JP2005277374A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】III族窒化物系化合物半導体発光素子の駆動電圧を高めることなく光取り出し効率を向上させる。
【解決手段】半導体面から光を取り出すIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８の上に選択成長法で形成したＭｇを8×1019ドープしたｐ型ＧａＮから成る高さ約1.5μｍのIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０を形成し、その上には金属蒸着による透光性の透光性電極１１０を形成した。III族窒化物系化合物半導体突起部１５０によって光取り出し面が凹凸になり実質的な臨界角が広がり、光取り出し効率を向上することができる。またエッチングを用いて凹凸を形成していないので駆動電圧の増大もない。
【選択図】図１
【解決手段】半導体面から光を取り出すIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８の上に選択成長法で形成したＭｇを8×1019ドープしたｐ型ＧａＮから成る高さ約1.5μｍのIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０を形成し、その上には金属蒸着による透光性の透光性電極１１０を形成した。III族窒化物系化合物半導体突起部１５０によって光取り出し面が凹凸になり実質的な臨界角が広がり、光取り出し効率を向上することができる。またエッチングを用いて凹凸を形成していないので駆動電圧の増大もない。
【選択図】図１
Description
本発明は一般式ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）で表わされるIII族窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法に関する。本発明は光取り出し効率の高いIII族窒化物系化合物半導体発光素子構造を提供するものである。
近年においては、小型、軽量、及び長寿命などの長所を有する緑、青乃至紫外領域の発光ダイオード（ＬＥＤ）としてIII族窒化物系化合物半導体発光素子は汎用されつつあるが、ＬＥＤの高輝度化及び高効率化の要求も高まっている。
高輝度化及び高効率化の手段として、内部量子効率を高めるとともに発光層から放出された光を半導体層の外へ取り出し効率すなわち外部量子効率を改善することが重要である。外部量子効率を改善する技術に関して次のような出願がなされている。
特開２０００−１９６１５２号公報
特開平５−１６７１０１号公報
高輝度化及び高効率化の手段として、内部量子効率を高めるとともに発光層から放出された光を半導体層の外へ取り出し効率すなわち外部量子効率を改善することが重要である。外部量子効率を改善する技術に関して次のような出願がなされている。
エピタキシャル成長により形成されるIII族窒化物系化合物半導体発光素子の成長表面は一般に平坦である。一方、III族窒化物系化合物半導体の屈折率は約２．６と大きく、活性層で発生した光を半導体層より相対的に屈折率が小さい半導体外部へ取り出す場合、光取り出し面に対して臨界角よりも大きい法線角度で斜めに入射した光は半導体内部へ全反射される。つまり半導体内部の屈折率が外部の屈折率より大きく、その差が大きい場合、さらに光取り出し面が平坦な場合、活性層で発生した光の大部分が半導体外部へ取り出せない。
上記の特許文献の様に、光取り出し面にシリンドリカル状の凹凸を形成することは、外部量子効率を確かに増大させるが、光取り出し面に薄く精度よく凹凸を形成することは、量産体制を取り得る現行の一般的な加工技術水準に照らして困難である。
また、従来ＧａＰ層などに対して行われている表面処理（化学的エッチング）による上面のランダムな凹凸形成は、ＧａＮのような安定した材料の場合多大な成長時間が必要であり望めない。さらにエッチングの際生じる半導体表面のダメージ層の影響で透光性電極とのオーミック接触が不十分となり駆動電圧が大きくなる問題もある。
そこで本発明は上記従来技術に対し、簡単な工程で且つ駆動電圧を上げることなく光取り出し効率を向上させ、外部発光効率の高いIII族窒化物系化合物半導体発光素子を得ることを目的としてなされたものである。
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、基板上にエピタキシャル成長によりIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成された発光素子において、光を取り出す半導体の成長表面にIII族窒化物系化合物半導体からなる凹凸を設け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である。
本発明は、凹凸を形成することで半導体の光を取り出す面の平坦性を低下させ、発光層で発生した光に対して光取り出し面の角度を物理的に変化させ且つ多様にすることを特徴とする。この結果、実質的な臨界角を広げることができ、光取り出し効率を向上することができる。
また、請求項２に記載の手段によれば、請求項１に記載の発光素子であって、凹凸の凸部が選択成長によって形成されたIII族窒化物系化合物半導体であることを特徴とする。
本発明では半導体の光取り出し面の凹凸を一般式ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）で表わされるIII族窒化物系化合物半導体の選択成長で形成する、つまりIII族窒化物系化合物半導体を再成長させ凸部を形成することを特徴とする。
また、請求項３に記載の手段によれば、請求項２に記載の発光素子であって、凸部を選択成長させる直下の半導体層および凸部がともにｐ型III族窒化物系化合物半導体であることを特徴とする。
本発明では半導体の光取り出し面の凹凸を一般式ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）で表わされるIII族窒化物系化合物半導体の選択成長で形成する際同時にｐ型不純物をドープする。つまりｐ型III族窒化物系化合物半導体上にｐ型III族窒化物系化合物半導体を再成長させ凸部を形成することを特徴とする。
本発明では半導体の光取り出し面の凹凸を一般式ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）で表わされるIII族窒化物系化合物半導体の選択成長で形成する際同時にｐ型不純物をドープする。つまりｐ型III族窒化物系化合物半導体上にｐ型III族窒化物系化合物半導体を再成長させ凸部を形成することを特徴とする。
また、請求項４に記載の手段によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発光素子であって、凹凸面の一部または全面に透光性電極を設けることを特徴とする。
本発明では光取り出し面である凹凸面に透光性電極を設けることで、電流を拡散させるとともに光取り出し効率を維持することを特徴とする。凹凸面の一部に透光性電極を設けることで電流拡散が十分な場合は凹凸面全部に透光性電極を設ける必要は無い。
また、請求項５に記載の手段によれば、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の発光素子であって、凹凸面のうち凸部を除く表面に透光性電極を設けることを特徴とする。
本発明では光取り出し面の一部である凸部に透光性電極を設けないことで、透光性電極による光吸収を低減することを特徴とする。
また、請求項６に記載の手段によれば、基板上にｎ型III族窒化物系化合物半導体層、発光層およびｐ型III族窒化物系化合物半導体層を順次積層し、III族窒化物系化合物半導体層上にIII族窒化物系化合物半導体が成長しないマスクを形成し、そのマスクの一部分を除去し、その除去した部分にIII族窒化物系化合物半導体を選択成長させ半導体表面に凸部を作製す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である。
また、請求項７に記載の手段によれば、請求項６に記載の製造方法であって、III族窒化物系化合物半導体を選択成長する工程でｐ型不純物をドープす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である。
また、請求項８に記載の手段によれば、請求項６または請求項７に記載の製造方法であって、選択成長させる成長温度が、１１００℃以下であ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である。さらに好ましい成長温度は９００℃以上１０５０℃以下である。
本発明では選択成長する成長温度をｐ層成長温度より低くすることを特徴とする。一般にインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体からなる発光層の成長温度は７００℃から９００℃であり、発光層に対する熱のダメージを抑えることに有効である。
また、請求項９に記載の手段によれば、請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載の製造方法であって、マスクの材料が酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）であ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である。
また、請求項９に記載の手段によれば、請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載の製造方法であって、マスクの材料が酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）であ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である。
また、請求項１０に記載の手段によれば、請求項４又は請求項５に記載の発光素子であって、透光性電極が酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなることを特徴とする。
また、請求項１１に記載の手段によれば、請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の製造方法であって、マスクの材料が酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）であることを特徴とする。
本発明では、光取り出し面である半導体表面にIII族窒化物系化合物半導体からなる凹凸面を形成することで、実質的な臨界角を広げることができ、光取り出し効率（外部量子効率）を向上させることができる。
さらに、選択成長によってIII族窒化物系化合物半導体からなる凹凸面を形成することで、エッチングすることなく凹凸面を形成できる。このため凹凸面にダメージ層ができず、凹凸面に電極を設ける場合オーミック接触が得やすい。この結果、発光素子としての駆動電圧が大きくなるのを避けることができる。またエッチングで凹凸面を形成する場合に比較して、被エッチング半導体層の成長時間と原料、さらにはエッチングに要する時間が節約できる。
さらに、ｐ型III族窒化物系化合物半導体上に選択成長によってｐ型III族窒化物系化合物半導体からなる凸部を形成することで、凹凸面全体をｐ型導電型の半導体にすることができ、光取り出し面全体がコンタクト層として利用可能となる。
さらに、光取り出し面である凹凸面の一部または全面に透光性電極を設けることで、電流を拡散させるとともに光取り出し効率を維持することを特徴とする。凹凸面の一部に透光性電極を設けることで電流拡散が十分な場合は凹凸面全部に透光性電極を設ける必要は無い。電流拡散には凹凸面が導電性半導体からなっていることが望ましく、ｐ型半導体であることがさらに望ましい。
さらに、光取り出し面である凹凸面のうち凸部を除く表面の一部または全面に透光性電極を設けることで、電流拡散し凸部上の透光性電極による光の吸収や反射を低減することで光取り出し効率を維持することを特徴とする。通常、透光性電極も光を吸収及び反射する性質を有しており、凸部に透光性電極を設けないことでより効率的に凸部からの光を取り出すことが可能である。
一方、基板上にｎ型III族窒化物系化合物半導体層、発光層およびｐ型III族窒化物系化合物半導体層を順次積層し、III族窒化物系化合物半導体層上にIII族窒化物系化合物半導体が成長しないマスクを形成し、そのマスクの一部分を除去し、その除去した部分にIII族窒化物系化合物半導体を選択成長させ半導体表面に凸部を作製することで、III族窒化物系化合物半導体層にダメージを与えるエッチングすることなく、光取り出しに有効な半導体層の光取り出し面に凹凸面を形成することができる。
さらに選択成長させるIII族窒化物系化合物半導体にｐ型不純物をドープすることで、凹凸面全体に導電性を付与することができ、透光性電極を設けることで電流拡散に有効である。
さらに、選択成長の成長温度を１１００℃以下とすることで、成長温度が比較的低い発光層に与えるダメージを押さえることができる。III族窒化物系化合物半導体の選択成長の条件を考慮すると、さらに好ましい成長温度は９００℃以上１０５０℃以下である。
発光素子の透光性電極を酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で形成すると、薄膜の金属で透光性電極を形成した場合と比べて、光取り出し効率が格段に向上する。
更に、透光性電極を酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で形成して、それを選択成長のマスクとして利用することも可能である。これは、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）で選択成長のマスクを形成した場合に比較し、当該マスク形成（及び窓空け）及びマスク除去の工程を省略することができ、更に効率的な発光素子の製造方法となる。
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
本発明の発光素子は基板上に発光層を含むIII族窒化物系化合物半導体から成る積層体構造を作製した後、光取り出し面である半導体成長面に選択成長法によってIII族窒化物系化合物半導体を成長し、凹凸面を形成することで光取り出し効率を向上させたことを特徴とする。
本発明で言う選択成長法とは半導体成長面に半導体が成長しうる領域と成長できない領域を形成することによって半導体の成長領域を制限する成長方法であり、成長領域のみにIII族窒化物系化合物半導体を成長させることにより、結果としてIII族窒化物系化合物半導体の凹凸面を形成する。
当該選択成長は、いわゆるファセット面を保ったまま成長させる方法が好ましい。ファセット面としては、例えばIII族窒化物系化合物半導体の（１−１０１）面や（１１−２２）面（「−１」及び「−２」は本来の記号としては１及び２の上に横棒を付けたもの）を保つような成長条件により、Ｃ面（０００１面）に対し概略６０度の斜面を表面とすることができる。尚、当該成長は「理想的な６角錐状」に形成する必要は全く無く、選択成長領域で当該凸部が一体化する必要もなく、また当該選択成長領域内全体で凸部を形成させる必要もない。発明者らの実験結果によれば、円形の選択成長領域を設けても、その領域全体を底部として凸部が形成されず、且つ角錐台状（６角錐台に限らない）であっても、光取り出し効率が１５乃至３５％向上する。
なお、ここで言う結晶成長させる基板としては、サファイア、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＭｇＯ或いは、III族窒化物系化合物基板等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。
また「III族窒化物系化合物半導体」一般には、２元、３元、又は４元の「ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）」成る一般式で表される任意の混晶比の半導体が含まれ、更に、ｐ型或いはｎ型の不純物が添加された半導体もまた、これらの「III族窒化物系化合物半導体」の範疇である。
また、上記のIII族元素（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の内の少なくとも一部をボロン（Ｂ）やタリウム（Ｔｌ）等で置換したり、或いは、窒素（Ｎ）の少なくとも一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換したりした半導体等をもまた、これらの「III族窒化物系化合物半導体」の範疇とする。
また、上記のｐ型の不純物（アクセプタ）としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、或いはカルシウム（Ｃａ）等の公知のｐ型不純物を添加することができる。
また、上記のｎ型の不純物（ドナー）としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）や、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、炭素（Ｃ）、或いはゲルマニウム（Ｇｅ）等の公知のｎ型不純物を添加することができる。
さらに、これらの不純物（アクセプタ又はドナー）は、同時に２元素以上を添加しても良いし、同時に両型（ｐ型とｎ型）を添加しても良い。
また、発光層は単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）などを採用することができる。発光層はノンドープでも良く、ｎ型、ｐ型であっても良い。発光層の上方、下方には、各種の機能を有した層があっても良い。例えば、ｎ層、ｐ層や不純物無添加層である。また、ホモｐｎ接合、シングルヘテロ接合、ダブルヘテロ接合構造などを採用することができる。
発光層を構成する多重量子井戸構造は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１および０≦ｚ≦１）から成る井戸層を含むものである。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのＧａ1-yＩｎyＮ（０＜ｙ≦１）から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体ＡｌＧａＩｎＮから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１および０≦ｚ≦１）の井戸層とアンドープのＧａＮから成る障壁層である。
透光性電極、ｐ電極（パッド電極）、ｎ電極は、III族窒化物系化合物半導体素子に用いることが可能であることが周知の任意の材料を用いることができる。透光性電極としては例えば薄膜金属電極を用いることができ、その材料は例えば金又は金と他の金属との合金を用いると良い。特に金とコバルト、金とニッケル等の合金が良く知られている。合金は、２つの金属の単層を順次積層したのちアロイ化により合金化することが好適である。
透光性電極としては、例えば酸化スズ、酸化亜鉛その他の酸化物系電極をもちいることもできる。特に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）はIII族窒化物系化合物半導体発光素子の、主たる波長領域である緑色、青色、紫色乃至近紫外線領域における透光性が高く、有用である。酸化物系電極の形成方法は、スパッタリング、電子線蒸着、抵抗加熱蒸着、その他任意の周知の形成方法を用いることができる。
選択最長の際のマスクの材料としては、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しないという条件を満たす任意の材料を用いることができる。チタンのような金属、アモルファスシリコンのような半導体、酸化物その他の無機物、有機物その他任意である。その中でも酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）が、形成工程、「窓空け（選択成長領域の露出部）」工程及び選択成長後の除去工程が容易であり、好ましい。選択最長の際のマスクとして酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いる場合は温度を比較的低温とすることが、酸化インジウムスズの劣化、特に透光性の悪化を回避するために重要である。
図１に、本発明の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体素子１００の模式的な断面図を示す。III族窒化物系化合物半導体素子１００は、次の構成を有する発光素子である。図１に示す様に、厚さ約100μｍのサファイア基板１０１の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約15ｎｍのＡｌＮバッファ層１０２が成膜され、その上に膜厚約500ｎｍのノンドープのＧａＮ層１０３が成膜され、その上にシリコン（Ｓｉ）を1×1018/cm3ドープしたＧａＮから成る膜厚約5μｍのｎ型コンタクト層１０４（高キャリア濃度ｎ+層）が形成されている。
また、このｎ型コンタクト層１０４の上には、シリコン（Ｓｉ）を1×1018/cm3でドープしたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから成る膜厚約25ｎｍのｎ型クラッド層１０５が形成されている。更にその上には、膜厚約3ｎｍのノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層１０６１と膜厚約20ｎｍのノンドープＧａＮから成る障壁層１０６２とを３ペア積層して多重量子井戸構造の発光層１０６が形成されている。
更に、この発光層１０６の上には、Ｍｇを2×1019/cm3ドープした膜厚約25ｎｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから成るｐ型クラッド層（第１のｐ層）１０７が形成されている。ｐ型クラッド層１０７の上には、Ｍｇを8×1019/cm3ドープした膜厚約100ｎｍのｐ型ＧａＮから成るｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８が形成されている。
ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８の上には、選択成長法で形成したＭｇを8×1019ドープしたｐ型ＧａＮから成る高さ約1.5μｍのIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０が形成されている。
又、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８とIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０の上には金属蒸着による透光性電極１１０が、ｎ型コンタクト層１０４上にはｎ電極１４０が形成されている。透光性電極１１０は、膜厚約4ｎｍのコバルト（Ｃｏ）より成る第１層１１１と、このコバルト膜に接合する膜厚約10ｎｍの金（Ａｕ）より成る第２層１１２とで構成されている。透光性電極１１０は半導体の凹凸表面上に形成されているため接触面積が大きく、オーミック接触に有利である。
厚膜ｐ電極１２０は、膜厚約18ｎｍのバナジウム（Ｖ）より成る第１層１２１と、膜厚約1.5μｍの金（Ａｕ）より成る第２層１２２と、膜厚約10ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）より成る第３層１２３とを透光性電極１１０の上から順次積層させることにより構成されている。
多層構造のｎ電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分の上から、膜厚約18ｎｍのバナジウム（Ｖ）より成る第１層１４１と膜厚約100ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）より成る第２層１４２とを積層させることにより構成されている。ｎ型コンタクト層１０４を露出させる部分にIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０を形成しておくと、ｎ型コンタクト層１０４が露出した部分にも凹凸が残り、ｎ電極１４０とのオーミック接触に有利である。
また、最上部には、ＳｉＯ2膜より成る保護膜１３０が形成されている。サファイア基板１０１の底面に当たる外側の最下部には、膜厚約500ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）より成る反射金属層１７０が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層１７０は、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｗ等の金属の他、ＴｉＮ、ＨｆＮ等の窒化物でも良い。
上記の構成のIII族窒化物系化合物半導体素子１００は次のように製造された。III族窒化物系化合物半導体素子１００は、有機金属気相成長法（以下「ＭＯＶＰＥ」と略す）により製造された。用いられたガスは、アンモニア(ＮＨ3)、キャリアガス(Ｈ2及びＮ2)、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3）3）（以下「ＴＭＧ」と記す）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3）3）（以下「ＴＭＡ」と記す）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3）3）（以下「ＴＭＩ」と記す）、シラン(ＳｉＨ4)とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5Ｈ5）2）（以下「ＣＰ2Ｍｇ」と記す）である。
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したＡ面を主面とした単結晶のサファイア基板１０１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でＨ2を反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１０１をベーキングした。
次に、サファイア基板１０１の温度を400℃に低下させ、Ｈ2、ＮＨ3及びＴＭＡを供給してＡｌＮバッファ層１０２を約15ｎｍの膜厚に形成した。
次に、サファイア基板１０１の温度を1150℃に保持し、Ｈ2、ＮＨ3、ＴＭＧを供給して、その上にノンドープＧａＮ層１０３を形成した。次に、Ｈ2、ＮＨ3、ＴＭＧ、シランを供給して、その上にシリコン（Ｓｉ）を1×1018/cm3ドープしたＧａＮから成る膜厚約5μｍのｎ型コンタクト層１０４（高キャリア濃度ｎ+層）を形成した。
この後、Ｈ2、ＮＨ3、ＴＭＧ、ＴＭＡ、シランの供給量を制御して、シリコン（Ｓｉ）を1×1018/cm3でドープしたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから成る膜厚約25ｎｍのｎ型クラッド層１０５を形成した。
次に、サファイア基板１０１の温度を825℃にまで低下させて、Ｎ2又はＨ2、ＮＨ3、ＴＭＧ及びＴＭＩの供給量を制御して、膜厚約3ｎｍのノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層１０６１と膜厚約20ｎｍのノンドープＧａＮから成る障壁層１０６２とを３ペア積層して多重量子井戸構造の発光層１０６が形成した。
次に、サファイア基板１０１の温度を1050℃に保持し、Ｎ2又はＨ2、ＮＨ3、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣＰ2Ｍｇを制御しながら供給して、Ｍｇを2×1019/cm3ドープした膜厚約25ｎｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから成るｐ型クラッド層（第１のｐ層）１０７を形成した。次にＮ2又はＨ2、ＮＨ3、ＴＭＧ及びＣＰ2Ｍｇを制御しながら供給して、Ｍｇを8×1019ドープした膜厚約100ｎｍのｐ型ＧａＮから成るｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８を形成した。
次に、本発明の特徴であるIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０を形成した。まず、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８まで形成後、成長面にスパッタリングでＳｉＯ2マスク（図示せず）を形成した。ＳｉＯ2マスク上ではIII族窒化物系化合物半導体は成長しない。次にIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０を設ける部分について、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用い直径2μｍの円形状に間隔1μｍでＳｉＯ2マスクを除去してｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８を露出させた。このｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８を露出させる形状や配置、間隔は光取り出し面の大きさなどによって適宜設計できる。
ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８を露出させる形状はたとえば、円形、多角形、ストライプ状や任意のテクスチャ形状が有効である。また露出部分の間隔は露出部分の大きさによって適宜設計できる。
次にサファイア基板１０１の温度を1000℃に保持し、Ｎ2又はＨ2、ＮＨ3、ＴＭＧ及びＣＰ2Ｍｇを制御しながら供給して、選択成長法によってＭｇを8×1019ドープした高さ約1.5μｍのｐ型ＧａＮから成るIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０を形成した。選択成長によって成長したIII族窒化物系化合物半導体は六角錐状に形成された。次にＳｉＯ2マスクをフッ酸系のエッチング液で除去した。
以上の結晶成長工程の後、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０上にエッチングマスクを形成し、所定領域のエッチングマスクをフォトリソグラフィとエッチングマスクをエッチングすることにより除去し、さらにエッチングマスクで覆われていない部分のIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８、ｐ型クラッド層１０７、活性層１０６、ｎ型クラッド層１０５、及びｎ型コンタクト層１０４の一部を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによってエッチングして、ｎ型コンタクト層１０４の表面を露出させた。
次に、エッチングマスクを残した状態で、全面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりｎ型コンタクト層１０５の露出面上の所定領域に窓を形成し、10-4Ｐａオーダ以下の高真空に排気した後、膜厚約20ｎｍのバナジウム(Ｖ)と膜厚約100ｎｍのＡｌを蒸着する。この後、フォトレジスト及びエッチングマスクを除去する。
続いて、表面上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフによりｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０上の電極形成部分のフォトレジストを除去して窓を形成し、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０を露出させる。露出させたｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０の上に、10-4Ｐａオーダ以下の高真空に排気した後、Ｃｏを膜厚約4ｎｍに成膜し、このＣｏ上にＡｕを膜厚約10ｎｍに成膜する。次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法によりフォトレジスト上に堆積したＣｏとＡｕとを除去し、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０に対する透光性電極１１０を形成する。
この後、試料雰囲気を真空ポンプで排気し、Ｏ2ガスを供給して圧力3Ｐａとし、その状態で雰囲気温度を約550℃にして、4分程度、加熱し、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０、ｐ型クラッド層１０７をｐ型低抵抗化すると共に、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０と透光性電極１１０との合金化処理、ｎ型コンタクト層１０４と電極１４０との合金化処理を行った。このようにして、ｎ型コンタクト層１０４に対する電極１４０と、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０に対する透光性電極１１０を形成した。
続いて、表面上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフによりｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０上の電極形成部分のフォトレジストを除去して窓を形成し、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０を露出させる。露出させたｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０の上に、10-4Ｐａオーダ以下の高真空に排気した後、Ｃｏを膜厚約4ｎｍに成膜し、このＣｏ上にＡｕを膜厚約10ｎｍに成膜する。次に、試料を蒸着装置から取り出し、リフトオフ法によりフォトレジスト上に堆積したＣｏとＡｕとを除去し、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０に対する透光性電極１１０を形成する。
この後、試料雰囲気を真空ポンプで排気し、Ｏ2ガスを供給して圧力3Ｐａとし、その状態で雰囲気温度を約550℃にして、4分程度、加熱し、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０、ｐ型クラッド層１０７をｐ型低抵抗化すると共に、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０と透光性電極１１０との合金化処理、ｎ型コンタクト層１０４と電極１４０との合金化処理を行った。このようにして、ｎ型コンタクト層１０４に対する電極１４０と、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８およびIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０に対する透光性電極１１０を形成した。
上記の工程により形成された透光性電極１１０上に、更に、ｐ電極１２０を形成するために、フォトレジストを一様に塗布して、厚膜正電極１２０の形成部分のフォトレジストに窓を開ける。その後、膜厚約18ｎｍのバナジウム（Ｖ）層１２１と、膜厚約１．５μｍの金（Ａｕ）層１２２と、膜厚約１０ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）層１２３とを透光性電極１１０の上に順次蒸着により成膜させ、同様にリフトオフ法によりｐ電極１２０を形成する。その後、エレクトロンビーム蒸着により、上部に露出している最上層に一様にＳｉＯ2より成る保護膜１３０を形成し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程を経て、ｐ電極１２０およびｎ電極１４０に外部露出部分ができるようにほぼ同面積の窓をそれぞれ一つづつウエットエッチングにより形成する。
以上の様にして、半導体層側から光を取り出すフェイスアップ型のIII族窒化物系化合物半導体素子１００を製造した。
図２に、本発明の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体素子２００の模式的な断面図を示す。
III族窒化物系化合物半導体素子２００は突起物であるIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０にＭｇをドープせずに選択成長で形成したことと、III族窒化物系化合物半導体突起部１５０上に透光性電極１１０を形成しないことを除きIII族窒化物系化合物半導体素子１００と同様に製造した。
比較例に係る半導体発光素子９００は突起物のIII族窒化物系化合物半導体を形成しないことを除きIII族窒化物系化合物半導体素子１００と同様に製造した。
実施例１〜２および比較例１の窒化物系半導体発光素子の駆動電圧と光取り出し効率の測定を行なった。従来技術である比較例と比較して、実施例１及び２の発光強度は約1.2倍に向上したが、駆動電圧の上昇は認められなかった。
［変形例］
実施例１及び２で示した、図１の半導体発光素子１００及び図２の半導体発光素子２００の、金（Ａｕ）とコバルト（Ｃｏ）からなる透光性電極１１０に替えて、各々酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る厚さ３００ｎｍの電極を形成した半導体発光素子を製造した。酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る透光性電極を有する半導体発光素子は、実施例１及び２の半導体発光素子１００及び２００よりも発光強度が約1.3倍と増加し、駆動電圧の上昇は認められなかった。
実施例１及び２で示した、図１の半導体発光素子１００及び図２の半導体発光素子２００の、金（Ａｕ）とコバルト（Ｃｏ）からなる透光性電極１１０に替えて、各々酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る厚さ３００ｎｍの電極を形成した半導体発光素子を製造した。酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る透光性電極を有する半導体発光素子は、実施例１及び２の半導体発光素子１００及び２００よりも発光強度が約1.3倍と増加し、駆動電圧の上昇は認められなかった。
本実施例においては、図４の構成の半導体発光素子３００を形成した。まず、実施例１と同様に、厚さ約100μｍのサファイア基板１０１の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約15ｎｍのＡｌＮバッファ層１０２を形成した後、膜厚約500ｎｍのノンドープのＧａＮ層１０３、シリコン（Ｓｉ）を1×1018/cm3ドープしたＧａＮから成る膜厚約5μｍのｎ型コンタクト層１０４（高キャリア濃度ｎ+層）、シリコン（Ｓｉ）を1×1018/cm3でドープしたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから成る膜厚約25ｎｍのｎ型クラッド層１０５、膜厚約3ｎｍのノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層１０６１と膜厚約20ｎｍのノンドープＧａＮから成る障壁層１０６２とを３ペア積層した多重量子井戸構造の発光層１０６、Ｍｇを2×1019/cm3ドープした膜厚約25ｎｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから成るｐ型クラッド層１０７、Ｍｇを8×1019/cm3ドープした膜厚約100ｎｍのｐ型ＧａＮから成るｐ型コンタクト層１０８をエピタキシャル成長により順に形成した。
次にスパッタリングによりＩＴＯから成る層を３００ｎｍ形成し、フォトレジストによるマスクを用いて、ＩＴＯ層をエッチングし、III族窒化物系化合物半導体突起部１５０を設ける部分を窓空けして、ｐ型コンタクト層１０８を露出させた。当該露出部は、実施例１同様、直径2μｍの円形状に間隔1μｍとした。このようにして形成されたＩＴＯ層１６０は、III族窒化物系化合物半導体突起部１５０を形成するための選択成長のマスクとして用いられる他、透光性電極として、発光素子３００の構成の一部を成すものである。
次に、実施例２と同様にして、Ｍｇをドープせずに選択成長を行ってIII族窒化物系化合物半導体突起部１５０を形成した。当該選択成長のマスクとして用いられたＩＴＯ層１６０は透光性電極として用いられるものであるので、当該選択成長後も除去しなかった。この後、フォトレジストマスクを用いた反応性イオンエッチングにより、ｎ電極を形成すべき領域において、ｎ型コンタクト層１０４の表面を露出させた。以下、実施例１と同様にして、ｐ電極１２０、ｎ電極１４０、保護膜１３０、及び裏面の反射金属層１７０を形成した。
このようにして形成された半導体発光素子３００は、上記変形例の、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る透光性電極を有する半導体発光素子と発光強度がほぼ等しく、駆動電圧もほぼ等しかった。即ち、ＩＴＯ層１６０を、III族窒化物系化合物半導体突起部１５０を形成するための選択成長のためのマスクとして用いたが、透光性電極としての機能に劣化は見られなかった。
上記実施例では「直径2μｍの円形状に間隔1μｍでＳｉＯ2マスクを除去して」として、選択成長領域のためのマスクの「窓空け」を行ったが、これは例えば図５．Ａ、図５．Ｂのようなパターンで当該「窓空け」を行ったものである。尚、既に述べた通り、選択成長領域の形状は、円形状に限定されず、且つマスクに他の部分と連続していない部分が存在しても、或いはマスクが全て孤立した島状であっても良い。尚、当然のことながら、透光性電極としても用いる層を当該選択成長領域のためのマスクとしても利用する場合は、当該透光性電極は独立した（孤立した）部分がないようにすることが好ましい。
１００：半導体発光素子
１０１：サファイア基板
１０２：ＡｌＮバッファ層
１０３：ノンドープＧａＮ層
１０４：ｎ型コンタクト層１０４（高キャリア濃度ｎ+層）
１０５：ｎ型クラッド層
１０６：発光層（ＭＱＷ）
１０７：ｐ型クラッド層（第１のｐ層）
１０８：ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）
１１０：透光性電極
１２０：ｐ電極
１３０：保護膜
１４０：ｎ電極
１５０：III族窒化物系化合物半導体突起部
１６０：ＩＴＯから成る透光性電極（選択成長マスク）
１７０：反射金属層
１０１：サファイア基板
１０２：ＡｌＮバッファ層
１０３：ノンドープＧａＮ層
１０４：ｎ型コンタクト層１０４（高キャリア濃度ｎ+層）
１０５：ｎ型クラッド層
１０６：発光層（ＭＱＷ）
１０７：ｐ型クラッド層（第１のｐ層）
１０８：ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）
１１０：透光性電極
１２０：ｐ電極
１３０：保護膜
１４０：ｎ電極
１５０：III族窒化物系化合物半導体突起部
１６０：ＩＴＯから成る透光性電極（選択成長マスク）
１７０：反射金属層
Claims (11)
- 基板上にエピタキシャル成長によりIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成される発光素子であって、
光を取り出す半導体の成長表面にIII族窒化物系化合物半導体からなる凹凸面を設けること
を特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。 - 前記凹凸面の凸部が選択成長によって形成されたIII族窒化物系化合物半導体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。
- 前記凸部を選択成長させる直下の半導体層および前記凸部がともにｐ型III族窒化物系化合物半導体であることを特徴とする請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記凹凸面の一部または全面に透光性電極を設けることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記凹凸面のうち凸部を除く表面の一部または全面に透光性電極を設けることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 請求項１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であって、
基板上にｎ型III族窒化物系化合物半導体層、発光層およびｐ型III族窒化物系化合物半導体層を順次積層する工程と、
該III族窒化物系化合物半導体層上にIII族窒化物系化合物半導体が成長しないマスクを形成する工程と、
該マスクの一部分を除去した部分を作製する工程と、
該マスクを除去した部分にIII族窒化物系化合物半導体を選択成長させることにより光取り出しのための凸部を作製する工程とを含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。 - 前記選択成長させるIII族窒化物系化合物半導体を成長する工程でｐ型不純物をドープ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。
- 前記選択成長させる成長温度が、１１００℃以下であることを特徴とする請求項６または請求項７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。
- 前記マスクの材料が酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）であることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記透光性電極が酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記マスクの材料が酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）であることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
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