JP4660453B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関し、特に優れた発光出力と配光均一性を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。

近年、短波長発光素子用の半導体材料としてＧａＮ系化合物半導体材料が注目を集めている。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、その上に有機金属気層成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成されている。

ところで、発光素子の外部量子効率は、光取出し効率と内部量子効率を掛け合わせたものとして表される。内部量子効率とは、発光素子に注入した電流のエネルギーのうち、光に変換される割合である。一方の光取り出し効率とは、半導体結晶内部で発生した光の総量を外部へ取り出すことのできる割合である。

発光素子の内部量子効率に於いては、近年、窒化ガリウム系化合物半導体結晶品質の改善や、発光層構造の検討により７０〜８０％程度まで向上していると言われ、注入電流量に対して十分な効果が得られていると報告されている。

しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体のみならず、発光ダイオード（ＬＥＤ）に於いては、一般的に発生した光に対する光取出し効率は押並べて低く、注入電流によって発生した内部発光を十分に外部に取り出せているとは言い難い。

光取り出し効率が低いのは、発光層で発光した光が、ＬＥＤ構造内の結晶材質による反射・吸収を繰り返し、半導体層外部に光が射出する際に、スネルの法則によるところの臨界角以上の反射に於いて、外部に発光が取り出される事無く、結晶内部に光が再反射し、光が外部に到達する確率を低下させている事が原因である。

この光取り出し効率を向上させる為に、光取り出し面に面加工し、さまざまな角度等を設けて、光の取り出し効率を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。

また、本発明者等は、光を効率良く発光素子上面から取り出す事を可能にするため、発光素子側面の半導体層を基板主面に対して９０°未満の角度を有する逆テーパー状にすることを検討した。しかし、この逆テーパー状側面を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を一般的な発光パッケージに実装し、発光角度を含めた出力特性を調査すると、逆テーパー状側面により反射された発光により正面方向に於いては良好な発光出力を得られたものの、発光素子側面の低角度領域においては、十分な発光出力が得られず、配光均一性は満足するものでないことが判明した。

近年、ＬＥＤ発光パッケージにおいては、省スペースおよび高効率の目的のため、従来使用されてきた素子に比較して高さの低い発光パッケージが求められている。特に発光素子を実装するためのパッケージ部分を改良し、パッケージ側面と発光素子との間隔を狭め、光の反射を利用してパッケージ全体での効率を向上させている。このような場合、素子からの光取り出し角度を制御し、利用する技術が重要になってきている。前述の逆テーパー状側面を有する発光素子は、特に、このような半導体発光素子の側面光を利用する特殊発光パッケージに於いては十分な素子特性を得られない事が実験的に判明した。

特開２００３−１１０１３６号公報 特開２００４−６６６２号公報

本発明の目的は、従来技術に於ける上述した問題点を解決し、光取り出し効率と配光均一性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。

本発明は下記の発明を提供する。
（１）基板及び基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光素子であって、発光素子側面の少なくとも１面において、半導体層の下方（基板側）が基板主面に対して５°〜８５°傾斜した逆テーパーであり、上方が基板主面に対して９５°〜１７５°傾斜した順テーパーであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（２）順テーパー部分の厚さが０．１〜３μｍである上記１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（３）逆テーパー部分の厚さが０．１〜１０μｍである上記１または２項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（４）順テーパーおよび逆テーパーがオルトリン酸を主成分とする化学的エッチング法によりそれぞれ形成される上記１〜３項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（５）基板がサファイアＣ面である上記１〜４項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（６）順テーパーおよび逆テーパーを有する側面がサファイア基板上のＣ面方向から見てＡ面側である上記５項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（７）サファイア基板上のＣ面方向から見てＭ面側である側面は、順テーパーおよび逆テーパーが形成されず垂直面である上記５または６項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（８）発光素子の外形が平面視四角形であり、相対する側面のそれぞれが順テーパーおよび逆テーパーを有し、もう一方の相対する側面のそれぞれが垂直面である上記５〜７項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。

（９）上記１〜８項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。

（１０）上記９項に記載のランプが組み込まれている電子機器。
（１１）上記１０項に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、その側面の下方（基板側）が基板主面に対して５°〜８５°傾斜した逆テーパーであり、上方が基板主面に対して９５°〜１７５°傾斜した順テーパーであることによって、発光出力が高く、かつ配光均一性に優れている。特に、パッケージ側面と発光素子との間隔を狭めた特殊発光パッケージに装着しても、十分な発光出力を引き出すことが可能となる。

図１は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例の断面を模式的に示した図である。図中、１は基板、１０は窒化ガリウム系化合物半導体であり、バッファ層２、ｎ型半導体層３、発光層４およびｐ型半導体層５からなっている。２０は正極であり、透光性正極２１および正極ボンディングパッド２２からなっている。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、少なくとも１つの側面において、窒化ガリウム系化合物半導体１０の下方部（基板側）１１と基板主面とのなす角度αが５°〜８５°の範囲にあり、かつ、上方部１２と基板主面とのなす角度βが９５°〜１７５°の範囲にあることを特徴としている。

発光素子内部で発光した光が逆テーパーの側面１１で反射すると、反射した光は半導体層の上面では臨界角以内となるので光が透過し発光素子から効率よく取り出され、光取出し効率が向上する。窒化ガリウム系化合物半導体および光取出し側の屈折率等を考慮すると、角度αは２０°〜８０°がさらに好ましく、３０°〜７５°が特に好ましい。

また、発光素子上方部の側面１２が順テーパーであると、側面１２に入射した光は臨界角以内となるので光が透過し、側面からも光が取り出される。従って、配光均一性が向上するものと思われる。窒化ガリウム系化合物半導体および光取出し側の屈折率等を考慮すると、角度βは１００°〜１６０°がさらに好ましく、１０５°〜１５０°が特に好ましい。

素子側面１２は半導体層の正極側に位置し、ｐ型半導体側に形成される。素子側面１２の高さｋは０．１μｍ〜３μｍ程度が望ましく、発光層から横方向の光を効率的に取り出すことを考慮すると、より望ましくは０．２μｍ〜１．５μｍ程度である。逆テーパー側面１１の高さをある程度確保しなければならないので３μｍ以上にすることは好ましくない。また、０．１μｍ以下では配光均一性の向上が僅かになる。順テーパー側面１２が発光層を含んでいると、発光層から横方向の光を効率的に取り出せるので好ましい。

素子側面１１は半導体層の基板側に位置し、主にｎ型半導体層に形成される。素子側面１１の高さｈは大きければ大きい程、光取出し効率が高くなるので好ましい。順テーパー加工を施した部分（素子側面１２）以外は逆テーパー加工して素子側面１１とすることが好ましく、その高さｈは半導体層の厚さによるが０．１μｍ〜１０μｍ程度が好ましい。

順テーパー側面は例えば以下に述べるような工程によって形成することができる。先ず、半導体ウェハに各発光素子に分割する部分（割溝部分）が露出するようにレジストにてパターニングした後、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）型のドライエッチングを行なう。この段階では半導体露出部分が基板主面に対して垂直にエッチングされ、基板主面に対して垂直な側面を持った割溝が形成される。次いで、レジストを除去した後、オルトリン酸を主成分とするエッチング剤を用いてウェットエッチングする。このウェットエッチングでは、窒化ガリウム系化合物半導体のＣ面はエッチングされずにＡ面のみがエッチングされる。従って、Ｃ面からなる割溝底面はエッチングされずに、Ａ面からなる側面のみがエッチングされる。この際、割溝上部の半導体角部のエッチング速度が速いので、側面下部から側面上部に向かってエッチング速度が速くなり、割溝側面は基板主面に対して順テーパーを形成する。なお、Ａ面と直交するＭ面もウェットエッチングされ難いので、矩形の発光素子の場合、向かい合った一対の側面が基板主面に対して順テーパーになり、もう一対の側面は垂直になる。従って、縦横の長さが異なる発光素子においては、長辺側をＡ面にすることが好ましい。

また、レーザーやダイサーにより機械的に基板主面に対して垂直な側面を有する割溝を形成した後、上述のウェットエッチングを行なってもよいし、垂直な側面を有する割溝を形成した後に、割溝上部の半導体角部を機械的に研削して順テーパーの側面にしてもよい。

一方、逆テーパー側面は例えば以下に述べるような工程によって形成することができる。上述のように順テーパー部分を形成した後、必要に応じて負極および／または正極を形成し、次いで割溝底面が露出するようにレジストにてパターニングする。次に、レーザスクライバ等により、割溝の深さが基板に達するように割溝部分の半導体を除去する。その後、オルトリン酸を主成分とするエッチング剤を用いてウェットエッチングすると、露出されている割溝側面が逆テーパー状にエッチングされる。この工程において割溝側面が逆テーパー状にエッチングされる理由は以下の理由によるものと思われる。

異種基板上に積層された半導体層は、一般に基板に近いほど転位密度が大きくなる。ウェットエッチングにおけるエッチング速度は転位密度が大きいほど速くなる。従って、割溝側面を構成する半導体は基板に近いほどエッチング量が多くなり、割溝側面は逆テーパー状になる。なお、基板から離れた半導体層上部では、転位密度が小さくなるので、転位密度の低下によるエッチング速度の減少よりも角部によるエッチング速度の上昇が大きくなり、順テーパーの側面になるものと思われる。

これらの工程において用いられるレジストはポジ型でもネガ型でもよい。個々の素子の境界が露出されるように適当なパターンを持ったフォトマスクを用いて一般的な手続きに従ってリソグラフを行う。或いはレジストが半導体ウェハを覆って個々の素子の境界が判別できればリソグラフは必ずしも必要ではない。膜厚は０．１μｍ〜２０μｍが好ましい。膜厚が薄いとウェットエッチング等の際に膜が剥がれやすく、厚いとリソグラフの解像の問題や下のパターンの認識が困難になる。好適には０．５μｍ〜１０μｍであり、更には１μｍ〜５μｍであることが望ましい。

窒化ガリウム系化合物半導体の基板に達するまでの除去はレーザーによって行うことが望ましい。窒化ガリウム系化合物半導体の吸収端より短い波長のレーザーを選ぶことにより、窒化ガリウム系化合物半導体の１０⁵ｃｍ^-1に及ぶ高い吸収係数の為、被加工位置がレーザー照射位置に限定される。レーザーの光学系を適当に選ぶことにより１０μｍより狭い幅での加工も可能であり、素子収率の向上が図れる。基板のレーザー加工深さは１μｍ以上の範囲で任意に選べるが、加工深さが小さいと後の分割処理の形状不良が発生しやすい。１０μｍ以上であれば不良発生は抑制されるが、２０μｍ以上であれば更に望ましい。

或は、機械的方法であるダイサーによる方法も可能である。この場合、切断に用いるブレードの選定を好適なものとし、基板への食い込み量をできるだけ小さくとどめることで素子の欠け、割れの発生を抑制することができる。基板への食い込み量は１μｍ〜５０μｍの範囲で任意にえらべるが、１μｍ〜２０μｍ、更に好ましくは１μｍ〜１０μｍで選べばよい。

ウェットエッチングはオルトリン酸を用いて行われる。所定の加熱装置に納められたビーカーにオルトリン酸を加え、１００℃〜４００℃に加熱する。加熱温度が低いとエッチング速度が遅く、高すぎるとマスクに剥がれが生ずる。望ましくは１５０℃〜３００℃、さらに望ましくは１８０℃〜２４０℃で、十分なエッチング速度とマスクの耐性の両立が得られる。

窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の層構造としては、例えば図２に示したような層構造が周知であり、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の層構造もこのような周知の層構造を含め、如何なる層構造とすることができる。図２において、１は基板、２はバッファ層、３はｎ型半導体層である。ｎ型半導体層は下地層（３ｃ）、ｎ型コンタクト層（３ａ）およびｎ型クラッド層（３ｂ）から構成されている。４は発光層、５はｐ型半導体層である。ｐ型半導体層はｐ型クラッド層（５ｂ）およびｐ型コンタクト層（５ａ）から構成されている。２０は正極であり、透光性正極（２１）および正極ボンディングパッド（２２）から構成されている。３０は負極である。

本発明において、基板１には、サファイア単結晶（Ａｌ₂Ｏ₃；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ₂単結晶、ＬｉＧａＯ₂単結晶、ＭｇＯ単結晶またはＧａ₂Ｏ₃単結晶などの酸化物単結晶基板、およびＳｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶またはＺｒＢ₂などのホウ化物単結晶などの非酸化物単結晶基板から選ばれた公知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。これらの中でもサファイア単結晶またはＳｉＣ単結晶が好ましい。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。

サファイア単結晶を基板に用いた場合、基板の上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体単結晶は、サファイア単結晶（Ａｌ₂Ｏ₃；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）に即した方位で結晶成長することが知られている。

サファイア単結晶のＣ面を基板として成長させた窒化ガリウム系化合物半導体単結晶のＣ面に垂直な面をＣ軸方向からエッチングする場合、Ｍ面以外の面、例えばＡ面は結晶頂点が露出しており、エッチングされ易く、Ｍ面はエッチングされ難い。従って、本発明においては、発光素子の側面の少なくとも一つはＭ面以外、例えばＡ面にすることが好ましい。また、発光素子の平面形状が長方形の場合、長辺をＭ面以外の面、例えばＡ面にすることが好ましい。

バッファ層、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としては、一般式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされる各種組成の半導体が公知である。本発明におけるバッファ層、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体においても、一般式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。

これらのＩＩＩ族窒化物半導体を成長する方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシー成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などがある。望ましくは組成制御が容易であり、量産性を備えたＭＯＣＶＤ法が適しているが、必ずしも同法に限定されるものではない。

ＭＯＣＶＤ法を上記半導体層の成長方法として採用する場合は、ＩＩＩ族であるＧａの原料として、有機金属材料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を、同じくＩＩＩ族のＡｌの原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）を主として用いる。また発光層の構成材料であるＩｎについてはその原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）を用いる。Ｖ族のＮ源として、アンモニア（ＮＨ₃）またはヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）などを用いる。

ｎ型半導体層にはドーパント材料として、ＳｉあるいはＧｅを用いる。Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ₄）またはジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を、Ｇｅ原料としてゲルマン（ＧｅＨ₄）または有機ゲルマニウム化合物を用いる。ｐ型半導体層では、ドーパントしてＭｇを使用する。その原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）₂Ｍｇ）を用いる。

上記の基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層するために、特許第３０２６０８７号公報や特開平４−２９７０２３号公報に開示されている低温バッファ法や特開２００３−２４３３０２号公報などに開示されているＳｅｅｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ（ＳＰ）法と呼ばれる格子不整合結晶エピタキシャル成長技術を用いることができる。

低温バッファやＳＰ法などの格子不整合結晶エピタキシャル成長技術を用いた場合、その上に積層する下地としての窒化ガリウム系化合物半導体は、アンドープかもしくは５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度の低ドープのＧａＮであることが望ましい。下地層の膜厚は、１〜２０μｍであることが望ましく、５〜１５μｍであることが更に好適である。

下地層の上に負極と接触し、電流を供給するためｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層を成長させる。ｎ型ＧａＮには１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3になる様にｎ型ドーパントを供給しながら成長させる。ｎ型ドーパントとしては一般的にはＳｉやＧｅが選ばれる。ドーピングに関して一様にドープする場合や周期的に低ドープ層と高ドープ層を繰り返す構造をとる場合がある。特に後者の間歇ドープでは結晶成長中に発生するピットの抑制に有効である。

ｎ型コンタクト層と発光層との間に、ｎ型クラッド層を設けることが好ましい。ｎ型クラッド層は、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどで形成することが可能であるが、ＩｎＧａＮとする場合には活性層のＩｎＧａＮのバンドギャップよりも大きい組成とすることが望ましいことは言うまでもない。ｎ型クラッド層のキャリア濃度は、ｎ型コンタクト層と同じでも良いし、大きくても小さくても良い。

ｎ型クラッド層上の発光層としては量子井戸構造とするのが好適である。井戸層が１つしかない単一量子井戸構造でも良いし、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造でも良い。中でも、多重量子井戸構造は、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた素子の構造としては高出力と低駆動電圧を兼ね備えることができるので、好適である。なお、多重量子井戸構造の場合、井戸層（活性層）と障壁層を併わせた全体を本明細書では発光層と呼ぶ。

ｐ型半導体層は通常０．０１〜１μｍの厚さで、発光層に接しているｐ型クラッド層と正極を形成するためのｐ型コンタクト層からなる。ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層は兼ねることができる。ｐ型層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどを用いて形成し、ｐドーパントとしてＭｇをドープする。

負極は、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限なく用いることができる。ｎ型コンタクト層と接する負極用のコンタクト材料としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕなどのほか、Ｃｒ、Ｗ、Ｖなどを用いることができる。負極全体を多層構造としてボンディング性などを付与することができることは言うまでもない。特に、最表面をＡｕで覆うことは、ボンディングをしやすくするためには好ましい。

正極も、各種組成および構造の正極が周知であり、これら周知の正極を何ら制限なく用いることができる。正極材料としては、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｏｓ、ＩｒおよびＲｕなどの金属を用いることができる。また、ＩＴＯ、ＮｉＯおよびＣｏＯなどの透光性の導電性金属酸化物を用いることもできる。透光性の導電性金属酸化物を用いる形態としては、塊として上記金属膜中に含んでも良いし、層状として上記金属膜と重ねて形成しても良い。勿論、透光性の導電性金属酸化物を単独で用いることもできる。これらの中でもＩＴＯは透光性に優れ且つ導電性も高いので好ましい。

正極の厚さは、用いる材料によって異なるが、一般に１０〜１０００ｎｍが好ましい。例えば、ＩＴＯの場合は、発光波長を良好に透過させる厚みである１００〜８００ｎｍが好ましく、さらに好ましくは２００〜５００ｎｍである。

正極の成膜は真空蒸着法およびスパッタリング法等この技術分野でよく知られた慣用の手段で行なうことができる。また、開口部を設けた形状に成膜するには、この技術分野でよく知られたフォトリソグラフィー技術およびリフトオフ技術を用いて行なうことができる。正極を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。

正極には通常電流を流すためのワイヤを接続するボンディングパッド部が設けられる。ボンディングパッド部は、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ＴｉおよびＣｕ等の材料を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料および構造のものを何ら制限無く用いることができる。また、厚さは１００〜１５００ｎｍが好ましい。ボンディングパッドの特性上厚いほうがボンダビリティーが高くなるため、３００ｎｍ以上が好ましい。さらに、製造コストの観点から１０００ｎｍ以下が好ましい。

発光素子の形態としては、透明正極を用いて半導体側から発光を取り出す、いわゆるフェイスアップ（ＦＵ）型としても良いし、反射型の正極を用いて基板側から発光を取り出す、いわゆるフリップチップ（ＦＣ）型としても良い。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば当業界周知の手段により透明カバーを設けてランプにすることができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子から作製したランプは発光出力が高く、配光均一性に優れているので、この技術によって作製したランプを組み込んだ携帯電話、ディスプレイ、パネル類などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車、コンピュータ、ゲーム機、などの機械装置類は高い特性を実現することが可能である。特に、携帯電話、ゲーム機、玩具、自動車部品などの、バッテリ駆動させる機器類において、高い特性を発揮する。

以下に実施例および比較例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。

（実施例）
本実施例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図を図３に示す。 窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造体は、サファイアのｃ面（（０００１）結晶面）からなる基板１上に、ＡｌＮからなるバッファ層２を介して順次、アンドープＧａＮ層（層厚＝８μｍ）からなる下地層、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（層厚＝２μｍ、キャリア濃度＝１×１０¹⁹ｃｍ^-3）からなるｎコンタクト層およびＳｉドープｎ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ層（層厚＝２５ｎｍ、キャリア濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）からなるｎクラッド層から構成されたｎ型半導体層３、６層のＳｉドープＧａＮ障壁層（層厚＝１４．０ｎｍ、キャリア濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）と５層のアンドープＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎの井戸層（層厚＝２．５ｎｍ）を交互に積層させた多重量子構造の発光層４、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ層（層厚＝１０ｎｍ）からなるｐクラッド層およびＭｇドープＡｌ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層（層厚＝１５０ｎｍ）からなるｐコンタクト層から構成されたｐ型半導体層５を積層して構成した。上記の積層構造体の各構成層は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ手段で成長させた。

特に、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐコンタクト層は以下の手順に依り成長させた。
（１）ＭｇドープのＡｌ_0,07Ｇａ_0.93Ｎ層からなるｐクラッド層の成長を終了した後、成長反応炉内の圧力を２×１０⁴パスカル（Ｐａ）とした。キャリアガスは水素を用いた。
（２）トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを原料とし、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムをＭｇのドーピング源として、１０２０℃でＭｇドープＡｌＧａＮ層の気相成長を開始した。
（３）トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアおよびビスシクロペンタジエニルマグネシウムを、成長反応炉内へ４分間に亘り継続して供給して、層厚を１５０ｎｍとするＭｇドープＡｌ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層を成長させた。
（４）トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびビスシクロペンタジエニルマグネシウムの成長反応炉内への供給を停止し、ＭｇドープＡｌ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層の成長を停止した。

ＭｇドープＡｌＧａＮ層からなるコンタクト層の気相成長を終了させた後、直ちにキャリアガスを水素から窒素へと切り替え、アンモニアの流量を低下させ、そして低下させた分だけキャリアガスの窒素の流量を増加した。具体的には、成長中には全流通ガス量のうち体積にして５０％を占めていたアンモニアを、０．２％まで下げた。同時に、基板を加熱するために利用していた、高周波誘導加熱式ヒータへの通電を停止した。

更に、この状態で２分間保持した後、アンモニアの流通を停止した。このとき、基板の温度は８５０℃であった。
この状態で室温まで冷却後、成長反応炉より積層構造体を取り出し、ＭｇドープＡｌＧａＮ層からなるｐコンタクト層のマグネシウム及び水素の原子濃度を一般的なＳＩＭＳ分析法で定量した。Ｍｇ原子は、７×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度で、表面から深さ方向に略一定の濃度で分布していた。一方、水素原子は、６×１０¹⁹ｃｍ^-3の略一定の濃度で存在していた。また、抵抗率は、一般的なＴＬＭ法による測定から、おおよそ１５０Ωｃｍと見積もられた。

上記の積層構造体を用いてＬＥＤを作製した。
先ず、順テーパー面１２を形成する為、公知のフォトグラフィー技術を用いて、個々の素子に分割する割溝部が露出するようにレジストにてパターニングを実施した。その後、レジストが塗布されていない露出した割溝部にＲＩＥ型のドライエッチングにて深さ１．２μｍ程度の側面が垂直の割溝を形成した。その後、レジストは溶剤にて除去洗浄した。

次に、割溝の垂直側面を順テーパー側面にする為、オルトリン酸を主成分とするエッチング剤で処理した。この処理により、ｃ面（（０００１）結晶面）はエッチングされず、Ａ面（（１１−２０）結晶面）がエッチングされ、割溝側面の角度βは基板主面に対して大凡１１０°であった。直交するＭ面を側面とする割溝の側面は垂直面が保たれたままであった。

次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上のみにＩＴＯからなる透光性正極２１が形成される様にパターニングし、公知スパッタ法にて厚さ２５０ｎｍのＩＴＯ電極を形成した。

次に、ｎコンタクト層を露呈させる為、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、ｎ層を露呈させる領域（負極３０を形成する領域）以外はレジストにて覆われるパターンを作製し、ドライエッチング装置にて一般的なＲＩＥエッチングにより、ｎコンタクト層を露呈させた。その後覆っていたレジストを溶剤にて除去し、ｐ型半導体層表面から露出したｎコンタクト層までの深さを測定したところ大凡０．７μｍであった。

次に、露出したｎコンタクト層上の負極を形成する領域に負極３０を以下の手順により形成した。
レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、露出したｎコンタクト層上の負極形成部分からレジストを除去して、通常用いられる真空蒸着法で半導体側から順にＴｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍよりなる負極３０を蒸着形成した。その後レジストを公知の方法でその上に形成されたＴｉおよびＡｕと共に除去した。

次に正極ボンディングパッド２２をＩＴＯからなる透光性正極２１上に形成するため、負極と同様の方法でパターニングし、接着層としてＣｒを４０ｎｍ形成し、その後Ｔｉを１００ｎｍ形成し、最上層としてＡｕを１０００ｎｍ形成して正極ボンディングパッド２２とした。
図４は、本実施例で作製した発光素子の平面模式図であり、以上の工程で作製した電極の位置関係を示した図である。
次に、逆テーパー面１１の作製手順を説明する。電極作製工程が終了したウェハにリソグラフに用いたフォトレジストを塗布する。その後、再度リソグラフにより各素子の境界部分（割溝部）のみを露出させる。

次に、素子の境界部分（割溝部）の半導体を除去して基板を露出させるが、窒化ガリウム系化合物半導体層を基板に達するまで除去する手段としてはレーザーを用いた。レーザーの波長は２６６ｎｍ、周波数は５０ｋＨｚ、出力は１．６Ｗで加工スピード７０ｍｍ／秒で基板に深さ２０μｍに達する割溝を作製した。ステージを９０°回転させ、Ｙ軸方向に同様にして割溝を形成した。

割溝作製後のウェハを、加熱装置を用いて１８０℃に熱したオルトリン酸の入った石英ビーカー中に２０分間浸漬してウェットエッチングを行なった。窒化ガリウム系化合物半導体層のエッチング量は５．２μｍであった。ウェットエッチングの終了したウェハは超音波中で水洗を行い、更に有機洗浄によりレジストからなるエッチングマスクの除去を行なった。この処理により、ｃ面（（０００１）結晶面）方向はエッチングされず、Ａ面（（１１−２０）結晶面）方向がエッチングされ、割溝側面の角度αは基板主面に対して大凡７０°であった。直交するＭ面を側面とする割溝の側面は垂直面が保たれたままであった。
エッチング処理後のウェハはさらに基板背面の研磨により、基板の厚さが８０μｍになるまで薄くし、その後ブレーキング装置により個々の発光素子として分離した。

分離した発光素子の出力を積分球で評価したところ、電流２０ｍＡで１２ｍＷであった。また駆動電圧を測定したところ、２０ｍＡ印加した場合の電圧は３．３５Ｖであった。この素子の配光性を評価した結果を後述の比較例と共に図５に示す。図５において、横軸は発光素子正面からの角度であり（正面が９０°）であり、縦軸はその角度における光の強度である。図５から明らかな如く、本実施例の発光素子は比較例の発光素子に比較して側面方向の光取り出しが上昇し、配光均一性に優れている。また、パッケージ側面と発光素子との間隔を狭めた特殊発光パッケージに装着して出力を測定したところ、電流２０ｍＡで１８．９ｍＷであった。

（比較例）
順テーパー１２を形成しなかったことを除いて、実施例と同じ手順で発光素子を作製した。得られた発光素子を実施例と同様に評価したところ、出力は１２ｍＷあり、その駆動電圧は３．３５Ｖであった。また、その配光特性を図５に示したが、実施例の順テーパー形成品に比較して斜め方向の光取り出し特性が劣っている物であった。さらに、実施例で用いたものと同一の特殊発光パッケージに装着して出力を測定したところ、電流２０ｍＡで１６．８ｍＷであり、順テーパーを形成した場合に比較してパッケージ実装段階での効率が劣る結果となった。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、発光出力が高く、かつ、配光均一性に優れており、産業上の利用価値は極めて大きい。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例を模式的に示した断面図である。 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一般的な層構造を模式的に示した図である。 実施例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を示した模式図である。 実施例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面を示した模式図である。 実施例および比較例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の配光性の評価結果を示した図である。

符号の説明

１ 基板
２ バッファ層
３ ｎ型半導体層
４ 発光層
５ ｐ型半導体層
１０ 窒化ガリウム系化合物半導体
１１ 逆テーパー側面
１２ 順テーパー側面
２０ 正極
２１ 透光性正極
２２ 正極ボンディングパッド
３０ 負極

Claims (11)

1. 基板及び基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光素子であって、発光素子側面の少なくとも１面において、半導体層の下方（基板側）が基板主面に対して５°〜８５°傾斜した逆テーパーであり、上方が基板主面に対して９５°〜１７５°傾斜した順テーパーであり、順テーパー側面が発光層を含んでいることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
2. 順テーパー部分の厚さが０．１〜３μｍである請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
3. 逆テーパー部分の厚さが０．１〜１０μｍである請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
4. 順テーパーおよび逆テーパーがオルトリン酸を主成分とする化学的エッチング法によりそれぞれ形成される請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
5. 基板がサファイアＣ面である請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
6. 順テーパーおよび逆テーパーを有する側面がサファイア基板上のＣ面方向から見てＡ面側である請求項５に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
7. サファイア基板上のＣ面方向から見てＭ面側である側面は、順テーパーおよび逆テーパーが形成されず垂直面である請求項５または６に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
8. 発光素子の外形が平面視四角形であり、相対する側面のそれぞれが順テーパーおよび逆テーパーを有し、もう一方の相対する側面のそれぞれが垂直面である請求項５〜７のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子からなるランプ。
10. 請求項９に記載のランプが組み込まれている電子機器。
11. 請求項１０に記載の電子機器が組み込まれている機械装置。

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