JP2006100518A - 基板表面処理方法及びｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体発光素子の基板表面に発光された光を散乱可能な凹凸を簡易に形成できる方法を提供する。
【解決手段】 エッチングとデポジションが同時に生じるように基板の表面をエッチング処理し、該基板表面へ光を散乱可能な凹凸を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は基板表面処理方法及び当該基板表面処理方法により表面処理された基板を用いたIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。

III族窒化物系化合物半導体発光素子の基板表面へ凹凸を形成して当該表面を粗面とし、当該表面で光を散乱させ、もって光の取り出し効率の向上を図ることがなされている。
基板表面へ光を散乱可能な凹凸を形成するにはパターンニングしてエッチングを行うこととなる（特許文献１等参照）。そのためには、レジスト等によるマスクを形成するためのフォトリソグラフィ工程が必要である。
本発明に関連する文献として、特許文献１−３及び非特許文献１を参照されたい。

特開２００２−３６８２６３号公報 特開２００３−１９７９６１号公報 特開２００２−２８０６０８号公報 Jpn. J. Appl. Phys. Vol.41 (2002) pp.L114-L1136 Par 2, No. 10B, 15 October 2002

フォトリソグラフィ工程を実施してマスクを形成し、当該マスクを利用してエッチング工程を実施することにより確かに所望の凹凸を基板表面に形成することができる。しかしながら、かかる方法によれば基板表面を凹凸化処理するのに多段階の工程を必要とするので、手間がかかりひいては半導体発光素子の製造コストを引き上げる。
そこで、本発明者らは、基板表面に凹凸を形成する簡易な方法を得るべく鋭意検討を重ねてきた。

本発明は上記の課題を解決すべくなされたものである。即ち、
エッチングとデポジションが同時に生じるように基板の表面をエッチング処理し、該基板表面へ光を散乱可能な凹凸を形成する、ことを特徴とする半導体発光素子用の基板表面処理方法。

この発明の基板処理方法によれば、単にエッチング処理をすることにより基板表面へ光を散乱可能な凹凸を形成することができるので、基板表面の処理に要する工数が可及的に削減される。即ち、従来必要とされていたフォトリソグラフィ工程が不要となる。よって、基板処理に手間がかからなくなり、その製造コストを削減できる。

以下、この発明を構成する各要素について詳細に説明する。
（基板）
基板にはサファイア、ＳｉＣ（炭化シリコン）及びＧａＮ（窒化ガリウム）等の六方晶材料、Ｓｉ（シリコン）やＧａＰ（リン化ガリウム）、ＧａＡｓ（砒化ガリウム）などの立方晶材料を用いることが出来る。
凹凸面は基板の一面若しくは両面に形成することができる。基板において凹凸を形成した表面へ半導体層を成長させることが好ましい。凹凸を形成した面を裏面としてそこには半導体層を成長させず、凹凸の無い基板面へ半導体層を成長させてもよい。

（エッチング工程）
この発明ではドライエッチングの条件を最適化することにより、何らマスクを用いることなく、基板表面へ微小な凹凸を形成する。これは、分解されたエッチングガス若しくは基板材料との反応物が基板表面へデポジットし、その結果、均一なエッチングが阻害されて基板表面が凹凸状になると考えられる。
基板表面へのデポジットを誘発するため、エッチングチャンバー内でのエッチングガス分子の濃度を高めるとともにエッチング条件を調整する必要がある。
エッチングガス分子の濃度を高めるにはエッチングチャンバーの圧力を高めに設定すればよい。または、エッチングガスの流量を増加させてもよい。
エッチングガスは任意に選択可能であるが、デポジットを生じさせる見地から炭化物を用いることが好ましい。また、基板材料と安定して結合する見地からフッ素系を用いることが好ましい。

エッチング条件の設定如何によっては、デポジットが相対的に劣勢になり基板が平坦にエッチングされ、又はデポジットが相対的に優勢になって基板面が何らエッチングされずデポジットのみが起こる。
つまり、エッチング条件を制御することにより、エッチングとデポジットが同時に発生して基板表面が凹凸状となる。具体的なエッチング条件は基板材料、エッチングガス等に応じて適宜選択されるものとなる。エッチング条件を詳細に設定するため、実施例ではＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma:融合結合プラズマ）ドライエッチャーを用いている。ＩＣＰドライエッチャーは、プラズマ密度と基板に対するプラズマの引き込み電圧を独立して任意に設定可能である。これにより、０．３μｍ〜０．５μｍの高さ範囲のコーン状の突起を１〜７０／μｍ^２の密度範囲で形成することができた。
プラズマ密度及び引き込み電圧、並びにエッチング時間を任意に調整することにより、上記範囲内において凹凸形状を変更可能である。

基板にはIII族窒化物系化合物半導体層を成長させることが好ましい。
III族窒化物系化合物半導体は一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができる。ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能である。III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のほか、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。
なお、発光素子の構成としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したホモ構造、シングルヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。
基板上のその他の半導体層を成長させることもできる。

サファイア基板を準備し、これをＩＣＰドライエッチャーのエッチングチャンバーへ装填して、そのａ面をドライエッチングした。エッチングガスにはＣＨＦ_３ガスを用いた。チャンバー内の圧力は１．５〜６．０Ｐａとした。この圧力は、サファイア基板に対する通常のエッチング条件（サファイア基板を実質的に平坦にエッチングする圧力）よりも１００〜５００％高い。また、ＩＣＰの電力は１５０〜６００Ｗ、Ｂｉａｓ電圧は３００〜５００Ｗとした。エッチング時間は１５〜４０分である。その結果、図１（Ａ）に模式的に示すように、サファイア基板の表面に凹凸が形成された。この凹凸は高さが０．３μｍ〜０．５μｍのコーン状であり、１〜７０／μｍ^２の密度で存在する。このように細かい凹凸は、図１（Ｂ）で示す従来の方法では形成困難である。また、このように細かい凹凸を形成した基板を発光素子に用いることにより発光素子における光の取出し効率が向上する。これは、凹凸形成面がフォトニック結晶を構成可能であるためである。

図２にはＩＣＰ電力を５００Ｗ、Ｂｉａｓ電力を４００Ｗ、チャンバー内圧力を２．５Ｐａ、エッチング時間を25分、エッチングガスをＣＨＦ_３としたときのサファイア基板表面の斜視図を示す。また、図３には同じく平面図を示す。
図４には電力を３００Ｗ、Ｂｉａｓ電力を４００Ｗ、チャンバー内圧力を４．０Ｐａ、エッチング時間を25分、エッチングガスをＣＨＦ_３としたときのサファイア基板表面の斜視図を示す。また、図５には同じく平面図を示す。
図２〜図５に示す結果から、サファイア基板の表面に細かい凹凸が均一に形成されていることがわかる。

図２及び図３に示すサファイア基板の凹凸形成面へ、図６に示す通り、定法に従いIII族窒化物系化合物半導体層を積層し、実施例の発光素子１を得た。
より具体的には、基板２の凹凸形成面Ｆへ図示しないバッファ層を介してｎ型ＧａＮからなるｎクラッド層３をＭＯＣＶＤ法により形成する。他の半導体層も同様にＭＯＣＶＤ法で形成した。この成長法においては、アンモニアガスとIII族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ)、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望の結晶を基板の上に成長させる。
ｎクラッド層３は活性層４側の低電子濃度ｎ-層と基板２側の高電子濃度ｎ＋層とからなる２層構造とすることができる。後者はｎ型コンタクト層と呼ばれる。

活性層４には多重量子井戸構造を採用した。活性層４は多重量子井戸構造のものに限定されない。発光素子の構成としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができる。また、単一量子井戸構造を採用することもできる。
活性層４の上にはｐ型ＧａＮからなるｐクラッド層５が形成される。活性層４とｐクラッド層５との間にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、0≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）層を介在させることができる。これは活性層４中に注入された電子がｐクラッド層５に拡散するのを防止するためである。
ｐクラッド層５を活性層４側の低ホール濃度ｐ−層と電極側の高ホール濃度ｐ＋層とからなる２層構造とすることができる。後者はｐ型コンタクト層と呼ばれる。

透光性電極６は金を含む薄膜であり、ｐクラッド層５の実質的な全面を覆って積層される。ｐ電極７も金を含む材料で構成されており、蒸着により透光性電極６の上に形成される。
ｎ電極８はエッチングにより露出されたｎクラッド層３の面へ蒸着により形成される。

このように構成されたIII族窒化物系化合物半導体発光素子１の特性を図７に示す。なお、この発光素子１の主たる波長は約５３０ｎｍ（緑色）であり、基板２を下側としたいわゆるフェースアップタイプである。図７の特性は樹脂封止をしていない状態で電流とその光度との関係を示している。
図７において比較例はサファイア基板の表面加工が省略されている。即ち、基板表面が実質的にフラットな状態である。
図７の結果からわかるように、基板表面へ凹凸を形成することにより、発光素子の光度、即ち光取出し効率が向上していることがわかる。これは、活性層４から基板側へ放出された光が凹凸形成面Ｆで散乱され、その光のより多くが発光素子１の外部へ放出されることとなるからである。

図８には他の実施例の発光素子１１を示す。図６の例と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図８の例では基板２の裏面側を凹凸形成面Ｆとし、半導体形成面は実質的にフラット面である。かかる基板においても凹凸形成面Ｆにおいて光が散乱され、光取出し効率が向上する。かかる基板構造を有する発光素子はいわゆるフリップチップ型とすることが好ましい。その場合、透光性電極は省略され、ｐ型電極がｐクラッド層の全面に形成される。

図９には他の実施例の発光素子２１を示す。図６の例と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図９の例では基板２の両面が凹凸形成面Ｆとされている。これにより、活性層から基板側へ放出された光が確実に散乱されて外部へ取出される。

この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

図１はサファイア基板の構成を示し、図１（Ａ）はこの発明の実施例により表面処理されたサファイア基板を示し、図１（Ｂ）は従来例の表面処理方法を示す。 図２は本発明の実施例のサファイア基板表面を示す斜視図代用写真である。 図３は同じく平面図代用写真である。 図４は他の実施例のサファイア基板表面を示す斜視図代用写真である。 図５は同じく平面図代用写真である。 図６は実施例のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す模式図である。 図７は図６に示した発光素子の電流―光度特性を示すグラフである。 図８は他の実施例のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す模式図である。 図９は他の実施例のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す模式図である。

符号の説明

１、１１、２１ 発光素子
２ サファイア基板
３ ｎクラッド層
４ 活性層
５ ｐクラッド層
６ 透光性電極
７ ｐ型電極
８ ｎ型電極

Claims (3)

1. エッチングとデポジションが同時に生じるように基板の表面をエッチング処理し、該基板表面へ光を散乱可能な凹凸を形成する、ことを特徴とする半導体発光素子用の基板表面処理方法。
2. 前記基板をサファイア基板とし、エッチング方法としてＩＣＰドライエッチング法を採用し、前記サファイア基板を実質的に平坦にエッチングする条件に比べてエッチングの雰囲気圧力を高くする、ことを特徴とする請求項１に記載の基板表面処理方法。
3. 請求項１又は２に記載の基板表面処理方法により処理された基板へIII族窒化物系化合物半導体層を成長させ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。