JP3899936B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１導電型層、活性層、第２導電型層を積層させたダブルヘテロ構造を有する半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子として、これまでサファイア基板上に全面に低温バッファ層、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を形成し、その上にＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ側クラッド層，ＳｉをドープしたＩｎＧａＮからなる活性層、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮからなるｐ側クラッド層と、ＭｇをドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層などを積層した素子が知られている。このような構造を有し市販されている製品として、４５０ｎｍから５３０ｎｍを含む青色、緑色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が量産されている。
【０００３】
また、窒化ガリウムを成長させようとする場合、サファイア基板が使用されることが多く行われている。サファイア基板から窒化ガリウムを結晶成長させる場合、通常はＣ面を主面とするサファイア基板が使用され、主面上に形成される窒化ガリウム層の表面もＣ面を有し、必然的に基板主面と平行な面に形成される活性層やそれを挟むクラッド層もＣ面に平行な面に延在される。このように基板主面を基準に各結晶層を積層した構造の半導体発光素子では、基板主面の平滑性を生かして電極形成などに必要な平滑性が得られている。
【０００４】
ところが、サファイア基板と成長させる窒化ガリウムの間の格子不整合から、結晶内に高密度の転位が内在することがある。このため基板上に低温バッファ層を形成する技術は、成長させる結晶に発生する欠陥を抑制するための１つの手段であり、また、結晶欠陥を低減する目的で特開平１０−３１２９７１号公報では、横方向への選択結晶成長（ＥＬＯ：epitaxial lateral overgrowth）を組合わせている。
【０００５】
また、特開平１０−３２１９１０号公報は、基板主面上に垂直な（１０−１０）または（１−１００）ｍ面からなる側面を有する六角柱状構造が形成され、その六角柱状構造部分に基板主面に対して垂直に延在する発光領域が形成された半導体発光素子を開示する。基板主面上に垂直に延在する活性層などを形成することで、基板との格子不整合による欠陥や転位を抑制でき、熱膨張係数の違いによる歪みの悪影響も少なくできる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１０−３２１９１０号公報に記載されるように基板主面上に垂直に延在する六角柱状構造を形成する技術では、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）で成膜した後、（１０−１０）または（１−１０１）ｍ面からなる側面が得られるようにドライエッチングを施している。ところが、ドライエッチングを施す場合には、一般的に結晶面に対する損傷を避けることができず、従って基板側からの貫通転位などを抑制しつつも逆にドライエッチングにより結晶の特性が劣化する。また、ドライエッチングを施す場合では、その分だけ工程も増加してしまう。
【０００７】
サファイア基板のＣ＋面上に選択成長させた場合には、（１−１０１）面すなわちＳ面で囲まれた先端のとがった形状の結晶層が形成される（たとえば、特許第２８３０８１４号の明細書段落０００９参照）が、電極形成に必要な平坦面が得られていないものとされ、積極的に電子デバイスや発光デバイスとして利用されている例はなく、さらなる選択成長から結晶構造の下地層として利用されているに過ぎない。
【０００８】
また、基板主面に平行な面を形成する素子は、結晶性を良好に維持するために平坦な面の作製が重要となり、結果として電極などが平面的に広がった素子構造と有する傾向がある。したがって各素子の間を分離する場合には、たとえばチップをダイサーなどを用いて切り出さなければならないため、多大な労力がかかるとともに平面的に広がった電極などを避けながら微小に切り出すことは極端に難しくなっている。また、サファイア基板およびＧａＮなどの窒化物は硬度が高く切り出しが難しいことから、ダイシングの際に少なくとも２０μｍ程度の切りしろが必要になり、微小なチップの切り出しがさらに困難となっている。また、基板主面をＣ＋面として、基板主面に平行な面に窒化物ガリウム系の活性層を形成する発光素子においては、Ｃ＋面では窒素原子に対するボンドの数がＧａから１つしか出ていないため、Ｃ＋面の結晶面から窒素原子は解離しやすく、実効的なＶ／ＩＩＩ比が大きくできないでいる。そのため、発光素子を構成するための結晶質が高性能化を図るには十分でないといった問題が生じている。
【０００９】
そこで本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、基板側からの貫通転位等を抑制しつつ、且つ工程の増加もなく良好な結晶性を以て製造可能であり、同時にチップ構造の微細化も可能とする半導体発光素子を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、結晶性も良好で工程の増加を招かずに素子の微細化も可能な半導体発光素子の製造方法の提供にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、基板上に形成されるウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体からなる結晶層であって、該基板の主面に対して傾斜したＳ面｛１−１０１｝からなる傾斜結晶面を有する結晶層を有し、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層及び第２導電型層を前記結晶層に形成してなり、前記傾斜結晶面の側面に形成され、傾斜結晶面のみに電流注入される電極を有し、前記結晶層はマスクの開口部を介して選択成長により形成された後に該マスクが除去されてなることを特徴とする。
【００１１】
基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成することで、基板からの貫通転位を押さえることも可能であり、また、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は選択成長によって現れ易い面であることから、エッチングなどの工程増加を招かず良好な結晶を得ることができる。傾斜結晶面のみに電流注入される電極を有することで、電流の均一化、電流集中の回避、電流密度の低減を図り、輝度飽和を抑えて発光効率を上げることができる。
【００１２】
また、選択成長のためのマスクを除去することにより、電極を形成する際のアライメント精度を粗く設定することが可能となる。また、本発明ではマスクを除去することによりポリ結晶の析出を生じることがない。
【００１３】
さらに、マスクを除去した後の基板を用いてさらに再成長を行うことにより、異なる発光色の発光素子を作製することも可能であり、これまでにない新規な構造の画像表示装置を与えることもできる。
【００１４】
特に結晶層が窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成される場合、Ｃ＋面を用いて結晶層を形成する場合に比べて、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能である。したがって良質な結晶部分に活性層を形成することができ、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることもできる。
【００１５】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に開口部を有するマスクを形成する工程と、前記マスクの開口部から、ウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体からなり前記基板の主面に対して傾斜したＳ面｛１−１０１｝からなる傾斜結晶面を有する結晶層を選択成長により形成し、前記マスクを除去する工程と、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成する工程と、前記傾斜結晶面の側面に該傾斜結晶面のみに電流注入される電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成することで、基板からの貫通転位を押さえることも可能であり、また、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は選択成長によって現れ易い面であることから、エッチングなどの工程増加を招かず良好な結晶を得ることができる。傾斜結晶面のみに電流注入される電極を形成することで、電流の均一化、電流集中の回避、電流密度の低減を図り、輝度飽和を抑えて発光効率を上げることができる。
【００１７】
また、結晶層の成長後、選択成長のためのマスクを除去することにより、電極を形成する際のアライメント精度を粗く設定することが可能となる。また、本発明ではマスクを除去することによりポリ結晶の析出を生じることがない。
【００１８】
さらに、マスクを除去した後の基板を用いてさらに再成長を行うことにより、異なる発光色の発光素子を作製することも可能であり、これまでにない新規な構造の表示装置を与えることもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法について、詳細に説明する。
【００２０】
本発明の半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層及び第２導電型層を前記結晶層に形成してなり、前記結晶層はマスクの開口部を介して選択成長により形成された後に該マスクが除去されてなるものである。
【００２１】
本発明に用いられる基板は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。基板自体は製品としての発光素子には含まれない構造も可能であり、製造の途中で素子部分を保持させるために使用され、完成前に取り外しされる構造であっても良い。
【００２２】
この基板上に形成される結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有している。この結晶層は後述の基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、特に限定されるものではないが、その中でもウルツ鉱型の結晶構造を有することが好ましい。このような結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、Ｓ面や（１１−２２）面に実質的に等価な面とは、Ｓ面や（１１−２２）面に対してそれぞれ５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００２３】
この結晶層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＣＶＤ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＣＶＤ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。一般的なＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００２４】
結晶層を形成する前に、下地成長層を基板上に形成することが好ましい。この下地成長層は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地成長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合せからなる構造であっても良い。この下地成長層も結晶層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることができる。結晶層の成長を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異なる面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。従って、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を成長させることができることになる。バッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、ＳｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつけることもあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低温にしないでバッファ層として成長することもあり、それでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用しても良い。
【００２５】
そして、本発明においては、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を形成するために、マスクの開口部を利用した選択成長法を用いる。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は、その基板主面の選択にも依存するが、ウルツ鉱型の（０００１）面[Ｃ面]を基板主面とした場合では、（１−１００）面[Ｍ面]、（１−１０１）面[Ｓ面]、（１１−２０）面[Ａ面]、（１−１０２）面[Ｒ面]、（１−１２３）面[Ｎ面]、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた傾斜結晶面を挙げることができ、特にＳ面や（１１−２２）面およびでこれらに等価な結晶面で用いることが好ましい。これらに等価な結晶面とは前述のように、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。特にＳ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。このＳ面については、前述のように窒化ガリウム系化合物半導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を形成することができ、Ｃ面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。従って、実効的にＶ／III 比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００２６】
本発明の半導体発光素子においては、結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する構造を有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成する共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。好適な一例においては傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配設される。ほぼ対称とは、完全に対称形状になっている場合の他、多少対称形状よりずれている場合も含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。
【００２７】
具体的な選択成長法としては、選択的に前記下地成長層上に形成されたマスク層の開口された部分（窓領域）を利用して行われる。例えば、前記下地成長層がバッファ層と結晶種層とからなる場合、バッファ層上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の小領域に細分化し、それぞれの部分からの結晶成長によってＳ面等を有する結晶層を形成することが可能である。例えば、細分化された結晶種層は、発光素子として分離するためのマージンを見込んで離間するように配列することができ、個々の小領域としては、帯状、格子状、円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形およびこれらの変形形状などの形状にすることができる。
【００２８】
マスク層は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）層或いは窒化シリコン（ＳｉＮ）層等によって構成することができる。前述のような略六角錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台や角錐形状はマスク層の窓領域を帯状にしたり、結晶種層を帯状にすることで可能である。このマスク層は、後述するように、窓領域から第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成した後で、基板又は下地成長層上から除去される。
【００２９】
選択成長を用いマスク層の窓領域を１０μｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、または辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでその約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。またＳ面が基板と異なる方向であれば転位を曲げる効果、および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低減にも役立つ。
【００３０】
本発明者らの行った実験において、カソードルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測してみると、Ｓ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温度は７００〜８００°Ｃであるため、アンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセンスマッピングを行うと、０. ５〜１μｍ程度の分解能で測定することができるが、Ｃ＋面の上に成長した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ＋面より滑らかに成っている。
【００３１】
また、選択成長マスクを用いて選択成長する場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状にすることが可能である。このようなマイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかっている。またこのような横方向成長により発光領域も増大し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００３２】
本発明の半導体発光素子は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成する。第１導電型はｐ型又はｎ型のクラッド層であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００３３】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在されるが、このような面内への延在は傾斜結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐形状や略六角錐台形状となり、各傾斜結晶面がＳ面等とされる場合では、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な上面上にも第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。また、基板に対して面が垂直でない構造とすることにより、光取出しが改善されることになる。
【００３４】
本発明の半導体発光素子では、傾斜した傾斜結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板又は前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することが出来る。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることが出来る。
【００３５】
六角錐形状の結晶層を考えた場合、Ｓ面の特に頂点近く部分がステップの状態が悪くなり、頂点部は発光効率が低くなっている。これは六角錐形状の素子では、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側辺左側、側辺右側、底面側に４箇所に区分され、特に頂点側部分は最もステップの状態が波打っていて、頂上付近になると異常成長が起こりやすくなっているためである。これに対して、側辺側の二箇所はどちらもステップがほぼ直線状でしかもステップが密集しており極めて良好な成長状態になっており、また、底面に近い部分はやや波打つステップであるが、頂点側ほどの異常成長は起こっていない。そこで本発明の半導体発光素子では、活性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度となるように制御することが可能である。このような頂点近傍側で低密度の電流を流すためには、電極を斜面の側部には形成するが、頂点部分では電極を形成しないような構造としたり、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブロック領域を形成する構造とすることができる。
【００３６】
そして、本発明においては、マスク層の窓領域を介して結晶層、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成した後に、マスク層を除去する。従来はマスク層の開口部内に電極を形成するために電極形成に際して厳密な位置決めが必要であったが、本発明では電極形成前に基板上からマスク層を予め除去するので、アライメント精度を従来に比べて粗く設定でき、比較的簡単に電極を形成することができる。また、マスク層を残した状態で電極を形成する場合、マスク層上に析出したポリ結晶が問題となることが多いが、本発明ではマスク層を除去することで基板からポリ結晶を除去することができる。
【００３７】
マスク層は基板から全て除去されることが好ましいが、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状となるように結晶層等を成長させた場合には、該結晶層等の下方の窓領域の縁に相当する部分に、マスク層が除去しきれずに残存することがあるが、本発明はこの場合も含むこととする。
【００３８】
マスク層の除去は、マスク層がＳｉＯ２、ＳｉＮ等からなる場合、フッ酸や商品名ＳＯ−１（関東化学社製）等のフッ酸系エッチャントを用いる。
【００３９】
結晶層の傾斜面結晶面には一方の電極が形成され、第２導電型層には他方の電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層と結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００４０】
なお、本発明の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレーとして利用できる。
【００４１】
特に本発明では、マスク層を除去することにより露出した基板等を再利用して結晶を再成長することで、同一基板上にさらに別の発光素子を形成することができる。例えば３原色分の半導体発光素子を同一基板上に形成することで、これまでにない構造の画像表示装置を提供することができる。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、図面を参照しながら説明する。各実施例はそれぞれ製造方法に対応しており、その製造方法によって完成した素子及び表示装置が、本発明の構造を有する半導体発光素子及び表示装置である。従って、各実施例では初めに製造工程について説明を行い、次いで製造された素子及び表示装置自体について説明する。なお、本発明の半導体発光素子及び表示装置は、その要旨を逸脱しない範囲で変形、変更などが可能であり、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４３】
＜実施例１＞
本実施例は、選択マスクすなわち窓領域よりも大きなサイズで六角錐形状の結晶層を成長させて形成する半導体発光素子の例であり、図１乃至図７を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００４４】
基板主面をＣ＋面とするサファイア基板１上に低温バッファ層を形成し、その後昇温し１０００°Ｃで第１成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層２を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層３を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口部からなる窓領域４をマスク層３に形成する。このときの一辺の方向は１−１００方向に垂直とする。この開口部の大きさは作りたい素子の特性により変える。
【００４５】
次に再度、成長温度１０００°ＣでシリコンドープのＧａＮ層５の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層５は円形の窓領域４から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。成長時間が足りない場合は六角錐台形状になるが、六角錐をシリコンドープのＧａＮ層５を形成した後しばらく成長を続け、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度となる。すると図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、１６μｍ程度の窓領域４よりも底面が広がったシリコンドープのＧａＮ層５が形成される。なお、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度は例示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度とすることも可能である。
【００４６】
さらにシリコンドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減し活性層となるＩｎＧａＮ層６を成長する。その後、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層７を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層６の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい。この段階で、ＩｎＧａＮ層６やマグネシウムドープのＧａＮ層７は窓領域４の周囲のマスク層３の上まで延在され、第２成長層であるシリコンドープのＧａＮ層５の全体が被覆される。
【００４７】
次に、マスク層３をフッ酸系エッチャントにより除去し、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、シリコンドープのＧａＮ層２を露出させる。マスク層３の除去はＧａＮ層５の六角錘形状以外のＧａＮ層２が全て露出するように、すなわち横方向に成長した六角錐形状のシリコンドープのＧａＮ層５等の下方からマスク層３の厚み分だけ抜き取られた形状とする。窓領域４から成長したシリコンドープのＧａＮ層５により、その上方のＧａＮ層５、ＩｎＧａＮ層６及びマグネシウムドープのＧａＮ層７を支持する形状とする。
【００４８】
さらに、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、マスク層３を除去した後のシリコンドープのＧａＮ層２の所定の位置にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極８となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極９が完成する。これらの蒸着の際、ｐ電極９、ｎ電極８はそれぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、当該半導体発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより本実施例による発光素子が完成する。
【００４９】
このような製造工程で製造された本実施例の半導体発光素子は、図７に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイア基板１上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層２を介して成長した第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層５を有している。このシリコンドープのＧａＮ層５は基板主面とは傾斜してなるＳ面に覆われた周面を有しており、除去されたマスク層３の窓領域４の面積より大きな底面を有するように形成されている。
【００５０】
また、本素子には、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層６が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層６上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層７が形成されている。ｐ電極９はマグネシウムドープのＧａＮ層７の上面に形成されており、ｎ電極８は、六角錐部分の側部で開口された領域５７に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層２を介してシリコンドープのＧａＮ層５に接続している。
【００５１】
さらに、本素子は、選択成長に用いたマスク層３を製造過程で除去するので、その後の電極形成工程で電極を形成しやすくなるという利点を有する。また、マスク層３除去後に露出したシリコンドープのＧａＮ層２上に結晶を再成長させ、同一基板上にプレーナ型等の異なる種類の素子を作製することも可能である。
【００５２】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がることがあり、欠陥を低減することも可能となる。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。本実施例では、大きな面積の活性層に電流を注入するため、電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００５３】
＜実施例２＞
本実施例は、基板上に断面三角形状の帯状の結晶層を成長させて形成する半導体発光素子の例であり、図８乃至図１２を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００５４】
先ず、実施例１と同様に、基板主面をＣ＋面とするサファイア基板１１上に低温バッファ層を形成し、その後昇温し１０００°Ｃで第１成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１２を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１３を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図８に示すように、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて帯状の開口部からなる窓領域１４をマスク層１３に形成する。
【００５５】
次に再度、成長温度１０００°ＣでシリコンドープのＧａＮ層１５の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層１５は帯状の窓領域１４から成長するが、しばらく成長を続けると断面三角形状を露呈してくる。すると図９に示すように、窓領域１４よりも底面が広がったシリコンドープのＧａＮ層１５が形成される。なお、成長時間が足りない場合、ＧａＮ層１５は断面六角錐台形状になる。
【００５６】
さらにシリコンドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減し活性層となるＩｎＧａＮ層１６を成長する。その後、図１０に示すように、成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層１７を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層１６の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい。この段階で、ＩｎＧａＮ層１６やマグネシウムドープのＧａＮ層１７は窓領域１４の周囲のマスク層１３の上まで延在され、第２成長層であるシリコンドープのＧａＮ層１５の全体が被覆される。
【００５７】
次に、マスク層１３をフッ酸系エッチャントにより除去し、図１１に示すように、シリコンドープのＧａＮ層１２を露出させる。マスク層１３の除去はシリコンドープのＧａＮ層１５の六角錘形状以外のＧａＮ層１２が全て露出するように、すなわち横方向に成長した六角錐形状の下方からマスク層１３の厚み分だけ抜き取られた形状とする。窓領域１４から成長したシリコンドープのＧａＮ層１５により、その上方のＧａＮ層１５、ＩｎＧａＮ層１６及びマグネシウムドープのＧａＮ層１７を支持する形状とする。
【００５８】
さらに、図１２に示すように、マスク層１３を除去した後のシリコンドープのＧａＮ層１２の所定の位置に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を帯状に蒸着する。これがｎ電極１８となる。さらに断面三角形状に成長した結晶の最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極１９が完成する。これらの蒸着の際、ｐ電極１９、ｎ電極１８はそれぞれ精度よく蒸着することが必要である。これにより本実施例による発光素子が完成する。
【００５９】
このような製造工程で製造された本実施例の半導体発光素子は、図１２に示すように、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１１上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１２を介して成長した第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１５を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１５は基板主面とは傾斜した周面を有している。すなわち、傾斜した周面がＳ面とされ、長手方向の端部の面が（１１−２２）面とされる。
【００６０】
また、本素子には、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１６が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１６上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１７が形成されている。ｐ電極１９はマグネシウムドープのＧａＮ層１７の上面に形成されており、ｎ電極１８は、六角錐部分の側部で開口された領域５７に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１２を介してシリコンドープのＧａＮ層１５に接続している。
【００６１】
さらに、本素子は、選択成長に用いたマスク層１３を製造過程で除去するので、その後の電極形成工程で電極を形成しやすくなるという利点を有する。また、マスク層１３除去後に露出したシリコンドープのＧａＮ層１２上に結晶を再成長させ、同一基板上にプレーナ型等の異なる種類の素子を作製することも可能である。
【００６２】
＜実施例３＞
本実施例は、実施例１で作製した半導体発光素子を用いて形成する画像表示装置の例であり、図１３を参照しながらその構造を説明する。
【００６３】
図１３に示す画像表示装置は、サファイア基板２１上に、実施例１と同様の工程を経ることにより形成された六角錘形状の半導体発光素子２２と、六角錘形状の半導体発光素子２２の形成後に形成されたプレーナ型の半導体発光素子２３とが形成されている。なお、図１３においては、図７における六角錘形状の半導体発光素子のｎ電極１８の図示を省略する。また、プレーナ型の半導体発光素子２３のｐ電極及びｎ電極の図示を省略する。
【００６４】
六角錘形状の半導体発光素子２２は、その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイア基板２１上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層２４を介して成長した第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層２５を有している。このシリコンドープのＧａＮ層２５は基板主面とは傾斜してなるＳ面に覆われた周面を有しており、除去されたマスク層の窓領域の面積より大きな底面を有するように形成されている。
【００６５】
また、六角錘形状の半導体発光素子２２には、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層２６が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層２６上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層２７が形成されている。ｐ電極２８はマグネシウムドープのＧａＮ層２７の上面に形成されている。
【００６６】
また、図１３に示すプレーナ型の半導体発光素子２３は、六角錘形状の半導体発光素子２２を形成した後に露出したシリコンドープのＧａＮ層２４上に、結晶層を再成長させてなるものである。具体的には、プレーナ型の半導体発光素子２３は、サファイア基板２１上にシリコンドープのＧａＮ層２４を介して成長した第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層２９と、活性層であるＩｎＧａＮ層３０と、クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層３１とがこの順に積層されてなる。
【００６７】
マスク層の除去後に露出したＧａＮ層２４上に第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層２９を再成長させる際、成長の初期にはＧａＮが付着しにくいので、成長時間を充分長く確保するか、又は低温で成長させることが好ましい。
【００６８】
マスク層除去後の基板を再利用することにより、同一基板上に異なる種類の半導体発光素子を形成することが可能となり、例えば信号に応じて各半導体発光素子が発光するようにこれらを配列すれば、これまでにない構造の画像表示装置を与えることができる。
【００６９】
なお、図１３においては、再成長により形成する素子としてＧａＮ系の半導体発光素子２３を形成したが、マスク層除去後の基板を再利用して形成する半導体発光素子はこれに限定されず、いかなる材料により形成されてもかまわない。また、その形状も任意である。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子とその製造方法によれば、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を利用することで実効的Ｖ／ＩＩＩ比を増大させることが出来、混晶構成原子の取り込みも増大し、さらに発光のむらを低減することが出来る。さらに窒素原子の解離を抑えることが出来、さらに結晶性を向上して点欠陥濃度を低減することが出来る。これにより発光素子に強電流を流した際の輝度の飽和現象を抑えることが出来る。また、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。また、結晶層等の成長後にマスクを除去するので、電極の形成が簡単になるとともに、ポリ結晶が析出することによる不都合を回避し、高品質な半導体発光素子を提供することができる。また、上述したような半導体発光素子を用いることにより、新規な構造の高輝度な画像表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程におけるマスク層の除去工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図５】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図６】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図７】本発明の実施例１の半導体発光素子の断面図である。
【図８】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す断面斜視図である。
【図９】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す断面斜視図である。
【図１０】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す断面斜視図である。
【図１１】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程におけるマスク層の除去工程を示す断面斜視図である。
【図１２】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す断面斜視図である。
【図１３】本発明の実施例３の半導体発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１ サファイア基板
２，５，１１，１５，２４，２５，２９ シリコンドープのＧａＮ層
３，１３ マスク層
６，１６，２６，３０ ＩｎＧａＮ層
７，１７，２７，３１ マグネシウムドープのＧａＮ層
８ ｎ電極
９ ｐ電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１導電型層、活性層、第２導電型層を積層させたダブルヘテロ構造を有する半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子として、これまでサファイア基板上に全面に低温バッファ層、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ側コンタクト層を形成し、その上にＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ側クラッド層，ＳｉをドープしたＩｎＧａＮからなる活性層、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮからなるｐ側クラッド層と、ＭｇをドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層などを積層した素子が知られている。このような構造を有し市販されている製品として、４５０ｎｍから５３０ｎｍを含む青色、緑色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が量産されている。
【０００３】
また、窒化ガリウムを成長させようとする場合、サファイア基板が使用されることが多く行われている。サファイア基板から窒化ガリウムを結晶成長させる場合、通常はＣ面を主面とするサファイア基板が使用され、主面上に形成される窒化ガリウム層の表面もＣ面を有し、必然的に基板主面と平行な面に形成される活性層やそれを挟むクラッド層もＣ面に平行な面に延在される。このように基板主面を基準に各結晶層を積層した構造の半導体発光素子では、基板主面の平滑性を生かして電極形成などに必要な平滑性が得られている。
【０００４】
ところが、サファイア基板と成長させる窒化ガリウムの間の格子不整合から、結晶内に高密度の転位が内在することがある。このため基板上に低温バッファ層を形成する技術は、成長させる結晶に発生する欠陥を抑制するための１つの手段であり、また、結晶欠陥を低減する目的で特開平１０−３１２９７１号公報では、横方向への選択結晶成長（ＥＬＯ：epitaxial lateral overgrowth）を組合わせている。
【０００５】
また、特開平１０−３２１９１０号公報は、基板主面上に垂直な（１０−１０）または（１−１００）ｍ面からなる側面を有する六角柱状構造が形成され、その六角柱状構造部分に基板主面に対して垂直に延在する発光領域が形成された半導体発光素子を開示する。基板主面上に垂直に延在する活性層などを形成することで、基板との格子不整合による欠陥や転位を抑制でき、熱膨張係数の違いによる歪みの悪影響も少なくできる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１０−３２１９１０号公報に記載されるように基板主面上に垂直に延在する六角柱状構造を形成する技術では、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）で成膜した後、（１０−１０）または（１−１０１）ｍ面からなる側面が得られるようにドライエッチングを施している。ところが、ドライエッチングを施す場合には、一般的に結晶面に対する損傷を避けることができず、従って基板側からの貫通転位などを抑制しつつも逆にドライエッチングにより結晶の特性が劣化する。また、ドライエッチングを施す場合では、その分だけ工程も増加してしまう。
【０００７】
サファイア基板のＣ＋面上に選択成長させた場合には、（１−１０１）面すなわちＳ面で囲まれた先端のとがった形状の結晶層が形成される（たとえば、特許第２８３０８１４号の明細書段落０００９参照）が、電極形成に必要な平坦面が得られていないものとされ、積極的に電子デバイスや発光デバイスとして利用されている例はなく、さらなる選択成長から結晶構造の下地層として利用されているに過ぎない。
【０００８】
また、基板主面に平行な面を形成する素子は、結晶性を良好に維持するために平坦な面の作製が重要となり、結果として電極などが平面的に広がった素子構造と有する傾向がある。したがって各素子の間を分離する場合には、たとえばチップをダイサーなどを用いて切り出さなければならないため、多大な労力がかかるとともに平面的に広がった電極などを避けながら微小に切り出すことは極端に難しくなっている。また、サファイア基板およびＧａＮなどの窒化物は硬度が高く切り出しが難しいことから、ダイシングの際に少なくとも２０μｍ程度の切りしろが必要になり、微小なチップの切り出しがさらに困難となっている。また、基板主面をＣ＋面として、基板主面に平行な面に窒化物ガリウム系の活性層を形成する発光素子においては、Ｃ＋面では窒素原子に対するボンドの数がＧａから１つしか出ていないため、Ｃ＋面の結晶面から窒素原子は解離しやすく、実効的なＶ／ＩＩＩ比が大きくできないでいる。そのため、発光素子を構成するための結晶質が高性能化を図るには十分でないといった問題が生じている。
【０００９】
そこで本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、基板側からの貫通転位等を抑制しつつ、且つ工程の増加もなく良好な結晶性を以て製造可能であり、同時にチップ構造の微細化も可能とする半導体発光素子を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、結晶性も良好で工程の増加を招かずに素子の微細化も可能な半導体発光素子の製造方法の提供にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、基板上に形成されるウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体からなる結晶層であって、該基板の主面に対して傾斜したＳ面｛１−１０１｝からなる傾斜結晶面を有する結晶層を有し、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層及び第２導電型層を前記結晶層に形成してなり、前記傾斜結晶面の側面に形成され、傾斜結晶面のみに電流注入される電極を有し、前記結晶層はマスクの開口部を介して選択成長により形成された後に該マスクが除去されてなることを特徴とする。
【００１１】
基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成することで、基板からの貫通転位を押さえることも可能であり、また、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は選択成長によって現れ易い面であることから、エッチングなどの工程増加を招かず良好な結晶を得ることができる。傾斜結晶面のみに電流注入される電極を有することで、電流の均一化、電流集中の回避、電流密度の低減を図り、輝度飽和を抑えて発光効率を上げることができる。
【００１２】
また、選択成長のためのマスクを除去することにより、電極を形成する際のアライメント精度を粗く設定することが可能となる。また、本発明ではマスクを除去することによりポリ結晶の析出を生じることがない。
【００１３】
さらに、マスクを除去した後の基板を用いてさらに再成長を行うことにより、異なる発光色の発光素子を作製することも可能であり、これまでにない新規な構造の画像表示装置を与えることもできる。
【００１４】
特に結晶層が窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成される場合、Ｃ＋面を用いて結晶層を形成する場合に比べて、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能である。したがって良質な結晶部分に活性層を形成することができ、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることもできる。
【００１５】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に開口部を有するマスクを形成する工程と、前記マスクの開口部から、ウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体からなり前記基板の主面に対して傾斜したＳ面｛１−１０１｝からなる傾斜結晶面を有する結晶層を選択成長により形成し、前記マスクを除去する工程と、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成する工程と、前記傾斜結晶面の側面に該傾斜結晶面のみに電流注入される電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成することで、基板からの貫通転位を押さえることも可能であり、また、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は選択成長によって現れ易い面であることから、エッチングなどの工程増加を招かず良好な結晶を得ることができる。傾斜結晶面のみに電流注入される電極を形成することで、電流の均一化、電流集中の回避、電流密度の低減を図り、輝度飽和を抑えて発光効率を上げることができる。
【００１７】
また、結晶層の成長後、選択成長のためのマスクを除去することにより、電極を形成する際のアライメント精度を粗く設定することが可能となる。また、本発明ではマスクを除去することによりポリ結晶の析出を生じることがない。
【００１８】
さらに、マスクを除去した後の基板を用いてさらに再成長を行うことにより、異なる発光色の発光素子を作製することも可能であり、これまでにない新規な構造の表示装置を与えることもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法について、詳細に説明する。
【００２０】
本発明の半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層及び第２導電型層を前記結晶層に形成してなり、前記結晶層はマスクの開口部を介して選択成長により形成された後に該マスクが除去されてなるものである。
【００２１】
本発明に用いられる基板は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。基板自体は製品としての発光素子には含まれない構造も可能であり、製造の途中で素子部分を保持させるために使用され、完成前に取り外しされる構造であっても良い。
【００２２】
この基板上に形成される結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有している。この結晶層は後述の基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、特に限定されるものではないが、その中でもウルツ鉱型の結晶構造を有することが好ましい。このような結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、Ｓ面や（１１−２２）面に実質的に等価な面とは、Ｓ面や（１１−２２）面に対してそれぞれ５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００２３】
この結晶層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＣＶＤ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＣＶＤ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。一般的なＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００２４】
結晶層を形成する前に、下地成長層を基板上に形成することが好ましい。この下地成長層は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地成長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合せからなる構造であっても良い。この下地成長層も結晶層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることができる。結晶層の成長を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異なる面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。従って、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を成長させることができることになる。バッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、ＳｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつけることもあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低温にしないでバッファ層として成長することもあり、それでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用しても良い。
【００２５】
そして、本発明においては、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を形成するために、マスクの開口部を利用した選択成長法を用いる。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は、その基板主面の選択にも依存するが、ウルツ鉱型の（０００１）面[Ｃ面]を基板主面とした場合では、（１−１００）面[Ｍ面]、（１−１０１）面[Ｓ面]、（１１−２０）面[Ａ面]、（１−１０２）面[Ｒ面]、（１−１２３）面[Ｎ面]、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた傾斜結晶面を挙げることができ、特にＳ面や（１１−２２）面およびでこれらに等価な結晶面で用いることが好ましい。これらに等価な結晶面とは前述のように、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。特にＳ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。このＳ面については、前述のように窒化ガリウム系化合物半導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を形成することができ、Ｃ面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。従って、実効的にＶ／III 比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００２６】
本発明の半導体発光素子においては、結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する構造を有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成する共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。好適な一例においては傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配設される。ほぼ対称とは、完全に対称形状になっている場合の他、多少対称形状よりずれている場合も含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。
【００２７】
具体的な選択成長法としては、選択的に前記下地成長層上に形成されたマスク層の開口された部分（窓領域）を利用して行われる。例えば、前記下地成長層がバッファ層と結晶種層とからなる場合、バッファ層上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の小領域に細分化し、それぞれの部分からの結晶成長によってＳ面等を有する結晶層を形成することが可能である。例えば、細分化された結晶種層は、発光素子として分離するためのマージンを見込んで離間するように配列することができ、個々の小領域としては、帯状、格子状、円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形およびこれらの変形形状などの形状にすることができる。
【００２８】
マスク層は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）層或いは窒化シリコン（ＳｉＮ）層等によって構成することができる。前述のような略六角錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台や角錐形状はマスク層の窓領域を帯状にしたり、結晶種層を帯状にすることで可能である。このマスク層は、後述するように、窓領域から第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成した後で、基板又は下地成長層上から除去される。
【００２９】
選択成長を用いマスク層の窓領域を１０μｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、または辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでその約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。またＳ面が基板と異なる方向であれば転位を曲げる効果、および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低減にも役立つ。
【００３０】
本発明者らの行った実験において、カソードルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測してみると、Ｓ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温度は７００〜８００°Ｃであるため、アンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセンスマッピングを行うと、０. ５〜１μｍ程度の分解能で測定することができるが、Ｃ＋面の上に成長した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ＋面より滑らかに成っている。
【００３１】
また、選択成長マスクを用いて選択成長する場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状にすることが可能である。このようなマイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかっている。またこのような横方向成長により発光領域も増大し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００３２】
本発明の半導体発光素子は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成する。第１導電型はｐ型又はｎ型のクラッド層であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００３３】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在されるが、このような面内への延在は傾斜結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐形状や略六角錐台形状となり、各傾斜結晶面がＳ面等とされる場合では、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な上面上にも第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。また、基板に対して面が垂直でない構造とすることにより、光取出しが改善されることになる。
【００３４】
本発明の半導体発光素子では、傾斜した傾斜結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板又は前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することが出来る。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることが出来る。
【００３５】
六角錐形状の結晶層を考えた場合、Ｓ面の特に頂点近く部分がステップの状態が悪くなり、頂点部は発光効率が低くなっている。これは六角錐形状の素子では、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側辺左側、側辺右側、底面側に４箇所に区分され、特に頂点側部分は最もステップの状態が波打っていて、頂上付近になると異常成長が起こりやすくなっているためである。これに対して、側辺側の二箇所はどちらもステップがほぼ直線状でしかもステップが密集しており極めて良好な成長状態になっており、また、底面に近い部分はやや波打つステップであるが、頂点側ほどの異常成長は起こっていない。そこで本発明の半導体発光素子では、活性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度となるように制御することが可能である。このような頂点近傍側で低密度の電流を流すためには、電極を斜面の側部には形成するが、頂点部分では電極を形成しないような構造としたり、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブロック領域を形成する構造とすることができる。
【００３６】
そして、本発明においては、マスク層の窓領域を介して結晶層、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成した後に、マスク層を除去する。従来はマスク層の開口部内に電極を形成するために電極形成に際して厳密な位置決めが必要であったが、本発明では電極形成前に基板上からマスク層を予め除去するので、アライメント精度を従来に比べて粗く設定でき、比較的簡単に電極を形成することができる。また、マスク層を残した状態で電極を形成する場合、マスク層上に析出したポリ結晶が問題となることが多いが、本発明ではマスク層を除去することで基板からポリ結晶を除去することができる。
【００３７】
マスク層は基板から全て除去されることが好ましいが、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状となるように結晶層等を成長させた場合には、該結晶層等の下方の窓領域の縁に相当する部分に、マスク層が除去しきれずに残存することがあるが、本発明はこの場合も含むこととする。
【００３８】
マスク層の除去は、マスク層がＳｉＯ２、ＳｉＮ等からなる場合、フッ酸や商品名ＳＯ−１（関東化学社製）等のフッ酸系エッチャントを用いる。
【００３９】
結晶層の傾斜面結晶面には一方の電極が形成され、第２導電型層には他方の電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層と結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００４０】
なお、本発明の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレーとして利用できる。
【００４１】
特に本発明では、マスク層を除去することにより露出した基板等を再利用して結晶を再成長することで、同一基板上にさらに別の発光素子を形成することができる。例えば３原色分の半導体発光素子を同一基板上に形成することで、これまでにない構造の画像表示装置を提供することができる。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、図面を参照しながら説明する。各実施例はそれぞれ製造方法に対応しており、その製造方法によって完成した素子及び表示装置が、本発明の構造を有する半導体発光素子及び表示装置である。従って、各実施例では初めに製造工程について説明を行い、次いで製造された素子及び表示装置自体について説明する。なお、本発明の半導体発光素子及び表示装置は、その要旨を逸脱しない範囲で変形、変更などが可能であり、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４３】
＜実施例１＞
本実施例は、選択マスクすなわち窓領域よりも大きなサイズで六角錐形状の結晶層を成長させて形成する半導体発光素子の例であり、図１乃至図７を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００４４】
基板主面をＣ＋面とするサファイア基板１上に低温バッファ層を形成し、その後昇温し１０００°Ｃで第１成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層２を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層３を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口部からなる窓領域４をマスク層３に形成する。このときの一辺の方向は１−１００方向に垂直とする。この開口部の大きさは作りたい素子の特性により変える。
【００４５】
次に再度、成長温度１０００°ＣでシリコンドープのＧａＮ層５の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層５は円形の窓領域４から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。成長時間が足りない場合は六角錐台形状になるが、六角錐をシリコンドープのＧａＮ層５を形成した後しばらく成長を続け、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度となる。すると図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、１６μｍ程度の窓領域４よりも底面が広がったシリコンドープのＧａＮ層５が形成される。なお、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度は例示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度とすることも可能である。
【００４６】
さらにシリコンドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減し活性層となるＩｎＧａＮ層６を成長する。その後、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層７を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層６の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい。この段階で、ＩｎＧａＮ層６やマグネシウムドープのＧａＮ層７は窓領域４の周囲のマスク層３の上まで延在され、第２成長層であるシリコンドープのＧａＮ層５の全体が被覆される。
【００４７】
次に、マスク層３をフッ酸系エッチャントにより除去し、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、シリコンドープのＧａＮ層２を露出させる。マスク層３の除去はＧａＮ層５の六角錘形状以外のＧａＮ層２が全て露出するように、すなわち横方向に成長した六角錐形状のシリコンドープのＧａＮ層５等の下方からマスク層３の厚み分だけ抜き取られた形状とする。窓領域４から成長したシリコンドープのＧａＮ層５により、その上方のＧａＮ層５、ＩｎＧａＮ層６及びマグネシウムドープのＧａＮ層７を支持する形状とする。
【００４８】
さらに、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、マスク層３を除去した後のシリコンドープのＧａＮ層２の所定の位置にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極８となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極９が完成する。これらの蒸着の際、ｐ電極９、ｎ電極８はそれぞれ精度よく蒸着することが必要である。その後、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、当該半導体発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより本実施例による発光素子が完成する。
【００４９】
このような製造工程で製造された本実施例の半導体発光素子は、図７に示す素子構造を有している。その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイア基板１上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層２を介して成長した第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層５を有している。このシリコンドープのＧａＮ層５は基板主面とは傾斜してなるＳ面に覆われた周面を有しており、除去されたマスク層３の窓領域４の面積より大きな底面を有するように形成されている。
【００５０】
また、本素子には、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層６が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層６上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層７が形成されている。ｐ電極９はマグネシウムドープのＧａＮ層７の上面に形成されており、ｎ電極８は、六角錐部分の側部で開口された領域５７に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層２を介してシリコンドープのＧａＮ層５に接続している。
【００５１】
さらに、本素子は、選択成長に用いたマスク層３を製造過程で除去するので、その後の電極形成工程で電極を形成しやすくなるという利点を有する。また、マスク層３除去後に露出したシリコンドープのＧａＮ層２上に結晶を再成長させ、同一基板上にプレーナ型等の異なる種類の素子を作製することも可能である。
【００５２】
また、基板主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がることがあり、欠陥を低減することも可能となる。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。本実施例では、大きな面積の活性層に電流を注入するため、電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００５３】
＜実施例２＞
本実施例は、基板上に断面三角形状の帯状の結晶層を成長させて形成する半導体発光素子の例であり、図８乃至図１２を参照しながら、その製造工程と共に素子構造を説明する。
【００５４】
先ず、実施例１と同様に、基板主面をＣ＋面とするサファイア基板１１上に低温バッファ層を形成し、その後昇温し１０００°Ｃで第１成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１２を形成する。その後、ＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１３を全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図８に示すように、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて帯状の開口部からなる窓領域１４をマスク層１３に形成する。
【００５５】
次に再度、成長温度１０００°ＣでシリコンドープのＧａＮ層１５の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層１５は帯状の窓領域１４から成長するが、しばらく成長を続けると断面三角形状を露呈してくる。すると図９に示すように、窓領域１４よりも底面が広がったシリコンドープのＧａＮ層１５が形成される。なお、成長時間が足りない場合、ＧａＮ層１５は断面六角錐台形状になる。
【００５６】
さらにシリコンドープのＧａＮを成長し、その後成長温度を低減し活性層となるＩｎＧａＮ層１６を成長する。その後、図１０に示すように、成長温度を再び上昇させ、ｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層１７を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層１６の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが望ましい。この段階で、ＩｎＧａＮ層１６やマグネシウムドープのＧａＮ層１７は窓領域１４の周囲のマスク層１３の上まで延在され、第２成長層であるシリコンドープのＧａＮ層１５の全体が被覆される。
【００５７】
次に、マスク層１３をフッ酸系エッチャントにより除去し、図１１に示すように、シリコンドープのＧａＮ層１２を露出させる。マスク層１３の除去はシリコンドープのＧａＮ層１５の六角錘形状以外のＧａＮ層１２が全て露出するように、すなわち横方向に成長した六角錐形状の下方からマスク層１３の厚み分だけ抜き取られた形状とする。窓領域１４から成長したシリコンドープのＧａＮ層１５により、その上方のＧａＮ層１５、ＩｎＧａＮ層１６及びマグネシウムドープのＧａＮ層１７を支持する形状とする。
【００５８】
さらに、図１２に示すように、マスク層１３を除去した後のシリコンドープのＧａＮ層１２の所定の位置に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を帯状に蒸着する。これがｎ電極１８となる。さらに断面三角形状に成長した結晶の最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着によりｐ電極１９が完成する。これらの蒸着の際、ｐ電極１９、ｎ電極１８はそれぞれ精度よく蒸着することが必要である。これにより本実施例による発光素子が完成する。
【００５９】
このような製造工程で製造された本実施例の半導体発光素子は、図１２に示すように、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１１上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層１２を介して成長した第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層１５を有している。このシリコンドープのＧａＮ層１５は基板主面とは傾斜した周面を有している。すなわち、傾斜した周面がＳ面とされ、長手方向の端部の面が（１１−２２）面とされる。
【００６０】
また、本素子には、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層１６が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層１６上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１７が形成されている。ｐ電極１９はマグネシウムドープのＧａＮ層１７の上面に形成されており、ｎ電極１８は、六角錐部分の側部で開口された領域５７に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層１２を介してシリコンドープのＧａＮ層１５に接続している。
【００６１】
さらに、本素子は、選択成長に用いたマスク層１３を製造過程で除去するので、その後の電極形成工程で電極を形成しやすくなるという利点を有する。また、マスク層１３除去後に露出したシリコンドープのＧａＮ層１２上に結晶を再成長させ、同一基板上にプレーナ型等の異なる種類の素子を作製することも可能である。
【００６２】
＜実施例３＞
本実施例は、実施例１で作製した半導体発光素子を用いて形成する画像表示装置の例であり、図１３を参照しながらその構造を説明する。
【００６３】
図１３に示す画像表示装置は、サファイア基板２１上に、実施例１と同様の工程を経ることにより形成された六角錘形状の半導体発光素子２２と、六角錘形状の半導体発光素子２２の形成後に形成されたプレーナ型の半導体発光素子２３とが形成されている。なお、図１３においては、図７における六角錘形状の半導体発光素子のｎ電極１８の図示を省略する。また、プレーナ型の半導体発光素子２３のｐ電極及びｎ電極の図示を省略する。
【００６４】
六角錘形状の半導体発光素子２２は、その主な構成はＣ＋面を基板主面とするサファイア基板２１上に結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層２４を介して成長した第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層２５を有している。このシリコンドープのＧａＮ層２５は基板主面とは傾斜してなるＳ面に覆われた周面を有しており、除去されたマスク層の窓領域の面積より大きな底面を有するように形成されている。
【００６５】
また、六角錘形状の半導体発光素子２２には、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層２６が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層２６上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層２７が形成されている。ｐ電極２８はマグネシウムドープのＧａＮ層２７の上面に形成されている。
【００６６】
また、図１３に示すプレーナ型の半導体発光素子２３は、六角錘形状の半導体発光素子２２を形成した後に露出したシリコンドープのＧａＮ層２４上に、結晶層を再成長させてなるものである。具体的には、プレーナ型の半導体発光素子２３は、サファイア基板２１上にシリコンドープのＧａＮ層２４を介して成長した第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層２９と、活性層であるＩｎＧａＮ層３０と、クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層３１とがこの順に積層されてなる。
【００６７】
マスク層の除去後に露出したＧａＮ層２４上に第２成長層としてのシリコンドープのＧａＮ層２９を再成長させる際、成長の初期にはＧａＮが付着しにくいので、成長時間を充分長く確保するか、又は低温で成長させることが好ましい。
【００６８】
マスク層除去後の基板を再利用することにより、同一基板上に異なる種類の半導体発光素子を形成することが可能となり、例えば信号に応じて各半導体発光素子が発光するようにこれらを配列すれば、これまでにない構造の画像表示装置を与えることができる。
【００６９】
なお、図１３においては、再成長により形成する素子としてＧａＮ系の半導体発光素子２３を形成したが、マスク層除去後の基板を再利用して形成する半導体発光素子はこれに限定されず、いかなる材料により形成されてもかまわない。また、その形状も任意である。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子とその製造方法によれば、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を利用することで実効的Ｖ／ＩＩＩ比を増大させることが出来、混晶構成原子の取り込みも増大し、さらに発光のむらを低減することが出来る。さらに窒素原子の解離を抑えることが出来、さらに結晶性を向上して点欠陥濃度を低減することが出来る。これにより発光素子に強電流を流した際の輝度の飽和現象を抑えることが出来る。また、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。また、結晶層等の成長後にマスクを除去するので、電極の形成が簡単になるとともに、ポリ結晶が析出することによる不都合を回避し、高品質な半導体発光素子を提供することができる。また、上述したような半導体発光素子を用いることにより、新規な構造の高輝度な画像表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図２】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図３】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図４】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程におけるマスク層の除去工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図５】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図６】本発明の実施例１の半導体発光素子の製造工程における素子の分離工程を示す図であって、製造工程断面図（Ａ）と製造工程斜視図（Ｂ）である。
【図７】本発明の実施例１の半導体発光素子の断面図である。
【図８】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程におけるマスク形成工程を示す断面斜視図である。
【図９】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における結晶層の形成工程を示す断面斜視図である。
【図１０】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における活性層の形成工程を示す断面斜視図である。
【図１１】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程におけるマスク層の除去工程を示す断面斜視図である。
【図１２】本発明の実施例２の半導体発光素子の製造工程における電極の形成工程を示す断面斜視図である。
【図１３】本発明の実施例３の半導体発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１ サファイア基板
２，５，１１，１５，２４，２５，２９ シリコンドープのＧａＮ層
３，１３ マスク層
６，１６，２６，３０ ＩｎＧａＮ層
７，１７，２７，３１ マグネシウムドープのＧａＮ層
８ ｎ電極
９ ｐ電極
Claims (19)
- 基板上に形成されるウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体からなる結晶層であって、該基板の主面に対して傾斜したＳ面｛１−１０１｝からなる傾斜結晶面を有し、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層及び第２導電型層を前記結晶層に形成してなり、前記傾斜結晶面の側面に形成され、傾斜結晶面のみに電流注入される電極を有し、前記結晶層はマスクの開口部を介して選択成長により形成された後に該マスクが除去されてなることを特徴とする半導体発光素子。
- 前記結晶層は下地成長層を介して前記基板上に設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記基板の主面はＣ面であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配設されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記傾斜結晶面は略六角錐形状の斜面を構成することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記結晶層は該結晶層の基板主面側と反対側の略中心部にＣ面からなる平坦面を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記活性層はＩｎＧａＮを用いて構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 基板上に形成されるウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体からなる結晶層であって、該基板の主面に対して傾斜したＳ面｛１−１０１｝からなる傾斜結晶面を有し、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層及び第２導電型層を前記結晶層に形成してなり、前記傾斜結晶面の側面に形成され、傾斜結晶面のみに電流注入される電極を有し、前記結晶層はマスク層の開口部を介して該開口部よりも横方向に広がるような選択成長により形成された後に該マスクが除去されてなることを特徴とする半導体発光素子。
- 基板上に開口部を有するマスクを形成する工程と、前記マスクの開口部から、ウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体からなり前記基板の主面に対して傾斜したＳ面｛１−１０１｝からなる傾斜結晶面を有する結晶層を選択成長により形成し、前記マスクを除去する工程と、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成する工程と、前記傾斜結晶面の側面に該傾斜結晶面のみに電流注入される電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
- 前記マスクはＳｉＯ２，ＳｉＮから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記マスクの除去はエッチングによることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記エッチングにはフッ酸系エッチャントを用いることを特徴とする請求項１１記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板上に下地成長層を形成し、該下地成長層上に前記マスクを形成することを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板の主面はＣ面であることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記傾斜結晶面を六面でほぼ対称となるように配設することを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記傾斜結晶面は略六角錐形状の斜面を構成することを特徴とする請求
項９記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記結晶層は該結晶層の基板主面側と反対側の略中心部のＣ面からなる平坦面を有することを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記活性層はＩｎＧａＮを用いて構成されることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造方法。
- 基板上に開口部を有するマスクを形成する工程と、前記マスクの開口部から、ウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体からなり前記基板の主面に対して傾斜したＳ面｛１−１０１｝からなる傾斜結晶面を有する結晶層を、前記開口部よりも横方向に広がるような選択成長により形成し、前記マスクを除去する工程と、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成する工程と、前記傾斜結晶面の側面に該傾斜結晶面のみに電流注入される電極を形成する工程と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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