JPWO2014006763A1 - Iii族窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)i型III族窒化物半導体層、第1導電型III族窒化物半導体層、発光層および第2導電型III族窒化物半導体層をこの順に有する半導体構造部と、
前記第2導電型III族窒化物半導体層および前記発光層を貫通する凹部の底で前記第1導電型III族窒化物半導体層上に設けられた第1コンタクト層と、
前記第2導電型III族窒化物半導体層上に設けられた第2コンタクト層と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側に設けられ、前記第2コンタクト層と接触して第2電極として機能するとともに、支持体の少なくとも一部となる第2サポート体と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側、または、前記i型III族窒化物半導体層上に設けられた、前記第1コンタクト層と電気的に接続する第1電極と、
を有し、前記i型III族窒化物半導体層が光取り出し面となることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
前記第2導電型III族窒化物半導体層および前記発光層の一部を除去して、前記半導体構造部に凹部を形成し、前記第1導電型III族窒化物半導体層の一部を露出させる工程と、
前記凹部の底の前記第1導電型III族窒化物半導体層の露出部の上に第1コンタクト層を形成し、前記第2導電型III族窒化物半導体層上に第2コンタクト層を形成する工程と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側に、前記第2コンタクト層と接触して第2電極として機能するとともに、支持体の少なくとも一部となる第2サポート体を形成する工程と、
リフトオフ法を用いて前記成長用基板を前記半導体構造部から剥離するリフトオフ工程と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側、または、前記リフトオフ工程により露出した前記i型III族窒化物半導体層上に、前記第1コンタクト層と電気的に接続する第1電極を形成する工程と、
を有し、露出した前記i型III族窒化物半導体層を光取り出し面として残存させ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。
まず、図1〜図9を参照して、本発明の一実施形態にかかるIII族窒化物半導体発光素子100の製造方法を、ケミカルリフトオフ法を用いた場合を例として説明する。まず、図1〜図7の断面図と図8,9の上面図との対応関係を先に説明する。図8(A)は図1(B)に対応する上面図であり、図8(A)のI−I断面が図1(B)に対応する。なお、図1(B)以外の断面図も同様の位置でのものである。図8(B)は図2(A)に対応する上面図である。図9(A)は図2(B)に対応する上面図である。図9(B)は図3(B)に対応する上面図である。
図10を参照して、本発明の他の実施形態にかかるIII族窒化物半導体発光素子200の製造方法を説明する。本実施形態は、i層106表面に凹凸を形成する工程以外は、上記の素子100の製造方法と同じである。
図7を参照して、III族窒化物半導体発光素子100を説明する。III族窒化物半導体発光素子100は、i層106、n層108、発光層110およびp層112をこの順に有する半導体構造部114を含む。p層112および発光層110を貫通する凹部117の底にはn層108上にn側コンタクト層118が設けられている。また、p層112上にはp側コンタクト層120が設けられている。さらに、n側コンタクト層118とp側コンタクト層120とを絶縁するための絶縁層122が、n側コンタクト層118の一部、p側コンタクト層120の一部、およびn側コンタクト層118とp側コンタクト層120との間に位置する半導体構造部114の上に設けられている。この絶縁層122上には、単一の第1サポート体136、単一の第2サポート体138、および隣接する第1および第2サポート体136,138の間に位置する絶縁体からなる構造物128,140が設けられている。第1サポート体136は、凹部117を介して部分的にn側コンタクト層118と接触してn側電極として機能する。第2サポート体138は、部分的にp側コンタクト層120と接触してp側電極として機能する。そして、第1および第2サポート体136,138ならびに構造物128,140が、半導体構造部114を支持する支持体146となっている。III族窒化物半導体発光素子100では、i層106が光取り出し面となる。i層106の表面には、光取り出し効率を高めるための凹凸が形成されている。
図10を参照して、III族窒化物半導体発光素子200を説明する。この素子200は、i層106の表面状態以外は上記の素子100と同じである。素子200では、i層106の表面が、第1の凹凸と、この第1の凹凸表面に形成された、第1の凹凸よりも微細な第2の凹凸とを含む2段階凹凸表面である。これにより、i層106(光取り出し面)からの光取り出し効率がさらに向上し、発光出力が向上する。
図11〜13を参照して、本発明の他の実施形態にかかるIII族窒化物半導体発光素子300の製造方法を説明する。まず、図11,12の断面図と図13の上面図との対応関係を先に説明する。図13(A)は図11(A)に対応する上面図であり、図13(A)のII−II断面が図11(A)に対応する。図13(B)は図12(C)に対応する上面図であり、図13(B)のIII−III断面が図12(C)に対応する。図11〜13では、実施形態1と異なり1つの素子単位のみ図示する。また、実施形態1と同じ工程は説明を省略または簡略化する。
図1(A)から図3(B)までを行い、その後2段階メッキを行なうことなく、ケミカルリフトオフ法によりLEDチップを作製した。具体的には、まず、図1(A)に示すように、サファイア基板上に、スパッタ法によりCr層を形成しアンモニアを含む雰囲気中で熱処理することによりリフトオフ層(CrN層、厚さ:18nm)を形成後、i型GaN層(厚さ:7.0μm)、n型GaN層(厚さ:3.0μm)、発光層(AlInGaN系MQW層、厚さ:0.1μm)、p型GaN層(厚さ:0.2μm)をMOCVD法により順次エピタキシャル成長させた。
図11〜図13に示した方法でLEDチップを作製した。具体的には、まず、サファイア基板上に、スパッタ法によりCr層を形成しアンモニアを含む雰囲気中で熱処理することによりリフトオフ層(CrN層、厚さ:18nm)を形成後、i型GaN層(厚さ:7.0μm)、n型GaN層(厚さ:3.0μm)、発光層(AlInGaN系MQW層、厚さ:0.1μm)、p型GaN層(厚さ:0.2μm)をMOCVD法により順次エピタキシャル成長させた。
エピタキシャル成長で形成するi型GaN層の厚さを4.0μm、n型GaN層の厚さを6.0μmとし、リフトオフ層の除去によって露出したi型GaN層を全て除去して、n型GaN層を露出させて光取り出し面としたこと以外は、実施例1と同様の方法で比較例1にかかる600個のLEDチップを得た。なお、n型GaN層の表面には、平均深さ0.5μmの凹凸が形成されていた。
リフトオフ層の除去後、ウェットエッチングの前に、i型GaN層にレジストマスクを用いてICP−RIEエッチングを施したこと以外は、実施例1と同様の方法で実施例3にかかる600個のLEDチップを得た。ICP−RIEエッチングの条件は、BCl3:Cl2=1:3、エッチング時間は300秒とした。i型GaN層の表面には、凸部寸法が縦横それぞれ2μm、凹部の幅が2μm、深さが1μmの凹凸が形成され、その凹凸の表面には、平均深さ0.5μmの凹凸がさらに形成されていた。図14(B)に、i型GaN層表面のSEM画像を示す。
ICP−RIEエッチングの時間を600秒とした以外は、実施例3と同様の方法で実施例4にかかる600個のLEDチップを得た。i型GaN層の表面には、凸部寸法が縦横それぞれ2μm、凹部の幅が2μm、深さが2μmの凹凸が形成され、その凹凸の表面には、平均深さ0.5μmの凹凸がさらに形成されていた。図14(C)に、i型GaN層表面のSEM画像を示す。
得られたLEDチップに定電流電圧電源を用いて350mAの電流を流したときの順方向電圧Vfおよび積分球による発光出力Poを測定した。光出力は全光束分光測定システム(Labshere社製SLMS−1021−S)を用いて測定した。600個のLEDチップの平均値を表1に示す。
102 成長用基板
104 リフトオフ層
106 i型III族窒化物半導体層
108 n型III族窒化物半導体層
108A n型III族窒化物半導体層の露出部
110 発光層
112 p型III族窒化物半導体層
114 半導体構造部
115 素子単位
116 溝
117 凹部
118 n側コンタクト層(第1コンタクト層)
118A n側コンタクト層の露出部
120 p側コンタクト層(第2コンタクト層)
120A p側コンタクト層の露出部
122 絶縁層
124 第1樹脂
126 メッキシード層
128 第1構造物
130 第1露出表面
132 第2露出表面
134 第2樹脂
136 第1サポート体(n側電極)
136A 第1サポート体の第1層
136B 第1サポート体の第2層
138 第2サポート体(p側電極)
138A 第2サポート体の第1層
138B 第2サポート体の第2層
140 第2構造物
142 第3樹脂
144 空隙
146 支持体
150 絶縁体
152 穴
154 n側電極
前記第2導電型III族窒化物半導体層および前記発光層の一部を除去して、前記半導体構造部に凹部を形成し、前記第1導電型III族窒化物半導体層の一部を露出させる工程と、
前記凹部の底の前記第1導電型III族窒化物半導体層の露出部の上に第1コンタクト層を形成し、前記第2導電型III族窒化物半導体層上に第2コンタクト層を形成する工程と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側に、前記第2コンタクト層と接触して第2電極として機能するとともに、支持体の少なくとも一部となる第2サポート体を形成する工程と、
リフトオフ法を用いて前記成長用基板を前記半導体構造部から剥離するリフトオフ工程と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側、または、前記リフトオフ工程により露出した前記i型III族窒化物半導体層上に、前記第1コンタクト層と電気的に接続する第1電極を形成する工程と、
を有し、露出した前記i型III族窒化物半導体層を光取り出し面として残存させ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。
(1)支持体と、
該支持体により支持される、i型III族窒化物半導体層、第1導電型III族窒化物半導体層、発光層および第2導電型III族窒化物半導体層をこの順に有する半導体構造部と、
前記第2導電型III族窒化物半導体層および前記発光層を貫通する凹部の底で前記第1導電型III族窒化物半導体層上に設けられた第1コンタクト層と、
前記第2導電型III族窒化物半導体層上に設けられた第2コンタクト層と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側に設けられ、前記第2コンタクト層と接触して第2電極として機能するとともに、前記支持体の少なくとも一部となる第2サポート体と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側、または、前記i型III族窒化物半導体層上に設けられた、前記第1コンタクト層と電気的に接続する第1電極と、
を有し、前記i型III族窒化物半導体層が光取り出し面となり、
前記半導体構造部の側面の一つでは、前記支持体により、前記発光層と、前記第2導電型III族窒化物半導体層と、前記第1導電型III族窒化物半導体層の一部とが覆われると共に、前記第1導電型III族窒化物半導体層の一部以外の部分と、前記i型III族窒化物半導体層とが露出することを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
前記凹部の底の前記第1導電型III族窒化物半導体層の露出部の上に第1コンタクト層を形成し、前記第2導電型III族窒化物半導体層上に第2コンタクト層を形成する工程と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側に、前記第2コンタクト層と接触して第2電極として機能するとともに、支持体の少なくとも一部となる第2サポート体を形成する工程と、
リフトオフ法を用いて前記成長用基板を前記半導体構造部から剥離するリフトオフ工程と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側、または、前記リフトオフ工程により露出した前記i型III族窒化物半導体層上に、前記第1コンタクト層と電気的に接続する第1電極を形成する工程と、
を有し、露出した前記i型III族窒化物半導体層を光取り出し面として残存させるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記リフトオフ工程に先立ち、前記リフトオフ層および前記半導体構造部の一部を除去して、前記成長用基板の一部が底部で露出する溝を格子状に形成する工程と、
前記格子状の溝を1列おきに樹脂で塞ぐ工程と、
前記樹脂を除去し、前記リフトオフ層に連通する空隙を形成する工程と、を更に有し、
前記リフトオフ工程では、前記空隙にエッチング液を供給して、ケミカルリフトオフ法を用いて前記リフトオフ層を除去して、前記成長用基板を前記半導体構造部から剥離す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。
Claims (10)
- i型III族窒化物半導体層、第1導電型III族窒化物半導体層、発光層および第2導電型III族窒化物半導体層をこの順に有する半導体構造部と、
前記第2導電型III族窒化物半導体層および前記発光層を貫通する凹部の底で前記第1導電型III族窒化物半導体層上に設けられた第1コンタクト層と、
前記第2導電型III族窒化物半導体層上に設けられた第2コンタクト層と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側に設けられ、前記第2コンタクト層と接触して第2電極として機能するとともに、支持体の少なくとも一部となる第2サポート体と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側、または、前記i型III族窒化物半導体層上に設けられた、前記第1コンタクト層と電気的に接続する第1電極と、
を有し、前記i型III族窒化物半導体層が光取り出し面となることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 - 前記第1電極は、前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側に設けられ、前記凹部を介して前記第1コンタクト層と接触するとともに、前記支持体の一部となる第1サポート体である請求項1に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記第1電極は、前記i型III族窒化物半導体層および前記第1導電型III族窒化物半導体層の一部に形成された、前記第1コンタクト層へと連通する穴と、前記i型III族窒化物半導体層上とに設けられている請求項1に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記i型III族窒化物半導体層の表面が凹凸を有する請求項1〜3のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記i型III族窒化物半導体層の表面が、第1の凹凸と、該第1の凹凸表面に形成された、前記第1の凹凸よりも微細な第2の凹凸とを含む2段階凹凸表面である請求項4に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 成鳥用基板の上に、i型III族窒化物半導体層、第1導電型III族窒化物半導体層、発光層および第2導電型III族窒化物半導体層を順次積層してなる半導体構造部を形成する工程と、
前記第2導電型III族窒化物半導体層および前記発光層の一部を除去して、前記半導体構造部に凹部を形成し、前記第1導電型III族窒化物半導体層の一部を露出させる工程と、
前記凹部の底の前記第1導電型III族窒化物半導体層の露出部の上に第1コンタクト層を形成し、前記第2導電型III族窒化物半導体層上に第2コンタクト層を形成する工程と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側に、前記第2コンタクト層と接触して第2電極として機能するとともに、支持体の少なくとも一部となる第2サポート体を形成する工程と、
リフトオフ法を用いて前記成長用基板を前記半導体構造部から剥離するリフトオフ工程と、
前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側、または、前記リフトオフ工程により露出した前記i型III族窒化物半導体層上に、前記第1コンタクト層と電気的に接続する第1電極を形成する工程と、
を有し、露出した前記i型III族窒化物半導体層を光取り出し面として残存させ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。 - 前記第1電極を形成する工程は、前記半導体構造部の前記第2導電型III族窒化物半導体層側に、前記凹部を介して前記第1コンタクト層と接触するとともに、前記支持体の一部となる前記第1電極としての第1サポート体を形成する工程を含む請求項6に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記第1電極を形成する工程は、前記リフトオフ工程により露出した前記i型III族窒化物半導体層および前記第1導電型III族窒化物半導体層の一部に、前記第1コンタクト層へと連通する穴を形成する工程と、前記穴を介して前記第1コンタクト層と接触する前記第1電極を前記穴および前記i型III族窒化物半導体層上に形成する工程と、を含む請求項6に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 露出した前記i型III族窒化物半導体層に対してエッチング処理を施し凹凸を形成する工程をさらに有する請求項6〜8のいずれか1項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記凹凸を形成する工程は、マスクを用いたドライエッチングにより前記マスクの形状に対応した第1の凹凸を形成する工程と、アルカリ溶液によるウェットエッチングにより前記第1の凹凸表面に前記第1の凹凸よりも微細な第2の凹凸を形成する工程と、を含む請求項9に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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