JP2010056459A - 発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光取り出し効率を十分に向上させた発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の発光素子の製造方法は、第１の主面１ａと第２の主面１ｂとを有する単結晶基板１の第１の主面１ａ上に、第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａと、発光層４ｂと、第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ｃと、を積層して光半導体部４を形成する工程と、第２の主面１ｂ上に、極性反転層２をエピタキシャル成長により形成する工程と、角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体３を極性反転層２上に形成する工程と、を具備する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体を有する発光素子の製造方法に関する。

現在、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子の開発が行われている。このような発光素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体を有している。

近年、特にＩＩＩ族窒化物半導体を有する発光素子の光取り出し効率の向上を目的とした開発が数多くされている。

例えば、特許文献１には、光の取り出し効率を向上させるために、光取り出し面である基板の主面を凹凸加工することが記載されている。
特開２００７-２０７９８１号公報

しかし、特許文献１に記載された発光素子の凹凸面は粗面であり、凹凸形状が制御されたものではなく、光取り出し効率向上の効果が不十分であった。

本発明は、光取り出し効率を十分に向上させた発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、ＩＩＩ族極性を示す第１の主面とＮ極性を示す第２の主面とを有するＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板の前記第１の主面上に、第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、ＩＩＩ族窒化物半導体から構成される発光層と、第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を積層して光半導体部を形成する工程と、前記第２の主面上に、Ｎ極性をＩＩＩ族極性に変換する極性反転層をエピタキシャル成長により形成する工程と、成長した結晶面が角錐体の斜面となるようにエピタキシャル成長により角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体を前記極性反転層上に形成する工程と、を具備する発光素子の製造方法に関する。

前記極性反転層の形成工程と前記角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体の形成工程との間に、前記極性反転層を複数に均等分割する工程をさらに含むことが好ましい。

前記極性反転層の形成工程の前工程として、前記第２の主面上に、前記極性反転層のエピタキシャル成長に対して不活性な材料から成る物質により成長用マスクパターンを形成して、相互に均等分割された複数の前記第２の主面上に露出部を形成する工程をさらに含み、前記極性反転層の形成工程において、前記第２の主面上の前記露出部上に、Ｎ極性をＩＩＩ族極性に変換する極性反転層をエピタキシャル成長により形成し、前記極性反転層の形成工程と前記角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体の形成工程との間に、前記マスクパターンを除去する工程をさらに含むことが好ましい。

本発明の発光素子の製造方法によれば、光半導体部のＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板の第２の主面上に極性反転層を形成し、極性反転層上に、成長した結晶面が角錐体の斜面となるようにエピタキシャル成長により角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体を形成することにより、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板の主面のうち光半導体部が設けられる側とは反対側の主面側に、角錐体状の突起を形成することができる。これにより角錐体の体積変化に伴って屈折率変化が緩やかになるため、光取り出し効率を十分に向上させることが可能となる。

前記極性反転層の形成工程と前記角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体の形成工程との間に、極性反転層を複数に均等分割する工程をさらに含むことが好ましく、これにより角錐体状の突起が周期的に形成され、発光素子の光取り出し効率をさらに向上させることが可能となる。

成長用マスクパターンを形成して、相互に均等分割された複数の前記第２の主面上に露出部を形成したのち、Ｎ極性をＩＩＩ族極性に変換する極性反転層をエピタキシャル成長により形成して除去する工程を好適に含むことにより、極性反転層が均等分割されて、極性反転層の上に角錐体状の突起が周期的に形成され、発光素子の光取り出し効率をさらに向上させることが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の発光素子の製造方法について詳細に説明する。

なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことは何ら差し支えない。

図１は、発光素子の一例を示す模式的な縦断面図である。図１において、１はＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板、１ａは単結晶基板１の第１の主面、１ｂは単結晶基板１の第２の主面、２は極性反転層、３は角錘体状のＩＩＩ族窒化物半導体、４は光半導体部、４ａは第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層、４ｂはＩＩＩ族窒化物半導体層から構成される発光層、４ｃは第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層、５はｐ型電極、６はｎ型電極、７はパッド電極をそれぞれ示す。

本発明の発光素子の製造方法は、（１）ＩＩＩ族窒化物半導体から構成される光半導体部の形成工程（以下、工程１）、（２）極性反転層の形成工程（以下、工程２）、および（３）角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体の形成工程（以下、工程３）を具備する。

以下、各工程について図２（１）〜（３）をもとに説明する。なお図２（１）は工程１を、図２（２）は工程２を、また、図２（３）は工程３をそれぞれ示す。なお、工程１、工程２、工程３と工程を番号で示しているが、工程１に関しては、工程２および３の前に必須として行う工程ではなく、例えば、工程２および３を行ったのちに工程１を行ってもよい。

＜工程１＞
工程１は、光半導体部を形成する工程である。光半導体部は、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板１の第１主面上１ａ上に形成される（図１（１）参照）。

なお、本発明において「ＩＩＩ族窒化物半導体」とは、Ｖ族元素である窒素とＩＩＩ族元素とから構成される半導体をいう。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などが挙げられる。

（ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板１）
ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板１は、元素周期律表においてＩＩＩ族（１３族）極性を示す第１の主面１ａと、Ｎ極性を示す第２の主面１ｂと、を有する。例えば、ＩＩＩ族元素がＧａの場合、ＩＩＩ族極性とはＧａ極性を意味する。窒化物半導体の単結晶基板としては、例えば、窒化ガリウムの単結晶基板、窒化アルミニウムの単結晶基板などが挙げられる。

なお、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板１の主面においてＩＩＩ族極性かＮ極性かの判別は、ＫＯＨによるエッチング耐性評価、収束電子線回折法、同軸型直衝突イオン分光法等の分析法により行われる。

ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板１の厚みは、具体的には５０〜５００μｍである。

（光半導体部４）
光半導体部４は、第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａと、ＩＩＩ族窒化物半導体から構成される発光層４ｂと、第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ｃと、を積層して作製される。

第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａとしては、ｎ型のＩＩＩ族窒化物半導体層が挙げられる。ＩＩＩ族窒化物半導体層としては、例えば、窒化ガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層などが挙げられる。また、ＩＩＩ族窒化物半導体層をｎ型とするには、元素周期律表においてＩＶ族の元素であるＳｉ等をドーパントとして窒化物半導体層に混入させればよい。第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａの厚みは２〜３μｍ程度である。

また、第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ｃとしては、ｐ型の窒化物半導体が挙げられる。第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ｃとしては、例えば、窒化ガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層などが挙げられる。第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ｃをｐ型とするには、元素周期律表においてＩＩ族の元素であるＭｇ等をドーパントとして窒化物半導体層に混入させればよい。第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ｃの厚みは２００〜３００ｎｍ程度である。

ＩＩＩ族窒化物半導体から構成される発光層４ｂは、第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａと第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ｃとの間に設けられる。発光層４ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回（例えば約３回）繰り返し規則的に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい（図示せず）。なお、障壁層としては、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層などが挙げられる。また、井戸層としては、Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層などが挙げられる。障壁層の厚みは５〜１５ｎｍ程度、井戸層の厚みは２〜１０ｎｍ程度である。発光層４ｂの厚みは２５〜１５０ｎｍ程度である。

第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａと、ＩＩＩ族窒化物半導体から構成される発光層４ｂと、第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層との成長方法４ｃとしては、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、有機金属エピタキシー（ＭＯＶＰＥ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ；Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ；Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ）法等が用いられる。

以下に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によるエピタキシャル成長の具体例を示す。

まず、第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａを成長させる。例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板１の温度を９５０〜１１５０℃とし、ＩＩＩ族窒化物半導体として窒化ガリウム（ＧａＮ）を数μｍ程度（例えば１〜５μｍ）の厚さで形成し、第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａを作製すればよい。この際、Ｓｉをドープする。

また、発光層４ｂは、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板１の温度を７００℃程度とし、厚さ５〜５０ｎｍ程度の窒化インジウムガリウム（Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ）から成る障壁層と、厚さ１〜２０ｎｍ程度の窒化インジウムガリウム（Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ）から成る井戸層とを順次積層して形成すればよい。

また、第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ｃは、第１のｐ型クラッド層、第２のｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層からなる。第１のｐ型クラッド層は、基板１の温度を７００℃程度とし、多重量子井戸層の障壁層上に、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ）層を、１０〜１００ｎｍ程度の厚さで形成する。また、第２のｐ型クラッド層は、基板１の温度を８２０℃程度とし、第１のｐ型クラッド層上に、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）層を５０〜３００ｎｍ程度の厚さで形成する。また、ｐ型コンタクト層は、基板１の温度を８２０〜１０５０℃程度とし、第２のｐ型クラッド層上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）層を、５〜５０ｎｍ程度の厚さで形成する。この際、ｐ型不純物元素としては、マグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ）等が添加される。

以上より、光半導体部４を形成する。

ｎ型電極６としては、第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａと良好にオーミック接続する材質から成る層状のものが好ましい。また、ｐ型電極５は第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ｃと良好にオーミック接続でき、かつ発光層からの発光を透過させられる材質から成る層状のものが好ましい。ｎ型電極６およびｐ型電極５としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｂｅ、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ａｕ−Ｓｉ合金、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｕ−Ｚｎ合金、Ａｕ−Ｂｅ合金などからなるものがよい。

工程１において、図２（１）に示すように、光半導体部４は、第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａの表面が露出するまでエッチングされていてもよい。そして、第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ａ、第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層４ｃには、それぞれの層と良好なオーミック接続することができる材質から成るｐ型電極５およびｎ型電極６が形成される。そして、ｐ型電極５およびｎ型電極６上には電極と良好な電気伝導を取る材質からなるパッド電極７が形成されている。

ｐ型電極５およびｎ型電極６は、Ｎｉ，Ａｕ層を積層したもの、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）層から成るもの等を用いることができる。パッド電極７としては、Ｔｉ層，Ａｕ層を積層したもの等を使用することができる。

＜工程２＞
工程２は、第２の主面上１ｂに、Ｎ極性をＩＩＩ族極性に変換する極性反転層２をエピタキシャル成長により形成する工程である（図２（２）参照）。

（極性反転層２）
ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板１の第２の主面１ｂ上に、化学式Ｇａ_1-x-yＡｌ_xＩｎ_yＮ（ただし、０＜ｘ≦１，０＜ｘ＋ｙ≦１，０≦ｙ＜０．１である）で表される極性反転層２が設けられる。この化学式を満たすＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば、Ｇａ_０．０９Ａｌ_０．９Ｉｎ_０．０１Ｎ等が挙げられる。

前記化学式においてｙが０．１未満である。これによりＩｎが少なく、成長温度を高くすることができる。

前記化学式においてｘは０より大きい、つまり、極性反転層２はＡｌを含む。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板１と、工程３により形成される角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体３との間の結合力、歪み応力に変調を加えることができる。変調の効果には結合力の増加、引張り歪み変調等、その他諸々の効果が候補として挙げられる。詳細な作用機構は不明であるが、上記の組成比とし、Ａｌを含む極性反転層２を第２の主面１ｂ上に設けることにより、単結晶基板１の両面をＩＩＩ族極性に制御することができる。

極性反転層２が存在することで、単結晶基板１の第２の主面を、表面平坦性や不純物の取込など、形状制御性や結晶品質の観点から適さないＮ極性からＩＩＩ族極性に変換することにより、極性反転層２を設けない場合は設けることができなかった角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体３を形成することができる。

なお、極性反転層２は２層以上の積層構造から形成されていてもよく、多結晶膜やアモルファス層が含まれていても良い。極性反転層２の厚みは、具体的には１〜１００ｎｍである。１００ｎｍ以下であることで、例えばＧａＮ基板の品質を引き継いだままＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体層の転位欠陥の増加を低減させて成長させることができる。そして、欠陥の非常に少ない高品質な窒化ガリウム系化合物半導体を形成することが可能となる。１ｎｍ以上であることが、原子ステップなどの凹凸のある表面をくまなく中間層で覆う点で好ましい。

工程２では、第２の主面上１ｂの温度を９５０〜１０５０℃とし、圧力を１００〜４００Ｔｏｒｒとしてエピタキシャル成長により極性反転層２を形成する。

＜工程３＞
工程３は、極性反転層２上に角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体３を形成する工程である（図２（３）参照）。

角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体３は、エピタキシャル成長により形成される。エピタキシャル成長としては有機金属エピタキシー（ＭＯＶＰＥ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法等が用いられる。

エピタキシャル成長の条件としては、成長した結晶面が角錐体の斜面となるものであればよい。具体的な条件としては、例えば圧力１００〜４００Ｔｏｒｒ、温度９００〜１０００℃などが挙げられる。

本発明では、成長した結晶面がｃ面ではなく、例えば、Ｒ面など結晶面が角錐体の斜面であればよい。結晶面の面方位は例えば、（１−１０１）、（１１−２２）などが挙げられる。

得られた角錐体の形状としては、三角錘体、六角錘体などが挙げられる。

角錐体３の底面の長さ（平均長さ）は、効果的な光散乱が得られる波長の約１〜２倍が好ましい。この範囲内であることにより、半導体層とその外部との間の屈折率差がより緩和されて光の反射が抑制されるとともに光散乱の効果が得られる。その結果、角錐体３が無い場合には、外部との界面において臨界角を超えて全反射し、発光素子内部に閉じ込められていた光も、角錐体３によって光の進行方向が変化するために、臨界角以内に入る割合が増加することによって、光取り出し量が向上する。なお、底面の長さとは、隣り合わない二つの頂点を結ぶ線分が最大となる長さをいう。

また、角錐体３の高さ（平均高さ）は、３００〜１５００ｎｍであることが好ましい。角錐体３の高さが上記範囲内であることにより、半導体層から外部にかけての実効的屈折率の変化が緩やかであるため、透過率の向上効果が十分に得られる。

以上のように工程１〜３を経ることにより、図１に示す発光素子を作製することができる。なお、得られた発光素子は、角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体３を光取り出し面としており、第１の主面１ａ側の電極パッド７をパッケージに実装させたフリップチップ実装を想定したものである。

本発明の発光素子の製造方法では、図３に示すように、極性反転層２を均等に分割することにより、工程３において得られる角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体３を周期的に形成することができる。「均等に分割する」とは、分割されて得られた極性反転層の体積差（面積差が５％以内であればよい。

極性反転層２を均等に分割する方法としては、成長させた極性反転層２を分割する方法と、極性反転層２を成長させる基板領域を先に分割させ、その後に極性反転層２を成長させる方法と、が挙げられる。なお、いずれの場合にも、分割された極性反転層２上にＩＩＩ族窒化物半導体３を堆積させる際に、極性反転層２上以外に堆積したＩＩＩ族窒化物半導体３は、ＫＯＨなどの薬品により容易に除去できる。

極性反転層２を成長させた後に分割する方法としては、工程（２）と工程（３）との間に、極性反転層２を複数に均等分割する工程が挙げられる。この場合、極性反転層２は、例えば、ドライエッチングなどの方法により均等分割される。

また、極性反転層２を成長させる基板領域を分割させた後に成長させる方法としては、工程（１）と工程（２）との間に、第２の主面１ｂ上に、極性反転層２のエピタキシャル成長に対して不活性な材料から成る物質により成長用マスクパターンを形成して、相互に均等分割された複数の第２の主面１ｂ上に露出部を形成し、工程（２）において、第２の主面１ｂ上の露出部上に、Ｎ極性をＩＩＩ族極性に変換する極性反転層２をエピタキシャル成長により形成したのちマスクパターンを除去する工程が挙げられる。

成長用マスクパターンは、極性反転層２のエピタキシャル成長に対して不活性な材料から成り、具体的にはＳｉＯ₂，多結晶シリコンなどが挙げられる。これらはＩＩＩ族窒化物半導体のエピタキシャル成長に対して不活性である。

成長用マスクパターンは、具体的に、蒸着やＣＶＤ等によりマスク材料を一面に成膜した後、フォトリソグラフィおよびエッチングをすることにより形成される。

形成された成長用マスクパターンは、後の工程で作製される極性反転層２を所望の形状に分離することができればよい。

成長用マスクパターンを形成した後に、成長用マスクパターンによって分離された極性反転層２を、エピタキシャル成長によって形成する。

極性反転層２を形成したのちに成長用マスクパターンを除去して、極性反転層を分離させる。具体的に、マスク材料がＳｉＯ_２の場合はフッ酸、多結晶シリコンの場合は硝酸及びフッ酸による混酸によるウェットエッチングをすることにより成長用マスクパターンを除去する。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

本発明の製造方法により得られる発光素子の一例を示す模式的な縦断面図である。 （１）〜（３）は、本発明の製造方法を工程毎に示す断面図である。 本発明の製造方法により得られる発光素子の一例を示す模式的な縦断面図である。

符号の説明

１ 窒化物半導体の単結晶基板
１ａ 第１の主面
１ｂ 第２の主面
２ 極性反転層
３ 錘状の窒化物半導体
４ 光半導体部
４ａ 第１導電型窒化物半導体層
４ｂ 発光層
４ｃ 第２導電型窒化物半導体層
５ ｐ型電極
６ ｎ型電極
７ パッド電極

Claims (3)

1. ＩＩＩ族極性を示す第１の主面とＮ極性を示す第２の主面とを有するＩＩＩ族窒化物半導体の単結晶基板の前記第１の主面上に、第１導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、ＩＩＩ族窒化物半導体から構成される発光層と、第２導電型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を積層して光半導体部を形成する工程と、
   前記第２の主面上に、Ｎ極性をＩＩＩ族極性に変換する極性反転層をエピタキシャル成長により形成する工程と、
   成長した結晶面が角錐体の斜面となるようにエピタキシャル成長により角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体を前記極性反転層上に形成する工程と、
   を具備する発光素子の製造方法。
2. 前記極性反転層の形成工程と前記角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体の形成工程との間に、前記極性反転層を複数に均等分割する工程をさらに含む請求項１記載の発光素子の製造方法。
3. 前記極性反転層の形成工程の前工程として、前記第２の主面上に、前記極性反転層のエピタキシャル成長に対して不活性な材料から成る物質により成長用マスクパターンを形成して、相互に均等分割された複数の前記第２の主面上に露出部を形成する工程をさらに含み、
   前記極性反転層の形成工程において、前記第２の主面上の前記露出部上に、Ｎ極性をＩＩＩ族極性に変換する極性反転層をエピタキシャル成長により形成し、
   前記極性反転層の形成工程と前記角錐体状のＩＩＩ族窒化物半導体の形成工程との間に、前記マスクパターンを除去する工程をさらに含む請求項１記載の発光素子の製造方法。
   
   

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