JPWO2009154215A1 - Iii族窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びにランプ - Google Patents
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Abstract
内部量子効率及び光取り出し効率に優れるとともに、電気的特性並びに生産効率に優れたIII族窒化物半導体発光素子及びその製造方法が提供される。そのようなIII族窒化物半導体発光素子は、基板(101)上に形成された単結晶の下地層(103)上にLED構造が形成されてなり、基板(101)は、(0001)C面からなる平面(11)と、C面に非平行の表面(12c)からなる複数の凸部(12)とからなる主面(10)を有するものであるとともに、凸部(12)の基部幅(d1)が0.05〜1.5μm、高さ(h)が0.05〜1μmとされており、下地層(103)は、基板(101)の主面(10)上に、平面(11)及び凸部(12)を覆うようにIII族窒化物半導体がエピタキシャル成長することによって形成されたものであり、凸部(12)の基部幅(d1)と、凸部(12)の頂部(12e)の位置における下地層(103)の頂部厚さ(H2)とが、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係である。
Description
本発明は、発光ダイオード(LED)構造を有するIII族窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びにランプに関する。
本願は、2008年6月20日に、日本に出願された特願2008−162485号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2008年6月20日に、日本に出願された特願2008−162485号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、短波長の光を発する発光素子用の半導体材料として、III族窒化物半導体が注目を集めている。III族窒化物半導体は、一般式AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で表され、サファイア単結晶をはじめ種々の酸化物やIII−V族化合物からなる基板の上に、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE法)等によって形成される。
III族窒化物半導体を用いた一般的な発光素子では、サファイア単結晶基板の上に、III族窒化物半導体からなるn型半導体層、発光層、p型半導体層がこの順で積層される。サファイア基板は絶縁体であるので、その素子構造は一般的に、p型半導体層上に形成された正極とn型半導体層上に形成された負極とが同一面上に存在する構造となる。このようなIII族窒化物半導体発光素子には、正極に透明電極を使用してp型半導体側から光を取り出すフェイスアップ方式と、正極にAgなどの高反射膜を使用してサファイア基板側から光を取り出すフリップチップ方式との2種類がある。
このような発光素子の出力の指標として、外部量子効率が用いられる。外部量子効率が高ければ、出力の高い発光素子と言うことができる。外部量子効率は、内部量子効率と光取り出し効率とを掛け合わせたものである。内部量子効率とは、素子に注入した電流のエネルギーが発光層で光に変換される割合である。光取り出し効率とは、発光層で発生した光のうち発光素子の外部に取り出すことができる光の割合である。したがって、外部量子効率を向上させるには、光取り出し効率を改善する必要がある。
光取り出し効率を改善するためには、主として2つの方法がある。一つは、光取り出し面に形成される電極等による光の吸収を低減させる方法である。もう一つは、発光素子とその外部の媒体との屈折率の違いによって生じる発光素子の内部への光の閉じ込めを低減させる方法である。
また、発光素子の光取り出し効率を向上させるため、最上層のp型半導体層上に透明電極を設ける場合、従来から用いられているNi/Au等からなる金属透明電極に替わり、近年ではITO等の透光性導電酸化膜からなる透明電極が用いられるようになっている。
このように、透明電極が、Ni/Au等の金属透明電極からITO等の透光性導電酸化膜に置き替わった理由の一つとして、透光性導電酸化膜を用いることにより、発光の吸収を低減できることが挙げられる。
このように、透明電極が、Ni/Au等の金属透明電極からITO等の透光性導電酸化膜に置き替わった理由の一つとして、透光性導電酸化膜を用いることにより、発光の吸収を低減できることが挙げられる。
また、発光素子の内部への光の閉じ込めを低減させる方法としては、発光素子の光取り出し面に凹凸を形成する技術が挙げられる(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、機械的加工又は化学的加工によって光取り出し面に凹凸を形成した発光素子では、光取り出し面に加工を施すことで半導体層に負荷を掛けることになり、発光層にダメージを残してしまう。また、光取り出し面に凹凸が形成されるような条件で半導体層を成長した発光素子では、半導体層の結晶性が劣化してしまうため、発光層が欠陥を含んだものになる。このため、光取り出し面に凹凸を形成した場合、光取り出し効率は向上するものの、内部量子効率が低下してしまい、発光強度を増加させることができないという問題がある。
しかしながら、機械的加工又は化学的加工によって光取り出し面に凹凸を形成した発光素子では、光取り出し面に加工を施すことで半導体層に負荷を掛けることになり、発光層にダメージを残してしまう。また、光取り出し面に凹凸が形成されるような条件で半導体層を成長した発光素子では、半導体層の結晶性が劣化してしまうため、発光層が欠陥を含んだものになる。このため、光取り出し面に凹凸を形成した場合、光取り出し効率は向上するものの、内部量子効率が低下してしまい、発光強度を増加させることができないという問題がある。
そこで、光取り出し面に凹凸を形成するのではなく、サファイアからなる基板の表面に凹凸を形成し、その上にIII族窒化物半導体層を成長させる方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。さらに、基板の凹凸形状として、曲面状突出部を形成した基板上にGaN結晶を成長させる方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。また、凹凸形状が施された透光性を有する基板上に、バッファ層を、スパッタ装置を用いたスパッタ法によって成膜する方法も提案されている(例えば、特許文献4)。
このような方法によれば、サファイア基板とIII族窒化物半導体層との界面が凹凸となるので、サファイア基板とIII族窒化物半導体層との屈折率の違いによる界面での光の乱反射により、発光素子の内部への光の閉じ込めを低減させることができ、光取り出し効率を向上させることができる。また、サファイア基板の表面に形成された凹凸により、結晶が横方向に成長するのを利用して結晶欠陥を低減させ、内部量子効率を向上させることが可能となる。
このような方法によれば、サファイア基板とIII族窒化物半導体層との界面が凹凸となるので、サファイア基板とIII族窒化物半導体層との屈折率の違いによる界面での光の乱反射により、発光素子の内部への光の閉じ込めを低減させることができ、光取り出し効率を向上させることができる。また、サファイア基板の表面に形成された凹凸により、結晶が横方向に成長するのを利用して結晶欠陥を低減させ、内部量子効率を向上させることが可能となる。
特許文献2及び3のように、サファイア基板の表面に凹凸を形成し、その上に単結晶のIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる場合、一般的に、4〜6μm程度のピッチとされた凹凸を基板表面に形成する。しかしながら、このような基板上にIII族窒化物半導体を成長させる場合、III族窒化物半導体層(下地層)表面を平坦化させるための初期成長層を成膜することが必要となり、工程時間が長くなるという問題がある。また、III族窒化物半導体層表面が充分に平坦化されない状態だと、凹凸上に横方向に成長して集合した結晶において集合前の転位が多数残留する。そして、このような転位は、III族窒化物半導体層の上に形成されるn型半導体層等の各層にも引き継がれるため、リーク電流の発生や、転位を起点とした破壊が生じ易くなってESD (electro−static discharge;静電気放電)等の耐高電圧破壊性が低下する等、電気的特性の低下を招くという問題があった。またさらに、III族窒化物半導体層の上に形成されるn型半導体層等の各層に転位が引き継がれた場合には、素子全体の結晶性が低下して発光特性の低下に繋がるという大きな問題があった。
また、III族窒化物半導体層表面を平坦化させるために、成膜時間を長くしてIII族窒化物半導体層(下地層)を厚く形成した場合には、LED構造全体の厚さとの関係から、基板の反りが大きくなり、後工程において歩留りを大きく低下させてしまうという問題がある。また、上述したように、結晶成長のための工程時間が長くなることから、生産性が著しく低下するという問題があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、内部量子効率及び光取り出し効率に優れるとともに、電気的特性並びに生産効率に優れたIII族窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、上記III族窒化物半導体発光素子が用いられてなり、発光特性に優れたランプを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、上記III族窒化物半導体発光素子が用いられてなり、発光特性に優れたランプを提供することを目的とする。
本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。即ち、本発明は以下に関する。
[1] 基板上に形成された単結晶のIII族窒化物半導体層上にLED構造が形成されてなるIII族窒化物半導体発光素子であって、前記基板は、(0001)C面からなる平面と、前記C面に非平行の表面からなる複数の凸部とからなる主面を有するものであるとともに、前記凸部の基部幅d1が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmとされており、前記III族窒化物半導体層は、前記基板の主面上に、前記平面及び前記凸部を覆うようにIII族窒化物半導体がエピタキシャル成長することによって形成されたものであり、前記凸部の基部幅d1と、前記凸部の頂部の位置における前記III族窒化物半導体層の頂部厚さH2とが、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
[2] 前記凸部は、さらに、高さhが前記基部幅d1の1/4以上とされており、隣接する前記凸部間の間隔d2が前記基部幅d1の0.5〜5倍とされていることを特徴とする上記[1]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[3] 前記凸部が前記頂部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする上記[1]又は[2]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[4] 前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする上記[1]〜[3]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[5] 前記凸部が、前記基板のC面上に設けられた酸化物又は窒化物からなることを特徴とする上記[1]〜[4]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[6] 前記凸部が、SiO2、Al2O3、SiN、ZnOの何れかからなることを特徴とする上記[5]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[7] 前記基板がサファイア基板であることを特徴とする上記[1]〜[6]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[2] 前記凸部は、さらに、高さhが前記基部幅d1の1/4以上とされており、隣接する前記凸部間の間隔d2が前記基部幅d1の0.5〜5倍とされていることを特徴とする上記[1]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[3] 前記凸部が前記頂部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする上記[1]又は[2]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[4] 前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする上記[1]〜[3]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[5] 前記凸部が、前記基板のC面上に設けられた酸化物又は窒化物からなることを特徴とする上記[1]〜[4]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[6] 前記凸部が、SiO2、Al2O3、SiN、ZnOの何れかからなることを特徴とする上記[5]に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[7] 前記基板がサファイア基板であることを特徴とする上記[1]〜[6]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[8] 前記LED構造は、前記基板の主面上において、III族窒化物半導体から各々なるn型半導体層、発光層及びp型半導体層をこの順で備えることを特徴とする上記[1]〜[7]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[9] 前記基板の主面上に、多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなり、厚さが0.01〜0.5μmとされたバッファ層がスパッタ法によって積層され、該バッファ層上に前記III族窒化物半導体層が積層されていることを特徴とする上記[1]〜[8]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[10] 前記基板の主面上に、単結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなり、厚さが0.01〜0.5μmとされたバッファ層がスパッタ法によって積層され、該バッファ層上に前記III族窒化物半導体層が積層されていることを特徴とする上記[1]〜[8]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[11] 前記n型半導体層にn型クラッド層が備えられているとともに、前記p型半導体層にはp型クラッド層が備えられており、前記n型クラッド層及び/又は前記p型クラッド層が、少なくとも超格子構造を含むことを特徴とする上記[8]〜[10]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[9] 前記基板の主面上に、多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなり、厚さが0.01〜0.5μmとされたバッファ層がスパッタ法によって積層され、該バッファ層上に前記III族窒化物半導体層が積層されていることを特徴とする上記[1]〜[8]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[10] 前記基板の主面上に、単結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなり、厚さが0.01〜0.5μmとされたバッファ層がスパッタ法によって積層され、該バッファ層上に前記III族窒化物半導体層が積層されていることを特徴とする上記[1]〜[8]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[11] 前記n型半導体層にn型クラッド層が備えられているとともに、前記p型半導体層にはp型クラッド層が備えられており、前記n型クラッド層及び/又は前記p型クラッド層が、少なくとも超格子構造を含むことを特徴とする上記[8]〜[10]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[12] 基板上に単結晶のIII族窒化物半導体層を形成し、該III族窒化物半導体層上にLED構造を形成するIII族窒化物半導体層の製造方法であって、前記基板の(0001)C面からなる平面上に、基部幅d1が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmである複数の凸部を形成することにより、前記基板上に前記平面と前記凸部とからなる主面を形成する基板加工工程と、前記基板の主面上に、前記平面及び前記凸部を覆うようにして前記III族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるとともに、前記凸部の基部幅d1と、前記凸部の頂部の位置における前記III族窒化物半導体層の頂部厚さH2とを、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係として前記III族窒化物半導体層を形成するエピタキシャル工程と、前記エピタキシャル工程に引き続いて、前記LED構造を、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることによって形成するLED積層工程と、が備えられていることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[13] 前記基板加工工程は、前記凸部を、さらに、高さhが前記基部幅d1の1/4以上、隣接する前記凸部間の間隔d2が前記基部幅d1の0.5〜5倍となるように形成することを特徴とする上記[12]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[14] 前記基板加工工程は、前記凸部を、前記頂部に向かって徐々に外形が小さくなる形状として形成することを特徴とする上記[12]又は[13]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[15] 前記基板加工工程は、前記凸部を、略円錐状ないし略多角錐状として形成することを特徴とする上記[12]〜[14]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[16] 前記基板がサファイア基板であることを特徴とする上記[12]〜[15]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[17] 前記基板加工工程は、前記凸部を、前記基板の(0001)C面上に、ステッパー露光法、ナノインプリント法、電子ビーム(EB)露光法、レーザー露光法の内の何れかを用いてマスクパターンを形成した後、前記基板をエッチングすることによって形成することを特徴とする上記[12]〜[16]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[18] 前記凸部を、前記基板のC面上に、酸化物又は窒化物から形成することを特徴とする上記[12]〜[16]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[19] 前記凸部を、SiO2、Al2O3、SiN、ZnOの何れかから形成することを特徴とする上記[18]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[13] 前記基板加工工程は、前記凸部を、さらに、高さhが前記基部幅d1の1/4以上、隣接する前記凸部間の間隔d2が前記基部幅d1の0.5〜5倍となるように形成することを特徴とする上記[12]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[14] 前記基板加工工程は、前記凸部を、前記頂部に向かって徐々に外形が小さくなる形状として形成することを特徴とする上記[12]又は[13]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[15] 前記基板加工工程は、前記凸部を、略円錐状ないし略多角錐状として形成することを特徴とする上記[12]〜[14]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[16] 前記基板がサファイア基板であることを特徴とする上記[12]〜[15]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[17] 前記基板加工工程は、前記凸部を、前記基板の(0001)C面上に、ステッパー露光法、ナノインプリント法、電子ビーム(EB)露光法、レーザー露光法の内の何れかを用いてマスクパターンを形成した後、前記基板をエッチングすることによって形成することを特徴とする上記[12]〜[16]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[18] 前記凸部を、前記基板のC面上に、酸化物又は窒化物から形成することを特徴とする上記[12]〜[16]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[19] 前記凸部を、SiO2、Al2O3、SiN、ZnOの何れかから形成することを特徴とする上記[18]に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[20] 前記LED積層工程は、前記基板の主面上に、III族窒化物半導体から各々なるn型半導体層、発光層及びp型半導体層をこの順で積層して前記LED構造を形成することを特徴とする上記[12]〜[19]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[21] 前記エピタキシャル工程において、前記III族窒化物半導体層の頂部厚さH2が、前記凸部の基部幅d1との関係でH2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される膜厚となるまでIII族窒化物半導体層を形成した後、引き続いて、前記LED積層工程においてn型不純物のドープを開始してn型半導体層を形成することを特徴とする上記[12]〜[20]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[22] 前記基板加工工程の後、前記エピタキシャル工程の前に、前記基板の主面上に多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層を、スパッタ法によって積層するバッファ層形成工程が備えられていることを特徴とする上記[12]〜[21]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[23] 前記基板加工工程の後、前記エピタキシャル工程の前に、前記基板の主面上に単結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層を、スパッタ法によって積層するバッファ層形成工程が備えられていることを特徴とする[12]〜[21]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[24] 前記LED積層工程は、前記n型半導体層をn型クラッド層が含まれる層として形成するとともに、前記p型半導体層をp型クラッド層が含まれる層として形成し、且つ、前記n型クラッド層及び/又は前記p型クラッド層を、少なくとも超格子構造を含む層として形成することを特徴とする上記[20]〜[23]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[21] 前記エピタキシャル工程において、前記III族窒化物半導体層の頂部厚さH2が、前記凸部の基部幅d1との関係でH2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される膜厚となるまでIII族窒化物半導体層を形成した後、引き続いて、前記LED積層工程においてn型不純物のドープを開始してn型半導体層を形成することを特徴とする上記[12]〜[20]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
[22] 前記基板加工工程の後、前記エピタキシャル工程の前に、前記基板の主面上に多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層を、スパッタ法によって積層するバッファ層形成工程が備えられていることを特徴とする上記[12]〜[21]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[23] 前記基板加工工程の後、前記エピタキシャル工程の前に、前記基板の主面上に単結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層を、スパッタ法によって積層するバッファ層形成工程が備えられていることを特徴とする[12]〜[21]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[24] 前記LED積層工程は、前記n型半導体層をn型クラッド層が含まれる層として形成するとともに、前記p型半導体層をp型クラッド層が含まれる層として形成し、且つ、前記n型クラッド層及び/又は前記p型クラッド層を、少なくとも超格子構造を含む層として形成することを特徴とする上記[20]〜[23]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
[25] 上記[12]〜[24]の何れか1項に記載の製造方法によって得られるIII族窒化物半導体発光素子。
[26] 上記[1]〜[11]、及び[25]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなることを特徴とするランプ。
[26] 上記[1]〜[11]、及び[25]の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなることを特徴とするランプ。
本発明のIII族窒化物半導体発光素子によれば、基板が、(0001)C面からなる平面と、C面に非平行の表面からなる複数の凸部とからなる主面を有するものであるとともに、凸部の基部幅d1が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmとされており、III族窒化物半導体層は、基板の主面上に、平面及び凸部を覆うようにIII族窒化物半導体がエピタキシャル成長することによって形成されたものであり、凸部の基部幅d1と、凸部の頂部の位置におけるIII族窒化物半導体層の頂部厚さH2とが、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係である構成とすることにより、III族窒化物半導体層の表面が良好に平坦化されるとともに、転位が抑制される。これにより、III族窒化物半導体層上に形成されるLED構造の各層が、転位が抑制され、結晶性に優れた層となる。また、凸部の基部幅が小さくIII族窒化物半導体層表面の平坦化が早いため、リーク電流が生じたりESD耐性が低下したりすることなく良好な電気的特性を備え、また、内部量子効率が高く優れた発光特性を備えるIII族窒化物半導体発光素子が高い収率で歩留まり良く得られる。また、III族窒化物半導体層の成長時間を短縮することができるので、生産性の高いIII族窒化物半導体発光素子が得られる。また、基板とIII族窒化物半導体層との界面が小さな凹凸とされることで、光の乱反射によって発光素子の内部への光の閉じ込めが低減されるため、光取り出し効率に優れたIII族窒化物半導体発光素子が実現できる。
さらに、本発明においては、n型クラッド層及び/又はp型クラッド層を、超格子構造を含む層構成とすることで出力が格段に向上し、電気特性に優れた発光素子とすることができる。
さらに、本発明においては、n型クラッド層及び/又はp型クラッド層を、超格子構造を含む層構成とすることで出力が格段に向上し、電気特性に優れた発光素子とすることができる。
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、基板の(0001)C面からなる平面上に、基部幅d1が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmである複数の凸部を形成することにより、基板上に平面と凸部とからなる主面を形成する基板加工工程と、基板の主面上に、平面及び凸部を覆うようにしてIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるとともに、凸部の基部幅d1と、凸部の頂部の位置におけるIII族窒化物半導体層の頂部厚さH2とを、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係としてIII族窒化物半導体層を形成するエピタキシャル工程と、該エピタキシャル工程に引き続いて、LED構造を、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることによって形成するLED積層工程と、が備えられている方法なので、III族窒化物半導体層の表面を良好に平坦化できるとともに、転位を抑制することができる。これにより、III族窒化物半導体層上に、転位が抑制され、結晶性に優れたLED構造の各層を形成することが可能となる。また、エピタキシャル工程において、凸部の基部幅が小さくIII族窒化物半導体層表面の平坦化が早いため、ESD耐性等の耐高電圧破壊性に優れた発光素子が得られる。従って、リーク電流が生じたりESD耐性が低下したりすることなく良好な電気的特性を備え、また、内部量子効率及び光取り出し効率に優れ、高い発光特性を備えるIII族窒化物半導体発光素子を製造することができる。
さらに、本発明に係るランプは、本発明のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものであるので、発光特性に優れたものとなる。
さらに、本発明に係るランプは、本発明のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものであるので、発光特性に優れたものとなる。
以下、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子(以下、発光素子と略称することがある)及びその製造方法、並びにランプの一実施形態について、図面を適宜参照しながら説明する。
図1は、本発明に係る発光素子1の一要部を説明するための図であり、基板101の主面10上に、バッファ層102と単結晶の下地層(III族窒化物半導体層)103とが形成された積層構造を示す断面図であり、図2は、図1に示す基板101を説明するための斜視図である。また、図3は、図1に示す積層構造の下地層(III族窒化物半導体層)103上にLED構造20が形成されてなる発光素子1を説明するための断面図であり、図中、符号107は正極ボンディングパッドを示し、符号108は負極ボンディングパッドを示している。また、図4は、図3に示す発光素子1の内、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106を示す部分断面図である。
図1は、本発明に係る発光素子1の一要部を説明するための図であり、基板101の主面10上に、バッファ層102と単結晶の下地層(III族窒化物半導体層)103とが形成された積層構造を示す断面図であり、図2は、図1に示す基板101を説明するための斜視図である。また、図3は、図1に示す積層構造の下地層(III族窒化物半導体層)103上にLED構造20が形成されてなる発光素子1を説明するための断面図であり、図中、符号107は正極ボンディングパッドを示し、符号108は負極ボンディングパッドを示している。また、図4は、図3に示す発光素子1の内、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106を示す部分断面図である。
[III族窒化物半導体発光素子]
本発明に係る発光素子1は、図1〜図4に示す一例のように、基板101上に形成された単結晶の下地層(III族窒化物半導体層)103上にLED構造20が形成されてなり、基板101は、(0001)C面からなる平面11と、C面に非平行の表面12cからなる複数の凸部12とからなる主面10を有するものであるとともに、凸部12の基部幅が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmとされており、下地層103は、基板101の主面10上に、平面11及び凸部12を覆うようにIII族窒化物半導体がエピタキシャル成長することによって形成されたものであり、凸部12の基部幅d1と、凸部12の頂部12eの位置における下地層103の頂部厚さH2とが、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係とされ、概略構成されている。また、図示例においては、基板101上にバッファ層102が設けられ、このバッファ層102上に下地層103が形成されている。
本発明に係る発光素子1は、図1〜図4に示す一例のように、基板101上に形成された単結晶の下地層(III族窒化物半導体層)103上にLED構造20が形成されてなり、基板101は、(0001)C面からなる平面11と、C面に非平行の表面12cからなる複数の凸部12とからなる主面10を有するものであるとともに、凸部12の基部幅が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmとされており、下地層103は、基板101の主面10上に、平面11及び凸部12を覆うようにIII族窒化物半導体がエピタキシャル成長することによって形成されたものであり、凸部12の基部幅d1と、凸部12の頂部12eの位置における下地層103の頂部厚さH2とが、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係とされ、概略構成されている。また、図示例においては、基板101上にバッファ層102が設けられ、このバッファ層102上に下地層103が形成されている。
本実施形態で説明する例の発光素子1は、図3に示す例のように、一面電極型のものであり、上述したような基板101上に、バッファ層102と、III族元素としてGaを含有するIII族窒化物半導体からなるLED構造(III族窒化物半導体層)20とが形成されているものである。また、発光素子1に備えられるLED構造20は、図3に示すように、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層がこの順で積層されてなるものである。
以下、発光素子1の積層構造について詳しく説明する。
以下、発光素子1の積層構造について詳しく説明する。
『基板』
(基板の材料)
本実施形態の発光素子において、上述したような基板101に用いることができる材料としては、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料であれば特に限定されず、各種材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等が挙げられる。
また、上記基板材料の中でも、特に、サファイアを用いることが好ましく、サファイア基板のc面上に中間層(バッファ層)102が形成されていることが望ましい。
(基板の材料)
本実施形態の発光素子において、上述したような基板101に用いることができる材料としては、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板材料であれば特に限定されず、各種材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等が挙げられる。
また、上記基板材料の中でも、特に、サファイアを用いることが好ましく、サファイア基板のc面上に中間層(バッファ層)102が形成されていることが望ましい。
なお、上記基板材料の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こすことが知られている酸化物基板や金属基板等を用い、アンモニアを使用せずにバッファ層102を成膜するとともに、アンモニアを使用する方法で後述の下地層103を成膜した場合には、バッファ層102がコート層としても作用するので、基板101の化学的な変質を防ぐ点で効果的である。
また、バッファ層102をスパッタ法により形成した場合、基板101の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板101を用いた場合でも、基板101にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
また、バッファ層102をスパッタ法により形成した場合、基板101の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板101を用いた場合でも、基板101にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
(基板の形状:平面と凸部とからなる主面)
本実施形態で用いられる基板101は、図2に示す例のように、複数の凸部12が形成されている。そして、基板101の主面10において凸部12の形成されていない部分は、(0001)C面からなる平面11とされている。従って、図1及び図2に示す例のように、基板101の主面10は、C面からなる平面11と、複数の凸部12とから構成されている。
本実施形態で用いられる基板101は、図2に示す例のように、複数の凸部12が形成されている。そして、基板101の主面10において凸部12の形成されていない部分は、(0001)C面からなる平面11とされている。従って、図1及び図2に示す例のように、基板101の主面10は、C面からなる平面11と、複数の凸部12とから構成されている。
凸部12は、図1及び図2に示すように、C面に非平行の表面12cからなるものであり、この表面12cにC面が現れていないものである。図1及び図2に示す凸部12は、基部12aの平面形状が略円形であり、頂部12eに向かって徐々に外形が小さくなる形状とされており、側面12bが外側に向かって湾曲したお椀状(半球状)の形状とされている。また、凸部12の平面配置は、図1及び図2に示すように、碁盤目状に等間隔に配置されている。
また、図1及び図2に示す例の凸部12は、基部幅d1が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmの範囲で且つ基部幅d1の1/4以上とされており、隣接する凸部12間の間隔d2が基部幅d1の0.5〜5倍とされている。ここで、凸部12の基部幅d1とは、凸部12の底辺(基部12a)における最大幅の長さのことをいう。また、隣接する凸部12の間隔d2とは、最も近接した凸部12の基部12aの縁の間の距離をいう。
隣接する凸部12間の間隔d2は、基部幅d1の0.5〜5倍とされることが好ましい。凸部12間の間隔d2が基部幅d1の0.5倍未満であると、n型半導体層104(半導体層30)を構成する下地層103をエピタキシャル成長させる際に、C面からなる平面11上からの結晶成長が促進され難くなり、凸部12を下地層103で完全に埋め込むことが難しくなるし、下地層103の表面103aの平坦性が十分に得られない場合がある。従って、凸部12を埋め下地層103上にLED構造をなす半導体層の結晶を形成した場合、この結晶は当然にピットが多く形成されることとなり、形成されるIII族窒化物半導体発光素子の出力や電気特性等の悪化につながってしまう。また、凸部12間の間隔d2が基部幅d1の5倍を超えると、基板101を用いてIII族窒化物半導体発光素子を形成した場合に、基板101と、基板101上に形成されたIII族窒化物半導体層との界面での光の乱反射の機会が減少し、光の取り出し効率を十分に向上させることができなくなる恐れがある。
基部幅d1は0.05〜1.5μmとされることが好ましい。基部幅d1が0.05μm未満であると、基板101を用いてIII族窒化物半導体発光素子を形成した場合に、光を乱反射させる効果が十分に得られない恐れがある。また、基部幅d1が1.5μmを超えると、凸部12を埋めて下地層103をエピタキシャル成長させた場合、平坦化されない部分が発生したり、成長時間が長くなって生産性が低下する。
また、基部幅d1は、上記範囲内においてより小さい構成とすれば、発光素子の発光出力がさらに向上するという効果が得られる。
また、基部幅d1は、上記範囲内においてより小さい構成とすれば、発光素子の発光出力がさらに向上するという効果が得られる。
凸部12の高さhは0.05〜1μmとされることが好ましい。凸部12の高さhが0.05μm未満であると、基板101を用いてIII族窒化物半導体発光素子を形成した場合に、光を乱反射させる効果が十分に得られない恐れがある。また、凸部12の高さhが1μmを超えると、凸部12を埋めて下地層103をエピタキシャル成長することが困難になり、下地層103の表面14aの平坦性が十分に得られない場合がある。
また、凸部12の高さhは基部幅d1の1/4以上とされることが好ましい。凸部12の高さhが基部幅d1の1/4未満であると、基板101を用いてIII族窒化物半導体発光素子を形成した場合における光を乱反射させる効果や、光の取り出し効率を向上させる効果が十分に得られない恐れがある。
なお、凸部12の形状は、図1及び図2に示す例に限定されるものではなく、C面に非平行の表面からなるものであれば、いかなる形状であってもよい。例えば、基部の平面形状が略多角形であり、頂部に向かって徐々に外形が小さくなる形状とされており、側面12が外側に向かって湾曲している形状であってもよい。また、側面が頂部に向かって徐々に外形が小さくなる斜面からなる略円錐状や略多角錐状とされていてもよい。また、側面の傾斜角度が2段階的変化する形状であってもよい。
また、凸部12の平面配置も、図1及び図2に示す例に限定されるものではなく、等間隔であってもよいし、等間隔でなくてもよい。また、凸部12の平面配置は、四角形状であってもよいし、三角形状であってもよいし、ランダムであってもよい。
また、凸部12の平面配置も、図1及び図2に示す例に限定されるものではなく、等間隔であってもよいし、等間隔でなくてもよい。また、凸部12の平面配置は、四角形状であってもよいし、三角形状であってもよいし、ランダムであってもよい。
なお、本実施形態おいては、基板101上に設けられる凸部12を、詳細を後述する製造方法により、基板101をエッチングすることによって形成することができるが、これには限定されない。例えば、基板上に、凸部をなす別の材料を基板101のC面上に堆積させることによって凸部を形成してもよい。基板上に、凸部をなす別の材料を堆積させる方法としては、例えば、スパッタ法、蒸着法、CVD法等の各方法を用いることができる。また、凸部をなす材料としては、酸化物や窒化物等、基板の材料とほぼ同等の屈折率を有する材料を用いることが好ましく、基板がサファイア基板の場合には、例えば、SiO2、Al2O3、SiN、ZnO等を用いることができる。
本発明において、基板101を、平面11及び凸部12からなる主面10が備えられた上記構成とすることにより、基板101と、詳細を後述する下地層103との界面が、バッファ層102を介して凹凸とされるので、光の乱反射によって発光素子の内部への光の閉じ込めが低減され、光取り出し効率に優れた発光素子1が実現できる。また、基板101を上記構成とすることで、詳細を後述する作用によってバッファ層102及び下地層103の結晶性が向上するので、その上に形成されるLED構造20の結晶性も優れたものとなる。従って、内部量子効率及び光取り出し効率に優れ、高い発光出力を備えるとともに、リーク電流の発生が抑制され、電気的特性に優れる発光素子1を実現することが可能となる。
『バッファ層』
本発明においては、基板101の主面10上にバッファ層102を形成し、その上に後述の下地層103を形成することが好ましい。
バッファ層102は、AlXGa1−XN(0≦x≦1)なる組成で基板101上に積層され、例えば、V族元素を含むガスと金属材料とをプラズマで活性化して反応させる反応性スパッタ法によって形成することができる。本実施形態のような、プラズマ化した金属原料を用いた方法で成膜された膜は、配向が得られ易いという作用がある。
本発明においては、基板101の主面10上にバッファ層102を形成し、その上に後述の下地層103を形成することが好ましい。
バッファ層102は、AlXGa1−XN(0≦x≦1)なる組成で基板101上に積層され、例えば、V族元素を含むガスと金属材料とをプラズマで活性化して反応させる反応性スパッタ法によって形成することができる。本実施形態のような、プラズマ化した金属原料を用いた方法で成膜された膜は、配向が得られ易いという作用がある。
バッファ層102は、基板101と下地層103との格子定数の違いを緩和し、基板101のC面上にC軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。従って、バッファ層102の上に単結晶のIII族窒化物半導体層(下地層103)を積層すると、より結晶性に優れた下地層103が形成できる。なお、本実施形態では、基板101と下地層103の間にバッファ層102を形成することが最も好ましいが、バッファ層を省略した構成とすることも可能である。
(組成)
本実施形態では、バッファ層102が、Alを含有する組成とされていることが好ましく、一般式AlXGa1−XN(1≧X≧0)で表されるIII族窒化物化合物であれば、如何なる材料でも用いることができ、また、Alの組成が50%以上とされていることがより好ましい。また、バッファ層102は、AlNからなる構成とすることが最も好ましい。
本実施形態では、バッファ層102が、Alを含有する組成とされていることが好ましく、一般式AlXGa1−XN(1≧X≧0)で表されるIII族窒化物化合物であれば、如何なる材料でも用いることができ、また、Alの組成が50%以上とされていることがより好ましい。また、バッファ層102は、AlNからなる構成とすることが最も好ましい。
(結晶構造)
バッファ層をなすIII族窒化物の結晶は、六方晶系の結晶構造を持ち、成膜条件をコントロールすることにより、単結晶膜とすることができる。また、III族窒化物の結晶は、上記成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶(多結晶)とすることも可能である。なお、ここで説明する柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
バッファ層をなすIII族窒化物の結晶は、六方晶系の結晶構造を持ち、成膜条件をコントロールすることにより、単結晶膜とすることができる。また、III族窒化物の結晶は、上記成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶(多結晶)とすることも可能である。なお、ここで説明する柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
バッファ層102は、単結晶構造であることが、バッファ機能の面から好ましい。上述したように、III族窒化物の結晶は六方晶系の結晶を有し、六角柱を基本とした組織を形成する。III族窒化物の結晶は、成膜条件等を制御することにより、上方向だけではなく、面内方向にも成長した結晶を成膜することが可能となる。このような単結晶構造を有するバッファ層102を基板101上に成膜した場合、バッファ層102のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されるIII族窒化物半導体の層は、良好な配向性及び結晶性を持つ結晶膜となる。
(膜厚)
バッファ層102の膜厚は、0.01〜0.5μmの範囲とされていることが好ましい。バッファ層102の膜厚をこの範囲とすることにより、良好な配向性を有し、バッファ層102上にIII族窒化物半導体からなる各層を成膜する際に、コート層として有効に機能するバッファ層102が得られる。バッファ層102の膜厚が0.01μm未満だと、上述したコート層としての充分な機能が得られず、また、基板101と下地層103との間の格子定数の違いを緩和するバッファ作用が充分に得られない場合がある。また、0.5μmを超える膜厚でバッファ層102を形成した場合、バッファ作用やコート層としての機能には変化が無いのにも関わらず成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。また、バッファ層102の膜厚は、0.02〜0.1μmの範囲とされていることがより好ましい。
バッファ層102の膜厚は、0.01〜0.5μmの範囲とされていることが好ましい。バッファ層102の膜厚をこの範囲とすることにより、良好な配向性を有し、バッファ層102上にIII族窒化物半導体からなる各層を成膜する際に、コート層として有効に機能するバッファ層102が得られる。バッファ層102の膜厚が0.01μm未満だと、上述したコート層としての充分な機能が得られず、また、基板101と下地層103との間の格子定数の違いを緩和するバッファ作用が充分に得られない場合がある。また、0.5μmを超える膜厚でバッファ層102を形成した場合、バッファ作用やコート層としての機能には変化が無いのにも関わらず成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。また、バッファ層102の膜厚は、0.02〜0.1μmの範囲とされていることがより好ましい。
『III族窒化物半導体層(下地層)』
本発明の発光素子1に備えられる下地層(III族窒化物半導体層)103はIII族窒化物半導体からなり、例えば、従来公知のMOCVD法によってバッファ層102上に積層して成膜することができる。また、本例で説明する下地層103は、上述したように、基板101の主面10上に、バッファ層102を介して、平面11及び凸部12を覆うようにIII族窒化物半導体がエピタキシャル成長することによって形成されるものである。
本発明の発光素子1に備えられる下地層(III族窒化物半導体層)103はIII族窒化物半導体からなり、例えば、従来公知のMOCVD法によってバッファ層102上に積層して成膜することができる。また、本例で説明する下地層103は、上述したように、基板101の主面10上に、バッファ層102を介して、平面11及び凸部12を覆うようにIII族窒化物半導体がエピタキシャル成長することによって形成されるものである。
(下地層の材料)
下地層103の材料としては、例えば、下地層103に、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)を用いることができるが、AlyGa1―yN層(0≦y≦1、好ましくは0≦y≦0.5、さらに好ましくは0≦y≦0.1)を用いることが、結晶性の良好な下地層103を形成できる点でより好ましい。
また、下地層103の材料は、上述のようなバッファ層102と異なる材料を用いても良いが、バッファ層102と同じ材料を用いることも可能である。
下地層103の材料としては、例えば、下地層103に、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)を用いることができるが、AlyGa1―yN層(0≦y≦1、好ましくは0≦y≦0.5、さらに好ましくは0≦y≦0.1)を用いることが、結晶性の良好な下地層103を形成できる点でより好ましい。
また、下地層103の材料は、上述のようなバッファ層102と異なる材料を用いても良いが、バッファ層102と同じ材料を用いることも可能である。
下地層103は、必要に応じて、n型不純物が1×1017〜1×1019個/cm3の範囲内でドープされた構成としても良いが、アンドープ(<1×1017個/cm3)の構成とすることもでき、アンドープの方が良好な結晶性を維持できる点で好ましい。
基板101が導電性である場合には、下地層103にドーパントをドープして導電性とすることにより、発光素子の上下に電極を形成することができる。一方、基板101に絶縁性の材料を用いる場合には、発光素子の同じ面に正極及び負極の各電極が設けられたチップ構造をとることになるので、下地層103はドープしない結晶とした方が、結晶性が良好となるので好ましい。
下地層103にドープされるn型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
基板101が導電性である場合には、下地層103にドーパントをドープして導電性とすることにより、発光素子の上下に電極を形成することができる。一方、基板101に絶縁性の材料を用いる場合には、発光素子の同じ面に正極及び負極の各電極が設けられたチップ構造をとることになるので、下地層103はドープしない結晶とした方が、結晶性が良好となるので好ましい。
下地層103にドープされるn型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
(下地層の厚さ)
本発明の発光素子に備えられる下地層103は、図1に示すように、基板101の主面10をなす凸部12の基部幅d1と、凸部12の頂部12eの位置における下地層103の頂部厚さH2とが、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係とされている。本発明においては、基板101の基部幅d1が0.05〜1.5μmとされており、下地層103の頂部厚さH2もこの範囲であることが好ましく、且つ、H2(頂部厚さ)=kd1(基部幅)(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係に規定する。
本発明の発光素子に備えられる下地層103は、図1に示すように、基板101の主面10をなす凸部12の基部幅d1と、凸部12の頂部12eの位置における下地層103の頂部厚さH2とが、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係とされている。本発明においては、基板101の基部幅d1が0.05〜1.5μmとされており、下地層103の頂部厚さH2もこの範囲であることが好ましく、且つ、H2(頂部厚さ)=kd1(基部幅)(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係に規定する。
図1に示す例のように、基板101の主面10に凸部12を形成して凹凸形状とし、この主面10上に単結晶のIII族窒化物半導体からなる下地層103をエピタキシャル成長させる場合、頂部厚さH2が薄すぎると、下地層表面が充分に平坦化されない状態となる虞がある。このような場合、(0001)C面からなる平面11から成長したIII族窒化物半導体結晶が主面の凹凸上において横方向に成長し、凸部上において集合した際に、集合前の転位が多数残留した状態となる。このような転位は、LED構造を構成するn型半導体層や、その他の各層にも引き継がれるため、リーク電流の発生やESD耐性の低下等、電気的特性の低下を招くという問題がある。また、下地層上に形成されるn型半導体層等の各層に転位が引き継がれた場合には、素子全体の結晶性が低下して発光特性の低下に繋がるという大きな問題がある。
またさらに、下地層の表面を平坦化させるために、必要以上に成膜時間を長くして下地層を厚く形成した場合には、平坦性が逆に低下する部分が発生したり、成長時間が長くなり生産性が低下する。また、ESD耐性等の耐高電圧破壊性が劣化し、電気的特性がさらに低下するという問題がある。
またさらに、下地層の表面を平坦化させるために、必要以上に成膜時間を長くして下地層を厚く形成した場合には、平坦性が逆に低下する部分が発生したり、成長時間が長くなり生産性が低下する。また、ESD耐性等の耐高電圧破壊性が劣化し、電気的特性がさらに低下するという問題がある。
本発明においては、基板101の凸部12の基部幅d1と、下地層103における頂部厚さH2とをH2(頂部厚さ)=kd1(基部幅)(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係に規定することにより、凸部12の基部幅d1に対する下地層103の頂部厚さH2を充分な厚さとすることが可能となる。これにより、下地層103の表面103aが良好に平坦化される。また、凸部12上において、III族窒化物半導体結晶の集合部に残留する転位が低減されるので、下地層103上に形成されるLED構造20の各層が、転位等の結晶欠陥が生じるのが抑制され、結晶性に優れた層となる。従って、リーク電流が生じたりESD耐性が低下したりすることなく良好な電気的特性を備え、また、内部量子効率が高く優れた発光特性を備える発光素子1とすることができる。
またさらに、基板101と下地層103との界面が、バッファ層102を介して凹凸とされることで、光の乱反射によって発光素子の内部への光の閉じ込めが低減されるため、光取り出し効率に優れた発光素子が実現できる。
またさらに、基板101と下地層103との界面が、バッファ層102を介して凹凸とされることで、光の乱反射によって発光素子の内部への光の閉じ込めが低減されるため、光取り出し効率に優れた発光素子が実現できる。
なお、下地層103の頂部厚さH2、並びに、基板101の平面11の位置における下地層103の厚さである最大厚さH1が厚過ぎると、上述のように、工程時間が長くなったり、その上のn型半導体層104の充分な膜厚が得られなかったりするという問題がある。
本発明では、基板101に形成される凸部12の基部幅d1を上記範囲に規定し、且つ、凸部12の基部幅d1と下地層103の頂部厚さH2とをH2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係に規定するとともに、下地層103の最大厚さH1を、1.5〜4.5μmの範囲とすることが、上記効果と生産性とを両立できる点から好ましい。
本発明においては、後述の製造方法の説明において詳述するが、下地層103を上記膜厚(最大厚さH1及び頂部厚さH2)まで形成した後、引き続いてn型不純物のドープを開始することにより、その上のn型半導体層104が、充分な膜厚で効率良く形成される。
本発明では、基板101に形成される凸部12の基部幅d1を上記範囲に規定し、且つ、凸部12の基部幅d1と下地層103の頂部厚さH2とをH2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係に規定するとともに、下地層103の最大厚さH1を、1.5〜4.5μmの範囲とすることが、上記効果と生産性とを両立できる点から好ましい。
本発明においては、後述の製造方法の説明において詳述するが、下地層103を上記膜厚(最大厚さH1及び頂部厚さH2)まで形成した後、引き続いてn型不純物のドープを開始することにより、その上のn型半導体層104が、充分な膜厚で効率良く形成される。
またさらに、下地層103の最大厚さH1は、基板101の凸部12の高さhの2倍以上であることが、表面103aの平坦性がさらに向上する点からより好ましい。下地層103の最大厚さH1が凸部12の高さhの2倍より小さいと、凸部12を覆うように成長した下地層103の表面103aの平坦性が不充分となる場合がある。
『LED構造』
LED構造20は、III族窒化物半導体から各々なるn型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106を有する。このようなLED構造20の各層は、MOCVD法で形成することにより、より結晶性の高いものが得られる。
LED構造20は、III族窒化物半導体から各々なるn型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106を有する。このようなLED構造20の各層は、MOCVD法で形成することにより、より結晶性の高いものが得られる。
「n型半導体層」
n型半導体層104は、通常n型コンタクト層104aとn型クラッド層104bとから構成される。n型コンタクト層104aはn型クラッド層104bを兼ねることも可能である。
n型半導体層104は、通常n型コンタクト層104aとn型クラッド層104bとから構成される。n型コンタクト層104aはn型クラッド層104bを兼ねることも可能である。
n型コンタクト層104aは、負極を設けるための層である。n型コンタクト層104aとしては、AlxGa1−xN層(0≦x<1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。また、n型コンタクト層104aにはn型不純物がドープされていることが好ましく、n型不純物を1×1017〜1×1020/cm3、好ましくは1×1018〜1×1019/cm3の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持の点で好ましい。n型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
n型コンタクト層104aの膜厚は、0.5〜5μmとされることが好ましく、1〜3μmの範囲に設定することがより好ましい。n型コンタクト層104aの膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。
n型コンタクト層104aと発光層105との間には、n型クラッド層104bを設けることが好ましい。n型クラッド層104bは、発光層105へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層である。n型クラッド層104bはAlGaN、GaN、GaInNなどで形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。n型クラッド層104bをGaInNで形成する場合には、発光層105のGaInNのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
本発明では、後述の製造方法の説明において詳述するが、上記構成とされたアンドープの下地層103上に、n型ドープのn型コンタクト層104aが形成された構成なので、下地層103を上記規定の頂部厚さH2として形成した後、引き続いてn型不純物のドープを開始することで、生産効率を低下させること無くn型半導体層104を形成することができる。これにより、n型コンタクト層104a及びn型クラッド層104bの各層の膜厚を確保し、n型半導体層104を充分な膜厚で形成することが可能となるので、ESD耐性等の電気的特性に優れた発光素子を実現することができる。
n型クラッド層104bの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは0.005〜0.5μmであり、より好ましくは0.005〜0.1μmである。n型クラッド層104bのn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3が好ましく、より好ましくは1×1018〜1×1019/cm3である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
n型コンタクト層104aとn型クラッド層104bとを合わせたn型半導体層104全体の膜厚としては、1〜4μmとすることが好ましい。
一般に、下地層103とn型半導体層104とを合わせた膜厚は概ね10μm程度とされるが、本発明においては、下地層103の厚さを上述のように規定することにより、n型半導体層104の厚さを、概ね1.7μm程度、厚くすることが可能となる。このように、n型半導体層104の膜厚を充分に確保することにより、この層のシート抵抗が低減され、ESD耐性等の耐高電圧特性が向上するとともに、ウェーハの反りが低減されるので、LEDチップに分割する際の生産性が向上する。
一般に、下地層103とn型半導体層104とを合わせた膜厚は概ね10μm程度とされるが、本発明においては、下地層103の厚さを上述のように規定することにより、n型半導体層104の厚さを、概ね1.7μm程度、厚くすることが可能となる。このように、n型半導体層104の膜厚を充分に確保することにより、この層のシート抵抗が低減され、ESD耐性等の耐高電圧特性が向上するとともに、ウェーハの反りが低減されるので、LEDチップに分割する際の生産性が向上する。
なお、n型クラッド層104bを、超格子構造を含む層とする場合には、詳細な図示を省略するが、100オングストローム以下の膜厚を有したIII族窒化物半導体からなるn側第1層と、該n側第1層と組成が異なるとともに100オングストローム以下の膜厚を有したIII族窒化物半導体からなるn側第2層とが積層された構造を含むものであっても良い。また、n型クラッド層104bは、n側第1層とn側第2層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであってもよい。また、好ましくは、前記n側第1層又はn側第2層の何れかが、活性層(発光層105)に接する構成とすれば良い。
上述のようなn側第1層及びn側第2層は、例えばAlを含むAlGaN系(単にAlGaNと記載することがある)、Inを含むGaInN系(単にGaInNと記載することがある)、GaNの組成とすることができる。また、n側第1層及びn側第2層は、GaInN/GaNの交互構造、AlGaN/GaNの交互構造、GaInN/AlGaNの交互構造、組成の異なるGaInN/GaInNの交互構造(本発明における“組成の異なる”との説明は、各元素組成比が異なることを指し、以下同様である)、組成の異なるAlGaN/AlGaNの交互構造であってもよい。本発明においては、n側第1層及びn側第2層は、GaInN/GaNの交互構造又は組成の異なるGaInN/GaInNであることが好ましい。
上記n側第1層及びn側第2層の超格子層は、それぞれ60オングストローム以下であることが好ましく、それぞれ40オングストローム以下であることがより好ましく、それぞれ10オンストローム〜40オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するn側第1層とn側第2層の膜厚が100オングストローム超だと、結晶欠陥が入りやすく好ましくない。
上記n側第1層及びn側第2層は、それぞれドープした構造であってもよく、また、ドープ構造/未ドープ構造の組み合わせであってもよい。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、n型クラッド層として、GaInN/GaNの交互構造又は組成の異なるGaInN/GaInNの交互構造のものを用いた場合には、不純物としてSiが好適である。また、上述のようなn側超格子多層膜は、GaInNやAlGaN、GaNで代表される組成が同じであっても、ドーピングを適宜ON、OFFしながら作製してもよい。
上述のように、n型クラッド層104bを、超格子構造を含む層構成とすることで、発光出力が格段に向上し、電気特性に優れた発光素子1とすることが可能となる。
上述のように、n型クラッド層104bを、超格子構造を含む層構成とすることで、発光出力が格段に向上し、電気特性に優れた発光素子1とすることが可能となる。
「発光層」
n型半導体層104の上に積層される発光層105としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などの発光層105がある。図4に示すような、量子井戸構造の井戸層としては、青色発光を呈する構成とする場合には、通常、Ga1−yInyN(0<y<0.4)なる組成のIII族窒化物半導体が用いられるが、緑色発光を呈する井戸層とする場合には、インジウムの組成が高められたものが用いられる。
n型半導体層104の上に積層される発光層105としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などの発光層105がある。図4に示すような、量子井戸構造の井戸層としては、青色発光を呈する構成とする場合には、通常、Ga1−yInyN(0<y<0.4)なる組成のIII族窒化物半導体が用いられるが、緑色発光を呈する井戸層とする場合には、インジウムの組成が高められたものが用いられる。
本発明のような多重量子井戸構造の発光層105の場合は、上記Ga1−yInyNを井戸層105bとし、井戸層105bよりバンドギャップエネルギーが大きいAlzGa1−zN(0≦z<0.3)を障壁層105aとすることが好ましい。
また、井戸層105bおよび障壁層105aには、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
また、井戸層105bおよび障壁層105aには、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
また、井戸層105bの膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば1〜10nmとすることができ、より好ましくは2〜6nmとすると発光出力の点で好ましい。
「p型半導体層」
p型半導体層106は、通常、p型クラッド層106aおよびp型コンタクト層106bから構成される。また、p型コンタクト層106bがp型クラッド層106aを兼ねることも可能である。
p型半導体層106は、通常、p型クラッド層106aおよびp型コンタクト層106bから構成される。また、p型コンタクト層106bがp型クラッド層106aを兼ねることも可能である。
p型クラッド層106aは、発光層105へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。p型クラッド層106aの組成としては、発光層105のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成で、発光層105へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、AlxGa1−xN(0<x≦0.4)のものが挙げられる。p型クラッド層106aが、このようなAlGaNからなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。p型クラッド層106aの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1〜400nmであり、より好ましくは5〜100nmである。p型クラッド層106aのp型ドープ濃度は、1×1018〜1×1021/cm3が好ましく、より好ましくは1×1019〜1×1020/cm3である。p型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。
また、p型クラッド層106aは、複数回積層した超格子構造としてもよい。
また、p型クラッド層106aは、複数回積層した超格子構造としてもよい。
なお、p型クラッド層106aを、超格子構造を含む層とする場合には、詳細な図示を省略するが、100オングストローム以下の膜厚を有したIII族窒化物半導体からなるp側第1層と、該p側第1層と組成が異なるとともに100オングストローム以下の膜厚を有したIII族窒化物半導体からなるp側第2層とが積層された構造を含むものであっても良い。また、p側第1層とp側第2層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであっても良い。
上述のようなp側第1層及びp側第2層は、それぞれ異なる組成、例えば、AlGaN、GaInN又はGaNの内の何れの組成であっても良い、また、GaInN/GaNの交互構造、AlGaN/GaNの交互構造、又はGaInN/AlGaNの交互構造であっても良い。本発明においては、p側第1層及びp側第2層は、AlGaN/AlGaN又はAlGaN/GaNの交互構造であることが好ましい。
上記p側第1層及びp側第2層の超格子層は、それぞれ60オングストローム以下であることが好ましく、それぞれ40オングストローム以下であることがより好ましく、それぞれ10オングストローム〜40オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するp側第1層とp側第2層の膜厚が100オングストローム超だと、結晶欠陥等を多く含む層となり、好ましくない。
上記p側第1層及びp側第2層は、それぞれドープした構造であっても良く、また、ドープ構造/未ドープ構造の組み合わせであっても良い。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、p型クラッド層として、AlGaN/GaNの交互構造又は組成の異なるAlGaN/AlGaNの交互構造のものを用いた場合には、不純物としてMgが好適である。また、上述のようなp側超格子多層膜は、GaInNやAlGaN、GaNで代表される組成が同じであっても、ドーピングを適宜ON、OFFしながら作製してもよい。
上述のように、p型クラッド層105aを、超格子構造を含む層構成とすることで、発光出力が格段に向上し、電気特性に優れた発光素子1とすることが可能となる。
上述のように、p型クラッド層105aを、超格子構造を含む層構成とすることで、発光出力が格段に向上し、電気特性に優れた発光素子1とすることが可能となる。
p型コンタクト層106bは、正極を設けるための層である。p型コンタクト層106bは、AlxGa1−xN(0≦x≦0.4)が好ましい。Al組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびpオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。p型不純物(ドーパント)を1×1018〜1×1021/cm3の濃度、好ましくは5×1019〜5×1020/cm3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。p型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはMgが挙げられる。p型コンタクト層106bの膜厚は、特に限定されないが、0.01〜0.5μmが好ましく、より好ましくは0.05〜0.2μmである。p型コンタクト層106bの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
本発明に係る発光素子1に備えられるLED構造20は、上述したような、転位が低減され、結晶性に優れた下地層103の表面103a上に形成される。本発明においては、まず、基板101を、平面11と凸部12とからなる主面10を有し、凸部12の基部幅が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmとされた構成としている。そして、下地層103を、基板101の主面10上に、平面11及び凸部12を覆うようにIII族窒化物半導体がエピタキシャル成長することによって形成された層で構成している。この際、下地層103の頂部厚さH2が薄すぎると、下地層表面が充分に平坦化されない状態となる虞があるが、本発明においては、凸部12の基部幅d1と下地層103の頂部厚さH2とをH2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係で規定することにより、凸部12の基部幅d1に対する下地層103の頂部厚さH2が充分な膜厚となる。これにより、下地層103の表面103aが良好に平坦化されるとともに、凸部12上において、III族窒化物半導体結晶の集合部に残留する転位等の結晶欠陥が低減され、結晶性に優れた下地層103が得られる。
そして、上述のような下地層103の表面103a上に、LED構造20をなすn型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16を順次形成することにより、これら各層は、転位等の結晶欠陥や格子不整合が生じるのが抑制され、結晶性に優れた層となる。
そして、上述のような下地層103の表面103a上に、LED構造20をなすn型半導体層14、発光層15及びp型半導体層16を順次形成することにより、これら各層は、転位等の結晶欠陥や格子不整合が生じるのが抑制され、結晶性に優れた層となる。
またさらに、本発明に係る発光素子1は、基板101の凸部12の基部幅d1と下地層103の頂部厚さH2とを上記関係で規定することにより、下地層103上に形成されてLED構造20をなすn型半導体層104の膜厚を、生産効率を低下させることなく充分な厚さで確保することが可能となる。
本発明に係る発光素子1は、上記構成により、リーク電流が生じたりESD耐性が低下したりすることなく良好な電気的特性を備え、また、内部量子効率が高く優れた発光特性が得られるものである。
本発明に係る発光素子1は、上記構成により、リーク電流が生じたりESD耐性が低下したりすることなく良好な電気的特性を備え、また、内部量子効率が高く優れた発光特性が得られるものである。
『電極』
正極ボンディングパッド107は、p型半導体層106と接する透光性導電酸化膜層からなる透光性正極109上の一部に設けられている。
透光性正極109は、ITO(In2O3−SnO2)、AZO(ZnO−Al2O3)、IZO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−Ga2O3)から選ばれる少なくとも一種類を含んだ材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、透光性正極109の構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。また、透光性正極109は、p型半導体層106上のほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。透光性正極109を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
正極ボンディングパッド107は、p型半導体層106と接する透光性導電酸化膜層からなる透光性正極109上の一部に設けられている。
透光性正極109は、ITO(In2O3−SnO2)、AZO(ZnO−Al2O3)、IZO(In2O3−ZnO)、GZO(ZnO−Ga2O3)から選ばれる少なくとも一種類を含んだ材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、透光性正極109の構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。また、透光性正極109は、p型半導体層106上のほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。透光性正極109を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
正極ボンディングパッド107は、回路基板やリードフレーム等との電気接続のために設けられる。正極ボンディングパッドとしては、Au、Al、NiおよびCu等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造を何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド107の厚さは、100〜1000nmの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド107の厚さは300nm以上とすることがより好ましい。また、正極ボンディングパッド107の厚さは製造コストの観点から500nm以下とすることがより好ましい。
負極ボンディングパッド108は、LED構造20のn型半導体層104に接するように形成される。このため、負極ボンディングパッド108を形成する際には、発光層105およびp型半導体層106の一部を除去してn型半導体層104のn型コンタクト層を露出させ、この上に負極ボンディングパッド108を形成する。
負極ボンディングパッド108としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
以上説明したような、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子1によれば、基板101が、(0001)C面からなる平面11と、C面に非平行の表面12cからなる複数の凸部12とからなる主面10を有するものであるとともに、凸部12の基部幅d1が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmとされており、下地層(III族窒化物半導体層)103は、基板101の主面10上に、平面11及び凸部12を覆うようにIII族窒化物半導体がエピタキシャル成長して形成されたものであり、凸部12の基部幅d1と、凸部12の頂部12eの位置における下地層103の頂部厚さH2とが、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係である構成とすることにより、下地層103の表面103aが良好に平坦化されるとともに、転位が抑制される。これにより、下地層103上に形成されるLED構造20の各層が、転位が抑制され、結晶性に優れた層となる。また、凸部12の基部幅d1が小さく下地層103の表面103aの平坦化が早いため、リーク電流が生じたりESD耐性が低下したりすることなく良好な電気的特性を備え、また、内部量子効率が高く優れた発光特性を備えるIII族窒化物半導体発光素子1が高い収率で歩留まり良く得られる。また、下地層103の成長時間を短縮することができるので、生産性の高いIII族窒化物半導体発光素子1が得られる。また、基板101と下地層103との界面が小さな凹凸とされることで、光の乱反射によって発光素子1の内部への光の閉じ込めが低減されるため、光取り出し効率に優れたIII族窒化物半導体発光素子1が実現できる。
[III族窒化物半導体発光素子の製造方法]
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板101上に単結晶の下地層(III族窒化物半導体層)103を形成し、該下地層103上にLED構造20を形成する方法であり、基板101の(0001)C面からなる平面11上に、基部幅が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmである複数の凸部12を形成することにより、基板101上に平面11と凸部12とからなる主面10を形成する基板加工工程と、基板101の主面10上に、平面11及び凸部12を覆うようにしてIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるとともに、凸部12の基部幅d1と、凸部12の頂部12eの位置における下地層103の頂部厚さH2とを、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係として下地層103を形成するエピタキシャル工程と、該エピタキシャル工程に引き続いて、LED構造20を、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることによって形成するLED積層工程と、が備えられた方法である。
以下、本発明の製造方法に備えられる各工程について詳しく説明する。
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板101上に単結晶の下地層(III族窒化物半導体層)103を形成し、該下地層103上にLED構造20を形成する方法であり、基板101の(0001)C面からなる平面11上に、基部幅が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmである複数の凸部12を形成することにより、基板101上に平面11と凸部12とからなる主面10を形成する基板加工工程と、基板101の主面10上に、平面11及び凸部12を覆うようにしてIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるとともに、凸部12の基部幅d1と、凸部12の頂部12eの位置における下地層103の頂部厚さH2とを、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係として下地層103を形成するエピタキシャル工程と、該エピタキシャル工程に引き続いて、LED構造20を、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることによって形成するLED積層工程と、が備えられた方法である。
以下、本発明の製造方法に備えられる各工程について詳しく説明する。
『基板加工工程』
図2は、図1の模式図に示す積層構造を製造する工程の一例を説明するための図であり、本実施形態の製造方法において用意する基板101を示す斜視図である。この基板101は、C面からなる平面11と、C面上に形成される複数の凸部12とからなる主面10を有してなる。本発明の基板加工工程においては、基板101の平面11上に、基部幅が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmである複数の凸部12を形成することにより、凹凸状とされた主面10を形成する。
以下、図2に示すような基板101を加工する方法の一例を説明する。
図2は、図1の模式図に示す積層構造を製造する工程の一例を説明するための図であり、本実施形態の製造方法において用意する基板101を示す斜視図である。この基板101は、C面からなる平面11と、C面上に形成される複数の凸部12とからなる主面10を有してなる。本発明の基板加工工程においては、基板101の平面11上に、基部幅が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmである複数の凸部12を形成することにより、凹凸状とされた主面10を形成する。
以下、図2に示すような基板101を加工する方法の一例を説明する。
基板加工工程では、例えば、サファイア基板の(0001)C面上に、C面に非平行の表面からなる複数の凸部12を形成することにより、C面からなる平面11と凸部12とからなる主面10を形成して基板101を製造する。このような基板加工工程は、例えば、基板101上における凸部12の平面配置を規定するマスクを形成するパターニング工程と、該パターニング工程によって形成されたマスクを使って基板101をエッチングして凸部12を形成するエッチング工程とを備えた方法とすることができる。
本実施形態において、複数の凸部12が形成される基板材料としては、(0001)C面を表面とするサファイア単結晶のウェーハが用いられる。ここで(0001)C面を表面とする基板には、基板の面方位に(0001)方向から±3°の範囲でオフ角が付与された基板も含まれる。また、C面に非平行の表面とは、(0001)C面から±3°の範囲と平行な表面のない表面であることを意味する。
パターニング工程は、一般的なフォトリソグラフィー法で行なうことができる。基板加工工程において形成する凸部12の、基部12aの基部幅d1は1.5μm以下であることが好ましいため、基板101の表面全面を均一にパターニングするためには、フォトリソグラフィー法の中でもステッパー露光法を用いることが好ましい。しかしながら、1μm以下の基部幅d1とされた凸部12のパターンを形成する場合には高価なステッパー装置が必要となるため、高コストとなる。このため、1μm以下とされた凸部幅d1のマスクパターンを形成する場合には、光ディスクの分野で使用されているレーザー露光法、もしくはナノインプリント法の他、電子ビーム(EB)露光法等を用いることが好ましい。
エッチング工程において基板をエッチングする方法としては、ドライエッチング法やウェットエッチング法が挙げられる。しかしながら、エッチング方法としてウェットエッチング法を用いる場合には、基板101の結晶面が露出されるため、C面に非平行の表面12cからなる凸部12を形成することが困難となる。このため、エッチング工程においては、ドライエッチング法を用いることが好ましい。
C面に非平行の表面12cからなる凸部12は、上述したパターニング工程で形成されたマスクが消失するまで基板101をドライエッチングすることにより、形成することが出来る。より具体的には、例えば、基板101上にレジストを形成し、所定の形状にパターニングした後、オーブン等を用いて110℃で30分の熱処理を行なうポストベークにより、レジストの側面をテーパ状とする。次いで、横方向のエッチングを促進させるための所定の条件で、レジストが消失するまでドライエッチングを行なうことにより、凸部12を形成することができる。
また、C面に非平行の表面12cからなる凸部12は、マスクを使って基板をドライエッチングした後、再度マスクを剥離して基板101をドライエッチングする方法を用いて形成することも出来る。より具体的には、例えば、基板101上にレジストを形成し、所定の形状にパターニングした後、オーブン等を用いて110℃で30分の熱処理を行なうポストベークにより、レジストの側面をテーパ状とする。次いで、横方向のエッチングを促進させるための所定の条件でドライエッチングを行ない、レジストが消失する前にドライエッチングを中断する。その後、レジストを剥離してドライエッチングを再開し、所定量のエッチングを行なうことにより、凸部12を形成することができる。このような方法で形成された凸部12は、高さ寸法の面内均一性に優れたものとなる。
また、エッチング方法としてウェットエッチング法を用いる場合には、ドライエッチング法と組み合わせることにより、C面に非平行の表面12cからなる凸部12を形成することができる。
例えば、基板101がサファイア単結晶からなるものである場合、250℃以上の高温とした燐酸と硫酸との混酸等を用いることにより、ウェットエッチングすることができる。
ウェットエッチング法とドライエッチング法と組み合わせた方法としては、例えば、マスクが消失するまで基板101をドライエッチングした後、高温の酸を用いて所定量のウェットエッチングを行なうことにより凸部12を形成することができる。このような方法を用いて凸部12を形成することにより、凸部12の側面を構成する斜面に結晶面が露出され、再現性よく凸部12の側面を構成する斜面の角度を形成することができる。また、主面10に良好な結晶面を再現性よく露出させることができる。
また、ウェットエッチング法とドライエッチング法と組み合わせた方法としては、上記方法の他、SiO2等の酸に対して耐性を有する材料からなるマスクを形成してウェットエッチングを行なった後、マスクを剥離し、横方向のエッチングを促進させるための所定の条件でドライエッチングを行なう方法でも、凸部12を形成することができる。このような方法で形成された凸部12は、高さ寸法の面内均一性に優れたものとなる。また、このような方法を用いて凸部12を形成した場合においても、再現性よく凸部12の側面を構成する斜面の角度を形成することができる。
例えば、基板101がサファイア単結晶からなるものである場合、250℃以上の高温とした燐酸と硫酸との混酸等を用いることにより、ウェットエッチングすることができる。
ウェットエッチング法とドライエッチング法と組み合わせた方法としては、例えば、マスクが消失するまで基板101をドライエッチングした後、高温の酸を用いて所定量のウェットエッチングを行なうことにより凸部12を形成することができる。このような方法を用いて凸部12を形成することにより、凸部12の側面を構成する斜面に結晶面が露出され、再現性よく凸部12の側面を構成する斜面の角度を形成することができる。また、主面10に良好な結晶面を再現性よく露出させることができる。
また、ウェットエッチング法とドライエッチング法と組み合わせた方法としては、上記方法の他、SiO2等の酸に対して耐性を有する材料からなるマスクを形成してウェットエッチングを行なった後、マスクを剥離し、横方向のエッチングを促進させるための所定の条件でドライエッチングを行なう方法でも、凸部12を形成することができる。このような方法で形成された凸部12は、高さ寸法の面内均一性に優れたものとなる。また、このような方法を用いて凸部12を形成した場合においても、再現性よく凸部12の側面を構成する斜面の角度を形成することができる。
なお、本実施形態の製造方法においては、凸部を形成する方法としてエッチング法を用い、基板をエッチングする例を挙げて説明したが、本発明は上記方法に限定されるものではない。例えば、上述したように、基板上に凸部を構成する材料を堆積させることにより、凸部を形成する方法とすることも可能であり、適宜選択して採用することができる。
『バッファ層形成工程』
次に、バッファ層形成工程では、上記方法によって準備された基板101の主面10上に、図1(図3も参照)に示すようなバッファ層102を積層する。
本実施形態で説明する例では、基板加工工程の後、エピタキシャル工程の前にバッファ層形成工程を行なうことにより、基板101の主面10上に図1に示すようなバッファ層102を積層する。
また、本発明においては、上述したようにバッファ層を省略した構成とすることも可能なので、この場合にはバッファ層形成工程を行なわなくても良い。
次に、バッファ層形成工程では、上記方法によって準備された基板101の主面10上に、図1(図3も参照)に示すようなバッファ層102を積層する。
本実施形態で説明する例では、基板加工工程の後、エピタキシャル工程の前にバッファ層形成工程を行なうことにより、基板101の主面10上に図1に示すようなバッファ層102を積層する。
また、本発明においては、上述したようにバッファ層を省略した構成とすることも可能なので、この場合にはバッファ層形成工程を行なわなくても良い。
「基板の前処理」
本実施形態では、基板101をスパッタ装置のチャンバ内に導入した後、バッファ層102を形成する前に、プラズマ処理による逆スパッタ等の方法を用いて前処理を行うことが望ましい。具体的には、基板101をArやN2のプラズマ中に曝す事によって表面を整えることができる。例えば、ArガスやN2ガスなどのプラズマを基板101表面に作用させる逆スパッタにより、基板101表面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、基板101とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板101に作用する。このような前処理を基板101に施すことにより、基板101の表面全面にバッファ層102を成膜することができ、その上に成膜されるIII族窒化物半導体からなる膜の結晶性を高めることが可能となる。また、基板101には、上述のような逆スパッタによる前処理を行なう前に、湿式の前処理を施すことがより好ましい。
本実施形態では、基板101をスパッタ装置のチャンバ内に導入した後、バッファ層102を形成する前に、プラズマ処理による逆スパッタ等の方法を用いて前処理を行うことが望ましい。具体的には、基板101をArやN2のプラズマ中に曝す事によって表面を整えることができる。例えば、ArガスやN2ガスなどのプラズマを基板101表面に作用させる逆スパッタにより、基板101表面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、基板101とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板101に作用する。このような前処理を基板101に施すことにより、基板101の表面全面にバッファ層102を成膜することができ、その上に成膜されるIII族窒化物半導体からなる膜の結晶性を高めることが可能となる。また、基板101には、上述のような逆スパッタによる前処理を行なう前に、湿式の前処理を施すことがより好ましい。
また、基板101への前処理としては、N+、(N2)+などのイオン成分と、Nラジカル、N2ラジカルなどの電荷を持たないラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理で行なうことが好ましい。
ここで、基板の表面から有機物や酸化物等のコンタミを除去する際、例えば、イオン成分等を単独で基板表面に供給した場合には、エネルギーが強すぎて基板表面にダメージを与えてしまい、基板上に成長させる結晶の品質を低下させてしまうという問題がある。本実施形態においては、基板101への前処理を、上述のようなイオン成分とラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理を用いた方法とし、基板101に適度なエネルギーを持つ反応種を作用させることにより、基板101表面にダメージを与えずにコンタミ等の除去を行なうことが可能となる。このような効果が得られるメカニズムとしては、イオン成分の割合が少ないプラズマを用いることで基板101表面に与えるダメージが抑制されることと、基板101表面にプラズマを作用させることによって効果的にコンタミを除去できること等が考えられる。
ここで、基板の表面から有機物や酸化物等のコンタミを除去する際、例えば、イオン成分等を単独で基板表面に供給した場合には、エネルギーが強すぎて基板表面にダメージを与えてしまい、基板上に成長させる結晶の品質を低下させてしまうという問題がある。本実施形態においては、基板101への前処理を、上述のようなイオン成分とラジカル成分とが混合された雰囲気で行なわれるプラズマ処理を用いた方法とし、基板101に適度なエネルギーを持つ反応種を作用させることにより、基板101表面にダメージを与えずにコンタミ等の除去を行なうことが可能となる。このような効果が得られるメカニズムとしては、イオン成分の割合が少ないプラズマを用いることで基板101表面に与えるダメージが抑制されることと、基板101表面にプラズマを作用させることによって効果的にコンタミを除去できること等が考えられる。
「バッファ層の成膜」
基板101に前処理を行なった後、基板101上に、反応性スパッタ法により、AlXGa1−XN(1≧X≧0)なる組成のバッファ層102を成膜する。反応性スパッタ法によって単結晶構造を有するバッファ層102を形成する場合、スパッタ装置のチャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が50〜100%の範囲となるように制御することが好ましく、75%程度とすることがより好ましい。
また、柱状結晶(多結晶)構造を有するバッファ層102を形成する場合には、スパッタ装置のチャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が1〜50%の範囲となるように制御することが好ましく、25%程度とすることがより好ましい。
基板101に前処理を行なった後、基板101上に、反応性スパッタ法により、AlXGa1−XN(1≧X≧0)なる組成のバッファ層102を成膜する。反応性スパッタ法によって単結晶構造を有するバッファ層102を形成する場合、スパッタ装置のチャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が50〜100%の範囲となるように制御することが好ましく、75%程度とすることがより好ましい。
また、柱状結晶(多結晶)構造を有するバッファ層102を形成する場合には、スパッタ装置のチャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が1〜50%の範囲となるように制御することが好ましく、25%程度とすることがより好ましい。
バッファ層102は、上述した反応性スパッタ法に限らず、例えば、MOCVD法を用いて形成することも可能であるが、基板101の主面10には凸部12が形成されているため、MOCVD法でバッファ層を形成した場合、主面10で原料ガスの流れが乱れてしまう虞がある。このため、MOCVD法を用いて、本実施形態のような基板101の主面10に均一にバッファ層102を積層することは困難である。このようなMOCVD法に対し、反応性スパッタ法は原料粒子の直進性が高いので、主面10の形状に影響を受けずに均一なバッファ層102を積層することが可能である。従って、バッファ層102は、反応性スパッタ法を用いて形成することが好ましい。
『エピタキシャル工程及びLED積層工程』
次に、エピタキシャル工程では、上記バッファ層形成工程の後、図1(図3も参照)に示すように、基板101の主面10上に形成されたバッファ層102に、単結晶のIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、主面10を覆うように下地層(III族窒化物半導体層)103を形成するエピタキシャル工程を行なう。
また、本発明においては、エピタキシャル工程においてIII族窒化物半導体からなる下地層103を形成した後、LED積層工程において、下地層103上に、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層からなるLED構造20を形成する。
なお、本実施形態においては、それぞれIII族窒化物半導体を用いて各層を成膜するエピタキシャル工程及びLED積層工程について、両工程に共通する構成については、一部、説明を省略することがある。
次に、エピタキシャル工程では、上記バッファ層形成工程の後、図1(図3も参照)に示すように、基板101の主面10上に形成されたバッファ層102に、単結晶のIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて、主面10を覆うように下地層(III族窒化物半導体層)103を形成するエピタキシャル工程を行なう。
また、本発明においては、エピタキシャル工程においてIII族窒化物半導体からなる下地層103を形成した後、LED積層工程において、下地層103上に、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層からなるLED構造20を形成する。
なお、本実施形態においては、それぞれIII族窒化物半導体を用いて各層を成膜するエピタキシャル工程及びLED積層工程について、両工程に共通する構成については、一部、説明を省略することがある。
本発明において、下地層103、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106を形成する際の窒化ガリウム系化合物半導体(III族窒化物半導体)の成長方法は特に限定されず、反応性スパッタ法、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハイドライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)等、窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。これらの方法の内、MOCVD法では、キャリアガスとして水素(H2)または窒素(N2)、III族原料であるGa源としてトリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエチルアルミニウム(TEA)、In源としてトリメチルインジウム(TMI)またはトリエチルインジウム(TEI)、V族原料であるN源としてアンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)などが用いられる。
また、ドーパントとしては、n型にはSi原料としてモノシラン(SiH4)またはジシラン(Si2H6)を、Ge原料としてゲルマンガス(GeH4)や、テトラメチルゲルマニウム((CH3)4Ge)やテトラエチルゲルマニウム((C2H5)4Ge)等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。MBE法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。p型にはMg原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を用いる。
また、上述したような窒化ガリウム系化合物半導体は、Al、GaおよびIn以外に他のIII族元素を含有することができ、必要に応じてGe、Si、Mg、Ca、Zn、及びBe等のドーパント元素を含有することができる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
本発明においては、上記各方法の中でも、結晶性の良好な膜が得られる点からMOCVD法を用いることが好ましく、本実施形態では、エピタキシャル工程及びLED積層工程においてMOCVD法を用いた例について説明する。
また、ドーパントとしては、n型にはSi原料としてモノシラン(SiH4)またはジシラン(Si2H6)を、Ge原料としてゲルマンガス(GeH4)や、テトラメチルゲルマニウム((CH3)4Ge)やテトラエチルゲルマニウム((C2H5)4Ge)等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。MBE法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。p型にはMg原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を用いる。
また、上述したような窒化ガリウム系化合物半導体は、Al、GaおよびIn以外に他のIII族元素を含有することができ、必要に応じてGe、Si、Mg、Ca、Zn、及びBe等のドーパント元素を含有することができる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
本発明においては、上記各方法の中でも、結晶性の良好な膜が得られる点からMOCVD法を用いることが好ましく、本実施形態では、エピタキシャル工程及びLED積層工程においてMOCVD法を用いた例について説明する。
「エピタキシャル工程(下地層:III族窒化物半導体層の形成)」
エピタキシャル工程では、図1に示すように、基板101上に形成されたバッファ層102の上に、下地層103を、従来公知のMOCVD法を用いて、基板101の主面10をなす平面11及び凸部12を覆うようにして形成する。本発明のエピタキシャル工程においては、上記基板加工工程で基板101に形成された凸部12の基部幅d1と、凸部12の頂部12eの位置における下地層103の頂部厚さH2とを、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係として下地層103を形成する。
エピタキシャル工程では、図1に示すように、基板101上に形成されたバッファ層102の上に、下地層103を、従来公知のMOCVD法を用いて、基板101の主面10をなす平面11及び凸部12を覆うようにして形成する。本発明のエピタキシャル工程においては、上記基板加工工程で基板101に形成された凸部12の基部幅d1と、凸部12の頂部12eの位置における下地層103の頂部厚さH2とを、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係として下地層103を形成する。
(アニール処理)
本実施形態では、下地層103を成膜する前に、バッファ層102へのアニール処理を行うことは特段に必要ではない。しかしながら、一般に、III族窒化物半導体の成膜をMOCVD、MBE、VPE等の気相化学成膜方法で行なう場合、成膜を伴わない昇温過程及び温度の安定化過程を経て処理されるが、これらの過程においてV族の原料ガスをチャンバ内に流通させることが多いので、結果としてアニール効果が生じることがある。また、その際に流通させるキャリアガスとしては、一般的なものを何ら制限無く使用することができ、MOCVD等の気相化学成膜方法で広く用いられる水素や窒素等を用いても良い。しかしながら、キャリアガスとして化学的に比較的活性な水素を用いた場合、結晶性や結晶表面の平坦性を損なう虞があるため、処理時間を短くすることが好ましい。
本実施形態では、下地層103を成膜する前に、バッファ層102へのアニール処理を行うことは特段に必要ではない。しかしながら、一般に、III族窒化物半導体の成膜をMOCVD、MBE、VPE等の気相化学成膜方法で行なう場合、成膜を伴わない昇温過程及び温度の安定化過程を経て処理されるが、これらの過程においてV族の原料ガスをチャンバ内に流通させることが多いので、結果としてアニール効果が生じることがある。また、その際に流通させるキャリアガスとしては、一般的なものを何ら制限無く使用することができ、MOCVD等の気相化学成膜方法で広く用いられる水素や窒素等を用いても良い。しかしながら、キャリアガスとして化学的に比較的活性な水素を用いた場合、結晶性や結晶表面の平坦性を損なう虞があるため、処理時間を短くすることが好ましい。
(成膜条件)
本実施形態の製造方法では、MOCVD法を用いて下地層103を形成しているが、下地層103を積層する方法としては特に限定されず、転位のループ化を生じさせることができる結晶成長方法であれば、何ら制限なく用いることができる。特に、MOCVD法やMBE法、VPE法等は、マイグレーションを生じさせることができるため、結晶性の良好な膜を形成することが可能となる点で好適である。中でも、MOCVD法は、特に結晶性の良好な膜を得ることができる点で、より好適に用いることができる。
本実施形態の製造方法では、MOCVD法を用いて下地層103を形成しているが、下地層103を積層する方法としては特に限定されず、転位のループ化を生じさせることができる結晶成長方法であれば、何ら制限なく用いることができる。特に、MOCVD法やMBE法、VPE法等は、マイグレーションを生じさせることができるため、結晶性の良好な膜を形成することが可能となる点で好適である。中でも、MOCVD法は、特に結晶性の良好な膜を得ることができる点で、より好適に用いることができる。
また、例えば、MOCVD法を用いてサファイア基板の主面に単結晶のIII族窒化物半導体を成長させると、C面からは単結晶がエピタキシャル成長するが、C面以外の主面上には結晶がエピタキシャル成長しないという特性がある。つまり、本実施形態で説明する例では、バッファ層102の形成された基板101の主面10上に、単結晶のIII族窒化物半導体からなる下地層103をエピタキシャル成長させると、C面に非平行の表面12cからなる凸部12の表面12cからは結晶が成長せず、(0001)C面からなる平面11からのみC軸方向に配向した結晶がエピタキシャル成長する。これにより、基板101の主面10に形成される下地層103は、主面10上において凸部12を覆うようにエピタキシャル成長するので、結晶中に転位等の結晶欠陥を生じないため、結晶性が良好に制御された層となる。
凸部12の形成された基板101は、凸部12の形成されていない基板と比較して、主面10に下地層103をMOCVD法でエピタキシャル成長した場合に、平坦性の良好な下地層103を積層するのが困難となることがある。また、凸部12の形成された基板101の主面10に積層された下地層103は、結晶性を悪化させるC軸方向の傾き(チルト)やC軸のねじれ(ツイスト)等が生じやすくなる場合がある。このため、凸部12の形成された基板101の主面10に下地層103をMOCVD法でエピタキシャル成長させる場合、十分な表面平坦性や良好な結晶性を得るために、以下に示す成長条件とすることが望ましい。
凸部12の形成された基板101の主面10に下地層103をMOCVD法でエピタキシャル成長させる場合、成長圧力および成長温度を以下に説明するような条件とすることが好ましい。一般に、成長圧力を低くして成長温度を高くすると、横方向の結晶成長が促進され、成長圧力を高くして成長温度を低くすると、ファセット成長モード(△形状)になる。また、成長初期の成長圧力を高くすると、X線ロッキングカーブの半値幅(XRC−FWHM)が小さくなり、結晶性が向上する傾向がある。
上記理由により、凸部12の形成された基板101の主面10に下地層103をMOCVD法でエピタキシャル成長させる場合には、下地層103の最大膜厚H1が、例えば、2μm程度以上になるまで(前半成膜)と、それ以後の4.5μm程度となるまで(後半成膜)とで、成長圧力を2段階に変化させることが好ましい。
また、前半成膜においては、成長圧力を40kPa以上とすることが好ましく、60kPa程度とすることがより好ましい。成長圧力を40kPa以上とすると、ファセット成長モード(△形状)になり、転位が横方向に屈曲し、エピタキシャル表面に貫通しない。
このため、成長圧力を高くすると、低転位化され、結晶性が良好となると推定される。また、成長圧力を40kPa未満とすると、結晶性が悪化し、X線ロッキングカーブの半値幅(XRC−FWHM)が大きくなるため好ましくない。
このため、成長圧力を高くすると、低転位化され、結晶性が良好となると推定される。また、成長圧力を40kPa未満とすると、結晶性が悪化し、X線ロッキングカーブの半値幅(XRC−FWHM)が大きくなるため好ましくない。
しかしながら、成長圧力を40kPa以上とすると、エピタキシャル成長させた下地層103の表面にピットが発生しやすくなり、十分な表面平坦性が得られない場合がある。
このため、成長圧力を40kPa以上とする場合、成長温度を1140℃以下とすることが好ましく、1120℃程度とすることがより好ましい。成長温度を1140℃以下とすることで、成長圧力を40kPa以上、好ましくは60kPa程度とした場合であっても、ピットの発生を十分に抑制できる。
このため、成長圧力を40kPa以上とする場合、成長温度を1140℃以下とすることが好ましく、1120℃程度とすることがより好ましい。成長温度を1140℃以下とすることで、成長圧力を40kPa以上、好ましくは60kPa程度とした場合であっても、ピットの発生を十分に抑制できる。
また、後半成膜においては、成長圧力を40kPa以下とすることが好ましく、20kPa程度とすることがより好ましい。後半成膜において成長圧力を40kPa以下とすることで、横方向の結晶成長を促進することができ、表面平坦性に優れた下地層103が得られる。
下地層103を成膜する際の基板101の温度、つまり、下地層103の成長温度は800℃以上とすることが好ましい。これは、下地層103を成膜する際の基板101の温度を高くすることによって原子のマイグレーションが生じやすくなり、転位のループ化が容易に進行するからであり、より好ましくは900℃以上であり、1000℃以上が最も好ましい。また、下地層103を成膜する際の基板101の温度は、結晶の分解する温度よりも低温である必要があるため、1200℃未満とすることが好ましい。下地層103を成膜する際の基板101の温度が上記温度範囲内であれば、結晶性の良い下地層103が得られる。
なお、下地層103には、必要に応じて、不純物をドープして成膜することができるが、アンドープとすることが、結晶性が向上する点から好ましい。
また、反応性スパッタ法を用いてIII族窒化物半導体からなる下地層103を成膜することも可能である。スパッタ法を用いる場合には、MOCVD法やMBE法等と比較して、装置を簡便な構成とすることが可能となる。
また、反応性スパッタ法を用いてIII族窒化物半導体からなる下地層103を成膜することも可能である。スパッタ法を用いる場合には、MOCVD法やMBE法等と比較して、装置を簡便な構成とすることが可能となる。
以上説明したようなエピタキシャル工程により、図1に示す積層構造が得られる。
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法では、上述したような基板加工工程に次いで、主面10上に、平面11及び凸部12を覆うようにして下地層103を成長させるエピタキシャル工程を備えているので、下地層103の結晶中に転位などの結晶欠陥が生じにくく、結晶性が良好に制御された下地層103が形成できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法では、上述したような基板加工工程に次いで、主面10上に、平面11及び凸部12を覆うようにして下地層103を成長させるエピタキシャル工程を備えているので、下地層103の結晶中に転位などの結晶欠陥が生じにくく、結晶性が良好に制御された下地層103が形成できる。
ここで、例えば、凸部の表面にC面が存在する場合、凸部の形成された基板上に単結晶のIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させると、凸部の表面に存在するC面と、凸部の形成されていない領域のC面とから結晶が成長することになる。この場合、凸部の表面から成長した結晶と、凸部の形成されていない領域から成長した結晶とが合体した部分に転位などの結晶欠陥が発生しやすく、結晶性の良好なIII族窒化物半導体が得られにくい。ここで生じた結晶欠陥は、III族窒化物半導体からなる下地層の上に、n型半導体層、発光層、p型半導体層からなるLED構造を形成した場合、LED構造を構成する半導体層の結晶に引き継がれ、発光素子を形成した場合における内部量子効率の低下やリーク電流の増大の原因となる虞がある。
これに対し、本発明では、上述したように、基板101上にC面に非平行の表面12cからなる凸部12を形成することにより、C面からなる平面11と凸部12とからなる主面10を形成するので、基板101の主面10に下地層103のエピタキシャル成長を行った場合、平面11からのみ結晶が成長することになる。従って、基板101の主面10に形成される下地層103は、主面10上において凸部12を覆うようにエピタキシャル成長し、結晶中に転位等の結晶欠陥を生じない。
また、本発明では、H2{下地層103の頂部厚さ}=kd1{基板101の凸部12の基部幅}(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係として下地層103を形成することにより、下地層103の表面103aを良好に平坦化させながら、生産効率を向上させることが可能となる。
また、本発明では、H2{下地層103の頂部厚さ}=kd1{基板101の凸部12の基部幅}(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係として下地層103を形成することにより、下地層103の表面103aを良好に平坦化させながら、生産効率を向上させることが可能となる。
「LED積層工程」
次に、LED積層工程においては、上記エピタキシャル工程に引き続いて、図3に示すように、下地層103の上に、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層からなるLED構造20を、従来公知のMOCVD法を用いて積層する。
次に、LED積層工程においては、上記エピタキシャル工程に引き続いて、図3に示すように、下地層103の上に、n型半導体層104、発光層105及びp型半導体層106の各層からなるLED構造20を、従来公知のMOCVD法を用いて積層する。
(n型半導体層の形成)
上記エピタキシャル工程で形成された下地層103の上に、従来公知のMOCVD法を用いて、n型コンタクト層104a及びn型クラッド層104bを順次積層することにより、n型半導体層104を形成する。n型コンタクト層104a及びn型クラッド層104bを形成する成膜装置としては、上述の下地層103や後述の発光層105の成膜に用いるMOCVD装置を、各種条件を適宜変更して用いることが可能である。また、n型コンタクト層104a及びn型クラッド層104bを反応性スパッタ法で形成することも可能である。
上記エピタキシャル工程で形成された下地層103の上に、従来公知のMOCVD法を用いて、n型コンタクト層104a及びn型クラッド層104bを順次積層することにより、n型半導体層104を形成する。n型コンタクト層104a及びn型クラッド層104bを形成する成膜装置としては、上述の下地層103や後述の発光層105の成膜に用いるMOCVD装置を、各種条件を適宜変更して用いることが可能である。また、n型コンタクト層104a及びn型クラッド層104bを反応性スパッタ法で形成することも可能である。
本発明においては、上記エピタキシャル工程において、下地層103を、最大厚さH1が1.5〜4.5μmの範囲となるまで形成した後、引き続いて、LED積層工程においてSi(n型不純物)のドープを開始し、n型半導体層104(n型コンタクト層104a)の成膜を開始する方法とすることが好ましい。このように、下地層103を形成するエピタキシャル工程からLED積層工程へのプロセスを連続して行ない、LED積層工程において、MOCVD装置における原料ガスの変更によって上記タイミングでSiのドープを開始することにより、下地層103とn型コンタクト層104aとの界面の平坦性が向上し、また、充分な膜厚を備えるn型半導体層104を高い生産効率で形成することが可能となる。これにより、n型半導体層104におけるシート抵抗が低減され、ESD耐性等の耐高電圧特性に優れた発光素子1を製造することができる。
また、本発明では、上記手順により、平坦性が良好であるとともに転位が低減され、結晶性の高い下地層103を形成した後、引き続いて、n型ドープのn型半導体層104(n型コンタクト層104a)を形成することにより、n型半導体層104を結晶性に優れた層として形成することができる。これにより、n型半導体層104上に、さらに発光層105及びp型半導体層106が順次積層されてなるLED構造20全体の結晶性が向上し、発光特性に優れた発光素子1を得ることが可能となる。
また、上述したように、本発明のLED積層工程においては、n型コンタクト層104aとn型クラッド層104bとを合わせた全体膜厚を2〜4μmの範囲として、n型半導体層104を形成することが好ましい。このように、n型半導体層104の膜厚を充分に確保することにより、このn型半導体層104のシート抵抗が低減され、ESD耐性等の耐高電圧特性が向上するとともに、LEDチップに分割する際の生産性が向上する。
(発光層の形成)
次いで、n型クラッド層104b(n型半導体層104)上に、発光層105を、従来公知のMOCVD法によって形成する。本実施形態で形成する発光層105は、図4に例示するように、GaN障壁層に始まりGaN障壁層に終わる積層構造を有しており、GaNからなる7層の障壁層105aと、ノンドープのGa0.8In0.2Nからなる6層の井戸層105bとを交互に積層して形成する。また、本実施形態の製造方法では、上述したn型半導体層104の成膜に用いる成膜装置(MOCVD装置)と同じものを使用して発光層105を成膜することができる。
次いで、n型クラッド層104b(n型半導体層104)上に、発光層105を、従来公知のMOCVD法によって形成する。本実施形態で形成する発光層105は、図4に例示するように、GaN障壁層に始まりGaN障壁層に終わる積層構造を有しており、GaNからなる7層の障壁層105aと、ノンドープのGa0.8In0.2Nからなる6層の井戸層105bとを交互に積層して形成する。また、本実施形態の製造方法では、上述したn型半導体層104の成膜に用いる成膜装置(MOCVD装置)と同じものを使用して発光層105を成膜することができる。
(p型半導体層の形成)
次いで、発光層105上、つまり、発光層105の最上層となる障壁層105aの上に、p型クラッド層106a及びp型コンタクト層106bからなるp型半導体層106を、従来公知のMOCVD法を用いて形成する。p型半導体層106の形成には、n型半導体層104及び発光層105の形成に用いるMOCVD装置と同じ装置を、各種条件を適宜変更して用いることが可能である。また、p型半導体層106を構成するp型クラッド層106a及びp型コンタクト層106bを、反応性スパッタ法を用いて形成することも可能である。
次いで、発光層105上、つまり、発光層105の最上層となる障壁層105aの上に、p型クラッド層106a及びp型コンタクト層106bからなるp型半導体層106を、従来公知のMOCVD法を用いて形成する。p型半導体層106の形成には、n型半導体層104及び発光層105の形成に用いるMOCVD装置と同じ装置を、各種条件を適宜変更して用いることが可能である。また、p型半導体層106を構成するp型クラッド層106a及びp型コンタクト層106bを、反応性スパッタ法を用いて形成することも可能である。
本実施形態では、まず、MgをドープしたAl0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層106aを発光層105(最上層の障壁層105a)上に形成し、さらにその上に、MgをドープしたAl0.02Ga0.98Nからなるp型コンタクト層106bを形成する。この際、p型クラッド層106a及びp型コンタクト層106bの積層には、同じMOCVD装置を用いることができる。なお、上述したように、p型不純物としては、Mgのみならず、例えば亜鉛(Zn)等も同様に用いることができる。
『電極の形成』
次に、LED積層工程おいてLED構造20が形成されたウェーハに対し、図3に例示するように、p型半導体層106上の所定の位置に透光性正極109を形成した後、該透光性正極109の各々の上に正極ボンディングパッド107を形成するとともに、LED構造20の所定の位置をエッチング除去することにより、n型半導体層104を露出させて露出領域104cを形成し、該露出領域104cに負極ボンディングパッド108を形成する。
次に、LED積層工程おいてLED構造20が形成されたウェーハに対し、図3に例示するように、p型半導体層106上の所定の位置に透光性正極109を形成した後、該透光性正極109の各々の上に正極ボンディングパッド107を形成するとともに、LED構造20の所定の位置をエッチング除去することにより、n型半導体層104を露出させて露出領域104cを形成し、該露出領域104cに負極ボンディングパッド108を形成する。
「透光性正極の形成」
まず、上記方法によって各層が形成されてなる積層半導体10のp型コンタクト層106b上に、ITOからなる透光性正極109を形成する。
透光性正極109の形成方法としては、特に限定されず、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
まず、上記方法によって各層が形成されてなる積層半導体10のp型コンタクト層106b上に、ITOからなる透光性正極109を形成する。
透光性正極109の形成方法としては、特に限定されず、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
また、上述したように、透光性正極109の材料は、ITOには限定されず、AZO、IZO、GZO等の材料を用いて形成することが可能である。また、透光性正極109を形成した後、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
「正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッドの形成」
次いで、積層半導体10上に形成された透光性正極109上に、さらに、正極ボンディングパッド107を形成する。この正極ボンディングパッド107は、例えば、透光性正極109の表面側から順に、Ti、Al、Auの各材料を、従来公知の方法で積層することによって形成することができる。
次いで、積層半導体10上に形成された透光性正極109上に、さらに、正極ボンディングパッド107を形成する。この正極ボンディングパッド107は、例えば、透光性正極109の表面側から順に、Ti、Al、Auの各材料を、従来公知の方法で積層することによって形成することができる。
また、負極ボンディングパッド108を形成する際は、まず、基板101上に形成されたp型半導体層106、発光層105及びn型半導体層104の一部をドライエッチング等の方法によって除去することにより、n型コンタクト層104aの露出領域104cを形成する。そして、この露出領域104c上に、例えば、露出領域104c表面側から順に、Ni、Al、Ti、及びAuの各材料を従来公知の方法で積層することにより、詳細な図示を省略する4層構造の負極ボンディングパッド108を形成することができる。
以上説明したような、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、基板101の(0001)C面からなる平面11上に、基部幅d1が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmである複数の凸部12を形成することにより、基板101上に平面11と凸部12とからなる主面10を形成する基板加工工程と、基板101の主面10上に、平面11及び凸部12を覆うようにしてIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるとともに、凸部12の基部幅d1と、凸部12の頂部12eの位置における下地層(III族窒化物半導体層)103の頂部厚さH2とを、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係として下地層103を形成するエピタキシャル工程と、該エピタキシャル工程に引き続いてLED構造20を、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることによって形成するLED積層工程と、が備えられている方法なので、下地層103の表面103aを良好に平坦化できるとともに、転位を抑制することができる。これにより、下地層103上に、転位が抑制され、結晶性に優れたLED構造20の各層を形成することが可能となる。また、エピタキシャル工程において、凸部12の基部幅d1が小さく下地層103の表面103aの平坦化が早いため、ESD耐性等の耐高電圧破壊性に優れた発光素子1が得られる。従って、リーク電流が生じたりESD耐性が低下したりすることなく良好な電気的特性を備え、また、内部量子効率及び光取り出し効率に優れ、高い発光特性を備えるIII族窒化物半導体発光素子1を製造することが可能となる。
なお、本実施形態においては、フェイスアップ型のIII族窒化物半導体発光素子を例に説明したが、本発明のIII族窒化物半導体発光素子はこれに限られるものではなく、フリップチップ型のIII族窒化物半導体発光素子にも用いることができる。
なお、本実施形態においては、フェイスアップ型のIII族窒化物半導体発光素子を例に説明したが、本発明のIII族窒化物半導体発光素子はこれに限られるものではなく、フリップチップ型のIII族窒化物半導体発光素子にも用いることができる。
[ランプ]
本発明のランプは、本発明のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものである。
本発明のランプとしては、例えば、本発明のIII族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせてなるものを挙げることができる。III族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせたランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、従来より、III族窒化物半導体発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、本発明のランプにおいてもこのような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
本発明のランプは、本発明のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなるものである。
本発明のランプとしては、例えば、本発明のIII族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせてなるものを挙げることができる。III族窒化物半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせたランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、従来より、III族窒化物半導体発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、本発明のランプにおいてもこのような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
図5は、本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子を用いて構成したランプの一例を模式的に示した概略図である。図5に示すランプ3は、砲弾型のものであり、図3に示すIII族窒化物半導体発光素子1が用いられている。図5に示すように、III族窒化物半導体発光素子1の正極ボンディングパッド107がワイヤー33で2本のフレーム31、32の内の一方(図5ではフレーム31)に接着され、発光素子1の負極ボンディングパッド108がワイヤー34で他方のフレーム32に接合されることにより、III族窒化物半導体発光素子1が実装されている。また、III族窒化物半導体発光素子1の周辺は、透明な樹脂からなるモールド35で封止されている。
本発明のランプは、本発明のIII族窒化物半導体発光素子1が用いられてなるものであるので、優れた発光特性を備えたものとなる。
なお、本発明のランプは、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等いかなる用途にも用いることができる。
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子から作製したランプは、種々の機械装置類や機器類に組み込むことできる。例えば、携帯電話、ディスプレイ、各種パネル類、コンピュータ、ゲーム機、照明などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車等の機械装置類に用いることができる。
なお、本発明のランプは、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等いかなる用途にも用いることができる。
また、本発明のIII族窒化物半導体発光素子から作製したランプは、種々の機械装置類や機器類に組み込むことできる。例えば、携帯電話、ディスプレイ、各種パネル類、コンピュータ、ゲーム機、照明などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車等の機械装置類に用いることができる。
[その他の半導体素子]
本実施形態で得られ、優れた結晶性を備えるIII族窒化物半導体の積層構造(図4のLED構造20参照)は、上述のような発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に備えられる半導体層の他、太陽電池や受光素子等の光電気変換素子、又は、HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)やHEMT(High Electron Mobility Transistor)等の電子デバイスにも用いることができる。これらの半導体素子は、各種構造のものが多数知られており、本発明に係るIII族窒化物半導体の積層構造体の素子構造は、これら周知の素子構造を含めて何ら制限されない。
本実施形態で得られ、優れた結晶性を備えるIII族窒化物半導体の積層構造(図4のLED構造20参照)は、上述のような発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に備えられる半導体層の他、太陽電池や受光素子等の光電気変換素子、又は、HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)やHEMT(High Electron Mobility Transistor)等の電子デバイスにも用いることができる。これらの半導体素子は、各種構造のものが多数知られており、本発明に係るIII族窒化物半導体の積層構造体の素子構造は、これら周知の素子構造を含めて何ら制限されない。
次に、本発明のIII族窒化物半導体発光素子を、実施例及び比較例を示してより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
[実施例1〜3、比較例1〜5]
サファイア基板の(0001)C面上に、表1に示す「基部幅」「高さ」「基部幅/4」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面C面の有無」の複数の凸部を、以下に示す手順で形成することにより、実施例1〜3及び比較例1〜4の基板を、サンプル数n=5で作成した(基板加工工程)。すなわち、直径2インチのC面サファイア基板に公知のフォトリソグラフィー法でマスクを形成し、ドライエッチング法でサファイア基板をエッチングすることにより凸部を形成した。なお、露光法として、紫外光を用いたステッパー露光法を用いた。また、ドライエッチングにはBCl3とCl2の混合ガスを用いた。
サファイア基板の(0001)C面上に、表1に示す「基部幅」「高さ」「基部幅/4」「隣接する凸部間の間隔」「凸部表面C面の有無」の複数の凸部を、以下に示す手順で形成することにより、実施例1〜3及び比較例1〜4の基板を、サンプル数n=5で作成した(基板加工工程)。すなわち、直径2インチのC面サファイア基板に公知のフォトリソグラフィー法でマスクを形成し、ドライエッチング法でサファイア基板をエッチングすることにより凸部を形成した。なお、露光法として、紫外光を用いたステッパー露光法を用いた。また、ドライエッチングにはBCl3とCl2の混合ガスを用いた。
このようにして得られた実施例1〜3及び比較例1〜4の基板の凸部は、基部の平面形状が円形で頂部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であり、側面が外側に向かって湾曲したお椀状(半球状)の形状であった。
また、上述のような基板加工工程を実施せず、凸部の無い(0001)C面からなる主面とされたサファイア基板を準備し、比較例5の基板とした。
そして、以下に示すように、実施例1〜3及び比較例1〜4の複数の凸部の形成された基板の主面に、RFスパッタ法を用いて単結晶構造を有するAlNからなる厚さ50nmバッファ層を形成した(バッファ層形成工程)。この際、スパッタ成膜装置としては、高周波式の電源を備え、ターゲット内でマグネットの位置を動かすことが可能な機構を有するものを使用した。
また、同様の手順を用いて、凸部の無い比較例5の基板の主面上にも、単結晶構造を有するAlNからなる厚さ50nmバッファ層を形成した。
また、同様の手順を用いて、凸部の無い比較例5の基板の主面上にも、単結晶構造を有するAlNからなる厚さ50nmバッファ層を形成した。
まず、複数の凸部の形成された基板をスパッタ成膜装置のチャンバ内へ導入して500℃まで加熱し、チャンバ内に窒素ガスだけを15sccmの流量で導入した後、チャンバ内の圧力を1Paに保持して、基板側に500Wの高周波バイアスを印加して基板を窒素プラズマに曝すことで、基板の表面を洗浄した(前処理)。
続いて、チャンバ内にアルゴンおよび窒素ガスを導入し、基板の温度を500℃に保ったまま、2000Wの高周波バイアスを金属Alターゲット側に印加し、チャンバ内の圧力を0.5Paに保ち、Arガスを5sccm、窒素ガスを15sccm流通させた条件(ガス全体に対する窒素の比は75%)で、複数の凸部の形成された基板上にAlNからなるバッファ層を成膜した。成長レートは0.08nm/sであった。なお、ターゲット内のマグネットは、基板洗浄の際もバッファ層成膜の際も揺動させておいた。そして、予め測定した成膜速度に従って規定した時間の間成膜を行い、50nmのAlN層からなるバッファ層を複数の凸部の形成された基板上に堆積した後、プラズマを立てるのを止め、基板温度を低下させた。
このようにして得られたバッファ層上に、以下に示す減圧MOCVD法を用いてIII族窒化物半導体からなる下地層をエピタキシャル成長させた(エピタキシャル工程)。
まず、スパッタ成膜装置から取り出したバッファ層まで形成された基板を、MOCVD法によるIII族窒化物半導体層の成長のための反応炉内に導入し、高周波(RF)誘導加熱式ヒータで成膜温度に加熱される半導体用高純度グラファイト製のサセプタ(susceptor)上に載置した。その後、ステンレス鋼製の気相成長反応炉内に窒素ガスを流通し、反応炉内をパージした。
まず、スパッタ成膜装置から取り出したバッファ層まで形成された基板を、MOCVD法によるIII族窒化物半導体層の成長のための反応炉内に導入し、高周波(RF)誘導加熱式ヒータで成膜温度に加熱される半導体用高純度グラファイト製のサセプタ(susceptor)上に載置した。その後、ステンレス鋼製の気相成長反応炉内に窒素ガスを流通し、反応炉内をパージした。
そして、気相成長反応炉内に窒素ガスを8分間に亘って流通させた後、誘導加熱式ヒータを作動させてサファイア基板の温度を約10分間で室温から500℃に昇温した。その後、基板の温度を500℃にて、NH3ガスおよび窒素ガスを反応炉内に流通させた。気相成長反応炉内の圧力を95kPaとした。続いて、基板の温度を約10分間かけて1000℃まで昇温させ、この温度及び圧力下で10分間放置して、基板の表面をサーマルクリーニング(thermal cleaning)した。サーマルクリーニングの終了後、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給は継続させた。
その後、アンモニアガスの流通を続けながら、水素雰囲気中において基板の温度を1120℃に昇温させ、また、反応炉内の圧力を60kPaとした。そして、基板の温度が1120℃で安定したのを確認した後、トリメチルガリウム(TMG)の気相成長反応炉内への供給を開始し、AlNバッファ層上にアンドープのGaN層をエピタキシャル成長させた。この際、基板に設けられた凸部の頂部の位置における下地層の頂部厚さH2は、表1に示す凸部の基部幅d1との関係がH2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)を満たすような厚さとした。また、アンモニアの量はV族(N)/III族(Ga)比が600となるように調節した。そして、上記規定の厚さを有するGaN(III族窒化物半導体)からなる下地層を成長後、反応炉への原料の供給を停止し、基板の温度を低下させた。
その後、反応炉からバッファ層及び下地層の形成された基板を取り出し、下地層の(10−10)面及び(0002)面のX線回析(XRD)半値幅を測定し、各実施例及び比較例における平均値(n=5)を上記表1に示した。
表1に示すように、凸部の基部幅d1及び基部幅d1と、下地層の頂部厚さH2とが本発明で規定する範囲とされた実施例1〜3のサンプルは、(10−10)面のXRD半値幅が150〜180arcsec、(0002)面のXRD半値幅が30〜50arcsecの範囲であり、下地層の結晶性及び平坦性が優れていることがわかる。
これに対し、凸部の基部幅d1が本発明の規定範囲外とされた比較例1〜4のサンプルは、(10−10)面のXRD半値幅が100〜150arcsec、(0002)面のXRD半値幅が30〜50arcsecの範囲となった。
また、凸部の形成されていない基板の主面上にバッファ層を介して下地層が形成された比較例5のサンプルについても、(10−10)面のXRD半値幅が240arcsec、(0002)面のXRD半値幅が35arcsecであり、実施例1〜3のサンプルに比べ、下地層の結晶性及び平坦性が劣っていることがわかる。
また、凸部の形成されていない基板の主面上にバッファ層を介して下地層が形成された比較例5のサンプルについても、(10−10)面のXRD半値幅が240arcsec、(0002)面のXRD半値幅が35arcsecであり、実施例1〜3のサンプルに比べ、下地層の結晶性及び平坦性が劣っていることがわかる。
[実施例4〜6、比較例6〜10]
次に、上記実施例1〜3及び比較例1〜5と同様の方法で作製したIII族窒化物半導体からなる下地層上に、以下に示す方法により、LED構造を構成するn型半導体層、発光層、p型半導体層の各層をこの順で積層し、図3(図4も参照)に示すような発光素子を作製し、さらに、図5に示すような発光素子が用いられてなるランプ(発光ダイオード:LED)を作製した(LED積層工程)。
次に、上記実施例1〜3及び比較例1〜5と同様の方法で作製したIII族窒化物半導体からなる下地層上に、以下に示す方法により、LED構造を構成するn型半導体層、発光層、p型半導体層の各層をこの順で積層し、図3(図4も参照)に示すような発光素子を作製し、さらに、図5に示すような発光素子が用いられてなるランプ(発光ダイオード:LED)を作製した(LED積層工程)。
「n型コンタクト層の形成」
下地層103を形成するエピタキシャル工程に引き続き、同じMOCVD装置を用いてGaNからなるn型コンタクト層104aの初期層を形成した。この際、下地層103の形成終了と同時にSiのドープを開始することにより、下地層103とn型コンタクト層104aを連続して形成した。n型コンタクト層104aの結晶成長は、Siのドーパント原料としてSiH4を流通させた以外は、下地層と同じ条件によって行った。
下地層103を形成するエピタキシャル工程に引き続き、同じMOCVD装置を用いてGaNからなるn型コンタクト層104aの初期層を形成した。この際、下地層103の形成終了と同時にSiのドープを開始することにより、下地層103とn型コンタクト層104aを連続して形成した。n型コンタクト層104aの結晶成長は、Siのドーパント原料としてSiH4を流通させた以外は、下地層と同じ条件によって行った。
以上説明したような工程により、表面に逆スパッタを施したサファイアからなる基板101上に、単結晶組織を持つAlNのバッファ層102を形成し、その上にアンドープで8μmの膜厚のGaN層(下地層103)と、5×1018cm−3のキャリア濃度を持つ2μmのSiドープGaN層(n型コンタクト層104aをなす初期層)を形成した。
成膜後に装置内から取り出した基板は無色透明であり、GaN層(ここではn型コンタクト層104aをなす初期層)の表面は鏡面であった。
成膜後に装置内から取り出した基板は無色透明であり、GaN層(ここではn型コンタクト層104aをなす初期層)の表面は鏡面であった。
「n型クラッド層の形成」
上記手順で作製したn型コンタクト層104a上に、MOCVD法により、n型クラッド層104bを積層した。
まず、上記手順でn型コンタクト層104aを成長させた基板を、同じMOCVD装置を用いてアンモニアを流通させながら、キャリアガスを窒素として、基板温度を760℃へ低下させた。この際、炉内の温度の変更を待つ間に、SiH4の供給量を設定した。流通させるSiH4の量については事前に計算を行い、Siドープ層の電子濃度が4×1018cm−3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。
上記手順で作製したn型コンタクト層104a上に、MOCVD法により、n型クラッド層104bを積層した。
まず、上記手順でn型コンタクト層104aを成長させた基板を、同じMOCVD装置を用いてアンモニアを流通させながら、キャリアガスを窒素として、基板温度を760℃へ低下させた。この際、炉内の温度の変更を待つ間に、SiH4の供給量を設定した。流通させるSiH4の量については事前に計算を行い、Siドープ層の電子濃度が4×1018cm−3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。
次いで、アンモニアをチャンバ内に流通させながら、SiH4ガスと、バブリングによって発生させたTMI及びTEGの蒸気を炉内へ流通させ、Ga0.99In0.01Nからなる層を1.7nm、GaNからなる層を1.7nmで各々成膜した。このような成膜処理を19サイクル繰り返した後、最後に、Ga0.99In0.01Nからなる層を1.7nmで再度、成長させた。また、この工程処理を行なっている間は、SiH4の流通を継続した。これにより、SiドープのGa0.99In0.01NとGaNの超格子構造からなるn型クラッド層104bを形成した。
「発光層の形成」
次いで、上記手順で作製したn型クラッド層104b上に、MOCVD法によって発光層105を積層した。
発光層105は、GaNからなる障壁層105aと、Ga0.8In0.2Nからなる井戸層105bとから構成され、多重量子井戸構造を有する。この発光層105の形成にあたっては、SiドープのGaInNとGaNの超格子構造からなるn型クラッド層104c上に、まず、障壁層105aを形成し、この障壁層105a上に、Ga0.8In0.2Nからなる井戸層105bを形成した。このような積層手順を6回繰り返した後、6番目に積層した井戸層105b上に、7番目の障壁層105aを形成し、多重量子井戸構造を有する発光層105の両側に障壁層105aを配した構造とした。
次いで、上記手順で作製したn型クラッド層104b上に、MOCVD法によって発光層105を積層した。
発光層105は、GaNからなる障壁層105aと、Ga0.8In0.2Nからなる井戸層105bとから構成され、多重量子井戸構造を有する。この発光層105の形成にあたっては、SiドープのGaInNとGaNの超格子構造からなるn型クラッド層104c上に、まず、障壁層105aを形成し、この障壁層105a上に、Ga0.8In0.2Nからなる井戸層105bを形成した。このような積層手順を6回繰り返した後、6番目に積層した井戸層105b上に、7番目の障壁層105aを形成し、多重量子井戸構造を有する発光層105の両側に障壁層105aを配した構造とした。
まず、基板温度は760℃のままでTEGとSiH4の炉内への供給を開始し、所定の時間SiをドープしたGaNからなる初期障壁層を0.8nm形成し、TEGとSiH4の供給を停止した。その後、サセプタの温度を920℃に昇温した。そして、TEGとSiH4の炉内への供給を再開し、基板温度920℃のままで、さらに、1.7nmの中間障壁層の成長を行った後、TEGとSiH4の炉内供給を停止した。続いて、サセプタ温度を760℃に下げ、TEGとSiH4の供給を開始し、さらに、3.5nmの最終障壁層の成長を行った後、再びTEGとSiH4の供給を停止して、GaN障壁層の成長を終了した。上述のような3段階の成膜処理により、初期障壁層、中間障壁層及び最終障壁層の3層からなり、総膜厚が6nmのSiドープGaN障壁層(障壁層105a)を形成した。SiH4の量は、Si濃度が1×1017cm−3になるように調整した。
障壁層105aの成長を終了させた後、次いで、基板11の温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままとして、TEG及びTMIのバルブを切り替えてTEG及びTMIを炉内へ供給し、Ga0.8In0.2Nからなる井戸層105bを成長させた。これにより、2nmの膜厚を有する井戸層15bを形成した。
上記GaN障壁層(障壁層105a)の成長終了後、TEGとTMIを炉内へ供給して井戸層の成膜処理を行ない、2nmの膜厚を成すGa0.8In0.2N層(井戸層105b)を形成した。
そして、Ga0.8In0.2Nからなる井戸層15bの成長終了後、TEGの供給量の設定を変更した。引き続いて、TEGおよびSiH4の供給を再開し、2層目の障壁層105aの形成を行なった。
上記GaN障壁層(障壁層105a)の成長終了後、TEGとTMIを炉内へ供給して井戸層の成膜処理を行ない、2nmの膜厚を成すGa0.8In0.2N層(井戸層105b)を形成した。
そして、Ga0.8In0.2Nからなる井戸層15bの成長終了後、TEGの供給量の設定を変更した。引き続いて、TEGおよびSiH4の供給を再開し、2層目の障壁層105aの形成を行なった。
上述のような手順を6回繰り返すことにより、6層のSiドープGaNからなる障壁層105aと、6層のGa0.8In0.2Nからなる井戸層105bを形成した。
そして、6層目のGa0.8In0.2Nからなる井戸層105bを形成した後、引き続いて7層目の障壁層の形成を行った。7層目の障壁層の形成処理においては、まず、SiH4の供給を停止し、アンドープGaNからなる初期障壁層を形成した後、TEGの炉内への供給を続けたままで基板温度を920℃に昇温し、この基板温度920℃にて規定の時間で中間障壁層の成長を行なった後、TEGの炉内への供給を停止した。続いて、基板温度を760℃に下げ、TEGの供給を開始し、最終障壁層の成長を行った後、再びTEGの供給を停止し、GaN障壁層の成長を終了した。これにより、初期障壁層、中間障壁層及び最終障壁層の3層からなり、総膜厚が4nmのアンドープGaNからなる障壁層を形成した(図1及び図3における発光層105の内、最上層の障壁層105aを参照)。
以上の手順にて、厚さが不均一な井戸層(図4におけるn型半導体層104側から1〜5層目の井戸層105b)と、厚さが均一な井戸層(図4におけるn型半導体層104側から6層目の井戸層105bを参照)を含んだ多重量子井戸構造の発光層105を形成した。
「p型半導体層の形成」
上述の各工程に引き続き、同じMOCVD装置を用いて、4層のノンドープのAl0.06Ga0.94Nと3層のMgをドープしたGaNよりなる超格子構造を持つp型クラッド層106aを成膜し、更に、その上に膜厚が200nmのMgドープGaNからなるp型コンタクト層106bを成膜し、p型半導体層106とした。
上述の各工程に引き続き、同じMOCVD装置を用いて、4層のノンドープのAl0.06Ga0.94Nと3層のMgをドープしたGaNよりなる超格子構造を持つp型クラッド層106aを成膜し、更に、その上に膜厚が200nmのMgドープGaNからなるp型コンタクト層106bを成膜し、p型半導体層106とした。
まず、NH3ガスを供給しながら基板温度を975℃へ昇温した後、この温度でキャリアガスを窒素から水素に切り替えた。続いて、基板温度を1050℃に変更した。そして、炉内へTMGとTMAlを供給することにより、ノンドープのAl0.06Ga0.94Nからなる層2.5nmを成膜した。引き続き、インターバルを取らずに、TMAのバルブを閉じてCp2Mgのバルブを開け、MgをドープしたGaNの層を2.5nm成膜した。
以上のような操作を3回繰り返し、最後にアンドープAl0.06Ga0.94Nの層を形成することにより、超格子構造よりなるp型クラッド層106aを形成した。
以上のような操作を3回繰り返し、最後にアンドープAl0.06Ga0.94Nの層を形成することにより、超格子構造よりなるp型クラッド層106aを形成した。
その後、Cp2MgとTMGのみを炉内へ供給して、200nmのp型GaNよりなるp型コンタクト層106bを形成した。このp型コンタクト層は、p型キャリアを活性化するためのアニール処理を行なわなくてもp型特性を示した。
上述のようにして作製したLED用のエピタキシャルウェーハは、c面を有するサファイアからなる基板101上に、単結晶構造を有するAlN層(バッファ層102)を形成した後、基板101側から順に、アンドープGaN層(下地層103)、5×1018cm−3の電子濃度を持つSiドープGaNn型コンタクト層104a、4×1018cm−3のSi濃度を有し、20層の1.7nmのGa0.99In0.01Nと19層の1.7nmのGaNからなる超格子構造を有するクラッド層(n型クラッド層104b)、6層のSiドープのGaN障壁層(障壁層105a)と、6層のノンドープのGa0.8In0.2N井戸層(井戸層105b)と、ノンドープのGaNからなる最上位障壁層(図4における発光層105の内、最上層の障壁層105aを参照)とからなる多重量子井戸構造(発光層105)、ノンドープのAl0.06Ga0.94Nからなる4つの層と、MgドープGaNからなり超格子構造を有する3つの層から構成されるp型クラッド層106a、及び、MgドープGaNからなるp型コンタクト層106bから構成されるp型半導体層106を積層した構造を有する。
そして、p型コンタクト層の気相成長を終了させた後、直ちに基板を加熱するために利用していた高周波誘導加熱式ヒータへの通電を停止すると同時に、キャリアガスを水素から窒素へと切り替え、アンモニアの流量を低下させた。具体的には、成長中には全流通ガス量のうち体積にして約14%を締めていたアンモニアガスの量を0.2%まで下げた。
更に、この状態で45秒保持した後、アンモニアの流通を停止した。この状態で、基板温度が室温まで降温したのを確認して、各層が積層された基板を大気中に取り出した。
このようにして、実施例1〜3及び比較例1〜5と同様の方法で作製した下地層上に、LED構造を構成するn型半導体層、発光層、p型半導体層の各層をこの順で形成し、実施例4〜6及び比較例6〜10のサンプルを作製した。
更に、この状態で45秒保持した後、アンモニアの流通を停止した。この状態で、基板温度が室温まで降温したのを確認して、各層が積層された基板を大気中に取り出した。
このようにして、実施例1〜3及び比較例1〜5と同様の方法で作製した下地層上に、LED構造を構成するn型半導体層、発光層、p型半導体層の各層をこの順で形成し、実施例4〜6及び比較例6〜10のサンプルを作製した。
次いで、このようにして得られたLED構造となる各層の形成された基板を用いて、以下に示す手順で、半導体発光素子の一種である発光ダイオード(LED)を作製した(図3を参照)。
まず、公知のフォトリソグラフィー技術によって、LED構造となる各層の形成された基板のp型コンタクト層上に、ITOからなる透光性正極と、この透光性正極上にTi、Al及びAuを順に積層した構造を持つ正極ボンディングパッドを形成した。
続いて、正極ボンディングパッドの形成された基板にドライエッチングを行い、負極ボンディングパッドを形成する部分のn型半導体層を露出させ、露出したn型半導体層上にNi、Al、Ti及びAuの4層よりなる負極ボンディングパッドを形成した。
まず、公知のフォトリソグラフィー技術によって、LED構造となる各層の形成された基板のp型コンタクト層上に、ITOからなる透光性正極と、この透光性正極上にTi、Al及びAuを順に積層した構造を持つ正極ボンディングパッドを形成した。
続いて、正極ボンディングパッドの形成された基板にドライエッチングを行い、負極ボンディングパッドを形成する部分のn型半導体層を露出させ、露出したn型半導体層上にNi、Al、Ti及びAuの4層よりなる負極ボンディングパッドを形成した。
そして、正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッドの形成された基板の裏面を研削及び研磨してミラー状の面とした。次いで、この基板を350μm角の正方形のチップに切断し、LEDのチップとした。
そして、このチップを、正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッドが上になるようにリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームに結線することによってランプ(図5参照)を作製した。
そして、このチップを、正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッドが上になるようにリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームに結線することによってランプ(図5参照)を作製した。
そして、上述のようにして作製したランプのp側およびn側の電極間に20mAの順方向電流を流した際の順方向電圧(駆動電圧Vf)を測定するとともに、p側の透光性正極を通して発光出力Po(mW)を測定し、各実施例及び比較例における平均値を下記表2に示した。また、各サンプルのESD(electro−static discharge)耐性(耐静電気放電)について、試験装置としてESDプローバーを用い、各試験条件について、HBM(Human body model)に準拠して試験を行い、各実施例及び比較例における総サンプル数に対する破壊が生じなかったサンプルの数を、ESD残存率として下記表2に示した。
表2に示すように、本発明に係る製造方法によって作製された実施例4〜6のサンプルは、駆動電圧Vfが3.14〜3.15Vであり、また、発光出力Poが19.2〜19.7(mW)であった。
これに対して、基板の凸部の基部幅d1が1.6μm又は2μmとされ、H2{下地層103の頂部厚さ}=kd1{基板101の凸部12の基部幅}(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係で下地層を形成した比較例6〜9のサンプルは、駆動電圧Vfが3.16〜3.19V程度、発光出力Poが19.2〜19.5mW程度と、実施例4〜6のサンプルに比べ、若干高い駆動電圧を必要とするとともに、発光出力が若干低くなっている。
また、基板に凸部を形成しなかった従来の構成を有する比較例10のサンプルは、駆動電圧Vfが3.17Vであり、また、発光出力Poが15.0mWと、実施例4〜6のサンプルに比べて発光特性が劣っている。
また、基板に凸部を形成しなかった従来の構成を有する比較例10のサンプルは、駆動電圧Vfが3.17Vであり、また、発光出力Poが15.0mWと、実施例4〜6のサンプルに比べて発光特性が劣っている。
ここで、表2に示すように、実施例4〜6と比較例6〜9のサンプルを比較すると、駆動電圧Vf及び発光出力Poに関しては、実施例4〜6の方が若干優れているものの、それほど大きな差とはなっていない。しかしながら、ESD残存率を比較すると、実施例4〜6のサンプルが95.7〜97.2%となっているのに対し、比較例6〜9においては89.2〜91.0%と残存率が低くなっている。この結果より、基板に備えられる凸部の基部幅d1が本発明で規定される範囲とされ、且つ、凸部12の基部幅d1と下地層103の頂部厚さH2とがH2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係とされた実施例4〜6の発光素子が、ESD耐性等の耐高電圧破壊性に優れていることが明らかである。
[実施例7]
上記実施例4〜6で製造したIII族窒化物半導体発光素子を用い、特開2007−194401号公報に記載の方法に準じて、前記III族窒化物半導体発光素子を搭載したランプ(パッケージ)を作製した。またさらに、電子機器や機械装置の一例として、そのランプを組み込んだバックライトを作製することができた。
上記実施例4〜6で製造したIII族窒化物半導体発光素子を用い、特開2007−194401号公報に記載の方法に準じて、前記III族窒化物半導体発光素子を搭載したランプ(パッケージ)を作製した。またさらに、電子機器や機械装置の一例として、そのランプを組み込んだバックライトを作製することができた。
[実験例]
上記実施例4〜6と同様の方法で、350μm角の正方形とされたIII族窒化物半導体発光素子のチップを作製し、同様に、正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッドが上になるようにリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームに結線し、発光素子サンプルを作製した。この際、基板の凸部幅方向の間隔を1μmとしたサンプルを実験例1とし、また、凸部幅方向の間隔を2μmとしたサンプルを実験例2として、各々5個のサンプルを作製した。
そして、これら各サンプルの発光強度を、チップ上面に対して垂直方向に検知器を移動させながら測定し、この測定結果を図6A、図6Bのグラフに示した。
上記実施例4〜6と同様の方法で、350μm角の正方形とされたIII族窒化物半導体発光素子のチップを作製し、同様に、正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッドが上になるようにリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームに結線し、発光素子サンプルを作製した。この際、基板の凸部幅方向の間隔を1μmとしたサンプルを実験例1とし、また、凸部幅方向の間隔を2μmとしたサンプルを実験例2として、各々5個のサンプルを作製した。
そして、これら各サンプルの発光強度を、チップ上面に対して垂直方向に検知器を移動させながら測定し、この測定結果を図6A、図6Bのグラフに示した。
図6Aのグラフに示すように、基板に形成された凸部間の間隔が1μとされた実験例1の発光素子チップは、図6Bのグラフに示すような凸部間の間隔が2μとされた実験例2の発光素子チップに比べ、発光出力が高くなっていることがわかる。この結果より、基板に形成される凸部間の間隔がより小さいほうが、発光素子の発光出力を向上できることが明らかとなった。
上記各実施例及び実験例の結果により、本発明のIII族窒化物半導体発光素子が、内部量子効率及び光取り出し効率に優れるとともに、電気的特性並びに生産効率に優れていることが明らかである。
本発明は、内部量子効率及び光取り出し効率に優れるとともに、電気的特性並びに生産効率に優れたIII族窒化物半導体発光素子及びその製造方法に利用できる。
1…III族窒化物半導体発光素子、
10…主面、
11…平面、
12…凸部、
12c…表面、
12e…頂部、
20…LED構造、
101…基板、
102…バッファ層、
103…下地層(III族窒化物半導体層)、
104…n型半導体層、
104b…n型クラッド層、
105…発光層、
105b…井戸層、
106…p型半導体層、
106a…p型クラッド層、
107…正極ボンディングパッド、
108…負極ボンディングパッド、
3…ランプ、
d1…基部幅(凸部)、
d2…凸部間の間隔、
h…高さ(凸部)、
H2…頂部厚さ(下地層)
10…主面、
11…平面、
12…凸部、
12c…表面、
12e…頂部、
20…LED構造、
101…基板、
102…バッファ層、
103…下地層(III族窒化物半導体層)、
104…n型半導体層、
104b…n型クラッド層、
105…発光層、
105b…井戸層、
106…p型半導体層、
106a…p型クラッド層、
107…正極ボンディングパッド、
108…負極ボンディングパッド、
3…ランプ、
d1…基部幅(凸部)、
d2…凸部間の間隔、
h…高さ(凸部)、
H2…頂部厚さ(下地層)
Claims (26)
- 基板上に形成された単結晶のIII族窒化物半導体層上にLED構造が形成されてなるIII族窒化物半導体発光素子であって、
前記基板は、(0001)C面からなる平面と、前記C面に非平行の表面からなる複数の凸部とからなる主面を有するものであるとともに、前記凸部の基部幅d1が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmとされており、
前記III族窒化物半導体層は、前記基板の主面上に、前記平面及び前記凸部を覆うようにIII族窒化物半導体がエピタキシャル成長することによって形成されたものであり、
前記凸部の基部幅d1と、前記凸部の頂部の位置における前記III族窒化物半導体層の頂部厚さH2とが、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 - 前記凸部は、さらに、高さhが前記基部幅d1の1/4以上とされており、隣接する前記凸部間の間隔d2が前記基部幅d1の0.5〜5倍とされていることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記凸部が前記頂部に向かって徐々に外形が小さくなる形状であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記凸部が略円錐状ないし略多角錐状であることを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記凸部が、前記基板のC面上に設けられた酸化物又は窒化物からなることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記凸部が、SiO2、Al2O3、SiN、ZnOの何れかからなることを特徴とする請求項5に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項1〜請求項6の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記LED構造は、前記基板の主面上において、III族窒化物半導体から各々なるn型半導体層、発光層及びp型半導体層をこの順で備えることを特徴とする請求項1〜請求項7の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記基板の主面上に、多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなり、厚さが0.01〜0.5μmとされたバッファ層がスパッタ法によって積層され、該バッファ層上に前記III族窒化物半導体層が積層されていることを特徴とする請求項1〜請求項8の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記基板の主面上に、単結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなり、厚さが0.01〜0.5μmとされたバッファ層がスパッタ法によって積層され、該バッファ層上に前記III族窒化物半導体層が積層されていることを特徴とする請求項1〜請求項8の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記n型半導体層にn型クラッド層が備えられているとともに、前記p型半導体層にはp型クラッド層が備えられており、前記n型クラッド層及び/又は前記p型クラッド層が、少なくとも超格子構造を含むことを特徴とする請求項8〜請求項10の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 基板上に単結晶のIII族窒化物半導体層を形成し、該III族窒化物半導体層上にLED構造を形成するIII族窒化物半導体層の製造方法であって、
前記基板の(0001)C面からなる平面上に、基部幅d1が0.05〜1.5μm、高さhが0.05〜1μmである複数の凸部を形成することにより、前記基板上に前記平面と前記凸部とからなる主面を形成する基板加工工程と、
前記基板の主面上に、前記平面及び前記凸部を覆うようにして前記III族窒化物半導体をエピタキシャル成長させるとともに、前記凸部の基部幅d1と、前記凸部の頂部の位置における前記III族窒化物半導体層の頂部厚さH2とを、H2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される関係として前記III族窒化物半導体層を形成するエピタキシャル工程と、
前記エピタキシャル工程に引き続いて、前記LED構造を、III族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることによって形成するLED積層工程と、が備えられていることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記基板加工工程は、前記凸部を、さらに、高さhが前記基部幅d1の1/4以上、隣接する前記凸部間の間隔d2が前記基部幅d1の0.5〜5倍となるように形成することを特徴とする請求項12に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板加工工程は、前記凸部を、前記頂部に向かって徐々に外形が小さくなる形状として形成することを特徴とする請求項12又は請求項13に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板加工工程は、前記凸部を、略円錐状ないし略多角錐状として形成することを特徴とする請求項12〜請求項14の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項12〜請求項15の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板加工工程は、前記凸部を、前記基板の(0001)C面上に、ステッパー露光法、ナノインプリント法、電子ビーム(EB)露光法、レーザー露光法の内の何れかを用いてマスクパターンを形成した後、前記基板をエッチングすることによって形成することを特徴とする請求項12〜請求項16の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記凸部を、前記基板のC面上に、酸化物又は窒化物から形成することを特徴とする請求項12〜請求項16の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記凸部を、SiO2、Al2O3、SiN、ZnOの何れかから形成することを特徴とする請求項18に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記LED積層工程は、前記基板の主面上に、III族窒化物半導体から各々なるn型半導体層、発光層及びp型半導体層をこの順で積層して前記LED構造を形成することを特徴とする請求項12〜請求項19の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記エピタキシャル工程において、前記III族窒化物半導体層の頂部厚さH2が、前記凸部の基部幅d1との関係でH2=kd1(但し、0.5<k<5であり、H2=0.5μm以上)で表される膜厚となるまでIII族窒化物半導体層を形成した後、引き続いて、前記LED積層工程においてn型不純物のドープを開始してn型半導体層を形成することを特徴とする請求項12〜請求項20の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記基板加工工程の後、前記エピタキシャル工程の前に、前記基板の主面上に多結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層を、スパッタ法によって積層するバッファ層形成工程が備えられていることを特徴とする請求項12〜請求項21の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板加工工程の後、前記エピタキシャル工程の前に、前記基板の主面上に単結晶のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのバッファ層を、スパッタ法によって積層するバッファ層形成工程が備えられていることを特徴とする請求項12〜請求項21の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記LED積層工程は、前記n型半導体層をn型クラッド層が含まれる層として形成するとともに、前記p型半導体層をp型クラッド層が含まれる層として形成し、且つ、前記n型クラッド層及び/又は前記p型クラッド層を、少なくとも超格子構造を含む層として形成することを特徴とする請求項20〜請求項23の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 請求項12〜請求項24の何れか1項に記載の製造方法によって得られるIII族窒化物半導体発光素子。
- 請求項1〜請求項11、及び請求項25の何れか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子が用いられてなることを特徴とするランプ。
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