JP2006295162A - 垂直構造３族窒化物発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改善された外部光子効率と動作電圧特性を有する垂直構造３族窒化物発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に伴う垂直構造３族窒化物発光素子は、導電性基板と;上記導電性基板上に順次積層されたｐ型クラッド層、活性層、ｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)層、アンドープＧａＮ層及びｎ側電極を含み、上記アンドープＧａＮ層の上面には凸凹パターンが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は３族窒化物発光素子およびその製造方法に関するものとして、特に改善された光抽出効率を有する垂直構造３族窒化物発光素子およびその製造方法に関する。

３族窒化物半導体を含む発光ダイオード(Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ;ＬＥＤ)が開発された後、ＬＣＤバックライト(ＬＣＤ ｂａｃｋｌｉｇｈｔ)、携帯電話のキーパッド及び照明用光源など様々な分野においてＬＥＤが光源として使用されている。多様な用度のＬＥＤを開発するにおいて、ＬＥＤの発光効率と熱放出特性が重要な問題として台頭されている。

ＬＥＤの発光効率は光の生成効率、光の外部光子効率および蛍光体によって増幅される効率により決定されるが、その中で最も大きい問題は外部光子効率、すなわち生成された光が外部に抽出される効率が低いということである。光がＬＥＤ素子外に抽出されることに対する最も大きい障害は、内部全反射による光の消滅である。

すなわち、ＬＥＤ素子の境界面で大きい屈折率の差によって、生成された光の約２０％のみが素子境界面の外へと抽出され、界面を抜け出すことが不可能な光は界面で全反射し素子内部を進行(ｔｒａｖｅｌｉｎｇ)している中熱に減衰されてしまう。結果的に、ＬＥＤ素子の発熱量は増加され素子の外部抽出効率は減少され、素子の寿命は短縮されることとなる。

このような問題を解決すべく様々な外部光子効率の改善方法が提案されて来た。例えば、表面に到達した光子がランダムに散乱されるようＬＥＤ素子の表面に表面パターンまたは表面テクスチャ(ｔｅｘｔｕｒｅ)を形成する方法、ＬＥＤ素子の形を截頭型の逆ピラミッド型(ｔｒｕｎｃａｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｐｙｒａｍｉｄ)に作る方法などがある。また、最近は、特定波長の光子のみを選択的に透過または反射させるようＬＥＤ表面をパタニングして光子結晶(ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ)を形成する方法が試みられている。

また、厚いサファイア基板を分離および除去し熱伝導率が良好な金属基板を再付着して得た薄膜の垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤが現在は最も優れた抽出効率(約７２％)を示している。Ｄａｉｓｕｋｅ Ｍｏｒｉｔａ ｅｔ ａｌ．の“Ｗａｔｔ-Ｃｌａｓｓ Ｈｉｇｈ-Ｏｕｔｐｕｔ-Ｐｏｗｅｒ ３６５ｎｍ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｇｈｔ-Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ”、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．４３、Ｎｏ．９Ａ、２００４、ｐｐ．５９４５-５９５０にはｎ-ＡｌＧａＮコンタクト層の上面に凸凹パターンを有する垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤ素子およびその製造方法が開示されている。

図１は従来の垂直構造３族窒化物発光素子の一例を示す側断面図である。図１を参照すると、従来の３族窒化物発光素子１０は導電性基板１１上に順次に積層された導電性接着層１２、金属反射層１３、ｐ-ドープ(ｄｏｐｅｄ)ＡｌＧａＮコンタクト層１４、ｐ-ドープＡｌＧａＮクラッド層１５、多重量子井戸構造の活性層１６及びｎ-ドープＡｌＧａＮコンタクト層１７を含む。ｎ-ドープＡｌＧａＮコンタクト層１７上にはｎ側電極１８が形成されている。

図１に図示された通り、外部に露出されたｎ-ドープＡｌＧａＮコンタクト層１７の上面には凸凹パターン２１が形成されている。発光素子１０の内部から凸凹パターン２１へ到達した光子は、凸凹パターン２１で散乱され外部に抽出される確率が高くなる。結局、空気またはエポキシ樹脂などの外部環境とＡｌＧａＮ物質間の大きい屈折率差にも係わらず、外部光子効率の改善効果を得ることが可能となる。

しかし、このような従来の垂直構造３族窒化物発光素子１０によると、凸凹パターン２１を通して光を充分に抽出させるためｎ側電極１８のコンタクト面積を相対的に非常に小さくする。これに伴いｎ側電極１８の下部に電流が集中され、素子１０の動作電圧Ｖ_ｆが相対的に高くなる問題点がある。

また、凸凹パターン２１を有する従来の垂直構造発光素子１０を製造するためには、サファイア基板(未図示)におけるＧａＮ系半導体１７、１６、１５、１４の成長工程、導電性基板１１の接着工程、サファイア基板の分離工程および凸凹パターン２１の形成工程を順次に経ることとなる。

凸凹パターン２１を形成するためには、ｎ-ドープＡｌＧａＮコンタクト層１７に対する写真工程と、ＩＣＰ-ＲＩＥ等の乾式蝕刻工程または湿式蝕刻工程を実施することとなる。しかし、サファイア基板を分離した状態で１０μｍ以下の厚さの薄い薄膜のＧａＮ系構造物の表面に写真蝕刻工程を遂行することは、導電性基板１１を支持台として利用するとしても、非常に難しい作業である。これに伴い製品の収率も非常に低くなる。

本発明は上記の問題点を解決するためのこととして、本発明の目的は光抽出効率がより改善され動作電圧特性が向上された垂直構造３族窒化物発光素子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、高い光抽出効率を有する垂直構造３族窒化物発光素子を高い収率でより容易かつ単純に製造する方法を提供することにある。

上記の技術的課題を達成するため、本発明に伴う垂直構造３族窒化物発光素子は導電性基板と;上記導電性基板上に順次積層されたｐ型クラッド層、活性層、ｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)層、アンドープ(ｕｎｄｏｐｅｄ)ＧａＮ層及びｎ側電極を含み、上記アンドープＧａＮ層の上面には凸凹パターンが形成されている。

好ましくは、上記アンドープＧａＮ層の上面のうち上記ｎ側電極が形成された領域には凸凹パターンが形成されていない。

本発明の一実施形態によると、上記導電性基板と上記ｐ型クラッド層との間には反射層がさらに含まれることが可能である。この反射層としてはＣｕＩｎＯ_２/Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２/Ａｌ層またはＮｉ/Ａｇ/Ｐｔ層を使用することが好ましい。また、上記アンドープＧａＮ層の上面にはＩＴＯ(Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ)等からなる透明電極層がさらに含まれることが可能である。

本発明の一実施形態によると、上記導電性基板と上記ｐ型クラッド層との間には導電性接着層がさらに含まれることが可能である。この導電性接着層はＡｕ、Ａｕ-Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ-Ａｇ及びＰｂ-Ｓｎを含むグループから選択された物質からなることが可能である。また、上記導電性接着層と上記ｐ型クラッド層との間には例えばＣｕＩｎＯ_２/Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２/Ａｌ層またはＮｉ/Ａｇ/Ｐｔ層からなる反射層がさらに含まれることも可能である。

本発明の実施形態によると、上記導電性基板は、金属基板またはシリコン基板であり得る。上記金属基板はタングステン(Ｗ)、銅(Ｃｕ)、ニッケル(Ｎｉ)、チタン基板(Ｔｉ)及びこれらのうち２以上の合金で構成されたグループから選択された物質からなることが可能である。このような金属基板は例えば、メッキ法、蒸着法またはスパッタリング法を通じて形成されることが可能である。他の方案として、上記金属基板またはシリコン基板は導電性接着層を通じた接合工程により上記ｐ型クラッド層に付着されることが可能である。

本発明の好ましい実施形態によると、上記凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２０ｎｍないし１００μｍである。より好ましくは、上記凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２００ｎｍないし３μｍである。上記凸凹パターンは光子結晶(ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ)を成すことも可能である。

本発明の多様な実施形態によると、上記凸凹パターンの断面は陽刻または陰刻で形成されることが可能である。上記陽刻または陰刻の形状は半球形、直四角形、鋸歯形であることが可能である。

本発明の他の目的を達成するため、本発明の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法は、母基板上面に凸凹パターンを形成する段階と、凸凹パターンが形成された上記母基板上面にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層を順次形成する段階と、上記ｐ型クラッド層上に導電性基板を形成する段階と、上記ｎ型クラッド層に形成された凸凹パターンを露出させるよう上記母基板を除去する段階と、上記ｎ型クラッド層の露出面の一部領域上にｎ側電極を形成する段階と、を含む。

本発明の実施形態によると、上記母基板は、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板またはＡｌＮ基板であり得る。また、上記導電性基板はシリコン基板または金属基板であり得る。上記金属基板はタングステン(Ｗ)、銅(Ｃｕ)、ニッケル(Ｎｉ)、チタン基板(Ｔｉ)及びこれらのうち２以上の合金で構成されたグループから選択された物質からなることが可能である。

本発明の好ましい実施形態によると、上記母基板上面に凸凹パターンを形成する時、上記母基板上面のうちｎ側電極に相応する領域には凸凹パターンを形成しない。このように上記母基板上のｎ側電極に相応する領域に凸凹パターンを形成しないことにより、上記ｎ型クラッド層上のｎ側電極領域には凸凹パターンが形成されなくなる。

また、本発明の好ましい実施形態によると、上記母基板上面に上記ｎ型クラッド層を形成する段階は、上記母基板上面にアンドープＧａＮ層を形成する段階と、上記アンドープＧａＮ層上にｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)層を形成する段階を含む。この場合、上記アンドープＧａＮ層表面に凸凹パターンが形成される。

本発明の一実施形態によると、上記導電性基板を形成する段階は、導電性接着層を利用して上記ｐ型クラッド層上に導電性基板を接合する段階を含む。他の実施形態によると、上記導電性基板を形成する段階は、上記ｐ型クラッド層 上にメッキ、蒸着またはスパッタリングを通じ導電性金属基板を形成する段階を含むことが可能である。

本発明の好ましい実施形態によると、上記ｐ型クラッド層を形成する段階と上記導電性基板を形成する段階との間に、上記ｐ型クラッド層上に反射層を形成する段階をさらに含むことが可能である。好ましくは、上記反射層はＣｕＩｎＯ_２/Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２/Ａｌ層またはＮｉ/Ａｇ/Ｐｔ層で形成される。また、上記母基板を除去した後、上記ｎ型クラッド層上にＩＴＯ層などの透明電極層を形成することも可能である。

本発明の好ましい実施形態によると、上記母基板に形成される凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２０ｎｍないし１００μｍである。より好ましくは、上記母基板に形成される凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２００ｎｍないし３μｍである。上記ｎ型クラッド層に形成される凸凹パターンは光子結晶を成すことが可能である。

本発明の多様な実施形態によると、上記母基板に形成される凸凹パターンは半球形、直四角形または鋸歯形などの断面形状を有するよう形成されることが可能である。

本明細書において、‘３族窒化物'とは、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)と表現される２成分系(ｂｉａｎａｒｙ)、３成分系(ｔｅｒｎａｒｙ)または４成分系(ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ)化合物半導体を意味する。また、‘３族窒化物発光素子'とは、発光構造物を構成するｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層が３族窒化物からなっていることを意味する。

本発明によると、凸凹パターンが形成されたアンドープＧａＮ層をｎ側電極の下に位置させることによって光抽出効率と動作電圧特性が改善された垂直構造３族窒化物発光素子を得ることとなる。また、本発明の製造方法によると、母基板に形成された凸凹パターンをｎ型クラッド層に転写させることにより、高い光抽出効率を有する垂直構造３族窒化物発光素子を高い収率で容易に製造することが可能となる。

以下、添付に図面を参照に本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な形態に変更されることが可能で、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されることではない。本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有している者に本発明をより完全に説明するため提供される。従って、図面における要素らの形状および大きさ等はより明確な説明をするため誇張されることが可能で、図面上の同一な符号で表示される要素は同一な要素である。

図２は本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子を示す側断面図である。図２を参照すると、発光素子１００は導電性基板１０１上に順次積層されている反射層１０３、ｐ型クラッド層１０５、活性層１０７、ｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ層(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)１０９及びアンドープＧａＮ層１１１を含む。ｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ層１０９とアンドープＧａＮ層１１１はｎ型クラッド層１１０を構成する。ｐ型およびｎ型クラッド層１０５、１１０と活性層１０７は３族窒化物、すなわち、Ａｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{(１-ｍ-ｎ)}Ｎ(０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１、０≦ｍ＋ｎ≦１)で形成されている。活性層１０７は例えば多重量子井戸構造を有することが可能である。アンドープＧａＮ層１１１上面にはｎ側電極１２３が形成されている。このように発光素子１００の上部にｎ側電極１２３を位置させ発光素子の下部すなわち、導電性基板１０１側をｐ側電極に利用することにより、相互対向する電極らを有する垂直構造の発光素子を成すこととなる。

上記導電性基板１０１としては、例えばシリコン(Ｓｉ)基板を使用するか、またはタングステン(Ｗ)基板、銅(Ｃｕ)基板、ニッケル(Ｎｉ)基板またはチタン(Ｔｉ)基板またはこれら金属のうち２以上の金属を含む合金基板などの金属基板を使用することが可能である。このような導電性基板１０１は後述の導電性接着層を通じた接合工程によりｐ型クラッド層１０５の下に接着されるか、またはｐ型クラッド層１０５の露出面上におけるメッキ、蒸着またはスパッタリング工程によりｐ型クラッド層１０５の下に形成されることが可能である。

図２に図示された通り、ｎ側電極１２３が形成された領域を除いてはアンドープＧａＮ層１１１上面に凸凹パターン１２１が形成されている。このような凸凹パターン１２１により、素子１００内部に生成された光子は外部に容易に抽出される。すなわち、凸凹パターン１２１に到達した光は凸凹パターン１２１によって散乱されることで、発光素子１００外部に容易に抜け出すことが可能となる。また、アンドープＧａＮ層１１１の上面のうちｎ側電極１２３領域には凸凹パターンを形成させないことによりアンドープＧａＮ層１１１とｎ側電極１２３間の接触抵抗の増加を防止する。

後述する通り、上記凸凹パターン１２１は、他の基板(例えば、 サファイア 基板)に形成された凸凹パターンがアンドープＧａＮ層１１１に転写(ｔｒａｎｓｆｅｒ)されることによって作られる。従って、上記凸凹パターン１２１は非常に正確な寸法で規則的に形成されることが可能である。充分な散乱効果を得るため、凸凹パターン１２１の間隔と幅そして高さは２０ｎｍないし１００μｍの範囲にあることが好ましい。

より好ましくは、上記凸凹パターン１２１の間隔と幅そして高さは２００ｎｍないし３μｍである。このように上記凸凹パターン１２１の間隔と大きさを３μｍ以下になるようにすることで光子結晶を形成させることが可能である。このような光子結晶は反射の法則ではなく回折の法則に従い光を回折させることが可能である。これに伴い、光の外部抽出効率を大きく向上させることが可能となる。上記凸凹パターン１２１は陽刻または陰刻に形成されることが可能で、半球形、直四角形または鋸歯形など多様な断面形状を有することが可能である。

上記反射層１０３は光の出射方向の上方向に光が反射されるようにする役割をし光の外部抽出をさらに高める。反射層１０３としては、例えば、ＣｕＩｎＯ_２/Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２/Ａｌ層またはＮｉ/Ａｇ/Ｐｔ層を使用することが好ましい。図２には図示されていないが、凸凹パターン１２１が形成されたアンドープＧａＮ層１１１上面にはＩＴＯ等からなる透明電極層が形成されることも可能である。このような透明電極層は光の均一な放出を手伝う。

本実施形態によると、垂直構造発光素子１００はｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ層１０９とｎ側電極１２３との間にアンドープＧａＮ層１１１を含んでいる。このようにｎ側電極１２３の下にアンドープＧａＮ層１１１を位置させることで、従来問題になっていたｎ側電極１２３の下での電流集中現象を防止することが可能である。すなわち、アンドープＧａＮ層１１１は電流を拡散させる特性を有しているため、ｎ側電極１２３から印加される電圧によって発生される電流を側方向に広く拡散させることとなる。これに伴い、発光素子１００の動作電圧(Ｖ_ｆ)が減少され、ＥＳＤ(Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ:静電気放電)特性が向上され、素子の寿命が改善される。

また本実施形態によると、ｎ型クラッド層１１０上面に凸凹パターン１２１を形成させることにより光の外部抽出効率を改善させることが可能である。特に、３μｍ以下の幅と間隔そして高さを有するよう凸凹パターン１２１を形成させることで、凸凹パターン１２１による表面光子結晶を形成することが可能である。このような表面光子結晶は光の外部光子効率を大きく増大させることが可能である。

図３は本発明の他の実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子２００を示す側断面図である。図３の発光素子２００は、導電性接着層２０２により接着された導電性基板２０１を具備する。図３を参照すると、導電性基板２０１上には導電性接着層２０２、反射層１０３、ｐ型クラッド層１０５、活性層１０７、ｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ層１０９、凸凹パターン１２１が形成されたアンドープＧａＮ層１１１及びｎ側電極１２３が積層されている。

上記導電性接着層２０２はＡｕ、Ａｕ-Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ-ＡｇまたはＰｂ-Ｓｎからなることが可能である。このような導電性接着層２０２は予め準備されたシリコン基板などの導電性基板２０１をＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ系発光構造物に接着させる役割をする。導電性接着層２０２以外の他の構成要素らは前記の実施形態と同様であるため詳細な説明は省略する。

以下、本発明に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明する。図４ないし図１０は本発明の一実施形態に伴う発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。

先ず、図４を参照すると３族窒化物半導体層を成長させるための基板(以下、“母基板”とする)１５１を準備する。この母基板１５１は例えばサファイア基板であることが可能である。その他にも、上記母基板１５１として、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板またはＡｌＮ基板を使用することも可能である。

次に、図５に図示された通り母基板１５１に半球形の陽刻部１５０を有する凸凹パターン１５３を形成する。このような凸凹パターン１５３は、例えばリフローされたフォトレジストパターンを利用し母基板１５１上面を選択的に蝕刻することにより形成されることが可能である。従来と異なり、サファイア等からなる基板１５１上面に写真蝕刻工程を通じ凸凹パターン１５３を形成するため、凸凹パターン１５３形成工程が比較的容易で、凸凹パターン１５３が非常に正確な寸法で規則的に形成されることが可能である。

図１１は図５の母基板１５１上面に形成された凸凹パターン１５３を示す平面図である。図５は図１１のＸＸ'線を沿って切った側断面図に該当する。

図５及び図１１に図示された通り、母基板１５１上面のうち一部領域Ａには凸凹パターンが形成されていない。凸凹パターンが形成されていないこの領域Ａは後に形成されるｎ側電極に相応する領域に該当する。後述する通り、母基板１５１上面のうちｎ側電極に相応する領域に凸凹パターンを形成しないことにより、ｎ側電極の接触抵抗増加を防止することが可能となる。

上記凸凹パターン１５３は２０ｎｍないし１００μｍの間隔ａ、ｂと幅そして高さを有するよう母基板１５１上に形成されることが可能である。好ましくは、上記凸凹パターン１５３は２００ｎｍないし３μｍの間隔と幅を有するよう形成される。母基板１５１上面に３μｍ以下の間隔を有する凸凹パターン１５３を形成することにより、後に形成されるｎ型クラッド層上面に光子結晶を形成することも可能である。

本実施形態において、凸凹パターン１５３は半球形の断面形状を有するよう形成されるが、他の形態に形成されることも可能である。図１７の(ａ)ないし(ｅ)に図示された通り、半球形の陽刻部１５０ａを有する凸凹パターン１５３ａだけではなく、半球形の陰刻部１５０ｂを有する凸凹パターン１５３ｂ、直四角形の陰刻部１５０ｃを有する凸凹パターン１５３ｃ、鋸歯形の陽刻部１５０ｄを有する凸凹パターン１５３ｄ、及び鋸歯形の陰刻部１５０ｅを有する凸凹パターン１５３ｅなど様々な形態の凸凹パターン１５３を母基板１５１表面上に形成することが可能である。

次に、図６を参照すると、上記凸凹パターン１５３が形成された母基板１５１上面にアンドープＧａＮ層１１１、ｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ層１０９、活性層１０７及びｐ型クラッド層１０５を順次に成長させる。これに伴い、ｎ型クラッド層１１０、活性層１０７及びｐ型クラッド層１０５からなる発光構造物が形成される。凸凹パターン１５３を有する母基板１５１上面にアンドープＧａＮ層１１１を成長させることにより、上記凸凹パターン１５３は母基板１５１と接するアンドープＧａＮ層１１１表面上に転写される。これに伴い、アンドープＧａＮ層１１１の下面にも凸凹パターン(図９の図面符号１２１参照)が形成される。

アンドープＧａＮ層１１１に形成された凸凹パターン１２１の間隔と幅そして高さは、母基板１５１に形成された凸凹パターン１５３の間隔および幅そして高さと実質的に同じになる。図５及び図１１を参照して既に説明した通り‘ｎ側電極に相応する領域(図１１のＡ領域)'には母基板１５１の凸凹パターン１５３が形成されていないため、その領域ではアンドープＧａＮ層１１１の凸凹パターン１２１も形成されなくなる。

本実施形態の製造方法ではｎ型クラッド層１１０としてアンドープＧａＮ層１１１とｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ層１０９を形成しているが、アンドープＧａＮ層１１１無くｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ層１０９のみでｎ型クラッド層を形成することも可能である。この場合、母基板１５１の凸凹パターン１５３はｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ層１０９の下面に転写されることとなる。

次に、図７に図示された通りｐ型クラッド層１０５上に例えば、ＣｕＩｎＯ_２/Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２/Ａｌ層またはＮｉ/Ａｇ/Ｐｔ層からなる反射層１０３を形成する。この反射層は光を出射面側に反射し光の外部抽出効率を高める役割をする。その後には、図８に図示された通り反射層１０３の上に例えば、タングステン、銅、ニッケル、チタンまたはこれらのうち２以上の合金からなる導電性基板１０１を形成する。このような金属性の導電性基板１０１は例えば、メッキ、蒸着またはスパッタリングを通じて形成されることが可能である。本実施形態では反射層１０３を形成しているが、他の実施形態として反射層無くｐ型クラッド層１０５上に導電性基板１０１を形成することも可能である。

次に、図９を参照すると、母基板１５１を発光構造物から分離、除去する。母基板１５１は例えばレーザービームを利用したレーザーリフトオフ(ｌａｓｅｒ ｌｉｆｔ-ｏｆｆ)工程により除去されることが可能である。これに伴い、図９に図示された通りアンドープＧａＮ層１１１の下面に形成された凸凹パターン１２１が現れることとなる。

次いで、図１０に図示された通り、アンドープＧａＮ層１１１の露出面のうち凸凹パターン１２１がない領域上にｎ側電極１２３を形成する。これに伴い本実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子が完成される。もし凸凹パターン１２１がある表面上にｎ側電極１２３を形成するとｎ側電極の接触抵抗が大きくなる。従って、このような接触抵抗増加を防止するため、凸凹パターン１２１のない領域上にｎ側電極１２３を形成することが好ましい。ｎ側電極１２３を形成する前に、上記アンドープＧａＮ層１１１の露出面上にＩＴＯ等からなる透明電極(未図示)を形成することも可能である。

図１２はアンドープＧａＮ層１１１の上面に形成された凸凹パターン１２１を示すＳＥＭ写真で、図１３は図１２の凸凹パターン１２１を拡大したＳＥＭ写真である。図１２及び図１３に示した通り、アンドープＧａＮ層１１１表面に形成された凸凹パターン１２１は明確に限定された形態を有しており非常に規則的である。サファイア等からなる母基板１５１に正確な寸法を有する凸凹パターン１５３を形成することは比較的容易なため、アンドープＧａＮ層１１１上に正確な寸法の凸凹パターン１２１を容易に具現することが可能である。これに伴い製品の収率も向上される。

図１４ないし図１６は本発明の他の実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。この実施形態では、導電性接着層を利用しｐ型クラッド層上に導電性基板を接合する。本実施形態でも、図４ないし図７を参照に説明した工程段階らを経ることとなる。

その後、図１４に図示された通り、反射層１０３の露出面と導電性基板２０１の一面に導電性接着層２０２ａ、２０２ｂを形成する。導電性基板２０１としては前記の金属基板またはシリコン基板を使用することが可能である。導電性接着層２０２ａ、２０２ｂとしては例えば金(Ａｕ)を使用することが可能で、その他にもＡｕ-Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ-ＡｇまたはＰｂ-Ｓｎを使用することも可能である。その後、上記導電性接着層２０２ａ、２０２ｂを利用し導電性基板２０１を反射層１０３に付着させる。

これに伴い、導電性基板２０１と発光構造物が相互接合される。本実施形態では導電性接着層を導電性基板２０１及び発光構造物の両方全てに形成したが、いずれか一方のみに導電性接着層を形成することも可能である。また、反射層１０３を省略することも可能である。

次に、図１５に図示された通り母基板１５１を分離、除去する。これに伴い、アンドープＧａＮ層１１１に形成された凸凹パターンが現れることとなる。その後には図１６に図示された通り、アンドープＧａＮ層１１１上面にｎ側電極１２３を形成し発光素子２００を完成する。本実施形態によると、導電性接着層２０２を利用し予め準備された導電性基板２０１を発光構造物に付着させることとなる。従って、導電性基板２０１を形成するためのメッキ、蒸着またはスパッタリング工程が必要されず、導電性基板２０１としてシリコン基板を使用することも可能である。

本発明は上述の実施形態および添付の図面により限定されることではなく、添付の請求範囲により限定しようとする。また、本発明は請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形および変更が可能であることは当技術分野の通常の知識を有している者には自明である。

従来の垂直構造３族窒化物発光素子の一例を示す側断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子を示す側断面図である。 本発明の他の実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子を示す側断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。 図５の基板上面に形成された凸凹パターンを示す平面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の上部に形成された凸凹パターンを示すＳＥＭ写真である。 図１２の凸凹パターンを拡大したＳＥＭ写真である。 本発明の他の実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。 本発明の他の実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。 本発明の他の実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図らである。 母基板の上面に形成された凸凹パターンの様々な実施例を示す部分断面図である。

符号の説明

１０１ 導電性基板 １０３ 反射層
１０５ ｐ型クラッド層 １０７ 活性層
１０９ ｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ層
１１１ アンドープＧａＮ層
１１０ ｎ型クラッド層 １２１ 凸凹パターン
１２３ ｎ側電極

Claims (26)

1. 導電性基板及び
   上記導電性基板上に順次積層されたｐ型クラッド層、活性層、ｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)層、アンドープＧａＮ層及びｎ側電極を含み、
   上記アンドープＧａＮ層上面には凸凹パターンが形成されていることを特徴とする垂直構造３族窒化物発光素子。
2. 上記アンドープＧａＮ層上面のうち上記ｎ側電極が形成された領域には凸凹パターンが形成されていないことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
3. 上記導電性基板と上記ｐ型クラッド層との間には反射層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
4. 上記アンドープＧａＮ層上面に形成された透明電極層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
5. 上記導電性基板と上記ｐ型クラッド層との間に形成された導電性接着層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
6. 上記導電性接着層はＡｕ、Ａｕ-Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ-Ａｇ及びＰｂ-Ｓｎを含むグループから選択された物質からなることを特徴とする請求項５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
7. 上記導電性接着層と上記ｐ型クラッド層との間には反射層をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
8. 上記反射層はＣｕＩｎＯ_２/Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２/Ａｌ層またはＮｉ/Ａｇ/Ｐｔ層であることを特徴とする請求項３または請求項７に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
9. 上記導電性基板は金属基板またはシリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
10. 上記金属基板はタングステン、銅、ニッケル、チタン及びこれらのうち２以上の合金で構成されたグループから選択された物質からなることを特徴とする請求項９に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
11. 上記凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２０ｎｍないし１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
12. 上記凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２００ｎｍないし３μｍであることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
13. 上記凸凹パターンは光子結晶を形成することを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
14. 上記凸凹パターンは半球形、直四角形または鋸歯形の断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子。
15. 母基板上面に凸凹パターンを形成する段階と、
    凸凹パターンが形成された上記母基板上面にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層を順次形成する段階と、
    上記ｐ型クラッド層上に導電性基板を形成する段階と、
    上記ｎ型クラッド層に形成された凸凹パターンを露出させるよう上記母基板を除去する段階及び
    上記ｎ型クラッド層の露出面の一部領域上にｎ側電極を形成する段階を含むことを特徴とする垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
16. 上記母基板は、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板またはＡｌＮ基板であることを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
17. 上記母基板上面に凸凹パターンを形成する時、上記母基板上面のうちｎ側電極に相応する領域には凸凹パターンを形成しないことを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
18. 上記母基板上面にｎ型クラッド層を形成する段階は、
    上記母基板上面にアンドープＧａＮ層を形成する段階及び
    上記アンドープＧａＮ層上にｎ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１)層を形成する段階を含むことを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
19. 上記導電性基板を形成する段階は、導電性接着層を利用し上記ｐ型クラッド層上に導電性基板を接合する段階を含むことを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
20. 上記導電性基板を形成する段階は、上記ｐ型クラッド層上にメッキ、蒸着またはスパッタリングを通じ導電性金属基板を形成する段階を含むことを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
21. 上記ｐ型クラッド層を形成する段階と上記導電性基板を形成する段階との間に、上記ｐ型クラッド層上に反射層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１５または請求項１９に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
22. 上記反射層はＣｕＩｎＯ_２/Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２/Ａｌ層またはＮｉ/Ａｇ/Ｐｔ層で形成されることを特徴とする請求項２１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
23. 上記母基板を除去する段階の後に、上記ｎ型クラッド層上に透明電極層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
24. 上記母基板に形成される凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２０ｎｍないし１００μｍであることを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
25. 上記母基板に形成される凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２００ｎｍないし３μｍであることを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
26. 上記母基板上面に凸凹パターンを形成する段階において、上記凸凹パターンは半球形、直四角形または鋸歯形の断面形状を有するよう形成されることを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。