(57)【要約】  【課題】  光の取り出し効率の大幅な改善により発光効率が大幅に向上した半導体発光素子を実現する。  【解決手段】  サファイア基板１１上にｎ型ＧａＮ層１２、活性層１３およびｐ型ＧａＮ層１４を順次成長させる。ｐ型ＧａＮ層１４上にｐ側電極１５を形成した後、このｐ側電極１５を含むｐ型ＧａＮ層１４の所定領域の表面をポリイミド膜１７などからなる所定形状のマスクにより覆う。このマスクを用いて少なくともｎ型ＧａＮ層１２の途中の深さまでドライエッチングによりテーパエッチングを行い、ｎ型ＧａＮ層１２、活性層１３およびｐ型ＧａＮ層１４を全体として円錐台状に加工する。この後、円錐台部以外の部分のｎ型ＧａＮ層１２上にｎ側電極１８を形成する。【選択図】        図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の導電型の第１の半導体層、活性層および第２の導電型の第２の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第２の半導体層上に第２の導電型側の電極を形成する工程と、
上記電極を含む上記第２の半導体層の所定領域の表面を所定形状のマスクにより覆う工程と、
上記マスクを用いて少なくとも上記第１の半導体層の途中の深さまでテーパ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２】
上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
上記テーパエッチングにより、上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が全体として錐台状の形状に加工されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
上記錐台が円錐台であることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、上記錐台の上面がＣ面であることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
上記テーパエッチングをドライエッチングにより行うことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
上記マスクが有機絶縁膜からなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
上記有機絶縁膜を保護膜として最終的に残すことを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
上記テーパの角度が４４度以上６０度以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
上記テーパの角度が４４度以上４６度以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
上記錐台の最大径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
上記テーパエッチングを行った後、上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層を上記基板から剥離する工程をさらに有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
表面が平坦な第１の導電型の第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層された第２の導電型の第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上に設けられた第２の導電型側の電極と、
上記第１の半導体層と電気的に接続された第１の導電型側の電極とを有し、
上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が全体として錐台状の形状を有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１４】
基板上に第１の導電型の第１の半導体層、活性層および第２の導電型の第２の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第２の半導体層上に第２の導電型側の電極を形成する工程と、
上記電極を含む上記第２の半導体層の所定領域の表面を所定形状のマスクにより覆う工程と、
上記マスクを用いて少なくとも上記第１の半導体層の途中の深さまでテーパエッチングを行う工程とを有する
ことを特徴とする集積型半導体発光装置の製造方法。
【請求項１５】
表面が平坦な第１の導電型の第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層された第２の導電型の第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上に設けられた第２の導電型側の電極と、
上記第１の半導体層と電気的に接続された第１の導電型側の電極とを有し、
上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が全体として錐台状の形状を有する複数の半導体発光素子が集積された
ことを特徴とする集積型半導体発光装置。
【請求項１６】
基板上に第１の導電型の第１の半導体層、活性層および第２の導電型の第２の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第２の半導体層上に第２の導電型側の電極を形成する工程と、
上記電極を含む上記第２の半導体層の所定領域の表面を所定形状のマスクにより覆う工程と、
上記マスクを用いて少なくとも上記第１の半導体層の途中の深さまでテーパエッチングを行う工程とを有する
ことを特徴とする画像表示装置の製造方法。
【請求項１７】
表面が平坦な第１の導電型の第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層された第２の導電型の第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上に設けられた第２の導電型側の電極と、
上記第１の半導体層と電気的に接続された第１の導電型側の電極とを有し、
上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が全体として錐台状の形状を有する
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１８】
基板上に第１の導電型の第１の半導体層、活性層および第２の導電型の第２の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第２の半導体層上に第２の導電型側の電極を形成する工程と、
上記電極を含む上記第２の半導体層の所定領域の表面を所定形状のマスクにより覆う工程と、
上記マスクを用いて少なくとも上記第１の半導体層の途中の深さまでテーパエッチングを行う工程とを有する
ことを特徴とする照明装置の製造方法。
【請求項１９】
表面が平坦な第１の導電型の第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層された第２の導電型の第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上に設けられた第２の導電型側の電極とを有し、
上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が全体として錐台状の形状を有する
ことを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子、集積型半導体発光装置の製造方法、集積型半導体発光装置、画像表示装置の製造方法、画像表示装置、照明装置の製造方法および照明装置に関し、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に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体発光素子として、図１７に示すようなＧａＮ系発光ダイオードがある。図１７に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、サファイア基板１０１上にｎ型ＧａＮ層１０２、活性層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４が順次積層されてダブルヘテロ構造の発光ダイオードが構成されている。ｎ型ＧａＮ層１０２の上層部、活性層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４は、エッチングにより、基板面に垂直な端面を有する柱状の形状にパターニングされている。そして、ｐ型ＧａＮ層１０４上にｐ側電極１０５が形成され、柱状部の外側の部分のｎ型ＧａＮ層１０２上にｎ側電極１０６が形成されている。ここで、ｎ型ＧａＮ層１０２、活性層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４からなる柱状部の直径は一般に３００μｍ程度である。
【０００３】
なお、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層を成長させ、その上に所定の開口部を有する成長マスクを形成し、この成長マスクの開口部におけるｎ型ＧａＮ層上に基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する六角錐形状のｎ型ＧａＮ層を選択成長し、その傾斜結晶面上に活性層やｐ型ＧａＮ層などを成長させた発光ダイオードが、本出願人により提案されている（例えば、特許文献１参照）。この発光ダイオードによれば、素子構造を形成する層への基板側からの貫通転位の伝播を抑制することができ、それらの層の結晶性を良好にすることができることにより、高い発光効率を得ることができる。しかしながら、この発光ダイオードは、成長マスクの形成や選択成長などが必要であるため、工程が複雑であり不利である。
【０００４】
【特許文献１】国際公開第０２／０７２３１号パンフレット          （第４７−５０頁、第３図〜第９図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の図１７に示す従来のＧａＮ系発光ダイオードにおいては、ｎ型ＧａＮ層１０２、活性層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０４からなる柱状部の端面が垂直であることから、動作時に活性層１０３から発生する光は、その柱状部の内部で全反射を繰り返し、その結果光が吸収されてしまうため、光の取り出し効率が悪く、これが発光効率の低下を招いていた。
【０００６】
したがって、この発明が解決しようとする課題は、光の取り出し効率の大幅な改善により、発光効率が大幅に向上した半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
この発明が解決しようとする他の課題は、発光効率が大幅に向上した半導体発光素子を提供することにある。
この発明が解決しようとする他の課題は、発光効率が大幅に向上した画像表示装置を容易に製造することができる画像表示装置の製造方法および発光効率が大幅に向上した画像表示装置を提供することにある。
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、発光効率が大幅に向上した照明装置を容易に製造することができる照明装置の製造方法および発光効率が大幅に向上した照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
基板上に第１の導電型の第１の半導体層、活性層および第２の導電型の第２の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第２の半導体層上に第２の導電型側の電極を形成する工程と、
上記電極を含む上記第２の半導体層の所定領域の表面を所定形状のマスクにより覆う工程と、
上記マスクを用いて少なくとも上記第１の半導体層の途中の深さまでテーパ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。
【０００８】
ここで、基板は、第１の半導体層、活性層および第２の半導体層を良好な結晶性で成長させることが可能である限り、基本的にはどのような材料のものを用いてもよい。具体的には、例えば、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＮなど）、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 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。例えば、第１の半導体層、活性層および第２の半導体層が後述のように窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる場合には、Ｃ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。ただし、ここで言うＣ面には、これに対して５〜６°程度まで傾いていて実質的にＣ面とみなすことができる結晶面も含むものとする。
【０００９】
第１の半導体層、活性層および第２の半導体層の材料としては、基本的にはどのような半導体を用いてもよいが、典型的には、ウルツ鉱型結晶構造を有するものが用いられる。このようなウルツ鉱型の結晶構造を有する半導体としては、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のほか、ＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などが挙げられる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、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）からなる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。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。
【００１０】
第１の半導体層、活性層および第２の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またはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）などを用いることができる。
【００１１】
第１の半導体層、活性層および第２の半導体層は、テーパエッチングにより、全体として錐台状の形状に加工される。ここで、錐台とは、円錐、六角錐、四角錐等の錐体の頂部を切除した立体を意味し、それぞれ円錐台、六角錐台、四角錐台等と呼ばれる。第１の半導体層、活性層および第２の半導体層が例えば窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる場合、錐台の上面は典型的にはＣ面である。
【００１２】
テーパエッチングは、典型的には、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングにより行われる。このテーパエッチングに用いるマスクは、テーパエッチングが可能である限り、基本的にはどのような材料で形成してもよいが、典型的には、ポリイミド膜などの有機絶縁膜が用いられる。この有機絶縁膜からなるマスクは、特に、このマスクを最終的に保護膜として残す場合に適している。
【００１３】
テーパの角度は、動作時に活性層から発生する光が錐台の内部で全反射を繰り返して吸収されてしまうのを抑えることができるように選ばれ、具体的には、例えば、４４度以上６０度以下、好適には４４度以上４６度以下に選ばれる。この角度範囲内では、錐台の内部の全反射の回数は、従来のように素子の端面が垂直な場合に比べて大幅に減少する。また、錐台の最大径、すなわち錐台最下端の径は、好適には５０μｍ以下、より好適には３０μｍ以下、さらに好適には２５μｍ以下に選ばれる。錐台の最大径をこのように小さく選ぶことにより、テーパの角度を上記の範囲に選ぶことと相まって、錐台の内部の全反射の回数を著しく減少させることができ、それによって錐台の内部での光の吸収を最小化することができ、光の取り出し効率の最大化を図ることができる。
【００１４】
テーパエッチングを行って錐台を形成した後には、第１の半導体層と電気的に接続された第１の導電型側の電極を形成する。具体的には、テーパエッチングを第１の半導体層の途中の深さまで行った後、錐台部以外の部分の第１の半導体層上に第１導電型側の電極を形成する。あるいは、テーパエッチングを行って錐台を形成した後、第１の半導体層、活性層および第２の半導体層を基板から剥離し、それにより露出する第１の半導体層の裏面に第１導電型側の電極を形成する。
【００１５】
この発明の第２の発明は、
表面が平坦な第１の導電型の第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層された第２の導電型の第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上に設けられた第２の導電型側の電極と、
上記第１の半導体層と電気的に接続された第１の導電型側の電極とを有し、
上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が全体として錐台状の形状を有する
ことを特徴とする半導体発光素子である。
【００１６】
この発明の第３の発明は、
基板上に第１の導電型の第１の半導体層、活性層および第２の導電型の第２の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第２の半導体層上に第２の導電型側の電極を形成する工程と、
上記電極を含む上記第２の半導体層の所定領域の表面を所定形状の有機絶縁膜により覆う工程と、
上記有機絶縁膜をマスクとして少なくとも上記第１の半導体層の途中の深さまでテーパエッチングを行う工程とを有する
ことを特徴とする集積型半導体発光装置の製造方法である。
【００１７】
この発明の第４の発明は、
表面が平坦な第１の導電型の第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層された第２の導電型の第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上に設けられた第２の導電型側の電極と、
上記第１の半導体層と電気的に接続された第１の導電型側の電極とを有し、
上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が全体として錐台状の形状を有する複数の半導体発光素子が集積された
ことを特徴とする集積型半導体発光装置である。
ここで、集積型半導体発光装置はその用途を問わないが、典型的な用途を挙げると、画像表示装置や照明装置などである。
【００１８】
この発明の第５の発明は、
基板上に第１の導電型の第１の半導体層、活性層および第２の導電型の第２の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第２の半導体層上に第２の導電型側の電極を形成する工程と、
上記電極を含む上記第２の半導体層の所定領域の表面を所定形状の有機絶縁膜により覆う工程と、
上記有機絶縁膜をマスクとして少なくとも上記第１の半導体層の途中の深さまでテーパエッチングを行う工程とを有する
ことを特徴とする画像表示装置の製造方法である。
【００１９】
この発明の第６の発明は、
表面が平坦な第１の導電型の第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層された第２の導電型の第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上に設けられた第２の導電型側の電極と、
上記第１の半導体層と電気的に接続された第１の導電型側の電極とを有し、
上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が全体として錐台状の形状を有する
ことを特徴とする画像表示装置である。
【００２０】
この発明の第７の発明は、
基板上に第１の導電型の第１の半導体層、活性層および第２の導電型の第２の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第２の半導体層上に第２の導電型側の電極を形成する工程と、
上記電極を含む上記第２の半導体層の所定領域の表面を所定形状の有機絶縁膜により覆う工程と、
上記有機絶縁膜をマスクとして少なくとも上記第１の半導体層の途中の深さまでテーパエッチングを行う工程とを有する
ことを特徴とする照明装置の製造方法である。
【００２１】
この発明の第８の発明は、
表面が平坦な第１の導電型の第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層された第２の導電型の第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上に設けられた第２の導電型側の電極とを有し、
上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が全体として錐台状の形状を有する
ことを特徴とする照明装置である。
【００２２】
第２〜第８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。
上述のように構成されたこの発明においては、動作時に活性層から発生する光は、錐台の傾斜した側面で反射される結果、外部に容易に取り出される。この場合、錐台内部での光の全反射の回数は極めて少なくなるため、光路長が短くなり、光の吸収を最小限に抑えることができる。また、素子構造を形成する層は、すでに確立した成長技術により、平坦な基板表面に結晶性が良好なものを極めて容易かつ低コストで成長させることができる。そして、この層をドライエッチングなどによりエッチングすることにより素子構造を容易に形成することができ、簡便な工程で済む。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、光の取り出し効率の大幅な改善を図ることができ、発光効率が大幅に向上した半導体発光素子、集積型半導体発光装置、画像表示装置および照明装置を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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。
図１〜図７はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を工程順に示し、各図のＡは斜視図、Ｂは断面図である。また、図８はこのＧａＮ系発光ダイオードの完成状態を示す断面図である。
【００２５】
この第１の実施形態においては、図１に示すように、まず、例えば主面がＣ＋面であるサファイア基板１１を用意し、サーマルクリーニングを行うことなどによりその表面を清浄化した後、このサファイア基板１１上に、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層１２を成長させる。このｎ型ＧａＮ層１２は、可能な限り結晶欠陥、特に貫通転位が少ないものが望ましく、その厚さは例えば２μｍ程度以上あれば通常は足りる。低欠陥のｎ型ＧａＮ層１２の形成方法としては種々の方法があるが、一般的な方法として、サファイア基板１１上に、まず例えば５００℃程度の低温でＧａＮバッファ層やＡｌＮバッファ層（図示せず）を成長させ、その後１０００℃程度まで昇温して結晶化してから、その上にｎ型ＧａＮ層１２を成長させる方法がある。引き続いて、このｎ型ＧａＮ層１２上に例えばＩｎＧａＮ系の活性層１３およびｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ層１４を順次成長させる。これらの活性層１３およびｐ型ＧａＮ層１４の厚さは必要に応じて決められるが、活性層１３の厚さは例えば３ｎｍ、ｐ型ＧａＮ層１４の厚さは例えば０．２μｍである。成長温度は、例えば、活性層１３は６５０〜８００℃、ｐ型ＧａＮ層１４は９００〜１０５０℃とする。活性層１３は、例えば、単一のＩｎＧａＮ層からなるものであっても、例えばＩｎ組成が互いに異なる二つのＩｎＧａＮ層を交互に積層した多重量子井戸構造であってもよく、それらのＩｎ組成は発光波長をどの波長に設定するかに応じて決められる。また、ｐ型ＧａＮ層１４においては、好適には、その最上層のＭｇ濃度を、後述のｐ側電極と良好なオーミック接触を取ることができるように上昇させる。さらに、ｐ型ＧａＮ層１４上に、オーミック接触をより取り易い、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたｐ型ＩｎＧａＮ層をｐ型コンタクト層として成長させ、その上に後述のｐ側電極を形成してもよい。
【００２６】
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。
【００２７】
また、上記のＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮ層１２はＮ2 とＨ2 との混合ガス、活性層１３はＮ2 ガス雰囲気、ｐ型ＧａＮ層１４はＮ2 とＨ2 との混合ガスを用いる。この場合、活性層１３の成長では、キャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、Ｉｎが脱離するのを抑えることができ、活性層１３の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＧａＮ層１４の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、良好な結晶性で成長させることができる。
【００２８】
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、基板全面に例えば真空蒸着法によりＮｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、その上にリソグラフィーにより円形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてＮｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜をエッチングする。これによって、ｐ型ＧａＮ層１４上にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造の円形のｐ側電極１５を形成する。
【００２９】
次に、図２に示すように、ｐ側電極１５を含むｐ型ＧａＮ層１４の所定領域の表面を覆うように、例えばＳｉＯ2 膜からなるマスク１６を円形に形成する。この円形のマスク１６は、基板全面にＳｉＯ2 膜を形成した後、このＳｉＯ2 膜をエッチングにより円形にパターニングすることにより形成することができる。
【００３０】
次に、図３に示すように、マスク１６を用い、垂直にエッチングが行われる条件でＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮ層１２が露出するまでエッチングを行う。
次に、マスク１６をエッチング除去した後、図４に示すように、ｐ側電極１５および上記のエッチングにより形成された柱状部を覆うように、ポリイミド膜１７を円形に形成する。この円形のポリイミド膜１７は、例えば、全面にポリイミド膜を形成した後、このポリイミド膜を円形にパターニングすることにより形成することができる。
【００３１】
次に、図５に示すように、ポリイミド膜１７をマスクとして用い、テーパエッチングが行われる条件で、ＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮ層１２が所定の厚さだけ残る深さまでエッチングを行う。これによって、ｎ型ＧａＮ層１２、活性層１３およびｐ型ＧａＮ層１４が、全体として円錐台状の形状に加工される。そして、この円錐台状の形状のｎ型ＧａＮ層１２、活性層１３およびｐ型ＧａＮ層１４により、ダブルヘテロ構造の発光ダイオード構造が形成される。このテーパエッチングにおいては、エッチングガスとしてＣｌ系ガスを用いる。テーパの角度はＣｌガスへのＡｒガスの添加量により制御することができる。テーパの角度は、好適には４４〜４６度、特に４５度付近にする。このテーパ角度の制御方法については後に改めて説明する。
【００３２】
上記のテーパエッチングの際には、エッチングが進行するにつれて、ポリイミド膜１７の後退が起こるとともに、ポリイミド膜１７の厚さが減少するが、エッチング終了後に少なくとも活性層１３の側面がこのポリイミド膜１６により覆われるように、最初に形成するポリイミド膜１７の厚さを決めておく。この場合には、エッチング終了後においても、ｐ側電極１５の側面下部の高さまでポリイミド膜１７を残している。
【００３３】
次に、図６に示すように、基板全面に例えば真空蒸着法によりＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、円錐台部と別の部位のｎ側電極形成領域上に所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとしてＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜をエッチングすることにより、ｎ型ＧａＮ層１２上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造のｎ側電極１８を形成する。ここでは、このｎ側電極１８の形状を四角形とする。
【００３４】
この後、上述のようにして発光ダイオード構造が形成された基板をＲＩＥによるエッチングやダイサーなどによりチップ化する。チップ化されたＧａＮ系発光ダイオードを図７に示す。図８に完成状態のＧａＮ系発光ダイオードの断面図を示す。
【００３５】
図８に示すＧａＮ系発光ダイオードにおける円錐台部のテーパ角度による光の取り出し効率の変化を計算により求めた結果について説明する。この計算に用いたモデルを図９に示す。このモデルでは、円錐台部はＧａＮ（屈折率は２．４）からなり、高さは３．３μｍ、最下部の直径は２５μｍ、ｐ側電極はＮｉ（反射率は４０％）、円錐台部およびＮｉからなるｐ側電極の周囲はポリイミド（屈折率は１．５５）により囲まれているとした。そして、図９の円錐台部の下面から出てくる光の割合（光取り出し効率に対応する）を計算した。その結果、この光の割合は、θ＝９０度で５．７％、θ＝６０度で１４．８％、θ＝４４〜４６度で１７．２％であり、４５度付近が最も高くなることが分かった。
【００３６】
次に、図８に示すＧａＮ系発光ダイオードにおける円錐台部のテーパ角度をＲＩＥ法により制御する方法について説明する。図１０はエッチング条件を変えてテーパエッチングを行った試料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。図１０において、Ａは１００ｃｃのＣｌガスを用い、対向電極（Ａｎｔ）のパワーおよびバイアス（Ｂｉａｓ）パワーをそれぞれ５００Ｗおよび１００Ｗとして３００秒間エッチングを行ったとき、Ｂは８０ｃｃのＣｌガスおよび２０ｃｃのＡｒガスを用い、対向電極パワーおよびバイアスパワーをそれぞれ５００Ｗおよび１００Ｗとして３６０秒間エッチングを行ったとき、Ｃは７０ｃｃのＣｌガスおよび３０ｃｃのＡｒガスを用い、対向電極パワーおよびバイアスパワーをそれぞれ５００Ｗおよび１００Ｗとして５１０秒間エッチングを行ったとき、Ｄは５０ｃｃのＣｌガスおよび５０ｃｃのＡｒガスを用い、対向電極パワーおよびバイアスパワーをそれぞれ５００Ｗおよび１００Ｗとして１０２０秒間エッチングを行ったときである。図１１に、図１０Ａ〜ＤのＳＥＭ写真から測定したテーパ角度を用いて、Ａｒ／Ｃｌ比に対してテーパ角度θをプロットした結果を示す。図１１に示すように、テーパ角度θはＡｒ／Ｃｌ比に対してほぼ直線的に減少する傾向があり、Ａｒ／Ｃｌ比を約５０％とすることによりテーパ角度θを約４５度にすることができることが分かる。
【００３７】
上記のようにして製造されたＧａＮ系発光ダイオードのｐ側電極１５とｎ側電極１７との間に電流を流して駆動したところ、活性層１３のＩｎ組成に応じて発光波長３８０〜６２０ｎｍの範囲で、サファイア基板１１を通した発光を確認することができた。
【００３８】
図１２は、この実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの円錐台部の上部のｐ型ＧａＮ層１４の直径を２０μｍに固定し、ｎ型ＧａＮ層１２の最大径を２８μｍおよび３４μｍの２水準に変え、ｐ側電極１５の直径を１４μｍおよび１０μｍの２水準に変えたＧａＮ系発光ダイオードの発光特性を調べた結果を示す。ここで、図１２Ａは電流−電圧特性、図１２Ｂは電流−エレクトロルミネセンス（ＥＬ）強度（光出力）特性を示す。図１２には、比較のために、素子端面が垂直な図１７に示す従来のＧａＮ系発光ダイオードの発光特性を調べた結果も併せて示す。図１２より、この実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの電流−電圧特性および電流−ＥＬ強度特性とも、従来のＧａＮ系発光ダイオードに比べて良好であることが分かる。これは、この実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードでは光の取り出し効率が大幅に改善されている結果である。
【００３９】
以上のように、この第１の実施形態によれば、ｎ型ＧａＮ層１２、活性層１３およびｐ型ＧａＮ層１４からなる発光ダイオード構造を円錐台状に形成していることにより、図８に示すように、動作時に活性層１３から発生する光は、円錐台部の傾斜した側面で反射される結果、円錐台内部での光の全反射の回数を極めて少なく抑えつつ外部に容易に取り出すことができる。このため、光の取り出し効率を大幅に改善することができ、ひいては発光効率の大幅な向上を図ることができる。特に、円錐台のテーパ角度を４５度付近にすることにより、光の取り出し効率を最大化することができ、ひいては発光効率の最大化を図ることができる。
【００４０】
また、発光ダイオード構造を形成するｎ型ＧａＮ層１２、活性層１３およびｐ型ＧａＮ層１４は平坦な表面を有するサファイア基板１１上に成長させるため、既に確立した成長技術により、これらの層を良好な結晶性で容易かつ低コストで成長させることができる。そして、このようにして成長させたｎ型ＧａＮ層１２、活性層１３およびｐ型ＧａＮ層１４をＲＩＥ法によりテーパエッチングすることにより容易に円錐台部を形成することができる。これらのプロセスはいずれも簡便である。
【００４１】
また、ＲＩＥ法によるテーパエッチングの際にマスクとして用いるポリイミド膜１７を活性層１３の側面等を覆うように残しているため、このポリイミド膜１７が保護膜として働き、特性の劣化などを防止することができる。
【００４２】
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。図１３にこのＧａＮ系発光ダイオードを示す。
図１３に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードにおいては、ｎ型ＧａＮ層１２、活性層１３およびｐ型ＧａＮ層１４の全体が、上から下まで連続した斜面からなる側面を有する円錐台形状となっている。ポリイミド膜１７はｐ側電極１５を囲むように設けられている。
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を得ることができる。
【００４３】
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、第１の実施形態と同様に工程を進めてテーパエッチングを行った後、サファイア基板１１の裏面側から例えばエキシマーレーザなどによるレーザビームを照射することにより、サファイア基板１１から、ｎ型ＧａＮ層１２から上の部分を剥離する。次に、このようにして剥離されたｎ型ＧａＮ層１２の裏面をエッチングなどにより平坦化した後、図１４に示すように、ｎ型ＧａＮ層１２の裏面にｎ側電極１８を形成する。このｎ側電極１８は例えばインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）などからなる透明電極としてもよく、この場合は円錐台部に対応する部分を含むｎ型ＧａＮ層１２の裏面の広い面積にわたってｎ側電極１８を形成することができる。また、このｎ側電極１８をＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造の金属積層膜により形成する場合には、ｎ型ＧａＮ層１２を通して外部に光が放射されるようにするため、図１５に示すように、円錐台部に対応する部分におけるｎ側電極１８に開口部１８ａを設ける。
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を得ることができる。
【００４４】
次に、この発明の第４の実施形態による画像表示装置について説明する。この画像表示装置を図１６に示す。
図１６に示すように、この画像表示装置においては、サファイア基板１１の面内の互いに直交するｘ方向およびｙ方向にＧａＮ系発光ダイオードが規則的に配列され、ＧａＮ系発光ダイオードの二次元アレイが形成されている。各ＧａＮ系発光ダイオードの構造は、例えば第１の実施形態と同様である。
【００４５】
ｙ方向には、赤色（Ｒ）発光用のＧａＮ系発光ダイオード、緑色（Ｇ）発光用のＧａＮ系発光ダイオードおよび青色（Ｂ）発光用のＧａＮ系発光ダイオードが隣接して配列され、これらの３つのＧａＮ系発光ダイオードにより１画素が形成されている。ｘ方向に配列された赤色発光用のＧａＮ系発光ダイオードのｐ側電極１５同士は配線１９により互いに接続され、同様に、ｘ方向に配列された緑色発光用のＧａＮ系発光ダイオードのｐ側電極１５同士は配線２０により互いに接続され、ｘ方向に配列された青色発光用のＧａＮ系発光ダイオードのｐ側電極１５同士は配線２１により互いに接続されている。一方、ｎ側電極１８はｙ方向に延在しており、ｙ方向に配列されたＧａＮ系発光ダイオードの共通電極となっている。
【００４６】
このように構成された単純マトリクス方式の画像表示装置においては、表示すべき画像の信号に応じて配線１９〜２１とｎ側電極１８とを選択し、選択された画素の選択されたＧａＮ系発光ダイオードに電流を流して駆動し、発光を起こさせることにより、画像を表示することができる。
【００４７】
この第４の実施形態によれば、各ＧａＮ系発光ダイオードが第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードと同様な構成を有することにより発光効率が高いため、高輝度のフルカラー画像表示装置を実現することができる。
【００４８】
次に、この発明の第５の実施形態による照明装置について説明する。この照明装置は図１５に示す画像表示装置と同様な構成を有する。
この照明装置においては、照明光の色に応じて配線１９〜２１とｎ側電極１８とを選択し、選択された画素の選択されたＧａＮ系発光ダイオードに電流を流して駆動し、発光を起こさせることにより、照明光を発生させることができる。
【００４９】
この第５の実施形態によれば、各ＧａＮ系発光ダイオードが第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードと同様な構成を有することにより発光効率が高いため、高輝度の照明装置を実現することができる。
【００５０】
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５の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセス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、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【００５１】
具体的には、例えば、上述の第１〜第５の実施形態において、活性層１３の特性を向上させるために、その近傍に光閉じ込め特性に優れたＡｌＧａＮ層を設けたり、Ｉｎ組成の小さいＩｎＧａＮ層をなどを設けてもよい。また、必要に応じて、いわゆるbowingによるバンドギャップの縮小効果を得るために、ＩｎＧａＮにＡｌを加えてＡｌＧａＩｎＮとしてもよい。さらに、必要に応じて、活性層１３とｎ型ＧａＮ層１２との間や活性層１３とｐ型ＧａＮ層１４との間に光導波層を設けてもよい。
【００５２】
また、上述の第１〜第５の実施形態においては、サファイア基板を用いているが、必要に応じて、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。さらに、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）やペンデオなどの横方向結晶成長技術を利用して得られる低転位密度のＧａＮ基板を用いてもよい。
【００５３】
さらに、上述の第１〜第５の実施形態において、ｐ側電極１５の材料として例えばＡｕやＡｇなどを用いるとともに、ｐ型ＧａＮ層１４とｐ側電極１５との間に活性層１３で発生した光の侵入長以下の厚さを有し、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｓｂなどからなるコンタクト金属層を形成してもよい。このようにすることにより、コンタクト金属層による反射増強効果で、ＧａＮ系発光ダイオードの発光効率のより一層の向上を図ることができる。
【００５４】
さらに、上述の第１の実施形態においては、ｐ側電極１５を覆うようにマスク１６を形成し、このマスク１６を用いてＲＩＥ法によりエッチングを行っているが、マスク１６を形成せず、ｐ側電極１５をマスクとしてＲＩＥ法によりエッチングを行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【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斜視図および断面図である。
【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斜視図および断面図である。
【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斜視図および断面図である。
【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斜視図および断面図である。
【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を説明するための斜視図および断面図である。
【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を説明するための斜視図および断面図である。
【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を説明するための斜視図および断面図である。
【図８】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断面図である。
【図９】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おける円錐台部のテーパ角度による光取り出し効率の変化を計算により求めるために用いたモデルを示す略線図である。
【図１０】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テーパエッチングにより形成した円錐台部の断面形状を示す図面代用写真である。
【図１１】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テーパエッチングの際のＡｒ／Ｃｌ比によるテーパ角度θの変化を示す略線図である。
【図１２】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電流−電圧特性および電流−ＥＬ強度特性の測定結果を示す略線図である。
【図１３】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図１４】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【図１５】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードをｎ側電極から見た斜視図である。
【図１６】この発明の第４の実施形態による画像表示装置を示す斜視図である。
【図１７】従来のＧａＮ系発光ダイオードを示す断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１１…サファイア基板、１２…ｎ型ＧａＮ層、１３…活性層、１４…ｐ型ＧａＮ層、１５…ｐ側電極、１７…ポリイミド膜、１８…ｎ側電極、１９、２０、２１…配線
【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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