JP5051192B2 - 半導体層の成長方法、半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子および電子機器 - Google Patents
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Description
この発明は、半導体層の成長方法、半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子および電子機器に関し、例えば、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた発光ダイオードおよびこの発光ダイオードを用いる各種の装置または機器に適用して好適なものである。
従来、GaN系半導体を用いた発光ダイオードの製造方法は、(0001)面、すなわちC面サファイア基板上にn型層、活性層およびp型層を含むGaN系半導体層を有機金属化学気相成長(MOCVD)法によりC軸配向で成長させる方法が主流である。
しかしながら、周知のように、(0001)面(C面)サファイア基板上に成長させたC軸配向のInGaN系歪量子井戸層においては、大きなピエゾ電界が井戸面に垂直方向(C軸方向)に発生して電子と正孔とを空間的に互いに分離し、電子−正孔再結合確率を低下させる量子閉じ込めシュタルク効果が発生するため、例えばInGaN/GaN系発光ダイオードではこれが内部量子効率を低下させ、ひいては外部量子効率を低下させる問題があり、これが発光出力の向上を妨げる一つの原因となっている。
しかしながら、周知のように、(0001)面(C面)サファイア基板上に成長させたC軸配向のInGaN系歪量子井戸層においては、大きなピエゾ電界が井戸面に垂直方向(C軸方向)に発生して電子と正孔とを空間的に互いに分離し、電子−正孔再結合確率を低下させる量子閉じ込めシュタルク効果が発生するため、例えばInGaN/GaN系発光ダイオードではこれが内部量子効率を低下させ、ひいては外部量子効率を低下させる問題があり、これが発光出力の向上を妨げる一つの原因となっている。
活性層における量子閉じ込めシュタルク効果を抑制するためには、(1−102)面(R面)サファイア基板を用い、その上に(11−20)面(A面)GaN系半導体層を成長させる方法があるが、この(11−20)面GaN系半導体層では貫通転位が多く、結晶品質が良いGaN系半導体層を得ることは困難な状況にある。
活性層における量子量子閉じ込めシュタルク効果を抑制する方法として、歪量子井戸層を含む複数のGaN系半導体層を成長させて半導体発光素子を製造する場合に、少なくともこの歪量子井戸層の成長面の面方位をピエゾ電界が最大となる方位と異なる方位、例えばGaN系半導体層がウルツ鉱型結晶構造を有する場合に歪量子井戸層の成長面の面方位を[0001]方向から1°以上の傾き(例えば、40°、90°、140°など)を有するように選ぶことが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この方法により製造される半導体発光素子を図39に示す。この方法によれば、図39に示すように、SiC、GaNなどの基板101上にAlNバッファ層(図示せず)を介してn型GaNコンタクト層102およびn型AlGaNクラッド層103を{0001}面方向に順次成長させ、このn型AlGaNクラッド層103の表面に選択成長あるいは選択エッチングにより{2−1−14}面や{01−12}面を形成し、その上にGaInN/GaNあるいはGaInN/GaInN多重量子井戸層104を成長させ、さらにその上にp型AlGaNクラッド層105およびp型GaNコンタクト層106を順次成長させる。この場合、多重量子井戸層104の成長面104a、104bが{2−1−14}面や{01−12}面となっている。p型AlGaNクラッド層105およびp型GaNコンタクト層106は多重量子井戸層104の面方位から{0001}面方位方向に結晶構造を変えて成長する。符号107はp側電極、108はn側電極を示す。
図39に示す従来の半導体発光素子では、活性層である多重量子井戸層104のピエゾ電界を小さくすることができるが、{2−1−14}面や{01−12}面のファセットを斜面に出しながら多重量子井戸層104を制御性よく成長させることは実際には必ずしも容易ではなく、半導体発光素子を高い歩留まりで製造することは困難である。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、基板上に成長させる半導体層の面方位や成長面ファセットを選択することができ、必要に応じて半導体層のピエゾ電界を抑えたり結晶品質を高くしたりすることができる半導体層の成長方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、発光素子構造を形成する半導体層の成長に上記の半導体層の成長方法を用いることにより、発光素子構造を形成する半導体層の結晶品質を高くしたり、活性層における量子閉じ込めシュタルク効果を抑制したりすることができ、しかも製造が容易な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。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のような優れた半導体発光素子を用いた高性能の電子機器を提供することである。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、基板上に成長させる半導体層の面方位や成長面ファセットを選択することができ、必要に応じて半導体層のピエゾ電界を抑えたり結晶品質を高くしたりすることができる半導体層の成長方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、発光素子構造を形成する半導体層の成長に上記の半導体層の成長方法を用いることにより、発光素子構造を形成する半導体層の結晶品質を高くしたり、活性層における量子閉じ込めシュタルク効果を抑制したりすることができ、しかも製造が容易な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。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のような優れた半導体発光素子を用いた高性能の電子機器を提供することである。
上記課題を解決するために、第1の発明は、
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−100)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を成長させるようにした
ことを特徴とする半導体層の成長方法である。
第1の発明においては、典型的には、半導体層は(11−20)面ファセット、(0001)面ファセットおよび(11−22}面ファセット、あるいは、(1−100)面ファセット、(0001)面ファセットおよび(10−13}面ファセットを出しながら成長させることができる。
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−100)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を成長させるようにした
ことを特徴とする半導体層の成長方法である。
第1の発明においては、典型的には、半導体層は(11−20)面ファセット、(0001)面ファセットおよび(11−22}面ファセット、あるいは、(1−100)面ファセット、(0001)面ファセットおよび(10−13}面ファセットを出しながら成長させることができる。
半導体層を構成する六方晶系の結晶構造を有する半導体は典型的にはウルツ鉱構造を有する。このウルツ鉱構造を有する半導体は、具体的には窒化物系III−V族化合物半導体、酸化物半導体、α−ZnSなどであるが、これに限定されるものではない。窒化物系III−V族化合物半導体は、一般的には、AlX By Ga1-x-y-z Inz Asu N1-u-v Pv (ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦u≦1、0≦v≦1、0≦x+y+z<1、0≦u+v<1)からなり、より具体的には、AlX By Ga1-x-y-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z<1)からなり、典型的には、AlX Ga1-x-z Inz N(ただし、0≦x≦1、0≦z≦1)からなり、具体例を挙げると、GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN、AlGaInNなどからなる。この窒化物系III−V族化合物半導体は、例えばGaNにBやCrなどを含ませると転位の屈曲を促進する効果があるので、BGaN、GaNにBをドープしたGaN:B、GaNにCrをドープしたGaN:Crなどからなるものであってもよい。この窒化物系III−V族化合物半導体としては、好適には、GaN、InX Ga1-x N(0<x<0.5)、AlX Ga1-x N(0<x<0.5)、AlX Iny Ga1-x-y N(0<x<0.5、0<y<0.2)などからなるものが用いられる。また、基板上に最初に成長させるいわゆる低温バッファ層としてはGaNバッファ層、AlNバッファ層、AlGaNバッファ層などが一般的に用いられるが、これらにCrをドープしたものやCrNバッファ層などを用いてもよい。酸化物半導体は、例えば、酸化チタン(IV)(TiO2 )、酸化バナジウム(V)(V2 O5 )、酸化クロム(III)(Cr2 O3 )、酸化マンガン(II)(MnO)、酸化鉄(III)(Fe2 O3 )、四酸化三コバルト(II)(Co3 O4 )、酸化ニッケル(II)(NiO)、酸化銅(I)(Cu2 O)、酸化亜鉛(II)(ZnO)、酸化スズ(IV)(SnO2 )、酸化ガリウム(III)(Ga2 O3 )、酸化インジウム(III)(In2 O3 )、酸化ビスマス(III)(Bi2 O3 )、酸化ストロンチウム(II)(SrO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3 )、チタン酸バリウム(BaTiO3 )、酸化イットリウム(Y2 O3 )などに加えて、オキシカルコゲナイドLnCuOCh(Ln=La、Ce、Nd、Pr、Ch=S、Se、Te)、例えばCuAlO、SrCu2 O2 などであるが、これに限定されるものではない。
半導体層の成長方法としては、例えば、有機金属化学気相成長(MOCVD)、ハイドライド気相エピタキシャル成長あるいはハライド気相エピタキシャル成長(HVPE)、分子線エピタキシー(MBE)などの各種のエピタキシャル成長法を用いることができ、必要に応じて選択される。
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板としては、例えば、サファイア、SiC(6H、4Hを含む)、α−ZnS、ZnOなどからなる基板を用いることができる。基板としては、窒化物系III−V族化合物半導体(GaN、AlGaInN、AlN、GaInNなど)からなる基板を用いてもよい。あるいは、基板として、六方晶系の結晶構造を有する物質と異なる物質からなる基板上に六方晶系の結晶構造を有する物質を成長させたものを用いてもよい。
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板としては、例えば、サファイア、SiC(6H、4Hを含む)、α−ZnS、ZnOなどからなる基板を用いることができる。基板としては、窒化物系III−V族化合物半導体(GaN、AlGaInN、AlN、GaInNなど)からなる基板を用いてもよい。あるいは、基板として、六方晶系の結晶構造を有する物質と異なる物質からなる基板上に六方晶系の結晶構造を有する物質を成長させたものを用いてもよい。
基板としては、一主面が(1−100)面からなるものや、一主面に少なくとも一つ、典型的には複数の凹部(溝)を有し、この凹部の一つの側面が(1−100)面からなるものなどを用いることができる。
一主面が(1−100)面からなる基板を用いる場合、この基板上にこの基板と異なる材料またはこの基板と同一の材料からなる複数の凸部を設けるのが好ましい。この場合、この基板の凸部と凸部との間の凹部の底面から半導体層の成長が開始する。典型的には、基板の主面に凸部と凹部とを交互に周期的に形成する。この場合、凸部および凹部の周期は、例えば3〜5μmであるが、これに限定されるものではない。また、凸部の底辺の長さと凹部の底辺の長さとの比は、例えば0.5〜3であるが、これに限定されるものではない。基板の主面から見たこの凸部の高さは、好適には0.3μm以上、より好適には1μm以上であるが、これに限定されるものではない。この凸部は、好適には基板の主面に対して傾斜した側面(例えば、基板の一主面と接する側面)を有し、この側面と基板の主面とのなす角度をθとすると、光の取り出し効率の向上を図る観点より、例えば、好適には120°<θ<150°であり、最も好適には約140°であるが、これに限定されるものではない。この凸部の断面形状は、種々の形状であってよく、その側面も平面だけでなく曲面であってもよいが、例えば、n角形(ただし、nは3以上の整数)、具体的には三角形、四角形、五角形、六角形など、あるいはこれらの角部を切除したものや角が丸まっているもの、円形、楕円形などであり、これらの中でも基板の一主面から見て最も高い位置に頂点を一つ持つものが望ましく、特に三角形あるいはその頂部を切除したものや頂部が丸まっているものが最も望ましい。凹部の断面形状も種々の形状であってよいが、例えば、n角形(ただし、nは3以上の整数)、具体的には三角形、四角形、五角形、六角形など、あるいはこれらの角部を切除したものや角が丸まっているものや、円形、楕円形などである。光の取り出し効率の向上を図る観点より、好適には、この凹部の断面形状は逆台形状とする。ここで、逆台形状とは、正確な逆台形だけでなく、近似的に逆台形とみなすことができるものも含むことを意味する(以下同様)。凸部の高さ(凹部の深さ)dは、大きすぎると原料ガスが凹部の内部に十分に供給されず、凹部の底面からの半導体層の成長に支障を来し、逆に小さすぎると基板の凹部だけでなく、その両側の凸部にも半導体層が成長してしまうため、これらを防止する観点より、一般的には0.5μm<d<5μmの範囲内に選ばれ、典型的には1.0±0.2μmの範囲内に選ばれるが、これに限定されるものではない。凹部の幅Wg は、一般的には0.5〜5μmであり、典型的には2±0.5μmの範囲内に選ばれるが、これに限定されるものではない。凸部の断面形状が台形状の場合、凸部の幅Wt は一般的には1〜1000μm、典型的には4±2μmの範囲内であるが、これに限定されるものではない。
一主面が(1−100)面からなる基板を用いる場合、この基板上にこの基板と異なる材料またはこの基板と同一の材料からなる複数の凸部を設けるのが好ましい。この場合、この基板の凸部と凸部との間の凹部の底面から半導体層の成長が開始する。典型的には、基板の主面に凸部と凹部とを交互に周期的に形成する。この場合、凸部および凹部の周期は、例えば3〜5μmであるが、これに限定されるものではない。また、凸部の底辺の長さと凹部の底辺の長さとの比は、例えば0.5〜3であるが、これに限定されるものではない。基板の主面から見たこの凸部の高さは、好適には0.3μm以上、より好適には1μm以上であるが、これに限定されるものではない。この凸部は、好適には基板の主面に対して傾斜した側面(例えば、基板の一主面と接する側面)を有し、この側面と基板の主面とのなす角度をθとすると、光の取り出し効率の向上を図る観点より、例えば、好適には120°<θ<150°であり、最も好適には約140°であるが、これに限定されるものではない。この凸部の断面形状は、種々の形状であってよく、その側面も平面だけでなく曲面であってもよいが、例えば、n角形(ただし、nは3以上の整数)、具体的には三角形、四角形、五角形、六角形など、あるいはこれらの角部を切除したものや角が丸まっているもの、円形、楕円形などであり、これらの中でも基板の一主面から見て最も高い位置に頂点を一つ持つものが望ましく、特に三角形あるいはその頂部を切除したものや頂部が丸まっているものが最も望ましい。凹部の断面形状も種々の形状であってよいが、例えば、n角形(ただし、nは3以上の整数)、具体的には三角形、四角形、五角形、六角形など、あるいはこれらの角部を切除したものや角が丸まっているものや、円形、楕円形などである。光の取り出し効率の向上を図る観点より、好適には、この凹部の断面形状は逆台形状とする。ここで、逆台形状とは、正確な逆台形だけでなく、近似的に逆台形とみなすことができるものも含むことを意味する(以下同様)。凸部の高さ(凹部の深さ)dは、大きすぎると原料ガスが凹部の内部に十分に供給されず、凹部の底面からの半導体層の成長に支障を来し、逆に小さすぎると基板の凹部だけでなく、その両側の凸部にも半導体層が成長してしまうため、これらを防止する観点より、一般的には0.5μm<d<5μmの範囲内に選ばれ、典型的には1.0±0.2μmの範囲内に選ばれるが、これに限定されるものではない。凹部の幅Wg は、一般的には0.5〜5μmであり、典型的には2±0.5μmの範囲内に選ばれるが、これに限定されるものではない。凸部の断面形状が台形状の場合、凸部の幅Wt は一般的には1〜1000μm、典型的には4±2μmの範囲内であるが、これに限定されるものではない。
凸部または凹部は、例えば、基板上の一方向にストライプ状に延在するようにしてもよいし、少なくとも互いに交差する第1の方向および第2の方向にストライプ状に延在するようにすることにより凸部がn角形(ただし、nは3以上の整数)、具体的には三角形、四角形、五角形、六角形など、あるいはこれらの角部を切除したものや角が丸まっているもの、円形、楕円形、点状などの二次元パターンとなるようにしてもよい。好適な一つの例では、凸部が六角形の平面形状を有し、この凸部が蜂の巣状に二次元配列しており、この凸部を囲むように凹部が形成される。こうすることで、活性層から放出される光を360°の全方向に効率よく取り出すことができる。あるいは、凹部が六角形の平面形状を有し、この凹部が蜂の巣状に二次元配列しており、この凹部を囲むように凸部が形成されるようにしてもよい。凸部は、例えば、n角錐(ただし、nは3以上の整数)、具体的には三角錐、四角錐、五角錐、六角錐など、あるいはこれらの角部を切除したものや角が丸まったもの、円錐、楕円錐などである。
凸部の材料は、各種のものであってよく、導電性の有無も問わないが、例えば、酸化物や窒化物や炭化物などの誘電体、金属や合金などの導電体(透明導電体を含む)などである。酸化物としては、例えば、酸化シリコン(SiOx )、酸化チタン(TiOx )、酸化タンタル(TaOx )などの各種のものを用いることができ、これらの二種類以上を混合して、または積層膜の形で用いることもできる。窒化物としては、例えば、窒化シリコン(SiNx (Si3 N4 を含む))、SiON、CrN、CrNOなどを用いることができ、これらの二種類以上を混合して、または積層膜の形で用いることもできる。炭化物としては、SiC、HfC、ZrC、WC、TiC、CrCなどを用いることができ、これらの二種類以上を混合して、または積層膜の形で用いることもできる。金属または合金としては、B、Al、Ga、In、W、Ni、Co、Pd、Pt、Ag、AgNi、AgPd、AuNi、AuPdなどを用いることができ、これらの二種類以上を混合して、または積層膜の形で用いることもできる。透明導電体としては、ITO(インジウム−スズ複合酸化物)、IZO(インジウム−亜鉛複合酸化物)、ZO(酸化亜鉛)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、酸化スズなどを用いることができ、これらの二種類以上を混合して、または積層膜の形で用いることもできる。さらに、以上の各種の材料を二種類以上混合して、または積層膜の形で用いることもできる。金属などにより凸部を形成し、この凸部の少なくとも表面を窒化処理、酸化処理あるいは炭化処理することにより窒化物、酸化物あるいは炭化物を形成するようにしてもよい。
第2の発明は、
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−102)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−20)面方位を有する半導体層を(11−22)面ファセット、(0001)面ファセット、(000−1)面ファセット、(33−62)面ファセットおよび(1−100)面ファセットからなる群より選ばれた少なくとも一つのファセットを出しながら成長させるようにした
ことを特徴とする半導体層の成長方法である。
第2の発明においては、例えば、半導体層を(11−22}面ファセット、(0001)面ファセットおよび(000−1)面ファセットを出しながら、あるいは、(11−20)面ファセット、(1−100)面ファセットおよび(33−62)面ファセットを出しながら、あるいは、(1−100)面ファセットを出しながら、あるいは、(1−100)面ファセットおよび(11−20)面ファセットを出しながら成長させる。
第2の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−102)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−20)面方位を有する半導体層を(11−22)面ファセット、(0001)面ファセット、(000−1)面ファセット、(33−62)面ファセットおよび(1−100)面ファセットからなる群より選ばれた少なくとも一つのファセットを出しながら成長させるようにした
ことを特徴とする半導体層の成長方法である。
第2の発明においては、例えば、半導体層を(11−22}面ファセット、(0001)面ファセットおよび(000−1)面ファセットを出しながら、あるいは、(11−20)面ファセット、(1−100)面ファセットおよび(33−62)面ファセットを出しながら、あるいは、(1−100)面ファセットを出しながら、あるいは、(1−100)面ファセットおよび(11−20)面ファセットを出しながら成長させる。
第2の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
第3の発明は、
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−100)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を成長させるようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
この半導体発光素子を構成する半導体層は、n型層、活性層およびp型層を含む。典型的には、活性層を含む半導体層の全てが六方晶系の結晶構造を有する半導体からなる。この半導体発光素子は、発光ダイオードや半導体レーザである。
基板は、最終的な半導体発光素子にそのまま残してもよいし、除去してもよい。
第3の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−100)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を成長させるようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
この半導体発光素子を構成する半導体層は、n型層、活性層およびp型層を含む。典型的には、活性層を含む半導体層の全てが六方晶系の結晶構造を有する半導体からなる。この半導体発光素子は、発光ダイオードや半導体レーザである。
基板は、最終的な半導体発光素子にそのまま残してもよいし、除去してもよい。
第3の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
第4の発明は、
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−102)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−20)面方位を有する半導体層を(11−22)面ファセット、(0001)面ファセット、(000−1)面ファセット、(33−62)面ファセットおよび(1−100)面ファセットからなる群より選ばれた少なくとも一つのファセットを出しながら成長させるようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
第4の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1〜よび第3の発明に関連して説明したことが成立する。
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−102)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−20)面方位を有する半導体層を(11−22)面ファセット、(0001)面ファセット、(000−1)面ファセット、(33−62)面ファセットおよび(1−100)面ファセットからなる群より選ばれた少なくとも一つのファセットを出しながら成長させるようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
第4の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1〜よび第3の発明に関連して説明したことが成立する。
第5の発明は、
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−100)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−100)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
第6の発明は、
六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
第7の発明は、
一つまたは複数の半導体発光素子を有する電子機器において、
少なくとも一つの上記半導体発光素子が、
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−100)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13}面方位を有する半導体層を有するものである
ことを特徴とするものである。
一つまたは複数の半導体発光素子を有する電子機器において、
少なくとも一つの上記半導体発光素子が、
六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−100)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13}面方位を有する半導体層を有するものである
ことを特徴とするものである。
第8の発明は、
一つまたは複数の半導体発光素子を有する電子機器において、
少なくとも一つの上記半導体発光素子が、
六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を有するものである
ことを特徴とするものである。
第5〜第8の発明においては、その性質に反しない限り、第1および第3の発明に関連して説明したことが成立する。
一つまたは複数の半導体発光素子を有する電子機器において、
少なくとも一つの上記半導体発光素子が、
六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を有するものである
ことを特徴とするものである。
第5〜第8の発明においては、その性質に反しない限り、第1および第3の発明に関連して説明したことが成立する。
電子機器は、例えば、発光ダイオードバックライト(液晶ディスプレイのバックライトなど)、発光ダイオード照明装置、発光ダイオードディスプレイなど、さらには発光ダイオードを光源とするプロジェクタあるいはリアプロジェクションテレビ、グレーティングライトバルブ(GLV)などを含むが、一般的には、表示、照明、光通信、光伝送やその他の目的で少なくとも一つの半導体発光素子を有するものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、上記以外の具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品、発光ダイオード光通信装置、発光ダイオード光伝送装置、電子鍵などのポータブルセキュリティー機器などである。電子機器にはまた、遠赤外波長帯域、赤外波長帯域、赤色波長帯域、黄色波長帯域、緑色波長帯域、青色波長帯域、紫色波長帯域、紫外波長帯域などのうちの互いに異なる波長帯域の光を放出する二種類以上の半導体発光素子を組み合わせたものも含まれる。特に、発光ダイオード照明装置では、赤色波長帯域、黄色波長帯域、緑色波長帯域、青色波長帯域、紫色波長帯域などのうちの互いに異なる波長帯域の可視光を放出する二種類以上の発光ダイオードを組み合わせ、これらの発光ダイオードから放出される二種類以上の光を混合して自然光あるいは白色光を得ることができる。また、青色波長帯域、紫色波長帯域、紫外波長帯域などのうちの少なくとも一つの波長帯域の光を放出する半導体発光素子を光源として用い、この半導体発光素子から放出される光を蛍光体に照射して励起することにより得られる光を混合して自然光あるいは白色光を得ることができる。また、これらの互いに異なる波長帯域の可視光を放出する発光ダイオードを例えば、セル単位、カルテット単位、クラスター単位などの集合単位(厳密には、これらの単位に1単位に含まれる発光ダイオードの数は定義されておらず、同一波長または異なる波長の光を放出する複数の発光ダイオードで同一集団を複数形成し、これらを配線基板、配線パッケージ、配線筐体壁などに搭載する場合の1集合単位名称。)にまとめ、具体的には、例えば、三つの発光ダイオード(例えば、赤色発光の発光ダイオードを一つ、緑色発光の発光ダイオードを一つ、青色発光の発光ダイオードを一つ)からなる単位、または四つの発光ダイオード(例えば、赤色発光の発光ダイオードを一つ、緑色発光の発光ダイオードを二つ、青色発光の発光ダイオードを一つ)からなる単位、または五つ以上の発光ダイオードからなる単位などにまとめ、各単位を基板上または板上、あるいは筐体板上に二次元アレイ状や一列または複数列に搭載するようにしてもよい。
例えば、赤色発光の半導体発光素子、緑色発光の半導体発光素子および青色発光の半導体発光素子をそれぞれ複数個、基板などの上に配列するバックライト、照明装置、ディスプレイ、光源セルユニットなどにおいては、赤色発光の半導体発光素子、緑色発光の半導体発光素子および青色発光の半導体発光素子のうちの少なくとも一つの半導体発光素子として第5または第6の発明による半導体発光素子を用いることができる。赤色発光の半導体発光素子としては、例えば、AlGaInP系半導体を用いたものを用いることもできる。
また、第3〜第6の発明による半導体発光素子あるいはその製造方法は、より一般的には、半導体素子全般に適用することも可能である。この半導体素子には、一般的な発光ダイオード、サブバンド間遷移発光型(量子カスケード型)発光ダイオード、通常の半導体レーザ、サブバンド間遷移発光型(量子カスケード型)半導体レーザのような発光素子のほか、フォトダイオードなどの受光素子あるいはセンサ、太陽電池、さらには高電子移動度トランジスタなどの電界効果トランジスタ(FET)やヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)などのバイポーラトランジスタのようなトランジスタに代表される電子走行素子が含まれる。
また、第3〜第6の発明による半導体発光素子あるいはその製造方法は、より一般的には、半導体素子全般に適用することも可能である。この半導体素子には、一般的な発光ダイオード、サブバンド間遷移発光型(量子カスケード型)発光ダイオード、通常の半導体レーザ、サブバンド間遷移発光型(量子カスケード型)半導体レーザのような発光素子のほか、フォトダイオードなどの受光素子あるいはセンサ、太陽電池、さらには高電子移動度トランジスタなどの電界効果トランジスタ(FET)やヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)などのバイポーラトランジスタのようなトランジスタに代表される電子走行素子が含まれる。
上述のように構成されたこの発明においては、基板として(1−100)面を有するものを用いた場合には、半導体層を(11−22)面方位または(10−13)面方位で成長させることができ、基板として(1−102)面を有するものを用いた場合には、半導体層を(11−20)面方位で成長させ、しかも(11−22)面ファセット、(0001)面ファセット、(000−1)面ファセット、(33−62)面ファセットおよび(1−100)面ファセットからなる群より選ばれた少なくとも一つのファセットを出しながら成長させることができる。このように半導体層の面方位や成長面ファセットを選択することができることにより、必要に応じて、半導体層に発生するピエゾ電界を抑えたり、結晶品質を高くしたりすることができる。また、この半導体層は成長条件の設定により容易に成長させることができる。
この発明によれば、基板上に成長させる半導体層の面方位や成長面ファセットを選択することができ、必要に応じて半導体層のピエゾ電界を抑えたり結晶品質を高くしたりすることができる。そして、発光素子構造を形成する半導体層の成長にこの半導体層の成長方法を用いることにより、発光素子構造を形成する半導体層の結晶品質を高くしたり、活性層における量子閉じ込めシュタルク効果を抑制したりすることができる。しかも、この半導体発光素子は特許文献1に記載のものに比べて製造が容易である。そして、この高性能の半導体発光素子を用いて高性能のバックライト、照明装置、ディスプレイなどの各種の電子機器を実現することができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図1はこの発明の第1の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の基本的な成長方法を示す。
図1に示すように、この第1の実施形態においては、主面が(1−100)面(M面)からなるサファイア基板11上に(11−22)面方位の窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。サファイア基板11上には、あらかじめSiO2 やSiNなどからなる凸部13を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成しておく。サファイア基板11および窒化物系III−V族化合物半導体層12の結晶方位を図1中に示す。窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長方法としては、例えばMOCVD法を用いる。
図2は窒化物系III−V族化合物半導体層12の初期成長の様子を示す。この窒化物系III−V族化合物半導体層12は(11−20)面(A面)ファセット、(0001)面(C面)ファセットおよび(11−22)面ファセットを出しながら成長させることができる。この場合、この窒化物系III−V族化合物半導体層12はC軸方向の成長が制限される。
図1はこの発明の第1の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の基本的な成長方法を示す。
図1に示すように、この第1の実施形態においては、主面が(1−100)面(M面)からなるサファイア基板11上に(11−22)面方位の窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。サファイア基板11上には、あらかじめSiO2 やSiNなどからなる凸部13を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成しておく。サファイア基板11および窒化物系III−V族化合物半導体層12の結晶方位を図1中に示す。窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長方法としては、例えばMOCVD法を用いる。
図2は窒化物系III−V族化合物半導体層12の初期成長の様子を示す。この窒化物系III−V族化合物半導体層12は(11−20)面(A面)ファセット、(0001)面(C面)ファセットおよび(11−22)面ファセットを出しながら成長させることができる。この場合、この窒化物系III−V族化合物半導体層12はC軸方向の成長が制限される。
この窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長条件は、例えば次の通りである。成長速度は0.5〜8μm/時間、III族元素の原料(例えば、トリメチルガリウム((CH3 )3 Ga、TMG)、トリメチルインジウム((CH3 )3 In、TMI)など)の流量は10〜90sccm、窒素原料(例えば、NH3 )の流量は5〜30slm、成長温度は950〜1250℃、成長原料のV/III比は1000〜15000、成長圧力は0.01〜1気圧である。
図3はサファイア基板11上に窒化物系III−V族化合物半導体層12としてGaN層をMOCVD法により成長させた試料の断面透過型電子顕微鏡写真を示す。このGaN層は図2に示す状態を経て、連続膜となるまで成長させたものである。このGaN層が図2に示す形状に成長した試料のX線回折測定を行った。図4AおよびBにそれぞれこのGaN層の(11−20)面(A面)による回折ピークおよび(11−22)面による回折ピークを示す。
図5はこの発明の第2の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の基本的な成長方法を示す。
図5に示すように、この第2の実施形態においては、主面が(1−100)面(M面)からなるサファイア基板11上に(10−13)面方位の窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。サファイア基板11上には、第1の実施形態と同様に凸部13を形成しておく。サファイア基板11および窒化物系III−V族化合物半導体層12の結晶方位を図5中に示す。窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長方法としては例えばMOCVD法を用いる。
図5に示すように、この第2の実施形態においては、主面が(1−100)面(M面)からなるサファイア基板11上に(10−13)面方位の窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。サファイア基板11上には、第1の実施形態と同様に凸部13を形成しておく。サファイア基板11および窒化物系III−V族化合物半導体層12の結晶方位を図5中に示す。窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長方法としては例えばMOCVD法を用いる。
図6は窒化物系III−V族化合物半導体層12の初期成長の様子を示す。この窒化物系III−V族化合物半導体層12は(1−100)面(M面)ファセット、(0001)面(C面)ファセットおよび(10−13)面ファセットを出しながら成長させることができる。この場合、この窒化物系III−V族化合物半導体層12はA軸方向の成長が制限される。
この窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長条件は、例えば次の通りである。成長速度は0.5〜8μm/時間、III族元素の原料(例えば、TMG、TMIなど)の流量は10〜90sccm、窒素原料(例えば、NH3 )の流量は5〜30slm、成長温度は950〜1250℃、成長原料のV/III比は1000〜15000、成長圧力は0.01〜1気圧である。
図7はサファイア基板11上に窒化物系III−V族化合物半導体層12としてGaN層をMOCVD法により成長させた試料の断面透過型電子顕微鏡写真を示す。このGaN層が図6に示す形状に成長した試料のX線回折測定を行った。図8A、BおよびCにそれぞれこのGaN層の(1−100)面による回折ピーク、(10−13)面による回折ピークおよび(0001)面(C面)による回折ピークを示す。
図9はこの発明の第3の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の基本的な成長方法を示す。
図9に示すように、この第3の実施形態においては、主面が(1−102)面(R面)からなるサファイア基板11上に(11−20)面方位の窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。サファイア基板11上には、第1の実施形態と同様に凸部13を形成しておく。サファイア基板11および窒化物系III−V族化合物半導体層12の結晶方位を図9中に示す。窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長方法としては例えばMOCVD法を用いる。
図9に示すように、この第3の実施形態においては、主面が(1−102)面(R面)からなるサファイア基板11上に(11−20)面方位の窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。サファイア基板11上には、第1の実施形態と同様に凸部13を形成しておく。サファイア基板11および窒化物系III−V族化合物半導体層12の結晶方位を図9中に示す。窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長方法としては例えばMOCVD法を用いる。
図10は窒化物系III−V族化合物半導体層12の初期成長の様子を示す。第1の例では、この窒化物系III−V族化合物半導体層12は(11−22)面ファセット、(0001)面(C面)ファセットおよび(000−1)面ファセットを出しながら成長する。第2の例では、この窒化物系III−V族化合物半導体層12は(11−20)面ファセット、(33−62)面ファセットおよび(000−1)面ファセットを出しながら成長する。この場合、この窒化物系III−V族化合物半導体層12はC軸方向の成長が制限される。
第1の例では、窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長条件は、例えば次の通りである。成長速度は0.5〜8μm/時間、III族元素の原料(例えば、TMG、TMIなど)の流量は10〜90sccm、窒素原料(例えば、NH3 )の流量は5〜30slm、成長温度は800〜950℃、成長原料のV/III比は1000〜15000、成長圧力は0.01〜1気圧である。第2の例では、窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長条件は、例えば次の通りである。成長速度は0.5〜8μm/時間、III族元素の原料(例えば、TMG、TMIなど)の流量は10〜90sccm、窒素原料(例えば、NH3 )の流量は5〜30slm、成長温度は950〜1250℃、成長原料のV/III比は1000〜15000、成長圧力は0.01〜1気圧である。
図11はサファイア基板11上に窒化物系III−V族化合物半導体層12としてGaN層をMOCVD法により第1の例のファセットを出しながら成長させた試料の断面透過型電子顕微鏡写真を示す。また、図12はサファイア基板11上に窒化物系III−V族化合物半導体層12としてGaN層をMOCVD法により第2の例のファセットを出しながら成長させた試料の断面透過型電子顕微鏡写真を示す。
図13は第3および第4の例による窒化物系III−V族化合物半導体層12の初期成長の様子を示す。第3の例では、この窒化物系III−V族化合物半導体層12は(1−100)面ファセットを出しながら成長する。第4の例では、この窒化物系III−V族化合物半導体層12は最上面に(11−20)面ファセットを出し、その他の面には(1−100)面ファセットを出しながら成長する。この場合、この窒化物系III−V族化合物半導体層12はA軸方向の成長が制限される。
第3の例では、成長条件は例えば次の通りである。成長速度は0.5〜8μm/時間、III族元素の原料(例えば、TMG、TMIなど)の流量は10〜90sccm、窒素原料(例えば、NH3 )の流量は5〜30slm、成長温度は800〜950℃、成長原料のV/III比は1000〜15000、成長圧力は0.01〜1気圧である。第4の例では、窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長条件は、例えば次の通りである。成長速度は0.5〜8μm/時間、III族元素の原料(例えば、TMG、TMIなど)の流量は10〜90sccm、窒素原料(例えば、NH3 )の流量は5〜30slm、成長温度は950〜1250℃、成長原料のV/III比は1000〜15000、成長圧力は0.01〜1気圧である。
図14はサファイア基板11上に窒化物系III−V族化合物半導体層12としてGaN層をMOCVD法により第3の例のファセットを出しながら成長させた試料の断面透過型電子顕微鏡写真を示す。図15はサファイア基板11上に窒化物系III−V族化合物半導体層12としてGaN層をMOCVD法により第4の例のファセットを出しながら成長させた試料の断面透過型電子顕微鏡写真を示す。
次に、この発明の第4の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図16に示すように、この第4の実施形態においては、主面がM面からC軸方向に+60°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第1の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図16中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(11−20)面(A面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
図16に示すように、この第4の実施形態においては、主面がM面からC軸方向に+60°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第1の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図16中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(11−20)面(A面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
次に、この発明の第5の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図17に示すように、この第5の実施形態においては、主面がM面からC軸方向に−60°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第1の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図17中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(0001)面(C面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくが、この方向は窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面に対して傾斜しているため、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位はC面サファイア基板上にC面窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる場合に比べて少なくなる。
図17に示すように、この第5の実施形態においては、主面がM面からC軸方向に−60°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第1の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図17中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(0001)面(C面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくが、この方向は窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面に対して傾斜しているため、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位はC面サファイア基板上にC面窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる場合に比べて少なくなる。
次に、この発明の第6の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図18に示すように、この第6の実施形態においては、主面がM面からC軸方向に+120°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第1の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図18中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(11−20)面(A面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
図18に示すように、この第6の実施形態においては、主面がM面からC軸方向に+120°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第1の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図18中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(11−20)面(A面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
次に、この発明の第7の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図19に示すように、この第7の実施形態においては、主面がM面からA軸方向に+60°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第2の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図19中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(1−100)面(M面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
図19に示すように、この第7の実施形態においては、主面がM面からA軸方向に+60°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第2の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図19中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(1−100)面(M面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
次に、この発明の第8の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図20に示すように、この第8の実施形態においては、主面がM面からC軸方向に−60°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第2の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図20中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(0001)面(C面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくが、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位は凹部14の側面14aから発生する転位だけであることから、C面サファイア基板上にC面窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる場合に比べて少なくなる。
図20に示すように、この第8の実施形態においては、主面がM面からC軸方向に−60°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第2の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図20中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(0001)面(C面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくが、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位は凹部14の側面14aから発生する転位だけであることから、C面サファイア基板上にC面窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる場合に比べて少なくなる。
次に、この発明の第9の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図21に示すように、この第9の実施形態においては、主面がM面からC軸方向に−120°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第2の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図21中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長が開始する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(1−100)面(M面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
図21に示すように、この第9の実施形態においては、主面がM面からC軸方向に−120°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはM面からなる。そして、このサファイア基板11上に第2の実施形態による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のM面からなる側面14aから、図21中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12の成長が開始する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(1−100)面(M面)ファセットになる。この場合、凹部14のM面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
次に、この発明の第10の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図22に示すように、この第10の実施形態においては、主面がR面からC軸方向に+90°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が長方形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第1の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図22中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(000−1)面ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
図22に示すように、この第10の実施形態においては、主面がR面からC軸方向に+90°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が長方形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第1の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図22中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(000−1)面ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
次に、この発明の第11の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図23に示すように、この第11の実施形態においては、主面がR面からC軸方向に−90°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が長方形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第1の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図23中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(0001)面(C面)ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
図23に示すように、この第11の実施形態においては、主面がR面からC軸方向に−90°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が長方形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第1の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図23中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(0001)面(C面)ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12には表面に抜ける貫通転位が発生しない。
次に、この発明の第12の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図24に示すように、この第12の実施形態においては、主面がR面からC軸方向に−80°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第2の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図24中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(33−62)面ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位は大幅に減少する。
図24に示すように、この第12の実施形態においては、主面がR面からC軸方向に−80°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第2の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図24中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(33−62)面ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位は大幅に減少する。
次に、この発明の第13の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図25に示すように、この第13の実施形態においては、主面がR面からC軸方向に−30°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第1の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図25中矢印で示すように、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(11−22)面ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくが、この方向は窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面に対して傾斜しているため、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位は大幅に減少する。
図25に示すように、この第13の実施形態においては、主面がR面からC軸方向に−30°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第1の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図25中矢印で示すように、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(11−22)面ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくが、この方向は窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面に対して傾斜しているため、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位は大幅に減少する。
次に、この発明の第14の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図26に示すように、この第14の実施形態においては、主面がR面からA軸方向に±30°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第3の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図26中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(1−100)面ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくが、この方向は窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面に対して傾斜しているため、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位が発生しない。
図26に示すように、この第14の実施形態においては、主面がR面からA軸方向に±30°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第3の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図26中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(1−100)面ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくが、この方向は窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面に対して傾斜しているため、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位が発生しない。
次に、この発明の第15の実施形態による窒化物系III−V族化合物半導体層の成長方法について説明する。
図27に示すように、この第15の実施形態においては、主面がR面からA軸方向に±90°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第3の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図27中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(33−62)面ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位はない。
図27に示すように、この第15の実施形態においては、主面がR面からA軸方向に±90°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して断面が逆台形状の凹部14を例えば一方向に延在するストライプ形状に形成する。この凹部14の一方の側面14aはR面からなる。そして、このサファイア基板11上に第3の実施形態の第3の例による方法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。すると、凹部14のR面からなる側面14aから、図27中矢印で示す方向に、窒化物系III−V族化合物半導体層12が成長する。この窒化物系III−V族化合物半導体層12の上面は(33−62)面ファセットになる。この場合、凹部14のR面からなる側面14aから発生する転位15は成長方向に延伸していくため、窒化物系III−V族化合物半導体層12の表面に抜ける貫通転位はない。
次に、この発明の第16の実施形態による発光ダイオードの製造方法について説明する。
この第16の実施形態においては、まず、第1の実施形態と同様にして、主面がM面からなるサファイア基板11上に(11−22)面方位の窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。
具体的には、図28Aに示すように、まず、主面がM面からなるサファイア基板11上に断面形状が台形状の凸部13を所定の平面形状で周期的に形成する。凸部13の間には逆台形状の断面形状を有する凹部14が形成される。凸部13および凹部14の平面形状は例えば一方向に延在するストライプ形状を有する。凸部13は、例えばSiN(Si3 N4 など)やSiO2 などからなる。凸部13を形成するためには、従来公知の方法を用いることができる。例えば、CVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりサファイア基板11の全面に凸部13の材料となる膜を形成する。次に、この膜上に所定形状のレジストパターンをリソグラフィーにより形成する。次に、反応性イオンエッチング(RIE)法などにより、テーパーエッチングが行われる条件で、このレジストパターンをマスクとしてこの膜をエッチングすることにより、断面形状が台形状の凸部13が形成される。
この第16の実施形態においては、まず、第1の実施形態と同様にして、主面がM面からなるサファイア基板11上に(11−22)面方位の窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。
具体的には、図28Aに示すように、まず、主面がM面からなるサファイア基板11上に断面形状が台形状の凸部13を所定の平面形状で周期的に形成する。凸部13の間には逆台形状の断面形状を有する凹部14が形成される。凸部13および凹部14の平面形状は例えば一方向に延在するストライプ形状を有する。凸部13は、例えばSiN(Si3 N4 など)やSiO2 などからなる。凸部13を形成するためには、従来公知の方法を用いることができる。例えば、CVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりサファイア基板11の全面に凸部13の材料となる膜を形成する。次に、この膜上に所定形状のレジストパターンをリソグラフィーにより形成する。次に、反応性イオンエッチング(RIE)法などにより、テーパーエッチングが行われる条件で、このレジストパターンをマスクとしてこの膜をエッチングすることにより、断面形状が台形状の凸部13が形成される。
次に、サーマルクリーニングなどを行うことによりこのサファイア基板11および凸部13の表面を清浄化した後、このサファイア基板11上に従来公知の方法により例えば550℃程度の成長温度で例えばGaNバッファ層、AlNバッファ層、CrNバッファ層、CrドープGaNバッファ層あるいはCrドープAlNバッファ層(図示せず)を成長させる。次に、図28Bに示すように、第1の実施形態と同様にして、凹部14の底面に例えばMOCVD法により窒化物系III−V族化合物半導体層12を成長させる。この窒化物系III−V族化合物半導体層12は、アンドープであってもよいし、n型不純物またはp型不純物をドープしてもよい。この窒化物系III−V族化合物半導体層12は例えばGaN層である。
次に、(11−22)面ファセットが優先的に出る成長条件に設定して成長を継続すると、図28Cに示すように、窒化物系III−V族化合物半導体層12は厚さを増しながら成長し、連続膜となる。
次に、図29に示すように、窒化物系III−V族化合物半導体層12上に、例えばMOCVD法により、n型窒化物系III−V族化合物半導体層16、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18を順次成長させる。これらのn型窒化物系III−V族化合物半導体層16、活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18は(11−22)面方位を有する。この場合、窒化物系III−V族化合物半導体層15はn型であるとする。
次に、図29に示すように、窒化物系III−V族化合物半導体層12上に、例えばMOCVD法により、n型窒化物系III−V族化合物半導体層16、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18を順次成長させる。これらのn型窒化物系III−V族化合物半導体層16、活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18は(11−22)面方位を有する。この場合、窒化物系III−V族化合物半導体層15はn型であるとする。
次に、こうして窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させたサファイア基板11をMOCVD装置から取り出す。
次に、p型窒化物系III−V族化合物半導体層18上にp側電極19を形成する。p側電極19の材料としては、発光波長の光に対して高反射率を有するオーミック金属を用いるのが好ましい。
この後、p型窒化物系III−V族化合物半導体層18のp型不純物を活性化するために、例えばN2 とO2 との混合ガス(組成は例えばN2 が99%、O2 が1%)の雰囲気中において550〜750℃(例えば、650℃)あるいは580〜620℃(例えば、600℃)の温度で熱処理を行う。ここで、例えば、N2 にO2 を混合することで活性化が起きやすくなる。また、例えば、O、Nと同様に電気陰性度の高いF、Clなどの原料としてハロゲン化窒素(NF3 、NCl3 など)をN2 またはN2 とO2 との混合ガス雰囲気に混合するようにしてもよい。この熱処理の時間は例えば5分〜2時間あるいは40分〜2時間、一般的には10〜60分程度である。熱処理の温度を比較的低くするのは、熱処理時の活性層16などの劣化を防止するためである。なお、この熱処理は、p型窒化物系III−V族化合物半導体層18をエピタキシャル成長させた後、p側電極19を形成する前に行ってもよい。
次に、n型窒化物系III−V族化合物半導体層16、活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18を、例えばRIE法、粉末ブラスト法、サンドブラスト法などにより所定形状にパターニングし、メサ部を形成する。
次に、p型窒化物系III−V族化合物半導体層18上にp側電極19を形成する。p側電極19の材料としては、発光波長の光に対して高反射率を有するオーミック金属を用いるのが好ましい。
この後、p型窒化物系III−V族化合物半導体層18のp型不純物を活性化するために、例えばN2 とO2 との混合ガス(組成は例えばN2 が99%、O2 が1%)の雰囲気中において550〜750℃(例えば、650℃)あるいは580〜620℃(例えば、600℃)の温度で熱処理を行う。ここで、例えば、N2 にO2 を混合することで活性化が起きやすくなる。また、例えば、O、Nと同様に電気陰性度の高いF、Clなどの原料としてハロゲン化窒素(NF3 、NCl3 など)をN2 またはN2 とO2 との混合ガス雰囲気に混合するようにしてもよい。この熱処理の時間は例えば5分〜2時間あるいは40分〜2時間、一般的には10〜60分程度である。熱処理の温度を比較的低くするのは、熱処理時の活性層16などの劣化を防止するためである。なお、この熱処理は、p型窒化物系III−V族化合物半導体層18をエピタキシャル成長させた後、p側電極19を形成する前に行ってもよい。
次に、n型窒化物系III−V族化合物半導体層16、活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18を、例えばRIE法、粉末ブラスト法、サンドブラスト法などにより所定形状にパターニングし、メサ部を形成する。
次に、このメサ部に隣接する部分のn型の窒化物系III−V族化合物半導体層12上にn側電極21を形成する。
次に、必要に応じて、上述のようにして発光ダイオード構造が形成された基板11をその裏面側から研削やラッピングすることにより厚さを減少させた後、この基板11のスクライビングを行い、バーを形成する。この後、このバーのスクライビングを行うことでチップ化する。
以上により、目的とする発光ダイオードが製造される。
次に、必要に応じて、上述のようにして発光ダイオード構造が形成された基板11をその裏面側から研削やラッピングすることにより厚さを減少させた後、この基板11のスクライビングを行い、バーを形成する。この後、このバーのスクライビングを行うことでチップ化する。
以上により、目的とする発光ダイオードが製造される。
この発光ダイオードの具体的な構造例について説明する。すなわち、例えば、窒化物系III−V族化合物半導体層12がn型GaN層、n型窒化物系III−V族化合物半導体層16が、下から順に、n型GaN層およびn型GaInN層、p型窒化物系III−V族化合物半導体層18が下から順に、p型AlInN層、p型GaN層およびp型GaInN層である。活性層17は例えばGaInN系の多重量子井戸(MQW)構造(例えば、GaInN量子井戸層とGaN障壁層とを交互に積層したもの)を有し、この活性層17のIn組成は発光ダイオードの発光波長に応じて選ばれ、例えば発光波長405nmでは〜11%、450nmでは〜18%、520nmでは〜24%である。p側電極19の材料としては、例えばAgやPd/Agなどを用い、あるいは必要に応じてこれに加えてTi、W、Cr、WN、CrNなどからなるバリアメタルを用いる。n側電極21としては、例えばTi/Pt/Au構造のものを用いる。
この第16の実施形態によれば、活性層14が(11−22)面方位を有し、ピエゾ電界の発生を抑えることができるため、活性層14における量子閉じ込めシュタルク効果を有効に抑えることができる。このため、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた発光ダイオードの発光効率の大幅な向上を図ることができる。また、(11−22)面方位を有するn型窒化物系III−V族化合物半導体層16、活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18は容易に成長させることができるため、半導体発光素子を容易に製造することができる。
次に、この発明の第17の実施形態による発光ダイオードの製造方法について説明する。
この第17の実施形態においては、まず、図30Aに示すように、第4の実施形態と同様にして、主面がM面からC軸方向に+60°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して一方の側面14aがM面からなる凹部14を形成する。そして、図30Bに示すように、このサファイア基板11上に第4の実施形態と同様にして(11−22)面方位の窒化物系III−V族化合物半導体層12を凹部14が埋まるまで成長させる。
次に、(11−20)面ファセットが優先的に出る成長条件に設定して成長を継続すると、図30Cに示すように、窒化物系III−V族化合物半導体層12は厚さを増しながら成長し、連続膜となる。
次に、第16の実施形態と同様に工程を進めて、目的とする発光ダイオードを製造する。n型窒化物系III−V族化合物半導体層16、活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18は(11−20)面(A面)方位を有する。
この第17の実施形態においては、まず、図30Aに示すように、第4の実施形態と同様にして、主面がM面からC軸方向に+60°オフした面からなるサファイア基板11の主面をエッチングにより加工して一方の側面14aがM面からなる凹部14を形成する。そして、図30Bに示すように、このサファイア基板11上に第4の実施形態と同様にして(11−22)面方位の窒化物系III−V族化合物半導体層12を凹部14が埋まるまで成長させる。
次に、(11−20)面ファセットが優先的に出る成長条件に設定して成長を継続すると、図30Cに示すように、窒化物系III−V族化合物半導体層12は厚さを増しながら成長し、連続膜となる。
次に、第16の実施形態と同様に工程を進めて、目的とする発光ダイオードを製造する。n型窒化物系III−V族化合物半導体層16、活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18は(11−20)面(A面)方位を有する。
この第17の実施形態によれば、活性層14が(11−20)面(A面)方位を有し、ピエゾ電界の発生を抑えることができるため、活性層14における量子閉じ込めシュタルク効果を有効に抑えることができる。また、窒化物系III−V族化合物半導体層12の貫通転位をなくすことができるため、その上に成長するn型窒化物系III−V族化合物半導体層16、活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18の貫通転位もなくすことができ、これらのn型窒化物系III−V族化合物半導体層16、活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18の結晶品質を高くすることができる。このため、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた発光ダイオードの発光効率の大幅な向上を図ることができる。また、(11−20)面方位を有するn型窒化物系III−V族化合物半導体層16、活性層17およびp型窒化物系III−V族化合物半導体層18は容易に成長させることができるため、半導体発光素子を容易に製造することができる。
次に、この発明の第18の実施形態について説明する。
この第18の実施形態においては、第16または第17の実施形態のいずれかによる方法により得られる青色発光の発光ダイオードおよび緑色発光の発光ダイオードに加え、別途用意する赤色発光の発光ダイオード(例えば、AlGaInP系発光ダイオード)を用いて発光ダイオードバックライトを製造する場合について説明する。
例えば、第16または第17の実施形態による方法によりサファイア基板11上に青色発光の発光ダイオード構造を形成し、さらにp側電極19およびn側電極21上にそれぞれバンプ(図示せず)を形成した後、これをチップ化することによりフリップチップの形で青色発光の発光ダイオードを得る。同様にして、緑色発光の発光ダイオードをフリップチップの形で得る。一方、赤色発光の発光ダイオードとしては、n型GaAs基板上にAlGaInP系半導体層を積層してダイオード構造を形成し、その上部にp側電極を形成する工程を経る、AlGaInP系発光ダイオードをチップの形で用いるものとする。
この第18の実施形態においては、第16または第17の実施形態のいずれかによる方法により得られる青色発光の発光ダイオードおよび緑色発光の発光ダイオードに加え、別途用意する赤色発光の発光ダイオード(例えば、AlGaInP系発光ダイオード)を用いて発光ダイオードバックライトを製造する場合について説明する。
例えば、第16または第17の実施形態による方法によりサファイア基板11上に青色発光の発光ダイオード構造を形成し、さらにp側電極19およびn側電極21上にそれぞれバンプ(図示せず)を形成した後、これをチップ化することによりフリップチップの形で青色発光の発光ダイオードを得る。同様にして、緑色発光の発光ダイオードをフリップチップの形で得る。一方、赤色発光の発光ダイオードとしては、n型GaAs基板上にAlGaInP系半導体層を積層してダイオード構造を形成し、その上部にp側電極を形成する工程を経る、AlGaInP系発光ダイオードをチップの形で用いるものとする。
そして、これらの赤色発光の発光ダイオードチップ、緑色発光の発光ダイオードチップおよび青色発光の発光ダイオードチップをそれぞれAlNなどからなるサブマウント上にマウントした後、これをサブマウントを下にして例えばAl基板などの基板上に所定の配置でマウントする。この状態を図31Aに示す。図31A中、符号61は基板、62はサブマウント、63は赤色発光の発光ダイオードチップ、64は緑色発光の発光ダイオードチップ、65は青色発光のダイオードチップを示す。これらの赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65のチップサイズは例えば350μm角である。ここで、赤色発光の発光ダイオードチップ63はそのn側電極がサブマウント62上に来るようにマウントし、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65はそのp側電極およびn側電極が、バンプを介してサブマウント62上に来るようにする。赤色発光の発光ダイオードチップ63がマウントされているサブマウント62上にはn側電極用の引き出し電極(図示せず)が所定のパターン形状に形成されており、この引き出し電極上の所定部分に赤色発光の発光ダイオードチップ63のn側電極側がマウントされている。そして、この赤色発光の発光ダイオードチップ63のp側電極と、基板61上に設けられた所定のパッド電極66とにこれらを接続するようにワイヤ67がボンディングされているとともに、上記の引き出し電極の一端と基板61上に設けられた別のパッド電極とにこれらを接続するようにワイヤ(図示せず)がボンディングされている。緑色発光の発光ダイオードチップ64がマウントされているサブマウント62上には、p側電極用の引き出し電極およびn側電極用の引き出し電極(いずれも図示せず)がそれぞれ所定のパターン形状に形成されており、これらのp側電極用の引き出し電極およびn側電極用の引き出し電極上の所定部分に、緑色発光の発光ダイオードチップ64のp側電極およびn側電極側がそれらの上に形成されたバンプを介してそれぞれマウントされている。そして、この緑色発光の発光ダイオードチップ64のp側電極用の引き出し電極の一端と、基板61上に設けられたパッド電極とにこれらを接続するようにワイヤ(図示せず)がボンディングされているとともに、そのn側電極用の引き出し電極の一端と、基板61上に設けられたパッド電極とにこれらを接続するようにワイヤ(図示せず)がボンディングされている。青色発光の発光ダイオードチップ65も同様である。
ただし、サブマウント62を省略して、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65を直接、放熱性を有する任意のプリント配線基板あるいは、プリント配線基板の機能を有する板、筐体の内外壁(例えば、シャーシの内壁など)にダイレクトマウントすることも可能であり、こうすることで発光ダイオードバックライトあるいはパネル全体の低コスト化を図ることができる。
ただし、サブマウント62を省略して、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65を直接、放熱性を有する任意のプリント配線基板あるいは、プリント配線基板の機能を有する板、筐体の内外壁(例えば、シャーシの内壁など)にダイレクトマウントすることも可能であり、こうすることで発光ダイオードバックライトあるいはパネル全体の低コスト化を図ることができる。
上述のような赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65を一単位(セル)とし、これを基板61上に所定のパターンで必要な数配置する。その一例を図32に示す。次に、図31Bに示すように、この一単位を覆うように透明樹脂68のポッティングを行う。この後、透明樹脂68のキュア処理を行う。このキュア処理により透明樹脂68は固化し、それに伴い少し縮小する(図31C)。こうして、図33に示すように、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65を一単位としたものが基板61上にアレイ状に配列された発光ダイオードバックライトが得られる。この場合、透明樹脂68は緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65のサファイア基板11の裏面と接触しているため、このサファイア基板11の裏面が空気と直接接触している場合に比べて屈折率差が小さくなり、したがってこのサファイア基板11を透過して外部に出ようとする光がこのサファイア基板11の裏面で反射される割合が減少し、それによって光取り出し効率が向上することで発光効率が向上する。
この発光ダイオードバックライトは、例えば液晶パネルのバックライトに用いて好適なものである。
この発光ダイオードバックライトは、例えば液晶パネルのバックライトに用いて好適なものである。
次に、この発明の第19の実施形態について説明する。
この第19の実施形態においては、第18の実施形態と同様にして、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65を基板61上に所定のパターンで必要な数配置した後、図34に示すように、赤色発光の発光ダイオードチップ63を覆うようにこの発光ダイオードチップ63に適した透明樹脂69のポッティングを行い、緑色発光の発光ダイオードチップ64を覆うようにこの発光ダイオードチップ64に適した透明樹脂70のポッティングを行い、青色発光の発光ダイオードチップ65を覆うようにこの発光ダイオードチップ65に適した透明樹脂71のポッティングを行う。この後、透明樹脂69〜71のキュア処理を行う。このキュア処理により透明樹脂69〜71は固化し、それに伴い少し縮小する。こうして、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65を一単位としたものが基板61上にアレイ状に配列された発光ダイオードバックライトが得られる。この場合、透明樹脂70、71はそれぞれ緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65のサファイア基板11の裏面と接触しているため、このサファイア基板11の裏面が空気と直接接触している場合に比べて屈折率差が小さくなり、したがってこのサファイア基板11を透過して外部に出ようとする光がこのサファイア基板11の裏面で反射される割合が減少し、それによって光取り出し効率が向上することで発光効率が向上する。
この発光ダイオードバックライトは、例えば液晶パネルのバックライトに用いて好適なものである。
この第19の実施形態においては、第18の実施形態と同様にして、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65を基板61上に所定のパターンで必要な数配置した後、図34に示すように、赤色発光の発光ダイオードチップ63を覆うようにこの発光ダイオードチップ63に適した透明樹脂69のポッティングを行い、緑色発光の発光ダイオードチップ64を覆うようにこの発光ダイオードチップ64に適した透明樹脂70のポッティングを行い、青色発光の発光ダイオードチップ65を覆うようにこの発光ダイオードチップ65に適した透明樹脂71のポッティングを行う。この後、透明樹脂69〜71のキュア処理を行う。このキュア処理により透明樹脂69〜71は固化し、それに伴い少し縮小する。こうして、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65を一単位としたものが基板61上にアレイ状に配列された発光ダイオードバックライトが得られる。この場合、透明樹脂70、71はそれぞれ緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65のサファイア基板11の裏面と接触しているため、このサファイア基板11の裏面が空気と直接接触している場合に比べて屈折率差が小さくなり、したがってこのサファイア基板11を透過して外部に出ようとする光がこのサファイア基板11の裏面で反射される割合が減少し、それによって光取り出し効率が向上することで発光効率が向上する。
この発光ダイオードバックライトは、例えば液晶パネルのバックライトに用いて好適なものである。
次に、この発明の第20の実施形態について説明する。
この第20の実施形態においては、第16または第17の実施形態のいずれかの方法により得られる青色発光の発光ダイオードおよび緑色発光の発光ダイオードに加え、別途用意する赤色発光の発光ダイオードを用いて光源セルユニットを製造する場合について説明する。
図35Aに示すように、この第20の実施形態においては、第18または第19の実施形態と同様にして、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65をそれぞれ少なくとも一つ含み、これらが所定のパターンで配置されたセル75をプリント配線基板76上に所定のパターンで必要な数配置する。この例では、各セル75は、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65をそれぞれ一つ含み、これらが正三角形の頂点に配置されている。図35Bにセル75を拡大して示す。各セル75における赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65の間隔aは例えば4mmであるが、これに限定されるものではない。セル75の間隔bは例えば30mmであるが、これに限定されるものではない。プリント配線基板76としては、例えば、FR4(Flame Retardant Type 4の略)基板やメタルコア基板やフレキシブル配線基板などを用いることができるが、放熱性を有するプリント配線基板であれば他のものを用いることもでき、これらに限定されるものではない。第8の実施形態と同様にして、各セル76を覆うように透明樹脂68のポッティングを行い、あるいは、第9の実施形態と同様にして、赤色発光の発光ダイオードチップ63を覆うように透明樹脂69のポッティングを行い、緑色発光の発光ダイオードチップ64を覆うように透明樹脂70のポッティングを行い、青色発光の発光ダイオードチップ65を覆うように透明樹脂71のポッティングを行う。こうして、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65からなるセル75がプリント配線基板76上に配置された光源セルユニットが得られる。
この第20の実施形態においては、第16または第17の実施形態のいずれかの方法により得られる青色発光の発光ダイオードおよび緑色発光の発光ダイオードに加え、別途用意する赤色発光の発光ダイオードを用いて光源セルユニットを製造する場合について説明する。
図35Aに示すように、この第20の実施形態においては、第18または第19の実施形態と同様にして、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65をそれぞれ少なくとも一つ含み、これらが所定のパターンで配置されたセル75をプリント配線基板76上に所定のパターンで必要な数配置する。この例では、各セル75は、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65をそれぞれ一つ含み、これらが正三角形の頂点に配置されている。図35Bにセル75を拡大して示す。各セル75における赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65の間隔aは例えば4mmであるが、これに限定されるものではない。セル75の間隔bは例えば30mmであるが、これに限定されるものではない。プリント配線基板76としては、例えば、FR4(Flame Retardant Type 4の略)基板やメタルコア基板やフレキシブル配線基板などを用いることができるが、放熱性を有するプリント配線基板であれば他のものを用いることもでき、これらに限定されるものではない。第8の実施形態と同様にして、各セル76を覆うように透明樹脂68のポッティングを行い、あるいは、第9の実施形態と同様にして、赤色発光の発光ダイオードチップ63を覆うように透明樹脂69のポッティングを行い、緑色発光の発光ダイオードチップ64を覆うように透明樹脂70のポッティングを行い、青色発光の発光ダイオードチップ65を覆うように透明樹脂71のポッティングを行う。こうして、赤色発光の発光ダイオードチップ63、緑色発光の発光ダイオードチップ64および青色発光の発光ダイオードチップ65からなるセル75がプリント配線基板76上に配置された光源セルユニットが得られる。
プリント配線基板76上のセル75の配置の具体例を図36および図37に示すが、これらに限定されるものではない。図36に示す例はセル75を4×3の二次元アレイ状に配置したもの、図37に示す例はセル75を6×2の二次元アレイ状に配置したものである。
図38はセル75の他の構成例を示す。この例では、セル75は、赤色発光の発光ダイオードチップ63を一つ、緑色発光の発光ダイオードチップ64を二つ、青色発光の発光ダイオードチップ65を一つ含み、これらが例えば正方形の頂点に配置されている。二つの緑色発光の発光ダイオードチップ64はこの正方形の一つの対角線の両端の頂点に配置され、赤色発光の発光ダイオードチップ63および青色発光の発光ダイオードチップ65はこの正方形のもう一つの対角線の両端の頂点に配置されている。
この光源セルユニットを一つまたは複数配列することにより、例えば液晶パネルのバックライトに用いて好適な発光ダイオードバックライトを得ることができる。
図38はセル75の他の構成例を示す。この例では、セル75は、赤色発光の発光ダイオードチップ63を一つ、緑色発光の発光ダイオードチップ64を二つ、青色発光の発光ダイオードチップ65を一つ含み、これらが例えば正方形の頂点に配置されている。二つの緑色発光の発光ダイオードチップ64はこの正方形の一つの対角線の両端の頂点に配置され、赤色発光の発光ダイオードチップ63および青色発光の発光ダイオードチップ65はこの正方形のもう一つの対角線の両端の頂点に配置されている。
この光源セルユニットを一つまたは複数配列することにより、例えば液晶パネルのバックライトに用いて好適な発光ダイオードバックライトを得ることができる。
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の第1〜第20の実施形態において挙げた数値、材料、構造、構成、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、構成、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
例えば、上述の第1〜第20の実施形態において挙げた数値、材料、構造、構成、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、構成、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
11…サファイア基板、12…窒化物系III−V族化合物半導体層、13…凸部、14…凹部、15…転位、16…n型窒化物系III−V族化合物半導体層、17…活性層、18…p型窒化物系III−V族化合物半導体層、19…p側電極、21…n側電極
Claims (6)
- 六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−100)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を(1−100)面ファセット、(0001)面ファセットおよび(10−13)面ファセットを出しながら成長させるようにした半導体発光素子の製造方法。
- 上記半導体層はウルツ鉱構造を有する半導体からなる請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記半導体層は窒化物系III−V族化合物半導体、酸化物半導体またはオキシカルコゲナイドからなる請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記基板の一主面が(1−100)面からなる請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 上記基板の一主面に少なくとも一つの凹部を有し、この凹部の一つの側面が(1−100)面からなる請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。
- 六方晶系の結晶構造を有する物質からなる基板の(1−100)面上に、六方晶系の結晶構造を有する半導体からなり、(11−22)面方位または(10−13)面方位を有する半導体層を(1−100)面ファセット、(0001)面ファセットおよび(10−13)面ファセットを出しながら成長させるようにした半導体層の成長方法。
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