(57)【要約】【構成】本発明は、基板と、基板上に位置した第１導電層、活性層および第２導電層を含む窒化物半導体層と、第１導電層上に形成された第１電極と、第２導電層上に形成された第２電極とを含んでなり、前記基板は、前記第１導電層と接する表面に、所定の間隔で形成される少なくとも一つの突出部と、前記突出部の上面から所定の深さで陥没した陥没部とからなるパターンが形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子を提供する。また、窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。【効果】前記突出部と陥没部からなるパターンが形成された基板を使用すると、より高い光抽出効率を獲得することができる。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、基板上に位置した第１導電層、活性層および第２導電層を含む窒化物半導体層と、第１導電層上に形成された第１電極と、第２導電層上に形成された第２電極とを含んでなる窒化物半導体発光素子において、
前記基板は、前記第１導電層と接する表面に、所定の間隔で形成される少なくとも一つの突出部と、前記突出部の上面から所定の深さで陥没した陥没部とからなるパターンが形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板はサファイア基板であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記突出部と前記陥没部は曲率を有する形状であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記突出部はその曲率が前記陥没部より小さい或いは大きいことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記陥没部は前記突出部の高さより小さい或いは大きい深さを有することを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１導電層と前記第２導電層は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮおよびＩｎＮを含む２元系窒化物、３元系窒化物および４元系窒化物の中から選ばれたいずれか一つからなることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
基板と、基板上に位置した第１導電層、活性層および第２導電層を含む窒化物半導体層と、第１導電層上に形成された第１電極と、第２導電層上に形成された第２電極とを含んでなる窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記基板の表面にマスクを用いてパターニングを施す段階と、
パターンが形成された前記基板を一定の温度でベーキングすることにより、前記パターンに突出部と陥没部を形成する段階と、
前記突出部と前記陥没部が形成されたパターンをエッチングしてマスクを除去する段階と、
前記突出部および前記陥没部が形成された基板に第１導電層、活性層および第２導電層を形成する段階と、
前記第１電極層および前記第２電極層を形成する段階とを含んでなることを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記マスクはフォトレジスト（ＰＲ）、ＳｉＯ2、ＳｉxＮxおよび金属薄膜の中から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記マスク除去段階はドライエッチングまたはウェットエッチングによって行うことを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
基板、および前記基板上に成長した窒化物半導体層を含んでなる窒化物半導体発光素子において、
前記基板は、前記第１導電層と接する表面に、所定の間隔で形成される少なくとも一つの突出部と、前記突出部の上面から所定の深さで陥没した陥没部とからなるパターンが形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に係り、さらに詳しくは、窒化物半導体層を成長させるための構造を有するサファイア基板にパターンを変形形成して窒化物半導体層を成長させることにより、結晶の欠陥を減少させ且つ光出力を向上させた窒化物半導体発光素子、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、基礎基板はその上に成長させようとする薄膜の種類によって決定されるが、基礎基板とその上に成長させようとする薄膜との格子定数差によって成長結晶欠陥が発生するおそれがあり、これはエピタキシャル層の効果的な成長に阻害要因となる。
【０００３】
それにより、サファイア基板上にはＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＰ／ＡｌＰまたはヘテロ接合構造、ＩｎＰ基板上にはＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ基板上にはＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｌＰを主にＭＯＣＶＤまたはＭＢＥ法を用いて成長させる。
窒化物半導体としてＧａＮを使用する場合は、サファイアの格子定数とＧａＮの格子定数とが類似なので、主にサファイア基板を使用する。
【０００４】
サファイア基板上に窒化物を成長させた後、一定の電源を供給すると、発光をするが、パターンを有するサファイア基板上に同一の窒化物構造を成長させたとき、光出力は通常の平らな基板上に成長させたものに比べて優れると報告されている。
【０００５】
パターンの構造によって窒化物成長後の光出力が異なるが、既存のパターンよりさらに高い光出力を得るために現在も努力が続けられている。
【０００６】
図１には従来のサファイア基板を使用したIII族窒化物系化合物半導体の一般な構造を示す。
【０００７】
サファイア基板１１の上にｎ−ＧａＮ層１２が形成され、前記ｎ−ＧａＮ層１２の上面の一部に活性層１３、ｐ−ＧａＮ層１４およびｐ型電極層１５が順次形成され、前記ｎ−ＧａＮ層１２の上面の他の部位、すなわち前記活性層１３が形成されていない部位にｎ型電極層１６が形成される。一般なＬＥＤでは内部の活性層から発生した光をどれほど効率よく外部に抽出することができるかが重要な問題である。
【０００８】
サファイア基板および活性層の縦方向に発生した光を効率よく抽出するために、透明電極または反射層を形成するなどの努力を行ってきた。
【０００９】
ところが、活性層から発生する光の相当量は横方向に伝播する。よって、これを縦方向に抽出するために、例えば半導体素子の積層構造の側壁を所定の角度で傾斜させ、前記側壁を反射面によって形成するなどの努力を行ってきたが、その加工および費用の観点からみて問題点がある。
【００１０】
また、サファイア基板を使用したIII族窒化物系化合物半導体発光素子の光出力を向上させるために、フリップチップ(flip chip)型の素子構造を採用する。この場合、光抽出効率はＧａＮとサファイア基板間の屈折率の差によって約４０％程度に止まっている。
図２に示すように、サファイア基板２１の表面を加工して凸凹構造を形成し、その上部に活性層２２などを含む半導体結晶層を形成したＬＥＤ構造が紹介された。これは活性層２２の下方に凸凹形の屈折率界面を形成することにより、素子の内部で消滅する横方向の光の一部を外部に抽出することができるようにしたものである。
【００１１】
また、サファイア基板２１上にIII族窒化物系化合物半導体を形成した場合、サファイア基板２１とIII族窒化物系化合物半導体との格子定数の不一致によって転位が発生するという問題点がある。これを防止するために、図３に示すように、サファイア基板２１の表面に凸凹構造を導入し、その上にＧａＮ層２３を形成した。このような凸凹構造を有するサファイア基板上にＬＥＤを形成する工程を図４に概略的に示した。
すなわち、図４のａに示すような凸凹構造を有するサファイア基板２１上にＧａＮ層２３を形成する場合、図４のｂに示すように各凸凹の上面にＧａＮファセット(facet)２４が成長し、このような成長の後に図４のｃに示すような平坦化されたＧａＮ層２３を得ることができる。このように平坦化されたＧａＮ層２３上に活性層２２などを形成することにより、図４のｄに示すように発光ダイオードを完成する。
このようにパターニングされたサファイア基板（Patterned Sapphire Substrate、ＰＳＳ）を用いて半導体結晶層を成長させる場合、パターン上で実質的にファセットが成長した後に平坦化が行われるので、その平坦化のために相当な厚さに再成長をしなければばならないという問題点がある。
【００１２】
また、サファイア基板に段差を形成し、前記段差の上面および側部に３族窒化物系化合物半導体を成長させ、貫通転位を防止する構造が紹介された（ＷＯ２００１／６９６６３）。ところが、このような構造は、段差の下端に空間(void)が設けられ、成長層を平坦化させるためには３族窒化物系化合物半導体を相対的に厚く形成しなければならないという欠点がある。
【００１３】
その他に、サファイア基板上における半導体結晶層の再成長の際に、欠陥密度を減少させるための方法としてＥＬＯＧおよびＰＥＮＤＥＯ法などが使われている。ところが、ＥＬＯＧの場合は別途のマスク層が必要であり、ＰＥＮＤＥＯ法の場合は基板との界面部位に空洞(void)が設けられて光抽出効率の側面で損失として作用するという問題点がある。
【００１４】
よって、最近では、図５に示すように発光素子の基板３１の表面に半球状の突出部３２が設けられ、半球状の突出部３２の全体表面が曲面をなしており、上端部および側部の区別がなくて、平坦面が存在しない曲面型であることが紹介された。
ところが、前記半球状の突出部３２の表面ではIII族窒化物系化合物半導体の成長がよく起こらないという問題があり、発光素子において、平坦化されたＧａＮ層３３をファセット(facet)成長なしに得ることにより、平坦化膜を得るためのＧａＮ層３３の厚さが相対的に薄くなる。
【００１５】
したがって、半球棒形、半球形、梯子形、三角形、ピラミッド形などの形状を有する既存の基板パターンの形状は光抽出効率に限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】ＷＯ２００１／６９６６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
よって、本発明は、上述した従来の技術の問題点をを解決するためになされたもので、その目的は、基板のパターン構造を改善してより高い光抽出効率を達成する、窒化物半導体発光素子およびそ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】
【００１８】
本発明のある観点によれば、基板と、基板上に位置した第１導電層、活性層および第２導電層を含む窒化物半導体層と、第１導電層上に形成された第１電極と、第２導電層上に形成された第２電極とを含んでなる窒化物半導体発光素子において、前記基板は、前記第１導電層と接する表面に、所定の間隔で形成された少なくとも一つの突出部と、前記突出部の上面から所定の深さで陥没した陥没部とからなるパターンが形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子を提供する。
【００１９】
本発明に係る好適な第１特徴によれば、前記基板はサファイア基板である。
【００２０】
本発明に係る好適な第２特徴によれば、前記突出部と陥没部は曲率を有する形状である。
【００２１】
本発明に係る好適な第３特徴によれば、前記突出部はその曲率が前記陥没部より小さい或いは大きい。
【００２２】
本発明に係る好適な第４特徴によれば、前記陥没部は前記突出部の高さより小さい或いは大きい深さを有する。
【００２３】
本発明に係る好適な第５特徴によれば、第１導電層と第２導電層は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮおよびＩｎＮを含む２元系窒化物、３元系窒化物および４元系窒化物の中から選ばれたいずれか一つからなる。
【００２４】
本発明の他の観点によれば、基板と、基板上に位置した第１導電層、活性層および第２導電層を含む窒化物半導体層と、第１導電層上に形成された第１電極と、第２導電層上に形成された第２電極とを含んでなる窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記基板の表面にマスクを用いてパターニングを施す段階と、パターンが形成された前記基板を一定の温度でベーキングすることにより、パターンに突出部と陥没部を形成する段階と、前記突出部と前記陥没部が形成されたパターンをエッチングしてマスクを除去する段階と、前記突出部と前記陥没部が形成された基板に第１導電層、活性層および第２導電層を形成する段階と、前記第１電極層および第２電極層を形成する段階とを含んでなる、窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。
【００２５】
本発明に係る好適な第１特徴によれば、前記マスクは、フォトレジスト（ＰＲ）、ＳｉＯ2、ＳｉxＮxおよび金属薄膜の中から選ばれるいずれか一つである。
本発明に係る好適な第２特徴によれば、前記マスク除去段階はドライエッチングまたはウェットエッチングによって行う。
【００２６】
本発明の別の観点によれば、基板、および前記基板上に成長した窒化物半導体層を含んでなる窒化物半導体発光素子において、前記基板は、前記第１導電層と接する表面に、所定の間隔で形成された少なくとも一つの突出部と、前記突出部の上面から所定の深さで陥没した陥没部とからなるパターンが形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子を提供する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、サファイア基板上に、突出部と陥没部からなるパターンを形成することにより、半球形や凸凹形、三角形などの既存のパターン構造より高い光抽出効率を得ることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
図１はサファイア基板を使用したIII族窒化物系化合物半導体発光素子の一般な構造を示す断面図である。
図２は従来の技術に係るサファイア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を示す断面図である。
図３および図４は従来の技術によって凸凹構造を有する基板上に発光素子を形成する過程を概略的に示す断面図である。
図５は従来の別の技術によって半球形のパターンを有する基板上に発光素子を形成する過程を概略的に示す断面図である。
図６は本発明に係る窒化物半導体発光素子の基板上に形成されたパターンを示す断面図である。
図７は本発明に係る基板上に形成されたパターンの様々な実施例を示す断面図である。
図８は本発明に係る基板に形成されたパターンを撮影した斜視図および平面図である。
図９は本発明に係る窒化物半導体発光素子を示す断面図である。
図１０は本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造過程を示す断面図である。
図１１は本発明と従来の技術に係る窒化物半導体発光素子の光出力を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明に係る窒化物半導体発光素子およびその製造方法の好適な実施例を詳細に説明する。
【００３０】
図６は本発明に係る窒化物半導体発光素子の基板上に形成されたパターンを示す断面図、図７は本発明に係る基板上に形成されたパターンの様々な実施例を示す断面図、図８は本発明に係る基板に形成されたパターンを撮影した斜視図および平面図、図９は本発明に係る窒化物半導体発光素子を示す断面図、図１０は本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造過程を示す断面図である。
【００３１】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板１００上に第１導電層、活性層および第２導電層を含む窒化物半導体層が位置し、第１導電層上には第１電極が形成され、第２導電層上には第２電極が形成されてなる窒化物半導体発光素子において、前記第１導電層が成長する基板の表面に、突出部、おょび前記突出部の上面から所定の深さで陥没した陥没部からなるパターンが形成されるていることを特徴とする。
【００３２】
基板１００は、一般に窒化物半導体発光素子に適したサファイア基板が使用されることが好ましく、この他にも、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）が使用されてもよい。本発明では、サファイア基板を実施例として説明する。
【００３３】
前記サファイア基板１００上には、光出力を高めるためにパターン２００を形成するが、本発明では、突出部２１０と陥没部２２０を有するパターン２００が形成されることを主要な技術的要旨とする。
【００３４】
前記パターンを形成するためにはエッチングマスクを使用するが、マスク物質としてはフォトレジスト（ＰＲ）、ＳｉＯ2、ＳｉxＮx、金属薄膜などが使用できる。これらの中でも、最も容易なフォトレジストを用いて基板にパターニングを施す。一定のパターンを形成するために露光装置を介して感光過程を行う。ここで、マスクのフォトレジストの厚さは前記基板のエッチング深さに対する目標値によって異なる。
【００３５】
一定のパターンで形成されたマスクが塗布されていない基板１００の領域をエッチングする。このような工程はフォトリソグラフィ方法と同様であり、その詳細な説明は省略する。
【００３６】
その後、ベーキングを介して一定の温度に前記基板を加熱すると、フォトレジストと基板の突出部が崩れながら陥没型のパターン２００が形成される。この際、温度と時間によってパターンの構造が異なるようにすることができる。
【００３７】
本発明に係る好適な実施例として、ベーキングは摂氏１００〜１４０℃で１分〜５分間行う。
【００３８】
図７に示すように、突出部２１０の曲率が陥没部２２０の曲率より大きく或いは小さくてもよく、前記陥没部２２０の深さが突出部の高さより深くてもよい。また、このように形成される基板上の前記パターン２００の配列は規則的または不規則的にしてもよい。
パターン２００が形成された前記基板１００は、ドライエッチングまたはウェットエッチングによって基板とフォトレジストが共にエッチングされることにより、最終的に突出部２１０と陥没部２２０を有するパターン２２０を形成することができる。この際、エッチングの時間、化学反応液またはガスの使用条件を異にして、前記突出部２１０と陥没部２２０を有するパターンの形状を異にすることができる。この際、基板をドライエッチングする場合、エッチングガスの好適な例としてはＣｌ2やＢＣｌ3などのＣｌ系ガスから選択することができる。
【００３９】
上述したように、前記突出部２１０と陥没部２２０が形成されたパターン２００は、前記基板１００に少なくとも一つ形成する。
【００４０】
このような陥没部２２０を介して表面積が広くなった前記パターン２００は、既存の半球形のパターンが形成された基板とは異なる効果がある。半球形の構造は、窒化物を成長させることが可能な面積が制限されている。
【００４１】
ところが、本発明のパターンは、陥没部２２０と突出部２１０を有し、全体が曲面をなしており、各部位における曲率が０より大きいので、さらに広い面積を確保することができる。よって、突出部２１０と陥没部２２０に成長しうるIII族窒化物系化合物半導体の面積が増大することにより、効率を向上させる。
【００４２】
このように準備された前記基板に第１導電層（ｎ−ＧａＮ層）３００、活性層４００および第２導電層５００を成長させた後、第２導電層上に第１電極（ｐ型電極層）６００を形成し、前記活性層および第２導電層が成長しない第１導電層上に第２電極（ｎ型電極層）７００を形成することにより、窒化物発光素子を製造する。
図９は本発明に係る突出部２１０と陥没部２２０を有するパターン２００が形成された基板１００を含むフリップチップ型発光素子を示す断面図である。図示の如く、多数の曲面型突出部２１０と陥没部２２０を有する基板１００上にｎ−ＧａＮ層３００が形成され、前記ｎ−ＧａＮ層の表面に活性層４００が形成され、ｐ−ＧａＮ層５００およびｐ型電極層６００が順次形成される。
【００４３】
そして、活性層４００が形成されていないｎ−ＧａＮ層３００の一部領域にｎ型電極層７００が形成される。前記基板１００を除いた構造は、III族窒化物系化合物半導体発光素子とはあまり異ならない。
【００４４】
この際、前記基板１００上に形成するIII族窒化物系化合物半導体は、ＧａＮに限定されず、ＡｌＮまたはＩｎＮなどの２元系窒化物、３元系窒化物および４元系窒化物を含む。
【００４５】
また、本発明に係る前記パターン２００が形成された基板１００は、窒化物系半導体発光素子だけでなく、多様な化合物半導体発光素子にも十分に適用することができる。
次に、本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法の好適な一実施例について詳細に説明する。
【００４６】
サファイア基板１００の表面に、多数の曲面型突出部２１０と陥没部２２０からなるパターン２００を形成するために、平面型サファイア基板１００上にフォトレジスト（ＰＲ）を塗布した後、露光工程(expose)、現像工程(develop)を経て一定のパターンを形成する。
【００４７】
次に、パターンが形成されない前記基板１００の領域をエッチング工程によってエッチングし、基板に一定のパターンを形成した後、ベーキング処理を施す。前記ベーキング過程は所定の形状に応じて様々な条件が必要である。通常、前記ベーキング過程は摂氏１００〜１４０℃で１分〜５分間行う。
【００４８】
前記基板１００をエッチングするが、この際にドライエッチング方法を使用した。エッチングガス、作動圧力および作動パワーなどを適切に調節しなければならず、本発明に係る一実施例として、エッチングガスはＢＣ１3を使用し、作動圧力は１ｍＴｏｒｒとし、作動パワーは１１００Ｗ／５００Ｗとした。
【００４９】
前記エッチング過程によってパターンに形成されたマスクを除去して、突出部と陥没部を有するパターン２００を基板１００に最終形成した後、発光素子の製作に必要なｎ−ＧａＮ層３００、活性層４００、ｐ−ＧａＮ層５００、ｐ型電極層６００およびｎ型電極層７００などを形成する。前記ｎ型電極層はｐ型電極層、第２導電層および活性層をエッチングして第１導電層を露出させた後に形成する。
図１１は本発明と従来の技術によって製造された窒化物半導体発光素子の光出力を比較するためのグラフである。
【００５０】
Ａタイプは平面型基板、Ｂタイプは半球形のパターンを有する基板、Ｃは本発明に係る基板をそれぞれ示す。平面構造の基板上に発光素子を形成したＡタイプに比べて、半球形のパターンを有する基板上に発光素子を形成したＢタイプは光出力が約７０％向上し、突出部と陥没部からなるパターンを有する基板上に発光素子を形成したＣタイプはＡタイプに比べて光出力が約９０％以上向上し、Ｂタイプに比べて光出力が約１０％以上向上した。
【００５１】
一方、ＶＦ値は、Ａタイプの場合に比べて、半球形のパターンを有する基板上に発光素子を形成したＢタイプが約２３％増加した。本発明に係るＣタイプは、 Ａタイプに比べてＶＦ値が約１８％増加し、Ｂタイプに比べてＶＦ値が約１０％以上減少した。
【００５２】
これは、突出部２１０および陥没部２２０を有する基板を使用する場合、従来の技術である凸凹形または半球形のパターンを有する基板に比べて光効率とＶＦ値などに優れた性能を示すことを意味する。
【００５３】
このように構成される本発明は、基板に形成されるパターンの突出部に、所定の深さで陥没した陥没部を構成することにより、パターンに成長する窒化物の面積を増大させてより高い光抽出効果を得ることができる。
【００５４】
以上、本発明の好適な実施例について説明の目的で開示したが、当業者であれば、添付した請求項の範囲に開示された本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な変形、追加または置換を加え得ることを理解しうる。
【符号の説明】
【００５５】
100 : 基板
200 : 突出部
210 : 陥没部
300 : 第 1導電層
400 : 活性層
500 : 第２導電層
600 : 第１電極
700 : 第２電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012502496.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012502496.tif 000007
【図６】
2012502496.tif 000008
【図７】
2012502496.tif 000009
【図８】
2012502496.tif 000010
【図９】
2012502496.tif 000011
【図１０】
2012502496.tif 000012
【図１１】
2012502496.tif 000013
【国際調査報告】
2012502496.tif 000014
2012502496.tif 000015