(57)【要約】【課題】半導体発光素子の光取り出し効率を向上させる。【解決手段】個々の半導体発光素子１００が、発光部である半導体積層構造２〜４を形成した側において、基板面が露出しており、且つ当該露出した基板面に凹凸が設けられている。よって発光部である半導体積層構造２〜４から基板１に入射した光は、露出した基板１の表面側に達した場合、全反射されることなく光が外部に放出される割合が高くなる。これは、基板１の屈折率よりも半導体積層構造２〜４の屈折率の方が大きい場合に顕著であり、III族窒化物系化合物半導体の積層構造で発光部を形成し、サファイア、シリコン、ＳｉＣ又はスピネルを基板とする場合に特に効果が顕著となる。また、半導体層ともどもダイシングにより素子分離をする場合には、ダイシングソーに接触する半導体層側面がダメージを受け、光吸収部となるが、本発明はそのようなダメージ領域が形成されない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸を有する基板の、当該凹凸面上に半導体を積層することにより半導体積層構造の形成された半導体発光素子において、
前記半導体積層構造の外周部において、前記基板の凹凸面が露出されたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記半導体積層構造は、III族窒化物系化合物半導体から成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記基板は、サファイア、シリコン、ＳｉＣ又はスピネルから成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体積層構造の外周部は、前記基板の凹凸面が露出された部分に向かって俯角４５度以下のテーパが形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板の凹凸面の露出は、ドライエッチングにより成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
半導体発光素子の製造方法において、
表面に凹凸を有する基板の凹凸面上に半導体を積層して半導体積層構造を形成する工程と、
個々の素子の前記半導体積層構造の外周部において、前記基板の凹凸面を露出するために選択的ドライエッチングを行う工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記ドライエッチングは、塩素又は塩素の化合物を含むガスを用いることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記ドライエッチングの際に用いるマスクは、各素子間の分離線上を挟んだ所定領域を除いて各素子毎に分離して形成され、プリベークの後、より高温でリフロさせることによりマスク外周部の膜厚を変化させて、エッチングの際に前記半導体積層構造の外周部をテーパ形状に形成するものであることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子に関する。特に、異種基板上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物系化合物半導体は、その屈折率が約２．４と大きく、発光層から発せられる光の取り出しが十分でないことが知られている。即ち、大きな屈折率のために臨界角が大きく、III族窒化物系化合物半導体の積層構造内で何度も反射されて外部に放射されない光の割合が無視できない。
【０００３】
そこで、III族窒化物系化合物半導体の積層部表面や成長基板の裏面等に凹凸を設けて、光取り出し効率を向上させる工夫が種々されている。このような構成としては特許文献１及び２が挙げられる。
【０００４】
III族窒化物系化合物半導体発光素子の素子分離においては、直接ダイサー等をエピタキシャルウエハに当てる方法の他、個々の素子の外周部のエピタキシャル成長膜を予めエッチングで除去しておくことも知られている。この技術は例えば特許文献３に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２８０６１１号公報
【特許文献２】特開２００４−２２１５２９号公報
【特許文献３】特開平７−１３１０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
III族窒化物系化合物半導体の積層部表面を加工する特許文献１の技術は必ずしも容易な加工ではない。また、いわゆるフェイスアップの発光素子においては、基板裏面の凹凸は効果がなく、特許文献２のような発光層下部に凹凸を設けたとしても、最終的に屈折率の大きいIII族窒化物系化合物半導体から光取り出しを行わなければならないのであれば光取り出し効率は十分には向上しない。
【０００６】
本発明者らは、半導体発光素子の光取り出し効率を向上させるべく検討を行い、以下に示す通り１０％近い光取り出し効率の向上をもたらす技術を完成した。即ち、本発明の目的は、光取り出し効率を向上させた半導体発光素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、表面に凹凸を有する基板の、当該凹凸面上に半導体を積層することにより半導体積層構造の形成された半導体発光素子において、半導体積層構造の外周部において、基板の凹凸面が露出されたことを特徴とする半導体発光素子である。即ち、露出した基板の凹凸面が半導体積層構造の外周部を囲んだ状態の半導体発光素子である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、半導体積層構造は、III族窒化物系化合物半導体から成ることを特徴とする。III族窒化物系化合物半導体は、一般式ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ、但し、ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下で表される半導体であって、任意の不純物を添加したもの、或いは他のIII族元素でＡｌ、Ｇａ及び／又はＩｎの一部組成を置き換えたもの、他のＶ族元素でＮの一部組成を置き換えたものを含むものとする。請求項３に係る発明は、基板は、サファイア、シリコン、ＳｉＣ又はスピネルから成ることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、半導体積層構造の外周部は、前記基板の凹凸面が露出された部分に向かって俯角４５度以下のテーパが形成されていることを特徴とする。請求項５に係る発明は、板の凹凸面の露出は、ドライエッチングにより成されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項６に係る発明は、半導体発光素子の製造方法において、表面に凹凸を有する基板の凹凸面上に半導体を積層して半導体積層構造を形成する工程と、個々の素子の半導体積層構造の外周部において、基板の凹凸面を露出するために選択的ドライエッチングを行う工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。個々の素子の半導体積層構造の外周部とは、ウエハが後の素子分離工程で分離される際の分離線の内側である。素子分離は例えばダイシングやレーザ加工を用いた分離方法が想定される。
【００１１】
請求項７に係る発明は、ドライエッチングは、塩素又は塩素の化合物を含むガスを用いることを特徴とする。請求項８に係る発明は、ドライエッチングの際に用いるマスクは、各素子間の分離線上を挟んだ所定領域を除いて各素子毎に分離して形成され、プリベークの後、より高温でリフロさせることによりマスク外周部の膜厚を変化させて、エッチングの際に半導体積層構造の外周部をテーパ形状に形成するものであることを特徴とする。プリベークはレジスト等で形成されるマスクの露光及び現像の後で行われるものであり実質的にはレジストの重合を完結させるものである。この後熱可塑性樹脂のレジストがより高温での変形により、マスク厚さが外周部で薄くなることを利用するものである。
【発明の効果】
【００１２】
個々の半導体発光素子において、発光部である半導体積層構造を形成した側において、基板面が露出しており、且つ当該露出した基板面に凹凸が設けられている。よって発光部である半導体積層構造から基板に入射した光は、露出した基板の表面側（発光部である半導体積層構造を形成した側）に達した場合、全反射されることなく光が外部に放出される割合が高くなる（請求項１）。これは、基板の屈折率よりも半導体積層構造の屈折率の方が大きい場合に顕著であり、III族窒化物系化合物半導体の積層構造で発光部を形成し、サファイア、シリコン、ＳｉＣ又はスピネルを基板とする場合に特に効果が顕著となる（請求項２及び３）。また、半導体層ともどもダイシングにより素子分離をする場合には、ダイシングソーに接触する半導体層側面がダメージを受け、光吸収部となるが、本発明は半導体積層構造の周辺部を予め除去しているので、基板を例えばダイシングソーで切断するような場合でも、半導体積層構造にダイシングソーが接触せず、半導体積層構造にダメージ領域が形成されない。
【００１３】
更に基板の凹凸面が露出された部分に向かって半導体積層構造の外周部がテーパを形成していると、半導体積層構造内で当該テーパ部に達した光が、全反射されることなく外部に放出される割合が高くなる。当該テーパの傾斜角（俯角）は任意に調整できるが、以下の製造方法を用いると容易に４５度以下の一定俯角のテーパを再現性良く形成することが可能となる（請求項４）。
【００１４】
以上のような半導体発光素子を製造するためには、表面に凹凸を有する基板の当該凹凸面上に半導体を積層する工程と、分割後に個々の素子の当該半導体積層構造の外周部となる部分に、基板の凹凸面を露出するために選択的ドライエッチングを行う工程とを設ければ良い（請求項５）。ドライエッチングは塩素又は塩素の化合物を含むガスを用いると良く、上述のテーパを形成するためには、フォトレジストの塗布、露光、現像により各素子ごとのマスクを一旦形成する。この時のマスクで覆われていない部分は、切断線を挟む領域である。プリベークによりマスクの重合及び硬化を十分に行い、当該プリベークよりも高温でリフロさせてマスク外周部の厚さが、縁に向かって薄くなるように形成する。こうしてマスク周辺部の厚さをテーパ状とすることで、エッチング中にマスクが外周部から順次分解除去されるようにすると良い。これにより、個々の素子の半導体積層構造の外周部において、エッチングが実質的に開始されるタイミングがズレることで、エッチング後の半導体積層構造の外周部にテーパ形状を形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は任意の構成の半導体発光素子において、個々の素子の発光部を囲む基板表面の外周部を凹凸状とすることで達成される。上述の通り、基板の屈折率よりも半導体積層構造の屈折率の方が大きい場合に光取り出し効率の向上が顕著であり、III族窒化物系化合物半導体の積層構造で発光部を形成し、サファイア、シリコン、ＳｉＣ又はスピネルを基板とする場合に特に効果が顕著となる。
【００１６】
半導体をエピタキシャル成長させる前に、基板表面に凹凸を形成する。当該凹凸の形状は任意であるが、最も容易な形状は、円錐台又は角錘台状の凸部を多数設けることである。又は逆に、反転した円錐台又は角錘台側面の形状を有する凹部を多数形成しても良い。このような凹凸は、基板の材料に応じて、マスクを用いたドライエッチング又は異方性ウエットエッチングで公知の技術により形成可能である。或いは、機械加工、レーザ加工により形成することも可能である。尚、後のエピタキシャル成長を考慮すると、元の基板面と一致する面が一定割合以上残っていることが必要である。この点で完全にランダムな凹凸を形成する場合は、エピタキシャル成長領域には当該凹凸を形成しないことが好ましい。逆に元の基板面と一致する面が一定割合以上残っているならば、エピタキシャル成長領域にも凹凸を形成しても構わない。凹凸を形成した基板上の半導体の積層は、バッファ層を一様に形成して初期の段階ではＥＬＯ成長させて凹部を塞ぎ、その後縦方向に成長させる方法を用いても良い。凹凸はストライプ状、ドット状でも良く、周期的でも、ランダムに配列されていても良い。尚、分離後の個々の素子の露出した凹凸領域は、平面図において例えば幅１０〜５０μｍの領域とすると良い。
【００１７】
基板の凹凸を露出させるための半導体のドライエッチングは、目的とする半導体層をエッチング可能であって、基板のエッチング速度が半導体層のエッチング速度よりも十分小さいことが必要である。例えばIII族窒化物系化合物半導体とサファイア基板の組み合わせの場合は、エッチングガスとして塩素（Ｃｌ2）や三塩化ホウ素（ＢＣｌ3）を用いることができる。尚、エッチングガスには不活性ガス、例えばアルゴン（Ａｒ）を混合するとエッチングが良好となる。
【００１８】
エッチングマスクは、ノボラック系のレジストを１〜２０μｍ厚としてそのまま使用することができる。この他、酸化ケイ素、窒化ケイ素のような無機材料をマスクとして用いることもできる。無機材料のマスクは有機系のレジストマスクよりも耐エッチング性が良いのでエッチングスピードを大きくすることもできる。
【００１９】
熱可塑性の有機レジストを用いると、レジストの塗布、露光、現像、不要部の除去とプリベークの後に、昇温してリフロさせ、マスク外周部の厚さを縁に向かって薄くし、エッチング後の半導体層外周部にテーパ形状を形成することが容易となる。ノボラック系樹脂では１３０℃以下でプリベークして水や窒素を脱気させ、その後１５０〜１８０℃で外周部をリフロさせると良い。プリベーク時間やリフロ時間は１分以下、又は５分以下程度とすると良い。
【実施例１】
【００２０】
図１．Ａに断面図を、図１．Ｂに平面図を示した半導体発光素子１００を、次のように形成した。
表面に、上面が直径２μｍ、底部が直径３μｍ、高さが０．８μｍの円錐台状の凸部を５μｍの間隔をおいて一面に周期的に形成した厚さ約３００μｍのサファイア基板１を用意した。
当該サファイア基板１に、約１５ｎｍのＡｌＮバッファ層を介して、ノンドープのＧａＮから成る膜厚約５００ｎｍ層、シリコン（Ｓｉ）を１×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮから成る膜厚約５μmのｎ型コンタクト層、シリコン（Ｓｉ）を１×１０17／ｃｍ3ドープした膜厚２５ｎｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから成るｎ型層を形成した。図１．Ａでは単にｎ型層２とのみ示した。
【００２１】
ｎ型層２の上には、膜厚３ｎｍのノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層と膜厚２０ｎｍのノンドープＧａＮから成る障壁層とを３ペア積層して多重量子井戸構造の発光層（活性層）３が形成されている。
【００２２】
更に、この発光層（活性層）３の上には、Ｍｇを２×１０19／ｃｍ3ドープした膜厚２５ｎｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎから成るｐ型層、Ｍｇを８×１０19／ｃｍ3ドープした膜厚１００ｎｍのｐ型ＧａＮから成るｐ型コンタクト層を形成した。図１．Ａでは単にｐ型層４とのみ示した。
【００２３】
又、ｐ型層４の上にはＩＴＯから成る透光性電極５が、ＩＴＯから成る透光性電極５の上には膜厚約３０ｎｍのニッケル（Ｎｉ）、膜厚約１．５μｍの金（Ａｕ）、膜厚約１０ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）を積層したパッド電極６が形成されている。また、ｎ型層２上にはｎ電極７が形成されている。ｎ電極７は、ｎ型層２の一部露出された部分の上から、膜厚約１８ｎｍのバナジウム（Ｖ）と膜厚約１００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）とを積層させることにより構成されている。
【００２４】
半導体発光素子は、サファイア基板１上に半導体層２〜４をエピタキシャル成長させ、ｎ電極７を形成するためのエッチングを行った後、次のように電極形成を行った。
【００２５】
まず、酸化スズと酸化インジウムの混合物（酸化スズ５％）をターゲットとして、電子線蒸着法により３００ｎｍの膜厚のＩＴＯから成る透光性電極５を酸素圧０．０６Ｐａ下で形成した。次に、窒素雰囲気下で、６００℃、５分間の焼成を行った。この後フォトレジストを用いて、ＩＴＯから成る透光性電極５を残すべき領域をマスクし、マスクのされていないＩＴＯから成る透光性電極５を塩化鉄系エッチング液により除去した。
【００２６】
次に、フォトレジストによりパッド電極６を形成すべき領域を窓としたマスクを形成した後、膜厚約３０ｎｍ3のニッケル層、膜厚約１．５μｍの金層、膜厚約１０ｎｍのアルミニウム層とを透光性電極５の上に順に形成した。この後フォトレジストを除去した。
【００２７】
全く同様に、フォトレジストによりｎ電極７を形成すべき領域を窓としたマスクを形成した後、膜厚約１８ｎｍのバナジウム層と膜厚約１００ｎｍのアルミニウム層１４２とを、ｎ型コンタクト層の露出した領域に形成した。この後フォトレジストを除去した。
【００２８】
次に透光性電極（ＩＴＯ）５、パッド電極６、ｎ電極７を加熱処理した。
【００２９】
次に個々の素子の半導体層を分離し、サファイア基板１の表面の凹凸を露出させるため、ノボラック系のフォトレジストマスクを１０μｍ厚で形成した。厚さは５μｍ以上可好ましく、８μｍ以上がより好ましい。即ち露光／現像により、分離線を中心として幅５０μｍの格子状枠に区画された領域に囲まれた矩形領域のみマスクを形成した後、１３０℃で１分のプリベークを行い、１７０℃で１分加熱処理してマスク外周部をリフロさせて縁に向かって薄くなるように形成した。この後、塩素（Ｃｌ2）とアルゴン（Ａｒ）を９：１の割合としたエッチングガスを１００ｓｃｃｍ供給して、分離後の個々の素子外周部となる領域のｎ型層２をエッチングした。ＩＣＰ、３００Ｗで行った。これにより、素子外周部の基板面の凹凸が露出すると共に、ｎ型層２の当該基板面の露出部に向かう部分には、俯角３０度のテーパが形成された。
【００３０】
この後、ダイシング等により個々の素子に分離して発光素子１００を形成した。分離の後の発光素子１００の外周の凹凸部の露出部の幅は約２５μｍであった。
【００３１】
このように形成された発光素子１００の発光強度を図２に示す。比較のため、上記工程電極を形成した（分離線上をｎ型層２が覆っている）後に、サファイア基板を露出させるためのエッチングをおこなわずに、ダイシングソーにより素子分離した発光素子９００（図３）の発光強度を図２併せて示す。各々４０００個程度のデータである図２によれば、本実施例による発光素子１００は、基板面の凹凸部を露出させずにダイシングにより素子分離した発光素子９００に比較して、５〜１０％の光取り出し効率の向上がみられた。これは、周辺部の凹凸からの光取り出し効率向上の効果の他、以下に示すようなダイシングによる半導体積層構造側面のダメージ領域による光吸収が無いためである。
【実施例２】
【００３２】
実施例１における、個々の素子の半導体層を分離し、サファイア基板１の表面の凹凸を露出させるためのエッチングの際の雰囲気の圧力とエッチング速度、ウエハ温度の関係を調べた。これを図４に示す。エッチングの際の雰囲気の圧力が高いほどエッチングレートは高く、ウエハ温度は低くなることが分かった。レジストの耐熱性から基板温度は２５０℃以下、より好ましくは２３０℃以下とすべきである。エッチングレートが高い方が好ましいことから、圧力範囲は１．５〜３Ｐａが好ましい。この範囲で加工速度と基板温度（レジスト膜の保護）が両立できる。
【００３３】
この際形成された発光素子のｎ型層２外周部の断面ＳＥＭ画像と、カソードルミネッセンス法のパンクロマチック画像による結晶欠陥の様子を図５に示す。尚、「Ｒｅｆ」としたのは、個々の素子の半導体層を分離とサファイア基板１の表面の凹凸を露出させるためのエッチングを行わずに、ダイシングソーにより素子分離した発光素子９００である。
【００３４】
カソードルミネッセンスの結果から、半導体層ともどもダイシングを行った発光素子９００（Ｒｅｆ）は、水平方向の厚さ２μｍ程度のダメージ領域が生じている。ダイシングの際に生じるダメージ領域は光を吸収するので、光取り出しを悪化させるものである。
【００３５】
一方、本発明によれば、ダメージ領域は水平方向の厚さ０．２μｍ以下であって、半導体層にはほとんど生じないことが分かる。即ち、本発明によれば、光取り出しを悪化させるダメージ領域を半導体層に生じさせないことができる。
【００３６】
尚、エッチング時の雰囲気の圧力によって、半導体層外周部のテーパ角（俯角）が変化する様子も分かる。実際、０．５Ｐａ、２Ｐａ、３Ｐａと圧力が大きくなるにつれて、テーパ角は小さくなっている。これは基板温度が下がり、レジストのエッチングレートに対して半導体層のエッチングレートが高くなるからである。
【００３７】
〔変形例〕
レジストに替えて、酸化ケイ素、窒化ケイ素をエッチングマスク材料とすることもできる。この場合酸化ケイ素はＣＶＤで全面に形成した後、フォトリソグラフィにより酸化ケイ素膜をパターニングする。こうしてパターニングされた酸化ケイ素マスクを用いて、半導体層のドライエッチングを行うこともできる。尚、ＣＶＤに替えて、スピンオングラスのような塗布材料を用いることも可能である。無機材料を半導体層のドライエッチングのマスクとすると、エッチングの際の温度を高温でも可とできるので、エッチングスピードを高くすることができる。但し基板温度は２００〜６００℃、好ましくは５００℃以下とすると良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の具体的な一実施例に係る半導体発光素子１００の構成を示す、断面図（１．Ａ）と平面図（１．Ｂ）。
【図２】実施例に係る半導体発光素子１００と比較例に係る半導体発光素子９００の発光強度を示すグラフ図。
【図３】比較例に係る半導体発光素子９００の構成を示す断面図。
【図４】半導体層分離のためのエッチング時の圧力と、エッチングレート及びウエハ温度の関係を示したグラフ図。
【図５】半導体層分離のためのエッチング時の圧力と形成されたｎ−ＧａＮ層２の外周部のテーパの状態を示すＳＥＭ画像とＣＬ画像を、ダイシングにより素子分離した場合のＳＥＭ画像とＣＬ画像と併せて示した画像図。
【符号の説明】
【００３９】
１：エピタキシャル成長面側に凹凸を有するサファイア基板
２：ｎ型III族窒化物系化合物半導体層（ｎ型層）、但しバッファ層とその直上のノンドープ層を含む。
３：発光層（活性層）
４：ｐ型III族窒化物系化合物半導体層（ｐ型層）
５：透光性電極
６：パッド電極
７：ｎ電極
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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【図５】
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