JP2016039168A - Iii族窒化物半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 基板から半導体層に向かう光を基板の側に反射させることにより、光を外部に好適に取り出すことのできるIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法が提供されている。【解決手段】 発光素子100は、基板110と、バッファ層120と、n型半導体層130と、発光層140と、p型半導体層150と、複数の誘電体多層膜DMF1と、を有する。複数の誘電体多層膜DMF1は、基板110の第1面110aの側に位置している。基板110の第1面110aは、少なくとも底面111を有する。バッファ層120は、底面111の少なくとも一部に形成されている。複数の誘電体多層膜DMF1は、底面111に対して傾斜する傾斜面L1を有する。n型半導体層130は、バッファ層120の上および複数の誘電体多層膜DMF1の傾斜面L1の上に形成されている。【選択図】図1
Description
本明細書の技術分野は、III 族窒化物半導体発光素子とその製造方法に関する。さらに詳細には、凹凸形状の上に半導体層を有するIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法に関するものである。
半導体発光素子の技術分野においては、発光効率をより高めるために、発光層で発せられた光を効率よく外部に取り出す技術が開発されてきている。そのために、基板に凹凸面を形成し、基板と半導体層との界面における透過率や反射率を変える技術がある。
例えば、特許文献1には、基板の板面に平行な横方向に伝播する光に影響を与える位置に、凹凸状の屈折率界面を形成する技術が開示されている(特許文献1の段落[0023]参照)。また、第一結晶20a、第二結晶20bといった互いに屈折率の異なるGaN系結晶膜を形成する技術が開示されている(特許文献1の段落[0067]−[0069]および図4参照)。これにより、横方向に進行する光を、外界に向かわせるようにするとしている(特許文献1の段落[0005]−[0007]、[0018]、[0022]−[0023]等参照)。例えば、フリップチップ型の発光素子では、横方向の光を基板に向かう向きに反射する旨が記載されている(特許文献1の段落[0006]参照)。このように、光を基板に向かう向きに反射する技術については記載されている。
ところで、フリップチップ型の発光素子おいては、基板を伝播する光のうちには、半導体層から基板に向かう光の他に、基板から半導体層に向かう光も存在する。このような光については、特許文献1に記載の技術では、発光素子の外部に取り出すことは困難である。
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、基板から半導体層に向かう光を基板の側に反射させることにより、光を外部に好適に取り出すことのできるIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法を提供することである。
第1の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、第1面を備える基板と、基板の第1面の少なくとも一部の上のバッファ層と、バッファ層の上の第1導電型の第1半導体層と、第1半導体層の上の発光層と、発光層の上の第2導電型の第2半導体層と、を有する。このIII 族窒化物半導体発光素子は、基板の第1面の側に複数の誘電体多層膜を有する。基板の第1面は、少なくとも平坦面を有する。バッファ層は、平坦面の少なくとも一部の上に形成されている。複数の誘電体多層膜は、平坦面に対して傾斜する傾斜面を有する。第1半導体層は、バッファ層の上および複数の誘電体多層膜の傾斜面の上に形成されている。
このIII 族窒化物半導体発光素子では、誘電体多層膜の表面が、複数の凸形状の表面を構成する。そして、誘電体多層膜は、半導体層から基板に向かう光を透過させる一方、基板から半導体層に向かう光を反射する。このため、この発光素子は、発光層による光の再吸収を抑制することができる。そして、この発光素子は、発光層から発せられる光を効率よく外部に取り出すことができる。
第2の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、基板の第1面は、複数の凸部を有する。複数の誘電体多層膜は、複数の凸部の表面の少なくとも一部を覆っている。基板の第1面における複数の凸部以外の箇所は、平坦面である。
第3の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、基板の第1面は、第1面にわたって平坦な平坦面である。この平坦面は、第1面にわたって形成されている。バッファ層は、平坦面の一部の上に形成されている。複数の誘電体多層膜は、平坦面の残部の上に形成されているとともに、第1半導体層に向かって突出する複数の凸部である。
第4の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、複数の誘電体多層膜は、複数の分布ブラッグ反射鏡である。
第5の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、バッファ層は、複数の誘電体多層膜の上にない。
第6の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、III 族窒化物半導体発光素子は、フリップチップ実装するフリップチップ型の発光素子である。そして、基板は、粗面化された第2面を有する。このため、一度、半導体層から基板に入射した光は、基板から半導体層に戻ることはほとんどなく、外部に取り出される。
第7の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、第1面に少なくとも平坦面を備える基板を準備する基板準備工程と、平坦面の少なくとも一部の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層の上に第1導電型の第1半導体層を形成する第1半導体層形成工程と、第1半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上に第2導電型の第2半導体層を形成する第2半導体層形成工程と、を有する。この製造方法は、さらに、基板の第1面に複数の誘電体多層膜を形成する誘電体多層膜形成工程を有する。誘電体多層膜形成工程では、平坦面に対して傾斜する傾斜面を備える複数の誘電体多層膜を形成する。バッファ層形成工程では、誘電体多層膜に覆われていない基板の平坦面から平坦面に沿うバッファ層を成長させる。第1半導体層形成工程では、平坦面に沿うバッファ層から第1半導体層を成長させるとともに、複数の誘電体多層膜の傾斜面を覆うように第1半導体層を成長させる。
第8の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、基板準備工程では、第1面に平坦面と複数の凸部とを備える凹凸基板を準備する。そして、誘電体多層膜形成工程は、平坦面の上にマスクを形成するマスク形成工程と、複数の凸部の上に複数の凸部に沿って複数の誘電体多層膜を形成する成膜工程と、平坦面の上からマスクを除去するマスク除去工程と、を有する。
第9の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、基板準備工程では、第1面にわたって平坦な平坦面を備える基板を準備する。誘電体多層膜形成工程は、平坦面に一様な誘電体多層膜を形成する成膜工程と、一様な誘電体多層膜の上にレジストを配置するレジスト配置工程と、一様な誘電体多層膜をエッチングすることにより傾斜面を形成するとともに一様な誘電体多層膜を複数の誘電体多層膜とするとともに基板の平坦面を部分的に露出させるエッチング工程と、を有する。そして、バッファ層形成工程では、部分的に露出させた平坦面にバッファ層を形成する。
本明細書では、基板から半導体層に向かう光を基板の側に反射させることにより、光を外部に好適に取り出すことのできるIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法が提供されている。
以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。
(第1の実施形態)
1.半導体発光素子
本実施形態における発光素子100の概略構成を図1に示す。発光素子100は、フリップチップ型の半導体発光素子である。そのため、発光素子100では、図1中の矢印の向きに光が取り出される。発光素子100は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。図1に示すように、発光素子100は、基板110と、誘電体多層膜DMF1と、バッファ層120と、n型半導体層130と、発光層140と、p型半導体層150と、n電極N1と、p電極P1と、を有している。
1.半導体発光素子
本実施形態における発光素子100の概略構成を図1に示す。発光素子100は、フリップチップ型の半導体発光素子である。そのため、発光素子100では、図1中の矢印の向きに光が取り出される。発光素子100は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。図1に示すように、発光素子100は、基板110と、誘電体多層膜DMF1と、バッファ層120と、n型半導体層130と、発光層140と、p型半導体層150と、n電極N1と、p電極P1と、を有している。
図1に示すように、基板110は、第1面110aと、第2面110bと、を有している。第1面110aは、平坦な底面111と、複数の凸部112と、を有している。第2面110bは、光取り出し面である。誘電体多層膜DMF1は、基板110の第1面110aの凸部112の上に形成されている。バッファ層120は、基板110の第1面110aの底面111の上に形成されている。バッファ層120は、誘電体多層膜DMF1の上にはない。図1では、作図上、誘電体多層膜DMF1の端部にバッファ層120がかかっているようにみえるが、実際にはほとんどないと考えられる。
n型半導体層130は、バッファ層120の上および誘電体多層膜DMF1の傾斜面L1の上に形成されている。n型半導体層130は、第1導電型の第1半導体層である。発光層140は、n型半導体層130の上に形成されている。p型半導体層150は、発光層140の上に形成されている。p型半導体層150は、第2導電型の第2半導体層である。
n電極N1は、n型半導体層130の上に形成されている。そのため、n電極N1は、n型半導体層130と電気的に接続されている。p電極P1は、p型半導体層150の上に形成されている。そのため、p電極P1は、p型半導体層150と電気的に接続されている。p電極P1は、p型半導体層150からp電極P1に向かう光を反射する反射層も兼ねているとよい。
2.基板とその周辺の構造
図2は、基板110の周辺を部分的に抜き出して描いた拡大図である。図2に示すように、基板110の第1面110aは、平坦な底面111と、複数の凸部112と、を有している。底面111は、平坦な平坦面である。凸部112は、n型半導体層130に向かって突出している。凸部112は、円錐形状である。そして、凸部112は、平坦な底面111に対して傾斜する傾斜面K1を有している。傾斜面K1は、円錐面である。
図2は、基板110の周辺を部分的に抜き出して描いた拡大図である。図2に示すように、基板110の第1面110aは、平坦な底面111と、複数の凸部112と、を有している。底面111は、平坦な平坦面である。凸部112は、n型半導体層130に向かって突出している。凸部112は、円錐形状である。そして、凸部112は、平坦な底面111に対して傾斜する傾斜面K1を有している。傾斜面K1は、円錐面である。
図2に示すように、複数の誘電体多層膜DMF1が、複数の凸部112の上に形成されている。つまり、誘電体多層膜DMF1は、凸部112の表面の少なくとも一部を覆っている。底面111の上には、誘電体多層膜DMF1は形成されていない。そして、基板110の第1面110aにおける複数の凸部112以外の箇所は、平坦な底面111である。底面111に対する傾斜面K1の角度は、40°以上60°以下の範囲内である。なお、必ずしもこの数値範囲に限らない。
底面111の上には、バッファ層120が形成されている。バッファ層120の上にはn型半導体層130が形成されている。凸部112の傾斜面K1の上には、前述のとおり、誘電体多層膜DMF1が形成されている。誘電体多層膜DMF1は、凸部112を覆っている。そのため、凸部112は、n型半導体層130と接触していない。
3.誘電体多層膜
図3は、誘電体多層膜DMF1の周辺を拡大した拡大図である。図3に示すように、誘電体多層膜DMF1は、基板110の第1面110aの側に形成されている。誘電体多層膜DMF1は、凸部112の傾斜面K1の上に形成されている。そのため、誘電体多層膜DMF1は、平坦な底面111に対して傾斜する傾斜面L1を有している。傾斜面L1は、円錐面である。そのため、誘電体多層膜DMF1の表面は、円錐形状である。誘電体多層膜DMF1の傾斜面L1は、凸部112の傾斜面K1にほぼ平行である。この傾斜面L1の上には、n型半導体層130がある。
図3は、誘電体多層膜DMF1の周辺を拡大した拡大図である。図3に示すように、誘電体多層膜DMF1は、基板110の第1面110aの側に形成されている。誘電体多層膜DMF1は、凸部112の傾斜面K1の上に形成されている。そのため、誘電体多層膜DMF1は、平坦な底面111に対して傾斜する傾斜面L1を有している。傾斜面L1は、円錐面である。そのため、誘電体多層膜DMF1の表面は、円錐形状である。誘電体多層膜DMF1の傾斜面L1は、凸部112の傾斜面K1にほぼ平行である。この傾斜面L1の上には、n型半導体層130がある。
この傾斜面L1は、基板110の第1面110aの側に位置する凹凸形状を構成している。この誘電体多層膜DMF1が構成する凹凸形状の高さは、1μm以上5μm以下の範囲内である。凹凸形状のピッチ間隔は、1μm以上5μm以下の範囲内である。凹凸形状の角度は、40°以上60°以下の範囲内である。これらの数値範囲はあくまで例示であり、これら以外の数値であってもよい。
誘電体多層膜DMF1は、誘電体膜DMF1a、DMF1b、DMF1c、DMF1dを有している。誘電体多層膜DMF1は、分布ブラッグ反射鏡(DBR:Distributed Bragg Reflector)である。つまり、誘電体膜DMF1a、DMF1b、DMF1c、DMF1dは、屈折率の異なる2種類の誘電体を交互に積層したものである。例えば、誘電体膜DMF1a、DMF1cをTiO2 で形成するとともに、誘電体膜DMF1b、DMF1dをSiO2 で形成する。誘電体膜DMF1a、DMF1b、DMF1c、DMF1dは、底面111に対して傾斜している。誘電体膜DMF1a、DMF1b、DMF1c、DMF1dの積層方向は、傾斜面K1に対して、ほぼ垂直である。
誘電体膜DMF1a、DMF1b、DMF1c、DMF1dの積層回数は、例えば、25回以上41回である。図3では、誘電体膜DMF1a、DMF1b、DMF1c、DMF1dを表示している。しかし、分布ブラッグ反射鏡(DBR)における誘電体膜の積層回数については、上記の回数以外であってもよい。ここで、誘電体膜の積層回数は、奇数であることが好ましい。ただし、偶数であってもよい。
また、誘電体膜DMF1a、DMF1b、DMF1c、DMF1dのそれぞれの膜厚は、例えば、10nm以上1000nm以下の範囲内である。誘電体膜DMF1a、DMF1b、DMF1c、DMF1dの膜厚は、上記以外の数値であってもよい。また、誘電体膜DMF1a、DMF1b、DMF1c、DMF1dの材質については、Al2 O3 等その他の材質を用いてもよい。
4.誘電体多層膜の効果
4−1.誘電体多層膜における光の透過および反射
図4は、発光素子100における誘電体多層膜DMF1の周辺での光の様子を示す概念図である。図4では、発光素子100の構成要素のうち、基板110と、誘電体多層膜DMF1と、発光層140とが、抜き出されて描かれている。図4に示すように、発光層140から基板110に向かう光LG1は、誘電体多層膜DMF1のない平坦面を透過する。
4−1.誘電体多層膜における光の透過および反射
図4は、発光素子100における誘電体多層膜DMF1の周辺での光の様子を示す概念図である。図4では、発光素子100の構成要素のうち、基板110と、誘電体多層膜DMF1と、発光層140とが、抜き出されて描かれている。図4に示すように、発光層140から基板110に向かう光LG1は、誘電体多層膜DMF1のない平坦面を透過する。
また、発光層140から基板110に向かう光LG2aは、一旦は、誘電体多層膜DMF1を透過して基板110に入射する。そして、第2面110bで反射した光LG2bは、基板110から発光層140に向かう。そして、光LG2bは、誘電体多層膜DMF1で2度反射して、再び第2面110bに向かう。
また、発光層140から基板110に向かう光LG3aは、一旦は、誘電体多層膜DMF1で反射された後に、別の誘電体多層膜DMF1を透過して基板110に入射する。このように、本実施形態では、1回目に誘電体多層膜DMF1に入射した場合に誘電体多層膜DMF1で反射したとしても、2回目に誘電体多層膜DMF1に入射した場合に誘電体多層膜DMF1を透過する場合がある。
このように、半導体層から基板110に一旦入射した光は、半導体層に再度入射するおそれがほとんどない。そのため、発光層140やその他の金属層により、光が再吸収されるおそれがほとんどない。このように、誘電体多層膜DMF1は、半導体層から基板110に向かう光のうち多くの成分を透過させるとともに、基板110から半導体層に向かう光のうち多くの成分を反射させる。ここで、反射された光は、再び光取り出し面に向かって進行する。以上により、本実施形態の発光素子100における光取り出し効率は高い。
4−2.計算結果
ここで、本実施形態の発光素子100について行った計算結果について説明する。ここでは、誘電体多層膜DMF1として、TiO2 とSiO2 とを交互に5回積層した場合について計算を行った。この際、入射角に応じて、s偏光の反射率Rsとp偏光の反射率Rpとを計算した。そして、本実施形態の基板110の条件で、全放射束を計算した。
ここで、本実施形態の発光素子100について行った計算結果について説明する。ここでは、誘電体多層膜DMF1として、TiO2 とSiO2 とを交互に5回積層した場合について計算を行った。この際、入射角に応じて、s偏光の反射率Rsとp偏光の反射率Rpとを計算した。そして、本実施形態の基板110の条件で、全放射束を計算した。
計算の結果、誘電体多層膜DMF1を形成した発光素子100の全放射束は、誘電体多層膜DMF1を形成していない発光素子の全放射束に比べて3%程度大きかった。
5.基板の加工方法
5−1.基板準備工程
まず、図5に示す基板S1を準備する。基板S1は、平坦な第1面S1aと平坦な第2面S1bとを有する。次に、図6に示すように、基板S1の第1面S1aに凹凸加工を施して、底面111と複数の凸部112とを形成する。この加工に際して、レーザー加工を用いてもよいし、エッチング技術を用いてもよい。この加工により、基板S1の第1面S1aであった側に、平坦な底面111と複数の凸部112とが形成される。このようにして、凹凸基板である基板110が得られる。なお、予め凹凸形状の形成された凹凸基板を購入等すれば、この凹凸加工を実施する必要はない。
5−1.基板準備工程
まず、図5に示す基板S1を準備する。基板S1は、平坦な第1面S1aと平坦な第2面S1bとを有する。次に、図6に示すように、基板S1の第1面S1aに凹凸加工を施して、底面111と複数の凸部112とを形成する。この加工に際して、レーザー加工を用いてもよいし、エッチング技術を用いてもよい。この加工により、基板S1の第1面S1aであった側に、平坦な底面111と複数の凸部112とが形成される。このようにして、凹凸基板である基板110が得られる。なお、予め凹凸形状の形成された凹凸基板を購入等すれば、この凹凸加工を実施する必要はない。
6.誘電体多層膜の形成方法
本実施形態の誘電体多層膜DMF1の形成工程について説明する。誘電体多層膜DMF1の形成工程は、マスク形成工程と、成膜工程と、マスク除去工程と、を有する。
本実施形態の誘電体多層膜DMF1の形成工程について説明する。誘電体多層膜DMF1の形成工程は、マスク形成工程と、成膜工程と、マスク除去工程と、を有する。
6−1.マスク形成工程
図7に示すように、基板110の底面111の上にマスクM1を形成する。このとき、基板110の複数の凸部112には、マスクM1は形成されていない。つまり、基板110の複数の凸部112は、露出している。
図7に示すように、基板110の底面111の上にマスクM1を形成する。このとき、基板110の複数の凸部112には、マスクM1は形成されていない。つまり、基板110の複数の凸部112は、露出している。
6−2.成膜工程
次に、図8に示すように、複数の凸部112の上に誘電体多層膜DMF1を形成する。ここで、蒸着やスパッタリング技術を用いて、誘電体多層膜DMF1を形成する。これにより、複数の凸部112に沿って誘電体多層膜DMF1が形成される。また、マスクM1の上にも誘電体多層膜DMFxが形成される。
次に、図8に示すように、複数の凸部112の上に誘電体多層膜DMF1を形成する。ここで、蒸着やスパッタリング技術を用いて、誘電体多層膜DMF1を形成する。これにより、複数の凸部112に沿って誘電体多層膜DMF1が形成される。また、マスクM1の上にも誘電体多層膜DMFxが形成される。
6−3.マスク除去工程
次に、基板110の底面111の上からマスクM1を除去する。つまり、マスクM1およびマスクM1の上に形成された誘電体多層膜DMFxを除去する。そして、図2等に示す誘電体多層膜DMF1が形成される。その結果、基板110の凸部112の上に誘電体多層膜DMF1が形成されるとともに、底面111が露出している状態になる。
次に、基板110の底面111の上からマスクM1を除去する。つまり、マスクM1およびマスクM1の上に形成された誘電体多層膜DMFxを除去する。そして、図2等に示す誘電体多層膜DMF1が形成される。その結果、基板110の凸部112の上に誘電体多層膜DMF1が形成されるとともに、底面111が露出している状態になる。
7.半導体発光素子の製造方法
ここで、本実施形態における発光素子100の製造方法について説明する。本実施形態では、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。半導体層の成長に用いるキャリアガスとして、水素(H2 )もしくは窒素(N2 )もしくは水素と窒素との混合気体(H2 +N2 )が挙げられる。窒素源として、アンモニアガス(NH3 )を用いる。Ga源として、トリメチルガリウム(Ga(CH3 )3 :「TMG」)を用いる。In源として、トリメチルインジウム(In(CH3 )3 :「TMI」)を用いる。Al源として、トリメチルアルミニウム(Al(CH3 )3 :「TMA」)を用いる。n型ドーパントガスとして、シラン(SiH4 )を用いる。p型ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5 H5 )2 )を用いる。
ここで、本実施形態における発光素子100の製造方法について説明する。本実施形態では、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。半導体層の成長に用いるキャリアガスとして、水素(H2 )もしくは窒素(N2 )もしくは水素と窒素との混合気体(H2 +N2 )が挙げられる。窒素源として、アンモニアガス(NH3 )を用いる。Ga源として、トリメチルガリウム(Ga(CH3 )3 :「TMG」)を用いる。In源として、トリメチルインジウム(In(CH3 )3 :「TMI」)を用いる。Al源として、トリメチルアルミニウム(Al(CH3 )3 :「TMA」)を用いる。n型ドーパントガスとして、シラン(SiH4 )を用いる。p型ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5 H5 )2 )を用いる。
7−1.誘電体多層膜形成工程
この誘電体多層膜形成工程においては、前述したように、マスク形成工程と、誘電体膜形成工程と、マスク除去工程と、を実施する。そして、基板110の底面111に対して傾斜する傾斜面L1を備える誘電体多層膜DMF1を形成する。
この誘電体多層膜形成工程においては、前述したように、マスク形成工程と、誘電体膜形成工程と、マスク除去工程と、を実施する。そして、基板110の底面111に対して傾斜する傾斜面L1を備える誘電体多層膜DMF1を形成する。
7−2.バッファ層形成工程
次に、基板110の底面111の上にバッファ層120を形成する。このバッファ層120は、底面111の上には形成されるが、誘電体多層膜DMF1の上には形成されない(図9参照)。そのため、誘電体多層膜DMF1に覆われていない基板110の底面111から、底面111に沿うバッファ層120を成長させることとなる。
次に、基板110の底面111の上にバッファ層120を形成する。このバッファ層120は、底面111の上には形成されるが、誘電体多層膜DMF1の上には形成されない(図9参照)。そのため、誘電体多層膜DMF1に覆われていない基板110の底面111から、底面111に沿うバッファ層120を成長させることとなる。
7−3.第1半導体層形成工程(n型半導体層形成工程)
次に、バッファ層120の上にn型半導体層130を形成する。ここでは、n型半導体層130を、底面111に沿うバッファ層120から成長させる。そして、誘電体多層膜DMF1の傾斜面L1を覆うようにn型半導体層130を成長させる。このときの基板温度は、1080℃以上1140℃以下の範囲内である。また、適宜、シラン(SiH4 )を供給する。これにより、例えば、n型コンタクト層と、n型超格子層と、を形成する。
次に、バッファ層120の上にn型半導体層130を形成する。ここでは、n型半導体層130を、底面111に沿うバッファ層120から成長させる。そして、誘電体多層膜DMF1の傾斜面L1を覆うようにn型半導体層130を成長させる。このときの基板温度は、1080℃以上1140℃以下の範囲内である。また、適宜、シラン(SiH4 )を供給する。これにより、例えば、n型コンタクト層と、n型超格子層と、を形成する。
7−4.発光層形成工程
次に、n型半導体層130の上に発光層140を形成する。例えば、InGaN層と、GaN層と、AlGaN層と、を繰り返し積層する。もちろん、発光層140の積層構造は、これ以外の構成であってもよい。このときの基板温度は、例えば、700℃以上900℃以下の範囲内である。
次に、n型半導体層130の上に発光層140を形成する。例えば、InGaN層と、GaN層と、AlGaN層と、を繰り返し積層する。もちろん、発光層140の積層構造は、これ以外の構成であってもよい。このときの基板温度は、例えば、700℃以上900℃以下の範囲内である。
7−5.第2半導体層形成工程(p型半導体層形成工程)
次に、発光層140の上にp型半導体層150を形成する。ドーパントガスとして、例えば、シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5 H5 )2 )を用いる。例えば、p型超格子層と、p型コンタクト層と、を形成する。p型半導体層150を形成後の様子を図9に示す。
次に、発光層140の上にp型半導体層150を形成する。ドーパントガスとして、例えば、シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5 H5 )2 )を用いる。例えば、p型超格子層と、p型コンタクト層と、を形成する。p型半導体層150を形成後の様子を図9に示す。
7−6.電極形成工程
次に、レーザーもしくはエッチングにより、p型半導体層150の側から半導体層の一部を抉ってn型半導体層130を露出させる。そして、その露出箇所に、n電極N1を形成する。また、p型半導体層150の上にp電極P1を形成する。
次に、レーザーもしくはエッチングにより、p型半導体層150の側から半導体層の一部を抉ってn型半導体層130を露出させる。そして、その露出箇所に、n電極N1を形成する。また、p型半導体層150の上にp電極P1を形成する。
7−7.その他の工程
また、上記の工程の他、保護膜で素子を覆う工程や熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図1の発光素子100が製造される。
また、上記の工程の他、保護膜で素子を覆う工程や熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図1の発光素子100が製造される。
8.変形例
8−1.発光素子の種類
本実施形態の発光素子100は、フリップチップ型の発光素子である。しかし、フェイスアップ型の発光素子に対して、本技術を用いてもよい。
8−1.発光素子の種類
本実施形態の発光素子100は、フリップチップ型の発光素子である。しかし、フェイスアップ型の発光素子に対して、本技術を用いてもよい。
8−2.導電型
本実施形態では、第1導電型をn型とするとともに第2導電型をp型とした。しかし、逆にしてもよい。つまり、第1導電型をp型とするとともに第2導電型をn型としてもよい。
本実施形態では、第1導電型をn型とするとともに第2導電型をp型とした。しかし、逆にしてもよい。つまり、第1導電型をp型とするとともに第2導電型をn型としてもよい。
8−3.光取り出し面の粗面化
図1に示す基板110の第2面110bを粗面化してもよい。これにより、光取り出し面である第2面110bからの光取り出し効率が向上する。
図1に示す基板110の第2面110bを粗面化してもよい。これにより、光取り出し面である第2面110bからの光取り出し効率が向上する。
8−4.凸部の形状
凸部112の形状を、円錐形状とした。しかし、六角錐形状であってもよい。また、凸部112は、円錐台形状もしくは六角錐台形状であってもよい。その場合には、誘電体多層膜DMF1は、傾斜面L1と、凸部112の頂部に対応する位置にある上端面と、を有することとなる。この場合には、n型半導体層130は、バッファ層120の上と、傾斜面L1の上と、その上端面の上と、の上に形成されることとなる。
凸部112の形状を、円錐形状とした。しかし、六角錐形状であってもよい。また、凸部112は、円錐台形状もしくは六角錐台形状であってもよい。その場合には、誘電体多層膜DMF1は、傾斜面L1と、凸部112の頂部に対応する位置にある上端面と、を有することとなる。この場合には、n型半導体層130は、バッファ層120の上と、傾斜面L1の上と、その上端面の上と、の上に形成されることとなる。
8−5.基板の種類
本実施形態では、基板110としてサファイア基板を用いた。しかし、サファイア基板以外に、GaN基板、GaAs基板、SiC基板等、その他の基板を用いてもよい。
本実施形態では、基板110としてサファイア基板を用いた。しかし、サファイア基板以外に、GaN基板、GaAs基板、SiC基板等、その他の基板を用いてもよい。
9.本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子100は、基板110の第1面110aの複数の凸部112の上に誘電体多層膜DMF1を有する。この誘電体多層膜DMF1は、半導体層から基板110に向かう光についてはより多く透過させるとともに、基板110から半導体層に向かう光についてはより多く反射する。そのため、一旦半導体層から基板110に出た光は、再び半導体層に入射するおそれがほとんどない。これにより、光取り出し面から好適に光を取り出すことのできる発光素子100が実現されている。
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子100は、基板110の第1面110aの複数の凸部112の上に誘電体多層膜DMF1を有する。この誘電体多層膜DMF1は、半導体層から基板110に向かう光についてはより多く透過させるとともに、基板110から半導体層に向かう光についてはより多く反射する。そのため、一旦半導体層から基板110に出た光は、再び半導体層に入射するおそれがほとんどない。これにより、光取り出し面から好適に光を取り出すことのできる発光素子100が実現されている。
また、本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、誘電体多層膜DMF1のない底面111から半導体層を成長させる。
なお、以上に説明した実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。積層体の積層構造については、必ずしも図に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。また、半導体層の成長方法は、有機金属気相成長法(MOCVD法)に限らない。例えば、ハイドライド気相成長法(HVPE)や、その他の液相エピタキシー法等を用いることができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態について説明する。本実施形態の発光素子においては、基板および誘電体多層膜が、第1の実施形態と異なっている。そのため、その異なる基板および誘電体多層膜とこれらの製造方法について説明する。
第2の実施形態について説明する。本実施形態の発光素子においては、基板および誘電体多層膜が、第1の実施形態と異なっている。そのため、その異なる基板および誘電体多層膜とこれらの製造方法について説明する。
1.半導体発光素子
図10は、本実施形態の発光素子200の概略構成を示す図である。図10に示すように、発光素子200は、基板210と、誘電体多層膜DMF2と、バッファ層220と、n型半導体層130と、発光層140と、p型半導体層150と、n電極N1と、p電極P1と、を有している。基板210は、第1面210aと、第2面210bと、を有している。第2面210bは、光取り出し面である。
図10は、本実施形態の発光素子200の概略構成を示す図である。図10に示すように、発光素子200は、基板210と、誘電体多層膜DMF2と、バッファ層220と、n型半導体層130と、発光層140と、p型半導体層150と、n電極N1と、p電極P1と、を有している。基板210は、第1面210aと、第2面210bと、を有している。第2面210bは、光取り出し面である。
バッファ層220の上には、n型半導体層130が形成されている。n型半導体層130は、バッファ層220と、誘電体多層膜DMF2の傾斜面L2上に形成されている。
2.基板とその周辺の構造
図11は、基板210の周辺を部分的に抜き出して描いた拡大図である。図11に示すように、基板210は、第1面210aを有している。第1面210aは、第1面210aにわたって平坦な平坦面である。つまり、基板210は、半導体層側の第1面210aに凹凸加工された凹凸形状を有していない。
図11は、基板210の周辺を部分的に抜き出して描いた拡大図である。図11に示すように、基板210は、第1面210aを有している。第1面210aは、第1面210aにわたって平坦な平坦面である。つまり、基板210は、半導体層側の第1面210aに凹凸加工された凹凸形状を有していない。
第1面210aは、第1平坦部211と、複数の第2平坦部212と、を有している。第1平坦部211と、第2平坦部212とは、同一平面上にある。第1平坦部211は、平坦な第1面210aの一部である。第2平坦部212は、平坦な第1面210aの残部である。第1平坦部211の上には、バッファ層220が形成されている。複数の第2平坦部212の上には、複数の誘電体多層膜DMF2が形成されている。そのため、バッファ層220は、誘電体多層膜DMF2の上にはない。
3.誘電体多層膜
複数の誘電体多層膜DMF2は、複数の第2平坦部212の上に形成されている。複数の誘電体多層膜DMF2は、n型半導体層130に向かって突出する複数の凸部である。誘電体多層膜DMF2は、円錐形状である。
複数の誘電体多層膜DMF2は、複数の第2平坦部212の上に形成されている。複数の誘電体多層膜DMF2は、n型半導体層130に向かって突出する複数の凸部である。誘電体多層膜DMF2は、円錐形状である。
誘電体多層膜DMF2は、傾斜面L2を有している。傾斜面L2は、円錐面である。傾斜面L2は、第1面210aに対して傾斜する傾斜面である。傾斜面L2が、第1面210aに対してなす角の角度は、40°以上60°以下の範囲内である。なお、必ずしもこの数値範囲に限らない。
図12は、誘電体多層膜DMF2の周辺を拡大した拡大図である。誘電体多層膜DMF2は、分布ブラッグ反射鏡(DBR)である。誘電体多層膜DMF2は、誘電体膜DMF2a、DMF2b、DMF2c、DMF2d、DMF2e、DMF2f、DMF2g、DMF2hを有している。ここで、誘電体膜DMF2a、DMF2c、DMF2e、DMF2gは、同じ材質から成る膜である。その材質は、例えば、TiO2 である。誘電体膜DMF2b、DMF2d、DMF2f、DMF2hは、同じ材質であるとともに誘電体膜DMF2a、DMF2c、DMF2e、DMF2gと異なる材質から成る膜である。その材質は、例えば、SiO2 である。
4.誘電体多層膜の効果
4−1.誘電体多層膜における光の透過および反射
図13は、発光素子200における誘電体多層膜DMF2の周辺での光の様子を示す概念図である。図13では、発光素子200の構成要素のうち、基板210と、誘電体多層膜DMF2と、発光層140とが、抜き出されて描かれている。図13に示すように、発光層140から基板210に向かう光LG4は、誘電体多層膜DMF2を透過する。
4−1.誘電体多層膜における光の透過および反射
図13は、発光素子200における誘電体多層膜DMF2の周辺での光の様子を示す概念図である。図13では、発光素子200の構成要素のうち、基板210と、誘電体多層膜DMF2と、発光層140とが、抜き出されて描かれている。図13に示すように、発光層140から基板210に向かう光LG4は、誘電体多層膜DMF2を透過する。
また、発光層140から基板110に向かう光LG5aは、一旦は、誘電体多層膜DMF2を透過して基板210に入射する。そして、第2面210bで反射した光LG5bは、基板210から発光層140に向かう。そして、光LG5bは、誘電体多層膜DMF2の底面側で反射して、再び第2面110bに向かう。
また、図4の光LG3aのように、誘電体多層膜DMF2で2回反射することにより、発光層140から基板210に入射する光もある。そのため、発光素子200の発光効率は、高い。
5.基板の準備方法
5−1.基板準備工程
本実施形態の基板210を準備する工程について説明する。まず、図14に示す基板210を準備する。基板210は、平坦な第1面210aと平坦な第2面210bとを有する。第1面210aは、第1面210aの全面にわたって平坦な平坦面である。
5−1.基板準備工程
本実施形態の基板210を準備する工程について説明する。まず、図14に示す基板210を準備する。基板210は、平坦な第1面210aと平坦な第2面210bとを有する。第1面210aは、第1面210aの全面にわたって平坦な平坦面である。
6.誘電体多層膜の形成方法
6−1.成膜工程
図15に示すように、基板210の第1面210aに誘電体多層膜DMF2iを形成する。この段階では、基板210の第1面210aの全面にわたって一様な誘電体多層膜DMF2iが形成されている。このとき一様な誘電体多層膜DMF2iの表面は、平坦である。また、一様な誘電体多層膜DMF2iの個数は、1個である。
6−1.成膜工程
図15に示すように、基板210の第1面210aに誘電体多層膜DMF2iを形成する。この段階では、基板210の第1面210aの全面にわたって一様な誘電体多層膜DMF2iが形成されている。このとき一様な誘電体多層膜DMF2iの表面は、平坦である。また、一様な誘電体多層膜DMF2iの個数は、1個である。
6−2.レジスト配置工程
次に、図16に示すように、一様な誘電体多層膜DMF2iの上に複数のレジストR1を形成する。これら複数のレジストR1を、複数の誘電体多層膜DMF2の形成箇所に対応する位置に配置する。
次に、図16に示すように、一様な誘電体多層膜DMF2iの上に複数のレジストR1を形成する。これら複数のレジストR1を、複数の誘電体多層膜DMF2の形成箇所に対応する位置に配置する。
6−3.エッチング工程
次に、基板210の一様な誘電体多層膜DMF2iをエッチングする。これにより、レジストR1のない箇所からエッチングが進行する。図17は、エッチングの途中の状態を示す。図17では、レジストR1が消失しているとともに、傾斜面L3が形成されている。さらにエッチングが進むと、傾斜面L3は、傾斜面L2となる。そして、傾斜面L2を形成するとともに、一様な誘電体多層膜DMF2iから複数の誘電体多層膜DMF2を形成する。そして、エッチングの進行にともなって、基板210の第1面210aが部分的に露出する。この露出箇所が、第1平坦部211に相当する。
次に、基板210の一様な誘電体多層膜DMF2iをエッチングする。これにより、レジストR1のない箇所からエッチングが進行する。図17は、エッチングの途中の状態を示す。図17では、レジストR1が消失しているとともに、傾斜面L3が形成されている。さらにエッチングが進むと、傾斜面L3は、傾斜面L2となる。そして、傾斜面L2を形成するとともに、一様な誘電体多層膜DMF2iから複数の誘電体多層膜DMF2を形成する。そして、エッチングの進行にともなって、基板210の第1面210aが部分的に露出する。この露出箇所が、第1平坦部211に相当する。
もちろん、図17の状態でエッチングを終了してもよい。その場合には、誘電体多層膜DMF2jは、円錐台形状になる。そして、レジストR1の形状等と、エッチング時間等とを考慮してエッチングを実施することにより、複数の誘電体多層膜DMF2が得られる。
7.半導体発光素子の製造方法
本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、第1の実施形態と同様に、基板準備工程と、誘電体多層膜形成工程と、バッファ層形成工程と、第1半導体層形成工程と、発光層形成工程と、p型半導体層形成工程と、電極形成工程と、を有する。
本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、第1の実施形態と同様に、基板準備工程と、誘電体多層膜形成工程と、バッファ層形成工程と、第1半導体層形成工程と、発光層形成工程と、p型半導体層形成工程と、電極形成工程と、を有する。
7−1.誘電体多層膜形成工程
前述の基板準備工程で準備した基板210に、前述した成膜工程と、レジスト配置工程と、エッチング工程と、を実施することにより、基板210の複数の第2平坦部212の上に、複数の誘電体多層膜DMF2を形成する。そして、エッチングの際に、第1平坦部211を露出させる。
前述の基板準備工程で準備した基板210に、前述した成膜工程と、レジスト配置工程と、エッチング工程と、を実施することにより、基板210の複数の第2平坦部212の上に、複数の誘電体多層膜DMF2を形成する。そして、エッチングの際に、第1平坦部211を露出させる。
7−2.バッファ層形成工程
次に、部分的に露出させた第1平坦部211の上にバッファ層220を形成する。
次に、部分的に露出させた第1平坦部211の上にバッファ層220を形成する。
7−3.その後の工程
この後、第1半導体層形成工程と、発光層形成工程と、p型半導体層形成工程と、電極形成工程と、を実施することは、第1の実施形態と同様である。
この後、第1半導体層形成工程と、発光層形成工程と、p型半導体層形成工程と、電極形成工程と、を実施することは、第1の実施形態と同様である。
8.変形例
第1の実施形態の変形例を適宜用いることができる。
第1の実施形態の変形例を適宜用いることができる。
9.本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子200は、基板210と、複数の誘電体多層膜DMF2と、を有する。誘電体多層膜DMF2は、円錐形状の分布ブラッグ反射鏡(DBR)である。誘電体多層膜DMF2は、半導体層から基板210に向かう光についてはより多く透過させるとともに、基板210から半導体層に向かう光についてはより多く反射する。そのため、一旦半導体層から基板210に出た光は、再び半導体層に入射するおそれがほとんどない。これにより、光取り出し面から好適に光を取り出すことのできる発光素子200が実現されている。
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子200は、基板210と、複数の誘電体多層膜DMF2と、を有する。誘電体多層膜DMF2は、円錐形状の分布ブラッグ反射鏡(DBR)である。誘電体多層膜DMF2は、半導体層から基板210に向かう光についてはより多く透過させるとともに、基板210から半導体層に向かう光についてはより多く反射する。そのため、一旦半導体層から基板210に出た光は、再び半導体層に入射するおそれがほとんどない。これにより、光取り出し面から好適に光を取り出すことのできる発光素子200が実現されている。
また、本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、誘電体多層膜DMF2のない底面211から半導体層を成長させる。
なお、以上に説明した実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。積層体の積層構造については、必ずしも図に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。また、半導体層の成長方法は、有機金属気相成長法(MOCVD法)に限らない。例えば、ハイドライド気相成長法(HVPE)や、その他の液相エピタキシー法等を用いることができる。
100、200…発光素子
110、210…基板
DMF1、DMF2…誘電体多層膜
120、220…バッファ層
130…n型半導体層
140…発光層
150…p型半導体層
P1…p電極
N1…n電極
L1、L2、L3、K1…傾斜面
110a、210a…第1面
110b、210b…第2面
111…底面
112…凸部
110、210…基板
DMF1、DMF2…誘電体多層膜
120、220…バッファ層
130…n型半導体層
140…発光層
150…p型半導体層
P1…p電極
N1…n電極
L1、L2、L3、K1…傾斜面
110a、210a…第1面
110b、210b…第2面
111…底面
112…凸部
Claims (9)
- 第1面を備える基板と、
前記基板の前記第1面の少なくとも一部の上のバッファ層と、
前記バッファ層の上の第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上の発光層と、
前記発光層の上の第2導電型の第2半導体層と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記基板の前記第1面の側に複数の誘電体多層膜を有し、
前記基板の前記第1面は、
少なくとも平坦面を有し、
前記バッファ層は、
前記平坦面の少なくとも一部の上に形成されており、
前記複数の誘電体多層膜は、
前記平坦面に対して傾斜する傾斜面を有し、
前記第1半導体層は、
前記バッファ層の上および前記複数の誘電体多層膜の前記傾斜面の上に形成されていること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記基板の前記第1面は、
複数の凸部を有し、
前記複数の誘電体多層膜は、
前記複数の凸部の表面の少なくとも一部を覆っており、
前記基板の前記第1面における前記複数の凸部以外の箇所は、
前記平坦面であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記基板の前記第1面は、
前記第1面にわたって平坦な前記平坦面であり、
前記バッファ層は、
前記平坦面の一部の上に形成されており、
前記複数の誘電体多層膜は、
前記平坦面の残部の上に形成されているとともに、
前記第1半導体層に向かって突出する複数の凸部であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記複数の誘電体多層膜は、
複数の分布ブラッグ反射鏡であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記バッファ層は、
前記複数の誘電体多層膜の上にないこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記III 族窒化物半導体発光素子は、
フリップチップ型の発光素子であり、
前記基板は、
粗面化された第2面を有すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 - 第1面に少なくとも平坦面を備える基板を準備する基板準備工程と、
前記平坦面の少なくとも一部の上にバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の上に第1導電型の第1半導体層を形成する第1半導体層形成工程と、
前記第1半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、
前記発光層の上に第2導電型の第2半導体層を形成する第2半導体層形成工程と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記基板の前記第1面に複数の誘電体多層膜を形成する誘電体多層膜形成工程を有し、
前記誘電体多層膜形成工程では、
前記平坦面に対して傾斜する傾斜面を備える前記複数の誘電体多層膜を形成し、
前記バッファ層形成工程では、
前記誘電体多層膜に覆われていない前記基板の前記平坦面から前記平坦面に沿う前記バッファ層を成長させ、
前記第1半導体層形成工程では、
前記平坦面に沿う前記バッファ層から前記第1半導体層を成長させるとともに、
前記複数の誘電体多層膜の前記傾斜面を覆うように前記第1半導体層を成長させること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項7に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記基板準備工程では、
前記第1面に前記平坦面と複数の凸部とを備える凹凸基板を準備し、
前記誘電体多層膜形成工程は、
前記平坦面の上にマスクを形成するマスク形成工程と、
前記複数の凸部の上に前記複数の凸部に沿って複数の誘電体多層膜を形成する成膜工程と、
前記平坦面の上から前記マスクを除去するマスク除去工程と、
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。 - 請求項7に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記基板準備工程では、
前記第1面にわたって平坦な前記平坦面を備える基板を準備し、
前記誘電体多層膜形成工程は、
前記平坦面に一様な誘電体多層膜を形成する成膜工程と、
前記一様な誘電体多層膜の上にレジストを配置するレジスト配置工程と、
前記一様な誘電体多層膜をエッチングすることにより前記傾斜面を形成するとともに前記一様な誘電体多層膜を前記複数の誘電体多層膜とするとともに前記基板の前記平坦面を部分的に露出させるエッチング工程と、
を有し、
前記バッファ層形成工程では、
部分的に露出させた前記平坦面に前記バッファ層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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