JP2007149875A - Semiconductor light-emitting element, and method of manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device that generates light by combining electrons and holes in a semiconductor and a method for manufacturing the same.
近年、III−N化合物(以下、ナイトライドと呼ぶ)を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体固体発光素子の発展が目覚しい。前記III−V化合物として最もよく用いられているのが前記ナイトライドのGaNであるが、このGaNを始めとして、ナイトライドの屈折率は1より大きく、大気中への光の取出しに課題がある。GaNの場合を例にとると、屈折率が約2.5であり、GaNと大気との境界の法線に対して、23.6度(以下、この法線に対して23.6度より小さい領域で形成された円錐領域をエスケープコーンと呼ぶ)より大きい角度で境界に入射された光は、大気中に放射されず、境界面で全反射され、GaNの中へ閉込められてしまう。 In recent years, III-N compounds (hereinafter referred to as "nitrides") are used to form quantum wells, and an electric current is applied from outside to generate electrons by combining electrons and holes in these quantum wells. The development of semiconductor solid state light emitting devices is remarkable. The nitride GaN is most frequently used as the III-V compound. The refractive index of nitride, including this GaN, is larger than 1, and there is a problem in extracting light into the atmosphere. . Taking the case of GaN as an example, the refractive index is about 2.5, which is 23.6 degrees with respect to the normal of the boundary between GaN and the atmosphere (hereinafter referred to as 23.6 degrees with respect to this normal). Light incident on the boundary at a larger angle (conical region formed by a small region is called an escape cone) is not emitted into the atmosphere, but is totally reflected at the boundary surface and confined in GaN.
その閉込められた光の一部は発光層に再吸収され、電子―正孔対発生と再結合とによって再発光に寄与するが、その再発光した光も一部のエスケープコーン内で発光されれば大気中へ放射されるが、大部分のエスケープコーン外で発光された光は再びGaN中に閉込められる。そして、閉込められた光は、結晶や電極材料に再吸収されて熱に変化してしまう。このため、平坦なGaN層では、この屈折率による全反射のために発光効率を向上することは難しいという問題がある。 Part of the confined light is reabsorbed by the light-emitting layer and contributes to re-emission due to electron-hole pair generation and recombination, but the re-emitted light is also emitted in some escape cones. The light emitted outside the escape cone is confined in GaN again. Then, the confined light is reabsorbed by the crystal and the electrode material and changed into heat. For this reason, a flat GaN layer has a problem that it is difficult to improve the light emission efficiency due to the total reflection due to the refractive index.
そこで、このような課題に対して、たとえば特許文献1では、光取出し面に矩形の凹凸を形成しておくことで、前記光取り出し面で光が反射する際に、凹部と凸部とでそれぞれ反射される光が互いの位相のλ/2だけ異なって打消し合い、反射が低減して、結果的に光取り出し効率を向上するように工夫されている。 Thus, for such a problem, for example, in Patent Document 1, by forming a rectangular unevenness on the light extraction surface, when light is reflected on the light extraction surface, the concave portion and the convex portion respectively. It is devised that the reflected light cancels each other out by λ / 2 of the phase of each other, the reflection is reduced, and as a result, the light extraction efficiency is improved.
しかしながら、その従来技術では、表面付近に凹凸が形成されるので、発光層から面方向に放射された光は、なかなか凹凸に捉えられないという問題がある。そこで、このような課題に対して、特許文献2が提案された。
However, the conventional technology has a problem that unevenness is formed in the vicinity of the surface, so that light emitted from the light emitting layer in the surface direction cannot be easily captured by the unevenness. Therefore,
図6は、その特許文献2による発光ダイオード1の構造を示す断面図である。この発光ダイオード1は、大略的に、サファイア(Al2O3)などの基板2上に、n型のバッファ層3、nGaN層4、発光層5、pGaN層6が順に形成され、発光層5で発生した光をサファイア基板2側から取出すフリップチップ(フェイスダウン)タイプの発光ダイオードである。前記nGaN層4上で、一部分の発光層5およびpGaN層6が除去されてn型電極7が形成され、前記pGaN層6上にp型電極8が形成される。
FIG. 6 is a sectional view showing the structure of the light-emitting diode 1 according to
この従来技術で注目すべきは、pGaN層6から発光層5を超えて、nGaN層4へ達する溝9が刻設され、その溝9の内面に、透明絶縁膜10が形成され、さらに前記p型電極8が形成されることで、前記溝9の内面におけるp型電極8の部分8aが、反射鏡となることである。この反射鏡を形成することで、たとえば矢符F1で示すように、発光層5の遠くの位置から前記のような面方向に放射された光を、基板2方向に反射させて角度変換することができ、GaNから空気層または該基板2のエスケープコーン内に入射させ、光取出し効率が向上されている。
上述の従来技術では、溝9は、深く形成される程、発光層5で発生した光の取出し効率は高くなる。しかしながら、たとえば図7で示すように、前記溝9は、平面視では、多角形に形成されている。したがって、nGaN層4、発光層5およびpGaN層6は、その溝9に囲まれた区画毎に、面方向に分離、すなわち柱状に切り離されることになる。このため、相対的に低抵抗なnGaN層4から、中抵抗なn型のバッファ層3へ向けて、前記溝9を深く形成する程、nGaN層4の各部から、端部に形成されたn型電極7へ、矢符F2で示すようにnGaN層4の面方向に流れる電流に対する抵抗が大きくなり、発光層5での発光光量が減少し、前記光取出し効率の向上分を打ち消してしまうという問題がある。なお、pGaN層6が相対的に高抵抗である。
In the above-described prior art, the deeper the
本発明の目的は、n型窒化物半導体層において、面方向への電流経路が低抵抗なまま、溝を深く彫り込むことができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, in which a groove can be deeply carved in an n-type nitride semiconductor layer while a current path in a plane direction has a low resistance.
本発明の半導体発光素子は、少なくともn型窒化物半導体層、発光層およびp型窒化物半導体層を順次積層させて成り、前記p型窒化物半導体層側から前記n型窒化物半導体層側へ達する溝が刻設され、その溝の内面に反射鏡が形成されて成る半導体発光素子において、前記n型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れ、前記溝は、閉ループを形成しないように、複数が前記面方向に相互に離散して刻設されることを特徴とする。 The semiconductor light emitting device of the present invention is formed by sequentially laminating at least an n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer, from the p-type nitride semiconductor layer side to the n-type nitride semiconductor layer side. In a semiconductor light emitting device in which a reaching groove is formed and a reflecting mirror is formed on the inner surface of the groove, a current flows in the surface direction in the n-type nitride semiconductor layer so that the groove does not form a closed loop. , And a plurality of them are discretely engraved in the plane direction.
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、少なくともn型窒化物半導体層、発光層およびp型窒化物半導体層を順次積層させて成り、前記n型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れる半導体発光素子の製造方法において、前記p型窒化物半導体層側から前記n型窒化物半導体層側へ到達し、閉ループを形成しないように、面方向に相互に離散して複数の溝を刻設する工程と、前記溝の内面に反射鏡を形成する工程とを含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor light-emitting device according to the present invention includes at least an n-type nitride semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer that are sequentially stacked. In the method of manufacturing a semiconductor light emitting device in which a plurality of grooves are formed, a plurality of grooves are formed discretely in a plane direction so as not to form a closed loop from the p-type nitride semiconductor layer side to the n-type nitride semiconductor layer side. And a step of forming a reflecting mirror on the inner surface of the groove.
上記の構成によれば、発光ダイオードなどとして実現され、基板上に、少なくともn型窒化物半導体(nGaN)層、発光層(活性層)およびp型窒化物半導体(pGaN)層を順次積層させて成り、或いは成長後に前記基板を除去して成り、前記p型窒化物半導体層側から前記n型窒化物半導体層側へ到達する(彫り込まれた)溝の内面に反射鏡を形成することで、発光層から出た光が、直接前記反射鏡に入射し、または多重反射して入射することによって、反射された光がn型窒化物半導体層側に臨界角以下で入射し、外部へ取出し可能となることで、光取出し効率を向上するようにした半導体発光素子において、n型電極が、該半導体発光素子の面方向の一端に形成され、或いは中央に形成されるなどして、n型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れる場合、前記溝を、閉ループを形成しないように、複数が前記面方向に相互に離散するように刻設する。 According to the above configuration, it is realized as a light emitting diode or the like, and at least an n-type nitride semiconductor (nGaN) layer, a light emitting layer (active layer), and a p-type nitride semiconductor (pGaN) layer are sequentially stacked on the substrate. Or by removing the substrate after growth, and forming a reflecting mirror on the inner surface of the groove reaching (engraved) from the p-type nitride semiconductor layer side to the n-type nitride semiconductor layer side, The light emitted from the light emitting layer is directly incident on the reflecting mirror, or is incident after multiple reflection, so that the reflected light is incident on the n-type nitride semiconductor layer side below the critical angle and can be taken out to the outside. Thus, in the semiconductor light emitting device in which the light extraction efficiency is improved, the n-type electrode is formed at one end in the surface direction of the semiconductor light emitting device, or formed at the center, so that the n-type nitriding is performed. Inside the semiconductor layer If the current flows in the direction, the groove, so as not to form a closed loop, the plurality is engraved so as to discretely from each other in said surface direction.
したがって、閉ループを形成しないことで、n型窒化物半導体層、発光層およびp型窒化物半導体層を面方向に分離しないように(柱状に切り離さないように)なり、n型窒化物半導体層において、一端側から他端側へ電流経路を確保でき、低抵抗なまま、前記溝を深く彫り込む、すなわち反射鏡を高くすることができる。これによって、反射鏡に当たる成分を増加させ、光取出し効率を向上することができる。 Therefore, by not forming a closed loop, the n-type nitride semiconductor layer, the light-emitting layer, and the p-type nitride semiconductor layer are not separated in the plane direction (so as not to be separated into columns), and in the n-type nitride semiconductor layer A current path can be secured from one end side to the other end side, and the groove can be deeply carved, that is, the reflecting mirror can be made high with low resistance. Thereby, the component which hits a reflecting mirror can be increased, and light extraction efficiency can be improved.
さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記溝は、テーパ面を有することを特徴とする。 Furthermore, in the semiconductor light emitting device of the present invention, the groove has a tapered surface.
上記の構成によれば、断面形状が矩形の溝に比べて、光取出し効率を向上することができる。 According to said structure, compared with a groove | channel with a rectangular cross-sectional shape, light extraction efficiency can be improved.
また、本発明の半導体発光素子は、基板上に、前記n型窒化物半導体層、発光層およびp型窒化物半導体層を成長させた後に、該基板を剥離した構造であることを特徴とする。 In addition, the semiconductor light emitting device of the present invention has a structure in which the n-type nitride semiconductor layer, the light emitting layer, and the p-type nitride semiconductor layer are grown on a substrate and then the substrate is peeled off. .
上記の構成によれば、前記n型窒化物半導体層、発光層およびp型窒化物半導体層を成長させた後に、成長基板を剥離することで、光取出し効率を一層向上することができる。 According to the above configuration, after the n-type nitride semiconductor layer, the light emitting layer, and the p-type nitride semiconductor layer are grown, the light extraction efficiency can be further improved by peeling the growth substrate.
本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、発光ダイオードなどとして実現され、基板上に、少なくともn型窒化物半導体(nGaN)層、発光層(活性層)およびp型窒化物半導体(pGaN)層を順次積層させて成り、或いは成長後に前記基板を除去して成り、前記p型窒化物半導体層側から前記n型窒化物半導体層側へ到達する(彫り込まれた)溝の内面に反射鏡を形成することで、発光層から出た光が、直接前記反射鏡に入射し、または多重反射して入射することによって、反射された光がn型窒化物半導体層側に臨界角以下で入射し、外部へ取出し可能となることで、光取出し効率を向上するようにした半導体発光素子において、n型電極が該半導体発光素子の面方向の一端に形成されるなどして前記n型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れる場合、前記溝を、閉ループを形成しないように、複数が前記面方向に相互に離散するように刻設する。 As described above, the semiconductor light-emitting device and the method for manufacturing the same according to the present invention are realized as a light-emitting diode or the like. At least an n-type nitride semiconductor (nGaN) layer, a light-emitting layer (active layer), and a p-type nitride are formed on a substrate. A semiconductor (pGaN) layer is sequentially stacked, or the substrate is removed after growth, and a groove reaching (engraved) from the p-type nitride semiconductor layer side to the n-type nitride semiconductor layer side is formed. By forming the reflecting mirror on the inner surface, the light emitted from the light emitting layer is directly incident on the reflecting mirror or incident by multiple reflection, so that the reflected light is critical to the n-type nitride semiconductor layer side. In a semiconductor light emitting device that is incident at an angle or less and can be extracted to the outside so that the light extraction efficiency is improved, the n-type electrode is formed at one end in the surface direction of the semiconductor light emitting device, etc. n-type nitriding If the current flows through the semiconductor layer in the plane direction, the groove, so as not to form a closed loop, the plurality is engraved so as to discretely from each other in said surface direction.
それゆえ、前記n型窒化物半導体層、発光層およびp型窒化物半導体層は面方向に分離されず(柱状に切り離されず)、n型窒化物半導体層において、一端側から他端側へ電流経路を確保でき、低抵抗なまま、前記溝を深く彫り込む、すなわち反射鏡を高くすることができる。これによって、反射鏡に当たる成分を増加させ、光取出し効率を向上することができる。 Therefore, the n-type nitride semiconductor layer, the light emitting layer, and the p-type nitride semiconductor layer are not separated in the plane direction (not separated into columns), and the current flows from one end side to the other end side in the n-type nitride semiconductor layer. The path can be secured, and the groove can be deeply carved, that is, the reflecting mirror can be made high with low resistance. Thereby, the component which hits a reflecting mirror can be increased, and light extraction efficiency can be improved.
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の一形態に係る発光ダイオード11の構造を示す断面図である。この発光ダイオード11は、大略的に、サファイア(Al2O3)などの基板12上に、n型のバッファ層13、nGaN層14、発光層15、pGaN層16が順に形成され、発光層15で発生した光をサファイア基板12側から取出すフリップチップ(フェイスダウン)タイプの発光ダイオードである。前記nGaN層14上で、一部分の発光層15およびpGaN層16が除去されてn型電極17が形成され、前記pGaN層16上にp型電極18が形成される。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a light emitting diode 11 according to an embodiment of the present invention. The light emitting diode 11 is, generally, the
前記基板12は、前記サファイアに限定されず、発光波長に対して透光性を持つものであればよいことは言うまでもない。またこの種の発光ダイオードの製造方法については、当業者には公知のMOCVD法などを用いて実現することができ、ここでの詳しい説明は省略する。
Needless to say, the
前記電極17,18を形成する前には、前記pGaN層16から発光層15を超えて、nGaN層14へ達するテーパー状の溝19が刻設され、その溝19の内面に、透明絶縁膜20が形成される。その後に、前記p型電極18が形成されることで、前記溝19の内面におけるp型電極18の部分18aが、反射鏡となる。この反射鏡を形成することで、発光層15の遠くの位置から面方向に放射された光を、基板12方向に反射させて角度変換することができ、GaNから空気層または該基板12のエスケープコーン内に入射させ、光取出し効率を向上することができる。以上の構成は、前述の図6で示す発光ダイオード1と同様である。
Before forming the
注目すべきは、本実施の形態では、図2で示すように、n型電極17が該発光ダイオード11の面方向の一端に形成され、nGaN層14内を面方向に電流が流れることになるのに対して、前記溝19は、閉ループを形成しないように、複数が前記面方向に相互に離散して刻設される(独立して配置されている)ことである。なお、本発明では、前記n型電極17は、発光ダイオード11の中央に形成されてもよく、局所的に形成されることで、nGaN層14内を面方向に電流が流れるようになっていればよい。
It should be noted that in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the n-
この図2の例では、前記溝19は、図3で示すように、6角形を敷き詰めたパターンを相互にずらせて3種類重ね合わせ、各パターンにおいて、相互に対向する2辺を前記溝19としたものである。パターンは、より多角形である程、多方面からの光を捉えることができるが、円は、前記閉ループを形成してしまうので、不適である。
In the example of FIG. 2, as shown in FIG. 3, the
図4は、上述のように構成される発光ダイオード11の製造工程を説明するための図である。本実施の形態では、上記溝19を、ナノインプリントリソグラフィー法によって作製する。
FIG. 4 is a diagram for explaining a manufacturing process of the light-emitting diode 11 configured as described above. In the present embodiment, the
先ず、溝19の作成にあたって、図4(c)で示すような、前記溝19の反転形状を有する型30を作成する。型30の作成には、たとえば電子線リソグラフィー法を用いることができる。具体的には、シリコンウエハ上にスピンコートにより形成した電子線用レジストに、電子線を照射して溝19のレジストパターンを作成する。前記溝19のテーパー状に対応してパターン高さを変化させるには、電子線のドーズ量を変化させることで対応でき、ドーズ量が多いと電子線レジストの感光深さが深くなり、ドーズ量が少ないと電子線レジストの感光深さが浅くなる。こうして、異なる高さのレジストパターンを作成することができる。そのレジストパターンのNi電鋳を採ることで、プレス用の型30を作成することができる。
First, when the
前記MOCVD法などを用いて、図4(a)で示すように各層13〜16を基板12上に作成した後、図4(b)で示すように、ウエハ状態の発光ダイオード11の基板12の表面に、レジスト31をスピンコートし、前記図4(c)で示すように型30を押し付け、形状を転写する。レジスト31の材料は、有機もしくは無機どちらでも良いが、転写性が良く、かつ耐ドライエッチング性が高い必要がある。たとえば、スピンオンガラスを使用することができる。図4(d)で示すように、離型後、レジスト31には、型30のパターンが転写される。その転写後のレジスト31をマスクとして、塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングを行うことで、図4(e)で示すように、発光ダイオード11の基板12の表面に、型30のパターンを反転して転写し、溝19を形成することができる。その後、公知の手法で、前記透明絶縁膜20が形成された後、電極17,18が形成される。
After the
このように作製することで、溝19を閉ループとしないので、nGaN層14、発光層15およびpGaN層16を面方向に分離しないように(柱状に切り離さないように)なり、nGaN層14において、n型電極17が形成される一端側から他端側へ電流経路を確保でき、低抵抗なまま、前記溝19を深く彫り込む、すなわち反射鏡を高くすることができる。これによって、反射鏡に当たる成分を増加させ、光取出し効率を向上することができる。また、前記溝19がテーパ面を有することで、断面形状が矩形の溝に比べて、光取出し効率を向上することができる。
By manufacturing in this way, the
[実施の形態2]
図5は、本発明の実施の他の形態に係る発光ダイオード41の構造を示す断面図である。この発光ダイオード41は、前述の発光ダイオード11に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード41では、前記溝19から電極17,18まで形成された後に、サファイアの基板12が除去されることである。
[Embodiment 2]
FIG. 5 is a sectional view showing the structure of a
この場合、基板12を前記nGaN層14から剥離する必要があり、一般的には紫外レーザが用いられる。具体的には、基板12(サファイア)側から、KrFエキシマレーザ(λ=248nm、照射強度:0.3J/cm2)を入射する。レーザは、透明な結晶基板12を透過してnGaN層14で吸収されるので、界面でアブレーションが生じ、結果、基板12がnGaN層14から剥離する。
In this case, it is necessary to peel off the
このように基板12上に、前記nGaN層14、発光層15およびpGaN層16を成長させた後に、該基板12を剥離することで、前記nGaN層14が光取出し面となり、光取出し効率を一層向上することができる。
In this way, after the
11,41 発光ダイオード
12 基板
13 バッファ層
14 nGaN層
15 発光層
16 pGaN層
17 n型電極
18 p型電極
19 溝
20 透明絶縁膜
30 型
31 レジスト
11, 41 Light-emitting
Claims (4)
前記n型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れ、
前記溝は、閉ループを形成しないように、複数が前記面方向に相互に離散して刻設されることを特徴とする半導体発光素子。 At least an n-type nitride semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer are sequentially stacked, and a groove is formed from the p-type nitride semiconductor layer side to the n-type nitride semiconductor layer side. In the semiconductor light-emitting device in which the reflecting mirror is formed on the inner surface of the groove,
A current flows in the plane direction in the n-type nitride semiconductor layer,
A plurality of grooves are engraved discretely in the plane direction so as not to form a closed loop.
前記p型窒化物半導体層側から前記n型窒化物半導体層側へ到達し、閉ループを形成しないように、面方向に相互に離散して複数の溝を刻設する工程と、
前記溝の内面に反射鏡を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising at least an n-type nitride semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer sequentially stacked, wherein a current flows in a plane direction in the n-type nitride semiconductor layer.
Reaching the n-type nitride semiconductor layer side from the p-type nitride semiconductor layer side and forming a plurality of grooves discretely in the plane direction so as not to form a closed loop;
And a step of forming a reflecting mirror on the inner surface of the groove.
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