JP2012114277A - Iii族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】非極性面を主面とするIII 族窒化物半導体の結晶性を悪化させることなく光取り出し効率を向上させること。
【解決手段】サファイア基板10表面に、x軸方向(サファイアc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、第1のストライプ形状100の凹凸に沿ってサファイア基板10表面の全面に、絶縁膜17を形成する。次に、x軸方向に直交するy軸方向に平行で底面が平坦な第2の溝101aが所定の間隔で周期的に配列された第2のストライプ形状101を形成する。このサファイア基板10を用いて、第2の溝101aの側面101aaから、MOCVD法によってGaN結晶を成長させて、サファイア基板10上にm面GaNからなる基底層18を形成し、基底層18上にLED素子構造を形成して発光素子を製造する。
【選択図】図3

Description

本発明は、c面以外の面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、結晶性を悪化させることなく光取り出し効率を向上させることである。
サファイア基板に凹凸加工し、凹凸側面からGaNを結晶成長させることで、主面がm面やa面などの非極性面や、(11−22)面などの半極性面のGaN結晶を得る方法が知られている(特許文献1)。このような無極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子は、内部電界が小さいため電子とホールの再結合率が高まり、内部量子効率を向上させることが期待できるので、現在盛んに開発が進められている。サファイア基板に設ける凹凸形状は、凹部ないし凸部を周期的に配列したドット状よりも、ストライプ形状とするのがよい。GaN結晶の面方位のばらつきを小さくし、結晶性を向上させるためである。
特開2009−203151
しかし、サファイア基板に設ける凹凸形状をストライプ形状とした場合、ストライプ方向に沿った方向には凹凸がないため、サファイア基板面上においてストライプ方向に伝搬する光は散乱を受けることがなく、外部へ光を取り出すことができない。
サファイア基板に設ける凹凸形状を周期的にドット状の凹部ないし凸部が配列されたドット形状とすれば、ストライプ形状とした場合よりも光取り出し効率を向上させることができるが、上述のように結晶の面方位のばらつきが大きくなり、結晶性を悪化させてしまう。
そこで本発明の目的は、ストライプ状の凹凸加工を施した基板上に非極性面または半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる積層構造を形成したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、III 族窒化物半導体の結晶性を悪化させずに光取り出し効率の向上を図ることである。
第1の発明は、サファイア基板表面にストライプ形状を形成し、ストライプ形状による凹凸側面からIII 族窒化物半導体を結晶成長させることにより、サファイア基板上に非極性面または半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる積層構造を形成するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、サファイア基板の表面に、サファイア基板の主面に平行な方向である第1方向に平行にストライプ状に配列された複数の第1の溝によって構成されたストライプ形状を形成する第1工程と、サファイア基板表面の第1のストライプ形状に沿って全面に絶縁膜を形成する第2工程と、絶縁膜上に、第1方向に角度を成す第2方向をストライプ方向とするストライプ状にレジストマスクを形成する第3工程と、レジストマスクに覆われていない領域の絶縁膜をドライエッチングし、続いてそれにより露出したサファイア基板を、そのエッチング底面が平坦となるまでドライエッチングして、第2のストライプ形状を形成する第4工程と、レジストマスクを除去し、第4工程により露出したサファイア基板の主面に垂直な露出面から、MOCVD法によってIII 族窒化物半導体を露出面に垂直な方向に結晶成長させ、主面を非極性面または半極性面とするIII 族窒化物半導体からなる半導体層を形成する第5工程と、を有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Alx Gay Inz 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。
また、非極性面または半極性面とは、c面の場合の内部電界に対して10%以下の内部電界を有する面とする。たとえば、c面に対して90°を成すm面、a面、(11−24)面などの非極性面や、c面に対して約60°を成す(11−22)面、(20−21)面、(10−11)面、(10−12)面などの半極性面である。
第4工程において、エッチング底面が平坦となるまでとは、完全に平坦となることのみを言うのではなく、後の第6工程においてサファイア基板の主面に垂直な露出面からの結晶成長が支配的となる程度に平坦であればよい。なお、サファイア基板の凸部をドライエッチングすると、エッチングの進行と共に凸部の角が丸くなり、凸部の高さ低くなってなだらかになっていく。第4工程はこれを利用してエッチング底面を平坦とするものである。
絶縁膜の材料には、SiO2 、Si3 4 、ZnO、TiO2 、ZrO2 、などを用いることができる。絶縁膜の厚さは、第4工程における絶縁膜のドライエッチングの容易さなどから5〜100Åが望ましい。
第1方向と第2方向との成す角度は、光取り出し効率向上のために30〜150°とすることが望ましく、90°とすることが最も望ましい。また、同じく光取り出し効率向上のために、第1の溝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。
第2の発明は、第1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の製造方法である。
第3の発明は、第1の発明から第2の発明において、非極性面は、m面、a面、(11−24)面、半極性面は、(11−22)面、(20−21)面、(10−11)面、(10−12)面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4の発明は、第1の発明から第3の発明において、サファイア基板はa面を主面とし、第1方向は、サファイア基板のc軸方向である、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。
本発明のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、非極性面または半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体の結晶性を悪化させることなく、光取り出し効率を向上させることができる。
実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。 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。
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を示した図である。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a面を主面とするサファイア基板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、m面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる、基底層18、n型層11、発光層12、p型層13が順に積層された構造を有している。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の一部領域は除去されてn型層11が露出している。その露出したn型層11上にはn電極14が形成されている。また、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、さらに第1のストライプ形状100に直交するように第2のストライプ形状101が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。x軸方向はサファイア基板10のc軸方向である。第1の溝100aの側面100aaにはサファイア基板10のm面が露出し、底面100abにはa面が露出している。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、0.1〜5μm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0.1〜5μmである。
第2のストライプ形状101は、x軸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。y軸方向はサファイア基板10のm軸方向である。第2の溝101aの底面101abは平坦であり、第1のストライプ形状100に沿った凹凸はない。第2の溝101aのzx平面での断面は矩形であり、第2の溝101aの側面101aaにはサファイア基板10のc面が露出し、底面101abにはa面が露出している。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の深さD2(サファイア基板10の最上面から第2の溝101aの底面101abまでの深さ)は、第2の溝101aの底面101abが平坦となる深さであれば任意であるが、第2の溝101aの深さD2と第1の溝100aの深さD1との差による光取り出し効率の向上のために、D2はD1の0.1〜2倍とすることが望ましい。
サファイア基板10表面上であって、第2のストライプ形状101の溝101a側面101aaおよび底面101ab以外の領域は、SiO2 からなる絶縁膜17によって覆われている。絶縁膜17の厚さは5〜100Åである。絶縁膜17には、SiO2 以外にもSi3 4 、ZnO、TiO2 、ZrO2 、などを用いることができる。
実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板10上に設けた第1のストライプ形状100が、図2に示すように、その第1のストライプ形状のストライプ方向であるx軸方向に直交する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によって分断されており、x軸方向に伝搬する光を反射させて取り出すことができる。そのため、従来の第1のストライプ形状100のみを設けた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されている。また、実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子は、m面を主面とするため内部量子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方法について、図3、4を参照に説明する。
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、a面を主面とするサファイア基板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。第1の溝100aの側面100aaにはサファイアのm面が露出し、底面100abにはサファイアのa面が露出する。
次に、図3(b)のように、第1のストライプ形状100の凹凸に沿ってサファイア基板10表面の全面に、蒸着によってSiO2 からなる絶縁膜17を形成する。絶縁膜17は、蒸着の他に、スパッタ、CVD法などによって形成してもよい。
次に、図3(c)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。
次に、図3(d)のように、フォトマスク103に覆われていない絶縁膜17をドライエッチングし、続いて絶縁膜17の除去により露出したサファイア基板10表面をドライエッチングする。ここで、サファイア基板10の凸状の部分は、ドライエッチングの進行と共に凸部の角が取れ、次第に凸部の高さが低くなってなだらかになっていく。そのため、エッチング時間を十分に取れば、エッチング底面を平坦とすることができる。また、第1の溝100aの深さD1よりも深くエッチングすることができる。その結果、y軸方向に平行で底面が平坦な第2の溝101aが、所定の間隔で周期的に配列された第2のストライプ形状101が形成される。この第2の溝101a側面101aaには、サファイア基板10のc面が露出し、第2の溝101aの底面101abには、サファイア基板10のa面が露出する。
次に、フォトマスク103を除去する。以上によって、図2に示す凹凸形状が施されたサファイア基板10を形成することができる。
次に、上記によって得られた凹凸形状が施されたサファイア基板10を用いて、m面を主面とする実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子を製造する工程について説明する。
まず、エッチングによるサファイア基板10のダメージを回復させるために通常行うサーマルクリーニングを行わずに、マグネトロンスパッタによってAlNからなるバッファ層(図示しない)を形成する。バッファ層の形成は、Alの薄膜を形成した後、アンモニアなどの窒素源を供給して窒化することによって形成してもよい。他にもマグネトロンスパッタ以外のスパッタ法や、MOCVD法などによってバッファ層を形成してもよい。また、バッファ層にはAlN以外にもGaN、AlGaN、AlInN、AlGaInNなどを用いてもよい。ただし、サファイアとの格子整合性などの点から、バッファ層材料のAl組成比は高いことが望ましく、AlNが最も望ましい。
次に、バッファ層を形成したサファイア基板10をMOCVD装置に搬入し、水素とアンモニアを含む雰囲気中で、次工程の結晶成長温度まで昇温する。
そして、そのバッファ層を介して、第2の溝101aの側面101aaから、MOCVD法によってGaN結晶104を成長させる。GaN結晶104は、サファイア基板10のc軸方向と、GaN結晶のc軸方向が一致するように成長する。ここで、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 )、キャリアガスとしてH2 またはN2 である。
サファイア基板10表面のうち、第2の溝101aの側面101aaおよび底面101ab以外は絶縁膜17に覆われているため、それらの面からはGaN結晶は成長しない。そこで、GaN結晶104が底面101abからは成長しないようにし、かつ、第2の溝101aの側面101aaから成長するGaN結晶の成長方向としてc軸方向の成長が支配的となるように、AlNからなるバッファ層の厚さと、GaN結晶104の成長温度を調整する。たとえば、AlNバッファ層の厚さを、GaNをサファイア基板の主面に垂直な方向をGaNのc軸方向として、そのc軸方向へ平坦にエピタキシャル成長させる際にサファイア基板とGaNとの間に設けるAlNのバッファ層の最小厚さよりも薄くし、GaN結晶104の成長温度は、通常GaNをサファイア基板の主面に垂直な方向をc軸方向としてエピタキシャル成長させる際の成長温度よりも低い温度とすればよい。このような最小厚さのAlNのバッファ層は、通常スパッタ時間を40秒として形成しており、これは厚さにして150〜200Åである。また、通常GaNをサファイア基板の主面に垂直な方向をc軸方向としてエピタキシャル成長させる際の成長温度は、1100℃よりも高い温度である。よって、AlNのバッファ層の厚さを150Å以下、GaNの成長温度を1100℃以下とすることで、GaN結晶104が底面101abからは成長しないようにし、かつ、第2の溝101aの側面101aaから成長するGaN結晶の成長方向としてc軸方向の成長が支配的となるようにすることができる。
このようにしてGaN結晶104を結晶成長させると、GaN結晶104はc軸方向(−c方向)、すなわちサファイア基板10に対して水平に第2の溝101aの内側方向へ早く成長していき、サファイア基板10に垂直な方向へも少しずつ成長していく(図4(a))。そしてさらに成長が進むと、第2の溝101aはGaN結晶104によって埋められ、サファイア基板10に水平な方向(−c方向と+c方向の双方)への成長によってサファイア基板10表面も次第にGaNに覆われていき、最後にはサファイア基板10上に平坦なGaN結晶(基底層18)が形成される(図4(b))。この基底層18のGaN結晶の主面は、m面となる。これは、サファイア基板10の主面がa面であり、第2の溝101aの側面101aaがc面であるためであり、GaNとサファイアとの格子定数の違いなどに起因するものである。
上記のようにして形成した基底層18は、サファイアのc面である第2の溝101a側面101aaからのみ成長したGaN結晶で構成される。そのため、基底層18はGaN結晶の面方位のばらつきが小さく、GaNの結晶性を良好とすることができる。
次に、基底層18上に、MOCVD法によってn型層11、発光層12、p型層13を順に積層する(図4(c))。MOCVD法において用いる原料ガスは、窒素源およびGa源は基底層18形成時と同様であり、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 5 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、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。以上によって図1に示した実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。
以上に示したように、凹凸形状が施されたサファイア基板10を用い、凹凸側面からGaNを成長させることでm面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子を製造する際に、図3のようにして形成したサファイア基板10を用いている。このサファイア基板10では、第1のストライプ形状100が第2のストライプ形状101によって分断されており、任意のx軸方向において段差が生じている。そのため、x軸方向に伝搬する光を反射させて外部に光を取り出すことができる。また、絶縁膜17によって覆われることにより、サファイア基板10表面において露出しているのは、第2の溝101aの側面101aaと底面101abのみである。側面101aaはすべてサファイアのc面であるから、側面101aaからGaNを結晶成長させて基底層18を形成した場合、結晶の面方位が揃うので、基底層18の結晶品質を高めることができる。
なお、実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、m面を主面とするIII 族窒化物半導体で構成するものであったが、本発明はそれに限るものではなく、任意の面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造に適用することができる。特に本発明は、a面や(11−22)面など、c面の場合の内部電界に対して10%以下の内部電界を有する面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造に好適である。
また、第1のストライプ形状100のストライプ方向(第1方向)と、第2のストライプ形状101のストライプ形状101(第2方向)は、実施例1では直交するようにしたが、得たいIII 族窒化物半導体の主面の面方位に応じて、すなわち、サファイア基板の主面の面方位と第2の溝101aの側面101aaの面方位に応じて、任意に設定することができる。ただし、光取り出し効率向上のため30〜150°とすることが望ましい。
また、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ったが、本発明はこれに限るものではなく、フリップチップ型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、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
17:絶縁膜
18:基底層
100:第1のストライプ形状
101:第2のストライプ形状
100a:第1の溝
101a:第2の溝

Claims (4)

  1. サファイア基板表面にストライプ形状を形成し、前記ストライプ形状による凹凸側面からIII 族窒化物半導体を結晶成長させることにより、前記サファイア基板上に非極性面または半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる積層構造を形成する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表面に、前記サファイア基板の主面に平行な方向である第1方向に平行にストライプ状に配列された複数の第1の溝によって構成された前記ストライプ形状を形成する第1工程と、
    前記サファイア基板表面の前記第1のストライプ形状に沿って全面に絶縁膜を形成する第2工程と、
    前記絶縁膜上に、前記第1方向に角度を成す第2方向をストライプ方向とするストライプ状にレジストマスクを形成する第3工程と、
    前記レジストマスクに覆われていない領域の前記絶縁膜をドライエッチングし、続いてそれにより露出した前記サファイア基板を、そのエッチング底面が平坦となるまでドライエッチングして、第2のストライプ形状を形成する第4工程と、
    前記レジストマスクを除去し、前記第4工程により露出した前記サファイア基板の主面に垂直な露出面から、MOCVD法によってIII 族窒化物半導体を露出面に垂直な方向に結晶成長させ、主面を非極性面または半極性面とするIII 族窒化物半導体からなる半導体層を形成する第5工程と、
    を有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。
  2. 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1に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  3. 前記非極性面は、m面、a面、または(11−24)面、前記半極性面は、(11−22)面、(20−21)面、(10−11)面、(10−12)面であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  4. 前記サファイア基板はa面を主面とし、前記第1方向は、前記サファイア基板のc軸方向である、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。
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