JP2008021965A - 窒化物半導体発光素子の製造方法および窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】活性層の劣化を抑えることができ、光取り出し効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子の製造方法および窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】第１導電型窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型窒化物半導体層と、がこの順序で積層されている窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、第１導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成する工程と、第２導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成する工程と、第１導電型窒化物半導体層側の第１電極と第２導電型窒化物半導体層側の第２電極とを活性層を挟んで対向する位置にそれぞれ形成する工程と、を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法と窒化物半導体発光素子である。
【選択図】図１
【解決手段】第１導電型窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型窒化物半導体層と、がこの順序で積層されている窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、第１導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成する工程と、第２導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成する工程と、第１導電型窒化物半導体層側の第１電極と第２導電型窒化物半導体層側の第２電極とを活性層を挟んで対向する位置にそれぞれ形成する工程と、を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法と窒化物半導体発光素子である。
【選択図】図１
Description
本発明は、窒化物半導体発光素子の製造方法および窒化物半導体発光素子に関し、特に、活性層の劣化を抑えることができ、光取り出し効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子の製造方法および窒化物半導体発光素子に関する。
図１５は、窒化物半導体発光素子の一例である発光ダイオード（ＬＥＤ）の従来の構成を示す模式的な断面図である。この従来のＬＥＤは、ｐ電極１０１上に、ｐ型Ｓｉ支持基板１０２、Ｔｉ層とＡｕ層の積層体からなる金属層１０３、Ａｕ−Ｓｎ接合金属層１０４、バリア金属層１０５、反射金属層１０６、ｐ型ＧａＮ側オーミック層１０７、ｐ型ＧａＮ層１１１、ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層１１２、ＩｎＧａＮ活性層１１３、ｎ型ＧａＮ層１１４、透明導電膜１２０およびｎ電極１２１がこの順序で積層された構成を有している。
そして、この従来のＬＥＤにおいて、ｐ型ＧａＮ層１１１、ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層１１２、ＩｎＧａＮ活性層１１３およびｎ型ＧａＮ層１１４により窒化物半導体発光素子の層構造体が形成されている。
このような構成のＬＥＤにおいては、ｎ型ＧａＮ層１１４の表面に凹凸を形成することによってＩｎＧａＮ活性層１１３で発生した光の全反射が抑制され、光取り出し効率を向上させることができるとされている（たとえば、特許文献１参照）。
特許第３６５９２０１号公報
しかしながら、図１５に示すＬＥＤのように、窒化物半導体発光素子の層構造体の一方の側のみに凹凸を形成する場合には、その凹凸の形成の際に活性層に歪みが生じやすくなる。活性層に歪みが生じている場合には、複数の素子への分割前のウエハの研削工程および研磨工程、ならびにレーザ、ダイサーまたはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などによるウエハの分割工程において活性層にダメージが与えられ、窒化物半導体発光素子の特性が劣化してしまう。
そこで、本発明の目的は、活性層の劣化を抑えることができ、光取り出し効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子の製造方法および窒化物半導体発光素子を提供することにある。
本発明は、第１導電型窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型窒化物半導体層と、がこの順序で積層されている窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、第１導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成する工程と、第２導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成する工程と、第１導電型窒化物半導体層側の第１電極と第２導電型窒化物半導体層側の第２電極とを活性層を挟んで対向する位置にそれぞれ形成する工程と、を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、第１導電型窒化物半導体層と第１電極との間および第２導電型窒化物半導体層と第２電極との間の少なくとも一方に導電層を設置することができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法において、導電層は、窒化物半導体、炭化シリコン（以下、「ＳｉＣ」ということもある）、シリコン（以下、「Ｓｉ」ということもある）、酸化亜鉛（以下、「ＺｎＯ」ということもある）、ヒ化ガリウム（以下、「ＧａＡｓ」ということもある）およびリン化ガリウム（以下、「ＧａＰ」ということもある）の群から選択された少なくとも１種を含む導電性物質を含んでいてもよい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、導電層の表面に凹凸が形成されていてもよい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、第１導電型窒化物半導体層の表面の凹凸または第２導電型窒化物半導体層の表面の凹凸と導電層の表面の凹凸とが噛み合わさっていることが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、凹凸を有する基板の表面上に第１導電型窒化物半導体層、活性層および第２導電型窒化物半導体層をこの順序で積層した後に基板を除去することができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法において、基板の表面の凹凸は、基板の表面上に酸化シリコン層および窒化シリコン層の少なくとも一方からなるマスク層を積層した後にマスク層の一部を除去して、マスク層の除去部分から基板の表面を露出させ、その後、基板の表面の露出部を除去することにより形成することができる。
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、基板の凹凸を有する表面上にバッファ層が形成された後に第１導電型窒化物半導体層、活性層および第２導電型窒化物半導体層を積層してもよい。ここで、バッファ層の形成時の温度は、第１導電型窒化物半導体層の積層時の温度と同一またはそれよりも高いことが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法において、第１導電型はｎ型であって、第２導電型はｐ型であり得る。
さらに、本発明は、第１導電型窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型窒化物半導体層と、がこの順序で積層されている窒化物半導体発光素子であって、第１導電型窒化物半導体層側の第１電極と第２導電型窒化物半導体層側の第２電極とは活性層を挟んで対向する位置に形成されており、第１導電型窒化物半導体層の表面および第２導電型窒化物半導体層の表面の双方に凹凸が形成されている窒化物半導体発光素子である。
本発明によれば、活性層の劣化を抑えることができ、光取り出し効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子の製造方法および窒化物半導体発光素子を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
図１に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例の模式的な断面図を示す。この窒化物半導体発光素子においては、Ｔｉ層とＡｕ層の積層体からなる第２電極１上に、ｐ型シリコンからなる支持基板２、Ｔｉ層とＡｕ層の積層体からなる支持基板側金属層３、ＡｕとＳｎの合金からなる接合金属層４、ＮｉとＴｉの合金層とＡｕ層の積層体からなるバリア金属層５、Ａｇからなる反射金属層６、Ｐｄからなるオーミック金属層７、ｐ型ＧａＮからなる第２導電型窒化物半導体層１１、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる窒化物半導体蒸発防止層１２、ＩｎＧａＮからなる活性層１３、ｎ型ＧａＮからなる第１導電型窒化物半導体層１４、透明導電膜からなる第１導電層２０、および、Ｔｉ層、Ａｌ層、Ｔｉ層、Ａｕ層がこの順序で積層された積層体からなる第１電極２１がこの順序で形成されている。ここで、導電性支持基板２、支持基板側金属層３、接合金属層４、バリア金属層５、反射金属層６およびオーミック金属層７の積層体から第２導電層１０が形成されている。
また、この窒化物半導体発光素子において、第１導電型窒化物半導体層１４側の第１電極２１と第２導電型窒化物半導体層１１側の第２電極１とは活性層１３を挟んで対向する位置に形成されている。また、第１導電型窒化物半導体層１４の表面および第２導電型窒化物半導体層１１の表面の双方に凹凸が形成されている。
このように、本発明の窒化物半導体発光素子においては、第１導電型窒化物半導体層１４の表面および第２導電型窒化物半導体層１１の表面の双方に凹凸が形成されていることから、活性層１３で発生した光の全反射が抑制されるとともに、その製造過程において活性層に生じる歪みが両側の凹凸によりある程度相殺されるため、従来のように一方の側のみに凹凸を形成した場合と比べて活性層に生じる歪みを低減することができる。したがって、本発明の窒化物半導体発光素子においては、光取り出し効率を向上させることができるとともに活性層の劣化を抑えることができる。
本発明の窒化物半導体発光素子は、たとえば以下のようにして製造することができる。まず、図２の模式的断面図に示すように、サファイア基板からなる基板３０を用意する。次に、図３の模式的断面図に示すように、この基板３０の表面全面に酸化シリコン層および窒化シリコン層の少なくとも一方からなるマスク層３１を積層する。ここで、マスク層３１の厚みは、たとえば、１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲とすることができる。
次いで、図４の模式的断面図に示すように、マスク層３１をストライプ状に除去して、基板３０の表面を露出させる。なお、本発明において、マスク層３１の除去部分の形状および大きさはそれぞれ適宜設定することができる。
続いて、たとえばＲＩＥなどにより基板３０の表面の露出部をエッチングした後にマスク層３１を除去することによって図５の模式的断面図に示すように基板３０の表面に凹凸を形成する。
そして、表面に凹凸が形成された基板３０をたとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置などの気相成長装置内に設置する。引き続いて、気相成長装置内において基板３０の温度をたとえば１１００℃に加熱して基板３０の表面の洗浄を行なった後、図６の模式的断面図に示すように、洗浄後の基板３０の表面にＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバッファ層３２を気相成長により形成する。
続いて、図７の模式的断面図に示すように、バッファ層３２上に第１導電型窒化物半導体層１４を気相成長により形成する。このとき、第１導電型窒化物半導体層１４は基板３０の表面の凹凸の凹部を構成する溝を埋めることなく形成される。
そして、図８の模式的断面図に示すように、第１導電型窒化物半導体層１４の表面上に活性層１３を気相成長により形成する。なお、活性層１３の厚みは、たとえば０．５ｎｍ〜３ｎｍ程度とすることができる。
その後、図９の模式的断面図に示すように、活性層１３上に窒化物半導体蒸発防止層１２および第２導電型窒化物半導体層１１を気相成長によりこの順序で形成する。なお、本発明において、窒化物半導体蒸発防止層１２は特に形成する必要はない。
次いで、図１０の模式的断面図に示すように、第２導電型窒化物半導体層１１の表面に凹凸を形成する。ここで、第２導電型窒化物半導体層１１の表面における凹凸の形成する方法としては、たとえば、第２導電型窒化物半導体層１１の表面にフォトリソグラフィ技術を用いて所定のパターンにマスク層を形成した後にＲＩＥなどによって第２導電型窒化物半導体層１１の表面の一部を除去する方法、または、ウエットエッチングによる方法などを用いることができる。
続いて、図１１の模式的断面図に示すように、第２導電型窒化物半導体層１１の凹凸を有する表面上に、オーミック金属層７、反射金属層６、バリア金属層５および接合金属層４がこの順序で蒸着法などにより形成される。なお、蒸着法としては、ＥＢ（Electron Beam）蒸着法または抵抗加熱蒸着法などを用いることができる。そして、図１２の模式的断面図に示すように、支持基板２の一方の表面上に第２電極１をＥＢ蒸着法などにより形成するとともに支持基板２の他方の表面上に支持基板側金属層３をＥＢ蒸着法などにより形成した積層体の支持基板側金属層３を接合金属層４を挟んでバリア金属層５と対向させる。
そして、図１３の模式的断面図に示すように、共晶接合法により、第２電極１、支持基板２および支持基板側金属層３からなる上記の積層体を接合させる。その後、ＹＡＧ−ＴＨＧ（イットリウムアルミニウムガーネット３次高調波）レーザ光（波長３５５ｎｍ）を基板３０の裏面側から照射することにより、基板３０と接しているバッファ層３２と第１導電型窒化物半導体層１４の一部を熱分解させることによって基板３０を除去する。このとき、第１導電型窒化物半導体層１４の表面に凹凸が形成される。
その後、第１導電型窒化物半導体層１４の凹凸の表面を洗浄した後に第１導電層２０および第１電極２１をこの順序で形成する。そして、レーザ光の照射、ダイサーまたはＲＩＥなどを用いて分割することによって、図１に示す本発明の窒化物半導体発光素子が得られる。
このようにして得られた本発明の窒化物半導体発光素子は、たとえば図１４の模式的側面図に示す発光装置５０に用いることができる。ここで、発光装置５０は、本発明の窒化物半導体発光素子５３がワイヤ５２を介して一対のリードフレーム５１の間に電気的に接続されており、砲弾型の透明樹脂５４によって封止されている構成を有している。
なお、上記において、第１導電型窒化物半導体層１４としてはｎ型ＧａＮが用いられ、活性層１３としてはＩｎＧａＮが用いられ、第２導電型窒化物半導体層１１としてはｐ型ＧａＮが用いられているが、本発明においては、第１導電型窒化物半導体層、活性層および第２導電型窒化物半導体層の材質はこれらに限定されず、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）およびＧａ（ガリウム）からなる群から選択された少なくとも１種の窒化物からなる窒化物半導体を用いることができる。また、第１導電型窒化物半導体層１４および第２導電型窒化物半導体層１１を構成する窒化物半導体にはそれぞれドナー不純物またはアクセプター不純物をドープすることによって、第１導電型窒化物半導体層１４および第２導電型窒化物半導体層１１をそれぞれｎ型の窒化物半導体またはｐ型の窒化物半導体とすることができる。また、上記においては、第１導電型がｎ型となり、第２導電型がｐ型となっているが、本発明においては、第１導電型と第２導電型の導電型が異なっていればよく、第１導電型がｐ型となり、第２導電型がｎ型となっていてもよい。また、ドナー不純物としては、たとえばＳｉ、Ｇｅ（ゲルマニウム）またはＳｅ（セレン）などを用いることができ、アクセプター不純物としては、たとえばＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃ（炭素）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃａ（カルシウム）またはＢａ（バリウム）などを用いることができる。
また、本発明における第１電極および第２電極の材質も上記のものに限定されるものではないことは言うまでもない。
また、本発明において、活性層は単一のバルク活性層で構成することもできるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成するものであってもよい。また、量子井戸構造には、必要に応じて量子井戸を分離するための障壁層を併用することもできる。特に、活性層がＩｎＧａＮ層からなる場合には、製造上、最も製造しやすい構造となり、本発明の窒化物半導体発光素子の特性を向上させることができる。さらに、このＩｎＧａＮ層は窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面上での成長では特に結晶化しやすく、しかも結晶性が良好となることから、本発明の窒化物半導体発光素子の発光効率を向上することができる。
また、上記においては、基板３０の表面上に第１導電型窒化物半導体層１４、活性層１３および第２導電型窒化物半導体層１１を順次積層しているが、ここで、第１導電型窒化物半導体層１４、活性層１３および第２導電型窒化物半導体層１１はそれぞれ基板３０の表面に対して平行であってもよく、傾斜していてもよい。また、基板３０としては、サファイア基板以外にも、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板、ＺｎＳ基板、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ基板、ＬｉＭｇＯ基板、ＧａＡｓ基板、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板またはＩｎＡｌＧａＮ基板などを用いることができる。なお、本発明においては、基板３０の表面に凹凸を形成する必要はない。
また、上記においては、バッファ層３２の材質としてＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎを用いているが、本発明においてはバッファ層の材質は特に限定されず、たとえば、窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムなどを用いることもできる。また、本発明においては、バッファ層の層数も１層に限定されず、２層以上あってもよい。
また、本発明において、バッファ層の形成時の温度は、第１導電型窒化物半導体層の積層時の温度と同一またはそれよりも高いことが好ましい。この場合にはｎ型ＧａＮからなる第１導電型窒化物半導体層１４の結晶性が向上し、その結果、活性層１３の結晶性も向上するため、発光効率が向上する傾向にある。なお、バッファ層の形成時の温度が第１導電型窒化物半導体層の積層時の温度と同一またはそれよりも高いかどうかは、バッファ層の形成時の基板温度と第１導電型窒化物半導体層の積層時の基板温度とを比較することにより確認することができる。
また、本発明において、第１導電層２０および第２導電層１０の構成も上記のものには限定されず、たとえば、窒化物半導体、炭化シリコン、シリコン、酸化亜鉛、ヒ化ガリウムおよびリン化ガリウムの群から選択された少なくとも１種を含む導電性物質を含んでいてもよい。また、本発明において、第１導電層２０、第２導電層１０またはこれらの双方は特に形成されていなくてもよい。
また、本発明において、第１導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成する方法および第２導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成する方法のいずれも上記に限定されるものではないことは言うまでもない。
また、本発明においては、上記のように、第１導電型窒化物半導体層１４の表面の凹凸と第１導電層２０の表面の凹凸とは噛み合わさっていなくてもよいが、噛み合わさっている場合には第１導電型窒化物半導体層１４と第１導電層２０の貼り付け強度が大きくなるとともに、全反射の低減により光取り出し効率の向上も図ることができる点で好ましい。
（実施例１）
まず、基板としてサファイア基板を用意し、このサファイア基板の表面（Ｃ＋面）上に窒化シリコン層からなるマスク層を形成した。次に、フォトリソグラフィ技術とフッ酸エッチャントを用いてマスク層の一部を除去し、サファイア基板の＜１１−２０＞に略平行な幅３μｍ程度のストライプ状のマスク層を残すとともに、幅２μｍのストライプ状にサファイア基板の表面を露出させた。
まず、基板としてサファイア基板を用意し、このサファイア基板の表面（Ｃ＋面）上に窒化シリコン層からなるマスク層を形成した。次に、フォトリソグラフィ技術とフッ酸エッチャントを用いてマスク層の一部を除去し、サファイア基板の＜１１−２０＞に略平行な幅３μｍ程度のストライプ状のマスク層を残すとともに、幅２μｍのストライプ状にサファイア基板の表面を露出させた。
続いて、ＲＩＥにより、サファイア基板の表面の露出部を深さ０．５μｍ程度にエッチングすることによって、サファイア基板の表面に凹凸を形成した。そして、表面に凹凸が形成されたサファイア基板をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、サファイア基板の温度を１１００℃に加熱してサファイア基板の表面の洗浄を行なった。続いて、ＭＯＣＶＤ装置内にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ3およびキャリアガスを導入して、サファイア基板の温度が１０００℃の状態でＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバッファ層を気相成長させた。
その後、サファイア基板の温度を１０００℃に維持した状態で、ＭＯＣＶＤ装置内にＳｉＨ4（モノシラン）、ＴＭＧ、ＮＨ3およびキャリアガスを導入して、ｎ型ＧａＮからなる第１導電型窒化物半導体層をバッファ層上に気相成長させた。このとき、第１導電型窒化物半導体層はサファイア基板の表面の凹凸の凹部を構成する溝を埋めることなく形成された。
続いて、サファイア基板の温度を低下させ、ＭＯＣＶＤ装置内にＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、ＮＨ3およびキャリアガスを導入して、第１導電型窒化物半導体層上にＩｎＧａＮからなる活性層を気相成長させた。ここで、活性層は、活性層から発生する光が波長４５０ｎｍをメインピークとなるように形成された。
その後、再び、サファイア基板の温度を上昇させ、ＭＯＣＶＤ装置内にＣｐ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ3およびキャリアガスを導入して、活性層上にｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる窒化物半導体蒸発防止層を気相成長させた。引き続いて、ＭＯＣＶＤ装置内にＣｐ2Ｍｇ、ＴＭＧ、ＮＨ3およびキャリアガスを導入して、ｐ型ＧａＮからなる第２導電型窒化物半導体層を窒化物半導体蒸発防止層上に気相成長させた。
次いで、ウエットエッチングにより、第２導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成した。ここで、第２導電型窒化物半導体層の表面の凹凸は、一辺が０．１μｍの正方形を底面とし、高さ０．１μｍ程度の四角錘状に形成した。
続いて、第２導電型窒化物半導体層の凹凸の表面上に、厚さ３．５ｎｍのＰｄ層からなるオーミック金属層、厚さ２００ｎｍのＡｇ層からなる反射金属層、厚さ５００ｎｍのＡｕ層およびＮｉとＴｉの厚さ１００ｎｍの合金層からなるバリア金属層、およびＡｕとＳｎの合金層からなる厚さ３μｍの接合金属層がこの順序で蒸着法により形成した。なお、接合金属層においては２０質量％のＳｎが含まれていた。
また、ｐ型のシリコンからなる支持基板の両方の表面上にそれぞれ厚さ５０ｎｍのＴｉ層および厚さ１μｍのＡｕ層を順次ＥＢ蒸着法により形成した。これにより、支持基板の一方の表面上に第２電極が形成され、他方の表面上に支持基板側金属層が形成された積層体を得た。
そして、上記の積層体を接合金属層を挟んでバリア金属層と対向させ、共晶接合法により、上記の積層体を接合させた。ここで、共晶接合法の条件としては、温度３１０℃、圧力３００Ｎ／ｃｍ2であった。
次いで、波長３５５ｎｍのＹＡＧ−ＴＨＧレーザ光をサファイア基板の裏面側から照射することにより、バッファ層と第１導電型窒化物半導体層の一部を熱分解させることによってサファイア基板を除去した。このとき、第１導電型窒化物半導体層の表面に凹凸が形成された。
その後、第１導電型窒化物半導体層の凹凸の表面をＲＩＥ、ウエットエッチングなどにより洗浄した後に、第１導電型窒化物半導体層の凹凸の表面のほぼ全面に厚さ１５０ｎｍの透明導電膜であるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を第１導電層として形成し、この第１導電層上に第１電極としてＴｉ層、Ａｌ層、Ｔｉ層およびＡｕ層をこの順序で蒸着することにより形成した。
そして、上記のようにして得られたウエハの表面を市販の研削／研磨機を用いて、研削および研磨を行ない、その後、ダイサーによって分割することにより、図１に示す構成の実施例１の窒化物半導体発光素子を得た。
このようにして得られた実施例１の窒化物半導体発光素子の内部量子効率を求めた。その結果、実施例１の窒化物半導体発光素子１０個の内部量子効率の平均値は６２％であった。
なお、内部量子効率は、温度１０Ｋの場合と温度３００Ｋの場合のそれぞれの条件下で実施例１の窒化物半導体発光素子にＨｅ−Ｃｄレーザ光を照射して実施例１の窒化物半導体発光素子から発生したＰＬ（Photo Luminescence）光の強度を測定し、以下の式により算出した。
内部量子効率（％）＝１００×（温度３００ＫのときのＰＬ光の強度）／（温度１０ＫのときのＰＬ光の強度）
また、実施例１の窒化物半導体発光素子の第２電極をステム上にＡｇペーストを用いてマウントし、第１電極にワイヤを接続することによって、一対のリードフレームの間に実施例１の窒化物半導体発光素子を電気的に接続した。そして、実施例１の窒化物半導体発光素子を砲弾型の透明樹脂によって封止することによって、図１４に示す構成の発光装置を作製した。
内部量子効率（％）＝１００×（温度３００ＫのときのＰＬ光の強度）／（温度１０ＫのときのＰＬ光の強度）
また、実施例１の窒化物半導体発光素子の第２電極をステム上にＡｇペーストを用いてマウントし、第１電極にワイヤを接続することによって、一対のリードフレームの間に実施例１の窒化物半導体発光素子を電気的に接続した。そして、実施例１の窒化物半導体発光素子を砲弾型の透明樹脂によって封止することによって、図１４に示す構成の発光装置を作製した。
このようにして得られた実施例１の発光装置を用いて電流２０ｍＡにおける全光束測定による光出力と内部量子効率から光取り出し効率を換算した。その結果、実施例１の窒化物半導体発光素子１０個の光取り出し効率の平均値は５９％であった。
なお、サファイア基板の表面（Ｃ＋面）に凹凸を形成することなく第１導電型窒化物半導体層、活性層および第２導電型窒化物半導体層を積層し、サファイア基板を除去した後、レーザ光、ＲＩＥまたはウエットエッチングにより第１導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成した場合でも、上記の実施例１の窒化物半導体発光素子と同様に良好な内部量子効率および光取り出し効率が得られた。
また、サファイア基板の表面（Ｃ＋面）に低温バッファ層を形成し、その後温度を上昇させて１０００℃でシリコンドープのＧａＮ層を形成し、その後、酸化シリコン層または窒化シリコン層をマスク層として１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で形成し、フォトリソグラフィとフッ酸エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口部をマスク層に形成した。そして、第１導電型窒化物半導体層、活性層および第２導電型窒化物半導体層を積層した後にサファイア基板を除去することにより窒化物半導体発光素子を作製した場合でも上記の実施例１の窒化物半導体発光素子と同様に良好な内部量子効率および光取り出し効率が得られた。
また、サファイア基板の＜１−１００＞に略平行な幅３μｍ程度のストライプ状のマスク層を残すとともに幅２μｍのストライプ状にサファイア基板の表面を露出させ、その後、ＲＩＥにより、サファイア基板の表面の露出部を深さ１．０μｍ程度にエッチングしたこと以外は実施例１と同一の方法で窒化物半導体発光素子を作製した。このように作製した場合にも、実施例１の窒化物半導体発光素子と同様に良好な内部量子効率および光取り出し効率を有する窒化物半導体ＬＥＤ素子が得られる。ここで、＜１−１００＞は、＜１１−２０＞に比べて窒化物半導体により埋まりやすい溝の方向であるため、サファイア基板の表面の凹部の深さを１．０μｍ程度と深くして溝が埋まりきらないようにしている。また、＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向のいずれの溝を形成した場合でも、溝が埋まりきったときにも本発明の効果は発現するが、溝が埋まりきらないときの方がサファイア基板と窒化物半導体との分離が容易となるため好ましい。
また、支持基板の材質を、Ｇｅ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓまたはＧａＰからなる導電性物質とした場合にも、上記の実施例１の窒化物半導体発光素子と同様に、内部量子効率および光取り出し効率の上昇の効果が確認された。
（比較例１）
ｐ型ＧａＮからなる第２導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして窒化物半導体発光素子を作製した。これにより、ｎ型ＧａＮからなる第２導電型窒化物半導体層の表面のみに凹凸が形成された図１５に示す構成の比較例１の窒化物半導体発光素子を得た。
ｐ型ＧａＮからなる第２導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして窒化物半導体発光素子を作製した。これにより、ｎ型ＧａＮからなる第２導電型窒化物半導体層の表面のみに凹凸が形成された図１５に示す構成の比較例１の窒化物半導体発光素子を得た。
そして、比較例１の窒化物半導体発光素子について、実施例１と同様にして内部量子効率を求めたところ、比較例１の窒化物半導体発光素子１０個の内部量子効率の平均値は４５％であった。
この結果から明らかなように、実施例１の窒化物半導体発光素子の内部量子効率は比較例１の窒化物半導体発光素子と比べて向上していた。これは、実施例１の窒化物半導体発光素子においては、第１導電型窒化物半導体層の表面および第２導電型窒化物半導体層の表面の双方に凹凸が形成されていることにより、加熱、研削または研磨などの工程において活性層に生じる歪みが両側の凹凸によりある程度相殺されて活性層に転位などの欠陥が形成されにくくなり、活性層の劣化を抑制できているものと考えられる。
また、実施例１の窒化物半導体発光素子の代わりに比較例１の窒化物半導体発光素子を用いたこと以外は実施例１と同様にして発光装置を作製した。このようにして作製された比較例１の発光装置について、実施例１と同様にして光取り出し効率を算出した。その結果、比較例１の窒化物半導体発光素子１０個の光取り出し効率の平均値は４１％であった。
この結果から明らかなように、実施例１の窒化物半導体発光素子の光取り出し効率は比較例１の窒化物半導体発光素子と比べて向上していた。これは、第１導電型窒化物半導体層の表面および第２導電型窒化物半導体層の表面の双方に凹凸が形成されていることから、活性層で発生した光の全反射が抑制されたことによるものであると考えられる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明によれば、活性層の劣化を抑えることができ、光取り出し効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子の製造方法および窒化物半導体発光素子を提供することができる。
１ 第２電極、２ 支持基板、３ 支持基板側金属層、４ 接合金属層、５ バリア金属層、６ 反射金属層、７ オーミック金属層、１０ 第２導電層、１１ 第２導電型窒化物半導体層、１２ 窒化物半導体蒸発防止層、１３ 活性層、１４ 第１導電型窒化物半導体層、２０ 第１導電層、２１ 第１電極、５０ 発光装置、５１ リードフレーム、５２ ワイヤ、５３ 窒化物半導体発光素子、５４ 透明樹脂、１０１ ｐ電極、１０２ ｐ型Ｓｉ支持基板、１０３ 金属層、１０４ Ａｕ−Ｓｎ接合金属層、１０５ バリア金属層、１０６ 反射金属層、１０７ ｐ型ＧａＮ側オーミック層、１１１ ｐ型ＧａＮ層、１１２ ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層、１１３ ＩｎＧａＮ活性層、１１４ ｎ型ＧａＮ層、１２０ 透明導電膜、１２１ ｎ電極。
Claims (11)
- 第１導電型窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型窒化物半導体層と、がこの順序で積層されている窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、
第１導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成する工程と、第２導電型窒化物半導体層の表面に凹凸を形成する工程と、第１導電型窒化物半導体層側の第１電極と第２導電型窒化物半導体層側の第２電極とを活性層を挟んで対向する位置にそれぞれ形成する工程と、を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記第１導電型窒化物半導体層と前記第１電極との間および前記第２導電型窒化物半導体層と前記第２電極との間の少なくとも一方に導電層を設置することを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記導電層は、窒化物半導体、炭化シリコン、シリコン、酸化亜鉛、ヒ化ガリウムおよびリン化ガリウムの群から選択された少なくとも１種を含む導電性物質を含むことを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記導電層の表面に凹凸が形成されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記第１導電型窒化物半導体層の表面の凹凸または前記第２導電型窒化物半導体層の表面の凹凸と前記導電層の表面の凹凸とが噛み合わさっていることを特徴とする、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 凹凸を有する基板の表面上に前記第１導電型窒化物半導体層、前記活性層および前記第２導電型窒化物半導体層をこの順序で積層した後に前記基板を除去することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板の表面の凹凸は、前記基板の表面上に酸化シリコン層および窒化シリコン層の少なくとも一方からなるマスク層を積層した後に前記マスク層の一部を除去して、前記マスク層の除去部分から前記基板の表面を露出させ、その後、前記基板の表面の露出部を除去することにより形成されることを特徴とする、請求項６に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板の凹凸を有する表面上にバッファ層が形成された後に前記第１導電型窒化物半導体層、前記活性層および前記第２導電型窒化物半導体層を積層す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。
- 前記バッファ層の形成時の温度は、前記第１導電型窒化物半導体層の積層時の温度と同一またはそれよりも高いことを特徴とする、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記第１導電型はｎ型であって、前記第２導電型はｐ型であることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 第１導電型窒化物半導体層と、活性層と、第２導電型窒化物半導体層と、がこの順序で積層されている窒化物半導体発光素子であって、
前記第１導電型窒化物半導体層側の第１電極と前記第２導電型窒化物半導体層側の第２電極とは前記活性層を挟んで対向する位置に形成されており、
前記第１導電型窒化物半導体層の表面および前記第２導電型窒化物半導体層の表面の双
方に凹凸が形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
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