JP2011530164A - 半導体素子、発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子、発光素子及びその製造方法に関する。
【解決手段】半導体素子は、基板と、前記基板上に配置される複数個の柱と、前記基板上に前記柱の間に配置される金属層と、前記柱の上及び間に配置される半導体層と、を含む。半導体素子は、金属層によって、電気的及び光学的特性を向上することができる。
【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体素子、発光素子及びその製造方法に関する。

典型的な化合物半導体としての窒化ガリウム（ＧａＮ）は、青色発光素子や高温電子素子などの応用に適合する物質として知られている。近年、このような青色発光素子などの需要が急増することでＧａＮ基板に対する需要も増加している。しかし、高品質のＧａＮ基板は、その製造が非常に厳しくその製造費用や時間がかなりかかっている。

まず、ＧａＮは、シリコーンやサファイアとは違ってインゴット形態の成長が不可能であるため、ＳｉＣやサファイア基板などの二種基板上にエピタキシャル成長法を用いて成長させているが、このような二種基板とＧａＮ結晶の間には、格子定数や熱膨張係数の差の存在による転位密度（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）が非常に高く、このようなＧａＮ基板を用いて製造された素子の特性や素子の加工時に多くの問題を引き起こしている実情である。

よって、上述の欠陥を減らすために、複雑な製造工程や時間が所要されるが、たとえば、高品質ＧａＮ基板の製造に広く用いられるＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）方法の場合、基板とＧａＮ結晶の間に存在する格子定数の差と熱膨張係数の差によるストレスの発生をストライプ形態のＳｉＯ２マスクを使用することで遮断する。すなわち、ＥＬＯ方法は、基板上にＧａＮ薄膜を成長させた後、ＧａＮ薄膜が成長された基板を反応器から取り出した後、蒸着装備に装入してＧａＮ薄膜上にＳｉＯ２薄膜を形成させ、ＳｉＯ２薄膜が蒸着された基板を蒸着装備から取り出した後、フォトエッチング法を用いてＳｉＯ２マスクパターンを形成して、これをさらに反応器に装入してＧａＮ薄膜を形成する方法である（より詳しくは、大韓民国特許第４５５２７７号広報参照）。しかし、ＥＬＯ方法は、上述のような複雑な工程を経ることになって、また工程時間も長くかかるだけでなく再現性と歩留りにも問題があった。

一方、上述のような化合物半導体を用いて製造された発光素子の発光効率の向上や消費電力の節減も重要な課題である。すなわち、発光素子の活性層から発生される光は、発光素子の表面側に放出されるが基板側にも放出され基板によって吸収されるなど発光効率が落ちることになる。これを解決するため、表面に微細加工されたサファイア基板（ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を用いて活性層から発生され基板側に放出される光を乱反射させ基板による透過や吸収を減らすことによって発光素子の表面側に対する発光効率を増加させるという試しがあった。しかし、基板を微細加工するためには、それだけの複雑な工程と時間を必要になるという短所があった。

また、ＧａＮ成長のための基材基板としては、前記ＳｉＣやサファイアの他に大口径化が可能であり、低価のシリコーンウエハを使用する試しがなっている。しかし、シリコーン基板は、他の基材基板より格子定数や熱膨張係数の差がより大きくて高品質のＧａＮ基板を得ることがより困難である。さらに、シリコーンに低いバンドギャップエネルギーと不透明性により発光素子の活性層から発生された光がシリコーン基板に吸収されるため発光効率が低いという問題があった。

このような、結晶欠陥が少ない高品質の化合物半導体基板を製造するためには、フォトエッチング工程のような多くの費用がかかり複雑な工程を必要として、また発光効率を向上し消費電力を低減するためにも、高費用にもかかわらずその再現性と歩留りが低いという問題も解決しなければならない点も課題である。

実施形態は簡単、低価の方法で、高品質、高効率の半導体素子及び発光素子を提供する。

一の実施形態による半導体素子は、基板と、前記基板上に配置される複数個の柱と、前記基板上に前記柱の間に配置される金属層と、前記柱の上及び間に配置される半導体層と、を含む。

一の実施形態による発光素子は、基板と、前記基板上に配置され、互いに離隔される複数個の柱と、前記基板上に前記柱の間に配置される金属層と、前記柱の上及び間に配置される第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上に配置される活性層と、前記活性層上に配置される第２導電型半導体層と、を含む。

一の実施形態による半導体素子の製造方法は、基板を提供するステップと、前記基板上に複数個の粒子を配置するステップと、前記粒子をエッチングマスクで前記基板の一部をエッチングして、複数個の柱を形成するステップと、前記柱の間に金属層を形成するステップと、前記柱の間及び上に第１半導体層を形成するステップと、を含む。

実施形態による半導体素子の製造方法は、シリコーンオキサイドボールなどとような粒子をマスクとして利用して基板、さらに詳しく、支持基板上に形成される半導体層をエッチングして、複数個の柱を形成する。

または、実施形態による半導体素子の製造方法は、柱の間の領域に金属層を蒸着した後、金属層の上方に露出された半導体柱の側面から半導体層を成長する。

よって、実施形態による半導体素子の製造方法は、従来のフォトエッチング工程を利用するＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法などに比べ、高品質の半導体素子を容易く、低価で、高い再現性と生産性を有し、製造することができる。

または、実施形態による半導体素子及び発光素子は、金属層によって、半導体層の抵抗を減少させることができ、電気的な特性を向上することができる。

または、金属層は、反射膜の機能を有するので、実施形態による発光素子の発光効率を減少することができる。

または、柱と基板が接触される面積が減少されるので、実施形態による半導体素子または発光素子の半導体層の欠陥を減少することができる。

すなわち、柱がバッファ機能を行い、基板及び半導体層の間の結晶性の差を補償する。これによって、実施形態による半導体素子及び発光素子の結晶の欠陥を減少することができる。

実施形態による半導体素子及び発光素子は、向上した性能を有して、容易に製造されることができる。

実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 他の実施形態による半導体発光素子の基板を製造する過程を示す断面図である 。 他の実施形態による半導体発光素子の基板を製造する過程を示す断面図である 。

実施形態の説明において、各基板、柱、層、粒子または電極などが各基板、柱、層、粒子または電極などの「上（ｏｎ）」 にまたは「下（ｕｎｄｅｒ）」に形成されると記載される場合、「上（ｏｎ）」と「下（ｕｎｄｅｒ）」は「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」または「他の構成要素を介在させて（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）」形成されることの両方を含む。または、各構成要素の上または下に対する基準は、図面を基準に説明する。図面において各構成要素の大きさは、説明のために誇張されることができ、実際に適用される大きさを意味するものではない。

図１〜図５は、実施形態による半導体発光素子を製造する過程を示す図である。図１の（ａ）及び図２〜図５は、断面図である。図１の（ｂ）は、平面図である。

図１を参照すると、まず基板１０上に第１化合物半導体層１１が成長されて、前記第１化合物半導体層１１上に粒子１２がコーティングされる。前記基板１０は、前記第１化合物半導体層１１などを支持するための支持基板である。

前記基板１０として用いられる物質は、たとえば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＧａＡｓ、スピネル、ＩｎＰ、ＳｉＣ、またはＳｉなどがある。各の材料は、以下のような長所・短所があるので、応用範囲や要求される品質に従って適切に選択されることができる。すなわち、サファイア基板は、高温安定性が高いが、基板の大きさが小さく大面積製造に困難がある。または、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板は、結晶構造が代表的な窒化物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）と同様であり、高温安定性が高く格子定数及び熱膨張係数も窒化ガリウム（ＧａＮ）と類似であるが、値段が高いという短所がある。シリコーン基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）と格子定数や熱膨張係数の差が大きい方であるが、１２インチ以上の大面積にも製造可能であるので、製造費用を節減することができ、これを用いる素子の応用範囲を画期的に広げることができる。

基板１０上に成長する第１化合物半導体層１１は、後述の半導体柱２０を形成するためのものであって、実際に後述される第２化合物半導体層４０と同様であるか類似な物質からなることが好ましい。この場合、図１に示す第１化合物半導体層１１と図４に示す第２化合物半導体層４０を成長させる方法は、実質的に同様であるので、図１に示す第１化合物半導体層１１を成長させる方法に対して詳細に説明して、後述の図４に示す第２化合物半導体層４０の成長方法に対しては、重複される説明を略する。

まず、図示しなかったが、基板１０と第１化合物半導体層１１の結晶的の差を縮めて、これを介して結晶欠陥の密度を最小化するためにバッファ層を形成することができる。バッファ層は、第１化合物半導体層１１との結晶特性が類似なことから化学的に安定された物質を用いるのが好ましい。すなわち、次に形成される第１化合物半導体層１１と結晶構造が同様または類似であるか、格子定数が同様または類似であるか、熱膨張係数が同様または類似である物質から形成することが好ましい。好ましくは、後に形成される化合物半導体層と結晶構造が同様で、格子定数の差が少なくとも２０％以内の物質から形成する。

具体的に、バッファ層は、第１化合物半導体層１１が窒化物系化合物半導体からなる場合、ＧａＮ膜、ＡｌＮ膜、ＡｌＧａＮ膜またはこれらの組合せ膜などで単層または複層に形成することができる。通常的に、バッハァ層は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法を用いて形成することができるが、個別的なラインを介して反応前駆体を所定の流れ速度に反応器の内に注入して、反応器を適切な圧力、温度に維持しながら前記反応前駆体を化学反応させ目指す厚さのバッファ層を形成する。この場合、反応前駆体として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）またはＧａＣｌ_３などを用いてもよく、窒化物ソースガスとしては、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素または第三ブチルアミン（Ｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｙｌａｍｉｎｅ（Ｎ（Ｃ_４Ｈ_９）Ｈ_２））を用いることができる。ＧａＮ低温バッファ層の場合、４００〜８００℃の温度範囲で１０〜４０ｎｍの厚さに成長させる。ＡｌＮまたはＡｌＧａＮバッファ層の場合、４００〜１２００℃の温度範囲で１０〜２００ｎｍの厚さに成長させる。バッファ層は、用いる基板、成長装備（ＭＯＣＶＤ装置）、成長条件などによって選択的に用いることができる。

続いて、バッファ層が形成された基板上に第１化合物半導体層１１を成長させる。第１化合物半導体層１１としては、紫外線、可視光線、または赤外線領域の光を放出するＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体またはＩＩ‐ＶＩ族化合物半導体層を用いることができる。第１化合物半導体層１１として窒化物系化合物半導体を用いる場合、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、またはＡｌＩｎＧａＮ（たとえば、Ａｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_ｚＮに表現できるが、ここで、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１である。）などを挙げられる。窒化ガリウム（ＧａＮ）は、直接転移型広大域半導体（ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）であって、バンドギャップエネルギーが３．４ｅＶであり、青色発光素子または高温電子素子の応用に適合な物質として知られている。第１化合物半導体層１１の蒸着のとき、インジウム（Ｉｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）を個別、同時または順に注入しながら薄膜蒸着工程を行ってＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどの薄膜を成長させることによって素子のハンドギャップを１．９〜６．２ｅＶに調節することができる。ＧａＮ薄膜は、３．４ｅＶのバンドギャップを有し、ＡｌＮ薄膜は、６．２ｅＶのバンドギャップを有し、ＩｎＮ薄膜は、０．７ｅＶのバンドギャップを有しているもので知られている。ＡｌＮは、６．２ｅＶのバンドギャップを有するので、紫外線領域の光を放出し、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）は、ＡｌＮより小さいバンドギャップを有するが紫外線領域の光を放出し、ＧａＮは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）より小さい３．４ｅＶのバンドギャップを有し、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）は、ＧａＮより小さいバンドギャップを有して可視光線領域の光を放出し、ＩｎＮは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）より小さい０．７ｅＶのバンドギャップを有して赤外線領域の光を放出する。

第１化合物半導体層１１を成長させる好ましい方法としては、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピ薄膜蒸着法（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）またはＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｖｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などを挙げられる。

有機金属化学蒸着法を用いて第１化合物半導体層１１を形成する方法を説明すると、まず基板１０を反応器の内に装入して、反応前駆体を運搬気体を用いて反応器内に各に装入する。続いて、所定範囲の温度と所定範囲の圧力で前記反応前駆体を化学反応させ第１化合物半導体層１１を成長させる。化合物半導体層が窒化物系の薄膜である場合、反応前駆体としては、トリメチルアルミニウム（ＡＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）またはＧａＣｌ_３を用いることができ、窒化物ソースガスとしては、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素、または第三ブチルアミン（Ｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｙｌａｍｉｎｅ（Ｎ（Ｃ_４Ｈ_９）Ｈ_２）を用いることができる。反応器の温度は、９００〜１１５０℃が、圧力は１０^−５〜２０００ｍｍＨｇが適切である。

ＭＯＣＶＤ法によって窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜を形成する過程を反応式に示すと以下のようである。

[化１]
Ｇａ（ＣＨ_３）_３＋ＮＨ３→Ｇａ（ＣＨ_３）_３・ＮＨ_３

トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアンモニウム（ＮＨ_３）が流入されＧａ（ＣＨ_３）_３・ＮＨ_３が生成される。

Ｇａ（ＣＨ_３）_３・ＮＨ_３は、基板上で熱分解されながらＧａＮ薄膜が形成されることになるが、以下のような反応によってＧａＮ膜が形成されることになる。

[化２]
Ｇａ（ＣＨ_３）_３・ＮＨ_３→ＧａＮ＋ｎＣＨ_４＋１／２（３−ｎ）Ｈ_２

第１化合物半導体層１１は、バッファ層上でクラスター（ｃｌｕｓｔｅｒ）または島（ｉｓｌａｎｄ）の形に成長して基板（バッファ層）に吸着されることになり、究極的に平坦な層状に成長される。

第１化合物半導体層１１が望む厚さまで成長されると、基板１０を反応器から取り出し、第１化合物半導体層１１の上に予め準備した粒子１２をコーティングする。

粒子１２は、球形を有するボールであってもよい。粒子１２は、酸化シリコーン（ＳｉＯ_２）ボール、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）ボール、酸化チタン（ＴｉＯ_２）ボール、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）ボール、Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２ボール、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ）ボール、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）ボール、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３）ボール、Ｎｂ_２Ｏ_５ボール、ＦｅＳＯ_４ボール、Ｆｅ_３Ｏ_４ボール、Ｆｅ_２Ｏ_３ボール、Ｎａ_２ＳＯ_４ボール、ＧｅＯ_２ボールまたはＣｄＳボールなど、多様な材料から製造されるか購入して準備することができる。または、粒子１２の大きさ（直径）は、最終完成品である化合物半導体素子の種類と大きさによって数ナノメータ（ｎｍ）〜数十マイクロ（ｕｍ）まで多様に選択することができる。近年、発光素子として用いられるＧａＮ基板でＧａＮ層の厚さが通常数ｕｍである点を考えると、１０ｎｍ〜２ｕｍ程度の大きさを有する球形のボールが好ましい。または、第１化合物半導体層１１上にコーティングして後に除去する場合の工程の便利性を考えると、粒子１２としては、酸化シリコーン（ＳｉＯ_２）ボールが適切である。

酸化シリコーン（ＳｉＯ_２）ボールの製造方法を説明すると、まず粒子を製造するためにＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｌｙ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）を無水エタノールに溶けて第１溶液を製造する。または、アンモニアエタノール溶液と脱イオン化された水とエタノールをミックスして第２溶液を製造する。アンモニアは、粒子を製造するための触媒剤として作用する。続いて、第１溶液と第２溶液をミックスした後、適当な温度で適当な時間の間、撹拌すると、球形の酸化シリコーンボールが製造される。このように得られた粒子が含まれた溶液から遠心分離を介して粒子を分離した後、エタノールで洗い、エタノール溶液に再分散させてサラリー（ｓｌｕｒｒｙ）と類似な形態の粒子が分散された溶液を得る。粒子は、製造条件、すなわち反応時間、温度、反応物質の量によってその大きさを多様にすることができる。一方、本出願人は、２００５年３月９日に出願され（出願番号：１０−２００５−００１９６０５）２００６年９月１９日で公開された（公開番号：１０−２００６−００９８９７７）特許出願を介して、粒子がコーティングされた基板に化合物半導体層を成長させる方法を提案させたことがあるが、酸化シリコーンボールのさらに詳しい製造方法は、この出願に開示されている。

このように得られた粒子１２が分散された溶液を滴下（ｄｒｏｐ）、浸漬（ｄｉｐｐｉｎｇ）、回転塗布（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）のような方法を用い第１化合物半導体層１１が形成された基板の上にコーティングする。このとき、コーティング時間と回数を適切に制御すると基板上の粒子１２の密度を多様に調節することができる。図１に示すように、粒子１２は、あまり蜜集されなく、第１化合物半導体層１１が適当に露出されるくらいにコーティングされるのが好ましい。後述されるように、粒子１２を用いて半導体柱２０を形成して、その間に露出された基板１０の表面に金属層３０が形成される。このとき、金属層３０は、電気抵抗が小さくなるように互いに接続されることが好ましい。また金属層３０は、後述する活性層５２から発生され、基板１０側に放出される光を反射する。よって、金属層３０は、反射させる光量を増加するために、ある程度の面積を確保する必要がある。一方、粒子１２があまり疎らにコーティングされると、半導体柱２０の側面から成長される第２化合物半導体層４０の成長時間が非常に長くかかることになる。

よって、粒子１２のコーティング密度は、実施形態による半導体発光素子の発光効率と第２化合物半導体層４０の成長速度を考慮して適切に調節される。

図２を参照すると、コーティングされた粒子１２をエッチングマスクとして用いて第１化合物半導体層１１をエッチングして半導体柱２０を形成する。前記半導体柱２０は、島の形状を有する。すなわち、前記半導体柱２０は、半導体島である。また、前記半導体柱２０は、円柱状を有してもよい。すなわち、この実施形態は、高費用がかかるフォトマスクを用いるフォトエッチング工程を用いなく、粒子１２をエッチングマスクとして用いる。これによって、実施形態は、簡単に低価に粒子１２のコーティング密度と同様の密度に、粒子１２と同様な直径の半導体柱２０を形成することができる。

前記粒子２０は、前記第１化合物半導体層１１上にランダム（ｒａｎｄｏｍ）に、すなわち、不規則的に配置されてもよい。この場合、前記半導体柱２０もランダムに形成される。前記半導体柱２０は、前記基板１０上にランダムに配置される。すなわち、前記半導体柱２０の間の間隔が互いに異なってもよい。または、この実施形態によって形成された半導体発光素子は、互いに異なる半導体柱の位置、個数及び／または模様を有してもよい。

図２では、前記第１化合物半導体層１１は、前記基板１０の上面が露出されるようにエッチングされる。これとは違って、前記第１化合物半導体層１１は、前記基板１０の上面が露出されないようにエッチングされ、前記半導体柱２０が形成されてもよい。

このエッチング工程は、エッチング異方性が良好な乾式エッチングを用いるのが好ましいが、具体的に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）またはＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などのプラズマエッチングを用いてもよい。このとき、エッチングガスは、エッチング対象である第１化合物半導体層１１をなる物質によって通常用いるエッチングガスを用いてもよい。たとえば、第１化合物半導体層１１がＧａＮからなる場合、エッチングガスは、ＢＣｌ_３やＣｌ_２などを用いてばよい。または、エッチング時間や工程圧力、温度などの工程条件は、具体的なエッチング方法とエッチングの深さすなわち、形成しようとする半導体柱２０の高さによってエッチング速度を考慮して定めてればよい。これに限定されるものではないが、半導体柱２０の高さは、略０．５〜５．０ｕｍ程度が適当である。

一方、以上の説明では、基板１０上に第１化合物半導体層１１を形成してこの第１化合物半導体層１１を基板側にエッチングし食い込むことによって半導体柱２０を形成するもので説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、図６に示すように、前記の第１化合物半導体層１１を省略して、基板１０´に直接粒子１２をコーティングした上、粒子１２をエッチングマスクとして基板１０´を所定深さにエッチングすることによって、基板１０´と同様の材質の島２０´を形成することができる。この場合、基板１０´のエッチング方法は、上述の第１化合物半導体層１１のエッチング方法と同様な乾式エッチングを用いてもよいが、ただエッチング対象物の材質が変更されることによってエッチングガスと具体的な工程条件が多少変更される。たとえば、基板１０´がシリコーンからなる場合、エッチングガスは、ＳＦ_６やＣ_４Ｆ_８などを用いてもよい。

続いて、前記基板１０上に、半導体柱２０の間に金属層３０を蒸着する。金属層３０は、工程条件が厳しいエピタキシャル成長方式で形成する必要はないので、量産性を考慮してスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）や蒸発（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）方式で蒸着すればよい。特に、蒸着異方性がよいスパッタリングが好ましい。この金属層３０は、活性層５２から放出される光が基板１０に吸収され消失されることを防ぎ、発光素子の表面側に反射させる反射膜として機能を果たし、また発光素子の一方電極として機能を果たすので反射率がよく電気抵抗が小さいものが好ましいが、たとえばＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕやこれの合金を用いてもよい。または、金属層は、互いに異なる金属で２層以上に形成してもよく、このとき各の層の蒸着方法は、同様であるか異なるようにしてもよい。

金属層３０の厚さは、光が透過されなく反射される程度の厚さ以上であればよく、次のステップで金属層３０の上に露出された半導体柱２０の側面から第２化合物半導体層４０が成長されるように、半導体柱２０の高さよい低い厚さであればよい。

たとえば、金属層３０の厚さは、数十〜数百ｎｍ程度であればよい。このように金属を蒸着すると、図３に示すように、半導体柱２０の側面や粒子１２の表面よりは、半導体柱２０の間に、前記基板１０上に主に蒸着され、半導体柱２０の下側周辺からより少し高く蒸着されることによって、すこし凹む形状の金属層３０が形成される。

このように形成された金属層３０に対しては、熱処理を行うことができる。すなわち、アンモニアや窒素雰囲気で金属層３０をなる金属の融点以下の温度、たとえば、３００〜６００℃で、数〜数十秒の間、急速熱処理を行う。この熱処理によって金属層がリフローされて表面が平坦になり光の反射率をさらに高めることができる。または、この熱処理によって金属層３０を安定化させ酸化を防止することができ、後続工程で金属層３０が浮いたり剥離されることを防止することができる。

以後、図４に示すように、化合物半導体が半導体柱２０の側面から成長され、半導体柱２０とその上の粒子１２を覆う第２化合物半導体層４０が形成される。前記第２化合物半導体層４０の成長方法は、前述の第１化合物半導体層１１の成長と同様に、ＭＯＣＶＤ法などを用いればよい。ただし、第２化合物半導体層４０は、基板１０表面の全体領域から成長される第１化合物半導体層１１とは異なり、金属層３０の上に露出された半導体柱２０の側面から成長される。たとえば、第１化合物半導体層１１は、いわゆるＰＥ（Ｐｅｎｄｅｏ−Ｅｐｉｔａｘｙ）成長メカニズムによって成長される。

ＰＥ成長技術は、基本的にＥＬＯ方法と同様な方法である。ただし、ＥＬＯ方法では、平坦な半導体層の上に一部を露出させるマスクを形成した後、化合物半導体を成長させる。これによって、化合物半導体が露出された半導体層からいったん垂直方向に成長され、マスクの上で水平方向に拡張され互いに会い連結された化合物半導体層を形成する。しかし、ＰＥ成長法では、図３に示すように半導体柱２０の間の空間があるので、半導体柱２０の側面から成長される化合物半導体は、いったん水平方向に成長される。以後、化合物半導体は、互いに会い合わせた後、基板に垂直な方向に成長され、粒子１２の上でさらに水平方向に拡張され、互いに会い連結される。このように、第２化合物半導体層４０が形成される。または、このとき、半導体柱２０の間の領域に形成された金属層３０上では、化合物半導体の成長がよくできないので、金属層３０と第２化合物半導体層４０の界面には、自然に気孔層４５が形成されることができる。または、気孔層４５が形成されない領域の金属層３０は、前記第２化合物半導体層４０と直接接続して連結されてもよい。前記気孔層４５は、発光素子を製造したとき、活性層５２から放出され基板１０側に進行する光に対して媒質間の屈折率の差による反射率を向上して発光効率をさらに改善する役割を果たす。

前記の第２化合物半導体層４０は、この実施形態による半導体発光素子によって、多様な特徴を有することができる。たとえば、第２化合物半導体層４０は、同様な物質からなる単層であってもよく、他の物質からなる多層から形成してもよい。または、化合物半導体層の蒸着のとき、目的とする用度に応じてＳｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｏ、Ｓｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎｉ、及びＦｅからなる群のうち、選択された１種以上の多様な二種物質を注入する共に蒸着工程を行うことによって、二種物質が添加された形態の化合物半導体層を製造されることができる。このような二種物質は、化合物半導体層の電気的、光学的または磁気的性質を変化させるためにユーザーの要求に応じて選択的に追加されてもよい。二種物質は、現場ドーピング（ｉｎ−ｓｉｔｕ ｄｏｐｉｎｇ）、現場外ドーピング（ｅｘ−ｓｉｔｕ ｄｏｐｉｎｇ）またはイオン注入（ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）などを介して添加することができる。現場ドーピングは、半導体層を成長させるとき、追加しようとする二種物質を添加する方法であり、現場外ドーピングは、化合物半導体層を成長させた後、熱処理やプラズマ（ｐｌａｓｍａ）処理で二種物質を化合物半導体層に注入する方法である。イオン注入は、追加しようとする二種物質を加速させて化合物半導体層と衝突させ半導体内に二種物質を注入する方法である。

または、この実施形態によって化合物半導体層を形成した後、これを基に、すなわち前記化合物半導体層を基板として用いてＨＶＰＥ法を用いて厚い化合物半導体層を蒸着することができる。ＨＶＰＥ法は、気象成長方式の一種であって、基板の上にガスを流されることでガスの反応によって結晶が成長される方式である。このようにＨＶＰＥ法によって厚い化合物半導体層が形成されると、基板と化合物半導体層を分離するか基板を研磨またはエッチングして除去して、基板の上に成長された均一で高品質の化合物半導体層のみを選択して用いることもできる。

ＨＶＰＥ法を用いて化合物半導体層上に化合物半導体層、たとえばＧａＮ厚膜を形成する方法を説明すると、反応器の中にＧａ金属を収納した容器を配置しておき、前記容器の周囲に設けたヒータで加熱してＧａ融液を製造する。このようにして得られたＧａ融液とＨＣｌを反応させＧａＣｌガスを製造する。

これを反応式に示すと以下のようである。

[化３]
Ｇａ（ｌ）＋ＨＣｌ（ｇ）→ＧａＣｌ（ｇ）＋１／２Ｈ_２（ｇ）

このＧａＣｌガスとアンモニア（ＮＨ_３）を反応させるとＧａＮ層が形成されることになるが、以下のような反応によりＧａＮ層に形成されることになる。

[化４]
ＧａＣｌ（ｇ）＋ＮＨ_３→ＧａＮ＋ＨＣｌ（ｇ）＋Ｈ_２

このとき、反応されてない気体は、以下のような反応により排気される。
[化５]
ＨＣｌ（ｇ）＋ＮＨ_３→ＮＨ_４Ｃｌ（ｇ）

ＨＶＰＥ法は、１００ｕｍ／ｈｒ程度の早い成長率で厚膜成長が可能であるので高い生産性を得ることができる。

一方、上述の説明では、半導体柱２０の形成に用いる粒子１２を半導体柱２０の上にコーティングされた状態のまま置いて、第２化合物半導体層４０を成長することで説明したが、この発明がこれに限定されるものではない。すなわち、図７に示すように、半導体柱２０を形成した後、または金属層３０を蒸着した後、粒子１２を除去して、第２化合物半導体層４０を成長させることもできる。

粒子１２は、半導体柱２０、すなわち第１化合物半導体層１１との接着力はあまり大きくないので比較的に簡単に、たとえば超音波洗浄と同様の方法で除去することができる。または、粒子１２は、化学的エッチングを介して除去されてもよいが、たとえば、粒子が酸化シリコーンからなる場合は、基板全体をフッ化酸溶液に浸透して湿式エッチングすることによって除去してもよい。

以後、図５を参照すると、前記第２化合物半導体層４０上に活性層及び第２導電型化合物半導体層が形成される。この実施形態では、前記第２化合物半導体層４０は、第１導電型半導体層である。ここで、前記第１導電型はｎ型で、第２導電型はｐ型であってもよい。すなわち、この実施形態による半導体発光素子は、ｎ層、活性層及びｐ層の構造を有する発光ダイオードである。

これとは違って、前記第２化合物半導体層４０自体が前記ｎ層、活性層及びｐ層の構造を有してもよく、前記第２化合物半導体層４０上に第１導電型の化合物半導体層が別に形成され、その上に順に活性層及び第２導電型の化合物半導体層がさらに形成されてもよい。

ここで、第２化合物半導体層４０は、たとえば、ｎ−ＧａＮ層からなり、前記第２導電型の化合物半導体層５３はｐ−ＧａＮ層からなってもよい。または、活性層５２は、たとえば、ＩｎＧａＮ層であって、量子井戸構造または多重量子井戸構造を有してもよい。

続いて、第２導電型の化合物半導体層５３、活性層５２、第２化合物半導体層４０の一部領域を順にパターニングして露出された一部の粒子１２及び半導体柱２０をエッチングして金属層３０の一部を露出させる。

以後、前記露出された金属層３０上に導電物質が蒸着されてパターニングされ、第１電極６１が形成される。または、前記第２導電型の化合物半導体層５３上に第２電極６２が形成される。前記導電物質は、たとえば、ＮｉまたはＡｕのような、発光素子の電極として広く用いられる金属またはその合金や、ＩＴＯなどの透明金属酸化物からなってもよい。

すなわち、前記半導体柱２０は、前記基板１０上に配置される。前記半導体柱２０は、互いに離隔される。または、前記粒子１２は、前記半導体柱２０上に各に一つずつ配置される。

前記金属層３０は、前記基板１０上に配置され、前記半導体柱２０の間に配置される。前記金属層３０は、凹まれた面を有する。前記金属層３０は、前記第２化合物半導体層４０と直接連結されてもよい。前記金属層３０の厚さは、前記半導体柱２０の厚さよりより小さい。すなわち、前記金属層３０は、前記半導体柱２０の側面（つまり、外周面）の一部を露出されるように、前記半導体柱２０の間に詰め込まれる。

前記第２化合物半導体層４０は、前記半導体柱２０の間及び前記半導体柱２０上に配置される。前記第２化合物半導体層４０には、第１導電型ドーパントがドーピングされる。前記第２化合物半導体層４０は、Ｎ型半導体層として具現されてもよく、前記Ｎ型半導体層は、３族元素と５族元素の化合物であって、たとえば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質に具現されることができる。たとえば、前記Ｎ型半導体層は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮのうち少なくとも一つから形成されることができる。前記第１導電型ドーパントは、Ｎ型ドーパントであり、前記Ｎ型ドーパントはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどを含む。

前記第２化合物半導体層４０の上には、活性層５２が形成され、前記活性層５２は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。前記活性層５２は、ＩｎＧａＮ井戸層及びＡｌＧａＮバリヤー層の周期またはＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮバリヤー層の周期に形成されることができ、このような活性層５２の発光材料は、発光波長、たとえば、青色波長、赤色波長、緑色波長などによって異なることができる。

前記活性層５２は、上または／及び下に導電型クラッド層が形成されてもよく、前記導電型クラッド層は、ＡｌＧａＮ層で具現されることができる。

前記活性層５２の上には、前記第２導電型半導体層５３が形成されてもよい。前記第２導電型半導体層５３は、第２導電型ドーパントがドーピングされる。または、前記第２導電型半導体層５３の上面には、前記第２電極５２が接触される。前記第２導電型半導体層５３は、Ｐ型半導体層から形成されてもよく、前記Ｐ型半導体層は、３族元素と５族元素の化合物であって、たとえば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質に具現されることができる。前記Ｐ型半導体層は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどのうちから選択されることができる。前記第２導電型ドーパントは、Ｐ型ドーパントであり、前記Ｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどまたは２族元素含めてもよい。

前記第２化合物半導体層４０、活性層５２及び第２導電型半導体層５３は発光構造物５０に定義されることができ、前記発光構造物５０は、Ｎ−Ｐ接合構造のみならず、Ｎ−Ｐ−Ｎ接合構造、Ｐ−Ｎ接合構造、Ｐ−Ｎ−Ｐ接合構造のうちから何れか一つの構造で形成されてもよい。すなわち、前記第１導電型がＰ型であり、前記第２導電型がＮ型であってもよく、また前記第２化合物半導体層４０の上にＮ型またはＰ型半導体層が積層されてもよい。

金属層３０が前述されたように、平面的に互いに連結された形であるので、第１電極（電極パッド）６１と電気的に接続されて第２化合物半導体層４０側の電極として機能を果たして従来に比べて電極の電気抵抗が著しく減少され消費電力の節減に寄与する。または、この金属層３０は、気孔層４５とともに、活性層５２から基板１０側に放出される光を発光素子の表面側（第２導電型の化合物半導体層５３側）に反射して、基板１０により吸収消滅される光量を低減させることによって素子の発光効率を飛躍的に向上する。

実施形態による半導体素子の製造方法は、粒子２０をマスクとして用いて、基板１０上に形成される第１化合物半導体層１１をエッチングして、複数個の半導体柱２０を形成する。

または、実施形態による半導体素子の製造方法は、半導体柱２０の間の領域に金属層３０を蒸着した後、金属層３０の上に露出された半導体柱２０の側面から第２化合物半導体層４０を成長させる。

よって、実施形態による半導体素子の製造方法は、従来のフォトエッチング工程を用いるＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法などに比べて、高品質の半導体発光素子を容易く、低価で、高い再現性と生産性を有し、製造することができる。

または、実施形態による半導体発光素子は、金属層３０によって、第２化合物半導体層４０の抵抗を減少させることができ、電気的な特性を向上することができる。

または、金属層３０は、反射膜の機能を有するので、実施形態による発光素子の発光効率を減少することができる。

または、半導体柱２０と基板１０が接続される面積が減少されるので、実施形態による半導体発光素子の第２化合物半導体層４０の欠陥が減少されることができる。

すなわち、半導体柱２０がバッファ機能を行い、基板１０及び第２化合物半導体層４０の間の結晶性の差を補償する。これによって、実施形態による半導体発光素子の結晶の欠陥が減少されることができる。

実施形態による半導体発光素子は、向上された性能を有して、容易に製造されることができる。

または、以上で実施形態に説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも一つの実施形態に含み、必ず一つの実施形態のみに限定されるものではない。さらに、各実施形態で例示された特徴、構造、効果などは実施形態が属する分野の通常の知識を有する者により他の実施形態に対しても組み合わせまたは変更されて実施可能である。よって、このような組み合わせと変更にかかる内容は本発明の範囲に含まれてるものとして解析されなければならない。

以上、本発明について実施例を中心に説明を行ったが、これは例示にすぎず、本発明を限定するものではない。本発明の属する分野の通常の知識を有する者であれば本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で、以上に例示していない様々な変形と応用が可能であることが理解できるはずである。例えば、本発明の実施形態で具体的に示した各々の構成要素は変形して実施することもできる。そして、このような変形と応用に係わる相違点は添付した特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれると解釈されるべきである。

実施形態による半導体素子、発光素子及びこの製造方法は半導体素子及び発光素子分野に用いられる。

Claims (23)

1. 基板と、
   前記基板上に配置される複数個の柱と、
   前記基板上に前記柱の間に配置される金属層と、
   前記柱上及び間に配置される半導体層と、を含む半導体素子。
2. 前記柱上に各に配置される複数個の粒子を含む請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記粒子は、酸化シリコーン、サファイア、酸化チタン、酸化ジルコニウム、Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、酸化銅、酸化タンタル、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、酸化ニオブ、ＦｅＳＯ_４、酸化鉄、硫酸ナトリウム、ＧｅＯ_２または硫化カドミウムを含む請求項２に記載の半導体素子。
4. 前記柱は、前記基板上にランダムに配置される請求項１に記載の半導体素子。
5. 前記半導体層は、前記金属層に直接連結され、
   前記金属層に連結される電極を含む請求項１に記載の半導体素子。
6. 前記半導体層は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮまたはＡｌＩｎＧａＮを含む請求項１に記載の半導体素子。
7. 前記半導体層は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｏ、Ｓｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、ＮｉまたはＦｅでドーピングされる請求項６に記載の半導体素子。
8. 前記金属層はＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕまたはこれの合金を含む請求項１に記載の半導体素子。
9. 前記金属層及び前記半導体層の間に複数個の気孔が形成される請求項１に記載の半導体素子。
10. 前記柱の直径は、１０ｎｍ〜２ｕｍである請求項１に記載の半導体素子。
11. 前記金属層は、凹まれた面を含む請求項１に記載の半導体素子。
12. 前記金属層の厚さは、前記柱の高さより低い請求項１に記載の半導体素子。
13. 前記基板及び前記柱は、互いに一体に形成される請求項１に記載の半導体素子。
14. 基板と、
    前記基板上に配置され、互いに離隔される複数個の柱と、
    前記基板上に前記柱の間に配置される金属層と、
    前記柱上及び間に配置される第１導電型半導体層と、
    前記第１導電型半導体層上に配置される活性層と、
    前記活性層上に配置される第２導電型半導体層と、を含む発光素子。
15. 前記柱上に各に配置される複数個の粒子を含む請求項１４に記載の発光素子。
16. 前記柱は、前記基板上にランダムに配置される請求項１４に記載の発光素子。
17. 前記金属層を介して、前記第１導電型半導体層に接続される第１電極と、
    前記第２導電型半導体層に接続される第２電極と、を含む請求項１４に記載の発光素子。
18. 基板を提供するステップと、
    前記基板上に複数個の粒子を配置するステップと、
    前記粒子をエッチングマスクで前記基板の一部をエッチングして、複数個の柱を形成するステップと、を含む半導体素子の製造方法。
19. 前記柱の間に金属層を形成するステップと、
    前記柱の間及び上に第１半導体層を形成するステップと、を含む請求項１８に記載の半導体素子の製造方法。
20. 前記基板を提供するステップは、支持基板上に第２半導体層を形成するステップを含み、
    前記柱は、前記第２半導体層がエッチングされ形成される請求項１９に記載の半導体素子の製造方法。
21. 前記第２半導体層は、前記支持基板の上面を露出するようにエッチングされる請求項１９に記載の半導体素子の製造方法。
22. 前記金属層が形成された後、前記粒子を除去するステップを含む請求項１９に記載の半導体素子の製造方法。
23. 前記第１半導体層を形成するステップにて、
    前記第１半導体層は、前記柱の側面及び上面から選択的に成長される請求項１９に記載の半導体素子の製造方法。

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