(57)【要約】【課題】  光取り出し効率に優れた発光素子を提供し、低コスト化、歩留まり向上、高効率化を実現する。【解決手段】  第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層がこの順に積層されてなる発光素子である。第２クラッド層は、表面に成長時に形成される成長ピットを有するとともに、厚さが１００ｎｍ以上とされている。また、第２クラッド層の厚さは、真空中での発光波長をλ、第２クラッド層の屈折率をｎとしたときに、λ／２ｎ以上となるように設定する。第２クラッド層の気相成長に際しては、成長温度を１０００℃以下としてその表面に成長ピットを形成し、且つ、厚さが１００ｎｍ以上となるまで気相成長させる。また、水素を含む雰囲気中で気相成長する。【選択図】  図１
2006147787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層がこの順に積層されてなる発光素子において、
上記第２クラッド層は、表面に成長時に形成される成長ピットを有するとともに、厚さが１００ｎｍ以上とされていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
真空中での発光波長をλ、第２クラッド層の屈折率をｎとしたときに、上記第２クラッド層の厚さがλ／２ｎ以上とされていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
上記第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層は、窒化ガリウム系化合物半導体を気相成長することにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項４】
第１クラッド層が凹凸化されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項５】
基板上に第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層がこの順に積層されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項６】
上記第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層は、表面を凹凸化した基板上に成長されていることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項７】
上記第２クラッド層は、ｐ型半導体層であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項８】
上記基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項９】
基板上に第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層を順次気相成長させる発光素子の製造方法において、
第２クラッド層の成長温度を１０００℃以下としてその表面に成長ピットを形成し、且つ、厚さが１００ｎｍ以上となるまで気相成長させることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１０】
上記第２クラッド層の少なくとも一部を水素を含む雰囲気中で気相成長することを特徴とする請求項９記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
基板を剥離した後、第１クラッド層を凹凸化することを特徴とする請求項９記載の発光素子の製造方法。
【請求項１２】
表面を凹凸化した基板上に上記第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層を気相成長させることを特徴とする請求項９記載の発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子及びその製造方法に関するものであり、特に、光取り出し効率を改善するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系化合物半導体は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等に広く利用されており、特にＬＥＤはディスプレイや照明の分野において爆発的な利用が予想されることから、非常に注目を集めている。
【０００３】
ところで、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率は２．５程度と大きく、これを用いて発光素子の活性層やクラッド層を構成した場合、内部で発光した光のほとんどが全反射してしまい、外部に取り出されないという不都合がある。したがって、例えば完全な直方体のＬＥＤチップにおいて、屈折率１．５のモールドを施したとしても、全発光のうち５０％程度しか外部には取り出されない。
【０００４】
そこで、これを改善する技術として、ＬＥＤチップの表面や裏面に凹凸を作製する技術が提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献４等を参照）。例えば特許文献１には、支持基板上に形成された反射層と、反射層上方に順次積層されたｐ型窒化物系半導体層、発光層およびｎ型窒化物半導体層とを含む窒化物系半導体発光素子であって、前記ｎ型窒化物半導体層上方に位置する光取り出し面に凹凸が形成されていることを特徴とする窒化物系半導体発光素子が開示されている。特許文献１記載の発明では、ｎ型窒化物半導体層上に凹凸を有する光取り出し面を形成するようにしており、凹凸はｎ型窒化物半導体層の再成長、研磨、エッチング等により形成している。
【０００５】
特許文献２には、窒化ガリウム系化合物半導体基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる発光素子において、前記窒化ガリウム系化合物半導体基板の素子を積層する面に対向する面が凹凸を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子が開示されており、凹凸をドライエッチングやウエットエッチングにより形成することが開示されている。
【０００６】
特許文献３には、窒化物系半導体からなる発光部を備えた半導体発光素子であって、前記発光部から放出される光の外部への取り出し効率が改善されるように光取り出し面に凹凸が設けられていることを特徴とする半導体発光素子が開示されている。光取り出し面の凹凸は、段落番号００３３から段落番号００３５等にも記載されるように、エッチングによりレジストパターンの形状を転写することにより形成している。
【０００７】
特許文献４には、基板と、この基板上に形成された半導体からなる発光層と、この発光層上に形成され前記発光層を構成する半導体に対してプラスに格子不整合した半導体からなり、表面が格子歪により粗面化されている光散乱層とを具備することを特徴とする半導体発光素子が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−３１８４４３号公報
【特許文献２】特開２００３−６９０７５号公報
【特許文献３】特開２０００−１９６１５２号公報
【特許文献４】特開平８−１０２５４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１〜特許文献３記載の発明のように、エッチング等により凹凸を形成する方法では、工程の増加を招き、生産性の点で不利である。また、凹凸形成によりダメージを与えるおそれがあり、特性が劣化する可能もある。
【０００９】
一方、特許文献４記載の方法によれば、凹凸加工が必要ないので、生産性や特性等の点で有利である。しかしながら、格子不整合を利用して凹凸を形成するためには、発光層に対して格子不整合する半導体を選択する必要があり、使用可能な材料が制約されるという欠点がある。また、成膜条件も厳しく制約され、工程が煩雑になるという欠点もある。
【００１０】
このように、従来の凹凸作製技術では、様々なデメリットを抱えており、その改善が望まれている。本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものである。すなわち、本発明は、光取り出し効率に優れ、低コスト化、歩留まり向上、高効率化等を実現することが可能な発光素子を提供することを目的とする。また、本発明は、リソグラフィーやエッチング等の工程を削減することができ、工程中にダメージを与えることのない発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するために、本発明の発光素子は、第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層がこの順に積層されてなる発光素子において、上記第２クラッド層は、表面に成長時に形成される成長ピットを有するとともに、厚さが１００ｎｍ以上とされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の発光素子においては、結晶成長において自然発生する成長ピットを利用し、これを光取り出し面等の凹凸とすることで、光取り出し効率を改善している。この成長ピットは、第２クラッド層の結晶成長に伴って自然発生するものであり、エッチング等による凹凸形成は不要である。また、素子にダメージを与えることもなく、特性劣化が抑えられる。
【００１３】
ただし、結晶成長において自然発生する成長ピットを利用する技術では、一部報告されているように、制御が困難であり、確実に効率を向上することが難しいという問題がある。そこで、本発明者らが種々検討を重ねた結果、第２クラッド層の厚さを厚くすることで、確実に効率を向上することができ、成長ピットが光取り出しに有効であることがわかった。そこで、本発明では、第２クラッド層の厚さを１００ｎｍ以上、特に、真空中での発光波長をλ、第２クラッド層の屈折率をｎとしたときに、第２クラッド層の厚さをλ／２ｎ以上としている。これにより、難しい制御を要することなく、確実に凹凸形成による効率改善が実現される。
【００１４】
また、本発明の発光素子の製造方法は、基板上に第１クラッド層、活性層、及び第２クラッド層を順次気相成長させる発光素子の製造方法において、第２クラッド層の成長温度を１０００℃以下としてその表面に成長ピットを形成し、且つ、厚さが１００ｎｍ以上となるまで気相成長させることを特徴とする。
【００１５】
有機金属気相成長法において、例えばＭｇドープＧａＮ等からなる第２クラッド層を低い温度（１０００℃以下）で成長すると、基板界面から生じた貫通転移を起点とした成長ピットが発生する。この成長ピットは、｛１，−１，０，１｝面からなり、特に水素を含む雰囲気中で１０００℃以下の成長温度で発生し易い。
【００１６】
本発明の製造方法では、上記のような条件下で効率改善に寄与する成長ピットを自然発生させているので、リソグラフィやエッチング等の工程が不要であり、工数が削減される。また、工程中にダメージを与えることもない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の発光素子によれば、簡単、且つ安定して高効率化を実現することができ、低コスト化、歩留まり向上、高効率化に貢献することができる。また、本発明の発光素子の製造方法によれば、リソグラフィーやエッチング等の工程を削減することができ、工程中にダメージを与えることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した発光素子及びその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１に、本発明を適用した発光素子の基本構造を示す。この例では、サファイア基板１上に低温バッファ層２を介して、第１クラッド層３、活性層４、第２クラッド層５が順次結晶成長されている。本実施形態の発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子であり、第１クラッド層３は、例えばＳｉドープＧａＮを結晶成長させることにより形成され、ｎ型ＧａＮ層である。活性層４は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造を有する層である。第２クラッド層５は、ＭｇドープＧａＮを結晶成長させることにより形成され、ｐ型ＧａＮ層である。
【００２０】
本発明の発光素子において特徴的なのは、上記第２クラッド層５の上面に成長ピット６が形成されていることである。成長ピット６は、サファイア基板１の界面から生じた貫通転移を基点として結晶成長の際に第２クラッド層５に自然発生するものであり、かかる成長ピット６を光取り出し面、あるいはこれとは反対側の面に形成することで、光取り出し効率を大幅に改善することができる。
【００２１】
ただし、第２クラッド層５に上記成長ピット６を形成する場合、第２クラッド層５の膜厚を厚くすることが必要である。本発明者らの実験によれば、第２クラッド層５の厚さは、１００ｎｍ以上であることが好ましく、２００ｎｍ以上であることがより好ましい。第２クラッド層５の厚さを１００ｎｍ以上とすることで、表面がフラットな場合と比較して効率の向上が確認された。
【００２２】
また、第２クラッド層５の厚さは、発光波長との関係で適正に設定することも必要である。半導体中においては、発光波長に対して１／２波長以上、望ましくは１波長以上の凹凸が光取り出しに有効である。このときの波長は、半導体中の実効波長（屈折率により換算した波長）である。したがって、真空中での発光波長をλ、第２クラッド層の屈折率をｎとしたときに、上記第２クラッド層の厚さをλ／２ｎ以上とすることが好ましい。より好ましくは、λ／ｎ以上である。
【００２３】
さらに、成長ピット６の形成により平坦部の面積が表面全体の面積の７／８以下であることが好ましく、１／２以下であることがより好ましい。平坦部の面積が大きいということは、成長ピット６の形成度合いが小さいことを意味し、したがって成長ピット６により高効率化を目的とする場合、平坦部の面積を少なくする必要がある。
【００２４】
ところで、成長ピット６の散乱効果は、成長ピット６の周辺で波長程度の範囲で効果がある。成長ピット６の中心から半径１８４ｎｍ程度（真空中の発光波長４６０ｎｍ、屈折率２．５の場合の媒質中の波長に相当する。）の円を考えた場合、５ｅ＋８／ｃｍ２程度の密度で成長ピット６が形成されていれば、表面のほぼ半分の面積がその円で覆われることになり、効果が大きい。その１／４の１ｅ＋７／ｃｍ２程度以上でも、光取り出し効率増大に寄与する。これを定式化すると、成長ピット６の密度をｄ、真空中での発光波長をλ、第２クラッド層の屈折率をｎとしたときに、π×ｄ×（λ／ｎ）２＞１／８であることが好ましく、π×ｄ×（λ／ｎ）２＞１／２であることが望ましいということになる。成長ピット６の大きさが半径ｒ程度ある場合は、ピット外周から波長程度の範囲で効果がある。したがって、π×ｄ×（λ／ｎ＋ｒ）２＞１／８、望ましくはπ×ｄ×（λ／ｎ＋ｒ）２＞１／２を満たせばよい。
【００２５】
以上が発光素子の基本構成であるが、発光素子として使用するためには、電極等の形成が必要である。例えば、図２に示すように、第１クラッド層３と接してｎ電極７を形成し、第２クラッド層５と接してｐ電極８を形成する。なお、ｎ電極７は、例えばＴｉ／Ａｌ等を成膜し、これをフォトリソグラフィ技術でパターニングすることにより形成する。ｐ電極８は、Ｎｉ／Ａｕ等を成膜し、これをフォトリソグラフィ技術でパターニングすることにより形成する。
【００２６】
第２クラッド層５上に形成するｐ電極８は、第２クラッド層５側を光取り出し面とする場合には、透明電極とする必要がある。逆に、第２クラッド層５とは反対側の面を光取り出し面とする場合には、ｐ電極８は反射電極とする必要がある。
【００２７】
図３は、マウント基板上にマウントした発光素子の一例を示すものである。この場合には、上記ｎ電極７上に半田接続用金属９を形成し、ｐ電極８上にも半田接続用金属１０を形成する。なお、これら半田接続用金属９，１０は、高さを揃えて形成する。そして、上記結晶層や電極が形成されたサファイア基板１を上下逆転させ、サブマウント１１上にフリップ−チップボンディングする。サブマウント１１は、例えばＳｉ等からなるものであり、上記半田接続用金属９，１０に対応してマウント電極１２，１３が設けられている。
【００２８】
上記サブマウント１１へのボンディングの後、サファイア基板１裏面側からエネルギービームを照射し、いわゆるアブレーション（エネルギービームとしてレーザ光を用いた場合には、レーザアブレーション）を起こし、サファイア基板１を剥離してもよい。
【００２９】
アブレーションに用いるエネルギービームとしては、エキシマレーザやＹＡＧレーザ等のレーザ光を使用することができる。例えば窒化ガリウム系の発光ダイオードの場合、上記サファイア基板１との界面で窒化ガリウム系化合物半導体の結晶層が金属のＧａと窒素に分解され、サファイア基板１から容易に剥離される。
【００３０】
ここで、サファイア基板１を剥離した後、図４に示すように、露呈する面（第１クラッド層３の表面）にピット３ａを形成することも可能である。ピット３ａは、化学的または物理的方法によって非鏡面とする方法により形成すればよい。具体的方法としては、例えば、エッチングするか、研磨することにより、微細な凹凸を設けて非鏡面とする方法である。エッチングは、リン酸、硫酸の混酸等を用いたウエットエッチングや、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングがある。研磨は、適当な研磨剤を選択して行えばよい。例えばモース硬度９程度の研磨剤を用いることで、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面を研磨して非鏡面とすることができる。
【００３１】
また、図５に示すように、サファイア基板１に凹凸１ａを形成しておき、この上に第１クラッド層３、活性層４，第２クラッド層５を形成してもよい。図４や図５に示すように、成長ピット６を形成した第２クラッド層５とは反対側の面（第１クラッド層３側の面）に凹凸を形成することで、光取り出し効率をより一層向上させることができる。なお、いずれの場合にも、活性層４は平坦とする。
【００３２】
次に、上述の発光素子の製造方法について説明する。発光素子を製造するには、基板上への窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長が中心技術となる。窒化ガリウム系化合物半導体は、有機金属気相成長によって結晶成長が行われる。
【００３３】
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子の成長シーケンスでは、先ず、温度を上昇してサーマルクリーニング行う。このサーマルクリーニングは、サファイア基板等の表面を清浄化するための操作である。
【００３４】
次に、サファイア基板１上に比較的低温でＧａＮからなる低温バッファ層２を形成し、その上に例えばＧａＮ：Ｓｉからなる第１クラッド層３を結晶成長させる。この第１クラッド層３を構成するＧａＮ：Ｓｉは、ｎ型ＧａＮであり、したがって第１クラッド層３はｎクラッド層ということになる。なお、第１クラッド層３の結晶成長温度は、先の低温バッファ層２の結晶成長温度よりも高い。
【００３５】
第１クラッド層３の結晶成長の後、この上に活性層４（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸）、及び第２クラッド層５（ＧａＮ：Ｍｇ）を結晶成長する。活性層４の結晶成長温度は、第１クラッド層３の結晶成長温度よりも低く、第２クラッド層５の結晶成長温度は活性層４の結晶成長温度よりも高い。
【００３６】
第２クラッド層５には、成長ピット６を結晶成長において自然発生させる必要がある。このため、第２クラッド層５の結晶成長の際の温度は、低い温度に設定する必要がある。具体的には、１０００℃以下とすることにより、サファイア基板１の界面から生じた貫通転移を起点とした成長ピットが発生する。成長ピット６は、｛１，−１，０，１｝面からなり、特に水素を含む雰囲気中、１０００℃以下の成長温度で発生し易い。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果を基に説明する。
【００３８】
実施例１
本実施例における成長シーケンスを図６に示す。有機金属気相成長法においてサファイア基板上に低温バッファ、ＳｉドープＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸活性層、ＭｇドープＧａＮからなる発光ダイオード構造を成長した。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸は７５０℃で成長し、発光波長は４６０ｎｍである。ＭｇドープＧａＮは、ＳｉドープＧａＮの成長温度（１０２０℃）よりも大幅に低い９００℃で成長した。
【００３９】
このような低い温度では、ＭｇドープＧａＮにはサファイア基板界面から生じた貫通転位を起点とした成長ピットが発生した。この成長ピットは｛１，−１，０，１｝面からなり、水素を含む雰囲気中で１０００℃以下の成長温度で発生し易い。このＭｇドープＧａＮの膜厚を変えて数種類の構造を作製した。
【００４０】
また、図７に示す成長シーケンスにより、１０２０℃でＭｇドープＧａＮを１００ｎｍ成長した。これにより、表面がフラットな構造の第２クラッド層を形成し、これを比較例とした。
【００４１】
結晶成長後に上記各層を結晶成長したウェハを窒素雰囲気中で８００℃、１０分加熱し、ｐ型ＧａＮ（ＭｇドープＧａＮ）の活性化を行った。リソグラフィーとエッチングを行い、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ型透明電極とＴｉ／Ａｌからなるｎ型電極を形成し、それぞれに５０μｍ程度のワイヤーボンド用のパッド電極を付け、３００μｍ角に切り出してワイヤーボンドした。これをエポキシ樹脂でモールドして光取り出し効率を測定した。測定に使用した発光素子の構造は、図２に示す通りである。
【００４２】
図８に、ＭｇドープＧａＮ（第２クラッド層）の厚みを変えた場合の光取り出し効率の相違を示す。第２クラッド層が１００ｎｍ以上の厚みを有する場合、表面がフラットな場合と比較して効率の向上が確認された。特に、２００ｎｍ以上が有効であることがわかる。発光波長を４６０ｎｍとした場合、屈折率２．５の半導体中では１波長の長さは１８４ｎｍに相当する。したがって、半導体中において１／２波長以上、望ましくは１波長以上の凹凸が光取り出しに有効であることがわかる。
【００４３】
実施例２
上記実施例１において、ｐ型電極をＡｇからなる高反射率電極とし、電極をサブマウントにフリップ−チップ実装した。作製した発光素子の構造は、図３に示す通りである。さらに、モールドして光取り出し効率を測定したところ、先の実施例１に比べて約１．２倍の効率となった。銀電極蒸着は、例えば特開平１１−１８６５９８号公報記載の方法に準じて行った。このような発光素子構造では、発光波長に対して基板が透明であることが光取り出しに重要である。
【００４４】
実施例３
上記実施例２と同様の構造の発光素子を作製した後、裏面サファイア側からエキシマレーザを照射してサファイア基板と低温バッファ層を剥離し、その結果露呈した第１クラッド層（ＳｉドープＧａＮ）の表面をエッチングで凹凸化した。作製した発光素子の構造は、図４に示す通りである。さらに、モールドして光取り出し効率を測定したところ、実施例２の１．２倍の効率となった。
【００４５】
実施例４
上記実施例２において、予め凹凸を作製したサファイア基板上に結晶成長を行った。作製した発光素子の構造は、図５に示す通りである。これをモールドして光取り出し効率を測定したところ、実施例２の１．１倍の効率となった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明を適用した発光素子の基本構造を示す概略断面図である。
【図２】電極形成した発光素子の構造例を示す概略断面図である。
【図３】サブマウントにボンディングした発光素子の構造例を示す概略断面図である。
【図４】サファイア基板を剥離し凹凸を形成した発光素子の構造例を示す概略断面図である。
【図５】サファイア基板に凹凸を形成した発光素子の構造例を示す概略断面図である。
【図６】成長ピットを形成する場合の成長シーケンスの一例を示す図である。
【図７】成長ピットが形成されない場合の成長シーケンスの一例を示す図である。
【図８】第２クラッド層の厚さの相違による光取り出し効率の相違を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  サファイア基板、２  低温バッファ層、３  第１クラッド層、４  活性層、５  第２クラッド層、６  成長ピット、７  ｎ電極、８  ｐ電極、９，１０  半田接続用金属、１１  サブマウント、１２，１３  マウント電極
【図１】
2006147787.tif 000003
【図２】
2006147787.tif 000004
【図３】
2006147787.tif 000005
【図４】
2006147787.tif 000006
【図５】
2006147787.tif 000007
【図６】
2006147787.tif 000008
【図７】
2006147787.tif 000009
【図８】
2006147787.tif 000010