JP2007201018A - 窒化物半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の特性が改善された窒化物半導体発光ダイオードとそれを少ないプロセスで簡便に実現できる製造方法とを提供する。
【解決手段】窒化物半導体発光素子において、窒化物半導体積層構造（７−１１）が支持基板（１６）の一主面上に設けられており、この半導体積層構造は活性層（８）を含む複数の窒化物半導体層からなり、支持基板（１６）の一主面に平行な半導体積層構造の表面に対して活性層（８）の端面が露出していることを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、レーザダイオード（ＬＤ）素子などの発光素子に関し、特に発光特性の改善された窒化物半導体発光素子とその製造方法に関するものである。

窒化物半導体（Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）においては、その組成を調整することによって、バンドギャップが狭いものから広いものまでの種々の窒化物半導体結晶を成長させることができる。このような窒化物半導体を利用して半導体発光素子を作製する場合には、通常はサファイア、スピネル、ＳｉＣなどの異種基板上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）法などを利用して複数の窒化物系半導体層が積層される。しかしながら、そのような異種基板上に結晶成長した窒化物半導体層中には、格子不整合に起因して１０⁹個／ｃｍ²もの貫通転位が存在する。これらの貫通転位は非発光センターになり、電流のリークパスの原因ともなる。

近年では、高出力の発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）などが実現されているが、さらにそれらの特性向上を図るためには転位密度の低減が望まれている。転位密度の低減を図る方法の一つとして、基板面上の選択成長を利用するラテラル（横方向）成長法がある。この方法は、基板面上に結晶成長を防止するマスクを部分的に設けて選択的結晶成長をさせることによって、マスク上面にラテラル結晶成長を行わせ、転位密度が低減された高品質の結晶領域を得る方法である（たとえば、特許文献１の特許第３１３９４４５号公報参照）。この方法は、ＬＥＯ（lateral epitaxial overgrowth）法と呼ばれている。また、結晶成長防止用マスクを使用せずに、周期溝を形成した基板の溝上へラテラル成長させる例もある（たとえば、特許文献２の特許第３５５６９１６号公報参照）。この方法は、ＬＥＰＳ（lateral epitaxial patterned substrate）法と呼ばれている。これらのＬＥＯ法やＬＥＰＳ法では、結晶層の成長中に発生する貫通転位のほとんどが結晶層の厚さ方向に伝播し、横方向には伝播しないことを利用している。

現在実用化されている窒化物発光ダイオードのほとんどはいわゆるＣ面窒化物発光ダイオードであって、六方晶系のサファイアのＣ面すなわち（０００１）面またはそれに直交するＡ面すなわち（１１−２０）面上に平行に成長するＣ面を有する窒化物半導体層を利用して作製されている。

図１０の模式的斜視図は、ＧａＮ結晶における主要な結晶学的方位を示している。ＧａＮ結晶のＣ面に平行な原子面としてはＧａ原子面とＮ原子面が交互に重なっている。そして、これらの原子間の電気陰性度の相違に起因して結晶内のｃ軸方向すなわち［０００１］軸方向に自発分極が発生し、さらに、歪がかかった場合には圧電（ピエゾ）分極が重畳される。発光層として作用する（Ｃ面に平行な）量子井戸層内において、このように分極による電場が生じれば、電子と正孔が井戸層の両界面側に分離し、発光効率の低下を招く。

サファイア基礎基板のＲ面すなわち（０１−１２）面上にラテラル成長技術を利用して結晶成長させたＧａＮ基板層のＡ面上にその無極性のＡ面に平行な活性層を含む窒化物発光ダイオードを試作した例（たとえば、特許文献２のＵＳ２００５／０２１４９９２Ａ１参照）はあるが、このような窒化物発光ダイオードにおいても従来のＣ面窒化物発光ダイオードに比べて優れた特性は得られていない。この原因として、ＧａＮ基板層上のラテラル成長の起点となる非マスク領域、およびｍ軸方向すなわち［１−１００］方向へのラテ
ラル成長部には高密度の貫通転位が存在するからであると考えられる。

他方、通常の発光ダイオードでは、光を発する活性層が複数の半導体層の積層構造内でその表面に平行に形成されているので、屈折率の低い空気中へはその積層構造の表面にほぼ直角な光のみが出射し、他のほとんどの光は全反射によって積層構造内部に閉じ込められる。このような問題を軽減して光取り出し効率の向上を図る工夫の一例として、光取り出し面をサファイア基板裏面として、その裏面を曲面に加工した発光ダイオードがある（特許文献４の特許第３３６２８３６号公報参照）。
特許第３１３９４４５号公報 特許第３５５６９１６号公報 ＵＳ２００５／０２１４９９２Ａ１ 特許第３３６２８３６号公報

従来のラテラル成長によって転位密度が低減された窒化物ＬＥＤの場合、周期的なストライプ状にラテラル成長した結晶の隣同士が合体して成長表面全体が平坦になった後に、量子井戸活性層などが形成されて積層されている。

図１１は、前述のＬＥＰＳ法によって転位密度が低減された窒化物ＬＥＤの断面構造を模式的に示している。この窒化物ＬＥＤにおいては、いわゆるサファイアＣ面基板１００の上面に周期溝１０１が形成されており、その上にＧａＮバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３、ｎ型ＧａＮクラッド層１０４、ＩｎＧａＮ量子井戸層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０６、ｐ型ＧａＮクラッド層１０７、およびｐ⁺型ＧａＮコンタクト層１０８が順次積層されている。そして、ｐ⁺型ＧａＮコンタクト層１０８上にはｐ型用電極（Ｎｉ／Ａｕの積層など）が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の部分的露出部上にはｎ型用電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕの積層など）が形成されている。

しかし、従来のＬＥＯ法やＬＥＰＳ法などによって転位密度の低減を図ったＬＥＤにおいても、チップ全面の平均転位密度は１０⁷〜１０⁸／ｃｍ²程度でまだ高く、内部量子効率も十分ではない。これは、特に結晶成長防止用マスクのない窓領域上の成長層および隣り合うラテラル成長の合体部において転位密度が高く、これらの領域も発光領域に含まれるからである。

また、従来の窒化物半導体発光素子の活性層はＣ面で構成されているので、上述したように自発分極と圧電分極に起因して発光効率の向上には限界がある。

さらに、従来の窒化物半導体発光素子において光を発する活性層は半導体積層構造の表面に平行にその内部に存在するので、その積層構造の表面からの光取り出し効率が悪い。

さらに、サファイアなどの異種基板と窒化物半導体とはそれらの格子定数と熱膨張係数が互いに大きく異なる。したがって、結晶成長中の窒化物半導体層には圧縮歪が加わり、室温では異種基板とその上の半導体積層構造とを含むウエハが反りやすい。このことが発光素子における内部量子効率の低下の一原因となっており、ウエハの発光素子化プロセスを難しくしている。

さらに、発光素子チップのサファイア基板をパッケージに接着する場合、サファイアの熱伝導率が悪いので、活性層における発熱を十分放熱することができない。したがって、発光素子を高電流で発光させる場合に、光出力が熱飽和してしまう。

さらに、現在の窒化物発光ダイオードは、転位密度の低減、光取り出し効率の向上、内部歪の低減、放熱性向上などのために、様々な対策がなされており、このことが高出力発光ダイオードの製造工程を複雑にしている。

本発明は上述のような種々の課題の解決のために、少ないプロセスで簡便に実現できる新規な構造の発光ダイオードとその製造方法を提供することを目的としている。

本発明による窒化物半導体発光素子においては、窒化物半導体積層構造が支持基板の一主面上に設けられており、この半導体積層構造は活性層を含む複数の窒化物半導体層からなり、支持基板の一主面に平行な半導体積層構造の表面に対して活性層の端面が露出していることを特徴としている。

なお、活性層は紫外から赤色の波長帯域内の光を発することが可能な量子井戸層を含むことが好ましい。また、窒化物半導体積層構造は六方晶の結晶構造を有し、活性層は分極性のＣ面以外の面に平行な領域を含むことが好ましい。その活性層は六方晶構造のＡ面に平行な領域を含むことがより好ましい。さらに、活性層端部が露出した半導体積層構造の表面に反射防止膜が形成されていることが好ましい。

上述のような窒化物半導体発光素子を製造するための方法において、複数の窒化物半導体層を結晶成長させる際に結晶成長用基板が用いられ、この基板は窒化物半導体積層構造と異なる格子定数を有するサファイア、スピネル、または炭化ケイ素から形成され得る。この基板として、窒化物半導体も好ましく用いられ得る。

結晶成長用基板の一主面上には窒化物半導体層の結晶成長を防止するために周期的な結晶成長防止膜が形成されていることが好ましい。結晶成長用基板の一主面上には周期的に配置された複数の凹部が形成され、窒化物半導体層の結晶成長を防止するために凹部の底面と側面に結晶成長防止膜が形成されることも好ましい。

結晶成長用基板の一主面上の結晶成長防止膜間の周期的窓部から横方向へ窒化物半導体積層構造が結晶成長し、窒化物半導体積層構造内で転位密度が低減化された領域内の活性層の領域が発光領域として利用されることが好ましい。結晶成長用基板の一主面上に形成された窒化物半導体積層構造に含まれる活性層のうちで一主面に平行な領域を除去し、その一主面に垂直な領域のみを発光部として利用することがさらに好ましい。

周期的窓部から横方向へ成長する窒化物半導体積層構造が隣の窒化物半導体積層構造と合体する前に結晶成長を停止させ、互いに隣接する窒化物半導体積層構造が互いに独立していることが好ましい。互いに独立している窒化物半導体積層構造の側面に電流注入用の電極が形成されることが好ましい。結晶成長用基板の一主面上に形成された窒化物半導体積層構造の表面上に放熱性の支持基板を接着した後に、結晶成長用基板が除去されることが好ましい。その支持基板は窒化物からなることが好ましい。

上述のような窒化物半導体発光素子の複数個がアレイ状に配列されている窒化物半導体発光素子アレイチップを提供することができる。その場合に、ストライプ状の窒化物半導体発光素子が互いに平行に配列されてもよいし、長方形の窒化物半導体発光素子が互いに平行に２次元的に配列されてもよい。

上述のような窒化物半導体発光素子とその発光素子から発する紫外から青色までの波長範囲内の光を波長変換する蛍光体とを含み、全体として白色光を放射し得る白色発光装置を提供することができる。

以上のような本発明による窒化物半導体発光素子においては、低転位密度領域における非極性面での発光による内部量子効率の向上、および発光素子表面からの直角光出射による光取り出し効率の向上、すなわち外部量子効率の向上によって、低電流で大きな発光出力を得ることができる。また、本発明による窒化物半導体発光素子においては、素子内部の歪も緩和されているので、発光出力の劣化もない。さらに、半導体積層構造の支持基板がヒートシンクを兼ねているので、半導体発光素子の高出力動作時の熱飽和が少ない。

より具体的には、貫通転位が低減された領域に発光層を形成するので、非発光センターが少なく、電流リークも少ない。また、非極性のＡ面を発光層として使用するので、自発分極や圧電分極の影響がなく、内部量子効率の向上が実現できる。さらに、発光素子の表面に直角に発光層が形成されているので、光取り出し効率を大きくし得る。さらに、集積化された発光セグメントが互いに分離されてエピタキシャル成長させられているので、発光セグメント内の歪が開放され、半導体積層構造と結晶成長用基板を含むウエハの反りが生じず、その結晶成長用基板の分離が容易となり、各発光セグメントの光出力の劣化が少なくなるなどの利点が得られる。

さらに、本発明の半導体発光素子の応用として、本発明の半導体発光素子を白色用蛍光体の励起光源として使用すれば、１００ｌｍ／Ｗ以上の発光効率が期待でき、照明用光源として好ましく利用することができる。

本発明では、前述のＬＥＯ法またはＬＥＰＳ法によるラテラル成長領域における転位密度の低い部分の活性層のみを発光層として利用することによって、内部量子効率向上を図ることができる。

図１はＬＥＯ法によるラテラル成長層の様子を示す模式的断面図である。ＬＥＯ法では、サファイアＣ面基板１にＳｉＯ₂などの結晶成長防止膜２を形成し、周期的なストライプ状にそのＳｉＯ₂を除去した窓３を形成する。図１（a）はストライプ窓３をサファイア基板１のa軸［１１−２０］方向に平行に形成した場合を示し、図１（ｂ）はストライプ窓３をサファイア基板１のｍ軸［１−１００］方向に平行に形成した場合を示している。

図１（ａ）の場合には、ＧａＮ成長層４のＣ面がサファイア基板１のＣ面に対して平行であるが９０度回転し、ＧａＮ成長層４のｍ軸の［１−１００］方向がストライプ窓３と平行になる。ＧａＮ層４の成長速度は、そのｃ軸の［０００１］方向に平行な厚さ方向よりもa軸の［１１−２０］方向および［−１−１２０］方向に平行な横方向の方が大きい。そして、ＧａＮ成長層４は、そのＣ面とＡ面で囲まれた矩形状に成長する。このとき、ストライプ窓領域内の貫通転位５は、ｃ軸方向に沿って上方へ伝播していき、ａ軸方向に沿う横方向には伝播しない。

図１（ｂ）の場合には、ＧａＮ成長層４のＣ面がサファイア基板１のＣ面に対して平行であるが９０度回転し、ＧａＮ成長層４のa軸の［１１−２０］方向がストライプ窓３と平行になる。ＧａＮ層４の成長速度は、そのｃ軸の［０００１］方向に平行な厚さ方向よりもｍ軸の［１０−１０］方向および［−１０１０］方向に平行な横方向の方が小さい。したがって、基板１上に成長するＧａＮ層４の断面形状は、［１０−１１］方向と［−１０１−１］方向に向かう２つの斜面による三角形状から、それらの斜面および基板に垂直なＭ面と平行なＣ面からなる形状へと変化していく。そして、ストライプ窓領域内の貫通転位５は、それらの一部がＧａＮ層４のラテラル成長部へ向けて横方向へ折れ曲がるが、厚さ方向へ伝播する転位も多い。

本発明の窒化物半導体発光素子では、図１（ａ）の場合を利用し、貫通転位密度が１０⁵〜１０⁶／ｃｍ²に低減されたラテラル成長部に形成された半導体積層構造に含まれる活性層でのみ発光させる。すなわち、ラテラル成長部において基板面に垂直なＡ面に平行に形成された活性層を発光層として使用する。このＡ面に平行な活性層では自発分極や圧電分極が起こらないので、窒化物半導体発光素子の内部量子効率の向上が実現できる。

また、この場合に結晶成長用基板１を除去すれば、半導体積層構造の基板側表面に垂直に形成された活性層の端部が露出することになる。この場合、活性層に閉じ込められて導波されるほとんどの光が空気中に出射され得る。ところで、従来のように複数の発光ダイオードが形成されたウエハを劈開などによって分断してバー状にした端面発光型ＬＥＤを複数本並べる方法があるが、この場合には１パッケージ内に並べるバーの本数に制限があり、アセンブリ工程も煩雑である。本発明では、１チップ内に１０本ないし５０本の端面発光活性層をウエハプロセスにより形成することができる。また、半導体積層構造の結晶成長表面側に光反射膜を形成すれば、成長層内へ向かう光をすべて反射し、さらに基板を除去した光出射側表面に透過膜（反射防止膜）を形成することにより、ほとんどの発光を光出射側から空気中に取り出すことができる。

さらに、ＬＥＯ法やＬＥＰＳ法において、隣接したラテラル成長部が合体する前に結晶成長を停止することによって、半導体積層構造間に隙間を設けることができる。これによって、半導体積層構造にかかる歪を開放し、ウエハの反りの問題も解消することができる。

さらに、半導体積層構造の結晶成長表面に放熱性の支持基板を金属を介して接合した後、サファイア基板をレーザ照射法などにより分離し、その放熱性支持基板側をパッケージにマウントすることができる。これによって、半導体発光素子の活性層で発生した熱がパッケージ側へ効率良く放熱され、光出力の熱飽和問題を解消することができる。放熱性支持基板としては、高出力赤色半導体レーザのヒートシンク兼サブマウント材として使用されているＡｌＮが適当である。なぜならば、ＡｌＮは高い熱伝導率を有し、その熱膨張率がＧａＮに最も近いからである。

［実施例１］
図２は、本発明の実施例１による発光ダイオードを示す模式的断面図である。この発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮクラッド層７、半導体積層構造の結晶成長表面に垂直なＩｎＧａＮ量子井戸活性層８、半導体積層構造の表面に平行な量子井戸活性層８ａ、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層９、ｐ型ＧａＮクラッド層１０、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１、金属光反射層１２、各発光セグメント間の隙間１３、発光セグメント１４、接着材料（Ａｕ−Ｓｎなど）１５、両面がメタライズされた放熱性支持基板（ＡｌＮ）１６、ｎ型用電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）１７、ｐ型用電極（Ｎｉ／Ａｕ）１８、および光透過膜（反射防止膜）１９を含んでいる。なお、図２中の矢印２０はｐ型用電極１８からｎ型用電極１７へ流れる電流を表し、矢印２１は半導体積層構造の結晶成長表面に垂直な量子井戸活性層８から出射される光を表している。矢印２０で示されているように、電流は半導体積層構造の結晶成長表面近傍を横方向に流れ、その表面に平行な量子井戸活性層８ａ内へはほとんど電流が流れない。

図３の模式的断面図においては、図１の発光ダイオードの製造プロセスが図解されている。

まず、図３（ａ）において、サファイアＣ面基板１の表面上に、結晶成長防止膜としてたとえば厚さ１２０ｎｍのＳｉＯ₂膜をプラズマＣＶＤ法によって形成する。このＳｉＯ₂
膜上にレジストを塗布して、フォトリソグラフィによって周期的ストライプ状にエッチングして窓部３を形成する。そのストライプ方向は、サファイア基板のａ軸の［１１−２０］方向に平行である。たとえば、ＳｉＯ₂ストライプ２の幅は１０μｍで、窓部３の幅は５μｍとし得る。その場合、ストライプの１周期は１５μｍである。

図３（ｂ）においては、ＭＯＣＶＤ法によって、アンドープＧａＮバッファ層６、ｎ型ＧａＡｓクラッド層７、量子井戸活性層８、８ａ、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層９、ｐ型ＧａＮクラッド層１０、およびキャリア濃度の大きいｐ⁺型ＧａＮコンタクト層１１を結晶成長させる。こうして得られる半導体積層構造の全厚は、たとえば４．５μｍである。量子井戸活性層８、８ａは、アンドープＩｎＧａＮ井戸層とアンドープＧａＮ障壁層を交互に積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）である。ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比は、発光波長ピークが４０５ｎｍになるように設定され得る。

隣り合う半導体積層構造間には、隙間１３が残される。すなわち、ＬＥＯ法の場合、結晶成長防止膜２上ではラテラル成長層の端面がやや傾いて成長するので、隣り合う半導体積層構造の隣接部では斜めの隙間１３が生じる。この隙間１３はサファイア基板とＧａＮ系半導体積層構造との間における格子定数と熱膨張係数の違いに基づく歪を緩和する役目を果たし得るので、結晶成長後にサファイア基板とＧａＮ系半導体積層構造を含むウエハの反りはほとんど生じない。前述したように、ＧａＮ系半導体積層構造のＣ面は、サファイア基板Ｃ面に対して平行であるが９０度回転しているので、半導体積層構造のストライプ方向はサファイア基板のａ軸方向から半導体積層構造のｍ軸方向へ変換されている。したがって、半導体積層構造のラテラル結晶成長の端面はＡ面となる。半導体積層構造の結晶成長表面には、金属光反射層１２として、Ａｇを蒸着し得る。

図３（ｃ）では、両面がメタライズされたＡｌＮ支持基板１６と半導体積層構造上の金属光反射層１２とをＡｕ−Ｓｎ接着材１２を介して反りが生じないように均等な圧力で熱圧着する。このとき、隣接する半導体積層構造間の隙間部１３でクラックが生じても問題にならない。なお、ＬＥＤペレット化が容易になるように、ＡｌＮ支持基板の裏面がＬＥＤペレットの寸法に合わせてブレードでハーフカットされたものを用いることができる。

図３（ｄ）においては、白抜きの太い矢印で表されたＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８．５ｎｍ）を線状断面のビームに整形して、サファイア基板１の裏面から全面をスキャンする。そうすれば、サファイア基板と半導体積層構造との境界において窒化物半導体が分解し、サファイア基板１が分離できる。このとき、ウエハに反りがないので、レーザ光の焦点ずれが生ぜず、サファイア基板１を全面で確実に分離することができる。

図３（ｅ）では、アンドープＧａＮバッファ層６をエッチングで除去し、ｎ型用電極１７としてＴｉ／Ａｌ／Ａｕの積層を形成する。そして、表面をリンスエッチングすることによって、活性層８やｐ⁺型ＧａＮ層１１の端部を確実に露出させる。また、ｐ⁺型ＧａＮ層１１の端部と隙間１３にｐ型用電極１８としてＮｉ／Ａｕの積層を形成する。最後に、発光波長λ（４０５ｎｍ）に対してλ／４の厚さのＡｌ₂Ｏ₃光透過膜１９を形成する。

図４は、本実施例１におけるＬＥＤペレットの電極側パターンの一例を模式的な平面図で示している。この電極側パターンには、ｎ型用電極ストライプ２０、ｐ型用電極ストライプ２１、ｎ型用電極用ボンディングパッド２２、およびｐ型用電極用ボンディングパッド２３が含まれる。ペレットの寸法形状を４５０μｍ角とした場合、ストライプのピッチは１５μｍであるから、電極ストライプはｎ型用電極２０とｐ型用電極２１はそれぞれ３０本ずつとなる。また、一対のｎ型用とｐ型用の電極あたりに活性層のストライプ状端部８が２本存在するので、ＬＥＤペレットから出射される光のストライプは６０本となる。

得られら半導体積層構造の結晶性を評価するためにＣＬ（カソードルミネッセンス）測定を行ったところ、暗点密度は窓部３の上方領域で１０⁸〜１０⁹／ｃｍ²であり、ラテラル成長部で１０⁵〜１０⁶／ｃｍ²であった。そして、ラテラル成長部におけるＣＬ強度は、窓部３の上方領域に比べて約１００倍であった。

また、本実施例１による窒化物半導体ＬＥＤの発光特性を測定したところ、４０５ｎｍのピーク波長、７０％の内部量子効率、および９０％の光取り出し効率が得られた。さらに、本実施例１による窒化物半導体ＬＥＤの光出力は約２８ｍＷ（２０ｍＡ）であり、従来のＬＥＤに比べて大幅な出力向上を実現し得る。

［実施例２］
図５は、本発明の実施例２による発光ダイオードを示す模式的断面図である。この発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮクラッド層４７、半導体積層構造の表面に垂直なＩｎＧａＮ量子井戸活性層４８、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層４９、ｐ型ＧａＮクラッド層５０、ｐ⁺型ＧａＮコンタクト層５１、ラテラル成長部５２、各発光セグメント間の隙間５３、発光セグメント５４、接着材料（Ａｕ−Ｓｎなど）５５、両面がメタライズされた放熱性導電支持基板（Ｓｉ）５６、ｎ型用電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）５７、ｐ型用電極（Ｎｉ／Ａｕ）５８、および光透過膜５９を含んでいる。また、図５においては、電流をブロックするためのＳｉＯ₂膜６０が設けられており、矢印６１はｐ型用電極５８からｎ型用電極５７へ流れる電流を表し、矢印６２は半導体積層構造の結晶成長表面に垂直な量子井戸活性層４８から出射される光を表している。なお、半導体積層構造の結晶成長表面に平行な量子井戸活性層はエッチング除去されている。

図６の模式的断面図においては、図５の発光ダイオードの製造プロセスが図解されている。

まず、図６（ａ）において、サファイアＣ面基板１の表面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィおよびＲＩＥ（反応性イオンエッチング）技術によって、周期的ストライプ状の溝部６２を形成する。このストライプ方向は、サファイア基板のａ軸の［１１−２０］方向に平行である。たとえば、溝部６２の幅は１５μｍで、それらの溝間の凸部の幅は５μｍとし得る。この場合、ストライプの１周期は２０μｍである。なお、溝の深さは、たとえば１．５μｍとし得る。

図６（ｂ）では、溝部６２およびそれらの溝間の凸部を覆うように、たとえば厚さ１２０ｎｍのＳｉＯ₂膜がプラズマＣＶＤ法によって形成される。この上にレジストを塗布して、フォトリソグラフィによって凸部上のＳｉＯ₂膜をエッチング除去する。すなわち、溝部６２の底面と側面のみに結晶成長防止膜６３としてのＳｉＯ₂膜を残す。

図６（ｃ）においては、ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型ＧａＮバッファ層４６、ｎ型ＧａＡｓクラッド層４７、量子井戸活性層４８、４８ａ、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層４９、ｐ型ＧａＮクラッド層５０、およびキャリア濃度の大きいｐ⁺型ＧａＮコンタクト層５１を結晶成長させる。こうして得られる半導体積層構造の全厚は、たとえば４．５μｍである。量子井戸活性層４８、４８ａは、アンドープＩｎＧａＮ井戸層とアンドープＧａＮ障壁層とを交互に積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）である。ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比は、発光波長ピークが４０５ｎｍになるように設定し得る。半導体積層構造は、溝部６２上ではラテラル成長する。隣り合うラテラル成長部５２が互いに接触する前に、それらの結晶成長を停止させる。溝部６２の底面と側面に形成された結晶成長防止膜６３上には窒化物半導体層の結晶成長が全く起こらず、半導体積層構造のオーバハング状の下面では原料ガスの回り込みが少ないので、結晶成長がほとんど起こらない。

本実施形態２の場合には、ラテラル成長の側面において傾きが生ぜず、半導体積層構造の表面に垂直なＡ面ファセットが形成される。隣接するラテラル成長部の隙間５３の幅は、たとえば２〜５μｍに設定し得る。この隙間５３はサファイア基板１とＧａＮ系半導体積層構造との間における格子定数と熱膨張係数の違いに基づく歪を緩和する役目を果たし、結晶成長後のウエハの反りはほとんど生じない。前述したように、ＧａＮ系半導体積層構造のＣ面はサファイア基板のＣ面に対して平行であるが９０度回転しているので、半導体積層構造のストライプ方向はサファイア基板のａ軸から半導体積層構造のｍ軸へ変換される。したがって、ラテラル成長の側面はＡ面となる。

図６（ｄ）では、フォトリソグラフィ技術によって、半導体積層構造ストライプの中央部において結晶成長表面から活性層４８ａまでエッチング除去して凹部６４を形成し、その底面と側面に電流ブロック層６０としてＳｉＯ₂膜を形成する。

図６（ｅ）では、ウエハ表面にｐ型用電極５８として、Ｎｉ／Ａｕの積層を蒸着する。このとき、蒸着材料がラテラル成長側面へも廻りこみ、そこにもｐ型用電極５８が形成される。

図６（ｆ）においては、両面がメタライズされた導電性Ｓｉ支持基板６５と半導体積層構造とをＡｕ−Ｓｎ半田材６６を介して反りが生じないように均等な圧力で熱圧着する。Ｓｉ支持基板６５としては、ＬＥＤペレット化が容易になるように、裏面をＬＥＤペレットの寸法に合わせてブレードでハーフカットされたものを用いることができる。そして、矢印６７で表されたＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８．５ｎｍ）を線状断面のビームに整形して、サファイア基板１の裏面から全面をスキャンする。そうすれば、サファイア基板と半導体積層構造との境界において窒化物半導体が分解し、サファイア基板１が分離できる。このとき、ウエハに反りがないので、レーザ光の焦点ずれが生ぜず、サファイア基板１を全面で確実に分離することができる。さらに、サファイア基板１と半導体積層構造との接触面積が少ないので、それらの分離は容易である。

図６（ｇ）では、半導体積層構造の下面をリンスエッチングすることによって、活性層４８端部を確実に露出させる。その後、ｎ型ＧａＮバッファ層４６上に型用電極５７としてＴｉ／Ａｌ／Ａｕを積層する。最後に、発光波長λ（４０５ｎｍ）に対してλ／４の厚さのＡｌ₂Ｏ₃光透過膜５９が形成される。

図７は、本実施例２によるＬＥＤペレットの電極側パターンの一例を示す模式的平面図である。この電極側パターンには、ｎ型用電極ストライプ６８およびｎ型用電極用ボンディングパッド６９が含まれる。ＬＥＤペレットの寸法形状を４６０μｍ角とした場合、ストライプのピッチは２０μｍであるから、電極ストライプは２３本となる。また、１本の電極ストライプあたりに２本のストライプ状活性層端部が存在するので、ＬＥＤペレットから出射される光のストライプ７０は４６本となる。

得られた半導体積層構造の結晶性を評価するために、ＣＬ（カソードルミネッセンス）測定を行ったところ、暗点密度は窓部領域の上方で１０⁸〜１０⁹／ｃｍ²であり、ラテラル成長部で１０⁵〜１０⁶／ｃｍ²であった。そして、ラテラル成長部におけるＣＬ強度は、窓部領域の上方に比べて約１００倍であった。

また、本実施例２の窒化物半導体ＬＥＤの発光特性を測定したところ、４０５ｎｍのピーク波長、８０％の内部量子効率、および９０％の光取り出し効率が得られた。さらに、本実施例２による窒化物半導体ＬＥＤの光出力は約４０ｍＷ（２０ｍＡ）であり、従来のＬＥＤに比べて大幅な出力向上を実現し得る。

［実施例３］
実施例１および実施例２では、各発光セグメントが細長いストライプ構造として形成されているので、各発光セグメントはその作製過程においてサファイア基板から受ける圧縮歪がストライプ方向に加わる。係る観点から、本発明による実施例３は、上述の実施例２の一部変更に相当している。すなわち、本実施例３では、半導体積層構造ストライプ中に周期的な分断部を設けることによって、発光ダイオードの製造過程におけるストライプ方向の圧縮歪をも開放する。したがって、本実施例３による発光ダイオードはストライプ方向に直交する断面において実施例２の場合と同様の構造を有しており、その断面構造として図５と図６を参照することができる。これらの図をも考慮しつつ、本実施例３による製造プロセスが、図８の平面図をも参照して、以下において説明される。

まず、図８（ａ）において、フォトリソグラフ技術とエッチング技術を利用して、サファイアＣ面基板上に４０μｍの長辺と５μｍの短辺を有する長方形状の凸部８１の複数が、２次元的に周期配列されて形成される。凸部８１の長辺はｍ軸に直交しており、そのような長辺の複数がｍ軸方向に沿ってアライメント（整列）される。凸部８１の短辺はａ軸に直交しており、そのような短辺の複数がａ軸方向にアライメントされる。これらの凸部８１以外で縦横に交わる凹部領域の底面と側面に、結晶成長防止膜としてＳｉＯ₂膜８０を形成する。ａ軸方向に沿った凹部の幅はたとえば１５μｍであり、ｍ軸方向に沿った凹部の幅はたとえば３μｍである。

図８（ｂ）において、ＭＯＣＶＤ法によって実施例２と同様のＧａＮ系半導体積層構造をエピタキシャル成長させる。ＧａＮ系半導体積層構造のＣ面はサファイア基板のＣ面に対して平行であるが９０度回転するので、サファイア基板のａ軸に対して半導体積層構造のｍ軸が対応し、サファイア基板のｍ軸に対して半導体積層構造のａ軸が対応する。したがって、長方形半導体積層構造８２のラテラル成長の側面は、その長辺がＡ面となって短辺がＭ面となる。ラテラル成長速度は、半導体積層構造のｍ軸方向では非常に遅くてａ軸方向では速い。本実施例３において、ｍ軸方向へ１μｍのラテラル成長が生じさせた場合に、ａ軸方向へ６μｍのラテラル成長が生じた。この場合、隣り合う半導体積層構造間の隙間８３は対向する短辺間では１μｍであり、対向する長辺間では３μｍである。

図８（ｃ）においては、実施例２の場合と同様に（図６（ｆ）参照）、半導体積層構造上のｐ型用電極へＳｉ支持基板を接合した後、サファイア基板を分離する。実施例２に比べて、本実施例３ではサファイア基板と半導体積層構造との接触面積がさらに少なくなっているので、両者を含むウエハの反りもさらに小さくて、両者の分離がさらに容易となる。

サファイア基板を分離した後に、半導体積層構造の側面を約１μｍ厚さだけエッチング除去する。このとき、半導体積層構造の短辺側におけるラテラル成長部のすべてが除去され、長辺側ではｐ型ＧａＮコンタクト層の途中までエッチングされる。半導体積層構造の下面８４側（半導体積層構造がサファイア基板に接していた側）から、隙間８３に絶縁性のフォトレジスト８５を充填してベーキングにより硬化させる。その後、半導体積層構造の表面に付着した不要なフォトレジストは除去される。

図８（ｄ）において、ｎ型用電極ストライプ８６を形成する。この際、発光セグメント間の隙間はレジストで埋められているので、ｎ型用電極８６は分断されることなく形成することができる。

本実施例３の窒化物半導体ＬＥＤの発光特性を測定しところ、４０５ｎｍのピーク波長、８５％の内部量子効率、および９０％の光取り出し効率が得られた。さらに、本実施例３による窒化物半導体ＬＥＤの光出力は約４５ｍＷ（２０ｍＡ）であり、従来のＬＥＤに
比べて大幅な出力向上を実現し得る。

図９のグラフは、実施例１〜３のＬＥＤにおける光出力−電流特性の測定例を示している。すなわち、このグラフの横軸は注入電流（ｍＡ）を表し、縦軸は光出力（ｍＷ）を表している。

なお、以上の実施例においては紫外光を発する窒化物半導体発光素子が例示されたが、本発明においては、窒化物半導体の組成を調整することによって、紫外から赤色までの任意の波長の光を発する窒化物半導体発光素子を作製し得ることは言うまでもない。また、以上の実施例において結晶成長用基板としてサファイアを用いる例が説明されたが、スピネル、炭化ケイ素、または窒化物半導体などの基板を用いることもできる。また、上述のような窒化物半導体発光素子とその発光素子から発する紫外から青色までの波長範囲内の光を波長変換する蛍光体とを組み合わせることによって、全体として白色光を放射し得る白色発光装置を提供することができる。

以上のように、本発明によれば、種々の特性が改善された窒化物半導体発光素子を簡便に製造して提供することができる。

サファイア基板上における窒化物半導体層のラテラル成長を図解する模式的断面図である。 本発明の一実施例による発光ダイオードを示す模式的断面図である。 図２の発光ダイオードの製造プロセスを図解する模式的断面図である。 図２のＬＥＤペレットにおける電極側パターンの一例を示す模式的平面図である。 本発明の他の実施例による発光ダイオードを示す模式的断面図である。 図５の発光ダイオードの製造プロセスを図解する模式的断面図である。 図５のＬＥＤペレットにおける電極側パターンの一例を示す模式的平面図である。 本発明のさらに他の実施例による発光ダイオードの製造プロセスを図解する模式的平面図である。 本発明の種々の実施例による発光ダイオードにおける光出力−電流特性の測定例を示すグラフである。 六方晶系単位格子の結晶学的方位を示す模式的斜視図である。 従来の窒化物半導体発光ダイオードペレットを示す模式的断面図である。

符号の説明

１ サファイアＣ面基板、２、６３ 結晶成長防止膜、３ 窓部、４ 窒化物半導体成長層、５ 貫通転位、６ ＧａＮバッファ層、７、４７ ｎ型ＧａＮクラッド層、８、４８ 表面に直角なＩｎＧａＮ量子井戸活性層、８ａ、４８ａ 表面に平行な量子井戸活性層、９、４９ ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、１０、５０ ｐ型ＧａＮクラッド層、１１、５１ ｐ⁺型ＧａＮコンタクト層、１２ 金属光反射層、１３、５３ 隣接する半導体積層構造間の隙間、１４、５４ 発光セグメント、１５、５５、６６ 接着材（Ａｕ−Ｓｎ）、１６ 両面がメタライズされたＡｌＮ支持基板、１７、５７ ｎ型用電極、１８、５８ ｐ型用電極、１９、５９ 光透過膜（反射防止膜）、２０、６８ ｎ型用電極ストライプ、２１ ｐ型用電極ストライプ、２２、６９ ｎ型用電極用ボンディングパッド、２３ ｐ型用電極用ボンディングパッド、５２ ラテラル成長部、５６ 両面がメタライズされた放熱性導電支持基板（Ｓｉ）、６０ 電流をブロックするためのＳｉＯ₂膜、６１
ｐ型用電極からｎ型用電極へ流れる電流、６２ 成長表面に直角な量子井戸活性層から
出射される光、６４ 凹部、６５ 両面がメタライズされた導電性Ｓｉ支持基板、６７ エキシマレーザ光、７０ 端面発光ストライプ、８０ 成長防止膜としてのＳｉＯ₂膜、８１ 凸部、８２ 長方形発光セグメント、８３ 半導体積層構造間の隙間、８４ 半導体積層構造の下面、８５ フォトレジスト、８６ ｎ型用電極ストライプ、１００ サファイア基板、１０１ 周期溝、１０２ ＧａＮバッファ層、１０３ ｎ型ＧａＮコンタクト層、１０４ ｎ型ＧａＮクラッド層、１０５ ＩｎＧａＮ量子井戸層、１０６ ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、１０７ ｐ型ＧａＮクラッド層、１０８ ｐ⁺型ＧａＮコンタクト層、１０９ ｐ型用電極、１１０ ｎ型用電極。

Claims (19)

1. 窒化物半導体積層構造が支持基板の一主面上に設けられており、
   前記半導体積層構造は活性層を含む複数の窒化物半導体層からなり、
   前記支持基板の前記一主面に平行な前記半導体積層構造の表面に対して前記活性層の端面が露出していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記活性層は紫外から赤色の波長帯域内の光を発することが可能な量子井戸層を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子
3. 前記窒化物半導体積層構造は六方晶の結晶構造を有し、前記活性層は分極性のＣ面以外の面に平行な領域を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記活性層は前記六方晶構造のＡ面に平行な領域を含むことを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記活性層端部が露出した前記半導体積層構造の表面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
6. 請求項１から５のいずれかの窒化物半導体発光素子を製造するための方法であって、前記複数の窒化物半導体層を結晶成長させる際に結晶成長用基板が用いられ、この基板は前記窒化物半導体積層構造と異なる格子定数を有するサファイア、スピネル、または炭化ケイ素からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
7. 請求項１から５のいずれかの窒化物半導体発光素子を製造するための方法であって、前記複数の窒化物半導体層を結晶成長させる際に結晶成長用基板が用いられ、この基板は窒化物半導体からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
8. 前記結晶成長用基板の一主面上には前記窒化物半導体層の結晶成長を防止するために周期的な結晶成長防止膜が形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
9. 前記結晶成長用基板の一主面上には周期的に配置された複数の凹部が形成されており、前記窒化物半導体層の結晶成長を防止するために前記凹部の底面と側面に結晶成長防止膜が形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
10. 前記結晶成長用基板の前記一主面上の前記結晶成長防止膜間の周期的窓部から横方向へ前記窒化物半導体積層構造が結晶成長し、前記窒化物半導体積層構造内で転位密度が低減化された領域内の前記活性層の領域が発光領域として利用されることを特徴とする請求項８または９に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
11. 前記結晶成長用基板の前記一主面上に形成された窒化物半導体積層構造に含まれる前記活性層のうちで前記一主面に平行な領域を除去し、前記一主面に垂直な領域のみを発光部として利用することを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
12. 前記周期的窓部から横方向へ成長する前記窒化物半導体積層構造が隣の前記窒化物半導体積層構造と合体する前に結晶成長を停止させ、互いに隣接する前記窒化物半導体積層構造が互いに独立していることを特徴とする請求項１０または１１に記載の窒化物半導体発
    光素子の製造方法。
13. 前記互いに独立している前記窒化物半導体積層構造の側面に電流注入用の電極が形成されることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
14. 前記結晶成長用基板の前記一主面上に形成された前記窒化物半導体積層構造の表面上に放熱性の前記支持基板を接着した後に、前記結晶成長用基板が除去されることを特徴とする請求項６から１３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
15. 前記支持基板は窒化物からなることを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
16. 請求項１から５のいずれかの窒化物半導体発光素子の複数個がアレイ状に配列されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子アレイチップ。
17. ストライプ状の窒化物半導体発光素子が互いに平行に配列されていることを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子アレイチップ。
18. 長方形の窒化物半導体発光素子が互いに平行に２次元的に配列されていることを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子アレイチップ。
19. 請求項１から５のいずれかの窒化物半導体発光素子とその発光素子から発する紫外から青色までの波長範囲内の光を波長変換する蛍光体とを含み、全体として白色光を放射し得ることを特徴とする白色発光装置。

Images