JP2009038377A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】突起の側面方向の制約を解消しながらも、結晶性に優れ、突起を有する基板に対してスクライビングラインがなす角度を調節することによって外部量子効率を上げ、窒化物半導体の成長のための空間を基板上に十分に確保する。
【解決手段】電子と正孔の再結合により光を生成する活性層４０を備える複数個のIII族窒化物半導体層と、複数個のIII族窒化物半導体層の成長に利用される基板１０として、対向する２つの辺９１が丸められている突起９０を有する基板１０とを備えるIII族窒化物半導体発光素子を提供する。
【選択図】図６

Description

本発明は、III族窒化物半導体発光素子に関し、特に、突起の横方向の制約を解消し、結晶性に優れたIII族窒化物半導体発光素子に関する。
図１は、従来のIII族窒化物半導体発光素子の一例を示す図面であり、III族窒化物半導体発光素子は基板１００と、基板１００上にエピ成長されるバッファ層２００と、バッファ層２００の上にエピ成長されるｎ型窒化物半導体層３００と、ｎ型窒化物半導体層３００の上にエピ成長される活性層４００と、活性層４００の上にエピ成長されるｐ型半導体層５００と、ｐ型窒化物半導体層５００の上に形成されるｐ側電極６００と、ｐ側電極６００上に形成されるｐ側ボンディングパッド７００と、ｐ型窒化物半導体層５００と活性層４００とがメサエッチングされて露出されたｎ型窒化物半導体層の上に形成されるｎ層電極８００と、保護膜９００とを備えている。
図２は、パタニング基板４００上で窒化物半導体層４１０が成長される過程を示す発光素子である（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。窒化物半導体層４１０はパタニング基板４００の底面と上面から成長を開始し、成長された窒化物半導体層４１０同士が会合し、会合した領域で成長が促進されて、平坦な面を形成することになる。このようにパタニング基板４００を利用することにより光をスキャタリングして外部量子効率を上げる一方、結晶欠陥を減少させて窒化物半導体層４１０の質を向上させることになる。
図３は、特許文献２に開示された突起の一例を示す図面であり、基板に６角の横断面を有する突起が示されている。一方、特許文献２には、この突起の側面が窒化物半導体の成長安定面(例:基板のフラットゾーン４０１(図４参照)に平行に置かれる場合には、窒化物半導体の成長が遅れ、結晶欠陥が多発すると指摘しながら、結晶欠陥を低減するために、この突起のすべての側面を、成長安定面と交差するように形成した技術が開示されている。したがって、このような突起の側面方向の制約は結晶性の向上のための基板上の突起および／または凹部(depression）の形成に制約を与える。
図４は、窒化物半導体の成長安定面を説明する図面であり、Ｃ面サファイア基板４００上に角度６０°の差を有する３つの成長安定面４０２，４０３，４０４が示されている。
国際公開第０２／０７５８２１号パンフレット 国際公開第０３／０１０８３１号パンフレット
本発明は、上述した問題点を解消したIII族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、突起の側面方向の制約を解消しながらも、結晶性に優れたIII族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、突起を有する基板に対してスクライビングラインがなす角度を調節することによって外部量子効率を上げたIII族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、窒化物半導体の成長のための空間を基板上に十分に確保できるIII族窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、電子と正孔の再結合により光を生成する活性層を備える複数個のIII族窒化物半導体層と、複数個のIII族窒化物半導体層の成長に利用される基板として、対向する２つの辺が丸められている(rounded)突起を有する基板とを備えるIII族窒化物半導体発光素子を提供する。
上記発明においては、突起が丸められた対向する２つの辺を連結する２つの連結辺を備えていてもよい。好ましくは、２つの連結辺は直線であるが、マスクパターンによって外側に、または内側に若干湾曲して形成されてもよい。
また、上記発明においては、基板が少なくとも１つの切断面により境界をなしており、２つの連結辺の延長線が少なくとも１つの切断面と交差していていもよい。ここで、少なくとも１つの切断面は発光素子の外殻を形成する面であり、ダイアモンドカッティングによって形成されてもよく、スクライビング／ブレイキング工程によって形成されてもよい。
また、上記発明においては、基板がサファイア基板であることが好ましい。
また、上記発明においては、２つの連結辺の延長線が複数個の窒化物半導体層の成長安定面と交差していてもよい。
また、上記発明においては、２つの連結辺が直線であってもよい。
また、上記発明においては、丸められた対向する２つの辺が複数個の窒化物半導体層の成長安定面と対向していてもよい。
基板が突起が複数個形成された第１アレイと、突起が複数個形成された第２アレイとを具備し、第１アレイの複数個の突起と第２アレイの突起とが交互するように配置されていてもよい。
また、上記発明においては、基板が少なくとも１つの切断面により境界をなしており、突起が丸められた対向する２つの連結辺を連結する２つの連結直線辺を備え、２つの連結辺の延長線が少なくとも２つの切断面と交差し、２つの連結辺の延長線が複数個の窒化物半導体層の成長安定面と交差し、丸められた対向する２つの辺が複数個の窒化物半導体層の成長安定面と対向し、基板が突起が複数個形成された第１アレイと、突起が複数個形成された第２アレイとを具備し、第１アレイの複数個の突起と第２アレイの突起が交互するように配置されていてもよい。
また、上記発明においては、基板がサファイア基板であることが好ましい。
また、本発明は、電子と正孔の再結合により光を生成する活性層を備える複数個のIII族窒化物半導体層と、複数個のIII族窒化物半導体層の成長に利用され、少なくとも２つの辺を有する突起を備える基板として、少なくとも２つの辺が窒化物半導体層の成長安定面と対向する丸められた辺を有する基板とを備えるIII族窒化物半導体発光素子を提供する。
上記発明においては、基板がサファイア基板であることが好ましい。
また、上記発明においては、基板が少なくとも１つの切断面により境界をなしており、少なくとも２つの辺のうち他辺の延長線が少なくとも１つの切断面と交差していてもよい。
また、上記発明においては、少なくとも２つの辺のうち他辺が複数個の窒化物半導体層の成長安定面と交差していてもよい。
また、上記発明においては、基板が突起が複数個形成された第１アレイと、突起が複数個形成された第２アレイとを具備し、第１アレイの突起の丸められた辺と、第２アレイの突起が丸められた辺が交互するように配置されていてもよい。
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子によると、突起の側面方向の制約を解消しながらも、窒化物半導体層の結晶性を高めることができる。
また、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子によると、突起を有する基板に対してスクライビングラインがなす角度を調節することによって外部量子効率を上げることができる。
また、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子によると、窒化物半導体の成長のための空間を基板上に十分に確保し、窒化物半導体層の結晶性を高めることができる。
以下、図面を参照して本実施形態に係るIII族窒化物半導体発光素子をより詳細に説明する。
図５は、本実施形態に係るIII族窒化物半導体発光素子の一例を示す図面である。このIII族窒化物半導体発光素子は、突起９０が形成されたサファイア基板１０と、サファイア基板１０上に成長されるバッファ層２０と、バッファ層２０の上に成長されるｎ型窒化物半導体層３０と、ｎ型窒化物半導体層３０上に成長される活性層４０と、活性層４０の上に成長されるｐ型窒化物半導体層５０と、ｐ型窒化物半導体層５０上に形成される透光性電極６０と、透光性電極６０上に形成されたｐ側電極７０と、ｐ型窒化物半導体層５０と活性層４０がメサエッチングされて露出されたｎ型窒化物半導体層３１の上に形成されるｎ側電極８０とを備えている。
図６は、図５のIII族窒化物半導体発光素子の突起の形態および配列を説明する図面であり、サファイア基板１０上に突起９０が形成されている。突起９０は２つの丸められた辺９１と、２つの丸められた辺９１を連結する２つの連結辺９２とを有する。丸められた辺９１はサファイア基板１０のフラットゾーン４０１、すなわち、窒化物半導体の成長安定面と対向しているが、丸められることにより成長安定面と平行した面が除去され、窒化物半導体層の成長遅延を除去して結晶欠陥を低減することができる。
一方、アレイ（第１アレイ）Ａの突起９０の丸められた辺９１とアレイ（第２アレイ）Ｂの突起９０の丸められた辺９１が整列されるように配置することもできるが、窒化物半導体の成長のために、これらの間隔を一定以上確保しなければならない。したがって、アレイＡの突起９０の丸められた辺９１とアレイＢの突起の丸められた辺９１が互いに交互するように配置することによりアレイＡとアレイＢ間の間隔を縮めることができる。また、丸められていない直四角形の突起と比べると、本実施形態においては、突起９０は丸められた辺９１を有することにより、突起９０間に領域９３が確保され、アレイＡとアレイＢ間の間隔を減らしても窒化物半導体層の成長のための空間を確保することができる。
図７および図８は、図５のIII族窒化物半導体発光素子の突起９０を形成する工程の一例を説明する図面であり、まず基板１０上にフォトレジスタ１１を塗布した後、パタニング工程を遂行する。パタニング工程は、フォトリソグラフィ工程により行われる。このとき、塗布されるフォトレジスタ１１の厚さは、基板１０に形成された突起９０の高さに応じて変わり、フォトレジスタ１１の厚さは形成しようとする突起９０の高さに応じて調節する。
パターンの形態は図８に図示されている。パターンは、例えば、高さＨ４．２μｍ、幅Ｗが２．４μｍ、突起９０の間隔Ｄ１が１．６μｍ、アレイ間の間隔Ｄ２が０．８μｍである形態が用いられるが、角部の付近が切断された形態を有する。このような工程により形成された突起９０の一例が図９に図示されている。必要に応じて、突起９０の上部が平坦面を有するようにすることができるが、このような場合には突起９０の上部でも窒化物半導体の成長が行われる。
次に、基板１０をエッチングする工程を遂行する。エッチングは一般的にＲＩＥ(Reactive Ion Etching)法で実施する。一方、マスクパターンは角部でエッチングが活発に行われるので、マスクパターンをラウンディングしなくても、本実施形態における突起９０を形成することが可能である。もちろん角部が丸められた形態のパターンを使用するか、丸めのためにベイキング工程を行ってもよい。ここで、エッチングにより連結辺９２は直線の形態を有し、ベイキング工程が行なわれる等の場合には若干湾曲した形態を有することもある。
図１０は、本発明により、用意された基板にＧａＮエピ層を成長させたエピ層を光学顕微鏡で撮影した写真であり、左側は焦点をサファイア基板とエピ層の境界面に当てたもので、サファイア基板に加工された突起が投影されて見える。右側は焦点をエピ層の表面に当てた写真であり、表面にピット(pit)やピンホールが形成されずに、滑らかな表面を有する、優れたエピ結晶層が得られることを示す。
厚さ約４μｍのＧａＮ層がＭＯＣＶＤ方法により、次のような方法で成長された。ＭＯＣＶＤの反応炉の中に用意した基板をグラファイト材質で作ったサセプタ(Susceptor)に位置させ、水素雰囲気で温度を１１００μｍまで昇温させて基板表面の不純物を除去し、続いてＳｉＣを原料ソースとして分当り４．５マイクロモルのＤＴＢＳｉ、分当り１７マイクロモルのＣＢｒ４を使用し、成長温度９５０μｍ、成長時間６０秒にし、予想厚さ１０Ａに成長させた。
次に、表面ウェッティング層(Surface Wetting Layer）でＩｎＧａＮを,原料ソースとして分当り１０マイクロモルのＴＭＩｎ、４００マイクロモルのＴＭＧａ、分当り１２リットルのＮＨ３を使用して、成長温度５００μｍ下で、成長時間を３５秒にして厚さ５００Ａに成長させた。次いで、アンドピングＧａＮを,原料ソースとして分当り８７０マイクロモルのＴＭＧａ、分当り１８リットルのＮＨ３を使用して、成長温度１０５０μｍ下で成長時間を７２００秒にして厚さ４μｍに成長させた。このように成長されたエピ層の結晶性はＸＲＤロックキングカーブの測定結果から分かるが、ＸＲＤ００２の反側幅が〜２５０アークセカンドで、ＸＲＤ１０２の反側幅は〜３００アークセカンドと、非常に優れた結晶性を見せた。
図１１は、発光素子とスクライビングラインとの関係を説明する図面であり、基板１０のフラットゾーン４０１に四角形の突起９０が形成されており、個別の発光素子の切断面１０ａ，１０ｂ、すなわち、スクライビングラインを点線で表している。四角形の突起９０の側面９０ａとスクライビングラインとがなす角度ｙを調節することにより、抽出される光の量を調節することができる。
図１２は、４．５μｍ×３μｍの下辺を有する四角錐状の突起を利用して角度ｙによる光抽出効率の変化を分析したシミュレーション結果を表すグラフであり、角度ｙが４５゜付近で光抽出効率が増加することを示しているが、このような結果は丸められた辺を有する突起に同様に適用され得る。シミュレーションにはオプティカルリサーチアソシエーツ社(Optical Research Associates）のライトツールズ５．１(Light Tools 5.1)プログラムが使われた。
図１３は、本発明による突起配置の他の例を表す図面であり、突起９０がフラットゾーン４０１に対して回転されてサファイア基板１０に形成されている。このような構成を通し、図１２における結果を発光素子に適用する際、突起９０の方向に合せてスクライビングラインを調節するのではなく、スクライビングラインに対して突起９０の方向を合せることができる。
従来のIII族窒化物半導体発光素子の一例を示す図面である。 特許文献１および特許文献２に開示された発光素子を示す図面である。 特許文献２に開示された突起の一例を示す図面である。 窒化物半導体の成長安定面を説明するための図面である。 本発明の一実施形態に係るIII族窒化物半導体発光素子の一例を示す図面である。 図５のIII族窒化物半導体発光素子の突起の形態および配列を説明する図面である。 図５のIII族窒化物半導体発光素子の突起を形成する工程の一例を説明する図面である。 図５のIII族窒化物半導体発光素子の突起を形成する工程の他の一例を説明する図面である。 図５のIII族窒化物半導体発光素子の突起の一例を示す図面である。 本発明によって製造した基板にＧａＮエピ層を成長させたエピ層を光学顕微鏡を利用して撮影した写真である。 発光素子とスクライビングラインとの関係を説明する図面である。 ４．５μｍ×３μｍの下辺を有する四角錐状の突起を利用して角度ｙによる光抽出効率の変化を分析したシミュレーション結果を表すグラフである。 本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の突起配置の他の例を表す図面である。
符号の説明
Ａ アレイ（第１アレイ）
Ｂ アレイ（第２アレイ）
１０ サファイア基板（基板）
１０ａ，１０ｂ 切断面
４０ 活性層
９０ 突起
９１ 辺
９２ 連結辺

Claims (15)

  1. 電子と正孔の再結合により光を生成する活性層を備える複数個のIII族窒化物半導体層と、複数個のIII族窒化物半導体層の成長に利用される基板として、対向する２つの辺が丸められている突起を有する基板とを備えるIII族窒化物半導体発光素子。
  2. 突起が丸められた対向する２つの辺を連結する２つの連結辺を備える請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  3. 基板が少なくとも１つの切断面により境界をなしており、
    ２つの連結辺の延長線が少なくとも１つの切断面と交差する請求項２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  4. 基板がサファイア基板である請求項３に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  5. ２つの連結辺の延長線が複数個の窒化物半導体層の成長安定面と交差する請求項２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  6. ２つの連結辺が直線である請求項２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  7. 丸められた対向する２つの辺が複数個の窒化物半導体層の成長安定面と対向する請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  8. 基板が突起が複数個形成された第１アレイと、突起が複数個形成された第２アレイとを具備し、
    第１アレイの複数個の突起と第２アレイの突起とが交互するように配置されている請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  9. 基板が少なくとも１つの切断面により境界をなしており、
    突起が丸められた対向する２つの連結辺を連結する２つの連結直線辺を備え、
    ２つの連結辺の延長線が少なくとも２つの切断面と交差し、
    ２つの連結辺の延長線が複数個の窒化物半導体層の成長安定面と交差し、
    丸められた対向する２つの辺が複数個の窒化物半導体層の成長安定面と対向し、
    基板が突起が複数個形成された第１アレイと、突起が複数個形成された第２アレイとを具備し、第１アレイの複数個の突起と第２アレイの突起が交互するように配置されている請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  10. 基板がサファイア基板である請求項９に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  11. 電子と正孔の再結合により光を生成する活性層を備える複数個のIII族窒化物半導体層と、
    複数個のIII族窒化物半導体層の成長に利用され、少なくとも２つの辺を有する突起を備える基板として、少なくとも２つの辺が窒化物半導体層の成長安定面と対向する丸められた辺を有する基板とを備えるIII族窒化物半導体発光素子。
  12. 基板がサファイア基板である請求項１１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  13. 基板が少なくとも１つの切断面により境界をなしており、
    少なくとも２つの辺のうち他辺の延長線が少なくとも１つの切断面と交差する請求項１１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  14. 少なくとも２つの辺のうち他辺が複数個の窒化物半導体層の成長安定面と交差する請求項１３に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
  15. 基板が突起が複数個形成された第１アレイと、突起が複数個形成された第２アレイとを具備し、
    第１アレイの突起の丸められた辺と、第２アレイの突起が丸められた辺が交互するように配置されている請求項１１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
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