JP5539395B2 - 半導体素子、発光素子及びこれの製造方法 - Google Patents

Description

実施例は、半導体素子、発光素子及びこれの製造方法に関するものである。

典型的な化合物半導体としての窒化ガリウム（ＧａＮ）は、青色発光素子や高温電子素子などの応用に適合した物質として知られている。最近、このような青色発光素子などの需要が急増し、ＧａＮ基板に対する需要が増加している。しかし、高品質のＧａＮ基板はその製造が非常に難しく、その製造コストや時間がたくさん費やされている。

まず、ＧａＮは、シリコンやサファイア（ｓａｐｐｈｉｒｅ）とは異なってインゴット形態の成長が不可能であるため、ＳｉＣやサファイア基板などの異種基板上にエピタキシャル成長法を使用して成長させているが、このような異種基板とＧａＮ結晶の間には格子常数と熱膨張係数の差が存在し、これによる電位密度（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）が非常に高いため、このようなＧａＮ基板を利用して製造された素子の特徴や、素子の加工の際多くの問題をもたらしているのが実情である。

従って、このような欠陥を減らすために複雑な製造工程や時間が所要されるが、例えば、高品質ＧａＮ基板の製造に広く使用されているＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）方法の場合、基板とＧａＮ結晶の間に存在する格子常数の差と熱膨張係数の差によるストレスの発生をストライプ状のＳｉＯ_２マスクを使用して遮断する。即ち、ＥＬＯ方法は、基板上にＧａＮ薄膜を成長させた後、ＧａＮ薄膜が成長された基板を反応機から取り出し、蒸着装備に装入してＧａＮ薄膜上にＳｉＯ_２薄膜を形成させ、ＳｉＯ_２薄膜が蒸着された基板を蒸着装備から取り出した後、フォトリソグラフィ技法を利用してＳｉＯ_２マスクパターンを形成し、これをまた反応機に装入してＧａＮ薄膜を形成する方法である。（更に詳しくは、特許第４５５２７７号公報参照）しかし、このようなＥＬＯ方法は、上述したような複雑な工程を経るようになり、工程時間も長くかかるだけでなく、再現性と収率にも問題点がある。

一方、上記のような化合物半導体を使用して製造された発光素子の発光効率の向上も重要な課題である。即ち、発光素子の活性層から発生された光は発光素子の表面の方に放出されるが、基板の方にも放出されて基板によって吸収されるなど、発光効率が落ちるようになる。これを解決するため、表面が微細加工されたサファイア基板（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を使用し、活性層から発生されて基板の方に放出される光を反射させて基板による透過や吸収を減らすことで、発光素子の表面の方への発光効率を増加させようとする試みがある。即ち、サファイア基板の表面をフォトリソグラフィ工程を利用してサファイア基板の表面に凸凹構造を作り、ＧａＮとサファイアの屈折率の差と表面構造によって、活性層から発生されて基板のように放出される光を発光素子の表面の方に反射させる。しかし、基板を微細加工するためには、複雑な工程と時間を要するフォトリソグラフィ工程を利用しなければならないという短所がある。また、サファイア基板のエッチングの際、エッチングの程度によって凸凹形状の角度が異なるという問題があり、この上にエピタキシャル成長されるＧａＮ層の形状が均一になりにくく、従って、発光素子の光学特性に偏差が生じるという問題がある。

また、ＧａＮ成長のための支持基板としては、上述したＳｉＣやサファイア以外にも、大口径化が可能で安価なシリコンウェハを使用する試みが行われている。しかし、シリコン基板は他の支持基盤より格子常数や熱膨張係数の差が更に大きいため、高品質のＧａＮ基板を得ることが更に難しい。尚、シリコンの低いバンドギャップエネルギと不透明性によって発光素子の活性層から発生された光がシリコン基板に吸収されるため、発光効率が低いという問題がある。

このように、結晶欠陥が少ない高品質の化合物半導体基板を製造するためには、フォトリソグラフィ工程のようにコストが高くて複雑な工程を必要とし、また、発光効率を向上させて消費電力を低減するためにも高コストの工程を必要とするというのが現状である。更に、高コストにも関わらず、その再現性と収率が低いという点も解決すべき課題である。

実施例は、容易に製造されて、高品質・高効率の半導体素子、発光素子及びこれの製造方法を提供する。

一実施例による半導体素子は、基板と、前記基板上に配置される多数個の柱と、前記柱の間及び前記基板上に配置される多数個の粒子と、前記柱上に配置される第１半導体層と、を含む。

一実施例による半導体素子は、基板と、前記基板上に配置される多数個の柱と、前記柱の間及び前記基板上に配置される多数個の粒子と、前記粒子上及び前記柱上に配置される第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に配置される活性層と、前記活性層上に配置される第２導電型半導体層と、を含む。

一実施例による半導体素子の製造方法は、基板を提供する段階と、前記基板上に多数個の第１粒子を配置する段階と、前記第１粒子をエッチングマスクとして前記基板の一部をエッチングし、多数個の柱を形成する段階と、を含む。

実施例による半導体素子の製造方法は、第１粒子をマスクとして使用して基板をエッチングし、これによって多数個の柱を形成する。即ち、実施例による半導体素子の製造方法は、フォトリソグラフィ工程によって形成されたマスクを使用することなく、基板をパターニングして多数個の柱を形成する。

従って、実施例による半導体素子の製造方法は、従来のフォトリソグラフィ工程を利用するＥＬＯ法又はフォトリソグラフィ工程によって微細パターニングされたサファイア基板を利用する場合などに比べ、高品質の半導体素子を容易に提供することができる。即ち、実施例による半導体素子を製造するための工程は、制御が容易で安価であり、高い再現性と生産性を有する。

また、実施例による半導体素子及び発光素子は、柱の間に介在される多数個の粒子を含む。この際、第１半導体層又は第１導電型半導体層と粒子との間の屈折率の差によって、実施例による半導体素子及び発光素子の光効率が向上される。

即ち、活性層と同じ発光層から発生した光は、第１半導体層又は第１導電型半導体層と粒子との間における面で、上方に反射される。従って、実施例による半導体素子及び発光素子の光効率が向上される。

また、第１半導体層又は第１導電型半導体層と柱との間における接触面積が小さいため、第１半導体層又は第１導電型半導体層と柱との間における結晶性の差によるディフェクトが減少される。同じく、柱と基板との間における結晶性の差によるディフェクトが減少される。

従って、柱は、第１半導体層又は第１導電型半導体層と基板との間における結晶差を補償するバッファ機能を行うことができる。

従って、実施例による半導体素子及び発光素子は、層間の結晶性の差によるディフェクトを減少させることができる。

実施例による化合物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 実施例による化合物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 実施例による化合物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 実施例による化合物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 実施例による化合物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 図２に示した工程を終えた状態の半導体柱を撮影した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真である。 図３に示した工程を終えた状態の半導体柱及び第２粒子を撮影した走査型電子顕微鏡の写真である。 他の実施例による半導体発光素子の製造工程のうち一部を示す図である。

実施例の説明に当たって、各基板、柱、層、粒子又は電極などが各基板、柱、層、粒子、又は電極などの「上（ｏｎ）」に、又は「下（ｕｎｄｅｒ）」に形成されるものとして記載される場合において、「上（ｏｎ）」と「下（ｕｎｄｅｒ）」は、「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」又は「他の構成要素を介在して（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）」形成されるものを全て含む。また、各構成要素の上又は下に対する基準は、図面を基準に説明する。図面における各構成要素の大きさは、説明のために誇張されてもよく、実際に適用される大きさを意味するものではない。

図１乃至図５は、実施例によって半導体発光素子を製造する過程を示す図である。図１の（ａ）及び図２乃至図５は断面図であり、図１の（ｂ）は平面図である（図２以下では平面図を省略している）。

図１を参照すると、まず支持基板１０上に第１化合物半導体層１１が成長され、前記第１化合物半導体層１１の上に第１粒子１２がコーティングされる。

前記支持基板１０として使用される物質の例としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＧａＡｓ、スピネル、ＩｎＰ、ＳｉＣ又はＳｉなどが挙げられる。それぞれの材料は次のような長短があるため、応用範囲又は要求される品質に応じて適切に選択する。即ち、サファイア基板は高温安定性が高いが、基板の大きさが小さくて大面積の製造が難しい。また、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板は、結晶構造が代表的な窒化物半導体である窒化ガリウムと同じで、高温安定性が高く、格子常数及び熱膨張係数の窒化ガリウムと類似した格子常数及び熱膨張係数を有する。しかし、シリコンカーバイド基板は、価格が高い。シリコン基板は、１２インチ以上の大面積を有することができ、製造コストが低く、応用範囲が広い。但し、シリコン基板は窒化ガリウムと格子常数や、熱膨張係数の差が大きい方である。

前記支持基板１０上に成長される第１化合物半導体層１１によって、後述される半導体柱２０が形成される。この際、第1化合物半導体層１１は、半導体柱２０上に形成される半導体層と同じであるか類似した物質を含んでもよい。この場合、図１の第１化合物半導体層１１と図４の化合物半導体層４０を成長させる方法は実質的に同じであってもよい。従って、図４の化合物半導体層４０の成長方法に対しては、図１の第１化合物半導体層１１の成長方法を参考にして理解することができる。

まず、図示していないが、支持基板１０と第１化合物半導体層１１の結晶学的差を減らし、これを介して結晶欠陥密度を最小化するためにバッファ層が形成されてもよい。バッファ層は、第１化合物半導体層１１との結晶特性が類似していて科学的に安定した物質を使用することが好ましい。即ち、第１化合物半導体層１１との結晶構造が同じであるか類似しているか、格子常数が同じであるか類似しているか、熱膨張係数が同じであるか類似している物質で形成することが好ましい。好ましくは、後で形成される化合物半導体層と結晶構造が同じで、格子常数の差が少なくとも２０％以内である物質で形成する。

具体的に、バッファ層は、第１化合物半導体層１１が窒化物系化合物半導体で形成される場合、ＧａＮ膜、ＡｌＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、又はこれらの組合膜などで、断層又は複数層で形成してもよい。バッファ層は、通常ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法を利用して形成することができるが、個別的なラインを介して反応前駆体を所定の流れ速度で反応機内に注入し、反応機を適切な圧力、温度で維持しながら、前記反応前駆体を化学反応させて目標とする厚さのバッファ層を形成する。この場合、反応前駆体は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）又はＧａＣｌ_３などを使用してもよく、窒化物ソースガスは、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素又はターシャリブチルアミン（Ｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｙｌａｍｉｎｅ（Ｎ（Ｃ_４Ｈ_９）Ｈ_２）を使用してもよい。ＧａＮ低温バッファ層の場合、４００〜８００℃の温度範囲で、１０〜４０ｎｍの厚さで成長させる。ＡｌＮ又はＡｌＧａＮバッファ層の場合、４００〜１２００℃の温度範囲で、１０〜２００ｎｍの厚さで成長させる。バッファ層は、使用する支持基板、成長装備（ＭＯＣＶＤ装置）、成長条件などによって選択的に使用してもよい。

次に、バッファ層が形成された支持基板上に、第１化合物半導体層１１が成長される。第１化合物半導体層１１としては、紫外線、可視光線又は赤外線領域の光を放出するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体又はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層が使用されてもよい。化合物半導体層１１として窒化物系化合物半導体を使用する場合、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ又はＡｌＩｎＧａＮ（例えば、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_ｚＮで表現できるが、ここで、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１である）などが例として挙げられる。窒化ガリウムは、直接遷移型広バンドギャップ半導体（ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）としてバンドギャップエネルギが３．４ｅＶであり、青色発光素子又は高温電子素子の溶融に適合した物質として知られている。第１化合物半導体層１１の蒸着の際、インジウム（Ｉｎ）又はアルミニウム（Ａｌ）を個別、同時、又は順次的に注入しながら薄膜の蒸着工程を行い、ＩｎＮ，ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの薄膜を成長させることで素子のバンドギャップを１．９乃至６．２ｅＶに調節することができる。ＧａＮ薄膜は３．４ｅＶのバンドギャップを有し、ＡｌＮ薄膜は６．２ｅＶのバンドギャップを有し、ＩｎＮ薄膜は０．７ｅＶのバンドギャップを有すると知られている。ＡｌＮは６．２ｅＶのバンドギャップを有し、ＡｌＮ薄膜は６．２ｅＶのバンドギャップを有するため、紫外線領域の光を放出し、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）はＡｌＮより小さいバンドギャップを有するが紫外線領域の光を放出し、ＧａＮはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）より小さい３．４ｅＶのバンドギャップを有し、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）はＧａＮより小さいバンドギャップを有して可視光線領域の光を放出し、ＩｎＮはＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）より小さい０．７ｅＶのバンドギャップを有するため赤外線領域の光を放出する。

第１化合物半導体層１１を成長させる好ましい方法としては、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）又はＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などが例として挙げられる。

有機金属化学蒸着法を利用して第１化合物半導体層１１を形成する方法を説明すると、まず基板１０を反応機内に装入し、反応前駆体を搬送ガスを利用して反応機内にそれぞれ注入する。次に、所定範囲の温度と所定範囲の圧力で前記反応前駆体を化学反応させ、第１化合物半導体層１１を成長させる。化合物半導体層が窒化物系列の薄膜である場合、反応前駆体としてはトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム又はＧａＣｌ_３を使用してもよく、窒化物ソースガスは、アンモニア、窒素又はターシャリブチルアミンを使用してもよい。反応機の温度は９００〜１１５０℃が適切であり、圧力は１０^−５２０００ｍｍＨｇが適切である。

ＭＯＣＶＤ法によって窒化ガリウム薄膜を形成する過程を反応式で表すと次のようである。

（反応式１）
Ｇａ（ＣＨ_３）_３＋ＮＨ_３→Ｇａ（ＣＨ_３）_３・ＮＨ_３
トリメチルガリウムとアンモニウムが流入され、Ｇａ（ＣＨ_３）_３・ＮＨ_３が生成される。

Ｇａ（ＣＨ_３）_３・ＮＨ_３は、基板上で熱分解されながらＧａＮ薄膜が形成されるようになるが、次のような反応によってＧａＮ膜が形成されるようになる。

（反応式２）
Ｇａ（ＣＨ_３）_３・ＮＨ_３→ＧａＮ＋ｎＣＨ_４＋１／２（３−ｎ）Ｈ_２
第１化合物半導体層１１は、バッファ層上でクラスタ（Ｃｌｕｓｔｅｒ）又は島（ｉｓｌａｎｄ）状で成長して基板（バッファ層）に吸着されるようになり、究極的には平坦は層状で成長される。

第１化合物半導体層１１が望みの厚さまで成長されると、基板１０を反応機から取り出し、第１化合物半導体層１１の上に予め準備した第１粒子１２をコーティングする。

第１粒子１２は、球状を有するボールであってもよい。第１粒子１２は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）ボール、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）ボール、酸化チタン（ＴｉＯ_２）ボール、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）ボール、Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２ボール、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ）ボール、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）ボール、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３）ボール、Ｎｂ_２Ｏ_５ボール、ＦｅＳＯ_４ボール、Ｆｅ_３Ｏ_４ボール、Ｆｅ_２Ｏ_３ボール、Ｎａ_２ＳＯ_４ボール、ＧｅＯ_２ボール又はＣｄＳボールなど、多様な材料で作るか購入して準備してもよい。また、第１粒子１２の大きさ（直径）は、最終完成品である化合物半導体素子の種類と大きさによって数ナノメートル（ｎｍ）〜数十マイクロメートル（ｕｍ）まで多様に選択してもよい。最近発光素子として使用されているＧａＮ基板において、ＧａＮ層の厚さが通常数ｕｍであることを勘案すると、第１粒子１２として、例えば、１０ｎｍ〜２ｕｍ程度の大きさを有する球状のボールが好ましい。また、第1化合物半導体層１１上にコーティングして後から除去する場合の工程の便宜性を考えると、第１粒子１２としては酸化シリコンボールが適切である。

酸化シリコンボールの製造方法を説明すると、まず、粒子を作るために、ＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）を無水エタノールに溶かして第１溶液を作る。また、アンモニアエタノール溶液と脱イオン化された（ｄｅｉｏｎｉｚｅｄ）水とエタノールを混ぜて第２溶液を製造する。アンモニアは、粒子を作るための触媒剤として作用する。次に、第１溶液と第２溶液を混ぜた後、適切な温度で適切な時間の間攪拌すると、球状の酸化シリコンボールが作られる。こうして得られた粒子が含まれた溶液から遠心分離を介して粒子を分離した後、エタノールで洗浄し、エタノール溶液に再分散させてスラリ（ｓｌｕｒｙ）と類似した形の粒子が分散された溶液を得る。粒子は、製造条件、即ち、反応時間、温度、反応物質の量に応じてその大きさを多様にして製造してもよい。一方、本出願人は、２００５年３月９日付で出願されて（出願番号：１０−２００５−００１９６０５）２００６年９月１９日付で公開された（公開番号：１０−２００６−００９８９７７）特許出願を介して、粒子がコーティングされた基板に化合物半導体層を成長させる方法を提案したことがあるが、酸化シリコンボールの更に詳しい製造方法は、この出願に開示されている。

こうして得られた第１粒子１２が、分散された溶液をドロップ（ｄｒｏｐ）、ディッピング（ｄｉｐｐｉｎｇ）、スピンコーティング（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）のような方法を利用して、第１化合物半導体１１上にコーティングされる。この際、コーティングする時間と回数を適切に制御すると、基板上の第１粒子１２の密度を多様に調節することができる。図１に示したように、第１粒子１２はあまり密集せず、第１化合物半導体層１１を適切に露出する程度にコーティングされることが好ましい。後述するように、第１粒子１２を利用して半導体柱２０が形成され、その間に第１粒子１２より小さい直径を有する第２粒子３０が埋め込まれる。この際、第１粒子１２が密集しすぎるようにコーティングされると、第２粒子３０が埋め込まれる空間が少なくなる。このように埋め込まれた第２粒子３０は、後述する活性層５２で発生されて支持基板１０の方に放出される光を上方に反射させる。これを増加させるためには、第１粒子１２の間にある程度の面積が確保される必要がある。一方、第１粒子１２が疎らにコーティングされると、半導体柱２０の露出された表面から成長される化合物半導体層４０の成長時間が長くなりすぎるのである。従って、第１粒子２０のコーティング密度は、発光素子の発光効率と化合物半導体層４０の成長速度を考慮して適切に調節する。例えば、本発明の化合物半導体基板を発光素子に適用する場合、第１粒子１２の間の間隔は０．１ｕｍ乃至１０ｕｍが適切である。これとは異なって、第１粒子１２が互いにくっついてもよい。

次に、図２に示したように、コーティングされた第１粒子１２をエッチングマスクとして使用して第１化合物半導体層１１がエッチングされ、前記支持基板１０上に半導体柱２０が形成される。前記半導体柱２０は、柱状、更に詳しくは、円柱状を有してもよい。

即ち、高コストがかかるフォトマスクを利用したフォトリソグラフィ工程を利用せずに第１粒子１２をエッチングマスクとして使用して、前記第１化合物半導体層をパターニングしてもよい。即ち、前記第１粒子１２を使用して、簡単且つ安価に、第１粒子１２のコーティング密度と同じ密度及び第１粒子１２と同じ直径の半導体柱２０を形成してもよい。例えば、前記半導体柱２０の直径は、０．５ｕｍ乃至５ｕｍであってもよい。

上記のようなエッチング工程は、エッチング異方性が良好な乾式エッチングを利用することが好ましいが、具体的には、反応性イオンエッチング(Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ)や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）又はＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などのプラズマエッチングが適合しているといえる。この際、エッチングガスはエッチングの対象である第１化合物半導体層１１を成す物質に応じて通常使用するエッチングガスを使用してもよい。例えば、第１化合物半導体層１１がＧａＮで形成される場合、エッチングガスはＢＣｌ_３やＣｌ_２などを利用してもよい。また、エッチング時間や工程圧力、温度などの工程条件は、具体的なエッチング方法とエッチングの深さ、即ち、形成しようとする半導体柱２０の高さに応じてエッチング速度を考慮して決めてもよい。これに限ることはないが、半導体柱２０の高さは、大略０．５〜５．０ｕｍ程度が適切である。

前記第１化合物半導体層１１は、前記第１化合物半導体層１１の厚さより小さい深さでエッチングされる。これによって、前記第１化合物半導体層１１は、前記支持基板１０の上面が露出されないようにエッチングされる。また、前記半導体柱２０は、残っている第１化合物半導体層１１’と一体に形成される。即ち、前記半導体柱２０は、残っている第１化合物半導体層１１’を介して、前記支持基板１０に接触する。

これとは異なって、第１化合物半導体層１１は前記支持基板１０の上面が露出されるようにエッチングされ、半導体柱が形成されることができる。

前記第１粒子１２は、前記第１化合物半導体層１１の上にランダム（ｒａｎｄｏｍ）に、即ち、不規則的に配置されてもよい。この場合、半導体柱２０もランダムに形成される。前記半導体柱２０は、前記基板１０上にランダムに配置される。即ち、前記半導体柱２０の間の間隔が互いに異なってもよい。また、本実施例によって形成された半導体発光素子は、互いに異なる半導体柱の位置、個数及び／又は形状を有してもよい。

図６は、前記半導体柱２０が形成された後、第１粒子１２が除去された後、前記半導体柱２０の表面を撮影した走査電子顕微鏡の写真である。

図６を参照すると、第１粒子１２がコーティングされた第１化合物半導体層１１の領域はエッチングされない。また、第１粒子１２の間に露出された第１化合物半導体層１１の領域はエッチングされる。このように形成された半導体柱２０が形成された後、第１粒子１２は半導体柱２０との接着力がそれほど大きくなきため、比較的に簡単に、例えば、超音波洗浄のような方法で除去されてもよい。または、第１粒子１２は科学的エッチングを介して除去されてよいが、例えば、第１粒子１２が酸化シリコンで形成された場合、第１粒子１２はフッ酸溶液に浸され、湿式エッチングによって除去されてもよい。

これとは異なって、図８に示したように、第１化合物半導体層１１が省略され、支持基板１０’に直接半導体柱２０’が形成されてもよい。詳しくは、第１粒子１２が前記支持基板１０’にコーティングされた後、前記第１粒子１２をエッチングマスクとして使用し、前記支持基板１０’が所定の深さでエッチングされる。これによって、前記支持基板１０’と同じ物質で形成された前記半導体柱２０’が形成される。前記支持基板１０’をエッチングするための工程は、上述した第１化合物半導体層１１をエッチングするための工程と同じ条件を有してもよい。

これとは異なって、前記支持基板１０’を成す物質の種類に応じて前記半導体柱２０’を形成するため、他のエッチング工程が適用されてもよい。例えば、支持基板１０’がシリコンで形成される場合、エッチングガスはＳＦ_６やＣ_４Ｆ_８などが使用されてもよい。

また、上記の説明では半導体柱２０を形成した後から第１粒子１２を除去することとして説明したが、第１粒子１２が除去されず、そのまま後続の工程が進められてもよい。

次に、半導体柱２０の間及び前記支持基板１０上に前記第１粒子１２より直径が小さい第２粒子３０がコーティングされる。即ち、前記半導体柱２０の間に前記第２粒子３０が埋め込まれる。この際、前記第２粒子３０は、前記第１粒子１２がコーティングされる方法と同じ方法でコーティングされてもよい。

即ち、前記第２粒子３０は、前記第１粒子１２と大きさが異なるのみであり、その材料、製造方法及びコーティング方法などは第１粒子１２と同じであってもよい。従って、前記第２粒子３０の材料、製造方法及びコーティング方法は、上述した前記第１粒子２０の材料、製造方法及びコーティング方法を参考にしてもよい。

また、第２粒子３０は、柱状の半導体柱２０の間に埋め込まれるよう、半導体柱２０の間の間隔より小さい大きさを有する。例えば、前記第２粒子３０の直径は１０〜５００ｎｍ程度が好ましく、１０〜３００ｎｍ程度は更に好ましい。一方、第２粒子３０の直径は、偏差を有してもよい。同じく、第１粒子１２の直径も偏差を有してもよい。

図７は、半導体柱２０間に第２粒子３０が埋め込まれた状態を示す走査型電子顕微鏡の写真である。

図７を参照すると、半導体柱２０間に第２粒子３０が均等に埋め込まれていることが分かる。また、一部の第２粒子３０は、柱状の半導体柱２０の上部表面に配置されてもよい。このように、半導体柱２０の上部表面に配置された第２粒子３０の量は微々たるものであり、全体の半導体発光素子の性能に影響を及ぼすことはない。

一方、半導体柱２０の間に第２粒子３０を埋め込む高さに関しては、特別な制限はない。但し、後述するように、半導体柱２０の間に積もった第２粒子３０の層が反射層として機能するために必要な最小限の高さ（例えば、第２粒子が二層に積もった高さ）以上であってもよい。また、半導体柱２０の露出された表面から化合物半導体層が円滑に成長されるよう、前記第２粒子３０の高さは、半導体柱２０の高さ以下であってもよい。即ち、図３では、第２粒子３０が半導体柱２０の間領域に半導体柱２０と同じ高さで積層されることとして図示したが、第２粒子３０は半導体柱２０の中間程度の高さまで埋め込まれてもよい。

次に、図４に示したように、半導体柱２０の間に第２粒子３０が埋め込まれた後、露出された半導体柱２０の表面から第２化合物半導体層４０が成長される。第２化合物半導体層４０の成長方法は、上述した第１化合物半導体層１１と同じく、ＭＯＣＶＤ法などを利用してもよい。但し、第２化合物半導体層４０は、支持基板１０の表面の全体領域で成長される第１化合物半導体層１１とは異なって、第２粒子３０の上に露出された半導体柱２０の表面から成長されるため、ＥＬＯ方法や、いわゆるＰＥ（Ｐｅｎｄｅｏ−Ｅｐｉｔａｘｙ）成長メカニズムによって成長される。また、第２化合物半導体層４０は、前記第２粒子３０が前記半導体柱２０より低い高さで埋め込まれる場合には、前記半導体柱２０の上面及び側面から成長される。また、第２化合物半導体層４０は、前記支持基板１０上の前面に拡張されて成長される。

また、前記第２粒子３０から前記第２化合物半導体層４０が成長されないため、前記第２粒子３０と前記第２化合物半導体層４０の間に気孔層が形成される。前記気孔層は、活性層５２から出射される光を上方に容易に反射させる。例えば、気孔層の屈折率が前記第２化合物半導体層４０より更に低いため、前記気孔層と前記第２化合物半導体層４０の間の界面で全反射が容易に発生されることができる。

前記活性層５２から出射される光は、前記粒子３０によって効果的に上方に反射される。これに加わって、前記気孔層によって、前記光は更に容易に上方に反射される。

従って、実施例による半導体発光素子は、向上された発光効率を有することができる。

前記第２化合物半導体層４０は、多様な構成を有してもよい。例えば、第２化合物半導体層４０は、同じ物質で形成された単層であってもよく、他の物質で形成された多層であってもよい。また、第２化合物半導体層４０の蒸着の際、目的とする用途に応じて、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｏ，Ｓｅ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｎｉ及びＦｅで形成された群から選択された１種以上の多様な異種物質をドーパントとして含んでもよい。このような異種物質は、第２化合物半導体層４０はの電気的、光学的又は磁気的性質を変化させるために、使用者の要求に応じて選択的に追加してもよい。異種分室は、インシツドーピング（ｉｎ−ｓｉｔｕ ｄｏｐｉｎｇ）、エクスシツドーピング（ｅｘ−ｓｉｔｕ ｄｏｐｉｎｇ）又はイオン注入（ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）などを介して添加してもよい。インシツドーピングは、半導体層成長させる際、追加しようとする異種物質を添加する方法であり、エクスシツドーピングは、化合物半導体層を成長させた後、熱処理やプラズマ処理を介して異種物質を化合物半導体層に注入する方法である。イオン注入は、追加しようとする異種物質を加速させて化合物半導体層と衝突させ、半導体層内に異種物質を注入する方法である。

また、本実施例によって化合物半導体層を形成した後、これに基づいて、即ち、前記化合物半導体層を基板として使用して、ＨＶＰＥ法を利用して厚い化合物半導体層を蒸着してもよい。ＨＶＰＥ法は気相成長方式の一種で、基板上にガスを流すことで、ガスの反応によって結晶が成長される方式である。このようにＨＶＰＥ法によって厚い化合物半導体層が形成されると、基板と化合物半導体層を分離するか基板を研磨又はエッチングして除去し、基板上に成長された均一で高品質の化合物半導体層のみを選択して使用してもよい。

ＨＶＰＥ法を利用して化合物半導体層の上に追加的な化合物半導体層、例えば、ＧａＮ厚膜を形成する方法を説明すると、反応機の中にＧａ金属を収納した容器を配置させておき、前記容器の周囲に設置したヒータで過熱してＧａ融液を作る。こうして得たＧａ融液とＨＣｌを反応させてＧａＣｌガスを作る。

これを反応式で示すと、以下のようである。

（反応式３）
Ｇａ（１）＋ＨＣｌ（ｇ）→ＧａＣｌ（ｇ）＋１／２Ｈ_２（ｇ）
このＧａＣｌガスとアンモニアを反応させるとＧａＮ層が形成されるが、以下のような反応を介してＧａＮ層が形成されるようになる。

（反応式４）
ＧａＣｌ（ｇ）＋ＮＨ_３→ＧａＮ＋ＨＣｌ（ｇ）＋Ｈ_２
この際、反応されない気体は、以下のような反応を介して排気されるようになる。

（反応式５）
ＨＣｌ（ｇ）＋ＮＨ_３→ＮＨ_４Ｃｌ（ｇ）
ＨＶＰＥ法は、１００ｕｍ／ｈｒ程度の速い成長率で厚膜の成長が可能であるため、高い生産性を得ることができる。

次に、図５を参照すると、第２化合物半導体層４０上に活性層５２及び第２導電型化合物半導体層５３が形成される。本実施例では、前記第２化合物半導体層４０は、第１導電型半導体層であってもよい。ここで、前記第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型であってもよい。即ち、実施例による半導体発光素子は、ｎ層、活性層及びｐ層の構造を有する発光ダイオードである。

これとは異なって、前記第２化合物半導体層４０自体が前記ｎ層、活性層及びｐ層の構造を有するか、前記第２化合物半導体層４０上に第１導電型の化合物半導体層が別に形成され、その上に次々と活性層及び第２導電型化合物半導体層が更に形成されてもよい。

ここで、前記第２化合物半導体層４０は、例えば、ｎ−ＧａＮ層で形成され、前記第２導電型の化合物半導体層５３は、ｐ−ＧａＮ層で形成されてもよい。また、活性層５２は、例えば、ＩｎＧａＮ層として量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有してもよい。

次に、第２導電型化合物半導体層５３、活性層５２、第２化合物半導体層４０の一部領域を次々とパターニングし、露出された一部の粒子１２及び半導体柱２０をエッチングして、金属層３０の一部を露出させる。

次に、第１化合物半導体層４０上に導電物質が蒸着されてパターニングされ、第１電極６１が形成される。また、第２導電型化合物半導体層５３上に第２電極６２が形成される。前記導電物質は、例えば、Ｎｉ又はＡｕのように発光素子の電極として広く使われている金属又はその合金や、ＩＴＯなどの透明金属酸化物で形成されてもよい。

即ち、前記半導体柱２０は、前記基板１０上に配置される。前記半導体柱２０は、互いに離隔される。

前記第２粒子３０は、前記基板１０上に配置され、前記半導体柱２０の間に配置される。

前記第２化合物半導体層４０は、前記半導体柱２０の間及び前記半導体柱２０上に配置される。前記第２化合物半導体層４０には、第１導電型ドーパントがドーピングされる。前記第２化合物半導体層４０は、Ｎ型半導体として具現されてもよく、前記Ｎ型半導体層は３足元素と５足元素の化合物であり、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質で具現されてもよい。例えば、前記Ｎ型半導体層は、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮのうち少なくとも一つで形成されてもよい。前記第１導電型ドーパントはＮ型ドーパントであり、前記Ｎ型ドーパントは、Ｓｉ，Ｇｅ及びＳｎなどを含んでもよい。

前記第２化合物半導体層４０の上には活性層５２が形成され、前記活性層５２は、単一量子井戸又は多重量子井戸構造を有する。前記活性層５２は、ＩｎＧａＮ井戸層及びＡｌＧａＮ障壁層の周期又はＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層の周期で形成されてもよく、このような活性層５２の発光材料は、発光波長、例えば、青色波長、赤色波長、緑色波長などによって異なってもよい。

前記活性層５２の上又は／及び下に導電型クラッド層が形成されてもよく、前記導電型クラッド層はＡｌＧａＮ層で具現されてもい。
前記活性層５２の上には、前記第２導電型半導体層５３が形成されてもよい。前記第２導電型半導体層５３には、第２導電型ドーパントがドーピングされる。また、第２導電型半導体層５３の上面には、第２電極５２が接触される。前記第２導電型半導体層５３は、Ｐ型半導体層として形成されてもよく、前記Ｐ型半導体層は３足元素と５足元素の化合物であり、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質で具現されてもよい。前記Ｐ型半導体層は、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＮのうちから選択されてもよい。前記第２導電型ドーパントはＰ型ドーパントであり、前記Ｐ型ドーパントは、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａなど、又は２足元素を含んでもよい。

前記第２化合物半導体層４０、活性層５２及び第２導電型半導体層５３は、発光構造物５０として定義してもよく、前記発光構造物５０は、Ｎ−Ｐ接合構造だけでなく、Ｎ−Ｐ−Ｎ接合構造、Ｐ−Ｎ接合構造、Ｐ−Ｎ−Ｐ接合構造のうちいずれか一つの構造で形成されてもよい。即ち、前記第１導電型がＰ型で、前記第２導電型がＮ型であってもよく、また、前記第２化合物半導体層４０の上にＮ型又はＰ型半導体層が積層されてもよい。

実施例による半導体発光素子の製造方法は、第１粒子１２をエッチングマスクとして使用して第１化合物半導体層１１をエッチングし、これによって前記半導体柱２０を形成する。即ち、実施例による半導体素子の製造方法は、フォトリソグラフィ工程によって形成されたマスクを使用することなく、前記第１化合物半導体層１１をパターニングして、前記半導体柱２０を形成する。

従って、実施例による半導体素子の製造方法は、従来のフォトリソグラフィ工程を利用するＥＬＯ法又はフォトリソグラフィ工程によって微細パターニングされたサファイア基板を利用する場合などに比べ、高品質の半導体素子を容易に提供することができる。即ち、実施例による半導体素子を製造するための工程は制御が容易で、安価で、高い再現性と生産性を有する。

また、実施例による半導体発光素子は、前記第２粒子３０を含む。前記第２粒子３０は、前記活性層５２から出射される光を上方に効率的に反射させる。即ち、第２化合物半導体層４０と第２粒子３０の間の屈折率の差によって、実施例による半導体発光素子の光効率が向上される。

また、前記活性層５２から発生した光は、第２化合物半導体層４０と第２粒子３０との間の界面で上方に反射される。従って、実施例による半導体発光素子の光効率が更に向上される。

また、第２化合物半導体層４０と前記半導体柱３０との間における接触面積が小さいため、前記第２化合物半導体層４０と前記半導体柱３０との間の結晶性の差によるディフェクトが減少される。同じく、柱と支持基板１０と前記半導体柱３０との間における結晶性の差によるディフェクトが減少される。

従って、前記半導体柱３０は、前記第２化合物半導体層４０及び前記支持基板１０との間における結晶差を補償するバッファ機能を行ってもよい。

従って、実施例による半導体発光素子は、それぞれの層間の結晶性の差によるディフェクトを減少させることができる。

また、上記の実施例で説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも一つの実施例に含まれており、必ずしも一つの実施例に限られることはない。更に、それぞれの実施例で例示した特徴、構造、効果などは、実施例の属する分野における通常の知識を有する者によって他の実施例に対しても組み合わせ又は変形されて実施することができる。従って、このような組み合わせと変形に関する内容は、本発明の範囲内に含まれるものとして解釈されるべきである。

以上で実施例を中心に説明したが、これはただの例示であって本発明を限るものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の実施例における本質的な特性を逸脱しない範囲内で、以上に例示されていない多様な変形と応用が可能であるということが分かる。例えば、実施例で具体的に示した各構成要素は、変形して実施できるものである。そして、このような変形と応用に関する差は、添付した特許請求の範囲内で規定する本発明の範囲に含まれるものとして解釈されるべきである。

実施例による半導体発光素子は、半導体分野、ディスプレイ分野及び照明分野などに利用されてもよい。

Claims (20)

1. 基板と、
   前記基板上に配置される多数個の柱と、
   前記柱の間及び前記基板上に配置される多数個の粒子と、
   前記柱上に配置される第１半導体層と、を含む半導体素子。
2. 前記柱及び前記基板の間に介在され、前記柱と一体に形成される第２半導体層を含む請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記柱は、ランダムに配置される請求項１に記載の半導体素子。
4. 前記粒子は、シリコンオキサイド、サファイア、チタンオキサイド、ジルコニウムオキサイド、酸化銅、Ｙ２０３−ＺｒＯ_２，タリウムオキサイド、ＰＺＴ，Ｎｂ_２Ｏ_５，ＦｅＳＯ_４，Ｆｅ_２Ｏ_４，Ｆｅ_２Ｏ_３，Ｎａ_２ＳＯ_４，ＧｅＯ_２又はＣｄＳを含む請求項１に記載の半導体素子。
5. 前記柱の直径は０．５ｕｍ乃至５ｕｍであり、前記柱の間の間隔は０．１ｕｍ乃至１０ｕｍであり、前記粒子の直径は、１０ｎｍ乃至５００ｎｍである請求項１に記載の半導体素子。
6. 前記第１半導体層上に配置される第２導電型半導体層と、
   前記第１半導体層及び前記第２導電型半導体層の間に介在される活性層と、を含み、
   前記第１半導体層は第１導電型不純物を含み、前記第２導電型半導体層は第２導電型不純物を含む請求項１に記載の半導体素子。
7. 前記柱は、前記基板と一体と形成される請求項１に記載の半導体素子。
8. 前記第１半導体層は、前記柱と同じ物質を含む請求項１に記載の半導体素子。
9. 基板と、
   前記基板上に配置される多数個の柱と、
   前記柱の間及び前記基板上に配置される多数個の粒子と、
   前記粒子上及び前記柱上に配置される第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に配置される活性層と、
   前記活性層上に配置される第２導電型半導体層と、を含む発光素子。
10. 前記柱は、前記基板上にランダムに配置される請求項９に記載の発光素子。
11. 前記第１導電型半導体層に接続される第１電極と、
    前記第２導電型半導体層に接続される第２電極と、を含む請求項９に記載の発光素子。
12. 前記柱、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層は、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮ又はＡｌＩｎＧａＮを含む請求項９に記載の発光素子。
13. 前記第１導電型半導体層は、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｅ又はＴｅをドーパントとして含み、前記第２導電型半導体層は、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｓｒ又はＢａをドーパントとして含む請求項９に記載の発光素子。
14. 前記粒子が埋め込まれる高さは、前記柱の高さ以下である請求項９に記載の発光素子。
15. 前記第１導電型半導体層及び前記粒子の間に気孔層が形成される請求項９に記載の発光素子。
16. 基板を提供する段階と、
    前記基板上多数個の第１粒子を配置する段階と、
    前記第１粒子をエッチングマスクとして前記基板の一部をエッチングし、多数個の柱を形成する段階と、
    前記柱の間に第２粒子を配置する段階と、
    前記柱上に第１半導体層を形成する段階と、
    を含む半導体素子の製造方法。
17. 前記第１半導体層を形成する段階において、前記第１半導体層は、前記柱の上面から成長する請求項１６に記載の半導体素子の製造方法。
18. 前記基板を提供する段階は、支持基板上に第２半導体層を形成する段階を含み、
    前記柱を形成する段階で、前記第２半導体層の一部をエッチングする請求項１６に記載の半導体素子の製造方法。
19. 前記柱を形成する段階において、前記第２半導体層は、前記第２半導体層の厚さより小さい深さでエッチングされる請求項１８に記載の半導体素子の製造方法。
20. 前記第１粒子は、前記基板上にランダムに配置される請求項１６に記載の半導体素子の製造方法。

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