JP2007173579A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくともｎＧａＮ層、発光層およびｐＧａＮ層を積層して成る半導体発光素子において、ｎＧａＮ層まで彫り込んで反射鏡を作成し、光取出し効率を向上するにあたって、前記反射鏡の形成による発光層の面積の減少を抑える。
【解決手段】前記反射鏡となる溝１９とともに、該反射鏡の間に、発光層１５を貫通することなく、光の角度変換作用を有する微小凹凸２２を形成する。したがって、反射鏡をむやみに形成することなく、これによって発光層１５の面積の減少を抑えつつ、反射鏡への光の入射量を増加させ、光取出し効率を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体発光素子およびその製造方法に関する。

近年、III−Ｎ化合物（以下、ナイトライドと呼ぶ）を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体固体発光素子の発展が目覚しい。前記III−Ｎ化合物として最もよく用いられているのが前記ナイトライドのＧａＮであるが、このＧａＮを始めとして、ナイトライドの屈折率は１より大きく、大気中への光の取出しに課題がある。ＧａＮの場合を例にとると、屈折率が約２．５であり、ＧａＮと大気との境界の法線に対して、２３．６度（以下、この法線に対して２３．６度より小さい領域で形成された円錐領域をエスケープコーンと呼ぶ）より大きい角度で境界に入射された光は、大気中に放射されず、境界面で全反射され、ＧａＮの中へ閉込められてしまう。

その閉込められた光の一部は発光層に再吸収され、電子―正孔対発生と再結合とによって再発光に寄与するが、その再発光した光も一部のエスケープコーン内で発光されれば大気中へ放射されるが、大部分のエスケープコーン外で発光された光は再びＧａＮ中に閉込められる。そして、閉込められた光は、結晶や電極材料に再吸収されて熱に変化してしまう。このため、平坦なＧａＮ層では、この屈折率による全反射のために発光効率を向上することは難しいという問題がある。

そこで、このような課題に対して、たとえば特許文献１では、光取出し面に矩形の凹凸を形成しておくことで、前記光取り出し面で光が反射する際に、凹部と凸部とでそれぞれ反射される光が互いの位相のλ／２だけ異なって打消し合い、反射が低減して、結果的に光取り出し効率を向上するように工夫されている。

しかしながら、その従来技術では、表面付近に凹凸が形成されるので、発光層から面方向に放射された光は、なかなか凹凸に捉えられないという問題がある。そこで、このような課題に対して、特許文献２が提案された。

図７は、その特許文献２による発光ダイオード１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード１は、大略的に、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）などの基板２上に、ｎ型のバッファ層３、ｎＧａＮ層４、発光層５、ｐＧａＮ層６が順に形成され、発光層５で発生した光をサファイア基板２側から取出すフリップチップ（フェイスダウン）タイプの発光ダイオードである。前記ｎＧａＮ層４上で、一部分の発光層５およびｐＧａＮ層６が除去されてｎ型電極７が形成され、前記ｐＧａＮ層６上にｐ型電極８が形成される。

この従来技術で注目すべきは、ｐＧａＮ層６から発光層５を超えて、ｎＧａＮ層４へ達する溝９が刻設され、その溝９の内面に、透明絶縁膜１０が形成され、さらに前記ｐ型電極８が形成されることで、前記溝９の内面におけるｐ型電極８の部分８ａが、反射鏡となることである。この反射鏡を形成することで、たとえば矢符Ｆ１で示すように、発光層５の遠くの位置から前記のような面方向に放射された光を、基板２方向に反射させて角度変換することができ、ＧａＮから空気層または該基板２のエスケープコーン内に入射させ、光取出し効率が向上されている。
特開平７−２０２２５７号公報 特表２００４−５０６３３１号公報

上述の従来技術では、確かに、発光層５の遠くの位置から面方向に放射された光も、ＧａＮ層内を多重反射することで、前記反射鏡に入射し、外部へ取出すことができるようになる。しかしながら、矢符Ｆ２で示すような多重反射の際に、ｐＧａＮ層６の表面のｐ型電極８（参照符号α１で示す部分）やｎＧａＮ層４側の基板２（参照符号α２で示す）、或いは内部の結晶欠陥などによって吸収される割合が高くなる。このため、少ない反射回数で前記反射鏡に光が入射するように反射鏡の間隔を短くすることが望ましい。

一方、溝９は、深い方がその効果は高く、またテーパ形状の方が効果が高い。したがって、この溝９を多く形成すると、発光層５の面積が減少し、発光量自体が減少してしまうという問題がある。

本発明の目的は、発光量の減少を抑えつつ、光取出し効率を向上することができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、少なくともｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順次積層させて成り、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層側へ達する溝が刻設され、その溝の内面に反射鏡が形成されて成る半導体発光素子において、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層に、前記発光層まで到達しない微小凹凸をさらに有することを特徴とする。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、少なくともｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順次積層させて成る半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層側へ到達する溝を刻設する工程と、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層に、前記発光層まで到達しない微小凹凸を刻設する工程と、前記溝の内面に反射鏡を形成する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、発光ダイオードなどとして実現され、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体（ｎＧａＮ）層またはｎ型酸化物半導体層、発光層（活性層）およびｐ型窒化物半導体（ｐＧａＮ）層またはｐ型酸化物半導体層を順次積層させて成り、或いは成長後に前記基板を除去して成り、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層側へ到達する（彫り込まれた）溝の内面に反射鏡を形成することで、発光層から出た光が、直接前記反射鏡に入射し、または多重反射して入射することによって、反射された光が基板側に臨界角以下で入射し、外部へ取出し可能となることで、光取出し効率を向上するようにした半導体発光素子において、前記反射鏡と共に、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層に、前記発光層まで到達しないものの、基板やｐ型電極などへの光の入射角の角度変換作用を有する微小凹凸を形成する。

一方、前記微小凹凸を形成しなくても、前記発光層で発生された光は、ＧａＮ層内を多重反射することで、前記反射鏡に入射し、外部へ取出せるようになる可能性はあるものの、その多重反射の際に、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層表面の電極やｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層側の基板、或いは内部の結晶欠陥などによって吸収される割合が高くなる。このため、少ない反射回数で前記反射鏡に光が入射するように反射鏡の間隔を短くすると、発光層の面積が減少し、発光量が減少してしまう。

したがって、反射鏡の間に、発光層を貫通することなく、光の角度変換作用を有する微細な凹凸を形成することで、発光層の面積の減少を抑えつつ、反射鏡への光の入射量を増加させ、多重反射成分が臨界角以下に角度変換されて基板側に入射され易くなる。これによって、光取出し効率を向上することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、前記微小凹凸の断面形状が、台形または半円形状であることを特徴とする。

上記の構成によれば、凹部の底部に電極材が入り易くすることができ、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極との間の抵抗を小さくすることができる。

また、本発明の半導体発光素子では、前記溝は、テーパ面を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、断面形状が矩形の溝に比べて、光取出し効率を向上することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、上記形状を、ナノインプリントリソグラフィー法によって作製することを特徴とする。

上記の構成によれば、微小凹凸と、反射鏡用の溝とを、角度、ピッチ等、狙いの形状に作製することができる。

また、本発明の半導体発光素子は、基板上に、前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを成長させた後に、該基板を剥離した構造であることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を成長させた後に、成長基板を剥離することで、ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層上にｎ型電極を形成し、半導体層の厚み方向に電流を流すことができるので、発光光量を増加することができる。

本発明の半導体発光素子は、およびその製造方法は、以上のように、発光ダイオードなどとして実現され、少なくともｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層を順次積層させて成り、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層側へ到達する溝の内面に反射鏡を形成することで、発光層から出た光が、直接前記反射鏡に入射し、または多重反射して入射することによって、反射された光が基板側に臨界角以下で入射し、外部へ取出し可能となることで、光取出し効率を向上するようにした半導体発光素子において、前記反射鏡の間に、発光層を貫通することなく、光の角度変換作用を有する微細な凹凸を形成する。

それゆえ、発光層の面積の減少を抑えつつ、反射鏡への光の入射量を増加させ、多重反射成分が臨界角以下に角度変換されて基板側に入射され易くなる。これによって、光取出し効率を向上することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る発光ダイオード１１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード１１は、大略的に、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）などの基板１２上に、ｎ型のバッファ層１３、ｎＧａＮ層１４、発光層１５、ｐＧａＮ層１６が順に形成され、発光層１５で発生した光をサファイア基板１２側から取出すフリップチップ（フェイスダウン）タイプの発光ダイオードである。前記ｎＧａＮ層１４上で、一部分の発光層１５およびｐＧａＮ層１６が除去されてｎ型電極１７が形成され、前記ｐＧａＮ層１６上にｐ型電極１８が形成される。

前記基板１２は、前記サファイアに限定されず、発光波長に対して透光性を持つものであればよいことは言うまでもない。またこの種の発光ダイオードの製造方法については、当業者には公知のＭＯＣＶＤ法などを用いて実現することができ、ここでの詳しい説明は省略する。

前記電極１７，１８を形成する前には、前記ｐＧａＮ層１６から発光層１５を超えて、ｎＧａＮ層１４へ達するテーパ状の溝１９が刻設され、その溝１９の内面に、透明絶縁膜２０が形成される。その後に、前記ｐ型電極１８が形成されることで、前記溝１９の内面におけるｐ型電極１８の部分１８ａが、反射鏡となる。この反射鏡を形成することで、発光層１５の遠くの位置から面方向に放射された光を、矢符Ｆ１１で示すように基板１２方向に反射させて該基板１２への入射角を角度変換することができ、ＧａＮから空気層または該基板１２のエスケープコーン内に入射させ、光取出し効率を向上することができる。以上の構成は、前述の図７で示す発光ダイオード１と同様である。

注目すべきは、本実施の形態では、前記溝１９間に、前記発光層１５まで到達しない微小凹凸２２をさらに有することである。これによって、前記図７で示す発光ダイオード１では、発光層５の遠くの位置から放射された光には、矢符Ｆ１で示す反射鏡へ直接入射する光以外に、矢符Ｆ２で示すような多重反射する光が存在してしまうのに対して、本実施の形態では、前記矢符Ｆ１と同様に矢符Ｆ１１で示す反射鏡へ直接入射する光が存在するとともに、前記矢符Ｆ２で示すような多重反射する光は、矢符Ｆ１２で示すような前記微小凹凸２２で反射されて取出しが可能となる光、および矢符Ｆ１３で示すような前記微小凹凸２２で反射されて、さらに前記反射鏡へ入射して取出しが可能となる光となり、ＧａＮ層内で多重反射する光が減少する。

したがって、発光層１５の面積の減少を抑えつつ、反射鏡への光の入射量を増加させ、多重反射成分が臨界角以下に角度変換されて基板１２側に入射され易くなる。これによって、光取出し効率を向上することができる。また、前記溝１９は、断面形状が矩形ではなく、テーパ状に形成されているので、矩形の溝に比べて、光取出し効率を一層向上することができる。本件発明者の実験によれば、従来の反射鏡だけの場合には光取出し効率が４５％程度であったものが、微小凹凸２２を併せて形成することで、７５％程度となり、したがって７５／４５≒１．７倍程度にまで向上することができている。

この図１の例では、前記溝１９は、図２で示すように、６角形を敷き詰めたパターンに形成される。パターンは、より多角形である程、多方面からの光を捉えることができ、円であってもよい。そのパターン内に、前記微小凹凸２２が形成される。また、基板１２などへの光の入射角度の角度変換が目的であるので、溝１９および微小凹凸２２のテーパ角度は特に限定されないが、４５°程度が好ましい。さらにまた、波長に対するピッチは、たとえば反射鏡で１０〜１００倍、微小凹凸２２で波長程度が好ましい。また、溝１９の深さは、基板１２まで達していてもよい。

図３は、上述のように構成される発光ダイオード１１の製造工程を説明するための図である。本実施の形態では、上記溝１９および微小凹凸２２を、ナノインプリントリソグラフィー法によって作製する。

先ず、溝１９および微小凹凸２２の作成にあたって、図３（ｂ）および図３（ｇ）で示すような、前記溝１９および微小凹凸２２のそれぞれの反転形状を有する型３０，３２を作成する。型３０，３２の作成には、たとえば電子線リソグラフィー法を用いることができる。具体的には、シリコンウエハ上にスピンコートにより形成した電子線用レジストに、電子線を照射して溝１９および微小凹凸２２のレジストパターンを作成する。前記溝１９および微小凹凸２２のテーパ形状に対応してパターン高さを変化させるには、電子線のドーズ量を変化させることで対応でき、ドーズ量が多いと電子線レジストの感光深さが深くなり、ドーズ量が少ないと電子線レジストの感光深さが浅くなる。こうして、異なる高さのレジストパターンを作成することができる。そのレジストパターンのＮｉ電鋳を採ることで、プレス用の型３０，３２を作成することができる。

前記ＭＯＣＶＤ法などを用いて、図３（ａ）で示すように各層１３〜１６を基板１２上に作成した後、ウエハ状態の発光ダイオード１１の基板１２の表面に、レジスト３１をスピンコートし、前記図３（ｂ）で示すように溝１９の型３０を押し付け、形状を転写する。レジスト３１の材料は、有機もしくは無機どちらでも良いが、転写性が良く、かつ耐ドライエッチング性が高い必要がある。たとえば、スピンオンガラスを使用することができる。離型後、レジスト３１には、型３０のパターンが転写される。その転写後のレジスト３１をマスクとして、異方性ドライエッチングを行うことで、図３（ｃ）で示すように、発光ダイオード１１の基板１２の表面に、型３０のパターンを反転して転写し、溝１９を形成することができる。

ただし、異方性ドライエッチングによって、溝１９部分にはレジスト３１は残っていないものの、ｐＧａＮ層１６上には残っており、その後、公知の手法で、図３（ｄ）で示すように前記透明絶縁膜２０となる絶縁体３４を蒸着し、図３（ｅ）で示すようにレジスト３１を完全に除去すると、図３（ｄ）で示すように前記透明絶縁膜２０が形成される。

続いて、図３（ｆ）で示すようにレジスト３３をスピンコートし、前記図３（ｇ）で示すように微小凹凸２２の型３２を押し付け、形状を転写する。その後、先ずレジスト３３をマスクとして、異方性ドライエッチングを行うことで、図３（ｈ）で示すように微小凹凸２２部分からレジスト３３が除去され、レジスト３３を溶解することで、図３（ｉ）で示すように溝１９部分からもレジスト３３が除去された後、図３（ｊ）で示すように電極１７，１８が形成される。

このように溝１９および微小凹凸２２をナノインプリントリソグラフィー法によって作製することで、角度、ピッチ等、狙いの形状に作製することができる。

［実施の形態２］
図４および図５は、本発明の実施の他の形態に係る発光ダイオード４１，５１の構造を示す断面図である。これらの発光ダイオード４１，５１は、前述の発光ダイオード１１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、これらの発光ダイオード４１，５１では、微小凹凸４２，５２の断面形状が、それぞれ台形および半円形状であることである。このような形状に形成することで、凹部の底部に電極材が入り易くすることができ、ｐＧａＮ層１６とｐ型電極１８との間の抵抗を小さくすることができる。

［実施の形態３］
図６は、本発明の実施のさらに他の形態に係る発光ダイオード６１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード６１は、前述の発光ダイオード１１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード６１では、前記溝１９および微小凹凸２２から電極１７，１８まで形成された後に、サファイアの基板１２が除去されることである。

この場合、基板１２を前記ｎＧａＮ層１４から剥離する必要があり、一般的には紫外レーザが用いられる。具体的には、基板１２（サファイア）側から、ＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２４８ｎｍ、照射強度：０．３Ｊ／ｃｍ^２）を入射する。レーザは、透明な結晶基板１２を透過してｎＧａＮ層１４で吸収されるので、界面でアブレーションが生じ、結果、基板１２がｎＧａＮ層１４から剥離する。

このように基板１２上に、前記ｎＧａＮ層１４、発光層１５およびｐＧａＮ層１６を成長させた後に、該基板１２を剥離することで、前記ｎＧａＮ層１４上にｎ型電極１７ａを形成することができ、半導体層の厚み方向に電流を流すことができるので、発光光量を増加することができる。

ここで、酸化物半導体であるＺｎＯは、発光素子として非常に優れた特性を有している。励起子の結合エネルギが６０ｍｅＶと、ＧａＮの２〜３倍であり、内部量子効率がＧａＮに比べて高くなる可能性がある上、屈折率は約２であり、ＧａＮの屈折率２．５に比べて小さく、光取出しの点で圧倒的に有利である。また材料自身が安価であることも商業ベースで考えると魅力的である。そこで、上述の各実施の形態は、窒化物半導体であるＧａＮについて述べているが、結晶構造上、よく似ている酸化物半導体であるＺｎＯについても、全く同じ構造の半導体発光素子を、同様に作製することができる。

本発明の実施の一形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 図１で示す発光ダイオードの平面図である。 図１で示す発光ダイオードの製造工程を説明するための図である。 本発明の実施の他の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の実施の他の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の実施のさらに他の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 従来技術の発光ダイオードの構造を示す断面図である。

符号の説明

１１，４１，５１，６１ 発光ダイオード
１２ 基板
１３ バッファ層
１４ ｎＧａＮ層
１５ 発光層
１６ ｐＧａＮ層
１７，１７ａ ｎ型電極
１８ ｐ型電極
１９ 溝
２０ 透明絶縁膜
２２，４２，５２ 微小凹凸
３０，３２ 型
３１，３３ レジスト
３４ 絶縁体

Claims (6)

1. 少なくともｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順次積層させて成り、前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層側へ達する溝が刻設され、その溝の内面に反射鏡が形成されて成る半導体発光素子において、
   前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層に、前記発光層まで到達しない微小凹凸をさらに有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記微小凹凸の断面形状が、台形または半円形状であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記溝は、テーパ面を有することを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
4. 上記形状を、ナノインプリントリソグラフィー法によって作製することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 基板上に、前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを成長させた後に、該基板を剥離した構造であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 少なくともｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層とを順次積層させて成る半導体発光素子の製造方法において、
   前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層またはｎ型酸化物半導体層側へ到達する溝を刻設する工程と、
   前記ｐ型窒化物半導体層またはｐ型酸化物半導体層に、前記発光層まで到達しない微小凹凸を刻設する工程と、
   前記溝の内面に反射鏡を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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