JP2012182417A - 窒化物系発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】結晶性及び輝度の向上した窒化物系発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物系発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成される格子緩衝層と、前記格子緩衝層上に形成されるｐ―タイプの窒化物層と、前記ｐ―タイプの窒化物層上に形成される発光活性層と、前記発光活性層上に形成されるｎ―タイプのＺｎＯ層とを含み、前記格子緩衝層は、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーで形成されることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】窒化物系発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成される格子緩衝層と、前記格子緩衝層上に形成されるｐ―タイプの窒化物層と、前記ｐ―タイプの窒化物層上に形成される発光活性層と、前記発光活性層上に形成されるｎ―タイプのＺｎＯ層とを含み、前記格子緩衝層は、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーで形成されることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、窒化物系発光素子及びその製造方法に関するものである。
発光素子は、電子と正孔の再結合時に発生する発光現象を応用した素子である。
代表的な発光素子としては、ＧａＮに代表される窒化物系発光素子がある。窒化物系発光素子は、バンドギャップエネルギーが大きいことから多様な色光を具現することができる。また、窒化物系発光素子は、熱的安定性に優れるものである。
窒化物系発光素子は、ｎ―電極及びｐ―電極の配置形態にしたがって水平型発光素子と垂直型発光素子に区分される。水平型発光素子では、ｎ―電極及びｐ―電極が主にトップ（ｔｏｐ）―トップ（ｔｏｐ）形態で配置され、垂直型発光素子では、ｎ―電極及びｐ―電極が主にトップ（ｔｏｐ）―ボトム（ｂｏｔｔｏｍ）形態で配置される。
本発明の目的は、成長基板上に窒化物を成長させるときに発生する線欠陥（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が抑制され、それにより結晶性及び輝度の向上した窒化物系発光素子及びその製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明に係る窒化物系発光素子は、成長基板と、前記成長基板上に形成される格子緩衝層と、前記格子緩衝層上に形成されるｐ―タイプの窒化物層と、前記ｐ―タイプの窒化物層上に形成される発光活性層と、前記発光活性層上に形成されるｎ―タイプのＺｎＯ層と、を含み、前記格子緩衝層は、ウルツ鉱（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）型構造を有する物質のパウダーで形成される、ことを特徴とする。
このとき、前記格子緩衝層は、ＺｎＯパウダーで形成されることが望ましい。
前記目的を達成するための本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、成長基板上に、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーを用いて格子緩衝層を形成し、前記格子緩衝層上にバッファ層を形成し、前記バッファ層上にｐ―タイプの窒化物層を形成し、前記ｐ―タイプの窒化物層上に発光活性層を形成し、前記発光活性層上にｎ―タイプのＺｎＯ層を形成する、
ことを含むことを特徴とする。
ことを含むことを特徴とする。
このとき、前記格子緩衝層は、ＺｎＯパウダーで形成されることが望ましい。
一方、前記格子緩衝層上にバッファ層を形成することは、不活性ガス雰囲気で実施されることが望ましい。また、前記バッファ層上にｐ―タイプの窒化物層を形成すること及び前記ｐ―タイプの窒化物層上に発光活性層を形成することは、水素ガス雰囲気で実施され、前記水素ガスによって前記ＺｎＯパウダーの一部又は全部がエッチングされることによって前記成長基板とバッファ層との間にエアホールが形成される、ことを特徴とする。
本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、窒化物系発光素子は、成長基板上にＺｎＯパウダーなどのウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーをコーティングした後、その上にＧａＮなどの窒化物を成長させた構成を有するので、窒化物の成長時に窒化物と成長基板における格子定数の差によって発生する線欠陥が抑制され、結晶性及び輝度の向上した窒化物系発光素子を提供することができる。
また、本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、窒化物系発光素子は、成長基板上にｐ―タイプの窒化物層が先に形成された構成を有するので、ｐ―タイプの窒化物層の結晶品質が向上する。
併せて、本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、窒化物系発光素子は、ＧａＮに比べて相対的に低温で成長が可能なｎ―タイプのＺｎＯ層を発光活性層上に成長させた構成を有するので、発光活性層に及ぼされる影響を減少させることができる。
（実施形態）
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態に係る結晶性及び輝度に優れた窒化物系発光素子及びその製造方法について詳細に説明する。
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態に係る結晶性及び輝度に優れた窒化物系発光素子及びその製造方法について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る窒化物系発光素子を概略的に示した図である。
図１を参照すると、図示した窒化物系発光素子は、成長基板１１０、格子緩衝層１２０、ｐ―タイプの窒化物層１３０、発光活性層１４０及びｎ―タイプのＺｎＯ層１５０を含む。
本発明に適用される成長基板１１０としては、窒化物系発光素子の製造時に成長基板として広く用いられるサファイア基板を用いることができる。また、本発明に適用される成長基板１１０としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板などのシリコン基板を用いることができる。
格子緩衝層１２０は、成長基板１１０の上部に形成される。格子緩衝層１２０は、成長対象になる窒化物との格子ミスマッチング（ｌａｔｔｉｃｅ ｍｉｓｍａｔｃｈｉｎｇ）を緩和し、窒化物の成長時に発生する線欠陥を減少させる。その結果、成長する窒化物の結晶性を向上させることができる。
例えば、シリコン基板を成長基板として用いる場合、シリコンと窒化物との間の大きな格子定数の差のため、シリコン基板上に窒化物を成長させるときに線欠陥が多く発生する。これは、発光素子の光効率を低下させる要因になる。しかし、シリコン基板上に格子緩衝層を先に形成した後、窒化物を成長させると、格子ミスマッチングが緩和され、窒化物の成長時に発生する線欠陥を減少させることができる。
このような格子緩衝層１２０は、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーで形成することができる。
より望ましくは、ＺｎＯパウダーを用いて格子緩衝層１２０を形成することができる。
例えば、窒化物系発光素子で広く用いられるＧａＮは、ウルツ鉱型構造を有し、ａ＝３.１８９Å、ｃ＝５.１８５Åの格子定数を有する。
ＺｎＯは、ＧａＮと同様にウルツ鉱型構造を有する。また、ＺｎＯは、格子定数がａ＝３.２４９Å、ｃ＝５.２０７Åであって、ＧａＮと非常に類似する格子構造を有する。
したがって、ＺｎＯパウダー上にＧａＮを成長させる場合、ＧａＮの成長時に発生する格子ミスマッチングに起因する線欠陥を、格子マッチングによって低減化することができる。また、パウダー状のＺｎＯ上で成長するＧａＮは、初期は垂直方向に成長し、その後は水平方向に成長する。その結果、平らなＧａＮの成長が可能である。
このようなＺｎＯパウダーは、スピンコーティング法などによって成長基板１１０上に付着又は固定される。
前記パウダーを成長基板１１０上に容易に付着又は固定するために、成長基板１１０の表面には突部と凹部を有する凹凸が形成されてもよい。凹凸は、特定のパターンで形成されてもよく、非定型の形態で形成されてもよい。成長基板１１０の表面の凹凸は、エッチングなどの多様な方法で形成することができる。
成長基板１１０の表面に凹凸が形成されている場合、ＺｎＯパウダーなどは、成長基板１１０の表面に形成された凹凸の凹部に容易に付着又は固定される。
一方、格子緩衝層１２０に適用されるＺｎＯパウダーなどは、平均粒径が１０ｎｍ〜１μｍであることが望ましい。パウダーの平均粒径が小さいほど、窒化物の成長時に発生する線欠陥の抑制効果が優れている。パウダーの平均粒径が１μｍを超える場合、前記線欠陥の抑制効果が不十分であり、製造される窒化物系発光素子の光効率が低い。ただし、パウダーの平均粒径が１０ｎｍ未満である場合、パウダー自体の製造費用が非常に嵩み、窒化物系発光素子の製造費用上昇の原因になり得る。
次に、ｐ―タイプの窒化物層１３０が、格子緩衝層１２０の上部に形成される。ｐ―タイプの窒化物層１３０には、ｐ―タイプの電気的特性を確保するためにマグネシウム（Ｍｇ）などがドーピングされている。
従来のほとんどの窒化物系発光素子の製造方法では、ｐ―タイプの窒化物層を、発光活性層を形成した後の最後の段階で形成する。このとき、ｐ―タイプの窒化物層形成過程が発光活性層に及ぼす影響を低減化するために、成長温度を低下させた状態でｐ―タイプの窒化物を形成する。その結果、ｐ―タイプの窒化物の結晶品質が低下し、発光効率が低下する。
本発明では、ｐ―タイプの窒化物層１３０を、発光活性層１４０を形成する前に形成することによって、高品質のｐ―タイプの窒化物層を得る。
発光活性層１４０は、ｐ―タイプの窒化物層１３０の上部に形成される。発光活性層１４０は、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有することができる。発光活性層１４０の例としては、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０.１≦ｘ≦０.３）とＧａＮが交互に積層されている構造、又はＩｎｘＺｎ１−ｘＯ（０.１≦ｘ≦０.３）とＺｎＯが交互に積層されている構造などを提示することができる。
発光活性層１４０では、ｎ―タイプのＺｎＯ層１５０を通して流れる電子とｐ―タイプの窒化物層１３０を通して流れる正孔とが再結合して、光が発生する。
ｎ―タイプのＺｎＯ層１５０は、発光活性層１４０の上部に形成され、ｐ―タイプの窒化物層１３０とは反対のｎ―タイプの電気的特性を示す。ＺｎＯ自体がｎ―タイプではあるが、不純物を添加して得られるｎ―タイプの電気的特性に比べて微々たる特性しか示さず、電流パス程度の役割を担うことができるだけである。したがって、ｎ―タイプのＺｎＯ層１５０にはＳｉなどがドーピングされていてもよい。
ＺｎＯは、上述したように、ＧａＮとほぼ同一のウルツ鉱型格子構造を有する。また、ＺｎＯは略７００〜８００℃の温度でも成長が可能であるので、ＺｎＯの成長時に下部の発光活性層１４０に及ぼされる影響が低減化され、結晶品質を向上させることができる。したがって、本発明に適用されるｎ―タイプのＺｎＯ層１５０は、１２００℃程度の高温で成長するｎ―タイプのＧａＮに取って代わるものである。
また、窒化物系発光素子にｎ―タイプのＺｎＯ層１５０を適用すると、ｎ―タイプのＧａＮを適用した場合に比べて窒化物系発光素子の光輝度が向上する。
前記のように、本発明では、成長基板１１０上にｐ―タイプの窒化物層１３０が先に形成され、発光活性層１４０上にｎ―タイプのＺｎＯ層１５０が形成される。
このとき、成長基板１１０としては、ｐ―タイプのシリコン基板を用いることができる。ｐ―タイプのシリコン基板を用いる場合、発光活性層１４０の下部の各層がｐ―タイプに形成される。成長基板１１０としてｐ―タイプのシリコン基板を用いる場合、シリコン基板自体をｐ―電極として活用することができる。したがって、垂直型発光素子の製造時にも基板除去工程を省略することができ、さらに、ｐ―電極形成工程を省略することができる。
したがって、ｐ―タイプのシリコン基板を用いる場合、水平型発光素子のみならず、発光面積が相対的に広いことから高輝度を容易に具現できる垂直型発光素子も容易に製造することができる。
一方、図１を参照すると、格子緩衝層１２０とｐ―タイプの窒化物層１３０との間にバッファ層１６０をさらに含むことができる。バッファ層１６０は、成長基板上に異種の物質である窒化物を成長させるときに発生する応力を緩和させる役割を担う。このようなバッファ層１６０は、ＡｌＮ、ＺｒＮ、ＧａＮなどの窒化物で形成することができる。
バッファ層１６０は、ｐ―タイプに形成することができる。バッファ層１６０を形成する窒化物のほとんどは、大きな電気抵抗を有する。しかし、バッファ層１６０をｐ―タイプに形成する場合、バッファ層１６０の電気抵抗が低くなる。したがって、製造される窒化物系発光素子の駆動効率を向上させることができる。
特に、バッファ層１６０をｐ―タイプに形成し、成長基板１１０としてｐ―タイプのシリコン基板を用いる場合、ｐ―タイプのシリコン基板から発光活性層１４０まで正孔が障壁なく容易に移動できるので、発光素子の駆動効率をさらに高めることができる。
また、バッファ層１６０をｐ―タイプに形成する場合、バッファ層１６０のマグネシウム（Ｍｇ）などの不純物が成長基板１１０に浸透するようになる。この場合、基板にｐ―タイプの電気的特性が与えられる。したがって、成長基板１１０として絶縁特性を有するサファイア基板を用いるとしても、従来の垂直型発光素子の製造時とは異なって、その除去を要しない。
図２は、本発明の実施形態に係る窒化物系発光素子の製造方法を概略的に示した図である。
図２を参照すると、図示した窒化物系発光素子の製造方法は、格子緩衝層形成段階（Ｓ２１０）、バッファ層形成段階（Ｓ２２０）、ｐ―タイプの窒化物層形成段階（Ｓ２３０）、発光活性層形成段階（Ｓ２４０）及びｎ―タイプのＺｎＯ層形成段階（Ｓ２５０）を含む。
格子緩衝層形成段階（Ｓ２１０）では、シリコン基板、サファイア基板などの成長基板１１０上にウルツ鉱型格子構造を有する物質のパウダーで格子緩衝層１２０を形成する。
このとき、前記格子緩衝層１２０は、ＺｎＯパウダーで形成することができる。
前記ＺｎＯパウダーとしては、市販のものを用いることができる。
また、ＺｎＯパウダーとしては、シリコン又はサファイア基板、より望ましくは、成長基板１１０と同一の材質の基板上にＺｎＯを蒸着する段階と、前記ＺｎＯが蒸着された基板を粉砕してパウダー化する段階とを通して製造されたものを用いることができる。蒸着時には、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又はスパッタ法などを用いることができる。この場合、ＺｎＯパウダーには純粋なＺｎＯ成分のみならず、基板成分も含まれるので、成長基板１１０に対するＺｎＯパウダーの付着力を向上させることができる。
ＺｎＯパウダーを用いた格子緩衝層１２０は、次のような方法で形成することができる。
まず、スピンコーターなどを用いて成長基板１１０にＺｎＯパウダーなどを載せる。その後、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）チャンバなどの装置の内部で成長基板１１０を窒素ガス雰囲気で約５００〜８００℃の温度で加熱し、ＺｎＯパウダーを成長基板１１０に付着させる。加熱温度が８００℃を超える場合、ＺｎＯパウダーがエッチングされるので、これより低い温度で加熱することが望ましい。
この場合、成長基板１１０には、若干のエッチングが行われながら表面に凹凸が形成される。成長基板１１０の表面に形成された凹凸は、上述したようにパウダーの付着又は固定を容易にする。
また、ＺｎＯパウダーなどを用いた格子緩衝層１２０は、前記ＺｎＯパウダー含有溶液を用いて成長基板１１０上にスピンコーティングした後、乾燥する方法で形成することができる。このとき、ＺｎＯパウダー含有溶液としては、アセトン、メタノール、エチレングリコールなどの多様な種類の溶媒を用いることができる。
前記の提示されたＺｎＯパウダーを用いた格子緩衝層形成方法のうちいずれか一つの方法が選択的に適用されてもよく、二つの方法が共に適用されてもよい。例えば、ＺｎＯパウダーを含有する溶液を用いて成長基板１１０上にスピンコーティングした後で乾燥し、その後、チャンバ内で成長基板１１０を加熱することができる。
次に、バッファ層形成段階（Ｓ２２０）、ｐ―タイプの窒化物層形成段階（Ｓ２３０）及び発光活性層形成段階（Ｓ２４０）で、格子緩衝層１２０上に複数の窒化物を順次成長させることによって発光構造体を形成する。
このとき、バッファ層１６０は、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガス雰囲気で形成することが望ましい。これは、バッファ層１６０を例えば水素ガス雰囲気で形成すると、水素ガスによってＺｎＯパウダーがエッチングされ、バッファ層１６０が完全に形成されないためである。
一方、ｐ―タイプの窒化物層１３０及び発光活性層１４０は、結晶品質の向上のために水素ガス雰囲気で実施されることが望ましい。この場合、水素ガス雰囲気によっても、既にバッファ層が形成されているので、各層の形成時にＺｎＯパウダーのエッチングの影響を受けない。また、この場合、ＺｎＯパウダーが一部又は全部エッチングされ、成長基板とバッファ層との間にはエアホールが形成される。このようなエアホールは、乱反射層の役割をし、窒化物系発光素子の輝度上昇に寄与する。
図３は、窒化物の成長過程でＺｎＯがエッチングされることによってエアホールが形成されることを示す写真である。
図３を参照すると、水素雰囲気で窒化物を成長させる場合、ＺｎＯがエッチングされ、エッチングされた部分がエアホールを形成すると見なすことができる。
ｎ―タイプのＺｎＯ層形成段階（Ｓ２５０）では、約７００〜８００℃の低温で窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ２）などの雰囲気下で発光活性層１４０上にｎ―タイプのＺｎＯを成長させてｎ―タイプのＺｎＯ層１５０が形成される。
上述したように、本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、窒化物系発光素子は、成長基板１１０上にｐ―タイプの窒化物層１３０を先に形成し、相対的に低温で成長が可能なｎ―タイプのＺｎＯ層１５０を発光活性層１４０上に成長させた構成を有する。その結果、ｐ―タイプの窒化物層１３０の結晶品質を向上させることができ、また、ｎ―タイプのＺｎＯの成長時に発光活性層１４０に及ぼす影響を低減化することができる。
また、本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、ＺｎＯパウダーなどのウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーで格子緩衝層１２０が形成されることによって、窒化物の成長時にシリコンと窒化物との間の格子定数の差によって発生する窒化物系発光素子の線欠陥を低減化することができる。その結果、結晶性及び輝度の向上した窒化物系発光素子を提供することができる。更に、成長後の形状として平らな窒化物を得ることができる。
本発明は、以上の実施形態の記載に限定されるものではなく、当業者の水準で多様な変更や変形が可能である。このような変更と変形は、本発明の範囲を逸脱しない限り、本発明に属するものといえる。したがって、本発明の権利範囲は、以下で記載する特許請求の範囲によって判断しなければならない。
１１０：成長基板、１２０：格子緩衝層、１３０：ｐ―タイプの窒化物層、１４０：発光活性層、１５０：ｎ―タイプのＺｎＯ層、１６０：バッファ層
Claims (12)
- 成長基板と、
前記成長基板上に形成される格子緩衝層と、
前記格子緩衝層上に形成されるｐ―タイプの窒化物層と、
前記ｐ―タイプの窒化物層上に形成される発光活性層と、
前記発光活性層上に形成されるｎ―タイプのＺｎＯ層と、を含み、
前記格子緩衝層は、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーで形成される、
ことを特徴とする窒化物系発光素子。 - 前記格子緩衝層は、ＺｎＯパウダーで形成される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。 - 前記ＺｎＯパウダーは、平均粒径が１０ｎｍ〜１μｍである、
ことを特徴とする、請求項２に記載の窒化物系発光素子。 - 前記成長基板は、シリコン基板又はサファイア基板である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。 - 前記成長基板の表面には凹凸が形成されている、
ことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。 - 前記発光素子は、前記格子緩衝層と前記ｐ―タイプの窒化物層との間に、窒化物で形成されるバッファ層をさらに含む、
ことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。 - 前記バッファ層は、ＡｌＮ、ＺｒＮ及びＧａＮから選択される１種以上の窒化物で形成される、
ことを特徴とする、請求項６に記載の窒化物系発光素子。 - 前記バッファ層は、ｐ―タイプの窒化物で形成される、
ことを特徴とする、請求項６に記載の窒化物系発光素子。 - 成長基板上に、ウルツ鉱型構造を有する物質のパウダーを用いて格子緩衝層を形成し、
前記格子緩衝層上にバッファ層を形成し、
前記バッファ層上にｐ―タイプの窒化物層を形成し、
前記ｐ―タイプの窒化物層上に発光活性層を形成し、
前記発光活性層上にｎ―タイプのＺｎＯ層を形成すること、
を含むことを特徴とする窒化物系発光素子の製造方法。 - 前記格子緩衝層は、ＺｎＯパウダーで形成される、
ことを特徴とする、請求項９に記載の窒化物系発光素子の製造方法。 - 前記ＺｎＯパウダーとしては、シリコン又はサファイア基板上にＺｎＯを蒸着し、前記ＺｎＯが蒸着された基板を粉砕してパウダー化することを通して製造されたものが用いられる、
ことを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物系発光素子の製造方法。 - 前記格子緩衝層上にバッファ層を形成することは、不活性ガス雰囲気で実施され、
前記バッファ層上にｐ―タイプの窒化物層を形成すること及び前記ｐ―タイプの窒化物層上に発光活性層を形成することは、水素ガス雰囲気で実施され、
前記水素ガスによって前記ＺｎＯパウダーの一部又は全部がエッチングされることによって前記成長基板と前記バッファ層との間にエアホールが形成される、
ことを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
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