JP6555261B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
基板表面に誘電体から成る多層膜を選択的に形成する工程と、
多層膜上部に窒化物半導体層を成長させる工程と、
多層膜上部に形成された窒化物半導体層上部に活性層を含む窒化物半導体層を成長させる工程と、
多層膜を活性層の発光の少なくとも一方の反射鏡とする工程、
とを含む。
GaN基板、
GaN基板上に形成され、それぞれが離間して設けられた複数の選択成長用マスク層、
複数の選択成長用マスク層の内の1つから成る第1光反射層、
複数の選択成長用マスク層上に亙り形成された第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第2化合物半導体層上に形成された第2電極及び第2光反射層、
を少なくとも備えており、
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部には、GaN基板の露出表面の一部から構成された種結晶層成長領域が設けられており、
種結晶層成長領域上には、種結晶層が形成されており、
第1化合物半導体層は、種結晶層から横方向エピタキシャル成長に基づき形成されており、
種結晶層の厚さは、選択成長用マスク層の厚さよりも薄い。尚、種結晶層の厚さとは、選択成長用マスク層とGaN基板との界面を基準として、この界面から種結晶層の頂面(あるいは頂点)までの距離を指す。また、選択成長用マスク層の厚さとは、この界面から選択成長用マスク層の頂面までの距離を指す。以下の説明においても同様である。
GaN基板上にそれぞれが離間して設けられ、その内の1つが第1光反射層として機能する複数の選択成長用マスク層を形成し、併せて、選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に露出したGaN基板の部分の一部の表面に種結晶層成長領域を形成した後、
種結晶層成長領域上に、選択成長用マスク層の厚さよりも薄い種結晶層を形成し、次いで、
種結晶層から横方向エピタキシャル成長に基づき第1化合物半導体層を形成し、更に、
第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、第2光反射層を順次形成する、
各工程を少なくとも有する。尚、第1化合物半導体層で、選択成長用マスク層を全て被覆してもよいし、選択成長用マスク層の一部を被覆してもよい。また、選択成長用マスク層を被覆した第1化合物半導体層の頂面は、平坦であってもよいし、一部に凹部を有していてもよい。
1.本開示の発光素子及びその製造方法、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の発光素子及びその製造方法)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例1の別の変形)
5.実施例4(実施例1の更に別の変形)
6.実施例5(実施例1〜実施例4の変形)
7.実施例6(実施例1〜実施例5の変形)
8.実施例7(実施例1〜実施例6の変形)、その他
本開示の発光素子、あるいは、本開示の発光素子の製造方法によって得られる発光素子を、以下、総称して、『本開示の発光素子等』と呼ぶ場合がある。活性層と対向する第1化合物半導体層の面を第1化合物半導体層の第2面と呼び、第1化合物半導体層の第2面と対向する第1化合物半導体層の面を第1化合物半導体層の第1面と呼ぶ場合がある。活性層と対向する第2化合物半導体層の面を第2化合物半導体層の第1面と呼び、第2化合物半導体層の第1面と対向する第2化合物半導体層の面を第2化合物半導体層の第2面と呼ぶ場合がある。
0.1≦Tseed/T1<1
を満足することが好ましい。
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面には凹凸部が形成されており、
凸部によって種結晶層成長領域が構成されている構成とすることができる。即ち、この凸部が、GaN基板の露出表面の一部に該当する。尚、このような形態の本開示の発光素子等を、便宜上、『本開示の第1の構成に係る発光素子等』と呼ぶ。本開示の第1の構成に係る発光素子等においては、
隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凹部、凸部及び凹部がこの順に並んだ形状であり、
凸部頂面によって種結晶層成長領域が構成されている構成とすることができ、更には、この場合、仮想垂直面内における、凸部の長さをLcv、凹部の合計長さをLccとしたとき、
0.2≦Lcv/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する構成とすることができる。選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面部分に形成された凸部の数は、2以上であってもよい。仮想垂直面で凹部を切断したときの凹部の断面形状として、矩形、三角形、台形(上辺が凹部の底面となる)、これらの形状においてコーナー部が丸みを帯びた形状、細かい凹凸形状を挙げることができる。凹部の深さとして、0.1μm以上、好ましくは0.5μm以上を例示することができる。
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面には凹凸部が形成されており、
凹部によって種結晶層成長領域が構成されている構成とすることができる。即ち、この凹部が、GaN基板の露出表面の一部に該当する。尚、このような形態の本開示の発光素子等を、便宜上、『本開示の第2の構成に係る発光素子等』と呼ぶ。本開示の第2の構成に係る発光素子等においては、
隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凸部、凹部及び凸部がこの順に並んだ形状であり、
凹部底面によって種結晶層成長領域が構成されている構成とすることができ、更には、この場合、仮想垂直面内における、凹部の長さをLcc、凸部の合計長さをLcvとしたとき、
0.2≦Lcc/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する構成とすることができる。選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面部分に形成された凹部の数は、2以上であってもよい。仮想垂直面で凸部を切断したときの凸部の頂面の形状として、平坦、上に向かって湾曲した形状、下に向かって湾曲した形状、細かい凹凸形状を挙げることができる。凹部の深さとして、0.1μm以上、好ましくは0.5μm以上を例示することができる。
隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、非結晶成長層、平坦部及び非結晶成長層がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている構成とすることができる。即ち、この平坦部が、GaN基板の露出表面の一部に該当する。尚、このような形態の本開示の発光素子等を、便宜上、『本開示の第3の構成に係る発光素子等』と呼ぶ。本開示の第3の構成に係る発光素子等においては、仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、非結晶成長層の合計長さをLnovとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lno)≦0.9
を満足する構成とすることができる。選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面部分における平坦部の数は、2以上であってもよい。
隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凹凸部、平坦部及び凹凸部がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている構成とすることができる。即ち、この平坦部が、GaN基板の露出表面の一部に該当する。尚、このような形態の本開示の発光素子等を、便宜上、『本開示の第4の構成に係る発光素子等』と呼ぶ。本開示の第4の構成に係る発光素子等においては、仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、凹凸部の合計長さをLcc-cvとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lcc-cv)≦0.9
を満足する構成とすることができる。選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面部分における平坦部の数は、2以上であってもよい。
隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の長さをL0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層開口領域の上方に位置する第1化合物半導体層の領域における転位密度をD0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層の縁から距離L0までの第1化合物半導体層の領域における転位密度をD1、
としたとき、
D1/D0≦0.2
を満足する形態とすることができる。尚、
L0=Lcv+Lcc
であるし、
L0=Lflat+Lcc-cv
である。
GaN基板表面の面方位のオフ角は0.4度以内、好ましくは0.40度以内であり、
GaN基板の面積をS0としたとき、選択成長用マスク層の面積は0.8S0以下であり、
選択成長用マスク層の最下層として熱膨張緩和膜がGaN基板上に形成されており(このような形態の本開示の発光素子等を、便宜上、『本開示の第5の構成に係る発光素子等』と呼ぶ)、あるいは又、GaN基板と接する選択成長用マスク層の最下層の線熱膨張係数CTEは、
1×10-6/K≦CTE≦1×10-5/K
好ましくは、
1×10-6/K<CTE≦1×10-5/K
を満足することが好ましい(このような形態の本開示の発光素子等を、便宜上、『本開示の第6の構成に係る発光素子等』と呼ぶ)。また、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の発光素子の製造方法にあっては、
GaN基板表面の面方位のオフ角は0.4度以内、好ましくは0.40度以内であり、
GaN基板の面積をS0としたとき、選択成長用マスク層の面積は0.8S0以下であり、
選択成長用マスク層の最下層として、GaN基板上に熱膨張緩和膜を形成し、あるいは又、GaN基板と接する選択成長用マスク層の最下層の線熱膨張係数CTEは、
1×10-6/K≦CTE≦1×10-5/K
好ましくは、
1×10-6/K<CTE≦1×10-5/K
を満足する。
t1=λ0/(4n1)
好ましくは、
t1=λ0/(2n1)
を満足することが望ましい。但し、熱膨張緩和膜の厚さt1の値は本質的に任意とすることができ、例えば、1×10-7m以下とすることができる。
t1=λ0/(4n1)
好ましくは、
t1=λ0/(2n1)
を満足することが望ましい。但し、選択成長用マスク層(第1光反射層)の最下層の厚さt1の値は本質的に任意とすることができ、例えば、1×10-7m以下とすることができる。
t2=λ0/(4n2)
を満足することが好ましく、更には、
t2=λ0/(2n2)
を満足することで、第1光反射層の最上層は、波長λ0の光に対して不在層となる。選択成長用マスク層の最上層(第1化合物半導体層と接する層)を窒化シリコン膜から構成する形態とすることができる。
S1>S2
を満足することが望ましいし、第2光反射層出射タイプの発光素子の場合、
S1<S2
を満足することが望ましいが、これに限定するものではない。
S3>S4
を満足することが望ましいし、第2光反射層出射タイプの発光素子の場合、
S3<S4
を満足することが望ましいが、これに限定するものではない。
GaN基板11、
GaN基板11上に形成され、それぞれが離間して設けられた複数の選択成長用マスク層43、
複数の選択成長用マスク層43の内の1つから成る第1光反射層41、
複数の選択成長用マスク層43上に亙り形成された第1化合物半導体層21、活性層23及び第2化合物半導体層22から成る積層構造体20、並びに、
第2化合物半導体層22上に形成された第2電極32及び第2光反射層42、
を少なくとも備えている。
選択成長用マスク層43と選択成長用マスク層43との間に位置する選択成長用マスク層開口領域51の底部には、GaN基板11の露出表面の一部から構成された種結晶層成長領域52が設けられており、
種結晶層成長領域52上には、種結晶層61が形成されており、
第1化合物半導体層21は、種結晶層61から横方向エピタキシャル成長に基づき形成されており、
種結晶層61の厚さは、選択成長用マスク層43の厚さよりも薄い。
0.1≦Tseed/T1<1
を満足している。具体的には、
Tseed/T1=0.67
としたが、この値に限定するものではない。
0.2≦Lcv/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する。具体的には、
Lcv/(Lcv+Lcc)=0.7
とした。
仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域51の長さをL0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層開口領域51の上方に位置する第1化合物半導体層21の領域における転位密度をD0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層43の縁から距離L0までの第1化合物半導体層21の領域における転位密度をD1、
としたとき、
D1/D0≦0.2
を満足する。
GaN系化合物半導体から成り、第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
GaN系化合物半導体から成り、第1化合物半導体層21の第2面21bと接する活性層(発光層)23、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有し、第1面22aが活性層23と接する第2化合物半導体層22、
が積層されて成る。そして、第2化合物半導体層22の第2面22b上には、第2電極32及び多層膜から成る第2光反射層42が形成されており、積層構造体20が形成されたGaN基板11の表面11aと対向するGaN基板11の他方の面11bに第1電極31が形成されている。多層膜から成る第1光反射層41は、GaN基板11の表面11aに形成されているし、第1化合物半導体層21の第1面21aと接して形成されている。
先ず、GaN基板11上にそれぞれが離間して設けられ、その内の1つが第1光反射層41として機能する複数の選択成長用マスク層43を形成し、併せて、選択成長用マスク層43と選択成長用マスク層43との間に位置する選択成長用マスク層開口領域51の底部に露出したGaN基板11の部分の一部の表面に種結晶層成長領域52を形成する。
即ち、具体的には、先ず、GaN基板11上に、多層膜から成る複数の選択成長用マスク層43を形成する。複数の選択成長用マスク層43の内の1つが、第1光反射層41として機能する。そして、選択成長用マスク層43をパターニングする。こうして、図2Aに示す構造を得ることができる。図15に模式的な平面図を示すように、選択成長用マスク層43の形状は正六角形である。但し、選択成長用マスク層43の形状はこれに限定するものではなく、例えば、円形、格子状又はストライプ状とすることもできる。尚、図15において、選択成長用マスク層43を明確に表示するために、選択成長用マスク層43に斜線を付した。選択成長用マスク層43と選択成長用マスク層43との間には、GaN基板11が露出しており、この領域が選択成長用マスク層開口領域51に該当する。
次いで、周知の方法に基づき、選択成長用マスク層開口領域51にエッチング用マスクを形成し、選択成長用マスク層開口領域51における凸部53Aを形成すべき部分をエッチング用マスクで覆う。凹部53Bを形成すべきGaN基板11の部分は露出した状態にある。そして、周知の方法に基づき、凹部53Bを形成すべきGaN基板11の部分をエッチングした後、エッチング用マスクを除去する。こうして、図2Bに示す状態を得ることができる。即ち、選択成長用マスク層開口領域51の底部に位置するGaN基板11の露出表面には凹凸部53が形成され、凸部53Aによって種結晶層成長領域52が構成される。
次に、種結晶層成長領域52上に、選択成長用マスク層43の厚さよりも薄い種結晶層61を形成する。具体的には、MOCVD装置を用いて、TMGガス及びSiH4ガスを用いたMOCVD法に基づき、種結晶層成長領域52上に種結晶層61を形成する。MOCVD法における成膜条件にも依るが、仮想垂直面内における種結晶層61の断面形状は、等脚台形[脚部(傾斜面)の傾斜角:58度]となる。こうして、図2Cに示す状態を得ることができる。尚、凹部53Bの底面にも、断面形状が等脚台形の種結晶62が生成する。また、[工程−100B]において、GaN基板11の部分をエッチングして凹部53Bを形成した後、凹部53Bの底面を更に荒らすことによって凹部53Bの底面に細かい凹凸部を形成すれば、このような凹部53Bの底面には種結晶は生成し難くなる。
引き続き、MOCVD法における成膜条件を変更して、種結晶層61から横方向エピタキシャル成長に基づき第1化合物半導体層21を形成する。第1化合物半導体層21の成膜途中の状態を図3Aに示し、第1化合物半導体層21の成膜完了後の状態を図3Bに示す。図3Aにおいて、第1化合物半導体層21に斜線を付すことは省略した。参照番号63は、種結晶層61から略水平方向に延びる転位を示す。種結晶層61の厚さが選択成長用マスク層43の厚さよりも薄いが故に、転位63は、概ね、選択成長用マスク層43の側壁まで延び、そこで止まり、選択成長用マスク層43の上に形成される第1化合物半導体層21の部分にまでは延びない。
引き続き、MOCVD法における成膜条件を変更して、第1化合物半導体層21上に活性層23、第2化合物半導体層22を形成し、更に、第2電極32、第2光反射層42を順次形成する。具体的には、エピタキシャル成長法に基づき、第1化合物半導体層21の上に、TMGガス及びTMIガスを用いて活性層23を形成した後、TMGガス、TMAガス、Cp2Mgガスを用いて電子障壁層を形成し、TMGガス、Cp2Mgガスを用いてp型GaN層を形成することで、第2化合物半導体層22を得る。以上の工程によって積層構造体20を得ることができる。即ち、選択成長用マスク層43を含むGaN基板11上に、
GaN系化合物半導体から成り、第1面21a、及び、第1面21aと対向する第2面21bを有する第1化合物半導体層21、
GaN系化合物半導体から成り、第1化合物半導体層21の第2面21bと接する活性層23、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1面22a、及び、第1面22aと対向する第2面22bを有し、第1面22aが活性層23と接する第2化合物半導体層22、
が積層されて成る積層構造体20をエピタキシャル成長させる。次いで、第2化合物半導体層22の第2面22b上に、周知の方法に基づき、厚さ0.2μmの絶縁材料から成り、開口24Aを有する電流狭窄層24を形成する。こうして、図4Aに示す構造を得ることができる。
その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体の側面や露出面を、例えば、SiOXから成る絶縁膜で被覆する。そして、第1電極31やパッド電極33を外部の回路等に接続するために端子等を周知の方法に基づき形成し、パッケージや封止することで、実施例1の発光素子を完成させる。
0.2≦Lcc/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する。具体的には、
Lcc/(Lcv+Lcc)=0.7
とした。
0.2≦Lflat/(Lflat+Lno)≦0.9
を満足する。具体的には、
Lflat/(Lflat+Lno)=0.7
とした。また、非結晶成長層55Bを窒化シリコン(SiNX)から構成した。尚、非結晶成長層55Bを、選択成長用マスク層43の最上層(第1化合物半導体層21と接する層)にも形成する場合、非結晶成長層55B(選択成長用マスク層43の最上層)の厚さをt2、非結晶成長層55Bの屈折率をn2としたとき、
t2=λ0/(4n2)
を満足することが好ましく、更には、
t2=λ0/(2n2)
を満足すれば、第1光反射層41の最上層41Bは、波長λ0の光に対して不在層となる。
0.2≦Lflat/(Lflat+Lcc-cv)≦0.9
を満足する。具体的には、
Lflat/(Lflat+Lcc-cv)=0.7
とした。
先ず、実施例1の[工程−100]〜[工程−130]と同様の工程を実行することで、図1Aに示した構造を得る。但し、第1電極31は形成しない。
その後、第2光反射層42を、接合層25を介して支持基板26に固定する。こうして、図10Aに示す構造を得ることができる。
次いで、GaN基板11を除去して、第1化合物半導体層21の第1面21a及び第1光反射層41を露出させる。具体的には、先ず、機械研磨法に基づき、GaN基板11の厚さを薄くし、次いで、CMP法に基づき、GaN基板11の残部を除去する。こうして、第1化合物半導体層21の第1面21a(図10Bには明示していない)並びに第1光反射層41及び選択成長用マスク層43を露出させ、図10Bに示す構造を得ることができる。
その後、第1化合物半導体層21の第1面21a上に、周知の方法に基づき第1電極31を形成する。こうして、図9Aに示す構造を有する実施例6の発光素子を得ることができる。
その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体の側面や露出面を、例えば、SiOXから成る絶縁膜で被覆する。そして、第1電極31やパッド電極33を外部の回路等に接続するために端子等を周知の方法に基づき形成し、パッケージや封止することで、実施例6の発光素子を完成させる。
1×10-6/K≦CTE≦1×10-5/K
好ましくは、
1×10-6/K<CTE≦1×10-5/K
を満足する(本開示の第6の構成に係る発光素子等)。
t1=λ0/(2n1)
を満足する窒化ケイ素(SiNX)から成る。尚、このような膜厚を有する熱膨張緩和膜44(選択成長用マスク層43の最下層)は、波長λ0の光に対して透明であり、光反射層としての機能は有していない。窒化ケイ素(SiNX)及びGaN基板11のCTEの値は以下の表1のとおりである。CTEの値は25゜Cにおける値である。
GaN基板 :5.59×10-6/K
窒化ケイ素(SiNX):2.6〜3.5×10-6/K
先ず、GaN基板11上に選択成長用マスク層43を形成する。具体的には、GaN基板11上に、選択成長用マスク層43の最下層を構成する熱膨張緩和膜44を形成し、更に、熱膨張緩和膜44上に、多層膜から成る選択成長用マスク層43の残部(第1光反射層41として機能する)を形成する。そして、選択成長用マスク層43をパターニングする。選択成長用マスク層43と選択成長用マスク層43との間には、GaN基板11が露出しており、この領域が選択成長用マスク層開口領域51に該当する。
その後、実施例1の[工程−100B]〜[工程−140]と同様の工程を実行することで、実施例7の発光素子を得ることができる。
オフ角(度) 表面粗さRa(nm)
0.35 0.87
0.38 0.95
0.43 1.32
0.45 1.55
0.50 2.30
選択成長用マスク層43の面積割合 表面粗さRa(nm)
0.88S0 1.12
0.83S0 1.05
0.75S0 0.97
0.69S0 0.91
0.63S0 0.85
t2=λ0/(2n2)
を満足することが好ましく、これによって、第1光反射層41の最上層45は、波長λ0の光に対して透明となる。更には、図1Aに示した例では、選択成長用マスク層43を第1化合物半導体層21で完全に覆ったが、選択成長用マスク層43の一部が露出した状態としてもよいし(図13A参照)、選択成長用マスク層43上の第1化合物半導体層21が完全に平坦になっていない状態としてもよい(図13B参照)。尚、図13A及び図13Bにおいては、電流狭窄層24、第2電極32、パッド電極33、第2光反射層42、第1電極31の図示を省略している。発光素子を、第1光反射層41の露出した領域や、第1化合物半導体層21が完全に平坦になっていない領域を外して作製すればよい。具体的には、実施例5を適用することが好ましい。
[A01]《発光素子》
GaN基板、
GaN基板上に形成され、それぞれが離間して設けられた複数の選択成長用マスク層、
複数の選択成長用マスク層の内の1つから成る第1光反射層、
複数の選択成長用マスク層上に亙り形成された第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第2化合物半導体層上に形成された第2電極及び第2光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部には、GaN基板の露出表面の一部から構成された種結晶層成長領域が設けられており、
種結晶層成長領域上には、種結晶層が形成されており、
第1化合物半導体層は、種結晶層から横方向エピタキシャル成長に基づき形成されており、
種結晶層の厚さは、選択成長用マスク層の厚さよりも薄い発光素子。
[A02]種結晶層の厚さをTseed、選択成長用マスク層の厚さをT1としたとき、
0.1≦Tseed/T1<1
を満足する[A01]に記載の発光素子。
[A03]選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面には凹凸部が形成されており、
凸部によって種結晶層成長領域が構成されている[A01]又は[A02]に記載の発光素子。
[A04]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凹部、凸部及び凹部がこの順に並んだ形状であり、
凸部頂面によって種結晶層成長領域が構成されている[A03]に記載の発光素子。
[A05]仮想垂直面内における、凸部の長さをLcv、凹部の合計長さをLccとしたとき、
0.2≦Lcv/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する[A04]に記載の発光素子。
[A06]選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面には凹凸部が形成されており、
凹部によって種結晶層成長領域が構成されている[A01]又は[A02]に記載の発光素子。
[A07]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凸部、凹部及び凸部がこの順に並んだ形状であり、
凹部底面によって種結晶層成長領域が構成されている[A06]に記載の発光素子。
[A08]仮想垂直面内における、凹部の長さをLcc、凸部の合計長さをLcvとしたとき、
0.2≦Lcc/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する[A07]に記載の発光素子。
[A09]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、非結晶成長層、平坦部及び非結晶成長層がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている[A01]又は[A02]に記載の発光素子。
[A10]仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、非結晶成長層の合計長さをLnovとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lno)≦0.9
を満足する[A09]に記載の発光素子。
[A11]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凹凸部、平坦部及び凹凸部がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている[A01]又は[A02]に記載の発光素子。
[A12]仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、凹凸部の合計長さをLcc-cvとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lcc-cv)≦0.9
を満足する[A11]に記載の発光素子。
[A13]種結晶層の断面形状は、二等辺三角形、等脚台形又は矩形である[A01]乃至[A12]のいずれか1項に記載の発光素子。
[A14]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の長さをL0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層開口領域の上方に位置する第1化合物半導体層の領域における転位密度をD0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層の縁から距離L0までの第1化合物半導体層の領域における転位密度をD1、
としたとき、
D1/D0≦0.2
を満足する[A01]乃至[A13]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B01]GaN基板表面の面方位のオフ角は0.4度以内、好ましくは0.40度以内であり、
GaN基板の面積をS0としたとき、選択成長用マスク層の面積は0.8S0以下であり、
選択成長用マスク層の最下層として熱膨張緩和膜がGaN基板上に形成されている[A01]乃至[A14]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B02]熱膨張緩和膜は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る[B01]に記載の発光素子。
[B03]熱膨張緩和膜の厚さをt1、発光素子の発光波長をλ0、熱膨張緩和膜の屈折率をn1としたとき、
t1=λ0/(2n1)
を満足する[B01]又は[B02]に記載の発光素子。
[B04]GaN基板表面の面方位のオフ角は0.4度以内、好ましくは0.40度以内であり、
GaN基板の面積をS0としたとき、選択成長用マスク層の面積は0.8S0以下であり、
GaN基板と接する選択成長用マスク層の最下層の線熱膨張係数CTEは、
1×10-6/K≦CTE≦1×10-5/K
好ましくは、
1×10-6/K<CTE≦1×10-5/K
を満足する[A01]乃至[A14]のいずれか1項に記載の発光素子。
[B05]選択成長用マスク層の最下層は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る[B04]に記載の発光素子。
[B06]選択成長用マスク層の最下層の厚さをt1、発光素子の発光波長をλ0、選択成長用マスク層の最下層の屈折率をn1としたとき、
t1=λ0/(2n1)
を満足する[B04]又は[B05]に記載の発光素子。
[B07]第2化合物半導体層の表面粗さRaは、1.0nm以下である[B01]乃至[B06]のいずれか1項に記載の発光素子。
[C01]《発光素子の製造方法》
GaN基板上にそれぞれが離間して設けられ、その内の1つが第1光反射層として機能する複数の選択成長用マスク層を形成し、併せて、選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に露出したGaN基板の部分の一部の表面に種結晶層成長領域を形成した後、
種結晶層成長領域上に、選択成長用マスク層の厚さよりも薄い種結晶層を形成し、次いで、
種結晶層から横方向エピタキシャル成長に基づき第1化合物半導体層を形成し、更に、
第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、第2光反射層を順次形成する、
各工程を少なくとも有する発光素子の製造方法。
[C02]種結晶層の厚さをTseed、選択成長用マスク層の厚さをT1としたとき、
0.1≦Tseed/T1<1
を満足する[C01]に記載の発光素子の製造方法。
[C03]選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面に凹凸部を形成し、
凸部によって種結晶層成長領域が構成されている[C01]又は[C02]に記載の発光素子の製造方法。
[C04]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凹部、凸部及び凹部がこの順に並んだ形状であり、
凸部頂面によって種結晶層成長領域が構成されている[C03]に記載の発光素子の製造方法。
[C05]仮想垂直面内における、凸部の長さをLcv、凹部の合計長さをLccとしたとき、
0.2≦Lcv/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する[C04]に記載の発光素子の製造方法。
[C06]選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面に凹凸部を形成し、
凹部によって種結晶層成長領域が構成されている[C01]又は[C02]に記載の発光素子の製造方法。
[C07]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凸部、凹部及び凸部がこの順に並んだ形状であり、
凹部底面によって種結晶層成長領域が構成されている[C06]に記載の発光素子の製造方法。
[C08]仮想垂直面内における、凹部の長さをLcc、凸部の合計長さをLcvとしたとき、
0.2≦Lcc/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する[C07]に記載の発光素子の製造方法。
[C09]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、非結晶成長層、平坦部及び非結晶成長層がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている[C01]又は[C02]に記載の発光素子の製造方法。
[C10]仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、非結晶成長層の合計長さをLnovとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lno)≦0.9
を満足する[C09]に記載の発光素子の製造方法。
[C11]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凹凸部、平坦部及び凹凸部がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている[C01]又は[C02]に記載の発光素子の製造方法。
[C12]仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、凹凸部の合計長さをLcc-cvとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lcc-cv)≦0.9
を満足する[C11]に記載の発光素子の製造方法。
[C13]種結晶層の断面形状は、二等辺三角形、等脚台形又は矩形である[C01]乃至[C12]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[C14]隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の長さをL0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層開口領域の上方に位置する第1化合物半導体層の領域における転位密度をD0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層の縁から距離L0までの第1化合物半導体層の領域における転位密度をD1、
としたとき、
D1/D0≦0.2
を満足する[C01]乃至[C13]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[D01]GaN基板表面の面方位のオフ角は0.4度以内、好ましくは0.40度以内であり、
GaN基板の面積をS0としたとき、選択成長用マスク層の面積は0.8S0以下であり、
選択成長用マスク層の最下層として、GaN基板上に熱膨張緩和膜を形成する[C01]乃至[C14]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[D02]熱膨張緩和膜は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る[D01]に記載の発光素子の製造方法。
[D03]熱膨張緩和膜の厚さをt1、発光素子の発光波長をλ0、熱膨張緩和膜の屈折率をn1としたとき、
t1=λ0/(2n1)
を満足する[D01]又は[D02]に記載の発光素子の製造方法。
[D04]GaN基板表面の面方位のオフ角は0.4度以内、好ましくは0.40度以内であり、
GaN基板の面積をS0としたとき、選択成長用マスク層の面積は0.8S0以下であり、
GaN基板と接する選択成長用マスク層の最下層の線熱膨張係数CTEは、
1×10-6/K≦CTE≦1×10-5/K
好ましくは、
1×10-6/K<CTE≦1×10-5/K
を満足する[C01]乃至[C14]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[D05]選択成長用マスク層の最下層は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る[D04]に記載の発光素子の製造方法。
[D06]選択成長用マスク層の最下層の厚さをt1、発光素子の発光波長をλ0、選択成長用マスク層の最下層の屈折率をn1としたとき、
t1=λ0/(2n1)
を満足する[D04]又は[D05]に記載の発光素子の製造方法。
[D07]第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、第2光反射層を順次形成した後、第1光反射層をストッパ層として、GaN基板を除去する[D01]乃至[D06]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[D08]第2化合物半導体層の表面粗さRaは、1.0nm以下である[D01]乃至[D07]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
[D09]選択成長用マスク層の平面形状は、正六角形、円形、格子状又はストライプ状である[D01]乃至[D08]のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
Claims (13)
- GaN基板、
GaN基板上に形成され、それぞれが離間して設けられた複数の選択成長用マスク層、
複数の選択成長用マスク層の内の1つから成る第1光反射層、
複数の選択成長用マスク層上に亙り形成された第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第2化合物半導体層上に形成された第2電極及び第2光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部には、GaN基板の露出表面の一部から構成された種結晶層成長領域が設けられており、
種結晶層成長領域上には、種結晶層が形成されており、
第1化合物半導体層は、種結晶層から横方向エピタキシャル成長に基づき形成されており、
種結晶層の厚さは、選択成長用マスク層の厚さよりも薄く、
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面には凹凸部が形成されており、
隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凹部、凸部及び凹部がこの順に並んだ形状であり、
凸部頂面によって種結晶層成長領域が構成されている発光素子。 - 仮想垂直面内における、凸部の長さをLcv、凹部の合計長さをLccとしたとき、
0.2≦Lcv/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する請求項1に記載の発光素子。 - GaN基板、
GaN基板上に形成され、それぞれが離間して設けられた複数の選択成長用マスク層、
複数の選択成長用マスク層の内の1つから成る第1光反射層、
複数の選択成長用マスク層上に亙り形成された第1化合物半導体層、活性層及び第2化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第2化合物半導体層上に形成された第2電極及び第2光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部には、GaN基板の露出表面の一部から構成された種結晶層成長領域が設けられており、
種結晶層成長領域上には、種結晶層が形成されており、
第1化合物半導体層は、種結晶層から横方向エピタキシャル成長に基づき形成されており、
種結晶層の厚さは、選択成長用マスク層の厚さよりも薄く、
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面には凹凸部が形成されており、
隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凸部、凹部及び凸部がこの順に並んだ形状であり、
凹部底面によって種結晶層成長領域が構成されている発光素子。 - 仮想垂直面内における、凹部の長さをLcc、凸部の合計長さをLcvとしたとき、
0.2≦Lcc/(Lcv+Lcc)≦0.9
を満足する請求項3に記載の発光素子。 - 種結晶層の厚さをTseed、選択成長用マスク層の厚さをT1としたとき、
0.1≦Tseed/T1<1
を満足する請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の発光素子。 - 隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、非結晶成長層、平坦部及び非結晶成長層がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の発光素子。 - 仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、非結晶成長層の合計長さをLnovとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lno)≦0.9
を満足する請求項6に記載の発光素子。 - 隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凹凸部、平坦部及び凹凸部がこの順に並んだ形状であり、
平坦部によって種結晶層成長領域が構成されている請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の発光素子。 - 仮想垂直面内における、平坦部の長さをLflat、凹凸部の合計長さをLcc-cvとしたとき、
0.2≦Lflat/(Lflat+Lcc-cv)≦0.9
を満足する請求項8に記載の発光素子。 - 種結晶層の断面形状は、二等辺三角形、等脚台形又は矩形である請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の発光素子。
- 隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の長さをL0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層開口領域の上方に位置する第1化合物半導体層の領域における転位密度をD0、
該仮想垂直面内において、選択成長用マスク層の縁から距離L0までの第1化合物半導体層の領域における転位密度をD1、
としたとき、
D1/D0≦0.2
を満足する請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の発光素子。 - GaN基板上にそれぞれが離間して設けられ、その内の1つが第1光反射層として機能する複数の選択成長用マスク層を形成し、併せて、選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に露出したGaN基板の部分の一部の表面に種結晶層成長領域を形成した後、
種結晶層成長領域上に、選択成長用マスク層の厚さよりも薄い種結晶層を形成し、次いで、
種結晶層から横方向エピタキシャル成長に基づき第1化合物半導体層を形成し、更に、
第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、第2光反射層を順次形成する、
各工程を少なくとも有し、
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面には凹凸部が形成されており、
隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凹部、凸部及び凹部がこの順に並んだ形状であり、
凸部頂面によって種結晶層成長領域が構成されている発光素子の製造方法。
。 - GaN基板上にそれぞれが離間して設けられ、その内の1つが第1光反射層として機能する複数の選択成長用マスク層を形成し、併せて、選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に露出したGaN基板の部分の一部の表面に種結晶層成長領域を形成した後、
種結晶層成長領域上に、選択成長用マスク層の厚さよりも薄い種結晶層を形成し、次いで、
種結晶層から横方向エピタキシャル成長に基づき第1化合物半導体層を形成し、更に、
第1化合物半導体層上に活性層、第2化合物半導体層、第2電極、第2光反射層を順次形成する、
各工程を少なくとも有し、
選択成長用マスク層と選択成長用マスク層との間に位置する選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面には凹凸部が形成されており、
隣接する2つの選択成長用マスク層の中心点を通過する2本の法線を含む仮想垂直面で発光素子を切断したときの選択成長用マスク層開口領域の底部に位置するGaN基板の露出表面の断面形状は、凸部、凹部及び凸部がこの順に並んだ形状であり、
凹部底面によって種結晶層成長領域が構成されている発光素子の製造方法。
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