JP5273081B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
また、格子状に溝を形成すると、ストライプ状に溝を形成した場合に比べて、ストライプに垂直な方向に進行する光も散乱されるので、光の取り出し効率は向上する。特許文献2のように、主面を非極性面とすると、発光効率を向上させることができるが、特許文献2の成長方法において、基板に溝を格子状に形成するとすると、溝の側面の面方位が同一でなくなるため、成長方位が不揃いになり、均一の非極性面を主面とする半導体層が得られない。このため、基板の加工は、ストライプ状とせざるを得なかった。
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、基板面上にストライプ状の溝を多数平行に形成した半導体発光素子において、光の外部への取り出し効率を向上させることである。
上記発明において、誘電体は、基板の面上において、第1方向と交差する第2方向に沿って、不連続に形成されていても良い。
上記発明において、第2方向は、第1方向に対して直交する方向であることが望ましい。誘電体を配列する第2方向は、ストライプの伸びた方向である第1方向に対して、平行でない方向、すなわち、交差した方向であれば良い。第2方向が第1方向に対して直交することが最も望ましい。
また、他の発明は、基底層の素子層を形成する主面は、c面の場合の内部電界に対して10%以下の内部電界を有する面であることを特徴とする。典型的には、基底層の主面は、c面に対して90度を成す無極性面や、c面との成す角が60度である半極性面である。無極性面で低指数面の一例は、m面、a面である。半極性面の低指数面の一例は、(11−22)面である。これらの面の他、主面がc面である場合に内部電界は最大となるので、この最大値に対して内部電界が10%以下の面(以下、非極性面と定義する)を用いることができる。10%以下とするのは、実質的に、発光効率を低下させることがなく、長波長側への波長シフトをなくするためである。
ストライプ状の溝の側面から成長させることで、主面の結晶方位を揃えて、上記の同一非極性面とすることができる。この場合に、内部電界を小さくすることで、発光効率を向上させることや長波長への波長シフトを防止できる。そして、この場合には、光の取り出し効率を向上させるために、サファイア基板の溝を格子状に形成すると、溝の側面から結晶成長させた時に、主面の結晶方位が揃わない。そのため、主面を非極性面とする半導体発光素子において、本発明を用いることは特に有効である。
他の発明は、サファイア基板は、窒化処理が成されて、窒化アルミニウム層が形成されていることを特徴とする。この場合に、III族窒化物系化合物半導体を、溝の側面から側面に垂直な方向に横方向成長させることができる。この場合に、基板の上面からは、結晶成長させることなく、溝の側面からのみ側面に垂直な方向に結晶成長させることができる。窒化アルミニウム層は、1モノレイヤーから数モノレイヤー程度のものであっても良い。
また、溝の側面には、バッファ層が形成されていることが望ましい。この場合にも、III族窒化物系化合物半導体を、基板の上面からは結晶成長させることなく、溝の側面からのみ側面に垂直な方向に結晶成長させることができる。
本発明は、サファイア基板を上にして半導体層側をリードフレームに接合するいわゆるフェースダウンで用いるフリップチップ型の発光素子に用いることができる。しかし、サファイア基板の裏面に反射膜を形成して、半導体層の上面から外部に光を出力するフェースアップで用いるワイヤボンディング型の発光素子にも用いることができる。
(溝形成工程)
まず、a面を主面とするサファイア基板10の表面10aに、マスクを用いてICPエッチングすることで、長手方向(第1方向、x軸方向)がサファイア基板10のm軸方向であり、m軸に平行なストライプ状に多数の溝11を形成する(図4(a))。溝11のc軸(y軸方向)に平行な面(yz面)での断面は矩形であり、溝11の側面11aにはサファイアのc面が露出し、溝11の底面11bには、サファイアのa面が露出する。
上記のように加工されたサファイア基板10の表面に、一様にSiO2 をスパッタリング法により一様に堆積する。その後、フォトレジストを一様に塗布して、溝11の伸びた方向と、直交する方向(y軸方向)にストライプ状に露光して、現像することで、溝11に直交する方向(y軸方向)に伸びた窓をフォトレジストに形成する。残されたフォトレジストをマスクとして、SiO2 をエッチングすることで、図2に示すように、誘電体15を、溝11の長さ方向(x軸方向)に直交する方向(y軸方向)に、ストライプ状に形成した。なお、誘電体15を形成する方法は、y軸方向にストライプ状の窓の形成されたフォトレジストを、サファイア基板10上に形成した後、SiO2 をスパッタリング法により一様に堆積して、フォトレジストをリフトオフすることで形成しても良い。
次に、ストライプ状の溝11とこれに垂直な方向にストライプ状の誘電体15を平行に多数形成したサファイア基板10を、反応性マグネトロンスパッタに導入し、500℃でAlNから成るバッファ層102を形成する(図4(b))。この時、AlNはサファイア基板10の表面10a(凸部12の上面)だけでなく、溝11の側面11aや溝11の底面11b、誘電体15の上面15a、側面15bにも形成される。しかし、溝11の側面11aには、サファイア基板10の表面10aや溝11の底面11bよりもAlNから成るバッファ層102が薄く形成されている。以下でAlNから成るバッファ層102の厚さという場合、サファイア基板10の表面10a上に形成されるAlN層の厚さをいうものとする。
次に、AlNのバッファ層102を形成したサファイア基板10をMOCVD装置に搬入し、水素とアンモニアを含む雰囲気中で、成長温度まで昇温する。
続いて、MOCVD装置内にTMG(トリメチルガリウム)を導入し、溝11の側面11aにGaN結晶から成る基底層103をエピタキシャル成長させる(図4(c))。基底層103のGaN結晶は、サファイア基板10のc軸方向と、GaN結晶のc軸方向が一致するように成長する。このGaN結晶のc軸方向の極性については、溝11の側面11aから溝11内側(中心側)へと向かう方向が−c方向である。すなわち、側面11aから垂直に、GaNは−c軸方向に成長することになり、その成長面は−c面となる。
実施例1において、溝11のストライプ方向(第1方向)と誘電体15のストライプ方向(第2方向)との成す角は、溝11のストライプ方向に伝搬する光を効果的に散乱させるには、30度以上、150度以下が望ましい。
(1)実施例のように、ICPエッチングによるサファイア基板10のダメージを回復させるための1000℃以上に加熱する処理を行うことなく、スパッタリングによるバッファ層をサファイア基板に形成する方法。
この方法においては、バッファ層102の厚さは、55Å以上、150Å以下とすることが望ましい。150Åよりも厚くバッファ層102を形成すると、凸部12の上面10a、溝11の底面11bからもIII 族窒化物半導体が成長するので望ましくない。55Åよりも薄いと、側面11aから成長するIII 族窒化物半導体の結晶性が悪化する。したがって、バッファ層102を、55〜125Åとすれば、III 族窒化物半導体の結晶性、表面平坦性がより良くなるので、望ましい。さらに望ましいのは75〜125Åである。これらの厚さのバッファ層としては、AlNを用いることが望ましい。また、III 族窒化物半導体の成長温度は、1020℃以上、1100℃以下とすれば、III 族窒化物半導体を、主として、溝11の側面11aからサファイア基板の主面に平行な方向へ成長させることができる。1100℃よりも高くすると、凸部12の上面10a、溝11の底面11bからもIII 族窒化物半導体が成長するので望ましくない。成長温度が1020℃よりも低いと、側面11aから成長するIII 族窒化物半導体の結晶性が悪化する。したがって、III 族窒化物半導体の成長温度は、1020以上、1100℃以下とすることが望ましい。成長温度を1020〜1060℃とすれば、III 族窒化物半導体の結晶性、表面平坦性がより良くなるので、さらに望ましい。さらに望ましいのは1030〜1050℃である。
加熱処理工程では、アルミニウム又はアルミニウムの化合物を供給することにより厚さ1Å以上40Å以下のアルミニウム層を形成することができる。アルミニウム層は、300℃以上420℃以下の範囲で、トリメチルアルミニウムを供給することにより形成することができる。また、トリメチルアルミニウムに代えて、アンモニアその他のIII族窒化物系化合物半導体の窒素源となりうる反応性窒素化合物を供給せずに、水素雰囲気下、900℃以上1200℃以下の所定温度までの昇温中と当該所定温度での20分以下の保持を行う加熱処理工程を行い、その後に、アンモニアを供給して窒化処理することで、表面に窒化アルミニウム層を形成することができる。
以上の方法により、サファイア基板10の溝11の側面11aからのみ、その側面11aに垂直な方向に、III 族窒化物半導体を成長させることができる。
10…サファイア基板
20…透明導電膜
21…第1絶縁性保護膜
22…第2絶縁性保護膜
30…第1中間電極
40…第2中間電極
50…反射膜
60…第1電極
70…第2電極
102…バッファ層
103…基底層
104…n型コンタクト層
105…ESD層
106…発光層
107…p型層
108…p型コンタクト層
Claims (7)
- 各層がIII族窒化物系化合物半導体から成る半導体発光素子において、
表面上にとられた第1方向に平行に、ストライプ状の溝を多数、表面上に配列させたサファイア基板と、
前記サファイア基板の面上及び前記溝において、前記第1方向には不連続に形成された誘電体と、
前記溝の側面から成長し、前記サファイア基板の面上及び前記誘電体の上面を覆うIII族窒化物系化合物半導体から成る基底層と、
前記基底層上に形成された発光素子を構成する素子層と
を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記誘電体は、前記基板の面上において、前記第1方向と交差する第2方向に、ストライプ状に連続して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体は、前記基板の面上において、前記第1方向と交差する第2方向に沿って、不連続に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記第2方向は、前記第1方向に対して直交する方向であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の半導体発光素子。
- 前記基底層の前記素子層を形成する主面は、c面の場合の内部電界に対して10%以下の内部電界を有する面であることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記サファイア基板は、窒化処理が成されて、窒化アルミニウム層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記溝の側面には、バッファ層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の半導体発光素子。
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