JP2008060493A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度化を図るのに適した半導体発光装置およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】基板１と、基板１に配置されており、それぞれがｎ型半導体層２２、活性層２３、およびｐ型半導体層２４が積層された複数の半導体発光素子２と、を備えた半導体発光装置Ａであって、各半導体発光素子２は、基板１の厚さ方向に起立する側面２ａによって規定された形状とされており、ｎ型半導体層２２、活性層２３、およびｐ型半導体層２４は、その結晶構造が六方晶であり、側面２ａは、ｎ型半導体層２２、活性層２３、およびｐ型半導体層２４のＭ面と平行とされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光装置およびその製造方法に関する。

図１０は、従来の半導体発光装置の一例を示している（たとえば、特許文献１参照）。同図に示された半導体発光装置Ｘは、基板９１と、基板９１上にマトリクス状に配置された複数の半導体発光素子９２とを備えている。半導体発光素子９２は、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層が積層された構造とされている。複数の半導体発光素子９２は、たとえば基板９１を覆うように、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を形成した後に、これらの層に対してドライエッチングを施すことにより形成される。複数の半導体素子９２は、配線９３によって、たとえば直列に接続されている。半導体発光装置Ｘは、複数の半導体発光素子９２を発光させることにより、面発光が可能とされている。

しかしながら、半導体発光装置Ｘの輝度を高めるためには、複数の半導体発光素子９２をより高密度に配置する必要がある。このためには、隣り合う半導体発光素子９２どうしをより近づけることが求められる。すると、隣り合う半導体発光素子９２どうしを区画する溝９４は、より狭幅となり、より深いものとなる。溝９４が狭く深い溝であるほど、ドライエッチングによる形成不良が生じやすい。この形成不良により、隣り合う半導体発光素子９２どうしが不当に導通するなどの不具合を生じることがあった。

特開２００２−９４１０８号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、高輝度化を図るのに適した半導体発光装置およびその製造方法を提供することをその課題とする。

本発明の第１の側面によって提供される半導体発光装置は、基板と、上記基板上に配置されており、それぞれがｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層が積層された構造とされた複数の半導体発光素子と、を備えた半導体発光装置であって、上記各半導体発光素子は、基板の厚さ方向に起立する面によって規定された形状とされており、上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層は、その結晶構造が六方晶であり、上記起立する面は、上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層のＭ面と平行とされていることを特徴としている。

このような構成によれば、上記半導体発光素子は、Ｍ面に平行な面によって規定されているため、クラックの発生を抑制することが可能であり、侵食を受けにくい。これにより、隣り合う上記半導体発光素子どうしをより近づけることが可能である。したがって、上記複数の半導体発光素子をより高密度に配置することが可能であり、上記半導体発光装置の高輝度化を図ることができる。

本発明の第２の側面によって提供される半導体発光装置の製造方法は、基板に、それぞれの結晶構造が六方晶であるｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を形成する工程と、ドライエッチングを用いて上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層を貫通する溝を形成することにより、上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層を、上記基板の厚さ方向に起立し、かつ上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層のＭ面に平行な面で規定された形状とされた複数の部分に分割する工程と、上記溝に対してウエットエッチングを施す工程と、を有することを特徴としている。

このような構成によれば、上記溝を、より狭幅に、かつより深さが深いものとして仕上げることが可能である。これにより、上記複数の半導体発光素子どうしを接近させることができる。したがって、上記複数の半導体発光素子をより高密度に配置することが可能であり、上記半導体発光装置の高輝度化を図ることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記ウエットエッチングにおいては、ＫＯＨ水溶液、または溶融したＫＯＨを用いる。このような構成によれば、上記ドライエッチングを施した後に、上記溝の底部などに除去されない微小な半導体層の部分が残存しても、上記ウエットエッチングによって上記残存した部分を適切に除去することが可能である。したがって、たとえば隣り合う上記複数の半導体発光素子どうしが不当に導通してしまうことを防止することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明に係る半導体発光装置の一例を示している。本実施形態の半導体発光装置Ａは、基板１、複数の半導体発光素子２、絶縁層４、および複数の配線５を備えており、面発光が可能な照明装置として構成されている。なお、図１においては、理解の便宜上、絶縁層４、複数の配線５、および後述するバッファ層２１を省略している。

基板１は、たとえばサファイア製であり、複数の半導体発光素子２を支持するためのものである。基板１は、その厚さがたとえば３５０μｍ程度とされている。

複数の半導体発光素子２は、基板１上にマトリクス状に配置されており、それぞれが基板１の厚さ方向に光を照射可能に構成されている。半導体発光素子２は、図２に示すように、バッファ層２１、ｎ−ＧａＮ層２２、活性層２３、ｐ−ＧａＮ層２４、ｎ側電極２５、およびｐ側電極２６を備えている。

ｎ−ＧａＮ層２２は、ＧａＮにＳｉがドープされた層であり、本発明で言うｎ型半導体層の一例である。本実施形態においては、ｎ−ＧａＮ層２は、その厚さが２６０μｍ程度とされている。基板１とｎ−ＧａＮ層２２との間には、バッファ層２１が形成されている。バッファ層２１は、基板１とｎ−ＧａＮ層２２との格子歪みを緩和するためのものである。

活性層２３は、ＭＱＷ構造とされた層であり、ｐ側電極２６を介して供給される正孔とｎ側電極２５から供給される電子とが再結合することにより発せられる光を増幅させるための層である。活性層２３は、たとえば複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮ層とが交互に積層されており、たとえば青色光や緑色光を発するように構成されている。上記ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成比がたとえば１５％程度とされることにより、ｎ−ＧａＮ層２２よりもバンドギャップが小とされており、活性層２３の井戸層を構成している。上記ＧａＮ層は、活性層２３のバリア層を形成している。本実施形態においては、活性層２３は、たとえば上記複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮ層とが３〜７層ずつ積層されており、その厚さが５０〜１５０ｎｍ程度とされている。活性層２３とｎ−ＧａＮ層２２との間には、超格子層を設けてもよい。

ｐ−ＧａＮ層２４は、ＧａＮにＭｇがドープされたことによりいわゆるｐ型半導体層とされており、本発明で言うｐ型半導体層の一例である。本実施形態においては、ｐ−ＧａＮ層２４は、その厚さが５０００Å程度とされている。

ｎ−ＧａＮ層２２のうち薄肉とされた部分には、ｎ側電極２５が形成されている。また、ｐ−ＧａＮ層２４上には、ｐ側電極２６が形成されている。ｐ−ＧａＮ層２４の上面がＩＴＯまたはＮｉＡｕ薄膜からなる透明電極で覆われた構成としてもよい。

ｎ−ＧａＮ層２２、活性層２３、およびｐ−ＧａＮ層２４は、いずれもその結晶構造が六方晶とされている。そして、図１に示すように、各半導体発光素子２は、基板１の厚さ方向視において正六角形状とされている。この六角形状は、側面２ａによって規定されている。側面２ａは、ｎ−ＧａＮ層２２、活性層２３、およびｐ−ＧａＮ層２４のＭ面と平行とされている。図中の方向Ｍは、Ｍ面が広がる方向を示している。ｎ−ＧａＮ層２２およびｐ−ＧａＮ層２４のうち基板１の表面の法線方向を向く面は、いずれもＣ面となっている。

図２に示すように、絶縁層４は、たとえばＳｉＯ_２などの絶縁体からなり、複数の半導体発光素子２を覆っている。絶縁層４には、複数の孔が形成されている。これらの孔は、ｎ側電極２５およびｐ側電極２６に通じている。

複数の配線５は、隣り合う半導体発光素子２どうしをたとえば直列に接続するためのものである。各配線５は、絶縁層４に形成された複数の孔を利用して、一方の半導体発光素子２のｎ側電極２５と他方の半導体発光素子２のｐ側電極２６とを導通させている。

次に、半導体発光装置Ａの製造方法について、図３〜図９を参照しつつ以下に説明する。

まず、図３に示すように、基板１を用意する。そして、基板１のＣ面に、バッファ層２１Ａ、ｎ−ＧａＮ層２２Ａ、活性層２３Ａ、およびｐ−ＧａＮ層２４Ａを積層させる。バッファ層２１Ａ、ｎ−ＧａＮ層２２Ａ、活性層２３Ａ、およびｐ−ＧａＮ層２４Ａのそれぞれの層を成長させるには、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いる。

次いで、図４に示すように、バッファ層２１Ａ、ｎ−ＧａＮ層２２Ａ、活性層２３Ａ、およびｐ−ＧａＮ層２４Ａに対して、たとえばフォトリソグラフィの手法によって残存させるべき箇所をマスクした状態でドライエッチングを施す。ドライエッチングの条件としては、たとえばＣｌ_２ガスおよびＳｉＣｌ_４ガスを用い、プラズマ電力３００Ｗ、バイアス電力２００Ｗ、圧力０．６Ｐａとする。このドライエッチングにより、基板１に達する深さの溝３を形成する。溝３によって、バッファ層２１Ａ、ｎ−ＧａＮ層２２Ａ、活性層２３Ａ、およびｐ−ＧａＮ層２４Ａは、複数のバッファ層２１、ｎ−ＧａＮ層２２、活性層２３、およびｐ−ＧａＮ層２４に分割される。溝３の幅が狭く、深さが深いほど、溝３の底部に非除去部２７が残存する場合が多い。非除去部２７は、ドライエッチングによって除去されなかった微小な半導体である。

図５に示すように、溝３は、バッファ層２１、ｎ−ＧａＮ層２２、活性層２３、およびｐ−ＧａＮ層２４を、それぞれが正六角形状である複数の部分に分割するような形状とする。この際に形成される側面２ａを、いずれもｎ−ＧａＮ層２２、活性層２３、およびｐ−ＧａＮ層２４のＭ面と平行とする。なお、図５において、基板１を省略している。

ついで、図６に示すように、溝３に対してウエットエッチングを施す。このウエットエッチングは、たとえばＫＯＨ水溶液を用いて、紫外線を照射しながら行う。あるいは、ＫＯＨ水溶液に代えて、４００℃以上の雰囲気温度によって溶融したＫＯＨを用いてもよい。このウエットエッチングにおいては、側面２ａは、六方晶のＭ面であるため、ＫＯＨ水溶液または溶融ＫＯＨによって比較的侵食されにくい。また、ｐ−ＧａＮ層２４の上面は、六方晶のＣ面であるため、Ｍ面ほどではないが、比較的侵食されにくい。一方、図４に示す非除去部２７は、その表面が不特定な方向を向く面であるため、容易に侵食される。したがって、非除去部２７を適切に除去することができる。

図７および図８は、Ｍ面とＡ面との侵食の違いを表す試験結果である。図７は、ある半導体層にドライエッチングによって溝を形成したものである。この溝は、Ｍ面に平行とされた側面Ｆｍと、Ａ面と平行とされた側面Ｆａとを有している。この半導体層に紫外線を照射しながら溶融ＫＯＨによってウエットエッチングしたものが、図８に示されている。本図によく表れているように、側面Ｆｍは、その形状が明瞭なままとされている。これに対し、側面Ｆａは、微細な凹凸が生じており、その形状が不明瞭となっている。

次いで、図９に示すように、ｐ−ＧａＮ層２４から、活性層２３を超えて、ｎ−ＧａＮ層２２に達する深さまで、ドライエッチングを行う。この後に、ｎ側電極２５、およびｐ側電極２６を形成することにより、複数の半導体発光素子２を形成する。そして、複数の半導体発光素子２を覆い、かつ、溝３を埋めるように、絶縁層４を形成する。この絶縁層４にｎ側電極２５およびｐ側電極２６に通ずる複数の孔を形成した後に、複数の配線５を形成する。以上の工程を経ることにより、図１および図２に示す半導体発光装置Ａが得られる。

次に、半導体発光装置Ａおよびその製造方法の作用について説明する。

本実施形態によれば、側面２ａを、クラックが生じにくく、侵食されにくい面とすることができる。このため、溝３の幅をより狭く、深さをより深くすることが可能である。したがって、複数の半導体発光素子２をより高密度に配置することが可能であり、半導体発光装置Ａの高輝度化を図ることができる。

半導体発光装置Ａの製造工程においては、溝３を幅が狭く、深さが深いものに仕上げようとするほど、ドライエッチングを施しても図４に示す非除去部２７が残存しやすくなる。ドライエッチングの後に、紫外線を照射しながらＫＯＨ水溶液または溶融ＫＯＨを用いてウエットエッチングすることにより、非除去部２７を適切に除去することが可能である。したがって、隣り合う半導体発光素子２どうしが、非除去部２７によって不当に導通してしまうことを回避することができる。また、側面２ａは、Ｍ面と平行とされているため、図７および図８に示した試験結果から理解されるように、ＫＯＨ水溶液または溶融ＫＯＨを用いたウエットエッチングによっては、ほとんど侵食されない。したがって、ウエットエッチングによって溝３が不当に広幅となったり、側面２ａが不明瞭な形状となったりすることを防止することができる。

本発明に係る半導体発光装置およびその製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体発光装置およびその製造方法の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明で言う半導体発光素子は、その形状を規定する面がＭ面と平行であればよい。したがって、上記半導体発光素子の形状は、上述した実施形態における正六角形に限定されず、正三角形、平行四辺形などであってもよい。ウエットエッチングには、ＫＯＨ水溶液および溶融ＫＯＨのほかに、たとえばＮａＯＨ水溶液などを用いることができる。

本発明に係る半導体発光装置の一例を示す要部斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部断面図である。 本発明の半導体発光装置の製造方法の一例において、基板上に半導体層を積層させる工程を示す要部断面図である。 本発明の半導体発光装置の製造方法の一例において、半導体層にドライエッチングを施す工程を示す要部断面図である。 本発明の半導体発光装置の製造方法の一例において、半導体層にドライエッチングを施す工程を示す要部平面図である。 本発明の半導体発光装置の製造方法の一例において、半導体層にウエットエッチングを施す工程を示す要部断面図である。 半導体層に対してドライエッチングを施すことにより形成された溝の例を示す写真である。 図７に示された溝に対してウエットエッチングを施した状態を示す写真である。 本発明の半導体発光装置の製造方法の一例において、半導体層にドライエッチングを施す工程を示す要部断面図である。 従来の半導体発光装置の一例を示す要部平面図である。

符号の説明

Ａ 半導体発光装置
１ 基板
２ 半導体発光素子
２ａ 側面
３ 溝
４ 絶縁層
５ 配線
２１，２１Ａ バッファ層
２２，２２Ａ ｎ−ＧａＮ層（ｎ型半導体層）
２３，２３Ａ 活性層
２４，２４Ａ ｐ−ＧａＮ層（ｐ型半導体層）
２５ ｎ側電極
２６ ｐ側電極

Claims (3)

1. 基板と、
   上記基板上に配置されており、それぞれがｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層が積層された構造とされた複数の半導体発光素子と、
   を備えた半導体発光装置であって、
   上記各半導体発光素子は、基板の厚さ方向に起立する面によって規定された形状とされており、
   上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層は、その結晶構造が六方晶であり、
   上記起立する面は、上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層のＭ面と平行とされていることを特徴とする、半導体発光装置。
2. 基板に、それぞれの結晶構造が六方晶であるｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を形成する工程と、
   ドライエッチングを用いて上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層を貫通する溝を形成することにより、上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層を、上記基板の厚さ方向に起立し、かつ上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層のＭ面に平行な面で規定された形状とされた複数の部分に分割する工程と、
   上記溝に対してウエットエッチングを施す工程と、
   を有することを特徴とする、半導体発光装置の製造方法。
3. 上記ウエットエッチングにおいては、ＫＯＨ水溶液、または溶融したＫＯＨを用いる、請求項２に記載の半導体発光装置の製造方法。