WO2007119619A1

WO2007119619A1 - ＧａＮ系半導体発光素子およびランプ

Info

Publication number: WO2007119619A1
Application number: PCT/JP2007/057159
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Osawa; Hironao Shinohara
Original assignee: Showa Denko K.K.
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2007-10-25
Also published as: CN101410992A; JP2007273659A; KR20080109835A; TW200805711A; EP2006921A4; EP2006921B1; EP2006921A1; KR101062544B1; US20090114933A1; TWI377698B; US7968361B2; JP4637781B2

Abstract

発光特性、及び光取り出し効率に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法およびランプが提供される。そのような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法では、凹凸形状が施された透光性を有する基板上に、少なくともバッファー層、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を有するＧａＮ系半導体発光素子の製造方法において、前記バッファー層を揺動式マグネトロン磁気回路を有するスパッタ装置を用いたスパッタ法により成膜する。また、前記バッファー層をＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｍｇ、Ｈｆで形成する。

Description

明細書

GaN系半導体発光素子およびランプ

技術分野

[0001] 本発明は発光素子に関し、特に、高い信頼性及び優れた光取り出し効率を有する発光素子の製造方法およびその製造方法を用いて製造した発光素子を備えるランプに関する。

本願は、 2006年 3月 31曰に、日本に出願された特願 2006— 096340号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

背景技術

[0002] 近年、短波長光発光素子用の半導体材料として窒化物系半導体である GaN系化合物半導体材料が注目を集めている。 GaN系化合物半導体は、サファイア単結晶をはじめ、種々の酸化物や III V族化合物を基板として、この基板上に有機金属気相化学反応法 (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。

[0003] 一般的な GaN系化合物半導体発光素子の構造として、サファイア単結晶基板を用レ、た場合、 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、図 1に示すような、 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が同一面上に存在する構造となる。このような GaN系化合物半導体発光素子には、透明電極を正極に使用して p型半導体側から光を取り出すフェイスアップ方式、 Agなどの高反射膜を正極に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の 2種類がある。

[0004] p型半導体上に透明電極を設ける場合、従来は Ni/Au等からなる金属透明電極が使用されていたが、発光素子の光取り出し効率を向上させるため、近年では IT〇等の透光性導電酸化膜が産業レベルで実用化され、積極的に用いられるようになつている。

[0005] このような発光素子の出力を向上させるための指標として、外部量子効率が用いられる。この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。 [0006] 外部量子効率は、内部量子効率と光取り出し効率を掛け合わせたものとして表される。内部量子効率とは、素子に注入した電流のエネルギーのうち、光に変換される割合である。一方。光取り出し効率とは、半導体結晶内部で発生した光のうち、外部に取り出すことができる割合である。

[0007] 光取り出し効率を向上させるためには、主として 2通りの方法がある。一つは、光取り出し面に形成される電極、保護膜などによる発光波長の吸収を低減させる方法が挙げられる。もう一つは、化合物半導体、電極、保護膜等、屈折率が異なる材料同士の界面で発生する反射損失を低減させる方法が挙げられる。

[0008] ここで、 Ni/Au等の金属透明電極が、 IT〇等の透光性導電酸化膜に置き替わつ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って発光波長の吸収を低減させることができたことが挙げられる。

[0009] 屈折率が異なる材料同士の界面で発生する反射損失を低減させる方法としては、光取り出し面に凹凸加工を施す技術が挙げられ、凹凸加工を施す方法として、化合物半導体そのものに凹凸加工を施した発光素子が提案されている（例えば、特許文献 1参照。）。

[0010] し力しながら、特許文献 1に記載の発光素子では、半導体材料に加工を施すために半導体層に負荷を掛け、ダメージを残してしまう。このため、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レ、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。

[0011] 化合物半導体そのものに凹凸加工するのではなぐサファイア基板上に凹凸を形成し、その上に化合物半導体を成長させることにより、結果として化合物半導体に凹凸を形成し光取り出し効率を向上させる方法が提案されている (例えば、特許文献 2 参照。）。

[0012] し力、しながら、特許文献 2に記載の発光素子では、サファイア基板上に凹凸をつけるために、その後に形成されるバッファ一層の成長にばらつきが生じてしまうために、安定的に化合物半導体を成長させることが難しいという問題がある。

特許文献 1：特許第 2836687号公報

特許文献 2：特開 2005— 64492号公報発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0013] 本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、凹凸形状の施されたサファイア基板に安定的にバッファ一層を形成することにより、その上に成長する GaN系半導体層の結晶性を向上させ、発光特性、及び光取り出し効率に優れた発光素子の製造方法、およびランプを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0014] 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。

[0015] 即ち、本発明は以下に関する。

(1)凹凸形状が施された透光性を有する基板上に、少なくともバッファ一層、 n型半導体層、発光層、 p型半導体層を有する GaN系半導体発光素子の製造方法であつて、前記バッファ一層をスパッタ法により成膜することを特徴とする GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

(2)前記スパッタ法を揺動式マグネトロン磁気回路を有する装置で行うことを特徴とする（1)に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

(3)前記バッファ一層が A1N、 Zn〇、 Mg、 Hfであることを特徴とする（1)または（2) に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

(4)前記バッファ一層が A1Nであることを特徴とする（1)または（2)に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

(5)前記透光性を有する基板がサファイア単結晶であることを特徴とする（1)〜（4) の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造法。

(6)前記凸形状が円錐台であり、円錐台の高さが、円錐台の下端の直径よりも大きいことを特徴とする（1)〜（5)の何れ力、 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

(7)前記凸形状が三角錐台、四角錐台、五角錐台、六角錐台などの多角錐台であり、多角錐台の高さが、多角錐台の下端の対角線よりも大きいことを特徴とする（1)〜（ 5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

(8)前記凸形状が円錐であり、円錐の高さが、円錐の下端の直径よりも大きいことを特徴とする（1)〜（5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

(9)前記凸形状が三角錐、四角錐、五角錐、六角錐などの多角錐であり、多角錐の高さが、多角錐の下端の対角線よりも大きレ、ことを特徴とする（1)〜（5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

(10)前記凸形状が円柱の場合、円柱の高さが、円柱の直径よりも大きいことを特徴とする（1)〜（5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

(11)前記凸形状が三角柱、四角柱、五角柱、六角柱などの多角柱であり、多角柱の高さが、多角柱の対角線よりも大きレ、ことを特徴とする（1)〜（5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

(12)前記凹形状が円錐台であり、円錐台の深さが、円錐台の上端の直径および上面の直径よりも大きいことを特徴とする（1)〜（5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

(13)前記凹形状が三角錐台、四角錐台、五角錐台、六角錐台などの多角錐台であり、多角錐台の深さが、多角錐台の上端の対角線よりも大きいことを特徴とする（1)〜 (5)の何れ力 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

(14)前記凹形状が円錐であり、円錐の深さ力円錐の上端の直径よりも大きいことを特徴とする（1)〜（5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

(15)前記凹形状が三角錐、四角錐、五角錐、六角錐などの多角錐であり、多角錐の深さが、多角錐の上端の対角線よりも大きレ、ことを特徴とする（1)〜（5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

(16)前記凹形状が円柱であり、円柱の深さ力円柱の直径よりも大きいことを特徴とする（1)〜（5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

(17)前記凹形状が三角柱、四角柱、五角柱、六角柱などの多角柱であり、多角柱の深さが、多角柱の対角線よりも大きレ、ことを特徴とする（1)〜（5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

(18)前記凹形状がストライプ状の溝であり、溝の深さが溝の幅よりも大きいこと特徴とする（1)〜（5)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。 (19) (1)〜（18)の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法を用いて製造した発光素子を備えるランプ。

発明の効果

[0016] 本発明の発光素子によれば、凹凸形状の施されたサファイア基板にスパッタ法によりバッファ一層を成膜するので安定的なバッファ一層が形成できる。さらに、スパッタ法に用いる装置が揺動式マグネトロン磁気回路を有していれば、より安定的にバッファ一層の形成が可能になる。

[0017] 安定的なバッファ一層を形成することにより、結晶性の高い GaN系半導体層を成長させることができ、発光層の発光特性に優れた GaN系半導体層を形成することができる。

[0018] 従って、発光層の発光特性、及び光取り出し効率に優れた発光素子が得られる。

[0019] また、本発明の発光素子の製造方法によれば、上述の構成により、発光層の発光特性、及び光取り出し効率に優れた発光素子を製造することができる。

[0020] また、本発明のランプは、本発明の発光素子を用いたものであるので、優れた発光特性

を持つものとなる。

図面の簡単な説明

[0021] [図 1]本発明の発光素子の断面を模式的に示した図である。

[図 2]基板にナノインプリント法を用いて凸部を形成した例である。

[図 3]基板にナノインプリント法を用いて凹部を形成した例である。

[図 4]固定式のマグネトロン磁気回路を用いたスパッタ装置での、スパッタ粒子の動きの例である。

[図 5]揺動式のマグネトロン磁気回路を用いたスパッタ装置での、スパッタ粒子の動きの例である。

[図 6]本発明の発光素子を用いて砲弾型のランプを作製した例である。

符号の説明

[0022] 101 基板 102 バッファ一層

103 n型半導体層

104 発光層

105 p型半導体層

106 透明電極

107 正極

108 負極

201 マグネトロン磁気回路

202 磁力線

203 ターゲット

204 プラズマ

205 スパッタ粒子

206 凹凸形状

30 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子

31 フレーム

32 フレーム

33 ワイヤー

34 ワイヤー

35 透明樹脂モールド

発明を実施するための最良の形態

[0023] 以下に、本発明の発光素子及びそれを用いたランプの一実施形態について、図 1

〜5を適宜参照しながら説明する。

[0024] 但し、本発明は以下の実施形態の各々に限定されるものではなぐ例えば、これら実施形態の構成要素同士を適宜組み合わせても良い。

[発光素子の全体構成]

図 1は本発明の発光素子の断面を模式的に示した図である。

[0025] 図 1において、符号 101は基板、 102はバッファ一層、 103は n型半導体層、 104 は発光層、 105は p型半導体層、 106は透明電極、 107は正極、 108は負極である。 (基板）基板 101としては、サファイア単結晶（Al O ； A面、 C面、 M面、 R面）、スピ

2 3

ネル単結晶（MgAl O )、 ZnO単結晶、 LiAlO単結晶、 LiGaO単結晶、 Mg〇単結

2 4 2 2

晶などの酸化物単結晶、 Si単結晶、 SiC単結晶、 GaAs単結晶、 A1N単結晶、 GaN 単結晶および ZrBなどのホウ化物単結晶などの基板材料が周知である。本発明に

2

おいても、これら周知の基板材料を含めて、透光性を有する如何なる基板材料を何ら制限なく用いることができる。これらの中でもサファイア単結晶が好ましい。なお、基板 101の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。

[0026] なお、本発明において、透光性とは GaN系半導体発光素子の発光領域に透光性を有するという意味であり、 400nm〜600nmの波長に 70%以上の透過率を有していれば良い。

(サファイア基板の加工方法）

サファイア基板に周期的な凹凸パターンを形成する方法としては、従来公知のフォトリソグラフィ一法を用いることができる。さらに、ナノインプリント法を用いることも可能である。

[0027] ナノインプリント法を用いる場合には、ニッケル等のマスクを使用し、このマスクにレジストを塗布し、酸化チタン系導電膜の表面にレジスト面を押し付けて転写する。それ以降の工程は、従来公知のフォトリソグラフィ一と同様である。

[0028] なお、上記ナノインプリント法を用いた場合、レジストの付いたマスクを直接サフアイァ基板上に押し付けるので、マスクの損傷が問題になる場合がある。この問題を回避するためには、マスクから PVAなどの水溶性の樹脂でレプリカを作成し、そのレプリ力にレジストを塗布して、レプリカを酸化チタン系導電膜に押し付けて転写する方法が有効である。この方法では、マスクから直接転写しない方法であるため、マスクが損傷することが無レ、。また、 PVAは樹脂であるので、レプリカ作成時のマスクの損傷はほとんど無レ、。また、レプリカは 1回限りしか使用できなレ、が、 PVAが安価であるため、量産上は問題にならない。また、レプリカは水溶性であることから、レジスト転写後、水によって容易に除去できるという利点もある。

[0029] 凹凸の形状には、主として図 2に示す凸型と、図 3に示す凹型があり、どちらも用いること力 Sできる。

[0030] 凸部の形状は、特に限定されないが、円柱、三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等の多角柱、円錐、三角錐、四角錐、五角錐、六角錐の多角錐、円錐台、三角錐台、四角錐台、五角錐台、六角錐台の多角錐台等の形状が挙げられ、適宜選択することがでる。また、図 1に示す発光素子 1の断面形状において、基板の凸部の下端幅寸法が上端幅寸法と同じか、または大きくなるような形状とすることが好ましい。

[0031] また、凸部の大きさは特には限定されないが、凸部底面の直径あるいは対角線の長さがが 0. 1 μ m〜10 μ mの範囲であることが好ましい。

[0032] 凸部底面の直径あるいは対角線の長さを 0. 1 μ m未満に形成することは、フォトリソグラフィ一法を用いれば可能であるが、高コストになってしまう。また、発光素子の大きさは一般的に 100 μ m〜2000 μ mであるので、凸部底面の直径あるいは対角線の長さが 10 μ mを超えると、大きすぎて充分な光取り出し効率を得ることができなレヽ。さらに好ましくは 0. l /i m〜2 /i mの範囲である。

[0033] 凸部の間隔は、周期的であれば特に限定されないが、 0. 1 μ ΐη〜10 /ι πιの範囲であることが好ましい。

[0034] 凸部の間隔を 0· 1 _β m未満に形成することは、フォトリソグラフィ一法を用いれば可能であるが、高コストになってしまう。また、発光素子の大きさは一般的に 100 /i m〜 2000 /i mであるので、凸部の間隔が 10 /i mを超えると、大きすぎて充分な光取り出し効率を得ることができなレ、。さらに好ましくは 0. l /i m〜2 /i mの範囲である。

[0035] 凸部の高さは、特に限定されないが、 0. 1 μ ΐη〜2. 0 /i mの範囲であることが好ましい。

[0036] 凸部の高さが 0. l z m未満だと、高さが充分でないため、光取り出し効率の向上には寄与しなレ、。また、凸部の高さが 2. O x mを超える場合、光取り出し効率の向上には寄与するものの、生産性が大幅に低下するので適さなレ、。

[0037] また、凸部の大きさは、（凸部底面の直径あるいは対角線の長さ） < (凸部高さ）の関係であることが、より好ましい。この関係とすることにより、光取り出し効率をより効果的に向上させることができる。

より具体的には、凸形状が円錐台の場合、円錐台の高さが、円錐台の下端の直径よりも大きいことが好ましい。

[0038] 凸形状が三角錐台、四角錐台、五角錐台、六角錐台などの多角錐台の場合、多角錐台の高さが、多角錐台の下端の対角線よりも大きいことが好ましい。

[0039] 凸形状が円錐の場合、円錐の高さが、円錐の下端の直径よりも大きいことが好ましレ、。

[0040] 凸形状が三角錐、四角錐、五角錐、六角錐などの多角錐の場合、多角錐の高さが、多角錐の下端の対角線よりも大きレ、ことが好ましレ、。

[0041] 凸形状が円柱の場合、円柱の高さが、円柱の直径よりも大きいことが好ましい。

[0042] 凸形状が三角柱、四角柱、五角柱、六角柱などの多角柱の場合、多角柱の高さが、多角柱の対角線よりも大きいことが好ましい。

[0043] 凸形状がストライプ状の溝の場合、溝の深さが溝の幅よりも大きいことが好ましい。

[0044] 凹部の形状は、特に限定されないが、円柱、三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等の多角柱、円錐、三角錐、四角錐、五角錐、六角錐の多角錐、円錐台、三角錐台、四角錐台、五角錐台、六角錐台の多角錐台等の形状が挙げられ、適宜選択することがでる。また、図 1に示す発光素子 1の断面形状において、基板の凹部の上端幅寸法が下端幅寸法と同じか、または大きくなるような形状とすることが好ましい。

[0045] また、凹部の大きさは特には限定されないが、凹部上端の直径あるいは対角線の長さがが 0. 1 μ m〜10 μ mの範囲であることが好ましい。

[0046] 凹部底面の直径あるいは対角線の長さを 0. 1 μ m未満に形成することは、フォトリソグラフィ一法を用いれば可能である力高コストになってしまう。また、発光素子の大きさは一般的に 100 μ m〜2000 μ mであるので、凹部上端の直径あるいは対角線の長さが 10 μ mを超えると、大きすぎて充分な光取り出し効率を得ることができなレヽ。さらに好ましくは 0. 1 111〜2 111の範囲である。

[0047] 凹部の間隔は、周期的であれば特に限定されないが、 0. l x m〜10 z mの範囲であることが好ましい。

[0048] 凹部の間隔を 0. 1 μ m未満に形成することは、フォトリソグラフィ一法を用いれば可能であるが、高コストになってしまう。また、発光素子の大きさは一般的に 100 z m〜 2000 z mであるので、凹部の間隔が 10 z mを超えると、大きすぎて充分な光取り出し効率を得ることができなレ、。さらに好ましくは 0. l /i m〜2 /i mの範囲である。

[0049] 凹部の深さは、特に限定されないが、 0. 1 μ ΐη〜2. 0 /i mの範囲であることが好ましい。

[0050] 凹部の深さが 0. 1 z m未満だと、高さが充分でないため、光取り出し効率の向上には寄与しなレ、。また、凹部の深さが 2. O x mを超える場合、光取り出し効率の向上には寄与するものの、生産性が大幅に低下するので適さなレ、。

[0051] また、凹部の大きさは、（凹部上端の直径あるいは対角線の長さ） < (凸部高さ）の関係であることが、より好ましい。この関係とすることにより、光取り出し効率をより効果的に向上させることができる。

より具体的には、凹形状が円錐台の場合、円錐台の深さが、円錐台の上端の直径および上面の直径よりも大きいことが好ましい。

[0052] 凹形状が三角錐台、四角錐台、五角錐台、六角錐台などの多角錐台の場合、多角錐台の深さが、多角錐台の上端の対角線よりも大きいことが好ましい。

[0053] 凹形状が円錐の場合、円錐の深さが、円錐の上端の直径よりも大きいことが好ましレ、。

[0054] 凹形状が三角錐、四角錐、五角錐、六角錐などの多角錐の場合、多角錐の深さが、多角錐の上端の対角線よりも大きレ、ことが好ましレ、。

[0055] 凹形状が円柱の場合、円柱の深さが、円柱の直径よりも大きいことが好ましい。

[0056] 凹形状が三角柱、四角柱、五角柱、六角柱などの多角柱の場合、多角柱の深さが、多角柱の対角線よりも大きいことが好ましい。

[0057] 凹形状がストライプ状の溝の場合、溝の深さが溝の幅よりも大きいことが好ましい。

[0058] (スパッタ方法）

バッファ一層は一般的には MOCVD法により積層されるが、基板に凹凸形状が施されている場合、基板表面で M〇ガスの流速が乱れてしまうために、安定したバッファ一層を積層することが困難である。特に、（凸部底面の直径あるいは対角線の長さ) < (凸部高さ）の関係であると、凸部底面にまで安定的にバッファ一層を形成することはさらに難しくなる。

[0059] スパッタ法は、スパッタ粒子の直進性が高いので、凹凸形状には特に影響を受けずに成膜することが可能である。さらに、揺動式マグネトロン磁気回路を有するスパッタ法がより好ましい。

[0060] その原理について図 4、 5を用いて説明する。凹凸形状は極めて小さいの本説明では点 206として扱う。図 4に示すようにマグネトロン磁気回路が固定式であると、凹凸形状 206に入射するスパッタ粒子の方向は一方向に限られてしまう。一方、図 5に示すように、マグネトロン磁気回路が揺動する方式であると、凹凸形状 206に入射するスパッタ粒子の方向はさまざまな向きを取ることができる。スパッタ粒子が一方向からしか入らないと凹凸形状の場合、どうしても影が出来てしまうので成膜されない部分ができてしまう。一方、スパッタ粒子がさまざまな方向から入ってくる場合は、影が出来に《凹凸形状の全面に渡った成膜が可能になる。

[0061] 揺動の方式は、どのような動きでも可能である力ターゲットに対して平行に移動することが好ましい。均一な膜厚を保っために、移動は往復運動であることが好ましい。移動速度は一定の移動速度でも構わないし、さらに、単振動揺動機構を有し往復運動の端部では遅ぐ往復運動の中心部では最も速くした方が、より膜厚の均一を得ること力 Sできる。

[0062] 成膜方式は DC, RFいずれも可能である。 A1Nを成膜する場合は、 A1Nターゲットを用いて RFで成膜しても構わないし、 A1ターゲットを用いて N2中で反応性スパッタをして成膜しても構わなレ、。反応性スパッタは RF, DCどちらでも可能である力絶縁性の堆積物がターゲット上に付着して異常放電が生じる場合があるので、 RFの方が好ましい。

[0063] (GaN層）基板 101上には、通常、バッファ一層としての GaN層 102を介して、 Ga N系半導体からなる n型半導体層、発光層および p型半導体層が積層される。本発明においてはバッファ一層はスパッタにより成膜される。

[0064] GaN系半導体としては、例えば一般式 Al Ga In N M (0≤X≤ 1、 0≤Y≤ 1、

X Y Z l-A A

0≤Z≤1で且つ、 X + Y + Z= l。記号 Mは窒素（N)とは別の第 V族元素を表し、 0 ≤A< 1である。）で表わされる GaN系半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の GaN系半導体を含めて一般式 Al Ga In N M (0≤X≤1、 0≤

X Y Z l-A A

Y≤l、 0≤Z≤1で且つ、 X + Y + Z = l。記号 Mは窒素（N)とは別の第 V族元素を表し、 0≤A< 1である。）で表わされる GaN系半導体を何ら制限なく用いることができる。 GaN系半導体は、 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、 Be、 P、 Asおよび Bなどの元素を含有することもできる。さらに、意識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

[0065] GaN系半導体の成長方法は特に限定されず、 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）、など GaN系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。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点から MOCVD法である。

[0066] MOCVD法では、キャリアガスとして水素（H )または窒素（N )、 III族原料である G

2 2

a源としてトリメチルガリウム (TMG)またはトリェチルガリウム (TEG)、 A1源としてトリメチルアルミニウム（TMA)またはトリェチルアルミニウム（TEA)、 In源としてトリメチルインジウム (TMI)またはトリェチルインジウム (TEI)、 V族原料である N源としてアンモニァ（NH )、ヒドラジン (N H )などが用いられる。また、ドーパントとしては、 n型に

3 2 4

は Si原料としてモノシラン（SiH )またはジシラン（Si H )を、 Ge原料としてゲルマン

4 2 6

ガス（GeH )や、テトラメチルゲルマニウム（（CH ) Ge)ゃテトラェチルゲルマニウム（

4 3 4

(C H ) Ge)等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。

2 5 4

[0067] 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ェニルマグネシウム（Cp Mg)またはビスェチ

2

ノレシクロペンタジェ二ノレマグネシウム（EtCp Mg)を用いる。

2

[0068] n型半導体層 2は、通常、下地層、 nコンタクト層および nクラッド層から構成される。

nコンタクト層は下地層および/または _nクラッド層を兼ねることができる。下地層は A1

Ga N層（0≤χ≤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

X 1— X

成されることが好ましレ、。その膜厚は 0. l x m以上、好ましくは 0. 以上、さらに好ましくは 1 μ m以上である。この膜厚以上にした方が結晶性の良好な Al Ga N

X 1—X 層が得られやすい。

[0069] 下地層には n型不純物を 1 X 10¹⁷〜1 X 10¹⁹/cm³の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（く 1 X 10¹⁷/cm³)の方が良好な結晶性の維持という点で好ましレ、。 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である。

[0070] 下地層を成長させる際の成長温度は、 800〜： 1200°Cが好ましぐさらに好ましくは 1000〜： 1200°Cの範囲に調整する。この成長温度範囲内で成長させれば結晶性の良いものが得られる。また、 MOCVD成長炉内の圧力は 15〜40kPaに調整する。 nコンタクト層としては、下地層と同様に Al Ga N層（0≤χ≤1、好ましくは 0≤x

X 1—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コンタクト層には _n型不純物がドープされていることが好ましぐ n型不純物を 1 X 10¹⁷〜1 X 1 0¹⁹/cm³、好ましくは 1 X 10¹⁸〜1 X 10¹⁹/cm³の濃度で含有すると、負極との良好なォーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましレ、。 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である。成長温度は下地層と同様である。

[0071] nコンタクト層を構成する GaN系半導体は、下地層と同一組成であることが好ましく、 nコンタクト層と下地層との合計の膜厚を 1〜20 μ m、好ましくは 2〜： 15 /i m、さらに好ましくは 3〜： 12 μ ΐηの範囲に設定することが好ましい。 nコンタクト層と下地層との合計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。

[0072] nコンタクト層と発光層 3との間には、 nクラッド層を設けることが好ましい。 nコンタクト層の表面に生じた平坦性の悪化を坦めることできるからである。 nクラッド層は AlGaN 、 GaN、 GalnNなどで形成することが可能である。また、これらの構造のへテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。 nクラッド層を GalnNで形成する場合には、発光層 3の GalnN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。

[0073] nクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは 0. 005-0. 5 mであり、より好ましくは 0. 005〜0. l x mである。 nクラッド層の n型ドープ濃度は 1 X 10¹⁷〜1 X 10²°/cm³が好ましぐより好ましくは 1 X 10¹⁸〜1 X 10¹⁹Zcm³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レ、。 [0074] n型半導体層 2の上に積層される発光層としては、 GaN系系半導体、好ましくは Ga In N (0< s< 0. 4)の GaN系半導体からなる発光層が本発明では通常用いられる

1-s s

。発光層 3の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が挙げられ、例えば好ましくは 1〜： !Onmであり、より好ましくは 2〜6n mである。発光層の膜厚が上記範囲であると発光出力の点で好ましい。

[0075] また、発光層は、上記のような単一量子井戸（SQW)構造の他に、上記 Ga In N

1-s s を井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きい Al N (0≤c < 0. 3)障壁層とからなる多重量子井戸（MQW)構造としてもよい。また、井戸層および障壁層には、不純物をドープしてもよい。

[0076] Al Ga N障璧層の成長温度は 700°C以上とすることが好ましぐさらに好ましくは 8 00〜： 1100°Cで成長させると結晶性が良好になるため好ましレ、。 GalnN井戸層は 60 0〜900°C、好ましくは 700〜900°Cで成長させる。すなわち MQWの結晶性を良好にするためには層間で成長温度を変化させることが好ましい。

[0077] p型半導体層は、通常、 pクラッド層および pコンタクト層から構成される。しかし、 pコンタクト層が pクラッド層を兼ねてもよい。

[0078] pクラッド層としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層 3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、 Al Ga N (0< d≤0. 4、好ましくは 0. l≤d≤0. 3)のものが挙げられる。 pクラ d 1-d

ッド層が、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レ、。 pクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは l〜400nmであり、より好ましくは 5〜100nmである。 pクラッド層の p型ドープ濃度は、 1 X 10¹⁸〜1 X 10²¹/c m³が好ましぐより好ましくは 1 X 10¹⁹〜1 X 10^2Q/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。

[0079] pコンタクト層は、少なくとも Al Ga N (0≤e < 0. 5、好ましくは 0≤e≤0. 2、より好 e 1-e

ましくは 0≤e≤0. 1)を含んでなる GaN系半導体層である。 A1組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持および pォーミック電極との良好なォ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 X 10¹⁸〜1 X 10²¹/cm³の濃度で、好ましくは 5 X 10¹⁹〜5 X 10²°/cm³の濃度で含有していると、良好なォ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。膜厚は、特に限定されないが、 0. 0 ：!〜 0. 5 /1 111カ子ましく、より好ましくは 0. 05〜0. 2 μ mである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。

(電極）

透光性正極は、少なくとも p型半導体層と接する透光性導電酸化膜層からなる。透光性導電酸化膜層上の一部には、回路基板またはリードフレーム等との電気接続のための正極ボンディングパッドが設けられる。

诱光性正極は、 ITO (In O _Sn〇）、 ΑΖηΟ (ΖηΟ_Α1〇

2 3 2 2 3

)、 IZn〇（In O—ZnO)、 GZ〇（Zn〇_Ga O )力少なくとも一種類を含んだ材料

2 3 2 3

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、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。

[0080] 透光性正極は、 p型半導体層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ゃ樹形状に形成しても良い。透光性正極を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱ァニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。

[0081] 正極ボンディングパッドは、透光性正極上に設けられ、正極ボンディングパッドの材料としては、 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、構造のものを何ら制限無く用いることができる。

[0082] 正極ボンディングパッドの厚さは、 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、厚さが大きい方力 S、ボンダピリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド 17の厚さは 300nm以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から 500nm以下とすることが好ましレ、。

[0083] 負極ボンディングパッドは、基板上に、 n型半導体層、発光層および p型半導体層が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体の前記 n型半導体層に接するように形成される。

[0084] このため、負極ボンディングパッドを形成する際は、発光層および p型半導体層の一部を除去して n型半導体層の n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を形成する。 [0085] 負極ボンディングパッドの材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極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。

(ランプの説明）

以上、説明したような本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば、当業者周知の手段により、透明カバーを設けてランプを構成することができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と、蛍光体を有するカバーとを組み合わせることにより、白色のランプを構成することもできる。

[0086] また、例えば、図 6に示すように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、従来公知の方法を用いてなんら制限無く LEDランプとして構成することができる。ランプとしては、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、何れの用途にも用いることができる。例えば、図 1に示したフェイスアップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を砲弾型に実装する場合、図示例のように、 2本のフレーム 31、 32の一方に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 30を樹脂などで接着し、正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッドを金等の材質からなるワイヤー 33、 34用いて、それぞれフレーム 31、 32 に接合する。その後、透明樹脂で素子周辺をモールド 35することにより、砲弾型のランプを作製することができる。

実施例

[0087] 次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではなレ、。

(実施例 1)

図 1に、本実験例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図を示す。

(凹凸形状を有するサファイア基板の作成）

基板にはサファイア単結晶を用い、公知のフォトリソグラフィ一法を用いて、サフアイァ単結晶基板上に凹形状を形成した。サファイア単結晶基板のエッチングには BC1

3 をエッチングガスとして用いた。凹形状は円錐台形状 (上端寸法 4 μ ΐη、下端寸法 2 β m、高さ 6 μ m、周期 8 μ m)を形成した。

(スパッタ法）

RFスパッタにより A1Nを成膜した。ターゲットは A1を用い Nとの反応性スパッタで A

2

INを形成した。揺動式マグネトロン磁気回路を用いて、単振動揺動機構にて往復運動（1往復、 30秒）をさせて成膜した。基板温度は 700°Cとし、膜厚 50nm成膜した。 (窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製）

スパッタにより、 A1Nからなるバッファ層を成膜した後、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した。この窒化ガリウム系化合物半導体層は、厚さのアンドープ Ga Nからなる下地層、厚さ 2 μ mの Geドープ η型 GaNコンタクト層および厚さ 0. 02 μ m の n型 In Ga Nクラッド層がこの順序で積層された n型半導体層、厚さ 16nmの Si

0. 1 0. 9

ドープ GaN障壁層および厚さ 2. 5nmの In Ga N井戸層を 5回積層し、最後に

0. 06 0. 94

障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層、および厚さ 0. 01 x mの Mgドープ p 型 Al Ga Nクラッド層と厚さ 0. 18 /i m Mg —7°p¾Al Ga Nコンタクト

0. 07 0. 93 0. 02 0. 98 層がこの順序で積層された p型半導体層からなり、各層をこの順で積層して形成した

。光取り出し面は半導体側とした。

[0088] この構造において、 n型 GaNコンタクト層のキャリア濃度は 1 X 10¹⁹cm_³であり、 Ga N障壁層の Siドープ量は 1 X 10¹⁷cm_³であり、 p型 AlGaNコンタクト層のキャリア濃度は 5 X 10¹⁸cm_³であり、 p型 AlGaNクラッド層の Mgドープ量は 5 X 10¹⁹cm_³であつに。

[0089] また、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は MOCVD法により、当該技術分野におレ、てよく知られた通常の条件で行なった。

[0090] そして、この窒化ガリウム系化合物半導体層に、負極を形成する領域の n型 GaNコンタクト層を反応性イオンエッチング法により露出させた。この際、まず、レジストを p型半導体層の全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、負極形成領域力レジストを除去した。そして、真空蒸着装置内にセットして、圧力 4 X 10_⁴ Pa以下で Niおよび Tiをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約 50nmおよび 3 OOnmとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、負極形成領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。 [0091] 次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を 10_⁴Paに減圧した後、エッチングガスとして C1を供給し

2 て n型 GaNコンタクト層が露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。

(透光性正極の形成）

次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、 p型 AlGaNコンタクト層表面の正極を形成する領域にのみ、 IT〇からなる電流拡散層（透光性正極）を形成した。電流拡散層の形成においては、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を真空スパッタ装置内に入れ、 ρ型 AlGaNコンタクト層上に ΙΤΟを 30 Onm積層した。そして、真空室から取り出した後、透明化のための熱処理を実施した

(ボンディングパッドの形成）

次に、正極ボンディングパッドおよび負極ボンディングパッドを、以下のような手順で形成した。

[0092] まず、通常、リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに、同様の積層方法により、 ITO膜上の一部に Auからなる第 1の層、 Tiからなる第 2の層、 A1からなる第 3の層、 Tiからなる第 4の層、 Auからなる第 5の層を順に積層し、 5層構造の正極ボンディングパッド 17を形成した。ここで、 Au/Ti/Al/Ti/Auからなる各層の厚さは、それぞれ、 50/20/10/100/500 とした。

[0093] 次に、負極ボンディングパッド 18を、上述した反応性イオンエッチング法により露出した n型 GaNコンタクト層上に、以下の手順により形成した。

[0094] まず、レジストを、 n型 GaNコンタクト層の露出した領域全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、露出した n型 GaNコンタクト層上の負極形成部分力レジストを除去した。そして、通常用レ、られる真空蒸着法により、半導体側から順に、 Tiが 100nm Auが 500nmの厚さとされた負極ボンディングパッドを形成した。その後、レジストを公知の方法により除去した。

[0095] このようにして、正極および負極を形成したゥハを、基板裏面を研削'研磨することにより、基板の板厚を 80 / mまで薄くして、レーザスクライバを用いて半導体積層側から鄞書き線を入れた後、押し割って、 350 μ ΐη角のチップに切断した。

(駆動電圧 (Vf)及び発光出力（Po)の測定）

これらのチップを、プローブ針による通電で電流印加値 20mAにおける順方向電圧（駆動電圧: Vf)の測定をしたところ 3. 3Vであった。

[0096] また、チップを T〇_ 18缶パッケージに実装して、テスターによって発光出力を計測したところ、印加電流 20mAにおける発光出力は 16mWを示した。また、その発光面の発光分布は透光性正極表面の全面で発光しているのが確認できた。

(比較例 1)

スパッタ法のかわりに MOCVD法を用いて A1Nバッファ一層を形成した以外は、実施例 1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。

[0097] これらのチップを、プローブ針による通電で電流印加値 20mAにおける順方向電圧（駆動電圧: Vf)の測定をしたところ 3. 3Vであった。

[0098] また、チップを TO— 18缶パッケージに実装して、テスターによって発光出力を計測したところ、印加電流 20mAにおける発光出力は 13mWを示した。また、その発光面の発光分布は透光性正極表面の全面で発光しているのが確認できた。

(比較例 2)

サファイア基板に凹凸形状を形成しなかった以外は、実施例 1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。

[0099] これらのチップを、プローブ針による通電で電流印加値 20mAにおける順方向電圧（駆動電圧: Vf)の測定をしたところ 3. 3Vであった。

[0100] また、チップを T〇_ 18缶パッケージに実装して、テスターによって発光出力を計測したところ、印加電流 20mAにおける発光出力は 12mWを示した。また、その発光面の発光分布は透光性正極表面の全面で発光しているのが確認できた。

[0101] 比較例 1 , 2からサファイア基板に凹凸を形成した方が出力が向上していることが分かる力実施例 1と比較例 1からサファイア基板に凹凸を形成し、さらにスパッタ法によりバッファ一層を形成したほうが、より出力が向上していることが分かる。

産業上の利用可能性本発明は、発光素子に適用でき、特に高い信頼性及び優れた光取り出し効率を有する発光素子の製造方法およびその製造方法を用いて製造した発光素子を備えるランプに適用できる。

Claims

請求の範囲

[I] 凹凸形状が施された透光性を有する基板上に、少なくともバッファ一層、 n型半導体層、発光層、 p型半導体層を有する GaN系半導体発光素子の製造方法であって、前記バッファ一層をスパッタ法により成膜することを特徴とする GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

[2] 前記スパッタ法を揺動式マグネトロン磁気回路を有する装置で行うことを特徴とする請求項 1に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

[3] 前記バッファ一層が A1N、 Zn〇、 Mg、 Hfであることを特徴とする請求項 1または 2に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

[4] 前記バッファ一層が A1Nであることを特徴とする請求項 1または 2に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

[5] 前記透光性を有する基板がサファイア単結晶であることを特徴とする請求項 1〜4の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造法。

[6] 前記凸形状が円錐台であり、円錐台の高さが、円錐台の下端の直径よりも大きいことを特徴とする請求項：!〜 5の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

[7] 前記凸形状が三角錐台、四角錐台、五角錐台、六角錐台などの多角錐台であり、、多角錐台の高さが、多角錐台の下端の対角線よりも大きいことを特徴とする請求項 1 〜5の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

[8] 前記凸形状が円錐であり、円錐の高さが、円錐の下端の直径よりも大きいことを特徴とする請求項:!〜 5の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

[9] 前記凸形状が三角錐、四角錐、五角錐、六角錐などの多角錐であり、多角錐の高さが、多角錐の下端の対角線よりも大きいことを特徴とする請求項 1〜5の何れ力 4項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

[10] 前記凸形状が円柱の場合、円柱の高さが、円柱の直径よりも大きいことを特徴とする請求項:!〜 5の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導体発光素子の製造方法。

[II] 前記凸形状が三角柱、四角柱、五角柱、六角柱などの多角柱であり、多角柱の高さ力多角柱の対角線よりも大きいことを特徴とする請求項 1〜5の何れ力 1項に記載の

GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

[12] 前記凹形状が円錐台であり、円錐台の深さが、円錐台の上端の直径および上面の直径よりも大きいことを特徴とする請求項 1〜5の何れ力、 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

[13] 前記凹形状が三角錐台、四角錐台、五角錐台、六角錐台などの多角錐台であり、多角錐台の深さが、多角錐台の上端の対角線よりも大きいことを特徴とする請求項：!〜

5の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

[14] 前記凹形状が円錐であり、円錐の深さが、円錐の上端の直径よりも大きいことを特徴とする請求項:!〜 5の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

[15] 前記凹形状が三角錐、四角錐、五角錐、六角錐などの多角錐であり、多角錐の深さが、多角錐の上端の対角線よりも大きいことを特徴とする請求項 1〜5の何れ力 4項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

[16] 前記凹形状が円柱であり、円柱の深さが、円柱の直径よりも大きいことを特徴とする請求項:!〜 5の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

[17] 前記凹形状が三角柱、四角柱、五角柱、六角柱などの多角柱であり、多角柱の深さ力多角柱の対角線よりも大きいことを特徴とする請求項 1〜5の何れ力 1項に記載の

GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

[18] 前記凹形状がストライプ状の溝であり、溝の深さが溝の幅よりも大きいこと特徴とする請求項:!〜 5の何れか 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法。

[19] 請求項:!〜 18の何れ力 1項に記載の GaN系半導体半導発光素子の製造方法を用レ、て製造した発光素子を備えるランプ。