるための図面である。

符号の説明

１１、２１、３１ サファイア基板、
１２、２３、３３ ｎ−ＧａＮ層、
１３、２２、３４ 活性層、
１４、２５、３５ ｐ−ＧａＮ層、
１５、２６、３６ p型電極層、
１６、２７、３７ ｎ型電極層、
２４ ファセット成長するＧａＮ層、
３２ 突出部。

Claims (12)

1. 基板及び前記基板上に活性層を含む半導体結晶層及び電極が形成されている発光素子において、
   前記基板は、一つ以上の曲面状突出部を含み、前記曲面状突出部表面の結晶方位はその上部に形成されるIII族窒化物系化合物半導体の成長方位と相異なることを特徴とする発光素子。
2. 前記曲面状突出部表面の各部位の曲率は、０より大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子
3. 前記曲面状突出部の各表面は、(０００１)面と相違した結晶方位を有することを特徴とする発光素子。
4. 前記曲面状突出部は、半球状またはストライプ状突出部であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
5. 前記基板は、サファイアまたはＳｉを含む物質からなることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
6. 前記基板上にｎ−ＧａＮ層、前記ｎ−ＧａＮ層上の一部に活性層、ｐ−ＧａＮ層及びp型電極層が順次に形成され、前記ｎ−ＧａＮ層の上部の前記活性層が形成されていない部位にｎ型電極層が形成されたことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
7. 基板及び前記基板上に活性層を含む半導体結晶層及び電極が形成されている発光素子の製造方法において、
   （ａ）平面基板上に一つ以上の曲面状突出部を形成させる段階と、
   （ｂ）前記基板上に活性層を含む半導体結晶層を形成させる段階と、を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
8. 前記（ａ）段階は、平面基板上にフォトレジストをパターニングする段階と、
   ハードベーキングを実施する段階と、
   前記基板面をエッチングして一つ以上の曲面状突出部を形成させる段階と、を含むことを特徴とする請求項７に記載の発光素子の製造方法。
9. 前記基板面をエッチングする場合、エッチングガスは、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、ＨＣｌ、ＣＣｌ_４、ＳｉＣｌ_４などのＣｌ系のガスのうち選択された何れか一つであることを特徴とする請求項８に記載の発光素子の製造方法。
10. 基板及び前記基板上にIII族窒化物系化合物半導体結晶層及び電極を形成させる発光素子の製造方法において、
    （ａ）前記基板の表面に一つ以上の曲面状突出部を形成させる段階と、
    （ｂ）前記曲面状突出部の間の基板の平坦面からIII族窒化物系化合物半導体結晶層を成長させ始めて、前記曲面状突出部表面を覆うまでに成長させる段階と、を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
11. 前記曲面状突出部の各表面は、(０００１)面と相違した結晶方位を有することを特徴とする請求項１０に記載の発光素子の製造方法。
12. 前記（ｂ）段階は、
    前記曲面状突出部の間の基板の平坦面からIII族窒化物系化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させて前記曲面状突出部表面を覆うようにすることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子の製造方法。