JP2007165409A - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光の取り出し効率を向上させることが可能な半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体発光素子１は、支持基板２と、光を発光するＭＱＷ活性層１３及び最上層のｎ−ＧａＮ層１４とを含む半導体積層構造６とを備え、半導体積層構造６のｎ−ＧａＮ層１４の上面には複数のコーン形状の凸部１４ａが形成されている。ＭＱＷ活性層から発光される光の波長をλ、ｎ−ＧａＮ層１４の屈折率をｎとすると、凸部１４の底面の幅Ｗの平均値Ｗ_Ａが、
Ｗ_Ａ≧λ／ｎ
となるように凸部１４ａが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系の半導体積層構造の最上層に複数の凸部が形成された半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。

従来、ＧａＮ等を含む窒化物系の半導体発光素子が知られている。例えば、ＧａＮを含む青色系ＬＥＤ（発光ダイオード）と黄色の発光体とを組み合わせた白色ＬＥＤは、携帯電話等の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のバックライトとして普及している。また、白色ＬＥＤは、低消費電力、長寿命といった特徴を持っているので、今後は、更に、蛍光灯や白熱灯に代わる光源として期待され、研究及び開発が盛んに行われている。

しかしながら、ＬＥＤの出力は数Ｗ程度しかないため、輝度の向上が望まれている。この輝度を向上させる手段としては、ＬＥＤの内部量子効率を上げたり、活性層で発光された光を外部へ取り出す取り出し効率を向上させることが考えられる。特に、ＧａＮの光の屈折率（約２．５）が空気の屈折率（約１．０）に比べて非常に高いので、ＬＥＤと空気との界面での全反射角が小さくなり、光の取り出し効率が非常に小さく（例えば、約１０％）なるといった課題がある。

そこで、半導体発光素子によって発光された光の取り出し効率を向上させるための様々な技術が開示されている。

例えば、特許文献１には、半導体積層構造の最上層が粗面化された半導体発光素子が開示されている。

この半導体発光素子は、基板上に設けられたｐ−ＧａＮ層、活性層、ｎ−ＧａＮ層からなる半導体積層構造を備えている。半導体積層構造の最上層に形成されたｎ−ＧａＮ層の上面は、コーン形状の凸部が形成されて粗面化されている。このようにｎ−ＧａＮ層の上面を粗面化することによって、活性層で反射された光が、スネルの法則により、ｎ−ＧａＮ層と空気との界面で反射されることを抑制して、外部へ放出される光量を向上させている。

この半導体発光素子の製造方法においては、まず、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、成長基板（サファイア基板）上にｎ−ＧａＮ層、活性層、ｐ−ＧａＮ層を順次積層して、半導体積層構造を形成する。次に、ｐ−ＧａＮ層上にｐ側電極を形成した後、ｐ側電極が支持基板（シリコン基板）側になるように、半導体積層構造を支持基板に貼りかえる。

次に、支持基板に貼りかえられた半導体積層構造の最上層のｎ−ＧａＮ層の上面にｎ側電極を形成する。その後、ＫＯＨ溶液及びキセノン／水銀ランプを用いたＰＥＣ（Ｐｈｏｔｏ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）エッチング技術により、ｎ−ＧａＮ層の上面をコーン形状の凸部１４ａを有する粗面に形成する。
国際公開第２００５／０６４６６６号パンフレット

しかしながら、ｎ−ＧａＮ層の屈折率及び活性層から発光される光の波長によっては、コーン形状の凸部の形状が小さい場合に、コーン形状の凸部が形成されているにも関わらず、光に対してｎ−ＧａＮ層の上面が平坦な面と同じように作用する。従って、ｎ−ＧａＮ層の上面において、平坦な面と同じように光が反射されるので、反射される光の量が増加する。このため、外部への光の取り出し効率が下がるといった問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、光の取り出し効率を向上させることが可能な半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、基板と、光を発光する活性層を含み、前記基板上に設けられた半導体積層構造とを備え、前記半導体積層構造の最上層の光が放出される半導体層の上面に１又は複数の凸部が形成され、前記活性層から発光される光の波長をλ、前記最上層の半導体層の屈折率をｎとした場合、前記複数の凸部の底面の幅の平均値Ｗ_Ａが、
Ｗ_Ａ≧λ／ｎ
となるように前記凸部が形成されていることを特徴とする半導体発光素子である。

また、請求項２の発明は、前記最上層の半導体層は、ｎ−ＧａＮ層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である。

また、請求項３の発明は、前記凸部は、錐体形状であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体発光素子である。

また、請求項４の発明は、活性層を含む半導体積層構造を成長基板に形成する積層工程と、前記半導体積層構造を支持基板に貼りかえる貼りかえ工程と、前記半導体積層構造の最上層の半導体層にＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液に浸漬した状態でＵＶ（紫外線）光を照射することによって１又は複数の凸部を形成することにより、前記最上層の半導体層の表面を粗面化する粗面化工程とを備え、前記粗面化工程では、前記活性層から発光される光の波長をλ、前記最上層の半導体層の屈折率をｎとした場合、前記複数の凸部の底面の幅の平均値Ｗ_Ａが、
Ｗ_Ａ≧λ／ｎ
となるように前記凸部を形成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。

また、請求項５の発明は、前記粗面化工程において、前記ＫＯＨ溶液の濃度に基づいて前記凸部の形状を決定することを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子の製造方法である。

本発明によれば、活性層で発光された光が容易に透過可能なように、上式を満たす凸部を最上層の半導体層の上面に形成することによって、活性層で発光された多くの光が、最上層の半導体層と空気の界面である最上層の半導体層の上面で反射されることなく、外部へ放出することができる。これにより、光の取り出し効率を向上させることができるので、半導体発光素子の輝度を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明による半導体発光素子の断面構造を示す。図２は、ｎ−ＧａＮ層上に形成された複数の凸部の電子顕微鏡写真である。図３は、半導体発光素子を上方から撮影した明視野像による光学顕微鏡写真である。

図１に示すように、半導体発光素子（発光ダイオード）１は、支持基板２と、ｐ側電極３と、反射層４と、マスク層５と、半導体積層構造６と、ｎ側電極７とを備えている。

支持基板２は、Ｃｕ基板、または、ＡｌＮ基板等の放熱性の高い基板によって構成されている。ｐ側電極３は、支持基板２上の全面に亘って形成されている。ｐ側電極３は、Ａｕ−Ｓｎ若しくはＡｕによって構成されている。

反射層４は、支持基板２側から順に、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ａｌ層が積層されている。尚、Ａｌ層の代わりにＡｇ層等の銀白色系の他の金属層を用いてもよい。また、反射層４は、マスク層５に形成されたコンタクトホール５ａを介して、半導体積層構造６のＺｎＯ電極１１と接続されている。

マスク層５は、後述する製造工程において、半導体積層構造６をエッチングする際に、エッチングマスクとして機能する。マスク層５は、ＳｉＯ_２等の誘電体膜、又は、レジスト膜により構成されている。

半導体積層構造６は、ｐ側電極３、反射層４及びマスク層５を介して支持基板２に支持されている。半導体積層構造６は、ＺｎＯ電極１１と、ｐ−ＧａＮ層１２と、ＭＱＷ活性層１３と、ｎ−ＧａＮ層１４とを有する。

ＺｎＯ電極１１は、約２×１０^−４Ωｃｍの低抵抗率及び約１０００Å〜約２００００Åの厚みを有する。尚、ＺｎＯ電極１１の厚みは、約８０００Å程度が望ましい。

ｐ−ＧａＮ層１２には、ｐ型のドーパントであるＭｇがドープされている。ｐ−ＧａＮ層１２とＭＱＷ活性層１３との間には、アンドープのＧａＮ層、若しくは、約１％のＩｎを含むＩｎＧａＮ層が形成されている（図示略）。

ＭＱＷ活性層１３は、厚さ約３０ÅのＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ井戸層（図示略）と厚さ約１００ÅのアンドープのＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮバリア層（図示略）とが交互に８周期配列されている。ここで、Ｘ及びＹは、０≦Ｘ≦０．３（望ましくは０．１≦Ｘ≦０．２）、０≦Ｙ≦０．１、Ｙ≦Ｘの各式を満たすものとする。ＭＱＷ活性層１３とｎ−ＧａＮ層１４との間には、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層（図示略）が形成されている。ｎ−ＧａＮ層１４には、ｎ型のドーパントであるＳｉがドープされている。

図１及び図２に示すように、ｎ−ＧａＮ層１４の上面には、複数のコーン形状（錐体形状）の凸部１４ａが形成されている。ここで、ＭＱＷ活性層１３から発光される光の波長をλ、ｎ−ＧａＮ層１４の屈折率をｎとした場合、このコーン形状の凸部１４ａの底面の幅Ｗの平均値Ｗ_Ａは、
Ｗ_Ａ≧λ／ｎ ・・・（１）
を満たすように形成されている。

例えば、ピーク波長が４６０ｎｍの光を発光するＩｎＧａＮ層を井戸層とする青色系の半導体発光素子１の場合、ｎ−ＧａＮ層１４の屈折率が約２．５であることから、上記平均値Ｗ_Ａは、約１８４ｎｍ以上となる。尚、ピーク波長が約３６５ｎｍ以上の光を発光するＧａＮ層を井戸層とする半導体発光素子の場合には、上記平均値Ｗ_Ａは、約１４６ｎｍ以上になる。

ここで、図３に示す写真からわかるように、上記式（１）を満たすコーン形状の凸部１４ａが形成されている外周部は、黒い像になることから光を透過することがわかる。一方、上記式（１）を満たす凸部が形成されていない中心部は、白い像になることから光を反射することがわかる。

ｎ側電極７は、ｎ−ＧａＮ層１４の一部を覆うように形成されている。ｎ側電極７は、ｎ−ＧａＮ層１４側から、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、又は、Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕが積層されている。

上述したように、本発明に係る半導体発光素子１は、ＭＱＷ活性層１３で発光された光が容易に透過可能なように、式（１）を満たすコーン形状の凸部１４ａがｎ−ＧａＮ層１４の上面に形成されている。従って、ＭＱＷ活性層１３で発光された多くの光が、ｎ−ＧａＮ層１４と空気の界面であるｎ−ＧａＮ層１４の上面で反射されることなく、外部へ放出される。これにより、光の取り出し効率を向上させることができるので、半導体発光素子１の輝度を向上させることができる。

次に、図面を参照して上述の半導体発光素子の製造方法について説明する。尚、図４〜図８は、各製造工程における半導体発光素子の断面構造を示す図である。

まず、サファイア基板からなる成長基板２０を成長室の中に搬送する。次に、成長室に水素ガスを供給しながら、成長室内の温度を約１０５０℃まで上げて成長基板２０をサーマルクリーニングする。

次に、図４に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、成長室の温度を約６００℃まで下げて、成長基板２０上にＧａＮバッファ層（図示略）を成長させた後、成長室の温度を約１０００℃まで上げて、Ｓｉをドーパントとするｎ−ＧａＮ層１４、ＳｉをドーパントとするＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層、ＭＱＷ活性層１３、アンドープのＧａＮ層又は約１％のＩｎを含むＩｎＧａＮ層を順次積層する。

その後、成長室の温度を上げて、ｐ−ＧａＮ層１２を成長させる。次に、ｐ−ＧａＮ層１２をｐ型化するためにアニールを行い、ｐ−ＧａＮ層１２中のＭｇを活性化させる。次に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）法を用いて、ＺｎＯ電極１１を形成する（積層工程）。その後、ＳｉＯ_２からなるマスク層５を形成する。

次に、図５に示すように、フォトリソグラフィー技術によりレジスト膜２１を形成する。その後、レジスト膜２１をマスクとして、エッチング技術によりマスク層５をパターニングした後、レジスト膜２１を除去する。

次に、マスク層５をマスクとして、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）エッチング技術を用いて、成長基板２０に達するまで、ＺｎＯ電極１１からｎ−ＧａＮ層１４までをメサエッチングする。尚、ＺｎＯ電極１１をパターニングした後、ＳｉＯ_２からなるマスク層５を形成してから、メサエッチングを行ってもよい。

次に、図６に示すように、ＣＦ_４によるドライエッチング技術を用いて、マスク層５をエッチングすることにより、反射層４とＺｎＯ電極１１とを接続するためのコンタクトホール５ａをマスク層５に形成する。

ここで、ＺｎＯ電極１１は、ＣＦ_４によってはほとんどエッチングされないため、エッチングストッパーとして機能する。次に、レジスト膜２２を形成した後、Ａｌ、又は、Ａｕを蒸着し、その後、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを順次積層する。次に、レジスト膜２２とともにレジスト膜２２上の金属層４ａを除去することによって、反射層４を形成する。

次に、図７に示すように、支持基板２上にＡｕ−Ｓｎ、又は、Ａｕからなるｐ側電極３を形成し、ｐ側電極３と反射層４とが接合されるようにして、半導体積層構造６を熱圧着によって支持基板２に貼り付ける。

その後、約２４８ｎｍで発振するＫｒＦレーザを成長基板２０側からｎ−ＧａＮ層１４に向けて照射する。このＫｒＦレーザの光は、サファイア基板である成長基板２０を略完全に透過して、ｎ−ＧａＮ層１４で略全ての光が吸収される。従って、成長基板２０とｎ−ＧａＮ層１４との間の界面（ＧａＮバッファ層）の温度が急速に上昇して、界面近傍のｎ−ＧａＮ層１４及びＧａＮバッファ層が溶解する。これにより、成長基板２０を剥離させることができる（ＬＬＯ（Ｌａｓｅｒ Ｌｉｆｔ Ｏｆｆ）工程：貼りかえ工程）。

ここで、成長基板２０を剥離させるのに必要なＫｒＦレーザのエネルギーは、約３００ｍＪ／ｃｍ^２〜約７００ｍＪ／ｃｍ^２である。尚、ｎ−ＧａＮ層１４が溶解した時に発生するＮ_２は、隣接する半導体積層構造６の間に逃げるため、半導体積層構造６に圧力が作用しないので、半導体積層構造６のクラックを抑制することができる。成長基板２０の剥離後、酸やアルカリ等によるエッチングによって、ｎ−ＧａＮ層１４の上面に残った余分なＧａドロップレットを除去する。

次に、レジスト膜（図示略）を形成した後、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、又は、Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕからなる金属層（図示略）を積層する。その後、図８に示すように、リフトオフ法を用いて金属層をパターニングすることにより、ｎ−ＧａＮ層１４の上面の一部に、ワイヤボンディング可能なｎ側電極７を形成する。

ここで、成長基板２０が剥離された後のｎ−ＧａＮ層１４の上面は、Ｇａ極性面ではなく、エッチングによって異方性のでやすいＮ極性面に構成されている。この状態で、図８に示すように、ｎ−ＧａＮ層１４を約６２℃の約４ｍｏｌ／ｌのＫＯＨ溶液に浸漬し、約３．５Ｗ／ｃｍ^２のＵＶ（紫外線）光を約１０分間照射することによって、ｎ−ＧａＮ層１４の上面に、底面の幅Ｗの平均値Ｗ_Ａが式（１）を満たす複数のコーン形状の凸部を形成することができる（ＰＥＣ（Ｐｈｏｔｏ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｈｃｉｎｇ）法）（粗面化工程）。

尚、上記条件で形成されたコーン形状の凸部１４ａのアスペクト比（高さ／底辺の幅）の平均値は、約１．５になる。ここで、ＫＯＨ溶液のモル濃度を約２．０ｍｏｌ／ｌにした場合、上記アスペクト比は約１．０になる。このように、ＫＯＨ溶液のモル濃度を変更することによって、凸部１４ａのコーン形状を決定することができる。

これにより、半導体発光素子１が完成する。

以上、上記実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、上記実施形態では、凸部１４ａをコーン形状に形成したが、断面が台形形状であって、いずれか一方向に長い形状に形成してもよい。

また、上記実施形態では複数の凸部１４ａをｎ−ＧａＮ層１４の上面に形成したが、凸部を一つだけｎ−ＧａＮ層上に形成してもよい。

また、上記実施形態では、ＬＬＯ工程においてＫｒＦレーザを用いたが、他のエキシマレーザ（ＡｒＦ：波長約１９３ｎｍ、ＸｅＣｌ：波長約３０８ｎｍ、ＹＡＧ３倍波：波長約３５５ｎｍ、サファイア−チタン３倍波：波長約３６０ｎｍ、Ｈｅ−Ｃｄ：波長約３２５ｎｍ）等によりＬＬＯ工程を行ってもよい。

また、上記半導体積層構造６、両電極３及び７の構成する材料等は、適宜変更可能である。

また、上記半導体発光素子１の製造工程における各パラメータは適宜変更可能である。

本発明による半導体発光素子の断面構造を示す。 ｎ−ＧａＮ層上に形成された複数の凸部の電子顕微鏡写真である。 半導体発光素子を上方から撮影した明視野像による光学顕微鏡写真である。 本発明の半導体発光素子の製造方法に係る各製造工程における半導体発光素子の断面構造を示す図である。 本発明の半導体発光素子の製造方法に係る各製造工程における半導体発光素子の断面構造を示す図である。 本発明の半導体発光素子の製造方法に係る各製造工程における半導体発光素子の断面構造を示す図である。 本発明の半導体発光素子の製造方法に係る各製造工程における半導体発光素子の断面構造を示す図である。 本発明の半導体発光素子の製造方法に係る各製造工程における半導体発光素子の断面構造を示す図である。

符号の説明

１ 半導体発光素子
２ 支持基板
３ ｐ側電極
４ 反射層
４ａ 金属層
５ マスク層
５ａ コンタクトホール
６ 半導体積層構造
７ ｎ側電極
１１ ＺｎＯ電極
１２ ｐ−ＧａＮ層
１３ ＭＱＷ活性層
１４ ｎ−ＧａＮ層
１４ａ 凸部
２０ 成長基板

Claims (5)

1. 基板と、
   光を発光する活性層を含み、前記基板上に設けられた半導体積層構造とを備え、
   前記半導体積層構造の最上層の光が放出される半導体層の上面に１又は複数の凸部が形成され、
   前記活性層から発光される光の波長をλ、前記最上層の半導体層の屈折率をｎとした場合、
   前記複数の凸部の底面の幅の平均値Ｗ_Ａが、
   Ｗ_Ａ≧λ／ｎ
   となるように前記凸部が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記最上層の半導体層は、ｎ−ＧａＮ層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。
3. 前記凸部は、錐体形状であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
4. 活性層を含む半導体積層構造を成長基板に形成する積層工程と、
   前記半導体積層構造を支持基板に貼りかえる貼りかえ工程と、
   前記半導体積層構造の最上層の半導体層にＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液に浸漬した状態でＵＶ（紫外線）光を照射することによって１又は複数の凸部を形成することにより、前記最上層の半導体層の表面を粗面化する粗面化工程とを備え、
   前記粗面化工程では、
   前記活性層から発光される光の波長をλ、前記最上層の半導体層の屈折率をｎとした場合、
   前記複数の凸部の底面の幅の平均値Ｗ_Ａが、
   Ｗ_Ａ≧λ／ｎ
   となるように前記凸部を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
5. 前記粗面化工程において、前記ＫＯＨ溶液の濃度に基づいて前記凸部の形状を決定することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。