(57)【要約】  【課題】  活性層体積を十分に確保しつつ、光の取り出し効率の大幅な向上を図ることができることにより、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】  一主面に凹凸加工を施したサファイア基板１１上にｎ型ＧａＮ層１２、ｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４、ｎ型ＧａＮ層１５、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造の活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８を順次エピタキシャル成長させて発光ダイオード構造を形成する。この成長時に、サファイア基板１１の凸部１１ｂの上の部分に形成される会合部に形成された貫通転位１３の一部を起点として六角錐状のピット１９が形成される。【選択図】        図２
2006339534.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、
上記基板と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記基板の凸部の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
上記ピット形成用不純物を有する層はＩｎまたはＭｇを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層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】
上記ピットの密度は１×１０4 ｃｍ-2以上１×１０9 ｃｍ-2以下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４】
上記ピットの内面に発光波長の光を吸収しない材料からなる膜が形成さ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】
上記ピットの内面に発光波長の光を反射する反射膜が形成さ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７】
一主面に凹凸構造を有する基板上に第１の導電型の第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ようにした発光ダイオードの製造方法において、
上記活性層を成長させる前にピット形成用不純物を含む層を成長させるようにした
ことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項８】
基板と、
上記基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層と、
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上の成長マスクと、
上記成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から横方向成長した下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の第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、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記成長マスクの上記開口部以外の部分の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項９】
基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層を成長させ、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上に成長マスクを形成し、この成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させ、この下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に第１の導電型の第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ようにした発光ダイオードの製造方法において、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させた後、上記活性層を成長させる前にピット形成用不純物を含む層を成長させるようにした
ことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項１０】
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、
上記基板と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記基板の凸部の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする発光ダイオードバックライト。
【請求項１１】
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、
基板と、
上記基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層と、
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上の成長マスクと、
上記成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から横方向成長した下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の第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、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記成長マスクの上記開口部以外の部分の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする発光ダイオードバックライト。
【請求項１２】
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、
上記基板と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記基板の凸部の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする発光ダイオード照明装置。
【請求項１３】
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、
基板と、
上記基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層と、
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上の成長マスクと、
上記成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から横方向成長した下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の第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、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記成長マスクの上記開口部以外の部分の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする発光ダイオード照明装置。
【請求項１４】
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、
上記基板と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記基板の凸部の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする発光ダイオードディスプレイ。
【請求項１５】
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、
基板と、
上記基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層と、
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上の成長マスクと、
上記成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から横方向成長した下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の第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、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記成長マスクの上記開口部以外の部分の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする発光ダイオードディスプレイ。
【請求項１６】
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、
上記基板と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記基板の凸部の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１７】
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、
基板と、
上記基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層と、
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上の成長マスクと、
上記成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から横方向成長した下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の第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、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記成長マスクの上記開口部以外の部分の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
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、発光ダイオードの製造方法、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】
ＧａＮ系半導体は、可視領域での発光が可能である半導体材料である。最近、このＧａＮ系半導体を用いた高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）の開発が盛んに行われている。しかし、ＧａＮ系半導体ではその成長に用いる基板の問題がある。すなわち、ＧａＮ基板を作製することが非常に困難であり、一般的にはサファイア基板を用いて結晶成長が行われている。ところが、サファイアとＧａＮとの間には大きな格子不整合があるため、このサファイア基板上に成長させたＧａＮ層内には１０9 ｃｍ-2を超える多くの貫通転位が発生することが分かっている。この貫通転位は、発光ダイオードの特性および信頼性を低下させる原因となる。このため、この貫通転位などの結晶欠陥を低減させる技術が非常に重要である。
【０００３】
貫通転位を低減させる方法としては、従来より様々な方法が報告されている。例えば、ＳｉＯ2 膜などの誘電体膜の一部を開口し、その部分からＧａＮ系半導体を横方向成長させる結晶成長法（例えば、特許文献１参照。）や、加工基板上にエピタキシャル成長を行う方法（例えば、特許文献２、３および非特許文献１参照。）などがある。これらの方法では、転位密度を低減させるとともに、貫通転位をある部分に集中させることで、貫通転位が少ない良好な結晶品質を有する部分を形成することが可能になった。図１９Ａに凹凸加工基板上にエピタキシャル成長を行う方法を用いてＧａＮ系発光ダイオードを製造する一例を示す。図１９Ａに示すように、この方法では、まず、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。次に、このサファイア基板１０１上にｎ型ＧａＮ層１０２、ＧａＩｎＮ系の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４を順次成長させ、発光ダイオード構造を形成する。符号１０５は貫通転位を示す。図１９Ｂに貫通転位１０５の面内分布のイメージを模式的に示す。
【０００４】
一方、発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層の表面に凹凸を形成することで光の取り出し効率の向上を図ることができる。この凹凸を形成する方法として、ＩｎやＭｇなどの不純物をドープすることにより、発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層の表面にピットを形成する方法がある（例えば、Ｉｎについて非特許文献２参照。）。図２０Ａにその一例を示す。図２０Ａに示すように、この方法では、平坦なサファイア基板２０１上にｎ型ＧａＮ層２０２、ＧａＮ層にＩｎをドープした層であるＧａＩｎＮバッファ層２０３、ｎ型ＧａＮ層２０４、ＧａＩｎＮ系のＭＱＷ構造の活性層２０５およびｐ型ＧａＮ層２０６を順次成長させ、発光ダイオード構造を形成する。符号２０７は貫通転位を示す。この場合、ＧａＩｎＮバッファ層２０３の成長時に貫通転位２０７の所にピット２０８が発生し、これが成長に伴って次第に上方に大きく開いて行く。図２０Ｂにピット２０８の面内分布のイメージを模式的に示す。
【０００５】
なお、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた発光ダイオードにおいて、サファイア基板と活性層との間にＩｎを２〜１２％含むＩｎＧａＮ層などの平滑層（smoothing layer)を形成することにより、発光ダイオードを構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面特性を向上させることが知られている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平１０−３１２９７１号公報
【特許文献２】特開２００４−６９３１号公報
【特許文献３】特開２００４−６９３７号公報
【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
【非特許文献２】Journal of Crystal Growth 189/190(1998)24-28
【特許文献４】米国特許第６６３５９０４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、図２０に示す従来の成長方法では、ピット２０８は面内でランダムに発生するため、ピット２０８の位置を制御することが難しく、従って光の取り出し位置を制御することが難しいという問題がある。また、平坦なサファイア基板２０１上のＧａＮ系半導体の成長では、転位密度が１０9 ｃｍ-2以上と高密度の結晶欠陥が発生することが多いことから、ピット２０８の密度が高くなりすぎて実効的な活性層体積が減少してしまい、逆に発光効率が低下してしまうという問題が生じる。
【０００７】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、活性層体積を十分に確保しつつ、光の取り出し効率の大幅な向上を図ることができることにより、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】
【０００８】
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、
上記基板と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記基板の凸部の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする発光ダイオードである。
【０００９】
ピット形成用不純物を含む層の挿入位置は、基板と活性層との間である限り、特に限定されず、基板と第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間でも、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でも、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と活性層との間でもよい。また、ピット形成用不純物は、これに起因して窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長時にピットが形成される限り、基本的にはどのようなものであってよいが、ＩｎやＭｇが好適に用いられる。このピット形成用不純物を含む層の厚さは特に限定されず、デルタドーピング的に薄くてもよいし、厚くてもよい。このピット形成用不純物を含む層は、典型的には連続層として形成されるが、連続層としてではなく、ピットが形成される核の部分に、それらの原料が付着しただけのものであってもよい。このピット形成用不純物を含む層は、好適には、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と同じく第１導電型である。このピット形成用不純物を含む層は、典型的には、ＩｎまたはＭｇを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、具体的にはＩｎＧａＮ層やＭｇドープＧａＮ層などである。ピットの密度は、典型的には１×１０4 ｃｍ-2以上１×１０9 ｃｍ-2以下である。
【００１０】
ピットの内面には、必要に応じて、発光波長の光を吸収しない材料からなる膜、例えばＧａＮ層などの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が形成される。こうすることで、活性層から放出される光の一部を、この活性層で再吸収されることなく外部に取り出すことができる。また、ピットの内面に、必要に応じて、発光波長の光を反射する反射膜、例えばＡｇのような高反射率の金属の膜が形成される。こうすることで、活性層から放出される光の一部を、この反射膜で基板側に反射させ、外部に取り出すことができる。
【００１１】
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することにより凸部が四角形状や六角形状に形成されるようにしてもよい。こうすることで、活性層から放出される光を３６０°の全方向に効率よく取り出すことができる。基板の凹部がストライプ状である場合、この凹部は、例えば、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。
【００１２】
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】
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。
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、必要に応じて除去してもよい。
【００１４】
第１および第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層ならびに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および第２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および第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層ならびに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。
【００１５】
第２の発明は、
一主面に凹凸構造を有する基板上に第１の導電型の第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ようにした発光ダイオードの製造方法において、
上記活性層を成長させる前にピット形成用不純物を含む層を成長させるようにした
ことを特徴とするものである。
【００１６】
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。すなわち、一主面に凹凸構造を有する基板を用い、活性層を成長させる前にピット形成用不純物を含む層を成長させることにより、基板の凸部の上方に、このピット形成用不純物を含む層から、第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成される。
好適には、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる際に、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の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させることで当該凹部を埋め、続いて基板上にこの第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させるようにする。このとき、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１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。
必要に応じて、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族化合物半導体層を成長させた後に基板を除去するようにしてもよい。
この第２の発明においては、上記以外のことについては、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。
【００１７】
第３の発明は、
基板と、
上記基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層と、
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上の成長マスクと、
上記成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から横方向成長した下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の第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、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記成長マスクの上記開口部以外の部分の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とする発光ダイオードである。
この第３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４の発明は、
基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層を成長させ、この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上に成長マスクを形成し、この成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させ、この下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に第１の導電型の第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ようにした発光ダイオードの製造方法において、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させた後、上記活性層を成長させる前にピット形成用不純物を含む層を成長させるようにした
ことを特徴とするものである。
【００１９】
この発光ダイオードの製造方法によれば、第３の発明による発光ダイオードを製造することができる。すなわち、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上に成長マスクを形成し、この成長マスクの開口部の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させた後、活性層を成長させる前にピット形成用不純物を含む層を成長させることにより、成長マスクの開口部以外の部分の上方に、ピット形成用不純物を含む層から、第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成される。成長マスクの開口部の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる方法としては、従来公知の各種の方法を用いることができる。
この第４の発明においては、上記以外のことについては、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。
【００２０】
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、
上記基板と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記基板の凸部の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とするものである。
【００２１】
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、
基板と、
上記基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層と、
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上の成長マスクと、
上記成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から横方向成長した下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の第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、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記成長マスクの上記開口部以外の部分の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とするものである。
【００２２】
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、
上記基板と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記基板の凸部の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とするものである。
【００２３】
第８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、
基板と、
上記基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層と、
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上の成長マスクと、
上記成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から横方向成長した下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の第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、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記成長マスクの上記開口部以外の部分の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とするものである。
【００２４】
第９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、
上記基板と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記基板の凸部の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とするものである。
【００２５】
第１０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、
基板と、
上記基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層と、
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上の成長マスクと、
上記成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から横方向成長した下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の第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、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記成長マスクの上記開口部以外の部分の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とするものである。
第５〜第１０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。
【００２６】
第１１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、
上記基板と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記基板の凸部の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とするものである。
【００２７】
第１２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、
基板と、
上記基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層と、
上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層上の成長マスクと、
上記成長マスクの開口部の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から横方向成長した下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上の第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、
上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と上記活性層との間のピット形成用不純物を含む層とを有し、
上記成長マスクの上記開口部以外の部分の上方に、上記ピット形成用不純物を含む層から、上記第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットが集中して形成されている
ことを特徴とするものである。
【００２８】
第１１および第１２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。
第５〜第１２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。
【００２９】
上述のように構成されたこの発明においては、第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面に達するピットにより、活性層から放出される光を直接外部に取り出しやすくなり、ピットがない場合のように、活性層から放出される光が第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上面で全反射されて活性層で再吸収されることがなくなる。また、一主面に凹凸構造を有する基板を用いる場合には、この基板の凸部の上方に貫通転位を集中させることができ、この貫通転位にピットを形成することができる。あるいは、成長マスクの開口部の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体種結晶層から下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる方法を用いる場合には、この成長マスクの開口部から横方向成長する層が会合する部分に貫通転位を集中させることができ、この貫通転位にピットを形成することができる。これらの方法によれば、ピットを基板の凸部の上方あるいは成長マスクの開口部以外の部分の上方に集中して形成することができ、光の取り出し部分をこれらのピットの部分に集中させることができる。しかも、第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の転位密度を低くすることができるため、ピット密度を１×１０9 ｃｍ-2以下に容易に制御することができ、活性層体積の減少を防止することができる。
【発明の効果】
【００３０】
この発明によれば、光の取り出し効率の大幅な向上を図ることができ、しかも活性層体積を十分に確保することができるため、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】
【００３１】
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。
まず、この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。
図１および図２はこのＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を示す。
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、反応性イオンエッチング（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。
【００３２】
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３０〜５０ｎｍ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の厚さは例えば３５００〜４５００ｎｍ程度である。このｎ型ＧａＮ層１２の成長条件については後述する。
【００３３】
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き、隣接する凹部１１ａから成長したｎ型ＧａＮ層１２同士が凸部１１ｂの中央部の上で会合して一体化する。この会合部に貫通転位１３が形成される。
【００３４】
次に、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２Ｂに示すように、ｎ型ＧａＮ層１２上にｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４、ｎ型ＧａＮ層１５、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造の活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８を順次エピタキシャル成長させる。ｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４は、Ｉｎ組成は例えば２％程度、厚さは例えば１００〜４００ｎｍ、好適には１００〜１５０ｎｍ程度とする。また、活性層１６は、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層の厚さは２．５〜３ｎｍ、ＧａＮ障壁層の厚さは２０〜３０ｎｍ、井戸層の数は７である。活性層１６のＩｎＧａＮ井戸層の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１６の成長は、例えば窒素ガス雰囲気中において７５０〜９００℃、好適には７５０〜７９０℃程度の温度で行う。また、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７の成長は、例えば水素ガス雰囲気中において８００〜９００℃、好適には８００〜８５０℃程度の温度で行う。また、ｐ型ＧａＮ層１８の成長は、例えば水素ガス雰囲気中において８５０〜９５０℃、好適には８５０〜８９０℃程度の温度で行う。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７の厚さは例えば１０〜２０ｎｍ程度、Ａｌ組成は例えば１５％程度、ｐ型ＧａＮ層１８の厚さは例えば１１０〜１５０ｎｍ程度である。
【００３５】
図２Ｂに示すように、ｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４、ｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８の成長時には、サファイア基板１１の凸部１１ｂの上の部分に形成される会合部に集中して形成された貫通転位１３の一部を起点として成長表面に向かっ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。図４にピット１９の面内分布のイメージを模式的に示す。
ピット１９の密度は、１×１０4 ｃｍ-2以上１×１０9 ｃｍ-2以下である。ここで、ピット１９の密度の下限１×１０4 ｃｍ-2は、ｎ型ＧａＮ層１２の転位密度よりはるかに低い。例えば、ｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４からｐ型ＧａＮ層１８に向かって開くピット１９の高さを例えば８００ｎｍ、上端の直径を１．４μｍ、ピット１９の内面とサファイア基板１１の主面とのなす角を６０°とすると、一つのピット１９当たりの活性層１６の消失面積は６．８５×１０-9ｃｍ2 （全てのピット１９がｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４の下から発生していると仮定）であるから、ピット１９の密度が１×１０9 ｃｍ-2であれば活性層１６は消失してしまうことになるためである。
【００３６】
次に、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８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１６などの劣化を防止するためである。
【００３７】
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。
【００３８】
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、基板表面に所定形状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に達する深さまでエッチングすることにより、図３Ａに示すように、発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層を所定のメサ形状にパターニングする。
【００３９】
次に、図３Ｂに示すように、ｐ型ＧａＮ層１８を除いた基板表面を例えば窒化シリコン（ＳｉＮx ）膜や二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜などの絶縁性でかつ発光波長の光を吸収しないパッシベーション膜２０によりあらかじめ覆った状態で、真空蒸着法などの方法により、ｐ型ＧａＮ層１８上にｐ側電極２１を形成する。このパッシベーション膜２０を形成するのは、ｐ側電極２１によりｐ型ＧａＮ層１８およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７とｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４およびｎ型ＧａＮ層１５とが短絡するのを防止するためである。同様に真空蒸着法などの方法により、メサ部の外側の部分のｎ型ＧａＮ層１２上にｎ側電極２２を形成する。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。
【００４０】
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る。活性層１６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、サファイア基板１１を通して外部に光を取り出してもよいし、サファイア基板１１と反対側に光を取り出してもよい。必要に応じて、前者の場合にはｐ型ＧａＮ層１８側に反射膜を設け、後者の場合にはサファイア基板１１の裏面に反射膜を設ける。
【００４１】
図２Ｂに示すように、このＧａＮ系発光ダイオードによれば、ピット１９がない場合には、活性層１６から放出される光（一点鎖線で示す）はｐ型ＧａＮ層１８の上面（破線で示す）で全反射されるのに対し、ピット１９があることによりこの全反射を抑制することができ、これにより活性層１６から放出される光（実線で示す）がこの活性層１６で再吸収されるのを防止することができる。ここで、この全反射が起きる臨界角θは、活性層１６からｐ型ＧａＮ層１８までの全体の屈折率を２〜２．５とすると、ｓｉｎθ＝１／（２〜２．５）より、θ＝２３．６〜３０°程度である。
実際には、図３Ｂに示すように、ピット１９の内面にパッシベーション膜２０を介して形成されるｐ側電極２１が反射膜となるため、活性層１６から放出される光はパッシベーション膜２０に入射し、このパッシベーション膜２０を通してサファイア基板１１側に向かい、外部に取り出される。
【００４２】
この第１の実施形態においては、好適には、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る（図５参照）。
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。
【００４３】
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℃の範囲に設定する。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はほとんど成長しない。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に示す工程におけるｎ型ＧａＮ層１２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に示すように、ｎ型ＧａＮ層１２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。
【００４４】
図６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。
【００４５】
図７に、ｎ型ＧａＮ層１２の結晶欠陥分布を模式的に示す。図７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ｎ型ＧａＮ層１２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、ｎ型ＧａＮ層１２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。
【００４６】
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８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。
【００４７】
図９ＡおよびＢにそれぞれ、ｐ型ＧａＮ層１８まで成長させた状態で撮影した光学顕微鏡写真および蛍光顕微鏡写真を示す。また、図９Ａの上にサファイア基板１１の凹凸構造を対応して示す。図９Ａより、サファイア基板１１の凸部１１ｂの上にピット１９が集中して形成されており、凹部１１ａの上にはピット１９は殆ど観察されないことが分かる。また、図９Ｂより、サファイア基板１１の凸部１１ｂの上に集中して形成されたピット１９の部分から光が強く出ており、光の取り出し効率が向上していることが分かる。
【００４８】
以上のように、この第１の実施形態によれば、一主面に凹凸加工を施したサファイア基板１１上にｎ型ＧａＮ層１２を成長させることにより凸部１１ｂの上に貫通転位１３を集中させ、その上にｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４を成長させてからｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８を成長させていることにより、貫通転位１３を起点として、ｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４からｐ型ＧａＮ層１８に向かって開いたピット１９を形成することができる。このため、ピット１９を凸部１１ｂの上方に集中して形成することができ、光の取り出し部をこれらのピット１９の部分に集中させることができることから、光の取り出し効率の向上を図ることができる。そして、ｎ型ＧａＮ層１２は上述のように１０7 ／ｃｍ2 程度の低転位密度となることから、ピット１９の密度も１×１０4 ｃｍ-2以上１×１０9 ｃｍ-2以下に抑制することができ、活性層体積を十分に確保することができ、発光効率の向上を図ることができる。また、ｎ型ＧａＮ層１２の結晶性が良好であるため、ｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８の結晶性も大幅に向上し、非発光中心も大幅に減少することにより、効率よく発光を行わせることができる。また、ピット１９が形成されることにより、エピタキシャル層であるｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８の歪みを緩和させることができ、これらの層にクラックや結晶欠陥が発生するのを抑制することができ、ＧａＮ系発光ダイオードの信頼性の向上を図ることができる。また、凹凸加工を施したサファイア基板１１を用いているため、活性層１６から放出される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放出される光が、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。以上により、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。
【００４９】
次に、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。
この第２の実施形態においては、図１０Ａに示すように、ｐ型ＧａＮ層１８まで成長させた後、ピット１９の内面に、発光波長の光を吸収しない材料、例えばＧａＮなどからなる無吸収膜２３を形成する。
この後、図１０Ｂに示すように、発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層をパターニングし、ｐ側電極２１およびｎ側電極２２を形成する。
無吸収膜２３が導電性の場合には、この無吸収膜２３によりｐ型ＧａＮ層１８およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７とｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４およびｎ型ＧａＮ層１５とが短絡するのを防止するために、例えばＳｉＮx 膜やＳｉＯ2 膜などの絶縁性でかつ発光波長の光を吸収しないパッシベーション膜を介してこの無吸収膜２３を形成するのが好ましい。ただし、この無吸収膜２３の材料としてＧａＮを用いる場合には、これにＭｇなどのｐ型不純物をドープしてｐ型ＧａＮとすることにより、この無吸収膜２３とｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４およびｎ型ＧａＮ層１５との間にｐｎ接合が形成され、これが抵抗となるので、ｐ型ＧａＮ層１８およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７とｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４およびｎ型ＧａＮ層１５との短絡は起きにくく、しかもｐ側電極２１とｐ型ＧａＮとはショットキー接合となり、これも抵抗となるため、ｐ側電極２１の耐圧も確保することが可能である。
上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
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に加えて、活性層１６から放出される光を、ピット１９の内面に形成した無吸収膜２３に入射させ、この無吸収膜２３を通してサファイア基板１１側に向かわせることができるため、光の取り出し効率のより一層の向上を図ることができ、発光効率の一層の向上を図ることができるという利点を得ることができる。
【００５０】
次に、この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。
この第３の実施形態においては、図１１Ａに示すように、ｐ型ＧａＮ層１８まで成長させた後、ピット１９の内面およびｐ型ＧａＮ層１８の上面に、発光波長の光に対して反射率が高い金属、例えばＡｇなどからなる反射膜２４を形成する。
この後、図１１Ｂに示すように、発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層をパターニングし、ｐ側電極２１およびｎ側電極２２を形成する。
反射膜２４が導電性の場合には、この反射膜２４によりｐ型ＧａＮ層１８およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７とｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４およびｎ型ＧａＮ層１５とが短絡するのを防止するために、例えばＳｉＮx 膜やＳｉＯ2 膜などの絶縁性でかつ発光波長の光を吸収しないパッシベーション膜を介してこの反射膜２４を形成するのが好ましい。
上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
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に加えて、活性層１６から放出される光を、ピット１９の内面およびｐ型ＧａＮ層１８の上面に形成した反射膜２４により反射してサファイア基板１１側に向かわせることができるため、光の取り出し効率のより一層の向上を図ることができ、発光効率の一層の向上を図ることができるという利点を得ることができる。
【００５１】
次に、この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。
この第４の実施形態においては、図１２Ａに示すように、ｎ型ＧａＮ層１２上に、ＭｇがデルタドープされたＭｇドープＧａＮ層２５、ｎ型ＧａＮ層１５、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造の活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８を順次エピタキシャル成長させる。ＭｇドープＧａＮ層２５の厚さは例えば１〜３ｎｍ程度、典型的には２ｎｍ程度とする。この場合も、ＭｇドープＧａＮ層２５、ｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８の成長時に、サファイア基板１１の凸部１１ｂの上の部分に形成される会合部に集中して形成された貫通転位１３の一部を起点として成長表面に向かっ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。
この後、図１２Ｂに示すように、発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層をパターニングし、パッシベーション膜２０を形成し、ｐ側電極２１およびｎ側電極２２を形成する。
上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
この第４の実施形態によれば、ｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４の代わりにＭｇドープＧａＮ層２５を用いることにより、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００５２】
次に、この発明の第５の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。
この第５の実施形態においては、図１３に示すように、ピット１９を六角形の形で整列させる。このためには、サファイア基板１１の一主面に６０°間隔で三方向に延在するストライプ状の凹部１１ａを互いに平行に多数形成し、これらの凹部１１ａに囲まれた凸部１１ａが正三角形となるようにし、このサファイア基板１１上にｎ型ＧａＮ層１２、ｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４、ｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８を成長させる。
上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
【００５３】
この第５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ほか、ピット１９を六角形の形で整列させているため、その六角形の内部の光をピット１９から効率よく外部に取り出すことができるという利点を得ることができる。すなわち、凹部１１ａおよび凸部１１ｂを一方向に延在するストライプ状に形成すると、活性層１６から放出される光のうち一部の方向の光を効率よく取り出すことができないが、上記の六角形の光る部分を取り囲むようにピット１９を配列することにより、効率よく光を取り出すことができ、それにより光の取り出し効率のより一層の向上を図ることができ、発光効率の一層の向上を図ることができるという利点を得ることができる。
【００５４】
次に、この発明の第６の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。
図１４および図１５はこのＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を示す。
この第６の実施形態においては、図１４Ａに示すように、まず、平坦な主面を有するサファイア基板１１上にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ種結晶層２６を成長させる。
次に、上述のようにしてＧａＮ種結晶層２６を成長させたサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
【００５５】
次に、ＧａＮ種結晶層２６上に所定形状の開口部２７ａを有する成長マスク２７を形成する。この成長マスク２７の開口部２７ａの形状は、例えば、第１の実施形態におけるサファイア基板１１の凹部１１ａと対応した形状とする。この成長マスク２７は例えばＳｉＯ2 膜などの誘電体膜により形成する。
次に、従来公知のＥＬＯ（epitaxial lateral overgrowth) 法により、成長マスク２７を用いてｎ型ＧａＮ層１２を横方向成長させる。この場合、開口部２４ａから成長するｎ型ＧａＮ層１２が成長マスク２７上で会合して貫通転位１３が形成される。
【００５６】
この後、第１の実施形態と同様にして、図１４Ｂに示すように、ｎ型ＧａＮ層１２上にｎ型ＧａＩｎＮバッファ層１４、ｎ型ＧａＮ層１５、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造の活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７およびｐ型ＧａＮ層１８を順次成長させる。このとき、第１の実施形態と同様に、貫通転位１３の一部を起点として成長表面に向かっ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。
この後、図１５に示すように、発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層をパターニングし、パッシベーション膜２０を形成し、ｐ側電極２１およびｎ側電極２２を形成する。
上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
この第６の実施形態によれば、第１の実施形態とほぼ同様な利点を得ることができる。
【００５７】
次に、この発明の第７の実施形態について説明する。
この第７の実施形態においては、第１〜第６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〜第６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側電極およびｎ側電極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。
【００５８】
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１６Ａに示す。図１６Ａ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。
【００５９】
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１７に示す。次に、図１６Ｂ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１６Ｃ）。こうして、図１８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。
【００６０】
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７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。
【００６１】
具体的には、例えば、上述の第１〜第６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。
また、必要に応じて、上述の第１〜第６の実施形態のうちの二つ以上を組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【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平面図である。
【図５】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６】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ｎ型ＧａＮ層の成長の様子を説明するための略線図である。
【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サファイア基板上に成長させたｎ型ＧａＮ層の結晶欠陥分布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９】この発明の第１の実施形態においてｐ型ＧａＮ層まで成長させた状態の光学顕微鏡写真および蛍光顕微鏡写真を示す図面代用写真である。
【図１０】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１１】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を説明するための断面図である。
【図１２】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を説明するための断面図である。
【図１３】この発明の第５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１４】この発明の第６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１５】この発明の第６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１６】この発明の第７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１７】この発明の第７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１８】この発明の第７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１９】凹凸加工基板を用いた従来の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平面図である。
【図２０】ＧａＩｎＮバッファ層を用いた従来の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平面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１１…サファイア基板、１１ａ…凹部、１１ｂ…凸部、１２…ｎ型ＧａＮ層、１３…貫通転位、１４…ＧａＩｎＮバッファ層、１５…ｎ型ＧａＮ層、１６…活性層、１７…ｐ型ＡｌＧａＮ層、１８…ｐ型ＧａＮ層、１９…ピット、２０…パッシベーション膜、２１…ｐ側電極、２２…ｎ側電極、２３…無吸収膜、２４…反射膜、２５…ＭｇドープＧａＮ層、２７…成長マスク、２７ａ…開口部
【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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【図２０】
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