JP4637534B2 - 発光ダイオード素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層のC面となる主面に凹部が形成され、
該第1導電型の窒化ガリウム系半導体層は、前記凹部内および凹部外に形成される窒化ガリウム系活性層と2つ以上の異なる面方位で接しており、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層が窒化ガリウム系活性層と接する面は少なくとも、
前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面と、
前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面とであることを特徴とする、発光ダイオード素子。
[2]前記第1導電型はn型で、第2導電型はp型であることを特徴とする、[1]に記載の発光ダイオード素子。
[3]前記活性層はInを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造であることを特徴とする、[1]に記載の発光ダイオード素子。
[4]前記窒化ガリウム系活性層はC面とA面とM面の3面の面方位で接する形態であることを特徴とする、[1]に記載の発光ダイオード素子。
[5]前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面は、窒化ガリウム系半導体のA面もしくはM面であることを特徴とする、[1]に記載の発光ダイオード素子。
[6] 前記記窒化ガリウム系活性層は、凹部を有する第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の上面から見て、面と面のなす角が30°、60°、90°、120°、150°、210°、240°、270°、300°、または330°の連続した複数のM面もしくはA面を有することを特徴とする、[5]に記載の発光ダイオード素子。
[7] 前記窒化ガリウム系活性層は、凹部を有する第1導電型の半導体層の上面から見て、ストライプ状のM面もしくはA面を有することを特徴とする、[5]に記載の発光ダイオード素子。
[8] 前記C面上の窒化ガリウム系活性層とA面またはM面上の窒化ガリウム系活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例することを特徴とする、[5]〜[7]のいずれかに記載の発光ダイオード素子。
[9] 前記窒化ガリウム系活性層は、前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層と接する面方位で、前記第2導電型の前記窒化ガリウム系半導体層と接していることを特徴とする、[1]に記載の発光ダイオード素子。
[10] 前記発光ダイオード素子は、第2導電型の窒化ガリウム系半導体層と前記窒化ガリウム系活性層とがエッチングされて露出された第1導電型の半導体層表面の少なくとも一部に第1の電極が形成され、前記第2導電型の窒化ガリウム系半導体層表面の少なくとも一部に第2の電極が形成されてなるることを特徴とする、[1]に記載の発光ダイオード素子。
[11] 前記窒化ガリウム系活性層は2つ以上の異なる主ピーク波長の光を発し、これらの主ピーク波長の光が混色した色を呈することを特徴とする、[1]に記載の発光ダイオード素子。
[12] 成長基板に第1導電型の窒化ガリウム系半導体層を形成する第1の工程、第1の工程後、前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層にエッチングによりC面となる凹部を形成する第2の工程、第2の工程後、第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の2つ以上の異なる面方位に接しており、前記接する面は少なくとも、前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面と、前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面とである窒化ガリウム系活性層を形成する第3の工程、第2導電型の窒化ガリウム系半導体層を形成する第4の工程、を含み、
前記第1の工程の成長基板は、C面を主面とするサファイア基板であり、前記基板のC面上に第1導電型の窒化ガリウム系半導体層を成長させ、複数色を発色させることを特徴とする、発光ダイオード素子の製造方法。
[13]前記第2の工程の凹部は、窒化ガリウム系半導体層のM面または/およびA面を露出させて形成することを特徴とする、[12]に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
[14]前記窒化ガリウム系活性層は、Inを含む窒化ガリウム系半導体層からなる井戸層を有する量子井戸構造であることを特徴とする、[12]に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
[15]前記窒化ガリウム系活性層はC面とA面とM面の3面の面方位で接するように形成されることを特徴とする、[12]に記載のダイオード発光素子の製造方法。
[16]前記C面上の窒化ガリウム系活性層とA面またはM面上の窒化ガリウム系活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例するように形成されることを特徴とする[13]〜[15]のいずれかに記載の発光ダイオード素子の製造方法。
ウム系半導体のC、A、Mの各面について、例えば成長速度をC>A>Mのように、C面での成長速度を最も速くしたり、逆にC面での成長速度を最も遅くしたりすることができる。当然のことながら、成長速度が遅い場合には、成長速度が速い場合と比べて、同一時間で形成される活性層の膜厚は小さくなる。
窒化ガリウムを成長させる基となる成長基板100としては、サファイアが好ましい。特にC面を主面とするサファイアを用いることで、結晶性のよい窒化ガリウム系半導体層が形成できる。さらにサファイア基板のC面上に窒化ガリウムを成長させると、エッチングにより凹部を形成して露出させる窒化ガリウムのM面もしくはA面は、サファイアと垂直な面となることから、製造上比較的容易にそのM面を露出させることができる。
n型の窒化ガリウム系半導体層102としては、AlxInyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、x+y<1)からなる単一もしくは複数の層を形成する。このn型の窒化ガリウム系半導体層102は、エッチング加工により露出された面方位が窒化ガリウム系半導体層のM面もしくはA面であれば良く、さらに好ましくは、その上面は、窒化ガリウム系半導体のC面とする。
活性層としては、AlxInyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、x+y<1)からなる単一もしくは複数の層を形成する。さらにGaの一部をB、またNの一部をP、As等で置換した層としてもよい。活性層は、シングルへテロ接合、ダブルヘテロ接合のいずれを形成してもよい。さらに量子井戸構造として、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造のいずれを形成してもよい。高効率や高輝度、高出力の特性を有するLEDやLDを得るためには、井戸層と障壁層を繰り返し積層する多重量子井戸構造とすることが好ましい。
p型の窒化ガリウム系半導体層104としては、p型不純物としてMgをドープしたAlxInyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、x+y<1)からなる単一もしくは複数の層を形成する。このp型層は、n型層と活性層によって形成された加工部を完全に埋め込んで形成する。すなわちp型層の最上面は、少なくともn型層および活性層の最上面と同じに、もしくはそれよりも上に位置するように形成する。好ましくはp型層の最上面はn型層および活性層の最上面と同じ位置にする。
その他、n型の窒化ガリウム系半導体層およびp型の窒化ガリウム系半導体層は複数の層で構成されていても良い。またn型の窒化ガリウム系半導体層、活性層、p型の窒化ガリウム系半導体層およびp型コンタクト層のそれぞれの層の間に、別の機能を有する層、例えば結晶性回復層を設けてもよい。第1導電型のn型の窒化ガリウム系半導体層102に凹部を形成するためにエッチング処理を行なった際に生じた側面の表面荒れや、結晶の加工損傷による劣化を修復する。また、本発明の窒化物半導体を発光ダイオード(LED)に適用する場合には、前記別の機能を有する層として、キャリア閉じ込め層、光閉じ込め層、下地の結晶層を保護するための結晶性保護層などが考えられる。
前記第1の工程の成長基板は、C面を主面とするサファイア基板であり、前記基板のC面上に第1導電型の窒化ガリウム系半導体層を成長させ、複数色を発色させることを特徴とする。
(2)本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、(1)であって、さらに前記第2の工程の凹部は、窒化ガリウム系半導体層のM面または/およびA面を露出させて形成することを特徴とする。
(3)本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、(1)であって、前記活性屑はInを含む窒化ガリウム系半導体層からなる井戸層を有する量子井戸構造であることを特徴とする。
(4)本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、(1)乃至(3)のいずれかであって、好ましくは前記第1導電型はn型で、前記第2導電型はp型であることを特徴とする。
(5)本発明の素発光ダイオード子の製造方法は、(1)乃至(4)のいずれかであって、好ましくは第2の工程の凹部は、非エッチング面に絶縁膜を形成しておき、第1導電型層をエッチングして形成することを特徴とする。
(6)本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、(1)乃至(5)のいずれかであって、好ましくは第4の工程の第2導電型の半導体層は、活性層と第1導電型の半導体層とが接する面方位で、活性層に探して形成することを特徴とする。
(7)本究明の発光ダイオード素子の製造方法は、(1)乃至(6)のいずれかであって、好ましくは第4の工程後、第2導電型の半導体層と活性層とをエッチングして第1導電型半導体層の一部を露出し、該露出面の少なくとも一部に第1の電極を形成し、さらに第2導電型の半導体層表面の少なくとも一部に第2の電極を形成することを特徴とする。
(8)本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、(1)であって、前記窒化ガリウム系活性層はC面とA面とM面の3面の面方位で接するように形成されることを特徴とする。
(9)本発明の発光ダイオード素子の製造方法は、(8)であって、前記C面上の窒化ガリウム系活性層とA面またはM面上の窒化ガリウム系活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例するように形成されることを特徴とする
101・・・バッファ層
102・・・n型層(第1導電型のn型の窒化ガリウム系半導体層)
103・・・活性層
104・・・p型層(第2導電型のp型の窒化ガリウム系半導体層)
106・・・エッチング加工で形成される凹部
201・・・n電極
202・・・p電極
Claims (16)
- 基板と、基板の主面上に単層または複数層の第1導電型の窒化ガリウム系半導体層と、窒化ガリウム系活性層と、単層または複数層の第2導電型の窒化ガリウム系半導体層とが積層されてなる、複数色を発色させる発光ダイオード素子において、
前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層のC面となる主面に凹部が形成され、
該第1導電型の窒化ガリウム系半導体層は、前記凹部内および凹部外に形成される窒化ガリウム系活性層と2つ以上の異なる面方位で接しており、
前記第1の窒化ガリウム系半導体層が窒化ガリウム系活性層と接する面は少なくとも、
前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面と、
前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面とであることを特徴とする、発光ダイオード素子。 - 前記第1導電型はn型で、第2導電型はp型であることを特徴とする、請求項1に記載の発光ダイオード素子。
- 前記窒化ガリウム系活性層は、Inを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を有する量子井戸構造であることを特徴とする、請求項1に記載の発光ダイオード素子。
- 前記窒化ガリウム系活性層はC面とA面とM面の3面の面方位で接する形態であることを特徴とする、請求項1に記載の発光ダイオード素子。
- 前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面は、窒化ガリウム系半導体のA面もしくはM面であることを特徴とする、請求項1に記載の発光ダイオード素子。
- 前記窒化ガリウム系活性層は、凹部を有する第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の上面から見て、面と面のなす角が30°、60°、90°、120°、150°、210°、240°、270°、300°、または330°の連続した複数のM面もしくはA面を有することを特徴とする、請求項5に記載の発光ダイオード素子。
- 前記窒化ガリウム系活性層は、凹部を有する第1導電型の半導体層の上面から見て、ストライプ状のM面もしくはA面を有することを特徴とする、請求項5に記載の発光ダイオード素子。
- 前記C面上の窒化ガリウム系活性層とA面またはM面上の窒化ガリウム系活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例することを特徴とする、請求項5〜請求項7のいずれかに記載の発光ダイオード素子。
- 前記窒化ガリウム系活性層は、前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層と接する面方位で、前記第2導電型の窒化ガリウム系半導体層と接していることを特徴とする、請求項1に記載の発光ダイオード素子。
- 前記発光ダイオード素子は、第2導電型の窒化ガリウム系半導体層と前記窒化ガリウム系活性層とがエッチングされて露出された第1導電型の半導体層表面の少なくとも一部に第1の電極が形成され、前記第2導電型の窒化ガリウム系半導体層表面の少なくとも一部に第2の電極が形成されてなることを特徴とする、請求項1に記載の発光ダイオード素子。
- 前記窒化ガリウム系活性層は2つ以上の異なる主ピーク波長の光を発し、これらの主ピーク波長の光が混色した色を呈することを特徴とする、請求項1に記載の発光ダイオード素子。
- 成長基板に第1導電型の窒化ガリウム系半導体層を形成する第1の工程、第1の工程後、前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層にエッチングによりC面となる凹部を形成する第2の工程、第2の工程後、第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の2つ以上の異なる面方位に接しており、前記接する面は少なくとも、前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面と、前記第1導電型の窒化ガリウム系半導体層の主面に垂直な面とである窒化ガリウム系活性層を形成する第3の工程、第2導電型の窒化ガリウム系半導体層を形成する第4の工程、を含み、
前記第1の工程の成長基板は、C面を主面とするサファイア基板であり、前記基板のC面上に第1導電型の窒化ガリウム系半導体層を成長させ、複数色を発色させることを特徴とする、発光ダイオード素子の製造方法。 - 前記第2の工程の凹部は、窒化ガリウム系半導体層のM面または/およびA面を露出させて形成することを特徴とする、請求項12に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
- 前記窒化ガリウム系活性層は、Inを含む窒化ガリウム系半導体層からなる井戸層を有する量子井戸構造であることを特徴とする、請求項12に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
- 前記窒化ガリウム系活性層はC面とA面とM面の3面の面方位で接するように形成されることを特徴とする、請求項12に記載のダイオード発光素子の製造方法。
- 前記C面上の窒化ガリウム系活性層とA面またはM面上の窒化ガリウム系活性層の面積比が、それぞれの主ピーク波長の光の強度比に比例するように形成されることを特徴とする、請求項13〜請求項15のいずれかに記載の発光ダイオード素子の製造方法。
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