(57)【要約】【課題】シリコン基板を成長基板として用いた場合に問題となる、窒化物成長時における線欠陥の発生を低減化できる、シリコン基板を成長基板として用いる窒化物系発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る窒化物系発光素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成される窒化物成長用シード層と、前記窒化物成長用シード層上に形成され、複数の窒化物層が積層されている発光構造体とを含むことを特徴とする。特に、前記窒化物成長用シード層はＧａＮパウダーで形成される。【選択図】図１
2012182420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成される窒化物成長用シード層と、
前記窒化物成長用シード層上に、複数の窒化物が積層されて形成される発光構造体と、を含み、
前記窒化物成長用シード層はＧａＮパウダーで形成される、
ことを特徴とする窒化物系発光素子。
【請求項２】
前記ＧａＮパウダーは、平均粒径が１０ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項３】
前記シリコン基板は、表面に凹凸が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項４】
前記発光構造体は、
前記窒化物成長用シード層の上部に形成される第１の導電型窒化物層と、
前記第１の導電型窒化物層の上部に形成される発光活性層と、
前記発光活性層の上部に形成され、前記第１の導電型とは反対の電気的特性を有する第２の導電型窒化物層と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系発光素子。
【請求項５】
前記第１の導電型窒化物層はｎ―タイプのＧａＮで形成され、
前記第２の導電型窒化物層はｐ―タイプのＧａＮで形成されることを特徴とする、請求項４に記載の窒化物系発光素子。
【請求項６】
前記シリコン基板は、ｎ―タイプのシリコン基板であることを特徴とする、請求項５に記載の窒化物系発光素子。
【請求項７】
前記発光構造体は、前記窒化物成長用シード層と前記第１の導電型窒化物層との間に形成されるバッファ層をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の窒化物系発光素子。
【請求項８】
前記バッファ層は、ＡｌＮ、ＺｒＮ及びＧａＮから選択される１種以上の窒化物で形成されることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物系発光素子。
【請求項９】
前記発光構造体は、前記バッファ層と前記第１の導電型窒化物層との間に形成される非ドーピング窒化物層をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の窒化物系発光素子。
【請求項１０】
シリコン基板上に窒化物成長用シード層を形成し、
前記窒化物成長用シード層上に複数の窒化物を順次成長させて発光構造体を形成することを含み、
前記窒化物成長用シード層はＧａＮパウダーで形成される、
ことを特徴とする窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記シリコン基板上に窒化物成長用シード層を形成することは、
前記ＧａＮパウダーを前記シリコン基板上に載せた後、前記シリコン基板を加熱し、前  記ＧａＮパウダーを前記シリコン基板に付着させる方法で、前記窒化物成長用シード層を形成すること、
であることを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記シリコン基板上に窒化物成長用シード層形成することは、
スピンコーターを用いて前記ＧａＮパウダーを含有する溶液を前記シリコン基板上にコーティングした後で乾燥する方法で、前記ＧａＮパウダーからなる前記窒化物成長用シード層を形成すること、
であることを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物系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、シリコン基板を用いた窒化物系発光素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光素子は、電子と正孔の再結合時に発生する発光現象を応用した素子である。
【０００３】
代表的な発光素子としては、ＧａＮに代表される窒化物系発光素子がある。窒化物系発光素子は、バンドギャップエネルギーが大きいことから多様な色光を具現することができる。また、窒化物系発光素子は、熱的安定性に優れている。
【０００４】
窒化物系発光素子は、ｎ―電極及びｐ―電極の配置形態にしたがって水平型発光素子と垂直型発光素子とに区分される。水平型発光素子では、ｎ―電極及びｐ―電極が主にトップ（ｔｏｐ）―トップ（ｔｏｐ）形態で配置され、垂直型発光素子では、ｎ―電極及びｐ―電極が主にトップ（ｔｏｐ）―ボトム（ｂｏｔｔｏｍ）形態で配置される。
【０００５】
従来は、窒化物系発光素子を製造するために、主にサファイア基板を成長基板として用いた。
【０００６】
しかし、サファイア基板は、熱的特性に優れたものではない。したがって、サファイア基板を成長基板として用いる場合、高温での窒化物の成長時に基板が反る現象、すなわち、ウェハ反り（ｗａｆｅｒ  ｂｏｗｉｎｇ）現象が発生するという問題がある。
【０００７】
また、サファイア基板を成長基板として用いる場合、サファイアの絶縁特性によって垂直型発光素子を製造することが難しいという問題がある。
【０００８】
一方、シリコン基板は、サファイア基板に比べて非常に安価で、且つ熱的特性及び電気的特性に優れるという長所を有する。しかし、窒化物系発光素子の製造時に、シリコン基板は成長基板としてあまり使用されない。その理由は、シリコンと窒化物との間の格子定数の差が非常に大きいことから、シリコン基板上に窒化物を成長させる場合、成長する窒化物に線欠陥（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が多く発生するためである。多くの線欠陥は、窒化物系発光素子の電気的特性を阻害する要因になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の第１の目的は、成長基板としてシリコン基板を使用する場合に問題となる、窒化物成長時における線欠陥の発生を低減化できる、シリコン基板を成長基板として用いる窒化物系発光素子を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、窒化物成長時における線欠陥の発生を低減化できる、シリコン基板を成長基板として用いる窒化物系発光素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記第１の目的を達成するための本発明に係る窒化物系発光素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成される窒化物成長用シード層と、前記窒化物成長用シード層上に、複数の窒化物層が積層されて形成される発光構造体と、を含み、前記窒化物成長用シード層はＧａＮパウダーで形成される、ことを特徴とする。
【００１２】
前記シリコン基板は、ｎ―タイプのシリコン基板であることが望ましい。
【００１３】
前記第２の目的を達成するための本発明に係る窒化物系発光素子の製造方法は、シリコン基板上に窒化物成長用シード層を形成し、前記窒化物成長用シード層上に複数の窒化物を順次成長させて発光構造体を形成することを含む、ことを特徴とする。
【００１４】
このとき、前記窒化物成長用シード層は、ＧａＮパウダーで形成されることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、窒化物系発光素子では、ＧａＮパウダーを用いて窒化物成長用シード層が形成されているので、成長基板としてシリコン基板を用い、その場合に問題となる、窒化物の成長時における線欠陥の発生を低減化できる。また、成長基板としてシリコン基板を使用することにより、窒化物系発光素子は、シリコン自体の熱的、電気的特性などを保持することができる。
【００１６】
また、本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、窒化物系発光素子にはｎ―タイプのシリコン基板を用いることができるので、基板を除去しなくても、容易に垂直型発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る窒化物系発光素子を概略的に示した図である。
【図２】本発明の実施形態に係る窒化物系発光素子の製造方法を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（実施形態）
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態に係るシリコン基板を用いた窒化物系発光素子及びその製造方法に関して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る窒化物系発光素子を概略的に示した図である。
【００２０】
図１を参照すると、図示した窒化物系発光素子は、シリコン基板１１０、窒化物成長用シード層１２０及び発光構造体１３０を含む。
【００２１】
シリコン基板１１０としては、結晶方向が（１００）、（１１１）又は（１１０）である単結晶シリコン基板、又は多結晶シリコン基板を用いることができる。
【００２２】
シリコン基板は、サファイア基板に比べて安価で、且つ熱的特性及び電気的特性に優れるという長所を有する。
【００２３】
しかし、シリコンと窒化物との間の大きな格子定数の差により、シリコン基板上に窒化物を成長させる場合、線欠陥が多く発生する。これは、発光素子の光効率を低下させる要因になる。
【００２４】
そのため、本発明では、シリコン基板１１０上に窒化物を成長させるときに発生する線欠陥を低減できるように、シリコン基板１１０上に窒化物成長用シード層１２０を形成した後、窒化物成長用シード層１２０上に窒化物を成長させる。
【００２５】
窒化物成長用シード層１２０は、シリコン基板１１０の上部に形成され、窒化物成長に対するシード（ｓｅｅｄ）の役割を担う。
【００２６】
このような窒化物成長用シード層１２０は、成長対象になる窒化物と格子マッチングをとることのできる物質で形成されることが望ましい。通常、窒化物系発光素子で適用される窒化物がＧａＮであることを勘案すると、窒化物成長用シード層１２０はＧａＮパウダーで形成されることが最も望ましい。
【００２７】
ＧａＮパウダーをシードにしてＧａＮを成長させる場合、格子マッチングにより、ＧａＮ成長時に発生する線欠陥を低減化することができる。また、ＧａＮパウダー上で成長する窒化物は、初期は垂直方向に成長し、その後は水平方向に成長する。その結果、平坦な窒化物成長が可能である。
【００２８】
ＧａＮパウダーは、スピンコーティング法などによってシリコン基板１１０上に付着又は固定される。
【００２９】
ＧａＮパウダーをシリコン基板１１０上に容易に付着又は固定するために、シリコン基板１１０の表面には突部と凹部を有する凹凸が形成されてもよい。凹凸は、特定のパターンで形成されてもよく、非定型の形態で形成されてもよい。シリコン基板１１０の表面の凹凸は、エッチングなどの多様な方法で形成することができる。
【００３０】
シリコン基板１１０の表面に凹凸が形成されている場合、ＧａＮパウダーは、凹凸の凹部に容易に付着又は固定される。
【００３１】
一方、前記ＧａＮパウダーとしては、平均粒径が１０ｎｍ〜１μｍであるものを用いることが望ましい。ＧａＮパウダーの平均粒径が小さいほど、窒化物の成長時に発生する線欠陥の抑制効果が優れている。ＧａＮパウダーの平均粒径が１μｍを超える場合、前記線欠陥の抑制効果が不十分であり、製造される窒化物系発光素子の光効率が低くなる。ただし、ＧａＮパウダーの平均粒径が１０ｎｍ未満である場合、ＧａＮパウダーの製造費用が非常に嵩み、窒化物系発光素子の製造費用上昇の原因になり得る。
【００３２】
次に、発光構造体１３０は、窒化物成長用シード層１２０上に形成される。
【００３３】
発光構造体１３０は、複数の窒化物層が積層されて形成される。
【００３４】
より具体的には、発光構造体１３０は、第１の導電型窒化物層１３１、発光活性層１３２及び第２の導電型窒化物層１３３を含む。
【００３５】
第１の導電型窒化物層１３１は、窒化物成長用シード層１２０の上部に形成される。
【００３６】
第１の導電型窒化物層１３１は、ドーピングされる不純物によってｎ―タイプ又はｐ―タイプの特性を示すことができる。例えば、窒化物にシリコン（Ｓｉ）などの不純物がドーピングされた場合、第１の導電型窒化物層１３１はｎ―タイプの特性を示す。その一方、窒化物にマグネシウム（Ｍｇ）などの不純物がドーピングされた場合、第１の導電型窒化物層１３１はｐ―タイプの特性を示す。
【００３７】
発光活性層１３２は、第１の導電型窒化物層１３１の上部に形成される。発光活性層１３２は、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造を有することができる。その例として、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０.１≦ｘ≦０.３）とＧａＮが交互に積層されている構造を提示することができる。
【００３８】
発光活性層１３２では、ｎ―タイプの窒化物層を通して流れる電子とｐ―タイプの窒化物層を通して流れる正孔とが再結合して光が発生する。
【００３９】
第２の導電型窒化物層１３３は、発光活性層１３２の上部に形成され、第１の導電型窒化物層１３１とは反対の電気的特性を示す。
【００４０】
例えば、第１の導電型窒化物層１３１がｎ―タイプのＧａＮで形成される場合、第２の導電型窒化物層１３３はｐ―タイプのＧａＮで形成される。ｎ―タイプのＧａＮの場合、ＧａＮにＳｉがドーピングされて形成されてもよく、ｐ―タイプのＧａＮの場合、ＧａＮにＭｇがドーピングされて形成されてもよい。
【００４１】
前記のように、第１の導電型窒化物層１３１がｎ―タイプのＧａＮで形成され、第２の導電型窒化物層１３３がｐ―タイプＧａＮで形成される場合、シリコン基板１１０としてはｎ―タイプのシリコン基板を用いることができる。ｎ―タイプのシリコン基板を用いる場合、発光活性層１３２の下部の各層がｎ―タイプに形成される。また、ｎ―タイプのシリコン基板を用いる場合、シリコン基板自体をｎ―電極として活用することができ、ｎ―電極形成工程を省略することができる。したがって、ｎ―タイプのシリコン基板を用いる場合、水平型発光素子のみならず、発光面積が相対的に広いことから高輝度を容易に具現できる垂直型発光素子も容易に製造することができる。
【００４２】
また、成長基板としてｎ―タイプのシリコン基板を用いると、高温での窒化物の成長時におけるシリコン基板の反り現象が微々たるものになり、高温での窒化物の均質な成長が可能である。
【００４３】
一方、発光構造体１３０は、窒化物成長用シード層１２０の上部に形成されるバッファ層１３４をさらに含むことができる。この場合、第１の導電型窒化物層１３１はバッファ層１３４の上部に形成される。
【００４４】
バッファ層１３４は、シリコン基板上に異種の物質である窒化物を成長させるときに発生する応力を効果的に緩和させる役割を有する。このようなバッファ層１３４は、ＡｌＮ、ＺｒＮ、ＧａＮなどの窒化物で形成することができる。
【００４５】
第１の導電型窒化物層１３１がｎ―タイプである場合、バッファ層１３４もｎ―タイプに形成することができる。バッファ層１３４を形成する窒化物のほとんどは、大きな電気抵抗を有する。しかし、バッファ層１３４をｎ―タイプに形成する場合、バッファ層の電気抵抗が低くなる。したがって、製造される窒化物系発光素子の駆動効率を向上させることができる。
【００４６】
特に、シリコン基板１１０がｎ―タイプの電気的特性を有する場合、シリコン基板１１０に注入される電子が発光活性層１３２まで障壁なく容易に移動できるので、発光素子の駆動効率をさらに高めることができる。
【００４７】
また、バッファ層１３４の上部には、格子マッチングをより容易にするために非ドーピング窒化物層１３５がさらに形成される。この場合、第１の導電型窒化物層１３１は、非ドーピング窒化物層１３５の上部に形成される。非ドーピング窒化物層１３５は、非ドーピングシリコン基板を用いる場合に適用することが望ましい。
【００４８】
図２は、本発明の実施形態に係る窒化物系発光素子の製造方法を概略的に示した図である。
【００４９】
図２を参照すると、図示した窒化物系発光素子の製造方法は、窒化物成長用シード層形成段階（Ｓ２１０）及び発光構造体形成段階（Ｓ２２０）を含む。
【００５０】
窒化物成長用シード層形成段階（Ｓ２１０）では、シリコン基板１１０上に窒化物成長用シード層１２０を形成する。
【００５１】
このとき、前記窒化物成長用シード層１２０は、ＧａＮパウダーで形成することができる。
【００５２】
ＧａＮパウダーを用いた窒化物成長用シード層１２０は、次のような方法で形成することができる。
【００５３】
まず、スピンコーターなどを用いてシリコン基板１１０の上にＧａＮパウダーを載せる。その後、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）チャンバなどのチャンバ内でシリコン基板１１０をアンモニアガス雰囲気で略８００〜１２００℃の温度で加熱し、ＧａＮパウダーをシリコン基板１１０に付着させる。この場合、シリコン基板１１０には、若干のエッチングが行われながら表面に凹凸が形成される。シリコン基板１１０の表面に形成された凹凸は、上述したようにＧａＮパウダーの付着又は固定を容易にする。
【００５４】
また、ＧａＮパウダーを用いた窒化物成長用シード層１２０は、前記ＧａＮパウダーを含有する溶液を用いてシリコン基板１１０上にスピンコーティングした後、乾燥する方法で形成することができる。このとき、ＧａＮパウダーを含有する溶液としては、アセトン、メタノール、エチレングリコールなどの多様な種類の溶媒を用いることができる。
【００５５】
前記の提示されたＧａＮパウダーを用いた窒化物成長用シード層形成方法のうちいずれか一つの方法が選択的に適用されてもよく、二つの方法が共に適用されてもよい。例えば、ＧａＮパウダーを含有する溶液を用いてシリコン基板１１０上にスピンコーティングした後で乾燥し、その後、チャンバ内でシリコン基板１１０を加熱することができる。
【００５６】
次に、発光構造体形成段階（Ｓ２２０）では、窒化物成長用シード層１２０上に複数の窒化物を順次成長させて発光構造体１３０を形成する。
【００５７】
発光構造体１３０は、第１の導電型窒化物層１３１、発光活性層１３２及び第２の導電型窒化物層１３３が順次積層される形態で形成される。場合によっては、第１の導電型窒化物層１３１を形成する前に、バッファ層１３４や非ドーピング窒化物層１３５をさらに形成することができる。
【００５８】
上述したように、本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、シリコン基板１１０を成長基板として用いることによって、窒化物系発光素子はシリコン基板１１０自体の多くの長所をそのまま有することができる。
【００５９】
また、本発明に係る窒化物系発光素子及びその製造方法によれば、窒化物系発光素子では、ＧａＮパウダーを用いて窒化物成長用シード層１２０が形成されることによって、成長基板１１０としてシリコン基板が用いられても、窒化物の成長時に、シリコンと窒化物との間の格子定数の差によって発生する発光構造体１３０の線欠陥を低減化することができる。したがって、製造される窒化物系発光素子の光抽出効率を向上させることができる。
【００６０】
本発明は、以上の実施形態の記載に限定されるものではなく、当業者の水準で多様な変更や変形が可能である。このような変更と変形は、本発明の範囲を逸脱しない限り、本発明に属するものと言える。したがって、本発明の権利範囲は、以下で記載される特許請求の範囲によって判断しなければならない。
【符号の説明】
【００６１】
１１０：シリコン基板、１２０：窒化物成長用シード層、１３０：発光構造体、１３１：第１の導電型窒化物層、１３２：発光活性層、１３３：第２の導電型窒化物層、１３４：バッファ層、１３５：非ドーピング窒化物層
【図１】
2012182420.tif 000003
【図２】
2012182420.tif 000004