JP5450847B2 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は一般式Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）で表わされる窒化物系半導体を用いた窒化物系半導体発光素子に関する。

従来の窒化物系半導体発光素子は、サファイア基板上に窒化物系半導体層を積層して作製されるものがほとんどであった。しかし、近年ではサファイア基板に比べ安価でかつ大面積のシリコン（Ｓｉ）基板が発光素子の製造コスト低減の観点から用いられることも多くなってきている。

図１２にＳｉ基板を用いた従来の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図を示す。この窒化物系半導体発光素子はＳｉ基板１００上にＡｌＮバッファ層１０１、ｎ型ＧａＮ層１０２、ＩｎＧａＮ発光層１０３、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０４およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０５が順次積層されており、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０５上には透光性電極１０６が形成され、ｎ型ＧａＮ層１０２上にはｎ型用の電極１０７が形成されている。さらに、透光性電極１０６上にはｐ型用パッド電極１０８が形成され、ｎ型用の電極１０７上にはｎ型用パッド電極１０９が形成されている。

しかし、この窒化物系半導体発光素子のＩｎＧａＮ発光層１０３から放射された光のうちＳｉ基板１００方向へ向かった光はＳｉ基板１００によって吸収されるため、ＩｎＧａＮ発光層１０３から放射された光の外部取り出し効率が低下するという問題があった。

また、Ｓｉ基板１００上に金属等の反射膜を形成することによりＳｉ基板１００に光が入射するのを防止して、サファイア基板を用いた場合のように半導体発光素子側面から光を取り出す方法も考えられる。しかし、窒化物系半導体層間の熱膨張係数差から生じる窒化物系半導体層のクラックのため、窒化物系半導体層を厚く形成することができず、発光層から出た光が透過し取り出される部位としての窒化物系半導体層の側面から光を取り出すことによって光の外部取り出し効率を向上させることができないという問題があった。

これらの問題を解決するため、特開２０００−１９６１５２公報にはｐ型ＧａＮ半導体層に凹凸を作製した発光素子およびｐ型ＧａＮ半導体層上に形成された透明電極を介して表面に凹凸を有する光取り出し層が設置された発光素子が開示されている。しかし、凹凸を設けるためｐ型ＧａＮ半導体層の膜厚を厚くした場合にはｐ型ＧａＮ半導体層に多くのクラックが生じ、素子の駆動電圧が増大してしまうという問題があった。これは、高温でｐ型ＧａＮ半導体層を成長させ、成長後に室温まで温度を戻した場合にはｐ型ＧａＮ半導体層に引っ張り応力が加わることでクラックが生じ、さらにｐ型ＧａＮ半導体層の膜厚が厚いことからクラックがより生じやすくなったものと推測される。また、ｐ型ＧａＮ半導体層は本質的に低抵抗となりにくく、さらに膜厚も厚いためより低抵抗となりにくいことから素子の駆動電圧がさらに増大するという問題があった。また、ｐ型ＧａＮ半導体層上に透明電極を形成した場合でも、ｐ型ＧａＮ半導体層と透明電極との間のオーミック特性が悪く、接触抵抗が高くなることから素子の駆動電圧が増大してしまうという問題があった。

上記事情に鑑みて本発明は、発光層から放射された光の外部取り出し効率を向上させることができ、かつ素子の駆動電圧を低減させることのできる窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、支持基板上に形成された反射層と、反射層上方に順次積層されたｐ型窒化物系半導体層、発光層およびｎ型窒化物系半導体層とを含む窒化物系半導体発光素子であって、ｎ型窒化物系半導体層上方に位置する光取り出し面に凹凸が形成されており、凹凸は、シリコンからなる成長用基板上にバッファ層、ｎ型窒化物系半導体層、発光層およびｐ型窒化物系半導体層を成長した後に該シリコンからなる成長用基板をエッチングまたは研磨により除去し、バッファ層を除去した、該ｎ型窒化物系半導体層面上に該ｎ型窒化物系半導体層と同じ結晶からなる凹凸を設けることにより形成されたものであることを特徴とする窒化物系半導体発光素子であることを特徴とする。

また、本発明は、支持基板上に形成された反射層と、反射層上方に順次積層されたｐ型窒化物系半導体層、発光層およびｎ型窒化物系半導体層とを含む窒化物系半導体発光素子であって、ｎ型窒化物系半導体層上方に位置する光取り出し面に凹凸が形成されており、凹凸は、成長用基板上にｎ型窒化物系半導体層、発光層およびｐ型窒化物系半導体層を成長した後に該成長用基板を除去した該ｎ型窒化物系半導体層面上に該ｎ型窒化物系半導体層と同じ結晶からなる凹凸を設けることにより形成されたもので、光取り出し面は、成長用基板除去後に再成長された第２のｎ型窒化物系半導体層に形成されている窒化物系半導体発光素子であることを特徴とする。

また、本発明の窒化物系半導体発光素子は、支持基板上に形成された反射層と、反射層上方に順次積層されたｐ型窒化物系半導体層、発光層およびｎ型窒化物系半導体層とを含む窒化物系半導体発光素子であって、ｎ型窒化物系半導体層上方に位置する光取り出し面に凹凸が形成されており、上面の一部がＳｉＯ₂で覆われていることが好ましい。

本発明によれば、発光層から放射された光の外部取り出し効率を向上させることができ、かつ素子の駆動電圧を低減させることのできる窒化物系半導体発光素子を作製することができる。

実施例１の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図である。 ｐ型クラッド層形成後の実施例１の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図である。 Ｓｉ基板除去後の実施例１の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図である。 実施例２の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図である。 実施例３の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図である。 実施例４の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図である。 実施例５の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図である。 Ｓｉ基板とファセット面との関係を示した模式的な概念図である。 窒化物系半導体膜の結晶成長の進行を示した模式的な概念図である。 Ｓｉ基板の一部を除去してファセット面を形成する過程の一例を示した模式的な概念図である。 実施例５の窒化物系半導体発光素子の作製過程の一例を示した模式的な概念図である。 従来の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
（光取り出し面）
本発明の窒化物系半導体発光素子は、表面に凹凸を有する光取り出し面をｎ型窒化物系半導体層上方に設置することを特徴とする。すなわち、光取り出し面が平面である場合には、発光層から放射された光のうちで光取り出し面に対して臨界屈折角よりも大きい法線角度で入射した光は光取り出し面において全反射されることとなるが、光取り出し面に凹凸を設けることによってこれらの光も外部に取り出し得るため、光の外部取り出し効率を向上させ得ることとなる。

また、従来技術のようにｐ型窒化物系半導体層上面に凹凸を設ける場合には高抵抗であるｐ型窒化物系半導体層の膜厚を厚く形成するため直列抵抗が高くなり駆動電圧が上がる結果が得られた。しかし、本発明のように上記光取り出し面を低抵抗であるｎ型窒化物系半導体層上面に設置した場合にはｎ型窒化物系半導体層の膜厚を厚く形成してもｎ型窒化物系半導体層の導電性から素子の駆動電圧を低くすることができる。また、ｎ型窒化物系半導体層上に透明電極層を設けた場合でも電気抵抗はそれほど増大しないため素子の駆動電圧は透明電極層を設けなかった場合とほとんど変わらない。

また、光取り出し面はｎ型窒化物系半導体層の上面でもあり得るが、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₂、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣｅＯ₂およびＢｉＯ₃の群からなるいずれか１種からなる高屈折率膜を上記ｎ型窒化物系半導体層上に形成し、この高屈折率膜の上面を光取り出し面とすることもできる。高屈折率膜はｎ型窒化物系半導体層よりも臨界屈折率が小さいことからより多くの光を外部に取り出すことができ得るため光の外部取り出し効率の向上を図り得る。また、ｎ型窒化物系半導体層を直接加工する必要がないため、光取り出し面をｎ型窒化物系半導体層の上面とした場合と同等またはそれ以上の素子の駆動電圧の低減も図ることができ得る。

また、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）で表わされる窒化物系半導体層を上記ｎ型窒化物系半導体層上に形成し、この窒化物系半導体層の上面を光取り出し面とすることもできる。Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ層はＧａＮ層よりも屈折率が小さいことから光の外部取り出し効率をより向上させ得る。また、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ層はＧａＮ層よりも結晶性が低いことから凹凸の作製がより容易となり得る。

ここで、上記Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）で表わされる窒化物系半導体層の最大厚みが２００〜８００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。光の外部取り出し効率を向上させるためには発光層から放射される光の波長と同程度の膜厚が必要であり、上記窒化物系半導体層内部での屈折率で発光波長を割った程度の大きさ以上の凹凸が必要であることを考慮すると上記層の最大厚みが２００〜８００ｎｍの範囲内にあることが好ましいからである。なお、上記層の最大厚みが２００ｎｍよりも薄いと光が全反射しやすくなるため光の外部取り出し効率が低減する傾向にあり、また８００ｎｍよりも厚いと上記層の再成長による歪みから、クラックの発生が生じ、ｎ、ｐ間でのリーク電流が生じ、発光効率の低下が見られる傾向にある。

また、ＳｉがドープされたＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）で表わされる窒化物系半導体層が上記ｎ型窒化物系半導体層上に形成されており、この窒化物系半導体層の上面が光取り出し面であって、この窒化物系半導体層中に含まれるＳｉ濃度が５×１０²⁰〜５×１０²¹ｃｍ^-3の範囲内にあることが好ましい。この場合にも光の外部取り出し効率をより向上させ得る。また、上記Ｓｉ濃度が５×１０²⁰〜５×１０²¹ｃｍ^-3の範囲内にある場合には、光取り出し面をピラミッド状に形成することがより容易となる。また、上記Ｓｉ濃度が５×１０²⁰ｃｍ^-3未満であるとピラミッド状の凹凸を形成しにくく、上記Ｓｉ濃度が５×１０²¹ｃｍ^-3よりも大きいと結晶成長が起こりにくく、成膜することができなくなる場合がある。

また、凹凸が形成された光取り出し面上にはＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、ＮｂおよびＩＴＯの群から選ばれるいずれか１種の金属からなる透光性電極を設置することができる。この場合には素子に注入される電流を素子内においてより広げることができる。

（凹凸）
光取り出し面に形成される凹凸の形状および個数は特に限定されないが、凹凸の形態としては、たとえば光取り出し面にクレータのような無数の穴が形成されている形態、光取り出し面がかまぼこ状に突起している形態、光取り出し面上に間隔を開けて三角柱が形成されたピラミッド状に突起している形態または光取り出し面上に間隔を開けずに連続して三角柱が形成されたプリズム状に突起している形態等がある。

この凹凸の作製方法としては、たとえばｎ型窒化物系半導体層を成長させた後に成長温度、ガス導入量および成長速度を適宜調節してｎ型窒化物系半導体層を再成長させる方法、ｎ型窒化物系半導体層上にＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄等のマスクを形成して選択的にｎ型窒化物系半導体層を再成長させる方法、ダイヤモンド粒またはアルミナ粒を用いてｎ型窒化物系半導体層を研磨する方法等がある。

また他の作製方法としては、たとえばダイヤモンド粒またはアルミナ粒等の粒体を塗布してＲＩＥ法によってｎ型窒化物系半導体層を部分的にエッチングする方法、またはｎ型窒化物系半導体層上にマスクパターンを形成した後熱処理を行ない、このマスクをＲＩＥ法を用いて垂直にエッチングする方法等がある。また、マスクが形成されていない部分を１μｍ程度のストライプ状の幅とした場合には、エッチング条件をコントロールすることでテーパからなる凹凸構造を作製することも可能である。またこれらの熱処理およびエッチング条件のコントロールの双方を行なうことで、かまぼこ形状の光取り出し面とテーパからなる凹凸構造を作製することも可能となる。なお、テーパとはＶ字状の溝のことである。

（支持基板）
本発明に用いられる支持基板の材質は特に限定されないが、たとえばＮｉに代表される金属メッキ、Ａｕ、ＡｕおよびＳｎからなる合金、導電性を有するＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ，ＩｎＰ等の半導体基板を支持基板としてＰｄおよびＩｎからなる接着金属により融着することも可能である。なかでも、支持基板はＮｉメッキにより形成されていることが好ましい。この場合には支持基板を安価に作製することができる。

（反射層）
本発明に用いられる反射層は、光の取り出し面から効率よく光を取り出す観点からは、反射層に最も反射率が高い材料であるＡｇを用いることが好ましい。

また、素子の駆動電圧を低減させる観点からは、反射層はｐ型窒化物系半導体層とオーミック接触をとるｐ型用電極であることが好ましい。ここで、ｐ型用電極となる反射層の材質としては、たとえばＰｄ、Ｎｉ、Ａｇ等を用いることができるが、なかでもＰｄを用いることが好ましい。これらの材質は通常用いる駆動電流２０ｍＡでの駆動電圧に関し大きな差はないが、Ｐｄを用いた場合にはわずかではあるが素子の駆動電圧をより低減させることができる。

したがって、反射層はＰｄの上にＡｕを蒸着したｐ型用電極またはＡｇの上にＡｕを蒸着したｐ型用電極であることがさらに好ましく、Ｐｄ/Ａｇ/Ａｕからなる光の反射を兼ね備えたｐ型用電極であることが最も好ましい。

（ｐ型窒化物系半導体層）
本発明に用いられるｐ型窒化物系半導体層の材質としては、一般式Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）で表わされる窒化物系半導体にｐ型のドーパントが注入されたものが用いられる。ここで、ｐ型のドーパントとしては、従来から公知の材料を用いることができ、たとえばＭｇ、Ｚｎ、ＣｄまたはＢｅ等の１種類以上が用いられ得る。

（発光層）
本発明に用いられる発光層の材質としては、たとえば一般式Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）で表わされる窒化物系半導体が用いられ得る。また本発明に用いられる発光層は、ＭＱＷ（多重量子井戸）発光層またはＳＱＷ（単一量子井戸）発光層のいずれであってもよい。なお、発光層をＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＡｓＮ、ＧａＩｎＡｓＮ、ＧａＰＮ、ＧａＩｎＰＮ等のＶ族元素として主にＮを含むＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体としても、本発明の効果が同様に得られる。

（ｎ型窒化物系半導体層）
本発明に用いられるｎ型窒化物系半導体層の材質としては、一般式Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）で表わされる窒化物系半導体にｎ型のドーパントが注入されたものが用いられる。ここで、ｎ型のドーパントには従来から公知の材料を用いることができ、たとえばＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、ＣまたはＧｅ等の１種類以上が用いられ得る。

（製造方法）
本発明の窒化物系半導体発光素子の製造方法は、Ｓｉ基板を用意し、このＳｉ基板上方にｎ型窒化物系半導体層、発光層およびｐ型窒化物系半導体層を順次積層する工程と、ｐ型窒化物系半導体層上に反射層を形成し、この反射層上に支持基板を形成する工程と、上記支持基板を用いてウエハを反転させる工程と、上記Ｓｉ基板を除去する工程と、上記ｎ型窒化物系半導体層上方に表面に凹凸を有する光取り出し面を形成する工程とを含んでいる。

従来技術においてはｐ型窒化物系半導体層上方に凹凸が設けられている。しかし、本発明においては、Ｓｉ基板上にｎ型窒化物系半導体層、発光層およびｐ型窒化物系半導体層をこの順で積層した後にｐ型窒化物系半導体層に支持基板を設置してこれを用いてウエハを反転させ、その後Ｓｉ基板を除去することによってｎ型窒化物系半導体層上方に凹凸を有する光取り出し面を形成することができるようにした点に特徴がある。

したがって、本発明の製造方法を用いて窒化物系半導体発光素子を作製した場合には、上述したようにｎ型窒化物系半導体層を凹凸面の形成のため膜厚を厚く形成しても素子の駆動電圧を従来技術よりも大幅に低減することができ、また支持基板が電極の代わりも果たすため、発光素子の上下電極構造を容易に作製することができることから、発光素子のコンパクト化もより容易に図ることができることとなる。

なお、上記窒化物系半導体層の積層は従来から公知の方法を用いることができ、たとえばＬＰＥ法（液相エピタキシー法）、ＶＰＥ法（気相エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、ガスソースＭＢＥ法またはこれらの方法を組み合わせた方法等を用いることができる。また、反射層、支持基板または電極の形成方法としては、たとえば真空蒸着法、スパッタリング法、電解メッキ法、無電解メッキ法またはこれらの方法を組み合わせた方法等を用いることができる。

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１）
図１に本発明の実施例１の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図を示す。本実施例の窒化物系半導体発光素子は、電極を兼ねたＮｉメッキからなる支持基板１１上にｐ型用電極１２が形成され、ｐ型用電極１２上にｐ型ＧａＮクラッド層１３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮキャリアブロック層１４、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる発光層１５、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層１６、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１７およびＳｉドープｎ型ＧａＮ層クラッド層１８が順次積層されている。また、ｎ型ＧａＮクラッド層１８の上面には、再成長を行なうことで作製した凹凸を有するｎ型ＧａＮ光取り出し層１９が形成されており、ｎ型ＧａＮ光取り出し層１９の一部にｎ型用電極１１０、ｎ型用ボンディング電極１１１が形成されている。

以下に、図２および図３を用いて、本実施例の窒化物系半導体発光素子の製造方法について説明する。まず、１°程度わずかにオフしたＳｉ（１１１）基板１０を、有機洗浄さらには５％ＨＦ水溶液で１分洗浄した後、ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、水素（Ｈ₂）雰囲気の中で、約９００℃の高温でクリーニングを行なう。

次に、キャリアガスとしてＨ₂を１０Ｌ／ｍｉｎの割合で装置内に流しながら、１２００℃でＮＨ₃を５Ｌ／ｍｉｎの割合で、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を２０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で装置内に導入して、図２に示すようにＳｉ基板１０上に２００ｎｍの厚みのＡｌＮバッファ層１１２を成長させる。

次に、キャリアガスとしてＨ₂を１０Ｌ／ｍｉｎの割合で装置内に流しながら、１１５０℃でＮＨ₃を５Ｌ／ｍｉｎの割合で、ＴＭＡを２０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を２０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合でそれぞれ装置内に導入して１５０ｎｍの厚みのＳｉドーピングを行なったＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層１１３を成長させる。

次に、キャリアガスとしてＨ₂を１０Ｌ／ｍｉｎの割合で装置内に流しながら、１１５０℃でＮＨ₃を５Ｌ／ｍｉｎの流量で、ＴＭＧを２０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で装置内に導入し、さらにＳｉＨ₄ガスを導入して、１μｍの厚みのＳｉドーピングを行なったｎ型ＧａＮ層１８を成長させる。

次に、成長温度を９１０℃に降温し、ＴＭＧを２０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を２０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で装置内に導入し、３００ｎｍの厚さのＳｉドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１７を成長させる。

次に、ＴＭＩの装置内への導入量を約５μｍｏｌ／ｍｉｎに減らすことで、２０ｎｍの厚さのＳｉドープＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層１６を成長させる。

次に、基板温度を７６０℃まで降温し、ＴＭＩを６．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを２．８μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で装置内に導入し、Ｉｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎよりなる３ｎｍ厚の井戸層を成長させる。その後再び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉｎ装置内に導入してＧａＮよりなる障壁層を成長させる。同様に井戸層、障壁層の成長を繰り返し、４ペアからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）のＩｎＧａＮからなる発光層１５を成長させる。ここでＩｎ_xＧａ_1-xＮ発光層はＩｎ_xＧａ_1-xＮの組成ｘを変えることにより、バンド間発光の波長を紫外から赤色まで発光させることができるが、本実施例では青色で発光するものとした。

上記発光層１５の成長が終了した後、最後の障壁層と同じ温度で、ＴＭＧを１１μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを１．１μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩを４０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｐ型ドーピング原料ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウムを（Ｃｐ₂Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎの割合で装置内に導入し、５０ｎｍ厚のＭｇをドーピングしたＡｌ_0.20Ｇａ_0.75Ｉｎ_0.05Ｎ層からなるｐ型キャリアブロック層１４を成長させる。このｐ型キャリアブロック層１４の成長が終了すると、１０００℃に昇温した後、ＴＭＡの装置内への導入を停止し、１００ｎｍ厚のＭｇをドーピングしたＧａＮ層からなるｐ型クラッド層１３の成長を行なう。

上述のようにして窒化物系半導体層の成長が終了すると、ＴＭＧ、及びＣｐ₂Ｍｇの供給を停止した後、このウエハを室温まで冷却し、ＭＯＣＶＤ装置より取り出す。

次に、電子ビーム（ＥＢ）蒸着装置を用い、ｐ型クラッド層１３上にｐ型用電極１２としてＰｄを５ｎｍの膜厚で蒸着した後、Ａｕ金属を５００ｎｍ蒸着する。その後、電解メッキ法によりｐ型用電極１２上にＮｉメッキを１００μｍ形成して支持基板１１とする。

次に、図３に示すように、支持基板１１を用いてウエハを反転させ、Ｓｉ基板１０をＨＦおよびＨＮＯ₃からなるエッチャントでエッチングをすることにより除去し、ＡｌＮバッファ層１１２およびＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層１１３をＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）により除去する。

そして、Ｓｉ基板等を除去したウエハをＭＯＣＶＤ装置にセッティングした後、Ｈ₂雰囲気下で、約１０００℃の高温で一旦表面ダメージ層や酸化層の除去することで、ウエハ表面のクリーニングを行なう。

その後、キャリアガスとしてＨ₂を１０Ｌ／ｍｉｎの割合で流しながら、９００℃でＮＨ₃を５Ｌ／ｍｉｎの割合で、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で、さらにはｎ型用のＳｉのドーパントガスとしてＳｉＨ₄をそれぞれ装置内に導入し、最大厚みが４００ｎｍのｎ型ＧａＮからなる凹凸構造を有した光取り出し層１９を成長させる。９００℃においては、光取り出し層１９の成長速度を上げること、若しくはＮＨ₃ガスの導入量を下げることで、無数の穴を有した凹凸構造の光取り出し層１９の作製が可能となる。

これら上記の手法で凹凸を形成した窒化物系半導体発光素子上の一部に、ｎ電極１１０、ボンディング電極１１１を形成し、最後にその基板をダイシング装置で一辺３００μｍ角に分割して本実施例の窒化物系半導体発光素子が完成する。

上述したように、加工性の高いＳｉ基板上に、窒化物系半導体発光素子をエピタキシャル成長させ、ｐ型ＧａＮ側に反射率の高い電極を設けた後、支持基板１１を用い反転し、ｎ型ＧａＮ層側に同じ窒化物結晶からなる凹凸を設けることによって、光の外部取り出し効率が高く、かつ電気伝導性にも支障のない、高輝度の窒化物系半導体発光素子を作製することができる。

（実施例２）
図４に本発明の実施例２の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図を示す。本実施例の窒化物系半導体発光素子は、凹凸を有するｎ型ＧａＮ光取り出し層２９の上面にＡｌからなる透光性電極層２１３が蒸着法により形成されていることを特徴とする。

本実施例の窒化物系半導体発光素子は、電極を兼ねたＮｉメッキからなる支持基板２１上にｐ型用電極２２が形成され、ｐ型用電極２２上にｐ型ＧａＮクラッド層２３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮキャリアブロック層２４、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる発光層２５、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層２６、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層２７およびＳｉドープｎ型ＧａＮ層クラッド層２８が順次積層されている。そして、ｎ型ＧａＮクラッド層２８の上面には、再成長を行なうことで作製した凹凸を有するｎ型ＧａＮ光取り出し層２９が形成されている。

さらに、実施例２の窒化物系半導体発光素子においては、凹凸を有するｎ型ＧａＮ光取り出し層２９の上面にＡｌからなる透光性電極層２１３が蒸着法により形成されており、透光性電極層２１３の上面の一部にｎ型用電極２１０、ｎ型用ボンディング電極２１１が形成されている。上述した本実施例においても、光の外部取り出し効率が高く駆動電圧の低い、高輝度の窒化物系半導体発光素子を作製することができる。その他は実施例１と同様である。

（実施例３）
図５に本発明の実施例３の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図を示す。本実施例の窒化物系半導体発光素子は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層クラッド層３８の上面にはＳｉＯ₂からなるマスク３１４が形成されており、選択的に成長されたｎ型ＧａＮ光取り出し層３９にピラミッド状の光取り出し面３９ａが形成されていることを特徴とする。

本実施例の窒化物系半導体発光素子は、電極を兼ねたＮｉメッキからなる支持基板３１上にｐ型用電極３２が形成され、ｐ型用電極３２上にｐ型ＧａＮクラッド層３３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮキャリアブロック層３４、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる発光層３５、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層３６、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層３７およびＳｉドープｎ型ＧａＮ層クラッド層３８が順次積層されている。また、ｎ型ＧａＮクラッド層３８の上面には再成長を行なうことで作製した凹凸を有するｎ型ＧａＮ光取り出し層３９が形成されている。ｎ型ＧａＮ光取り出し層３９の一部にｎ型用電極３１０、ｎ型用ボンディング電極３１１が形成されている。さらに、ｎ型ＧａＮ層クラッド層３８の上面にはＳｉＯ₂からなるマスク３１４が形成されており、選択的に成長されたｎ型ＧａＮ光取り出し層３９にピラミッド状の光取り出し面３９ａが形成されている。上述した本実施例においても、光の外部取り出し効率が高く駆動電圧の低い、高輝度の窒化物系半導体発光素子を作製することができる。その他は実施例１と同様である。

（実施例４）
図６に本発明の実施例４の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図を示す。実施例４の窒化物系半導体発光素子においてはｎ型ＧａＮ光取り出し層４９にかまぼこ状の光取り出し面４９ａが形成されており、光取り出し面４９ａの間はテーパ構造となっていることを特徴とする。

本実施例の窒化物系半導体発光素子は、電極を兼ねたＮｉメッキからなる支持基板４１上にｐ型用電極４２が形成され、ｐ型用電極４２上にｐ型ＧａＮクラッド層４３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮキャリアブロック層４４、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる発光層４５、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層４６、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層４７およびＳｉドープｎ型ＧａＮ層クラッド層４８が順次積層されている。また、ｎ型ＧａＮクラッド層４８の上面にはｎ型ＧａＮ光取り出し層４９が形成されている。ｎ型ＧａＮ光取り出し層４９の一部にｎ型用の電極４１０、ｎ型用ボンディング電極４１１が形成されている。さらに、ｎ型ＧａＮ光取り出し層４９にはかまぼこ状の光取り出し面４９ａが形成されており、光取り出し面４９ａの間はテーパ構造となっている。

このかまぼこ状の光取り出し面４９ａは以下のようにして作製される。まず、ｎ型ＧａＮクラッド層４８上に幅約１μｍのストライプからなるマスクパターンを形成した後、１８０℃で３０分間熱処理を行なうことでマスクパターンをかまぼこ状の形に変形させる。そして、ＲＩＥを用いて垂直にエッチングすることによりかまぼこ状の形をｎ型ＧａＮ光取り出し層４９に転写して作製される。上述した本実施例においても、光の取り出し効率が高く駆動電圧の低い、高輝度の窒化物系半導体発光素子を作製することができる。その他は実施例１と同様である。

（実施例５）
図７に本発明の実施例５の窒化物系半導体発光素子の模式的な斜視図を示す。本実施例の窒化物系半導体発光素子においてはｎ型ＧａＮ光取り出し層５９がプリズム状に形成されていることを特徴とする。

本実施例の窒化物系半導体発光素子は、電極を兼ねたＮｉメッキからなる支持基板５１上にｐ型用電極５２が形成され、ｐ型用電極５２上にｐ型ＧａＮクラッド層５３、ｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.75Ｉｎ_0.05Ｎキャリアブロック層５４、発光層５５およびＳｉドープｎ型ＧａＮ層クラッド層５８が順次積層されており、ｎ型ＧａＮクラッド層５８の上面には再成長を行なうことで作製した凹凸を有するｎ型ＧａＮ光取り出し層５９がプリズム状に形成されている。このｎ型ＧａＮ光取り出し層５９の一部にｎ型用の電極５１０、ｎ型用ボンディング電極５１１が形成されている。

以下に、本実施例の窒化物系半導体発光素子の製造方法について説明する。まず、図８（ａ）はＳｉ基板２０の（００１）主面６０と（１１１）ファセット面６１の関係を示した図であり、図８（ｂ）および図８（ｃ）はＳｉ基板２０を７．３°オフした（００１）面、（１１１）ファセット面６１および(１−１０１)ファセット面７０を有した窒化物半導体膜の関係を表した断面図および概念図である。

この図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、（００１）主面６０より［０１−１］軸のまわりで７．３°回転したＳｉ基板２０若しくは、この面から任意の方向に３°以内の範囲で傾いた面に対して、部分的にＳｉＯ₂５１４によるマスクを施し、そのＳｉＯ₂５１４からなるマスクのない開口部分に対してエッチングを行なうことで、この（００１）主面６０となす角が６２°となる(１１１)ファセット面６１を持つ溝を形成し、その面に窒化物系半導体膜をエピタキシャル成長させることで、（１−１０１）ファセット面７０を成長面としたＧａＮ系半導体膜を得ることが可能である。

ここで用いたＳｉ基板２０は（００１）主面６０から７．３°［０−１−１］方向に傾けた、すなわち（００１）主面６０から［０１−１］軸のまわりで７．３°回転した主面６０を持つものであり、これにより（１−１０１）ファセット面７０はＳｉ基板２０の主面６０とほぼ同じ面方位を持つことができる。なお、この面から任意の方向に３°以内の範囲で傾いている場合でも（１−１０１）面を有する極めて平坦な面が得られる。

そこで、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）および図９（ｄ）の順に、次第に溝上にのみ窒化物系半導体膜の結晶成長を進行させ、できた連続膜の上に窒化物系半導体発光素子を形成させ、さらにその上にｐ型電極５２およびＮｉメッキ５１を支持基板として作製した後、Ｓｉ基板２０を除去することで、このＳｉ基板２０の（１１１）ファセット面６１によって形成されたプリズム状の凹凸を有する光り取り出し面を用いた本実施例の窒化物系半導体発光素子を完成させることができる。

以下、具体的に説明すると、まず、上記で説明したＳｉ基板２０を洗浄し、その上に、スパッタもしくはＣＶＤの技術を用い、図１０（ａ）に示すようにＳｉＯ₂マスク５１４を１００ｎｍ堆積させる。その後、フォトリソグラフの技術を行なうことで、部分的にＳｉＯ₂マスク５１４をストライプ状に除去する。さらにそのウエハをバッファードフッ酸などの酸エッチング等によって、図１０（ｂ）に示すように（１１１）ファセット面６１をもつ溝を形成する。この溝は、Ｓｉ基板２０の［０１−１］方向に延伸したストライプ状の溝である。ここで、Ｓｉ基板２０の主面６０と（１１１）ファセット面６１とのなす角は約６２°である。次に、図１０（ｃ）に示すように（１１１）ファセット面６１の対向面にＳｉＯ₂マスク５１４ａを形成する。

次に、Ｓｉ基板２０のファセット面６１上にＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法を用いて、以下の成長条件で窒化物半導体膜を成長させる。以下、具体的に説明する。

まず、上記で記したプロセスによって溝を形成したシリコン基板２０をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｈ₂雰囲気の中で、約１１００℃の高温でクリーニングを行なう。

次に、キャリアガスとしてＨ₂を１０Ｌ／ｍｉｎの割合で流しながら、８００℃でＮＨ₃を５Ｌ／ｍｉｎの割合で、ＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で、それぞれ装置内に導入して、図１１（ａ）に示すように約５０ｎｍの厚みのＡｌＮバッファ層１２０を成長させ、その後同じ温度で、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧを約２０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で、ＳｉＨ₄ガスを０．０５μｍｏｌ／ｍｉｎの割合でそれぞれ装置内に導入し、約３μｍの厚さのＳｉドープｎ型ＧａＮクラッド層５８を成長させる。

次に、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧの供給を停止して、基板温度を７６０℃まで降温し、ＴＭＩを６．５μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で、ＴＭＧを２．８μｍｏｌ／ｍｉｎの割合でそれぞれ装置内に導入し、Ｉｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎよりなる３ｎｍ厚の井戸層を成長する。その後再び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で装置内に導入しＧａＮよりなる障壁層を成長する。同様に井戸層，障壁層の成長を繰り返し、図１１（ｂ）に示すように、４ペアからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる発光層５５を成長させる。

上記発光層の成長が終了した後、最後の障壁層と同じ温度で、ＴＭＧを１１μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で、ＴＭＡを１．１μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で、ＴＭＩを４０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で、Ｃｐ₂Ｍｇを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎの割合で装置内に流し、５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.75Ｉｎ_0.05Ｎキャリアブロック層５４を成長させる。次にｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.75Ｉｎ_0.05Ｎキャリアブロック層５４の成長が終了すると、同じ成長温度においてＴＭＡの供給を停止し８０ｎｍ厚のｐ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層５３の成長を行ない、図１１（ｃ）に示す段階で、発光素子構造の成長を終了する。その後、ＴＭＧ，ＴＭＩ及びＣｐ₂Ｍｇの供給を停止した後、室温まで冷却し、ＭＯＣＶＤ装置より取り出す。

上記成長条件を用いてＳｉ基板２０上に作製した窒化物半導体発光素子上に、電子ビーム（ＥＢ）蒸着装置を用いて、ｐ型用電極５２を１００ｎｍの膜厚で蒸着する。このｐ型用電極５２上に、Ｎｉメッキを１００μｍ施し、図１１（ｄ）に示すように半導体発光素子の支持基板５１とした。

引き続き、ｎ型ＧａＮクラッド層５８側のＳｉ基板２０をフッ酸系のエッチャントを用いエッチングを行なうことで除去し、さらには、ｎ型-ＧａＮ側の導電性を上げることを目的とし、ＡｌＮバッファ層１２０およびＳｉ基板界面付近の結晶性の低い層をＲＩＥ装置を用い除去してプリズム状の光取り出し層５９を形成する。最後に光取り出し層５９上に、部分的にｎ電極５１０およびボンディング電極５１１を形成し、できたウエハをダイシング装置で３００μｍ角に分割する。上述した本実施例においても、光の取り出し効率が高く駆動電圧の低い、高輝度の窒化物系半導体発光素子を作製することができる。

（比較例１）
実施例１の窒化物系半導体発光素子の構成において、光取り出し面１９を形成せずに、ｎ型ＧａＮ層クラッド層１８上に直接ｎ型用電極１１０を設けた構成のものを比較例１の窒化物系半導体発光素子とした。

（比較例２）
実施例１の窒化物系半導体発光素子の構成において、ｎ型とｐ型とを入れ替えた構成のものを比較例２の窒化物系半導体発光素子とした。

（測定結果）
実施例１〜５および比較例１〜２の窒化物系半導体発光素子の駆動電圧と光取り出し効率の測定を行なった。下記表１に実施例１〜５および比較例１〜２の窒化物系半導体発光素子の測定結果を示す。

表１からもわかるように、実施例１〜５の窒化物系半導体発光素子は比較例１の窒化物系半導体発光素子と駆動電圧は３．５Ｖで同等であるが、実施例１〜５の窒化物系半導体発光素子の光取り出し効率は２．０ｍＷであり、比較例１の窒化物系半導体発光素子の光取り出し効率は１．５ｍＷであることから、実施例１〜５の窒化物系半導体発光素子は比較例１の窒化物系半導体発光素子よりも光取り出し効率に優れていた。

また、実施例１〜５の窒化物系半導体発光素子の駆動電圧は３．５Ｖであり、比較例２の窒化物系半導体発光素子の駆動電圧は４．５Ｖであることから、実施例１〜５の窒化物系半導体発光素子は比較例２の窒化物系半導体発光素子よりも駆動電圧を低下させることができた。

今回開示された実施の形態および実施例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。

１１，２１，３１，４１，５１ 支持基板、１２，２２，３２，４２，５２ ｐ型用電極、１３，２３，３３，４３，５３ ｐ型クラッド層、１４，２４，３４，４４，５４ ｐ型キャリアブロック層、１５，２５，３５，４５，５５ 発光層、１６，２６，３６，４６ ｎ型Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層、１７，２７，３７，４７ ｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、１８，２８，３８，４８，５８ ｎ型ＧａＮ層クラッド層、１９，２９，３９，４９，５９ 光取り出し層、３９ａ，４９ａ 光取り出し面、１１０，２１０，３１０，４１０，５１０ ｎ型用電極、１１１，２１１，３１１，４１１，５１１ ｎ型用ボンディング電極、１１２，１０１，１２０ バッファ層、１１３ Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層、２１３ 透光性電極層、３１４，５１４，５１４ａ マスク、１０，２０，１００ Ｓｉ基板、６０ 主面、６１，７０ ファセット面、１０２ ｎ型ＧａＮ層、１０３ ＩｎＧａＮ発光層、１０４ ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層、１０５ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０６ 透光性電極、１０７ ｎ型用の電極、１０８ ｐ型用パッド電極、１０９ ｎ型用パッド電極。

Claims (3)

1. 支持基板上に形成された反射層と、反射層上方に順次積層されたｐ型窒化物系半導体層、発光層およびｎ型窒化物系半導体層とを含む窒化物系半導体発光素子であって、前記ｎ型窒化物系半導体層上方に位置する光取り出し面に凹凸が形成されており、
   前記凹凸は、シリコンからなる成長用基板上にバッファ層、ｎ型窒化物系半導体層、発光層およびｐ型窒化物系半導体層を成長した後に該シリコンからなる成長用基板をエッチングまたは研磨により除去し、前記バッファ層を除去した、該ｎ型窒化物系半導体層面上に該ｎ型窒化物系半導体層と同じ結晶からなる凹凸を設けることにより形成されたものであることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 支持基板上に形成された反射層と、反射層上方に順次積層されたｐ型窒化物系半導体層、発光層およびｎ型窒化物系半導体層とを含む窒化物系半導体発光素子であって、前記ｎ型窒化物系半導体層上方に位置する光取り出し面に凹凸が形成されており、
   前記凹凸は、成長用基板上にｎ型窒化物系半導体層、発光層およびｐ型窒化物系半導体層を成長した後に該成長用基板を除去した該ｎ型窒化物系半導体層面上に該ｎ型窒化物系半導体層と同じ結晶からなる凹凸を設けることにより形成されたもので、前記光取り出し面は、成長用基板除去後に再成長された第２のｎ型窒化物系半導体層に形成されていることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
3. 支持基板上に形成された反射層と、反射層上方に順次積層されたｐ型窒化物系半導体層、発光層およびｎ型窒化物系半導体層とを含む窒化物系半導体発光素子であって、前記ｎ型窒化物系半導体層上方に位置する光取り出し面に凹凸が形成されており、上面の一部がＳｉＯ₂で覆われていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。

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