JP2008078357A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子から発せられる緑色光の彩度を高めることが可能な半導体発光素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】基板１と、この基板１上に積層されたｐ−ＧａＮ層２、活性層４、およびｎ−ＧａＮ層５とを備える半導体発光素子の製造方法であって、基板１にｐ−ＧａＮ層２を形成する工程と、ｐ−ＧａＮ層２を、開口３ａを有する被膜３によって覆う工程と、ｐ−ＧａＮ層２のうち開口３ａから露出した部分に活性層４およびｎ−ＧａＮ層５を順に積層させる工程と、被膜３を除去する工程と、を有する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体発光素子の製造方法に関し、半導体発光素子から発せられる緑色光の彩度を高めるのに適した半導体発光素子の製造方法に関する。

ＬＥＤや半導体レーザなどの半導体発光素子は、省電力かつ高輝度な光源として広く用いられている。近年では、青色光や緑色光を発光可能な半導体発光素子が提案されている。図１２は、このような半導体発光素子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素子Ｘは、基板９１上に、バッファ層９１ａ、ｎ−ＧａＮ層９２、活性層９３、およびｐ−ＧａＮ層９４が順に積層された構造とされている。ｎ−ＧａＮ層９２およびｐ−ＧａＮ層９４には、電源供給のためのｎ側電極９５およびｐ側電極９６が形成されている。活性層９３は、井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸（Multiple Quantum Well:ＭＱＷ）構造とされている。活性層９３から緑色光を発光可能とする手段として、上記井戸層はＩｎの組成比が比較的高いＩｎＧａＮによって形成されている。

しかしながら、半導体発光素子Ｘの製造工程においては、活性層９３を形成した後にｐ−ＧａＮ層９４を形成する。たとえばＭＯＣＶＤ法によってｐ−ＧａＮ層９４を形成するときの成膜温度は、１，０００℃以上と比較的高温である。このため、活性層９３の上記井戸層に含まれるＩｎが昇華してしまうおそれがある。上記井戸層のＩｎの組成比が減少すると、活性層９３から十分に彩度が高い緑色光を発光することが阻害されるという問題があった。また、ｎ側電極９５は、ｎ−ＧａＮ層９２に対してエッチングを施した後に、このエッチングが施された面に形成される。エッチングが施された面は、荒れた状態となっており、ｎ側電極９５との接触状態を良好なオーミックコンタクトとすることが困難であった。

特開２００４−２５３８１９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、半導体発光素子から発せられる緑色光の彩度を高めるのに適した半導体発光素子の製造方法を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される半導体発光素子の製造方法は、基板と、この基板上に積層されたｐ型半導体層、活性層、およびｎ型半導体層とを備える半導体発光素子の製造方法であって、上記基板に上記ｐ型半導体層を形成する工程と、上記ｐ型半導体層を、開口を有する被膜によって覆う工程と、上記ｐ型半導体層のうち上記開口から露出した部分に上記活性層および上記ｎ型半導体層を順に積層させる工程と、上記被膜を除去する工程と、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、上記活性層を形成する前に上記ｐ型半導体層を形成する。上記ｐ型半導体層を一般的な形成手法であるＭＯＣＶＤ法を用いて形成する場合、その成膜温度は１，０００℃以上となる。しかし、上記活性層は、このような比較的高温である成膜温度にはさらされない。また、上記活性層を形成した後に上記ｎ型半導体層を形成する際には、成膜温度を９００℃以下とすることが可能である。したがって、上記活性層からＩｎが昇華することを防止可能であり、上記半導体発光素子から発せられる緑色光の彩度を高めることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記被膜を除去する工程の後に、上記ｐ型半導体層のうち上記被膜で覆われていた部分にｐ側電極を形成する工程をさらに有する。このような構成によれば、上記ｐ型半導体層のうち上記ｐ側電極を形成する部分は、上記活性層および上記ｎ型半導体層を形成する工程によって荒らされることがない。したがって、上記ｐ側電極と上記ｐ型半導体層との接触状態を良好なオーミックコンタクトとすることが可能であり、上記半導体発光素子の順方向電圧を低下させることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記被膜によって覆う工程の前に、上記ｐ型半導体層にｐ側電極を形成する工程をさらに有し、上記被膜によって覆う工程においては、上記被膜によって上記ｐ型半導体層および上記ｐ側電極を覆う。このような構成によっても上記ｐ側電極と上記ｐ型半導体層との接触状態を良好なオーミックコンタクトとすることが可能であり、上記半導体発光素子の順方向電圧を低下させることができる。

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〜図６は、本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第１実施形態を示している。まず、図１に示すように、基板１を用意する。基板１は、たとえばサファイア製であり、その厚さがたとえば３００μｍ程度とされている。この基板１上に、バッファ層１１、アンドープＧａＮ層１２、およびｐ−ＧａＮ層２をたとえばＭＯＣＶＤ法を用いて積層させる。バッファ層１１は、たとえばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等によって形成し、その厚さをたとえば０．０１μｍ程度とする。アンドープＧａＮ層１２は、不純物がドープされていないＧａＮによって形成し、その厚さをたとえば０．５μｍ程度とする。ｐ−ＧａＮ層２の形成は、たとえば成膜温度を１，０００℃以上とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧ）ガスとｐ型のドーパントであるＭｇのドープを行うためのＣｐ₂Ｍｇガスとを同時に供給することにより行う。ｐ−ＧａＮ層２の厚さは、たとえば３．０μｍ程度とする。

次に、図２および図３に示すように、被膜３を形成する。被膜３を形成するには、まずＳｉＯ₂を用いたスパッタリングによって、ｐ−ＧａＮ層２を覆うＳｉＯ₂膜を形成する。そして、このＳｉＯ₂膜に対してフォトリソグラフィの手法を用いたエッチングを施すことにより、開口３ａを形成する。開口３ａのサイズは、たとえば１５０μｍ×１３０μｍ程度とする。被膜３は、ｐ−ＧａＮ層２のうちｐ側電極６が形成される予定の部分を覆っている。被膜３を形成する別の手法としては、レジストを用いたリフトオフ法によるものが挙げられる。この手法においては、まず、ｐ−ＧａＮ層２のうち開口３ａから露出させる部分をレジストによって覆う。そして、このレジストおよびｐ−ＧａＮ層２を覆うようにＳｉＯ₂膜を形成した後に、上記レジストとＳｉＯ₂膜のうち上記レジストを覆う部分とを一括して剥離させる。被膜３の材質としては、剥離することが容易な絶縁材料が好ましく、ＳｉＯ₂のほかにＳｉＮを用いてもよい。

次に、図４に示すように、活性層４およびｎ−ＧａＮ層５を形成する。活性層４およびｎ−ＧａＮ層５の形成は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いてｐ−ＧａＮ層２のうち開口３ａから露出した部分に対して行う。活性層４の形成においては、たとえば井戸層としてのＩｎＧａＮ層とバリア層としてのＧａＮ層との形成を交互に行う。それぞれの層を３〜７層程度形成することにより、ＭＱＷ構造を有する活性層４が得られる。ｎ−ＧａＮ層５を形成するには、成膜温度を９００℃以下、たとえば８００℃程度とした状態で、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガス、Ｎ₂ガス、およびＴＭＧガスを上記成膜室内に供給する。この際、ｎ型のドーパントであるＳｉのドープを行うためにＳｉＨ₄ガスを同時に供給する。被膜３はＳｉＯ₂からなるため、被膜３上に活性層４およびｎ−ＧａＮ層５が結晶成長することはない。活性層４およびｎ−ＧａＮ層５の厚さは、たとえばそれぞれ０．１μｍおよび０．５μｍ程度とする。

次に、図５に示すように、被膜３を除去する。被膜３を除去するには、たとえばフッ酸を用いたエッチングを行う。

次に、図６に示すように、ｐ側電極６およびｎ側電極７を形成する。ｐ側電極６を形成する場所は、図３に示すように、被膜３によって覆われていた場所とする。ｐ側電極６の形成は、たとえばｐ−ＧａＮ層２上に形成したＡｕ／Ｎｉ膜に対してパターニングを施すことによって行う。ｎ側電極７の形成は、たとえば、ｎ−ＧａＮ層５上に形成したＡｌ／Ｎｉ膜に対してパターニングを施すことによって行う。以上の工程を経ることにより、図示された半導体発光素子Ａが得られる。半導体発光素子Ａは、ｐ側電極６から注入された正孔とｎ側電極７から注入された電子とが活性層４において再結合することにより、活性層４から図中上方向に向けて光を出射するように構成されている。活性層４を構成する上記井戸層におけるＩｎの組成比を高めることにより、半導体発光素子Ａは、彩度が高い緑色光を出射可能とされている。

次に、本実施形態の半導体発光素子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、活性層４を形成する前にｐ−ＧａＮ層２を形成し、活性層４を形成した後にｎ−ＧａＮ層５を形成する。ｐ−ＧａＮ層２をＭＯＣＶＤ法によって形成するには、成膜温度を１，０００℃以上とする必要がある。一方、ｎ−ＧａＮ層５を形成する場合、成膜温度を９００℃以下とすることが可能である。これにより、活性層４は１，０００℃以上の比較的高温である成膜温度にさらされることがない。したがって、活性層４の井戸層からＩｎが昇華してしまうことを適切に防止可能であり、活性層４から発せられる緑色光の彩度を高めることができる。

活性層４およびｎ−ＧａＮ層５を平面視矩形状に仕上げるには、あらかじめ矩形状に形成した開口３ａを利用する。このため、活性層４およびｎ−ＧａＮ層５を整形するためのエッチングなどを施さない。しかも、ｐ−ＧａＮ層２のうちｐ側電極６が形成される部分は、活性層４およびｎ−ＧａＮ層５を形成する工程において被膜３に覆われていた部分である。したがって、ｐ−ＧａＮ層２のうち比較的表面が荒らされていない部分にｐ側電極６を形成することにより、ｐ側電極６とｐ−ＧａＮ層２との接触状態を良好なオーミックコンタクトとすることができる。これは、半導体発光素子Ａの順方向電圧を低下させるのに有利である。

図７は、本実施形態によって形成した半導体発光素子Ａと、比較例としての図１２に示す半導体発光素子Ｘとの順方向電圧−電流特性を示すグラフである。グラフＧ_Aは、半導体発光素子Ａの順方向電圧−電流特性を示しており、グラフＧ_Xは、半導体発光素子Ｘの順方向電圧−電流特性を示している。本図から理解されるように、ある大きさの電流Ｉｆを得るために半導体発光素子Ａに印加する電圧Ｖｆは、同じ大きさの電流Ｉｆを得るために半導体発光素子Ｘに印加する電圧Ｖｆの概ね半分以下となっている。

図８〜図１１は、本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第２実施形態を示している。なお、これらの図において、上記第１実施形態と同一または類似の要素には、上記第１実施形態と同一の符号を付しており、上記第１実施形態と同様の材質を用いて同様の手法によって形成する。

本実施形態においては、まず図８に示すように、基板１にバッファ層１１、アンドープＧａＮ層１２およびｐ−ＧａＮ層２をＭＯＣＶＤ法を用いて積層させた後に、ｐ側電極６を形成する。

次に、図９に示すように、被膜３を形成する。被膜３は、ｐ側電極６を覆うものとする。また、被膜３には、ｐ側電極６を覆う部分から離れた位置に開口３ａを形成する。

次に、図１０に示すように、ｐ−ＧａＮ層２のうち開口３ａから露出した部分に、活性層４およびｎ−ＧａＮ層５をＭＯＣＶＤ法を用いて積層する。

次に、図１１に示すように、被膜３をたとえばフッ酸を用いたエッチングによって除去する。この後は、ｎ側電極７を形成することにより、図６に示した半導体発光素子Ａを形成することができる。

本実施形態によっても、活性層４が１，０００℃以上の比較的高温である成膜温度にさらされることを防止可能であり、半導体発光素子Ａから発せられる緑色光の彩度を高めることができる。また、活性層４およびｎ−ＧａＮ層５を形成する前に、エッチングなどが施されていない状態のｐ−ＧａＮ層２にｐ側電極６を形成する。これにより、ｐ側電極６とｐ−ＧａＮ層２との接触状態を良好なオーミックコンタクトとすることが可能であり、半導体発光素子Ａの順方向電圧を低下させることができる。

本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、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素子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。

本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第１実施形態において、ｐ−ＧａＮ層を形成する工程を示す要部断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第１実施形態において、ｐ−ＧａＮ層を被膜によって覆う工程を示す要部断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第１実施形態において、ｐ−ＧａＮ層を被膜によって覆う工程を示す要部平面図である。 本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第１実施形態において、活性層およびｎ−ＧａＮ層を形成する工程を示す要部断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第１実施形態において、被膜を除去する工程を示す要部断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第１実施形態において、ｐ側電極およびｎ側電極を形成する工程を示す要部断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第１実施形態によって製造した半導体発光素子の順方向電圧−電流特性を示すグラフである。 本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第２実施形態において、ｐ側電極を形成する工程を示す要部断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第２実施形態において、ｐ−ＧａＮ層およびｐ側電極を被膜によって覆う工程を示す要部断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第２実施形態において、活性層およびｎ−ＧａＮ層を形成する工程を示す要部断面図である。 本発明に係る半導体発光素子の製造方法の第２実施形態において、被膜を除去する工程を示す要部断面図である。 従来の製造方法によって製造された半導体発光素子の一例を示す要部断面図である。

符号の説明

Ａ 半導体発光素子
１ 基板
２ ｐ−ＧａＮ層（ｐ型半導体層）
３ 被膜
３ａ 開口
４ 活性層
５ ｎ−ＧａＮ層（ｎ型半導体層）
６ ｐ側電極
７ ｎ側電極
１１ バッファ層
１２ アンドープＧａＮ層

Claims (3)

1. 基板と、この基板上に積層されたｐ型半導体層、活性層、およびｎ型半導体層とを備える半導体発光素子の製造方法であって、
   上記基板に上記ｐ型半導体層を形成する工程と、
   上記ｐ型半導体層を、開口を有する被膜によって覆う工程と、
   上記ｐ型半導体層のうち上記開口から露出した部分に上記活性層および上記ｎ型半導体層を順に積層させる工程と、
   上記被膜を除去する工程と、
   を有することを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。
2. 上記被膜を除去する工程の後に、
   上記ｐ型半導体層のうち上記被膜で覆われていた部分にｐ側電極を形成する工程をさらに有する、請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 上記被膜によって覆う工程の前に、
   上記ｐ型半導体層にｐ側電極を形成する工程をさらに有し、
   上記被膜によって覆う工程においては、上記被膜によって上記ｐ型半導体層および上記ｐ側電極を覆う、請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。

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