JP2011049533A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板と、シリコン基板上に形成された金属性バッファ層と、金属性バッファ層上に形成されたパターニングされた分散ブラッグ反射層と、パターニングされた分散ブラッグ反射層とパターニングされた分散ブラッグ反射層のパターン間の領域との上に形成された窒化物系薄膜層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＩｎｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１）発光層と、を備える発光素子。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、発光素子及びその製造方法に係り、シリコン基板上のＧａＮベースの発光素子及びその製造方法に関する。
最近、ＧａＮのような窒化物系半導体は、青紫色発光ダイオード及びレーザーダイオードのような発光素子及び高速スイッチング、高出力素子の電子素子に応用されている。ＧａＮベースのＬＥＤは、主に２インチサファイア基板を中心に製作され、現在４インチ基板に転換中であるが、まだ初期段階である。
ＬＥＤの生産量を増やしてコストダウンするためには、基板の大口径化が必要である。サファイア基板の場合、高コストであり、大口径で半導体層を成長させる時、低い熱伝導度によって高温で基板が曲がる恐れがあって均一度を維持し難い。
最近、ＧａＮベースの発光素子に使われる基板として、シリコン基板を使用することについての関心が高まりつつある。シリコン基板の場合、サファイア基板やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板に比べて低コストであるだけではなく、１２”（ｉｎｃｈ）ほどの大口径ウェーハの使用ができてコストダウン及び生産性向上が可能である。また、シリコン基板は、伝導性があるため、シリコン基板の下面に電極を形成する構造が可能であるので、工程段階が簡単になるという利点もある。また、シリコン基板はサファイア基板に比べて熱伝導度が高いため、高温で成長するＧａＮ薄膜成長温度でも基板の湾曲程度が小さくなりうる。そのため、８インチの基板で均一な薄膜特性が観察される。
このような様々な利点にもかかわらず、シリコン基板がＧａＮ発光素子の基板として使われないのは、シリコン基板とＧａＮ薄膜層との大きな格子定数の差及び熱膨張係数の差により高い転位密度（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）及び亀裂が生じるためである。また、シリコン基板が発光層で生成される光を吸収するので、ＬＥＤの外部量子効率（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ)が低くなるという点が問題になる。
本発明は、シリコン基板を使用したＧａＮベースの発光素子及びその製造方法を提供する。
本発明では、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された金属性バッファ層と、前記金属性バッファ層上に形成されたパターニングされた分散ブラッグ反射層と、前記パターニングされた分散ブラッグ反射層と前記パターニングされた分散ブラッグ反射層のパターン間の領域との上に形成された窒化物系薄膜層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＩｎｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１）発光層と、を備える発光素子が提供される。
前記分散ブラッグ反射層は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、ＢＰ、ＡｌＩｎＧａＮ、及びＡｌＢＧａＮから選択されたいずれか一つの材料からなる層とＳｉＯ２からなる層とが交互に積層されて形成される。
前記窒化物系薄膜層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる。
前記金属性バッファ層は、材料Ｘ及び材料Ｙを含む単層または複数層の膜構造で形成され、ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである。
前記パターニングされた分散ブラッグ反射層は、複数のホールを含み、前記金属性バッファ層は、前記分散ブラッグ反射層と同じ形状パターンを有する。
前記パターニングされた分散ブラッグ反射層上に材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層がさらに形成され、ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである。
前記ホールの内部に材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層をさらに備え、前記複数のホールはナノメートルオーダーのサイズを持ち、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである。
前記金属性バッファ層は、１ｎｍないし１μｍ範囲の厚さを持つ。
本発明では、シリコン基板上に金属性バッファ層及びパターニングされた分散ブラッグ反射層を備える反射バッファ層を形成する工程と、ＧａＮベースの発光層構造を形成する工程と、を含む発光素子の製造方法が提供される。
前記反射バッファ層を形成する工程は、前記シリコン基板上に前記金属性バッファ層を形成する工程と、前記金属性バッファ層上に前記分散ブラッグ反射層を形成する工程と、前記分散ブラッグ反射層を複数のホールが形成されるようにパターニングする工程と、を含む。
前記分散ブラッグ反射層は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、ＢＰ、ＡｌＩｎＧａＮ、及びＡｌＢＧａＮから選択されたいずれか一つの材料からなる層と、ＳｉＯ２からなる層とを交互に積層して形成される。
前記分散ブラッグ反射層は、ＳｉＣからなる層とＳｉＯ２からなる層とが交互に積層されて形成される。
前記金属性バッファ層を、材料Ｘ及び材料Ｙを含む単層または複数層の膜構造に形成し、ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである。
前記分散ブラッグ反射層をパターニングする時、前記金属性バッファ層は前記分散ブラッグ反射層と同じ形状でパターニングできる。
前記パターニングされた分散ブラッグ反射層上に材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層を形成する工程をさらに含み、ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである。
前記発光層構造を形成する工程は、前記複数のホールの内部及び前記ＸＹ材料層上にＧａＮベースの半導体材料を垂直成長させる工程を含む。
前記複数のホールをナノメートルオーダーのサイズに形成できる。
前記発光層構造を形成する工程は、前記複数のホール内部にナノロッドの形状にＧａＮベースの半導体材料を形成する工程と、ナノロッド形状に成長したＧａＮベースの半導体材料をエピタキシャル横方向成長させる工程と、を含む。
前記発光層構造を形成する工程は、前記複数のホールの内部に材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層を形成する工程と、前記ＸＹ材料層からベースの半導体材料をエピタキシャル横方向成長させる工程と、を含み、ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである。
本発明のＧａＮベースの発光素子は、金属性バッファ層及びパターニングされた分散ブラッグ反射層を含む反射バッファ層を備えており、シリコン基板による光吸収が減少して光抽出効率（ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が高い。
また、発光素子の製造方法によれば、優れた薄膜品質を有すると共に光効率の高い発光素子を大面積ウェーハに具現化できて生産性が増大する。
本発明の一実施形態による発光素子の概略的な構造を示す斜視図である。 図１Ａの部分断面図である。 分散ブラッグ反射層の反射率特性を熱処理前後に分けて示したグラフである。 比較例及び実施形態に対して、反射バッファ層の入射角による反射率特性を示すグラフである。 本発明の他の実施形態による発光素子の概略的な構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による発光素子の概略的な構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による発光素子の概略的な構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による発光素子の概略的な構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による発光素子の概略的な構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の一実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の一実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の一実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の一実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。 本発明の他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態の構成及び作用を詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は同じ構成要素を付し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜のため誇張されることがある。
図１Ａは、一実施形態による発光素子の概略的な構造を示す斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａについての部分断面図である。図面を参照すれば、発光素子１００は、シリコン基板１１０、シリコン基板１１０上に形成された反射バッファ層１３０、反射バッファ層１３０上に形成されたＧａＮベースの発光層構造１５０を備える。
反射バッファ層１３０は、シリコン基板１１０上に発光層構造１５０をなすＧａＮベースの半導体材料層を形成する時に発生しうる亀裂を低減させ、且つ発光層構造１５０で生成された光がシリコン基板１１０に吸収されることを低減させるために設けられたものである。このために、反射バッファ層１３０は、金属性バッファ層１３２とパターニングされた分散ブラッグ反射層１３４とを備える。
分散ブラッグ反射層１３４は、屈折率の周期的配列構造による光の反射を利用するものである。分散ブラッグ反射層１３４には、一般的にＳｉＯ２とＴｉＯ２とが交互に積層された構造が多く使われるが、本実施形態では、ＧａＮ薄膜成長時に要求される高温工程を考慮して、高温、例えば、約１０００℃ないし１２００℃の範囲の温度での熱処理に対して変性のほとんどない材料で分散ブラッグ反射層１３４を構成する。これについては、図２のグラフと共に後述する。分散ブラッグ反射層１３４は、エネルギーバンドギャップが約２．５ｅＶより大きい半導体材料を含む。ただし、これは、発光層１５４で青色帯域の波長の光が生成される場合を仮定したことであり、発光層１５４で生成される光の波長帯域によって、分散ブラッグ反射層１３４に含まれる半導体材料のエネルギーバンドギャップ範囲は適宜に調節されうる。分散ブラッグ反射層１３４は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、ＢＰ、ＡｌＩｎＧａＮ、及びＡｌＢＧａＮから選択されたいずれか一つの材料からなる層と、ＳｉＯ２からなる層とが交互に積層されて形成されうる。例えば、ＳｉＣからなる層とＳｉＯ２からなる層とが交互に積層されて形成されうる。分散ブラッグ反射層１３４の図示された層数は例示的なものであり、具体的な反射率特性を考慮して適宜に選択されうる。分散ブラッグ反射層１３４はまた、複数のホールＭＨを備える形状にパターニングされている。このようなホールＭＨを形成したのは、分散ブラッグ反射層１３４が伝導性を有しておらず、非晶質状態に蒸着されるので、分散ブラッグ反射層１３４上にＧａＮ結晶性薄膜を成長させ難いからである。複数のホールＭＨは約数ミクロンないし数十ミクロン程度のサイズに形成され、例えば、約１μｍないし１０μｍ範囲の直径を持つことができる。ホールのサイズが小さくなればなるほど、ＧａＮ半導体材料の亀裂が生じない（ｃｒａｃｋｆｒｅｅ）厚さが増加され得る。
金属性バッファ層１３２は、分散ブラッグ反射層１３４の反射特性を補助し、また、ＧａＮ薄膜成長のためのバッファ材料として設けられるものである。分散ブラッグ反射層１３４の反射特性は入射角に対する依存度が高いが、金属性バッファ層１３２を共に使用する場合、入射角に対する反射特性依存度が多少緩和される。これについては、図３のグラフと共に後述する。金属性バッファ層１３２の材質には、シリコン基板１１０との熱膨張係数の差と格子定数の差とが少ない材料を採用できる。金属性バッファ層１３２は、材料Ｘ及び材料Ｙ材料を含む単層または複数層の膜構造で形成され、約１ｎｍ〜１μｍ範囲の厚さを持つことができる。ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである。
パターニングされた分散ブラッグ反射層１３４上に材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層１３６がさらに形成されうる。ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである。ＸＹ材料層１３６の材質として、ＧａＮより格子定数の小さな材料を採用する場合、その上に形成されるＧａＮ薄膜が圧縮ひずみ（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒａｉｎ）を受け、高温条件で成長したＧａＮ薄膜が低温に冷却される時に受ける引張りひずみ（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒａｉｎ）を補償するようになる。ＸＹ材料層１３６の材料は、金属性バッファ層１３２の材質として選択された材料Ｘ及び材料Ｙと同一であってもよく、異なってもよい。
このような構造で、複数のホールＭＨの内部とＸＹ材料層１３６の上面とでＧａＮベースの半導体材料の垂直成長が可能になる。
発光層構造１５０は、分散ブラッグ反射層１３４上の領域及び分散ブラッグ反射層１３４のパターン間の領域に設けられた窒化物系薄膜層と、発光層１５４とを備える。窒化物系薄膜層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなり、発光層１５４は、ＡｌｘＧａ１−ｘＩｎｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１）層を備えてなりうる。さらに具体的に、発光層構造１５０は、ｎ−ＧａＮ層１５２、発光層１５４、ｐ−ＧａＮ層１５６を備える。発光層１５４は、ＧａＮ系のIII−V族窒化物半導体からなり、例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＩｎＡｌＧａＮの単一量子井戸構造または多重量子井戸構造で形成されうる。ｐ−ＧａＮ層１５６、ｎ−ＧａＮ層１５２はＧａＮベースの半導体材料、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）層の成長時にｐ型不純物及びｎ型不純物を各々ドーピングして形成する。
電極層１７０、１８０は、発光層１５４で電子正孔結合が行われるように電力を印加するものであって、シリコン基板１１０の下面及びｐ−ＧａＮ層１５６の上面に設けられる。シリコン基板１１０は伝導性があるため、電極層１７０をシリコン基板１１０の一面に用意することができる。例えば、伝導性のないサファイア基板を使用して発光構造物を形成した場合には、サファイア基板をサファイア基板上の発光構造物から分離する工程がさらに必要であるという不便さがある。
図面では垂直構造（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、すなわち、下部の電極層１７０がシリコン基板１１０の下面に配された構造で図示したが、これは例示的なものであり、これに限定されるものではない。水平構造を採用してもよいが、すなわち、反射バッファ層１３０と発光層構造１５０との側面一部をエッチングして現れるシリコン基板１１０の上面に電極層１７０を配置することもできる。
図２は、分散ブラッグ反射層の反射率特性を熱処理前後に分けて示したグラフである。発明者は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程による高温条件でＳｉＯ２、ＴｉＯ２、及びＳｉＣの薄膜品質変化を実験的に観察したが、ＳｉＯ２やＳｉＣの場合、変性（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）がほとんどない一方、ＴｉＯ２は、熱処理により薄膜品質が劣化することを確認した。図２は、これらの実験結果を反射率グラフで示したものである。グラフでは、分散ブラッグ反射層をＳｉＯ２／ＴｉＯ２で構成した場合と、ＳｉＯ２／ＳｉＣで構成した場合とを比較して示している。熱処理条件は、ＭＯＣＶＤ反応器内で１１００℃の下、Ｈ２雰囲気２０分、ＮＨ３雰囲気２０分である。分散ブラッグ反射層がＳｉＯ２／ＴｉＯ２を含む場合、反射率特性が熱処理後に顕著に低下することが分かる。一方、分散ブラッグ反射層がＳｉＯ２／ＳｉＣを含む場合、熱処理前後の反射率特性変化が微小である。
図３は、比較例及び実施形態に対して、反射バッファ層の入射角による反射率特性を示したグラフである。実施形態は、反射バッファ層１３０が分散ブラッグ反射層１３４と金属性バッファ層１３２とで形成される場合であり、比較例は、金属性バッファ層を採用していない場合である。比較例の場合、入射角によって反射率特性が異なり、反射率が０である入射角が存在することが分かる。発光層１５４で生成される光が方向性なしにランダムな方向に出射されることを考慮すると、このような現象は、光抽出効率低下の原因になることが分かる。実施形態の場合、入射角による反射率特性変化が大きく減少したことが分かる。
このように、前述した構造の反射バッファ層１３０を使用することによって、発光層１５４で生成された光がシリコン基板１１０に吸収されず、反射バッファ層１３０で反射されて外部に放出されることができるので外部量子効率が高くなる。また、シリコン基板１１０を使用しつつも亀裂の少ない薄膜成長が可能であり、電極層１７０、１８０の形成工程が容易になる。
以下、図１Ａ及び図１Ｂで説明した発光素子と類似した性能を持つことができる発光素子についての様々な実施形態を説明する。
図４は、他の実施形態による発光素子２００の概略的な構造を示す断面図である。発光素子２００は、シリコン基板１１０、反射バッファ層２３０、及び発光層構造１５０を備える。反射バッファ層２３０は、金属性バッファ層２３２、及び複数のホールＭＨを持つ形態にパターニングされた分散ブラッグ反射層２３４を備え、金属性バッファ層２３２が分散ブラッグ反射層２３４と同じ形態にパターニングされている。また、分散ブラッグ反射層２３４上には材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層２３６が形成されている。このような構造の場合、ホールＭＨの内部から金属性バッファ層２３２上にＧａＮ薄膜が成長する構造ではないため、金属性バッファ層２３２を結晶質で形成しなくてもよいという利点がある。発光層構造１５０を形成するために、ホールＭＨの内部下面にバッファ材料でＡｌＮ層をさらに形成できる。
図５は、他の実施形態による発光素子３００の概略的な構造を示す断面図である。発光素子３００は、シリコン基板１１０、反射バッファ層３３０、及び発光層構造１５０を備える。反射バッファ層３３０は、金属性バッファ層３３２と分散ブラッグ反射層３３４とを備え、分散ブラッグ反射層３３４は、ナノメートルオーダーのサイズを持つ複数のホールＮＨを備える形状にパターニングされている。ホールＮＨは約１０ｎｍないし１μｍ範囲の直径を持つことができ、例えば、約１００ｎｍ程度の直径を持つことができる。このような構造で、発光層構造１５０は複数のホールＮＨの内部にナノロッドの形状にＧａＮ薄膜を成長させ、エピタキシャル横方向成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ:ＥＬＯＧ）させる過程により形成されうる。
図６は、他の実施形態による発光素子４００の概略的な構造を示す断面図である。発光素子４００は、シリコン基板１１０、反射バッファ層４３０、発光層構造１５０を備える。反射バッファ層４３０は、金属性バッファ層４３２、複数のホールＮＨを持つ形態にパターニングされた分散ブラッグ反射層４３４を備え、金属性バッファ層４３２は、分散ブラッグ反射層４３４と同じ形態にパターニングされている。このような構造の場合、ホールＮＨの内部から金属性バッファ層４３２上にＧａＮ薄膜が成長する構造ではないため、金属性バッファ層４３２を結晶質で形成しなくてもよいという便利さがある。ナノロッドの形態にＧａＮ材料を成長させる場合、シリコン基板１１０との格子定数の差や熱膨張係数の差による影響をあまり受けないと知られている。
図７は、他の実施形態による発光素子５００の概略的な構造を示す断面図である。発光素子５００は、シリコン基板１１０、反射バッファ層５３０、及び発光層構造１５０を備える。反射バッファ層５３０は、金属性バッファ層５３２、及び複数のホールを持つ形状にパターニングされた分散ブラッグ反射層５３４を備え、複数のホールの内部にはＸＹ材料層５３５が形成される。このような構造で、ＸＹ材料層５３５からＥＬＯＧ成長によるＧａＮ薄膜の形成が可能になる。ＸＹ材料層５３５の材質は、金属性バッファ層５３２の材質として選択されたＸＹ材料と同一であっても、異なってもよい。
図８は、他の実施形態による発光素子６００の概略的な構造を示す断面図である。発光素子６００は、シリコン基板１１０、反射バッファ層６３０、及び発光層構造１５０を備える。反射バッファ層６３０は、金属性バッファ層６３２、及び複数のホールを持つ形状にパターニングされた分散ブラッグ反射層６３４を備える。金属性バッファ層６３２は、パターニングされた分散ブラッグ反射層６３４と同じ形状にパターニングされている。複数のホール内部には材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層６３５が形成されており、これから、ＥＬＯＧ成長によるＧａＮ薄膜成長が可能である。
前述した実施形態による発光素子は、金属性バッファ層及びパターニングされた分散ブラッグ反射層を含む反射バッファ層を備えていて、シリコン基板による光吸収が減少して光抽出効率が高い。
図９Ａないし図９Ｅは、一実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。図９Ａを参照すれば、シリコン基板１１０上に金属性バッファ層１３２と、分散ブラッグ反射層１３４とが形成されている。金属性バッファ層１３２は、シリコン基板１１０との格子定数差や熱膨張係数差の少ない材料で形成されており、例えば、材料Ｘ及び材料Ｙを有するＸＹ材料を含む単層または複数層の膜構造で形成されうる。ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである。金属性バッファ層１３２は約１ｎｍ〜１μｍ範囲の厚さを持つことができる。分散ブラッグ反射層１３４の材料には、後述するＧａＮベースの半導体材料の成長工程で、ＭＯＣＶＤによる高温条件で変性の少ない材料を採用できる。分散ブラッグ反射層１３４は、例えば、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、ＢＰ、ＡｌＩｎＧａＮ、及びＡｌＢＧａＮから選択されたいずれか一つの材料からなる層と、ＳｉＯ２からなる層とを交互に積層することによって形成されうる。分散ブラッグ反射層１３４がＳｉＯ２／ＳｉＣで形成された場合、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２で形成された場合と比較する時、高温工程後にも反射率特性変化が非常に少ないということは、前述した通りである。
次いで、図９Ｂのように、分散ブラッグ反射層１３４をパターニングして分散ブラッグ反射層１３４に複数のホールＭＨを形成する。ホールＭＨの直径は約数十ミクロンないし数十ミクロン程度であって、例えば、１μｍないし１０μｍ範囲で形成できる。
次いで、図９Ｃのように、パターニングされた分散ブラッグ反射層１３４上にＸＹ材料層１３６を形成する。この工程は、図９Ｂの工程と順序が入れ替わってもよい。すなわち、分散ブラッグ反射層１３４上にＸＹ材料層１３６を蒸着した後、分散ブラッグ反射層１３４とＸＹ材料層１３６とを共にパターニングすることもできる。
次いで、図９Ｄのように、ＸＹ材料層１３６の上面及びホールＭＨの内部にＧａＮベースの半導体材料１５０’を垂直成長させることによって、図９Ｅのような構造の発光素子１００が製造される。
図１０Ａないし図１０Ｅは、他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。図１０Ａを参照すれば、シリコン基板１１０上に金属性バッファ層２３２、及び分散ブラッグ反射層２３４が形成される。次いで、図１０Ｂのように、分散ブラッグ反射層２３４と金属性バッファ層２３２とを共にパターニングして複数のホールＭＨを形成する。ホールＭＨの直径は、約数ミクロン程度に形成できる。次いで、図１０Ｃのように、パターニングされた分散ブラッグ反射層２３４上にＸＹ材料層２３６を形成する。この工程は、図９Ｂの工程と順序が入れ替わってもよい。すなわち、分散ブラッグ反射層２３４上にＸＹ材料層２３６を蒸着した後、分散ブラッグ反射層２３４、金属性バッファ層２３２、及びＸＹ材料層２３６を共にパターニングすることもできる。次いで、図９Ｄのように、ＸＹ材料層２３６の上面及びホールＭＨの内部にＧａＮベースの半導体材料１５０’を垂直成長させることによって、図９Ｅのような構造の発光素子２００が製造される。
図１１Ａないし図１１Ｄは、他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。図１１Ａを参照すれば、シリコン基板１１０上に金属性バッファ層３３２、及び分散ブラッグ反射層３３４が形成される。次いで、図１１Ｂのように、分散ブラッグ反射層３３４をパターニングして複数のホールＮＨを形成する。ホールＮＨの直径はナノメートルオーダーのサイズを持ち、約１０ｎｍ〜１μｍ範囲のサイズを持つことができる。次いで、図１１Ｃのように、ホールの内部にナノロッド形態にＧａＮベースの半導体材料１５０’を成長させ、ＥＬＯＧ成長させる。図１１Ｄのような構造の発光素子３００が製造される。
図１２Ａないし図１２Ｃは、他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。図１２Ａを参照すれば、シリコン基板１１０上に金属性バッファ層４３２、及び分散ブラッグ反射層４３４が形成され、金属性バッファ層４３２と分散ブラッグ反射層４３４とが同じパターンでパターニングされて複数のホールＮＨが形成されている。次いで、図１２Ｂのように、ホールの内部にナノロッド形状にＧａＮベースの半導体材料１５０’を成長させ、ＥＬＯＧ成長させることによって、図１２Ｃのような発光素子４００が製造される。
図１３Ａないし図１３Ｄは、他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。図１３Ａを参照すれば、シリコン基板１１０上に金属性バッファ層５３２、及び分散ブラッグ反射層５３４が形成され、分散ブラッグ反射層５３４がパターニングされて複数のホールＮＨが形成されている。次いで、図１３Ｂのように、ホールの内部にＸＹ材料層５３５を形成する。ＸＹ材料層５３５の材質は、金属性バッファ層５３２をなすＸＹ材料と同一であっても、異なってもよい。次いで、図１３Ｃのように、ＸＹ材料層５３５からＧａＮベースの半導体材料１５０’をＥＬＯＧ成長させることによって、図１３Ｃのような発光素子５００が製造される。
図１４Ａないし図１４Ｄは、他の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図面である。図１４Ａを参照すれば、シリコン基板１１０上に金属性バッファ層６３２、及び分散ブラッグ反射層６３４が形成され、分散ブラッグ反射層６３４と金属性バッファ層６３２とが同じパターンでパターニングされて複数のホールＮＨが形成されている。次いで、図１４Ｄのように、ホールの内部にＸＹ材料層６３５を形成し、次いで、図１３Ｃのように、ＸＹ材料層６３５からＧａＮベースの半導体材料１５０’をＥＬＯＧ成長させることによって、図１４Ｃのような発光素子６００が製造される。
前述した発光素子の製造方法によれば、優れた薄膜品質を持ち、かつ光効率の高い発光素子を大面積ウェーハに具現できるので生産性が向上する。
本願発明の発光素子及びその製造方法は、理解を助けるために図面に図示された実施形態を参考にして説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、様々な変形及び均等な他の実施形態が利用可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲により定められねばならない。
本発明は、発光素子関連の技術分野に好適に用いられる。
１００ 発光素子
１１０ シリコン基板
１３０ 射バッファ層
１３２ 金属性バッファ層
１３４ 分散ブラッグ反射層
１３６ ＸＹ材料層
１５０ 発光層構造
ＭＨ ホール

Claims (19)

  1. シリコン基板と、
    前記シリコン基板上に形成された金属性バッファ層と、
    前記金属性バッファ層上に形成されたパターニングされた分散ブラッグ反射層と、
    前記パターニングされた分散ブラッグ反射層と前記パターニングされた分散ブラッグ反射層のパターン間の領域との上に形成された窒化物系薄膜層と、
    ＡｌｘＧａ１−ｘＩｎｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１）発光層と、を備える発光素子。
  2. 前記分散ブラッグ反射層は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、ＢＰ、ＡｌＩｎＧａＮ、及びＡｌＢＧａＮから選択されたいずれか一つの材料からなる層とＳｉＯ２からなる層とが交互に積層されて形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記窒化物系薄膜層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  4. 前記金属性バッファ層は、材料Ｘ及び材料Ｙを含む単層または複数層の膜構造で形成され、ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである請求項１または３のうちいずれか１項に記載の発光素子。
  5. 前記パターニングされた分散ブラッグ反射層は、複数のホールを含み、
    前記金属性バッファ層は、前記分散ブラッグ反射層と同じ形状のパターンを有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  6. 前記パターニングされた分散ブラッグ反射層上に材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層がさらに形成され、ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである請求項５に記載の発光素子。
  7. 前記ホールの内部に材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層をさらに備え、
    前記複数のホールはナノメートルオーダーのサイズを持ち、、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである請求項５に記載の発光素子。
  8. 前記金属性バッファ層は、１ｎｍないし１μｍ範囲の厚さを持つことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  9. シリコン基板上に金属性バッファ層及びパターニングされた分散ブラッグ反射層を備える反射バッファ層を形成する工程と、
    ＧａＮベースの発光層構造を形成する工程と、を含む発光素子の製造方法。
  10. 前記反射バッファ層を形成する工程は、
    前記シリコン基板上に前記金属性バッファ層を形成する工程と、
    前記金属性バッファ層上に前記分散ブラッグ反射層を形成する工程と、
    前記分散ブラッグ反射層を複数のホールが形成されるようにパターニングする工程と、を含む請求項９に記載の発光素子の製造方法。
  11. 前記分散ブラッグ反射層は、
    ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、ＢＰ、ＡｌＩｎＧａＮ、及びＡｌＢＧａＮから選択されたいずれか一つの材料からなる層と、ＳｉＯ２からなる層とを交互に積層して形成されることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子の製造方法。
  12. 前記分散ブラッグ反射層は、ＳｉＣからなる層とＳｉＯ２からなる層とが交互に積層されて形成されることを特徴とする請求項１１に記載の発光素子の製造方法。
  13. 前記金属性バッファ層を、材料Ｘ及び材料Ｙを含む単層または複数層の膜構造に形成し、ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである請求項９ないし１２のうちいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
  14. 前記分散ブラッグ反射層をパターニングする工程で、
    前記金属性バッファ層を前記分散ブラッグ反射層と同じ形状でパターニングすることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子の製造方法。
  15. 前記パターニングされた分散ブラッグ反射層上に材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層を形成する工程をさらに含み、ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである請求項１０に記載の発光素子の製造方法。
  16. 前記発光層構造を形成する工程は、
    前記複数のホールの内部及び前記ＸＹ材料層上にＧａＮベースの半導体材料を垂直成長させる工程を含む請求項１５に記載の発光素子の製造方法。
  17. 前記複数のホールをナノメートルオーダーのサイズに形成することを特徴とする請求項１０に記載の発光素子の製造方法。
  18. 前記発光層構造を形成する工程は、
    前記複数のホール内部にナノロッドの形状にＧａＮベースの半導体材料を形成する工程と、
    ナノロッド形状に成長したＧａＮベースの半導体材料をエピタキシャル横方向成長させる工程と、を含む請求項１７に記載の発光素子の製造方法。
  19. 前記発光層構造を形成する工程は、
    前記複数のホールの内部に材料Ｘ及び材料Ｙを含むＸＹ材料層（ここで、材料Ｘは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＴａから選択されたいずれか一つであり、材料Ｙは、Ｎ、Ｂ、及びＢ２から選択されたいずれか一つである）を形成する工程と、
    前記ＸＹ材料層からベースの半導体材料をエピタキシャル横方向成長させる工程と、を含む請求項１７に記載の発光素子の製造方法。
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