JP5391469B2 - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は半導体発光素子に関し、さらに詳細には、光抽出効率が改良されうる構造を有する窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
発光素子、すなわち発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、基本的に半導体ｐｎ接合ダイオードである。シリコンｐｎ接合は電子情報革命の主役であり、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のｐｎ接合は光革命の主役である。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、元素周期表のＩＩＩ族（１３族）元素とＶ族（１５族）元素とが化合されることにより作られるものであって、発光効率が１００％に近いという長所がある。この発光効率は、シリコンより約１０００倍高い効率である。したがって、ＬＥＤは、物質の開発初期段階から、ダイオードレーザなどの発光素子に広く用いられている。また、ＬＥＤは、高い電子の移動速度を有し、高温での動作が可能であるため、高速・高出力の電子素子にも広く用いられている。特に、様々なＩＩＩ族（１３族）とＶ族（１５族）との元素を互いに混合することによって、多様な物質組成および特性を有する半導体が製造されうる。
ＬＥＤの基本的な特性について、可視光領域のＬＥＤでは、光度（単位：カンデラ（ｃｄ））が用いられ、非可視光領域では、放射束（単位：ワット）が用いられる。光度は、単位立体角当たりの光束で表され、輝度は、単位面積当たりの光度で表される。光度を測定するために、光度計が用いられる。放射束は、ＬＥＤのあらゆる波長から放射される全出力を表し、単位時間当たりの放射されるエネルギーで表される。
可視光ＬＥＤの性能を決定する主な要素は、ワット当たりのルーメン（ｌｍ／Ｗ）で表される発光効率である。これは、人の目の視感度を考慮したｗａｌｌ−ｐｌｕｇ効率（光出力／入力電力量）に該当する。ＬＥＤの発光効率は、内部量子効率、抽出効率、および動作電圧などの３つの要素により主に決定される。前記発光効率の改良のための研究開発が、現在も行われている。
一般的に、従来のＬＥＤは、サファイア／ｎ−ＧａＮ／多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）／ｐ−ＧａＮの構造を有している。しかしながら、このような構造を有する従来のＬＥＤでは、製造技術の限界のため欠陥密度が高い。したがって、第１にＭＱＷ層の内部量子効率の向上、第２に高出力のＬＥＤの製造といった現在の技術的課題の解決において限界がある。したがって、このような限界を克服して、光の外部抽出効率が向上するようにＬＥＤの構造を改良する必要がある。
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決するためのものであって、その目的は、光抽出効率が改良されうる構造を有する窒化物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。
本発明は、基板上に順次に積層されたｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層を備え、ｎ型クラッド層は、第１クラッド層と、第２クラッド層と、第１クラッド層と第２クラッド層との間に配置され、活性層内で発生する光を回折、散乱、または回折および散乱させるものであって、複数の円筒状のナノ柱配列を含む光抽出層と、を備え、
第１クラッド層および第２クラッド層は、同じ物質から形成され、
前記ｎ型クラッド層は前記第２クラッド層をエッチングして露出される領域を有し、
ｎ電極が前記第２クラッド層の露出された領域に形成され、
ｐ電極が前記ｐ型クラッド層上に形成される
ことを特徴とする、窒化物半導体発光素子である。
第１クラッド層および第２クラッド層は、同じ物質から形成され、
前記ｎ型クラッド層は前記第２クラッド層をエッチングして露出される領域を有し、
ｎ電極が前記第２クラッド層の露出された領域に形成され、
ｐ電極が前記ｐ型クラッド層上に形成される
ことを特徴とする、窒化物半導体発光素子である。
ここで、前記ナノ柱は、前記第１クラッド層および第２クラッド層の形成に用いられている物質と異なる屈折率を有する物質から形成されることが好ましく、屈折率が１〜２．５である透光性物質から形成されることがより好ましい。具体的には、前記ナノ柱は、２００〜７８０ｎｍの範囲の波長に対して透光性を有する物質から形成されることが好ましい。例えば、前記ナノ柱は、ＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３，ＨｆＯ，ＴｉＯ２，ＺｒＯ、およびＺｎＯからなる群から選択される少なくとも１つの物質から形成されるか、またはインジウム酸化物にＭｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、Ｐｒ、およびＬａからなる群から選択される少なくとも１つの元素が添加された物質から形成されることが好ましい。前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、ＡｌＩｎＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることが好ましく、実質的に同じ物質から形成されることがより好ましい。
前記ナノ柱の配列周期は、１００〜２０００ｎｍであることが好ましく、７００ｎｍであることがより好ましい。前記ナノ柱のそれぞれの高さは、１００〜１０００ｎｍであることが好ましく、３００ｎｍであることがより好ましい。前記ナノ柱のそれぞれの直径は、１００〜１０００ｎｍであることが好ましい。
また、本発明は、基板上に順次にｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層を形成する工程を含み、ｎ型クラッド層を形成する工程は、基板上に第１クラッド層を形成する工程と、第１クラッド層上に透光性物質層を形成する工程と、透光性物質層をパターニングして活性層内で発生する光を回折、散乱、または回折および散乱させるものであって、複数の円筒状のナノ柱配列を含む光抽出層を形成する工程と、第１クラッド層上に光抽出層を埋め込む第２クラッド層を形成する工程と、を含み、
更に、前記ｐ型クラッド層の形成工程後に、前記第２クラッド層の表面をエッチングして、エッチングされた表面を形成し、前記第２クラッド層のエッチングされた表面上にｎ電極を形成し、
前記ｐ型クラッド層上にｐ電極を形成する工程を含み、第１クラッド層および第２クラッド層は、同じ物質から形成されることを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
更に、前記ｐ型クラッド層の形成工程後に、前記第２クラッド層の表面をエッチングして、エッチングされた表面を形成し、前記第２クラッド層のエッチングされた表面上にｎ電極を形成し、
前記ｐ型クラッド層上にｐ電極を形成する工程を含み、第１クラッド層および第２クラッド層は、同じ物質から形成されることを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
前記透光性物質層のパターニングは、ホログラムによるリソグラフィ法により行われることが好ましい。
前記透光性物質層は、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層の形成に用いられている物質と異なる屈折率を有する物質から形成されることが好ましく、屈折率が１〜２．５である透光性物質から形成されることがより好ましい。具体的には、前記透光性物質層は、２００〜７８０ｎｍの範囲の波長に対して透光性を有する物質から形成されることが好ましい。例えば、前記透光性物質層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮＸ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ、およびＺｎＯからなる群から選択される少なくとも１つの物質から形成されるか、またはインジウム酸化物にＭｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、Ｐｒ、およびＬａからなる群から選択される少なくとも１つの元素が添加された物質から形成されることが好ましい。前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、ＡｌＩｎＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることが好ましく、実質的に同じ物質から形成されることがより好ましい。
前記ナノ柱の配列周期は、１００〜２０００ｎｍであることが好ましく、７００ｎｍであることがより好ましい。前記ナノ柱のそれぞれの高さは、１００〜１０００ｎｍであることが好ましく、３００ｎｍであることがより好ましい。前記ナノ柱のそれぞれの直径は、１００〜１０００ｎｍであることが好ましい。
本発明によれば、光抽出効率が改良されうる構造を有する窒化物半導体発光素子およびその製造方法が提供されうる。
以下、本発明による窒化物半導体発光素子およびその製造方法の好ましい実施形態を、添付した図面を参照して詳細に説明する。図において示された層や領域の厚さは、明細書を明確にするために誇張して示している。
図１は、本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の断面概略図である。
図１に示すように、本発明による窒化物半導体発光素子は、基板１０上に順次に積層されたｎ型クラッド層２０、活性層４０、およびｐ型クラッド層５０を備えている。特に、前記ｎ型クラッド層２０は、第１クラッド層１２と、第２クラッド層１４と、それらの間に配置され、複数のナノ柱配列を含む光抽出層３０ａと、を備える。ｎ電極１００およびｐ電極１２０は、前記ｎ型クラッド層２０のエッチング面および前記ｐ型クラッド層５０上にそれぞれ形成されている。
前記基板１０は、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、およびサファイア基板からなる群より選択されるいずれか１つであることが好ましい。
前記ｎ型クラッド層２０は、ＡｌＩｎＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることが好ましく、ｎ−ＧａＮから形成されることがより好ましい。また、前記ｎ型クラッド層２０の厚さは２〜６ｎｍであることが好ましい。
前記ｐ型クラッド層５０は、ｐ−ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることが好ましく、ｐ−ＧａＮまたはｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮから形成されることがより好ましい。また、前記ｐ型クラッド層５０の厚さは０．０３〜０．３ｎｍであることが好ましい。
前記活性層４０は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることが好ましく、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮから形成されることがより好ましい。ここで、前記活性層４０は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）または単一量子井戸の構造を有することが好ましいが、かかる活性層の構造は、本発明の技術的範囲を制限しない。例えば、前記活性層４０は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ構造またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ構造で形成されることが好ましい。また、前記活性層４０の厚さは０．０３〜０．２ｎｍであることが好ましい。
前記のような構造を有する窒化物半導体発光素子において、前記ｎ電極１００とｐ電極１２０との間に所定の電圧が印加されれば、前記ｎ型クラッド層２０およびｐ型クラッド層５０から電子と正孔とが前記活性層４０にそれぞれ注入され、それらが活性層４０内で結合することによって、活性層４０から光が発生しうる。
本発明によれば、前記ｎ型クラッド層２０は、第１クラッド層１２と、第２クラッド層１４と、それらの間に配置され、複数のナノ柱配列を含む光抽出層３０ａと、を備えることが好ましい。ここで、前記光抽出層３０ａは、前記活性層４０内で発生する光を回折および／または散乱させて光の外部抽出効率を改良する機能を果たす。ここで、前記ナノ柱の配列周期は、１００〜２０００ｎｍであることが好ましく、７００ｎｍであることがより好ましい。前記ナノ柱の配列周期が前記範囲内であれば、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が大きくなり、光の外部抽出効率が改良されうる。前記ナノ柱の配列周期が１００ｎｍ未満であるか、または２０００ｎｍを超えると、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が小さくなり、光の外部抽出効率が改良されない場合がある。
前記ナノ柱のそれぞれの高さは、１００〜１０００ｎｍであることが好ましく、３００ｎｍであることがより好ましい。前記ナノ柱のそれぞれの高さが前記範囲内であれば、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が大きくなり、光の外部抽出効率が改良されうる。前記ナノ柱のそれぞれの高さが１００ｎｍ未満であるか、または１０００ｎｍを超えると、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が小さくなり、光の外部抽出効率が改良されない場合がある。
前記ナノ柱のそれぞれの直径は、１００〜１０００ｎｍであることが好ましい。前記ナノ柱のそれぞれの直径が前記範囲内であれば、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が大きくなり、光の外部抽出効率が改良されうる。前記ナノ柱のそれぞれの直径が１００ｎｍ未満であるか、または１０００ｎｍを超えると、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が小さくなり、光の外部抽出効率が改良されない場合がある。
前記第１クラッド層１２および前記第２クラッド層１４は、ＡｌＩｎＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることが好ましく、実質的に同じ物質から形成されることがより好ましい。例えば、前記第１クラッド層１２および前記第２クラッド層１４は、ｎ−ＧａＮから形成されることが好ましい。前記ナノ柱は、前記第１クラッド層１２および前記第２クラッド層１４の形成に用いられている物質と異なる屈折率を有する物質からも形成されることが好ましく、屈折率が１〜２．５である透光性物質から形成されることがより好ましい。具体的には、前記ナノ柱は、２００〜７８０ｎｍの範囲の波長に対して透光性を有する物質から形成されることが好ましい。ここで、例示された波長範囲は、ＵＶ光および全ての可視光領域の波長範囲を含みうる。例えば、前記ナノ柱は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ、およびＺｎＯからなる群から選択される少なくとも１つの物質から形成されるか、またはインジウム酸化物にＭｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、Ｐｒ、およびＬａからなる群から選択される少なくとも１つの元素が添加された物質から形成されることが好ましい。ここで、前記のような、元素が添加されたインジウム酸化物の例としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）またはＣＩＯ（Ｃｏｐｐｅｒ−ｄｏｐｅｄ Ｉｎｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）などが好ましく挙げられる。
本発明によれば、複数のナノ柱配列を含む光抽出層３０ａがｎ型クラッド層２０の内部に埋め込まれている。前記光抽出層３０ａは、活性層４０内で発生する光を回折および／または散乱させて光の外部抽出効率を向上させる。したがって、本発明による窒化物半導体発光素子の光抽出効率は、従来技術と比べて改良されうる。
図２は、図１に示した本発明による窒化物半導体発光素子の光抽出の改良を示す、シミュレーション結果のグラフである。ここで、グラフ１（点線）は、従来のサファイア／ｎ−ＧａＮ／ＭＱＷ／ｐ−ＧａＮの構造を有するＬＥＤの光出力を示し、グラフ２（細い実線）は、従来のＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）パターンを有するＬＥＤの光出力を示す。ＥＬＯＧパターンを有するＬＥＤ構造については、米国特許第６，０５１，８４９号明細書が参照される。グラフ３（太い実線）は、本発明による窒化物半導体発光素子の光出力を示す。
図２からわかるように、本発明による窒化物半導体発光素子は、優れた光抽出効率を示すことがわかる。
図３Ａ〜図３Ｇは、本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法を示す概略図である。
図３Ａに示すように、あらかじめ準備された基板１０、例えば、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、またはサファイア基板上に、同種の物質を積層する方法（例えば、ＧａＮ基板上にＧａＮ系結晶を成長させる）、または異種の物質を積層する方法（例えば、サファイア基板上にＧａＮ系結晶を成長させる）により第１クラッド層１２を形成する。前記第１クラッド層１２は、ＡｌＩｎＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物の半導体物質から形成されることが好ましく、ｎ−ＧａＮから形成されることがより好ましい。また、前記第１クラッド層１２の厚さは、１〜３ｎｍであることが好ましい。
次いで、前記第１クラッド層１２上に、前記第１クラッド層１２の形成に用いられている物質と異なる屈折率を有する物質から透光性物質層３０が形成される。具体的には、前記透光性物質層３０は、屈折率が１〜２．５である透光性物質から形成されることが好ましく、２００〜７８０ｎｍの範囲の波長に対して透光性を有する物質から形成されることがより好ましい。ここで、例示された波長範囲は、ＵＶ光および全ての可視光領域の波長範囲を含みうる。例えば、前記透光性物質層３０は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ、およびＺｎＯからなる群から選択される少なくとも１つの物質から形成されるか、またはインジウム酸化物にＭｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、Ｐｒ、およびＬａからなる群から選択される少なくとも１つの元素が添加された物質から形成されることが好ましい。ここで、前記のような、元素が添加されたインジウム酸化物の例としては、ＩＴＯまたはＣＩＯなどが好ましく挙げられる。また、前記透光性物質層３０の厚さは、１００〜１０００ｎｍであることが好ましい。
前記ｎ型クラッド層２０および前記透光性物質層３０は、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタリング法、または蒸発法などの気相成長法を用いて形成されることが好ましい。これらの方法は周知されているので、詳細な説明は省略する。
図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、前記透光性物質層３０はパターニングされて、複数のナノ柱配列を含む光抽出層３０ａを形成する。ここで、前記透光性物質層３０のパターニングは、ホログラムによるリソグラフィ法により行われることが好ましい。前記光抽出層３０ａは、後で形成される活性層４０内で発生する光を回折および／または散乱させて、光の外部抽出効率を改良する機能を果たしうる。
ここで、前記ナノ柱の配列周期は、１００〜２０００ｎｍであることが好ましく、７００ｎｍであることがより好ましい。前記ナノ柱の配列周期が前記範囲内であれば、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が大きくなり、光の外部抽出効率が改良されうる。前記ナノ柱の配列周期が１００ｎｍ未満であるか、または２０００ｎｍを超えると、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が小さくなって、光の外部抽出効率が改良されない場合がある。
前記ナノ柱のそれぞれの高さは、１００〜１０００ｎｍであることが好ましく、３００ｎｍであることがより好ましい。前記ナノ柱のそれぞれの高さが前記範囲内であれば、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が大きくなり、光の外部抽出効率が改良されうる。前記ナノ柱のそれぞれの高さが１００ｎｍ未満であるか、または１０００ｎｍを超えると、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が小さくなり、光の外部抽出効率が改良されない場合がある。
前記ナノ柱のそれぞれの直径は、１００〜１０００ｎｍであることが好ましい。前記ナノ柱のそれぞれの直径が前記範囲内であれば、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が大きくなり、光の外部抽出効率が改良されうる。前記ナノ柱のそれぞれの直径が１００ｎｍ未満であるか、または１０００ｎｍを超えると、前記光抽出層における光の回折および／または散乱の効果が小さくなり、光の外部抽出効率が改良されない場合がある。
前記ナノ柱の形成に用いられる物質は、前記透光性物質層３０の場合と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図３Ｄおよび図３Ｅに示すように、前記第１クラッド層１２上に前記光抽出層３０ａを埋め込む第２クラッド層１４が形成される。前記第２クラッド層１４は、前記第１クラッド層１２と共にｎ型クラッド層２０を構成する。ここで、前記第２クラッド層１４は、ＡｌＩｎＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることが好ましく、前記第１クラッド層１２と実質的に同じ物質から形成されることがより好ましい。例えば、前記第２クラッド層１４は、ｎ−ＧａＮから形成されることが好ましい。前記第２クラッド層１４は、前記第１クラッド層１２の形成方法と同様の方法、例えば、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＥＣＶＤ法、スパッタリング法、または蒸発法などの気相成長法を用いて形成されうる。また、前記第２クラッド層１４の厚さは、１〜３ｎｍであることが好ましい。
次いで、前記第２クラッド層１４上に活性層４０およびｐ型クラッド層５０が順次に形成される。ここで、前記活性層４０およびｐ型クラッド層５０は、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、またはＭＢＥ法などの気相成長法を用いて形成されうる。
前記活性層４０は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることが好ましく、ＩｎＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層で形成されることがより好ましい。ここで、前記活性層４０は、多重量子井戸（ＭＱＷ）または単一量子井戸の構造を有することが好ましいが、かかる活性層の構造は、本発明の技術的範囲を制限しない。例えば、前記活性層４０は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ構造またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ構造で形成されることが好ましい。また、前記活性層４０の厚さは、０．０３〜０．２ｎｍであることが好ましい。
前記ｐ型クラッド層５０は、ｐ−ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることが好ましく、ｐ−ＧａＮまたはｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮから形成されることがより好ましい。また、前記ｐ型クラッド層５０の厚さは、０．０３〜０．３ｎｍであることが好ましい。
図３Ｆおよび図３Ｇに示すように、まず、前記ｐ型クラッド層５０の上面は、ｎ型クラッド層２０の所定の深さまでエッチングされて、前記ｎ型クラッド層２０上にエッチング面を形成する。次いで、前記ｎ型クラッド層２０のエッチング面上および前記ｐ型クラッド層５０上に、ｎ電極１００およびｐ電極１２０が、Ａｇ、Ａｕ、またはＩＴＯなどの導電性物質からそれぞれ形成される。前記のような工程により、本発明による窒化物半導体発光素子が製造されうる。
以上、本発明を、いくつかの実施形態を説明しながらさらに詳細に説明したが、かかる実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者であれば、本発明において多様な変形が可能であるという点が容易に理解されるであろう。
本発明は、窒化物半導体発光素子の製造関連の技術分野に適用可能である。
１０ 基板、
１２ 第１クラッド層、
１４ 第２クラッド層、
２０ ｎ型クラッド層、
３０ 透光性物質層、
３０ａ 光抽出層、
４０ 活性層、
５０ ｐ型クラッド層、
１００ ｎ電極、
１２０ ｐ電極。
１２ 第１クラッド層、
１４ 第２クラッド層、
２０ ｎ型クラッド層、
３０ 透光性物質層、
３０ａ 光抽出層、
４０ 活性層、
５０ ｐ型クラッド層、
１００ ｎ電極、
１２０ ｐ電極。
Claims (24)
- 基板上に順次に積層されたｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層を備え、
前記ｎ型クラッド層は、
第１クラッド層と、
第２クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に配置され、前記活性層内で発生する光を回折、散乱、または回折および散乱させるものであって、複数の円筒状のナノ柱配列を含む光抽出層と、
を備え、
前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、同じ物質から形成され、
前記ｎ型クラッド層は前記第２クラッド層をエッチングして露出される領域を有し、
ｎ電極が前記第２クラッド層の露出された領域に形成され、
ｐ電極が前記ｐ型クラッド層上に形成される
ことを特徴とする、窒化物半導体発光素子。 - 前記ナノ柱は、前記第１クラッド層および第２クラッド層の形成に用いられている物質と異なる屈折率を有する物質から形成されることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ナノ柱は、屈折率が１ないし２．５である透光性物質から形成されることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ナノ柱は、２００ないし７８０ｎｍの範囲の波長に対して透光性を有する物質から形成されることを特徴とする、請求項２または３に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ナノ柱は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ、およびＺｎＯからなる群から選択される少なくとも１つの物質から形成されるか、またはインジウム酸化物に対して、Ｍｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、Ｐｒ、およびＬａからなる群から選択される少なくとも１つの元素が添加された物質から形成されることを特徴とする、請求項２ないし４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ナノ柱の配列周期は、１００ないし２０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ナノ柱の配列周期は、７００ｎｍであることを特徴とする、請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ナノ柱のそれぞれの高さは、１００ないし１０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ナノ柱のそれぞれの高さは、３００ｎｍであることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記ナノ柱のそれぞれの直径は、１００ないし１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、ＡｌＩｎＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
- 基板上に順次にｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層を形成する工程を含み、
前記ｎ型クラッド層を形成する工程は、
前記基板上に第１クラッド層を形成する工程と、
前記第１クラッド層上に透光性物質層を形成する工程と、
前記透光性物質層をパターニングして前記活性層内で発生する光を回折、散乱、または回折および散乱させるものであって、複数の円筒状のナノ柱配列を含む光抽出層を形成する工程と、
前記第１クラッド層上に前記光抽出層を埋め込む第２クラッド層を形成する工程と、を含み、
更に、前記ｐ型クラッド層の形成工程後に、前記第２クラッド層の表面をエッチングして、エッチングされた表面を形成し、
前記第２クラッド層のエッチングされた表面上にｎ電極を形成し、
前記ｐ型クラッド層上にｐ電極を形成する工程を含み、
前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、同じ物質から形成されることを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記透光性物質層のパターニングは、ホログラムによるリソグラフィ法により行われることを特徴とする、請求項１２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記透光性物質層は、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層の形成に用いられている物質と異なる屈折率を有する物質から形成されることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記透光性物質層は、屈折率が１ないし２．５である透光性物質から形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記透光性物質層は、２００ないし７８０ｎｍの範囲の波長に対して透光性を有する物質から形成されることを特徴とする、請求項１５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記透光性物質層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ、およびＺｎＯからなる群から選択される少なくとも１つの物質から形成されるか、またはインジウム酸化物にＭｇ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｈｇ、Ｐｒ、およびＬａからなる群から選択される少なくとも１つの元素が添加された物質から形成されることを特徴とする、請求項１４ないし１６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ナノ柱の配列周期は、１００ないし２０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１２ないし１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ナノ柱の配列周期は、７００ｎｍであることを特徴とする、請求項１８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ナノ柱のそれぞれの高さは、１００ないし１０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１２ないし１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ナノ柱のそれぞれの高さは、３００ｎｍであることを特徴とする、請求項２０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ナノ柱のそれぞれの直径は、１００ないし１０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１２ないし２１のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、ＡｌＩｎＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から形成されることを特徴とする、請求項１２ないし２２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 請求項１２ないし２３のいずれか１項に記載の製造方法で製造された、窒化物半導体発光素子。
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