(57)【要約】【課題】自己接合エピタキシャルで発光ダイオードのエピタキシャル層を形成する方法の提供。【解決手段】半導体発光素子の基板表面に鈍化層を形成し、並びにエッチングにより凹部と上方に該鈍化層を具えた凸部を形成し、その後、凹部の底面よりエピタキシャルを開始し、エピタキシャル層で先にこれら凹部を充填し、その後更にこれら凸部を被覆し且つ自己接合上方向エピタキシャル成長によりエピタキシャル層構造を完成する。自己接合エピタキシャル成長技術によりエピタキシャルパラメータ誤差のもたらす孔の発生を防止でき、欠陥密度を減らし、エピタキシャル層の品質を高め、これにより内部量子効率を向上する。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己接合エピタキシャル成長の方法において、この方法は、半導体発光素子の基板（１００）の表面に、光を散乱或いは回折させる複数の凹部（１１０）と凸部（１２０）構造を形成した後のエピタキシャル成長方法であり、
該基板（１００）の表面に鈍化層（２００）を形成し、並びに該鈍化層（２００）にこれら凹部（１１０）を形成するエッチング領域を画定する工程と、
該基板（１００）に対してエッチングを行い、前述のエッチング領域をエッチングして結晶格子の斜面（１５０）と底面（１３０）を具備する複数の凹部（１１０）と、上方が平面（１４０）とされ且つ該鈍化層（２００）を具備する凸部（１２０）を形成する工程と、
該凹部（１１０）の底面（１３０）よりエピタキシャル成長を開始してエピタキシャル層（３００）を形成し、該エピタキシャル層（３００）にまずこれら凹部（１１０）を充満させ、その後、更にこれら凸部（１２０）を被覆させ且つ自己接合上方向エピタキシャル成長により該エピタキシャル層（３００）構造を完成する工程と、
を包含したことを特徴とする、自己接合エピタキシャル成長の方法。
【請求項２】
請求項１記載の自己接合エピタキシャル成長の方法において、該基板（１００）をサファイヤ、炭化シリコン、シリコン、ヒ素化ガリウム、窒化アルミニウム基板のいずれかとすることを特徴とする、自己接合エピタキシャル成長の方法。
【請求項３】
請求項１記載の自己接合エピタキシャル成長の方法において、該鈍化層（２００）の材料を二酸化シリコンとすることを特徴とする、自己接合エピタキシャル成長の方法。
【請求項４】
請求項１記載の自己接合エピタキシャル成長の方法において、該凹部（１１０）の形状を、四角形、円形、三角形、星形及び多角形のいずれかとする、自己接合エピタキシャル成長の方法。
【請求項５】
請求項１記載の自己接合エピタキシャル成長の方法において、これら凹部（１１０）と凸部（１２０）の構成辺を０．０１μｍから１００μｍとする、自己接合エピタキシャル成長の方法。
【請求項６】
請求項１記載の自己接合エピタキシャル成長の方法において、これら凹部（１１０）の深さを０．０１μｍから１００μｍとする、自己接合エピタキシャル成長の方法。
【請求項７】
請求項１記載の自己接合エピタキシャル成長の方法において、該エピタキシャル層（３００）の材料を、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニイウムガリウム、窒化インジウムアルミニウムガリウム、とりん窒化ガリウム（ＧａＮＰ）のいずれかとする、自己接合エピタキシャル成長の方法。
【請求項８】
請求項１記載の自己接合エピタキシャル成長の方法において、エッチングの工程におけるエッチング時間を延長してこれら凸部（１２０）の断面を尖形となして、複数の尖形凸部（１２１）となし、且つ該鈍化層（２００）を除去することを特徴とする、自己接合エピタキシャル成長の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一種の半導体発光素子に係り、特に、自己接合エピタキシャル成長で発光ダイオードのエピタキシャル層を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝統的な半導体発光素子は標準的に矩形外観を有するよう製造され、一般に半導体材料とパッケージ材料の屈折率の違いが大きいために、全反射角が小さくなり、ゆえに発光ダイオードの発生する光が空気との界面に到達した時、臨界角より大きい光は全反射されて発光ダイオードダイの内部に戻る。光子の境界面にて半導体を離れる確率は小さくなり、光子はただ内部で全部が吸収されて熱に転成するまで全反射され続けるだけであり、このため、発光効率が悪くなる。
【０００３】
このため光の反射を変更することが発光効率をアップする有効な方法の一つであり、その既存の方法として、基板１０の表面部分に、発光領域に光の散乱或いは回折を発生させる凹部１１と凸部１２を形成する、というものである（図１）。これにより外部量子効率を高め、光取出し効率を高める。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ただし、これら凹部１１と凸部１２の構造は後続のエピタキシャル工程の難しさを形成する。一般に、エピタキシャル成長条件を適当に制御することによって、平坦で孔のない半導体層を得て、それにより光取出し効率を高める目的を達成できる。しかしエピタキシャル工程のパラメータ例えば温度、圧力、気流、五−三族比、不純物ドープ等はいずれもエピタキシャル結晶の横方向成長の速度を変化させる。図２に示されるように、エピタキシャル工程時にエピタキシャル層２０はこれら凹部１１の底面１３及び凸部１２の上方の平面１４よりエピタキシャル成長開始し、エピタキシャル層２０の凸１２上の横方向成長速度が凹部１１での横方向成長速度より高い時、相互押圧により、エピタキシャル層２０完成後に孔２１が発生しやすい（図３）。これらの孔２１は半導体発光素子が発生する光を内部で損失させ、内部量子効率を下げ、発光素子の発光効率と使用寿命に影響を与える。
【０００５】
本発明は上述の問題を解決するため、一種の自己接合エピタキシャル成長の方法を提供することを目的とし、それは、エピタキシャル成長時にエピタキシャル成長パラメータ誤差による孔の発生を防止し、欠陥密度を減らし、エピタキシャル層の品質を向上し、これにより内部量子効率をアップする方法とする。
【０００６】
本発明のもう一つの目的は、一種の自己接合エピタキシャル成長させたエピタキシャル層を提供し、該エピタキシャル層を発光素子に応用し、エピタキシャル成長パラメータ誤差のもたらす孔の発生を防止し、生産率をアップし、発光素子の発光効率と使用寿命を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の方法は、半導体発光素子の基板の表面に、光を散乱或いは回折させる複数の凹部と凸部構造を形成した後に行うエピタキシャル成長方法である。それは、該基板の表面に鈍化層を形成し、該鈍化層の材料は例えば二酸化シリコンとし、並びにこれら凹部を形成するエッチング領域を画定す工程、その後、該基板に対してエッチングを行い、前述のエッチング領域をエッチングして結晶格子の斜面と底面を具備する複数の凹部と、上方が平面とされ且つ該鈍化層を具備する凸部を形成する工程、及び、前述の凹部の底面よりエピタキシャル層をエピタキシャル成長させ、そのうち該エピタキシャル層によりこれら凹部を先に充填し、その後に更にこれら凸部を被覆し且つ自己接合上向きエピタキシャル成長を開始しエピタキシャル層構造を完成する。
【０００８】
そのうち、該基板は、サファイヤ、炭化シリコン、シリコン、ヒ素化ガリウム、窒化アルミニウム基板のいずれかとする。該エピタキシャル層の材料は、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニイウムガリウム、窒化インジウムアルミニウムガリウム、とりん窒化ガリウム（ＧａＮＰ）のいずれかとする。
【０００９】
そのうち、該凹部の形状は、四角形、円形、三角形、星形及び多角形のいずれかとする。これら凹部と凸部の構成辺は０．０１μｍから１００μｍとし、これら凹部の深さは０．０１μｍから１００μｍとする。
【００１０】
本発明は更にエッチング工程でのエッチング時間を延長し、前述のエッチング領域に、結晶格子の斜面と底面を具えた複数の凹部を形成し、これら凸部の断面を尖形とし、複数の尖形凸部となし、且つ該鈍化層を除去する。その後、前述の凹部の底面よりエピタキシャル成長を開始し、該エピタキシャル層で先ずこれら凹部を充填し、その後、更にこれら尖形凸部を被覆し且つ自己接合エピタキシャル成長を開始してエピタキシャル層構造を完成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の長所は、基板をエッチングする技術を利用して基板上に結晶格子の斜面パターンを具えた凹部を形成し、更に半導体発光素子のエピタキシャル層を選択的に凹部の底面に成長させ、一種の自己接合エピタキシャル層を形成することにある。本発明の方法によると、エピタキシャル成長時にエピタキシャル成長パラメータ誤差により孔が発生するのを防止でき、欠陥密度を減らせ、エピタキシャル層の品質を向上し、それにより内部量子効率をアップでき、発光素子の発光効率と使用寿命を改善できる。且つ本発明の方法は簡単で、生産コストを減らせ、産業上の大量生産に適合する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は基板をエッチングする技術を利用し、半導体発光素子の基板上に結晶格子の斜面パターンを具えた凹部を形成し、発光領域に光の散乱或いは回折を発生する凹部と凸部の構造を形成し、外部量子効率を高め、光取出し効率を高める。
【００１３】
本発明は半導体発光素子の基板（１００）の表面に、光を散乱或いは回折させる複数の凹部（１１０）と凸部（１２０）構造を形成した後のエピタキシャル成長方法である。図４に示されるように、本発明の方法は、該基板（１００）の表面に鈍化層（２００）を形成し、並びに該鈍化層（２００）にこれら凹部（１１０）を形成するエッチング領域を画定する。そのうち、該基板（１００）はサファイヤ、炭化シリコン、シリコン、ヒ素化ガリウム、窒化アルミニウム基板のいずれかとする。該鈍化層（２００）の材料は二酸化シリコンとする。その後、該基板（１００）に対してエッチングを行い、前述のエッチング領域をエッチングして結晶格子の斜面（１５０）と底面（１３０）を具備する複数の凹部（１１０）と、上方が平面（１４０）とされ且つ該鈍化層（２００）を具備する凸部（１２０）を形成する。そのうち、該凹部（１１０）の形状は、四角形、円形、三角形、星形及び多角形のいずれかとする。これら凹部（１１０）と凸部（１２０）の構成辺は０．０１μｍから１００μｍとし、これら凹部（１１０）の深さは０．０１μｍから１００μｍとする。
【００１４】
近年、サファイヤ基板をウェットエッチングする技術はすでに広く発展、研究され、ゆえにサファイヤ基板のエッチングはもはや困難な作業ではない。本発明はサファイヤ基板等の基板をエッチングして結晶格子斜面パターンを具備する凹部（１１０）を形成する。例えば、ウェットエッチング溶液として、硫酸：りん酸＝５：２を使用し、摂氏約２７０度まで加熱し、サファイヤ基板をエッチングする。該鈍化層（２００）の方向がサファイヤ基板の水平辺に平行である時、対称な複合接合面を形成でき、この複合接合面上の斜面（１５０）と底面（１３０）の角度は約４３度である。該鈍化層（２００）の方向がサファイヤ基板の水平辺に垂直である時、エッチング格子斜面を形成でき、この格子の斜面（１５０）と底面（１３０）の角度は約３２度であり、結晶格子斜面の複合面、複合面の斜面（１５０）と底面（１３０）の角度は約６０度である。
【００１５】
図５と図６に示されるように、その後、さらに前述の凹部（１１０）の底面（１３０）よりエピタキシャル成長を開始してエピタキシャル層（３００）を形成する（図５）。そのうち、該エピタキシャル層（３００）の材料は、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニイウムガリウム、窒化インジウムアルミニウムガリウム、とりん窒化ガリウム（ＧａＮＰ）のいずれかとする。該エピタキシャル層（３００）は凹部（１１０）の底面のみに選択的成長可能で、エッチングにより形成された斜面（１５０）上に成長せず、更に凸部（１２０）上方の鈍化層（２００）上方に成長せず、ゆえに該エピタキシャル層（３００）はまず安定して成長しこれら凹部（１１０）を充満し（図６）、その後、更にこれら凸部（１２０）を被覆し且つ自己接合上方向エピタキシャル成長により該エピタキシャル層（３００）構造を完成する（図７）。
【００１６】
本発明はまた該基板（１００）に対するエッチング時間を該鈍化層（２００）が除去されるまで延長できる。図８に示されるように、本発明は更にエッチング時間を延長可能で、前述のエッチング領域に、結晶格子の斜面（１５０）と底面（１３０）を具えた複数の凹部（１１０）を形成し、これら凸部（１２０）の断面を尖形とし、複数の尖形凸部（１２１）となし、該鈍化層（２００）を除去する。その後、さらに前述の凹部（１１０）の底面（１３０）よりエピタキシャル成長を開始してエピタキシャル層（３００）を形成する（図９）。該エピタキシャル層（３００）は凹部（１１０）の底面（１３０）にのみ選択性成長されて、エッチングにより形成された斜面（１５０）上に成長せず、更に凸部（１２０）上方の鈍化層（２００）上方に成長せず、ゆえに該エピタキシャル層（３００）はまず安定して成長しこれら凹部（１１０）を充満し（図１０）、その後、更にこれら尖形凸部（１２１）を被覆し且つ自己接合上方向エピタキシャル成長により該エピタキシャル層（３００）構造を完成する（図１１）。
【００１７】
本発明の方法によると、エピタキシャル成長時にエピタキシャル成長パラメータ誤差により孔が発生するのを防止でき、欠陥密度を減らせ、エピタキシャル層の品質を向上し、それにより内部量子効率をアップでき、発光素子の発光効率と使用寿命を改善できる。且つ本発明の方法は簡単で、生産コストを減らせ、産業上の大量生産に適合する。
【００１８】
以上の実施例は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなし得る細部の修飾或いは変更はいずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】周知の方法により基板表面に凹部と凸部を形成した構造表示図である。
【図２】周知の方法により基板表面にエピタキシャル成長させる工程表示図である。
【図３】周知の方法により基板表面にエピタキシャル成長させた後の構造表示図である。
【図４】本発明により基板表面に凹部と凸部を形成した構造表示図である。
【図５】図４の基板表面のエピタキシャル成長の過程の表示図である。
【図６】図４の基板表面のエピタキシャル成長の過程の表示図である。
【図７】図４の基板表面のエピタキシャル成長後の構造表示図である。
【図８】本発明により基板表面に尖形凸部を形成した構造表示図である。
【図９】図８の基板表面のエピタキシャル成長の過程の表示図である。
【図１０】図８の基板表面のエピタキシャル成長の過程の表示図である。
【図１１】図８の基板表面のエピタキシャル成長後の構造表示図である。
【符号の説明】
【００２０】
１００  基板        １１０  凹部        １２０  凸部
２００  鈍化層      １３０  底面        １５０  斜面
３００  エピタキシャル層                １２１  尖形凸部
【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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