JP2012114204A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】III 族窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を向上させること。
【解決手段】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、凹凸形状が形成されたサファイア基板１０と、サファイア基板１０の凹凸形状側表面上に、バッファ層を介して順に積層された、III 族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型層と、を有している。凹凸形状は、サファイア基板１０表面上にｘ軸方向をストライプ方向とする第１のストライプ形状１００が形成され、その上にｘ軸方向と直交するｙ軸方向をストライプ方向とする第２のストライプ形状１０１が重ねて形成された形状である。このような凹凸形状とすることで、従来のIII 族窒化物半導体発光素子よりも光取り出し効率を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、サファイア基板に凹凸加工を施すことにより光取り出し効率が向上されたIII 族窒化物半導体発光素子に関する。

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、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）。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。凹凸の形状としては、ストライプ状やドット状などが用いられている。

特開２００３−３１８４４１

しかし、サファイア基板にストライプ状の凹凸を設けた場合、ストライプ方向に伝搬する光に対しては、凹凸による段差がないために上方に光を反射・散乱させることができず、光取り出し効率は十分に向上していなかった。

また、サファイア基板に周期的に配列されたドット状の凹凸を設けた場合であっても、凹凸をＧａＮで埋め込んで平坦化するにはドットの間隔を適度に空ける必要がある。その結果、ある特定の方向において段差がない領域が存在してしまい、やはり光取り出し効率は十分に向上していなかった。

そこで本発明の目的は、より光取り出し効率が向上されたIII 族窒化物半導体発光素子を実現することである。

第１の発明は、サファイア基板上にIII 族窒化物半導体からなる積層構造が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子において、サファイア基板は、積層構造側の表面に凹凸形状を有し、凹凸形状は、サファイア基板の主面に垂直な任意の方向での断面において１段以上の段差があり、サファイア基板の主面に垂直な特定の方向での断面において２段以上の段差を有する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_z Ｎ（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る凹凸形状は、上記のようにサファイア基板の主面に垂直な任意の方向での断面において１段以上の段差があり、サファイア基板の主面に垂直な特定の方向での断面において２段以上の段差を有する形状であれば、任意の凹凸形状でよい。たとえば、第１のストライプ形状の上に、その第１のストライプ形状のストライプ方向（第１方向）とは異なるストライプ方向（第２方向）である第２のストライプ形状を重ねて形成した凹凸形状である。第１のストライプ形状と第２のストライプ形状とでストライプ周期や、ストライプの凹凸深さ、凹部側面ないし凸部側面のサファイア基板主面に対する角度、ストライプ方向に垂直な面での凹部ないし凸部の断面形状、などが異なっていてもよい。

光取り出し効率向上のためには、第１方向と、第２方向との成す角度は、３０〜１５０°とすることが望ましく、９０°とすることがさらに望ましい。また、同じく光取り出し効率向上のために、ストライプ形状の凹部側面ないし凸部側面のサファイア基板に対する角度は、４０〜８０°とすることが望ましい。

他にも、以下のような凹凸形状であってもよい。他の凹凸形状の１つは、ストライプ形状の上に、複数のドット状の凹部ないし凸部が格子状に配列されたドット形状を重ねて形成した形状である。ドット状の凹部ないし凸部の形状は、たとえば、角錐台、円錐台、角柱、円柱、角錐、円錐、半球状、などの形状である。ドット状の凹部ないし凸部の配列は、たとえば四角格子状や三角格子状などの格子状の配列である。他の凹凸形状の１つは、複数のドット状の凹部ないし凸部が格子状に配列されたドット形状の上に、ストライプ形状を重ねて形成した形状である。ドット状の凹部ないし凸部の側面がサファイア基板主面に対して成す角度は、４０〜８０°とすることが望ましい。光取り出し効率をより向上させることができる。

第２の発明は、第１の発明において、凹凸形状は、サファイア基板の積層構造側の表面に、第１方向に平行にストライプ状に配列された複数の第１の溝によって形成された第１のストライプ形状と、第１のストライプ形状の上に重ねて形成され、第１方向とは異なる第２方向に平行にストライプ状に配列された複数の第２の溝によって形成された第２のストライプ形状と、を有する形状であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第３の発明は、第２の発明において、第１方向と第２方向は直交することを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第４の発明は、第１の発明において、凹凸形状は、サファイア基板の積層構造側の表面に、所定方向に平行にストライプ状に配列された複数の溝によって形成されたストライプ形状と、ストライプ形状の上に重ねて形成され、格子状に配列されたドット状の凸部ないし凹部によって形成されたドット形状と、を有する形状であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第５の発明は、第１の発明において、凹凸形状は、サファイア基板の積層構造側の表面に、格子状に配列されたドット状の凸部ないし凹部によって形成されたドット形状と、ドット形状の上に重ねて形成され、所定方向に平行にストライプ状に配列された複数の溝によって形成されたストライプ形状と、を有する形状であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

本発明によれば、サファイア基板の凹凸形状が、素子面内のどの方向に伝搬する光に対しても、光を反射させる効果を発揮するため、光取り出し効率のさらなる向上を図ることができる。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図。 サファイア基板１０表面の凹凸形状を示した図。 サファイア基板１０表面への凹凸形状の形成工程を示した図。 実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程を示した図。 他の凹凸形状を上面から見た図。

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１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、凹凸形状が形成されたサファイア基板１０と、サファイア基板１０の凹凸形状側表面上に、バッファ層（図示しない）を介して順に積層された、III 族窒化物半導体からなるｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３と、を有している。これらｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３は、本発明における積層構造に相当する。発光層１２、ｐ型層１３は一部領域がエッチングされて除去され、ｎ型層１１表面が露出している。その露出したｎ型層１１表面上に、ｎ電極１４が形成されている。ｐ型層１３表面のほぼ全面には、ＩＴＯからなる透明電極１５が形成され、透明電極１５上にはｐ電極１６が形成されている。この実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、フェイスアップ型の素子である。

ｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３は、従来より知られる任意の構造でよい。たとえばｎ型層１１は、サファイア基板１０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１２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１３は、発光層１２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。

図２（ａ）は、サファイア基板１０表面に施された凹凸形状を示した斜視図であり、図２（ｂ）は上面から見た図である。図２のように、凹凸形状は、サファイア基板１０表面上に第１のストライプ形状１００が形成され、その上に第２のストライプ形状１０１が重ねて形成された形状である。

第１のストライプ形状１００は、所定の方向（図２中のｘ軸方向、本発明の第１方向に相当）に平行に複数の第１の溝１００ａが等間隔で配列されている。第１の溝１００ａの幅Ｌ１は０．１〜２０μｍ、第１の溝１００ａの間隔Ｌ２は０．１〜２０μｍとすることが望ましい。光取り出し効率をより向上させることができるためである。幅Ｌ１を０．１〜５μｍ、間隔Ｌ２を０．１〜５μｍとするとさらに望ましい。第１の溝１００ａの側面１００ａａのサファイア基板１０主面に対する角度θ１は、４０〜８０°とすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは５０〜７０°である。溝１００ａの深さＤ１は、０．１〜３μｍとすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは０．５〜２μｍである。

第２のストライプ形状１０１は、ｘ方向に直交する方向（図２中のｙ軸方向、本発明の第２方向に相当）に平行に複数の第２の溝１０１ａが等間隔で配列されている。第２の光０１ａの底面は第１のストライプ形状１００に沿って凹凸形状を成している。第２の溝１０１ａの幅Ｌ３は０．１〜２０μｍ、第２の溝１０１ａの間隔Ｌ４は０．１〜２０μｍとすることが望ましい。光取り出し効率をより向上させることができるためである。幅Ｌ３を０．１〜５μｍ、間隔Ｌ４を０．１〜５μｍとするとさらに望ましい。第２の溝１０１ａの側面１０１ａａのサファイア基板１０主面に対する角度θ２は、４０〜８０°とすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは５０〜７０°である。第２の溝１０１ａの深さＤ２は、０．１〜３μｍとすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは０．５〜２μｍである。第１の溝１００ａの深さＤ１と、第２の溝１０１ａの深さＤ２は、異なる深さであってもよいし、等しくてもよい。また、第１の溝１００ａの幅Ｌ１と第２の溝１０１ａの幅Ｌ３、第１の溝１００ａの間隔Ｌ２と第２の溝１０１ａの間隔Ｌ４も、それぞれ異なっていてもよいし、等しくてもよい。また、角度θ１とθ２についても異なっていてもよいし等しくてもよい。

第１のストライプ形状１００のストライプ方向（ｘ軸方向）と第２のストライプ形状１０１のストライプ方向（ｙ軸方向）とを直交させているが、必ずしも直交させる必要はなく、第１のストライプ形状１００のストライプ方向が、第２のストライプ形状１０１のストライプ方向に対して３０〜１５０°であれば光取り出し効率を向上させることができる。最も望ましいのは本実施例のように直交させることである。

この凹凸形状では、サファイア基板１０の主面に垂直な任意の方向での断面において、１段以上の段差がある。また、特定の方向での断面においては２段以上の段差がある。たとえば、ｘ軸方向に平行なＡ−Ａでの断面においては、第１のストライプ形状１００による段差はないが、第２のストライプ形状１０１による１段の段差がある。また、ｙ軸方向に平行なＢ−Ｂでの断面においては、第２のストライプ形状１０１による段差はないが、第１のストライプ形状１００による１段の段差がある。また、図２中のＣ−Ｃでの断面においては、第１のストライプ形状１００と第２のストライプ形状１０１の段差により３段の段差がある。

このように凹凸形状を形成すると、サファイア基板１０主面に素子内部において平行に伝搬する光は、どの方向においても第１のストライプ形状１００あるいは第２のストライプ形状１０１による段差構造によって乱反射させることができ、光取り出し側（ｎ電極１４、ｐ電極１６側）へと光を取り出すことができる。その結果、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、従来のIII 族窒化物半導体発光素子に比べて光取り出し効率が向上している。

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３、４を用いて説明する。

まず、サファイア基板１０への凹凸加工について説明する。まず、図３（ａ）のように、サファイア基板１０表面に、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、ｘ軸方向に平行な第１の溝１００ａが所定の間隔で周期的に配列された第１のストライプ形状１００を形成する。

次に、図３（ｂ）のように、フォトリソグラフィによって、サファイア基板１０表面の第１のストライプ形状１００の上に、その第１のストライプ形状の凹凸に沿って、ｘ軸方向に直交するｙ軸方向に平行な所定の間隔で周期的に配列されたストライプ形状のフォトマスク１０３を形成する。そして、フォトマスク１０３に覆われていないサファイア基板１０表面をドライエッチングし、その後フォトマスク１０３を除去することで、図２に示す凹凸形状をサファイア基板１０表面に形成する。

なお、このように２段階に分けてサファイア基板１０表面をドライエッチングすると、加工形状の角部が丸まってしまうことを防止でき、凹凸加工の精度を向上させることができる。

次に、上記凹凸形状の加工によって生じたダメージの回復やサファイア基板１０表面の不純物除去のために、サーマルクリーニングを行う。サーマルクリーニングは、たとえば水素雰囲気中１０００〜１２００℃での熱処理である。

次に、上記のようにして凹凸形状を形成したサファイア基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を介してｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３を順に形成する（図４（ａ））。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ₃ ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ ）、キャリアガスとしてＨ₂ またはＮ₂ である。

次に、ドライエッチングによってｐ型層１３、発光層１２の一部領域を除去してｎ型層１１表面を露出させる（図４（ｂ））。そして、ｐ型層１３表面のほぼ全面に透明電極１５を形成し、露出させたｎ電極１１表面上にｎ電極１４、透明電極１５上にｐ電極１６を形成する。以上によって実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子において、第１のストライプ形状１００を構成する第１の溝１００ａの幅Ｌ１、間隔Ｌ２、深さＤ１、側面１００ａａの角度θ１、および第２のストライプ形状１０１を構成する第１の溝１０１ａの幅Ｌ３、間隔Ｌ４、深さＤ２、側面１０１ａａの角度θ２を変えて、素子垂直上方向（軸上）の光出力を比較例１、２と比較した。比較例１、２は共に、サファイア基板表面の凹凸形状を、三角格子状に円柱台状の凸部を複数配列した形状とした場合であり、凸部の直径を３μｍ、間隔を２μｍとし、比較例１は凸部側面のサファイア基板主面に対する角度を８０°、凸部の高さを０．７μｍとした場合、比較例２は、凸部側面のサファイア基板主面に対する角度を６０°、凸部の高さを１．４μｍとした場合である。比較例２の軸上の光出力は、比較例１の１．１１倍であった。

［実施例１−１］
第１の溝１００ａの幅Ｌ１、間隔Ｌ２は２μｍ、深さＤ１は０．７μｍ、側面１００ａａの角度θ１は８０°とし、第２の溝１０１ａの幅Ｌ３、間隔Ｌ４は１．５μｍ、深さＤ２は０．７μｍ、側面１０１ａａの角度θ２は８０°とした場合について、軸上の光出力を測定したところ、比較例１の１．１９倍の光出力であった。

［実施例１−２］
第１の溝１００ａの幅Ｌ１、間隔Ｌ２は１．５μｍ、深さＤ１は０．７μｍ、側面１００ａａの角度θ１は８０°とし、第２の溝１０１ａの幅Ｌ３、間隔Ｌ４は１．５μｍ、深さＤ２は０．７μｍ、側面１０１ａａの角度θ２は８０°とした場合について、軸上の光出力を測定したところ、比較例１の１．１７倍の光出力であった。

［実施例１−３］
第１の溝１００ａの幅Ｌ１、間隔Ｌ２は２μｍ、深さＤ１は１．４μｍ、側面１００ａａの角度θ１は６０°とし、第２の溝１０１ａの幅Ｌ３、間隔Ｌ４は１．５μｍ、深さＤ２は０．７μｍ、側面１０１ａａの角度θ２は８０°とした場合について、軸上の光出力を測定したところ、比較例１の１．２９倍の光出力であった。

［実施例１−４］
第１の溝１００ａの幅Ｌ１、間隔Ｌ２は１．５μｍ、深さＤ１は１．４μｍ、側面１００ａａの角度θ１は６０°とし、第２の溝１０１ａの幅Ｌ３、間隔Ｌ４は１．５μｍ、深さＤ２は０．７μｍ、側面１０１ａａの角度θ２は８０°とした場合について、軸上の光出力を測定したところ、比較例１の１．２９倍の光出力であった。

［実施例１−５］
第１の溝１００ａの幅Ｌ１、間隔Ｌ２は２μｍ、深さＤ１は０．７μｍ、側面１００ａａの角度θ１は８０°とし、第２の溝１０１ａの幅Ｌ３、間隔Ｌ４は１．５μｍ、深さＤ２は１．４μｍ、側面１０１ａａの角度θ２は６０°とした場合について、軸上の光出力を測定したところ、比較例１の１．３４倍の光出力であった。

［実施例１−６］
第１の溝１００ａの幅Ｌ１、間隔Ｌ２は１．５μｍ、深さＤ１は０．７μｍ、側面１００ａａの角度θ１は８０°とし、第２の溝１０１ａの幅Ｌ３、間隔Ｌ４は１．５μｍ、深さＤ２は１．４μｍ、側面１０１ａａの角度θ２は６０°とした場合について、軸上の光出力を測定したところ、比較例１の１．２８倍の光出力であった。

以上のように、実施例１−１〜１−６のいずれの場合も、軸上の光出力は比較例１、２を上回っていた。

なお、サファイア基板１０表面に施す凹凸形状は実施例１に示した形状に限るものではなく、サファイア基板１０の主面に垂直な任意の方向での断面において１段以上の段差があり、サファイア基板の主面に垂直な特定の方向での断面において２段以上の段差を有する形状であれば、任意の凹凸形状でよい。たとえば図５に示す凹凸形状の平面視でのパターンとしてもよい。図５のパターンは、ストライプ形状２００の上に、三角格子状にドット状の凸部ないし凹部が配列されたドット形状２０１が重ねて形成された凹凸形状、または、三角格子状にドット状の凸部ないし凹部が配列されたドット形状の上に、ストライプ形状を重ねて形成された凹凸形状である。サファイア基板１０表面に凹凸形状をこのように形成したIII 族窒化物半導体発光素子もまた、実施例１の場合と同様に、光取り出し効率を向上させることができる。

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の素子であるが、本発明はフリップチップ型の素子にも適用することができる。

本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、表示装置や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：ｎ型層
１２：発光層
１３：ｐ型層
１４：ｎ電極
１５：透明電極
１６：ｐ電極
１００：第１のストライプ形状
１００ａ：第１の溝
１０１：第２のストライプ形状
１０１ａ：第２の溝

Claims (5)

1. サファイア基板上にIII 族窒化物半導体からなる積層構造が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子において、
   前記サファイア基板は、前記積層構造側の表面に凹凸形状を有し、
   前記凹凸形状は、サファイア基板の主面に垂直な任意の方向での断面において１段以上の段差があり、サファイア基板の主面に垂直な特定の方向での断面において２段以上の段差を有する、
   ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
2. 前記凹凸形状は、
   前記サファイア基板の前記積層構造側の表面に、第１方向に平行にストライプ状に配列された複数の第１の溝によって形成された第１のストライプ形状と、
   前記第１のストライプ形状の上に重ねて形成され、第１方向とは異なる第２方向に平行にストライプ状に配列された複数の第２の溝によって形成された第２のストライプ形状と、
   を有する形状であ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。
3. 前記第１方向と、前記第２方向は直交する、ことを特徴とする請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
4. 前記凹凸形状は、
   前記サファイア基板の前記積層構造側の表面に、所定方向に平行にストライプ状に配列された複数の溝によって形成されたストライプ形状と、
   前記ストライプ形状の上に重ねて形成され、格子状に配列されたドット状の凸部ないし凹部によって形成されたドット形状と、
   を有する形状であ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。
5. 前記凹凸形状は、
   前記サファイア基板の前記積層構造側の表面に、格子状に配列されたドット状の凸部ないし凹部によって形成されたドット形状と、
   前記ドット形状の上に重ねて形成され、所定方向に平行にストライプ状に配列された複数の溝によって形成されたストライプ形状と、
   を有する形状であ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。

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