JP2012182421A - パターン化された格子緩衝層を用いた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】パターン化された格子緩衝層を用いて窒化物の結晶性を向上させることができ、エアホールを形成することによって輝度を向上させることができる窒化物系発光素子及びその製造方法について開示する。
【解決手段】本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、基板上にウルツ鉱型格子構造を有する物質を蒸着して蒸着層を形成し、前記蒸着層の表面にエッチングパターンを形成することによって、パターン化された格子緩衝層を形成し、前記パターン化された格子緩衝層上に窒化物を成長させることを含み、前記パターン化された格子緩衝層上に窒化物を成長させるとき、前記パターン化された格子緩衝層を除去し、前記除去された部分にエアギャップを形成することを特徴とする。
【選択図】図７
【解決手段】本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、基板上にウルツ鉱型格子構造を有する物質を蒸着して蒸着層を形成し、前記蒸着層の表面にエッチングパターンを形成することによって、パターン化された格子緩衝層を形成し、前記パターン化された格子緩衝層上に窒化物を成長させることを含み、前記パターン化された格子緩衝層上に窒化物を成長させるとき、前記パターン化された格子緩衝層を除去し、前記除去された部分にエアギャップを形成することを特徴とする。
【選択図】図７
Description
本発明は、窒化物系発光素子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構造と垂直型構造に区分される。水平型構造では、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、垂直型構造では、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、パターン化された格子緩衝層を形成し、窒化物の成長時に発生する線欠陥（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）を最少化することができ、輝度向上に寄与するエアギャップを形成できる窒化物系発光素子の製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、パターン化された格子緩衝層を用いて窒化物の結晶性及び輝度を向上できる窒化物系発光素子を提供することにある。
前記の一つの目的を達成するための本発明の実施例に係る窒化物系発光素子の製造方法は、基板上にウルツ鉱（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）型格子構造を有する物質を蒸着して蒸着層を形成し、前記蒸着層の表面にエッチングパターンを形成することによって、パターン化された格子緩衝層を形成し、前記パターン化された格子緩衝層上に窒化物を成長させることを含み、前記パターン化された格子緩衝層上に窒化物を成長させるときは、前記パターン化された格子緩衝層を除去し、前記除去された部分にエアギャップを形成することを特徴とする。
このとき、前記蒸着層はＺｎＯで形成されることが望ましい。
また、パターン化された格子緩衝層は、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程で形成することができる。
前記の他の目的を達成するための本発明の実施例に係る窒化物系発光素子は、基板と、前記基板上に形成されるバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、複数の窒化物層が積層されている発光構造体とを含み、前記基板とバッファ層との間にエアホールが形成されていることを特徴とする。
本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、ウルツ鉱型構造を有し、表面パターンを有する格子緩衝層を用いる。したがって、本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、窒化物の成長時に発生する線欠陥の密度を低下させることができ、また、窒化物の成長時にエアギャップを形成することができる。
これによって、製造される窒化物系発光素子は、優れた結晶性と共にエアギャップを有することができ、輝度を向上させることができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例に係るシリコン基板を用い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、本発明の実施例に係るパターン化された格子緩衝層を用いた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１を参照すると、図示した窒化物系発光素子の製造方法は、蒸着層形成段階（Ｓ１０）、パターン化された格子緩衝層形成段階（Ｓ２０）及び窒化物成長段階（Ｓ３０）を含む。
まず、蒸着層形成段階（Ｓ１０）では、図２に示した例のように、基板１１０上に格子緩衝層を形成できる物質を蒸着することによって蒸着層１２０を形成する。
基板としては、サファイア基板、シリコン基板などのように、窒化物系発光素子の製造時に成長基板として用いられる多様な基板を用いることができる。
蒸着層１２０は、ＭＯＣＶＤ方法で形成することができる。また、蒸着層１２０は、スパッタリング方法で形成することができる。ＭＯＣＶＤ方法で蒸着層を形成する場合、蒸着層の品質を高めることができる。一方、スパッタリング方法で蒸着層を形成する場合、蒸着層の成長速度を高めることができる。
一方、格子緩衝層を形成できる物質は、ウルツ鉱型格子構造を有する物質であることが望ましい。
発光素子に適用される窒化物は、主にウルツ鉱型格子構造を有するＧａＮである。したがって、格子緩衝層もウルツ鉱型構造を有する場合、基板と窒化物との格子ミスマッチング（ｌａｔｔｉｃｅ ｍｉｓｍａｔｃｈｉｎｇ）を緩和することができる。
基板と窒化物における格子定数の差が大きい場合、成長する窒化物には多くの線欠陥が発生する。線欠陥の密度が高いほど窒化物の結晶性は低下し、発光素子の輝度低下をもたらす。
したがって、格子ミスマッチングが緩和される場合、窒化物の成長時に線欠陥密度の減少をもたらす。その結果、製造される発光素子の結晶性及び輝度が向上する。
ウルツ鉱型格子構造を有する物質としてはＺｎＯを提示することができる。 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の格子定数（ａ＝３.１８９Å、ｃ＝５.１８５Å）と類似している。
したがって、ＺｎＯ上に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最少化することができる。
ＺｎＯは、水素ガスでエッチングすることができる。したがって、水素ガス雰囲気よりは窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガス雰囲気でＺｎＯの蒸着を行うことが望ましい。また、窒化物の成長も水素ガス雰囲気下で行うと、結晶品質がより良くなると知られている。しかし、水素ガス雰囲気下では、ＺｎＯ材質の格子緩衝層がエッチングされる。
したがって、バッファ層のような１番目の窒化物層は不活性ガス雰囲気で形成し、残りの窒化物層は水素ガス雰囲気で形成することが望ましい。
次に、パターン化された格子緩衝層形成段階（Ｓ２０）では、蒸着層の表面にエッチングパターンを形成し、パターン化された格子緩衝層を形成する。
パターン化された格子緩衝層は、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を用いて形成することができる。図３〜図６は、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を用いてパターン化された格子緩衝層を形成する例を示した図である。
まず、図３に示した例のように、蒸着層１２０上にフォトレジスト１３０を塗布する。その後、図４に示した例のように、露光、現像工程などを通してフォトレジストパターン１３０ａを形成する。
その後、図５に示した例のように、蒸着層１２０でフォトレジストパターン１３０ａによって露出する部分がエッチングされることによって、パターン化された蒸着層１２０ａが形成される。パターン化された蒸着層１２０ａは、本発明のパターン化された格子緩衝層になる。
その後、図６に示した例のように、残留するフォトレジストを除去する。フォトレジストの除去は、アセトン、メタノールなどを用いて行うことができ、脱イオン水を用いたリンス（ＤＩ Ｒｉｎｓｅ）過程を含むことができる。
次に、窒化物成長段階（Ｓ３０）では、パターン化された格子緩衝層（図６参照）１２０ａ上に、ＧａＮに代表される窒化物１４０を成長させる。ＧａＮのような窒化物は、ウルツ鉱型構造を有する格子緩衝層１２０ａによって低い線欠陥密度で成長することができる。
このとき、窒化物の成長過程でパターン化された格子緩衝層１２０ａが除去され、図７に示した例のようにエアギャップ１２０ｂが形成される。格子緩衝層１２０ａは、全体又は一部のみが除去される。エアギャップ１５０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ことができる。
エアギャップ１２０ｂを形成するために、水素ガス雰囲気で窒化物を成長させることができる。例えば、ＺｎＯの場合、水素ガスによって容易にエッチングされる。したがって、格子緩衝層１２０ａをＺｎＯで形成し、窒化物の成長時に雰囲気ガスを水素ガスにすると、窒化物の成長過程でＺｎＯエッチングを通して容易にエアホールを形成することができる。
もちろん、窒化物の成長初期から水素ガスを使用すると、格子緩衝層のエッチングによって窒化物成長初期の格子緩衝の効果を得ることが難しいので、成長する窒化物の線欠陥密度が高くなる。したがって、窒化物の成長初期は窒素ガスを用いて窒化物を成長させることによって格子緩衝効果を確保し、その後は水素ガスを用いてＺｎＯなどからなる格子緩衝層を除去することが望ましい。
図２〜図７に示した過程で製造される窒化物系発光素子は、基板、エアギャップ及び窒化物系発光構造体を含む。窒化物系発光構造体は、複数の窒化物層が積層されて形成される。
図８は、本発明に係るパターン化された格子緩衝層を用いた窒化物系発光素子の実施例を示した図である。
図８を参照すると、図示した窒化物系発光素子は、下側から、基板８１０、バッファ層８２０、非ドーピング窒化物層８４０、ｎ型の窒化物層８５０、発光活性層８６０及びｐ型の窒化物層８７０を含む。
図８に示した例で、基板８１０とバッファ層８２０との間にはエアギャップ８３０が形成されている。エアギャップ８３０は、上述したように、パターン化された格子緩衝層の除去を通して形成することができる。
図８に示した例で、バッファ層８２０は、ＡｌＮ、ＺｒＮ、ＧａＮなどの窒化物で形成することができる。
次に、バッファ層８２０の上部には、格子マッチングをより容易にするために非ドーピング窒化物層８４０を形成することができる。非ドーピング窒化物層８４０は、必要に応じて省略可能であり、基板８１０として非ドーピングシリコン基板やサファイア基板を用いる場合に適用することが望ましい。
次に、ｎ型の窒化物層８５０は、非ドーピング窒化物層８４０の上部に形成され、非ドーピング窒化物層８４０が省略される場合、バッファ層８２０の上部に形成される。ｎ型の窒化物層８５０には、ｎ型の電気的特性を示すようにシリコン（Ｓｉ）などの不純物がドーピングされている。
次に、発光活性層８６０は、ｎ型の窒化物層８５０の上部に形成される。発光活性層８６０は、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有することができる。発光活性層８６０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を提示することができる。
次に、ｐ型の窒化物層８７０は発光活性層８６０の上部に形成され、ｎ型の窒化物層８５０とは反対の電気的特性を示す。このために、ｐ型の窒化物層８７０にはＭｇなどの不純物がドーピングされている。
図８に示した例で、基板８１０としては、ｎ型のシリコン基板を用いることができる。ｎ型のシリコン基板を用いる場合、発光活性層８６０の下部の各層がｎ型に形成される。また、基板としてｎ型のシリコン基板を用いる場合、シリコン基板自体をｎ―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成長基板を除去するリフトオフ工程を省略することができ、さらに、ｎ―電極形成工程を省略することができる。
したがって、基板８１０としてｎ型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垂直型発光素子も容易に製造することができる。
また、基板８１０としてｎ型のシリコン基板を用いる場合、高温での窒化物の成長時における基板の反り現象が微々たるものになり、高温での窒化物の均質な成長が可能である。
一方、バッファ層８２０も、ｎ型に形成することができる。バッファ層８２０を形成するＡｌＮなどの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８２０をｎ型に形成する場合、バッファ層の電気抵抗が低くなる。
また、基板８１０としてｎ型のシリコン基板を用い、バッファ層８４０をｎ型に形成する場合、ｎ型のシリコン基板に注入される電子が発光活性層８７０まで障壁なく容易に移動することができる。したがって、この場合、発光素子の駆動効率をさらに高めることができる。
図９は、本発明に係るパターン化された格子緩衝層を用いた窒化物系発光素子の他の実施例を示した図である。
図９を参照すると、図示した窒化物系発光素子は、下側から、基板９１０、バッファ層９２０、ｐ型の窒化物層９４０、発光活性層９５０及びｎ型のＺｎＯ層９６０を含む。
また、図９に示した例で、基板９１０とバッファ層９２０との間にはエアギャップ９３０が形成されている。エアギャップ９３０は、上述したように、パターン化された格子緩衝層の除去を通して形成することができる。
図９に示した例で、基板９１０、バッファ層９２０、エアギャップ９３０、及び発光構造体を構成する各層９４０〜９５０は上述した通りであるので、それについての詳細な説明は省略する。
一方、図９を参照すると、基板９１０上にｐ型の窒化物層９４０が先に形成され、その上に発光活性層９５０が形成される。
従来のほとんどの窒化物系発光素子の製造方法では、 ｐ型の窒化物層を、発光活性層を形成した後の最後の段階で形成した。このとき、ｐ型の窒化物層形成過程で発光活性層に及ぼす影響を最小化するために、成長温度を低下させた状態でｐ型の窒化物を形成した。その結果、ｐ型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した。
しかし、本実施例では、ｐ型の窒化物層９４０を、発光活性層９５０を形成する前に形成することによって、高品質のｐ型の窒化物層を得ることができた。
ｎ型のＺｎＯ層９６０は、発光活性層９５０の上部に形成され、ｐ型の窒化物層９４０とは反対のｎ型の電気的特性を示す。ｎ型のＺｎＯ層９６０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９５０に及ぼす影響を最小化し、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型のＺｎＯ層９６０は、１２００℃程度の高温で成長するｎ型のＧａＮに取って代わるものである。
また、図９に示した例で、基板９１０としては、ｐ型のシリコン基板を用いることができる。ｐ型のシリコン基板を用いる場合、発光活性層９５０の下部の各層がｐ型に形成される。基板９１０としてｐ型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。このとき、バッファ層９２０もｐ型に形成することができる。
一方、バッファ層９２０をｐ型に形成する場合、バッファ層９２０のマグネシウム（Ｍｇ）などの不純物が基板９１０に浸透するようになる。この場合、基板９１０にｐ型の電気的特性が与えられる。したがって、基板９１０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。
上述したように、本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、ウルツ鉱型構造を有し、表面パターンを有する格子緩衝層を用いる。したがって、本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、窒化物の成長時に発生する線欠陥密度を低下させることができ、また、窒化物の成長時にエアギャップを形成することができる。これによって、製造される窒化物系発光素子の輝度を向上させることができる。
以上、本発明は、実施例を中心に説明したが、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、８１０、９１０：基板、１２０：蒸着層、１２０ａ：パターン化された格子緩衝層、１３０：フォトレジスト、１３０ａ：フォトレジストパターン、１４０：窒化物、１２０ｂ、８３０、９３０：エアギャップ、８２０、９２０：バッファ層、８４０：非ドーピング窒化物層、８５０：ｎ型の窒化物層、８６０、９５０：発光活性層、８７０、９４０：ｐ型の窒化物層、９６０：ｎ型のＺｎＯ層
Claims (14)
- 基板上に形成されるバッファ層及び発光構造体を含む窒化物系発光素子であって、
基板と、
前記基板上に形成されるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、複数の窒化物層が積層されている発光構造体と、を含み、
前記基板とバッファ層との間にエアホールが形成されていることを特徴とする窒化物系発光素子。 - 前記発光構造体は、
前記バッファ層上に形成されるｎ型の窒化物層と、
前記ｎ型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ｐ型の窒化物層と、を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。 - 前記基板は、ｎ型のシリコン基板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。
- 前記バッファ層は、ｎ型のバッファ層であることを特徴とする、請求項３に記載の窒化物系発光素子。
- 前記発光構造体は、
前記バッファ層上に形成されるｐ型の窒化物層と、
前記ｐ型の窒化物層の上部に形成される発光活性層と、
前記発光活性層の上部に形成されるｎ型のＺｎＯ層と、を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。 - 前記基板は、ｐ型のシリコン基板であることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物系発光素子。
- 前記バッファ層は、ｐ型のバッファ層であ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。
- 基板上に形成されるバッファ層及び発光構造体を含む窒化物系発光素子の製造方法であって、
基板上にウルツ鉱型格子構造を有する物質を蒸着して蒸着層を形成し、
前記蒸着層の表面にエッチングパターンを形成することによって、パターン化された格子緩衝層を形成し、
前記パターン化された格子緩衝層上に窒化物を成長させることによってバッファ層及び発光構造体を形成することを含み、
前記パターン化された格子緩衝層上に窒化物を成長させることによってバッファ層及び発光構造体を形成するときは、前記パターン化された格子緩衝層を除去し、前記除去された部分にエアギャップを形成することを特徴とする窒化物系発光素子の製造方法。 - 前記蒸着層は、ＺｎＯ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の製造方法。
- 前記蒸着層は、ＭＯＣＶＤ方法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。
- 前記蒸着層は、スパッタリング方法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。
- 前記パターン化された格子緩衝層上に窒化物を成長させることによってバッファ層及び発光構造体を形成することは、初期は窒素ガス雰囲気で実施し、その後は水素ガス雰囲気で実施す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８に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
- 前記パターン化された格子緩衝層は、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程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の製造方法。
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