JP2003347585A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 井戸層の厚さを変えることで容易に発光波長
を制御でき、１チップで多色光発光が可能な半導体発光
素子を提供する。 【解決手段】 本発明に係る半導体発光素子は、シリコ
ン基板１と、シリコン基板１の主面上に形成された一般
式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦
ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半
導体層とを備える。シリコン基板１は、このシリコン基
板１の主面より６２度の傾斜した面、もしくはこの面か
ら任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として
有する溝を備え、該斜面上に厚さの異なる量子井戸層３
ａを複数積層する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体を用
いた半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮおよびそれらの
混晶半導体からなる窒化物半導体材料を用いて、これま
で、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、もしく
はシリコン（１１１）基板を用い、これら基板上にＩｎ
xＧａ1-xＮ結晶を発光層として用いた半導体発光素子が
作製されている。特にシリコン基板は、他の基板と比較
して大面積で品質の一定したものが安価に得られるた
め、これを採用することにより低コストで上記発光素子
を製造できるという期待がされている。また、これらの
混晶半導体からなる窒化物半導体材料を用いた半導体発
光素子の試作も試みられている。
【０００３】
【特許文献１】特開平７―１８３５７６号公報
【０００４】
【特許文献２】特開平８―８８４０７号公報
【０００５】
【特許文献３】特開平１１―８７７７３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述のサファイア基
板、ＳｉＣ基板、シリコン（１１１）基板上に窒化物半
導体素子を作製する場合、通常、六方晶系の結晶のＣ面
を成長表面とした窒化物半導体膜が得られる。
【０００７】ところが、このＣ面を成長表面とした場合
には、六方晶系の結晶が一軸性結晶であるため、異方性
からくる分極がｃ軸方向にピエゾ電界としてかかりやす
い。このことから、活性層をこのｃ軸方向に積層させそ
の面を用いた場合には、図１（ａ）に示すように、ピエ
ゾ電界から電子と正孔のキャリアが三角ポテンシャルの
両端に分離され、これに伴い電子・正孔キャリアが再結
合しにくくなる。
【０００８】発光光の長波長化および量子効果を低減す
るため、活性層内の井戸層の厚さを厚くするものの、こ
のピエゾ電界の影響によって、電子・正孔キャリアがよ
り分離されることで（図１（ｂ））、キャリアの再結合
確率が下がってしまう。よって、長波長の窒化物半導体
発光素子を作製する場合には、活性層内の混晶半導体か
らなる井戸層の組成を変え、バンドギャップを制御する
ことしか方策はなかった。
【０００９】たとえば本発明者等の実験に基づけば、サ
ファイヤ基板上にＣ面を主面とした窒化物系半導体材料
を用いて半導体発光素子を作製する場合、活性層の厚さ
が３ｎｍにおいて、最も発光輝度の高い発光素子が得ら
れ、その輝度が半分程度になる厚さの範囲は、およそ２
ｎｍから４．５ｎｍであった。
【００１０】そのため、窒化物系半導体発光素子を用
い、１チップで多色発光を可能とする発光素子を作製す
る場合、特開平７―１８３５７６号公報、特開平８―８
８４０７号公報、特開平１１―８７７７３号公報により
公開されている通り、バンドギャップの異なる発光層を
用い、多層構造もしくは集積化していた。つまり、１チ
ップで多色発光を可能とする発光素子を作製するには、
混晶半導体からなる井戸層の組成を変えバンドギャップ
を適宜調整した構造を用いるしかなかった。
【００１１】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、電子正孔対のキャリア再結合確率を
下げることなく、発光波長を制御することが可能となる
窒化物系半導体発光素子およびその製造方法を提供する
ことを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、１つの局面では、基板と、該基板上に形成され一般
式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦
ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半
導体層とを備える。基板は、該基板の主面より６２度傾
斜した面かもしくはこの面から任意の方向に３度以内の
範囲で傾いた面を斜面として有する溝を有し、化合物半
導体層は斜面上に形成されるベース層と、該ベース層上
に形成された活性層とを含み、活性層は、井戸層と障壁
層を交互に積層した構造からなり、活性層の井戸層の厚
さが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。上記井戸層の厚さ
は、好ましくは２ｎｍ以上８ｎｍ以下、さらに好ましく
は４．５ｎｍより大きく８．０ｎｍ以下である。
【００１３】本発明の半導体発光素子は、他の局面で
は、基板と、該基板上に形成され一般式ＩｎxＧａyＡｌ
zＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦
１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層とを備え
る。基板は、該基板の主面より６２度傾斜した面かもし
くはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面
を斜面として有する溝を有し、化合物半導体層は斜面上
に形成されるベース層と、該ベース層上に形成される活
性層とを含み、活性層を、ベース層のｃ軸方向と交差す
る方向に積層している。すなわち、化合物半導体層は、
該化合物半導体層のｃ軸に加わる歪による電界が低減さ
れるように形成される。
【００１４】上記活性層は、（１−１０１）面を面方位
として有するものであってもよく、厚さの異なる井戸層
を複数有するものであってもよく、赤、青、緑で発光す
る複数の井戸層を有することで、ひとつのチップで白色
に発光するものであってもよい。
【００１５】上記基板は、好ましくは、シリコン基板で
ある。また、上記斜面上に複数の化合物半導体層が集積
され、個々の化合物半導体層が具備する活性層が複数の
発光波長の光を発光する井戸層を有し、化合物半導体層
上に透過膜を備えるものであってもよい。該透過膜は、
好ましくは、井戸層の複数のスペクトルからなる発光を
選択的に透過する機能を備えた膜である。上記溝は基板
上に複数設けられ、各溝の斜面上に形成された化合物半
導体層を、結晶成長にしたがって合体させるものであっ
てもよい。
【００１６】たとえばシリコン基板（００１）面より
［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した基板もしく
は、その面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面
に対して、選択的にエッチングを行なうことで、この基
板の主面から６２度の関係の（１１１）ファセット面を
もつ溝を形成することができる。この斜面上にさらに窒
化物系半導体膜をエピタキシャル成長させることで、た
とえばＧａＮ系半導体の（１−１０１）ファセット面を
成長面とした膜を得ることが可能となる。
【００１７】この（１−１０１）ファセット面を窒化物
系半導体発光素子への成長面（主面）として用いた場
合、ピエゾ電界を大きく有するｃ軸を傾けることにな
り、活性層内の井戸および障壁層界面によって生じるこ
の電界を減らすことが可能となる。よって、井戸層の厚
さを厚くした場合でも、図１（ｃ）の通り、電子正孔対
のキャリア再結合確率を下げることなく、各層の格子定
数差から生じる臨界膜厚以下の範囲内で井戸層の厚さを
変えることができ、発光波長を制御することができる。
【００１８】本発明の半導体発光素子の製造方法は下記
の各工程を備える。基板に斜面を有する溝を形成する。
該斜面上に、該斜面から６２度傾いた（１−１０１）フ
ァセット面を成長表面として有し、一般式ＩｎxＧａyＡ
ｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ
≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層を形成す
る。上記（１−１０１）ファセット面上に、２ｎｍ以上
１０ｎｍ以下の厚さの複数の井戸層と、障壁層とを交互
に積層した活性層を形成する。
【００１９】上記の（１−１０１）ファセット面上に、
井戸層の膜厚を厚くした活性層を有する半導体発光素子
を作製することで、輝度も高く長波長の光を発光する窒
化物系の半導体発光素子を作製するととともに、１チッ
プにおいて厚さの異なる井戸層を積層することで多色発
光を可能とする活性層を有する発光素子を容易に作製す
ることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】本発明について、以下に実施の形
態を示しつつ説明する。
【００２１】＜実施の形態１＞図２は本実施の形態にお
ける窒化物半導体膜の（１−１０１）ファセット面７０
を形成するための概念図、図１０は、このような手法を
用いて作製した（１−１０１）ファセット面７０の上に
形成した窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図
である。
【００２２】本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、
図１０に示すように、シリコン基板１と、該シリコン基
板１の主面上に形成した化合物半導体層とを備える。シ
リコン基板１は、（００１）面から７．３度［０−１−
１］方向に傾けた、すなわち（００１）面から［０１−
１］軸のまわりで７．３度回転した主面６０、あるいは
この面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた主面を
有する。該シリコン基板１を用いることで、極めて平坦
な（１−１０１）面を成長表面として有し、一般式Ｉｎ
xＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体
膜（たとえばＧａＮ膜）が得られる。
【００２３】しかし、ピエゾ電界を減らすことを主眼と
した場合、シリコン基板１以外の基板も使用可能であ
る。たとえば、基板をエッチングすることで窒化物系半
導体膜のｃ軸が成長しやすい斜面を形成し、この斜面か
ら６２度傾いた（１−１０１）面を成長表面として有
し、上記一般式で表される窒化物系半導体膜を成長さ
せ、（１−１０１）面を主面として用いることで、同様
の結果が得られる。したがって、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｉ
ｎＰ、ＳｉＣ基板等をも使用可能である。
【００２４】シリコン基板１の主表面上には、シリコン
酸化膜、シリコン窒化膜、もしくは誘電体多層反射膜か
らなるマスク５２を選択的に形成する。シリコン基板１
は、マスク５２で覆われていない部分に溝を有し、溝
は、シリコン基板１の主面より６２度傾斜した面である
（１１１）ファセット面か、もしくはこの面から任意の
方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する。
【００２５】溝の（１１１）ファセット面上にｎ−Ａｌ
ＧａＩｎＮ中間層１０を介してＧａＩｎＮからなる三角
柱状結晶１１を形成し、三角柱状結晶１１上に、第１の
クラッド層２、量子井戸層３ａと障壁層４との積層構造
（活性層）を形成する。該活性層は、ベース層のｃ軸方
向と交差する方向に積層される。すなわち、化合物半導
体層は、該化合物半導体層のｃ軸に加わる歪による電界
が低減されるように形成される。
【００２６】上記の積層構造上に、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ
からなるキャリアブロック層５、マグネシウムがドープ
されｐ型の第２のクラッド層６を形成する。さらに、シ
リコン基板１下面には電極１５が、第２のクラッド層６
の上面には透明電極１７が設けられ、透明電極１７の上
面の一部には、ボンディング電極１６が設けられてい
る。
【００２７】第２のクラッド層６は抵抗が大きいので、
第２のクラッド層６の一端へ直接ボンディング電極１６
のみから電流、即ち正孔を注入しても、電流密度がＩｎ
xＧａ1-xＮからなる発光層の全域において均一とならな
いおそれがある。そこで、ボンディング電極２のクラッ
ド層６との間に、第２のクラッド層６のほぼ全面にわた
る薄膜の透明電極１７を設けている。それにより、多く
の発光光を取り出すことができる。
【００２８】ここで、ｐ型のＧａＮからなる第２のクラ
ッド層６に接続される透明電極１７には、２０ｎｍ以下
の膜厚の金属を用いればよく、Ｔａ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｎ
ｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕのいずれかを含むこ
とが望ましい。
【００２９】また、ｎ型のシリコン基板１の裏面に形成
される電極１５には金属を用いればよく、Ａｌ，Ｔｉ，
Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，のいずれかを含むことが望まし
い。
【００３０】なお、図１０の例は、ファセット面上に半
導体素子を単数形成したものであるが、図１１の通り、
この半導体素子を複数並べ、その後、ｐ側の透明電極１
７を成膜しても構わない。ただし、この場合、透明電極
１７を形成することにより、それぞれの三角柱状結晶１
１の側面が短絡するおそれがあるため、図１７に示すと
おり、透明電極１７を形成する前に、スパッタリング、
フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用い、シリ
コン酸化膜やシリコン窒化膜等からなる絶縁膜１８を１
００ｎｍの厚さで形成する。
【００３１】本実施例においては、ＩｎxＧａ1-xＮ発光
層はＧａxＩｎ1-xＮの組成ｘおよびその膜厚を変えるこ
とにより、バンド間発光の波長を紫外から赤色まで変化
させることができる。
【００３２】従来例ではピエゾ電界の効果により、井戸
層の厚さが３ｎｍにおいて再結合確率が最も高く発光効
率も高かった。しかし、本実施の形態では、井戸層の厚
さを厚くしても、発光効率の低下が見られないため、厚
さと共に量子効果が減少することで長波長化が生じ、活
性層の厚さと固相組成とが一意に定まらない。
【００３３】そこで本願では、ＩｎxＧａ1-xＮ活性層の
固相の組成がＸ＝０．１８からなる条件において、４６
０ｎｍで青色発光を示す３ｎｍの厚さからなる井戸層に
ついて組成と厚さの関係を一例として記述する。
【００３４】なお、本明細書において、窒化物半導体と
は、主にＩＩＩ族元素とＮ元素より構成された化合物半
導体であって、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ，ｙ≦
１）の他、そのＩＩＩ族元素の一部（２０％程度以下）
をＢ，Ａｌ等の他の元素で置換した結晶や、そのＮ元素
の一部（１０％程度以下）をＡｓ，Ｐ，Ｓｂ等の他の元
素で置換した結晶を含む。
【００３５】次に、本実施の形態の発光素子の製造方法
について図３〜図９を参照しつつ説明する。
【００３６】まず、シリコン基板１を洗浄し、そのシリ
コン基板１の主面６０上に、スパッタリングもしくはＣ
ＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ）の技術を用い、図３に示すように、シリコン酸
化膜等からなるマスク５２を１００ｎｍ堆積させる。
【００３７】ところで、シリコン基板１は青、緑、赤色
等の可視の領域の光を吸収する。そこで、本発明の実施
の形態１の半導体発光素子においては、より光の取出し
効率を上げるため、このマスク５２に誘電体多層反射膜
を用いる。それにより、ランプに封止した場合の発光強
度を上げることが可能となる。
【００３８】例えば、４６０ｎｍを中心波長とした青の
発光素子を作製する場合、このマスク５２にＳｉＯ
2（７９ｎｍ）／ＺｒＯ2（５５ｎｍ）を３ペア組み合わ
せることで、光の取りだし効率を上げることができた。
【００３９】その後、フォトリソグラフィおよびエッチ
ング技術を用い、図３に示す通りマスク５２を部分的に
除去し、マスク５２をストライプ状に形成する。さら
に、そのシリコン基板１を、ＫＯＨからなるアルカリエ
ッチング液（エッチャント）、もしくはエチレンジアミ
ン、ピロカテコール、水の混合溶液からなるエッチャン
トによって、図４の如く、エッチングする。それによ
り、シリコン基板１に、選択的にシリコン（１１１）フ
ァセット面６１を有する溝を形成する。
【００４０】この溝は、シリコン［０１−１］方向に延
伸したストライプ状の溝である。またこの（１１１）フ
ァセット面６１は、シリコン基板１の主面６０を上記所
定の面方位としたことで形成され、これに対して６２度
の関係を有している。この面は、従来知られているエッ
チャントの温度を適宜調整し、エッチング速度を調整す
ることで容易に形成できる。
【００４１】ところが、本願発明者等の数々の実験によ
り、この成長方法を用いる場合、シリコン基板１と窒化
物半導体膜界面付近において、転位が発生し横方向
（（１１１）ファセット面６１と平行な方向）に延びる
ことが判明した。その転位が窒化物半導体膜を貫通し、
その上に活性層を積層した場合には、部分的に発光効率
の低い個所が見られた。
【００４２】そこで、これを回避する手段として、シリ
コン（１１１）ファセット面６１形成のためのエッチン
グを行う際に、上記の転位の広がる領域の厚さの分だけ
マスク５２の端部より深くエッチングを行う。このよう
にシリコン基板１を深くエッチングする（オーバーエッ
チング部２１１を形成）ことで、図１５の通り、基板界
面近傍で折れ曲がって延びる転位２０１による窒化物半
導体膜（三角柱状結晶１１）の貫通を未然に防ぐことが
できる。
【００４３】上記の溝を形成したシリコン基板１をＭＯ
ＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置内に導入
し、水素（Ｈ2）雰囲気の中で、約１１００℃の高温で
クリーニングを行なう。
【００４４】続いて図５に示すように、所定の（１１
１）ファセット面６１から結晶成長を優先的に行わせる
ため、溝表面上に選択的にシリコン窒化膜、シリコン酸
化膜、誘電多層反射膜等のマスク５２を形成し、それ以
外の溝表面領域を露出させる。つまり、窒化物半導体の
成長が抑制されるような材料で溝表面を選択的に覆う。
【００４５】なお、上述のオーバーエッチングが不充分
な場合、図５の状態で再びアルカリエッチャント液を用
いて適宜オーバーエッチング深さを調整してもよい。
【００４６】その後、キャリアガスとしてＮ2を１０
（ｌ／ｍｉｎ．）流しながら、８００℃でＮＨ3とトリ
メチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム
（ＴＭＩ）、ＳｉＨ4（シラン）ガスを、それぞれ５
（ｌ／ｍｉｎ．）、１０（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、１７
（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、０．１（μｍｏｌ／ｍｉ
ｎ．）導入して、約１０ｎｍの厚みのシリコンドープＡ
ｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎからなる中間層１０を成膜する。
【００４７】次に、図６〜図８に示す通り、シリコン基
板１の主面に対し６２度の角度をなすファセット面６１
に対して、垂直な軸を窒化物半導体膜のｃ軸として結晶
成長が進行し、さらに窒化物半導体膜の（１−１０１）
ファセット面７０が平面として形成される。具体的に
は、８００℃で、ＴＭＡの供給を停止し、トリメチルガ
リュウム（ＴＭＧ）、ＴＭＩ、シリコンＨ4（シラン）
ガスを約２０（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、１００（μｍｏ
ｌ／ｍｉｎ．）、０．０５（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）それ
ぞれ導入し、約２ミクロンの大きさのシリコンドープＧ
ａ0.92Ｉｎ0.08Ｎからなる三角形柱状結晶１１を形成す
る。
【００４８】この三角柱状結晶１１としては、ＡｌＩｎ
Ｎ中間層１０を堆積した後、その成長温度を高温に上
げ、ＧａＮの膜としても構わなかったが、Ｉｎを含みＡ
ｌを含まないＧａＩｎＮからなる半導体を三角柱状結晶
１１として用いることで、高温に成長温度を上げること
なく低温成長が可能となり、クラックの発生が少なかっ
た。
【００４９】なお、三角柱状結晶１１の（１−１０１）
ファセット面７０の上に発光素子構造を形成してもよい
が、さらに窒化物半導体膜の成長を続け、図９に示すよ
うに連続膜１２を形成し、その上に半導体発光素子を形
成することも可能である。連続膜１２の上面も、（１−
１０１）ファセット面となる。
【００５０】続いて、図１０に示すように、ＴＭＩのみ
の導入を止めることでｎ−ＧａＮからなる第１のクラッ
ド層２を２００ｎｍの厚さで成長する。この第１のクラ
ッド層２としてＩｎを含みＡｌを含まないＧａＩｎＮか
らなる半導体層を用いることで、低温成長が可能とな
り、クラックの発生が少なかった。
【００５１】その後、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧの供給を
停止して、基板温度を７００℃まで降温し、インジウム
原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を５．２
（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、ＴＭＧを２．８（μｍｏｌ／
ｍｉｎ．）導入し、青色の領域で発光するＩｎ0.18Ｇａ
0.82Ｎよりなる８ｎｍ厚の量子井戸層３ａを成長する。
その後再び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４（μｍ
ｏｌ／ｍｉｎ．）導入しＧａＮよりなる障壁層４を成長
する。
【００５２】次に、基板温度を７６０℃までまで降温
し、同様の量子井戸層３ａを成長する。このように量子
井戸層３ａ，障壁層４の成長を繰り返し、青色の波長で
発光する３ペアーからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）から
なる活性層７を成長する。
【００５３】上記活性層７の成長が終了した後、最後の
障壁層４と同じ温度で、ＴＭＧを１１（μｍｏｌ／ｍｉ
ｎ．）、ＴＭＡを１．１（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、ＴＭ
Ｉを４０（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、ｐ型ドーピング原料
ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウムを
（Ｃｐ2Ｍｇ）を１０（ｎｍｏｌ／ｍｉｎ．）流し、５
０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.75Ｉｎ0.05Ｎキャリアブ
ロック層５を成長する。キャリアブロック層５の成長が
終了すると、同じ成長温度において、ＴＭＡの供給を停
止し、１００ｎｍ厚のｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ第２のクラ
ッド層６の成長を行ない発光素子構造の成長を終了す
る。
【００５４】発光素子構造の成長が終了すると、ＴＭ
Ｇ，ＴＭＩ及びＣｐ2Ｍｇの供給を停止し室温まで冷却
した後、そのウエハをＭＯＣＶＤ装置より取り出す。そ
の後、各半導体素子のｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層からなる
第２のクラッド層６の上面それぞれに透明電極１７を形
成し、さらにその上の一部にボンディング電極１６を、
シリコン基板１の下面に電極１５を形成し、さらにダイ
シング装置を用い、３００μｍ角に分割することで、本
実施の形態の発光素子が完成する。
【００５５】次に、Ｇａ1-xＩｎxＮのＩｎ組成と井戸層
の厚さによる発光素子の輝度の変化を下記の表１に示
す。
【００５６】
【表１】
【００５７】表１に示すように、従来Ｃ面上に成長した
活性層７の井戸層の膜厚が２ｎｍから４．５ｎｍの範囲
の場合に所定以上の輝度が得られていたのに対し、本実
施例の基板（ファセット面）を用いることで、井戸層の
厚さが２．０ｎｍから１０．０ｎｍ広い範囲で所定以上
の輝度が得られているのがわかる。井戸層の厚さは、好
ましくは２．０ｎｍから８．０ｎｍ、さらに好ましくは
４．５ｎｍより大きく８．０ｎｍ以下の範囲である。井
戸層の厚さをこのように厚くすることにより、長波長で
発光効率の高い半導体発光素子が得られる。
【００５８】なお、活性層７の井戸層の厚さが１０．０
ｎｍ以上に厚くなると活性層７内の格子定数差から生じ
る歪が大きくなるため転位が増殖され、発光効率の低下
を導くものと考えられる。したがって、井戸層の厚さ
は、８ｎｍ以下であることが特に好ましい範囲であると
推測される。
【００５９】このようにサファイア上にＣ面を主面とし
て用いた半導体発光素子に比べ、厚い井戸層を積層した
活性層７を有する構造を用いることで、バンドギャップ
のみを調整するだけでなく、より長波長で発光を可能と
する発光素子を容易に作製することが可能となり、ま
た、ピエゾ電界による影響を受けることが少ないため、
注入電流を変えても、色変化の少ない多色発光を呈する
素子を得ることが可能となる。
【００６０】＜実施の形態２＞次に、本発明の実施の形
態２について説明する。図１２は、本実施の形態２にお
ける窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図であ
る。
【００６１】図１２に示すように、本実施の形態では、
活性層７の構造が実施の形態１の発光素子とは異なって
いる。具体的には、本実施の形態２では、Ｉｎ0.25Ｇａ
0.75Ｎよりなる８ｎｍ厚の量子井戸層３ａ、Ｉｎ0.18Ｇ
ａ0.82Ｎよりなる４．５ｎｍ厚の井戸層３ｂ、Ｉｎ0.18
Ｇａ0.82Ｎよりなる３ｎｍ厚の井戸層３ｃを形成してい
る。それ以外の構造については、実施の形態１とほぼ同
様である。
【００６２】上記のような厚さの違った量子井戸層３
ａ，３ｂ，３ｃを順に積層した活性層７を有する構造を
用いることで、バンドギャップのみを調整するだけでな
く、１チップで多色発光を可能とする発光素子を容易に
作製することが可能となる。また、ピエゾ電界による影
響を受けることが少ないため、注入電流を変えても、色
変化の少ない多色発光を呈する素子を得ることが可能と
なる。
【００６３】なお、図１３に示すように、半導体素子を
複数並べ、その上に延在するようにｐ側の透明電極１７
を成膜しても構わない。ただし、透明電極１７を形成す
ることにより、それぞれの三角柱状結晶１１の側面が短
絡するおそれがあるため、図１３に示すとおり、透明電
極１７を形成する前にスパッタリング、フォトリソグラ
フィおよびエッチング技術を用い、シリコン酸化膜やシ
リコン窒化膜等からなる絶縁膜１８を１００ｎｍの厚さ
で形成する。
【００６４】次に、本実施の形態２の発光素子の製造方
法について説明する。実施の形態１と同様の工程を経
て、図８のように三角柱状結晶１１を成長し、この（１
−１０１）ファセット面７０の上につづけて発光素子構
造を形成する。なお、図９に示すように連続膜１２の上
に半導体発光素子を形成することも可能である。
【００６５】実施の形態１と同様の手法で、三角柱状結
晶１１の（１−１０１）ファセット面７０上に第１のク
ラッド層２を形成した後、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧの供
給を停止して、基板温度を７００℃まで降温し、インジ
ウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を５．
２（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、ＴＭＧを２．８（μｍｏｌ
／ｍｉｎ．）導入し、赤色の領域で発光するＩｎ0.25Ｇ
ａ0.75Ｎよりなる８ｎｍ厚の量子井戸層３ａを成長す
る。その後再び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４
（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）導入しＧａＮよりなる障壁層４
を成長する。
【００６６】次に、基板温度を７６０℃まで降温し、イ
ンジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を
６．５（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、ＴＭＧを２．８（μｍ
ｏｌ／ｍｉｎ．）導入し、緑色の領域で発光するＩｎ
0.18Ｇａ0.82Ｎよりなる４．５ｎｍ厚の井戸層３ｂを成
長する。その後再び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１
４（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）導入しＧａＮよりなる障壁層
４を成長する。
【００６７】続いて、基板温度を７６０℃まで降温し、
インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）
を６．５（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、ＴＭＧを２．８（μ
ｍｏｌ／ｍｉｎ．）導入し、青色の領域で発光するＩｎ
0.18Ｇａ0.82Ｎよりなる３ｎｍ厚の井戸層３ｃを成長す
る。その後再び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４
（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）導入しＧａＮよりなる障壁層４
を成長する。
【００６８】このように井戸層，障壁層の成長を繰り返
し、それぞれ別の波長で発光する３ペアーからなる多重
量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層７を成長する。それ
により、赤、青、緑で発光する複数の井戸層を有するこ
とで、一つのチップで白色に発光する素子の成長が行
え、なおかつ発光光の色合いの制御を行える。なお、量
子井戸層３ａ，３ｂ，３ｃの順序に関して、組成、厚
さ、発光波長の違いから構造上特性の差は見られなかっ
た。
【００６９】上記活性層７の成長が終了した後、実施の
形態１と同様の手法で、５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.20Ｇａ
0.75Ｉｎ0.05Ｎキャリアブロック層５を成長し、１００
ｎｍ厚のｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ第２のクラッド層６の成
長を行ない、第２のクラッド層６の上面に透明電極１７
を形成し、さらにその上の一部にボンディング電極１６
を、シリコン基板１下面に電極１５を形成し、さらにダ
イシング装置を用い、３００μｍ角に分割することで、
本実施の形態２の発光素子が完成する。
【００７０】＜実施の形態３＞次に、本発明の実施の形
態３について説明する。上述の実施の形態１、２におい
ては、（００１）面より７．３度傾けたシリコン基板上
の連続膜でない三角柱状結晶１１の上に直接発光素子構
造の作製を行なったが、図９のような、三角柱状結晶１
１を合体させた連続膜１２からなるＧａＮ基板を作製し
たのちに半導体発光素子を形成することも可能である。
【００７１】図１４に本実施の形態３の発光素子を示
す。図１４に示すように、本実施の形態３の発光素子で
は、シリコン基板１上に形成した連続膜１２上に第１の
クラッド層２を介して活性層７を形成している。また、
シリコン基板１にオーバーエッチングを施してオーバー
エッチング部２１１を形成し、溝上にマスク５２を突出
させている。このマスク５２の突出部により転位２０１
が連続膜１２の成長表面である（１−１０１）ファセッ
ト面に達するのを阻止している。それ以外は、実施の形
態２の発光素子と同様である。
【００７２】なお、図１４には、シリコン基板１を残し
た構造の発光素子を示したが、ＧａＮ基板を厚く形成
し、シリコン基板１を除去してもよい。
【００７３】次に、本実施の形態３における発光素子の
製造方法について説明する。実施の形態１と同様の処理
を行ったシリコン基板１に、ＭＯＣＶＤ法を用い、Ａｌ
ＩｎＮ中間層１０の成長を行う。続いて、ＧａＮの結晶
成長を（１１１）ファセット面６１上に開始する。ここ
で成長する窒化物半導体は、斜面に対して＜０００１＞
方向が垂直となるように配向する。さらに、成長した窒
化物半導体結晶の上面には、基板主面にほぼ平行にＧａ
Ｎ（１−１０１）ファセット面７０が現れ、成長途中の
段階ではストライプ方向に伸びた三角柱状結晶１１とな
る。続いて、成長が進むにしたがって、三角柱状結晶１
１の径は大きくなり、ついには隣接する三角柱状結晶１
１同士が接触するようになる。さらに成長を続けると、
分離していた各三角柱状結晶１１は合体し、図９に示す
ように、表面に平坦なＧａＮ（１−１０１）ファセット
面をもったＧａＮ結晶の連続膜１２が得られることにな
る。
【００７４】さらには次に述べる成長方法を用い、その
ＧａＮ結晶を厚くし、その上に半導体発光素子を作製し
ても構わない。
【００７５】例えば、シリコン基板１をＨＶＰＥ（ハイ
ドライドＶＰＥ）装置内に導入し、Ｎ2キャリアガスと
ＮＨ3をそれぞれ５（ｌ／ｍｉｎ．）流しながら、シリ
コン基板１の温度を約１０５０℃まで昇温する。その
後、シリコン基板１上にＧａＣｌを０．１（ｌ／ｍｉ
ｎ．）導入してＧａＮの厚膜の成長を開始する。
【００７６】ＧａＣｌは約８５０℃に保持されたＧａ金
属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。また、シ
リコン基板１近傍まで単独で配管してある不純物ドーピ
ングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意
に成長中に不純物のドーピングを行なうことができる。
【００７７】本実施例ではシリコンをドーピングする目
的で、成長を開始すると同時に、モノシラン（Ｓｉ
Ｈ4）を２００（ｎｍｏｌ／ｍｉｎ．）供給（シリコン
不純物濃度約３．８ｘ１０18ｃｍ-3）してシリコンドー
プＧａＮ膜を成長する。
【００７８】上記方法で、８時間の成長を行ない、膜厚
の合計が約３５０μｍの厚さのＧａＮをシリコン基板１
上に成長する。成長後、研磨ないしはエッチングにより
シリコン基板１を除去し、（１−１０１）面を有する極
めて平坦なＧａＮ基板を得る。こうして、本実施の形態
によれば、（１−１０１）面を表面に有するＧａＮ基板
を得ることができる。
【００７９】本実施の形態３においては、実施の形態１
のように厚さの同じ井戸層を積層した単色で発光する半
導体発光構造を採用してもよいが、実施の形態２のよう
に多色で発光する半導体発光構造を採用することも可能
である。以下の説明では、多色で発光する半導体発光構
造の製造方法を述べる。
【００８０】上記のようなＧａＮ結晶の連続膜１２もし
くはシリコン基板１を除去したＧａＮ基板上に、一旦、
１０００℃において、ｎ型のＧａＮからなる第１のクラ
ッド層２を積層させる。
【００８１】この第１のクラッド層２は、Ｉｎを含みＡ
ｌを含まないＧａＮ連続膜１２と同じＧａＮで構成して
もよいが、Ｉｎを含みＡｌを含まないＧａＩｎＮからな
る第１のクラッド層２を用いることで、活性層７との格
子定数が近づき、転位が減ることで、発光効率の高い半
導体素子が得られる。
【００８２】その後、実施の形態２と同様の手法で、赤
色の領域で発光するＩｎ0.25Ｇａ0. 75Ｎよりなる８ｎｍ
厚の量子井戸層３ａ、緑色の領域で発光するＩｎ0.18Ｇ
ａ0. 82Ｎよりなる４．５ｎｍ厚の井戸層３ｂ、青色の領
域で発光するＩｎ0.18Ｇａ0. 82Ｎよりなる３ｎｍ厚の井
戸層３ｃ、ＧａＮよりなる障壁層４、５０ｎｍ厚のｐ型
Ａｌ0.20Ｇａ0.75Ｉｎ0.05Ｎキャリアブロック層５、１
００ｎｍ厚のｐ型Ｇａ 0.9Ｉｎ0.1Ｎからなる第２のクラ
ッド層６の成長を行ない発光素子構造の成長を終了す
る。成長が終了すると、ＴＭＧ，ＴＭＩ及びＣｐ2Ｍｇ
の供給を停止し、室温まで冷却した後、ＭＯＣＶＤ装置
より取り出す。
【００８３】その後、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層からなる
第２のクラッド層６の上面に透明電極１７を、さらにそ
の上の一部にボンディング電極１６を、ＧａＮ基板下面
に電極１５を形成し、さらにダイシング装置を用い、３
００μｍ角に分割することで、図１４に示す本実施の形
態３の発光素子を作製することができる。
【００８４】ただし、実施の形態１と同様に、シリコン
基板１と窒化物半導体膜界面付近において転位が発生す
るので、これを回避するためにシリコン（１１１）ファ
セット面６１形成のためのエッチングを行う際に、転位
２０１の広がる領域分だけ深くエッチングを行う。それ
により、図１４に示すように、オーバーエッチング部２
１１を設けることができ、転位２０１が連続膜１２を貫
通してその表面に達することを未然に防ぐことができ
る。
【００８５】＜実施の形態４＞次に、本発明の実施の形
態４について説明する。本実施の形態４においては、実
施の形態２の応用例として、三角柱状結晶１１上へ、
赤、緑、青の三原色など、様々な発光波長で発光する多
層からなる井戸層を有する三角柱状半導体発光素子１５
０を結晶成長により作製する。
【００８６】具体的な構造としては、図１６に示すよう
に、個々の三角柱状半導体発光素子１５０上に、透明電
極１７および単色波長透過膜１５１ａ，１５１ｂ，１５
１ｃを積層する。単色波長透過膜１５１ａ，１５１ｂ，
１５１ｃは、赤、青、緑等それぞれの発光素子１５０の
井戸層７から発せられる発光、つまり単色のみをそれぞ
れ選択的に透過する例えば誘電体多層膜からなる。この
単色波長透過膜１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃは、誘電
体多層反射膜に限らず、液晶でも、着色された樹脂であ
っても構わない。
【００８７】さらにシリコン基板１上に、図１６のユニ
ットを複数並べ、それぞれ個々に制御して光らせるよう
にしてもよい。たとえば、図１７に示すように、三角柱
状半導体発光素子を集積化したディスプレイを作製する
ことができる。
【００８８】以上のように、この発明の実施の形態につ
いて説明を行ったが、今回開示した実施の形態はすべて
の点で例示であって制限的なものではないと考えられる
べきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって
示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での
全ての変更が含まれることが意図される。
【００８９】
【発明の効果】本発明によれば、基板の主面より６２度
の傾斜した面、もしくはこの面から任意の方向に３度以
内の範囲で傾いた面上に化合物半導体層を成長させてい
るので、化合物半導体層に含まれる井戸層の厚さを厚く
することができる。それにより、電子正孔対のキャリア
再結合確率を下げることなく発光波長を制御することが
可能となる。また井戸層を複数積層することで、１チッ
プからなる多色発光素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）〜（ｃ）は、発光メカニズムを示した
概念図である。
【図２】 窒化物半導体膜の（１−１０１）ファセット
成長の様子を示した概念図である。
【図３】 本発明の発光素子の製造工程の第１工程を示
す斜視図である。
【図４】 本発明の発光素子の製造工程の第２工程を示
す斜視図である。
【図５】 本発明の発光素子の製造工程の第３工程を示
す斜視図である。
【図６】 本発明の発光素子の製造工程の第４工程を示
す斜視図である。
【図７】 本発明の発光素子の製造工程の第５工程を示
す斜視図である。
【図８】 本発明の発光素子の製造工程の第６工程を示
す斜視図である。
【図９】 シリコン基板上に窒化物半導体の連続膜を形
成した状態を示す斜視図である。
【図１０】 実施の形態１の半導体発光素子構造を示す
断面図である。
【図１１】 実施の形態１の半導体発光素子構造の変形
例を示す断面図である。
【図１２】 実施の形態２の半導体発光素子構造を示す
断面図である。
【図１３】 実施の形態２の半導体発光素子構造の変形
例を示す断面図である。
【図１４】 実施の形態３の半導体発光素子構造を示す
断面図である。
【図１５】 窒化物半導体膜の（１−１０１）ファセッ
ト成長に際し生じ得る転位を示した概念図である。
【図１６】 実施の形態４の半導体発光素子構造を示す
斜視図である。
【図１７】 実施の形態４の半導体発光素子を集積化し
たディスプレイを示す斜視図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板、２ 第１のクラッド層、３ａ、３
ｂ、３ｃ 量子井戸層、４ 障壁層、５ キャリアブロ
ック層、６ 第２のクラッド層、７ 活性層、１０ 中
間層、１１ 三角柱状結晶、１２ 連続膜、１５ 電
極、１６ ボンディング電極、１７ 透明電極、１８
絶縁膜、５２ マスク、６１ （１１１）ファセット
面、７０ （１−１０１）ファセット面、１５０ 半導
体発光素子、１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ 単色波長
透過膜、２０１ 転位、２１１ オーバーエッチング
部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小出 典克 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 山本 健作 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA11 CA05 CA23 CA33 CA34 CA40 CA65 CA74 CA75 CA88 CB11 CB25 CB29 DB07 EE25 FF01

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、該基板上に形成され一般式Ｉｎ
    xＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦
    １，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体
    層とを備え、 前記基板は、該基板の主面より６２度傾斜した面かもし
    くはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面
    を斜面として有する溝を有し、 前記化合物半導体層は前記斜面上に形成されるベース層
    と、該ベース層上に形成される活性層とを含み、 前記活性層は、井戸層と障壁層を交互に積層した構造か
    らなり、前記活性層の井戸層の厚さが２ｎｍ以上１０ｎ
    ｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 【請求項２】 前記井戸層の厚さは、２ｎｍ以上８ｎｍ
    以下である、請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項３】 基板と、該基板上に形成され一般式Ｉｎ
    xＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦
    １，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体
    層とを備え、 前記基板は、該基板の主面より６２度傾斜した面か、も
    しくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた
    面を斜面として有する溝を有し、 前記化合物半導体層は前記斜面上に形成されるベース層
    と、該ベース層上に形成される活性層とを含み、 前記活性層を、前記ベース層のｃ軸方向と交差する方向
    に積層したことを特徴とする半導体発光素子。
  4. 【請求項４】 前記活性層は、（１−１０１）面を面方
    位として有することを特徴とする、請求項１から３のい
    ずれかに記載の半導体発光素子。
  5. 【請求項５】 前記活性層は、厚さの異なる井戸層を複
    数有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか
    に記載の半導体発光素子。
  6. 【請求項６】 前記活性層は、赤、青、緑で発光する複
    数の井戸層を有することで、ひとつのチップで白色に発
    光することを特徴とする、請求項５に記載の半導体発光
    素子。
  7. 【請求項７】 前記基板は、シリコン基板であることを
    特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の半導体
    発光素子。
  8. 【請求項８】 前記斜面上に複数の前記化合物半導体層
    が集積され、個々の前記化合物半導体層が具備する活性
    層が複数の発光波長の光を発光する井戸層を有し、前記
    化合物半導体層上に透過膜を備えた、請求項１から７の
    いずれかに記載の半導体発光素子。
  9. 【請求項９】 前記透過膜は、前記井戸層の複数のスペ
    クトルからなる発光を選択的に透過する機能を備えた膜
    である、請求項８に記載の半導体発光素子。
  10. 【請求項１０】 前記溝は基板上に複数設けられ、前記
    各溝の斜面上に形成された化合物半導体層を、結晶成長
    にしたがって合体させることを特徴とする請求項１から
    ９のいずれかに記載の半導体発光素子。
  11. 【請求項１１】 基板に斜面を有する溝を形成する工程
    と、 前記斜面上に、前記斜面から６２度傾いた（１−１０
    １）ファセット面を成長面として有し、一般式ＩｎxＧ
    ａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０
    ≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層を形
    成する工程と、 前記（１−１０１）ファセット面上に、２ｎｍ以上１０
    ｎｍ以下の厚さの複数の井戸層と、障壁層とを交互に積
    層した活性層を形成する工程と、を備えた、半導体発光
    素子の製造方法。
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