JP2009164593A - Iii族窒素化合物半導体発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 安定した品質と、高い光出射率を保証し、従来技術の各種欠点を改善できる発光ダイオードを提供する。
【解決手段】 III族窒素化合物半導体発光ダイオード70は、基板71と、第1のIII族窒素化合物層721と、第2のIII族窒素化合物層722とを備える。基板71は、第1の表面712と、第1の表面712に突設され、各々の突起の周囲が第1の表面712に囲まれている複数の突起711とを備えている。第1のIII族窒素化合物層721は複数の突起711の上面を被覆するとともに、複数の上面から側方に向かって互いに連接している。第1の表面712は第2のIII族窒素化合物層722により被覆されており、第2のIII族窒素化合物層722の厚さは突起711の高さ未満であり、また第2のIII族窒素化合物層722および第1のIII族窒素化合物層721は同じ材質である。
【選択図】 図7(a)

Description

本発明はIII族窒素化合物半導体発光ダイオードおよびその製造方法に関し、とりわけ光出射率の高い発光ダイオードおよびその製造方法に関する。
発光ダイオード素子が様々な製品に広く応用されるに伴い、近年においては、青色発光ダイオードを製造する材料については、現在すでに、光電半導体材料産業における重要な研究・開発の対象となっている。現在、青色発光ダイオードの材料には、セレン化亜鉛(ZnSe)、炭化シリコン(SiC)および窒化インジウムガリウム(InGaN)などの材料があり、これら材料はいずれもバンドギャップが約2.6eV以上であるバンドギャップが広い半導体材料である。窒化ガリウム系は直接ギャップの発光材料であるので、高輝度の照明光を発生させることができるうえ、同じく直接ギャップのセレン化亜鉛に比べても寿命が長いという長所がある。
発光ダイオードの輝度を高めるために、光電分野の専門家は、数種類の方面からその輝度向上に着手している。例えば、エピタキシャル技術の方面では主に、ドナーおよびアクセプタ濃度を極力高めるとともに、発光層の転位密度を低減することを目指している。発光層(またはアクティブ層)中のアクセプタ濃度を高めるのは容易ではなく、特にバンドギャップの広い窒化ガリウム(GaN)系では難しい。同時に、サファイヤ基板と窒化ガリウム材料との間にはかなり大きな格子不整合が存在するので、発光層中における転位密度を低減する技術に想到するのは、容易に突破できないものである。
図1は特許文献1の半導体発光ダイオードの断面概略図である。発光ダイオード10はサファイヤ基板11と、N型半導体層12と、アクティブ層13と、P型半導体層14とを備えている。当該サファイヤ基板11の上面には、平行配列されている複数の溝15が形成されており、これはC面(0001)を用いたサファイヤ基板であるとともに、これら溝15を構成する辺縁がN型半導体層12の成長安定面(つまりM面(100))とほぼ平行になることで、サファイヤ基板11上に形成されているN型半導体層12に結晶の欠陥が発生しないようにしている。
図2(a)〜2(f)は、図1中におけるN型半導体層をサファイヤ基板に形成するエピタキシャル成長の過程を説明している。サファイヤ基板11上の溝15に対して、その他の比較的高い部分はベース面16と見なすことができる。N型半導体層12がサファイヤ基板11上に成長するときには、ベース面16および溝15の表面から上に向かって堆積していくが、溝15の側壁部分の成長速度は相対的に遅くなる。図2(d)〜2(f)を参照されたい。溝15の底面およびベース面16で成長する当該N型半導体層12が合わさるとき、合わさった箇所のN型半導体層12の成長速度は速くなる。最後に、結晶化度に優れ、空洞のない平坦なN型半導体層12が形成される。
しかし、格子定数が異なる二種類の材料の接触面積が大きく、堆積する原子層が厚くなるほど、格子不一致現象に伴って生じる転位(いわゆる線欠陥)密度も高くなってしまう。N型半導体層12は溝15およびベース面16を被覆しているので、サファイヤ基板11との接触面積が増大して、相対的に転位密度も増加してしまう。つまり発光ダイオード10の内部の量子効率が大量の転位密度により大幅に低下するとともに、その外部の量子効率に影響を及ぼしてしまう。
図3を参照する。特許文献2では、サファイヤ基板31の表面の一部を、連接している複数のV字型溝33としてエッチングしている。サファイヤ基板31上には、バッファ層34、N型窒化ガリウム層35、ノンドープ窒化ガリウム層36およびノンドープ窒化アルミニウム・ガリウム層37がそれぞれ形成されている。ノンドープ窒化ガリウム層36におけるV字型溝33上に位置する部分は抵抗値が低く、これに対して、その他の平坦領域32上に位置する部分は抵抗値が高いので、電流ブロック(current block)型構造を発生させている。明らかに、V字型溝33は図1における溝15と効用および効果が異なる。
図4(a)〜図4(d)は特許文献3の半導体発光ダイオードのエピタキシャル成長の概略図である。基板41上に、複数の突起42および凹部43が形成されるとともに、シールド44(二酸化シリコン)で凹部43の底面を被覆している。さらに窒化アルミニウム・ガリウム層45を突起42の上端にエピタキシャル成長させる。当該窒化アルミニウム・ガリウム層45は当該上端の開始点から突起42側方に向かって成長しているので、転位密度は当該側方に沿った成長効果により減少し、しかも線欠陥が上方に向かって進展する問題を回避できる。最後に、平坦な窒化アルミニウム・ガリウム層45’を形成した後、基板41を除去して、分離した窒化アルミニウム・ガリウム層45’を基板として得ることができる。しかしながら凹部43の底面はシールド44のために窒化アルミニウム・ガリウムの結晶体が付着せず、つまり凹部43内には窒化アルミニウム・ガリウム層45は存在しない。
図5(a)〜5(f)は特許文献4の半導体発光ダイオードのエピタキシャル成長の概略図である。基板51上に、フォトマスク52により光捕捉膜層53を形成するものであり、当該光捕捉膜層53は複数の突起であるとともに、基板51と同じ材料(Al)である。その後、光捕捉膜層53および基板51の表面に、非平坦なバッファ層54をさらに形成することで、光出射率を増加することができる。つまり上方のアクティブ層(図示しない)で生じた光をより多く基板51から透過させるものである。このような構造はフリップチップ実装の発光ダイオードに適用される。また、明らかに、光捕捉膜層53を形成するにはフォトリソグラフィエッチング工程が必要になる。
図6は特許文献5の半導体発光ダイオードの断面概略図である。サファイヤ基板61のベース面63上には複数の平行溝62を備えている。N型窒化ガリウム半導体層64の幅方向のエピタキシャル速度は長手方向のエピタキシャル速度よりも速いので、N型窒化ガリウム半導体層64がベース面63に沿って溝62の上方に向かって徐々に延びることになる。同時に溝62内でもN型窒化ガリウム半導体層64が上方に向かって成長するとともに、ベース面63上のN型窒化ガリウム半導体層64に接合し、かつ引き続き上方に向かって成長して、表面が平坦なN型窒化ガリウム半導体層64が形成される。ベース面63上のN型窒化ガリウム半導体層64が幅方向に成長したとしても、線欠陥が上方に向かって延びるのを防止することができる。しかし溝62内のN型窒化ガリウム半導体層64中における線欠陥65は依然として上方に延びているので、発光効率の低下を招く。
米国特許第6,870,191号明細書 米国特許第6,091,083号明細書 米国特許第6,940,089号明細書 米国特許第7,071,495号明細書 米国特許出願公開第2006/0267025号明細書
上記をまとめるに、市場においては、安定した品質と、高い光出射率を保証し、上記した従来技術の各種欠点を改善できる発光ダイオードが求められている。
本発明の主な目的は、基板を直接被覆するIII族窒素化合物が幅方向に成長することで、貫通転位が生じにくくなり、よって発光ダイオードの光出射率が向上するIII族窒素化合物半導体発光ダイオードおよびその製造方法を提供するところにある。
上記目的を達成するために、本発明では、基板と、第1のIII族窒素化合物層と、第2のIII族窒素化合物層とを備えたIII族窒素化合物半導体発光ダイオードを開示している。前記基板は、第1の表面と、前記第1の表面に突設され、各々の突起の周囲が前記第1の表面に囲まれている複数の突起とを備えている。前記第1のIII族窒素化合物層は前記複数の突起の上面を被覆するとともに、前記複数の上面から側方に向かって互いに連接している。前記第1の表面は前記第2のIII族窒素化合物層により被覆されており、前記第2のIII族窒素化合物層の厚さは前記突起の高さ未満であり、しかも前記第2のIII族窒素化合物層および前記第1のIII族窒素化合物層は同じ材質である。
前記第2のIII族窒素化合物層および前記第1のIII族窒素化合物層は同じ材質である。
前記第1のIII族窒素化合物層がバッファ層であり、さらに、前記第1のIII族窒素化合物層上に順に設けられているN型半導体材料層と、アクティブ層と、P型半導体材料層とを備えている。
前記第1のIII族窒素化合物層がN型半導体層であり、さらに、前記第1のIII族窒素化合物層上に順に設けられているアクティブ層と、P型半導体材料層とを備えている。
前記基板がサファイヤであり、前記第1の表面がサファイヤのC面であって、前記C面が(0001)面である。前記複数の突起が主に(1120)、(110)、(110)、(2110)、(0)および(110)方向に配置されている。または、前記複数の突起が(1120)、(110)、(110)、(2110)、(0)および(110)と平行する方向で、均等距離で配置されている。
前記基板の材質がサファイヤ、炭化シリコン(SiC)、シリコンまたは酸化亜鉛(ZnO)などの六方晶系(Hexagonal)結晶を有する材質である。
本発明は、第1の表面と、前記第1の表面に突設され、各々の突起の周囲が前記第1の表面に囲まれている複数の突起とを備えている基板を提供する工程と、前記複数の突起の上面および前記第1の表面にIII族窒素化合物を成長させる工程とを含み、このうち前記III族窒素化合物は前記複数の上面から側方に向かって延びて互いに連接しており、また前記第1の表面上の前記III族窒素化合物の厚さは前記突起の高さ未満である、III族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法を開示している。
前記第1のIII族窒素化合物層をバッファ層とし、さらに、N型半導体材料層と、アクティブ層と、P型半導体材料層とを順に前記第1のIII族窒素化合物層上に設ける工程を含む。
前記第1のIII族窒素化合物層をN型半導体層とし、さらに、アクティブ層と、P型半導体材料層とを順に前記第1のIII族窒素化合物層上に設ける工程を含む。
前記突起よりも低い第1の表面がフォトリソグラフィエッチング工程で形成されている。
図7(a)は本発明のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの断面概略図である。発光ダイオード70は基板71と、第1のバッファ層721と、第2のバッファ層722と、N型半導体材料層73と、アクティブ層74と、P型半導体材料層75とを備えている。またN型半導体材料層73の表面にはN型電極77が設けられ、そしてP型半導体材料層75の表面にはP型電極76が設けられている。基板71は、第1の表面712と、前記第1の表面712に突設され、各々の突起711の周囲が前記第1の表面712に囲まれている複数の突起711と、前記第1の表面712に対向する上面713とを備えている。これは図8を参照されたい。
第1のバッファ層721は複数の突起711の上面を被覆するとともに、前記複数の上面から側方に向かって延びて互いに連接している。第1の表面712は第2のバッファ層722により被覆されており、前記第2のバッファ層722の厚さhは前記突起711の高さH未満であり、また第2のバッファ層722および第1のバッファ層721は同じ材質である。N型半導体材料層73、アクティブ層74およびP型半導体材料層75は第1のバッファ層721上に順に積層して設けられている。
一般的には、基板71の材質はサファイヤ(酸化アルミニウム化合物Al)、炭化シリコン(SiC)、シリコンまたは酸化亜鉛(ZnO)などの六方晶系結晶を有する材質であり、しかも前記基板71上には材質の異なるIII族窒素化合物層が形成されている。仮に基板71とIII族窒素化合物の格子定数が一致しない場合、基板71上にまず第1のバッファ層721を形成してもよい。前記第1のバッファ層721の材質はGaN、InGaNまたはAlGaN、もしくは硬度が、アルミ元素を含む従来のバッファ層よりも低い超格子層とすることができる。
図7(b)に示すように、当然のこと、N型半導体材料層731および732を基板71の第1の表面712および複数の突起711上にそれぞれ形成してもよい。同様に、アクティブ層74およびP型半導体材料層75が半導体材料層731に順に積層されているので、発光ダイオード70’の発光エピタキシャル構造を形成している。
図8(a)は本発明の基板の立体概略図である。複数の突起711が第1の表面712上に突設されており、各突起711の周囲が第1の表面712により囲まれている。突起711よりも低い第1の表面712は、フォトリソグラフィエッチング工程で形成することができる。図8(b)は本発明の基板の断面概略図であって、C面{0001}のサファイヤ基板71を使用することで、サファイヤ基板71上に形成されている第1のバッファ層721に結晶欠陥が生じなくなる。
図8(c)は本発明の基板の平面図である。複数の突起711は主に(1120)、(110)、(110)、(2110)、(0)および(110)方向に配置され、そして前記複数の突起が(1120)、(110)、(110)、(2110)、(0)および(110)と平行する方向で、均等距離で配置されている。
図9(a)〜9(d)は本発明のIII族窒素化合物を基板に形成する概略図である。III族窒素化合物92aは複数の突起711の上面713を被覆するとともに、隣接する上面713から側方に向かって徐々に延びて成長する。第1の表面712もまたIII族窒素化合物921’により徐々に被覆されるとともに、隣接する上面713の中間に向かって徐々に成長する。前記III族窒素化合物921’はIII族窒素化合物92aと同時に成長する。9(c)に示すように、隣接する上面713上のIII族窒素化合物92bはすでに接合されており、第1の表面712上のIII族窒素化合物921は遮蔽されて引き続き成長することはできず、しかも両者は互いに接触することはない。その後、III族窒素化合物92上の表面が平坦になるまで、同じ工程が引き続き実施される。
図10は本発明の発光ダイオードの出力電力の曲線図である。同じ電流密度では、本発明の発光ダイオードの出力電力は明らかに従来技術における発光ダイオードの出力電力よりも大きいので、より優れた発光効率を備えることになる。
図11(a)〜図11(b)は本発明の発光ダイオードのX線回折の走査測定図である。図中、従来技術は基板が平面タイプである発光ダイオードである。本発明の発光ダイオードに関しては、異なる回折平面(002)および(102)はいずれも比較的狭い標準化X線回析強さの半値全幅 (FWHM)が得られる。
本発明の技術内容および技術的特徴は上記に開示したとおりであるが、当業者であれば本発明の教示および開示を基に、本発明の技術的思想に違わない各種の置換および付加を行うことができる。したがって、本発明の保護範囲は実施例に開示するものに限定されることなく、本発明に違わない各種の置換および付加を包括するとともに、別紙の特許請求の範囲に含まれるものである。
特許文献1の半導体発光ダイオードの断面概略図である。 (a)〜(f)は図1中におけるN型半導体層をサファイヤ基板に形成するエピタキシャル成長の過程を説明する図である。 特許文献2の発光ダイオードの断面概略図である。 (a)〜(d)は特許文献3の半導体発光ダイオードのエピタキシャル成長の概略図である。 (a)〜(f)は特許文献4の半導体発光ダイオードのエピタキシャル成長の概略図である。 特許文献5の半導体発光ダイオードの断面概略図である。 本発明のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの断面概略図である。 本発明の他の実施例のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの断面概略図である。 本発明の基板の立体概略図である。 本発明の基板の断面概略図である。 本発明の基板の平面図である。 (a)〜(d)は本発明のIII族窒素化合物を基板に形成する概略図である。 本発明の発光ダイオードの出力電力の曲線図である。 (a)〜(b)は本発明の発光ダイオードのX線回折の走査測定図である。
符号の説明
10、30、70、70’ 発光ダイオード
11、31、41、51、61、71 基板
12 N型半導体層
13、74 アクティブ層
14 P型半導体層
15、62 溝
16、63 ベース面
32 平坦領域
33 V字型溝
34、54 バッファ層
35 N型窒化ガリウム層
36 ノンドープ窒化ガリウム層
37 ノンドープ窒化アルミニウム・ガリウム層
42、711 突起
43 凹部
44 シールド
45、45’ 窒化アルミニウム・ガリウム層
52 フォトマスク
53 光捕捉膜層
64 N型窒化ガリウム半導体層
65 線欠陥
73、731、732 N型半導体材料層
75 P型半導体材料層
76 P型電極
77 N型電極
92、92a、92b III族窒素化合物
712 第1の表面
713 上面
721 第1のバッファ層
722 第2のバッファ層
921、921’ III族窒素化合物

Claims (20)

  1. 第1の表面と、前記第1の表面に突設され、各々の突起の周囲が前記第1の表面に囲まれている複数の突起とを備えた基板と、
    前記複数の突起の上面を被覆するとともに、前記複数の上面から側方に向かって延びて互いに連接している第1のIII族窒素化合物層と、
    前記第1の表面を被覆する第2のIII族窒素化合物層と、
    を具備し、前記第2のIII族窒素化合物層の厚さは前記突起の高さ未満であることを特徴とするIII族窒素化合物半導体発光ダイオード。
  2. 前記第2のIII族窒素化合物層および前記第1のIII族窒素化合物層が同じ材質であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオード。
  3. 前記第1のIII族窒素化合物層がバッファ層であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオード。
  4. 前記第1のIII族窒素化合物層上に順に設けられているN型半導体材料層と、アクティブ層と、P型半導体材料層とをさらに備えたことを特徴とする請求項3に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオード。
  5. 前記第1のIII族窒素化合物層がN型半導体層であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオード。
  6. 前記第1のIII族窒素化合物層上に順に設けられているアクティブ層と、P型半導体材料層とをさらに備えたことを特徴とする請求項5に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオード。
  7. 前記基板がサファイヤであり、前記第1の表面がサファイヤのC面であって、前記C面が(0001)面であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオード。
  8. 前記複数の突起が主に(1120)、(110)、(110)、(2110)、(0)および(110)方向に配置されていることを特徴とする請求項7に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオード。
  9. 前記複数の突起が(1120)、(110)、(110)、(2110)、(0)および(110)と平行する方向で、均等距離で配置されていることを特徴とする請求項7に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオード。
  10. 前記基板の材質がサファイヤ、炭化シリコン(SiC)、シリコン、酸化亜鉛(ZnO)または六方晶系結晶を有する材質であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオード。
  11. 第1の表面と、前記第1の表面に突設され、各々の突起の周囲が前記第1の表面に囲まれている複数の突起とを備えている基板を提供する工程と、
    前記複数の突起の上面および前記第1の表面にIII族窒素化合物を成長させる工程とを含み、
    このうち前記III族窒素化合物は前記複数の上面から側方に向かって延びて互いに連接しており、また前記第1の表面上の前記III族窒素化合物の厚さは前記突起の高さ未満であることを特徴とするIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
  12. 前記第1のIII族窒素化合物層をバッファ層とすることを特徴とする請求項11に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
  13. N型半導体材料層と、アクティブ層と、P型半導体材料層とを順に前記第1のIII族窒素化合物層上に設ける工程をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
  14. III族窒素化合物層をN型半導体層とすることを特徴とする請求項11に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
  15. アクティブ層と、P型半導体材料層とを順に前記第1のIII族窒素化合物層上に設ける工程をさらに含むことを特徴とする請求項14に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
  16. 前記基板がサファイヤであり、前記第1の表面がサファイヤのC面であって、前記C面が(0001)面であることを特徴とする請求項11に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
  17. 前記複数の突起が主に(1120)、(110)、(110)、(2110)、(0)および(110)方向に配置されていることを特徴とする請求項16に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
  18. 前記複数の突起が(1120)、(110)、(110)、(2110)、(0)および(110)と平行する方向で、均等距離で配置されていることを特徴とする請求項16に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
  19. 前記基板の材質がサファイヤ、炭化シリコン(SiC)、シリコン、酸化亜鉛(ZnO)または六方晶系結晶を有する材質であることを特徴とする請求項11に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
  20. 前記突起よりも低い第1の表面がフォトリソグラフィエッチング工程で形成されていることを特徴とする請求項11に記載のIII族窒素化合物半導体発光ダイオードの製造方法。
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