JP2006054381A - 半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子、集積型半導体発光装置の製造方法、集積型半導体発光装置、画像表示装置の製造方法、画像表示装置、照明装置の製造方法および照明装置 - Google Patents
半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子、集積型半導体発光装置の製造方法、集積型半導体発光装置、画像表示装置の製造方法、画像表示装置、照明装置の製造方法および照明装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】 基板11上に第1のGaN系III−V族化合物半導体層12を成長させ、これに最大径が30μm以下の一つまたは複数の開口15を形成し、開口15を覆うように第1のGaN系III−V族化合物半導体層12の上面から第2のGaN系III−V族化合物半導体層16を横方向成長させ、その上に活性層17および第3のGaN系III−V族化合物半導体層19を順次成長させることにより、発光ダイオード構造を形成する。
【選択図】 図5
Description
この発明が解決しようとする他の課題は、信頼性および特性に優れた画像表示装置およびその製造方法を提供することにある。
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、信頼性および特性に優れた照明装置およびその製造方法を提供することにある。
基板上に第1のGaN系III−V族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層に最大径が30μm以下の一つまたは複数の開口を形成する工程と、
上記開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から第2のGaN系III−V族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層を順次成長させる工程とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
第1のGaN系III−V族化合物半導体層に形成された最大径が30μm以下の一つまたは複数の開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から横方向成長された第2のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に順次成長された活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第1の電極と、
上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第2の電極とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
基板上に第1のGaN系III−V族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層に最大径が30μm以下の複数の開口を形成する工程と、
上記開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から第2のGaN系III−V族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層を順次成長させる工程とを有する
ことを特徴とする集積型半導体発光装置の製造方法である。
第1のGaN系III−V族化合物半導体層に形成された最大径が30μm以下の複数の開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から横方向成長された第2のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に順次成長された活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第1の電極と、
上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第2の電極とを有する複数の半導体発光素子が集積された
ことを特徴とする集積型半導体発光装置である。
ここで、集積型半導体発光装置はその用途を問わないが、典型的な用途を挙げると、画像表示装置や照明装置などである。
基板上に第1のGaN系III−V族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層に最大径が30μm以下の複数の開口を形成する工程と、
上記開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から第2のGaN系III−V族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層を順次成長させる工程とを有する
ことを特徴とする画像表示装置の製造方法である。
第1のGaN系III−V族化合物半導体層に形成された最大径が30μm以下の複数の開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から横方向成長された第2のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に順次成長された活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第1の電極と、
上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第2の電極とを有する複数の半導体発光素子を用いた
ことを特徴とする画像表示装置である。
基板上に第1のGaN系III−V族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層に最大径が30μm以下の一つまたは複数の開口を形成する工程と、
上記開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から第2のGaN系III−V族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層を順次成長させる工程とを有する
ことを特徴とする照明装置の製造方法である。
第1のGaN系III−V族化合物半導体層に形成された最大径が30μm以下の開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から横方向成長された第2のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に順次成長された活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第1の電極と、
上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第2の電極とを有する一つまたは複数の半導体発光素子を用いた
ことを特徴とする照明装置である。
上述のように構成されたこの発明によれば、第1のGaN系III−V族化合物半導体層の開口を覆うように第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から第2のGaN系III−V族化合物半導体層を横方向成長させることにより、成長層の会合領域は実質的に上記の開口の中央部一点となり、この開口の上方の部分の第2のGaN系III−V族化合物半導体層の転位密度は極めて低くなるため、その上に成長させる活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層の転位密度も低くすることができる。
図1〜図9はこの発明の第1の実施形態によるGaN系発光ダイオードの製造方法を工程順に示し、各図のAは斜視図、Bは断面図である。また、図10はこのGaN系発光ダイオードの完成状態を示す断面図である。
次に、基板全面に例えば真空蒸着法によりNi膜およびAu膜を順次形成した後、その上にリソグラフィーにより所定のリング形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてNi膜およびAu膜をエッチングする。これによって、図6に示すように、n型GaN層12の開口15の上方の部分のp型GaN層19上に、この開口15より外径が一回り小さいp側電極20が形成される。
次に、図7に示すように、このレジストパターンをマスクとして例えばRIE法によりp型GaN層19、p型AlGaN層18および活性層17を基板表面に対して垂直方向に順次エッチングし、円柱状にパターニングする。このエッチングは、n型GaN層16の最上部が少しエッチングされるまで行う。この後、レジストパターンを除去する。こうして、n型GaN層16、活性層17、p型AlGaN層18およびp型GaN層19により、ダブルヘテロ構造の発光ダイオード構造が形成される。
このようにして製造されたGaN系発光ダイオードのp側電極20とn側電極21との間に電流を流して駆動したところ、活性層17のIn組成に応じて発光波長380〜620nmの範囲で、サファイア基板11を通した発光を確認することができた。
図13〜図15に、モードBによりn型GaN層16の成長を行った試料の断面SEM写真を示す。ただし、図13の開口15の最大径は20μm、図14および図15の開口15の最大径は30μmであり、成長条件は上記と同様である。図13〜図15より、n型GaN層16がGaN層12の上面から横方向成長する途中の様子がわかる。
この第2の実施形態においては、第1の実施形態と同様に工程を進めてp側電極20まで形成した後、サファイア基板11の裏面側から例えばエキシマーレーザなどによるレーザビームを照射することにより、サファイア基板11から、GaN層12から上の部分を剥離する。この際、樹脂などでp側電極20側を固定してから剥離を行うのが望ましい。次に、このようにして剥離されたGaN系発光ダイオードのGaN層12を裏面からHClなどを用いてウエットエッチングしたり、さらにラッピングを行ったりすることにより除去してn型GaN層16を裏面を露出させた後、図16に示すように、この裏面にn側電極21を形成する。このn側電極21は例えばインジウム−スズ酸化物(ITO)などからなる透明電極としてもよく、この場合は円柱状の素子部に対応する部分を含むn型GaN層16の裏面の広い面積にわたってn側電極21を形成することができる。また、このn側電極21をTi/Pt/Au構造の金属積層膜により形成する場合には、n型GaN層16を通して外部に光が放射されるようにするため、図17に示すように、円柱状の素子部に対応する部分におけるn側電極21に開口21aを設ける。
上記以外のことは、第1の実施形態と同様である。
この第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
図18に示すように、この画像表示装置においては、サファイア基板11の面内の互いに直交するx方向およびy方向にGaN系発光ダイオードが規則的に配列され、GaN系発光ダイオードの二次元アレイが形成されている。各GaN系発光ダイオードの構造は、例えば第1の実施形態と同様である。
この第3の実施形態によれば、各GaN系発光ダイオードが第1の実施形態によるGaN系発光ダイオードと同様な構成を有することにより発光効率が高いため、高輝度のフルカラー画像表示装置を実現することができる。
この照明装置においては、照明光の色に応じて配線22〜24とn側電極21とを選択し、選択された画素の選択されたGaN系発光ダイオードに電流を流して駆動し、発光を起こさせることにより、照明光を発生させることができる。
この第4の実施形態によれば、各GaN系発光ダイオードが第1の実施形態によるGaN系発光ダイオードと同様な構成を有することにより発光効率が高いため、高輝度の照明装置を実現することができる。
この第5の実施形態においては、活性層17として、例えば、例えば厚さが2.5nmのInGaN層からなる井戸層と例えば厚さが20nmのInGaN層からなる障壁層とを交互に積層したMQW構造を有し、井戸数が7であるものを用い、また、この活性層17の成長温度を680℃とする。
上記以外のことは、第1の実施形態と同様である。
この第5の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
この第6の実施形態においては、図19に示すように、第1の実施形態と同様に工程を進めてエッチングマスク14まで形成した後、このエッチングマスク14を用いて、GaN層12を、例えば塩素系のエッチングガスを用いたRIE法により、その途中の深さ、例えば深さ1μm程度まで基板表面に対して垂直方向にエッチングし、正六角柱状の開口15を形成する。
上記以外のことは、第1の実施形態と同様である。
この第6の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
この第7の実施形態においては、サファイア基板11上に最初に成長させるGaN層12の厚さを20μmと大きくし、また、エッチングマスク14を用いてこのGaN層12をその途中の深さ、例えば約12μmの深さまで基板表面に対して垂直方向にエッチングする。
上記以外のことは、第1の実施形態と同様である。
この第7の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
この第8の実施形態においては、n型GaN層16を成長させる際に、GaN層12の開口15がこのn型GaN層16により完全に覆われる直前まで、あるいは開口15の内部のサファイア基板11が見えなくなる程度にこのn型GaN層16により覆われるまでは成長速度を5μm/hとし、その後は成長速度をその半分の2.5μm/hに下げて成長を行う。
上記以外のことは、第1の実施形態と同様である。
図20に、GaN層12の開口15がn型GaN層16により完全に覆われる直前までこのn型GaN層16を成長させたときのSEM写真を示す。
例えば、上述の第1〜第8の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
また、p側電極20をリング状に形成してもよく、このようにすれば、開口15の中心の上方のp型GaN層19に点状の会合部位が存在してもその上にp側電極20は形成されないため、通電に伴う電流リークをより有効に防止することができる。
Claims (20)
- 基板上に第1のGaN系III−V族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層に最大径が30μm以下の一つまたは複数の開口を形成する工程と、
上記開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から第2のGaN系III−V族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層を順次成長させる工程とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上記開口の最大径が8μm以上であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上記開口の最大径が25μm以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上記開口が上記基板に達する深さに形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上記開口が正六角形または円形であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層の成長温度が1030℃以上1100℃以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層の成長速度が1μm/h以上であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層の成長を、上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上記開口の部分で上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層が閉じる直前まで第1の成長速度で行い、その後上記第1の成長速度より遅い第2の成長速度で行うことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上記開口の上方の部分の上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層、上記活性層および上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層のみを素子部として用いることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に上記活性層および上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層を順次成長させた後、上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上記開口の上方の部分以外の部分の上記活性層および上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層を除去することを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上記開口の上方の部分の上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層上に電極を形成することを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 第1のGaN系III−V族化合物半導体層に形成された最大径が30μm以下の一つまたは複数の開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から横方向成長された第2のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に順次成長された活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第1の電極と、
上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第2の電極とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上記開口の上方の部分の上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層、上記活性層および上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層のみを素子部として用いることを特徴とする請求項13記載の半導体発光素子。
- 基板上に第1のGaN系III−V族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層に最大径が30μm以下の複数の開口を形成する工程と、
上記開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から第2のGaN系III−V族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層を順次成長させる工程とを有する
ことを特徴とする集積型半導体発光装置の製造方法。 - 第1のGaN系III−V族化合物半導体層に形成された最大径が30μm以下の複数の開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から横方向成長された第2のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に順次成長された活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第1の電極と、
上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第2の電極とを有する複数の半導体発光素子が集積された
ことを特徴とする集積型半導体発光装置。 - 基板上に第1のGaN系III−V族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層に最大径が30μm以下の複数の開口を形成する工程と、
上記開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から第2のGaN系III−V族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層を順次成長させる工程とを有する
ことを特徴とする画像表示装置の製造方法。 - 第1のGaN系III−V族化合物半導体層に形成された最大径が30μm以下の複数の開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から横方向成長された第2のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に順次成長された活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第1の電極と、
上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第2の電極とを有する複数の半導体発光素子を用いた
ことを特徴とする画像表示装置。 - 基板上に第1のGaN系III−V族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層に最大径が30μm以下の一つまたは複数の開口を形成する工程と、
上記開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から第2のGaN系III−V族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層を順次成長させる工程とを有する
ことを特徴とする照明装置の製造方法。 - 第1のGaN系III−V族化合物半導体層に形成された最大径が30μm以下の一つまたは複数の開口を覆うように上記第1のGaN系III−V族化合物半導体層の上面から横方向成長された第2のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層上に順次成長された活性層および第3のGaN系III−V族化合物半導体層と、
上記第2のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第1の電極と、
上記第3のGaN系III−V族化合物半導体層と電気的に接続された第2の電極とを有する一つまたは複数の半導体発光素子を用いた
ことを特徴とする照明装置。
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