JP2006332383A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フリップチップタイプの半導体発光素子において、光取出し効率を向上する。
【解決手段】 サファイア基板２上に、ｎ型ＧａＮ層３、発光層４、ｐ型ＧａＮ層５が形成され、発光層４で発生した光をサファイア基板２側から取出すフリップチップ（フェイスダウン）タイプの発光ダイオード１において、前記ｐ型ＧａＮ層５を所望とする厚さまで形成した後に、温度を８５０℃に設定し、ＮＨ_３およびＮ_２をキャリアガスとして、ＴＭＧａおよびＣｐ_２Ｍｇを、Ｖ／III比が２７００になるように流しながら成長させる。これによって、ｐ型ＧａＮ層５のモノレイヤーが形成される以前の核成長の段階でとどまり、核の形状を反映して、自己組織化法で結晶が成長し、厚み方向の断面が台形形状の凹凸層６が得られる。これによって、通常の平坦な層を形成する条件とは異なる比較的簡単なプロセスで、発光層４へのダメージもなく、光取出し効率を向上することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体発光素子およびその製造方法に関する。

近年、III−Ｎ化合物（以下、ナイトライドと呼ぶ）を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体固体発光素子の発展が目覚しい。

III−Ｖ化合物として最もよく用いられているのが前記ナイトライドのＧａＮであるが、このＧａＮを始めとして、ナイトライドの屈折率は１より大きく、大気中への光の取出しに課題がある。ＧａＮの場合を例にとると、屈折率が約２．５であり、ＧａＮと大気との境界の法線に対して、２３．６度（以下、この法線に対して２３．６度より小さい領域で形成された円錐領域をエスケープコーンと呼ぶ）より大きい角度で境界に入射された光は、大気中に放射されず、境界面で全反射され、ＧａＮの中へ閉込められてしまう。

その閉込められた光の一部は発光層に再吸収され、電子―正孔対発生と再結合とによって再発光に寄与するが、その再発光した光も一部のエスケープコーン内で発光された光は大気中へ放射されるものの、大部分のエスケープコーン外で発光された光は再びＧａＮ中に閉込められる。一方、ＧａＮ結晶には数多くの点欠陥が存在し、したがって閉込められた光の多くは、その点欠陥に吸収されて熱に変化してしまう。このため、平坦なＧａＮ層では、この屈折率による全反射のために発光効率を向上することは難しいという問題がある。

そこで、このような課題に対して、これまでＧａＮ表面に何らかの凹凸構造を設けようとする試みがなされてきた。一例として図４の構造を有する非特許文献１の方法を示す。その従来技術によれば、まずＭＯＣＶＤによりサファイア基板５４上にｎ型ＧａＮ層５５、発光層５６、ｐ型ＧａＮ層５７をエピタキシャル成長させた後、ｐ型ＧａＮ層５７上にＰｔ薄膜（５ｎｍ）を蒸着し、その後熱処理を施してＰｔ微粒子をｐ型ＧａＮ層５７上に形成し、これをマスク材としてプラズマエッチングを行い、ｐ型ＧａＮ層５７上に凹凸５８を形成している。

このようにして、凹凸構造を形成することは可能になる。しかしながら、プロセスが比較的複雑であるという問題がある。またこの方法では、プラズマエッチングを用いるので、発光層５６にエッチングダメージが生じるという懸念もある。

そこで、このような問題を解決することができる他の従来技術として、特許文献１が挙げられる。その従来技術によれば、成長後に熱処理を施すことで、具体的には最表面の形成後もヒータを加熱したまま原料ガスの供給を絶ち、キャリアガスのみを供給することで、湿式エッチングのようにダメージを与えることなく、最表面である電流分散層の表面に凹凸を形成し、光取出し効率の向上を図るようにした発光ダイオードが記載されている。
Chul Huh, Kug-Seung Lee, and Seong-Ju Park "Enhanced performances of InGaN−based light−emitting diode by a micro−roughened p−GaN surface using clusters" Proc. of SPEI Vol.4776, pp114, 2002 特開２００５−７９２６６号公報

ところで、高出力用固体光源では、基板側から光を取出す、いわゆるフリップチップ実装タイプ（フェイスダウンタイプ）の方が、光取出しの面からも放熱の面からも望ましく、このフリップチップタイプの発光素子に上記従来技術を適用しても、発光効率の向上は僅か２０％程度しか期待できない。

本発明の目的は、フリップチップ実装タイプの半導体発光素子において、光取出し効率を一層向上することができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、透光性を有する基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層を順次積層して成るフリップチップタイプの半導体発光素子において、前記ｐ型窒化物半導体層上に、自己組織化法によって形成した厚み方向の断面が台形状の凹凸層を有することを特徴とする。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、透光性を有する基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層を順次積層して成るフリップチップタイプの半導体発光素子の製造方法において、所望とする厚さの前記ｐ型窒化物半導体層の形成後に、窒素原子を含む雰囲気中で、ＴＭＧａを含む有機金属ガスを用い、７００℃〜１０００℃の範囲で前記ｐ型窒化物半導体層を成長させることで、表面に厚み方向の断面が台形状の凹凸層を形成することを特徴とする。

本発明の半導体発光素子およびその製造方法によれば、透光性を有する基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層を順次積層して成るフリップチップ（フェイスダウン）タイプの半導体発光素子およびその製造方法において、前記ｐ型窒化物半導体層を所望とする厚さまで形成した後に、窒素原子を含む雰囲気中で、ＴＭＧａを含む有機金属ガスを用い、７００℃〜１０００℃の範囲で前記ｐ型窒化物半導体層を成長させると、前記ｐ型窒化物半導体層の通常の平坦な層を成長させる条件と異なるので、自己組織化法で成長し、表面に厚み方向の断面が台形状の凹凸層が形成されることになる。

フリップチップ実装品を考えると、前記台形状の凹凸層では、エスケープコーン内に発光した光はエスケープコーン内に反射し、エスケープコーン外に発光した光も台形の斜辺で反射角度を変え、エスケープコーン内に反射する確率が高くなる。したがって、比較的簡単なプロセスで、発光層へのダメージもなく、光取出し効率を向上した半導体発光素子を実現することができる。

また、本発明の半導体発光素子では、前記凹凸層は、バンプ電極の非接触領域に形成されることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記凹凸層上には、ｐ型窒化物から成る該凹凸層にオーミックコンタクトするアルミの透明電極などの前記発光層で発光した光を前記基板方向に反射させる電極が形成され、その上に外部と電気的に接続されるバンプ電極が接触することになるが、そのバンプ電極の接触領域には、前記凹凸は形成されず、平坦とされる。

したがって、バンプ電極の接合強度を確保することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、前記凹凸層における凹部と凸部との高低差が、前記発光層における発光波長の２／５倍以上、１μｍ以下、かつ積層面と平行な部分の長さが１μｍ以下に設定されることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記凹凸層における凹部と凸部との高低差が、前記発光層における発光波長の２／５倍以上であると、光に凹凸が認識される割合が高くなり、前記エスケープコーン外に発光した光をエスケープコーン内に反射する確率が高くなる。一方、高低差が１μｍを超えると、該凹凸層による抵抗が増大し、抵抗ロスが増加する。また、積層面と平行な部分の長さが１μｍを超えると、凹凸の密度が少なくなり、凹凸層を形成する効果が小さくなる。

したがって、前記高低差および凹凸の長さを前記の範囲に設定することで、光取出し効率を一層向上することができる。

本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、透光性を有する基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層を順次積層して成るフリップチップ（フェイスダウン）タイプの半導体発光素子およびその製造方法において、前記ｐ型窒化物半導体層を所望とする厚さまで形成した後に、窒素原子を含む雰囲気中で、ＴＭＧａを含む有機金属ガスを用い、７００℃〜１０００℃の範囲で前記ｐ型窒化物半導体層を成長させることで、前記ｐ型窒化物半導体層を自己組織化法でさらに成長させ、表面に厚み方向の断面が台形状の凹凸層を形成させる。

それゆえ、比較的簡単なプロセスで、発光層へのダメージもなく、光取出し効率を向上した半導体発光素子を実現することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード１は、大略的に、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板２上に、ｎ型ＧａＮ層３、発光層４、ｐ型ＧａＮ層５が形成され、発光層４で発生した光をサファイア基板２側から取出すフリップチップ（フェイスダウン）タイプの発光ダイオードである。基板２は、前記サファイアに限定されず、発光波長に対して透光性を持つものであればよいことは言うまでもない。またこの種の発光ダイオードの製造方法については、当業者には公知のＭＯＣＶＤ法を用いて実現することができ、ここでの詳しい説明は省略する。

注目すべきは、本発明では、この後、ｐ型ＧａＮ層５の上に、厚み方向の断面が台形状の凹凸層６，７が形成されることである。この凹凸層６，７は、前記ｐ型ＧａＮ層５を所望とする厚さまで形成した後に、そのままＭＯＣＶＤの中で、ｐ型ＧａＮ層５の形成条件を通常の平坦な層を形成する条件とは異なるように設定することで、前記発光層４の直上に形成したｐ型ＧａＮ層５の表面に形成される。

具体的な作成方法は、以下のとおりである。すなわち、前記ｐ型ＧａＮ層５が所望とする厚さに形成されると、将来ｎ電極８となる領域を塩素イオンを用いたドライエッチングにてエッチングし、ｐ型ＧａＮ層５および発光層４を除去して、ｎ型ＧａＮ層３を露出させる。その後、温度を８５０℃に設定し、アンモニア（ＮＨ_３）および窒素（Ｎ_２）をキャリアガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ；Ｇａ（ＣＨ_３））およびビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を、Ｖ／III比が２７００になるように流しながら成長させる。この条件では、ｐ型ＧａＮ層５のモノレイヤーが形成される以前の核成長の段階でとどまり、その結果この核の形状を反映して、自己組織化法で結晶が成長し、厚み方向の断面が台形状のｐ型ＧａＮ層による凹凸構造が得られる。

ここで、成長温度が７００℃より低いと欠陥が多く、膜質が低下するとともに凹凸は細かい粒状になり、温度が１０００℃より高いと横方向への２次元成長が優勢になり、断面が良好な台形状にならない。また１０００℃以上では発光層４がＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸の場合、高温のためにＩｎＧａＮ層が劣化し、効率が低下する。したがって、本発明の実現のためには、７００℃〜１０００℃が形成に適した成長温度である。また、前記Ｖ／III比が１３００より小さくなると液化し、２７００〜５４００程度が好ましい。

その後、ｐ電極として、アルミの透明電極などから成り、ｐ型窒化物から成る凹凸層６，７にオーミックコンタクトし、前記発光層４で発光した光を前記サファイア基板２方向に高反射率で反射させる導電膜９，１０が蒸着により形成され、さらにチップ外部との電気的接続用に、１μｍ程度の比較的厚いメタル層１１，１２が蒸着により形成される。続いて、通常のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、それぞれｐ電極１３および前記ｎ電極８に形成される。こうして、断面が台形状のｐ型ＧａＮによる凹凸層６、そのｐ型ＧａＮによる凹凸層６を反映して、露出したｎ型ＧａＮ層３上にも、凹凸層７が形成される。

このように構成することで、フリップチップ実装品において、従来は取出せなかったエスケープコーン外でＧａＮ界面に入射した光を、台形の斜辺で反射角度を変え、エスケープコーン内に反射する確率を高められるので、光取出し効率を向上することができる。

図２に、本件発明者の実験結果を示す。フリップチップ実装品において、凹凸層６，７を形成していないのが未形成品であり、前記特許文献１によって三角形の凹凸層を形成したのが三角形凹凸品であり、台形凹凸品が本発明によるものである。図２は、波長３９２ｎｍのＩｎＧａＮレーザをサファイア基板２側から照射して、発光層４のみを励起し、発光強度を測定した結果である。

ここで、前記凹凸層６，７の形成時間は、凹部と凸部との高低差が、前記発光層４における発光波長の２／５倍以上であり、かつ高低差が１μｍ以下、積層面と平行な部分、すなわち台形の上底および下底も１μｍ以下となる、たとえば５分間に設定されている。前記凹凸層６，７における凹部と凸部との高低差が、前記発光層４における発光波長の２／５倍、たとえば発光波長を３５０ｎｍとすると１４０ｎｍ以上であると、光に凹凸が認識される割合が高くなり、前記エスケープコーン外に発光した光をエスケープコーン内に反射する確率が高くなる。一方、高低差が、１μｍを超えると、凹凸層６，７でのオン抵抗が増大し、抵抗ロスが増加する。また、積層面と平行な部分の長さが１μｍを超えると、凹凸の密度が少なくなり、凹凸層６，７を形成する効果が小さくなる。

このように形成することで、未形成品に対する光取出し効率の向上が、前述のように三角形の凹凸品では１．２倍程度であるのに対して、本発明の台形の凹凸品では、２．３倍に向上していることが理解される。

また本発明では、凹凸層６，７の形成に、特殊なマスクやエッチング処理を施したりする必要はなく、ＭＯＣＶＤ内で、引続きエピタキシャル成長を行うだけであるので、工程の増加が殆どない比較的簡単なプロセスで、低コストで作成することができる。さらにまた、元々発光ダイオード用に成長したｐ型ＧａＮ層５の厚みが薄くとも、ドライエッチングを行わないので、ダメージの懸念もなく、凹凸形状の自由度も大きい。

前記凹凸層６，７は、厚み方向の断面が台形状であればよく、円錐台、角錐台のいずれであってもよい。また、ｐ型窒化物半導体層も、ｐ型ＧａＮ層５に限らず、通常の平坦な層を形成する条件とは異なるように設定することで、自己組織化法によって厚み方向の断面が台形状となるものであればよい。

［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の他の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード２１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード２１は、前述の発光ダイオード１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態の発光ダイオード２１では、厚み方向の断面が台形状の凹凸層２６は、バンプ電極２７の非接触領域に形成されることである。

具体的には、前記ｐ型ＧａＮ層５を所望とする厚さまで形成し、将来ｎ電極８となる領域を塩素イオンを用いたドライエッチングにてエッチングし、ｐ型ＧａＮ層５および発光層４を除去して、ｎ型ＧａＮ層３を露出させた後、凹凸層２６を形成する前に、前記バンプ電極２７の接触領域に酸化膜を蒸着し、従来のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術により選択デポジションしておき、その後に前記凹凸層２６を形成する。そして、前に形成した酸化膜をフッ酸でリフトオフすると、酸化膜上の凹凸層は酸化膜と共に除去され、この部分だけが平坦なｐ型ＧａＮ層５の平坦部２２となる。また、エッチングによってｎ型ＧａＮ層３の表面を露出した時に、該ｎ型ＧａＮ層３の表面についても同様に平坦部２３が形成される。

こうして形成した平坦部２２，２３上に、反射電極としての導電膜２９，３０および外部接続用電極としてのメタル層３１，３２を蒸着すると、ｐ電極１３およびｎ電極８の外部接続位置は平坦になり、この平坦部２２，２３に金などで前記バンプ電極２７を形成し、パッケージの基板配線層２４に接続することによって、より密着性が高く、強固な電気的接続を可能にすることができる。

本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本件発明者の実験結果を示すグラフである。 本発明の実施の他の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を示す断面図である。 従来技術による発光ダイオードの構造を示す断面図である。

符号の説明

１，２１ 発光ダイオード
２ サファイア基板
３ ｎ型ＧａＮ層
４ 発光層
５ ｐ型ＧａＮ層
６，７，２６ 凹凸層
８ ｎ電極
９，１０，２９，３０ 導電膜
１１，１２，３１，３２ メタル層
１３ ｐ電極
２７ バンプ電極
２２，２３ 平坦部

Claims (4)

1. 透光性を有する基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層を順次積層して成るフリップチップタイプの半導体発光素子において、
   前記ｐ型窒化物半導体層上に、自己組織化法によって形成した厚み方向の断面が台形状の凹凸層を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記凹凸層は、バンプ電極の非接触領域に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記凹凸層における凹部と凸部との高低差が、前記発光層における発光波長の２／５倍以上、１μｍ以下、かつ積層面と平行な部分の長さが１μｍ以下に設定されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
4. 透光性を有する基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層を順次積層して成るフリップチップタイプの半導体発光素子の製造方法において、
   所望とする厚さの前記ｐ型窒化物半導体層の形成後に、窒素原子を含む雰囲気中で、ＴＭＧａを含む有機金属ガスを用い、７００℃〜１０００℃の範囲で前記ｐ型窒化物半導体層を成長させることで、表面に厚み方向の断面が台形状の凹凸層を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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