(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、加工が困難なサファイア基板のエッチング加工を行うことなく、転位密度を減少させ、光取出効率を向上させた、高発光効率の発光素子及びその作製方法を提供することである。【解決手段】  平坦なサファイア基板と、その上に形成されたＧａＮ系の結晶成長が起こらずあるいは起こり難いＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターンと、該サファイア基板から結晶成長が開始され該誘電体のパターンを横方向成長により覆い形成されたＧａＮ系の結晶成長層を含むＧａＮ系発光素子及びその作製方法である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦なサファイア基板と、その上に形成されたＧａＮ系の結晶成長が起こらずあるいは起こり難いＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターンと、該サファイア基板から結晶成長が開始され該誘電体のパターンを横方向成長により覆い形成されたＧａＮ系の結晶成長層を含むＧａＮ系発光素子。
【請求項２】
表面に種結晶層が設けられた平坦なサファイア基板と、その上に形成されたＧａＮ系の結晶成長が起こらずあるいは起こり難いＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターンと、該サファイア基板上の該種結晶層から結晶成長が開始され該誘電体のパターンを横方向成長により覆い形成されたＧａＮ系の結晶成長層を含むＧａＮ系発光素子。
【請求項３】
上記誘電体の膜厚が０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＧａＮ系の結晶成長層を含むＧａＮ系発光素子。
【請求項４】
上記誘電体は、ＳｉＯ２が主要成分であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のＧａＮ系の結晶成長層を含むＧａＮ系発光素子。
【請求項５】
平坦なサファイア基板上にＧａＮ系の結晶成長が起こらずあるいは起こり難いＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターンを形成する工程と、該サファイア基板から結晶成長が開始され該誘電体のパターン上を横方向成長により覆いＧａＮ系の結晶成長層を形成する工程を含むＧａＮ系発光素子の作製方法。
【請求項６】
平坦なサファイア基板上に種結晶層を形成する工程と、該種結晶層上にＧａＮ系の結晶成長が起こらずあるいは起こり難いＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターンを形成する工程と、該サファイア基板上の該種結晶層から結晶成長が開始され該誘電体のパターン上を横方向成長により覆いＧａＮ系の結晶成長層を形成する工程を含むＧａＮ系発光素子の作製方法。
【請求項７】
上記誘電体の膜厚が０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項５又は６に記載のＧａＮ系発光素子の作製方法。
【請求項８】
上記誘電体は、ＳｉＯ２が主要成分であることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載のＧａＮ系発光素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子特にＧａＮ系の発光素子及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ等の従来の発光素子の構造模式図を図３に示す。
サファイア基板などの結晶基板上に、ＧａＮ系半導体材料からなる低温成長バッファ層（図示せず）を介して、ｎ型ＧａＮコンタクト層１が形成されている。コンタクト層にはｎ側電極が形成されている。
ｎ型ＧａＮコンタクト層１上には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（図示せず。場合によっては省略される）、ＩｎＧａＮ発光層２、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３が形成され、その上にｐ型ＧａＮコンタクト層４が形成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層４上にはｐ側電極としてのＩＴＯ（酸化インジウム錫）透明電極及び金属電極が形成されている。ＩｎＧａＮ発光層２は通常ＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ（ＧａＮ）障壁層から構成される多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）が採用される。
【０００３】
ＬＥＤ等の発光素子について発光効率を向上させるためには、光取出効率の向上と転位の低減が課題となる。
光取出効率を向上させる手法の一つとして、図４に示すような、凹凸パターンのエッチング加工を施したサファイア等の加工基板上への結晶成長及びデバイス作製が行われている（非特許文献１参照）。この手法は結晶品質の向上及び光取出効率を向上させる効果があり、今後とも有望な技術と考えられている。
ところが凹凸パターンを有する加工基板の作製は、加工が困難なサファイア基板のエッチング加工を伴うため、ＧａＮ等の結晶成長は一回のプロセスで済むものの、作製工程が煩雑になる欠点がある。
【０００４】
ＧａＮ等の結晶の転位の低減手法としてＥＬＯ（Epitaxial Lateral
Overgrowth）技術をベースにしたＦＡＣＥＬＯ（Facet-Controlled Epitaxial Lateral Overgrowth）技術（非特許文献２参照）などが知られているが、光取出効率を向上させる効果は小さい。一方、凹凸パターンのエッチング加工が施されたサファイア等の加工基板を利用する場合には、光取出効率の向上効果は大きいものの、サファイア基板のエッチングされた凹部とエッチングされなかった凸部の双方からの結晶成長が生じるために、転位密度の低減が十分でない等の問題点があった。
【０００５】
また特許文献１では、凹凸パターンを有する加工基板の凸部の表面及び側面をシリコン酸化膜で被覆することにより、凸部からの成長を抑止してサファイア基板の凹部から成長を開始して、凸部上に横方向成長をさせるＧａＮ層の選択成長方法が提案されている。
ところがこの方法では、凹凸パターンのエッチング工程に加えて凸部をシリコン酸化膜で被覆するための工程をさらに必要とするという問題点を有する。
【特許文献１】特開２００４−５５７９９号公報
【非特許文献１】Jpn.J.Appl.Phys.40(2001) L583
【非特許文献２】J.Cryst.Growth 221(2001) 316
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって本発明の課題は、上記の欠点を除去し、加工が困難なサファイア基板のエッチング加工を行うことなく、転位密度を減少させ、光取出効率を向上させた、高発光効率の発光素子及びその作製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、次のような発光素子及びその作製方法を提供するものである。
（１）平坦なサファイア基板と、その上に形成されたＧａＮ系の結晶成長が起こらずあるいは起こり難いＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターンと、該サファイア基板から結晶成長が開始され該誘電体のパターンを横方向成長により覆い形成されたＧａＮ系の結晶成長層を含むＧａＮ系発光素子。
（２）表面に種結晶層が設けられた平坦なサファイア基板と、その上に形成されたＧａＮ系の結晶成長が起こらずあるいは起こり難いＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターンと、該サファイア基板上の該種結晶層から結晶成長が開始され該誘電体のパターンを横方向成長により覆い形成されたＧａＮ系の結晶成長層を含むＧａＮ系発光素子。
（３）上記誘電体の膜厚が０．１μｍ以上であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のＧａＮ系の結晶成長層を含むＧａＮ系発光素子。
（４）上記誘電体は、ＳｉＯ２が主要成分であることを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれかに記載のＧａＮ系の結晶成長層を含むＧａＮ系発光素子。
（５）平坦なサファイア基板上にＧａＮ系の結晶成長が起こらずあるいは起こり難いＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターンを形成する工程と、該サファイア基板から結晶成長が開始され該誘電体のパターン上を横方向成長により覆いＧａＮ系の結晶成長層を形成する工程を含むＧａＮ系発光素子の作製方法。
（６）平坦なサファイア基板上に種結晶層を形成する工程と、該種結晶層上にＧａＮ系の結晶成長が起こらずあるいは起こり難いＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターンを形成する工程と、該サファイア基板上の該種結晶層から結晶成長が開始され該誘電体のパターン上を横方向成長により覆いＧａＮ系の結晶成長層を形成する工程を含むＧａＮ系発光素子の作製方法。
（７）上記誘電体の膜厚が０．１μｍ以上であることを特徴とする上記（５）又は（６）に記載のＧａＮ系発光素子の作製方法。
（８）上記誘電体は、ＳｉＯ２が主要成分であることを特徴とする上記（５）ないし（７）のいずれかに記載のＧａＮ系発光素子の作製方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、平坦なサファイア基板上に、ＧａＮ系の結晶成長が起こらずあるいは起こり難いＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターンを形成しているため、加工が困難なサファイア基板のエッチング加工を行うことなく、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【０００９】
さらに本発明によれば、ＧａＮより屈折率が小さい誘電体のパターン上にはＧａＮ系の結晶成長が起こらないため、ＦＡＣＥＬＯ（Facet-Controlled Epitaxial Lateral Overgrowth）の成長モードを実現することができ、転位密度が減少したＧａＮ系の発光素子を得ることができる。さらに、誘電体の膜厚が通常のＥＬＯ技術で使うより厚いために加工基板と同等の光散乱効果が得られ、光取出効率の向上を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に、本発明に係るＧａＮを主要成分とするＧａＮ系発光素子の構造模式図を示す。
平坦なサファイア基板上に誘電体のパターンが形成されており、該サファイア基板及び該誘電体のパターンを覆ってＧａＮ系の結晶成長層が形成されている。ＧａＮ系の結晶成長層の上には周知のＧａＮ系発光素子構造が形成されている。ここで誘電体としては、ＧａＮ系の結晶成長が起こらずＧａＮより屈折率が小さいＳｉＯ２等が選定される。
【００１１】
次に本発明に係る発光素子の作製方法の一例を説明する。
（実施例１）
ｃ面サファイア基板上に、ＳｉＯ２膜を図２（ａ）に示すような幅３μｍ、間隔３μｍ、厚み１．２μｍで、基板のａ軸に平行にストライプ状のパターンを形成する。
ＳｉＯ2膜はプラズマアシストＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で製膜し、パターニング加工は通常のフォトリソグラフィ技術とフッ素系ガスを使ったＲＩＥ（Reactive
Ion Etching）で行った。製膜技術はスパッタ技術、真空蒸着技術など何れの方法を使っても構わない。
【００１２】
ＳｉＯ２膜がストライプ状のパターンに形成されたサファイア基板上に、ＦＡＣＥＬＯ技術を応用して｛１１−２２｝ファセット面で囲まれた断面が三角形状のＧａＮを成長した後、横方向成長が促進される条件で埋め込み成長を行い、サファイア基板及びＳｉＯ２膜を覆う表面の平坦なＧａＮ成長層を得た。
上記ＧａＮ成長層について、表面ＣＬ像により暗点密度を測定したところ、通常のＧａＮ成長では２×１０８［ｃｍ−２］程度のところ、５．２×１０７［ｃｍ−２］までに減少していた。
【００１３】
次に該ＳｉＯ２膜がストライプ状のパターンに形成されたサファイア基板上に連続してＧａＮ系発光ダイオード構造を成長し、通常の方法により発光ダイオードに加工し、さらにリードフレーム型のランプに作製した。
規定の電流を注入してＥＬ強度を測定したところ、ＳｉＯ２膜の厚みが１．２μｍの場合通常の平坦なサファイア基板上に形成されたものに比較して約１．５倍であり、凹凸パターンを有するサファイア基板上に形成されたものに比較して約１．２倍であった。
これは本発明に係るＧａＮ成長層の転位低減に加えて、ＧａＮ／ＳｉＯ２界面での乱反射による光取出効率の向上が寄与していることによるものである。
【００１４】
（実施例２）
ｃ面サファイア基板上に形成したストライプ状のＳｉＯ２膜の厚みを０．１μｍとした点以外は実施例１と同じとした。
実施例１と同様、ＦＡＣＥＬＯ技術を応用して｛１１−２２｝ファセット面で囲まれた断面が三角形状のＧａＮを成長した後、横方向成長が促進される条件で埋め込み成長を行い、サファイア基板及びＳｉＯ２膜を覆う表面の平坦なＧａＮ成長層を得た。この時点でのＣＬ観察における暗点密度は約６×１０７［ｃｍ−２］であった。
【００１５】
次に該ＳｉＯ２膜がストライプ状のパターンに形成されたサファイア基板上に連続してＧａＮ系発光ダイオード構造を成長し、通常の方法により発光ダイオードに加工し、さらにリードフレーム型のランプに作製した。規定の電流を注入してＥＬ強度を測定したところ、ＳｉＯ２膜の厚みが０．１μｍの場合通常の平坦なサファイア基板上に形成されたものに比較して約１．１倍であった。
【００１６】
（実施例３）
ｃ面サファイア基板上に形成したストライプ状のＳｉＯ２膜の厚みを０．３μｍとした点以外は実施例１と同じとした。
実施例１と同様、ＦＡＣＥＬＯ技術を応用して｛１１−２２｝ファセット面で囲まれた断面が三角形状のＧａＮを成長した後、横方向成長が促進される条件で埋め込み成長を行い、サファイア基板及びＳｉＯ２膜を覆う表面の平坦なＧａＮ成長層を得た。この時点でのＣＬ観察における暗点密度は約５×１０７［ｃｍ−２］であった。
【００１７】
次に該ＳｉＯ２膜がストライプ状のパターンに形成されたサファイア基板上に連続してＧａＮ系発光ダイオード構造を成長し、通常の方法により発光ダイオードに加工し、さらにリードフレーム型のランプに作製した。規定の電流を注入してＥＬ強度を測定したところ、ＳｉＯ２膜の厚みが０．３μｍの場合通常の平坦なサファイア基板上に形成されたものに比較して約１．２倍であり、凹凸パターンを有するサファイア基板上に形成されたものとほぼ同等であった。したがって、誘電体層の膜厚が０．３μｍ以上あれば、本発明の効果は期待される。
【００１８】
（実施例４）
ｃ面サファイア基板上に形成したストライプ状のＳｉＯ２膜の厚みを０．５μｍとした点以外は実施例１と同じとした。
実施例１と同様、ＦＡＣＥＬＯ技術を応用して｛１１−２２｝ファセット面で囲まれた断面が三角形状のＧａＮを成長した後、横方向成長が促進される条件で埋め込み成長を行い、サファイア基板及びＳｉＯ２膜を覆う表面の平坦なＧａＮ成長層を得た。この時点でのＣＬ観察における暗点密度は約６×１０７［ｃｍ−２］であった。
【００１９】
次に該ＳｉＯ２膜がストライプ状のパターンに形成されたサファイア基板上に連続してＧａＮ系発光ダイオード構造を成長し、通常の方法により発光ダイオードに加工し、さらにリードフレーム型のランプに作製した。規定の電流を注入してＥＬ強度を測定したところ、ＳｉＯ２膜の厚みが０．５μｍの場合通常の平坦なサファイア基板上に形成されたものに比較して約１．３倍であった。
【００２０】
（実施例５）
ｃ面サファイア基板上に形成したストライプ状のＳｉＯ２膜の厚みを２．０μｍとした点以外は実施例１と同じとした。
実施例１と同様、ＦＡＣＥＬＯ技術を応用して｛１１−２２｝ファセット面で囲まれた断面が三角形状のＧａＮを成長した後、横方向成長が促進される条件で埋め込み成長を行い、サファイア基板及びＳｉＯ２膜を覆う表面の平坦なＧａＮ成長層を得た。この時点でのＣＬ観察における暗点密度は約４×１０７［ｃｍ−２］であった。
【００２１】
次に該ＳｉＯ２膜がストライプ状のパターンに形成されたサファイア基板上に連続してＧａＮ系発光ダイオード構造を成長し、通常の方法により発光ダイオードに加工し、さらにリードフレーム型のランプに作製した。規定の電流を注入してＥＬ強度を測定したところ、ＳｉＯ２膜の厚みが０．５μｍの場合通常の平坦なサファイア基板上に形成されたものに比較して約１．６倍であった。このＳｉＯ２の厚みになるとＧａＮの埋め込み成長に時間がかかるなどの問題が生じることが分かった。
【００２２】
（実施例６）
ｃ面サファイア基板上に形成したストライプ状のＳｉＯ２膜の厚みを３．０μｍとした点以外は実施例１と同じとした。
実施例１と同様、ＦＡＣＥＬＯ技術を応用して｛１１−２２｝ファセット面で囲まれた断面が三角形状のＧａＮを成長した後、横方向成長が促進される条件で埋め込み成長を行い、サファイア基板及びＳｉＯ２膜を覆う表面の平坦なＧａＮ成長層を得た。この時点でのＣＬ観察における暗点密度は約６×１０７［ｃｍ−２］であった。
【００２３】
次に該ＳｉＯ２膜がストライプ状のパターンに形成されたサファイア基板上に連続してＧａＮ系発光ダイオード構造を成長し、通常の方法により発光ダイオードに加工し、さらにリードフレーム型のランプに作製した。規定の電流を注入してＥＬ強度を測定したところ、ＳｉＯ２膜の厚みが０．５μｍの場合通常の平坦なサファイア基板上に形成されたものに比較して約１．５５倍であった。このＳｉＯ２の厚みになるとＧａＮの埋め込み成長に時間がかかることに加え、サファイア基板の研磨工程で基板が割れるなどの問題が生じることが分かった。
【００２４】
なお誘電体のパターンとして図２（ａ）に示すストライプ状のパターンに代えて離散した島状の繰り返しパターン（図２（ｂ））、網目状のパターン（図２（ｃ））であってもよい。またＧａＮ成長層を例示したがＧａＮを主成分とするＧａＩｎＮ等の成長層であってもよい。
【００２５】
以上の作製方法では、サファイア基板上に直接ＳｉＯ２のパターンを形成したが、サファイア基板上に数μｍ程度薄くＧａＮ系の種結晶層を形成した後、ＳｉＯ２のパターンを形成してもよい。
なおＳｉＯ２を例示して説明したが、本発明ではこれに限らず、ＧａＮ系の結晶成長が起こらずＧａＮより屈折率が小さい誘電体であればよい。
【００２６】
製膜技術は、熱ＣＶＤ、プラズマアシストＣＶＤ、スパッタ、真空蒸着など種々の方法が適用できる。また、ストライプなどへのエッチング加工技術もＲＩＥ、ウエットエッチングなどが適用できることは言うまでもない。
また、平坦なサファイア基板の使用が本発明の特徴となっているが、ＳｉＯ２のエッチング加工時にサファイアが僅かにエッチングされる時がある。このエッチングは本発明の構成要件を妨げるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による発光素子を示す構造模式図である。
【図２】本発明に係る誘電体のパターンを示す図である。
【図３】従来の発光素子を示す構造模式図である。
【図４】凹凸パターンのエッチング加工を施したサファイア基板を用いた従来の発光素子を示す構造模式図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  ｎ型ＧａＮコンタクト層（ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を含む層）
２  ＩｎＧａＮ発光層
３  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
４  ｐ型ＧａＮコンタクト層
５  ＩＴＯ（酸化インジウム錫）透明電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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