JP2005259768A - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光取り出し効率を向上させることが可能な発光素子を提供する。
【解決手段】この発光素子は、光出射面１１とは反対側に設置された導電性の支持基板１と、支持基板１に接合され、光出射面１１に対して所定の角度傾斜した側面９ａを有する窒化物系半導体素子層９とを備えている。
【選択図】図１
【解決手段】この発光素子は、光出射面１１とは反対側に設置された導電性の支持基板１と、支持基板１に接合され、光出射面１１に対して所定の角度傾斜した側面９ａを有する窒化物系半導体素子層９とを備えている。
【選択図】図１
Description
本発明は、発光素子およびその製造方法に関し、特に、半導体素子層を備えた発光素子およびその製造方法に関する。
近年、窒化物系半導体を用いた発光ダイオード素子などの発光素子の開発が盛んに行われている。特に、最近では、窒化物系半導体を用いた発光ダイオード素子を照明器具の光源として用いるために、素子の光出力特性の向上および印加電流の大電流化の開発が進められている。このような窒化物系半導体を用いた発光ダイオード素子を形成する際には、ＧａＮからなる基板が高価であるため、ＧａＮからなる基板よりも安価なサファイア基板上に、半導体素子層を成長させている。
また、従来では、半導体素子層を成長させるための成長用基板としてのサファイア基板側から半導体素子層（発光層）で生成された光を出射させる発光ダイオード素子が知られている。また、従来では、上記したサファイア基板側から光を出射させる発光ダイオード素子において、素子の側面を所定の角度傾斜させることによって、光取り出し効率を向上させる技術が知られている（たとえば、特許文献１および２参照）。
上記特許文献１および２には、サファイア基板などの透光性基板上に半導体素子層を成長させた後、光出射面（透光性基板の表面）と、透光性基板および半導体素子層の側面とがなす角度が鋭角になるように形成された発光ダイオード素子が開示されている。上記特許文献１および２では、光が光出射面で全反射したとしても、その全反射した光が光出射面に対して所定の角度傾斜する側面に入射することにより、光出射面に対する光の入射角が臨界角よりも小さくなるように、光の経路を変化させることができる。したがって、光出射面で全反射した光も出射させることができるので、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
特開平６−２４４４５８号公報
特開平１０−３４１０３５号公報
しかしながら、上記特許文献１および２では、透光性基板側から光を出射させるため、透光性基板と半導体素子層との界面を光が通過することになる。この場合、透光性基板と半導体素子層との間の屈折率差に起因して、透光性基板と半導体素子層との界面で光が反射するという不都合が生じる。これにより、光取り出し効率を向上させるために素子の側面を傾斜させたとしても、光出射面（透光性基板の表面）から出射される光が減少するという不都合がある。その結果、光取り出し効率を向上させるのが困難であるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、光取り出し効率を向上させることが可能な発光素子を提供することである。
この発明のもう１つの目的は、光取り出し効率を向上させることが可能な発光素子の製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による発光素子は、光出射面とは反対側に設置された支持基板と、支持基板に接合され、少なくとも光出射面に対して所定の角度傾斜した側面を有する半導体素子層とを備えている。
この第１の局面による発光素子では、上記のように、光出射面とは反対側に支持基板を設置するとともに、その支持基板に半導体素子層を接合することによって、半導体素子層で生成された光を支持基板とは反対側の光出射面から出射させることができるので、半導体素子層で生成された光を半導体素子層のみを通過させて出射させることができる。これにより、従来の半導体素子層を形成するのに用いた成長用基板側から光を出射させる場合のように、成長用基板と半導体素子層との界面で光が反射することがないので、光取り出し効率の低下を抑制することができる。また、半導体素子層を、光出射面に対して所定の角度傾斜する側面を有するように構成することによって、光が光出射面で全反射したとしても、その全反射した光が光出射面に対して所定の角度傾斜する側面に入射することにより、光出射面に対する光の入射角が臨界角よりも小さくなるように、光の経路を変化させることができる。その結果、光出射面で全反射した光も出射させることができるので、光取り出し効率を向上させることができる。このように、第１の局面では、成長用基板と半導体素子層との界面での反射に起因する光取り出し効率の低下を抑制しながら、半導体素子層の傾斜した側面により光取り出し効率を向上させることができる。
上記第１の局面による発光素子において、好ましくは、光出射面と半導体素子層の側面とがなす角度は、鈍角である。このように構成すれば、半導体素子層の支持基板側の表面の面積が光出射面側の表面の面積よりも大きくなるので、半導体素子層で発生した熱を支持基板側に効率的に放熱することができる。また、光出射面と半導体素子層の側面とがなす角度を鈍角にすることによって、支持基板と半導体素子層とのなす角度は鋭角になるので、支持基板と半導体素子層とのなす角度が鈍角である場合に比べて、支持基板と半導体素子層とを半田を介して接合する際に、溶融した半田が半導体素子層の側面に回り込み難くなる。これにより、半導体素子層の側面に半田が回り込むことに起因する短絡不良を抑制することができる。また、半導体素子層に含まれる活性層（発光層）を光出射面よりも支持基板に近い側に配置すれば、光出射面と半導体素子層の側面とがなす角度を鈍角にしたとしても、活性層が小さくなるのを抑制することができる。
上記第１の局面による発光素子において、好ましくは、半導体素子層の所定の角度傾斜した側面に沿って延びるように形成された側面反射膜をさらに備える。このように構成すれば、半導体素子層の所定の角度傾斜した側面で光出射面側に反射される光を増大させることができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。
上記第１の局面による発光素子において、好ましくは、少なくとも支持基板と半導体素子層との間に設けられた反射膜をさらに備える。このように構成すれば、支持基板側に向かって進む光を光出射面側に反射させることができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。
上記第１の局面による発光素子において、好ましくは、光出射面は、凹凸形状に形成されている。このように構成すれば、光出射面で光が全反射するのを抑制することができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。
この発明の第２の局面による発光素子の製造方法は、成長用基板上に、少なくとも光出射面に対して所定の角度傾斜した側面を有する半導体素子層を形成する工程と、光出射面とは反対側に支持基板を設置する工程と、支持基板に、半導体素子層を接合する工程と、成長用基板を除去する工程とを備えている。
この第２の局面による発光素子の製造方法では、上記のように、成長用基板上に、少なくとも光出射面に対して所定の角度傾斜した側面を有する半導体素子層を形成した後、光出射面とは反対側に支持基板を設置するとともに、その支持基板に半導体素子層を接合し、かつ、成長用基板を除去することによって、半導体素子層で生成された光を支持基板とは反対側の光出射面から出射させることができるので、半導体素子層で生成された光を半導体素子層のみを通過させて出射させることができる。これにより、従来の半導体素子層を形成するのに用いた成長用基板側から光を出射させる場合のように、成長用基板と半導体素子層との界面で光が反射することがないので、光取り出し効率の低下を抑制することが可能な発光素子を容易に形成することができる。また、半導体素子層を、光出射面に対して所定の角度傾斜する側面を有するように構成することによって、光が光出射面で全反射したとしても、その全反射した光が光出射面に対して所定の角度傾斜する側面に入射することにより、光出射面に対する光の入射角が臨界角よりも小さくなるように、光の経路を変化させることができる。その結果、光出射面で全反射した光も出射させることができるので、光取り出し効率を向上させることが可能な発光素子を容易に形成することができる。このように、第１の局面では、成長用基板と半導体素子層との界面での反射に起因する光取り出し効率の低下を抑制しながら、半導体素子層の傾斜した側面により光取り出し効率を向上させることが可能な発光素子を容易に形成することができる。
なお、上記第１の局面による発光素子において、支持基板は、導電性基板を含んでいてもよい。このように構成すれば、一方および他方の２つの電極を、半導体素子層を挟んで対向するように配置することができる。これにより、半導体素子層の一方側のみに２つの電極を配置する絶縁性基板を用いた発光素子に比べて、発光面積を大きくすることができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。
また、上記第１の局面による発光素子において、半導体素子層は、窒化物系半導体素子層を含んでいてもよい。このように構成すれば、窒化物系半導体素子層を含む発光素子において、容易に、光取り出し効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造を示した断面図である。まず、図１を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造について説明する。なお、図１の素子中の矢印は、光の経路を示している。
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造を示した断面図である。まず、図１を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造について説明する。なお、図１の素子中の矢印は、光の経路を示している。
第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子では、図１に示すように、光出射面１１とは反対側に、導電性の支持基板１が設置されている。この導電性の支持基板１は、半導体、金属、導電性樹脂フィルム、または、金属と金属酸化物との複合材料からなる。支持基板１に使用される半導体としては、劈開性を有するＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓおよびＺｎＯなどがある。また、支持基板１に使用される金属としては、Ａｌ、Ｆｅ−ＮｉおよびＣｕ−Ｗなどがある。また、支持基板１に使用される導電性樹脂フィルムとしては、金属などの導電性微粒子が分散した樹脂フィルムなどがある。また、支持基板１に使用される金属と金属酸化物との複合材料としては、Ｃｕ−ＣｕＯなどがある。また、支持基板１の上面には、支持基板１側から約２００ｎｍの厚みを有するＡｇ層と約５ｎｍの厚みを有するＡｌ層とが順次形成されたｐ側電極２が、半田（図示せず）により接合されている。このｐ側電極２は、反射電極として機能する。なお、ｐ側電極２は、本発明の「反射膜」の一例である。
ｐ側電極２上には、約０．３μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるｐ型コンタクト層３が形成されている。ｐ型コンタクト層３上には、約５ｎｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層４が形成されている。ｐ型クラッド層４上には、約５ｎｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型キャップ層５が形成されている。ｐ型キャップ層５上には、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有する活性層６が形成されている。この活性層６は、約５ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎからなる井戸層を含む。活性層６上には、約０．１５μｍの厚みを有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層７が形成されている。ｎ型クラッド層７上には、約０．５μｍの厚みを有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層８が形成されている。そして、ｐ型コンタクト層３、ｐ型クラッド層４、ｐ型キャップ層５、活性層６、ｎ型クラッド層７およびｎ型コンタクト層８によって、窒化物系半導体素子層９が構成されている。なお、窒化物系半導体素子層９は、本発明の「半導体素子層」の一例である。
ここで、第１実施形態では、窒化物系半導体素子層９は、支持基板１側から光出射面１１側に向かって先細り形状になるように、約６０°傾斜した側面９ａを有する。そして、窒化物系半導体素子層９の傾斜した側面９ａと光出射面１１とがなす角度は、約１２０°の鈍角になっている。
また、ｎ型コンタクト層８上の所定領域には、ｎ側電極１０が形成されている。このｎ側電極１０は、ｎ型コンタクト層８側から順に、オーミック電極、バリア金属およびパッド金属によって構成されている。なお、ｎ側電極１０を構成するオーミック電極は、約１００ｎｍの厚みを有するＡｌからなる。また、ｎ側電極１０を構成するバリア金属は、約１００ｎｍの厚みを有するとともに、オーミック電極とパッド金属との反応を抑制するＰｔまたはＴｉからなる。また、ｎ側電極１０を構成するパッド金属は、約５００ｎｍの厚みを有するとともに、融着し易い金属であるＡｕまたはＡｕ−Ｓｎからなる。このｎ側電極１０は、光出射面１１から出射される光が低減するのを抑制するために、ｎ型コンタクト層８上の全面ではなく、ｎ型コンタクト層８上の所定領域に配置されている。
第１実施形態では、上記のように、光出射面１１とは反対側に支持基板１を設置するとともに、その支持基板１に窒化物系半導体素子層９を接合することによって、窒化物系半導体素子層９（活性層６）で生成された光を支持基板１とは反対側の光出射面１１から出射させることができるので、活性層６で生成された光を半導体素子層９のみを通過させて出射させることができる。これにより、従来の窒化物系半導体素子層９を形成するのに用いた成長用基板側から光を出射させる場合のように、成長用基板と窒化物系半導体素子層９との界面で光が反射することがないので、光取り出し効率の低下を抑制することができる。また、窒化物系半導体素子層９を、支持基板１側から光出射面１１側に向かって先細り形状になるように、約６０°傾斜した側面９ａを有するように構成することによって、光が光出射面１１で全反射したとしても、その全反射した光が光出射面１１に対して傾斜した側面９ａに入射することにより、光出射面１１に対する光の入射角が臨界角よりも小さくなるように、光の経路を変化させることができる。その結果、光出射面１１で全反射した光も出射させることができるので、光取り出し効率を向上させることができる。このように、第１実施形態では、成長用基板と窒化物系半導体素子層９との界面での反射に起因する光取り出し効率の低下を抑制しながら、窒化物系半導体素子層９の傾斜した側面９ａにより光取り出し効率を向上させることができる。
また、第１実施形態では、窒化物系半導体素子層９の傾斜した側面９ａと光出射面１１とがなす角度を鈍角（約１２０°）にすることによって、窒化物系半導体素子層９の支持基板１側の表面の面積が光出射面１１側の表面の面積よりも大きくなるので、窒化物系半導体素子層９で発生した熱を支持基板１側に効率的に放熱することができる。また、窒化物系半導体素子層９の傾斜した側面９ａと光出射面１１とがなす角度を鈍角（約１２０°）にすることによって、支持基板１と窒化物系半導体素子層９とのなす角度は鋭角（約６０°）になるので、支持基板１と窒化物系半導体素子層９とのなす角度が鈍角である場合に比べて、支持基板１と窒化物系半導体素子層９とを半田を介して接合する際に、溶融した半田が窒化物系半導体素子層９の側面９ａのｐ型層とｎ型層とに跨るように回り込み難くなる。これにより、窒化物系半導体素子層９の側面９ａに半田が回り込むことに起因する短絡不良を抑制することができる。また、窒化物系半導体素子層９の活性層６よりも上方（光出射面１１側）の厚み（約０．６５μｍ）を活性層６よりも下方（支持基板１側）の厚み（約０．３１μｍ）よりも大きくすることによって、活性層６を光出射面１１側よりも支持基板１に近い側に配置することができるので、光出射面１１と窒化物系半導体素子層９の側面９ａとがなす角度を鈍角にしたとしても、活性層６が小さくなるのを抑制することができる。
また、第１実施形態では、支持基板１と窒化物系半導体素子層９との間に、反射電極として機能するｐ側電極２を設けることによって、支持基板１側に向かって進む光を光出射面１１側に反射させることができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。
また、第１実施形態では、導電性の支持基板１を用いることによって、ｐ側電極２とｎ側電極１０とを、窒化物系半導体素子層９を挟んで対向するように配置することができる。これにより、窒化物系半導体素子層９の一方側のみに２つの電極を配置する絶縁性基板を用いた窒化物系半導体発光ダイオード素子に比べて、発光面積を大きくすることができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。
図２〜図８は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１〜図８を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスについて説明する。
まず、図２に示すように、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、成長用基板としてのサファイア基板１２上に、低温バッファ層１３、ｎ型コンタクト層８、ｎ型クラッド層７、活性層６、ｐ型キャップ層５、ｐ型クラッド層４およびｐ型コンタクト層３を順次成長させる。
具体的には、サファイア基板１２を約４００℃〜約７００℃の成長温度に保持した状態で、ＮＨ３およびＴＭＧａ（トリメチルガリウム）からなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、サファイア基板１２の（０００１）面上に、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有する非単結晶のアンドープＧａＮからなる低温バッファ層１３を成長させる。この際、ＮＨ３およびＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）からなる原料ガスを用いることにより、ｎ型ＡｌＮからなる低温バッファ層１３を成長させてもよいし、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスを用いることにより、ｎ型ＡｌＧａＮからなる低温バッファ層１３を成長させてもよい。
次に、サファイア基板１２を約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約５０％）と、ＮＨ３およびＴＭＧａからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、低温バッファ層１３上に、約０．５μｍの厚みを有するＳｉがドープされた単結晶のｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層８を約３μｍ／ｈの成長速度で成長させる。この後、キャリアガスをＨ２およびＮ２（Ｈ２の含有率は約１％〜約３％）に変えるとともに、原料ガスをＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌに変えて、ｎ型コンタクト層８上に、約０．１５μｍの厚みを有するＳｉがドープされた単結晶のｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層７を約３μｍ／ｈの成長速度で成長させる。
次に、サファイア基板１２を約７００℃〜約１０００℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約５％）と、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）からなる原料ガスとを用いて、ｎ型クラッド層７上に、約５ｎｍの厚みを有する単結晶のアンドープのＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎからなる井戸層を約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で成長させる。これにより、井戸層を含むＳＱＷ構造の活性層６を成長させる。続いて、原料ガスをＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌに変えるとともに、ＣＰ２Ｍｇからなるドーパントガスを加えて、約５ｎｍの厚みを有するＭｇがドープされた単結晶のｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型キャップ層５を約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で成長させる。
次に、サファイア基板１２を約１０００℃〜約１２００℃（たとえば、約１１５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２の含有率は約１％〜約３％）と、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、ＣＰ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、ｐ型キャップ層５上に、約５ｎｍの厚みを有するＭｇがドープされた単結晶のｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層４を約３μｍ／ｈの成長速度で成長させる。続いて、サファイア基板１２を約７００℃〜約１０００℃（たとえば、約８５０℃）の単結晶成長温度に保持した状態で、原料ガスをＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＩｎに変えるとともに、ドーパントガスを用いないで、ｐ型クラッド層４上に、約０．３μｍの厚みを有するアンドープの単結晶のＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるコンタクト層（図示せず）を約０．５ｎｍ／ｓの成長速度で成長させる。
次に、サファイア基板１２を約４００℃〜約９００℃（たとえば、約８００℃）に保持した状態で、Ｎ２雰囲気中においてアニールすることによって、上記した窒化物系半導体各層の水素濃度を約５×１０１８ｃｍ−３以下に低下させる。この後、Ｎ２からなるキャリアガスと、ＣＰ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、コンタクト層中に約１×１０１８ｃｍ−３〜約１×１０１８ｃｍ−３のＭｇを拡散させることによって、コンタクト層をＭｇがドープされたｐ型コンタクト層３にする。このようにして、ｐ型コンタクト層３、ｐ型クラッド層４、ｐ型キャップ層５、活性層６、ｎ型クラッド層７およびｎ型コンタクト層８によって構成される窒化物系半導体素子層９を形成する。この後、熱処理または電子線処理を行うことにより、ｐ型コンタクト層３、ｐ型クラッド層４およびｐ型キャップ層５のｐ型化を行う。
次に、図３に示すように、真空蒸着法などを用いて、ｐ型コンタクト層３上に、Ａｌ層とＡｇ層とからなるｐ側電極２を形成する。この際、約５ｎｍの厚みを有するＡｌ層を島状に形成した後、全面を覆うように、約２００ｎｍの厚みを有するＡｇ層を形成する。
次に、図４に示すように、ｐ側電極２に、半導体、金属、導電性樹脂フィルム、または、金属と金属酸化物との複合材料からなる導電性の支持基板１を接合する。この際、Ａｕ−ＳｎやＰｄ−Ｓｎなどからなる半田を介して、ｐ側電極２に支持基板１を接合してもよいし、Ａｇからなる導電性ペーストを介して、ｐ側電極２に支持基板１を接合してもよい。また、ｐ側電極２に支持基板１を直接貼り合せた後、約４００℃〜約１０００℃の温度条件下で加圧することによって、ｐ側電極２に支持基板１を接合してもよい。
この後、サファイア基板１２に対して研磨やレーザ照射などを行うことによって、サファイア基板１２を除去する。この際、ドライエッチング技術やウェットエッチング技術を用いて、サファイア基板１２を除去してもよい。そして、ＣＦ４ガスなどによるドライエッチング技術または熱リン酸液などによるウェットエッチング技術を用いて、低温バッファ層１３を除去する。これにより、図５に示すように、ｎ型コンタクト層８の表面が露出された状態にする。
次に、図６に示すように、ｎ型コンタクト層８の表面上に、ｎ型コンタクト層８とは反対側に向かって先細り形状となる台形状のＡｌからなるマスク層１４を形成する。具体的には、まず、電子ビーム蒸着法を用いて、ｎ型コンタクト層８の表面上に、約２．５μｍの厚みを有するＡｌ層（図示せず）を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ｎ型コンタクト層８とは反対側に向かって先細り形状となる台形状になるようにＡｌ層を加工することによって、マスク層１４を形成する。
次に、図７に示すように、平行平板型ドライエッチング装置を用いて、エッチング深さがｐ側電極２の表面に達するまで、マスク層１４と窒化物系半導体素子層９とを同時にエッチングする。この際、エッチング条件として、放電出力および圧力を、それぞれ、約６００Ｗおよび約６×１０２Ｐａ〜約１．５ｋＰａに設定するとともに、ＣＦ４からなるエッチングガスを用いる。上記のようなエッチング条件に設定することによって、マスク層１４と窒化物系半導体素子層９とのエッチングレートを実質的に等しくすることができるので、窒化物系半導体素子層９は、マスク層１４の形状を反映した形状になる。すなわち、窒化物系半導体素子層９は、支持基板１側からｎ型コンタクト層８に向かって先細り形状になるとともに、窒化物系半導体素子層９の傾斜した側面９ａとｎ型コンタクト層８の表面とがなす角度が鈍角になる。この後、希塩酸を用いて、マスク層１４を除去する。
次に、図８に示すように、真空蒸着法などを用いて、ｎ型コンタクト層８の表面上の所定領域に、ｎ側電極１０を形成する。この際、ｎ型コンタクト層８側から順に、オーミック電極、バリア金属およびパッド金属を形成する。なお、ｎ側電極１０を構成するオーミック電極は、約１００ｎｍの厚みを有するＡｌからなる。また、ｎ側電極１０を構成するバリア金属は、約１００ｎｍの厚みを有するＰｔまたはＴｉからなる。また、ｎ側電極１０を構成するパッド金属は、約５００ｎｍの厚みを有するＡｕまたはＡｕ−Ｓｎからなる。
この後、素子分離領域１５に沿って、素子分離を行う。この際、ダイシングを用いて素子分離領域１５に切込みを入れた後、その切込みに沿って素子を分離してもよい。また、エッチング技術を用いて素子分離領域１５に切込みを入れた後、その切込みに沿って素子を分離してもよい。また、ダイシングにより支持基板１の素子分離領域１５に切込みを入れるとともに、エッチング技術により窒化物系半導体素子層９の素子分離領域１５に切込みを入れた後、ダイシングおよびエッチング技術による切込みに沿って素子を分離してもよい。上記のようなダイシングとエッチング技術とを組み合わせた場合には、窒化物系半導体素子層９に刃物が接触しないので、窒化物系半導体素子層９へのダメージが低減される。このようにして、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子が形成される。
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造を示した断面図である。図９を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、窒化物系半導体素子層の傾斜した側面と光出射面とがなす角度を鋭角にするとともに、窒化物系半導体素子層の傾斜した側面に側面反射膜を設ける場合について説明する。なお、図９の素子中の矢印は、光の経路を示している。
図９は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造を示した断面図である。図９を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、窒化物系半導体素子層の傾斜した側面と光出射面とがなす角度を鋭角にするとともに、窒化物系半導体素子層の傾斜した側面に側面反射膜を設ける場合について説明する。なお、図９の素子中の矢印は、光の経路を示している。
第２実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子では、図９に示すように、光出射面３１とは反対側に設置された導電性の支持基板２１に、約２ｎｍの厚みを有するＡｌからなるｎ側電極２２が形成されている。このｎ側電極２２は、反射電極として機能する。なお、ｎ側電極２２は、本発明の「反射膜」の一例である。
ｎ側電極２２上には、約０．５μｍの厚みを有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２３が形成されている。ｎ型コンタクト層２３上には、約０．１μｍの厚みを有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層２４が形成されている。ｎ型クラッド層２４上には、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層２５が形成されている。この活性層２５は、約３ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなる３つの井戸層（図示せず）と約１５ｎｍの厚みを有するＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｉｎからなる２つの障壁層（図示せず）とが交互に積層されたＭＱＷ構造を有する。活性層２５上には、約５ｎｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｐ型キャップ層２６が形成されている。ｐ型キャップ層２６上には、約０．１μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層２７が形成されている。ｐ型クラッド層２７上には、約０．０５μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２８が形成されている。そして、ｎ型コンタクト層２３、ｎ型クラッド層２４、活性層２５、ｐ型キャップ層２６、ｐ型クラッド層２７およびｐ型コンタクト層２８によって、窒化物系半導体素子層２９が構成されている。なお、窒化物系半導体素子層２９は、本発明の「半導体素子層」の一例である。
ここで、第２実施形態では、窒化物系半導体素子層２９のｎ型コンタクト層２３側の先端部分は、光出射面３１側から支持基板２１側に向かって先細り形状になるように、約４５°傾斜した側面２９ａを有する。具体的には、ｎ型コンタクト層２３の側面およびｎ型クラッド層２４の側面の一部が傾斜している。また、窒化物系半導体素子層２９の傾斜した側面２９ａと光出射面３１とがなす角度は、鋭角（約４５°）になっている。また、第２実施形態では、ｎ側電極２２が、窒化物系半導体素子層２９の傾斜した側面２９ａ上に沿って延びるように形成されている。なお、窒化物系半導体素子層２９の傾斜した側面２９ａ上に位置するｎ側電極２２は、本発明の「側面反射膜」の一例である。
また、ｐ型コンタクト層２８上には、ｐ側電極３０が形成されている。このｐ側電極３０は、ｐ型コンタクト層２８側から約５ｎｍの厚みを有するＮｉ層と約５ｎｍの厚みを有するＡｕ層とが順次形成された透明電極によって構成されている。
第２実施形態では、上記のように、窒化物系半導体素子層２９のｎ型コンタクト層２３側の先端部分を、光出射面３１側から支持基板２１側に向かって先細り形状になるように、約４５°傾斜した側面２９ａを有するように構成することによって、上記第１実施形態のように、窒化物系半導体素子層９を、支持基板１側から光出射面１１側に向かって先細り形状になるように、約６０°傾斜した側面９ａを有するように構成した場合と同様、光出射面３１に対する光の入射角が臨界角よりも小さくなるように、光の経路を変化させることができる。また、第２実施形態では、光出射面３１とは反対側に支持基板２１を設置することによって、上記第１実施形態と同様、窒化物系半導体素子層２９（活性層２５）で生成された光を支持基板２１とは反対側の光出射面３１から出射させることができるので、活性層２５で生成された光を半導体素子層２９のみを通過させて出射させることができる。その結果、上記第１実施形態と同様、成長用基板と窒化物系半導体素子層２９との界面での反射に起因する光取り出し効率の低下を抑制しながら、窒化物系半導体素子層２９の傾斜した側面２９ａにより光取り出し効率を向上させることができる。
また、第２実施形態では、ｎ側電極２２を、窒化物系半導体素子層２９の傾斜した側面２９ａ上にも形成することによって、窒化物系半導体素子層２９の傾斜した側面２９ａで反射される光を増大させることができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
図１０〜図１８は、図９に示した第２実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図９〜図１８を参照して、第２実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスについて説明する。
まず、図１０に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、成長用基板としての６Ｈ−ＳｉＣ基板３２の（０００１）面上に、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮまたはＧａＮからなるバッファ層３３を成長させる。この後、バッファ層３３上に、約０．５μｍの厚みを有するアンドープのＧａＮ層３４を成長させる。
次に、ＧａＮ層３４上に、分離層（空隙層）３５を形成する。具体的には、真空蒸着法を用いて、ＧａＮ層３４上に、約１０ｎｍ〜約２００ｎｍの厚みを有するＴｉ層（図示せず）を形成した後、アンモニア雰囲気中で、約１５０℃の温度条件下で熱処理する。これにより、Ｔｉ層が窒化されることにより、網目状の断面を有するＴｉＮ層からなる分離層３５が形成される。この分離層３５は、網目状の断面を有するので、層中に空隙が形成されるとともに、ＧａＮ層３４の一部が露出される。なお、図１０には、分離層３５中の空隙を図示している。
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、分離層３５上に、約０．５μｍの厚みを有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２３を成長させる。この際、ｎ型コンタクト層２３は、ＧａＮ層３４の露出した表面上に選択的に縦方向に成長した後、徐々に横方向に成長する。このため、ｎ型コンタクト層２３に形成される転位が横方向に曲げられるので、縦方向に伝播された転位が形成され難くなる。これにより、ＧａＮ層３４の転位密度に比べて、ｎ型コンタクト層２３の転位密度を大幅に低減することができる。
続いて、ｎ型コンタクト層２３上に、約０．１μｍの厚みを有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層２４を成長させる。この後、約３ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなる３つの井戸層（図示せず）と約１５ｎｍの厚みを有するＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｉｎからなる２つの障壁層（図示せず）とを交互に成長させる。これにより、３つの井戸層と２つの障壁層とが交互に積層されたＭＱＷ構造の活性層２５を成長させる。
次に、活性層２５上に、約５ｎｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｐ型キャップ層２６を成長させる。この後、ｐ型キャップ層２６上に、約０．１μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層２７、および、約０．０５μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２８を順次成長させる。このようにして、ｎ型コンタクト層２３、ｎ型クラッド層２４、活性層２５、ｐ型キャップ層２６、ｐ型クラッド層２７およびｐ型コンタクト層２８によって構成される窒化物系半導体素子層２９を形成する。この後、熱処理または電子線処理を行うことにより、ｐ型コンタクト層２８、ｐ型クラッド層２７およびｐ型キャップ層２６のｐ型化を行う。
次に、図１１に示すように、ｐ型コンタクト層２８に、Ｉｎ−Ｓｎなどの融点の低い金属からなる融着層３６を介して、仮基板としてのサファイア基板３７を接合する。この後、分離層３５よりも上側の窒化物系半導体素子層２９と分離層３５よりも下側の各層（３２〜３４）とを分離する。この際、ＨＦ液とＨＮｏ３液との混合液によるウェットエッチング技術を用いて分離層３５を除去してもよいし、外部から物理的な力を加えることにより分離層３５を除去してもよい。また、分離層３５よりも上側の窒化物系半導体素子層２９と分離層３５よりも下側の各層（３２〜３４）とを互いに逆方向に引張ることにより分離してもよい。これにより、図１２に示すように、ｎ型コンタクト層２３の表面が露出された状態にする。
次に、図１３に示すように、図６に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、ｎ型コンタクト層２３の表面上に、ｎ型コンタクト層２３とは反対側に向かって先細り形状となる台形状のＡｌからなるマスク層３８を形成する。
次に、図１４に示すように、図７に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、エッチング深さがｎ型クラッド層２４の途中に達するまで、マスク層３８と窒化物系半導体素子層２９とを同時にエッチングする。これにより、窒化物系半導体素子層２９のｎ型コンタクト層２３側の先端部分は、マスク層３８の形状を反映した形状になる。すなわち、窒化物系半導体素子層２９のｎ型コンタクト層２３側の先端部分は、サファイア基板３７側からｎ型コンタクト層２３側に向かって先細り形状になるとともに、窒化物系半導体素子層２９の傾斜した側面２９ａとｎ型コンタクト層２３の表面とがなす角度が鋭角になる。この後、希塩酸を用いて、マスク層３８を除去する。
次に、図１５に示すように、真空蒸着法などを用いて、ｎ型コンタクト層２３の表面および窒化物系半導体素子層２９の傾斜した側面２９ａを覆うように、約２ｎｍの厚みを有するＡｌからなるｎ側電極２２を形成する。
次に、図１６に示すように、図４に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、ｎ側電極２２に、導電性の支持基板２１を接合する。この後、サファイア基板３７を除去した後、融着層３６を除去する。これにより、図１７に示すように、ｐ型コンタクト層２８の表面が露出された状態にする。
次に、図１８に示すように、真空蒸着法などを用いて、ｐ型コンタクト層２８上に、ｐ側電極３０を形成する。この際、ｐ型コンタクト層２８側から約５ｎｍの厚みを有するＮｉ層および約５ｎｍの厚みを有するＡｕ層を順次形成する。
この後、図８に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、素子分離領域３９に沿って、素子分離を行う。ここで、素子分離領域３９を隔てて隣接する窒化物系半導体素子層２９の傾斜した側面２９ａ間には、空間が設けられている。このため、ダイシングを用いて支持基板２１に切込みを入れる際に、刃物が窒化物系半導体素子層２９に接触するのを抑制することができるので、窒化物系半導体素子層２９へのダメージを低減することができる。このようにして、図９に示した第２実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子が形成される。
（第３実施形態）
図１９は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造を示した断面図である。図１９を参照して、この第３実施形態では、上記第１および第２実施形態と異なり、窒化物系半導体素子層の傾斜した側面と光出射面とがなす角度を鈍角にするとともに、光出射面を凹凸形状に形成する場合について説明する。なお、図１９の素子中の矢印は、光の経路を示している。
図１９は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造を示した断面図である。図１９を参照して、この第３実施形態では、上記第１および第２実施形態と異なり、窒化物系半導体素子層の傾斜した側面と光出射面とがなす角度を鈍角にするとともに、光出射面を凹凸形状に形成する場合について説明する。なお、図１９の素子中の矢印は、光の経路を示している。
第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子では、図１９に示すように、光出射面６１とは反対側に設置された導電性の支持基板５１に、上記第１実施形態のｐ側電極２と同様の組成および厚みを有するｐ側電極５２が接合されている。なお、ｐ側電極５２は、本発明の「反射膜」の一例である。
ｐ側電極５２上には、約０．２μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層５３が形成されている。このｐ型コンタクト層５３は、クラッド層としての機能も有する。ｐ型コンタクト層５３上には、約５ｎｍの厚みを有するアンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるキャップ層５４が形成されている。キャップ層５４上には、ＭＱＷ構造を有する活性層５５が形成されている。この活性層５５は、約１０ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる４つの障壁層（図示せず）と約３ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎからなる３つの井戸層（図示せず）とが交互に積層されたＭＱＷ構造を有する。活性層５５上には、約０．０５μｍの厚みを有するＧｅがドープされたｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層５６が形成されている。ｎ型クラッド層５６上には、約０．５μｍの厚みを有するＧｅがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層５７が形成されている。ｎ型コンタクト層５７上には、約２μｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる光透過層５８が形成されている。この光透過層５８は、開口部５８ａを有する。そして、ｐ型コンタクト層５３、キャップ層５４、活性層５５、ｎ型クラッド層５６、ｎ型コンタクト層５７および光透過層５８によって、窒化物系半導体素子層５９が構成されている。なお、窒化物系半導体素子層５９は、本発明の「半導体素子層」の一例である。
ここで、第３実施形態では、窒化物系半導体素子層５９の光透過層５８側の先端部分は、支持基板５１側から光出射面６１側に向かって先細り形状になるように、約４５°傾斜した側面５９ａを有する。具体的には、光透過層５８の側面の一部が約４５°で傾斜している。また、窒化物系半導体素子層５９の傾斜した側面５９ａと光出射面６１とがなす角度は、鈍角（約１３５°）になっている。また、第３実施形態では、光出射面６１となる光透過層５８の表面は、凹凸形状に形成されている。
また、光透過層５８の開口部５８ａ内には、ｎ型コンタクト層５７の表面に接触するように、上記第１実施形態のｎ側電極１０と同様の組成および厚みを有するｎ側電極６０が形成されている。
第３実施形態では、上記のように、窒化物系半導体素子層５９の光透過層５８側の先端部分を、支持基板５１側から光出射面６１側に向かって先細り形状になるように、約４５°傾斜した側面５９ａを有するように構成することによって、上記第１および第２実施形態と同様、光出射面６１に対する光の入射角が臨界角よりも小さくなるように、光の経路を変化させることができる。また、第３実施形態では、光出射面６１とは反対側に支持基板５１を設置することによって、上記第１および第２実施形態と同様、窒化物系半導体素子層５９（活性層５５）で生成された光を支持基板５１とは反対側の光出射面６１から出射させることができるので、活性層５５で生成された光を窒化物系半導体素子層５９のみを通過させて出射させることができる。その結果、上記第１および第２実施形態と同様、成長用基板と窒化物系半導体素子層５９との界面での反射に起因する光取り出し効率の低下を抑制しながら、窒化物系半導体素子層５９の傾斜した側面５９ａにより光取り出し効率を向上させることができる。
また、第３実施形態では、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層５７上に、アンドープのＧａＮからなる光透過層５８を形成することによって、光透過層５８には不純物をドープすることに起因する不純物準位が形成されないので、光透過層５８における不純物準位に起因する光吸収を、ｎ型コンタクト層５７およびｎ型クラッド層５６に比べて抑制することができる。したがって、光出射面６１（光透過層５８の表面）で全反射した光は、ｎ型コンタクト層５７およびｎ型クラッド層５６に比べて光吸収が少ない光透過層５８を通過することになる。このため、光出射面６１で全反射した光が不純物準位に起因する光吸収が生じ易いｎ型コンタクト層５７およびｎ型クラッド層５６のみを通過する場合に比べて、光が吸収される確率を低くすることができる。その結果、光出射面６１で全反射した光が吸収されるのを抑制することができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。
また、第３実施形態では、光出射面６１（光透過層５８の表面）を凹凸形状に形成することによって、光出射面６１で光が全反射するのを抑制することができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。
なお、第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
図２０〜図２６は、図１９に示した第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための平面図および断面図である。次に、図１９〜図２６を参照して、第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスについて説明する。
まず、図２０（平面図）および図２１（図２０の１００−１００線に沿った断面図）に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、成長用基板としてのＳｉ基板６２上の所定領域に、ＳｉＮからなるマスク層６３を形成する。具体的には、図２０に示すように、平面的に見て、各素子の形成領域６５を囲む部分６３ａと、部分６３ａによって囲まれた格子状の部分６３ｂとを有するように、マスク層６３を形成する。なお、各素子の形成領域６５は、約５００μｍ角の正方形である。そして、マスク層６３の部分６３ａの幅Ｗ１を約１．８μｍにするとともに、マスク層６３の部分６３ｂの幅Ｗ２を約０．６μｍにする。また、図２１に示すように、マスク層６３の部分６３ａの側面を、所定の角度傾斜させる。そして、マスク層６３の部分６３ａの高さＴ１を約１．８μｍにするとともに、マスク層６３の部分６３ｂの高さ（厚み）Ｔ２を約０．４μｍにする。
次に、図２２に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＳｉＣ基板６２上に、マスク層６３を覆うように、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＡｌＮからなるバッファ層６４を成長させる。この後、バッファ層６４上に、約２μｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる光透過層５８を成長させる。この際、光透過層５８は、マスク層６３が形成された領域以外の領域に位置するバッファ層６４上に選択的に縦方向に成長した後、徐々に横方向に成長することにより表面が平坦となる。このため、光透過層５８に形成される転位が横方向に曲げられるので、縦方向に伝播された転位が形成され難くなる。これにより、光透過層５８の転位密度を大幅に低減することができる。
続いて、光透過層５８上に、約０．５μｍの厚みを有するＧｅがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層５７、および、約０．０５μｍの厚みを有するＧｅがドープされたｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層５６を順次成長させる。この後、約１０ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる４つの障壁層（図示せず）と約３ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎからなる３つの井戸層（図示せず）とを交互に成長させる。これにより、４つの障壁層と３つの井戸層とが交互に積層されたＭＱＷ構造の活性層５５を成長させる。
次に、活性層５５上に、約５ｎｍの厚みを有するアンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるキャップ層５４、および、約０．２μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層５３を順次成長させる。このようにして、ｐ型コンタクト層５３、キャップ層５４、活性層５５、ｎ型クラッド層５６、ｎ型コンタクト層５７および光透過層５８によって構成される窒化物系半導体素子層５９を形成する。この後、熱処理または電子線処理を行うことにより、ｐ型コンタクト層５３のｐ型化を行う。
次に、図２３に示すように、真空蒸着法などを用いて、ｐ型コンタクト層５３上に、上記第１実施形態のｐ側電極２と同様の組成および厚みを有するｐ側電極５２を形成した後、図４に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、ｐ側電極５２に、導電性の支持基板５１を接合する。この後、ウェットエッチング技術を用いて、Ｓｉ基板６２を除去する。これにより、図２４に示すように、マスク層６３およびバッファ層６４が露出された状態にする。
さらに、エッチング技術を用いて、マスク層６３およびバッファ層６４を除去することによって、図２５に示すように、光透過層５８を露出させる。これにより、光透過層５８は、マスク層６３の部分６３ａおよび６３ｂ（図２０および図２１参照）の形状を反映した形状になる。すなわち、窒化物系半導体素子層５９の光透過層５８側の先端部分は、支持基板５１側から光透過層５８側に向かって先細り形状になるとともに、窒化物系半導体素子層５９の傾斜した側面５９ａと光透過層５８の表面とがなす角度が鈍角になる。また、窒化物系半導体素子層５９を構成する光透過層５８の表面は、マスク層６３の格子状の部分６３ｂの形状を反映した凹凸形状になる。
次に、図２６に示すように、エッチング技術を用いて、光透過層５８の所定領域に、ｎ型コンタクト層５７の表面が露出するように、開口部５８ａを形成する。この後、真空蒸着法などを用いて、光透過層５８の開口部５８ａ内に、ｎ型コンタクト層５７の表面に接触するように、上記第１実施形態のｎ側電極１０と同様の組成および厚みを有するｎ側電極６０を形成する。最後に、図８に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、素子分離領域６６に沿って、素子分離を行う。このようにして、図１９に示した第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子が形成される。
第３実施形態の製造プロセスでは、上記のように、Ｓｉ基板６２上の所定領域にマスク層６３を形成した後、Ｓｉ基板６２上に光透過層５８を成長させることによって、光透過層５８が横方向成長することにより光透過層５８に形成される転位が低減されるので、光透過層５８上に成長する活性層５５に、転位が伝播するのを低減することができる。これにより、活性層５５の転位密度を低減することができるので、活性層５５における発光効率を向上させることができるとともに、素子の寿命を向上させることができる。また、光透過層５８をアンドープのＧａＮからなるように構成することによって、Ｓｉなどの不純物がドープされた光透過層を成長させる場合に比べて、横方向成長を促進することができる。これにより、小さい厚みで光透過層５８の表面を平坦化することができる。
（第４実施形態）
図２７は、本発明の第４実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造を示した断面図である。図２７を参照して、この第４実施形態では、上記第１〜第３実施形態と異なり、窒化物系半導体素子層の傾斜した側面と光出射面とがなす角度を鋭角にするとともに、窒化物系半導体素子層の傾斜した側面に側面反射膜を設け、かつ、光出射面を凹凸形状に形成する場合について説明する。なお、図２７の素子中の矢印は、光の経路を示している。
図２７は、本発明の第４実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造を示した断面図である。図２７を参照して、この第４実施形態では、上記第１〜第３実施形態と異なり、窒化物系半導体素子層の傾斜した側面と光出射面とがなす角度を鋭角にするとともに、窒化物系半導体素子層の傾斜した側面に側面反射膜を設け、かつ、光出射面を凹凸形状に形成する場合について説明する。なお、図２７の素子中の矢印は、光の経路を示している。
第４実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子では、図２７に示すように、光出射面８３とは反対側に設置された導電性の支持基板７１に、上記第１実施形態のｐ側電極２と同様の組成および厚みを有するｐ側電極７２が接合されている。このｐ側電極７２は、約２００ｎｍの深さおよび約３００ｎｍの直径を有する凹部が、約６００ｎｍの格子間隔で三角格子状に形成された凹凸形状の表面を有する。なお、ｐ側電極７２は、本発明の「反射膜」の一例である。
ｐ側電極７２上には、ｐ側電極７２の表面の凹部を埋め込むように、ＳｉＯ２からなる絶縁膜７３が形成されている。また、ｐ側電極７２上には、約０．０５μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるｐ型コンタクト層７４が形成されている。ｐ型コンタクト層７４上には、約０．１μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型クラッド層７５が形成されている。ｐ型クラッド層７５上には、約５ｎｍの厚みを有するＭｇがドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型キャップ層７６が形成されている。ｐ型キャップ層７６上には、ＭＱＷ構造を有する活性層７７が形成されている。この活性層７７は、約２．５ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａ０．７５Ｉｎ０．２５Ｎからなる４つの井戸層（図示せず）と約１５ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる３つの障壁層（図示せず）とが交互に積層された構造を有する。活性層７７上には、約０．５μｍの厚みを有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層７８が形成されている。このｎ型コンタクト層７８は、クラッド層としての機能も有する。ｎ型コンタクト層７８上には、約３００ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる光透過層７９が形成されている。この光透過層７９は、開口部７９ａを有する。そして、ｐ型コンタクト層７４、ｐ型クラッド層７５、ｐ型キャップ層７６、活性層７７、ｎ型コンタクト層７８および光透過層７９によって、窒化物系半導体素子層８０が構成されている。なお、窒化物系半導体素子層８０は、本発明の「半導体素子層」の一例である。
ここで、第４実施形態では、窒化物系半導体素子層８０は、光出射面８３側から支持基板７１側に向かって先細り形状になるように、約７０°傾斜した側面８０ａを有する。そして、窒化物系半導体素子層８０の傾斜した側面８０ａと光出射面８３とがなす角度は、鋭角（約７０°）になっている。また、第４実施形態では、絶縁膜７３が、窒化物系半導体素子層８０の傾斜した側面８０ａ上に沿って延びるように形成されている。そして、ｐ側電極７２が、窒化物系半導体素子層８０の傾斜した側面８０ａ上に位置する絶縁膜７３を覆うように形成されている。なお、窒化物系半導体素子層８０の傾斜した側面８０ａ上に位置するｐ側電極７２は、本発明の「側面反射膜」の一例である。また、第４実施形態では、窒化物系半導体素子層８０を構成する光透過層７９上に、約５０ｎｍの直径を有するとともに、粒径精度が約５％以下である単分散のＳｉＯ２微粒子が単層配列されたＳｉＯ２膜８１が形成されている。このＳｉＯ２膜８１は、光透過層７９の開口部７９ａと連続する開口部８１ａを有する。ここで、ＳｉＯ２膜８１の表面が光出射面８３となるため、光出射面８３は、約５０ｎｍの直径を有するＳｉＯ２微粒子に対応した凹凸形状になっている。
また、光透過層７９の開口部７９ａおよびＳｉＯ２膜８１の開口部８１ａ内には、上記第１実施形態のｎ側電極１０と同様の組成および厚みを有するｎ側電極８２が形成されている。
第４実施形態では、上記のように、窒化物系半導体素子層８０を、光出射面８３側から支持基板７１側に向かって先細り形状になるように、約７０°傾斜した側面８０ａを有するように構成することによって、上記第１〜第３実施形態と同様、光出射面８３に対する光の入射角が臨界角よりも小さくなるように、光の経路を変化させることができる。また、第４実施形態では、光出射面８３とは反対側に支持基板７１を設置することによって、上記第１〜第３実施形態と同様、窒化物系半導体素子層８０（活性層７７）で生成された光を支持基板７１とは反対側の光出射面８３から出射させることができるので、活性層７７で生成された光を半導体素子層８０のみを通過させて出射させることができる。その結果、上記第１〜第３実施形態と同様、成長用基板と窒化物系半導体素子層８０との界面での反射に起因する光取り出し効率の低下を抑制しながら、窒化物系半導体素子層８０の傾斜した側面８０ａにより光取り出し効率を向上させることができる。
また、第４実施形態では、ｐ側電極７２を、窒化物系半導体素子層８０の傾斜した側面８０ａに沿って延びるように形成することによって、上記第２実施形態と同様、窒化物系半導体素子層８０の傾斜した側面８０ａで反射される光を増大させることができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。なお、窒化物系半導体素子層８０の傾斜した側面８０ａとｐ側電極７２との間には、絶縁膜７３が形成されているので、窒化物系半導体層８０の側面８０ａに沿ってｐ側電極７２を設けたとしても、窒化物系半導体素子層８０とｐ側電極７２とが接触するのを防止することができる。
また、第４実施形態では、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層７８上に、アンドープのＧａＮからなる光透過層７９を形成することによって、上記第３実施形態と同様、光透過層７９における不純物準位に起因する光吸収を、ｎ型コンタクト層７８に比べて抑制することができるので、光出射面８３で全反射した光が吸収される確率を低くすることができる。その結果、上記第３実施形態と同様、光取り出し効率をより向上させることができる。
また、第４実施形態では、光透過層７９上に、単分散のＳｉＯ２微粒子が単層配列されたＳｉＯ２膜８１を形成することによって、光出射面８３（光透過層７９とＳｉＯ２膜８１との界面、および、ＳｉＯ２膜８１の表面）における光のフレネル反射を低減することができる。具体的には、光透過層７９とＳｉＯ２膜８１との界面において、光透過層７９側からＳｉＯ２膜８１側にいくにしたがって、光透過層７９の割合が徐々に小さくなるとともに、ＳｉＯ２膜８１の割合が徐々に大きくなるので、光透過層７９の屈折率からＳｉＯ２膜８１の屈折率に徐々に変化させることができる。同様に、ＳｉＯ２膜８１の表面と空気層との界面において、ＳｉＯ２膜８１側から空気層側にいくにしたがって、ＳｉＯ２膜８１の割合が徐々に小さくなるとともに、空気層の割合が徐々に大きくなるので、ＳｉＯ２膜８１の屈折率から空気層の屈折率に徐々に変化させることができる。このように、光透過層７９とＳｉＯ２膜８１との界面、および、ＳｉＯ２膜８１の表面と空気層との界面において、屈折率を徐々に変化させることができるので、光のフレネル反射を低減することができる。
また、第４実施形態では、支持基板７１とｐ型コンタクト層７４との間に位置するｐ側電極７２の表面を凹凸形状にすることによって、ｐ型コンタクト層７４とｐ側電極７２との界面に入射した光は、ｐ側電極７２の表面の凹凸形状により回折される。これにより、光出射面８３に対する光の入射角が臨界角よりも小さくなるように、光の経路を変化させることができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。
なお、第４実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
図２８〜図３７は、図２７に示した第４実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための平面図および断面図である。次に、図２７〜図３７を参照して、第４実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスについて説明する。
まず、図２８（平面図）および図２９（図２８の２００−２００線に沿った断面図）に示すように、ＣＶＤ法を用いて、成長用基板としてのＧａＮ基板８４の（０００１）面上に、ＳｉＯ２膜８１を形成する。具体的には、約５０ｎｍの直径を有するとともに、粒径精度が約５％以下である単分散のＳｉＯ２微粒子が三角格子状に単層配列するように、ＳｉＯ２膜８１を形成する。
次に、図３０に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ２膜８１が形成されたＧａＮ基板８４上に、約３００ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる光透過層７９を成長させる。この際、光透過層７９は、ＳｉＯ２膜８１のＳｉＯ２微粒子間の隙間に位置するＧａＮ基板８４上に縦方向に選択的に成長した後、ＳｉＯ２膜８１を覆うように横方向に成長することにより表面が平坦となる。このため、光透過層７９に形成される転位が横方向に曲げられるので、縦方向に伝播された転位が形成され難くなる。これにより、比較的転位密度が低いＧａＮ基板８４に比べて、光透過層７９の転位密度をより低減することができる。
続いて、光透過層７９上に、約０．５μｍの厚みを有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層７８を成長させる。この後、約２．５ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａ０．７５Ｉｎ０．２５Ｎからなる４つの井戸層（図示せず）と約１５ｎｍの厚みを有するアンドープのＧａＮからなる３つの障壁層（図示せず）とを交互に成長させる。これにより、４つの井戸層と３つの障壁層とが交互に積層されたＭＱＷ構造の活性層７７を成長させる。
次に、活性層７７上に、約５ｎｍの厚みを有するＭｇがドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型キャップ層７６を成長させる。この後、ｐ型キャップ層７６上に、約０．１μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型クラッド層７５、および、約０．０５μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるｐ型コンタクト層７４を順次成長させる。このようにして、ｐ型コンタクト層７４、ｐ型クラッド層７５、ｐ型キャップ層７６、活性層７７、ｎ型コンタクト層７８および光透過層７９によって構成される窒化物系半導体素子層８０を形成する。この後、熱処理または電子線処理を行うことにより、ｐ型コンタクト層７４、ｐ型クラッド層７５およびｐ型キャップ層７６のｐ型化を行う。
次に、図３１に示すように、図６に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、ｐ型コンタクト層７４の表面上に、ｐ型コンタクト層７４とは反対側に向かって先細り形状となる台形状のＡｌからなるマスク層８５を形成する。
次に、図３２に示すように、図７に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、エッチング深さがＧａＮ基板８４の表面に達するまで、マスク層８５と窒化物系半導体素子層８０およびＳｉＯ２膜８１とを同時にエッチングする。これにより、窒化物系半導体素子層８０は、マスク層８５の形状を反映した形状になる。すなわち、窒化物系半導体素子層８０は、ＧａＮ基板８４側からｐ型コンタクト層７４側に向かって先細り形状になるとともに、窒化物系半導体素子層８０の側面８０ａとｐ型コンタクト層７４の表面とがなす角度が鈍角（約１１０°）になる。この後、希塩酸を用いて、マスク層８５を除去する。
次に、図３３に示すように、窒化物系半導体素子層８０の全面を覆うように、プラズマＣＶＤ法などにより、たとえば約２００ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜（図示せず）を形成した後、ｐ型コンタクト層７４上に位置するＳｉＯ２膜に微細加工を施す。具体的には、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ｐ型コンタクト層７４上に位置するＳｉＯ２膜の所定領域を除去し、約３００ｎｍの直径を有する円形のＳｉＯ２膜を約６００ｎｍの格子間隔で三角格子状に形成する。これにより、ｐ型コンタクト層７４上の所定領域が露出するように、ＳｉＯ２からなる絶縁膜７３を形成する。
次に、図３４に示すように、真空蒸着法などを用いて、絶縁膜７３上に、ｐ型コンタクト層７４の表面に接触するように、上記第１実施形態のｐ側電極２と同様の組成および厚みを有するｐ側電極７２を形成する。これにより、ｐ側電極７２のｐ型コンタクト層７４上に位置する領域は、凹凸形状になる。
次に、図３５に示すように、図４に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、ｐ側電極７２に、導電性の支持基板７１を接合する。この後、外部から物理的な力を加えることにより、ＧａＮ基板８４を除去する。これにより、図３６に示すように、ＳｉＯ２膜８１が露出された状態にする。
次に、図３７に示すように、エッチング技術を用いて、ＳｉＯ２膜８１および光透過層７９の所定領域に、それぞれ、ｎ型コンタクト層７８の表面が露出するように、開口部８１ａおよび７９ａを形成する。この際、ＳｉＯ２微粒子はエッチングし易いので、容易に、ＳｉＯ２膜８１に開口部８１ａを形成することができる。この後、真空蒸着法などを用いて、ＳｉＯ２膜８１の開口部８１ａおよび光透過層７９の開口部７９ａ内に、ｎ型コンタクト層７８の表面に接触するように、上記第１実施形態のｎ側電極１０と同様の組成および厚みを有するｎ側電極８２を形成する。
この後、図８に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、素子分離領域８６に沿って、素子分離を行う。ここで、素子分離領域８６を隔てて隣接する窒化物系半導体素子層８０の傾斜した側面８０ａ間には、空間が設けられている。このため、上記第２実施形態と同様、ダイシングを用いて支持基板７１に切込みを入れる際に、刃物が窒化物系半導体素子層８０に接触するのを抑制することができるので、窒化物系半導体素子層８０へのダメージを低減することができる。このようにして、図２７に示した第４実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子が形成される。
第４実施形態の製造プロセスでは、上記のように、ＳｉＯ２膜８１が形成されたＧａＮ基板８４上に、光透過層７９を成長させることによって、μｍオーダの幅を有する通常の選択成長マスクを用いる場合に比べて、ＳｉＯ２膜８１のＳｉＯ２微粒子の直径が約５０ｎｍと小さいので、横方向に成長を始めた光透過層７９を構成するＧａＮ層が、成長初期の段階で隣接するＧａＮ層と一体となる。これにより、より小さい厚みで光透過層７９の表面を平坦化することができる。その結果、光透過層７９の厚みが大きくなることに起因して、ＧａＮ基板８４の反りやクラックの発生を抑制することができる。また、光透過層７９をアンドープのＧａＮからなるように構成することによって、上記第３実施形態と同様、横方向成長を促進することができるので、これによっても、より小さい厚みで光透過層７９の表面を平坦化することができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第１〜第４実施形態では、ＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＩｎＧａＮなどからなる層を含む窒化物系半導体素子層を用いたが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＩｎＧａＮからなる層以外の窒化物系半導体層を含んでいてもよい。ＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＩｎＧａＮ以外の窒化物系半導体としては、たとえば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）およびＴｉＮ（窒化タリウム）などのIII−Ｖ族窒化物半導体や、III−Ｖ族窒化物半導体の混晶などが考えられる。また、上記したIII−Ｖ族窒化物半導体やその混晶に、Ａｓ、ＰおよびＳｂの少なくとも１つの元素を含む混晶なども考えられる。また、ＺｎＯなどの酸化物系半導体からなる層を含む半導体素子層にも適用可能である。また、半導体の結晶構造としては、ウルツ鉱型構造であってもよいし、閃亜鉛鉱型構造であってもよい。
また、上記第１〜第４実施形態では、窒化物系半導体各層の表面が（０００１）面になるように積層したが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体各層の表面が他の方向になるように積層してもよい。たとえば、窒化物系半導体各層の表面が（１−１００）面や（１１−２０）面などの（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、０）面になるように積層してもよい。
また、上記第１〜第４実施形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物系半導体各層を結晶成長させたが、本発明はこれに限らず、ＨＶＰＥ（Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法やガスソースＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いて、窒化物系半導体各層を結晶成長させてもよい。
また、上記第１〜第４実施形態では、成長用基板として、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板またはＧａＮ基板を用いたが、本発明はこれに限らず、ＧａＡｓ基板、ＭｇＯ基板、ＺｎＯ基板およびスピネル基板などを成長用基板として用いてもよい。
また、上記第１、第３および第４実施形態では、Ａｇ層とＡｌ層とからなるｐ側電極を用いたが、本発明はこれに限らず、発光波長に応じて、ｐ側電極における光吸収が少なくなるように、ｐ側電極を構成する金属層の厚みや材料を変更してもよい。また、ｐ側電極は、窒化物系半導体素子層の全面に形成してもよいし、一部のみに形成してもよい。窒化物系半導体素子層の一部のみにｐ側電極を形成する場合は、ｐ側電極が形成される領域以外の領域に光を反射させる層を形成するのが好ましい。また、導電性基板との接合力を強くするために、ｐ側電極と導電性基板との間にパッド電極を形成するのが好ましい。また、導電性基板との接合に半田を用いる場合は、ｐ側電極の保護膜としてＰｔやＰｄなどからなるバリアメタルを形成するのが好ましい。
また、上記第１、第３および第４実施形態では、Ａｌからなるオーミック電極、ＰｔまたはＴｉからなるバリア金属、および、ＡｕまたはＡｕ−Ｓｎからなるパッド金属からなる光を透過させることができないｎ側電極を用いたが、本発明はこれに限らず、光を透過させることができる透明材料などからなるｎ側電極を用いてもよい。この場合、金線を接続するために、ｎ側電極上の一部にパッド電極を形成するのが好ましい。
また、上記第４実施形態では、ＳｉＯ２微粒子からなるＳｉＯ２膜を用いたが、本発明はこれに限らず、発光波長に応じて、光吸収が少なくなるような材料を用いればよい。また、屈折率を徐々に変化させることができるので、窒化物系半導体との間の屈折率差が大きくてもよい。たとえば、Ａｌ２Ｏ３微粒子やＳｉＮＸ微粒子からなる膜を用いてもよい。さらに、結晶成長中に反応および融解しない材料であればよい。たとえば、Ｗ、ＴａおよびＭｏなどの高融点金属の微粒子やＴｉＯ２微粒子からなる膜を用いてもよい。
また、上記第２および第４実施形態では、反射膜として機能するｎ側電極２２およびｐ側電極７２を、支持基板と半導体素子層との接合界面のみならず、半導体素子層の傾斜した側面上にも延びるように形成したが、本発明はこれに限らず、反射膜として機能するｎ側電極およびｐ側電極を支持基板と半導体素子層との接合界面のみに形成するとともに、そのｎ側電極およびｐ側電極とは別個に、半導体素子層の傾斜した側面上に側面反射膜を形成するようにしてもよい。
１、２１、５１、７１ 支持基板（導電性基板）
２、５２ ｐ側電極（反射膜）
９、２９、５９、８０ 窒化物系半導体素子層（半導体素子層）
９ａ、２９ａ、５９ａ、８０ａ 側面
１１、３１、６１、８３ 光出射面
１２ サファイア基板（成長用基板）
２２ ｎ側電極（反射膜、側面反射膜）
３２ ６Ｈ−ＳｉＣ基板（成長用基板）
６２ Ｓｉ基板（成長用基板）
７２ ｐ側電極（反射膜、側面反射膜）
８４ ＧａＮ基板（成長用基板）
２、５２ ｐ側電極（反射膜）
９、２９、５９、８０ 窒化物系半導体素子層（半導体素子層）
９ａ、２９ａ、５９ａ、８０ａ 側面
１１、３１、６１、８３ 光出射面
１２ サファイア基板（成長用基板）
２２ ｎ側電極（反射膜、側面反射膜）
３２ ６Ｈ−ＳｉＣ基板（成長用基板）
６２ Ｓｉ基板（成長用基板）
７２ ｐ側電極（反射膜、側面反射膜）
８４ ＧａＮ基板（成長用基板）
Claims (6)
- 光出射面とは反対側に設置された支持基板と、
前記支持基板に接合され、少なくとも前記光出射面に対して所定の角度傾斜した側面を有する半導体素子層とを備えた、発光素子。 - 前記光出射面と前記半導体素子層の前記側面とがなす角度は、鈍角である、請求項１に記載の発光素子。
- 前記半導体素子層の前記所定の角度傾斜した側面に沿って延びるように形成された側面反射膜をさらに備える、請求項１に記載の発光素子。
- 少なくとも前記支持基板と前記半導体素子層との間に設けられた反射膜をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記光出射面は、凹凸形状に形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
- 成長用基板上に、少なくとも光出射面に対して所定の角度傾斜した側面を有する半導体素子層を形成する工程と、
前記光出射面とは反対側に支持基板を設置する工程と、
前記支持基板に、前記半導体素子層を接合する工程と、
前記成長用基板を除去する工程とを備えた、発光素子の製造方法。
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