JP7428564B2

JP7428564B2 - 半導体発光素子

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Publication number: JP7428564B2
Application number: JP2020054228A
Authority: JP
Inventors: 勇介松倉; 哲彦稲津; シリルペルノ
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2024-02-06
Anticipated expiration: 2040-03-25
Also published as: JP2021158140A

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

従来の半導体発光素子として、例えば、サファイア基板上にＡｌＧａＮにより形成され、深紫外光を発光する発光層を含む半導体積層構造体を形成したものがある（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の半導体発光素子によれば、サファイア基板の表面には、複数の凹部が形成されている。この凹部は、断面多角形状であり、その側面は、底面に対して９０°以上１４０°以下の角度を有して形成されている。この半導体発光素子は、サファイア基板の表面に形成された凹部が発光層から出射される深紫外光を反射するため、深紫外光の光取出し効率が向上するとされている。

特開２００３－３１８４４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体発光素子によれば、サファイア基板側から光を取り出すフリップチップ型の場合、凹部の側面の底面に対する傾斜角度が９０°以上１４０°以下であっても発光効率が十分に得られない場合がある。発明者らは、発光効率を向上させることができる凹部の形状を鋭意検討した結果、発光効率の向上に対してより適した形状を特定し、本発明をなすに至った。

本発明は、発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、サファイア基板と、前記サファイア基板上の結晶成長面上に形成されたｎ型半導体層、深紫外光を出射する発光層及びｐ型半導体層を含む半導体積層構造体と、を備える半導体発光素子であって、前記サファイア基板は、前記結晶成長面から厚み方向の内側に向かって開口寸法が徐々に小さくなる錐台状の複数の凹部を前記結晶成長面に含み、前記凹部における底面に対する側面の傾斜角度は、９０°よりも大きく、かつ、１２０°以下で形成された構成を有し、前記凹部の深さは、前記ｎ型半導体層の膜厚をｄとした場合に、２５ｎｍ以上３／４×ｄｎｍ以下であり、前記凹部の開口形状は、円形であり、前記凹部の側面における前記厚み方向に平行な断面形状は、直線状であり、前記半導体積層構造体における前記結晶成長面側の面は、前記結晶成長面の凹凸形状に沿うよう形成されている、半導体発光素子を提供する。

本発明によれば、発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。図１に示す半導体発光素子を構成するサファイア基板の表面の状態を模式的に示す図である。図１に示す半導体発光素子を構成するサファイア基板に形成された凹部を説明する図であり、（ａ）は、凹部をサファイア基板の結晶成長面の上方向から見た平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ－Ａ切断の端面図である。凹部の配置の一例を模式的に示す図である。バッファ層に生じたエアボイドの一例を説明する図である。本発明の実施例に係る半導体発光素子の光出力の測定結果を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

［実施の形態］
（半導体発光素子の構成）
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。なお、図１に示す各構成要素の厚さの比は、必ずしも実際の半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。この半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう）には、例えば、レーザダイオードや発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）が含まれる。本実施の形態では、発光素子１として、中心波長が２５０ｎｍ～３６０ｎｍの深紫外光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）を例に挙げて説明する。

図１に示すように、発光素子１は、サファイア基板１０と、サファイア基板１０上の結晶成長面１０ａ上に形成された、ＡｌＮやＡｌＧａＮからなるバッファ層１１、ｎ型のＡｌＧａＮを含むｎ型クラッド層１２、ＡｌＧａＮを含み、深紫外光を出射する発光層１３、及びｐ型のＡｌＧａＮやｐ型のＧａＮを含むｐ型半導体層１４を含む半導体積層構造体と、を備えている。ｎ型クラッド層は、ｎ型半導体層の一例である。

また、発光素子１は、ｐ型半導体層１４上に設けられたアノード側電極（「ｐ側電極」ともいう。）１５と、ｎ型クラッド層１２側に設けられたカソード電極（「ｎ側電極」ともいう。）１６と、をさらに備えている。ｐ側電極１５には、例えば、Ａｌ、Ｒｈ等で形成された反射電極が用いられる。

発光素子１は、発光層１３から出射された光がサファイア基板１０側から取り出される、フリップチップ型の構成を有する発光素子である。具体的には、発光素子１は、ｐ側電極１５及びｎ側電極１６が金バンプ等を介して実装基板の電極に電気的に接続されることにより、フリップ実装される。以下、各構成要素について説明する。

（サファイア基板１０）
図２は、サファイア基板１０の表面の状態を模式的に示す図である。図２に示すように、サファイア基板１０の結晶成長面１０ａは、サファイア基板１０の基面１０ｂに対して所定の大きさのオフ角θ_１で傾斜するテラス幅Ｗの複数のテラス面Ｔが段差Ｓを介して連続した形状を備えている。オフ角θ_１は、好ましくは、０．２°以上１．５°以下であり、より好ましくは、０．６°以上１．５°以下である。一例として、オフ角θ_１が１．０°の場合、段差Ｓは、０．２１ｎｍであり、テラス幅Ｗは、１２ｎｍである。以下、表１にオフ角θ_１及びテラス幅Ｗの例をまとめる。

図３は、サファイア基板１０に形成された凹部を説明する図であり、（ａ）は、凹部をサファイア基板１０の結晶成長面１０ａの上方向から見た平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ－Ａ切断の端面図である。図３（ａ）に示すように、サファイア基板１０は、結晶成長面１０ａに、この結晶成長面１０ａから厚み方向の内側（図１の下方向）に向かって開口寸法が徐々に小さくなる円錐台状の複数の凹部２を含む。すなわち、このサファイア基板１０は、結晶成長面１０ａに凹凸パターンが形成されたＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate）である。なお、以下、「凸」は、結晶成長面１０ａのうち凹部２が形成されていない領域の表面形状を指すものとする。この凹部２は、発光層１３から出射された深紫外光を散乱又は回折させる機能を有している。

図３（ｂ）に示すように、凹部２の側面２ａは、底面２ｂに対して傾斜角度θ_２（以下、単に「テーパ角θ_２」ともいう。）を有して傾斜している。この傾斜角度θ_２は、９０°より大きく１２０°以下である。なお、凹部２の側面２ａは、湾曲していてもよい。また、凹部２は、側面２ａに変曲点を有してもよい。

なお、凹部２の側面２ａが湾曲している場合、傾斜角度θ_２は、凹部２の底側の端部と凹部の上側の端部とを結ぶ直線と、底面２ｂと、のなす角として定義してよい。また、凹部２が側面２ａに変曲点を有する場合、傾斜角度θ_２は、凹部２の底側の端部と変曲点とを結ぶ直線と、底面２ｂと、のなす角として定義してよい。

凹部２の深さＨは、２５ｎｍ以上３／４×ｄｎｍ以下である。ここで、ｄは、ｎ型クラッド層１２の膜厚である。十分に光を散乱又は回折させるために、凹部２は、λ／４ｎ（ここで、λは発光波長であり、ｎは、半導体層の屈折率）以上の深さを有する。ここで、本実施の形態においては、発光波長λが下限を２５０ｎｍ、半導体層の屈折率の上限を２．５と想定しているため、凹部２は、２５ｎｍ以上の深さを有することになる。これに対して、凹部２の深さＨが深くなりすぎると、凹凸パターンが形成された結晶成長面１０ａ上に、表面が平坦となるようにＡｌＧａＮ系半導体結晶を成長させて、高品質な発光素子構造を形成することが難しくなるため、凹部２の深さは、ｎ型クラッド層１２の膜厚ｄの３/４倍以下にする。

なお、上記の半導体層の屈折率は、半導体層を構成する各層が、一律に同一の屈折率を有するとみなした場合における屈折率とした。また、各層の屈折率が異なる場合、半導体層の屈折率としては、各層の屈折率の平均値を用いてよい。一例として、発光波長が２５０ｎｍ～３５０ｎｍの場合、屈折率は、２．３～２．５である。

なお、上述したように、テラス面Ｔの段差Ｓは、凹部２の深さＨと比較して無視できる程度に小さい。したがって、凹部２がテラス面Ｔの段差Ｓを跨いで形成される場合でも、テラス面Ｔの段差Ｓは、凹部２の深さＨに影響を与えない点に留意されたい。

また、凹部２の開口径は、０．９±０．１μｍである。

図４は、凹部２の配置の一例を模式的に示す。なお、図４では、説明の便宜上、凹部２の外縁のみ円枠で示した。図４に示すように、凹部２は、所定の繰り返しパターンの一例として、サファイア基板１０の平面視において千鳥状に配置されている。サファイア基板１０の結晶成長面１０ａにできるだけ多くの凹部２が形成された状態、いわゆる最密充填を実現するためである。

なお、図４では、凹部２の開口形状を円形として描いたが、凹部２の開口形状は、必ずしも円形でなくてもよく、例えば、楕円形でもよい。また、円形は、必ずしも真円でなくてもよく、略円形を含む。すなわち、凹部２の形状は円錐台に限定されることなく、他の錐台であってもよい。

（２）バッファ層１１
バッファ層１１は、ＡｌＮやＡｌＧａＮにより形成されている。バッファ層１１は、凹部２の深さの２倍～１５０倍程度の厚みを有している。バッファ層１１を平坦にするため、バッファ層１１の厚みは、１．５μｍ以上４．５μｍ以下が好ましい。バッファ層１１は、単層でも多層構造でもよい。

図５は、バッファ層１１に生じたエアボイドの一例を説明する図である。図５に示すように、バッファ層１１は、空気を含む空洞（以下、「エアボイド」ともいう。）１１０を含んでもよい。エアボイド１１０は、円錐状の形状を有する。エアボイド１１０は、バッファ層１１内の凹部２の底面２ｂ上に形成される。また、エアボイド１１０は、底面が凹部２の底面２ｂ側を向くように形成される。

エアボイド１１０の底面は、凹部２の底面２ｂの直径の１／１０以上４／５以下の直径ｘを有する。好ましくは、エアボイド１１０の底面の直径ｘは、凹部２の底面２ｂの直径の１／１０以上１／３以下である。また、エアボイド１１０は、バッファ層１１の膜厚の１／２０以上４／５以下の高さｙを有する。好ましくは、エアボイド１１０の高さｙは、バッファ層１１の膜厚の１／４以上３／４以下である。また、エアボイド１１０の底面と凹部２の底面２ｂとの距離ｚは、凹部２の深さＨの１／２０以上３／４以下である。好ましくは、この距離ｚは、凹部２の深さＨの１／２０以上１／２以下である。

（３）ｎ型クラッド層１２
ｎ型クラッド層１２は、バッファ層１１上に形成されている。ｎ型クラッド層１２は、ｎ型のＡｌＧａＮ（以下、単に「ｎ型ＡｌＧａＮ」又は「ｎ－ＡｌＧａＮ」ともいう）により形成された層であり、例えば、ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌＧａＮ層である。なお、ｎ型の不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等を用いてもよい。ｎ型クラッド層１２は、１μｍ～４μｍ程度の厚みを有しており、好ましくは２μｍ以上３μｍ以下である。ｎ型クラッド層１２は、単層でもよく、多層構造でもよい。

（４）発光層１３
発光層１３は、ｎ型クラッド層１２上に形成されている。発光層１３は、ｎ型クラッド層１２側からＡｌＧａＮやＡｌＮからなる障壁層１３０、ＡｌＧａＮやＧａＮからなる井戸層１３１とを交互に積層した層である。発光層１３は、波長３５０ｎｍ以下の深紫外光を出力するためにバンドギャップが３．４ｅＶ以上となるように構成されている。なお、本実施の形態では、発光層１３に障壁層１３０及び井戸層１３１を各３層ずつ設けた多重量子井戸構造としたが、障壁層１３０及び井戸層１３１は、必ずしも３層に限定されるものではなく、２層でもよく、４層以上でもよい。また、障壁層１３０及び井戸層１３１をそれぞれ１層ずつ設けた単一量子井戸構造でもよい。

（５）ｐ型半導体層１４
ｐ型半導体層１４は、発光層１３上に形成されている。ｐ型半導体層１４は、発光層１３側からｐ型のＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１４０、ｐ型のＡｌＧａＮやＧａＮからなるｐ型コンタクト層１４１を有する。なお、ｐ型クラッド層１４０は、必須の構成ではない。また、発光層１３上にＡｌＮやＡｌＧａＮからなる電子ブロック層を積層した後、ｐ型半導体層１４を積層してもよい。ｐ型の不純物としてはマグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いてよく、マグネシウム（Ｍｇ）を用いるのが好ましい。ｐ型半導体層１４は、１０ｎｍから１０００ｎｍ程度の厚みを有しており、好ましくは３０ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。

（発光素子１の製造方法）
次に、発光素子１の製造方法について説明する。まず、サファイア基板１０の結晶成長面１０ａに凹部２を形成する。以下、サファイア基板１０の結晶成長面１０ａに凹部２を形成する一例を説明する。サファイア基板１０の結晶成長面１０ａに、凹凸パターンに対応する形状を有するマスク（以下、「第１のマスク」ともいう。）を形成する。第１のマスクは、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）で形成された膜を用いてよい。

次に、ＳｉＯ_２膜とサファイア基板１０を反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching; RIE)等のドライエッチングでエッチングした後、ＳｉＯ_２膜を除去すると、第１のマスクに被覆されていない部分が凹状の形状として除去される。このようにして、除去された凹状の形状が凹部２を形成する。上述した凹部２を形成する方法は、一例であり、必ずしも上記の方法に限定されるものではない。

（発光素子１の製造方法）
サファイア基板１０上の結晶成長面１０ａに、バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、発光層１３、ｐ型クラッド層１４０、及びｐ型コンタクト層１４１を順に積層して、所定の直径（例えば、５０ｍｍ程度）を有する略円板状のウエハを形成する。これらバッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、発光層１３、ｐ型クラッド層１４０、及びｐ型コンタクト層１４１は、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハイドライド気相エピタキシ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）等の周知のエピタキシャル成長法を用いて形成してよい。

次に、ｎ型クラッド層１２を露出させ、当該露出面上にｎ側電極１６を形成するために、ｐ型半導体層１４を部分的に被覆するマスク（以下、「第２のマスク」ともいう。）をｐ型半導体層１４上に形成する。続いて、ｎ型クラッド層１２の一部、発光層１３、及びｐ型クラッド層１４０、及びｐ型コンタクト層１４１において第２のマスクが形成されていないそれぞれの露出領域を除去する。これらの層の除去は、例えば、プラズマエッチングにより行ってよい。

次に、第２のマスクを除去したｐ型コンタクト層１４１上にｐ側電極１５を形成し、ｎ型クラッド層１２の露出面上にｎ側電極１６を形成する。ｐ側電極１５及びｎ側電極１６は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成してよい。このウエハを所定の寸法に切り分けることにより、図１に示す発光素子１が形成される。

（実施例）
発明者らは、上述した製造方法を用いて、上述の実施の形態に係る３つの発光素子１（以下、「実施例１～３」ともいう。）を作製し、これら実施例１～３に係る発光素子１の光出力（μＷ）を測定した。光出力（μＷ）は、種々の公知の方法で測定することが可能であるが、本測定では、一例として、上述したｐ側電極１５及びｎ側電極１６及びの間に一定の電流（例えば、１００ｍＡ）を流し、サファイア基板１０の底面と対向するように設置した光検出器（不図示）により測定した。また、比較例として、上述した凹部２を有しないサファイア基板を備える発光素子の光出力を測定した。以下、表１に、比較例及び実施例１～３の測定データをまとめる。

比較例及び実施例１～３は、いずれも、サファイア基板１０のオフ角θ_１は、１．０°とし、実施例１～３のテーパ角θ_２は、いずれも、１１０°とした。

図６各図は、上述の実施例１～３に係る発光素子１の光出力の測定結果を示す図であり、（ａ）は、比較例に係る発光素子の光出力と実施例１～３に係る発光素子１の光出力とを並べて示した図であり、（ｂ）は、横軸を凹部２の深さＨとして示した図である。表１及び図６（ａ）に示すように、実施例１～３に係る発光素子１は、いずれも比較例に係る発光素子よりも大きい光出力を得ることが確認できる。

また、図６（ｂ）に示すように、光出力は、凹部２の深さＨに応じて変化することが確認できる。特に凹部２の深さＨが約３００ｎｍから約４５０ｎｍの範囲において、凹部２の深さＨが約３００ｎｍから増加するにつれて光出力も増加する傾向となり、所定の深さ以上になると光出力が減少する傾向になる。すなわち、サファイア基板１０の結晶成長面に凹部２を形成することにより、光出力を向上することができるものの、凹部２の深さＨが小さく過ぎても、又は大きすぎても光出力の向上が十分に図れなくなる。このため、光出力の向上を十分に図るためには、出力する光の波長及びｎ型クラッド層１２の厚さに対応させて、凹部２の深さＨを決定することが重要となる。

以上のように、本実施例においては、サファイア基板１０のオフ角θ_１が、所定範囲内（０．２°以上１．５°以下）であることから、転位等の欠陥が減ることによって発光に寄与するキャリア（電子、正孔）数が増える（内部量子効率が向上する）ことになり、発光素子１自体の光出力が向上する。また、凹部２の深さＨを２５ｎｍ以上３／４×ｄｎｍ以下であることから、発光層１３で発生した光が取り出しやすくなる（光取出効率が向上する）ことにより、発光素子１の内部における吸収による光損失が抑えられ、発光素子１自体の光出力が向上する。そして、上述したように、オフ角θ_１に伴う段差Ｓは、凹部２の深さＨと比較して非常に小さいため、上述した凹部２の形成にとともなう光出力の向上に影響を与えることがなく、凹部２の深さＨによる効果も得ることができる。すなわち、本実施例においては、凹部２の形成にとともなう光出力の向上に、オフ角θ_１に伴う光出力の向上が加わるだけでなく、互いの構成が互いの効果に全く影響を与えずに、発光素子１として相乗的な効果がもたらされることになる。

（実施形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］サファイア基板（１０）と、前記サファイア基板（１０）上の結晶成長面（１０ａ）上に形成されたｎ型半導体層（１２）、深紫外光を出射する発光層（１３）及びｐ型半導体層（１４）を含む半導体積層構造体と、を備える半導体発光素子（１）であって、
前記サファイア基板（１０）は、前記結晶成長面（１０ａ）から厚み方向の内側に向かって開口寸法が徐々に小さくなる錐台状の複数の凹部（２）を前記結晶成長面（１０ａ）に含み、
前記凹部（２）における底面（２ｂ）に対する側面（２ａ）の傾斜角度（θ_２）は、９０°よりも大きく、かつ、１２０°以下で形成された構成を有し、
前記凹部（２）の深さ（Ｈ）は、前記ｎ型半導体層（１２）の膜厚をｄとした場合に、２５ｎｍ以上３／４×ｄｎｍ以下である、
半導体発光素子（１）。
［２］前記複数の凹部（２）は、前記サファイア基板（１０）の前記結晶成長面（１０ａ）において、千鳥状に配置されている、
前記［１］に記載の半導体発光素子（１）。
［３］前記凹部（２）の開口形状は、円形である、
前記［１］又は［２］に記載の半導体発光素子（１）。
［４］前記サファイア基板（１０）の前記結晶成長面（１０ａ）は、オフ角を０．２°以上１．５°以下とした複数のテラス面（Ｔ）が段差（Ｓ）を介して連続した形状を備える、
前記［１］乃至［３］のいずれか１項に記載の半導体発光素子（１）。

１…半導体発光素子（発光素子）
１０…サファイア基板
１０ａ…結晶成長面
１１…バッファ層
１１０…エアボイド
１２…ｎクラッド層
１３…発光層
１４…ｐ型半導体層
１５…ｐ側電極
１６…ｎ側電極
２…凹部
２ａ…側面
２ｂ…底面
θ_１…オフ角
θ_２…テーパ角

Claims

サファイア基板と、前記サファイア基板上の結晶成長面上に形成されたｎ型半導体層、深紫外光を出射する発光層及びｐ型半導体層を含む半導体積層構造体と、を備える半導体発光素子であって、
前記サファイア基板は、前記結晶成長面から厚み方向の内側に向かって開口寸法が徐々に小さくなる錐台状の複数の凹部を前記結晶成長面に含み、
前記凹部における底面に対する側面の傾斜角度は、９０°よりも大きく、かつ、１２０°以下で形成された構成を有し、
前記凹部の深さは、前記ｎ型半導体層の膜厚をｄとした場合に、２５ｎｍ以上３／４×ｄｎｍ以下であり、
前記凹部の開口形状は、円形であり、
前記凹部の側面における前記厚み方向に平行な断面形状は、直線状であり、
前記半導体積層構造体における前記結晶成長面側の面は、前記結晶成長面の凹凸形状に沿うよう形成されている、
半導体発光素子。
前記複数の凹部は、前記サファイア基板の前記結晶成長面において、千鳥状に配置されている、
請求項１に記載の半導体発光素子。
前記発光層の発光波長は、２５０ｎｍ～３５０ｎｍであり、
前記発光層から発される光における前記半導体積層構造体の屈折率は、２．３～２．５である、
請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
前記サファイア基板の前記結晶成長面は、オフ角を０．２°以上１．５°以下とした複数のテラス面が段差を介して連続した形状を備える、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。