JP2012182418A - 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】良好な結晶品質のｐ―タイプの窒化物層を含む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】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パウダータイプの窒化物成長用シード層と、前記窒化物成長用シード層上に形成される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層とを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系発光素子及びその製造技術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。
一般に、窒化物系発光素子は、下側から、成長基板、バッファ層、非ドーピング窒化物層、ｎ―タイプの窒化物層、発光活性層及びｐ―タイプの窒化物層が順次成長して構成された構造を有する。
このうち、ｐ―タイプの窒化物層は、窒化物系発光素子の製造において最後の工程で成長させる。通常、ｐ―タイプの窒化物層は、１０００℃以上の高温で成長が行われるときに結晶品質の優れたものになることが知られている。
しかしながら、前記のように高温でｐ―タイプの窒化物層を形成すると、ｐ―タイプの窒化物層の下部の発光活性層に大きな影響を及ぼし、特に、発光活性層のインジウム成分の揮発によって組成不均一などの問題が発生する。したがって、従来のｐ―タイプの窒化物層を含む窒化物系発光素子では、ｐ―タイプの窒化物層は、相対的に低い温度で成長させることにより形成されるので、形成されたｐ―タイプの窒化物層の結晶品質は良好なものではない。そのため、窒化物系発光素子の発光効率が低下する。
本発明の第１の目的は、良好な結晶品質のｐ―タイプの窒化物層を含む窒化物系発光素子を提供することにある。
本発明の第２の目的は、良好な結晶品質のｐ―タイプの窒化物層を含む窒化物系発光素子の製造方法を提供することにある。
前記第１の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パウダータイプの窒化物成長用シード層と、前記窒化物成長用シード層上に形成される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、を含むことを特徴とする。
このとき、前記窒化物成長用シード層は、ＧａＮパウダーで形成することができる。また、前記窒化物成長用シード層は、サファイアパウダーで形成することができる。また、前記窒化物成長用シード層は、シリカパウダーで形成することができる。
また、前記成長基板は、ｐ―タイプのシリコン基板であることが望ましい。
前記第２の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、成長基板上にパウダーで窒化物成長用シード層を形成し、前記窒化物成長用シード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。
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る構成を有する。これによって、ｐ―タイプの窒化物層の結晶品質を向上させることができる。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、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る構成を有する。これにより、発光活性層に及ぼす影響を従来より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、窒化物成長用シード層はＧａＮパウダー、サファイアパウダー又はシリカパウダーを用いて形成されうる。この場合、窒化物系発光素子では、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線欠陥を従来よりも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、ｐ―タイプのシリコン基板を用いることができ、その場合は、基板を除去せずに、容易に垂直型発光素子を製造することができる。
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。 成長基板としてｐ―タイプのシリコン基板を用いた例を示した図である。 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。
（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、窒化物成長用シード層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。
窒化物成長用シード層１２０は、成長基板１１０の上部にパウダータイプに形成され、窒化物成長に対するシード（ｓｅｅｄ）の役割をする。ここで、パウダータイプとは、パウダーから形成されたことを意味する。
また、窒化物成長用シード層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）を減少させ、窒化物の成長時に発生する線欠陥を減少させる役割を有する。
例えば、シリコン基板を成長基板１１０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、シリコン基板上に窒化物成長用シード層を形成した後、窒化物成長用シード層１２０上で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。
このような窒化物成長用シード層１２０は、窒化物に対する格子ミスマッチングを減少できるＧａＮパウダー、サファイアパウダー又はシリカパウダーで形成することができる。
例えば、ＧａＮパウダーをシードにしてＧａＮを成長させる場合、格子マッチングによってＧａＮの成長時に発生する線欠陥を低減化することができる。また、ＧａＮパウダー上で成長する窒化物は、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、平らな窒化物の成長が可能である。
ＧａＮパウダー、サフィアパウダー、シリカパウダーは、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、ＧａＮ、サファイア又はシリカパウダーは、凹凸の凹部に容易に付着又は固定される。
一方、前記ＧａＮパウダーなどの窒化物成長用シード層に適用されるパウダーとしては、平均粒径が１０ｎｍ〜１μｍであるものを用いることが望ましい。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くなる。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は、窒化物成長用シード層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で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、これは、発光効率の低下をもたらす。
しかし、本発明によれば、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ことができる。
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、ＧａＮとほぼ同一のウルツ鉱（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）型結晶構造を有する。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に及ぼす影響を低減化し、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、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光輝度が向上する。
前記のように、本発明では、成長基板上に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。
図２は、成長基板１１０としてｐ―タイプのシリコン基板（図２ではｐ−Ｓｉと記載）を用いた例を示した図である。
図２に示した例のように、本発明に係る窒化物系発光素子は、図１に示す成長基板１１０として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、図１に示す発光活性層１４０（図２ではＭＱＷｓと記載）の下部の各層がｐ―タイプに形成される。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、 窒化物成長用シード層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、窒化物の成長時における格子マッチングに寄与する。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、成長基板１１０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３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３を参照すると、窒化物系発光素子の製造方法は、窒化物成長用シード層形成段階（Ｓ３１０）、バッファ層形成段階（Ｓ３２０）、ｐ―タイプの窒化物層形成段階（Ｓ３３０）、発光活性層形成段階（Ｓ３４０）及びｎ―タイプのＺｎＯ層形成段階（Ｓ３５０）を含む。
窒化物成長用シード層形成段階（Ｓ３１０）では、シリコン基板、サファイア基板などの成長基板１１０上に窒化物成長用シード層１２０を形成する。
このとき、前記窒化物成長用シード層１２０は、ＧａＮパウダー、サファイアパウダー又はシリカパウダーで形成することができる。
これらパウダーを用いた窒化物成長用シード層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ＧａＮパウダーなどを載せる。その後、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）チャンバなどのチャンバ内で成長基板１１０をアンモニアガス雰囲気で約８００〜１２００℃の温度で加熱し、ＧａＮパウダーを成長基板１１０に付着させる。この場合、シリコン基板には、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、ＧａＮパウダーなどを用いた窒化物成長用シード層１２０は、前記ＧａＮパウダーなど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、乾燥する方法で形成することができる。このとき、ＧａＮパウダーなどを含有する溶液としては、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ＧａＮパウダーを用いた窒化物成長用シード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、ＧａＮパウダーなど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（Ｓ３２０）、ｐ―タイプの窒化物層形成段階（Ｓ３３０）及び発光活性層形成段階（Ｓ３４０）で、窒化物成長用シード層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。
ｎ―タイプのＺｎＯ層形成段階（Ｓ３５０）では、略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を形成する。
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が先に形成され、相対的に低温で成長が可能なｎ―タイプのＺｎＯ層１５０が発光活性層１４０上に形成される構成を有する。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る。また、ｎ―タイプのＺｎＯを使用することにより、そ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、窒化物系発光素子ではＧａＮパウダー、サファイアパウダー又はシリカパウダーを用いて窒化物成長用シード層１２０が形成されるため、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線欠陥を低減化することができる。
以上、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：窒化物成長用シード層、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 (16)

  1. 成長基板と、
    前記成長基板上に形成されるパウダータイプの窒化物成長用シード層と、
    前記窒化物成長用シード層上に形成される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、
    を含むことを特徴とする窒化物系発光素子。
  2. 前記窒化物成長用シード層は、ＧａＮ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。
  3. 前記窒化物成長用シード層は、サファイア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。
  4. 前記窒化物成長用シード層は、シリカ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。
  5. 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。
  6. 前記成長基板は、ｐ―タイプのシリコン基板である、
    ことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
  7. 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。
  8. 前記発光素子は、前記窒化物成長用シード層と前記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。
  9. 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８に記載の窒化物系発光素子。
  10. 成長基板上にパウダーで窒化物成長用シード層を形成し、
    前記窒化物成長用シード層上にバッファ層を形成し、
    前記窒化物成長用シード層上に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。
  11. 前記窒化物成長用シード層は、ＧａＮパウダーで形成される、
    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。
  12. 前記窒化物成長用シード層は、サファイアパウダーで形成される、
    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。
  13. 前記窒化物成長用シード層は、シリカパウダーで形成される、
    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。
  14. 前記成長基板上にパウダーで窒化物成長用シード層を形成することでは、前記パウダーを前記成長基板上に載せ、前記成長基板を加熱することによって前記パウダーを前記成長基板に付着させる方法で、前記窒化物成長用シード層を形成する、
    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。
  15. 前記成長基板上にパウダーで窒化物成長用シード層を形成することでは、スピンコーターを用いて前記パウダーを含有する溶液を前記成長基板上にコーティングした後、乾燥する方法で、前記窒化物成長用シード層を形成する、
    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。
  16. 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１０に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
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