JP2010021367A - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
光取り出し効率の向上した窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】
窒化物半導体発光素子は、六方晶系構造の窒化物半導体成長用の基板と、基板上方に形成された、第１導電型の第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に形成された、電流が流れることにより発光する活性層と、活性層の上に形成された、第２導電型の第２の窒化物半導体層とを含んだ半導体層と、第２の窒化物半導体層の上方の少なくとも一部に形成され、窒化物半導体の六方晶系構造由来の六角錐形状を有する構造体と、第２の窒化物半導体層と前記構造体の表面を覆う透光性電極とを有し、構造体は、第２導電型の窒化物半導体からなる下層と、意図的に不純物をドープしない窒化物半導体からなる上層とで構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。

現在、窒化物半導体素子の光取り出し効率の向上が求められている。典型的な窒化物半導体発光素子として、ＧａＮを用いた半導体素子を例に挙げる。ＧａＮを用いた半導体発光素子は、サファイアのような透明基板上に、ＧａＮ低温成長バッファ層、ｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層が順に積層した構造からなる。それらは例えば有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法等の成膜方法により形成される。特許第３４６９４８４号公報には、成膜したｐ型窒化物半導体層を表面からドライエッチングやイオンミリングして凹凸を形成した窒化物半導体発光素子およびその製造方法が提案されている。
特許第３４６９４８４号公報

特許第３４６９４８４号公報に記載の方法では、ドライエッチングやイオンミリングのためにｐ型窒化物半導体層にダメージが生じ、接触抵抗が増加する。電極との接触抵抗を少しでも低減するために、高濃度の不純物をドーピングしつつｐ型窒化物半導体層を形成しても、ダメージの補償として十分ではない。また、ドライエッチングやイオンミリングによってｐ型窒化物半導体層の下層の窒化物半導体層にダメージが生じないようにするために、ｐ型窒化物半導体層を厚く積む必要があるが、ｐ型窒化物半導体層成長のために素子を長時間高温下にさらすため発光層が損傷し、発光しない部分が発生してしまう。こうした背景から、光取り出し効率向上のためにさらなる開発が行われている。

本発明の目的は、光取り出し効率の向上した窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、六方晶系構造の窒化物半導体成長用の基板と、前記基板上方に形成された、第１導電型の第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に形成された、電流が流れることにより発光する活性層と、該活性層の上に形成された、第２導電型の第２の窒化物半導体層とを含んだ半導体層と、前記第２の窒化物半導体層の上方の少なくとも一部に形成され、窒化物半導体の六方晶系構造由来の六角錐形状を有する構造体と、前記第２の窒化物半導体層と前記構造体の表面を覆う透光性電極と
を有し、前記構造体は、第２導電型の窒化物半導体からなる下層と、意図的に不純物をドープしない窒化物半導体からなる上層とで構成された窒化物半導体発光素子が提供される。

本発明の他の観点によれば、ａ）六方晶系構造の窒化部半導体成長用の基板を準備する工程と、ｂ）前記基板の上に、第１導電型の窒化物半導体層を成長させる工程と、ｃ）前記第１の窒化物半導体層の上に、電流が流れることで発光する活性層を成長させる工程と、ｄ）前記活性層の上に、第２導電型の第２の窒化物半導体層を成長させる工程と、ｅ）前記第２の窒化物半導体層の表面の少なくとも一部に、窒化物半導体の六方晶系構造由来の六角錐形状の構造体を成長させる工程とを含み、前記工程ｅ）は、ｅ−１）前記第２の窒化物半導体層の表面に、選択成長用のマスクを形成する工程と、ｅ−２）選択成長により、第２導電型の窒化物半導体からなる前記構造体の下層を成長させる工程と、ｅ−３）選択成長により、前記下層の上に意図的に不純物をドープしない窒化物半導体からなる前記構造体の上層を成長させる工程とを含む窒化物半導体発光素子の製造方法が提供される。

光取り出し効率が向上する。

図１は、窒化物半導体発光素子１０１の概略断面図である。下から順に、サファイア基板１０、ｎ型半導体層２１、活性層２２、ｐ型半導体層２３（層２１、２２、２３をまとめて半導体層２０と呼ぶこととする）、下層３１および上層３２からなる六角錐状の構造体３０、ｐ型半導体層２３および構造体３０を覆うように形成された透光性電極４０、透光性電極４０の一部の上に形成されたｐ側パッド電極５０が積層されている。また、エッチングにより露出させたｎ型半導体層２１の表面にｎ側電極６０が形成される。

サファイア基板１０はＣ面サファイアからなり、六方晶系構造の窒化物半導体を成長させる。＋Ｃ面側に半導体層２０が形成される。半導体層２０および構造体３０はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成される。サファイア基板１０とｎ型半導体層２１との間には、バッファ層（低温成長ＧａＮ）、下地層（ノンドープＧａＮ）を有する。ｎ型半導体層２１は、Ｓｉドープされたｎ型ＧａＮからなる。活性層２２は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層膜で構成された多重量子井戸構造である。活性層２２とｐ型半導体層２３との間には、ＡｌＧａＮクラッド層を有する。ｐ型半導体層２３は、Ｍｇドープされたｐ型ＧａＮ層からなる。

構造体３０は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＮの結晶構造に由来する六角錐形状を有しており、ここではＭｇドープされたｐ型ＧａＮの下層３１と、ノンドープＧａＮの上層３２で構成される。

透光性電極４０はＩＴＯからなる。ｐ側パッド電極５０およびｎ側電極６０はそれぞれＴｉＡｕおよびＴｉＡｌからなる。

図２は、構造体３０の概略断面図である。構造体３０は光取り出し効率を向上させる役割を果たす。図２に示すように、光Ｌａがｐ型半導体層２３界面Ｂに臨界角以上で到達した場合、構造体３０が存在しない場合は、界面Ｂにおいてｐ型半導体層２３と他の層（電極など）との屈折率差によって全反射が起こる。実施例においては、ｐ型半導体層２３と同じ物質からなる構造体３０の下層３１があるため、界面Ｂにおいて光学的な界面は存在せず、光Ｌａは下層３１に侵入し、全反射は起こらない、その後、光Ｌａは構造体３０を通過して外へ光を取り出すことが出来る。光Ｌｂのように、構造体３０内で全反射する場合も、何回か反射するうちに臨界角以下で構造体３０外へ光を取り出すことが出来る。こうして外へ出射する光が多いので、半導体発光素子１０１の光取り出し効率が向上する。

構造体３０を２層構造とする理由について説明する。構造体３０を全てノンドープＧａＮで構成すると、構造体３０が存在する領域の分だけ透光性電極４０とｐ型半導体層２３との接触面積が減り、活性層２２への十分な電流注入を行えなくなる。また、構造体３０を全てＭｇドープｐ型ＧａＮで構成すると、ドーパントによる光吸収が多くなり、光取り出し効率が小さくなる。通常の気相成長では、先端部に近づくほどドーパントの濃度が高くなり、光吸収の効果が増加してしまうので、この理由からも先端部はノンドープＧａＮの方が良い。上層３２は構造体３０の先端部を含む一部に形成されていれば良い。

図３に、構造体３０の斜視図を示す。下層３１は、透光性電極４０と接触する側面の面積Ｓが、構造体３０の底面と同面積以上であれば、平坦なｐ型半導体層２３表面に電極４０を形成するのと同等以上の接触面積となり、好ましい。これを式で表す。構造体３０は窒化物半導体の結晶由来の六角錐（底面が六角形）であるので、底面の対角線の長さをＬとすると、底面の面積は［（３・３^１／２）／８｝Ｌ^２である。下層３１の側面の面積Ｓが、六角錐の底面の面積以上、即ち

Ｓ≧３・３^１／２／８・Ｌ^２ −（式１）

の関係となるのが好ましい。Ｌは１μｍ以上が好ましい。構造体３０が小さすぎると発光波長に対して十分な大きさでなくなるからである。

六角錐である構造体３０の６つの側面は、ウルツ鉱型の結晶構造の（１−１０１）、（１０−１１）、（−１０１１）、（０１−１１）、（０−１１１）、（−１１０１）面が表出したものである。六角錐の稜と底面が為す各α、側面である二等辺三角形の底角β、側面と底面が為す角γはそれぞれ結晶構造と格子定数から推測できる。例えば構造体３０の主要構成物質がＧａＮの場合、α≒５８°、β≒７５°、γ≒６２°である。構造体３０の高さＨは、

Ｈ＝Ｌ／２・ｔａｎα −（式２）

で表される。また、（式１）を変形して好ましい下層３１の高さｈを求めると、

ｈ≧３^１／２／４・ｔａｎγ（１−（１−ｃoｓγ）^１／２）・Ｌ −（式３）

となる。構造体３０の主要構成物がＧａＮの場合は（式２）、（式３）のそれぞれに上記の角度の値を入れれば良い。なお、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＮの組成、ドープ量、成長温度等の条件により、格子定数や成長モードが変化し、α、β、γは多少前後することがある。

図４Ａ、図４Ｂに、構造体３０の概略断面図を示し、構造体の配置について説明する。

図４Ａは、構造体３０の表面から垂直に出射した光が隣接する構造体３０に再入射しない場合を示している。このような場合、再入射しない光の損失は少ない。この条件を満たす構造体間の間隔ｐ１は、

ｐ１＞Ｌ／２・（（ｔａｎγ）^２−１） −（式４）

となる。構造体から出射した光が隣接する構造体に入射することを実質的に抑制できるので、下層３１の高さｈは、限界まで高くすることができる。下層３１の高さｈを限界まで高くできることは、ｐ型層２３，３１と透光性電極４０との接触面積を最大限まで大きくできることであり、電流供給を促進する。

構造体の表面から垂直に出射した光が隣接する構造体に全く再入射しないとすると、間隔ｐが大きくなり、構造体３０のないｐ型半導体層２３表面では全反射による光取り出しの損失が多くなる恐れがある。ｐ型半導体層２３表面での全反射を低減するには構造体３０は、なるべく密な方が好ましい。構造体３０が密すぎると、構造体３０から一旦出射した光が、他の構造体３０の下層３１に再入射し、下層中のドーパントによる吸収で光取り出し効率が低下する恐れがある。

図４Ｂに示すように、式（４）で表わす構造体間の間隔ｐ１の下限より小さい間隔ｐ２、
ｐ２≦Ｌ／２・（（ｔａｎγ）^２−１）
で構造体３０をなるべく密に配置する。但し、隣接する構造体３０の下層３１には光が再入射することがない構造体３０の配置とする。他の構造体３０の下層３１に再入射すると、不純物による光吸収で光取り出し効率が低下する。上層３２はノンドープであり、不純物による光吸収は原理的にない。透光性電極とｐ型層との接触面積を確保するために、式（３）で表わした下層３１の高さｈは確保する。この条件は、
ｐ２＞３^１／２／４・ｔａｎγ（１−（１−ｃoｓγ）^１／２）（（ｔａｎγ）^２−１）・Ｌ
となる。構造体間の間隔ｐ２は、

３^１／２／４・ｔａｎγ（１−（１−ｃoｓγ）^１／２）（（ｔａｎγ）^２−１）・Ｌ≦ｐ２≦Ｌ／２・（（ｔａｎγ）^２−１）｝ −（式５）

となる。この時、下層の高さｈは、

３^１／２／４・ｔａｎγ（１−（１−ｃoｓγ）^１／２）・Ｌ≦ｈ≦ｐ２（ｃoｓγ／ｓiｎγ）／｛１−（ｃoｓγ／ｓiｎγ）^２ ｝ −（式６）

の範囲内に収まる時、下層への再入射がなく、構造体を蜜に配置できる。式（５）および式（６）が成立する条件が好ましい。

図５Ａ〜図５Ｆを参照して、窒化物半導体発光素子１０１の主な製造方法を説明する。

図５Ａに示すように、サファイア基板１０を準備し、ＭＯＣＶＤにより半導体層２０を成長させる。成長面はサファイア基板の＋Ｃ面である。

半導体層２０の成長を順に説明する。サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置に投入後、水素雰囲気中で１０００℃のサーマルクリーニングを１０分間行う。温度５００℃の下、トリメチルガリウムＴＭＧ：１０．４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３：３．３ＬＭ（ＬＭは標準状態におけるｌ／ｍｉｎのことである）で３分間供給して、バッファ層としてのＧａＮ層を低温成長させる。この低温バッファ層を３０秒間１０００℃で加熱して結晶化する。温度１０００℃の下、ＴＭＧ：４５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３：４．４ＬＭで６０分間供給し、下地のＧａＮ層を成長させる。膜厚は約３μｍである。温度１０００℃の下、ＴＭＧ：４５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ_４：２．７×１０^−９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３：４．４ＬＭで６０分間供給し、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層２１を成長させる。膜厚は約３μｍ、キャリア濃度は約５×１０^１８ｃｍ^−３である。

活性層２２として、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層膜からなる多重量子井戸構造を成長させる。ここではＩｎＧａＮ／ＧａＮを１周期として５周期成長させる。温度７００℃の下、ＴＭＧ：３．６μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルインジウムＴＭＩ：１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３：４．４ＬＭで３３秒供給し、膜厚約２．２ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を成長させる。温度７００℃の下、ＴＭＧ：３．６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３：４．４ＬＭで３２０秒供給し、膜厚約１５ｎｍのＧａＮ障壁層を成長させる。これを５周期行い、活性層２２を形成する。

温度８７０℃の下、ＴＭＧ：８．１μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルアルミニウムＴＭＡ：７．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ビスシクロペンタディエニルマグネシウムＣＰ２Ｍｇ：２．９×１０^−７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３：４．４ＬＭで５分間供給し、Ｍｇドープしたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を成長させる。膜厚は約４０ｎｍである。温度８７０℃の下、ＴＭＧ：１８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＣＰ２Ｍｇ：２．７×１０^−７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３：４．４ＬＭで７分間供給し、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＮ層２３を成長させる。膜厚は約１５０ｎｍであり、キャリア濃度は約１×１０^１８cm^−３である。

図５Ｂに示すように、ｐ型ＧａＮ層２３の上に、構造体３０選択成長のためのマスク７０を形成する。上記工程で得られた半導体層２０付きの基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、熱ＣＶＤ装置へ移す。基板温度４００℃にて、シラン、酸素、チッソを導入し、ｐ型ＧａＮ層２３表面全域にＳｉＯ_２膜を形成する。熱ＣＶＤ装置から基板１０を取り出し、既存のフォトリソグラフィ技術によりＳｉＯ_２膜をパターニングする。具体的にはＳｉＯ_２膜表面にフォトレジストを塗布、露光、現像し、バッファードフッ酸でエッチングする。

図６は、マスク７０のパターン例である。図示のマスクパターンは、円形の開口８０（開口径ｌ＝３μｍ）が、ｐ＝２μｍの間隔で最稠密構造で配列する。このとき、マスク７０により選択成長する構造体３０の底面である正六角形の対角線Ｌは開口部の径ｌとほぼ同じとなる。

図５Ｃを用いて窒化物半導体発光素子の製造方法の説明を続ける。マスク７０が形成されたウエハを再びＭＯＣＶＤ装置に投入し、マスク７０の開口８０において、構造体３０を選択成長させる。温度８７０℃の下、ＴＭＧ：１８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＣＰ２Ｍｇ：４４ｓｃｃｍ、ＮＨ_３：４．４ＬＭで４分間供給し、高さ約１μｍのＭｇドープした下層のｐ型ＧａＮ層３１を成長させる。温度８７０℃の下、ＴＭＧ：１８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３：４．４ＬＭで５分間供給し、高さ約１．４μｍのノンドープの上層のＧａＮ層３２を成長させる。構造体３０の高さは約２．４μｍとなる。

図５Ｄに示すように、ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、バッファードフッ酸でマスク７０を除去する。得られたウエハを窒素雰囲気中、温度８５０℃で３分間加熱し、アクティベーションする。

図５Ｅに示すように、ｎ型ＧａＮ層２１の一部が表出するように、ウエハ上方からドライエッチングを施す。ドライエッチングの際は、フォトリソグラフィにてレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりレジストパターンで覆われていない部分をエッチングする。その後、レジストパターンをリムーバで除去する。ｎ型ＧａＮ層２１が露出した部分を覆うようなレジストパターンを新たにフォトリソグラフィで形成した後、蒸着および合金炉を用いて、構造体３０およびｐ型半導体層２３を覆うようにＩＴＯからなる透光性電極４０を形成する。その後、レジストパターンをリムーバで除去する。

図５Ｆに示すように、透光性電極４０の一部表面と、ｎ型ＧａＮ層２１の露出面にそれぞれＴｉＡｕからなるｐ側パッド電極５０およびＴｉＡｌからなるｎ側電極６０を形成する。パッドもしくは電極形成の際は、それぞれが形成される部分以外にはマスクをフォトリソグラフィ等で形成しておき、パッドもしくは電極形成後は、マスクをリムーバで除去する。

こうして、窒化物半導体発光素子１０１が完成する。一枚の基板から複数の素子を製造する場合は、スクライブ後ブレイキングして素子分離を行う。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、ｎ型半導体層２１とｐ型半導体層の位置を入れ替えても良い。この場合、構造体３０の下層３１にドープするドーパントは例えばＳｉである。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１は、窒化物半導体発光素子１０１の概略断面図である。 図２は、構造体３０の概略断面図である。 図３は、構造体３０の斜視図である。 図４は、構造体の配置を示した概略断面図である。 図５Ａ〜図５Ｃは、窒化物半導体発光素子１０１の主な製造工程を示した概略断面図である。 図５Ｄ〜図５Ｆは、窒化物半導体発光素子１０１の主な製造工程を示した概略断面図である。 図６は、マスク７０のパターン例である。

符号の説明

１０ 基板
２０ 半導体層
２１ ｎ型半導体層
２２ 活性層
２３ ｐ型半導体層
３０ 構造体
３１ 下層
３２ 上層
４０ 透光性電極
５０ ｐ側パッド電極
６０ ｎ側電極
７０ マスク
８０ 開口
１０１ 窒化物半導体発光素子
ｐ 間隔

Claims (8)

1. 六方晶系構造の窒化物半導体成長用の基板と、
   前記基板上方に形成された、第１導電型の第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に形成された、電流が流れることにより発光する活性層と、該活性層の上に形成された、第２導電型の第２の窒化物半導体層とを含んだ半導体層と、
   前記第２の窒化物半導体層の上方の少なくとも一部に形成され、前記窒化物半導体の六方晶系構造由来の六角錐形状を有する構造体と、
   前記第２の窒化物半導体層と前記構造体の表面を覆う透光性電極と
   を有し、
   前記構造体は、第２導電型の窒化物半導体からなる下層と、意図的に不純物をドープしない窒化物半導体からなる上層とで構成された窒化物半導体発光素子。
2. 前記下層の側面の面積Ｓが、前記構造体の底面である六角形の対角線をＬとすると、
   Ｓ≧３・３^１／２／８・Ｌ^２
   の関係を満たす請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記構造体の側面と底面の為す角をγとし、底面である六角形の対角線をＬとする時、該構造体の間隔ｐが、
   ｐ＞Ｌ／２・（（ｔａｎγ）^２−１）
   の関係を満たす請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記構造体の下層の高さをｈ、側面と底面の為す角をγとし、底面である六角形の対角線をＬとする時、前記構造体の間隔ｐが
   ３^１／２／４・ｔａｎγ（１−（１−ｃoｓγ）^１／２）（（ｔａｎγ）^２−１）・Ｌ≦ｐ≦Ｌ／２・（（ｔａｎγ）^２−１）
   の関係を満たし、かつ下層の高さｈが、
   ３^１／２／４・ｔａｎγ（１−（１−ｃoｓγ）^１／２）・Ｌ≦ｈ≦ｐ２（ｃoｓγ／ｓiｎγ）／｛１−（ｃoｓγ／ｓiｎγ）^２ ｝
   の関係を満たす請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
5. ａ）六方晶系構造の窒化物半導体成長用の基板を準備する工程と、
   ｂ）前記基板の上に、第１導電型の窒化物半導体層を成長させる工程と、
   ｃ）前記第１の窒化物半導体層の上に、電流が流れることで発光する活性層を成長させる工程と、
   ｄ）前記活性層の上に、第２導電型の第２の窒化物半導体層を成長させる工程と、
   ｅ）前記第２の窒化物半導体層の表面の少なくとも一部に、窒化物半導体の六方晶系構造由来の六角錐形状の構造体を成長させる工程と
   を含み、
   前記工程ｅ）は、
   ｅ−１）前記第２の窒化物半導体層の表面に、選択成長用のマスクを形成する工程と、
   ｅ−２）選択成長により、第２導電型の窒化物半導体からなる前記構造体の下層を成長させる工程と、
   ｅ−３）選択成長により、前記下層の上に意図的に不純物をドープしない窒化物半導体からなる前記構造体の上層を成長させる工程と
   を含む窒化物半導体発光素子の製造方法。
6. 前記下層の側面の面積Ｓが、前記構造体の底面である六角形の対角線をＬとすると、
   Ｓ≧３・３^１／２／８・Ｌ^２
   の関係である請求項５記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
7. 前記構造体の側面と底面の為す角をγとし、底面である六角形の対角線をＬとする時、該構造体の間隔ｐが、
   ｐ＞Ｌ／２・（（ｔａｎγ）^２−１）
   の関係を満たす請求項５または６記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
8. 前記構造体の下層の高さをｈ、側面と底面の為す角をγとし、底面である六角形の対角線をＬとする時、前記構造体の間隔ｐが
   ３^１／２／４・ｔａｎγ（１−（１−ｃoｓγ）^１／２）（（ｔａｎγ）^２−１）・Ｌ≦ｐ≦Ｌ／２・（（ｔａｎγ）^２−１）
   の関係を満たし、かつ下層の高さｈが、
   ３^１／２／４・ｔａｎγ（１−（１−ｃoｓγ）^１／２）・Ｌ≦ｈ≦ｐ２（ｃoｓγ／ｓiｎγ）／｛１−（ｃoｓγ／ｓiｎγ）^２ ｝
   の関係を満たす請求項５または６記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。

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