(57)【要約】  【課題】  光の取り出し効率の向上および無効電流の大幅な低減により発光効率が極めて高い発光ダイオードおよびその製造方法を提供する。  【解決手段】  凹凸加工を施したサファイア基板１１の凹部１１ａに、その底面を底辺とする三角形の断面形状となる状態を経てｎ型ＧａＮ層１２を成長させることによりこの凹部１１ａを埋めた後、このｎ型ＧａＮ層１２から凸部１１ｂ上に横方向成長を行う。ｎ型ＧａＮ層１２の会合が起きる前にドーパントをｐ型ドーパントに切り替え、ｐ型ＧａＮ層１３が完全に会合するまで横方向成長を行う。このｐ型ＧａＮ層１３を電流狭窄領域として用いる。ｎ型ＧａＮ層１２およびｐ型ＧａＮ層１３上に、ｎ型ＧａＮ層１４、活性層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＧａＮ層１７を成長させて発光ダイオード構造を形成する。このＧａＮ系発光ダイオードを用いて発光ダイオードバックライトなどを製造する。【選択図】        図１
2006319277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
上記電流狭窄領域は第２の導電型またはアンドープであることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】
上記電流狭窄領域は上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の厚さ方向の全体にわたって設けられていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項４】
上記電流狭窄領域は上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の厚さ方向の途中の深さまで設けられていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項５】
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間に第１の導電型の第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項６】
上記基板の上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と反対側の主面から光を取り出すことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項７】
上記基板の凹部および凸部は上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の〈１−１００〉方向に延在していることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項８】
上記基板がサファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板またはこれらを組み合わせて積層させた複合基板であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項９】
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、上記活性層および上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に、上記基板の上記凹部および上記凸部と交差する方向に延在する電極溝が設けられていることを特徴とする請求項７記載の発光ダイオード。
【請求項１０】
上記電極溝は少なくとも上記電流狭窄領域まで達していることを特徴とする請求項９記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層において、上記基板の凹部の底面との界面から上記一主面に対して垂直方向に発生した転位が、上記凹部の底面を底辺とする三角形部の斜面またはその近傍に到達し、そこから上記一主面に平行な方向に屈曲していることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
一主面に凹凸構造を有する基板の当該凹部に、その底面を底辺とする三角形の断面形状となる状態を経て第１の導電型の第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させることにより当該凹部を埋める工程と、
上記第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から上記基板上に第１の導電型の第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長界面が完全に会合する前の状態まで横方向成長させ、続いて第２の導電型の第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長界面が完全に会合するまで横方向成長させる工程と、
上記第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、上記第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層および上記第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に活性層および第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順次成長させる工程と
を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項１３】
上記第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる際に、上記凹部の底面との界面から上記一主面に対して垂直方向に発生する転位が、上記三角形の断面形状となる状態の上記第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の斜面またはその近傍に到達したとき、上記一主面に平行な方向に屈曲することを特徴とする請求項１２記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項１４】
複数の発光ダイオードが集積された集積型発光ダイオードの製造方法において、
一主面に凹凸構造を有する基板の当該凹部に、その底面を底辺とする三角形の断面形状となる状態を経て第１の導電型の第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させることにより当該凹部を埋める工程と、
上記第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から上記基板上に第１の導電型の第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長界面が完全に会合する前の状態まで横方向成長させ、続いて第２の導電型の第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長界面が完全に会合するまで横方向成長させる工程と、
上記第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、上記第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層および上記第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に活性層および第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順次成長させる工程と
を有することを特徴とする集積型発光ダイオードの製造方法。
【請求項１５】
複数の発光ダイオードが集積された集積型発光ダイオードにおいて、
少なくとも一つの上記発光ダイオードが、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とする集積型発光ダイオード。
【請求項１６】
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオードバックライトにおいて、
上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とする発光ダイオードバックライト。
【請求項１７】
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオード照明装置において、
上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とする発光ダイオード照明装置。
【請求項１８】
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオードディスプレイにおいて、
上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とする発光ダイオードディスプレイ。
【請求項１９】
一つまたは複数の発光ダイオードを有する電子機器において、
少なくとも一つの上記発光ダイオードが、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光ダイオードおよびその製造方法ならびに集積型発光ダイオードおよびその製造方法ならびに発光ダイオードバックライトならびに発光ダイオード照明装置ならびに発光ダイオードディスプレイならびに電子機器に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた発光ダイオードおよびこの発光ダイオードを用いる各種の装置または機器に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧａＮ系発光ダイオードは、ＧａＮ系半導体を有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などによりサファイア基板やＳｉＣ基板などの異種基板上にエピタキシャル成長させることにより製造するのが一般的である。ところが、ＧａＮ系半導体をサファイア基板やＳｉＣ基板などの上にエピタキシャル成長させる場合には、両者の格子定数差や熱膨張係数差が大きいため、結晶欠陥、特に貫通転位が高密度に発生してしまう。また、サファイア基板やＳｉＣ基板などとその上にエピタキシャル成長されるＧａＮ系半導体層との界面では、それらの屈折率の違いから反射が起きるため、基板を通した光の取り出しを良好に行うことができない。
【０００３】
そこで、これらの問題を解決するため、基板にあらかじめ凹凸加工を施し、この凹凸加工基板上にＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させる方法が提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献１、２参照。）。この方法の概要を図１６に示す。この方法によれば、まず、図１６Ａに示すように、ｃ面のサファイア基板１０１の一主面に凹凸加工を施す。符号１０１ａは凹部、１０１ｂは凸部を示す。これらの凹部１０１ａおよび凸部１０１ｂはサファイア基板１１の〈１−１００〉方向に延在する。次に、このサファイア基板１０１上に、図１６ＢおよびＣに示す過程を経て、ｎ型ＧａＮ層１０２を成長させる。図１５Ｃ中、点線は成長途中の成長界面を示す。
【０００４】
【非特許文献１】三菱電線工業時報  第９８号  ２００１年１０月：ＬＥＰＳ法を用いた高出力紫外ＬＥＤの開発
【特許文献１】特開２００４−６９３１号公報
【特許文献２】特開２００４−６９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１７に、図１６に示す方法により成長されたｎ型ＧａＮ層１０２の結晶欠陥分布を模式的に示す。図１７に示すように、ｎ型ＧａＮ層１０２のうちの凸部１０１ｂの上の部分に、この凸部１０１ｂの上面との界面から垂直方向に貫通転位１０４が発生して高欠陥密度領域１０５が形成され、凹部１０１ａの上方の、高欠陥密度領域１０５の間の部分が低欠陥密度領域１０６となっている。
【０００６】
図１８に示すように、発光ダイオード構造を形成するために、このｎ型ＧａＮ層１０２上に例えば活性層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０８およびｐ型ＧａＮ層１０９を順次成長させるときに、高欠陥密度領域１０５の貫通転位１０４を起点としてピット１１０が発生し、これが活性層１０７からｐ型ＧａＮ層１０９に向かって広がる。このため、ｐ型ＧａＮ層１０９上にｐ側電極１１１を形成するために金属の蒸着などを行う際に、このピット１１０の中にも金属が入ることから、ｐ側電極１１１は活性層１０７に達した形で形成される。図１９にこの活性層１０７の近傍を拡大して示す。ｎ型ＧａＮ層１０２、活性層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０８およびｐ型ＧａＮ層１０９には、凹部１０１ａと直交する方向に電極溝１１２が形成され、その底面のｎ型ＧａＮ層１０２上にｎ側電極１１３が形成されている。
【０００７】
この図１８に示すＧａＮ系発光ダイオードにおいては、動作時にｐ側電極１１１とｎ側電極１１３との間に順方向電圧を印加して電流を流す場合、ピット１１０を経由する電流経路の方が、ピット１１０を経由しない電流経路より電流が流れやすいため、図１８および図１９中の点線で示すように、電流の多くがピット１１０を経由して流れる。ところが、このピット１１０を経由して流れる電流は、活性層１０７中を全く流れないか、一部しか流れないため、発光に殆ど寄与しない。すなわち、発光に寄与しない無効電流が多い。このため、このＧａＮ系発光ダイオードの発光効率は低かった。
【０００８】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、光の取り出し効率の向上および無効電流の大幅な低減により発光効率が極めて高い発光ダイオードおよびその製造方法ならびに集積型発光ダイオードおよびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のような発光ダイオードを用いた高性能の発光ダイオードバックライト、発光ダイオード照明装置、発光ダイオードディスプレイおよび電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明は、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とする発光ダイオードである。
【００１０】
電流狭窄領域は、無効電流低減の観点から、好適には、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の導電型と異なる第２の導電型であるが、この電流狭窄領域は十分に高抵抗であれば足りるため例えばアンドープであってもよい。同じく無効電流低減の観点から、この電流狭窄領域は、好適には、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の厚さ方向の全体にわたって設けられるが、厚さ方向の途中の深さまで設けられるのでもよい。
【００１１】
第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と活性層との間には、必要に応じて、第１の導電型の第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が設けられることもある。この第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、貫通転位を基板の凸部の上に形成される会合面に集中させるのに資するものである。この第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、厚さが小さい方が発光に寄与しない無効電流の低減を図ることができるため、貫通転位を集中させることが可能な範囲で可能な限り厚さを小さくするのが望ましい。
【００１２】
第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層においては、好適には、基板の凹部の底面との界面から基板の一主面に対して垂直方向に発生した転位が、その凹部の底面を底辺とする三角形部の斜面またはその近傍に到達し、そこから上記の一主面に平行な方向に、三角形部から遠ざかるように屈曲している。基板の凹部および凸部は、一方向にストライプ状に延在するようにしてもよいし、少なくとも、互いに交差する第１の方向および第２の方向に延在するようにしてもよい。例えば、基板の凹部および凸部は、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の〈１−１００〉方向に延在する。凹部の断面形状は、長方形や逆台形などの種々の形状であってよく、その側壁も平面だけでなく、緩やかな傾斜を持つ曲面であってもよく、角が丸まっていてもよい。光の取り出し効率の向上を図る観点より、好適には、この凹部の断面形状は逆台形とする。また、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の転位密度を最小化する観点より、好適には、この凹部の深さをｄ、この凹部の底面の幅をＷg 、凹部の底面を底辺とする三角形部の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の斜面と基板の一主面とがなす角度をαとしたとき、２ｄ≧Ｗg ｔａｎαが成立するようにｄ、Ｗg 、αを決める。αは通常一定であるため、この式が成立するようにｄ、Ｗg を決める。ｄは、大きすぎると原料ガスが凹部の内部に十分に供給されず、凹部の底面からの第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長に支障を来し、逆に小さすぎるとこの凹部だけでなく、その両側の凸部にも第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が成長してしまうため、これらを防止する観点より、一般的には０．５μｍ＜ｄ＜５μｍの範囲内に選ばれ、典型的には１．０±０．２μｍの範囲内に選ばれる。Ｗg は、一般的には０．５〜５μｍであり、典型的には２±０．５μｍの範囲内に選ばれる。また、凸部の上面の幅Ｗt は、基本的には自由に選ぶことができるが、この凸部は第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の横方向成長に使用する領域であるため、長ければ長いほど転位密度の少ない部分の面積を大きくすることができる。Ｗt は、一般的には１〜１０００μｍ、典型的には４±２μｍの範囲内である。
【００１３】
典型的には、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、活性層および第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に、基板の凹部および凸部と交差する方向に延在する電極溝が設けられる。この電極溝は通常、少なくとも電流狭窄領域まで達するように設けられる。この電極溝の底面の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層には、これと電気的に接続された状態で第１の導電型側の電極が形成される。同様に、第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上には、これと電気的に接続された状態で第２の導電型側の電極が形成される。
【００１４】
基板としては種々のものを用いることができる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と異なる物質からなる基板としては、具体的には、例えば、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）（ｃ面、ａ面、ｒ面などを含み、これらの面からオフした面のものも含む）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯなどからなる基板を用いることができ、好適には、これらの材料からなる六方晶基板または立方晶基板、より好適には六方晶基板を用いる。基板としては、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＮなど）からなる基板を用いてもよい。場合によっては、基板として、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と異なる物質からなる基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させ、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に上記の凹部を形成したものであってもよい。基板は、これらの基板（特に、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板など）を組み合わせて積層させた複合基板であってもよい。これらの基板は、いずれも緑色の光および青色の光に対して透明であるから、発光波長が緑色または青色の波長帯である場合には、基板の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と反対側の主面からこの基板を通して外部に光を取り出すことができる。
なお、基板は、必要であれば除去してもよい。
【００１５】
第１〜第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層および活性層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、最も一般的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ａｓu Ｎ1-u-v Ｐv （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的には、ＡｌX Ｇａ1-x-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなり、具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどからなる。特に第１〜第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としては、好適には、ＧａＮ、ＩｎX Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）、ＡｌX Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜０．５）、ＡｌX Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．２）からなるものが用いられる。第１の導電型はｎ型であってもｐ型であってもよく、それに応じて第２の導電型はｐ型またはｎ型である。
第１〜第３の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層および活性層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長方法としては、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長あるいはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの各種のエピタキシャル成長法を用いることができる。
【００１６】
第２の発明は、
一主面に凹凸構造を有する基板の当該凹部に、その底面を底辺とする三角形の断面形状となる状態を経て第１の導電型の第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させることにより当該凹部を埋める工程と、
上記第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から上記基板上に第１の導電型の第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長界面が完全に会合する前の状態まで横方向成長させ、続いて第２の導電型の第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長界面が完全に会合するまで横方向成長させる工程と、
上記第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、上記第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層および上記第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に活性層および第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順次成長させる工程と
を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法である。
【００１７】
この発光ダイオードの製造方法によれば、第１の発明による発光ダイオードを製造することができる。この場合、第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層および上記第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の全体が、第１の発明における第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に相当する。また、第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、第１の発明における電流狭窄層に相当する。
好適には、第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる際に、基板の凹部の底面との界面から基板の一主面に対して垂直方向に発生する転位が、上記の三角形の断面形状となる状態の第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の斜面またはその近傍に到達したとき、上記の一主面に平行な方向に屈曲する。
この第２の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１８】
第３の発明は、
複数の発光ダイオードが集積された集積型発光ダイオードにおいて、
少なくとも一つの上記発光ダイオードが、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とするものである。
【００１９】
第４の発明は、
複数の発光ダイオードが集積された集積型発光ダイオードの製造方法において、
一主面に凹凸構造を有する基板の当該凹部に、その底面を底辺とする三角形の断面形状となる状態を経て第１の導電型の第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させることにより当該凹部を埋める工程と、
上記第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から上記基板上に第１の導電型の第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長界面が完全に会合する前の状態まで横方向成長させ、続いて第２の導電型の第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長界面が完全に会合するまで横方向成長させる工程と、
上記第４の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、上記第５の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層および上記第６の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に活性層および第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順次成長させる工程と
を有することを特徴とするものである。
【００２０】
第３および第４の発明において、集積型発光ダイオードはその用途を問わないが、典型的な用途を挙げると、液晶ディスプレイなどに用いられる発光ダイオードバックライト、発光ダイオード照明装置、発光ダイオードディスプレイなどである。この集積型発光ダイオードは、発光ダイオードの配列の仕方や形状は問わないが、例えば、発光ダイオードが二次元アレイ状に配列されたものや、ストライプ状の発光ダイオードが一列または複数列配列されたものなどである。
第３および第４の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００２１】
第５の発明は、
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオードバックライトにおいて、
上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とするものである。
【００２２】
第６の発明は、
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオード照明装置において、
上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とするものである。
【００２３】
第７の発明は、
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列した発光ダイオードディスプレイにおいて、
上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一つの発光ダイオードが、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とするものである。
第５〜第７の発明において、赤色発光の発光ダイオードとしては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体を用いたものを用いることができる。
【００２４】
第８の発明は、
一つまたは複数の発光ダイオードを有する電子機器において、
少なくとも一つの上記発光ダイオードが、
一主面に凹凸構造を有する基板と、
上記基板上の第１の導電型の第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の活性層と、
上記活性層上の第２の導電型の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有し、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの上記基板の凸部の上の第１の部分の欠陥密度は凹部の上の第２の部分の欠陥密度より高く、
上記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の少なくとも一つの上記第１の部分に電流狭窄領域が設けられている
ことを特徴とするものである。
【００２５】
第８の発明において、電子機器は、液晶ディスプレイのバックライト、表示、照明その他の目的で少なくとも一つの発光ダイオードを有するものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品などである。
【００２６】
上述のように構成されたこの発明においては、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの欠陥密度が高い第１の部分の貫通転位を起点として活性層および第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層にピットが形成され、電極形成時にその中に電極が形成されても、この第１の部分に電流狭窄領域が設けられていることにより、発光ダイオードの動作時にｐ側電極とｎ側電極との間に順方向電圧を印加して電流を流す場合、このピットを経由しない電流経路の方が、ピットを経由する電流経路より電流が流れやすいため、電流の多くがピットを経由せず、活性層中を流れるようになり、発光に寄与することになる。すなわち、発光に寄与しない無効電流の大幅な低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
この発明によれば、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のうちの欠陥密度が高い第１の部分に電流狭窄領域が設けられていることにより無効電流の大幅な低減を図ることができるため、凹凸加工基板を用いていることも相まって、発光効率が極めて高い発光ダイオードを得ることができる。そして、この発光効率が高い発光ダイオードを用いて高性能の発光ダイオードバックライト、発光ダイオード照明装置、発光ダイオードディスプレイ、各種の電子機器などを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１〜図４はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を工程順に示す。
この第１の実施形態においては、図１Ａに示すように、まず、一主面に周期的な凹凸加工が施されたサファイア基板１１を用意する。符号１１ａは凹部、１１ｂは凸部を示す。凹部１１ａは長方形または逆台形の断面形状を有する。例えば、サファイア基板１１の主面はｃ面またはｃ面から０．１５°程度までオフした面、凹部１１ａはサファイア基板１１の〈１−１００〉方向に延在するストライプ形状である。このサファイア基板１１の凹凸加工は、ＲＩＥ法などにより行うことができる。これらの凹部１１ａおよび凸部１１ｂの寸法などの詳細については後述する。
【００２９】
次に、例えば水素ガス雰囲気中において１２００〜１２３０℃程度の温度でサーマルクリーニングを行うことによりこのサファイア基板１１の表面を清浄化した後、このサファイア基板１１上に従来公知の方法により例えば５１０〜５５０℃程度の成長温度で例えば厚さが５０ｎｍ程度のＧａＮバッファ層（図示せず）を成長させる。続いて、図１Ｂに示すように、このサファイア基板１１上に例えばＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＮのエピタキシャル成長を行う。このとき、図１Ｂに示すように、まず、凹部１１ａの底面から成長を開始させ、この底面を底辺とし、サファイア基板１１の主面に対して傾斜したファセットを斜面に有する二等辺三角形の断面形状となるようにｎ型ＧａＮ層１２を成長させる。例えば、このｎ型ＧａＮ層１２の延在方向はその〈１−１００〉方向であり、その斜面のファセットは（１−１０１）面である。このｎ型ＧａＮ層１２の成長条件については後述する。
【００３０】
引き続いて、ｎ型ＧａＮ層１２の成長をその斜面のファセット面方位を維持しながら行うことにより、図１Ｃに示すように、凹部１１ａの内部を完全に埋める。
次に、成長条件を横方向成長が支配的となる条件に設定して成長を続けると、図２Ａに示すように、ｎ型ＧａＮ層１２は凸部１１ｂ上に横方向成長により広がって行くが、隣接する凹部１１ａから成長したｎ型ＧａＮ層１２同士が凸部１１ｂ上で接触する前、言い換えるとサファイア基板１１がｎ型ＧａＮ層１２により完全に覆われる前の状態で、ドーパントをｎ型不純物からｐ型不純物に切り替えて成長を続けることにより、図２Ｂに示すように、ｐ型ＧａＮ層１３が凸部１１ｂ上に横方向成長により広がって行き、遂にはｐ型ＧａＮ層１３同士が凸部１１ｂの中央部の上で会合して一体化する。このｐ型ＧａＮ層１３は電流狭窄領域となるものである。後述のように、凸部１１ｂの上に成長するこのｐ型ＧａＮ層１３は、凸部１１ｂの上に成長するｎ型ＧａＮ層１２より欠陥密度（転位密度）が高い。
【００３１】
ｐ型ＧａＮ層１３がｎ型ＧａＮ層１２上に成長する前に、成長条件を縦方向成長が支配的となる条件に切り替え、図２Ｃに示すように、ｎ型ＧａＮ層１２およびｐ型ＧａＮ層１３上にｎ型ＧａＮ層１４を成長させる。このｎ型ＧａＮ層１４においては、凸部１１ｂの中央部の上の部分に形成される会合面に貫通転位が集中する。このｎ型ＧａＮ層１４は、厚さが小さい方が発光に寄与しない無効電流の低減を図ることができるため可能な限り厚さを小さくするのが望ましいが、通常は５０ｎｍ程度の厚さで十分である。
【００３２】
次に、図３ＡおよびＢに示すように、ｎ型ＧａＮ層１４上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＧａＮ層１７を順次エピタキシャル成長させる。この活性層１５のＩｎ組成は、発光ダイオードの発光波長に応じて選ばれ、例えば、発光波長４０５ｎｍでは１１％、４５０ｎｍでは１８％、５２０ｎｍでは２４％である。活性層１５の成長は、例えば窒素ガス雰囲気中において７５０〜７９０℃程度の温度で行う。また、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の成長は、例えば水素ガス雰囲気中において８００〜８５０℃程度の温度で行う。また、ｐ型ＧａＮ層１７の成長は、例えば水素ガス雰囲気中において８５０〜８９０℃程度の温度で行う。ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の厚さは例えば１０〜２０ｎｍ程度、ｐ型ＧａＮ層１７の厚さは例えば１１０〜１５０ｎｍ程度である。
【００３３】
図３ＡおよびＢに示すように、活性層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＧａＮ層１７の成長時には、サファイア基板１１の凸部１１ｂの上の部分にある会合面に集中して形成された貫通転位１８の一部を起点として、活性層１５から成長表面に向けて六角形状に開くファセットを持つ六角錐状のピット１９が形成される。
次に、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＧａＮ層１７のｐ型不純物を活性化するため、例えば、Ｎ2 とＯ2 との混合ガス（組成は例えばＮ2 が９９％、Ｏ2 が１％）の雰囲気中において５８０〜６２０℃（例えば、６００℃）の温度で熱処理を行う。ここで、Ｎ2 にＯ2 を混合することで活性化が起きやすくなる。この熱処理の時間は例えば４０分〜２時間、一般的には６０分程度である。熱処理の温度を比較的低くするのは、熱処理時の活性層１５などの劣化を防止するためである。
【００３４】
上記のＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはアンモニア（ＮＨ3 ）を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス（メチルシクロペンタジエニル）マグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００３５】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
次に、ｐ型ＧａＮ層１７上に、サファイア基板１１の凹部１１ａと直交する方向に延在する所定幅のレジストパターン（図示せず）をリソグラフィーにより形成した後、このレジストパターンをマスクとして例えばＲＩＥ法により少なくともｎ型ＧａＮ層１２およびｐ型ＧａＮ層１３に達する深さまでエッチングすることにより、図４Ａに示すように、凹部１１ａと直交する方向に延在する電極溝２０を形成する。
【００３６】
次に、図４Ｂに示すように、真空蒸着法などにより、ｐ型ＧａＮ層１７上にｐ側電極２１を形成するとともに、電極溝２０の底部のｎ型ＧａＮ層１２上にｎ側電極２２を形成する。ｐ側電極２１はピット１９の中にも形成される。ｐ側電極２１の材料としては、高反射率を有するオーミック金属、例えばＡｇやＰｄ／Ａｇなどを用いるのが好ましい。ｎ側電極２２としては、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造のものを用いる。
必要に応じて、上述のようにして発光ダイオード構造が形成されたサファイア基板１１をその裏面側から研削やラッピングすることにより厚さを減少させた後、このサファイア基板１１のスクライビングを行い、バーを形成し、さらにこのバーのスクライビングを行うことでチップ化する。
【００３７】
こうして得られたＧａＮ系発光ダイオードにおいては、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との間に順方向電圧を印加して電流を流すことにより発光を行わせ、サファイア基板１１を通して外部に光を取り出す。活性層１５のＩｎ組成の選定により、青色発光または緑色発光を得ることができる。この場合、活性層１５から発生した光のうち、サファイア基板１１に向かう光は、サファイア基板１１とその凹部１１ａのｎ型ＧａＮ層１２との界面で屈折した後、サファイア基板１１を通って外部に出て行き、活性層１５から発生した光のうち、ｐ側電極２１に向かう光は、このｐ側電極２１で反射されてサファイア基板１１に向かい、サファイア基板１１を通って外部に出て行く。
【００３８】
このＧａＮ系発光ダイオードによれば、サファイア基板１１の凸部１１ｂ上に電流狭窄領域となるｐ型ＧａＮ層１３が設けられているので、図５および図６に示すように、動作時にｐ側電極２１とｎ側電極２２との間に電流（図５および図６中、点線で示す）を流す場合、電流はｐ型ＧａＮ層１３を避けるようにストライプ状のｎ型ＧａＮ層１２に流れ、さらにこのｎ型ＧａＮ層１２を通ってｎ側電極２２に流れ込む。すなわち、この場合、ピット１９を経由しない電流経路の方が、ピット１９を経由する電流経路より電流が流れやすいため、電流の多くがピット１９を経由せず、活性層１５中を流れるようになり、発光に寄与することになる。すなわち、発光に寄与しない無効電流の大幅な低減を図ることができる。
【００３９】
この第１の実施形態においては、ｎ型ＧａＮ層１２の貫通転位密度を最小化するため、凹部１１ａの底面の幅Ｗg 、深さｄ、およびｎ型ＧａＮ層１２の斜面とサファイア基板１１の主面とのなす角度αが下記の式を満たすように決められている（図７参照）。
２ｄ≧Ｗg ｔａｎα
例えば、Ｗg ＝２．１μｍ、α＝５９度の場合にはｄ≧１．７５μｍ、Ｗg ＝２μｍ、α＝５９度の場合にはｄ≧１．６６μｍ、Ｗg ＝１．５μｍ、α＝５９度の場合にはｄ≧１．２４５μｍ、Ｗg ＝１．２μｍ、α＝５９度の場合にはｄ≧０．９６６μｍとする。ただし、いずれの場合もｄ＜５μｍとするのが望ましい。
【００４０】
図１ＢおよびＣに示す工程におけるｎ型ＧａＮ層１２の成長時には、成長原料のＶ／ＩＩＩ比を高めに、例えば１３０００±２０００の範囲、成長温度を低めに、例えば１０５０±５０℃に設定する。こうすることで、図１ＢおよびＣに示すように、基板１１の主面に対して傾斜したファセットを斜面に出しながら、凹部１１ａを完全に埋める形でｎ型ＧａＮ層１２が成長する。この際、凸部１１ｂ上にはｎ型ＧａＮ層１２は殆ど成長しない。また、このｎ型ＧａＮ層１２の成長は、例えば１．０〜２．０気圧、好適には１．６気圧程度の圧力条件下で行う。これは、横方向成長を抑え、凹部１１ａへのｎ型ＧａＮ層１２の選択成長を容易にするためである。成長速度は一般的には１．０〜５．０μｍ／ｈ、好適には３．０μｍ／ｈ程度とする。原料ガスの流量は、例えば、ＴＭＧは２０ＳＣＣＭ、ＮＨ3 は２０ＳＬＭである。一方、図２ＡおよびＢに示す工程におけるｎ型ＧａＮ層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の横方向成長は、成長原料のＶ／ＩＩＩ比を低めに、例えば５０００±２０００の範囲、成長温度を高めに、例えば１１５０±５０℃の範囲に設定する。この範囲より成長温度が高いとｎ型ＧａＮ層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の表面が荒れやすくなり、逆に低いと会合部にピットが生じやすくなる。原料ガスの流量は、例えば、ＴＭＧは４０ＳＣＣＭ、ＮＨ3 は２０ＳＬＭである。こうすることで、図２ＡおよびＢに示すように、ｎ型ＧａＮ層１２およびｐ型ＧａＮ層１３が横方向成長し、平坦な表面が得られる。この際、ｎ型ＧａＮ層１２とサファイア基板１１との間に空隙は生じない。
【００４１】
図８に、ｎ型ＧａＮ層１２の成長時の原料ガスの流れおよびサファイア基板１１上での拡散の様子を模式的に示す。この成長において最も重要な点は、成長初期に、サファイア基板１１の凸部１１ｂ（テラス部）にはｎ型ＧａＮ層１２は成長せず、凹部１１ａにおいてｎ型ＧａＮ層１２の成長が開始することである。これは、一般に、ＧａＮの成長は、Ｇａ原料としてＴＭＧ、Ｎ原料としてＮＨ3 を用いる場合を考えると
Ｇａ（ＣＨ3 ）3 （ｇ）＋３／２Ｈ2 （ｇ）→Ｇａ（ｇ）＋３ＣＨ4 （ｇ）
ＮＨ3 （ｇ）→（１−α）ＮＨ3 （ｇ）＋α／２Ｎ2 （ｇ）＋３α／２Ｈ2 （ｇ）
Ｇａ（ｇ）＋ＮＨ3 （ｇ）＝ＧａＮ（ｓ）＋３／２Ｈ2 （ｇ）
なる反応式で表現されるように、ＮＨ3 とＧａとが直接反応することで起きる。この際、Ｈ2 ガスが発生するが、このＨ2 ガスは結晶成長とは逆の作用、すなわちエッチング作用をする。図１ＢおよびＣに示す工程では、従来の平坦な基板上でのＧａＮの成長では行わない条件、すなわちエッチング作用を高め、成長しにくい条件（Ｖ／ＩＩＩ比を高める）を用いることにより、凸部１１ｂでの成長を抑制する。一方、凹部１１ａの内部では、このエッチング作用が弱まるので、結晶成長が起きる。さらに、従来は、成長結晶表面の平坦性を向上させるため、横方向成長の度合いが高まる条件（より高温）で成長させるが、この第１の実施形態においては、貫通転位をサファイア基板１１の主面に平行な方向に屈曲させることにより低減させたり、より早期に凹部１１ａの内部をｎ型ＧａＮ層１２で埋めたりする目的で、既に述べたように従来より低温（例えば、１０５０±５０℃）で成長させる。
【００４２】
図９に、ｎ型ＧａＮ層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の結晶欠陥分布を模式的に示す。図９に示すように、凸部１１ｂの中央部近傍、すなわち互いに隣接する凹部１１ａから成長するｐ型ＧａＮ層１３同士の会合部で少し転位密度が高くなっているものの、凸部１１ｂの上の部分および凹部１１ａと凸部１１ｂとの境界領域の上の部分を含めて全体的に転位密度が低くなっている。例えば、凹部１１ａの深さｄ＝１μｍ、底面の幅Ｗg ＝２μｍ、凸部１１ｂの上面の幅Ｗt ＝２μｍの場合、これらのｎ型ＧａＮ層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の転位密度は例えば１０7 ／ｃｍ2 程度である。凹部１１ａの側壁に対して垂直方向への転位の発生は一切起きない。
【００４３】
光取り出し効率を高めるためには、凹部１１ａの側壁の斜面の面積を最大化することが好ましい。具体的には、図１０より、凹部１１ａの延在方向に単位長の部分を考えると、一周期分の凹部１１ａおよび凸部１１ｂがサファイア基板１１上に占める面積は（Ｗt ＋Ｗg ）＋ｄ／ｔａｎγ、凹部１１ａの側壁の斜面の面積はｄ／ｓｉｎγと表される。したがって、光取り出し効率を高めるためには斜面面積比
（ｄ／ｓｉｎγ）／（（Ｗt ＋Ｗg ）＋ｄ／ｔａｎγ）
を最大化することが有効である。例えば、ｄ＝１μｍ、Ｗt ＋Ｗg ＝４μｍの場合には、γ＝６９度で斜面面積比は０．２４となる。
【００４４】
以上のように、この第１の実施形態によれば、サファイア基板１１の凸部１１ｂ上に電流狭窄領域となるｐ型ＧａＮ層１３が設けられているので、発光に寄与しない無効電流の大幅な低減を図ることができる。また、ｎ型ＧａＮ層１２およびｐ型ＧａＮ層１３の全体が例えば１０7 ／ｃｍ2 程度の低転位密度となって結晶性が良好であることから、ｎ型ＧａＮ層１４およびその上に成長される活性層１５などのＧａＮ系半導体層全体の結晶性も大幅に向上し、非発光中心なども大幅に減少する。また、凹凸加工を施したサファイア基板１１を用いていることにより、活性層１５から発生した光をこの凹凸で屈折させることにより外部に取り出しやすくなる。加えて、サファイア基板１１とｎ型ＧａＮ層１２との間に空隙が形成されないことにより、発光ダイオードの動作時に活性層から発生する光が、この空隙の内部で反射を繰り返し、その結果光が吸収されてしまうことに起因する光取り出し効率の低下を防止することができる。これらによって、発光効率が極めて高く、特性のばらつきも極めて少ないＧａＮ系発光ダイオードを得ることができる。また、このＧａＮ系発光ダイオードの製造に必要なエピタキシャル成長は一回で済むため、製造コストが安価である。
【００４５】
次に、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法について説明する。
この第２の実施形態においては、図１１に示すように、ｐ型ＧａＮ層１３の横方向成長を開始させる部位が、第１の実施形態と異なる。具体的には、隣接する凹部１１ａから成長したｎ型ＧａＮ層１２同士が凸部１１ｂ上で接触した後、完全に会合する前に、ドーパントをｎ型不純物からｐ型不純物に切り替えて成長を続け、ｐ型ＧａＮ層１３を凸部１１ｂ上に横方向成長させ、凸部１１ｂの中央部の上で完全に会合させて一体化させる。
図１２に、ｐ側電極２１およびｎ側電極２２を形成した状態のＧａＮ系発光ダイオードを示す。
上記以外のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００４６】
次に、この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法について説明する。
この第３の実施形態においては、第１の実施形態におけるｐ型ＧａＮ層１３の代わりにアンドープＧａＮ層を成長させる。この場合、隣接する凹部１１ａから成長したｎ型ＧａＮ層１２同士が凸部１１ｂ上で接触する前、言い換えるとサファイア基板１１がｎ型ＧａＮ層１２により完全に覆われる前の状態で、ドーパントの供給を停止して成長を続けることにより、アンドープＧａＮ層が凸部１１ｂ上に横方向成長により広がって行き、遂にはアンドープＧａＮ層同士が凸部１１ｂの中央部の上で会合して一体化する。
上記以外のことは、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００４７】
次に、この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法について説明する。
この第４の実施形態においては、第２の実施形態におけるｐ型ＧａＮ層１３の代わりにアンドープＧａＮ層を成長させる。この場合、隣接する凹部１１ａから成長したｎ型ＧａＮ層１２同士が凸部１１ｂ上で接触した後、完全に会合する前に、ドーパントの供給を停止して成長を続け、アンドープＧａＮ層を凸部１１ｂ上に横方向成長させ、凸部１１ｂの中央部の上で完全に会合させて一体化させる。
上記以外のことは、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
この第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００４８】
次に、この発明の第５の実施形態について説明する。
この第５の実施形態においては、第１の実施形態による方法により得られる青色発光のＧａＮ系発光ダイオードおよび緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードに加え、別途用意する赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを用いて発光ダイオードバックライトを製造する場合について説明する。
第１の実施形態による方法によりサファイア基板１１上に青色発光のＧａＮ系発光ダイオード構造を形成し、さらにｐ側電極２１およびｎ側電極２２上にそれぞれバンプ（図示せず）を形成した後、これをチップ化することによりフリップチップの形で青色発光のＧａＮ系発光ダイオードを得る。同様にして、緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードをフリップチップの形で得る。一方、赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードとしては、ｎ型ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を積層してダイオード構造を形成し、その上部にｐ側電極を形成するとともに、ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面にｎ側電極を形成した一般的なものをチップの形で用いるものとする。
【００４９】
そして、これらの赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ、緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップおよび青色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップをそれぞれＡｌＮなどからなるサブマウント上にマウントした後、これをサブマウントを下にして例えばＡｌ基板などの基板上に所定の配置でマウントする。この状態を図１３Ａに示す。図１３Ａ中、符号６１は基板、６２はサブマウント、６３は赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ、６４は緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ、６５は青色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップを示す。これらの赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ６３、緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６４および青色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６５のチップサイズは例えば３５０μｍ角である。ここで、赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ６３はそのｎ側電極がサブマウント６２上に来るようにマウントし、緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６４および青色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６５はそのｐ側電極およびｎ側電極が、バンプを介してサブマウント６２上に来るようにする。赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ６３がマウントされているサブマウント６２上にはｎ側電極用の引き出し電極（図示せず）が所定のパターン形状に形成されており、この引き出し電極上の所定部分にＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ６３のｎ側電極側がマウントされている。そして、このＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ６３のｐ側電極と、基板２１上に設けられた所定のパッド電極６６とにこれらを接続するようにワイヤ６７がボンディングされているとともに、上記の引き出し電極の一端と基板６１上に設けられた別のパッド電極とにこれらを接続するようにワイヤ（図示せず）がボンディングされている。緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６４がマウントされているサブマウント６２上には、ｐ側電極用の引き出し電極およびｎ側電極用の引き出し電極（いずれも図示せず）がそれぞれ所定のパターン形状に形成されており、これらのｐ側電極用の引き出し電極およびｎ側電極用の引き出し電極上の所定部分に、ＧａＮ系発光ダイオードチップ６４のｐ側電極およびｎ側電極側がそれらの上に形成されたバンプを介してそれぞれマウントされている。そして、このＧａＮ系発光ダイオードチップ６４のｐ側電極用の引き出し電極の一端と、基板６１上に設けられたパッド電極とにこれらを接続するようにワイヤ（図示せず）がボンディングされているとともに、そのｎ側電極用の引き出し電極の一端と、基板６１上に設けられたパッド電極とにこれらを接続するようにワイヤ（図示せず）がボンディングされている。青色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６５も同様である。
【００５０】
上述のような赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ６３、緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６４および青色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６５を一単位とし、これを基板６１上に所定のパターンで必要な数配置する。その一例を図１４に示す。次に、図１３Ｂに示すように、この一単位を覆うように透明樹脂６８のポッティングを行う。この後、透明樹脂６８のキュア処理を行う。このキュア処理により透明樹脂６８は固化し、それに伴い少し縮小する（図１３Ｃ）。こうして、図１５に示すように、赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードチップ６３、緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６４および青色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６５を一単位としたものが基板６１上にアレイ状に配列された発光ダイオードバックライトが得られる。この場合、透明樹脂６８は緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６４および青色発光のＧａＮ系発光ダイオードチップ６５のサファイア基板１１の裏面と接触しているため、このサファイア基板１１の裏面が空気と直接接触している場合に比べて屈折率差が小さくなり、したがってこのサファイア基板１１を透過して外部に出ようとする光がこのサファイア基板１１の裏面で反射される割合が減少し、それによって光取り出し効率が向上することで発光効率が向上する。
この発光ダイオードバックライトは、例えば液晶パネルのバックライトに用いて好適なものである。
【００５１】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の第１〜第５の実施形態において挙げた数値、材料、ドーパント、構造、形状、基板、原料、プロセス、凹部１１ａの方位などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、ドーパント、構造、形状、基板、原料、プロセス、凹部１１ａの方位などを用いてもよい。
【００５２】
具体的には、例えば、上述の第１〜第５の実施形態において、ｐ型ＧａＮ系半導体層およびｎ型ＧａＮ系半導体層の導電型を互いに逆にしてもよい。また、サファイア基板１１の代わりに、すでに述べたＳｉＣ基板、Ｓｉ基板などの他の基板を用いてもよい。
また、凹部１１ａの延在方向は、ｎ型ＧａＮ層１２の〈１−１００〉方向だけでなく、ｎ型ＧａＮ層１２のｃ軸方向であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図および斜視図である。
【図５】この発明の第１の実施形態により製造されるＧａＮ系発光ダイオードの動作を説明するための斜視図である。
【図６】この発明の第１の実施形態により製造されるＧａＮ系発光ダイオードの動作を説明するための斜視図である。
【図７】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法において用いるサファイア基板を示す略線図である。
【図８】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法におけるサファイア基板上のＧａＮ層の成長の様子を説明するための略線図である。
【図９】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法においてサファイア基板上に成長させたＧａＮ層の結晶欠陥分布を示す略線図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態により製造されるＧａＮ系発光ダイオードの光取り出し効率向上のための最適化条件を説明するための略線図である。
【図１１】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態により製造されるＧａＮ系発光ダイオードを示す斜視図である。
【図１３】この発明の第５の実施形態による発光ダイオードバックライトの製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】この発明の第５の実施形態による発光ダイオードバックライトの製造方法を説明するための斜視図である。
【図１５】この発明の第５の実施形態による発光ダイオードバックライトの製造方法を説明するための斜視図である。
【図１６】従来の凹凸加工基板上へのＧａＮ系半導体層の成長方法を説明するための断面図である。
【図１７】図１５に示す従来の成長方法により得られるＧａＮ系半導体層の欠陥密度分布を説明するための断面図である。
【図１８】図１５に示す従来のＧａＮ系半導体層の成長方法の課題を説明するための斜視図である。
【図１９】図１５に示す従来のＧａＮ系半導体層の成長方法の課題を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
【００５４】
１１…サファイア基板、１１ａ…凹部、１１ｂ…凸部、１２…ｎ型ＧａＮ層、１３…ｐ型ＧａＮ層、１４…ｎ型ＧａＮ層、１５…活性層、１６…ｐ型ＡｌＧａＮ層、１７…ｐ型ＧａＮ層、１８…貫通転位、１９…ピット、２０…電極溝、２１…ｐ側電極、２２…ｎ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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