(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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の製造方法において、
前記基板上に金属アルミニウム領域を基板面の面積の１０％以上６０％以下の割合で島状に点在させて形成し、
前記基板の前記金属アルミニウムが形成されていない領域において、バッファ層を介してIII族窒化物系化合物半導体の単結晶層を形成すると共に前記金属アルミニウム領域を当該III族窒化物系化合物半導体の単結晶層で覆ったのち、
所望の組成及び不純物の添加されたIII族窒化物系化合物半導体層を積層することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記金属アルミニウム領域は、前記基板に形成された凹部に埋め込まれることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記バッファ層は、前記金属アルミニウム領域の形成前に前記基板に形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記III族窒化物系化合物半導体の単結晶層を形成する前に、前記金属アルミニウム領域の表層をアンモニアにより窒化することを特徴とする請求項３に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記バッファ層は、前記金属アルミニウム領域が前記基板上に形成された後に形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物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。本明細書においてIII族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で示される半導体、及び、ｎ型化／ｐ型化等のために任意の元素を添加したものを含む。更には、III族元素及びＶ族元素の組成の一部を、Ｂ又はＴｌ、或いはＰ、Ａｓ、Ｓｂ又はＢｉで置換したものをも含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１及び２では、アルミニウム層又はアルミニウム粒子を基板上に形成し、完全に窒化させて単結晶層又はバッファ層として、その上に所望の組成のIII族窒化物系化合物半導体を積層させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−０４９０９２号公報
【特許文献２】特表２００４−５０７１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者は、上記技術を検討し、金属アルミニウムを積極的に島状に形成して残留させることで、発光効率を向上させることを見出し、本願発明を完成させた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に係る発明は、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の製造方法において、基板上に金属アルミニウム領域を基板面の面積の１０％以上６０％以下の割合で島状に点在させて形成し、基板の金属アルミニウムが形成されていない領域において、バッファ層を介してIII族窒化物系化合物半導体の単結晶層を形成すると共に金属アルミニウム領域を当該III族窒化物系化合物半導体の単結晶層で覆ったのち、所望の組成及び不純物の添加されたIII族窒化物系化合物半導体層を積層することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法である。金属アルミニウム領域を島状に点在させて形成する場合に、規則性を持たせて金属アルミニウム領域を形成しても、或いはランダムに形成しても良いものとする。
【０００５】
請求項２に係る発明は、金属アルミニウム領域は、基板に形成された凹部に埋め込まれることを特徴とする。
【０００６】
請求項３に係る発明は、バッファ層は、金属アルミニウム領域の形成前に基板に形成されることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体の単結晶層を形成する前に、金属アルミニウム領域の表層をアンモニアにより窒化することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、バッファ層は、金属アルミニウム領域が基板上に形成された後に形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
島状の金属アルミニウム領域を基板とIII族窒化物系化合物半導体単結晶層との間に有する発光素子は、当該III族窒化物系化合物半導体単結晶層よりも上、即ち基板より遠い側に発光層を有する場合、発光層から基板方向に向う光の一部が金属アルミニウム領域により反射されるので、光取り出し効果が向上する。
【０００８】
このような発光素子は、金属アルミニウムを島状に点在させて形成した後、当該金属アルミニウムが形成されていない基板面からバッファ層を介してIII族窒化物系化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させて製造する。
金属アルミニウムは、基板に形成した凹部に埋め込んでも良い。
バッファ層は金属アルミニウムの形成の前に形成しても良く、後に形成しても良い。バッファ層を金属アルミニウムの形成の前に形成した場合、III族窒化物系化合物半導体単結晶層のエピタキシャル成長に先立って、金属アルミニウム領域の表層を窒化すると、III族窒化物系化合物半導体単結晶層のエピタキシャル成長を妨害することが無くなり、好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
金属アルミニウム領域を形成する割合は、基板面の面積の、１０％以上６０％以下とすると良い。基板面の面積の１０％未満では反射される光の割合が小さくなり過ぎ、好ましくない。基板面の面積の６０％を越えると、III族窒化物系化合物半導体単結晶層をエピタキシャル成長させるための面積が小さくなり、当該単結晶層の結晶性が悪化し、好ましくない。
島状の金属アルミニウム領域の大きさは、数μｍ幅を基準にすると良い。例えばストライプ状や格子状であれば、幅を１〜１０μｍとする。金属アルミニウム領域の上をその隣り合う基板面からバッファ層を介して成長するIII族窒化物系化合物半導体単結晶層の横方向成長により覆う必要があるため、金属アルミニウム領域の幅は余り大きくできない。  間隔は任意であるが、金属アルミニウムで覆われた面積が上記割合を満たすようにすると良い。
島状の金属アルミニウム領域の形成方法は任意である。
平面基板上に形成する場合は、一面に金属アルミニウム層（薄膜）を形成した後にマスクを用いたエッチングで不要部分を除去しても良い。或いは、リフトオフ用のレジストマスクを形成したのちアルミニウム蒸着を行って、孔部となったアルミニウム領域を基板上に残し、不要部をレジストマスク共々除去しても良い。
基板を加工する場合は、島状の所望形状に凹部を形成し、アルミニウムを蒸着等した後に不要部を除去しても良い。除去方法はウエットエッチング、その他任意である。
【００１０】
まず、４つの場合に分けて、本願発明を説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る、基板と、III族窒化物系化合物半導体単結晶層との間に、金属アルミニウム領域を島状に形成するための工程図である。図１．Ａ乃至図１．Ｃは斜視図、図１．Ｄ乃至図１．Ｆは断面図である。
例えばまずサファイア基板１０を用意する（図１．Ａ）。サファイア基板１０表面に、点状のアルミニウム領域２０ａを形成する（図１．Ｂ）、又は、ストライプ状のアルミニウム領域２０ｂを形成する（図１．Ｃ）。以下、アルミニウム領域２０ａ又はアルミニウム領域２０ｂを単にアルミニウム領域２０と記載する。尚、アルミニウム領域２０は、格子状に形成しても良く、また、規則性を持たせずにランダムに形成しても良い。
次に図１．Ｄのように、アルミニウム領域２０をも覆って、窒化アルミニウムから成るバッファ層３０を形成する。ＡｌＮバッファ層３０は、１０〜１００ｎｍ厚とし、トリメチルアルミニウムとアンモニアを用いて基板温度４００℃で形成すると良い。或いはマグネトロンスパッタにより、形成しても良い。
次に図１．Ｅのように、アンモニア中で昇温し、基板温度１０００℃以上でトリメチルガリウムを導入して窒化ガリウム単結晶層４０を形成する。窒化ガリウム単結晶層４０は、主としてアルミニウム領域２０の形成されていないサファイア基板１０表面に形成されたＡｌＮバッファ層３０からエピタキシャル成長し、当該アルミニウム領域２０上部を横方向成長により覆う。こうして、ウエハ表面全体をＧａＮ単結晶層４０が覆う（図１．Ｆ）。尚、アルミニウム領域２０の上部のＡｌＮバッファ層３０は、アルミニウム領域２０の存在によりサファイア基板１０表面の結晶情報が伝達されていない。このため、アルミニウム領域２０の上部のＡｌＮバッファ層３０を核としては窒化ガリウムは単結晶成長しない。
【００１１】
図２は本発明の第２の実施の形態に係る、基板と、III族窒化物系化合物半導体単結晶層との間に、金属アルミニウム領域を島状に形成するための工程図である。図２．Ａ乃至図２．Ｄは斜視図、図２．Ｅ乃至図２．Ｇは断面図である。
例えばまず、点状の凹部１２ａを設けたサファイア基板１１ａを用意する（図２．Ａ）。或いはストライプ状の凹部１２ｂを設けたサファイア基板１１ｂを用意する（図２．Ｂ）。点状の凹部１２ａを設けたサファイア基板１１ａを用いる場合は当該点状の凹部１２ａにアルミニウムを埋め込んで点状のアルミニウム領域２１ａを形成する（図２．Ｃ）。
ストライプ状の凹部１２ｂを設けたサファイア基板１１ｂを用いる場合は当該ストライプ状の凹部１２ｂにアルミニウムを埋め込んでストライプ状のアルミニウム領域２１ｂを形成する（図２．Ｄ）。以下、アルミニウム領域２１ａ又はアルミニウム領域２１ｂを単にアルミニウム領域２１と記載する。アルミニウム領域２１は、格子状に形成しても良い。
また、サファイア基板１１ａ又はサファイア基板１１ｂを単にサファイア基板１１と記載する。
次に図２．Ｅのように、アルミニウム領域２０をも覆って、窒化アルミニウムから成るバッファ層３０を形成する。ＡｌＮバッファ層３０は、１０〜１００ｎｍ厚とし、トリメチルアルミニウムとアンモニアを用いて基板温度４００℃で形成すると良い。或いはマグネトロンスパッタにより、形成しても良い。
次に図２．Ｆのように、アンモニア中で昇温し、基板温度１０００℃以上でトリメチルガリウムを導入して窒化ガリウム単結晶層４０を形成する。窒化ガリウム単結晶層４０は、主としてアルミニウム領域２０の形成されていないサファイア基板１０表面に形成されたＡｌＮバッファ層３０からエピタキシャル成長し、当該アルミニウム領域２０上部を横方向成長により覆う。こうして、ウエハ表面全体をＧａＮ単結晶層４０が覆う（図２．Ｆ）。尚、アルミニウム領域２０の上部のＡｌＮバッファ層３０は、アルミニウム領域２０の存在によりサファイア基板１０表面の結晶情報が伝達されていない。このため、アルミニウム領域２０の上部のＡｌＮバッファ層３０を核としては窒化ガリウムは単結晶成長しない。
【００１２】
図３は本発明の第３の実施の形態に係る、基板と、III族窒化物系化合物半導体単結晶層との間に、金属アルミニウム領域を島状に形成するための工程図である。図３．Ａ乃至図３．Ｄは斜視図、図３．Ｅ乃至図３．Ｇは断面図である。
例えばまずサファイア基板１０を用意する（図３．Ａ）。サファイア基板１０表面に、窒化アルミニウムから成るバッファ層３０を形成する。ＡｌＮバッファ層３０は、１０〜１００ｎｍ厚とし、トリメチルアルミニウムとアンモニアを用いて基板温度４００℃で形成すると良い。或いはマグネトロンスパッタにより、形成しても良い。
この後、バッファ層３０の上に点状のアルミニウム領域２０ａを形成する（図３．Ｃ）、又は、ストライプ状のアルミニウム領域２０ｂを形成する（図３．Ｄ）。以下、アルミニウム領域２０ａ又はアルミニウム領域２０ｂを単にアルミニウム領域２０と記載する。尚、アルミニウム領域２０は、格子状に形成しても良く、また、規則性を持たせずにランダムに形成しても良い。
次に図３．Ｅのように、アンモニア中で昇温する。するとアルミニウム領域２０の表層２０ｆは窒化され、窒化物層２２となる（図３．Ｆ）。ＡｌＮバッファ層３０表面は、窒化により窒素不足の領域が消滅し、結晶性が向上する。
基板温度１０００℃以上でトリメチルガリウムを導入して窒化ガリウム単結晶層４０を形成する。窒化ガリウム単結晶層４０は、主としてアルミニウム領域２０の形成されていないサファイア基板１０表面に形成されたＡｌＮバッファ層３０からエピタキシャル成長し、当該アルミニウム領域２０上部を横方向成長により覆う。こうして、ウエハ表面全体をＧａＮ単結晶層４０が覆う（図３．Ｇ）。尚、アルミニウム領域２０の表層の窒化物層２２は雑晶であり、また、アルミニウム領域２０の存在によりサファイア基板１０表面の結晶情報は窒化物層２２に伝達されていない。このため、当該窒化物層２２を核としては窒化ガリウムは単結晶成長しない。
【００１３】
図４は本発明の第４の実施の形態に係る、基板と、III族窒化物系化合物半導体単結晶層との間に、金属アルミニウム領域を島状に形成するための工程図である。図４．Ａ乃至図４．Ｆは斜視図、図４．Ｇ乃至図４．Ｉは断面図である。
例えばまず、点状の凹部１２ａを設けたサファイア基板１１ａを用意する（図４．Ａ）。或いはストライプ状の凹部１２ｂを設けたサファイア基板１１ｂを用意する（図４．Ｂ）。サファイア基板１１ａ又は１１ｂの表面に一様に、窒化アルミニウムから成るバッファ層３０を形成する（図４．Ｃ及び図４．Ｄ）。ＡｌＮバッファ層３０は、１０〜１００ｎｍ厚とし、トリメチルアルミニウムとアンモニアを用いて基板温度４００℃で形成すると良い。或いはマグネトロンスパッタにより、形成しても良い。
点状の凹部１２ａを設けたサファイア基板１１ａを用いる場合は、ＡｌＮバッファ層３０で被膜された当該点状の凹部１２ａにアルミニウムを埋め込んで点状のアルミニウム領域２１ａを形成する（図４．Ｅ）。
ストライプ状の凹部１２ｂを設けたサファイア基板１１ｂを用いる場合は、ＡｌＮバッファ層３０で被膜された当該ストライプ状の凹部１２ｂにアルミニウムを埋め込んでストライプ状のアルミニウム領域２１ｂを形成する（図４．Ｆ）。以下、アルミニウム領域２１ａ又はアルミニウム領域２１ｂを単にアルミニウム領域２１と記載する。アルミニウム領域２１は、格子状に形成しても良い。
また、サファイア基板１１ａ又はサファイア基板１１ｂを単にサファイア基板１１と記載する。
次に図４．Ｇのように、アンモニア中で昇温する。するとアルミニウム領域２０の表層２１ｆは窒化され、窒化物層２２となる（図４．Ｈ）。ＡｌＮバッファ層３０表面は、窒化により窒素不足の領域が消滅し、結晶性が向上する。
基板温度１０００℃以上でトリメチルガリウムを導入して窒化ガリウム単結晶層４０を形成する。窒化ガリウム単結晶層４０は、主としてアルミニウム領域２０の形成されていないサファイア基板１０表面に形成されたＡｌＮバッファ層３０からエピタキシャル成長し、当該アルミニウム領域２０上部を横方向成長により覆う。こうして、ウエハ表面全体をＧａＮ単結晶層４０が覆う（図４．Ｉ）。尚、アルミニウム領域２０の表層の窒化物層２２は雑晶であり、また、アルミニウム領域２０の存在によりサファイア基板１０表面の結晶情報は窒化物層２２に伝達されていない。このため、当該窒化物層２２を核としては窒化ガリウムは単結晶成長しない。
【実施例】
【００１４】
図１の方法に従い、島状に形成するストライプ状のアルミニウム領域２０ｂを形成したサファイア基板１０を用いて、図５に示す半導体発光素子１００を形成した。
図５は、本発明の具体的な第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の構成を示す断面図である。III族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、サファイア基板１０の上に島状に形成されたアルミニウム領域２０ｂ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約１５ｎｍのバッファ層３０が設けられ、その上にシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮから成る膜厚約４μｍのｎコンタクト層４０が形成されている。このｎコンタクト層４０の上には、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9ＮとアンドープのＧａＮとシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮを１組として１０組積層した多重層から成る膜厚約７４ｎｍのｎクラッド層４２が形成されている。
【００１５】
そしてｎクラッド層４２の上には、膜厚約３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層と、膜厚約２ｎｍのＧａＮと膜厚３ｎｍのＡｌ0.06Ｇａ0.94Ｎから成るバリア層とが交互に８組積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層４３が形成されている。発光層４３の上にはｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎとｐ型Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎの多重層から成る膜厚約３３ｎｍのｐクラッド層４４が形成されている。更に、ｐクラッド層４４の上には、マグネシウム濃度の異なる２層のｐ型ＧａＮの積層構造から成る膜厚約８０ｎｍのｐコンタクト層４５が形成されている。
【００１６】
また、ｐコンタクト層４５の上には酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る膜厚５０ｎｍ（発光層１３の発光波長４７０ｎｍの１／（４ｎ）未満、但しｎはＩＴＯの屈折率）の透光性電極５０が形成されている。ｎコンタクト層４０の露出面上には電極６０が形成されている。電極６０は膜厚約２０ｎｍのバナジウム（Ｖ）と、膜厚約２μｍのアルミニウム（Ａｌ）で構成されている。透光性電極５０上の一部には、金（Ａｕ）合金から成る電極パッド５５が形成されている。
図５のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、図の上方に光を取り出す、いわゆるフェイスアップ型の発光素子である。
ここで、アルミニウム領域２０ｂは幅３μｍのストライプ状とし、となりあう間隔は５μｍとした。また、その膜厚は約０．１μｍとし、真空蒸着とリフトオフ法により形成した。
【００１７】
比較のため、アルミニウム領域２０ａを形成しないほかは実施例と同様にして半導体発光素子９００を形成した。
半導体発光素子１００は半導体発光素子９００に対し、光取り出し効率が１６％向上した他、動作特性に差は無かった。
即ち、本発明により、他の動作特性を劣化させること無く、光取り出し効率を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す工程図。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す工程図。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す工程図。
【図４】本発明の第４の実施形態を示す工程図。
【図５】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。
【符号の説明】
【００１９】
１０：基板
１１ａ、１１ｂ：凹部を設けた基板
１２ａ、１２ｂ：基板に設けた凹部
２０、２０ａ、２０ｂ：島状のアルミニウム領域
２０ｆ：アルミニウム領域２０の表層
２１、２１ａ、２１ｂ：凹部に設けられた島状のアルミニウム領域
２１ｆ：アルミニウム領域２１の表層
２２：アルミニウム領域２０又は２１の窒化物層
３０：ＡｌＮバッファ層
４０：ＧａＮ単結晶層
【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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