JP5037980B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の発光素子に利用され
る窒化ガリウム系化合物半導体、特に高い光取り出し効率を得るための凹凸構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法に関するものである。

近年、紫外光領域から青色光までの光を発光する発光素子に利用できるものとして、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体が注目されている。

このような窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子は、蛍光体と組み合わせることにより白色の光を発光することが可能であり、また、省エネルギーかつ長寿命であることから、白熱電球や蛍光ランプの代替品として有望視されると共に実用化が始まっている。しかしながら、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子の発光効率は、蛍光灯に比較すると低いため、更なる高効率化が求められており、そのための様々な研究が行われている。

ところで、発光素子の発光効率である外部量子効率は、発光層で電気エネルギーが光エネルギーに変換される割合を示す内部量子効率と、変換された光エネルギーが外部へ放出される割合を示す光取り出し効率との積によって決定される。

内部量子効率は、発光素子を形成する窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性に大きく影響を受ける。内部量子効率を向上させる方策として、サファイア等から成る基板上に非晶質または多結晶のＡｌＮ系またはＡｌＧａＮ系の材料から成るバッファ層を形成し、このバッファ層上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、基板と窒化ガリウム系化合物半導体層との格子不整合を緩和させ、窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性を向上させるという方法が、公知の技術として知られている（例えば、下記の特許文献１を参照）。

一方、光取り出し効率の向上に関しても種々の技術が公開されており、発光素子または電極の表面に凹凸構造を形成することによって外部との屈折率差を緩和し、内部全反射を抑制する方法がある（例えば、特許文献２、非特許文献１，２を参照）。

従来の窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子の一例の断面図を図１に示す。基板１上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａ、窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光層２ｂ及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃより成る半導体層２が形成されていると共に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａ上とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃ上に、それぞれｎ型電極３及びｐ型電極４が形成されている。ｎ型電極３及びｐ型電極４の一部には、外部から電流を注入するために、それぞれｎ型パッド電極５、ｐ型パッド電極６が設けられており、ワイヤーボンディングによってパッケージと接続される。窒化ガリウム系化合物半導体層の形成に使用される基板１としては、一般的に広く使用されている絶縁性のサファイアから成る基板の他に、導電性の炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）等から成る基板も用いられる。導電性基板を用いる場合は、ｎ型電極３の代わりに基板１それ自体をｎ型電極として利用することも可能である。
特許第３０２６０８７号公報 特開２００３−３１８４４３号公報 アプライド．フィジックス．レター．ボリューム．84(2004)pp.855-857（Applied.Physics.Letters. Vol.84 (2004) pp.855-857） ジャパニーズ．ジャーナル．オブ．アプライド．フィジックス．ボリューム．41(2002)pp.1134-1136（Japanese.Journal.of.Applied.Physics. Vol.41 (2002) pp.1134-1136）

図１の従来の窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子においては、サファイアから成る基板１の屈折率は、発光層２ｂで発光した光の波長を４００ｎｍとした場合に約１．７８であるのに対し、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率は約２．５５と高い。そのため、発光層２ｂで発光した光のうち、サファイアから成る基板１への入射角が臨界角θ_ｒの約４４°（θ_ｒ＝ａｒｃｓｉｎ（１．７８／２．５５））を超える角度で入射する光は、各窒化ガリウム系化合物半導体層を積層してなる半導体層２の内部で全反射を繰り返す。従って、光は半導体層２で全反射を繰り返す過程で大部分が半導体層２に吸収され、残った光が半導体層２の端部から外部へ向かって放射されるため、発光量が低下するという問題点がある。

さらに、半導体層２の周囲環境が空気（屈折率≒１）である場合は、これらの媒質間の屈折率差がさらに大きくなり、半導体層３の表面で半導体層２の内部側に反射される光の量が一層増えるため、光取り出し効率はさらに悪くなる。

上記の問題点を解決するために、特許文献２の方法を用いて発光素子の光取り出し効率を向上させる場合、窒化ガリウム系化合物半導体層に凹凸構造を形成することによって、半導体層の表面での反射を抑制し、かつ光散乱を引き起こすことで光取り出し効率を向上させているが、ダイヤモンド粒またはアルミナ粒を用いて窒化ガリウム系化合物半導体層の表面を研磨したり、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Riactive Ion Ettching）法等のドライエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に凹凸構造を形成するため、窒化ガリウム系化合物半導体層全面へのダメージが懸念される。

また、非特許文献１の方法では、窒化ガリウム系化合物半導体層を水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いた異方性エッチングを利用して凹凸構造を形成しているが、その凹凸構造のアスペクト比（凹凸構造の高さ÷周期）は１程度のものしか得られず、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面での反射を効果的に抑制するために必要な高アスペクト比（好ましくは３以上）を有する凹凸構造を形成することが困難であり、光取り出し効率を高めるには限界がある。

また、非特許文献２の方法では、窒化ガリウム系化合物半導体層をそれよりも面積の大きなＳｉＯ_２基板上に載せて、Ｃｌ_２を用いたＲＩＥ法によって、窒化ガリウム系化合物半導体層及びＳｉＯ_２基板を同時にドライエッチングし、一部イオン化されたＳｉＯ_２粒子が窒化ガリウム系化合物半導体層の上に付着することでマスクとなって、非常に高いアスペクト比を有する針状の凹凸構造を形成し、反射率の低減を図っているが、その凹凸構造の周期はイオン粒子の大きさで決まるために小さい。従って、光散乱を効果的に引き起こすために必要な周期（好ましくは波長の１〜２倍程度）を持つ凹凸構造を形成することが困難であり、光取り出し効率を高めるには限界がある。

従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光取り出し効率を飛躍的に向上させることが可能な凹凸構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することである。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表されるホウ化物単結晶層部を複数形成し、次に前記窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面及び前記複数のホウ化物単結晶層部を覆うように化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を形成することによって、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面上にＧａ極性の前記ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を形成するとともに前記複数のホウ化物単結晶層部上にそれぞれＮ極性の前記ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を形成し、次に、前記ホウ化物単結晶層部を残すとともに、Ｎ極性の前記ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を選択的にエッチング除去することによって凹凸構造を形成することを特徴とする。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は好ましくは、Ｎ極性の前記ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を選択的にエッチング除去する際に、エッチングを途中で中断して、Ｎ極性の前記ＡｌＧａＩｎ単結晶層の一部を残すことを特徴とする。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は好ましくは、前記凹凸構造を透明な導電層で覆うことを特徴とする。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表されるホウ化物単結晶層部を複数形成し、次に前記窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面及び前記複数のホウ化物単結晶層部を覆うように化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を形成することによって、窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面上には、Ｇａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層が形成されるが、複数のホウ化物単結晶層部上にはよりエネルギー的に安定なＮ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層が形成され、ＫＯＨ水溶液を用いてＮ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を選択的にエッチング除去することで凹凸構造が形成でき、研磨やＲＩＥによる窒化ガリウム系化合物半導体層へのダメージが全く発生しないため、信頼性の高い発光素子を作製することが可能となる。

また、ＫＯＨ水溶液によるＡｌＧａＩｎＮ単結晶のエッチングにおいて、Ｇａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶はエッチング耐性が非常に強いが、Ｎ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶はエッチング耐性が弱く、サイドエッチングもほとんど発生しないため、両極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を厚く形成した後に、ＫＯＨ水溶液によるエッチングを行うことによって、アスペクト比の高い凹凸構造を容易に形成できる。さらに、ホウ化物単結晶層部の周期を任意に変えることによって、凹凸構造の周期を制御することが可能であり、効果的な光散乱が得られる発光波長の約１〜２倍の周期を有する凹凸構造を形成できる。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法は好ましくは、Ｎ極性の前記ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を選択的にエッチング除去することによって凹凸構造を形成する際に、さらに前記複数のホウ化物単結晶層部を除去することで、ホウ化物単結晶層部での光吸収がなくなり、光取り出し効率を一層高めることが可能である。

本発明の製造方法によって製造された窒化ガリウム系化合物半導体は、窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された、化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される複数のＧａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層部によって凹凸構造が形成されていることによって、光取り出し効率を大幅に高めることが可能である。

本発明の製造方法によって製造された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される複数のホウ化物単結晶層部と、前記複数のホウ化物単結晶層部間の前記窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された、化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるとともに前記ホウ化物単結晶層部よりも高さが高いＧａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層部とを有し、前記ホウ化物単結晶層部及びＧａ極性の前記ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層部によって凹凸構造が形成されていることにより、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面での反射が抑制されるとともに、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面で光散乱が生じて窒化ガリウム系化合物半導体層の内部で全反射した光の角度が変化して臨界角以内に入るため、光取り出し効率が大幅に向上する。

以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図２は、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法によって製造された凹凸構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子について、実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。また、図３（ａ）〜（ｊ）はそれぞれ、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法を示す工程毎の模式的な断面図である。これらの図において、同様の箇所は同一の符合を付し、重複する説明を省略する。

図２において、８は窒化ガリウム系化合物半導体層を複数層積層して成る半導体層（積層体）であり、８ａは第１導電型（例えばｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、８ｂは窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光層、８ｃは第２導電型（例えばｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、９は第１導電（例えばｎ）側電極としての、あるいは第１導電側電極を形成するための第１導電側導電層、１０は第２導電（例えばｐ）側電極としての、あるいは第２導電側電極を形成するための第２導電側導電層である。なお、図２の例では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とする。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法によって製造された凹凸構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃの一主面１１に、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表されるホウ化物単結晶層部１４を複数形成し、次にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃの一主面１１及び複数のホウ化物単結晶層部１４を覆うように化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５を形成することによって、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃの一主面１１上にＧａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５ａを形成するとともに複数のホウ化物単結晶層部１４上にそれぞれＮ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５ｂを形成し、次にＮ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５ｂを選択的にエッチング除去することによって形成された凹凸構造を有する構成である。

凹凸構造の横方向の周期は、効果的な光散乱が得られる発光波長の約１〜２倍の周期であることが好ましい。凹凸構造の横方向の周期が発光波長の１倍未満もしくは２倍を超える場合、凹凸構造によって散乱された散乱光の角度分布が狭くなり、半導体層８と外部との界面での入射角が臨界角以内に入って、外部に取り出すことが可能な散乱光が減少するため、光り取り出し効率向上の効果が十分に得られない。

凹凸構造の凹凸の高低差は、３００ｎｍ〜１５００ｎｍであることが好ましい。凹凸構造の凹凸の高低差が３００ｎｍ未満の場合、半導体層８から外部にかけての実効的屈折率の変化が緩やかでなくなるため、実効的屈折率の緩やかな変化による透過率向上の効果が十分に得られない。１５００ｎｍを超えると、エッチングに要する時間が長くなり、生産性が低下する。

Ｎ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５ｂを選択的にエッチング除去して凹凸構造を形成する際に、ＫＯＨ水溶液等のエッチング溶液を用いて行うことができる。

本発明の半導体層８は、発光層８ｂを、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａとｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃとで挟んだ構成であるが、例えば、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａは、第１のｎ型クラッド層としてのＧａＮ層、第２のｎ型クラッド層としてのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層の積層体等からなる。このｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａの厚みは１μｍ〜３μｍ程度である。

また、例えば、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃは、第１のｐ型クラッド層としてのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層、第２のｐ型クラッド層としてのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層、ｐ型コンタクト層としてのＧａＮ層の積層体等からなる。このｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃの厚みは２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。

また、例えば、発光層８ｂは、禁制帯幅の広い障壁層としてのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層と、禁制帯幅の狭い井戸層としてのＩｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層とを、交互に例えば３回繰り返し規則的に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Muliti Quantum Well）等からなる。この発光層８ｂの厚みは２５ｎｍ〜１５０ｎｍ程度である。

なお、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａ及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃは、互いに逆の導電型であってもよい。

本発明のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａ、発光層８ｂ、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃを含む半導体層８の成長方法は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）法が用いられるが、その他分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法等が挙げられる。

ｎ側導電層９の材質は、発光層８ｂが発生した光を損失なく反射し、かつｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａと良好なオーミック接続がとれるものがよい。

そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３），金−シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ合金），金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ合金），金−亜鉛合金（Ａｕ−Ｚｎ合金），金−ベリリウム合金（Ａｕ−Ｂｅ合金）等を用いればよい。これらの中でも、アルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）は、発光層８ｂが発光する青色光（波長４５０ｎｍ）〜紫外光（波長３５０ｎｍ）の光に対して反射率が高いので好適である。また、アルミニウム（Ａｌ）はｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａとのオーミック接合の点でも特に好適である。また、上記材料の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。

ｐ側導電層１０としては、発光層８ｂが発生した光を損失なく透過し、かつｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃと良好なオーミック接続がとれる透明導電層がよい。

そのような材質のものとしては、酸化インジウム錫（ＩＴＯ），酸化錫（ＳｎＯ_２），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物系のものが使用されるが、これらの中では特に酸化インジウム錫（ＩＴＯ）は紫外光から青色光に対して高い透過率を有するだけでなく、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃとのオーミック接合の点でも特に好適である。

また、ｎ型導電層９及びｐ側導電層１０上には、それぞれ外部との電気的接続をとるための導線等を接続するｎ側パッド電極１２とｐ側パッド電極１３が設けられている。両電極は、例えばチタン（Ｔｉ）層、またはチタン（Ｔｉ）層を下地層として金（Ａｕ）層を積層したものを用いればよい。

また、半導体層８は、サファイア，ＳｉＣ等から成る基板７上に窒化ガリウム系化合物半導体から成るバッファ層を介して形成してもよく、また、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表されるホウ化物単結晶から成る基板７上に直接形成してもよい。

化学式ＸＢ_２で表されるホウ化物単結晶から成る基板７を使用することによって、窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数差が０．５７％、熱膨張係数差も２．７×１０^−６／Ｋと小さい基板７であるため、結晶の転位密度が低く、残留歪の小さい窒化ガリウム系化合物半導体層を得ることが可能となる。

化学式ＸＢ_２で表されるホウ化物単結晶から成る基板７は、ＺｒＢ_２単結晶，ＴｉＢ_２単結晶，ＨｆＢ_２単結晶等からなるが、窒化ガリウム系化合物半導体との格子整合性及び熱膨張係数の整合性の点で優れていることを考慮すると、ＺｒＢ_２単結晶からなるものを使用することが好ましい。また、ＺｒＢ_２単結晶において、Ｚｒの一部がＴｉやＨｆに置換されているものであってもよい。また、ＺｒＢ_２単結晶において、その結晶性また格子定数が大きく変化しない程度に不純物としてＴｉ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ａｌ等を含んでいても構わない。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法は好ましくは、Ｎ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５ｂを選択的にエッチング除去することによって凹凸構造を形成する際に、さらに複数のホウ化物単結晶層部１４を除去するものである。この場合、ホウ化物単結晶層部１４での光吸収がなくなり、光取り出し効率を一層高めることが可能である。

ホウ化物単結晶層部１４のエッチング除去は、硝酸とフッ酸の混合液からなるエッチング溶液を用いて行うことができる。

本発明の製造方法によって製造された窒化ガリウム系化合物半導体は、凹凸構造を有す
る窒化ガリウム系化合物半導体であって、窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された、化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される複数のＧａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層部によって凹凸構造が形成されていることによって、ホウ化物単結晶層部１４がないのでホウ化物単結晶層部１４での光吸収が発生しないために、光取り出し効率を大幅に高めることが可能である。

本発明の製造方法によって製造された窒化ガリウム系化合物半導体は好ましくは、凹凸構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体であって、窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される複数のホウ化物単結晶層部１４と、複数のホウ化物単結晶層部１４間の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された、化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるとともにホウ化物単結晶層部１４よりも高さが高いＧａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層部とを有し、ホウ化物単結晶層部１４及びＧａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層部によって凹凸構造が形成されている構成である。

この構成により、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面での反射が抑制されるとともに、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面で光散乱が生じて窒化ガリウム系化合物半導体層の内部で全反射した光の角度が変化して臨界角以内に入るため、光取り出し効率が大幅に向上する。

なお、本発明の製造方法によって製造された窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）として使用することができる。

また、本発明の製造方法によって製造された窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子（ＬＥＤ）は次のように動作する。即ち、発光層８ｂを含む半導体層８にバイアス電流を流して、発光層８ｂで波長３５０〜４００ｎｍ程度の紫外光〜近紫外光や紫光を発生させ、発光素子の外側にその紫外光〜近紫外光や紫光を取り出すように動作する。

また、本発明の製造方法によって製造された窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子は照明装置に利用できるものであり、その照明装置は、本発明の発光素子と、発光
素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備している構成である。この構成により、輝度及び照度の高い照明装置を得ることができる。この照明装置は、本発明の発光素子を透明樹脂等で覆うか内包するようにし、その透明樹脂等に蛍光体や燐光体を混入させた構成とすればよく、蛍光体や燐光体によって発光素子の紫外光〜近紫外光を白色光等に変換するものとすることができる。また、集光性を高めるために透明樹脂等に凹面鏡等の光反射部材を設けることもできる。このような照明装置は、従来の蛍光灯等よりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。

以下に、図２に示す実施の形態を例にとり、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法の一例について説明する。図３（ａ）〜（ｊ）はそれぞれ、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法を示す工程毎の模式的な断面図である。

図３（ａ）〜（ｊ）は、基板７上に発光層８ｂを含む半導体層（窒化ガリウム系化合物半導体層）８をエピタキシャル成長し、半導体層８上に化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表されるホウ化物単結晶層１６をエピタキシャル成長し、複数のホウ化物単結晶層部１４を形成する工程｛（ａ）〜（ｊ）｝、窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面１１及び複数のホウ化物単結晶層部１４を覆うように化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５を形成する工程｛（ｅ）｝、Ｎ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層部１５ｂを選択的にエッチング除去することによって凹凸構造を形成する工程｛（ｆ）｝、凹凸構造を覆うように透明な第２導電側導電層１０を形成した後にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａを一部露出させる工程｛（ｉ）｝、及び第１導電側導電層９、ｎ型パッド電極１２、ｐ型パッド電極１３を形成する工程｛（ｊ）｝などを示すものである。

具体的には、図３（ａ）に示すように、例えばサファイアから成る基板７上に、半導体層８をＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させる。半導体層８は、基板７上にＧａ_１−ｘ１Ａｌ_ｘ１Ｎ（ただし、０＜ｘ１＜１）から成るバッファ層（図示せず）を介して、バッファ層と同じ組成から成るｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａと、Ｇａ_１−ｘ２Ａｌ_ｘ２Ｎ（ただし、０＜ｘ２＜１）から成る発光層８ｂと、Ｇａ_１−ｘ３Ａｌ_ｘ３Ｎ（ただし、０＜ｘ３＜１）から成るｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃとが順に形成されている。

これらバッファ層及び半導体層８は、さらに具体的には、例えば次のように作製すればよい。バッファ層は、基板７温度を４００℃以上として基板７上にＧａ_１−ｘ１Ａｌ_ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を２０ｎｍ〜３００ｎｍ程度の厚さで形成すればよい。

また、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａは、そのバッファ層上にＧａ_１−ｘ１Ａｌ_ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を１μｍ〜３μｍ程度の厚さで形成すればよい。

また、発光層８ｂは、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａ上に基板７温度を７００℃程度として、厚さ６０ｎｍ〜６００ｎｍ程度のＧａ_１−ｘ２Ａｌ_ｘ２Ｎ（ｘ２＜ｘ１）から成る層を形成すればよい。

また、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃは、基板７温度を７００〜１０５０℃として発光層８ｂ上にＧａ_１−ｘ３Ａｌ_ｘ３Ｎ（ｘ３＞ｘ２）を２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度の厚さで形成すればよい。

次に、基板７温度を９００℃以上として化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表されるホウ化物単結晶層１６を１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さで形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、スパッタリング法等を用いて形成した、マスク層としての厚さ０．１μｍ〜１μｍのＳｉＯ_２層１７を、例えば３００ｎｍ〜６００ｎｍの間隔でメッシュ状にパターニングする。

次に、図３（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２層１７のない領域におけるホウ化物単結晶層１６をフッ硝酸を用いてエッチング除去した後、図３（ｄ）に示すように、ＳｉＯ_２層１７を除去することによって、窒化ガリウム系化合物半導体層８の一主面１１に、複数のホウ化物単結晶層部１４を形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５を形成することによって、半導体層８の一主面１１上にＧａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５ａを形成するとともに、複数のホウ化物単結晶層部１４上にそれぞれＮ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５ｂを形成する。

ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５の厚みは、ＳｉＯ_２層１７の間隔の周期３００ｎｍ〜６００ｎｍの３倍以上、すなわち凹凸構造のアスペクト比が３以上となるように、０．９μｍ〜１．８μｍ程度であればよい。

なお、凹凸構造のアスペクト比とは、（凸部の高さ）／（凸部の幅）で表される値である。

次に、図３（ｆ）に示すように、ＫＯＨ水溶液を用いてＮ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５ｂを選択的にエッチング除去することによって凹凸構造を形成する。このとき、凹凸構造は、エッチングを途中で中断し、複数のＧａ極性及びＮ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５ａ，１５ｂから構成されていてもよい。また、ホウ化物単結晶層部１４が現れるまでＮ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層１５ｂのエッチング除去を行い、さらにフッ硝酸を用いてホウ化物単結晶層部１４をエッチング除去することによって、複数のＧａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶部から成る凹凸構造を形成してもよい。この場合、ホウ化物単結晶層部１４による光吸収が低減されるために、光取り出し効率をより高めることが可能である。

次に、図３（ｇ）に示すように、真空蒸着法またはスパッタリング法等を用いて、凹凸構造が覆われるように、透明な第２導電側導電層１０としてのＩＴＯ層を形成する。ＩＴＯ層の厚みは２５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度であれば、高い光透過率とＡｌＧａＩｎＮ単結晶１５との良好なオーミック接触を併せ持つものを形成できる。

次に、図３（ｈ）に示すように、第２導電側導電層１０上にフォトレジスト層１８をパターニングして形成し、図３（ｉ）に示すように、ＲＩＥ法等を用いて、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａの一部を露出させる。

最後に、図３（ｊ）に示すように、フォトレジスト層１８を除去して、露出させたｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａの一部上に、Ａｌからなる第１導電型導電層９を形成した後、第１導電型導電層９と第２導電型導電層１０の上にそれぞれ、Ｔｉ層とＡｕ層を順次積層して成るｎ型パッド電極１２、ｐ型パッド電極１３を形成する。これにより、図２に示す発光素子が作製される。

また、図３（ｆ）の工程において、ホウ化物単結晶層部１４が現れるまでＮ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶１５ｂのエッチングを行い、さらにフッ硝酸を用いてホウ化物単結晶層部１４をエッチング除去することによって、複数のＧａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶部から形成された凹凸構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子を図４に示す。この場合においても、図３（ｆ）以降の工程は上記と同様に行う。

以上の本発明の製造工程を経て得られた凹凸構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体内部への光の反射を大幅に抑制できる高いアスペクト比を有し、かつ光散乱を効果的に引き起こす周期を有する凹凸構造が形成されることにより、従来の発光素子と比較して光取り出し効率が大幅に改善された。

例えば、図２の構成の発光素子であって、アスペクト比が１程度と低い凹凸構造の場合、光取り出し効率は約４０％であるのに対し、図２の構成の発光素子であって、アスペクト比が３と高い凹凸構造の場合、光取り出し効率は約６０％となり向上することが、コンピュータシミュレーションによって導き出された。

従来の窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子の一例を示す断面図である。 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法により形成された凹凸構造を有する発光素子について、実施の形態の一例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｊ）は、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法を示す各工程毎の断面図である。 本発明の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法により形成された凹凸構造を有する発光素子について、実施の形態の他例を示す断面図である。

符号の説明

７：基板
８：半導体層
８ａ：第１導電型（ｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層
８ｂ：発光層
８ｃ：第２導電型（ｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層
９：第１導電（ｎ）側導電層
１０：第２導電（ｐ）側導電層
１１：ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面
１２：第１導電（ｎ）側パッド電極
１３：第２導電（ｐ）側パッド電極
１４：ホウ化物単結晶層部
１５：ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層
１５ａ：Ｇａ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層
１５ｂ：Ｎ極性のＡｌＧａＩｎＮ単結晶層
１６：ホウ化物単結晶層
１７：ＳｉＯ_２層
１８：フォトレジスト層

Claims (3)

1. 凹凸構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法であって、窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表されるホウ化物単結晶層部を複数形成し、次に前記窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面及び前記複数のホウ化物単結晶層部を覆うように化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を形成することによって、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面上にＧａ極性の前記ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を形成するとともに前記複数のホウ化物単結晶層部上にそれぞれＮ極性の前記ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を形成し、次に、前記ホウ化物単結晶層部を残すとともに、Ｎ極性の前記ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を選択的にエッチング除去することによって凹凸構造を形成す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の製造方法。
2. Ｎ極性の前記ＡｌＧａＩｎＮ単結晶層を選択的にエッチング除去する際に、エッチングを途中で中断して、Ｎ極性の前記ＡｌＧａＩｎ単結晶層の一部を残すことを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
3. 前記凹凸構造を透明な導電層で覆うことを特徴とする請求項１または２記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。

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