JP2017216279A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1.半導体発光素子
図1は、本実施形態の発光素子100の概略構成を示す図である。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は、基板110の光取り出し面111から光を発する。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2は、基板110の光取り出し面111の周辺を拡大した断面図である。図2に示すように、基板110の光取り出し面111は、複数の第1の凸部111aと、複数の第2の凸部111bと、底面部111cと、を有する。複数の第1の凸部111aと、複数の第2の凸部111bとは、底面部111cの上に形成されている。複数の第1の凸部111aは、規則的に配置されている。複数の第2の凸部111bは、不規則に配置されている。実際には、凹凸のない底面部111cの面積は非常に狭い。
ここで、基板110の光取り出し面111の凹凸形状の形成方法について説明する。この形成方法は、透明窒化物系基板の窒素面に第1のレジストパターンを形成するレジストパターン形成工程と、透明窒化物系基板の窒素面に複数の第1の凸部を形成する第1の凸部形成工程と、透明窒化物系基板の窒素面に複数の第2の凸部を形成する第2の凸部形成工程と、を有する。
図5に示すように、基板110の第1の面S1の上にレジストパターンRP1を形成する。第1の面S1は、透明窒化物系基板の窒素面である。レジストパターンRP1は、規則性を有する第1のレジストパターンである。
図6に示すように、基板110の第1の面S1にドライエッチングを施す。その際に塩素系ガスを用いる。例えば、Cl2 、SiCl4 、CCl4 、Cl2 とSiCl4 との混合ガス等が挙げられる。例えば、Cl2 を20sccm以上40sccm以下で流すとともに、SiCl4 を2sccm以上4sccm以下で流す。これにより、図6に示すように、基板110に複数の凸部X1および凹部Y1が形成される。レジストパターンRP1が周期的な形状を有しているため、複数の凸部X1および凹部Y1は一定のピッチ間隔で規則的に配置されている。凸部X1は、斜面S2aを有している。凸部X1は、六角錐台形状に近い形状である。凹部Y1は、底面Scと、斜面S2aと、を有している。また、凹部Y1は、底面Scを介して連続的につながっている。このように、基板110は、複数の凸部X1と、凸部X1と凸部X1との間の底面Scと、を有する。なお、ドライエッチングによりレジストパターンRP1はある程度エッチングを受けるが、ドライエッチング後においても、規則性を保っている。
図7に示すように、基板110の窒素面にウェットエッチングを施す。実際には、第1の凸部形成工程で露出した箇所にウェットエッチングを実施する。その際に、ドライエッチングを受けたレジストパターンRP1を除去しない状態でウェットエッチングを実施する。ウェットエッチングでは、アルカリ性の溶液を用いる。例えば、TMAHとKOHとの混合溶液である。TMAHの濃度は20%以上30%以下であるとよい。混合溶液の温度は、例えば、40℃以上65℃以下である。また、ウェットエッチングを実施する期間内に混合溶液を撹拌することが好ましい。これにより、凸部X1は、さらにエッチングされて凸部S3aとなる。また、底面Scが、さらにエッチングされて凸部S3bと底面S3cが露出する。凸部S3aは、第1の凸部111aである。凸部S3bは、第2の凸部111bである。底面S3cは、底面111cである。
次に、O2 アッシングによりレジストパターンRP1を除去する。また、120℃程度の剥離液に基板110を浸漬することにより、残留しているレジストを十分に取り除く。このように、2種類のエッチングが終わるまでレジストが保持されるため、第1の凸部111aの高さは、ほぼ同程度に保たれる。
ここで、本実施形態に係る発光素子100の製造方法について説明する。
まず、基板110の窒素面を研磨する。これにより、基板110の厚みを100μm以上200μm以下にする。この際に、研磨した面の表面に加工変質層が発生する。
次に、基板110の窒素面の加工変質層を除去する。そのために、例えば、ドライエッチングを用いることができる。エッチングガスとして、例えば、F2 ガスとArガスとの混合ガスを用いることができる。基板110の全面にわたって加工変質層を除去するため、レジスト等を用いない。
次に、前述した基板110の光取り出し面111の凹凸形状の形成方法を用いて基板110に凹凸形状を形成する。つまり、レジストパターン配置工程、第1の凸部形成工程、第2の凸部形成工程、を実施する。
次に、基板110の窒素面の反対側の面から半導体層を成長させる。まず、基板110の主面上に低温バッファ層を形成する。そして、低温バッファ層を形成した基板110の上にn型半導体層120を形成する。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。ここで用いるキャリアガスは、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 )である。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 )を用いる。In源として、トリメチルインジウム(In(CH3 )3 )を用いる。Al源として、トリメチルアルミニウム(Al(CH3 )3 )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、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Mg(C5 H5 )2 )を用いる。また、これら以外のガスを用いてもよい。
次に、n型半導体層120のn側超格子層の上に発光層130を形成する。そのために、1以上の井戸層および障壁層を形成する。井戸層の上にキャップ層を形成してもよい。
次に、発光層130の上にp型半導体層140を形成する。p型半導体層140として、p型クラッド層、p型コンタクト層をこの順序で形成する。
次に、p型半導体層140のp型コンタクト層の上に透明電極TE1を形成する。そのために、スパッタリングや蒸着を用いればよい。
次に、ICPエッチングにより、p型半導体層140からn型半導体層120まで達する溝を形成する。これにより、n型半導体層120のn型コンタクト層がp型半導体層140の側に露出する。また、この後に、透明電極TE1に熱処理を施してもよい。
次に透明電極TE1の上の反射膜Rf1を形成する。
次に、電極を形成する。露出させたn型半導体層120のn型コンタクト層の上にn電極N1を形成する。これにより、n電極N1は、n型半導体層120のn型コンタクト層と接触する。また、反射膜Rf1の上にp電極P1を形成する。これにより、p電極P1は、透明電極TE1と導通する。n電極N1の形成とp電極P1の形成とは別工程であってもよいし、同一工程であってもよい。同一工程で行った場合には、n電極N1およびp電極P1の積層構造は同じになる。
また、上記の工程の他に、絶縁膜形成工程、熱処理工程、その他の工程を適宜実施してもよい。以上により、図1に示す発光素子100が製造される。
5−1.基板における凹凸形状
基板110は、図9に示す凹凸形状を有していてもよい。このとき、基板110は、複数の第1の凸部111dと、複数の第2の凸部111eと、を有する。第1の凸部111dは、頂部に第1の面S1が残留している。そのため、第1の凸部111dの形状は六角錐台形状である。このように第1の凸部111dを形成するためには、第2の凹凸形成工程(ウェットエッチング工程)での処理時間を短く設定すればよい。
本実施形態では、基板110の光取り出し面111に凹凸形状が形成されている。しかし、基板110の光取り出し面111の反対側の半導体層形成面にも凹凸形状が形成されていてもよい。発光層130から発せられる光を基板110と半導体層との境界面で反射されることを抑制することができるからである。
図3では、第1の凸部111aは、格子状の頂点の位置に配置されている。しかし、第1の凸部111aは、ハニカム状に配置されていてもよい。
本実施形態では、基板110に光取り出し面111を形成した後に、半導体層を成長させる。しかし、基板110に半導体層を成長させた後に光取り出し面111を形成してもよい。
本実施形態の発光素子100は、III 族窒化物半導体を有する。しかし、その他のIII-V 族半導体またはIV族半導体等、その他の半導体層を有していてもよい。ただし、基板110は、透明窒化物系基板である。また、光取り出し面111は、基板110に形成されている。
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子100は、透明窒化物系基板の窒素面に光取り出し面111を有する。光取り出し面111は、複数の第1の凸部111aと、複数の第2の凸部111bと、を有する。第1の凸部111aの高さは、第2の凸部111bの高さよりも高い。そのため、光取り出し面111から光が好適に取り出される発光素子100が実現されている。
110…基板
111…光取り出し面
111a…第1の凸部
111b…第2の凸部
120…n型半導体層
130…発光層
140…p型半導体層
TE1…透明電極
N1…n電極
P1…p電極
Claims (5)
- 透明窒化物系基板の窒素面に第1のレジストパターンを形成するレジストパターン形成工程と、
前記透明窒化物系基板の前記窒素面に複数の第1の凸部を形成する第1の凸部形成工程と、
前記透明窒化物系基板の前記窒素面に複数の第2の凸部を形成する第2の凸部形成工程と、
を有し、
前記第1の凸部形成工程では、
ドライエッチングにより前記複数の第1の凸部と、前記第1の凸部と前記第1の凸部との間の底面と、を形成し、
前記第2の凸部形成工程では、
ドライエッチングを受けた前記第1のレジストパターンを除去しないでウェットエッチングをすることにより、前記複数の第1の凸部より高さの低い前記複数の第2の凸部を前記底面に形成すること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記第1の凸部形成工程では、
前記複数の第1の凸部を一定のピッチ間隔で形成し、
前記第2の凸部形成工程では、
前記複数の第2の凸部を不規則に形成すること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記第1の凸部形成工程および前記第2の凸部形成工程では、
前記複数の第1の凸部のピッチを350nm以上550nm以下とするとともに、前記複数の第1の凸部の高さを200nm以上400nm以下とするとともに、前記複数の第1の凸部の径を150nm以上350nm以下とし、
前記複数の第2の凸部の高さを100nm以上300nm以下とするとともに、前記複数の第2の凸部の径を100nm以上300nm以下とすること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記透明窒化物系基板の前記窒素面の全面積に占める前記複数の第1の凸部の面積の比は、
50%以上85%以下であること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記透明窒化物系基板の前記窒素面の反対側の面から半導体層を成長させる半導体層形成工程を有すること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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