(57)【要約】      （修正有）【課題】垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法を提供する。【解決手段】サファイア基板の表面に凹凸パターンを形成し、バッファ層、第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａ、第１のＡｌＧａＮ層２００ａ、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａの接合界面に２次元電子ガス層が形成されるように、ＧａＮ層２１０を形成し、前記ＧａＮ層２１０の接合界面に２次元電子ガス層が形成されるように、第２のＡｌＧａＮ層２００ｂを形成し、第２のｎ型窒化ガリウム層１５０ｂを形成し、前記サファイア基板を除去し、凹凸パターンの表面を有するバッファ層を露出し、前記露出されたバッファ層と前記第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの表面を共にエッチングし、前記第１窒化ガリウム層１５０ａの表面が凹凸パターンを有するようにパターニングし、前記第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの凹凸パターンの表面に複数の突起部１９０ａ、１９０ｂを形成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板の表面を凹凸パターンにパターニングするステップと、
前記凹凸パターンにパターニングされたサファイア基板上にバッファ層を形成するステップと、
前記バッファ層上に第１のｎ型窒化ガリウム層を形成するステップと、
前記第１のｎ型窒化ガリウム層上に第１のＡｌＧａＮ層を形成するステップと、
前記第１のＡｌＧａＮ層の接合界面に２次元電子ガス層が形成されるように、前記第１のＡｌＧａＮ層上にＧａＮ層を形成するステップと、
前記ＧａＮ層の接合界面に２次元電子ガス層が形成されるように、前記ＧａＮ層上に第２のＡｌＧａＮ層を形成するステップと、
前記第２のＡｌＧａＮ層上に第２のｎ型窒化ガリウム層を形成するステップと、
前記第２のｎ型窒化ガリウム層上に活性層を形成するステップと、
前記活性層上にｐ型窒化ガリウム層を形成するステップと、
前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成するステップと、
前記ｐ型電極上に構造支持層を接合するステップと、
前記サファイア基板を除去し、凹凸パターンの表面を有するバッファ層を露出するステップと、
前記露出されたバッファ層と前記第１のｎ型窒化ガリウム層の表面を共にエッチングし、前記第１のｎ型窒化ガリウム層の表面が凹凸パターンを有するようにパターニングするステップと、
前記第１のｎ型窒化ガリウム層の凹凸パターンの表面に複数の突起部を形成するステップと、
前記複数の突起部が形成された第１のｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップと、を含む垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【請求項２】
前記サファイア基板の表面を凹凸パターンにパターニングするステップが、
前記サファイア基板上に所定の形状にフォトレジストパターンを形成するステップと、
前記フォトレジストパターンが所望の断面形状を有するように、フォトレジストパターンを加工するステップと、
前記加工されたフォトレジストパターンと前記サファイア基板を共にエッチングし、前記サファイア基板の表面を凹凸パターンにパターニングするステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【請求項３】
前記フォトレジストパターンを加工するステップが、前記フォトレジストパターンが上部に向かって傾斜した側面を有するように、前記フォトレジストパターンをリフロー（ｒｅ-ｆｌｏｗ）するステップであることを特徴とする請求項２に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【請求項４】
前記加工されたフォトレジストパターンが、縦と横に配列された半球状のパターンであることを特徴とする請求項３に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１のｎ型窒化ガリウム層の凹凸パターンの表面に複数の突起部を形成するステップが、前記凹凸パターンが形成された第１のｎ型窒化ガリウム層の表面にウェットエッチングを行うステップであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１のＡｌＧａＮ層及び前記第２のＡｌＧａＮ層を形成するステップ後に、酸素雰囲気中で前記ＡｌＧａＮ層をアニールするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【請求項７】
前記複数の突起部が形成された第１のｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップの前に、前記第１のｎ型窒化ガリウム層上に透明導電体層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直構造（垂直電極型）窒化ガリウム系（ＧａＮ）発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ；以下、「ＬＥＤ」と記す）素子の製造方法に関し、さらに詳細には、電流拡散効果を最適化すると共に、 光抽出効率を高めて、外部量子効率及び素子の製造歩留まりを向上させることができる垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化ガリウム系ＬＥＤは、サファイア基板上に成長するが、このようなサファイア基板は、堅固で、電気的に不導体であり、熱伝導特性がよくないことから、窒化ガリウム系ＬＥＤの大きさを減らして製造原価を低減するか、光出力及びチップの特性を改善させるのに限界があった。特に、ＬＥＤの高出力化のためには、大電流の印加が必須であるため、ＬＥＤの熱放出問題を解決するのが極めて重要となる。このような問題を解決するための手段として、従来は、レーザーリフトオフ（Ｌａｓｅｒ  Ｌｉｆｔ−Ｏｆｆ；以下、「ＬＬＯ」と記す）を利用してサファイア基板を除去した垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子が提案されていた。
【０００３】
しかしながら、従来の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤにおいて、活性層から生成された光子がＬＥＤ外部に放出される効率（以下、「外部量子効率」と記す）が低下するという問題があった。
【０００４】
図１は、従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の外部量子効率の低下という問題点を説明するための図であって、図１を参照して上記問題点を詳細に説明すれば、前記活性層から生成された光子が空気の屈折率Ｎ2より高い屈折率Ｎ1を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）層を通過してから空気中に脱出するためには、前記窒化ガリウム層から空気中に入射する前記光子の入射角θ1が臨界角θc未満にならなければならない。
【０００５】
このとき、前記光子が空気中に脱出する脱出角θ2が９０゜の場合、前記臨界角θcは、θc=Ｓｉｎ-1（Ｎ2／Ｎ1）と定義でき、前記窒化ガリウム層において屈折率が１である空気中に光が進む時の前記臨界角は、約２３．６゜となる。
【０００６】
万一、前記入射角θ1が前記臨界角θc以上になる場合、前記光子は、前記窒化ガリウム層と空気の界面から全反射され、再びＬＥＤ内部に戻って前記ＬＥＤ内部に閉じ込められるようになることから、外部量子効率が極めて低下するという問題が発生する。
【０００７】
上記の外部量子効率の低下という問題を解決するために、下記の特許文献１では、ｎ型窒化ガリウム層の表面に半球状の凸パターンを形成することによって、前記窒化ガリウム層から空気中に入射する光子の入射角θ1を臨界角θc未満に下げている。
【０００８】
以下図２〜図４を参照して、下記の特許文献１に開示されている垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法について説明する。
【０００９】
図２Ａ〜図２Ｃは、下記の特許文献１に開示されている垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造工程を説明するための断面図であり、図３Ａ〜図３Ｃは、前記垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造工程における各層を拡大して示す断面図であり、図４は、図２Ａ〜図２Ｃ及び図３Ａ〜図３Ｃにより製造された垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の断面図である。
【００１０】
まず、図２Ａに示すように、サファイア基板２４上に窒化ガリウムを含むＬＥＤ構造物１６及びｐ型電極１８を形成した後、前記ｐ型電極１８上に第１Ｐｄ層２６及びＩｎ層２８を形成する。そして、シリコン（Ｓｉ）基板２０の下面には、第２Ｐｄ層３０を形成する。
【００１１】
次に、図２Ｂに示すように、前記第２Ｐｄ層３０が形成された前記シリコン基板２０を前記第１Ｐｄ層２６及びＩｎ層２８が形成された前記ｐ型電極１８上に接合する。
【００１２】
次に、図２Ｃに示すように、ＬＬＯ工程により前記サファイア基板２４を除去する。
【００１３】
次に、図３Ａに示すように、前記サファイア基板２４が除去された後、露出された前記ＬＥＤ構造物１６の表面（さらに詳細に表現すれば、ｎ型窒化ガリウム層の表面）の所定部分にフォトレジストパターン３２を形成する。
【００１４】
次に、図３Ｂに示すように、前記リフロー（ｒｅ−ｆｌｏｗ）工程により、前記フォトレジストパターン３２を半球状に製作する。
【００１５】
次に、図３Ｃに示すように、異方性エッチング（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｅｔｃｈｉｎｇ）方法により、前記ＬＥＤ構造物１６の表面をエッチングすることによって、前記ＬＥＤ構造物１６の表面を半球状にパターニングする。
【００１６】
最後に、前記ＬＥＤ構造物１６上にｎ型電極３４を形成すれば、図４に示すように、前記ＬＥＤ構造物１６０の表面がパターニングされた垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子が完成される。
【００１７】
しかしながら、下記の特許文献１に開示されている垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法によって製造されたＬＥＤ素子において、１０μｍ以下の前記ＬＥＤ構造物（１６：ＴｈｉｎＧａＮ）を扱う場合においては、サブ（Ｓｕｂ）支持台であるシリコン基板を使用するとしても、前記フォトレジストパターン３２の作業及び後続工程に困難を伴うため、歩留まりが極めて低下するという問題があった。
【００１８】
また、前記外部量子効率を向上させるためのパターンは、半球状の凸パターンでＬＥＤ構造物の表面に形成されるため、パターン形成が可能な面すなわち、ＬＥＤ構造物の表面が制限されるので、前記半球状の凸パターンを適用することで得られる外部量子効率の改善効果が充分ではない。したがって、該当技術分野では、外部量子効率の改善効果を極大化できる新しい方案が求められている。
【００１９】
また、前記ｎ型電極と接するＬＥＤ構造物の表面（さらに詳細には、ｎ型窒化ガリウム層）は、アンドープのＧａＮ層にＳｉなどのｎ型導電形不純物を注入して形成するため、高いドーピング濃度を有し、これによって前記ＬＥＤ構造物の表面と接する前記ｎ型電極の下方部分のみに電流集中（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｒｏｗｄｉｎｇ）現象が発生し、電流が活性層全体に拡散できないため、ＬＥＤ素子の光抽出効率を低下させ、素子の寿命を短縮させるという問題があった。
【００２０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３０２２２２６３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、表面積を増加させるために、巨視的構造として凹凸パターンを形成すると共に、前記凹凸パターンの表面に微細な光散乱構造である複数の突起部を形成することによって、外部量子効率の改善効果を極大化させ、電流分散の効果を向上させて、高出力特性を確保する垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成すべく、本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法によれば、サファイア基板の表面を凹凸パターンにパターニングするステップと、前記凹凸パターンにパターニングされたサファイア基板上にバッファ層を形成するステップと、前記バッファ層上に第１のｎ型窒化ガリウム層を形成するステップと、前記第１のｎ型窒化ガリウム層上に第１のＡｌＧａＮ層を形成するステップと、前記第１のＡｌＧａＮ層の接合界面に２次元電子ガス層が形成されるように、前記第１のＡｌＧａＮ層上にＧａＮ層を形成するステップと、前記ＧａＮ層の接合界面に２次元電子ガス層が形成されるように、前記ＧａＮ層上に第２のＡｌＧａＮ層を形成するステップと、前記第２のＡｌＧａＮ層上に第２のｎ型窒化ガリウム層を形成するステップと、前記第２のｎ型窒化ガリウム層上に活性層を形成するステップと、前記活性層上にｐ型窒化ガリウム層を形成するステップと、前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成するステップと、前記ｐ型電極上に構造支持層を接合するステップと、前記サファイア基板を除去し、凹凸パターンの表面を有するバッファ層を露出するステップと、前記露出されたバッファ層と前記第１のｎ型窒化ガリウム層の表面を共にエッチングし、前記第１窒化ガリウム層の表面が凹凸パターンを有するようにパターニングするステップと、前記第１のｎ型窒化ガリウム層の凹凸パターンの表面に複数の突起部を形成するステップと、前記複数の突起部が形成された第１のｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップと、を含む。
【００２３】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記サファイア基板の表面を凹凸パターンにパターニングするステップが、前記サファイア基板上に所定の形状にフォトレジストパターンを形成するステップと、前記フォトレジストパターンが所望の断面形状を有するように、フォトレジストパターンを加工するステップと、前記加工されたフォトレジストパターンと前記サファイア基板を共にエッチングし、前記サファイア基板の表面を凹凸パターンにパターニングするステップと、を含む。
【００２４】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記フォトレジストパターンを加工するステップが、前記フォトレジストパターンが上部に向かって傾斜した側面を有するように、前記フォトレジストパターンをリフロー（ｒｅ-ｆｌｏｗ）するステップであることが好ましい。
【００２５】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記加工されたフォトレジストパターンが、縦と横に配列された半球状のパターンであることが好ましい。
【００２６】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記第１のｎ型窒化ガリウム層の凹凸パターンの表面に複数の突起部を形成するステップが、前記凹凸パターンが形成された第１のｎ型窒化ガリウム層の表面にウェットエッチングを行うステップであることが好ましい。
【００２７】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記第１のＡｌＧａＮ層及び前記第２のＡｌＧａＮ層を形成するステップ後に、酸素雰囲気中で前記ＡｌＧａＮ層をアニールするステップをさらに含むことが好ましい。
【００２８】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記複数の突起部が形成された第１のｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップの前に、前記第１のｎ型窒化ガリウム層上に透明導電体層を形成するステップをさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、表面積を増加させるために、巨視的構造として凹凸パターンを形成すると共に、前記凹凸パターンの表面に微細な光散乱構造である複数の突起部を別のフォトリソグラフィー工程なしで容易に形成することによって、光抽出効率を向上させて外部量子効率の改善効果を極大化させることができるという利点がある。
【００３０】
また、本発明は、ｎ型窒化ガリウム層の内部にＡｌＧａＮ／ＧａＮの異種接合構造を採用して、２次元電子ガス層によるトンネルリング現象を介してｎ型窒化ガリウム層の接触抵抗を最小化し、垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の動作電圧を下げ、電流分散効果を向上させることで、高出力特性を確保することができるという利点がある。
【００３１】
また、本発明は、２次元電子ガス層により、高いキャリア移動度とキャリア濃度を保障できるため、電流注入の効率面において顕著な効果を発揮する。
【００３２】
したがって、本発明は、垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の特性及び信頼性の向上が可能であり、かつ凹凸パターン形成工程を単純化して、製造歩留まりも向上させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。
【００３４】
図面において、複数の層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書全体を通じて類似の部分に対しては、同じ図面符号を付する。
【００３５】
以下、本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子、及びその製造方法について、添付図面に基づき詳細に説明する。
【００３６】
＜垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造＞
図５〜図７Ｂを参照して、本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造について詳細に説明する。
【００３７】
図５は、本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す斜視図であり、図６は、図５に示された垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の凹凸パターンを示す概略図であり、図７Ａ及び図７Ｂは、図５に示された垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子に採用されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合バンドの構造及びＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ異種接合バンドの構造を示すエネルギーバンド図である。
【００３８】
まず、図５に示すように、本発明に係る垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの最上部には、Ｔｉ/Ａｌなどからなるｎ型電極１７０が形成されている。
【００３９】
前記ｎ型電極１７０の下面には、第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａが形成されている。このとき、前記第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの上面には、半球状である凹凸パターン１８０が形成されている。この凹凸パターン１８０は２次元的に、すなわち縦と横方向に配列されている。したがって、前記凹凸パターン１８０により、前記第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの上面の実質的な表面積が増加する。
【００４０】
このような凹凸パターン１８０は、その形状により限定されないが、本実施の形態のように半球状の場合には、面積増加率をより大きくでき、優れた光学的レンズとして作用できる。
【００４１】
特に、本発明では、前記凹凸パターン１８０の表面に複数の突起部１９０ａがさらに形成されている。前記突起部１９０ａは、ウェットエッチング工程により形成できるので、同図に示すように、凹凸パターン１８０の表面だけでなく、凹凸パターン１８０の間の領域にも複数の突起部１９０ｂが形成できる。
【００４２】
上記のような複数の突起部１９０ａ、１９０ｂは、凹凸パターン１８０に比べて微細な構造であって、放出光の波長を表面から散乱させて光抽出効率を改善させることができる。また、このような突起部１９０ａ、１９０ｂを容易に形成するためには、前記凹凸パターン１８０の側面が上部に向かって傾斜を持つように形成することが好ましい。
【００４３】
以下、図６を参照して、本実施の形態において採用された凹凸パターン１８０について、さらに詳細に説明する。
【００４４】
図６に示すように、第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの上面には、表面積を増加させるための比較的大きい凹凸パターン１８０が形成されている。前記凹凸パターン１８０の大きさは、充分な表面積の増加と、光学的側面を全て考慮して決定される。好ましくは、本実施の形態では、前記凹凸パターン１８０は、０．５μｍ〜５μｍの範囲の下部幅Ｗ1と０．１μｍ〜５μｍの範囲の高さｈを有することが好ましい。そして、同図に示すように、前記凹凸パターン１８０の間隔Ｗ2は、表面積を十分に増加させるために、０．１μｍ〜５μｍの範囲の間隔を有することが好ましい。
【００４５】
また、前記凹凸パターン１８０の表面とその間の領域上には、相対的に微細な構造である複数の突起部１９０ａ、１９０ｂが形成されており、これは、凹凸パターン１８０により増加した表面に形成されるため、全体的に光抽出効率を大きく向上させることができる。すなわち、活性層から発生した光ａは、凹凸パターン１８０により拡大された表面に到達してその量が増加し、表面に到達された光ｂは、複数の突起部１９０ａ、１９０ｂにより散乱されて效果的に外部に放出できる。このような光散乱効果を十分に得るために、前記複数の突起部１９０ａ、１９０ｂは、０．００１μｍ〜１μｍの範囲の形成周期を有し、それぞれ０．００１μｍ〜２μｍの範囲の高さを有することが好ましい。
【００４６】
一方、電流拡散現象を向上させるために、前記ｎ型電極１７０と前記第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの間の界面、さらに詳細には、凹凸パターン１８０を有する第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの上部全面に選択的に透明導電体層１６０を備えることができる。
【００４７】
前記第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの下面には、異種物質である第１のＡｌＧａＮ層２００ａとＧａＮ層２１０が下へ順次積層されて、第１の２次元電子ガス（２−ＤＥＧ）層２２０ａを有する異種接合構造が形成されている。これは、動作電圧を低くし、電流分散効果をさらに向上させるためのものである。
【００４８】
以下、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、上記のように異種物質であるＡｌＧａＮ層とＧａＮ層が順次積層されている二重接合構造についてさらに詳細に説明する。
【００４９】
まず、図７Ａに示すように、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａは、ＧａＮ層２１０とのエネルギーバンド不連続性により、その界面に第１の２次元電子ガス層２２０ａを有するようになる。したがって、前記第１の２次元電子ガス層２２０ａでは、高いキャリア移動度（約１５００μｍ／Ｖｓ）が保障されるので、電流分散効果をさらに大きく改善させることができる。
【００５０】
このような前記第１の２次元電子ガス層２２０ａの好ましい形成条件は、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａとＧａＮ層２１０の各厚（図５のｔ１、ｔ２参照）と、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａのＡｌ含有量にて説明できる。
【００５１】
さらに詳細に、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａの厚さｔ１は、Ａｌの含有量によって変更できるが、Ａｌ含有量が多い場合には、結晶性が低下する恐れがあるため、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａのＡｌ含有量は、１０％〜５０％の範囲に限定することが好ましく、このようなＡｌ含有量条件において、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａの厚さは、約１００Å〜５００Åの範囲であることが好ましい。本実施の形態では、２００Å〜３５０Åの範囲の厚さを有するように形成して、電流拡散効果を持たせており、５００Å以上の厚さを有する場合には、電流の遮断（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ）という役割も果たすことができる。
【００５２】
また、本発明において第１の２次元電子ガス層２２０ａの形成のための第１のＡｌＧａＮ層２００ａとしては、ｎ型ＡｌＧａＮ層だけでなく、アンドープのＡｌＧａＮ層も採用できる。このとき、ｎ型ＡｌＧａＮ層を形成する場合には、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）又は酸素を使用することができる。
【００５３】
また、前記ＧａＮ層２１０の厚さｔ２は、前記第１の２次元電子ガス層２２０ａのトンネルリング現象を考慮し、約５０Å〜５００Åの範囲であることが好ましく、本実施の形態では、８０Å〜２００Åの範囲の厚さを有するように形成している。
【００５４】
また、前記ＧａＮ層２１０としては、ｎ型ＧａＮ層だけでなく、アンドープのＧａＮ層も採用できる。特に、アンドープのＧａＮ層を採用する場合には、２次元電子ガス層が形成される層に不純物散乱などが発生する問題を遮断できるので、電流拡散が容易であり、かつ垂直方向への電流遮断の役割も果たすことができる。
【００５５】
このように、本発明では、第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの下面にＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造を採用することによって、電流拡散により電流集中の問題を大きく改善できる。
【００５６】
一方、本発明は、外部量子効率を向上させることができる凹凸を形成するために、ＧａＮ層２１０の下面に第２のＡｌＧａＮ層２００ｂを備えて、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ異種接合構造を採用しているため、ＧａＮ層２１０と第２のＡｌＧａＮ層２００ｂとの間の界面に、第２の２次元電子ガス層２２０ｂが形成され、これは、第１の２次元電子ガス層２２０ａと同様に、第２の２次元電子ガス層２２０ｂにより、電流拡散特性を大きく改善できる（図４Ｂ参照）。すなわち、ＧａＮ層２１０を隔てて上下に形成された第１及び第２のＡｌＧａＮ層２００ａ、２００ｂは、それぞれの異種接合構造によって２次元電子ガス層が第１及び第２の２次元電子ガス層２２０ａ、２２０ｂに分割されて形成されるため、ＬＥＤの動作電圧を低くし、電流分散効果をさらに向上させて、高出力特性を確保する半導体発光ダイオードを実現できる。ここで、前記第２のＡｌＧａＮ層２００ｂの高さ及びＡｌ含有量などの特性は、第１のＡｌＧａＮ層２００ａと同様である。
【００５７】
前記第２のＡｌＧａＮ層２００ｂの下面には、第２のｎ型窒化ガリウム層１５０ｂと、活性層１４０及びｐ型窒化ガリウム層１３０が下へ順次積層されている窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物が形成されている。
【００５８】
前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物のうち、第１及び第２のｎ型又はｐ型窒化ガリウム層１５０ａ、１５０ｂ、１３０は、各導電形不純物がドープされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であってもよく、活性層１４０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で構成された多重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）であってもよい。
【００５９】
前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物のｐ型窒化ガリウム層１３０の下面には、ｐ型電極１２０が形成されている。一方、図示していないが、前記ｐ型窒化ガリウム層１３０の下面には、ｐ型電極及び反射膜が下へ順次積層されている構造を有することができ、反射膜を備えていない場合には、ｐ型電極が反射膜の役割を果たす。
【００６０】
前記ｐ型電極１２０の下面には、導電性接合層（図示せず）により構造支持層１１０が接合されている。このとき、前記構造支持層１１０は、最終的なＬＥＤ素子の支持層及び電極としての役割を果たすものであって、シリコン（Ｓｉ）基板、ＧａＡｓ基板、Ｇｅ基板又は金属層などからなる。ここで、前記金属層は、電解メッキ、無電解メッキ、熱蒸着（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、電子線蒸着（ｅ−ｂｅａｍ  ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、スパッタ（Ｓｐｕｔｔｅｒ）、化学気相蒸着（ＣＶＤ）などの方式を介して形成されたものが使用可能である。
【００６１】
＜垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法＞
本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法について、図８Ａ〜図８Ｈ及び図９を参照して、詳細に説明する。
【００６２】
図８Ａ〜図８Ｈは、本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示した工程を説明するための断面図であり、図９は、図８Ｃに示された凹凸パターンからなるサファイア基板の表面を示す斜視図である。
【００６３】
まず、図８Ａに示すように、基板１００の上面にフォトリソグラフィー工程により光反応ポリマーを０．１μｍ〜５μｍの範囲の厚さに塗布した後、光反応及びマスクを利用して前記光反応ポリマーを０．５μｍ〜５μｍの範囲の間隔を有する所定の形状にパターニングすることで、フォトレジストパターン３００ａを形成する。但し、後述する工程によりｎ型電極を形成する部分を考慮して、前記基板１００の所定部分には、前記フォトレジストパターン３００ａを形成しないこともできる。
【００６４】
本実施の形態では、前記マスクとして格子形状のマスクを使用することによって、前記光反応ポリマーが０．５μｍ〜５μｍの範囲の間隔を有する直六面体状になるようにパターニングする。また、前記基板１００は、窒化物半導体単結晶を成長させるのに適した基板であって、サファイア基板及びシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板のような異種基板又は窒化物基板のような同種基板であってもよい。
【００６５】
次に、図８Ｂに示すように、前記直六面体形状のフォトレジストパターン３００ａを１００〜１５０℃の範囲の温度で約１分〜５分間リフローすることで、半球状のフォトレジストパターン３００ｂを形成する。
【００６６】
次に、前記半球状のフォトレジストパターン３００ｂをマスクとして使用して、前記基板１００の一部厚さを選択的にエッチングする。このとき、前記エッチング工程は、ＩＣＰ−ＲＩＥ方法によりＢＣｌ3とＨＢｒガスを使用して行う。
【００６７】
すると、前記半球状のフォトレジストパターン３００ｂと前記基板１００の上部表面の一部が共にエッチングされ、結果的に図８Ｃに示すように、前記基板１００の表面が半球状のパターン１００ａを有するようにエッチングされる。図９は、前記基板１００の半球状のパターン１００ａにエッチングされたことを示す斜視図である。
【００６８】
次に、図８Ｄに示すように、前記半球状のパターン１００ａを有する基板１００上にＭＯＣＶＤ及びＭＢＥ工程のような公知の窒化物蒸着工程により窒化ガリウム系バッファ層４００を結晶成長させた後、その上に第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａを形成する。
【００６９】
そして、前記第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａ上に第１のＡｌＧａＮ層２００ａとＧａＮ層２１０が順次積層されて、第１の２次元電子ガス層２２０ａを有する異種接合構造を形成する。
【００７０】
前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａとＧａＮ層２１０は、上述の窒化物層の蒸着工程が行われるチャンバー内で連続して行われることができる。また、第１の２次元電子ガス層２２０ａが形成されるＧａＮ層２１０の厚さは、５０Å〜５００Åの範囲にし、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａは、好ましいＡｌ含有量を考慮し、５０Å〜５００Åの範囲にすることが好ましく、さらに好ましくは、２００Å〜３５０Åの範囲を有するように形成する。前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａは、好ましいＡｌ含有量を考慮して過度なＡｌ含有量による結晶性低下を防止するために、１０〜５０％の範囲に限定することが好ましい。
【００７１】
さらに、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａは、ｎ型不純物であるＳｉがドープされたｎ型ＡｌＧａＮ物質であってもよいが、これに限定されず、アンドープのＡｌＧａＮ層を使用することもできる。
【００７２】
一方、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａを形成した後、前記第１のＡｌＧａＮ層２００ａへのアニール工程を酸素（Ｏ2）雰囲気中で行うことができる。本工程は、必要に応じて選択的に行うことができる工程であって、ドナーとして作用する酸素の量を故意に増加させる方案が用いられる。上述のように、一般に結晶性の向上のために、アニール工程が採用されるので、本発明に係るアニール工程は、雰囲気ガスを酸素に設定することによって容易に実現できる。
【００７３】
次に、前記異種接合構造をなすＧａＮ層２１０上に第２のＡｌＧａＮ層２００ｂを形成することによって、ＧａＮ層２１０と第２のＡｌＧａＮ層２００ｂが順次積層されて、第２の２次元電子ガス層２２０ｂを有する異種接合構造を形成する。
【００７４】
次に、前記第２のＡｌＧａＮ層２００ｂ上に第２のｎ型窒化ガリウム層１５０ｂ、活性層１４０、ｐ型窒化ガリウム層１３０を順次に結晶成長させることによって、窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物を形成する。
【００７５】
次に、前記ｐ型窒化ガリウム層１３０上にｐ型電極１２０を形成し、このとき、前記ｐ型電極１２０は、反射膜の役割を果たすこともできる。一方、前記ｐ型電極１２０上に別の反射役割を果たす反射膜（図示せず）を形成することもできる。
【００７６】
次に、前記ｐ型電極１２０上に構造支持層を共融（ｅｕｔｅｃｔｉｃ）接合法で付着するための導電性接合層（図示せず）を形成した後、前記導電性接合層に所定の温度と圧力を加えて、前記導電性接合層上に前記構造支持層１１０を接合する。このとき、前記構造支持層１１０は、最終的なＬＥＤ素子の支持層及び電極としての役割を果たすものであり、シリコン（Ｓｉ）基板、ＧａＡｓ基板、Ｇｅ基板又は金属層などを使用することができる。ここで、前記金属層は、電解メッキ、無電解メッキ、熱蒸着、電子線蒸着、スパッタ、化学気相蒸着などの方式により形成できる。
【００７７】
次に、図８Ｅに示すように、ＬＬＯ工程により前記基板１００を除去して、基板１００上に位置するバッファ層４００の表面を露出させる。このとき、露出された前記バッファ層４００の表面は、基板１００の表面に形成されていた半球状のパターン１００ａにより凹凸パターンを有する。
【００７８】
次に、図８Ｆに示すように、前記バッファ層４００を別のマスク無しでエッチングして除去する。すると、前記バッファ層４００の下部に位置する第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの上部表面も前記バッファ層４００エッチング工程の際、一部がエッチングされて凹凸パターンを有するバッファ層の表面と同じ表面を有する。すなわち、前記第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの上部表面も半球状の凹凸パターン１８０を有する。このとき、前記エッチング工程は、ＩＣＰ−ＲＩＥ方法を利用して行う。次に、前記凹凸パターン１８０が形成された第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの表面に対して、ウェットエッチング工程を行う。
【００７９】
ウェットエッチング工程により、図８Ｇに示すように、前記凹凸パターン１８０の表面及びその間の領域の表面には、複数の突起部１９０ａ、１９０ｂが形成される。前記突起部１９０ａ、１９０ｂの方向及び構造は、エッチングされる層の結晶方向により決定され、光散乱効果を有する微細な構造を有することができる。好ましい突起部１９０ａ、１９０ｂを得るための本ウェットエッチング工程は、約７５〜１００℃の範囲の温度でＫＯＨのようなエッチング液を利用して行われることができる。
【００８０】
一方、前記複数の突起部１９０ａ、１９０ｂは、ＫＯＨのようなエッチング液を利用するウェットエッチングとＩＣＰ−ＲＩＥを利用するドライエッチングを並行して形成することもできる。
【００８１】
次に、図８Ｈに示すように、前記複数の突起部１９０ａ、１９０ｂが形成された第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａ上にｎ型電極１７０を形成し、後にレーザースクライブ、ウェットエッチング又はドライエッチング工程により、素子分離工程を行うか、又は素子分離工程後に前記ｎ型電極１７０を形成することによって、垂直型構造を有する窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を形成する。
【００８２】
一方、本実施の形態では、電流拡散効果を向上させるために、選択的に前記ｎ型電極１７０を形成する前に、第１のｎ型窒化ガリウム層１５０ａの上部全面に透明導電体層１６０を形成することができる。
【００８３】
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更なども、特許請求の範囲に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の外部量子効率減少の問題点を説明するための図である。
【図２Ａ】米国特許出願公開第２００３０２２２２６３号明細書に開示されている垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の工程を説明するための断面図である。
【図２Ｂ】米国特許出願公開第２００３０２２２２６３号明細書に開示されている垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の工程を説明するための断面図である。
【図２Ｃ】米国特許出願公開第２００３０２２２２６３号明細書に開示されている垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の工程を説明するための断面図である。
【図３Ａ】前記垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の工程を示す拡大断面図である。
【図３Ｂ】前記垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の工程を示す拡大断面図である。
【図３Ｃ】前記垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の工程を示す拡大断面図である。
【図４】図２Ａ〜図２Ｃ及び図３Ａ〜図３Ｃにより製造された垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す斜視図である。
【図６】図５に示された垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の凹凸パターンを示す概略図である。
【図７Ａ】図５に示された垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子に採用されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合バンドの構造及びＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ異種接合バンドの構造を示すエネルギーバンド図である。
【図７Ｂ】図５に示された垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子に採用されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合バンドの構造及びＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ異種接合バンドの構造を示すエネルギーバンド図である。
【図８Ａ】本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図８Ｃ】本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図８Ｄ】本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図８Ｅ】本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図８Ｆ】本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図８Ｇ】本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図８Ｈ】本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図９】図８Ｃに示された凹凸パターンからなるサファイア基板の表面を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００８５】
１００  サファイア基板
１００ａ  半球状のパターン
１１０  構造支持層
１２０  ｐ型電極
１３０  ｐ型窒化ガリウム層
１４０  活性層
１５０ａ  第１のｎ型窒化ガリウム層
１５０ｂ  第２のｎ型窒化ガリウム層
１６０  透明導電体層
１７０  ｎ型電極
１８０  凹凸パターン
１９０ａ、１９０ｂ  突起部
２００ａ  第１のＡｌＧａＮ層
２００ｂ  第２のＡｌＧａＮ層
２１０  ＧａＮ層
２２０ａ  第１の２次元電子ガス層
２２０ｂ  第２の２次元電子ガス層
３００ａ  フォトレジストパターン
３００ｂ  半球状のフォトレジストパターン
４００  バッファ層
【図１】
2010212719.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2010212719.tif 000013
【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
2010212719.tif 000017
【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
2010212719.tif 000019
【図８Ｆ】
2010212719.tif 000020
【図８Ｇ】
2010212719.tif 000021
【図８Ｈ】
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【図９】
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