WO2004114420A1 - 発光装置 - Google Patents

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WO2004114420A1 PCT/JP2004/007873 JP2004007873W WO2004114420A1 WO 2004114420 A1 WO2004114420 A1 WO 2004114420A1 JP 2004007873 W JP2004007873 W JP 2004007873W WO 2004114420 A1 WO2004114420 A1 WO 2004114420A1
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light emitting
emitting device
substrate
uneven
semiconductor layer
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Inventor
Seiji Nakahata
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
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    • H01L33/24—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate of the light emitting region, e.g. non-planar junction

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device having a large light emission amount.
  • a group II nitride semiconductor By using a group II nitride semiconductor, light emitting devices of three primary colors of visible light, “blue”, “green”, and “red” can be manufactured. For example, it has been proposed to form an amorphous buffer layer on a sapphire substrate at low temperature and grow a group III nitride semiconductor crystal on it (for example, Shibata, "LEDs using group III nitrides”). Fabrication and Its Application ”'See Japan Society for Crystal Growth, Japan Society for Crystal Growth, September 20, 2002, Vol. 29, No. 3, p. 283-287. However, since a sapphire substrate is used as the substrate, only low-quality crystals having a high defect density can be obtained even when an III nitride semiconductor crystal is epitaxially grown. Further, since the sapphire substrate is insulative, there is a problem that the light emitting device becomes large.
  • an object of the present invention is to provide a light emitting device in which the amount of light emission is increased without changing the size of the light emitting device.
  • a light emitting device is characterized in that a semiconductor layer is formed on an uneven surface of an uneven substrate.
  • the uneven substrate is A1, .G a v I ⁇ ⁇ , ⁇ (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ l), each plane forming the uneven surface of the uneven substrate, L is an integer from 1 to 4.
  • (1-1L) and (1-10L) at least one surface index selected from the following; Can be set at 35 ° to 80 °.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of one light emitting device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a conventional light emitting device.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of one uneven substrate used in the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of another uneven substrate used in the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of a conventional substrate. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • semiconductor layer 30 is formed on uneven surface 1 a of uneven substrate 1.
  • the surface area of the semiconductor layer 30 involved in light emission can be increased, and the light emission amount of the light emitting device increases.
  • semiconductor layer 30 is formed on planar surface 2 h of planar substrate 2. That is, referring to FIGS. 1 and 2, since the semiconductor layer 30 of the light emitting device according to the present invention is formed on the uneven surface 1 a of the uneven substrate 1, the flat surface 2 of the flat substrate 2 is formed. The surface area is larger than that of the semiconductor layer 30 formed on h.
  • the semiconductor layer 30 has a constant light emission amount per unit surface area, by increasing the surface area of the semiconductor layer 30 as described above, light emission can be performed without changing the size of the light emitting device. The amount can be increased.
  • the surface shape of the uneven surface 1a of the uneven substrate 1 is not particularly limited.
  • the uneven surface 1a having a linear concave portion may be used, or as shown in FIG. It may be a polygonal pyramid-shaped uneven surface 1a having point-like convex portions.
  • the uneven pitch (horizontal distance from the convex portion to the adjacent convex portion) P and the uneven height (vertical distance from the concave portion to the convex portion) H on the uneven surface 1a of the uneven substrate 1 are particularly limited.
  • uneven pitch P is 1 IX! To 300 m
  • the height H of the unevenness is preferably 0.1 / m to 300 xm. If the uneven pitch P is less than 1 m or more than 30000 xm, it becomes difficult to obtain a uniform epitaxy crystal. If the height H is less than 0.1 nm, the light emitting area becomes small, and if it exceeds 300 m, it becomes difficult to obtain a uniform epitaxy crystal. From such a viewpoint, it is more preferable that the uneven pitch P is 1 m to 500 nm and the uneven height H is 4 m to 500 m.
  • the uneven substrate and the semiconductor layer is A l x G a y I. X. Y N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1) it is preferably.
  • the semiconductor layer is a group III compound Al x G a y I (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1), the light emitting device for the three primary colors of visible light, "blue", "green”, “red”, or "ultraviolet” Can be made.
  • Al x G a y I By using (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ l), a good quality semiconductor crystal can be grown.
  • the chemical composition of the substrate, the chemical composition of the semiconductor layer, and the combination thereof Is preferred.
  • L is an integer of 1 to 4. It is preferable to have at least one face index selected from (1 1-2 L) and (1-1 0 L).
  • a 1 X G a y I n l;. Y N (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1) for the substrate and the semiconductor layer the A 1 X G a y I ⁇ ⁇ , ⁇ crystal is Because of hexagonal symmetry, there are six equivalent planes for each of the (1 1-2 L) plane and the (111-L) plane.
  • L means an integer of 1 to 4.
  • the uneven substrate 1 having the uneven surface 1a composed of such a surface a three-dimensional semiconductor layer can be formed, and the surface area of the semiconductor layer can be increased. it can.
  • the uneven substrate is Al x Ga y I ri -yN (0 ⁇ x, 0 ⁇ y, x + y ⁇ 1)
  • the polygonal pyramid on the uneven surface 1a as shown in Fig. 4 It often forms hexagonal pyramids or triangular pyramids.
  • the angle between each of the planes 1 b and 1 c forming the uneven surface 1 a of the uneven substrate 1 and the base plane 1 h ⁇ lib, 11 c is preferably 35 ° to 80 °.
  • a l x Ga y I. X When using a y N crystal as uneven substrate, 80. Is difficult to exist. If the angle is less than 35 °, the increase in the surface area of the semiconductor layer is small.
  • the base plane 1 h refers to a plane perpendicular to the vector in the thickness direction of the uneven substrate 1, and is a plane parallel to the planar surface in a conventional flat substrate.
  • the concave and convex pitch P is 200 m and the concave and convex height H is 190 zm.
  • the irregularities of the GaN substrate A 5 m, n-GaN layer 31 was formed on the glass-like surface by MOC VD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).
  • the light emitting device as shown in FIG. 1 was obtained by sequentially growing the 8N layer 33 to 60 nm and the p-GaN layer 34 to 150 nm.
  • the light emission intensity of the light emitting device was measured using a spectroscope.
  • This light-emitting device had a peak wavelength of the light-emitting spectrum of 470 nm, and the light-emitting intensity of this light-emitting device was 1.9 when the light-emitting intensity of Comparative Example 1 was 1.0.
  • the semiconductor layer was grown on the uneven surface of the uneven substrate using the MOCVD method.
  • the semiconductor layer can be grown by various methods such as molecular beam epitaxy (Molecular Beam Epitaxy).
  • the flat surface 2h (because of the flat shape, the pitch P of the unevenness is 0 m, and the height H of the unevenness is O im).
  • GaN substrate 001
  • semiconductor layers were sequentially grown in the same manner as in Example 1 to obtain a light emitting device as shown in FIG.
  • the light emission intensity of the light emitting device was measured using a spectroscope.
  • the peak wavelength of the light emitting spectrum of this light emitting device was 470 nm, and the light emitting intensity of the blue light emitting devices of Examples 1 to 9 was evaluated with the light emitting intensity of this light emitting device being 1.0.
  • Tables 1 to 3 Light emitting devices having the substrate and semiconductor layer configurations shown in Tables 1 to 3 were fabricated by MOCVD, and the wavelength and emission intensity of the emission spectrum were measured. Tables 1 to 3 summarize the results.
  • the angle ⁇ in Tables 1 to 3 was calculated from Equation (1) from the plane index of each plane and the plane index (0001) of the base plane, which form the uneven surface of the uneven substrate. is there.
  • Examples 1 to 9 and Comparative Example 1 in Table 1 are examples of a blue light emitting device having a light emitting spectrum with a peak wavelength of 470 nm. The light intensity was expressed as a relative value when the emission intensity of Comparative Example 1 was set to 1.0.
  • Example 10 and Comparative Example 2 in Table 2 are examples of a green light-emitting device in which the peak wavelength of the light emitting spectrum is 520 nm, and the emission intensity of Example 10 is lower than that of Comparative Example 2.
  • Example 11 and Comparative Example 3 are examples of an ultraviolet light-emitting device having a peak wavelength of an emission spectrum of 380 nm. The intensity was expressed as a relative value when the emission intensity of Comparative Example 3 was set to 1.0.
  • the semiconductor layer is formed on the uneven surface of the uneven substrate regardless of the emission peak wavelength.
  • the luminous intensity increased from 1.2 times to 2.5 times as compared with the conventional light emitting device.
  • the amount of light emission can be increased without changing the size of the light emitting device by forming the semiconductor layer on the uneven surface of the uneven substrate.

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Abstract

　発光装置の大きさを変えることなく発光量を増大させた発光装置を提供する。　凹凸基板１の凹凸状表面１ａ上に半導体層３０が形成されていることを特徴とする発光装置。本発光装置においては、凹凸基板および半導体層をＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）とすること、凹凸基板の凹凸状表面を形成する各々の平面が、Ｌを１～４の整数とするときの（１１−２Ｌ）および（１−１０Ｌ）の中から選ばれる１以上の面指数を有すること、または凹凸基板の凹凸状表面を形成する各々の平面と基底平面とのなす角度φを３５°～８０°とすることができる。

Description

技術分野
本発明は、 発光量の大きい発光装置に関する。 背景技術
I I I族窒化物半導体を用いることにより、 可視光の 3原色である 「青色」 、 「緑色」 、 「赤色」 の発光装置を作製することができる。 たとえば、 サファイア 基板上に低温でアモルファスのバッファ層を形成し、 その上に I I I族窒化物半 導体結晶を成長させることが提案されている （たとえば、 柴田， 「I I I族窒化 物を用いた L E Dの作製とその応用」 ' 日本結晶成長学会誌， 日本結晶成長学 会， 2 0 0 2年 9月 2 0日， 第 2 9巻， 第 3号， p . 2 8 3 - 2 8 7参照） 。 しかし、 基板としてサファイア基板を用いているため、 I I I族窒化物半導体 結晶をェピタキシャル成長させても、 欠陥密度の大きい低品質の結晶しか得られ ない。 また、 サファイア基板が絶縁性であるため、 発光装置が大きくなるという 問題点があった。
上記、 問題点を解決するため、 n— G a Nなどの I I I族窒化物半導体結晶の 基板を用いて、 この基板上に I I I族窒化物半導体結晶を成長させることが提案 されている （たとえば、 西田， 「A 1 G a N系紫外発光ダイオード」 ， 日本結晶 成長学会誌、 日本結晶成長学会， 2 0 0 2年 9月 2 0日， 第 2 9巻， 第 3号， p . 2 8 8 - 2 9 5参照） 。 発明の開示
上記発光装置においても十分な発光強度が得られていないのが現状である。 そこで、 上記現状に鑑み、 本発明においては、 発光装置の大きさを変えること なく発光量を増大させた発光装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、 本発明にかかる発光装置は、 凹凸基板の凹凸状表面 上に半導体層が形成されていることを特徴とする。 ここで、 凹凸基板を A 1、. G a v I η ^,Ν ( 0≤x , 0≤y、 x + y≤l ) とすること、 凹凸基板の凹凸状表 面を形成する各々の平面が、 Lを 1〜4の整数とするときの （1 1一 2 L ) およ び （1一 1 0 L ) の中から選ばれる 1以上の面指数を有すること、 凹凸基板の凹 凸上表面を形成する各々の平面と基底平面とのなす角度 Φを 3 5 °〜8 0 °とする ことができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明にかかる一の発光装置の概略断面図である。
図 2は、 従来の発光装置の概略断面図である。
図 3は、 本発明において用いられる一の凹凸基板の概略斜視図である。
図 4は、 本発明において用いられる別の凹凸基板の概略斜視図である。
図 5は、 従来の基板の概略斜視図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明にかかる発光装置は、 図 1を参照して、 凹凸基板 1の凹凸状表面 1 a上 に半導体層 3 0が形成されている。 かかる凹凸基板 1を用いることにより、 発光 に関わる半導体層 3 0の表面積を大きくすることができ、 発光装置の発光量が大 きくなる。
一方、 従来の発光装置は、 図 2を参照して、 平面基板 2の平面状表面 2 h上に 半導体層 3 0が形成されている。 すなわち、 図 1および図 2を参照して、 本発明 にかかる発光装置の半導体層 3 0は凹凸基板 1の凹凸状表面 1 a上に形成されて いるために、 平面基板 2の平面状表面 2 h上に形成されている半導体層 3 0より も表面積が大きくなる。 ここで、 半導体層 3 0は、 その単位表面積当たりに一定 の発光量を有することから、 上記のように半導体層 3 0の表面積を大きくするこ とにより、 発光装置の大きさを変えることなく発光量を大きくすることができ る。
ここで、 図 3および図 4を参照して、 凹凸基板 1の凹凸状表面 1 aの表面形状 は、 特に限定されるものではなく、 たとえば、 図 3に示されるような線状の凸部 と線状の凹部を有する凹凸状表面 1 aであってもよいし、 図 4に示されるような 点状の凸部を有する多角錘状の凹凸状表面 1 aであってもよい。
また、 凹凸基板 1の凹凸状表面 1 aにおける凹凸ピッチ （凸部から隣の凸部ま での水平距離） Pおよび凹凸高さ （凹部から凸部までの垂直距離） Hは、 特に制 限はないが、 凹凸ピッチ Pは 1 IX！〜 3 0 0 0 mが好ましく、 凹凸高さ Hは 0. 1 / m〜 3 0 0 0 xmが好ましい。 凹凸ピッチ Pが 1 m未満あるいは 3 0 0 0 xmを超えると均一なェピタキシャル結晶を得ることが困難となる。 凹凸高 さ Hが 0. 1 nm未満であると発光面積が小さくなり、 3 0 0 0 mを超えると 均一なェピタキシャル結晶を得ることが困難となる。 かかる観点から、 凹凸ピッ チ Pは 1 m~ 5 0 0 nm, 凹凸高さ Hは 4 m~ l 5 0 0 mであることがよ り好ましい。
本発明にかかる発光装置において、 凹凸基板および半導体層が A l xG ay I .x.yN (0≤x、 0≤y , x + y≤ 1 ) であることは好ましい。 半導体層を I I I族化合物である A lxG ay I
Figure imgf000005_0001
(0≤x、 0≤y、 x + y≤ 1) で構成す ることにより、 可視光の 3原色である 「青色」 、 「緑色」 、 「赤色」 、 あるいは 「紫外」 についての発光装置を作製することができる。 また、 基板についても、 半導体層と同様に A l xG ayI
Figure imgf000005_0002
(0≤x、 0≤y, x + y≤ l) を用いる ことにより、 良質の半導体結晶を成長させることができる。 なお、 基板の化学組 成、 半導体層の化学組成およびこれらの組合わせには特に制限は無いが、 良質の 半導体層を得る観点からは、 基板の化学組成と半導体層の化学組成とが近いこと が好ましい。
また、 図 3および図 4を参照して、 本発明にかかる発光装置において、 凹凸基 板 1の凹凸状表面 1 aを形成する各々の平面 1 b， l cは、 Lを 1〜4の整数と するときの （1 1— 2 L) および （1— 1 0 L) の中から選ばれる 1以上の面指 数を有することが好ましい。 基板および半導体層に A 1 XG ay I nl ;.yN (0≤ x、 0≤y, x + y≤ 1) を用いる場合、 A 1 XG ay I η^,Ν結晶は六角対称で あるため、 （1 1— 2 L) 面および （1一 1 0 L) 面のそれぞれの面について等 価な面が 6面存在する。 ここで、 Lは 1〜4の整数を意味する。 したがって、 こ のような面からなる凹凸状表面 1 aをもつ凹凸基板 1を用いることにより、 三次 元形状の半導体層を形成することができ、 半導体層の表面積を大きくすることが できる。 ここで、 凹凸基板が A lxGayI ri -yN (0≤x, 0≤y, x + y≤ 1) である場合、 図 4のような凹凸状表面 1 aにおいては、 多角錘として六角錘 または三角錐を形成する場合が多い。
また、 図 3および図 4を参照して、 本発明にかかる発光装置において、 凹凸基 板 1の凹凸状表面 1 aを形成する各々の平面 1 b, 1 cと基底平面 1 hとのなす 角度 Φ l i b, 11 cは、 35°〜80°であることが好ましい。 A lxGayI . x.yN結晶を凹凸基板として用いる場合、 80。を超える安定面が存在しにくい。 また、 上記角度が 35°未満であると半導体層の表面積の増加が少ない。 なお、 基底平面 1 hとは、 凹凸基板 1の厚み方向のべクトルに対して垂直な面をいい、 従来の平面基板においては平面状表面と平行な平面となる。
基板を構成する A lxGayI ni.x.yN結晶 （0≤x、 0≤y, x + y≤ 1) はゥ ルツ鉱型 （六方晶） の結晶構造をとり六角対称であることから、 凹凸状表面を形 成する各々の平面と基底平面とのなす角度 Φは、 下式 （1) によって算出するこ とができる。 ここで、 （hj ― (h^k,) ） は凹凸状表面を形成する各々 の平面の面指数、 （h2k2— (h2+ k2) 12) は基底平面の面指数 （たとえば (000 1 ) ) 、 aは a軸長、 cは c軸長を示す。 なお、 凹凸基板の凹凸状表面 を形成する各々の平面と基底平面の面指数は、 XRD (X-ray Diffraction； X 線回折法） によって求めることができる。 数 1
(1 )
Figure imgf000006_0001
実施例
以下、 実施例に基づいて本発明にかかる発光装置を具体的に説明する。
(実施例 1 )
図 3に示すような、 凹凸ピッチ Pが 200 m、 凹凸高さ Hが 190 zmの凹 凸状表面 1 aを有し、 前記凹凸状表面 1 aを形成する各々の平面 1 bの面指数が (1 - 10 1) である G a N基板を用いて、 前記 G a N基板の凹凸状表面に、 M OC VD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成 長） 法によって、 n— G aN層 31を 5 m、 I n。2G aQ8N層 32を 3 n m、 p— A 1。2G a。8N層 33を 60 nm、 p— G a N層 34を 1 50 n m順次成長 させて、 図 1に示すような発光装置を得た。 分光器を用いて、 前記発光装置の発 光強度を測定した。 この発光装置は発光スぺクトルのピーク波長は 470 nmで あり、 以下の比較例 1の発光強度を 1. 0としたときのこの発光装置の発光強度 は 1. 9であった。 なお、 本実施例においては、 MOCVD法を用いて、 凹凸基 板の凹凸状表面上に半導体層を成長させたが、 その他 VP E (Vapor Phase Ep itaxy：気相ェピタキシャル成長） 法、 MBE (Molecular Beam Epitaxy：分 子線ェピタキシャル成長） 法など各種の方法によって半導体層を成長させること もできる。
(比較例 1)
図 5に示すような平面状表面 2 h (平面状であることから、 凹凸ピッチ Pは 0 mであり、 凹凸高さ Hは O im) を有し、 前記平面状表面 2 hの面指数が （0 00 1) である GaN基板を用いて、 実施例 1と同様に半導体層を順次成長させ て、 図 2に示すような発光装置を得た。 分光器を用いて、 前記発光装置の発光強 度を測定した。 この発光装置の発光スぺクトルのピ一ク波長は 470 nmであ り、 この発光装置の発光強度を 1. 0として実施例 1〜実施例 9の青色発光装置 の発光強度を評価した。
(実施例 2〜実施例 1 1、 比較例 2、 比較例 3 )
表 1〜表 3に示す基板、 半導体層構成を有する発光装置を MOCVD法により 作製し、 その発光スペクトルの波長と発光強度を測定した。 その結果を表 1〜表 3にまとめる。 なお、 表 1〜表 3における角度 φは、 凹凸基板の凹凸状表面を形 成する各々の平面の面指数と基底平面の面指数 （0001) から、 式 （1) によ つて算出したものである。
ここで、 表 1の実施例 1〜実施例 9および比較例 1はいずれも発光スぺクトル のピーク波長が 470 nmの青色発光装置の例であり、 実施例 1〜実施例 9の発 光強度は比較例 1の発光強度を 1 . 0としたときの相対値として表した。 また、 表 2の実施例 1 0および比較例 2は発光スぺクトルのピーク波長が 5 2 0 n mの 緑色発光装置の例であり実施例 1 0の発光強度は比較例 2の発光強度を 1 . 0と したときの相対値として表し、 表 3の実施例 1 1および比較例 3は発光スぺクト ルのピーク波長が 3 8 0 n mの紫外発光装置の例であり実施例 1 1の発光強度は 比較例 3の発光強度を 1 . 0としたときの相対値として表した。
表 1
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000010_0001
ε拏
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C.8.00/1-00idf/X3d 表 1〜表 3に示すように、 凹凸基板の凹凸状表面上に半導体層が形成されてい る本発明にかかる発光装置は、 その発光ピーク波長に拘わらず、 平面基板上に半 導体層が形成された従来の発光装置に比べて、 発光強度が 1 . 2倍〜 2 . 5倍に 増大した。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的な ものではないと考えられるべきである。 本発明の範囲は、 上記した説明でなくて 特許請求の範囲によって示され、 特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のす ベての変更が含まれることが意図される。 産業上の利用可能性
上記のように、 本発明にかかる発光装置においては、 凹凸基板の凹凸状表面上 に半導体層を形成することにより、 発光装置の大きさを変えることなく発光量を 増大させることができる。

Claims

請求の範囲
1. 凹凸基板の凹凸状表面上に半導体層が形成されていることを特徴とする発 光装置。
2. 凹凸基板および半導体層が A lxG ayI （ 0≤x、 0≤y, x + y ≤ 1 ) である請求項 1に記載の発光装置。
3. 凹凸基板の凹凸状表面を形成する各々の平面が、 Lを 1〜4の整数とする ときの （1 1一 2 L) および （1— 1 0 L) の中から選ばれる 1以上の面指数を 有する請求項 1または請求項 2に記載の発光装置。
4. 凹凸基板の凹凸状表面を形成する各々の平面と基底平面とのなす角度 Φ カ 、 3 5°〜8 0°である請求項 1または請求項 2に記載の発光装置。
PCT/JP2004/007873 2003-06-18 2004-05-31 発光装置 WO2004114420A1 (ja)

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