(57)【要約】【課題】歩留りの低下や特性劣化がなく、かつ高輝度・高効率が得られ、プロセスコストを抑えた光半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】第１導電型の化合物半導体基板１と、この基板１上に順次形成される第１導電型クラッド層３、活性層４、第２導電型クラッド層５を有するＩｎＧａＡｌＰ系或いはＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる発光層２を備え、発光層２或いはその上層に形成される光取出し面に、発光波長以下の高さ及び幅を有する凹凸領域８を形成する、或いは、第１導電型の化合物半導体基板１上に、第１導電型クラッド層３、活性層４、第２導電型クラッド層５を有するＩｎＧａＡｌＰ系或いはＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる発光層２と、この発光層直上においてほぼ格子整合し、格子定数が下層から上層にかけて段階的に変化するグレーディッド層６と、このグレーディッド層６の最上層とほぼ格子整合し、発光波長に対して透明な電流拡散層７を備える構成とする。【選択図】　図１
2004119839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の化合物半導体基板と、この基板上に順次形成される第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を有するＩｎＧａＡｌＰ系或いはＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる発光層を備え、前記発光層或いはその上層に形成される光取出し面に、発光波長以下の高さ及び幅を有する凹凸が形成されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記発光層上に、ＧａＰからなる電流拡散層を備えることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項３】
第１導電型の化合物半導体基板上に、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を有するＩｎＧａＡｌＰ系或いはＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる発光層と、この発光層直上においてほぼ格子整合し、格子定数が下層から上層にかけて段階的に変化するグレーディッド層と、このグレーディッド層の最上層とほぼ格子整合し、発光波長に対して透明な電流拡散層を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
前記電流拡散層はＧａＰからなり、前記グレーテッド層は、ＩｎＧａＡｌＰ系の化合物半導体からなり、下層から上層にかけて、ＩｎとＡｌの濃度が減少していることを特徴とする請求項３記載の光半導体装置。
【請求項５】
第１導電型の化合物半導体基板上に、ＩｎＧａＡｌＰ系或いはＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を有する発光層を形成する工程と、
前記発光層上に、直接或いは電流拡散層を介して、相分離構造を有するブロックコポリマー層を形成する工程と、
ブロックコポリマー層内の所定の相を選択的にエッチング除去する第１のエッチング工程と、
残った相をマスクとして前記電流拡散層をエッチングし、表面に凹凸を形成する第２のエッチング工程と、
プロックコポリマー層を除去する第３のエッチング工程を備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記プロックコポリマー層は、芳香族ポリマー相とアクリルポリマー相からなることを特徴とする請求項５記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１、第２、第３のエッチング工程は、同一チャンバ内において連続して行われることを特徴とする請求項５叉は６記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項８】
第１導電型の半導体基板上に、少なくとも順次第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を有するＩｎＧａＡｌＰ系或いはＡｌＧａＡｓ系の発光層を形成する工程と、
前記発光層上に、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐをそれぞれ含む反応ガスを導入し、Ｉｎ、Ａｌの流量比を徐々に減少させてグレーディッド層を形成する工程と、
前記グレーディッド層上に、ＧａＰからなる電流拡散層を形成する工程を備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体装置とその製造方法に係り、特に高効率でかつプロセスコストを抑えた光半導体装置とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電球等に代わる光源として注目される高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）において、さらなる高輝度・高効率化が要求されている。
【０００３】
図７に従来のＬＥＤの構造の一例を示す。ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなるｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５をそれぞれエピタキシャル成長させた発光層２が形成されている。そして、発光層２表面上及びｎ型ＧａＡｓ基板裏面上に電極９、１０が形成されている。
【０００４】
このような構造のＬＥＤにおいて、両電極９、１０間に電圧を印加することにより発光層において光を発生させ、光取出し面となる発光層２表面より外部に取出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＬＥＤにおいて、図８（ａ）に示すように、発光層２上にさらに電流拡散層を設けることにより、電流分布を改善し、高効率化を図ることが試みられている。しかしながら、例えばＩｎＧａＡｌＰからなる電流拡散層７’を形成すると、ＩｎＧａＡｌＰ層の厚膜化により素子電圧Ｖｆが上昇することによる実装上の問題や、発光効率が低下してしまうなどの問題が発生してしまう。
【０００６】
そこで、発光波長に対して透明で、Ｖｆの制御が可能なＧａＰからなる電流拡散層を設けることにより、光取出し効率の改善を図ることが期待されている。しかしながら、ＧａＰは発光層であるＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体と格子整合させることができない。従って、そのまま発光層上にＧａＰを成長させると結晶欠陥が発生し、表面モフォロジーが悪化してしまう。
【０００７】
このような格子欠陥の発生を抑制するため、図８（ｂ）に示すように、バッファ層１４を介してＧａＰ基板７”を接着させるプロセスが開発されている。しかしながら、接着プロセスを加えることによる歩留りの低下、プロセスコストの上昇が発生するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、このような従来の光半導体装置及びその製造方法における問題を取除き、歩留りの低下や特性劣化がなく、かつ高輝度・高効率が得られ、プロセスコストを抑えた光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光半導体装置は、第１導電型の化合物半導体基板と、この基板上に順次形成される第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を有するＩｎＧａＡｌＰ系或いはＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる発光層を備え、発光層或いはその上層に形成される光取出し面に、発光波長以下の高さ及び幅を有する凹凸が形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
そして、本発明の光半導体装置においては、発光層上に、ＧａＰからなる電流拡散層を備えることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の光半導体装置は、第１導電型の化合物半導体基板上に、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を有するＩｎＧａＡｌＰ系或いはＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる発光層と、この発光層直上においてほぼ格子整合し、格子定数が下層から上層にかけて段階的に変化するグレーディッド層と、このグレーディッド層の最上層とほぼ格子整合し、発光波長に対して透明な電流拡散層を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
そして、本発明の光半導体装置においては、電流拡散層はＧａＰからなり、グレーテッド層は、ＩｎＧａＡｌＰ系の化合物半導体からなり、下層から上層にかけて、ＩｎとＡｌの濃度が減少していることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の光半導体装置の製造方法においては、第１導電型の化合物半導体基板上に、ＩｎＧａＡｌＰ系或いはＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を有する発光層を形成する工程と、この発光層上に、直接或いは電流拡散層を介して、相分離構造を有するブロックコポリマー層を形成する工程と、ブロックコポリマー層内の所定の相を選択的にエッチング除去する第１のエッチング工程と、残った相をマスクとして前記電流拡散層をエッチングし、表面に凹凸を形成する第２のエッチング工程と、プロックコポリマー層を除去する第３のエッチング工程を備えることを特徴とするものである。
【００１４】
そして、本発明の光半導体装置の製造方法においては、プロックコポリマー層は、芳香族ポリマー相とアクリルポリマー相からなることを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明の光半導体装置の製造方法においては、これら第１、第２、第３のエッチング工程は、同一チャンバ内において連続して行われることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の光半導体装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板上に、少なくとも順次第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を有するＩｎＧａＡｌＰ系或いはＡｌＧａＡｓ系の発光層を形成する工程と、この発光層上に、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐをそれぞれ含む反応ガスを導入し、Ｉｎ、Ａｌの流量比を徐々に減少させてグレーディッド層を形成する工程と、グレーディッド層上に、ＧａＰからなる電流拡散層を形成する工程を備えることを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【００１８】
図１に本実施形態の光半導体素子の断面構造を示す。図に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、発光層２が形成されており、発光層２は、順次形成された厚さ０．１〜２．０μｍのｎ−クラッド層３、厚さ０．１〜２．０μｍの活性層４、厚さ０．１〜２．０μｍのｐ−クラッド層５から構成されている。
【００１９】
ここで、ｎ−クラッド層３には、ｎ−キャリア濃度が１．０×Ｅ１６〜１．０×Ｅ１９ｃｍ−３程度のＩｎ０．４９（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５１Ｐ、活性層４には、ノンドープのＩｎ０．４９（Ｇａ０．７５Ａｌ０．２５）０．５１Ｐ、ｐ−クラッド層５には、ｐ−キャリア濃度が１．０×Ｅ１７〜１．０×Ｅ１９ｃｍ−３程度のＩｎ０．４９（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５１Ｐを、それぞれ用いることができる。
【００２０】
さらに、ＩｎＧａＡｌＰからなるグレーディッド層６が０．０５〜０．５０μｍの厚さに、また、ＧａＰからなる電流拡散層７が０．５〜５．０μｍの厚さに形成されている。
【００２１】
光取出し面となる電流拡散層７表面には高さが数ｎｍオーダーの凹凸（（Ｇｒａｄｅｄ　Ｉｎｄｅｘ：以下ＧＩという。）領域８が形成されており、電流拡散層７の凹凸領域８側にはｐ側電極９が、ｎ−ＧａＡｓ基板側にはｎ側電極１０が形成されている。
【００２２】
そして、両電極９、１０間に電圧を印加すると、電流が電流拡散層７を介してｐ側電極９直下より広がりをもって発光層に注入され、発光層において発光する。発光した光は、発光波長に対して透明なＧａＰ電流拡散層７を通り、光導出効率を低下させることなく、ＧＩ領域８から放出される。
【００２３】
このような光半導体装置は、以下のように形成される。先ず、ｎ型ＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に載置し、反応ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びホスフィン（ＰＨ３）を、ＭＦＣ（Ｍａｓｓ　Ｆｌｏｗ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）により濃度制御して、ｎ形ドーパントガスのＳｉＨ４及びキャリアガスの水素（Ｈ２）と共に導入し、５００〜９００℃程度でエピタキシャル成長させることにより、ｎ−クラッド層３を形成する。
【００２４】
次いで、反応ガスのＴＭＡを減らしてＴＭＧを増やし、ドーパントガスを止めて同様に活性層４を形成した後、ＴＭＡ、ＴＭＧ濃度を戻し、ｐ形ドーパントガスのｐジメチル亜鉛を導入し、同様にｐ−クラッド層５を形成して、図２（ａ）に示すような構成とする。
【００２５】
そして、ＭＦＣのランピング機能を利用して、ドーパントガスはそのままでＴＭＩとＴＭＡのみの流量を徐々に落とし、図２（ｂ）に示すように、上層方向にＩｎとＡｌ濃度が減少してゆくＩｎＧａＡｌＰからなるグレーディッド層６を形成する。
【００２６】
次いで、ドーパントガスはそのままでＴＭＩとＴＭＡの流量を０とし、図２（ｃ）に示すように、ＧａＰからなる電流拡散層７を形成する。
【００２７】
さらに、ＧａＰ電流拡散層７上にＡｕからなるｐ側電極９を形成した後、図３（ａ）に示すように、有機溶媒により溶解した芳香族ポリマーのポリスチレン（ＰＳ）と、アクリルポリマーのポリメチレンメタクリレート（ＰＭＭＡ）からなる溶解ポリマー層１１を、スピンコート法により塗布する。
【００２８】
そして、図３（ｂ）に示すように、Ｎ２雰囲気にて５０〜３００℃の熱アニールにより、相分離構造を有するブロックコポリマー層１１’を形成する。このとき、ＰＳ相１２とＰＭＭＡ相１３の２相はｎｍオーダーで配置されるが、各ポリマーの分子量、アニール条件（温度、時間）を適宜設定することにより、その大きさを制御することができる。
【００２９】
そして、平行平板型のＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により、図３（ｃ）に示すように、ＰＭＭＡ相１３を選択的にエッチングする。エッチング条件は、ＮＦ３、ＣＦ４、ＳＦ６、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、Ｃ４Ｆ８、Ｃ２Ｆ６等のＦ含有ガス流量：１０〜１００ｃｃｍ、Ｏ２ガス流量：１〜１０ｃｃｍ（Ｆ含有ガス：Ｏ２ガス＝１０：１程度の分圧であることが好ましい）、圧力：１０〜３０Ｐａ、パワー：１０〜１００Ｗとする。
【００３０】
このとき、ＰＭＭＡ等のアクリルポリマーは、Ｏ２含有量の多いポリマーのためエッチング耐性が低く、Ｆ含有ガス中のＦラジカルによりエッチングが進行する。一方、ＰＳ等の芳香族ポリマーは、炭素含有量の多いベンゼン環を含むためエッチング耐性が高く、Ｆラジカルと反応せずに残るため、ＰＭＭＡのＰＳに対する高いエッチング選択比が得られる。
【００３１】
ここで、Ｆ含有ガスとしては、Ｆラジカルがより生成されやすいＳＦ６が最も好ましく、選択比を５０まで向上させることができる。また、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチングにより、Ｆラジカルをさらに増加させることができる。図５にＦ含有ガスを、ＣＨ２Ｆ２、ＮＦ３、ＣＨＦ３、ＣＦ４、ＳＦ６として、ＩＰＣエッチングを行ったときの、芳香族ポリマーとアクリルポリマーのエッチングレート及び選択比を示す。Ｆ比が増大するに従い、エッチングレートが増大し、ＳＦ６とすることにより選択比を７５まで向上させることができることがわかる。
【００３２】
このようにしてエッチングが進行してＰＭＭＡが完全にエッチングされた状態をエッチングの終点とし、時間により制御される。このとき、十分な選択比が得られているため、１００％のオーバーエッチングを行っても、形状が崩れる等の問題は発生しないことが確認されている。
【００３３】
次いで、ＲＩＥ法により、図３（ｄ）に示すように、残ったＰＳ相１２をマスクとして、ＧａＰ電流拡散層７表面を０．０５〜０．３μｍの深さにエッチングする。エッチング条件は、Ｃｌ２ガス流量：２０〜１００ｃｃｍ、ＢＣｌ３ガス流量：３０〜３００ｃｃｍ、圧力：１０〜３０Ｐａ、パワー：１００〜６００Ｗとし、エッチング時間を適宜設定して、所望のエッチング状態を得ることができる。このとき、ｐ側電極９はＣｌ２によりエッチングされることはない。
【００３４】
さらに、ＲＩＥ法により、図３（ｅ）に示すように、マスクとして用いられたＰＳ相１２をエッチングする。エッチング条件は、Ｏ２ガス流量：３０〜３００ｃｃｍ、圧力：１００〜３００Ｐａ、パワー：１０〜５０Ｗとする。このとき、エッチング終点は発光モニターを用いて容易に得ることができる。
【００３５】
このようにして残存したＰＳ相が除去され、ＧａＰ電流拡散層７表面にＧＩ領域８が形成される。図４にＧＩ領域の形状を示すように、表面にｎｍオーダーの細かい凹凸が形成されていることがわかる。このとき、ＧＩ領域（凹凸）の高さ（ｈ）は、０．３４λ≦ｈ≦λ、幅（Ｄ）は、Ｄ≦０．２λ（λ：発光波長）であることが、光取出し効率の上で好ましい。
【００３６】
これらＰＭＭＡ相、ＧａＰ電流拡散層、ＰＳ相のエッチングは、全て一つのチャンバにおいて連続して行うことが可能である。
【００３７】
このようにして形成され、チップ化された光半導体素子において、輝度を評価したところ、電流拡散層にＩｎＧａＡｌＰを用いた従来の光半導体素子と比較して、１．５〜２．０倍の輝度が得られることが確認された。
【００３８】
また、図６に示すように、光取出し効率（Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ）は、光取出し面が平坦な場合、（ａ）に示すように入射角が２０°を超えるとほぼ０となり、平均で約２０％となる。一方、（ｂ）に示すように表面に理想的な状態のＧＩ領域を形成した場合、入射角の大きい領域で若干の低下は見られるが、平均で約７０％まで向上する。このように、ＧＩ領域により、入射角の大きい領域での光の放出が可能となり、その結果、光取出し効率を向上させることができる。
【００３９】
このようなＧＩ領域は、電流拡散層を有しない光半導体装置や、張合せにより形成した等の光取出し面に形成しても有効である。さらに、ＧａＰ層形成に接着工程を必要とせず、また、ブロックコポリマーを用い既存のエッチング装置による工程追加のみで対応可能であるため、製造コストの大幅な上昇も抑えることができる。
【００４０】
本実施形態において、発光層にＩｎＧａＡｌＰ系を用いたが、ＧａＡｌＰ系でも同様な作用効果が得られる。このとき、発光層上層のグレーディッド層には、先ず、格子整合の許容範囲にあるＩｎＧａＡｌＰ層を形成した後、同様にして徐々にＩｎとＡｌの濃度を低減してゆけばよい。
【００４１】
また、発光層の組成がいずれであっても、傾斜組成を有するグレーディッド層を有することにより、ＧａＰ電流拡散層の結晶性を向上させることができる。従って、発光層からの光が吸収されることなく電流を拡散させることが可能となり、光取出し効率を向上させることができる。
【００４２】
発光層の構造は、活性層をｐ、ｎクラッド層で挟持したダブルヘテロ構造を用いたが、活性層を介さないｐｎ接合構造や、活性層にＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ）構造を用いたものでも良く、特に限定されるものではない。そして、ｐ、ｎクラッド層は、劣化対策として２段クラッド層を適用しても良い。さらに、基板についても、ｎ形に限定されるものでなく、ｐ形基板を用いて、各層の導電形を逆にしても良い。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、歩留りの低下や特性劣化がなく、かつ高輝度・高効率が得られ、プロセスコストを抑えた光半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体装置の断面を示す図。
【図２】本発明の光半導体装置の製造工程を示す図。
【図３】本発明の光半導体装置の製造工程を示す図。
【図４】本発明の光半導体装置におけるＧＩ領域の形状を示す図。
【図５】本発明に用いられるブロックコポリマーのエッチング特性を示す図。
【図６】本発明におけるＧＩ領域の効果を示す図。
【図７】従来の光半導体装置の断面を示す図。
【図８】従来の光半導体装置の断面を示す図。
【符号の説明】
１　ｎ−ＧａＡｓ基板
２　発光層
３　ｎ−クラッド層
４　活性層
５　ｐ−クラッド層
６　グレーディッド層
７、７’、７”　電流拡散層
８　ＧＩ領域
９　ｐ側電極
１０　ｎ側電極
１１　溶解ポリマー層
１１’ブロックコポリマー層
１２　ＰＳ相
１３　ＰＭＭＡ相
１４　ＧａＰバッファ層
【図１】
2004119839.tif 000003
【図２】
2004119839.tif 000004
【図３】
2004119839.tif 000005
【図４】
2004119839.tif 000006
【図５】
2004119839.tif 000007
【図６】
2004119839.tif 000008
【図７】
2004119839.tif 000009
【図８】
2004119839.tif 000010