JP2012079721A

JP2012079721A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法

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Publication number: JP2012079721A
Application number: JP2010220462A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Saito; 義樹齋藤; Shugo Nitta; 州吾新田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP5246235B2

Abstract

【課題】凹凸加工されたサファイア基板を用いたIII 族窒化物半導体発光素子において、光取り出し効率をさらに向上させつつ、ピットの発生を抑制すること。
【解決手段】まず、ｃ面を主面とするサファイア基板１０表面に凹凸加工を施す。凹凸の深さは１〜２μｍ、凹凸側面の傾斜角度は４０〜８０°とする。次にサファイア基板１０上に、バッファ層１１を形成し、バッファ層１１上に、ＧａＮからなる防止層１２を、６００〜１０５０℃で形成し、バッファ層１１の全面を被覆する。次に、防止層１２上に、１０５０〜１２００℃でｎ型層１３をＭＯＣＶＤ法によって形成する。このとき、バッファ層１１の全面が防止層１２に覆われているため、バッファ層１１のマストランスポートが抑制される。そのため、結晶にピットが発生するのを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、凹凸加工されたサファイア基板を用いて光取り出し効率を向上させたIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。

近年、III 族窒化物半導体発光素子は一般照明用途に利用され始めており、光取り出し効率の改善が強く求められている。光取り出し効率を向上させる方法の１つとして、ｃ面サファイア基板に凹凸加工を施す方法が知られている（特許文献１、２）。凹凸を設けずに平坦とした場合、素子内部においてサファイア基板に水平な方向へ伝搬する光は、半導体層内に閉じ込められ、多重反射を繰り返すなどして減衰していたが、サファイア基板に凹凸を設けることでこの水平方向に伝搬する光を垂直な方向に反射・散乱させて外部に取り出すことができ、光取り出し効率を向上させることができる。

特開２００３−３１８４４１特開２００７−１９３１８

光取り出し効率を十分に高めるためには、サファイア基板の凹凸の深さを深くし、凹凸側面の傾斜角度（凹部側面ないし凸部側面がサファイア基板の主面に対して成す角度）を４０〜８０°とするのがよい。しかし、このように凹凸の深さを大きくして凹凸側面に傾斜を設けると、サファイア基板にｃ面でない領域が増え、結晶表面にピットが生じてしまったり、結晶性にむらが生じてしまう。その結果、静電耐圧の低下など素子の電気的特性が劣化してしまう。

発明者らがその原因について検討したところ、バッファ層のマストランスポートが原因であることがわかった。サファイア基板上にバッファ層を形成した後、ｎコンタクト層の形成温度まで昇温すると、バッファ層がマストランスポートしてサファイア基板のｃ面上に移動してしまい、サファイア基板上にバッファ層がない領域が生じてしまう。そして、結晶成長の核となるバッファ層がある領域とない領域とが存在してしまうことで、結晶欠陥が局所的に集中し、その部分にピットが生じてしまい、静電耐圧の低下など電気的特性が劣化してしまうのである。

本発明は、上記課題を解決することで完成に至ったものであり、その目的は、凹凸加工されたｃ面サファイア基板を用いたIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、凹凸側面の傾斜を４０〜８０°とした場合に、結晶にピットが発生するのを抑制することである。

第１の発明は、凹凸加工されたｃ面を主面とするサファイア基板上に、バッファ層を介してｎ型層、発光層、ｐ型層を順に積層するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、サファイア基板の凹凸は、凹凸側面の傾斜角度が４０〜８０°、凹凸の深さが１〜２μｍとなるよう形成し、バッファ層上に、そのバッファ層のマストランスポートを防止するＧａＮからなる防止層を、６００〜１０５０℃の温度でバッファ層の全面を被覆するように形成し、その後、防止層上にｎ型層を１０５０〜１２００℃の温度で形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。

サファイア基板に設けられる凹凸のパターンは、ドット状の凸部または凹部をマトリクス状など周期的に配列したパターンや、ストライプ状のパターンなどである。ドット状の凸部または凹部は、たとえば、角錐台、円錐台、角錐、円錐、半球状、などの形状である。ただし、半球状の場合、サファイア基板と接触する部分の接線の角度を４０〜８０°とする。凹凸の深さ（凹部の深さまたは凸部の高さ）を１〜２μｍとするのは、１μｍよりも浅いと光取り出し効率向上の効果が十分でなく、２μｍよりも深いと埋め込み層によって平坦化することが難しくなるためである。より望ましくは１．４〜１．８μｍである。また、凹凸側面の傾斜角度（凹部の側面あるいは凸部の側面がサファイア基板主面に対して成す角度）を４０〜８０°とするのは、この範囲であればより光取り出し効率を向上させることができるためである。さらに望ましいのは５０〜７０°である。

防止層を６００〜１０５０℃の温度で成長させるのは、バッファ層がマストランスポートしないようにバッファ層の全面を被覆する必要があるためである。また、防止層の厚さは２０〜１０００ｎｍとすることが望ましい。２０ｎｍよりも薄いと、ｎ型層形成時のバッファ層のマストランスポート抑止効果が十分でなく、１０００ｎｍよりも厚いと、結晶性を悪化させてしまう。より望ましい防止層の厚さは、５０〜５００ｎｍである。また、防止層にはＳｉをドープしてもよいし、しなくてもよい。

バッファ層にはＡｌＮを用いるのが好ましい。ＧａＮを用いた場合に比べてピットの発生を抑制することができ、結晶性を向上させることができる。バッファ層としてＡｌＮを用いる場合には、防止層の成長温度は９００〜１０５０℃とすることが望ましい。防止層の形成時にバッファ層がマストランスポートしてしまうのをより効果的に抑制することができる。また、バッファ層としてＧａＮを用いる場合には、ｎ型層を形成するために昇温する際、キャリアガスとして窒素を用いるのがよい。昇温時にバッファ層がマストランスポートしてしまうのを効果的に抑制することができる。

第２の発明は、第１の発明において、バッファ層はＡｌＮであり、防止層は、９００〜１０５０℃で形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第３の発明は、第１の発明において、バッファ層は、ＧａＮであり、ｎ型層を形成するために昇温する際、キャリアガスとして窒素を用いる、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、防止層の厚さは、２０〜１０００ｎｍであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第１の発明によると、バッファ層全面を被覆する防止層することで、ｎ型層形成時の昇温でバッファ層がマストランスポートしてしまうことが防止される。その結果、ピットが発生してしまうのを抑制することができ、素子の静電耐圧を低下させずに光取り出し効率を向上させることができる。

また、第２の発明によれば、防止層形成時にバッファ層がマストランスポートしてしまうのをより効果的に抑制することができる。また、バッファ層としてＡｌＮを用いることで、ピットの発生をより抑制することができる。

また、第３の発明によれば、バッファ層としてＧａＮを用いた場合に、ｎ型層形成時の昇温の際にバッファ層がマストランスポートしてしまうのを効果的に抑制することができる。

また、第４の発明によれば、ｎ型層形成時のバッファ層のマストランスポートをより効果的に抑制することができる。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について示した図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図２は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、凹凸加工されたサファイア基板１０を用いることで、光取り出し効率を向上させた構造である。サファイア基板１０は主面をｃ面とし、サファイア基板１０上には、バッファ層１１を介してＧａＮからなる防止層１２が形成されている。サファイア基板１０に設けられた凹凸は、高さ１．６μｍ、直径３μｍのドット状（正六角推台）の凸部１９を、５μｍ間隔で周期的に配列したパターンである。凸部１９側面１９ａの、サファイア基板１０の主面に対する傾斜角度θは、４０〜８０°である。この範囲であれば光取り出し効率をより向上させることができる。

バッファ層１１にはＡｌＮ、ＧａＮなど任意のIII 族窒化物半導体を用いることができるが、結晶にピットが発生するのを抑制するためにＡｌＮを用いることが望ましい。

防止層１２は、凹凸に沿ってバッファ層１１全面を被覆するように形成されている。防止層１２の厚さは、２０〜１０００ｎｍであることが望ましい。２０ｎｍよりも薄いと、ｎ型層形成時のバッファ層のマストランスポート抑止効果が十分でなく、１０００ｎｍよりも厚いと、結晶性を悪化させてしまう。より望ましい防止層の厚さは、５０〜５００ｎｍである。また、防止層にはＳｉをドープしてもよいし、しなくてもよい。

サファイア基板１０に設ける凹凸のパターンは、上記のようなドット状の凸部１９を周期的に配列したパターンに限るものではなく、凹凸の深さ（凹部の深さまたは凸部の高さ）が１〜２μｍであって、凹凸側面の傾斜角度（凹部側面ないし凸部側面がサファイア基板主面に対して成す角度）θが４０〜８０°であれば任意のパターンでよい。たとえば、ドット状の凹部を周期的に配列したパターンや、凹部または凸部をストライプ状に配列したパターンでもよい。また、必ずしも周期的なパターンである必要はない。ドット状の凸部または凹部は、角錐台、円錐台、角錐、円錐、半球状などである。ただし、半球状の場合、サファイア基板と接触する部分の接線の角度が４０〜８０°とする。凹凸の深さを１〜２μｍとするのは、凹凸の深さが１μｍよりも小さいと、その凹凸による光取り出し効率向上効果が十分でなく、２μｍよりも大きいと、凹凸を埋め込んで結晶表面を平坦化することが難しくなるためである。より望ましい凹凸の深さは、１．４〜２μｍである。凸部の間隔は、光取り出し効率向上のために８μｍ以下、埋め込みを容易とするために２μｍ以上とするのが好ましい。

防止層１２上には、III 族窒化物半導体からなるｎ型層１３、発光層１４、ｐ型層１５が順に積層されており、ｐ型層１５上の一部領域にＩＴＯからなる透明電極１６が形成されている。また、発光層１４、ｐ型層１５の一部は除去されてｎ型層１３が露出している。その露出したｎ型層１３上にはｎ電極１７、透明電極１６上にはｐ電極１８が形成されている。

ｎ型層１３、発光層１４、ｐ型層１５は、従来より知られる任意の構造でよい。たとえばｎ型層１３は、埋め込み層１２側から順に、ＧａＮからなる高濃度にＳｉがドープされたｎ型コンタクト層、ＧａＮからなるｎクラッド層が順に積層された構造である。また、たとえば発光層１４は、ＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。また、たとえばｐ型層１５は、発光層１４側から順に、ＡｌＧａＮからなるＭｇがドープされたｐクラッド層、ＧａＮからなるＭｇがドープされたｐコンタクト層が積層された構造である。

また、防止層１２とｎ型層１３との間に、凹凸を埋め込んで結晶表面を平坦化するための埋め込み層を設けてもよい。ＧａＮからなる埋め込み層を形成する場合、成長温度はｎ型層１３の成長温度（１０５０〜１２００℃）よりも３０〜７０℃低い温度がよい。ピットの発生を抑制することができる。また、埋め込み層にＳｉをドープすることで、より凹凸の埋め込みが容易となる。

次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について図１を参照に説明する。

まず、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、サファイア基板１０表面に所定のパターンの凹凸加工を施す（図１（ａ））。凹凸は、上記のようにドット状の凸部１９を周期的に配列したパターンであり、凸部１９の高さは１．６μｍ、凸部１９側面１９ａの傾斜角度θは４０〜８０°である。凸部１９の高さはエッチング時間によって制御することができ、凸部１９側面１９ａの傾斜角度θは、レジストマスクの形状などによって制御可能である。

次に、凹凸加工されたサファイア基板１０上に、その凹凸に沿ってバッファ層１１を３００〜６００℃でＭＯＣＶＤ法によって形成する（図１（ｂ））。

なお、バッファ層１１の形成前に、サファイア基板１０表面のサーマルクリーニングを行い、不純物の除去等をしておくことが望ましい。サーマルクリーニングは、たとえば水素雰囲気中、１０００〜１２００℃の温度で行う。

次に、バッファ層１１上に、凹凸に沿ってＧａＮからなる防止層１２を、６００〜１０５０℃でＭＯＣＶＤ法によって形成し、バッファ層１１の全面を被覆する（図１（ｃ））。防止層１２を６００〜１０５０℃の温度で成長させるのは、バッファ層１１がマストランスポートしないようにバッファ層１１の全面を被覆する必要があるためである。バッファ層１１としてＡｌＮを用いる場合には、防止層１２の成長温度は９００〜１０５０℃とすることが望ましい。防止層１２形成時のバッファ層１１のマストランスポートをより効果的に抑制することができる。

なお、防止層はＧａＮが好ましいが、Ｇａの一部をＡｌやＩｎなどで置換したＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどのIII 族窒化物半導体を用いることもできる。

次に、防止層１２上に、１０５０〜１２００℃でｎ型層１３をＭＯＣＶＤ法によって形成する。このとき、バッファ層１１の全面が防止層１２に覆われているため、バッファ層１１のマストランスポートが抑制される。なお、バッファ層１１としてＧａＮを用いる場合には、ｎ型層１３形成のための昇温の際に、キャリアガスとして窒素を用いることが望ましい。その昇温の際にバッファ層１１がマストランスポートしてしまうのを効果的に抑制することができる。続いてｎ型層１３上に、発光層１４、ｐ型層１５を順にＭＯＣＶＤ法によって形成する（図１（ｄ））。

次に、ｐ型層１５上の一部領域にＩＴＯからなる透明電極１６を形成する。そして、発光層１４とｐ型層１５を一部エッチングし、ｎ型層１３を露出させる。露出させたｎ型層１３上にはｎ電極１７、透明電極１６上にはｐ電極１８を形成する。

以上に述べた実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法によると、防止層１２によってバッファ層１１のマストランスポートが抑制される。そのため、サファイア基板１０の凹凸を１〜２μｍと深くし、凹凸側面の傾斜角度を４０〜８０°としてさらなる光取り出し効率の向上を図った場合であっても、結晶にピットが発生するのを抑制することができ、静電耐圧の低下など素子の電気的特性の劣化を抑制することができる。

なお、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子はフェイスアップ型であるが、本発明はフリップチップ型にも採用することができる。

本発明によるIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置などに利用することができる。

１０：サファイア基板
１１：バッファ層
１２：防止層
１３：ｎ型層
１４：発光層
１５：ｐ型層
１６：透明電極
１７：ｎ電極
１８：ｐ電極
１９：凸部

Claims

凹凸加工されたｃ面を主面とするサファイア基板上に、バッファ層を介してIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型層を順に積層するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記サファイア基板の前記凹凸は、凹凸側面の傾斜角度が４０〜８０°、凹凸の深さが１〜２μｍとなるよう形成し、
前記バッファ層上に、そのバッファ層のマストランスポートを防止するIII 族窒化物半導体からなる防止層を、６００〜１０５０℃の温度で前記バッファ層の全面を被覆するように形成し、
その後、前記防止層上に前記ｎ型層を１０５０〜１２００℃の温度で形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記バッファ層は、ＡｌＮであり、前記防止層は、９００〜１０５０℃で形成することを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記バッファ層は、ＧａＮであり、前記ｎ型層を形成するために昇温する際、キャリアガスとして窒素を用いる、ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記防止層の厚さは、２０〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。