JP4857733B2

JP4857733B2 - 半導体発光素子およびその製造方法

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Publication number: JP4857733B2
Application number: JP2005340819A
Authority: JP
Inventors: 幹生桝井; 博司福島
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2025-11-25
Also published as: JP2007149875A

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体発光素子およびその製造方法に関する。

近年、III−Ｎ化合物（以下、ナイトライドと呼ぶ）を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体固体発光素子の発展が目覚しい。前記III−Ｖ化合物として最もよく用いられているのが前記ナイトライドのＧａＮであるが、このＧａＮを始めとして、ナイトライドの屈折率は１より大きく、大気中への光の取出しに課題がある。ＧａＮの場合を例にとると、屈折率が約２．５であり、ＧａＮと大気との境界の法線に対して、２３．６度（以下、この法線に対して２３．６度より小さい領域で形成された円錐領域をエスケープコーンと呼ぶ）より大きい角度で境界に入射された光は、大気中に放射されず、境界面で全反射され、ＧａＮの中へ閉込められてしまう。

その閉込められた光の一部は発光層に再吸収され、電子―正孔対発生と再結合とによって再発光に寄与するが、その再発光した光も一部のエスケープコーン内で発光されれば大気中へ放射されるが、大部分のエスケープコーン外で発光された光は再びＧａＮ中に閉込められる。そして、閉込められた光は、結晶や電極材料に再吸収されて熱に変化してしまう。このため、平坦なＧａＮ層では、この屈折率による全反射のために発光効率を向上することは難しいという問題がある。

そこで、このような課題に対して、たとえば特許文献１では、光取出し面に矩形の凹凸を形成しておくことで、前記光取り出し面で光が反射する際に、凹部と凸部とでそれぞれ反射される光が互いの位相のλ／２だけ異なって打消し合い、反射が低減して、結果的に光取り出し効率を向上するように工夫されている。

しかしながら、その従来技術では、表面付近に凹凸が形成されるので、発光層から面方向に放射された光は、なかなか凹凸に捉えられないという問題がある。そこで、このような課題に対して、特許文献２が提案された。

図６は、その特許文献２による発光ダイオード１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード１は、大略的に、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）などの基板２上に、ｎ型のバッファ層３、ｎＧａＮ層４、発光層５、ｐＧａＮ層６が順に形成され、発光層５で発生した光をサファイア基板２側から取出すフリップチップ（フェイスダウン）タイプの発光ダイオードである。前記ｎＧａＮ層４上で、一部分の発光層５およびｐＧａＮ層６が除去されてｎ型電極７が形成され、前記ｐＧａＮ層６上にｐ型電極８が形成される。

この従来技術で注目すべきは、ｐＧａＮ層６から発光層５を超えて、ｎＧａＮ層４へ達する溝９が刻設され、その溝９の内面に、透明絶縁膜１０が形成され、さらに前記ｐ型電極８が形成されることで、前記溝９の内面におけるｐ型電極８の部分８ａが、反射鏡となることである。この反射鏡を形成することで、たとえば矢符Ｆ１で示すように、発光層５の遠くの位置から前記のような面方向に放射された光を、基板２方向に反射させて角度変換することができ、ＧａＮから空気層または該基板２のエスケープコーン内に入射させ、光取出し効率が向上されている。
特開平７−２０２２５７号公報特表２００４−５０６３３１号公報

上述の従来技術では、溝９は、深く形成される程、発光層５で発生した光の取出し効率は高くなる。しかしながら、たとえば図７で示すように、前記溝９は、平面視では、多角形に形成されている。したがって、ｎＧａＮ層４、発光層５およびｐＧａＮ層６は、その溝９に囲まれた区画毎に、面方向に分離、すなわち柱状に切り離されることになる。このため、相対的に低抵抗なｎＧａＮ層４から、中抵抗なｎ型のバッファ層３へ向けて、前記溝９を深く形成する程、ｎＧａＮ層４の各部から、端部に形成されたｎ型電極７へ、矢符Ｆ２で示すようにｎＧａＮ層４の面方向に流れる電流に対する抵抗が大きくなり、発光層５での発光光量が減少し、前記光取出し効率の向上分を打ち消してしまうという問題がある。なお、ｐＧａＮ層６が相対的に高抵抗である。

本発明の目的は、ｎ型窒化物半導体層において、面方向への電流経路が低抵抗なまま、溝を深く彫り込むことができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を順次積層させて成り、前記ｐ型窒化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層側へ達する溝が刻設され、その溝の内面に反射鏡が形成されて成る半導体発光素子において、前記ｎ型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れ、前記溝は、閉ループを形成しないように、複数が前記面方向に相互に離散して、かつ前記ｎ型窒化物半導体層を超えて刻設されることを特徴とする。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を順次積層させて成り、前記ｎ型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れる半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型窒化物半導体層側から、前記ｎ型窒化物半導体層を超えて、閉ループを形成しないように、面方向に相互に離散して複数の溝を刻設する工程と、前記溝の内面に反射鏡を形成する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、発光ダイオードなどとして実現され、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体（ｎＧａＮ）層、発光層（活性層）およびｐ型窒化物半導体（ｐＧａＮ）層を順次積層させて成り、或いは成長後に前記基板を除去して成り、前記ｐ型窒化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層側へ到達する（彫り込まれた）溝の内面に反射鏡を形成することで、発光層から出た光が、直接前記反射鏡に入射し、または多重反射して入射することによって、反射された光がｎ型窒化物半導体層側に臨界角以下で入射し、外部へ取出し可能となることで、光取出し効率を向上するようにした半導体発光素子において、ｎ型電極が、該半導体発光素子の面方向の一端に形成され、或いは中央に形成されるなどして、ｎ型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れる場合、前記溝を、閉ループを形成しないように、複数が前記面方向に相互に離散するように、かつ前記ｎ型窒化物半導体層を超えて刻設する。

したがって、前記溝がｎ型窒化物半導体層を超えて刻設されていても、閉ループを形成しないことで、ｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を面方向に分離しないように（柱状に切り離さないように）なり、ｎ型窒化物半導体層において、一端側から他端側へ電流経路を確保でき、低抵抗なまま、前記溝を深く彫り込む、すなわち反射鏡を高くすることができる。これによって、反射鏡に当たる成分を増加させ、光取出し効率を向上することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記溝は、テーパ面を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、断面形状が矩形の溝に比べて、光取出し効率を向上することができる。

また、本発明の半導体発光素子は、基板上に、バッファ層、前記ｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を成長させた後に、該基板を剥離した構造であり、前記溝は前記バッファ層に到達していることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記バッファ層、ｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を成長させた後に、成長基板を剥離することで、光取出し効率を一層向上することができる。

本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、発光ダイオードなどとして実現され、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体（ｎＧａＮ）層、発光層（活性層）およびｐ型窒化物半導体（ｐＧａＮ）層を順次積層させて成り、或いは成長後に前記基板を除去して成り、前記ｐ型窒化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層側へ到達する（彫り込まれた）溝の内面に反射鏡を形成することで、発光層から出た光が、直接前記反射鏡に入射し、または多重反射して入射することによって、反射された光がｎ型窒化物半導体層側に臨界角以下で入射し、外部へ取出し可能となることで、光取出し効率を向上するようにした半導体発光素子において、ｎ型電極が該半導体発光素子の面方向の一端に形成されるなどして前記ｎ型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れる場合、前記溝を、閉ループを形成しないように、複数が前記面方向に相互に離散するように、かつ前記ｎ型窒化物半導体層を超えて刻設する。

それゆえ、前記溝がｎ型窒化物半導体層を超えて刻設されていても、前記ｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層は面方向に分離されず（柱状に切り離されず）、ｎ型窒化物半導体層において、一端側から他端側へ電流経路を確保でき、低抵抗なまま、前記溝を深く彫り込む、すなわち反射鏡を高くすることができる。これによって、反射鏡に当たる成分を増加させ、光取出し効率を向上することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る発光ダイオード１１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード１１は、大略的に、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）などの基板１２上に、ｎ型のバッファ層１３、ｎＧａＮ層１４、発光層１５、ｐＧａＮ層１６が順に形成され、発光層１５で発生した光をサファイア基板１２側から取出すフリップチップ（フェイスダウン）タイプの発光ダイオードである。前記ｎＧａＮ層１４上で、一部分の発光層１５およびｐＧａＮ層１６が除去されてｎ型電極１７が形成され、前記ｐＧａＮ層１６上にｐ型電極１８が形成される。

前記基板１２は、前記サファイアに限定されず、発光波長に対して透光性を持つものであればよいことは言うまでもない。またこの種の発光ダイオードの製造方法については、当業者には公知のＭＯＣＶＤ法などを用いて実現することができ、ここでの詳しい説明は省略する。

前記電極１７，１８を形成する前には、前記ｐＧａＮ層１６から発光層１５を超えて、ｎＧａＮ層１４へ達するテーパー状の溝１９が刻設され、その溝１９の内面に、透明絶縁膜２０が形成される。その後に、前記ｐ型電極１８が形成されることで、前記溝１９の内面におけるｐ型電極１８の部分１８ａが、反射鏡となる。この反射鏡を形成することで、発光層１５の遠くの位置から面方向に放射された光を、基板１２方向に反射させて角度変換することができ、ＧａＮから空気層または該基板１２のエスケープコーン内に入射させ、光取出し効率を向上することができる。以上の構成は、前述の図６で示す発光ダイオード１と同様である。

注目すべきは、本実施の形態では、図２で示すように、ｎ型電極１７が該発光ダイオード１１の面方向の一端に形成され、ｎＧａＮ層１４内を面方向に電流が流れることになるのに対して、前記溝１９は、閉ループを形成しないように、複数が前記面方向に相互に離散して、かつ前記ｎＧａＮ層１４を超える深さまで刻設される（独立して配置されている）ことである。なお、本発明では、前記ｎ型電極１７は、発光ダイオード１１の中央に形成されてもよく、局所的に形成されることで、ｎＧａＮ層１４内を面方向に電流が流れるようになっていればよい。

この図２の例では、前記溝１９は、図３で示すように、６角形を敷き詰めたパターンを相互にずらせて３種類重ね合わせ、各パターンにおいて、相互に対向する２辺を前記溝１９としたものである。パターンは、より多角形である程、多方面からの光を捉えることができるが、円は、前記閉ループを形成してしまうので、不適である。

図４は、上述のように構成される発光ダイオード１１の製造工程を説明するための図である。本実施の形態では、上記溝１９を、ナノインプリントリソグラフィー法によって作製する。

先ず、溝１９の作成にあたって、図４（ｃ）で示すような、前記溝１９の反転形状を有する型３０を作成する。型３０の作成には、たとえば電子線リソグラフィー法を用いることができる。具体的には、シリコンウエハ上にスピンコートにより形成した電子線用レジストに、電子線を照射して溝１９のレジストパターンを作成する。前記溝１９のテーパー状に対応してパターン高さを変化させるには、電子線のドーズ量を変化させることで対応でき、ドーズ量が多いと電子線レジストの感光深さが深くなり、ドーズ量が少ないと電子線レジストの感光深さが浅くなる。こうして、異なる高さのレジストパターンを作成することができる。そのレジストパターンのＮｉ電鋳を採ることで、プレス用の型３０を作成することができる。

前記ＭＯＣＶＤ法などを用いて、図４（ａ）で示すように各層１３〜１６を基板１２上に作成した後、図４（ｂ）で示すように、ウエハ状態の発光ダイオード１１の基板１２の表面に、レジスト３１をスピンコートし、前記図４（ｃ）で示すように型３０を押し付け、形状を転写する。レジスト３１の材料は、有機もしくは無機どちらでも良いが、転写性が良く、かつ耐ドライエッチング性が高い必要がある。たとえば、スピンオンガラスを使用することができる。図４（ｄ）で示すように、離型後、レジスト３１には、型３０のパターンが転写される。その転写後のレジスト３１をマスクとして、塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングを行うことで、図４（ｅ）で示すように、発光ダイオード１１の基板１２の表面に、型３０のパターンを反転して転写し、溝１９を形成することができる。その後、公知の手法で、前記透明絶縁膜２０が形成された後、電極１７，１８が形成される。

このように作製することで、溝１９を閉ループとしないので、ｎＧａＮ層１４、発光層１５およびｐＧａＮ層１６を面方向に分離しないように（柱状に切り離さないように）なり、ｎＧａＮ層１４において、ｎ型電極１７が形成される一端側から他端側へ電流経路を確保でき、低抵抗なまま、前記溝１９を深く彫り込む、すなわち反射鏡を高くすることができる。これによって、反射鏡に当たる成分を増加させ、光取出し効率を向上することができる。また、前記溝１９がテーパ面を有することで、断面形状が矩形の溝に比べて、光取出し効率を向上することができる。

［実施の形態２］
図５は、本発明の実施の他の形態に係る発光ダイオード４１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード４１は、前述の発光ダイオード１１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード４１では、前記溝１９から電極１７，１８まで形成された後に、サファイアの基板１２が除去されることである。

この場合、基板１２を前記ｎＧａＮ層１４から剥離する必要があり、一般的には紫外レーザが用いられる。具体的には、基板１２（サファイア）側から、ＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２４８ｎｍ、照射強度：０．３Ｊ／ｃｍ^２）を入射する。レーザは、透明な結晶基板１２を透過してｎＧａＮ層１４で吸収されるので、界面でアブレーションが生じ、結果、基板１２がｎＧａＮ層１４から剥離する。

このように基板１２上に、前記ｎＧａＮ層１４、発光層１５およびｐＧａＮ層１６を成長させた後に、該基板１２を剥離することで、前記ｎＧａＮ層１４が光取出し面となり、光取出し効率を一層向上することができる。

本発明の実施の一形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。図１で示す発光ダイオードの平面図である。図１で示す発光ダイオードにおける溝の形成パターンを説明するための平面図である。図１で示す発光ダイオードの製造工程を説明するための図である。本発明の実施の他の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。従来技術の発光ダイオードの構造を示す断面図である。図６で示す発光ダイオードの平面図である。

１１，４１発光ダイオード
１２基板
１３バッファ層
１４ｎＧａＮ層
１５発光層
１６ｐＧａＮ層
１７ｎ型電極
１８ｐ型電極
１９溝
２０透明絶縁膜
３０型
３１レジスト

Claims

少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を順次積層させて成り、前記ｐ型窒化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層側へ達する溝が刻設され、その溝の内面に反射鏡が形成されて成る半導体発光素子において、
前記ｎ型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れ、
前記溝は、閉ループを形成しないように、複数が前記面方向に相互に離散して、かつ前記ｎ型窒化物半導体層を超えて刻設されることを特徴とする半導体発光素子。
前記溝は、テーパ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。
基板上に、バッファ層、前記ｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を成長させた後に、該基板を剥離した構造であり、前記溝は前記バッファ層に到達していることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を順次積層させて成り、前記ｎ型窒化物半導体層内を面方向に電流が流れる半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ型窒化物半導体層側から、前記ｎ型窒化物半導体層を超えて、閉ループを形成しないように、面方向に相互に離散して複数の溝を刻設する工程と、
前記溝の内面に反射鏡を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。