JP5060732B2 - 発光素子及びこの発光素子の製造方法 - Google Patents

発光素子及びこの発光素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、第1窒化物半導体層と第2窒化物半導体層との間に活性層を有する発光素子及びこの発光素子の製造方法に関する。
従来、面方位が(0001)であるC面を主面とする成長用基板(例えば、サファイア基板)上に窒化物半導体が形成された発光素子が広く知られている。
一方で、サファイア基板のC面上に窒化物半導体を形成した発光素子が発光ダイオード(LED)である場合には、微小電流から電流を増加させると、LEDの発光波長が短波長化するという影響が生じていた。
そこで、LEDの発光波長が短波長化するという影響を抑制するために、面方位が(1−102)であるR面又は面方位が(1−100)であるM面を主面とするサファイア基板上に窒化物半導体が形成されたLEDの研究がなされている(例えば、特許文献1)。
また、複数のLEDチップが形成されたサファイア基板をLED毎に切断する場合には、加工が容易であるという観点から、R面又はM面の劈開方向に沿ってサファイア基板をLEDチップ毎に切断していた。
なお、R面又はM面の劈開方向とは、サファイア基板が割れやすい方向であり、R面又はM面におけるサファイア基板の各結晶の境界線が延びる方向である。
特開平8-64912号公報(請求項1、など)
しかしながら、上述したR面及びM面は、互いに直交する劈開方向を有している。従って、一方の劈開方向に沿ってサファイア基板を切断すると、他方の劈開方向は、一方の劈開方向に沿って形成された切断面に対して直交する方向となる。
ここで、一方の劈開方向に沿って形成された切断面に転位が生じている場合には、発光素子に電流を継続して流しているうちに、他方の劈開方向に沿って転位が成長してしまう。すなわち、LEDの中央部に向けて転位が成長しやすく、発光素子の寿命が短くなってしまう場合があった。
そこで、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、電流を継続して流しているうちに、発光素子の中央部に向けて転位が成長する可能性を軽減するとともに、発光素子の長寿命化を図ることが可能な発光素子及びこの発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の特徴は、互いに直交する劈開方向を有する面を主面とする成長用基板(サファイア基板10)と、前記成長用基板の前記主面上に形成された第1窒化物半導体層(バッファ層20及びn型クラッド層30)と、前記第1窒化物半導体層上に形成された活性層(MQW活性層40)と、前記活性層上に形成された第2窒化物半導体層(p型クラッド層50及びp型コンタクト層60)とを備えた発光素子において、前記主面における前記成長用基板の側辺(例えば、切断方向u1)と前記劈開方向の一方(例えば、劈開方向t1)とが形成する角度が、約30〜60°の範囲内であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、主面における成長用基板の側辺と一方の劈開方向とが形成する角度が約30〜60°の範囲内であることにより、一方の劈開方向に直交する他方の劈開方向が、主面における成長用基板の側辺に対して直交しない。
従って、主面における成長用基板の側辺に沿って形成される切断面に転位が生じていた場合であっても、電流を継続して流しているうちに、発光素子の中央部に向けて転位が成長する可能性を軽減するとともに、発光素子の長寿命化を図ることができる。
本発明の第2の特徴は、本発明の第1の特徴において、前記主面が、面方位が(1−102)であるR面又は面方位が(1−100)であるM面であることを要旨とする。
本発明の第3の特徴は、本発明の第1の特徴において、前記成長用基板が、サファイア基板、GaN基板又はSiC基板であることを要旨とする。
本発明の第4の特徴は、第1窒化物半導体層と第2窒化物半導体層との間に活性層を有する発光素子の製造方法が、互いに直交する劈開方向を有する前記成長用基板の面を主面として、前記成長用基板の前記主面上に前記第1窒化物半導体層を成長させるステップと、前記第1窒化物半導体層上に前記活性層を成長させるステップと、前記活性層上に前記第2窒化物半導体層を成長させるステップと、前記成長用基板及び前記第1窒化物半導体層を前記発光素子毎に切断するステップとを含み、前記成長用基板及び前記第1窒化物半導体層を切断する方向と前記劈開方向の一方とが形成する角度が、約30〜60°の範囲内であることを要旨とする。
本発明の第5の特徴は、本発明の第4の特徴において、前記主面が、面方位が(1−102)であるR面又は面方位が(1−100)であるM面であることを要旨とする。
本発明の第6の特徴は、本発明の第4の特徴において、前記成長用基板が、サファイア基板、GaN基板又はSiC基板であることを要旨とする。
本発明によれば、電流を継続して流しているうちに、発光素子の中央部に向けて転位が成長する可能性を軽減するとともに、発光素子の長寿命化を図ることが可能な発光素子及びこの発光素子の製造方法を提供することができる。

以下において、本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、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。
(発光素子アレイの構成)
以下において、本発明の一実施形態に係る発光素子アレイについて、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る発光素子アレイ100を示す図である。
図1に示すように、発光素子アレイ100では、複数の発光素子200が配列されている。また、切断方向u及び切断方向uに沿って発光素子アレイ100を切断することによって、各発光素子200が切り出される。
発光素子アレイ100は、後述するように、サファイア基板10、バッファ層20、n型クラッド層30、MQW活性層40、p型クラッド層50及びp型コンタクト層60が順に積層された構造を有している。また、n型クラッド層30上には、n電極70が形成されており、p型コンタクト層60上には、p電極80が形成されている(図2を参照)。
ここで、発光素子200としては、発光ダイオード(LED)、半導体レーザ、発光ダイオードや半導体レーザと蛍光体とを組み合わせた素子などが挙げられる。また、発光素子200は、窒化物半導体層を有するHEMT(High Electron Mobility Transistor)などの電子デバイス、SAW(Surface Acoustic Wave)デバイス、受光素子などであってもよい。
サファイア基板10は、劈開方向(劈開方向t及び劈開方向t)が互いに直交する面を主面として有しており、サファイア基板10の主面上に各窒化物半導体層が積層されている。なお、劈開方向とは、サファイア基板10が割れやすい方向であり、サファイア基板10の主面における各結晶の境界線が伸びる方向である。なお、劈開方向の詳細については後述する(図4を参照)。
なお、劈開方向tと劈開方向tとが直交する面としては、例えば、面方位が(1−100)であるM面、面方位が(11−20)であるA面、面方位が(1−102)であるR面などが挙げられる。
ここで、切断方向uと劈開方向tとが形成する角度θは、約30〜60°の範囲内である。同様に、切断方向uと劈開方向tとが形成する角度θは、約30〜60°の範囲内である。
また、主面におけるサファイア基板10の側辺(切断方向u又は切断方向uに伸びる側辺)に沿って形成される切断面に転位が生じた場合を想定すると、その転位が成長しやすい方向は、劈開方向t又は劈開方向tである。
具体的には、切断方向uに伸びるサファイア基板10の側辺に沿って形成される切断面に転位が生じた場合には、その転位は、劈開方向t(切断方向uに対してθ傾いた方向)又は劈開方向t(切断方向uに対して90−θ傾いた方向)に成長しやすい。同様に、切断方向uに伸びるサファイア基板10の側辺に沿って形成される切断面に転位が生じた場合には、その転位は、劈開方向t(切断方向uに対して90−θ傾いた方向)又は劈開方向t(切断方向uに対してθ傾いた方向)に成長しやすい。
以下において、上述した発光素子アレイ100の断面について、図面を参照しながら説明する。図2は、図1におけるA方向から見た発光素子アレイ100の断面を示す図である。
図2に示すように、発光素子アレイ100は、サファイア基板10、バッファ層20、n型クラッド層30、MQW活性層40、p型クラッド層50及びp型コンタクト層60が順に積層された構造を有している。また、n型クラッド層30上には、n電極70が形成されており、p型コンタクト層60上には、p電極80が形成されている
サファイア基板10は、単結晶のサファイアによって構成された成長用基板であり、上述したように、劈開方向tと劈開方向tとが直交する面を主面として有している。
バッファ層20は、GaNなどによって構成されており、n型クラッド層30とMQW活性層40との格子定数の不整合を緩和する機能を有する。
n型クラッド層30は、MQW活性層40よりもバンドキャップエネルギーが大きい材料(例えば、GaN)によって構成される層であり、MQW活性層40にキャリアを閉じ込める機能を有する。
MQW活性層40は、ウェル層とバリア層とが交互に積層された構造を有する。ウェル層は、バリア層よりもInの組成比率が大きい薄膜層(例えば、InGaN)である。一方、バリア層は、ウェル層よりもInの組成比率が小さい薄膜層(例えば、GaN)である。また、ウェル層及びバリア層は、多重量子井戸構造(MQW構造)を形成する。
p型クラッド層50は、MQW活性層40よりもバンドキャップエネルギーが大きい材料(例えば、GaN)によって構成される層であり、MQW活性層40にキャリアを閉じ込める機能を有する。
p型コンタクト層60は、Mgなどの不純物を含む層であり、ショットキーバリアが生じることを防止する機能を有する。
(サファイア基板の面方位)
以下において、本発明の一実施形態に係るサファイア基板の面方位について、図面を参照しながら説明する。図3(a)及び図3(b)は、本発明の一実施形態に係るサファイア基板10の面方位を示す図である。
サファイア基板10の面方位は、軸a、軸a、軸a及び軸cの座標によって表される。具体的には、対象面と各軸とが交わる点の座標をそれぞれa、a、a及びcとした場合に、対称面の面方位は、(1/a、1/a、1/a、1/c)として表される。
従って、図3(a)に示すように、サファイア基板10のA面の面方位は(11−20)として表され、サファイア基板10のM面の面方位は(1−100)として表される。同様に、図3(b)に示すように、サファイア基板10のR面の面方位は(1−102)として表される。
(主面の劈開方向)
以下において、本発明の一実施形態に係る成長用基板の主面の劈開方向について、図面を参照しながら説明する。図4(a)〜図4(c)は、本発明の一実施形態に係るサファイア基板10の主面の劈開方向の一例を示す図である。
図4(a)は、サファイア基板10の主面がM面であり、M面の劈開方向を示す斜視図である。図4(a)に示すように、サファイア基板10のM面が主面である場合には、サファイア基板10の劈開方向、すなわち、サファイア基板10が割れやすい方向は、M面における各結晶の境界線が伸びる方向である。すなわち、サファイア基板10の劈開方向は、互いに直行する2方向(劈開方向t及び劈開方向t)である。
図4(b)は、サファイア基板10の主面がA面であり、A面の劈開方向を示す斜視図である。図4(b)に示すように、サファイア基板10のA面が主面である場合には、サファイア基板10の劈開方向、すなわち、サファイア基板10が割れやすい方向は、A面における各結晶の境界線が伸びる方向である。すなわち、サファイア基板10の劈開方向は、互いに直行する2方向(劈開方向t及び劈開方向t)である。
図4(c)は、サファイア基板10の主面がR面であり、R面の劈開方向を示す斜視図である。図4(c)に示すように、サファイア基板10のR面が主面である場合には、サファイア基板10の劈開方向、すなわち、サファイア基板10が割れやすい方向は、R面における各結晶の境界線が伸びる方向である。すなわち、サファイア基板10の劈開方向は、互いに直行する2方向(劈開方向t及び劈開方向t)である。
(発光素子の製造方法)
以下において、本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図5は、本発明の一実施形態に係る発光素子200の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図5に示すように、ステップ10において、サファイア基板10を準備する。また、水素(H)をガス室内に供給してサファイア基板10のクリーニングを行う。
ステップ20において、サファイア基板10上にバッファ層20を形成する。具体的には、サファイア基板10の温度を約500℃となるまで下降させるとともに、窒素(N)及びトリメチルガリウム(TMG)などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、バッファ層20を形成する。
なお、個体結晶を気相成長させる方法としては、有機金属気相成長(MOCVD;Metal Organic Chemical Vapour Deposition)法などが挙げられる。
ステップ30において、バッファ層20上にn型クラッド層30を形成する。具体的には、サファイア基板10の温度を約1060℃となるまで上昇させるとともに、アンモニア(NH)、水素(H)、窒素(N)、トリメチルガリウム(TMG)及びモノシラン(SiH)などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、n型クラッド層30を形成する。
ステップ40において、n型クラッド層30上にMQW活性層40を形成する。具体的には、サファイア基板10の温度を約1060℃となるまで上昇させるとともに、アンモニア(NH)、水素(H)、窒素(N)及びトリメチルガリウム(TMG)などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、バリア層を形成する。また、サファイア基板10の温度を約760℃となるまで下降させるとともに、アンモニア(NH)、窒素(N)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルインジウム(TMI)及びモノシラン(SiH)などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、ウェル層を形成する。このように、バリア層及びウェル層を交互に積層することによって、量子井戸構造(MQW構造)を有するMQW活性層40を形成する。
ステップ50において、MQW活性層40上にp型クラッド層50を形成する。具体的には、図3に示すように、サファイア基板10の温度を約1060℃となるまで上昇させるとともに、アンモニア(NH)、水素(H)、窒素(N)、トリメチルガリウム(TMG)及びトリメチルアルミニウム(TMA)などをガス室内に供給し、個体結晶を気相成長させて、p型クラッド層50を形成する。
ステップ60において、p型クラッド層50上にp型コンタクト層60を形成する。具体的には、Mgなどの不純物を含む原料ガスをガス室内に供給するとともに、個体結晶を気相成長させて、p型コンタクト層60を形成する。
ステップ70において、n型クラッド層30、MQW活性層40、p型クラッド層50及びp型コンタクト層60の一部をエッチングすることによって、n型クラッド層30を露出させる。
ステップ80において、n型クラッド層30の表面にn電極70を蒸着させるとともに、p型コンタクト層60の表面にp電極80を蒸着させる。例えば、n電極70及びp電極80は、真空蒸着法などによってn型クラッド層30及びp型コンタクト層60の表面に蒸着される。
このように、ステップ10〜ステップ80の処理によって、複数の発光素子200が配列された発光素子アレイ100を形成する。
ステップ90において、発光素子アレイ100を切断することによって各発光素子200を切り離す。具体的には、切断方向u及び切断方向uに沿って発光素子アレイ100を切断することによって各発光素子200を切り離す。
なお、上述したように、サファイア基板10の主面の劈開方向tと切断方向uとが形成する角度θは、約30〜60°の範囲内である。同様に、サファイア基板10の主面の劈開方向tと切断方向uとが形成する角度θは、約30〜60°の範囲内である。
また、発光素子アレイ100を切断する方法としては、ブレードでダイシングする方法、切断方向に沿って傷をつけた上で衝撃を与えることによって割る方法、切断方向に沿ってレーザで溝をつけた上で割る方法などが挙げられる。
(作用及び効果)
本発明の一実施形態に係る発光素子200及び発光素子200の製造方法によれば、サファイア基板10の主面の劈開方向t1と切断方向u1(すなわち、主面におけるサファイア基板10の側辺)とが形成する角度θは、約30〜60°の範囲内である。
従って、サファイア基板10に転位が生じていた場合であっても、発光素子200に電流を継続して流しているうちに、発光素子200の中央部に向けて転位が成長する可能性を軽減することができる。
具体的には、従来技術のように、劈開方向t1と切断方向u1とが平行である場合には、劈開方向t1と直交する劈開方向t2が切断方向u1(すなわち、主面におけるサファイア基板10の側辺)と直交するため、発光素子200の中央部に向けて転位が成長しやすかった。
これに対して、本発明の一実施形態のように、劈開方向t1と切断方向u1とが形成する角度が約30〜60°の範囲内である場合には、劈開方向t1と直交する劈開方向t2が切断方向u1(すなわち、主面におけるサファイア基板10の側辺)と直交しないため、発光素子200の中央部に向けて転位が成長する可能性を軽減することができる。
同様に、本発明の一実施形態のように、劈開方向t2と切断方向u2とが形成する角度が約30〜60°の範囲内である場合には、劈開方向t2と直交する劈開方向t1が切断方向u2(すなわち、主面におけるサファイア基板10の側辺)と直交しないため、発光素子200の中央部に向けて転位が成長する可能性を軽減することができる。
このように、発光素子200の中央部に向けて転位が成長する可能性が軽減されるため、発光素子200の長寿命化を図ることができる。
(その他の実施形態)
本発明は上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、上述した実施形態では、MOCVD法を用いて窒化物半導体層の結晶を生長させるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、HVPE法やガスソースMBE法などを用いて、窒化物半導体層の結晶を生長させてもよい。また、窒化物半導体の結晶構造は、ウルツ鉱型構造であっても閃亜鉛鉱型構造であってもよい。
また、上述した実施形態では、窒化物半導体層は、GaN、AlGaN及びInGaNなどからなる層であるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、GaN、AlGaN及びInGaN以外の組成を有する窒化物半導体層であってもよい。
さらに、上述した実施形態では、窒化物半導体層の成長用基盤として、サファイア基板を用いたが、これに限定されるものではなく、窒化物半導体層の結晶を成長させることが可能な基板、例えば、Si、SiC、GaAs、MgO、ZnO、スピネル、そしてGaN等を用いてもよい。
また、上述した実施形態では、n型窒化物半導体層、超格子層、活性層及びp型半導体層が順にサファイア基板上に積層されているが、これに限定されるものではなく、p型窒化物半導体層、活性層、超格子層及びn型半導体層が順にサファイア基板上に積層されていてもよい。
このように、本発明は、ここでは記載されていない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
(実施例)
以下において、本発明の一実施例に係る発光素子アレイ100及び発光素子200について、図面を参照しながら説明する。図6は、本発明の一実施例に係る発光素子アレイ100を示す図であり、図7は、本発明の一実施例に係る発光素子200を示す図である。
最初に、互いに直交する劈開方向t1及び劈開方向t2を有するサファイア基板10の面を主面として、サファイア基板10の主面上に各窒化物半導体層を積層することによって、図6に示す発光素子アレイ100を形成した。
次に、劈開方向t1に対してθ(30°≦θ≦60°)傾いた切断方向u1に沿って発光素子アレイ100を切断し、劈開方向t2に対してθ(30°≦θ≦60°)傾いた切断方向u2に沿って発光素子アレイ100を切断することによって、図7に示す発光素子200を発光素子アレイ100から切り離した。
図7に示すように、発光素子アレイ100が劈開方向t1又は劈開方向t2に沿って切断されていないため、主面における発光素子200の側辺(切断方向u1又は切断方向u2に伸びる側辺)がきれいな直線とならないことが確認された。
一方で、発光素子200の側辺がきれいな直線とならなくても、サファイア基板10上に積層されたMQW活性層40には悪影響がでないことが確認された。
また、劈開方向t1と切断方向u1とが形成する角度がθ(30°≦θ≦60°)であり、劈開方向t2と切断方向u2とが形成する角度がθ(30°≦θ≦60°)であるため、発光素子アレイ100を切断した際に発光素子200の側辺に転位が生じたとしても、転位が発光素子200の中心部に向けて成長する可能性が軽減されることが推察された。
本発明の一実施形態に係る発光素子アレイ100を示す図である。 本発明の一実施形態に係る発光素子アレイ100の断面を示す図である。 本発明の一実施形態に係るサファイア基板10の面方位を示す図である。 本発明の一実施形態に係るサファイア基板10の主面の劈開方向の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る発光素子200の製造方法を示すフロー図である。 本発明の一実施例に係る発光素子アレイ100を示す図である。 本発明の一実施例に係る発光素子200を示す図である。
符号の説明
10・・・サファイア基板、20・・・バッファ層、30・・・n型クラッド層、40・・・MQW活性層、50・・・p型クラッド層、60・・・p型コンタクト層、70・・・n電極、80・・・p電極、100・・・発光素子アレイ、200・・・発光素子

Claims (4)

  1. 互いに直交する劈開方向を有する面を主面とする成長用基板と、前記成長用基板の前記主面上に形成された第1窒化物半導体層と、前記第1窒化物半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第2窒化物半導体層とを備えた発光素子であって、
    前記主面は、面方位が(1−102)であるR面又は面方位が(1−100)であるM面であり、
    前記主面における前記成長用基板の側辺と前記劈開方向の一方とが形成する角度は、30°〜60°の範囲内であることを特徴とする発光素子。
  2. 前記成長用基板は、サファイア基板、GaN基板又はSiC基板であることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
  3. 第1窒化物半導体層と第2窒化物半導体層との間に活性層を有する発光素子の製造方法であって、
    互いに直交する劈開方向を有する前記成長用基板の面を主面とし、前記主面は面方位が(1−102)であるR面又は面方位が(1−100)であるM面であり、前記成長用基板の前記主面上に前記第1窒化物半導体層を成長させるステップと、
    前記第1窒化物半導体層上に前記活性層を成長させるステップと、
    前記活性層上に前記第2窒化物半導体層を成長させるステップと、
    前記成長用基板及び前記第1窒化物半導体層を前記発光素子毎に切断するステップとを含み、
    前記成長用基板及び前記第1窒化物半導体層を切断する方向と前記劈開方向の一方とが形成する角度は、30°〜60°の範囲内であることを特徴とする発光素子の製造方法。
  4. 前記成長用基板は、サファイア基板、GaN基板又はSiC基板であることを特徴とする請求項3に記載の発光素子の製造方法。
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