JP5306904B2

JP5306904B2 - 窒化物半導体発光ダイオード素子およびその製造方法

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Description

本発明は、窒化物半導体発光ダイオード素子およびその製造方法に関する。

ｎ型の化合物半導体層とｐ型の化合物半導体層とを活性層を介して接合した半導体発光素子に電圧を加えることにより、ｎ型の化合物半導体層に含まれる電子と、ｐ型の化合物半導体層中に含まれる正孔とを再結合させることによる発光を利用した半導体発光素子が従来から知られている。

半導体発光素子としては、たとえば発光ダイオード素子が市販されており、発光ダイオード素子は電子と正孔とが効率良く再結合する直接遷移型半導体を利用しているため、発光する効率が非常に高い。このため、現在では家電製品のディスプレイや、道路の信号機の表示および照明などに利用されている。

上述のディスプレイや照明に用いられている白色発光ダイオード装置は、青色発光ダイオード素子と、黄色の領域に蛍光波長を有するＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などの蛍光体とを組み合わせて作製される。

ここで、青色発光ダイオード素子は、窒化物半導体層の積層構造体が用いられている。青色発光ダイオード素子として、一般的に実用化されている窒化物半導体層の積層構造体は、サファイア基板上に、ｎ型ＧａＮ層、活性層およびｐ型ＧａＮ層を順に積層した構造である。なお、サファイア基板は絶縁体であるため、ｐ型ＧａＮ層から少なくともｎ型ＧａＮ層に達するまでエッチングを行ない、ｎ型ＧａＮ層とオーミック接続するｎ型用電極がｎ型ＧａＮ層の露出面上に設けられる。

また、近年では、上述のサファイア基板の代わりに、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いた青色発光ダイオード素子も提案されている（たとえば特許文献１参照）。

図１６（ａ）に、従来の青色発光ダイオード素子の１種である特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤの作製に用いられるｎ型ＧａＮ基板の模式的な平面図を示し、図１６（ｂ）に、図１６（ａ）のＸＶＩｂ−ＸＶＩｂに沿った模式的な断面図を示す。

ここで、図１６（ａ）に示すように、特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤの作製に用いられるｎ型ＧａＮ基板１０１の表面には、一方向に伸長する線状の転位束集中領域１０８が周期的に配置されており、図１６（ｂ）に示すように、転位束集中領域１０８の側面はｎ型ＧａＮ基板１０１の表面に対して傾斜している。なお、図１６（ａ）の破線で囲まれたｎ型ＧａＮ基板の表面領域に、特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤが作製される。

図１７（ａ）に、特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤの模式的な平面図を示し、図１７（ｂ）に、図１７（ａ）のＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂに沿った模式的な断面図を示す。

ここで、特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤは、図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すｎ型ＧａＮ基板１０１の表面上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層１０２、活性層１０３およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０４がこの順序で積層され、ｐ側電極１０６がｐ型ＧａＮ系半導体層１０４の表面上に形成され、ｎ側電極１０５がｐ側電極１０６の周囲の一部を取り囲むようにｎ型ＧａＮ系半導体層１０２の表面上に形成された構造を有している。

そして、特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１０１の転位束集中領域１０８の上方に対応するｎ型ＧａＮ系半導体層１０２の一部、活性層１０３およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０４がそれぞれ除去されており、転位束集中領域１０８の上方に対応するｎ型ＧａＮ系半導体層１０２の表面領域にｎ側電極１０５が形成されている。

以上のような構造を有する特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤにおいては、ｐ側電極１０６の下方に対応する活性層１０３の領域である発光領域が、転位束集中領域１０８の上方に位置していないため、転位束集中領域１０８に起因する短絡不良などの素子への悪影響を防止することができるとともに、ｎ側電極１０５とｎ型ＧａＮ系半導体層１０２との直列抵抗が小さくなって素子の動作電圧を低減することができるとされている。

特開２００６−１５６５０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤにおいては、転位束集中領域１０８の上方のｎ型ＧａＮ系半導体層１０２の表面領域にｎ側電極１０５を形成する際に、ｎ側電極１０５と活性層１０３との間に電流リークが発生するのを防止するため、ｎ側電極１０５と活性層１０３との間に十分な広さの領域を確保する必要があった。そのため、特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤにおいては、１つの素子内に形成される活性層１０３の面積が小さくなることから、素子の発光領域を大面積化することができないという問題があった。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、転位束集中領域を含む窒化物半導体基板を有する窒化物半導体発光素子において、素子の発光領域を大面積化することができる窒化物半導体発光ダイオード素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明は、転位束集中領域を含むｎ型窒化物半導体基板と、ｎ型窒化物半導体基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層およびｐ型窒化物半導体層をこの順序で有する窒化物半導体積層構造体と、を含み、窒化物半導体積層構造体中に発光領域を有し、転位束集中領域に対応する窒化物半導体積層構造体の領域に誘電体領域を有し、ｐ型窒化物半導体層および誘電体領域のそれぞれの一部に接して設置されたｐ型用電極と、ｎ型窒化物半導体基板の窒化物半導体積層構造体の設置側とは反対側に設置されたｎ型用電極と、を有し、転位束集中領域の表面は、点状および線状の少なくとも一方の形状に形成されており、ｐ型用電極の少なくとも一部が、誘電体領域に沿うようにして配置されており、誘電体領域は、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムからなる群から選択された少なくとも１種の誘電体を含む単層膜、または単層膜が複数積層してなる多層膜を含み、転位束集中領域は、ｎ型窒化物半導体基板の表面において周期的に配置されており、転位束集中領域の周期の間隔は、１００μｍ以上１０００μｍ以下の間隔をあけて配置されており、ｐ型用電極は、誘電体領域の表面の全面を覆うとともに、窒化物半導体積層構造体の表面の一部を覆い、発光領域中に誘電体領域を有する窒化物半導体発光ダイオード素子である。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、転位束集中領域は、ｎ型窒化物半導体基板の表面においてランダムに配置されていてもよい。

本発明は、上記のいずれかの窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法であって、転位束集中領域を含むｎ型窒化物半導体基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層およびｐ型窒化物半導体層をこの順序で積層することによって窒化物半導体積層構造体を形成する工程と、転位束集中領域に対応する窒化物半導体積層構造体の領域をエッチングすることによって窒化物半導体積層構造体に孔を形成する工程と、窒化物半導体積層構造体の孔を誘電体で埋めることによって誘電体領域を形成する工程と、を含む、窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法である。

ここで、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法において、エッチングは、水酸化カリウム水溶液を用いて窒化物半導体積層構造体をウエットエッチングすることにより行なわれることが好ましい。

本発明によれば、転位束集中領域を含む窒化物半導体基板を有する窒化物半導体発光素子において、素子の発光領域を大面積化することができる窒化物半導体発光ダイオード素子およびその製造方法を提供することができる。

（ａ）は、本発明の窒化物半導体発光素子の一例である実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩｂ−Ｉｂに沿った模式的な断面図である。（ａ）は、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造に用いられるｎ型窒化物半導体基板の一例の模式的な平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂに沿った模式的な断面図である。実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子における誘電体領域の形成後の窒化物半導体積層構造体の表面の一例の模式的な平面図である。実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。（ａ）は、本発明の窒化物半導体発光素子の他の一例である実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＸｂ−ＩＸｂに沿った模式的な断面図である。（ａ）は、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造に用いられるｎ型窒化物半導体基板の一例の模式的な平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸｂ−Ｘｂに沿った模式的な断面図である。実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造途中のウエハの模式的な断面図である。（ａ）は、本発明の窒化物半導体発光素子の他の一例である実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な平面図を示し、（ｂ）は、（ａ）のＸＩＩｂ−ＸＩＩｂに沿った模式的な断面図を示す。本発明の窒化物半導体発光素子の他の一例である実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。（ａ）は、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造に用いられるｎ型窒化物半導体基板の一例の模式的な平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸＩＶｂ−ＸＩＶｂに沿った模式的な断面図である。実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造途中のウエハの模式的な断面図である。（ａ）は、従来の青色発光ダイオード素子の１種である特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤの作製に用いられるｎ型ＧａＮ基板の模式的な平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸＶＩｂ−ＸＶＩｂに沿った模式的な断面図である。（ａ）は、特許文献１に記載のＧａＮ系ＬＥＤの模式的な平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂに沿った模式的な断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

＜実施の形態１＞
図１（ａ）に、本発明の窒化物半導体発光素子の一例である実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な平面図を示し、図１（ｂ）に、図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂに沿った模式的な断面図を示す。

ここで、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、図１（ｂ）に示すように、転位束集中領域８を有するｎ型窒化物半導体基板１と、ｎ型窒化物半導体基板１の転位束集中領域８が形成された表面上に、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３およびｐ型窒化物半導体層４がこの順序で積層されてなる窒化物半導体積層構造体１１と、を有している。

そして、転位束集中領域８に対応する窒化物半導体積層構造体１１の領域１２（図１（ｂ）の破線で取り囲まれた領域）の一部に誘電体が埋め込まれた領域である誘電体領域７が形成されている。

また、窒化物半導体積層構造体１１の最上面となるｐ型窒化物半導体層４の表面の一部および誘電体領域７の表面にそれぞれ沿うようにしてｐ型用電極６が形成されており、ｎ型窒化物半導体基板１の窒化物半導体積層構造体１１の形成側と反対側の表面（転位束集中領域８の形成側と反対側の表面）にｎ型用電極５が形成されている。なお、ｐ型用電極６はｐ型窒化物半導体層４とオーミック接触しており、ｎ型用電極５はｎ型窒化物半導体基板１とオーミック接触している。

また、図１（ａ）に示すように、窒化物半導体積層構造体１１から露出しているｎ型窒化物半導体基板１の表面の周縁部分にも、点状の転位束集中領域８が露出している。

ｎ型窒化物半導体基板１としては、たとえば従来から公知のｎ型窒化物半導体からなる基板を用いることができ、たとえば、Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_z1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型不純物をドーピングして形成された基板などを用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、ｘ１はＡｌの組成比を示し、ｙ１はＩｎの組成比を示し、ｚ１はＧａの組成比を示す。また、ｎ型不純物としては、たとえばシリコンおよび／またはゲルマニウムなどを用いることができる。

ここで、転位束集中領域８は、ｎ型窒化物半導体基板１の表面において結晶欠陥が局在している領域であり、たとえば光学顕微鏡などで観察して特定することができる。

ｎ型窒化物半導体層２としては、たとえば従来から公知のｎ型窒化物半導体を用いることができ、たとえば、Ａｌ_x2Ｉｎ_y2Ｇａ_z2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型不純物をドーピングして形成された層の単層または複数層などを用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、ｘ２はＡｌの組成比を示し、ｙ２はＩｎの組成比を示し、ｚ２はＧａの組成比を示す。また、ｎ型不純物としては、たとえばシリコンおよび／またはゲルマニウムなどを用いることができる。

活性層３としては、たとえば従来から公知の窒化物半導体を用いることができ、たとえば、Ａｌ_x3Ｉｎ_y3Ｇａ_z3Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≠０）の式で表わされるアンドープの窒化物半導体結晶またはこの式で表わされる窒化物半導体結晶にｐ型不純物およびｎ型不純物の少なくとも一方をドーピングして形成された層の単層または複数層などを用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、ｘ３はＡｌの組成比を示し、ｙ３はＩｎの組成比を示し、ｚ３はＧａの組成比を示す。また、活性層３は、従来から公知の単一量子井戸（ＳＱＷ）構造または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する構成であってもよい。

ｐ型窒化物半導体層４としては、たとえば従来から公知のｐ型窒化物半導体を用いることができ、たとえば、Ａｌ_x4Ｉｎ_y4Ｇａ_z4Ｎ（０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｚ４≦１、ｘ４＋ｙ４＋ｚ４≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｐ型不純物をドーピングして形成された層の単層または複数層などを用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、ｘ４はＡｌの組成比を示し、ｙ４はＩｎの組成比を示し、ｚ４はＧａの組成比を示す。また、ｐ型不純物としては、たとえばマグネシウムおよび／または亜鉛などを用いることができる。

ｎ型用電極５としては、たとえば、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｌ（アルミニウム）およびＮｉ（ニッケル）からなる群から選択された少なくとも１種を含む金属層の単層、またはその単層の金属層を複数積層してなる複数層などを用いることができる。

ｐ型用電極６としては、たとえば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｄ、ＡｌおよびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種を含む金属層の単層、またはその単層の金属層を複数積層してなる複数層などを用いることができる。

誘電体領域７に用いられる誘電体としては、従来から公知の誘電体を用いることができるが、たとえば、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムからなる群から選択された誘電体を含む単層膜、またはその単層膜が複数積層してなる多層膜などを用いることができる。

実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、たとえば以下のようにして製造することができる。

まず、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す構造を有するｎ型窒化物半導体基板１を用意する。ここで、図２（ａ）は、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造に用いられるｎ型窒化物半導体基板１の模式的な平面図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂに沿った模式的な断面図を示している。なお、図２（ａ）の破線で囲まれた領域が、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子が形成されるｎ型窒化物半導体基板１の表面領域となる。

ここで、ｎ型窒化物半導体基板１の表面には、点状の転位束集中領域８が複数形成されており、ｎ型窒化物半導体基板１の表面に形成された複数の転位束集中領域８が間隔Ｐ１をあけて周期的に配列されている。転位束集中領域８を周期的に配置することにより、転位束集中領域８に対応する領域１２以外の窒化物半導体積層構造体１１の領域の平均欠陥密度を均一に低下させることができるため、領域１２以外の窒化物半導体積層構造体１１の領域で均一に結晶性に優れた窒化物半導体積層構造体１１を作製することが可能となる。

また、転位束集中領域８の周期の間隔Ｐ１は、たとえば１００μｍ以上１０００μｍ以下とすることができる。

なお、本発明において、転位束集中領域８が周期的に配列されていると言えるためには、転位束集中領域８の周期の間隔Ｐ１がすべて同一であってもよいことは言うまでもないが、すべて同一である必要はなく、転位束集中領域８の周期の間隔Ｐ１の最大値と最小値との差の絶対値が５００μｍ以下であればよい。

また、転位束集中領域８の表面の形状は、特に限定されないが、転位束集中領域８の表面の形状が点状および／または線状である場合には、転位束集中領域８に対応する領域１２以外の窒化物半導体積層構造体１１の領域の平均欠陥密度を低下することができる傾向が大きくなる点で好ましく、転位束集中領域８に対応する領域１２以外の窒化物半導体積層構造体１１の領域の平均欠陥密度をさらに低下させる観点からは、転位束集中領域８の表面の形状が線状であることがより好ましい。

なお、窒化物半導体積層構造体１１の平均欠陥密度は、ｎ型窒化物半導体基板１の表面の転位束集中領域８に引き継がれた欠陥が集中的に形成された窒化物半導体積層構造体１１の領域１２（欠陥集中領域）の欠陥密度に大きく影響される。

次に、図３の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体基板１の転位束集中領域８が形成された表面上に、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３およびｐ型窒化物半導体層４をこの順序で積層することによって窒化物半導体積層構造体１１を形成する。

ここで、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３およびｐ型窒化物半導体層４は、たとえば、ｎ型窒化物半導体基板１をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内に設置した後に、ＭＯＣＶＤ法によって窒化物半導体結晶を結晶成長させることにより形成することができる。

なお、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３およびｐ型窒化物半導体層４を構成するそれぞれの窒化物半導体結晶の結晶成長時において、ｎ型窒化物半導体基板１の表面の転位束集中領域８に引き継がれるようにして転位束集中領域８の上方の窒化物半導体積層構造体１１の領域１２に欠陥が集中的に形成されることによって、窒化物半導体積層構造体１１の領域１２は欠陥集中領域となる。

その後、ｎ型窒化物半導体基板１の表面上に窒化物半導体積層構造体１１が形成されたウエハを熱処理することによって、ｐ型窒化物半導体層４のアニールが行なわれる。

次に、図４の模式的断面図に示すように、窒化物半導体積層構造体１１の表面上に所定の開口部を有する保護マスク９を形成する。ここで、保護マスク９には、欠陥集中領域である窒化物半導体積層構造体１１の領域１２の少なくとも一部の表面が露出するように開口部が設けられる。

また、保護マスク９としては、たとえば、後述するエッチング液に耐性のある、フォトレジスト、金属または絶縁物などを用いることができる。

次に、図５の模式的断面図に示すように、窒化物半導体積層構造体１１の保護マスク９の開口部から露出した部分から窒化物半導体積層構造体１１をエッチングして除去することにより窒化物半導体積層構造体１１に孔１０を形成し、その後に保護マスク９をすべて除去する。

ここで、窒化物半導体積層構造体１１のエッチングによる孔１０の形成は、窒化物半導体積層構造体１１の厚さ方向にｐ型窒化物半導体層４、活性層３、およびｎ型窒化物半導体層２の一部をそれぞれ除去するようにして行なわれる。

また、窒化物半導体積層構造体１１のエッチングは、たとえば、ウエットエッチングおよび／またはドライエッチングにより行なうことができ、なかでも、水酸化カリウム水溶液をエッチング液としたウエットエッチングにより行なうことが好ましい。窒化物半導体積層構造体１１のエッチングを、水酸化カリウム水溶液をエッチング液としたウエットエッチングにより行なった場合には、窒化物半導体積層構造体１１のエッチングを簡便に行なうことができるとともに、短時間で効率的に行なうことができる傾向にある。欠陥集中領域となる窒化物半導体積層構造体１１の領域１２は、ｎ型窒化物半導体基板１の表面の転位束集中領域８以外の領域の上方の窒化物半導体積層構造体１１の領域と比較してエッチングレートが高いため、窒化物半導体積層構造体１１のウエットエッチングによる除去が可能となる。特に、水酸化ナトリウム水溶液などのエッチングに異方性があるエッチング液である場合には、窒化物半導体積層構造体１１を効率的にエッチングすることができる。

次に、図６の模式的断面図に示すように、窒化物半導体積層構造体１１に形成された孔１０の少なくとも一部を誘電体で埋め込むことによって誘電体領域７を形成する。

ここで、誘電体領域７を形成するのに用いられる誘電体としては、たとえば従来から公知の誘電体を用いることができ、なかでも、孔１０におけるｎ型窒化物半導体層２、活性層３およびｐ型窒化物半導体層４の側面の電流リークを防ぐために絶縁効果の高い誘電体を孔１０に配置する観点から、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムからなる群から選択された少なくとも１種の誘電体を含む単層膜、またはこの単層膜が複数積層してなる多層膜を用いることが好ましい。

また、誘電体領域７は、たとえば、以下のようにして形成することができる。まず、孔１０の少なくとも一部が埋まるように窒化物半導体積層構造体１１の最表面となるｐ型窒化物半導体層４の表面全面にたとえば酸化シリコンの単層膜からなる誘電体を形成する。ここで、誘電体としての酸化シリコンの単層膜は、たとえば、プラズマ化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition:CVD）またはスパッタ法などにより形成することができる。特に、プラズマＣＶＤ法は、絶縁性の良好な誘電体領域７を形成する点で好ましい。

なお、誘電体の形成方法は、上記の方法に限定されず、各々の誘電体に適した方法により形成することができる。

次に、上記のようにして形成された酸化シリコンの単層膜の表面に、たとえばフォトレジストなどの保護マスクを設置する。ここで、保護マスクは、誘電体領域７に対応する酸化シリコンの単層膜の表面領域以外の領域を露出させ、かつ誘電体領域７に対応する酸化シリコンの単層膜の表面領域を覆うようにして設けられる。

最後に、保護マスクから露出している酸化シリコンの単層膜の領域をたとえばフッ化水素水溶液などのエッチング液によって除去することによって、孔１０の少なくとも一部が誘電体で埋め込まれてなる誘電体領域７が形成される。

なお、誘電体領域７の形成に用いられるエッチング液もフッ化水素水溶液に限定されず、各々の誘電体に適したエッチング液を用いることができる。

図７に、上記の誘電体領域７の形成後の窒化物半導体積層構造体１１の表面の模式的な平面図を示す。ここで、誘電体領域７は窒化物半導体積層構造体１１の表面の中央に設けられており、誘電体領域７の表面は円形状に形成されている。

次に、図８の模式的断面図に示すように、窒化物半導体積層構造体１１の周縁の領域を除去することによってｎ型窒化物半導体基板１の表面を露出させて素子分割溝１３を形成する。

ここで、素子分割溝１３は、窒化物半導体積層構造体１１の周縁に開口部を設けた保護マスクを窒化物半導体積層構造体１１の表面上に設置した後に、たとえばドライエッチングなどによって窒化物半導体積層構造体１１の周縁を除去することによって形成することができる。

ただし、誘電体領域７の形成と同時に素子分割溝１３を形成している場合には、本工程を実施する必要はない。

次に、誘電体領域７の表面を覆うとともに、ｐ型窒化物半導体層４の表面の一部をも覆うようにしてｐ型用電極６を形成する。ここで、ｐ型用電極６は、たとえば、真空蒸着法またはスパッタ法などによって形成することができる。

次に、ｎ型窒化物半導体基板１の窒化物半導体積層構造体１１の設置側とは反対側の裏面の全面にｎ型用電極５を形成する。

最後に、素子分割溝１３に沿ってレーザ光若しくはダイヤペンでのスクライブまたはブレードによるダイシングにより複数のチップに分割することによって、分割されたそれぞれのチップに相当する実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子が作製される。

上記のようにして作製された実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、転位束集中領域８を含むｎ型窒化物半導体基板１が含まれているが、従来の特許文献１に記載されたＧａＮ系ＬＥＤのように、転位束集中領域８の上方に位置するｐ型窒化物半導体層４、活性層３、およびｎ型窒化物半導体層２の一部を除去してｎ型用電極の形成領域を設ける必要がないため、活性層３における発光領域の大面積化が可能となる。

また、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、電流のリークパスになる欠陥集中領域（窒化物半導体積層構造体１１の領域１２）の少なくとも一部に誘電体領域７を形成し、窒化物半導体積層構造体１１の最表面となる誘電体領域７の表面およびｐ型窒化物半導体層４の表面の一部にそれぞれ接するようにｐ型用電極６を形成することによって、静電耐圧（ＥＳＤ：Electrostatic discharges）が向上するため、素子の信頼性を向上させることができる。

また、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｐ型用電極６の直下に誘電体領域７が形成されていることから、ｐ型用電極６の直下の領域に電流が流れるのを抑止できる。これにより、ｐ型用電極６の直下で発生した光をｐ型用電極６の吸収によって取り出すことができないという事態が発生するのを抑止することができるため、窒化物半導体発光ダイオード素子の光取り出し効率を向上させることができる。

また、転位束集中領域８の周期の間隔Ｐ１を小さくすればするほど転位束集中領域８の上方の窒化物半導体積層構造体１１の領域１２以外の領域における平均欠陥密度を低下することが可能となる一方で、転位束集中領域８の上方の窒化物半導体積層構造体１１の領域１２（欠陥集中領域）における平均欠陥密度が大きくなるため、窒化物半導体積層構造体１１の欠陥集中領域の有効利用が難しくなる。

そこで、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、転位束集中領域８の直上の窒化物半導体積層構造体１１の欠陥集中領域（領域１２）の少なくとも一部をエッチングにより除去して誘電体領域７とし、誘電体領域７に電流拡がり用の電極を配置することにより、窒化物半導体積層構造体１１の欠陥集中領域を効率的に利用することが可能となる。

＜実施の形態２＞
図９（ａ）に、本発明の窒化物半導体発光素子の他の一例である実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な平面図を示し、図９（ｂ）に、図９（ａ）のＩＸｂ−ＩＸｂに沿った模式的な断面図を示す。

ここで、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子は、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子とほぼ同様の構造を有しているが、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べてｎ型窒化物半導体基板１の表面における転位束集中領域８の周期の間隔が小さくなっている点に特徴がある。

実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、ｎ型窒化物半導体基板１の表面の転位束集中領域８の周期の間隔が小さくなっているため、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて転位束集中領域８に対応する窒化物半導体積層構造体１１の領域１２以外の領域における平均欠陥密度をより低下させることができ、結晶品質に優れた活性層３の発光領域を形成することができる。

なお、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、転位束集中領域８の周期の間隔が小さくなっていることに伴い、誘電体領域７の周期の間隔も小さくなっていることから、誘電体領域７の表面に接するｐ型用電極６の形状も変更されている。

実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子は、たとえば以下のようにして製造することができる。

まず、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す構造を有するｎ型窒化物半導体基板１を用意する。ここで、図１０（ａ）は、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造に用いられるｎ型窒化物半導体基板１の模式的な平面図を示し、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＸｂ−Ｘｂに沿った模式的な断面図を示している。

ここで、ｎ型窒化物半導体基板１の表面には、点状の転位束集中領域８が複数形成されており、ｎ型窒化物半導体基板１の表面に形成された複数の転位束集中領域８が間隔Ｐ２をあけて周期的に配列されている。本実施の形態における転位束集中領域８の周期の間隔Ｐ２は、実施の形態１における転位束集中領域８の周期の間隔Ｐ１よりも狭くなっている。

なお、図１（ａ）の破線で囲まれた領域よりも広い面積を有する図１０（ａ）の四角形状の実線で囲まれた領域を、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子が形成されるｎ型窒化物半導体基板１の表面領域とすることができるため、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べてさらなる発光領域の大面積化が可能となる。

その後は、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子と同様にして実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製することができる。

図１１に、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造途中のウエハの模式的な断面図を示す。ここで、図１１に示すウエハは、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子１個当たりに複数（本実施の形態では９個）の誘電体領域７が設置されるように形成される。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１と同様であるため、ここではその説明については省略する。

＜実施の形態３＞
図１２（ａ）に、本発明の窒化物半導体発光素子の他の一例である実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な平面図を示し、図１２（ｂ）に、図１２（ａ）のＸＩＩｂ−ＸＩＩｂに沿った模式的な断面図を示す。

ここで、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子は、ｎ型窒化物半導体基板１の表面における転位束集中領域８の表面形状が点状ではなく、ｎ型窒化物半導体基板１の表面に沿って一方向に伸長する線状に形成されている点で、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子と異なっている。

線状の転位束集中領域８は、点状の転位束集中領域８と比べて面積が大きいため、転位束集中領域８に対応する窒化物半導体積層構造体１１の領域１２により多くの欠陥が集中して、窒化物半導体積層構造体１１の領域１２以外の領域における平均欠陥密度をより低下させることができることから、実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子よりもさらに結晶品質に優れた活性層３の発光領域を形成することができる。

また、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、転位束集中領域８の表面形状が線状であることに伴って、誘電体領域７の表面形状も線状となるため、線状のｐ型用電極６の直下に表面形状が線状である電流の非注入領域を作製することが可能になる。これにより、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、転位束集中領域８の表面形状が点状である実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子と比較して、光取り出し効率を向上させることができる。

なお、実施の形態３の窒化物半導体発光ダイオード素子は、誘電体領域７の表面形状を線状に形成すること以外は実施の形態２の窒化物半導体発光ダイオード素子と同様にして作製することができる。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態２と同様であるため、ここではその説明については省略する。

＜実施の形態４＞
図１３に、本発明の窒化物半導体発光素子の他の一例である実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図を示す。ここで、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子は、ｎ型窒化物半導体基板１の表面において転位束集中領域８がランダムに形成されている点に特徴がある。

実施の形態１〜３で用いられたｎ型窒化物半導体基板１のように、ｎ型窒化物半導体基板１の転位束集中領域８の表面形状が点状および／または線状である場合と比べて、転位束集中領域８に対応する窒化物半導体積層構造体１１の領域１２以外の領域の平均欠陥密度は低下するが、ｎ型窒化物半導体基板１自体は安価に入手することが可能である。

実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子は、たとえば以下のようにして製造することができる。

まず、図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示す構造を有するｎ型窒化物半導体基板１を用意する。ここで、図１４（ａ）は、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造に用いられるｎ型窒化物半導体基板１の模式的な平面図を示し、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＸＩＶｂ−ＸＩＶｂに沿った模式的な断面図を示している。

実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造に用いられるｎ型窒化物半導体基板１の表面には、点状の転位束集中領域８の複数がランダムに形成されている。

その後は、実施の形態１〜３の窒化物半導体発光ダイオード素子と同様にして実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製することができる。

図１５に、実施の形態４の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造途中のウエハの模式的な断面図を示す。図１５に示すウエハにおいては、ｎ型窒化物半導体基板１の表面にランダムに形成された点状の転位束集中領域８の上方に対応する領域に誘電体領域７が設けられている。

ここで、誘電体領域７は、たとえば、電流のリークパスとなる窒化物半導体積層構造体１１の領域１２を水酸化カリウム水溶液などのエッチング液を用いたウエットエッチングなどにより除去して孔を形成し、その孔にたとえば酸化シリコンなどの誘電体を埋め込むことにより形成することができる。

また、誘電体の埋め込みは、たとえば、上記の孔が形成された窒化物半導体積層構造体１１の表面の全面にたとえば酸化シリコンなどの誘電体層を形成した後に、孔に埋め込まれた誘電体層だけを残すように窒化物半導体積層構造体１１の表面の誘電体層をケミカルメカニカルポリッシュ（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polish）などで除去することによって行なうことができる。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１〜３と同様であるため、ここではその説明については省略する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に利用することができ、特に、窒化物半導体発光ダイオード素子およびその製造方法に好適に利用することができる。

１ｎ型窒化物半導体基板、２ｎ型窒化物半導体層、３活性層、４ｐ型窒化物半導体層、５ｎ型用電極、６ｐ型用電極、７誘電体領域、８転位束集中領域、９保護マスク、１０孔、１１窒化物半導体積層構造体、１２領域、１３素子分割溝、１０１ｎ型ＧａＮ基板、１０２ｎ型ＧａＮ系半導体層、１０３活性層、１０４ｐ型ＧａＮ系半導体層、１０５ｎ側電極、１０６ｐ側電極、１０８転位束集中領域。

Claims

転位束集中領域を含むｎ型窒化物半導体基板と、
前記ｎ型窒化物半導体基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層およびｐ型窒化物半導体層をこの順序で有する窒化物半導体積層構造体と、を含み、
前記窒化物半導体積層構造体中に発光領域を有し、
前記転位束集中領域に対応する前記窒化物半導体積層構造体の領域に誘電体領域を有し、
前記ｐ型窒化物半導体層および前記誘電体領域のそれぞれの一部に接して設置されたｐ型用電極と、
前記ｎ型窒化物半導体基板の前記窒化物半導体積層構造体の設置側とは反対側に設置されたｎ型用電極と、を有し、
前記転位束集中領域の表面は、点状および線状の少なくとも一方の形状に形成されており、
前記ｐ型用電極の少なくとも一部が、前記誘電体領域に沿うようにして配置されており、
前記誘電体領域は、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムからなる群から選択された少なくとも１種の誘電体を含む単層膜、または前記単層膜が複数積層してなる多層膜を含み、
前記転位束集中領域は、前記ｎ型窒化物半導体基板の表面において周期的に配置されており、
前記転位束集中領域の間隔は、１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、
前記ｐ型用電極は、前記誘電体領域の表面の全面を覆うとともに、前記窒化物半導体積層構造体の表面の一部を覆い、前記発光領域中に前記誘電体領域を有する、窒化物半導体発光ダイオード素子。
前記転位束集中領域は、前記ｎ型窒化物半導体基板の表面においてランダムに配置されている、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、
前記転位束集中領域を含む前記ｎ型窒化物半導体基板上に、前記ｎ型窒化物半導体層、前記活性層および前記ｐ型窒化物半導体層をこの順序で積層することによって前記窒化物半導体積層構造体を形成する工程と、
前記転位束集中領域に対応する前記窒化物半導体積層構造体の領域をエッチングすることによって前記窒化物半導体積層構造体に孔を形成する工程と、
前記窒化物半導体積層構造体の前記孔を誘電体で埋めることによって前記誘電体領域を形成する工程と、を含む、窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法。
前記エッチングは、水酸化カリウム水溶液を用いて前記窒化物半導体積層構造体をウエットエッチングすることにより行なわれる、請求項３に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法。