JP2017513234A - 窒素窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ｎ型半導体層の一部が露出するように形成された露出溝を形成し、活性層の側方に発光された光が下方に反射されて光取り出し効率を向上することができ、特に、前記露出溝の傾斜面に誘電体層と反射層とを形成することにより光取り出し効率をさらに向上することができる、窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。このための本発明の窒化物半導体発光素子及びその製造方法は、基板上に順次に積層されるｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を含む窒化物半導体発光素子において、前記ｎ型半導体層の一部が露出するように、前記ｐ型半導体層、活性層及び前記ｎ型半導体層の一部がエッチングされて形成された、上広下狭状の少なくとも１つの露出溝が備えられ、前記活性層から前記露出溝の側面部に反射される光が下方に反射されるように構成される。

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関し、より詳細には、ｎ型半導体層の一部が露出するように形成された上広下狭の露出溝を形成して、活性層の側方に発光された光が前記露出溝の傾斜面で下方に反射され、光取り出し効率を向上することができ、特に、前記露出溝の傾斜面に誘電体層と反射層とを形成することにより光取り出し効率をさらに向上することができる、窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。

ＡｌＧａＮＩｎＮ等のような窒化物半導体は、直接遷移型のエネルギー構造を有し、Ａｌ、Ｉｎ、及びＧａの組み合わせを通じて０．６６ｅＶ（ＩｎＮ）から６．２ｅＶ（ＡｌＮ）までのエネルギーバンドギャップを調節することができることから、赤外線領域から紫外線領域までの広い波長領域を有する発光素子に用いられる。

窒化物系半導体の代表的な応用分野として、フルカラーディスプレイ、交通信号灯、一般照明及び光通信機器の光源があり、紫外線、白色発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ）、またはレーザーダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）の形態で適用される。

このような窒化物系発光素子は、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の間に位置した多重量子井戸構造の活性層を含むことができ、前記活性層内の量子井戸層において電子と正孔が再結合する原理で光を生成する。

図１は、従来の半導体発光素子を説明するための断面図であって、図１を参照すると、上記従来の半導体発光素子は、基板１、ｎ型半導体層１０、活性層２０、ｐ型半導体層３０、ｎ型金属層１１、ｎ−電極１２、ｐ型金属層３１及びｐ−電極３２を含んで構成されており、活性層２０とｐ型半導体層３０との間に、スペーサ層、正孔注入層、電子遮断層等をさらに備えることができる。

このような従来の発光素子は、ｎ型半導体層１０とｐ型半導体層３０の間に多重量子井戸構造の活性層２０を含んで内部量子効率を改善しており、多重量子井戸構造内のＡｌＧａＩｎＮ井戸層のＩｎ含有量及びＡｌ含有量を調節して、所望の波長の光を放出することができる。

上述したような構造の半導体発光素子に電流が印加されると、ｎ型半導体層１０とｐ型半導体層３０からそれぞれ電子と正孔が与えられ、電子と正孔が活性層２０において再結合されて光が発生するようになる。

この時、発生される光の取り出し効率を高めるために、ｐ型半導体層３０の上端部は、ドライエッチングまたはウェットエッチング或いはリソグラフィ（ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈy）を通じて粗い表面を有するようにするか、或いは特定の構造体を形成することができる。

一方、素子特性の向上のために、素子を裏返して素子のパッドと基板とを電気的、機械的に連結するフリップチップ技術が適用されたりもする。フリップチップ技術を通じて熱分散効率が増加し、半導体発光素子の熱特性が向上され、透明電極と電極パッドで吸収される光の損失を低減し、基板方向に発光する光を取り出すことにより半導体発光素子の光取り出し効率が高くなる。フリップチップ技術が適用された場合、ｐ電極方向に生成された光を反射させるように反射ｐ電極を形成して、光取り出し効率をさらに改善させる。一例として、深紫外線領域の半導体発光素子の場合、ｐ電極を形成するためのｐタイプのＧａＮ層を含んでおり、ｐ電極方向に発生した深紫外線の吸収が甚だしく発生するため、一般的な場合、フリップチップ技術を通じて基板方向に発生した光を取り出す。

しかし、従来の表面粗化等の光取り出し向上技術と一般的なフリップチップ構造は、側面発光の光が多い紫外線や、深紫外線発光素子に適用するには根本的な制限がある。その理由は、（０００１）方向に成長された深紫外線発光素子、すなわち、Ａｌ組成が大きい窒化物半導体基盤発光素子の場合、側面発光が強い非等方性の光が生成されるからである。結果的に、光取り出し効率の向上及び外部量子効率の向上のために、従来とは異なる新たな方法が求められている。

韓国登録特許第１０−０６９６１９４号（２００７．０３．１２）

上記従来の技術による問題点を解決するための本発明の目的は、ｎ型半導体層の一部が露出するように形成された上広下狭の露出溝を形成して、活性層の側方に発光された光が前記露出溝の傾斜面で下方に反射され、光取り出し効率を向上し、特に、前記露出溝の傾斜面に誘電体層と反射層を形成することにより光取り出し効率をさらに向上することができる、窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上記技術的課題を解決するための本発明の窒化物半導体発光素子は、基板上に順次に積層されるｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を含む窒化物半導体発光素子において、前記ｎ型半導体層の一部が露出するように、前記ｐ型半導体層、活性層及び前記ｎ型半導体層の一部がエッチングされて形成された、上広下狭状の少なくとも１つの露出溝が備えられ、前記活性層から前記露出溝の側面部に反射される光が下方に反射されるように構成される。このような素子は、フリップチップ構造に適用することができる。

好ましくは、前記露出溝の側面部には、反射層が備えられてもよい。

好ましくは、前記露出溝の側面部には、誘電体層が備えられてもよい。

好ましくは、前記露出溝の側面部には、誘電体層及び反射層が順次に備えられてもよい。

好ましくは、前記反射層は、金属反射層、全方向反射基層、分布ブラッグ反射系層のうち少なくとも何れか１つの層で構成することができる。

好ましくは、前記金属反射層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｐｔのうちの１つ、またはこれらの金属の合金を含むことができる。

好ましくは、前記誘電体層は、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉＮｘ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＯ、ＴｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＣｕＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯＦのうち少なくとも何れか１つからなり得る。

好ましくは、前記ｐ型半導体層をカバーする誘電体層が備えられてもよい。

好ましくは、前記ｐ型半導体層をカバーする反射層が備えられてもよい。
上記技術的課題を解決するための本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、（ａ）基板上にｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を順次に積層するステップ及び、（ｂ）前記ｎ型半導体層の一部が露出するように、前記ｐ型半導体層、活性層及び前記ｎ型半導体層の一部がエッチングされて形成された、上広下狭状の露出溝を形成するステップを含んで構成される。

好ましくは、前記（ｂ）ステップは、（ｂ１−１）前記ｐ型半導体層上に、有機物のサーマルリフロー現象（ｔｈｅｒｍａ ｒｅｆｌｏｗ）または有機物のケミカルリフロー現象（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅｆｌｏｗ）、若しくはこれらの両現象が混合された現象（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｆｌｏｗ）を通じて上広下狭の有機物構造物を形成するステップ及び、（ｂ１−２）前記ｎ型半導体層の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝を形成するステップを含んで構成することができる。

好ましくは、前記（ｂ）ステップは、（ｂ２−１）前記ｐ型半導体層上にフォトレジストを形成するステップ及び、（ｂ２−２）前記ｎ型半導体層の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝を形成するステップを含んで構成することができる。

好ましくは、前記（ｂ）ステップは、（ｂ３−１）前記ｐ型半導体層上にミクロン大きさの球状物質を設けるステップ及び、（ｂ３−２）前記ｎ型半導体層の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝を形成するステップを含んで構成することができる。

好ましくは、前記（ｂ）ステップは、（ｂ４−１）所定形状の溝が形成された第ｎの光マスクを用いて、前記ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層のうち少なくとも何れか１つの層を露光処理し、エッチングしてｎ層の段階溝を形成するステップ及び、（ｂ４−２）前記第ｎの光マスクの溝よりも小さな大きさの溝が形成された第ｎ＋１の光マスクを用いて、前記ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層のうち少なくとも何れか１つの層を露光処理し、エッチングして前記ｎ層の段階溝上にｎ＋１層の段階溝を形成するステップを含んで構成することができる。

好ましくは、前記（ｂ）ステップは、（ｂ５−１）前記ｐ型半導体層上に多段積層構造のピラミッド型フォトレジスト構造物を形成するステップ及び、（ｂ５−２）前記ｎ型半導体層の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝を形成するステップを含んで構成することができる。

好ましくは、前記（ｂ）ステップの後に、（ｃ１）前記露出溝の側面部または前記ｐ型半導体層に誘電体層を形成するステップをさらに含んで構成することができる。

好ましくは、前記（ｂ）ステップの後に、（ｃ２）前記露出溝の側面部または前記ｐ型半導体層に反射層を形成するステップをさらに含んで構成することができる。

好ましくは、前記（ｂ）ステップの後に、（ｃ１）前記露出溝の側面部または前記ｐ型半導体層に誘電体層を形成するステップ及び、（ｃ２）前記誘電体層に反射層を形成するステップをさらに含んで構成することができる。

好ましくは、前記誘電体層は、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉＮｘ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＯ、ＴｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＣｕＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯＦのうち少なくとも何れか１つからなり得る。

好ましくは、前記反射層は、金属反射層、全方向反射基層、分布ブラッグ反射系層のうち少なくとも何れか１つの層で構成することができる。

好ましくは、前記金属反射層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｐｔのうちの１つ、またはこれらの金属の合金を含むことができる。

上述したような本発明は、ｎ型半導体層の一部が露出するように形成された上広下狭の露出溝を形成して、活性層の側方に発光された光が前記露出溝の傾斜面で下方に反射され、光取り出し効率を向上することができ、特に、前記露出溝の傾斜面に誘電体層と反射層とを形成することにより光取り出し効率をさらに向上することができる利点がある。

図１は、従来の半導体発光素子を説明するための断面図である。 図２ａ及び図２ｂは、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。 図３は、図２ａの‘Ａ’部分の拡大図である。 図４は、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の製造過程を示した順序図である。 図５は、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の別の製造過程を示した順序図である。 図６は、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の露出溝形成過程を示した順序図である。 図７は、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の別の露出溝形成過程を示した順序図である。 図８は、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子のさらに別の露出溝形成過程を示した順序図である。 図９は、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子のさらに別の露出溝形成過程を示した順序図である。 図１０は、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の平面形状を示した平面図である。 図１１は、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子が適用されたフリップチップを示した断面図である。

（発明を実施するための最善の形態）
本発明は、その技術的思想または主な特徴から外れることなく、他の様々な形態で実施することができる。したがって、本発明の実施例は、すべての点で単なる例示に過ぎないものであり、限定的に解釈されてはならないものである。

第１、第２のような用語は、多様な構成要素を説明するために使用することができるが、上記構成要素は、上記用語によって限定されるものではない。

上記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく、第１の構成要素は第２の構成要素と命名されていてもよく、同様に第２の構成要素も第１の構成要素と命名されていてもよい。

及び／またはの用語は、複数の関連して記載された項目の組み合わせまたは複数の関連して記載された項目のうちいずれかの項目を含む。

ある構成要素が別の構成要素に“連結されて”いるか、または“接続されて”いると言及された場合には、その別の構成要素に直接連結されているか、または接続されていることもできるが、その中間に他の構成要素が存在することもあり得ると理解しなければならない。

一方、ある構成要素が別の構成要素に“直接連結されて”いるか、または“直接接続されて”いると言及された場合には、その中間に他の構成要素は存在しないものと理解しなければならない。

本出願において使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上、明白に違うことを意味しない限り、複数の表現を含んでいる。

本出願において、“含む”または“備える”、“有する”等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたもの等の存在或いは付加可能性を前もって排除するものではないと理解すべきである。

別途で定義されない限り、技術的或いは科学的な用語を含めてここで使用されるすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有しいる。

一般的に使用される辞典に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解釈すべきであり、本出願において明白に定義しない限り、理想的か若しくは過度に形式的な意味として解釈されない。
以下において、添付の図面を参照しながら本発明による好ましい実施例を詳しく説明するが、図面符号に関係なく、同一または対応の構成要素には同一の参照番号を付与し、これに対する重複の説明は省略することとする。

本発明を説明する上で関連のある公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をぼかすおそれがあると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子は、図２ａ及び図２ｂに示されたように、基板Ｐ上に順次に積層されるｎ型半導体層１００、活性層２００、ｐ型半導体層３００を含む窒化物半導体発光素子であって、活性層２００とｐ型半導体層３００との間には、スペーサ層、正孔注入層、電子遮断層をさらに備えることができる。

一方、電気的性質を良好にするために、ｎ電極１２０と電気的に連結されるｎ型金属層１１０と、ｐ電極３２０と電気的に連結されるｐ型金属層３１０とを備えることができる。

一方、本実施例の窒化物半導体発光素子は、前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するように、前記ｐ型半導体層３００、活性層２００及び前記ｎ型半導体層１００の一部がエッチングされて形成された、上広下狭状の少なくとも１つの露出溝Ｓを備える。

一方、窒化物半導体発光素子にスペーサ層、正孔注入層、電子遮断層が備えられた場合には、前記露出溝Ｓは、前記電子遮断層、正孔注入層、スペーサも共に貫通するように形成される。

前記露出溝Ｓは、上部が広くて且つ下部が狭い上広下狭状に形成され、側面部が傾斜するように形成されており、前記活性層２００から前記露出溝Ｓの側面傾斜部に向かう光が下方に反射される。

活性層２００はね高い屈折率（ＡｌＧａＮ、ｎ=２．５）を有し、活性層２００と当接する空気層（または、活性層２００の表面に備えられた誘電体層４００）はね低い屈折率（例えば、ＭｇＦ_２はｎ=１．４、空気はｎ=１）を有しているが、このような理由で、活性層２００と空気層（または誘電体層４００）との間の大きな屈折率みら差によるフレネル反射（ｆｒｅｓｎｅｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）及び全反射が発生できるようになり、このような現象で多量の光が反射されることができる。

前記誘電体層４００は、金属と活性層との間の電気的ショート（ｓｈｏｒｔ）を防止する機能、フレネル反射及び全反射が生じるようにする機能、さらに、素子表面を覆って（ｓｕｒｆａｃｅ ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）漏れ電流（ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）を減少させる機能をする。

若し、誘電体層４００と反射層５００を形成しない場合に、活性層２００と当接する空気層を通じて反射を生じさせることができる。
前記露出溝Ｓは、上広下狭の形状、例えば、逆台形状、Ｕ字状、階段状等のような、前記活性層２００から前記露出溝Ｓに向かう光を下方に反射することさえできれば、多様な形状で適用可能であることは勿論である。

一方、前記露出溝Ｓの側面傾斜部には、光の反射効率を高めるための反射層５００を備えることができ、前記反射層５００は、金属反射層、全方向反射基層、分布ブラッグ反射系層のうち少なくとも何れか１つの層で構成することができる。

前記金属反射層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｐｔのうち少なくとも何れか１つを含んで構成することができるが、これに限定されるものではない。

前記全方向反射基層は、低い屈折率の物質と反射度が高い金属層を含んで構成することができる。低い屈折率の物質によるフレネル反射及び全反射現象と、金属層による反射現象とが共に起こることができ、これによって多量の光を反射、取り出すことができる。低い屈折率の物質は、誘電体または多孔性のナノ構造体を有することができる。反射度が高い金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｐｔのうち少なくとも何れか１つを含んで構成することができるが、これに限定されるものではない。

前記分布ブラッグ反射系層は、屈折率が互いに異なる２つの物質層の繰り返しの層状構造を含むことができ、各層の厚さは、半導体発光素子の発光波長の１／４倍程度で形成することができる。

前記反射層５００は、前記活性層２００から前記露出溝Ｓに向かって発光された光の反射率を高めて、下方への光取り出し効率をさらに向上させるように働く。

一方、前記反射層５００により生じ得る電気的ショート（ｓｈｏｒｔ）現象を防止するために、前記反射層５００の内側に誘電体層４００をさらに備えることができる。すなわち、前記ノズル溝の側面傾斜部に、誘電体層４００及び反射層５００が順次に蒸着されて備えられるものである。

前記誘電体層４００は、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉＮｘ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＯ、ＴｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＣｕＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯＦのうち少なくとも何れか１つからなることができる。

前記誘電体層４００の蒸着は、原子層蒸着（ＡＬＤ、Ａｔｏｍｉｃ Ｌａyｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、薄膜蒸着（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、電子ビーム蒸着（Ｅ−Ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、熱蒸着（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、パルスレーザー蒸着（ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸着（ＣＶＤ、ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のうち、少なくともいずれかの蒸着方法で行うことができる。

前記反射層５００の蒸着は、薄膜蒸着（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、電子ビーム蒸着（Ｅ−Ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、熱蒸着（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）、パルスレーザー蒸着（ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のうち、少なくともいずれかの蒸着方法で行うことができる。

一方、前記ｐ型半導体層３００上にも誘電体層４００及び反射層５００が順次に備えられてもよく、このような構成により、図３に示されたように、前記ｐ型半導体層３００に向かう光が下部に反射され、下方への光取り出し効率をさらに向上することができる。

一方、上述したような露出溝Ｓは、図１０に示されたように、ストリップ状、円状、楕円状、多角形状、リング状のうち少なくとも何れかの形状が、個別または列を成して形成されることができ、上述した形状の以外にも多様な形状が適用可能であることを排除しない。

一方、上述したように構成された窒化物半導体発光素子を用いて、図１１に示されたように、フリップチップに適用することができる。

具体的に、窒化物半導体発光素子のｎ型半導体層１００上に形成されたｎ型金属層１１０が、第１バンプを通じてサブマウント基板Ｐ'のｎ型電極１２０と連結され、ｐ型半導体層３００上に形成されたｐ型金属層３１０が、第２バンプを通じてサブマウント基板Ｐ'のｐ型電極３２０と連結されるように構成することができる。

以下では、上述したように構成された窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。

本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の製造方法は、（ａ）基板Ｐ上に、ｎ型半導体層１００、活性層２００、ｐ型半導体層３００を順次に積層するステップ、及び、（ｂ）前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するように前記ｐ型半導体層３００、活性層２００及び前記ｎ型半導体層１００の一部がエッチングされて形成された上広下狭状の露出溝Ｓを形成するステップを含んで構成される。

前記（ａ）ステップは、基板Ｐ上に、ｎ型半導体層１００、活性層２００、ｐ型半導体層３００を順次に積層するステップであって、公知の一般的な半導体製造工程を通じて製造することができ、具体的な説明は省略する。

前記（ｂ）ステップは、前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するように前記ｐ型半導体層３００、活性層２００及び前記ｎ型半導体層１００の一部がエッチングされて形成された上広下狭状の露出溝Ｓを形成するステップであって、図４乃至図９に示されたように、多様な方法を通じて形成することができる。

例えば、図４及び図５に示されたように、前記露出溝Ｓの形成は、前記ｐ型半導体層３００上に有機物のサーマルリフロー現象（ｔｈｅｒｍａ ｒｅｆｌｏｗ）または有機物のケミカルリフロー現象（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅｆｌｏｗ）、若しくはこれらの両現象が混合された現象（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｆｌｏｗ）を通じて上広下狭の有機物構造物を形成するステップ、及び、前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝Ｓを形成するステップを含んで構成することができる。

具体的に、ｐ型半導体層３００上に、所定のパターンで断面が長方形である有機物フォトレジストＰＲを積層した状態で、サーマルリフロー現象またはケミカルリフロー現象を通じて前記有機物フォトレジストＰＲの断面形状が略レンズまたは台形状のような上広下狭状となるようにし、その後、前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するように等方性または非等方性エッチング処理を通じて、上広下狭状の露出溝Ｓを形成することができる。

サーマルリフロー現象を用いることは、感光剤であるフォトレジストＰＲが一定の水準の高温（自己のガラス転移温度（ｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）以上の温度）となると、流動性を有するようになり、表面張力によって略レンズ状または台形状のような上広下狭状となる点を利用したものと理解される。

ケミカルリフロー現象は、フォトレジストをチャンバ（ｃｈａｍｂｅｒ）のような密閉された所に溶媒とともに入れて、溶媒の蒸気がフォトレジストに吸収されるようにし、フォトレジストのｃｒｏｓｓ ｌｉｎkｉｎｇ現象をより少し遅らせることによりｒｅｆｌｏｗを促す方法であって、フォトレジストは、温度が増加する程（１００℃以上）、ｒｅｆｌｏｗされる程度が増加して、自体の表面張力によってレンズ状の上広下狭状を成すようになり（金属表面で水滴が丸い形状を成すことと同様である）、同時にｃｒｏｓｓ ｌｉｎｋｉｎｇ現象も起こるようになる。

温度がさらに増加して１６０℃以上の非常に高い温度に到逹するようになると、ｃｒｏｓｓ ｌｉｎｋｉｎｇ現象が激しく進行されてフォトレジストが固まる現象が発生するが、ケミカルリフロー現象は、このようなｃｒｏｓｓ ｌｉｎkｉｎｇ現象の進行を遅らせて、より一層ｒｅｆｌｏｗがうまくできるようにする。

この時、前記サーマルリフロー現象を通じて、断面が長方形である有機物フォトレジストＰＲを略レンズ状または台形状のような上広下狭状となるようにする場合、８０℃乃至２５０℃の間で処理することが好ましく、これは、８０℃未満の場合には、温度がフォトレジストＰＲ固有のｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅよりも低いため、ｒｅｆｌｏｗが起こり難いため、略レンズ状または台形状のような上広下狭状に形成され難く、２５０℃超過の場合には、フォトレジストＰＲの間のｃｒｏｓｓ ｌｉｎｋｉｎｇ現象によってフォトレジストＰＲが硬く固まって、略レンズ状または台形状のような上広下狭状に形成され難いためである。

また、例えば、図６に示されたように、前記露出溝Ｓの形成は、前記ｐ型半導体層３００上にフォトレジストＰＲを形成するステップ、及び、前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝Ｓを形成するステップを含んで構成することができる。

具体的に、ｐ型半導体層３００上に所定のパターンで有機物フォトレジストＰＲを積層し、その後、前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するように、等方性または非等方性エッチング処理を通じて上広下狭状の露出溝Ｓを形成することができる。

また、例えば、図７に示されたように、前記露出溝Ｓの形成は、前記ｐ型半導体層３００上にミクロンサイズの球状物質を設けるステップ、及び、前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝Ｓを形成するステップを含んで構成することができる。

具体的に、ｐ型半導体層３００上にミクロンサイズの球状物質（例えば、ポリスチレン材質のマイクロボール、ＳｉＯ_２材質のマイクロボール等）を所定のパターンで塗布し、その後、前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝Ｓを形成するステップを含んで構成することができる。

また、例えば、図８に示されたように、前記露出溝Ｓの形成は、所定形状の溝が形成された第ｎの光マスクを用いて、前記ｎ型半導体層１００、活性層２００、ｐ型半導体層３００のうち少なくとも何れか１つの層を露光処理し、エッチングしてｎ層の段階溝を形成するステップ、及び、前記第ｎの光マスクの溝よりも小さな大きさの溝が形成された第ｎ＋１の光マスクを用いて、前記ｎ型半導体層１００、活性層２００、ｐ型半導体層３００のうち少なくとも何れか１つの層を露光処理し、エッチングして前記ｎ層の段階溝の上にｎ＋１層の段階溝を形成するステップを含んで構成することができる。

具体的に、ｐ型半導体層３００上に所定の大きさの溝が形成された第１光マスクＰＭ１を用いてｐ型半導体層３００の一部を露光処理し、エッチングして１層の段階溝ｈ１を形成し、その後、前記第１光マスクＰＭ１よりも小さな大きさの溝が形成された第２光マスクＰＭ２を用いてｐ型半導体層３００、活性層２００、ｎ型半導体層１００の一部を露光処理し、エッチングして２層の段階溝ｈ２を形成し、その後、前記第２光マスクＰＭ２よりも小さな大きさの溝が形成された第３光マスクＰＭ３を用いてｎ型半導体層１００の一部をさらに露光処理し、エッチングして３層の段階溝ｈ３を形成して、前記露出溝Ｓを形成することができる。

図９に示されたように、前記露出溝Ｓの形成は、前記ｐ型半導体層３００上に多段積層構造のピラミッド型フォトレジスト構造物を形成するステップ、及び、前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝Ｓを形成するステップを含んで構成することができる。

具体的に、ｐ型半導体層３００上に、第１フォトレジストＰＲ１、前記第１フォトレジストＰＲ１の上面に前記第１フォトレジストＰＲ１よりも小さな幅を有する第２フォトレジストＰＲ２、及び、前記第２フォトレジストＰＲ２の上面に前記第２フォトレジストＰＲ２よりも小さな幅を有する第３フォトレジストＰＲ３を順次に多段積層してピラミッド型フォトレジスト構造物を形成し、その後、前記ｎ型半導体層１００の一部が露出するようにエッチング処理して、前記露出溝Ｓを形成することができる。
上述したように、多様な方法を通じて前記露出溝Ｓを形成することができるが、上述した方法の以外にも上広下狭形態の露出溝Ｓを形成する方法であれば、採択して適用することが可能である。

一方、前記（ｂ）ステップの後に、前記露出溝Ｓの側面部または前記ｐ型半導体層３００に誘電体層４００を形成するステップ、または、前記露出溝Ｓの側面部または前記ｐ型半導体層３００に反射層５００を形成するステップをさらに含むか、若しくは、前記露出溝Ｓの側面部または前記ｐ型半導体層３００に誘電体層４００を形成するステップと、前記誘電体層４００に反射層５００を形成するステップとを、いずれもさらに含んで構成することができる。

例えば、図４に示されたように、前記露出溝Ｓの側面部にのみ誘電体層４００及び反射層５００を順次に積層して形成するか、若しくは、図５に示されたように、前記露出溝Ｓの側面部と前記ｐ型半導体層３００の上に誘電体層４００と反射層５００とを順次に積層して形成することができる。

前記誘電体層４００は、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉＮｘ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＯ、ＴｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＣｕＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯＦのうち少なくとも何れか１つからなり得るものであり、前記反射層５００は、金属反射層、全方向反射基層、分布ブラッグ反射系層のうち少なくとも何れか１つの層で構成することができ、前記金属反射層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｐｔのうち少なくとも何れか１つを含むことができる。

本発明は、添付の図面を参照しながら好ましい実施例を中心に記述されたが、当業者であれば、このような記載から本発明の範疇を外れることなく、多くの多様で且つ自明な変形が可能であることは明白である。したがって、本発明の範疇は、このような多くの変形例を含むように記述された特許請求の範囲によって解釈されなければならない。

Claims (21)

1. 基板上に順次に積層されるｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を含む窒化物半導体発光素子において、
   前記ｎ型半導体層の一部が露出するように、前記ｐ型半導体層、活性層及び前記ｎ型半導体層の一部がエッチングされて形成された、上広下狭状の少なくとも１つの露出溝が備えられ、前記活性層から前記露出溝の側面部に反射される光が下方に反射されるように構成されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記露出溝の側面部には、反射層が備えられたことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記露出溝の側面部には、誘電体層が備えられたことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記露出溝の側面部には、誘電体層及び反射層が順次に備えられたことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記反射層は、金属反射層、全方向反射基層、分布ブラッグ反射系層のうち少なくとも何れか１つの層で構成されたことを特徴とする、請求項２または４に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記金属反射層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｐｔのうちの１つ、またはこれらの金属の合金を含むことを特徴とする、請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記誘電体層は、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉＮｘ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＯ、ＴｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＣｕＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯＦのうち少なくとも何れか１つからなることを特徴とする、請求項３または４に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記ｐ型半導体層をカバーする誘電体層が備えられたことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記ｐ型半導体層をカバーする反射層が備えられたことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
10. （ａ）基板上にｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を順次に積層するステップ及び
    （ｂ）前記ｎ型半導体層の一部が露出するように、前記ｐ型半導体層、活性層及び前記ｎ型半導体層の一部がエッチングされて形成された、上広下狭状の露出溝を形成するステップを含んで構成されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
11. 前記（ｂ）ステップは、
    （ｂ１−１）前記ｐ型半導体層上に、有機物のサーマルリフロー現象（ｔｈｅｒｍａ ｒｅｆｌｏｗ）または有機物のケミカルリフロー現象（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅｆｌｏｗ）、若しくはこれらの両現象が混合された現象（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｆｌｏｗ）を通じて上広下狭の有機物構造物を形成するステップ及び
    （ｂ１−２）前記ｎ型半導体層の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝を形成するステップを含んで構成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
12. 前記（ｂ）ステップは、
    （ｂ２−１）前記ｐ型半導体層上にフォトレジストを形成するステップ及び
    （ｂ２−２）前記ｎ型半導体層の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝を形成するステップを含んで構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
13. 前記（ｂ）ステップは、
    （ｂ３−１）前記ｐ型半導体層上にミクロン大きさの球状物質を設けるステップ及び
    （ｂ３−２）前記ｎ型半導体層の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝を形成するステップを含んで構成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
14. 前記（ｂ）ステップは、
    （ｂ４−１）所定形状の溝が形成された第ｎの光マスクを用いて、前記ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層のうち少なくとも何れか１つの層を露光処理し、エッチングしてｎ層の段階溝を形成するステップ及び
    （ｂ４−２）前記第ｎの光マスクの溝よりも小さな大きさの溝が形成された第ｎ＋１の光マスクを用いて、前記ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層のうち少なくとも何れか１つの層を露光処理し、エッチングして前記ｎ層の段階溝上にｎ＋１層の段階溝を形成するステップを含んで構成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
15. 前記（ｂ）ステップは、
    （ｂ５−１）前記ｐ型半導体層上に多段積層構造のピラミッド型フォトレジスト構造物を形成するステップ及び
    （ｂ５−２）前記ｎ型半導体層の一部が露出するようにエッチング処理して前記露出溝を形成するステップを含んで構成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
16. 前記（ｂ）ステップの後に、
    （ｃ１）前記露出溝の側面部または前記ｐ型半導体層に誘電体層を形成するステップをさらに含んで構成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
17. 前記（ｂ）ステップの後に、
    （ｃ２）前記露出溝の側面部または前記ｐ型半導体層に反射層を形成するステップをさらに含んで構成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
18. 前記（ｂ）ステップの後に、
    （ｃ１）前記露出溝の側面部または前記ｐ型半導体層に誘電体層を形成するステップ及び
    （ｃ２）前記誘電体層に反射層を形成するステップをさらに含んで構成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
19. 前記誘電体層は、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｉＯ_２、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉＮｘ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＯ、ＴｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＣｕＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯＦのうち少なくとも何れか１つからなることを特徴とする、請求項１６または１８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
20. 前記反射層は、金属反射層、全方向反射基層、分布ブラッグ反射系層のうち少なくとも何れか１つの層で構成されたことを特徴とする、請求項１７または１８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
21. 前記金属反射層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｐｔのうちの１つ、またはこれらの金属の合金を含むことを特徴とする、請求項２０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。

Images