JP4939099B2 - 垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は３族窒化物発光素子の製造方法に関するものであり、特に改善された外部光子効率を有する垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法に関する。

３族窒化物発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）が開発された後、ＬＣＤバックライト（ＬＣＤ ｂａｃｋｌｉｇｈｔ）、携帯電話のキーパッド及び照明用光源など様々な分野においてＬＥＤが光源として使用されている。多様な用度のＬＥＤを開発するにおいて、ＬＥＤの発光効率と熱放出特性が重要な問題として注視されつつある。

ＬＥＤの発光効率は光の生成効率、光の外部光子効率および蛍光体によって増幅される効率により決定されるが、その中で最も大きい問題は外部光子効率、すなわち生成された光が外部に抽出される効率が低いということである。光の外部抽出に対する最も大きい障害は、内部全反射による光の消滅である。

すなわち、ＬＥＤ素子の境界面で大きい屈折率の差によって、生成された光の約２０％のみが素子境界面の外へと抽出され、界面を抜け出すことが不可能であった光は界面で全反射し素子内部を進行（ｔｒａｖｅｌｉｎｇ）しているうち熱として減衰されてしまう。結果的に、ＬＥＤ素子の発熱量は増加され素子の外部抽出効率は減少され、素子の寿命は短縮されることとなる。

このような問題を解決すべく様々な外部光子効率の改善方法が提案されて来た。例えば、表面に到達した光子がランダムに散乱されるようＬＥＤ素子の表面に表面パターンまたは表面テクスチャ（ｔｅｘｔｕｒｅ）を形成する方法、ＬＥＤ素子の形を截頭型の逆ピラミッド型（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｐｙｒａｍｉｄ）に作る方法などがある。最近は、特定波長の光子のみを選択的に透過または反射させるようＬＥＤ表面をパタニングして光子結晶（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）を形成する方法が試みられている。

後記する非特許文献１の第５８０９−５８１３頁には、ｐ−ドープＧａＮクラッド層を選択的に乾式蝕刻することにより上記クラッド層上面に光子結晶の凸凹パターンを形成する方法が開示されている。

図１は、上面に光子結晶を有する従来の３族窒化物発光素子の断面図である。図１を参照すると、従来の３族窒化物発光素子１０は母基板１１上に順次形成されたｎ−ドープＧａＮクラッド層１３、活性層１５、ｐ−ドープＧａＮクラッド層１７を含む。ｐ−ドープＧａＮクラッド層１７の一側上にはｐ側電極２１が形成されており、メサ蝕刻により露出されたｎ−ドープＧａＮクラッド層１３上面にはｎ側電極２３が形成されている。

また、ｐ−ドープＧａＮクラッド層１７上には透明電極層１９が形成されている。図１に図示された通り、ｐ−ドープＧａＮクラッド層１７の上面には光子結晶の凸凹パターン２５が形成されている。上記凸凹パターン２５は発光素子の外部光子効率を増大させる役割をする。すなわち、凸凹パターン２５に入射された光は散乱および回折現象により外部に効果的に抽出される。

このような光子結晶の凸凹パターン２５を形成するためには、電子ビーム（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ）リソグラフィーによる金属マスクパターン形成工程と、反応性イオン蝕刻（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ；ＲＩＥ）によるｐ−ドープＧａＮクラッド層の選択的乾式蝕刻工程を実施することとなる。すなわち、ｐ−ドープＧａＮクラッド層１７上にニッケル膜（未図示）を蒸着した後、電子ビームリソグラフィーにより上記ニッケル膜をパターニングしニッケルパターンを形成する。このニッケルパターンを蝕刻マスクにして反応性イオン蝕刻（ＲＩＥ）によりｐ−ドープＧａＮクラッド層１７を乾式蝕刻することにより、ｐ−ドープＧａＮクラッド層１７上面に光子結晶の凸凹パターン２５を形成することとなる。

しかし、上記凸凹パターン形成方法によると、ｐ−ドープＧａＮクラッド層１７の抵抗が増加する問題が発生する。すなわち、ｐ−ドープＧａＮクラッド層１７の乾式蝕刻によりｐ−ドープＧａＮクラッド層１７内にあるＭｇ等のｐ型ドーパントの活性度が低くなり充分な電荷キャリアを得ることが不可能となる。また、ｐ−ドープＧａＮクラッド層１７の乾式蝕刻時反応性イオンやプラズマ等により活性層１５が損傷される恐れが大きい。これに伴い、実質的な製品収率が低くなる。

光子結晶を有する発光素子を製造するための他の方法として、垂直構造のＬＥＤを製造するため母基板を分離した後、電子ビームリソグラフィーと乾式蝕刻を利用しｎ−ドープＧａＮクラッド層の上面に凸凹パターンを形成する方法がある（後記する非特許文献２の第５９４５−５９５０頁参照）。しかし、母基板を分離した状態で１０μｍ以下の厚さの薄い薄膜のＧａＮ系構造物表面に写真蝕刻工程を遂行することは、導電性基板を支持体に利用するとしても、非常に難しい作業である。これに伴い、製品の収率も非常に低くなる。
Ｋｅｎｊｉ Ｏｒｉｔａ ｅｔ ａｌ．の「Ｈｉｇｈ−Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｂｌｕｅ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ Ｕｓｉｎｇ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ−Ｐｉｔｃｈ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ（応用物理学会論文）、Ｖｏｌ．４３、Ｎｏ．８Ｂ、２００４のｐｐ．５８０９−５８１３ Ｄａｉｓｕｋｅ Ｍｏｒｉｔａ ｅｔ ａｌ．著のＪａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ（応用物理学会論文）、Ｖｏｌ．４３、Ｎｏ．９Ａ、２００４のｐｐ．５９４５−５９５０

本発明は上記の問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は光抽出効率をより改善させることが可能で、製造工程が容易で、高い収率を得ることが可能な垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を提供することにある。

上記の技術的課題を達成するため、本発明に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法は、母基板上にアンドープＧａＮ層および絶縁層を順次に形成する段階と、上記絶縁層を選択的に蝕刻して上記アンドープＧａＮ層上面に絶縁層パターンを形成する段階と、上記絶縁層パターン上にｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、活性層およびｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層（０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１、０≦ｍ＋ｎ≦１）を順次に形成する段階と、上記ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層上に導電性基板を形成する段階と、上記母基板、アンドープＧａＮ層および絶縁層パターンを除去し、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に形成された凸凹パターンを露出させる段階と、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層の露出面の一部領域上にｎ側電極を形成する段階を含む。

好ましくは、上記母基板はサファイア基板からなる。また、上記導電性基板はシリコン基板または金属基板であることが可能である。

本発明の実施形態によると、上記絶縁層はシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）またはシリコン窒化膜（ＳｉＮ_ｘ）からなることが可能である。

本発明の実施形態によると、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に形成された凸凹パターンを露出させる段階は、レーザリフトオフ（ｌａｓｅｒ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）を用いて上記母基板を分離および除去する段階と、乾式蝕刻または化学的機械的研磨を使用し上記アンドープＧａＮ層を除去する段階と、湿式蝕刻を使用し上記絶縁層パターンを除去する段階を含む。

本発明の好ましい実施形態によると、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層はエピタキシャル側方向過成長法（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ；ＥＬＯＧ）でｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層を成長させることにより形成される。このようなＥＬＯＧ法を利用することにより、結晶欠陥密度を低減させることが可能となる。

本発明の好ましい実施形態によると、上記アンドープＧａＮ層を形成する前に、上記母基板上に低温ＧａＮバッファ層を形成する段階をさらに含む。上記低温ＧａＮバッファ層はその上に成長されるＧａＮ層の結晶性を向上させる役割をする。

本発明の好ましい実施形態によると、上記絶縁層パターンを形成する段階において、上記アンドープＧａＮ層上面のうちｎ側電極に相応する領域には絶縁層パターンを形成しない。このように上記アンドープＧａＮ層上のｎ側電極に相応する領域に絶縁層パターンを形成しないことにより、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層上のｎ側電極領域には凸凹パターンが形成されなくなる。

本発明の一実施形態によると、上記導電性基板を形成する段階は、上記ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層上に金属層をメッキする段階を含む。上記メッキにより形成される金属層はタングステン、銅、ニッケル、チタンまたはこれらのうち２以上の合金からなることが可能である。この場合、上記ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層上にメッキされた金属層は導電性基板になる。

本発明の他の実施形態によると、上記導電性基板を形成する段階は、予め導電性基板を準備した後、導電性接着層を利用し上記ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層上に上記導電性基板を接合する段階を含む。上記導電性接着層はＡｕ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ−Ａｇ及びＰｂ−Ｓｎを含むグループから選択された物質からなることが可能である。

本発明の一実施形態によると、上記ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層を形成する段階と上記導電性基板を形成する段階との間に、上記ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層上に反射層を形成する段階をさらに含むことが可能である。好ましくは、上記反射層はＣｕＩｎＯ_２／Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２／Ａｌ層またはＮｉ／Ａｇ／Ｐｔ層で形成される。また、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に形成された凸凹パターンを露出させた後、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層上にＩＴＯ層などの透明電極層を形成することも可能である。

本発明の好ましい実施形態によると、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に形成された凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２０ｎｍないし１００μｍである。より好ましくは、上記第１基板に形成される凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２００ｎｍないし３μｍである。上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に形成される凸凹パターンは光子結晶を成すことが可能である。

本発明によると、母基板上に形成された絶縁層パターン上にｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層を形成した後上記絶縁層パターンを除去することにより、正確な寸法と規則性を有する凸凹パターンをｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層上に容易に形成することが可能である。これにより、製造された発光素子の輝度が改善される。また、絶縁層パターン上でＥＬＯＧ法によりｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層を形成するため、発光構造物の結晶欠陥密度を低減させることが可能である。改善された輝度と低い結晶欠陥を有する垂直構造発光素子を具現することにより、動作電圧Ｖｆを減少させることが可能となる。

本明細書において、‘３族窒化物’とは、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表現される２成分系（ｂｉａｎａｒｙ）、３成分系（ｔｅｒｎａｒｙ）または４成分系（ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ）化合物半導体を意味する。また、‘３族窒化物発光素子’とは、発光構造物を構成するｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層が３族窒化物からなっていることを意味する。

本発明によると、母基板上に形成された絶縁層パターンをｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に転写させることにより、高い外部光子効率と改善された輝度を有する垂直構造３族窒化物発光素子を高い収率で容易に製造することが可能となる。また、絶縁層パターン上でＥＬＯＧ法によりｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層を成長させるため、発光構造物の結晶欠陥密度が低減される。高い輝度と低い結晶欠陥を有する垂直構造発光素子を具現することにより、動作電圧Ｖ_ｆを減少させることが可能である。

以下、添付の図面を参照に本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な形態に変更されることが可能で、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されることではない。本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有している者に本発明をより完全に説明するため提供される。従って、図面における要素らの形状および大きさ等はより明確な説明のため誇張されることが可能で、図面上の同一な符号で表示される要素は同一な要素である。

図２は本発明の一実施形態に伴い製造された垂直構造３族窒化物発光素子の断面図である。図２を参照すると、垂直構造３族窒化物発光素子１００は、シリコンまたは金属性の導電性基板１０１上に順次に積層されたｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層１０５、活性層１０７及びｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０を含む。ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０上面にはｎ側電極１２３が形成されている。

図２に図示された通り、ｎ側電極１２３が形成された領域を除いてはｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０上面には凸凹パターン１２１が形成されている。凸凹パターン１２１に到達した光は凸凹パターン１２１によって散乱されることにより、発光素子１００外部へ光が容易に抽出される。これに伴い、発光素子１００の外部光子効率が改善される。

後述する通り、上記凸凹パターン１２１は、母基板上に形成された絶縁層パターンがｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０に転写（ｔｒａｎｓｆｅｒ）されることにより作られる。従って、上記凸凹パターン１２１は非常に正確な寸法で規則的に形成されることが可能である。充分な散乱効果を得るため、凸凹パターン１２１の間隔と幅そして高さは２０ｎｍないし１００μｍの範囲にあることが好ましい。より好ましくは、凸凹パターン１２１の間隔と幅そして高さは２００ｎｍないし３μｍである。凸凹パターン１２１の間隔を３μｍ以下になるようすることにより、ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０表面上に光子結晶を形成させることが可能である。このような光子結晶は反射の法則ではなく回折の法則に伴い光を回折させることが可能である。これに伴い、上記光子結晶は外部光子効率を大きく増大させる。

導電性基板１０１とｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層１０５との間には例えば、ＣｕＩｎＯ_２／Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２／Ａｌ層またはＮｉ／Ａｇ／Ｐｔ層等からなる反射層（未図示）が形成されることも可能である。このような反射層は光を出射面側に反射させ外部光子効率をさらに改善させる役割をする。また、凸凹パターン１２１が形成されたｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０上面には光の均一な放出を手伝うＩＴＯ等の透明電極層（未図示）が形成されることも可能である。

図３は本発明の他の実施形態に伴い製造された垂直構造３族窒化物発光素子の断面図である。図３の発光素子２００は、導電性接着層２０２により接着された導電性基板２０１を具備する。導電性接着層２０２はＡｕ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ−ＡｇまたはＰｂ−Ｓｎからなることが可能である。このような導電性接着層２０２は予め準備されたシリコンまたは金属性の導電性基板２０１を発光構造物１０５、１０７、１１０に付着させる役割をする。

特に、導電性接着層２０２は金属または合金からなるため、比較的高い反射度を有する。従って、導電性接着層２０２の反射度により発光素子２００の輝度を向上させることが可能な効果もある。その他の構成要素らは図２の説明と同様であるため詳しい説明は省略する。

以下、本発明に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明する。図４ないし図１０は本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための工程別の断面図である。

先ず、図４を参照すると、サファイアからなっている母基板１５１上に低温ＧａＮバッファ層１５２、アンドープ−ＧａＮ層１５３及び絶縁層１５４を順次に形成する。上記低温ＧａＮバッファ層１５２はその上に成長されるＧａＮ層の結晶性を向上させる役割をする。この低温ＧａＮバッファ層１５２は例えば、５００ないし７００℃の温度で母基板１５１上にＧａＮを成長させることにより形成されることが可能である。上記絶縁層１５４は例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）またはシリコン窒化膜（ＳｉＮ_ｘ）からなることが可能である。本実施形態では半導体層成長のための母基板１５１としてサファイア基板を使用しているが、ＳｉＣ基板など他の基板を使用することも可能である。

次に、図５に図示された通り、写真蝕刻工程を通じ上記絶縁層１５４を選択的に蝕刻することによりアンドープＧａＮ層１５３上面に絶縁層パターン１５４ａを形成する。これに伴い上記アンドープＧａＮ層１５３の表面は絶縁層パターン１５４ａにより選択的に露出される。絶縁層パターン１５４ａは２０ｎｍないし１００μｍの間隔と幅そして高さを有するよう形成されることが好ましい。より好ましくは、絶縁層パターン１５４ａの間隔と幅そして高さは２００ｎｍないし３μｍである。この絶縁層パターン１５４ａの高さは絶縁層１５４の厚さを通じ制御されることが可能である。

このように絶縁層パターン１５４ａを形成するため母基板１５１を支持体として利用し絶縁層１５４に写真蝕刻工程を実施するため、絶縁層パターン１５４ａの形成工程は比較的容易で、絶縁層パターン１５４ａを非常に正確な寸法で規則的に形成することが可能である。このような絶縁層パターン１５４ａは、後述する通りｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に凸凹パターンを形成するため必要である。特に、アンドープＧａＮ層１５３上面に３μｍ以下の間隔を有する絶縁層パターン１５４ａを形成することにより、後に形成されるｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に光子結晶の凸凹パターンを形成することが可能である。

図５に図示された通り、アンドープＧａＮ層１５３上面のうち所定領域Ａには絶縁層パターン１５４ａを形成しない。この所定領域Ａは後に形成されるｎ側電極に相応する領域に該当する。後述する通り、アンドープＧａＮ層１５３上面のうちｎ側電極に相応する領域Ａに絶縁層パターンを形成しないことにより、ｎ側電極の接触抵抗増加を防止することが可能となる。

次に、図６を参照すると、絶縁層パターン１５４ａ上にｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）１１０を形成し、その上に活性層１０７及びｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層（０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１、０≦ｍ＋ｎ≦１）１０５を順次に形成する。その後、ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層１０５上に金属層をメッキすることにより導電性基板１０１を形成する。メッキにより形成された上記導電性基板１０１は例えば、タングステン、銅、ニッケル、チタンまたはこれらのうち２以上の合金からなることが可能である。

図６において、絶縁層パターン１５４ａ上にｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０を形成する時、エピタキシャル側方向過成長法（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ；ＥＬＯＧ）を利用する。具体的に説明すると、ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}ＮはアンドープＧａＮ層１５３からは再成長されるが、ＳｉＯ_２またはＳｉＮ_ｘからなる絶縁層パターン１５４ａからは成長されない。

従ってｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎは一種の選択的エピタキシャル成長（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｅｐｉｔａｘｔｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ；ＳＥＧ）により成長される。従って、絶縁層パターン１５４ａにより露出されたアンドープＧａＮ層１５３表面からｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎが成長して絶縁層パターン１５４ａを完全に覆うためには、側方向への過成長（Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）が要求される。すなわち、ＥＬＯＧ法によりｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎが成長される。

このように、アンドープＧａＮ層１５３の表面から成長する中、側方向に過成長されたｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ物質は、絶縁層パターン１５４ａに沿う界面形状を有するようになる。これに伴い、図６に図示された通り絶縁層パターン１５４ａに相応する凸凹パターンを有するｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０を得るようになる（後に絶縁層パターン１５４ａを除去することにより、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０の凸凹パターン１２１は外部に現れるようになる（図９参照））。図５を参照に既に説明した通り‘ｎ側電極に相応する領域（図５のＡ領域）’には絶縁層パターン１５４ａが形成されていないため、その領域ではｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０の凸凹パターン１２１も形成されないようになる。

このようにＥＬＯＧ法によりｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０を形成する場合、ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０の欠陥密度を低減させることが可能である。これは、再成長されたｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０とアンドープＧａＮ層１５３間の縮小された縮小面積に起因する。すなわち、ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０とアンドープＧａＮ層１５３間の接触面積は絶縁層パターン１５４ａによりその分小さくなる。従って、アンドープＧａＮ層１５３に存在する熱的ストレスや転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）等の結晶欠陥がｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０へより少なく伝達される。

また、非晶質状態の絶縁層パターン１５４ａとｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層の間には化学的、結晶学的結合を成していない。従って、絶縁層パターン１５４ａを通しては熱的ストレスや結晶欠陥がｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０へ殆ど伝達されない。

図６には図示されていないが、ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層１０５と導電性基板１０１との間に、ＣｕＩｎＯ_２／Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２／Ａｌ層またはＮｉ／Ａｇ／Ｐｔ層などからなる反射層を形成することも可能である。このような反射層は光を出射面側に反射させることにより外部光子効率をさらに向上させる役割をする。

次に、図７に図示された通り、母基板１５１と低温ＧａＮバッファ層１５２を発光構造物から分離、除去する。母基板１５１は、例えばレーザリフト−オフ（ｌａｓｅｒ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）を利用して分離されることが可能である。すなわち、母基板１５１下部にレーザビームを照射して瞬間的な応力を発生させることにより、母基板１５１を分離する。

次に、図８に図示された通り、アンドープＧａＮ層１５３を除去する。アンドープＧａＮ層１５３は、例えば誘導結合型プラズマ反応性イオン蝕刻（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ；ＩＣＰ−ＲＩＥ）等の乾式蝕刻を利用するかまたは化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）を利用して除去されることが可能である。

次に、図９に図示した通り、絶縁層パターン１５４ａを除去する。これに伴い、ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０界面上に形成された凸凹パターン１２１が外部に現れるようになる。この凸凹パターン１２１は絶縁層パターン１５４ａから転写されたものであり、絶縁層パターン１５４ａと同じ間隔と幅そして高さを有するということが可能である。絶縁層パターン１５４ａは湿式蝕刻により容易に除去されることが可能である。例えば、ＳｉＯ_２からなる絶縁層パターン１５４ａはＢＨＦ（ｂｕｆｆｅｒｅｄ ＨＦ）を含む蝕刻液で簡単に除去されることが可能である。ＳｉＮ_ｘからなる絶縁層パターン１５４ａはリン酸を含む蝕刻液で除去されることが可能である。

次に、図１０に図示した通りｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０の露出面のうち凸凹パターン１２１がない領域上にｎ側電極１２３を形成する。これに伴い本実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子が完成される。もし凸凹パターン１２１がある表面上にｎ側電極１２３を形成すると、ｎ側電極１２３の接触抵抗が大きくなる。従って、このような接触抵抗の増加を防止するため、凸凹パターン１２１がない領域上にｎ側電極を形成することが好ましい。ｎ側電極１２３を形成する前に、ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０の露出面上にＩＴＯ等で透明電極層（未図示）を形成することも可能である。このような透明電極は光の均一な放出を手伝う。

前記の実施形態の製造方法では、メッキを実施してｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層１０５上に導電性基板１０１を形成している（図６参照）。他の実施形態として、メッキ工程の代わりに導電性基板の接合工程を利用してｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層１０５上に導電性基板を形成することも可能である。

すなわち、予めシリコンまたは金属性の導電性基板２０１を準備した後、導電性接着層２０２を利用してｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層 １０５に上記導電性基板２０１を付着することも可能である（図３参照）。この場合、導電性基板の接合工程を除いた残りの工程は前記の実施形態（図４ないし図１０参照）と同様である。導電性接着層２０２としては、Ａｕ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ−ＡｇまたはＰｂ−Ｓｎを使用することが可能である。このような金属または合金物質の導電性接着層２０２は比較的高い反射度を有するため、輝度向上にも役に立つ。

図１１は、ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０上面に形成された凸凹パターン１２１を示すＳＥＭ写真である。図１１に示した通り、凸凹パターンは明確に限定された形態を有しており非常に規則的である。凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２０ｎｍないし１００μｍであることが好ましい。特に、上記凸凹パターンは２００ｎｍないし３μｍの間隔と幅を有することにより光子結晶を形成することが可能である。

このような光子結晶の凸凹パターンは発光素子の外部光子効率を大きく増加させる役割をする。母基板１５１上に正確な寸法を有する絶縁層パターン１５４ａを形成する工程（図５参照）は比較的容易に実施することが可能なため、ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層１１０上面に正確な寸法の凸凹パターン１２１を容易に具現することが可能である。これに伴い製品収率が向上される。

本発明は上述の実施形態および添付の図面により限定されることではなく、添付の請求範囲により限定しようとする。また、本発明は請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形および変更が可能であることは当技術分野の通常の知識を有している者には自明である。

従来の３族窒化物発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態に伴い製造された垂直構造３族窒化物発光素子の断面図である。 本発明の他の実施形態に伴い製造された垂直構造３族窒化物発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明に伴い製造された垂直構造３族窒化物発光素子上部に形成された凸凹パターンを示すＳＥＭ写真である。

符号の説明

１０１、２０１ 導電性基板
１０５ ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層
１０７ 活性層
１１０ ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層
１２１ 凸凹パターン
１２３ ｎ側電極
１５１ 母基板
１５２ 低温ＧａＮバッファ層
１５３ アンドープＧａＮ層
１５４ 絶縁層
１５４ａ 絶縁層パターン
２０２ 導電性接着層

Claims (14)

1. 母基板上にアンドープＧａＮ層および絶縁層を順次に形成する段階と、
   上記絶縁層を選択的に蝕刻して上記アンドープＧａＮ層上面のうち少なくとも一部が露出するように絶縁層パターンを形成する段階と、
   上記絶縁層パターン上にｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、活性層及びｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層（０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１、０≦ｍ＋ｎ≦１）を順次に形成する段階と、
   上記ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層上に導電性基板を形成する段階と、
   上記母基板を除去して、上記アンドープＧａＮ層を露出させる段階と、
   上記アンドープＧａＮ層を除去して上記絶縁層パターンおよびｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層を露出させる段階と、
   上記絶縁層パターンを除去して、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に形成された上記絶縁層パターンの陰刻形状を有する凸凹パターンを露出させる段階と、
   上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層の露出面の一部領域上にｎ側電極を形成する段階と、を含み、
   上記絶縁層パターンを形成する段階において、上記アンドープＧａＮ層上面のうちｎ側電極に相応する領域には絶縁層パターンを形成せず、
   上記ｎ−ドープＡｌ _ｘ Ｇａ _ｙ Ｉｎ _{（１−ｘ−ｙ）} Ｎ層に形成される凸凹パターンは、p h o t o n i c c r y s t a lを成すことを特徴とする垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
2. 上記絶縁層はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
3. 上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に形成された凸凹パターンを露出させる段階は、
   レーザリフト−オフを利用して上記母基板を分離および除去する段階と、
   乾式蝕刻または化学的機械的研磨を使用して上記アンドープＧａＮ層を除去する段階及び
   湿式蝕刻を使用して上記絶縁層パターンを除去する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
4. 上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層は、エピタキシャル側方向過成長法でｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎを成長させることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
5. 上記アンドープＧａＮ層を形成する前に、上記母基板上に低温ＧａＮバッファ層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
6. 上記導電性基板はシリコン基板または金属基板であることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
7. 上記導電性基板を形成する段階は、
   予め導電性基板を準備した後、導電性接着層を利用して上記ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層上に上記導電性基板を接合する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
8. 上記導電性接着層はＡｕ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ−Ａｇ及びＰｂ−Ｓｎで構成されるグループから選択された物質からなることを特徴とする請求項７に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
9. 上記ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層を形成する段階と上記導電性基板を形成する段階の間に、上記ｐ−ドープＡｌ_ｍＧａ_ｎＩｎ_{（１−ｍ−ｎ）}Ｎ層上に反射層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
10. 上記反射層はＣｕＩｎＯ_２／Ａｇ層、ＣｕＩｎＯ_２／Ａｌ層またはＮｉ／Ａｇ／Ｐｔ層で形成されることを特徴とする請求項９に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
11. 上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に形成された凸凹パターンを露出させた後、上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層上に透明電極層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
12. 上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に形成された凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２０ｎｍないし１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
13. 上記ｎ−ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ層に形成された凸凹パターンの間隔と幅そして高さは２００ｎｍないし３μｍであることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。
14. 上記母基板はサファイア基板からなっていることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造３族窒化物発光素子の製造方法。