(57)【要約】【課題】収率及び外部量子効率に優れた垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子を製造する。【解決手段】基板上に窒化ガリウム層を形成し、その上にＥＬＯＧ（Epitaxial Lateral Over Growth）工程のための化合物層を形成し、化合物層を所定の形状にパターニングし、パターニングされた化合物層上に、ＥＬＯＧ工程でｎ型窒化ガリウム層５２５を形成し、この上に活性層５３０、ｐ型窒化ガリウム層５３５を順次に形成し、その上にｐ型電極５４０を形成し、さらに構造支持層５４５を形成する。構造支持層を形成した後に、基板と、基板上に形成された窒化ガリウム層を順次に除去し、窒化ガリウム層が除去された後に、露出された前記パターニングされた化合物層を除去して、凹状にパターニングされたｎ型窒化ガリウム層５２５ｂを形成し、その上に透明導電性酸化物層５５０を形成し、さらにｎ型電極５５５を形成する。【選択図】        図５−ｊ
2006319320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化ガリウム層を形成する段階と、
前記窒化ガリウム層上にＥＬＯＧ（Epitaxial Lateral Over Growth）工程を行うための化合物層を形成する段階と、
前記化合物層を所定の形状にパターニングする段階と、
前記パターニングされた化合物層上に、前記ＥＬＯＧ工程によってｎ型窒化ガリウム層を形成し、この上に活性層、ｐ型窒化ガリウム層を順次に形成する段階と、
前記ｐ型窒化ガリウム層上に構造支持層を形成する段階と、
前記構造支持層を形成した後に、前記基板と該基板上に形成された窒化ガリウム層を順次に除去する段階と、
前記窒化ガリウム層が除去された後に露出された前記パターニングされた化合物層を除去することによって、凹状にパターニングされたｎ型窒化ガリウム層を形成する段階と、
前記凹状にパターニングされたｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成する段階
を備える、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ｐ型窒化ガリウム層を形成した後、前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成する段階をさらに備えることを特徴とする、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】
前記構造支持層を形成した後に、前記構造支持層上にｐ型電極を形成する段階をさらに備えることを特徴とする、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４】
前記構造支持層は、
基板及びメッキ層からなる群より選ばれたいずれか一つで形成された構造支持層であることを特徴とする、請求項１〜３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５】
前記化合物層は、
ＳｉＯ2 及びＳｉＮx （窒化シリコン系列）からなる化合物群より選ばれたいずれか一つの化合物で形成され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】
前記化合物層をパターニングする方法は、
前記化合物層上に所定の形状にパターニングされたパターン層を形成する段階と、
前記パターン層をマスクとして前記化合物層をエッチングする段階
を備えることを特徴とする、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】
前記パターン層を形成する方法は、
前記化合物層上に所定の形状にフォトレジストパターンを形成する段階と、
前記フォトレジストパターンをリフロー（re-flow）することによって、半球形状のフォトレジストパターンを形成する段階
を備えることを特徴とする、請求項６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８】
前記化合物層をエッチングする方法は、
前記リフローされたフォトレジストパターンと前記化合物層を共にエッチングすることによって、前記化合物層を半球形状にパターニングすることを特徴とする、請求項７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９】
前記半球形状は、高さ０．１〜５μｍ、直径０．５〜５μｍ、パターン周期０．５〜５μｍとなるように形成することを特徴とする、請求項７または８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１０】
前記化合物層をエッチングした後に、前記パターン層を除去する段階をさらに備えることを特徴とする、請求項６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１１】
前記ｎ型窒化ガリウム層を形成する方法は、
前記パターニングされた化合物層上にアンドープ窒化ガリウム層を形成する段階と、
前記アンドープ窒化ガリウム層上に、ｎ型不純物のドープされた窒化ガリウム層を形成する段階
を備えることを特徴とする、請求項１〜１０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１２】
前記ｎ型不純物のドープされた窒化ガリウム層を形成する方法は、
前記アンドープ窒化ガリウム層上に、ｎ型不純物のドーピング濃度を漸次高めつつ窒化ガリウム層を成長させることを特徴とする、請求項１１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１３】
前記アンドープ窒化ガリウム層の厚さは０．１〜１μｍとすることを特徴とする、請求項１１または１２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１４】
構造支持層と、
前記構造支持層の上面または下面に形成されたｐ型電極と、
前記ｐ型電極の形成された前記構造支持層上に形成されたｐ型窒化ガリウム層と、
前記ｐ型窒化ガリウム層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成され、ｎ型不純物がドープされたｎ型窒化ガリウム層と、
前記ｎ型窒化ガリウム層上に形成され、上面に複数個の凹部が周期的に形成されたアンドープ窒化ガリウム層と、
前記アンドープ窒化ガリウム層上に形成されたｎ型電極
を含む、垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項１５】
前記ｐ型電極が前記構造支持層の下面に形成された場合、前記構造支持層は、導電性基板及びメッキ層からなる群より選ばれたいずれか一つで形成された構造支持層であり、前記ｐ型電極が前記構造支持層の上面に形成された場合、前記構造支持層は、シリコン（Ｓｉ）基板及びメッキ層からなる群より選ばれたいずれか一つで形成された構造支持層であることを特徴とする、請求項１４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。
【請求項１６】
前記凹部は、半球形状を有し、深さ０．１〜５μｍ、直径０．５〜５μｍ、パターン周期０．５〜５μｍであることを特徴とする、請求項１４または１５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。
【請求項１７】
前記アンドープ窒化ガリウム層の厚さは、０．１〜１μｍであることを特徴とする、請求項１４〜１６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。
【請求項１８】
前記アンドープ窒化ガリウム層上に形成された透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層をさらに含むことを特徴とする、請求項１４〜１７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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子及びその製造方法に関し、より詳細には、ＥＬＯＧ（Epitaxial Lateral Over Growth）工程を用いてｎ型窒化ガリウム層の上面に一定のパターンを形成することによって、光子の外部放出効率を向上させることができる、垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化ガリウム系発光ダイオードは、サファイア基板上に成長するが、該サファイア基板は、堅く、電気的に不導体で、且つ、熱伝導特性がよくないため、窒化ガリウム系発光ダイオードの大きさを縮めて製造コストを節減したり、光出力及びチップの特性を改善させたりするのには限界があった。特に、発光ダイオードの高出力化のためには大電流の印加が必須であり、よって、発光ダイオードの熱放出問題を解決するのが重要である。そこで、従来は、レーザーリフトオフ（Laser Lift-Off：以下、‘ＬＬＯ'と称する。）技術を用いた垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオードが提案されてきた。
【０００３】
しかしながら、このような従来の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオードにおいて、活性層で生成された光子が、発光ダイオードの外部に放出される効率（以下、‘外部量子効率'と称する。）が低下するという問題点があった。
【０００４】
このような問題点を、光の屈折を示す図である図１に基づいて詳細に説明する。図１を参照すると、活性層で生成された光子が、空気の屈折率Ｎ2 よりも高い屈折率Ｎ1 を持つ窒化ガリウムＧａＮ層を通過した後に空気中に脱出するためには、この窒化ガリウム層から空気中に入射される光子の入射各θ1 が臨界角θc 未満にならなければならない。
【０００５】
ここで、前記光子が空気中に脱出する脱出角θ2 が９０゜である場合の臨界角θc は、θc ＝Ｓｉｎ-1 （Ｎ2 ／Ｎ1）と定義でき、前記窒化ガリウム層から屈折率１の空気中に光が進行する時の臨界角は、約２３．６゜となる。
【０００６】
もし、入射各θ1 が臨界角θc 以上になると、光子は、窒化ガリウム層と空気との界面で全反射されて再び発光ダイオード内部に戻り発光ダイオード内部に閉じ込められるため、外部量子効率は非常に減少してしまう。
【０００７】
このような外部量子効率の減少を解決するために、特許文献１では、ｎ型窒化ガリウム層の表面に半球形状の凸パターンを形成し、これによって、窒化ガリウム層から空気中に入射される光子の入射角θ1 を、臨界角θc 未満に下げることができた。
【０００８】
以下、特許文献１に開示された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について説明する。
【０００９】
図２−ａ乃至図２−ｃは、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発光ダイオード素子の工程断面図であり、図３−ａ乃至図３−ｃは、図２−ａ〜２−ｃに示す垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の工程拡大断面図であり、図４は、図２−ａ〜２−ｃに示す垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の断面図である。
【００１０】
まず、図２−ａ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発光ダイオード（ＬＥＤ）構造物１６及びｐ型電極１８を形成した後、ｐ型電極１８上に第１Ｐｄ層２６及びＩｎ層２８を形成する。そして、Ｓｉ基板２０の下面には第２Ｐｄ層３０を形成する。
【００１１】
その後、図２−ｂに示すように、第２Ｐｄ層３０が形成されたＳｉ基板２０を第１Ｐｄ層２６及びＩｎ層２８が形成されたｐ型電極１８上に接合する。
【００１２】
続いて、図２−ｃに示すように、ＬＬＯ工程でサファイア基板２４を除去する。
【００１３】
その後、図３−ａに示すように、サファイア基板２４が除去された後に露出された発光ダイオード構造物１６の表面（具体的には、ｎ型窒化ガリウム層の表面）の所定箇所にフォトレジストパターン３２を形成する。
【００１４】
その後、図３−ｂに示すように、リフロー（re-flow）工程によってフォトレジストパターン３２を半球形状に形成する。
【００１５】
続いて、図３−ｃに示すように、異方性エッチング（anisotropic etching）方法によって発光ダイオード構造物１６の表面をエッチングすることによって、該発光ダイオード構造物１６の表面を半球形状にパターニングする。
【００１６】
最後に、この発光ダイオード構造物１６上に、ｎ型電極３４を形成することで、図４に示すように、発光ダイオード構造物１６の表面がパターニングされた発光ダイオード素子が完成する。
【００１７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０２２２２６３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上記の特許文献１に開示された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によって製造された発光ダイオード素子において、サファイア基板２４上に発光ダイオード構造物１６を成長させる際に、サファイア基板２４と発光ダイオード構造物１６間の格子定数及び熱膨張係数の差によって発光ダイオード構造物１６に線欠陥（threading dislocation）が発生し、発光ダイオード素子の不良を招くという問題点があった。
【００１９】
また、１０μｍ以下の発光ダイオード構造物１６（Thin GaN）を取り扱う場合には、サブ（Sub） 支持台を用いるとしてもフォトレジストパターン３２形成作業及び後続工程に困難があり、収率が非常に低くなる。
【００２０】
また、発光ダイオード構造物１６の表面に形成されたパターンは半球形状の凸パターンであり、このため、活性層で生成された光子の外部放出経路が長くなるという問題点があった。
【００２１】
本発明は上記の問題点を解決するためのものであり、その目的は、新しい工程でｎ型窒化ガリウム層の表面をパターン化することによって、外部量子効率を増加させ、且つ、線欠陥が発生しない垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子及びそ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】
上記目的を達成するために、本発明に係る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は、基板上に窒化ガリウム層を形成する段階と、前記窒化ガリウム層上にＥＬＯＧ（Epitaxial Lateral Over Growth）工程を行うための化合物層を形成する段階と、前記化合物層を所定の形状にパターニングする段階と、前記パターニングされた化合物層上に、前記ＥＬＯＧ工程によってｎ型窒化ガリウム層を形成し、この上に活性層、ｐ型窒化ガリウム層を順次に形成する段階と、前記ｐ型窒化ガリウム層上に構造支持層を形成する段階と、前記構造支持層を形成した後に、前記基板と該基板上に形成された窒化ガリウム層を順次に除去する段階と、前記窒化ガリウム層が除去された後に露出された前記パターニングされた化合物層を除去することによって、凹状にパターニングされたｎ型窒化ガリウム層を形成する段階と、前記凹状にパターニングされたｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成する段階を備えることを特徴とする。
【００２３】
ここで、上記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は、前記ｐ型窒化ガリウム層を形成した後、前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成する段階、または、前記構造支持層を形成した後に、前記構造支持層上にｐ型電極を形成する段階をさらに備えることが好ましい。
【００２４】
そして、前記構造支持層は、基板及びメッキ層からなる群より選ばれたいずれか一つで形成された構造支持層であることが好ましい。
【００２５】
また、前記化合物層は、ＳｉＯ2 及びＳｉＮx （窒化シリコン系列）からなる化合物群より選ばれたいずれか一つの化合物で形成されることが好ましい。
【００２６】
また、前記化合物層をパターニングする方法は、前記化合物層上に所定の形状にパターニングされたパターン層を形成する段階と、前記パターン層をマスクとして前記化合物層をエッチングする段階とを備えることが好ましい。
【００２７】
ここで、前記パターン層を形成する方法は、前記化合物層上に所定の形状にフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをリフロー（re-flow）することによって、半球形状のフォトレジストパターンを形成する段階を備えることが好ましい。
【００２８】
また、前記化合物層をエッチングする方法は、前記リフローされたフォトレジストパターンと前記化合物層を共にエッチングすることによって、前記化合物層を半球形状にパターニングすることが好ましい。
【００２９】
また、前記半球形状は、高さ０．１〜５μｍ、直径０．５〜５μｍ、パターン周期０．５〜５μｍとなるように形成することが好ましい。
【００３０】
また、上記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は、前記化合物層をエッチングした後に、前記パターン層を除去する段階をさらに備えることが好ましい。
【００３１】
また、前記ｎ型窒化ガリウム層を形成する方法は、前記パターニングされた化合物層上にアンドープ窒化ガリウム層を形成する段階と、前記アンドープ窒化ガリウム層上に、ｎ型不純物のドープされた窒化ガリウム層を形成する段階を備えることが好ましい。
【００３２】
ここで、前記ｎ型不純物のドープされた窒化ガリウム層を形成する方法は、前記アンドープ窒化ガリウム層上に、ｎ型不純物のドーピング濃度を漸次高めつつ窒化ガリウム層を成長させることが好ましい。
【００３３】
前記アンドープ窒化ガリウム層の厚さは０．１〜１μｍであることが好ましい。
【００３４】
一方、上記目的を達成するために、本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子は、構造支持層と、前記構造支持層の上面または下面に形成されたｐ型電極と、前記ｐ型電極の形成された前記構造支持層上に形成されたｐ型窒化ガリウム層と、前記ｐ型窒化ガリウム層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、ｎ型不純物がドープされたｎ型窒化ガリウム層と、前記ｎ型窒化ガリウム層上に形成され、上面に複数個の凹部が周期的に形成されたアンドープ窒化ガリウム層と、前記アンドープ窒化ガリウム層上に形成されたｎ型電極を含むことを特徴とする。
【００３５】
ここで、前記ｐ型電極が前記構造支持層の下面に形成された場合、前記構造支持層は、導電性基板及びメッキ層からなる群より選ばれたいずれか一つで形成された構造支持層であり、前記ｐ型電極が前記構造支持層の上面に形成された場合、前記構造支持層は、シリコン（Ｓｉ）基板及びメッキ層からなる群より選ばれたいずれか一つで形成された構造支持層であることが好ましい。
【００３６】
そして、前記凹部は、半球形状を有し、深さ０．１〜５μｍ、直径０．５〜５μｍ、パターン周期０．５〜５μｍであることが好ましい。
【００３７】
また、前記アンドープ窒化ガリウム層の厚さは、０．１〜１μｍであることが好ましい。
【００３８】
また、上記の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子は、前記アンドープ窒化ガリウム層上に形成された透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００３９】
本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子及びその製造方法によれば、発光ダイオード素子構造物を形成する際に、線欠陥が発生しなく且つｎ型窒化ガリウム層の表面に凹状のパターンを形成し易い工程を施すので、収率及び外部量子効率に優れた発光ダイオード素子が得られる。
【００４０】
また、ｎ型窒化ガリウム層の表面に凹状のパターンを形成するので、活性層で生成された光子の外部放出経路を減らすことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明の好適な実施形態について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図面中、同一の構成要素には可能な限り同一の参照符号を付し、その重複説明は省略するものとする。
【００４２】
図５−ａ乃至図５−ｊは、本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程断面図及び斜視図である。
【００４３】
まず、図５−ａに示すように、基板５０５上に第１窒化ガリウム（ＧａＮ）層５１０を成長させる。この第１窒化ガリウム層５１０は、不純物がドープされていない、つまり、アンドープ（Undoped）窒化ガリウム層であって、１時間当り１μｍの成長速度で０．５〜１．５時間成長させる。
【００４４】
本実施形態では、基板５０５としてサファイア基板を使用する。
【００４５】
その後、第１窒化ガリウム層５１０上に、ＥＬＯＧ（Epitaxial Lateral Over Growth）工程を行うための化合物層５１５ａを形成する。ＥＬＯＧ工程は、ＳｉＯ2 やＳｉＮx （窒化シリコン系列）化合物を基盤とする時にその収率が最も高いので、化合物層５１５ａはＳｉＯ2 やＳｉＮx （窒化シリコン系列）化合物からなることが好ましい。
【００４６】
本実施形態では、化合物層５１５ａとしてＳｉＯ2 層を化学気相蒸着（ＣＶＤ）法やスバッタ法（sputtering）によって形成する。
【００４７】
その後、図５−ｂに示すように、ＳｉＯ2 層５１５ａ上に、フォトリソグラフィ（photolithography）工程によって光反応ポリマーを１〜５μｍの厚さに塗布した後、光反応及びマスクを用いて光反応ポリマーを０．５〜５μｍ間隔を持つ所定の形状にパターニングすることによってフォトレジストパターン５２０ａを形成する。ただし、後述する工程のうちｎ型電極を形成する工程を考慮し、ＳｉＯ2 層５１５ａの所定箇所にはフォトレジストパターン５２０ａを形成しなくてもよい。
【００４８】
本実施形態では、格子形状のマスクを使用することによって、光反応ポリマーが０．５〜５μｍの間隔を持つ直方体形状となるようにパターニングする。
【００４９】
その後、図５−ｃに示すように、直方体形状のフォトレジストパターン５２０ａを１００〜１５０℃の温度で約１〜５分間リフロー（re-flow）することで、半球形状のフォトレジストパターン５２０ｂを形成する。
【００５０】
続いて、半球形状のフォトレジストパターン５２０ｂをマスクとしてＳｉＯ2 層５１５ａをエッチングする。このときに、ＩＣＰ−ＲＩＥ装備を用いてＢＣｌ3 とＨＢｒガスでエッチングすることによって、半球形状のフォトレジストパターン５２０ｂとＳｉＯ2 層５１５ａが共にエッチングされ、結果として図５−ｄに示すように、ＳｉＯ2 層５１５ａが半球形状のパターン５１５ｂにエッチングされる。図５−ｅは、ＳｉＯ2 層５１５ａが半球形状のパターン５１５ｂにエッチングされた様子を示す斜視図である。
【００５１】
ここで、半球形状のパターンにエッチングされたＳｉＯ2 層５１５ｂにおいて、その半球の高さは０．１〜５μｍで、その直径は０．５〜５μｍで、そのパターン周期は０．５〜５μｍであることが好ましい。これは、上記のように限定された数値範囲を外れて半球形状のパターンを形成すると、後述するように、この半球形状のパターンに相応してｎ型窒化ガリウム層の表面をパターニングするようになるが、このようなパターンに形成されたｎ型窒化ガリウム層の表面では外部量子効率の向上が期待し難いためである。
【００５２】
その後、図５−ｆに示すように、半球形状にパターニングされたＳｉＯ2 層５１５ｂ上に、ＥＬＯＧ工程でｎ型第２窒化ガリウム層５２５を形成する。
【００５３】
このＥＬＯＧ工程で形成されたｎ型第２窒化ガリウム層５２５では線欠陥が生じない。したがって、良質のｎ型第２窒化ガリウム層５２５が形成可能になる。
【００５４】
一方、ｎ型第２窒化ガリウム層５２５は、単一の層にしてもよいが、電流拡散（current spreading） 現象を向上させ、素子の中心部にのみ電流が流れる電流クラウディング（current crowding）現象を防止するためには、ｎ型第２窒化ガリウム層５２５を２つの層にすることが好ましい。
【００５５】
すなわち、半球形状にパターニングされたＳｉＯ2 層５１５ｂ上に、ＥＬＯＧ工程によって、ｎ型不純物がドープされていない、つまり、アンドープ（undoped） 窒化ガリウム層５２５ａを所定の厚さに形成した後、アンドープ窒化ガリウム層５２５ａ上にｎ型不純物のドープされたｎ型窒化ガリウム層５２５ｂを形成する。このアンドープ窒化ガリウム層５２５ａは、ｎ型不純物のドープされた窒化ガリウム層５２５ｂよりも抵抗が高いため、電流ブロッキング（current blocking）膜として働き、素子全体に電流が拡散されるようにする。
【００５６】
ここで、アンドープ窒化ガリウム層５２５ａの厚さが０．１μｍ未満であると、電流拡散現象を引き起こし難く、その厚さが１μｍ超過すると、素子に流れる電流の量が過少になる恐れがあるので、アンドープ窒化ガリウム層５２５ａの厚さは、０．１〜１μｍにすることが好ましい。
【００５７】
また、ｎ型不純物のドープ窒化ガリウム層５２５ｂを形成する際に、そのドーピング濃度を一定に維持するよりは、アンドープ窒化ガリウム層５２５ａに接する部分から漸次ｎ型不純物のドーピング濃度を高めつつ窒化ガリウム層を成長させることによって、電流拡散現象をより向上させることができる。
【００５８】
その後、ｎ型第２窒化ガリウム層５２５上に活性層５３０及びｐ型第３窒化ガリウム層５３５を順次に形成する。
【００５９】
続いて、ｐ型第３窒化ガリウム層５３５上にｐ型電極５４０を形成するが、このｐ型電極５４０は、後述するように、構造支持層５４５上に形成されてもよい。
【００６０】
その後、ｐ型電極５４０上に構造支持層５４５を形成する。特に、構造支持層５４５が基板（例えば、シリコン基板）である場合における形成方法について説明すると、まず、ｐ型電極５４０上に金属共融（eutectic）接合層（図示せず）を形成する。このときに、共融接合層は、シリコン基板を共融接合法で付着するために形成するものであり、第１金属膜と第２金属膜とから構成された金属合金層である。この金属合金層は、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）、金−錫（ＡｕＳｎ）、錫（Ｓｎ）、金（Ａｕ）などの金属を用いて蒸着する。その後、前記共融接合層に所定の温度と圧力を加えた後に該共融接合層上に前記シリコン基板を接合する。
【００６１】
場合によって、構造支持層５４５は、電気メッキ法を使用して形成されたメッキ層であってもよく、メタル基板を共融接合法で接合して形成したものであってもよい。
【００６２】
ここで、構造支持層５４５は、発光ダイオード素子の製造工程及び発光ダイオード素子の最終パッケージング工程時に発生しうる外部の衝撃から素子が損傷を受けないように素子の形態を維持する役割を担う。
【００６３】
一方、上述の如く、ｐ型第３窒化ガリウム層５３５上にｐ型電極５４０を形成しない場合、本段階で構造支持層５４５上にｐ型電極５４０を形成する。この場合、構造支持層５４５は、導電性物質でなければ電流を導通させることができないので、必ず金属などの導電性物質（例えば、導電性基板またはメッキ層）で形成しなければならない。
【００６４】
その後、図５−ｇに示すように、サファイア基板５０５をＬＬＯ工程によって除去する。
【００６５】
続いて、図５−ｈに示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥ装備を用いて第１窒化ガリウム層５１０を完全に除去することによって、半球形状にパターニングされたＳｉＯ2 層５１５ｂを露出させる。
【００６６】
その後、図５−ｉに示すように、ＢＨＦ（Buffered Hydrofluoric acid）溶液を使って、露出されたＳｉＯ2 層５１５ｂを除去することによって、凹入した半球形状のパターンを持つｎ型第２窒化ガリウム層５２５の表面を形成する。
【００６７】
続いて、図５−ｊに示すように、電流拡散現象を向上させるために、選択的に、パターニングされたｎ型第２窒化ガリウム層５２５上に透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層５５０を形成してもよい。
【００６８】
最後に、透明導電性酸化物層５５０が形成されたｎ型第２窒化ガリウム層５２５上に、ｎ型電極５５５を形成し、素子分離工程を行うことで、本実施形態による発光ダイオード素子の製造を完成する。
【００６９】
図５−ｊは、本実施形態によって製造された発光ダイオード素子の断面図であり、ｎ型第２窒化ガリウム層５２５上に凹入した半球形状のパターンを形成することによって、活性層５３０で生成された光子が、ｎ型第２窒化ガリウム層５２５に形成された凹入した半球に入射する場合、その入射角が臨界角未満となる確率が高まるので、発光ダイオード素子の全体外部量子効率を増加させることができる。
【００７０】
＜変形例＞
図６−ａ乃至図６−ｅは、上記の実施形態の変形例による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説明するために示す一部段階の工程断面図である。
【００７１】
まず、図６−ａに示すように、上記の実施形態と同じ方法でＳｉＯ2 層６１５ａを形成する。
【００７２】
その後、図６−ｂに示すように、ＳｉＯ2 層６１５ａ上に、フォトリソグラフィ工程で光反応ポリマーを１〜５μｍの厚さに塗布した後、この光反応ポリマーを光反応及びマスクを用いて０．５〜５μｍの間隔を持つ所定の形状にパターニングすることによって、フォトレジストパターン６２０を形成する。
【００７３】
本変形例では、格子形状のマスクを使用し、図６−ｂに示すように、光反応ポリマーが０．５〜５μｍの間隔を持つ直方体形状となるようにパターニングする。
【００７４】
その後、図６−ｃに示すように、直方体形状のフォトレジストパターン６２０ａをマスクとしてＳｉＯ2 層６１５ａをエッチングすることによって、パターニングされたＳｉＯ2 層６１５ｂを形成する。このときに、上述の実施形態とは違い、直方体形状のフォトレジストパターン６２０をマスクとしてＳｉＯ2 層６１５ａのみをエッチングする。
【００７５】
その後、図６−ｄに示すように、アセトン溶液などを使用してフォトレジストパターン６２０を除去する。
【００７６】
最後に、パターニングされたＳｉＯ2 層６１５ｂ上にＥＬＯＧ工程を行うなど、上記の実施形態における工程を同一に進行することで、本変形例による発光ダイオード素子の製造を完成する。
【００７７】
図６−ｅは、本変形例によって製造された発光ダイオード素子の断面図であり、ｎ型第２窒化ガリウム層５２５ｂ上に凹入した直方体形状のパターンを形成することによって、素子全体の外部量子効率を増加させることができる。
【００７８】
以上の実施形態及び変形例では、説明の便宜上、半球形状または直方体形状のパターンを持つｎ型第２窒化ガリウム層５２５ｂの表面を形成したが、フォトレジストパターンをさまざまに変更することによって、さまざまな形状のパターンを持つｎ型第２窒化ガリウム層表面を形成することができる。
【００７９】
本発明は、以上説明してきた実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨及び範囲を逸脱しない限度内で、種々の変形及び変更実施が可能であるということは、当業者にとって明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上のように、本発明にかかる垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子及びその製造方法は、一般の窒化ガリウム系発光ダイオードの用途に有用であり、特に、高出力化が要求される用途に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】従来技術の問題点を説明するための光の屈折を示す原理図である。
【図２−ａ】特許文献１（米国公開特許第２００３／０２２２２６３号）に開示されている垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の工程断面図である。
【図２−ｂ】特許文献１（米国公開特許第２００３／０２２２２６３号）に開示されている垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の工程断面図である。
【図２−ｃ】特許文献１（米国公開特許第２００３／０２２２２６３号）に開示されている垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の工程断面図である。
【図３−ａ】図２に示す垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の工程拡大断面図である。
【図３−ｂ】図２に示す垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の工程拡大断面図である。
【図３−ｃ】図２に示す垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の工程拡大断面図である。
【図４】図２−ａ〜図２−ｃに示す垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の断面図である。
【図５−ａ】本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程断面図である。
【図５−ｂ】本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程断面図である。
【図５−ｃ】本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程斜視図である。
【図５−ｄ】本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程断面図である。
【図５−ｅ】本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程斜視図である。
【図５−ｆ】本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程断面図である。
【図５−ｇ】本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程断面図である。
【図５−ｈ】本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程断面図である。
【図５−ｉ】本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程断面図である。
【図５−ｊ】本発明の実施形態による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説明するための各段階別工程断面図である。
【図６−ａ】本発明の実施形態の変形例による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説明するための一部段階の工程断面図である。
【図６−ｂ】本発明の実施形態の変形例による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説明するための一部段階の工程断面図である。
【図６−ｃ】本発明の実施形態の変形例による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説明するための一部段階の工程断面図である。
【図６−ｄ】本発明の実施形態の変形例による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説明するための一部段階の工程断面図である。
【図６−ｅ】本発明の実施形態の変形例による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説明するための一部段階の工程断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
５０５  基板（サファイア基板）
５１０  第１窒化ガリウム層
５１５ａ，６１５ａ  化合物層（ＳｉＯ2 層）
５１５ｂ，６１５ｂ  パターニングされた化合物層
５２０ａ，５２０ｂ，６２０  フォトレジストパターン
５２５  ｎ型第２窒化ガリウム層
５３０  活性層
５３５  ｐ型第３窒化ガリウム層
５４０  ｐ型電極
５４５  構造支持層
５５０  透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層
５５５  ｎ型電極
【図１】
2006319320.tif 000003
【図２−ａ】
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【図２−ｂ】
2006319320.tif 000005
【図２−ｃ】
2006319320.tif 000006
【図３−ａ】
2006319320.tif 000007
【図３−ｂ】
2006319320.tif 000008
【図３−ｃ】
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【図４】
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【図５−ａ】
2006319320.tif 000011
【図５−ｂ】
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【図５−ｃ】
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【図５−ｄ】
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【図５−ｅ】
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【図５−ｆ】
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【図５−ｇ】
2006319320.tif 000017
【図５−ｈ】
2006319320.tif 000018
【図５−ｉ】
2006319320.tif 000019
【図５−ｊ】
2006319320.tif 000020
【図６−ａ】
2006319320.tif 000021
【図６−ｂ】
2006319320.tif 000022
【図６−ｃ】
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【図６−ｄ】
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【図６−ｅ】
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