JP5273081B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、光の取り出し効率を向上させたIII族窒化物系化合物半導体から成る半導体発光素子に関する。
III族窒化物系化合物半導体発光素子が広く使用される様になり、その特性改良が幅広く行われている。III族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法は、サファイアや、その他の異種基板にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させるものが一般的である。この半導体発光素子において、光の取り出し効率を向上させることが課題となっている。外部への光取り出し効率を向上させるために、下記特許文献１には、サファイア基板上に、屈折率がＧａＮよりも小さいＳｉＯ2 等の誘電体をストライプ状に形成して、基板の露出面から誘電体の上面にかけてＧａＮを気相成長させている。
また、特許文献２には、ａ面サファイア基板の面上において、溝を、ストライプ状にｍ軸方向に多数平行に形成し、溝のｃ面側面から側面に垂直にＧａＮをｃ軸方向に成長させることで、ｍ面を主面とするＧａＮを形成することを開示している。特許文献２は、このようにして、非極性面を主面とするＧａＮを得るものである。
ところが、特許文献１、２、共に、ストライプ状の溝を形成するものであり、ストライプの方向に垂直な断面においては、基板表面において、凹凸が周期的繰り返されたものとなる。このため、基板面上において、ストライプの方向に垂直な方向に進行する光は、凹凸面で散乱を受けて、外部への取り出しが容易となる。しかしながら、ストライプの方向に進行する成分の光は、凸部の中、又は、凹部の中を光が進行し、溝の側壁で反射してガイドされて伝搬する。しかし、その伝搬方向に反射面が存在しないために、散乱を受けることがなく、外部への光の取り出しが行われない。
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。
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。
第１の発明は、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、サファイア基板の面上及び溝において、第１方向には不連続に形成された誘電体と、溝の側面から成長し、サファイア基板の面上及び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、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である。
誘電体としては、酸化珪素（ＳｉＯx ）、窒化珪素（Ｓｉx Ｎy ）、酸化チタン（ＴｉＯx ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯx ）等の酸化物、窒化物等の単層膜や、これらの多層膜をもちいることができる。特に、酸化硅素（ＳｉＯX ）上の窒化硅素（ＳｉX ＮY ）とする２重保護膜を用いると、ＳｉＯX が分解してＧａＮに拡散するのが防止されるので望ましい。また、ＳｉＯX ＮY を用いて、組成比ｘ、ｙを変化させて、屈折率を任意に設定できる。このため、組成比ｘ、ｙを適正に設定することで、サファイア基板、基底層の屈折率に対して、屈折率を適正に設定することで、光取り出し効率を向上させることができる。誘電体の成膜は、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相成長法を用いることができる。
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、ストライプ状に連続して形成されていても良い。
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。
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、表面上に、ストライプ状の溝が、多数平行に形成されたサファイア基板において、誘電体が、基板面の上及び溝に、溝の伸びる方向には不連続に、溝の伸びる方向と交差する方向には、連続又は不連続に形成されている。したがって、溝の伸びる方向に進行する光も、誘電体により確実に反射されることから、光の外部への取り出し効率を向上させることができる。基底層の素子層を形成する主面を、内部電界が、ｃ面とした場合の内部電界の１０％以下となる非極性面とする場合に、特に、有効となる。
以下、本発明を、具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
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。
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。
III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第３Ｂ族元素（第１３族元素）であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第５Ｂ族元素（第１５族元素）であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。限定するものではないが、基底層は、一般的には、ノンドープのＧａＮが用いられる。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。素子層には、限定されるものではないが、Ｓｉドープのｎ型のＧａＮのｎ型コンタクト層、ＡｌＧａＮとＧａＮ又はＩｎＧａＮの多層から成るｎ型クラッド層、ＭＱＷの発光層、ＡｌＧａＮとＧａＮ又はＩｎＧａＮの多層から成るｐ型クラッド層、Ｍｇドープのｐ型のＧａＮのｐ型クラッド層が用いられる。しかし、これらは、一例であり、Ｉｎが添加されていたり、上記の任意の組成比の化合物半導体が用いられる。半導体発光素子の層構成は任意であり、また、各層の組成比も任意である。III 族窒化物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。
図１は、実施例１に係る半導体発光素子１に用いられるサファイア基板１０の構成を示している。サファイア基板１０の表面上には、表面上にとられた第１方向（ｘ軸方向）に伸びたストライプ状の溝１１が、多数平行に形成されている。溝１１は、サファイア基板１０の面上において第１方向と直交する第２方向（ｙ軸方向）には、等間隔で多数形成されている。残された面は、基板の上面１０ａとなり、上面１０ａと溝１１の側面１１ａとにより、ストライプ状の凸部１２を構成している。溝１１のｙ軸方向の幅は、１．５μｍ、凸部１２のｙ軸方向の幅は１．５μｍ、溝１１の周期は３μｍである。溝１１の深さは０．１μｍである。溝１１の深さは、１００Å以上、３μｍ以下の範囲とすることができる。
図２に示すように、第２方向（ｙ軸方向）にストライプ状に伸びたＳｉＯ2 から成る誘電体１５が、サファイア基板１０の溝１１の底面１１ｂ、側面１１ａ、及びサファイア基板１０の上面１０ａに、多数平行に形成されている。誘電体１５のｘ軸方向の幅は、１．５μｍ、厚さは０．１μｍである。この誘電体１５の厚さは、１００Å以上、１μｍ以下の範囲とすることができる。
図３は、本実施例１の半導体発光素子１を示す断面図である。半導体発光素子１は、青色領域の波長の光を発するフリップチップ型の発光ダイオード（ＬＥＤ）である。この半導体発光素子１は、順電圧が３．２Ｖで、順電流が３５０ｍＡの場合に、ピーク波長が４５０ｎｍの光を発する。また、半導体発光素子１は上面視にて長方形状に形成されている。半導体発光素子１の平面寸法は、１辺が略１０００μｍ、他の辺が略５００μｍである。この他、１辺が３００μｍ以上、１０００μｍ以下の正方形に形成しても良い。図２に示す構成のサファイア基板１０の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約１０ｎｍのバッファ層１０２が堆積されている。すなわち、溝１１の底１１ｂ、側面１１ａ、上面１０ａ、誘電体２０の上面１５ａ、側面１５ｂに、バッファ層１０２が形成されている。
そのバッファ層１０２の上に、ノンドープのＧａＮから成る基底層１０３が形成されている。その基底層１０３の上に、シリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮから成る膜厚約３〜４μｍの高キャリア濃度ｎ+層であるｎ型コンタクト層１０４が形成されている。このｎ型コンタクト層１０４の電子濃度は８×１０18／ｃｍ3である。この層の電子濃度は、高い程、望ましいが、２×１０19／ｃｍ3まで、増加可能である。そして、ｎ型コンタクト層１０４の上に、静電耐圧改善層（ＥＳＤ層）１０５が形成されている。ＥＳＤ層１０５は、ｎ型コンタクト層１０４側から第１ＥＳＤ層、第２ＥＳＤ層、第３ＥＳＤ層の３層構造である。第１ＥＳＤ層は、Ｓｉ濃度が１×１０16〜５×１０17／ｃｍ3 のｎ−ＧａＮである。第１ＥＳＤ層の厚さは２００〜１０００ｎｍである。また、第１ＥＳＤ層の表面には、貫通転位に起因して少数のピットが生じているが、そのピット密度は、１×１０8 ／ｃｍ2 以下である。第２ＥＳＤ層は、ノンドープのＧａＮである。第２ＥＳＤ層の厚さは５０〜２００ｎｍである。第２ＥＳＤ層の表面にもピットが生じており、そのピット密度は２×１０8 ／ｃｍ2 以上である。第２ＥＳＤ層はノンドープであるが、残留キャリアによりキャリア濃度が１×１０16〜１×１０17／ｃｍ3 となっている。なお、第２ＥＳＤ層には、キャリア濃度が５×１０17／ｃｍ3 以下となる範囲でＳｉがドープされていてもよい。第３ＥＳＤ層は、ＳｉがドープされたＧａＮであり、Ｓｉ濃度（／ｃｍ3 ）と膜厚（ｎｍ）の積で定義される特性値が０．９×１０20〜３．６×１０20（ｎｍ／ｃｍ3 ）である。たとえば、第３ＥＳＤ層の厚さを３０ｎｍとする場合にはＳｉ濃度は３．０×１０18〜１．２×１０19／ｃｍ3 である。
そして、そのＥＳＤ層１０５の上に、膜厚２０ｎｍのノンドープのＧａＮと膜厚３ｎｍのノンドープのＧａ0.8Ｉｎ0.2Ｎからなる３周期分積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１０６が形成されている。発光層１０６の上にはマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから成る膜厚約６０ｎｍのクラッド層に相当するｐ型層１０７が形成されている。さらに、ｐ型層１０７の上にはマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮから成る膜厚約１３０ｎｍのｐ型コンタクト層１０８が形成されている。
また、ｐ型コンタクト層１０８の上にはＭＯＣＶＤ法により形成されたＩＴＯから成る透明導電膜２０が形成されている。その透明導電膜２０の上には、ＳｉＯ2 から成る第１絶縁性保護膜２１が形成されている。透明導電膜２０の厚さは０．３μｍである。第１絶縁性保護膜２１は、厚さ、２００ｎｍである。第１絶縁性保護膜２１の上には、Ａｌ又はＡｇから成る反射膜５０が厚さ１００ｎｍに形成されている。その上に、第２絶縁性保護膜２２が厚さ２００ｎｍに形成されている。したがって、反射膜５０は、第１絶縁性保護膜２１と第２絶縁性保護膜２２とが一体となった絶縁性保護膜の中に埋設されていることになる。また、第１絶縁性保護膜２１と第２絶縁性保護膜２２と反射膜５０を貫通して開けられた窓には、透明導電膜２０に接合する第２中間電極４０が形成されている。第２中間電極４０は、厚さ０．０１μｍのチタン（Ｔｉ）と、厚さ０．５μｍの金（Ａｕ）との２重構造で構成されている。また、第２中間電極４０は、ＴｉとＡｕの合金で構成されていても良い。
一方、ｐ型コンタクト層１０８からエッチングして、露出したｎ型コンタクト層１０４上には、第１中間電極３０が形成されている。第１中間電極３０は２重構造をしており、膜厚約１８ｎｍのバナジウム（Ｖ）層３１と、膜厚約１．８μｍのアルミニウム（Ａｌ）層３２とをｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分である電極形成部１６に、順次積層させることにより構成されている。そして、複数の第２中間電極４０を接続するように、矩形形状の第２電極７０と、複数の第１中間電極３０を接続するように、矩形形状の第１電極６０とが、第２絶縁性保護膜２２の上に配設されている。これらの第２電極７０と第１電極６０とは、リードフレームに接続されるバンプとなる。
本実施例に係る半導体発光素子１は、上記の構成から成る。次に、本半導体発光素子１の製法について説明する。
（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。
（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。
（誘電体の形成工程）
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。
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。
（バッファ層形成工程）
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、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。
なお、通常は、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に、ＡｌＮから成るバッファ層１０２を形成する前にサファイア基板１０を１０００℃以上に加熱する処理を行うが、本実施例では、このダメージ回復の熱処理は行わず、溝１１の側面１１ａや溝１１の底面１１ｂにＩＣＰエッチングによるダメージが残った状態でＡｌＮ層を形成する。
以下のＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ3 ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）、キャリアガスとしてＨ2 またはＮ2 である。
（昇温工程）
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。
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。
（結晶成長工程）
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。
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。
ここで、基底層１０３のＧａＮ結晶がサファイア基板１０の表面１０ａや溝１１の底面１１ｂからは成長しないようにし、かつ溝１１の側面１１ａから成長するＧａＮ結晶の成長方向としてｃ軸方向の成長が支配的となるように、ＡｌＮのバッファ層１０２の厚さと、ＧａＮ１３の成長温度を調整する。たとえば、ＡｌＮのバッファ層１０２の厚さを、ＧａＮをサファイア基板の主面に垂直な方向をＧａＮのｃ軸方向として、そのｃ軸方向へ平坦にエピタキシャル成長させる際にサファイア基板とＧａＮとの間に設けるＡｌＮのバッファ層の最小厚さよりも薄くし、基底層１０３のＧａＮ結晶の成長温度は、通常ＧａＮをサファイア基板の主面に垂直な方向をｃ軸方向としてエピタキシャル成長させる際の成長温度よりも低い温度とすればよい。このような最小厚さのＡｌＮのバッファ層１０２は、通常スパッタ時間を４０秒として形成しており、これは厚さにして１５０〜２００Åである。また、通常ＧａＮをサファイア基板の主面に垂直な方向をｃ軸方向としてエピタキシャル成長させる際の成長温度は、１１００℃よりも高い温度である。よって、ＡｌＮのバッファ層１０２の厚さを１５０Å以下、ＧａＮの成長温度を１１００℃以下とすることで、基底層１０３のＧａＮ結晶がサファイア基板１０の表面１０ａや溝１１の底面１１ｂからは成長しないようにし、かつ溝１１の側面１１ａから成長するＧａＮ結晶の成長方向としてｃ軸方向の成長が支配的となるようにすることができる。
このようにして基底層１０３のＧａＮ結晶を結晶成長させると、ＧａＮ結晶はｃ軸方向（−ｃ方向）、すなわちサファイア基板１０に対して水平に溝１１の内側方向へ早く成長していき、サファイア基板１０に垂直な方向へも少しずつ成長していく（図４（ｃ））。そしてさらに成長が進むと、溝１１はＧａＮによって埋められ、サファイア基板１０に水平な方向（−ｃ方向と＋ｃ方向の双方）への成長によってサファイア基板１０の表面１０ａも次第にＧａＮに覆われていき、最後にはサファイア基板１０上に平坦なＧａＮ結晶が形成される（図４（ｄ））。この基底層１０３のＧａＮ結晶の主面は、ｍ面となる。これは、サファイア基板１０の溝１１の側面１１ａがｃ面であるためであり、ＧａＮとサファイアとの格子定数の違いなどに起因するものである。
また、誘電体１５の上面１５ａや、側面１５ｂからは、ＧａＮ結晶１３は成長しない。ストライプ状の誘電体１５の第１方向（ｘ軸方向）の両側において、溝１１の側面１１ａから横方向成長したＧａＮ結晶が、誘電体１５の上面１５ａの上に横方向に成長して、合体する。以上に示した製造方法により、結晶性、表面平坦性の高い、ｍ面を主面とする基底層１０３のＧａＮ結晶が得られる。このようにして、ＧａＮ結晶から成る基底層１０３を形成した。
次に、基底層１０３のＧａＮ結晶の上に、各素子層を形成した。すなわち、各III 族窒化物半導体のエピタキシャル成長の、それぞれ、最適温度に調整しつつ、ＭＯＣＶＤ法によってIII 族窒化物半導体からなるｎ型コンタクト層１０４、ＥＳＤ層１０５、発光層１０６、ｐ型層１０７、ｐ型コンタクト層１０８を順に積層させた。
以上の各素子層のエピタキシャル成長については、良く知られた方法である。各層を基底層１０３の上にエピタキシャル成長させた。次に、ｐ型コンタクト層１０８の上の全面に、ＩＴＯを、厚さ０．３μｍで、一様に堆積させて透明導電膜２０を形成した。次に、その透明導電膜２０の上の全面に、フォトレジストを塗布して、図１のｎ型コンタクト層１０４の電極形成部１６に該当する部分を露光して、現像することにより、その部分に窓を形成した。そして、残された透明導電膜２０とフォトレジストをマスクとして、ドライエッチングして、ｎ型コンタクト層１０４を露出させて電極形成部１６を形成した。次に、フォトレジストの塗布、現像、フォトリソグラフィによる良く知られた選択成膜技術を用いて、第１中間電極３０と第２中間電極４０を形成する領域を除いて、第１絶縁性保護膜２１、反射膜５０、第２絶縁性保護膜２２を順次、堆積させた。次に、同様にフォトリソグラフィを用いて、ｎ型コンタクト層１０４に接合する第１中間電極３０と、透明導電膜２０に接合する第２中間電極４０を堆積させた。次に、複数の第１中間電極３０を接続するように第１電極６０と、複数の第２中間電極４０を接続するように第２電極７０とを堆積させて、半導体発光素子を完成させた。
このような半導体発光素子１は、溝１１の長さ方向に伝搬する光を誘電体１５で散乱させることができるため、外部への光取り出し効率が向上する。
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。
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。
実施例２として、図５に示すサファイア基板８０を用いた。サファイア基板８０は、実施例１と同様に、ストライプ状の溝１１が多数形成された図１に示すサファイア基板である。このサファイア基板８０の上に、ＳｉＯ2 から成る誘電体８５をドット状に形成した。このサファイア基板８０を、基底層１０３の成長基板に用いて、同様に、図３の構成の半導体発光素子１を形成した。この誘電体８５は、直径１．５μｍの円柱とし、サファイア基板８０の表面８０ａ上の厚さを０．１μｍとした。誘電体８５は、溝１１の第２方向の全幅を完全に埋めており、溝１１の両側に存在する凸部１２の上面であるサファイア基板８０の上面８０ａには、その凸部１２の幅の１／２を覆っている。誘電体８５は、第２方向（ｙ軸方向）の直線に沿って配列されているが、不連続である。このような構成の半導体発光素子は、発光した光が、ドット状に分散する誘電体８５により、効果的に散乱されるために、外部への光取り出し効率が向上する。なお、この誘電体８５は、第２方向に伸びた直線上に配列させているが、サファイア基板８０の平面上に不規則に配列させても良い。また、誘電体８５は凸部１２の全幅を覆っていても良い。
実施例３として、図６に示すサファイア基板９０を用いた。サファイア基板９０は、実施例１と同様に、ストライプ状の溝１１が多数形成された図１に示すサファイア基板である。このサファイア基板９０の上に、ＳｉＯ2 から成る誘電体９５をドット状に形成した。このサファイア基板９０を、基底層１０３の成長基板に用いて、同様に、図３の構成の半導体発光素子１を形成した。この誘電体９５は、直径１．５μｍの円柱とし、サファイア基板９０の表面９０ａ上の厚さを０．１μｍとした。誘電体９５は、サファイア基板９０の凸部１２の表面９０ａの第２方向の全幅を完全に覆っており、溝１１の第２方向の幅の１／２を埋めている。誘電体９５は、第２方向（ｙ軸方向）の直線に沿って配列されているが、不連続である。このような構成の半導体発光素子は、発光した光が、ドット状に分散する誘電体９５により、効果的に散乱されるために、外部への光取り出し効率が向上する。なお、この誘電体９５は、第２方向に伸びた直線上に配列させているが、サファイア基板９０の平面上に不規則に配列させても良い。また、誘電体９５は溝１１の第２方向の全幅を覆っていても良い。
溝１１の側面１１ａからのみ、III 族窒化物半導体を側面に垂直に、成長させる横方向成長としては、以下の方法を用いることができる。
（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。
（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。
（２）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、ストライプ状の溝が形成されたサファイア基板を、水素とアンモニアを含む雰囲気中で、III 族窒化物半導体の成長温度まで昇温させた後に、加工されたサファイア基板の溝の側面からIII 族窒化物半導体を成長させる方法 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。
（３）溝の加工が施されたサファイア基板を加熱処理し、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方法。
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。
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。
この方法では、サファイア基板の高温水素ガス処理のみも有効であるが、積極的にアルミニウム源を供給して、金属アルミニウム層を形成しても良い。サファイア基板の高温水素ガス処理は言わばエッチングと還元反応によりサファイア基板に存在したアルミニウム原子を表面に出すものであり、アルミニウム源を供給する場合は、新たにアルミニウム原子を付加形成するものである。アルミニウム源としては、特にサファイア基板表面との反応制御の面から、有機アルミニウム化合物が好ましく、アルキルアルミニウム、特にトリメチルアルミニウムが好ましい。アルミニウム源を供給せず、サファイア基板表面の高温水素ガス処理を行う場合、例えばその後一旦基板温度を３００〜４２０℃に下げたのち、窒化処理を行うと、より良い。サファイア基板の高温水素ガス処理は、所定時間保持するほか、目標温度に達したのちすぐに冷却することでも良い。この場合は、目標温度に達する前後の時間でサファイア基板の高温水素ガス処理がされる。
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。
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。
各実施例では、成長基板の溝形成にＩＣＰエッチングを用いているが、他のドライエッチング法を用いてもよく、ドライエッチング以外のエッチング法を用いてもよい。また、各実施例では、バッファ層としてＡｌＮを用いているが、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどを用いてもよい。特に成長基板としてサファイアを用いる場合には、格子整合性などの点からバッファ層材料のＡｌ組成比は高いことが望ましく、ＡｌＮが最も望ましい。また、バッファ層形成のスパッタは、実施例では反応性マグネトロンスパッタを用いたが、他の任意のスパッタ法を用いることができる。
また、実施例はＧａＮ結晶を基底層としているが、本発明はＧａＮに限らず、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどIII 族窒化物半導体を基底層としても良い。また、面方位についても、実施例のようにｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体に限らず、成長基板の主面の面方位、成長基板に形成した溝側面の面方位、成長基板の格子定数を考慮することで、任意の無極性面や半極性面を含む非極性面を主面とするIII 族窒化物半導体を形成することができる。たとえば、ｃ面を主面とするサファイア基板を用い、溝側面をａ面とすれば、ｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体を得ることができる。ｃ面を主面とするサファイア基板を用い、溝側面をｍ面とすれば、ａ面を主面とするIII 族窒化物半導体を得ることができる。ｍ面を主面とするサファイア基板を用い、溝側面をａ面とすれば、ｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体を得ることができる。また、ｍ面を主面とするサファイア基板を用い、溝側面をｃ面とすれば、ａ面を主面とするIII 族窒化物半導体を得ることができる。
極性方向が異なる結晶となることを回避するために、溝側面のうち、いくつかの面にマスク等を形成してIII 族窒化物半導体結晶を成長させないようにしてもよい。たとえば、ストライプ状に形成された溝１１の２つの側面１１ａのうち、一方の側面１１ａにマスクを形成して、他方の側面１１ａからのみIII 族窒化物半導体を成長させれば、得られるIII 族窒化物半導体の極性方向は一方向のみであり、良質なIII 族窒化物半導体が得られる。
また、溝１１の側面１１ａを傾斜させるなどして結晶成長しづらい面方位とすることで、極性方向の混在を回避してもよい。たとえば、成長基板としてサファイア基板を用いる場合、側面１１ａがサファイアｃ面又はａ面と成す角が小さいほど成長しやすく、側面ａをｃ面又はａ面とするのが最も成長しやすい。そこで、たとえばIII 族窒化物半導体を結晶成長させる溝１１の側面１１ａをｃ面とし、それ以外の結晶成長させたくない側面１１ａをｃ面に対して傾斜させることで、極性方向の混在を回避することが可能である。
上記全実施例において、第１絶縁性保護膜２１と第２絶縁性保護膜２２とは、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）で形成したが、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、五酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）等の金属酸化物、若しくはポリイミド等の電気絶縁性を有する樹脂材料から形成することもできる。また、反射膜５０は、Ａｇ、Ａｌの他、Ａｌ又はＡｇを主成分として含む合金から形成することもできる。その他、反射膜５０は、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、または、これらの金属を少なくとも１種類以上含んだ合金より形成しても良い。また、反射膜５０は、屈折率の異なる２つの材料の複数の層から形成される分布ブラッグ反射膜（DBR ）であってもよい。
第２中間電極４０は、透明導電膜２０に接合するＮｉ層と、Ａｕ層、Ａｌ層の３層で構成しても良い。表面がＡｕから成り、ＡｕとＳｎとの合金から成るバンプ電極としての第１電極６０及び第２電極７０は、Ｔｉから成る第１層、Ｎｉから成る第２層、Ｔｉから成る第３層、Ｎｉから成る第４層を介して、それぞれ、第１中間電極３０と第２中間電極４０とに接合されている。それぞれの第１層のＴｉは、第１中間電極３０と第２中間電極４０の接合強度を増加させるものである。第２層から第４層は、はんだのＳｎの拡散を防止するための層である。また、第１中間電極３０としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｖ、Ｉｒ、及びＲｈの金属よりなる群から選ばれた少なくとも１種の金属を用いることができる。第１電極６０と第２電極７０とは、めっき法、スクリーン印刷法、スパッタ蒸着法等により形成することができる。透明導電膜２０は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等により形成することもできる。
本発明は、半導体発光素子の光取り出し効率の向上に用いることができる。
１…半導体発光素子
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
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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