JP2014056879A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた光取り出し効率を良好な再現性で達成できる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子1は、基板2と、基板2上に形成され、発光層4を含む半導体層20と、発光層4と基板2との間に形成された回折・散乱膜11とを含む。回折・散乱膜11は、膜厚方向に対して傾斜した側面11aを有し、膜厚方向に関して組成勾配を有し、発光層4で発生した光を回折または散乱させる。半導体層20は、窒化物半導体層であってもよい。この場合、回折・散乱膜11は、基板2上に窒化物半導体層を成長させるときに窒化物半導体の成長を抑制する成長抑制膜であってもよい。
【選択図】図1
【解決手段】半導体発光素子1は、基板2と、基板2上に形成され、発光層4を含む半導体層20と、発光層4と基板2との間に形成された回折・散乱膜11とを含む。回折・散乱膜11は、膜厚方向に対して傾斜した側面11aを有し、膜厚方向に関して組成勾配を有し、発光層4で発生した光を回折または散乱させる。半導体層20は、窒化物半導体層であってもよい。この場合、回折・散乱膜11は、基板2上に窒化物半導体層を成長させるときに窒化物半導体の成長を抑制する成長抑制膜であってもよい。
【選択図】図1
Description
この発明は、基板上に形成された半導体層中に発光層を含む半導体発光素子に関する。
特許文献1は、基板表面部分にGaN系半導体層で発生した光を散乱または回折させる凸部を形成し、外部量子効率の向上を図った半導体発光素子を開示している。凸部の側面は90°〜150°のテーパ角で傾斜しており、これにより、光の取り出し効率が格段に向上すると説明されている。
特許文献2は、GaN基板上にSiO2マスクを形成し、GaNを選択エピタキシャル成長させることによって転位の少ないGaNエピタキシャル層を形成する方法を開示している。
特許文献2は、GaN基板上にSiO2マスクを形成し、GaNを選択エピタキシャル成長させることによって転位の少ないGaNエピタキシャル層を形成する方法を開示している。
本願発明者は、特許文献2に記載されているようなマスクを特許文献1に形成されているような凸部として利用することを検討した。
しかし、側面が傾斜したマスクを安定した再現性で得ることは容易ではなく、したがって、安定した素子特性の半導体発光素子を製造することができなかった。
より具体的には、マスク膜の上に傾斜した側面を有するフォトレジストマスクを形成し、このフォトレジストマスクをエッチングマスクとしてマスク膜をプラズマエッチングしてみた。これにより、傾斜した側面を有するマスク膜が得られた。傾斜した側面を有するフォトレジストマスクは、フォトレジスト膜のパターンを形成した後に行う熱処理によってフォトレジストを収縮させることによって形成した。
しかし、側面が傾斜したマスクを安定した再現性で得ることは容易ではなく、したがって、安定した素子特性の半導体発光素子を製造することができなかった。
より具体的には、マスク膜の上に傾斜した側面を有するフォトレジストマスクを形成し、このフォトレジストマスクをエッチングマスクとしてマスク膜をプラズマエッチングしてみた。これにより、傾斜した側面を有するマスク膜が得られた。傾斜した側面を有するフォトレジストマスクは、フォトレジスト膜のパターンを形成した後に行う熱処理によってフォトレジストを収縮させることによって形成した。
ところが、このような工程で形成されるフォトレジストマスクは、ウエハ面内の熱分布の影響を受けるため、ウエハ面内で傾斜面の角度にばらつきが生じる。それに応じて、マスク膜の側面の傾斜もウエハ面内でばらつくことになる。
このばらつきのために、ウエハの各部から切り出されるデバイスの特性、とくに光取り出し効率にばらつきが生じる。よって、一定の特性の素子を良好な再現性で作製することができないおそれがある。
このばらつきのために、ウエハの各部から切り出されるデバイスの特性、とくに光取り出し効率にばらつきが生じる。よって、一定の特性の素子を良好な再現性で作製することができないおそれがある。
そこで、この発明の目的は、優れた光取り出し効率を良好な再現性で達成できる半導体発光素子を提供することである。
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、基板と、前記基板上に形成され、発光層を含む半導体層と、前記発光層と前記基板との間に形成され、膜厚方向に対して傾斜した側面を有し、前記膜厚方向に関して組成勾配を有し、前記発光層で発生した光を回折または散乱させる回折・散乱膜とを含む、半導体発光素子である。
発光層で発生した光は、基板側または基板とは反対側から素子外に取り出されてもよい。回折・散乱膜は、発光層で発生した光を回折または散乱させることにより、基板と半導体層との界面での全反射を抑制する。これにより、光取り出し効率を高めることができる。より具体的には、回折・散乱膜は、膜厚方向に関して傾斜した側面を有するので、その側面によって光の回折・散乱を促すことができる。それによって、光取り出し効率の向上に寄与する。
発光層で発生した光は、基板側または基板とは反対側から素子外に取り出されてもよい。回折・散乱膜は、発光層で発生した光を回折または散乱させることにより、基板と半導体層との界面での全反射を抑制する。これにより、光取り出し効率を高めることができる。より具体的には、回折・散乱膜は、膜厚方向に関して傾斜した側面を有するので、その側面によって光の回折・散乱を促すことができる。それによって、光取り出し効率の向上に寄与する。
回折・散乱膜は、膜厚方向に関して組成勾配を有している。そのため、回折・散乱膜をエッチングによって形成するときに、膜厚方向の各部におけるエッチングレートが変化する。そのため、回折・散乱膜の側面は、組成勾配に応じて傾斜することになる。したがって、回折・散乱膜の膜厚方向に関する組成勾配を制御することによって、回折・散乱膜の側面の傾斜を制御することができる。回折・散乱膜の膜厚方向に関する組成勾配は、精度良く、かつ良好な再現性で制御することができる。その結果、回折、散乱膜の側面の傾斜を、精度良く、かつ良好な再現性で制御できることになる。これにより、優れた光取り出し効率を良好な再現性で達成できる構造の半導体発光素子を提供できる。
請求項2記載の発明は、前記半導体層が窒化物半導体層であり、前記回折・散乱膜が、前記基板上に前記窒化物半導体層を成長させるときに窒化物半導体の成長を抑制する成長抑制膜である、請求項1に記載の半導体発光素子である。この構成によれば、半導体層を構成する窒化物半導体を成長させるときの成長抑制膜を利用して、回折・散乱膜を形成することができる。基板上に成長抑制膜を形成することによって、その成長抑制膜が形成されていないところから窒化物半導体の結晶が成長し始める。結晶成長が進むと、窒化物半導体層は、成長抑制膜の上を覆うように横方向(基板の主面に平行な方向)に成長する。これにより、基板表面の欠陥から窒化物半導体層に受け継がれた転位が横方向に延びて消滅する。その結果、表層部の転位密度が少ない窒化物半導体層が得られ、優れた素子特性を実現できる。したがって、結晶性のよい窒化物半導体層を形成するための工程を利用して回折・散乱膜を形成できるので、追加の工程を要することなく、優れた光取り出し効率を良好な再現性で実現できる半導体発光素子を提供できる。
請求項3記載の発明は、前記回折・散乱膜が、シリコンおよび窒素を含み、窒素の組成が前記膜厚方向に関して勾配を有している、請求項1または2に記載の半導体発光素子である。窒素の組成が膜厚方向に関して勾配を有していることによって、回折・散乱膜をパターニングするときのエッチングレートが膜厚方向に関して変化することになる。それによって、回折・散乱膜の側面の形状を良好な再現性で精度良く制御できる。
請求項4記載の発明は、前記回折・散乱膜が、シリコン、窒素および酸素を含み、窒素の組成および酸素の組成が、前記膜厚方向に関して勾配を有している、請求項1または2に記載の半導体発光素子である。窒素および酸素の各組成が膜厚方向に関して勾配を有していることによって、回折・散乱膜をパターニングするときのエッチングレートが膜厚方向に関して変化することになる。それによって、回折・散乱膜の側面の形状を良好な再現性で精度良く制御できる。
請求項5記載の発明は、前記回折・散乱膜が、SiO2からSiONまで前記膜厚方向に組成変化する膜部分を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。SiO2およびSiONのエッチングレートは異なり、それらの中間的な組成の膜のエッチングレートは、SiO2のエッチングレートおよびSiONのエッチングレートの間の中間的な値となる。よって、SiO2からSiONまで前記膜厚方向に組成変化する膜部分は、組成変化に応じたエッチングレートを有することになり、その膜部分の側面は、当該組成変化に応じた形状を有することになる。
請求項6記載の発明は、前記回折・散乱膜が、SiO2からSiNまで前記膜厚方向に組成変化する膜部分を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。SiO2およびSiNのエッチングレートは異なり、それらの中間的な組成の膜のエッチングレートは、SiO2のエッチングレートおよびSiNのエッチングレートとの間の中間的な値となる。よって、SiO2からSiNまで前記膜厚方向に組成変化する膜部分は、組成変化に応じたエッチングレートを有することになり、その膜部分の側面は、当該組成変化に応じた形状を有することになる。
請求項7記載の発明は、前記回折・散乱膜が、SiONからSiNまで前記膜厚方向に組成変化する膜部分を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。SiONおよびSiNのエッチングレートは異なり、それらの中間的な組成の膜のエッチングレートは、SiONのエッチングレートおよびSiNのエッチングレートとの間の中間的な値となる。よって、SiONからSiNまで前記膜厚方向に組成変化する膜部分は、組成変化に応じたエッチングレートを有することになり、その膜部分の側面は、当該組成変化に応じた形状を有することになる。
請求項8記載の発明は、前記回折・散乱膜が、酸素の組成a(a>0)および窒素の組成b(b>0)が前記膜厚方向に変化するSiOaNbの膜部分を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。SiOaNbのエッチングレートは、酸素および窒素の組成a,bに依存する。よって、回折・散乱膜をパターニングするときのエッチングでは、膜の各部の組成a,bに応じたエッチングレートでエッチングが進行するので、当該組成a,bの変化に応じた形状の側面を有する回折・散乱膜が得られる。
請求項9記載の発明は、前記回折・散乱膜が、窒素組成xが前記膜厚方向に変化するSiNxの膜部分を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。SiNxのエッチングレートは、窒素組成xによって変化する。よって、回折・散乱膜をパターニングするときのエッチングでは、膜の各部の窒素組成xに応じたエッチングレートでエッチングが進行するので、当該窒素組成xの変化に応じた形状の側面を有する回折・散乱膜が得られる。
請求項10に記載されているように、前記回折・散乱膜が、前記基板から前記発光層に向かうに従って単調に増加する窒素組成勾配を有する膜部分を含んでいてもよい。
請求項11に記載されているように、前記回折・散乱膜が、前記基板から前記発光層に向かうに従って単調に減少する酸素組成勾配を有する膜部分を含んでいてもよい。
請求項12に記載されているように、前記回折・散乱膜が、酸素組成が窒素組成よりも大きい膜部分を含んでいてもよい。
請求項11に記載されているように、前記回折・散乱膜が、前記基板から前記発光層に向かうに従って単調に減少する酸素組成勾配を有する膜部分を含んでいてもよい。
請求項12に記載されているように、前記回折・散乱膜が、酸素組成が窒素組成よりも大きい膜部分を含んでいてもよい。
請求項13に記載されているように、前記回折・散乱膜が、窒素組成が酸素組成よりも大きい膜部分を含んでいてもよい。
請求項14に記載されているように、前記回折・散乱膜が、前記膜厚方向にリニアな組成勾配を有する膜部分を含んでいてもよい。
請求項15に記載されているように、前記回折・散乱膜が、前記膜厚方向に関して一定のシリコン組成を有していてもよい。
請求項14に記載されているように、前記回折・散乱膜が、前記膜厚方向にリニアな組成勾配を有する膜部分を含んでいてもよい。
請求項15に記載されているように、前記回折・散乱膜が、前記膜厚方向に関して一定のシリコン組成を有していてもよい。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の模式的な断面図である。
この半導体発光素子1は、基板2と、n型窒化物半導体層3と、発光層4と、p型窒化物半導体層5と、透明電極層6と、反射電極層7と、n型電極層8と、分離絶縁層9と、接合層10とを備えている。n型窒化物半導体層3、発光層4およびp型窒化物半導体層5は、窒化物半導体層20を構成している。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の模式的な断面図である。
この半導体発光素子1は、基板2と、n型窒化物半導体層3と、発光層4と、p型窒化物半導体層5と、透明電極層6と、反射電極層7と、n型電極層8と、分離絶縁層9と、接合層10とを備えている。n型窒化物半導体層3、発光層4およびp型窒化物半導体層5は、窒化物半導体層20を構成している。
基板2上に、n型窒化物半導体層3、発光層4、p型窒化物半導体層5、透明電極層6、反射電極層7、n型電極層8、分離絶縁層9および接合層10が形成されている。
基板2は、発光層4の発光波長λ(たとえば450nm)に対して透明な材料(たとえばサファイア、GaNまたはSiC)からなる。基板2の厚さは、たとえば、400μmである。基板2では、図1における下面が裏面2Aであり、図1における上面が表面2Bである。裏面2Aは、光が取り出される光取出し面であって、半導体発光素子1の裏面を形成している。表面2Bは、基板2におけるn型窒化物半導体層3との接合面である。
基板2は、発光層4の発光波長λ(たとえば450nm)に対して透明な材料(たとえばサファイア、GaNまたはSiC)からなる。基板2の厚さは、たとえば、400μmである。基板2では、図1における下面が裏面2Aであり、図1における上面が表面2Bである。裏面2Aは、光が取り出される光取出し面であって、半導体発光素子1の裏面を形成している。表面2Bは、基板2におけるn型窒化物半導体層3との接合面である。
n型窒化物半導体層3は、基板2上に積層されている。n型窒化物半導体層3は、基板2の表面2Bの全域を覆っている。n型窒化物半導体層3は、この実施形態では、n型のGaN(窒化物半導体の一例)からなり、発光層4の発光波長λに対して透明である。n型窒化物半導体層3について、図1において基板2の表面2Bを覆う下面を裏面3Aといい、裏面3Aとは反対側の上面を表面3Bということにする。表面3Bでは、図1における左側の領域が部分的に突出しており、これにより、表面3Bには、段差が形成されている。
発光層4は、n型窒化物半導体層3上に積層されている。発光層4は、n型窒化物半導体層3の表面3Bにおいて、図1における左寄りの突出した領域を部分的に覆っている。発光層4は、この実施形態では、Inを含む窒化物半導体(たとえばInGaN)からなる。発光層4について、図1においてn型窒化物半導体層3の表面3Bの左寄りの領域を覆う下面を裏面4Aといい、裏面4Aとは反対側の上面を表面4Bということにする。
p型窒化物半導体層5は、発光層4上に積層されている。p型窒化物半導体層5は、発光層4の表面4Bの全域を覆っている。p型窒化物半導体層5および発光層4の積層構造は、ドライエッチング法によって一括して同パターンにパターニングされて形成されている。p型窒化物半導体層5は、p型のGaN(窒化物半導体の一例)からなり、発光層4の発光波長λに対して透明である。n型窒化物半導体層3、発光層4およびp型窒化物半導体層5の全体の厚さは、最大で、たとえば6.5μmである。p型窒化物半導体層5について、図1において発光層4の表面4Bを覆う下面を裏面5Aといい、裏面5Aとは反対側の上面を表面5Bということにする。
透明電極層6は、p型窒化物半導体層5上に積層されている。透明電極層6は、p型窒化物半導体層5の表面5Bのほぼ全域を覆っている。透明電極層6は、ZnO(酸化亜鉛)またはITO(酸化インジウム錫)からなり、発光層4の発光波長λに対して透明である。この実施形態では、透明電極層6は、ITOからなる。透明電極層6において、図1においてp型窒化物半導体層5の表面5Bを覆う下面を裏面6Aといい、裏面6Aとは反対側の上面を表面6Bということにする。
反射電極層7は、透明電極層6と同一パターンで透明電極層6上に積層されている。反射電極層7は、図1における透明電極層6の表面6Bの全域を、表面6Bからはみ出ることなく覆っている。反射電極層7において、図1での透明電極層6の表面6Bを覆う下面を裏面7Aといい、裏面7Aとは反対側の上面を表面7Bということにする。反射電極層7では、裏面7Aが透明電極層6の表面6Bに対向する対向面であり、裏面7Aの全域が透明電極層6の表面6Bに接触(面接触)している。
反射電極層7は、この実施形態では、銀と白金族金属と銅とを含む合金からなる。当該白金族金属として、白金やパラジウムを用いることができる。各金属の配合比率は、銀が98%程度であり、白金族金属および銅のそれぞれが1%程度である。反射電極層7の厚さは、たとえば50nm〜500nmであり、好ましくは、350nmである。
n型電極層8は、n型窒化物半導体層3の表面3Bにおいて図1における右側領域に形成されている。n型電極層8は、n型窒化物半導体層3の表面3Bにおいて、前述した段差を形成するために裏面3A側へ一段低くなった部分に形成されている。n型電極層8は、AlやCrからなる。この実施形態では、Alをn型窒化物半導体層3に接するように形成し、そのAl上にCrを形成することでn型電極層8を構成している。n型電極層8の厚さは、たとえば約26000Åである。n型電極層8において、図1でのn型窒化物半導体層3の表面3Bと接する面を裏面8Aといい、裏面8Aとは反対側の面を表面8Bということにする。
n型電極層8は、n型窒化物半導体層3の表面3Bにおいて図1における右側領域に形成されている。n型電極層8は、n型窒化物半導体層3の表面3Bにおいて、前述した段差を形成するために裏面3A側へ一段低くなった部分に形成されている。n型電極層8は、AlやCrからなる。この実施形態では、Alをn型窒化物半導体層3に接するように形成し、そのAl上にCrを形成することでn型電極層8を構成している。n型電極層8の厚さは、たとえば約26000Åである。n型電極層8において、図1でのn型窒化物半導体層3の表面3Bと接する面を裏面8Aといい、裏面8Aとは反対側の面を表面8Bということにする。
n型窒化物半導体層3、発光層4、p型窒化物半導体層5、透明電極層6および反射電極層7のそれぞれの側面は、たとえばSiO2からなる分離絶縁層9によって覆われている。これにより、発光層4、p型窒化物半導体層5、透明電極層6および反射電極層7と、n型電極層8とが分離絶縁されている。分離絶縁層9の材料としては、SiO2の代わりに、SiNやAlNやAl2O3やSiONなどが用いられてもよい。分離絶縁層9の厚みは500Å〜50000Åであり、たとえば1000Åである。
接合層10は、反射電極層7上およびn型電極層8上に積層されている。接合層10は、たとえば、Ag、TiもしくはPtまたはこれらの合金からなる。接合層10は、半田またはAuSnからなってもよい。さらに、接合層10からの反射電極層7やn型電極層8への拡散を抑えるために、接合層10にPtなどの拡散防止層を挿入してもよい。この実施形態では、接合層10は、Ti、Pt、AuSnを反射電極層7およびn型電極層8の側からこの順番で積層することによって構成されている。接合層10において、図1で反射電極層7やn型電極層8と接する下面を裏面10Aといい、裏面10Aとは反対側の上面を表面10Bということにする。この表面10Bは、半導体発光素子1の表面を形成している。
また、接合層10において、反射電極層7に接する部分の表面10Bをp型電極部12といい、n型電極層8に接する部分の表面10Bをn型電極部13という。p型電極部12とn型電極部13とはいずれも平坦面であり、同じ高さ位置において面一になっている。前述したように分離絶縁層9によって反射電極層7とn型電極層8とが分離絶縁されているので、p型電極部12とn型電極部13とは電気的に絶縁されている。
この半導体発光素子1では、p型電極部12とn型電極部13との間に順方向電圧を印加すると、発光層4から、発光波長λ440nm〜460nmの光が発生する。この光は、n型窒化物半導体層3および基板2をこの順で透過して基板2の裏面2Aから取り出される。発光層4からp型窒化物半導体層5側に向かった光は、p型窒化物半導体層5および透明電極層6をこの順で透過して、透明電極層6と反射電極層7との界面で反射される。反射した光は、透明電極層6、p型窒化物半導体層5、発光層4、n型窒化物半導体層3および基板2をこの順で透過して基板2の裏面2Aから取り出される。
基板2の表面2Bには、回折・散乱膜11が形成されている。回折・散乱膜11は、n型窒化物半導体層3側へ突出する複数の凸部11Aの形態を有している。
図2Aおよび図2Bは、回折・散乱膜11の構成例を示す図解的な斜視図である。
回折・散乱膜11は、基板2の表面2Bに離散配置された複数の凸部11Aの形態にパターニングされている。具体的には、複数の凸部11Aは、互いに間隔を空けて行列状に配置されていてもよいし(図2A参照)、千鳥状に配置されていてもよい(図2B参照)。回折・散乱膜11は、Si、O、およびNを含む絶縁膜からなり、膜厚方向に関して組成勾配を有している。より具体的には、酸素および窒素の少なくともいずれか一方の組成が、膜厚方向に関して勾配を有している。また、凸部11Aは、膜厚方向(基板2の主面(裏面2A)の法線方向)に対して傾斜した側面11aを有している。図2Aおよび図2Bにおいては、各凸部11Aが六角錐台形状に形成されている例を示す。
図2Aおよび図2Bは、回折・散乱膜11の構成例を示す図解的な斜視図である。
回折・散乱膜11は、基板2の表面2Bに離散配置された複数の凸部11Aの形態にパターニングされている。具体的には、複数の凸部11Aは、互いに間隔を空けて行列状に配置されていてもよいし(図2A参照)、千鳥状に配置されていてもよい(図2B参照)。回折・散乱膜11は、Si、O、およびNを含む絶縁膜からなり、膜厚方向に関して組成勾配を有している。より具体的には、酸素および窒素の少なくともいずれか一方の組成が、膜厚方向に関して勾配を有している。また、凸部11Aは、膜厚方向(基板2の主面(裏面2A)の法線方向)に対して傾斜した側面11aを有している。図2Aおよび図2Bにおいては、各凸部11Aが六角錐台形状に形成されている例を示す。
凸部11Aは、n型窒化物半導体層3とは屈折率が異なる材料からなり、かつ傾斜した側面11aを有している。これにより、様々な方向から基板2に向かう光が基板2の表面2Bで全反射することを抑制でき、より多くの光が、基板2を通過して光取り出し面2Aから外部に取り出される。すなわち、n型窒化物半導体層3と基板2との界面においてn型窒化物半導体層3側へ光が反射することを抑制できるので、光取り出し効率を向上できる。
図3A〜図3Jは、図1に示す半導体発光素子の製造方法を示す模式的な断面図である。
まず、図3Aに示すように、基板2の表面に回折・散乱膜11が形成される。回折・散乱膜11の形成は、プラズマCVD(化学的気相成長)法によって行われてもよい。回折・散乱膜11の形成中に、原料ガスの流量比、高周波パワーなどの成膜条件を変化させることによって、回折・散乱膜11の組成を膜厚方向に関して変化させることができる。
まず、図3Aに示すように、基板2の表面に回折・散乱膜11が形成される。回折・散乱膜11の形成は、プラズマCVD(化学的気相成長)法によって行われてもよい。回折・散乱膜11の形成中に、原料ガスの流量比、高周波パワーなどの成膜条件を変化させることによって、回折・散乱膜11の組成を膜厚方向に関して変化させることができる。
次いで、図3Bに示すように、レジストパターン31をマスクとするエッチングにより、回折・散乱膜11がエッチングされ、図3Cに示すように、複数の凸部11Aに分離される。エッチングは、プラズマエッチングによって行ってもよい。回折・散乱膜11は、膜厚方向に関して組成勾配を有しており、エッチングレートはその組成に依存する。そのため、エッチングの進行に伴ってエッチングレートが変動する。そのため、凸部11Aは、エッチングレートの変動に応じた形状の側面11aを有することになる。つまり、側面11aの形状は、回折・散乱膜11の膜厚方向に関する組成勾配に従う。
次いで、レジストパターン31を除去して必要な洗浄を行った後、基板2の表面2B上に、n型のGaNからなる層(n−GaN層)がエピタキシャル成長させられる。より具体的には、基板2の主面に沿って結晶成長が進む成長条件に設定した選択横方向成長によって、n型不純物(たとえばSi)を添加しながら、GaN結晶がエピタキシャル成長させられる。このとき、回折・散乱膜11は、GaN結晶の成長を抑制する成長抑制膜として機能する。そのため、結晶成長は、回折・散乱膜11から露出している基板2の表面2Bから始まり、成長したGaN結晶3aは、基板2の表面2Bに平行な横方向へと広がり(図3D参照)、ついには、回折・散乱膜11を覆い尽くす。このような横方向成長によって、基板2の結晶欠陥を受け継いでGaN結晶3中に生じる転位を消滅させることができる。その後もGaN結晶3aのエピタキシャル成長が所定の厚さになるまで継続される。それによって、転位の少ない表層部を有するn型窒化物半導体層3を形成することができる(図3E参照)。
次いで、図3Fに示すように、n型窒化物半導体層3の表面3B上に、Inを含む窒化物半導体層(たとえばInzGa1−zN層。ただし0<z<1)をエピタキシャル成長によって形成する。この層が、n型窒化物半導体層3上に積層される発光層4になる。発光層4の発光波長λは、InおよびGaの組成を調整することで、440nm〜460nmに制御される。
次いで、同じく、図3Fに示すように、発光層4の表面4B上に、p型窒化物半導体層5として、p型不純物(たとえばMg)を添加しながらGaN層(p−GaN層)をエピタキシャル成長によって形成する。p型窒化物半導体層5は、組成中にAlを含むp−AlGaN層で構成されてもよいし、p−GaN層とp―AlGaN層との積層構造で構成してもよい。
次いで、p型窒化物半導体層5上に、透明電極層6を形成すべき領域に開口を有するレジストパターン(図示せず)が形成される。続いて、当該レジストパターンを介して、たとえば、スパッタ法により、ITO材料がp型窒化物半導体層5上に堆積される。そして、ITO材料の不要部分をレジストパターンとともにリフトオフする。これにより、図3Gに示すように、たとえば、ITOからなる層(ITO層)をp型窒化物半導体層5の表面5B上に選択的に形成する。このITO層が透明電極層6になる。透明電極層6を形成する際、p型窒化物半導体層5と透明電極層6との電気的接合性および密着性を良好にするために熱処理を加えても良く、その場合、たとえば500〜700℃の温度で熱処理する。
次いで、透明電極層6の表面6Bおよびp型窒化物半導体層5の表面5Bの上に、全面に亘って、銀と白金族金属と銅とを含む合金の層(合金層)を形成し、この合金層に対して、レジストパターン(図示せず)をマスクとするエッチングを施すことで、図3Gに示すように、透明電極層6上に、透明電極層6と同一パターンで反射電極層7を形成する。
次いで、レジストパターン(図示せず)をマスクとするエッチングにより、図3Hに示すように、p型窒化物半導体層5、発光層4およびn型窒化物半導体層3のそれぞれを選択的に除去する。
次いで、レジストパターン(図示せず)をマスクとするエッチングにより、図3Hに示すように、p型窒化物半導体層5、発光層4およびn型窒化物半導体層3のそれぞれを選択的に除去する。
次いで、図3Iに示すように、たとえばリフトオフ法によってn型窒化物半導体層3の表面3B上にn型電極層8を形成する。n型電極層8としては、Alや、TiとAlとの積層構造等を用いることができる。n型電極層8を形成する際、n型電極層8とn型窒化物半導体層3との密着性や電気的接合性を向上させるために熱処理を施してもよい。
次いで、図3Jに示すように、SiO2からなる分離絶縁層9を形成する。分離絶縁層9は、n型窒化物半導体層3の表面3Bにおいてp型電極部12(図1参照)に近い領域の一部と、発光層4、p型窒化物半導体層5、透明電極層6および反射電極層7のそれぞれの側面と、反射電極層7の表面7Bの一部とを覆うように形成される。分離絶縁層9の形成方法は、リフトオフ法でも、エッチオフ法でもよい。分離絶縁層9としては、SiO2以外に、SiNやAlN、Al2O3、SiONなどを用いることができる。
次いで、図3Jに示すように、SiO2からなる分離絶縁層9を形成する。分離絶縁層9は、n型窒化物半導体層3の表面3Bにおいてp型電極部12(図1参照)に近い領域の一部と、発光層4、p型窒化物半導体層5、透明電極層6および反射電極層7のそれぞれの側面と、反射電極層7の表面7Bの一部とを覆うように形成される。分離絶縁層9の形成方法は、リフトオフ法でも、エッチオフ法でもよい。分離絶縁層9としては、SiO2以外に、SiNやAlN、Al2O3、SiONなどを用いることができる。
次いで、リフトオフ法により、接合層10を、反射電極層7の表面7B上と、n型電極層8の表面8B上とに形成する。本実施形態では、接合層10として、AuSnからなる層(AuSn層)を用いている。AuSn層の拡散から反射電極層7およびn型電極層8を保護するために、接合層10にPtからなる拡散防止層を挿入してもよい。反射電極層7およびn型電極層8との密着性を良くするために、接合層10は、反射電極層7および8との界面にTi層を有していてもよい。すなわち、接合層10は、Ti層、Pt層およびAuSn層が、反射電極層7およびn型電極層8側からこの順番で積層された積層金属膜で構成されていてもよい。
ここまでの工程が、複数の素子領域を有する半導体ウエハの状態で行われる。そして、この工程以後に、必要に応じて、研削・研磨工程によってウエハの厚みをたとえば300μmに調整した後、素子分離工程(スクライブ・ブレーキング)によってウエハ状態からチップ状態へと加工すると、最終的に図1の半導体発光素子1が個別に得られる。
図4は、回折・散乱膜11の形成工程の第1の具体例を説明するための図である。すなわち、プラズマCVD法によって回折・散乱膜11を形成するときの原料ガス流量の時間変化、および高周波パワーの時間変化が示されている。期間T1はプラズマでウエハを加熱している予備加熱期間である。期間T2は成膜期間である。期間T3は処理チャンバ内を冷却するための冷却期間である。
図4は、回折・散乱膜11の形成工程の第1の具体例を説明するための図である。すなわち、プラズマCVD法によって回折・散乱膜11を形成するときの原料ガス流量の時間変化、および高周波パワーの時間変化が示されている。期間T1はプラズマでウエハを加熱している予備加熱期間である。期間T2は成膜期間である。期間T3は処理チャンバ内を冷却するための冷却期間である。
予備加熱期間T1には、O2の流量は0よりも大きい初期流量F1に保持され、高周波パワーも0よりも大きい一定値P1に保持されている。N2流量およびSiH4流量は、いずれも0である。したがって、ウエハ上には膜は堆積されない。
成膜期間T2中には、O2流量は、初期流量F1から単調(図4の例ではリニア)に減少し、成膜期間T2の終わりには、0よりも大きな所定値F2(<F1)となる。一方、N2流量は、成膜期間T2の当初の所定時間長の期間T21においては0に保持され、期間T21に続く期間T22においては、0から所定値F3(>F2)まで単調(図4の例ではリニア)に増加する。SiH4流量は、成膜期間T2の全体に渡って、0よりも大きい一定値に保持される。高周波パワーは、成膜期間T2全体に渡って、0よりも大きい一定値P1に保持されている。
成膜期間T2中には、O2流量は、初期流量F1から単調(図4の例ではリニア)に減少し、成膜期間T2の終わりには、0よりも大きな所定値F2(<F1)となる。一方、N2流量は、成膜期間T2の当初の所定時間長の期間T21においては0に保持され、期間T21に続く期間T22においては、0から所定値F3(>F2)まで単調(図4の例ではリニア)に増加する。SiH4流量は、成膜期間T2の全体に渡って、0よりも大きい一定値に保持される。高周波パワーは、成膜期間T2全体に渡って、0よりも大きい一定値P1に保持されている。
よって、期間T21にはSiO2膜が成膜され、期間T21にはそのSiO2膜の上にSiOaNb膜が堆積される(ただしa>0、b>0)。SiOaNb膜のO組成aおよびN組成bは、O2流量およびN2流量にそれぞれ依存するから、成膜が進むに従って、SiOaNb膜中のO組成aは単調(この実施形態ではリニア)に減少し、N組成bは単調(この実施形態ではリニア)に増加する。成膜の途中でO2流量とN2流量が一旦等しくなり、その後大小関係が逆転する。よって、SiOaNb膜中のO組成aおよびN組成bは、膜厚途中位置で等しくなり、その位置を挟んで大小関係が逆転する。Si組成は、膜厚方向に関して一定である。
このようにして、回折・散乱膜11は、SiO2膜部分とSiOaNb膜部分とを有し、SiOaNb膜部分においては、膜厚方向に関してO組成aおよびN組成bが勾配を有することになる。より具体的には、SiOaNb膜部分のO組成aは、基板2から発光層4に向かうに従って単調に減少することになる。また、SiOaNb膜部分のN組成bは、基板2から発光層4に向かって単調に増加することになる。そして、SiOaNb膜部分は、膜厚方向の途中位置にO組成aとN組成bとが等しい位置を有し、その位置に対して基板2側においてはO組成aがN組成bよりも大きく、当該位置に対して発光層4側においてはN組成bがO組成aよりも大きい。
冷却期間T3においては、O2流量およびSiH4流量がいずれも0とされる一方で、N2流量が所定流量F4(>F3)とされ、高周波パワーが0とされる。これにより、処理チャンバ内にN2が大流量で送り込まれ、処理チャンバ内の冷却が図られる。
図5は、SiOxNy(x≧0、y≧0)のエッチングレートを説明するための図である。横軸はSiOxNy膜を成膜したときの流量比を表し、縦軸はプラズマエッチングによるエッチングレートを表す。流量比は、N2流量/(N2流量+O2流量)で定義される。また、プラズマエッチングでは、エッチングガスとして、CH4を用いた。流量比が大きいほど、O組成xが小さく、N組成yが大きい。サンプルs1は、N2流量が0の場合であり、したがって、SiO2に対するエッチングレートを示す。サンプルs5は、O2流量が0の場合であり、したがって、SiN(Si3N4)に対するエッチングレートを表す。サンプルs5の方がサンプルs1よりもエッチングレートが大きく、サンプルs2〜s4は、サンプルs1,s5の間の中間的なエッチングレートを示していて、N組成が多いほどエッチングレートが高くなることが分かる。
図5は、SiOxNy(x≧0、y≧0)のエッチングレートを説明するための図である。横軸はSiOxNy膜を成膜したときの流量比を表し、縦軸はプラズマエッチングによるエッチングレートを表す。流量比は、N2流量/(N2流量+O2流量)で定義される。また、プラズマエッチングでは、エッチングガスとして、CH4を用いた。流量比が大きいほど、O組成xが小さく、N組成yが大きい。サンプルs1は、N2流量が0の場合であり、したがって、SiO2に対するエッチングレートを示す。サンプルs5は、O2流量が0の場合であり、したがって、SiN(Si3N4)に対するエッチングレートを表す。サンプルs5の方がサンプルs1よりもエッチングレートが大きく、サンプルs2〜s4は、サンプルs1,s5の間の中間的なエッチングレートを示していて、N組成が多いほどエッチングレートが高くなることが分かる。
以上のようにこの実施形態によれば、回折・散乱膜11は、膜厚方向に関して組成勾配を有している。そのため、回折・散乱膜11をエッチングによってパターニングして複数の凸部11Aを形成するときに、膜厚方向の各部におけるエッチングレートが変化する。そのため、凸部11Aの側面aは、組成勾配に応じて傾斜することになる。したがって、回折・散乱膜11の膜厚方向に関する組成勾配を制御することによって、凸部11Aの側面11aの傾斜を制御することができる。回折・散乱膜11の膜厚方向に関する組成勾配は、成膜条件の制御によって、精度良く、かつ良好な再現性で制御することができる。その結果、凸部11Aの側面11aの傾斜を、精度良く、かつ良好な再現性で制御できることになる。これにより、優れた光取り出し効率を良好な再現性で達成できる構造の半導体発光素子1を提供できる。
また、この実施形態では、回折・散乱膜11が、基板2上に窒化物半導体層20を成長させるときに窒化物半導体の成長を抑制する成長抑制膜を兼ねている。そのため、結晶性のよい窒化物半導体層20を形成するための工程を利用して回折・散乱膜11を形成できるので、追加の工程を要することなく、優れた光取り出し効率を良好な再現性で実現できる半導体発光素子1を提供できる。
図6は、この発明の第2の実施形態を説明するための図であり、回折・散乱膜11の形成工程の第2の具体例を説明するための図である。すなわち、図4と同様に、プラズマCVD法によって回折・散乱膜11を形成するときの原料ガス流量の時間変化、および高周波パワーの時間変化が示されている。期間T1はプラズマでウエハを加熱している予備加熱期間である。期間T2は成膜期間である。期間T3は処理チャンバ内を冷却するための冷却期間である。
予備加熱期間T1には、O2の流量は0に保持され、高周波パワーは0よりも大きい一定値P11に保持されている。N2流量は0よりも大きな一定値F11に保持されており、SiH4流量は0に保持されている。したがって、ウエハ上には膜は堆積されない。
成膜期間T2中には、O2流量は、0よりも大きな初期流量F12から単調(図6の例ではリニア)に減少し、成膜期間T2の終わりには、初期流量F12よりも小さく0よりも大きな所定値F13(<F12)となる。一方、N2流量は、前記初期流量F12から単調(図6の例ではリニア)に増加し、成膜期間T2の終わりには、初期流量F12よりも大きい所定値F14(>F12)となる。SiH4流量は、成膜期間T2の全体に渡って、0よりも大きい一定値に保持される。高周波パワーは、成膜期間T2全体に渡って、0よりも大きい一定値P11に保持されている。
成膜期間T2中には、O2流量は、0よりも大きな初期流量F12から単調(図6の例ではリニア)に減少し、成膜期間T2の終わりには、初期流量F12よりも小さく0よりも大きな所定値F13(<F12)となる。一方、N2流量は、前記初期流量F12から単調(図6の例ではリニア)に増加し、成膜期間T2の終わりには、初期流量F12よりも大きい所定値F14(>F12)となる。SiH4流量は、成膜期間T2の全体に渡って、0よりも大きい一定値に保持される。高周波パワーは、成膜期間T2全体に渡って、0よりも大きい一定値P11に保持されている。
よって、成膜期間T2にはSiOaNb膜が堆積される(ただしa>0、b>0)。SiOaNb膜のO組成aおよびN組成bは、O2流量およびN2流量にそれぞれ依存するから、最初のO組成aおよびN組成bは等しく、成膜が進むに従って、SiOaNb膜中のO組成aは単調(この実施形態ではリニア)に減少し、N組成bは単調(この実施形態ではリニア)に増加する。O2およびN2の初期流量F12が等しいので、膜厚方向のいずれの位置でも、a≦bが成立する。Si組成は、膜厚方向のいずれの位置でも一定である。
このようにして、回折・散乱膜11は、SiOaNb膜からなり、膜厚方向に関してO組成aおよびN組成bが勾配を有することになる。より具体的には、SiOaNb膜部分のO組成は、基板2から発光層4に向かうに従って単調に減少することになる。また、SiOaNb膜のN組成は、基板2から発光層4に向かって単調に増加することになる。そして、SiOaNb膜は、いずれの部分においても、N組成bがO組成a以上となっている。O組成aおよびN組成bが膜厚方向に勾配を有することにより、回折・散乱膜11は、膜厚方向に関してエッチングレートが変化することになり、組成勾配に応じた傾斜の側面11aを有する凸部11A(図2Aおよび図2B等参照)が形成されることになる。
冷却期間T3においては、O2流量およびSiH4流量がいずれも0とされる一方で、N2流量が所定流量F15(>F14)とされ、高周波パワーが0とされる。これにより、処理チャンバ内にN2が大流量で送り込まれ、処理チャンバ内の冷却が図られる。
図7は、この発明の第3の実施形態を説明するための図であり、回折・散乱膜11の形成工程の第3の具体例を説明するための図である。すなわち、図4と同様に、プラズマCVD法によって回折・散乱膜11を形成するときの原料ガス流量の時間変化、および高周波パワーの時間変化が示されている。期間T1はプラズマでウエハを加熱している予備加熱期間である。期間T2は成膜期間である。期間T3は処理チャンバ内を冷却するための冷却期間である。
図7は、この発明の第3の実施形態を説明するための図であり、回折・散乱膜11の形成工程の第3の具体例を説明するための図である。すなわち、図4と同様に、プラズマCVD法によって回折・散乱膜11を形成するときの原料ガス流量の時間変化、および高周波パワーの時間変化が示されている。期間T1はプラズマでウエハを加熱している予備加熱期間である。期間T2は成膜期間である。期間T3は処理チャンバ内を冷却するための冷却期間である。
予備加熱期間T1には、O2の流量は0に保持され、高周波パワーは0よりも大きい一定値P21に保持されている。N2流量は0よりも大きな一定値F21に保持されており、SiH4流量は0に保持されている。したがって、ウエハ上には膜は堆積されない。
成膜期間T2中には、O2流量は、0よりも大きな初期流量F22から単調(図7の例ではリニア)に減少し、成膜期間T2の終わりには、0となる。一方、N2流量は、前記初期流量F22から単調(図7の例ではリニア)に増加し、成膜期間T2の終わりには、初期流量F22よりも大きい所定値F23(>F22)となる。SiH4流量は、成膜期間T2の全体に渡って、0よりも大きい一定値に保持される。高周波パワーは、成膜期間T2全体に渡って、0よりも大きい一定値P21に保持されている。
成膜期間T2中には、O2流量は、0よりも大きな初期流量F22から単調(図7の例ではリニア)に減少し、成膜期間T2の終わりには、0となる。一方、N2流量は、前記初期流量F22から単調(図7の例ではリニア)に増加し、成膜期間T2の終わりには、初期流量F22よりも大きい所定値F23(>F22)となる。SiH4流量は、成膜期間T2の全体に渡って、0よりも大きい一定値に保持される。高周波パワーは、成膜期間T2全体に渡って、0よりも大きい一定値P21に保持されている。
よって、成膜期間T2にはSiOaNb膜が堆積され(ただしa≧0、b>0)、成膜期間T2の最後にはO組成aが零となってSiNとなる。SiOaNb膜のO組成aおよびN組成bは、O2流量およびN2流量にそれぞれ依存するから、最初のO組成aおよびN組成bは等しく、成膜が進むに従って、SiOaNb膜中のO組成aは単調(この実施形態ではリニア)に減少し、N組成bは単調(この実施形態ではリニア)に増加する。O2およびN2の初期流量F22が等しいので、膜厚方向のいずれの位置でも、a≦bが成立する。Si組成は、膜厚方向のいずれの位置でも一定である。
このようにして、回折・散乱膜11は、SiOaNb膜からなり、膜厚方向に関してO組成aおよびN組成bが勾配を有することになる。より具体的には、SiOaNb膜部分のO組成は、基板2から発光層4に向かうに従って単調に減少し、発光層4との界面では零になる。また、SiOaNb膜のN組成は、基板2から発光層4に向かって単調に増加することになる。そして、SiOaNb膜は、いずれの部分においても、N組成bがO組成a以上となっており、発光層4との界面ではSiNとなっている。
冷却期間T3においては、O2流量およびSiH4流量がいずれも0とされる一方で、N2流量が所定流量F23とされ、高周波パワーが0とされる。これにより、処理チャンバ内にN2が大流量で送り込まれ、処理チャンバ内の冷却が図られる。
図8は、この発明の第4の実施形態を説明するための図であり、回折・散乱膜11の形成工程の第4の具体例を説明するための図である。すなわち、図4と同様に、プラズマCVD法によって回折・散乱膜11を形成するときの原料ガス流量の時間変化、および高周波パワーの時間変化が示されている。期間T1はプラズマでウエハを加熱している予備加熱期間である。期間T2は成膜期間である。期間T3は処理チャンバ内を冷却するための冷却期間である。
図8は、この発明の第4の実施形態を説明するための図であり、回折・散乱膜11の形成工程の第4の具体例を説明するための図である。すなわち、図4と同様に、プラズマCVD法によって回折・散乱膜11を形成するときの原料ガス流量の時間変化、および高周波パワーの時間変化が示されている。期間T1はプラズマでウエハを加熱している予備加熱期間である。期間T2は成膜期間である。期間T3は処理チャンバ内を冷却するための冷却期間である。
予備加熱期間T1には、O2の流量は0よりも大きい初期流量F31に保持され、高周波パワーも0よりも大きい一定値P31に保持されている。N2流量およびSiH4流量は、いずれも0である。したがって、ウエハ上には膜は堆積されない。
成膜期間T2中には、O2流量は、初期流量F31から単調(図8の例ではリニア)に減少し、成膜期間T2の終わりには、0となる。一方、N2流量は、成膜期間T2の当初の所定時間長の期間T21においては0に保持され、期間T21に続く期間T22においては、0から所定値F32(>0)まで単調(図8の例ではリニア)に増加する。SiH4流量は、成膜期間T2の全体に渡って、0よりも大きい一定値に保持される。高周波パワーは、成膜期間T2全体に渡って、0よりも大きい一定値P31に保持されている。
成膜期間T2中には、O2流量は、初期流量F31から単調(図8の例ではリニア)に減少し、成膜期間T2の終わりには、0となる。一方、N2流量は、成膜期間T2の当初の所定時間長の期間T21においては0に保持され、期間T21に続く期間T22においては、0から所定値F32(>0)まで単調(図8の例ではリニア)に増加する。SiH4流量は、成膜期間T2の全体に渡って、0よりも大きい一定値に保持される。高周波パワーは、成膜期間T2全体に渡って、0よりも大きい一定値P31に保持されている。
よって、期間T21にはSiO2膜が成膜され、期間T21にはそのSiO2膜の上にSiOaNb膜が堆積され(ただしa≧0、b>0)、成膜期間T2の最後にはO組成aが零となってSiNとなる。SiOaNb膜のO組成aおよびN組成bは、O2流量およびN2流量にそれぞれ依存するから、成膜が進むに従って、SiOaNb膜中のO組成aは単調(この実施形態ではリニア)に減少し、N組成bは単調(この実施形態ではリニア)に増加する。成膜の途中でO2流量とN2流量が一旦等しくなり、その後大小関係が逆転する。
よって、SiOaNb膜中のO組成aおよびN組成bは、膜厚途中位置で等しくなり、その位置を挟んで大小関係が逆転する。このようにして、回折・散乱膜11は、SiO2膜部分とSiOaNb膜部分とを有し、SiOaNb膜部分においては、膜厚方向に関してO組成aおよびN組成bが勾配を有することになる。より具体的には、SiOaNb膜部分のO組成は、基板2から発光層4に向かうに従って単調に減少し、発光層4との界面では零になる。また、SiOaNb膜部分のN組成は、基板2から発光層4に向かって単調に増加することになる。そして、SiOaNb膜部分は、膜厚方向の途中位置にO組成とN組成とが等しい位置を有し、その位置に対して基板2側においてはO組成aがN組成bよりも大きく、当該位置に対して発光層4側においてはN組成bがO組成aよりも大きい。SiOaNb膜部分は、発光層4との界面ではO組成aが零となり、SiNとなっている。Si組成は、回折・散乱膜11の膜厚方向のいずれの位置でも一定である。
冷却期間T3においては、O2流量およびSiH4流量がいずれも0とされる一方で、N2流量が所定流量F33(>F32)とされ、高周波パワーが0とされる。これにより、処理チャンバ内にN2が大流量で送り込まれ、処理チャンバ内の冷却が図られる。
図9は、この発明の第5の実施形態を説明するための図であり、回折・散乱膜11の形成工程の第5の具体例を説明するための図である。すなわち、図4と同様に、プラズマCVD法によって回折・散乱膜11を形成するときの原料ガス流量の時間変化、および高周波パワーの時間変化が示されている。期間T1はプラズマでウエハを加熱している予備加熱期間である。期間T2は成膜期間である。期間T3は処理チャンバ内を冷却するための冷却期間である。
図9は、この発明の第5の実施形態を説明するための図であり、回折・散乱膜11の形成工程の第5の具体例を説明するための図である。すなわち、図4と同様に、プラズマCVD法によって回折・散乱膜11を形成するときの原料ガス流量の時間変化、および高周波パワーの時間変化が示されている。期間T1はプラズマでウエハを加熱している予備加熱期間である。期間T2は成膜期間である。期間T3は処理チャンバ内を冷却するための冷却期間である。
この具体例では、いずれの期間においても、O2の流量は零に保持される。
予備加熱期間T1には、高周波パワーは0よりも大きい一定値P41に保持されている。N2流量は0よりも大きな一定値F41に保持されており、SiH4流量は0に保持されている。したがって、ウエハ上には膜は堆積されない。
成膜期間T2中には、N2流量は、初期流量F41よりも少ない一定値F42に保持される。SiH4流量は、成膜期間T2の全体に渡って、0よりも大きい一定値に保持される。高周波パワーは、初期値P42から単調(図9の例ではリニア)に増加し、成膜期間T2の終わりには、所定値P43(>P42)に達する。
予備加熱期間T1には、高周波パワーは0よりも大きい一定値P41に保持されている。N2流量は0よりも大きな一定値F41に保持されており、SiH4流量は0に保持されている。したがって、ウエハ上には膜は堆積されない。
成膜期間T2中には、N2流量は、初期流量F41よりも少ない一定値F42に保持される。SiH4流量は、成膜期間T2の全体に渡って、0よりも大きい一定値に保持される。高周波パワーは、初期値P42から単調(図9の例ではリニア)に増加し、成膜期間T2の終わりには、所定値P43(>P42)に達する。
よって、成膜期間T2にはSiNx膜が堆積され(ただしx>0)、N組成xが高周波パワーに応じて、膜厚方向に関して変化する。より具体的には、成膜期間T2中の時間経過に従って、N組成xが大きくなるSiNxが成膜される。したがって、成膜が進むに従って、N組成xは単調(たとえばリニア)増加する。このようにして、回折・散乱膜11は、SiNx膜からなり、膜厚方向に関してN組成xが勾配を有することになる。より具体的には、SiNx膜のN組成xは、基板2から発光層4に向かうに従って単調に増加することになる。SiNxのエッチングレートはN組成xに依存するので、回折・散乱膜11は、膜厚方向に関してエッチングレートが変化することになる。よって、N組成xの勾配に応じた傾斜の側面11aを有する凸部11A(図2Aおよび図2B等参照)を形成できる。
冷却期間T3においては、N2流量が所定流量F44(>F42)に保持され、SiH4流量が0とされる。そして、高周波パワーが0とされる。これにより、処理チャンバ内にN2が大流量で送り込まれ、処理チャンバ内の冷却が図られる。
図10は、高周波パワーを様々な値に設定してSiNxをプラズマCVD法で形成して得られた膜の赤外線分光スペクトルを示す。この図10から、高周波パワーを高くするほどN組成xを大きくできることが分かる。したがって、プラズマCVD法でSiNx膜を成膜するときに、成膜期間における高周波パワーに変動を与えることによって、膜厚方向に関して、N組成の勾配を与えることができる。
図10は、高周波パワーを様々な値に設定してSiNxをプラズマCVD法で形成して得られた膜の赤外線分光スペクトルを示す。この図10から、高周波パワーを高くするほどN組成xを大きくできることが分かる。したがって、プラズマCVD法でSiNx膜を成膜するときに、成膜期間における高周波パワーに変動を与えることによって、膜厚方向に関して、N組成の勾配を与えることができる。
以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することができる。たとえば、前述の実施形態では、回折・散乱膜11の側面11aが膜主面に垂直な切断面において直線をなす例を示したが、図11Aに示すように、側面11aは、主面垂直断面が外側に凸状の湾曲線をなすような凸湾曲面であってもよい。また、図11Bに示すように、側面11aは、主面垂直断面が内側に凹状の湾曲線をなすような凹湾曲面であってもよい。このような形状の側面11aは、成膜時のN2およびO2の流量比の制御、または高周波パワーの制御によって実現できる。たとえば、成膜期間において、N2流量、O2流量、高周波パワー等を非線形に変化させればよい。
また、前述の実施形態では、回折・散乱膜11のエッチングをプラズマエッチングによって行う例を説明したが、回折・散乱膜11のエッチングは他のドライエッチング法で行ってもよいし、ウェットエッチング法によって行ってもよい。
さらに、前述の実施形態では、回折・散乱膜11が六角錐台形状の凸部11Aをなす例を示したが、凸部11Aは、円錐台形状、任意の角数(たとえば、三角、四角、六角等)の多角形錘台形状、円錐形状、任意の角数の多角錘台形状、側面が傾斜した帯状などの他の形状を有していてもよい。
さらに、前述の実施形態では、回折・散乱膜11が六角錐台形状の凸部11Aをなす例を示したが、凸部11Aは、円錐台形状、任意の角数(たとえば、三角、四角、六角等)の多角形錘台形状、円錐形状、任意の角数の多角錘台形状、側面が傾斜した帯状などの他の形状を有していてもよい。
また、前述の実施形態では、窒化物半導体として、GaNを例示したが、窒化物半導体は、III-V族半導体においてV族元素として窒素を用いた半導体であり、窒化ガリウム(GaN)以外にも、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)などが代表例である。窒化物半導体は、一般には、AlXInYGa1-X-YN(0≦X≦1,0≦Y≦1,0≦X+Y≦1)と表わすことができる。
また、前述の実施形態では、基板側から光を取り出す構造の半導体発光素子を例示したが、この発明は、基板とは反対側から光を取り出す構造の半導体発光素子にも適用することができる。この場合には、たとえば、図1の構成において、反射電極層7を省き、代わりに、基板2の裏面2Aに反射層を形成すればよい。
また、前述の実施形態では、窒化物半導体を用いた半導体発光素子を例示したが、窒化物半導体以外の半導体材料を用いた半導体発光素子に対してこの発明を適用してもよい。
また、前述の実施形態では、窒化物半導体を用いた半導体発光素子を例示したが、窒化物半導体以外の半導体材料を用いた半導体発光素子に対してこの発明を適用してもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
1 半導体発光素子
2 基板
3 n型窒化物半導体層
3a GaN結晶
4 発光層
5 p型窒化物半導体層
6 透明電極層
7 反射電極層
8 n型電極層
9 分離絶縁層
10 接合層
11 回折・散乱膜
11A 凸部
11a 側面
12 p型電極部
13 n型電極部
20 窒化物半導体層
2 基板
3 n型窒化物半導体層
3a GaN結晶
4 発光層
5 p型窒化物半導体層
6 透明電極層
7 反射電極層
8 n型電極層
9 分離絶縁層
10 接合層
11 回折・散乱膜
11A 凸部
11a 側面
12 p型電極部
13 n型電極部
20 窒化物半導体層
Claims (15)
- 基板と、
前記基板上に形成され、発光層を含む半導体層と、
前記発光層と前記基板との間に形成され、膜厚方向に対して傾斜した側面を有し、前記膜厚方向に関して組成勾配を有し、前記発光層で発生した光を回折または散乱させる回折・散乱膜とを含む、半導体発光素子。 - 前記半導体層が窒化物半導体層であり、
前記回折・散乱膜が、前記基板上に前記窒化物半導体層を成長させるときに窒化物半導体の成長を抑制する成長抑制膜である、請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記回折・散乱膜が、シリコンおよび窒素を含み、窒素の組成が前記膜厚方向に関して勾配を有している、請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、シリコン、窒素および酸素を含み、窒素の組成および酸素の組成が、前記膜厚方向に関して勾配を有している、請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、SiO2からSiONまで前記膜厚方向に組成変化する膜部分を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、SiO2からSiNまで前記膜厚方向に組成変化する膜部分を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、SiONからSiNまで前記膜厚方向に組成変化する膜部分を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、酸素の組成a(a>0)および窒素の組成b(b>0)が前記膜厚方向に変化するSiOaNbの膜部分を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、窒素組成xが前記膜厚方向に変化するSiNxの膜部分を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、前記基板から前記発光層に向かうに従って単調に増加する窒素組成勾配を有する膜部分を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、前記基板から前記発光層に向かうに従って単調に減少する酸素組成勾配を有する膜部分を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、酸素組成が窒素組成よりも大きい膜部分を含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、窒素組成が酸素組成よりも大きい膜部分を含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、前記膜厚方向にリニアな組成勾配を有する膜部分を含む、請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記回折・散乱膜が、前記膜厚方向に関して一定のシリコン組成を有している、請求項1〜14のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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