JP2004111493A - 窒化物半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的とするところは、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させるものであり、さらには素子からの光取り出し効率を向上させるものであり、最も目的とするところは、素子の上方への光取り出し効率を向上させるものである。
【解決手段】基板と、基板上面に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層が順に積層されてなる窒化物半導体発光素子であって、ｎ型窒化物半導体層は、露出された上面を少なくとも２つ有し、かつ高さの異なる上面の間には、ほぼ垂直な側面を有することを特徴とする。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に窒化物半導体と異なる基板上に形成された窒化物半導体発光素子において、発光効率の高い素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体発光素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）では、基本的には基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を積層構造に成長させる一方、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層の上に電極を形成し、半導体層から注入される正孔と電子の再結合によって活性層において光が発生すると、その光をｐ型窒化物半導体層の上面側から、又は基板から取り出すようにした構造が採用されている。そして、ｐ型窒化物半導体層上には、透光性電極や金属膜からなるメッシュ状の電極などが採用されている。尚、透光性電極とは、ｐ型窒化物半導体層のほぼ全面に形成された金属薄膜又は透明導電膜からなる光透過性の電極のことである。
【０００３】
近年、窒化物半導体発光素子において、光を外部に効率よく取り出す研究が様々な視点から成されている。いわゆる光取り出し効率の向上が求められている。窒化物半導体発光素子は、活性層から発光された光は、窒化物半導体中を伝搬し、外部に放出される。特に、窒化物半導体の界面において、活性層から発光された光は、臨界角よりも小さい場合には、外部に放出されるが、臨界角よりも大きい場合には、全反射し、窒化物半導体中をさらに伝搬する。臨界角とは入射する平面に対し、鉛直方向を基準としたときの、鉛直方向からの角度をさし、窒化物半導体の屈折率と、窒化物半導体に接する、電極や基板、空気や封止樹脂などの屈折率とによって決まる角度である。即ち、活性層からの光は、臨界角よりも大きい場合、窒化物半導体中で反射を繰り返し、窒化物半導体中を伝搬する。特に、ｐ型窒化物半導体層上に形成される透光性電極や金属膜からなるメッシュ状の電極（以下、これらを総称してｐ電極とすることがある。）と基板に入射する光は、臨界角以上で入射すると、反射を繰り返し、窒化物半導体中を横方向に伝搬していく（図１（ａ）のようになる）。そして、その光は窒化物半導体発光素子の側面に当たるときに、外部に放出されやすい。しかしながら、光が反射を繰り返し、外部に放出されるまでには、反射の際、また窒化物半導体中を伝搬する際に、光は吸収され、減衰してしまう。特に、ｐ電極との界面において反射する際の光の吸収は非常に大きい。
【０００４】
例えば、窒化物半導体層の膜厚を大きくし、外部に放出されるまでの光の反射回数を少なくすることで、光取り出し効率を高めるＬＥＤが開示されている（図１（ｂ）のようになる）。（特許文献１参照）
また、活性層から外部に光が取り出されるまでの、光の吸収を少なくする目的で、あらかじめ基板にディンプル加工して、そのディンプル加工面に窒化物半導体層を成長させる研究が成されている。このディンプル加工とは、基板にくぼみを形成することで、基板は凹凸を有し、活性層からの光、またｐ電極から反射した光が、基板に当たるときの、臨界角を意図的に変えて、外部に光が取り出されやすくするものである。特にサファイア基板にディンプル加工する研究が成されている。
【０００５】
さらにまた、サファイアを基板とする窒化物半導体発光素子をウエハからチップにする際、窒化物半導体層側からサファイア基板に達するまでエッチングまたはダイシングし、サファイア基板を露出した位置でチップ化する技術が多く開示されている。（特許文献２参照）
【特許文献１】特開２００１−７３９３号公報（第２−４頁、第１図、第２図）。
【０００６】
【特許文献２】特開平５−３４３７４２号公報（第３頁、第３図）。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板として、ディンプル加工された基板を用いる場合、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層との接合面が平滑になりにくく、窒化物半導体発光素子の発光特性を不安定にさせてしまう。そこで活性層を成長させる前のｎ型窒化物半導体層の膜厚を大きくして、できるだけ平滑な面を形成し、活性層とｐ型窒化物半導体層を積層する必要がある。
【０００７】
さらにｎ型窒化物半導体層の膜厚を大きくすると、図１（ｂ）のように、ｐ電極と基板での反射回数を少なくでき、窒化物半導体発光素子の側面側から光が外部に取り出される光が増える。さらに、上面側へ取り出される光はそれほど変わらない。このことから、ｐ電極側、つまり上方向に取り出される光よりも、窒化物半導体発光素子の側面側、つまり横方向に取り出される光の割合が大きくなってしまい、ｐ電極側、上方向へ効率よく光が取り出せなくなる。側面側に取り出される光は、窒化物半導体発光素子の外部に反射板を設けることで光を上方に取り出されやすくはできるが、外部にわざわざ反射板を設ける必要があり、また反射板でも光は一部吸収してしまうので、必ずしも好ましいとは言えない。
【０００８】
また、ｎ型窒化物半導体層の膜厚を大きくすると、窒化物半導体発光素子の製造工程上で問題が生じる。まず、窒化物半導体層の膜厚が厚くなることから、サファイアなどの基板との熱膨張差に起因する歪みが大きくなり、基板上に窒化物半導体層を積層したウエハをチップ化する際に、チップ化が困難になったり、チップの割れや欠けが生じてしまう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、これらの問題を鑑み、成されたものであり、具体的には、以下の構成からなる。
【００１０】
（１）　基板と、基板上面に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層が順に積層されてなる窒化物半導体発光素子であって、前記ｎ型窒化物半導体層は、露出された上面を少なくとも２つ有し、かつ高さの異なる前記上面の間には、ほぼ垂直な側面を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【００１１】
（２）　前記窒化物半導体発光素子は、基板上面が一部露出されてなることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体発光素子。
【００１２】
（３）　前記ｎ型窒化物半導体層は、前記窒化物半導体発光素子の中央部に近い側に第１の上面を、中央部から遠い側に第２の上面を有し、該第２の上面は第１の上面よりも低い位置にあることを特徴とする前記（１）または（２）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【００１３】
（４）　前記ｎ型窒化物半導体層は、ｎ型窒化物半導体層と活性層との接合面から連続する第１の側面と、第１の上面と第２の上面との間に位置する第２の側面と、第２の上面と露出された基板上面との間に位置する第３の側面とを有することを特徴とする前記（３）に記載の窒化物半導体発光素子。
【００１４】
（５）　前記第１の上面と第２の側面とは連続してなり、前記第２の上面と第３の側面との間には、それぞれに連続してなる傾斜面を有することを特徴とする前記（３）または（４）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【００１５】
（６）　基板と、基板上面に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層が順に積層されてなる窒化物半導体発光素子であって、前記ｎ型窒化物半導体層は、露出された上面をｍ個（ただしｍは３以上の整数）有し、かつ高さの異なる前記上面の間には、ほぼ垂直な側面を有することを特徴とする前記（１）から（５）のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
【００１６】
（７）　前記窒化物半導体発光素子は、基板上面が一部露出されてなることを特徴とする前記（６）に記載の窒化物半導体発光素子。
【００１７】
（８）　前記ｎ型窒化物半導体層は、窒化物半導体発光素子の中央部に近い側に第（ｍ−１）の上面を、中央部から遠い側に第ｍの上面を有し、該第ｍの上面は第（ｍ−１）の上面よりも低い位置にあることを特徴とする前記（６）または（７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【００１８】
（９）　前記ｎ型窒化物半導体層は、第（ｍ−１）の側面と、第（ｍ−１）の上面と第ｍの上面との間に位置する第ｍの側面と、第ｍの上面と露出された基板上面もしくは第（ｍ＋１）の上面との間に位置する第（ｍ＋１）の側面と、を有することを特徴とする前記（８）に記載の窒化物半導体発光素子。
【００１９】
（１０）　前記第（ｍ−１）の上面と第ｍの側面との間には、それぞれに連続してなる第（ｍ−２）の傾斜面を有し、前記第ｍの上面と第（ｍ＋１）の側面との間には、それぞれに連続してなる第ｍの傾斜面を有することを特徴とする前記（９）に記載の窒化物半導体発光素子。
【００２０】
（１１）　前記第ｍの傾斜面は複数の傾斜面が連続してなることを特徴とし、前記第（ｍ−１）の傾斜面の個数は、第ｍの傾斜面の個数より少ないことを特徴とする前記（１０）に記載の窒化物半導体発光素子。
【００２１】
（１２）　基板と活性層との間のｎ型窒化物半導体の膜厚が、５μｍ以上であることを特徴とする前記（１）から（１１）のうちいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。
【００２２】
（１３）　前記基板は、窒化物半導体との接合面に、規則的に配列されたディンプルが形成されてなることを特徴とする前記（１）から（１２）のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【００２３】
（１４）　第１の工程として、基板上にｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とを順に積層する工程と、第１の工程後、第２の工程として、ｐ型窒化物半導体層にマスク層を形成し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまでエッチングする工程と、第２の工程後、第３の工程として、前記マスク層を一部除去し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまでエッチングする工程と、第３の工程後、第４の工程として、マスク層を一部除去し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまで、かつ一部は基板が露出するまでエッチングする工程を具備することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【００２４】
（１５）　第１の工程後、第２の工程と第３の工程を複数回繰り返して行い、最後の第３の工程後、第４の工程を行うことを特徴とする前記（１４）に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の目的とするところは、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させるものであり、さらには素子からの光取り出し効率を向上させるものであり、最も目的とするところは、素子の上方への光取り出し効率を向上させるものである。
【００２６】
本発明は素子の形状に特徴を有し、光を素子の上方に取り出しやすくする。図２は基板２０１上面にｎ型窒化物半導体層１０１、活性層１０２、ｐ型窒化物半導体層１０３が順に積層されて、さらにｎ型窒化物半導体層は、窒化物半導体発光素子の上方を向いた上面が２つ露出されており、さらに基板上面が一部露出されている。また２つのｎ型窒化物半導体層を第１の上面と第２の上面とすると、第１の上面と第２の上面と基板上面との間には、ｎ型窒化物半導体層の側面がそれぞれ露出されている。
【００２７】
これまではｎ型窒化物半導体層の上面はｎ電極を形成するために、１つの面が露出されているだけであったが、さらにｎ電極形成面とは異なる面を設けることで、上方への光取り出し効率を高めることができる。詳説すると、活性層から放出される光の多くは、基板とｐ電極との間で反射を繰り返し、横方向に伝搬し、素子の側面側から光が取り出されやすくなる。その横方向に伝搬する光が素子の側面近くまで達する。従来は、側面近くに達した光は、ｎ型窒化物半導体層の側面もしくは、ｎ電極が形成されるｎ型窒化物半導体層の上面から外部に取り出されていたが、本発明では、第１の上面と、第２の上面を有し、それぞれの上面に伝搬してきた光が当たると、その面から外に光が取り出されるようになり、光は上方へと出ていく。第１の上面および第２の上面のうち、どちらか一方にはｎ電極が形成されるが、ｎ電極が形成されない上面では、接する面の屈折率が異なることから、臨界角もそれまでの反射の角度とは変わり、外部に取り出されやすくなる。図２は第１の上面にｎ電極３０２が形成されているが、第１の上面においても、ｎ電極の面積は外部と電気的に接続できたらよいので、ｎ電極は第１の上面の全面に形成する必要はないが、好ましくは第１の上面、つまりｎ型窒化物半導体層に形成される上面のうち、一番高い位置に形成することが好ましい。なぜなら、ｎ電極に入射する光は、一部が吸収されるのでｎ電極での反射回数を少なくする方が良いからである。
【００２８】
また、窒化物半導体発光素子の中央部に近い側を第１の上面、中央部から遠い側を第２の上面とするとき、第２の上面を第１の上面よりも低い位置に形成する。つまり、活性層から離れるにつれて、上面を低い位置に形成していく。例えば第１の上面に当たった光は一部が上面から上方に取り出され、一部は上面で反射し、さらに横方向に伝搬していく。その反射した光のうち一部は、次の上面で一部が上方に取り出されるようになる。つまり素子の中央部から離れるにつれて、それぞれの上面ごとに、上方へ出される光も弱くなっていくので、素子上方への指向特性がよくなる。これとは逆に第１の上面を第２の上面よりも低い位置に形成した場合、ｎ型窒化物半導体層と活性層との接合面と第１の上面との間に位置する第１の側面と、第１の上面と第２の上面との間に位置する第２の側面とが対向して存在するため、第１の上面から上方に取り出された光は、第１の側面と第２の側面との間で、反射を繰り返しながら素子の上方に出ていく。その繰り返して反射している間に光は徐々に減衰していき、取り出し効率が悪くなってしまう。さらに、素子上方への指向特性にムラが生じやすくなり、複数の素子を実装したユニットなどに用いるときに好ましくない。
【００２９】
つまり、ｎ型窒化物半導体層を、ｎ型窒化物半導体層と活性層との接合面から連続する第１の側面と、第１の上面と第２の上面との間に位置する第２の側面と第２の上面と露出された基板上面との間に位置する第３の側面とを有するように、ｎ型窒化物半導体層を階段状に形成することで、上方への光取り出し効率の高い素子を得ることができるのである。
【００３０】
本発明の窒化物半導体発光素子は、第１の上面と第２の側面とは連続して形成され、第２の上面と第３の側面との間に、それぞれに連続してなる第１の傾斜面を有することが好ましい。活性層から放出された光の多くは、素子内で、反射を繰り返し、横方向に伝搬していく。その伝搬する光の多くは、素子の側面側から放出されるが、本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層に第１の上面と第２の上面を形成している。そのとき、上面と側面との間が９０°の角を有していると、その角に光が集中してしまい、角部が他より強く光って見える（図３（ａ）参照）。上面と側面との間で反射を繰り返す光が角部に集中するからである。そこで、第２の上面と第３の側面との間に、それらの面に連続した第１の傾斜面を設ける。そうすることで、面と面のなす角度が９０°よりも大きくなり、光が分散されるので、角部における光の集中を低減させることができる（図３（ｂ）参照）。本発明の窒化物半導体発光素子は、素子のほぼ中央部より鉛直上方に光軸を有し、光軸方向の光強度をできるだけ大きくすることを特徴とすることから、光強度は、光軸からずれるにつれて徐々に小さくなっていく。このとき、活性層から離れた位置において、傾斜面を形成することで、徐々に光強度が小さくなることで、上面側からの光強度を大きくすることができる。
【００３１】
これまでは、ｎ型窒化物半導体層が高さの異なる２つの上面を有する場合について述べてきたが、上面が２つより多い場合であっても、同様の効果を奏する。つまり、ｎ型窒化物半導体層にｍ個（ただしｍは３以上の整数とする）の上面がある場合、窒化物半導体発光素子の中央部に近い側の第（ｍ−１）の上面よりも低い位置に、中央部から遠い側の第ｍの上面を有することで、上方への光取り出し効率を高めることができる。また、第（ｍ−１）の側面と、第（ｍ−１）の上面と第ｍの上面との間に位置する第ｍの側面と、第ｍの上面と露出された基板上面または第（ｍ＋１）の上面との間に位置する第（ｍ＋１）の側面と、を形成し、ｎ型窒化物半導体層を階段状にすることで、上方への光取り出し効率を高め、指向特性にムラのない良好な窒化物半導体発光素子を得ることができる。さらに、第（ｍ−１）の上面と第ｍの側面との間には、それぞれに連続してなる第（ｍ−２）の傾斜面を形成し、第ｍの上面と第（ｍ＋１）の側面との間には、それぞれに連続してなる第（ｍ−１）の傾斜面を形成することで上面と側面との間の角部における光の集中を低減させることができる。さらに、第（ｍ−１）の傾斜面は複数の傾斜面が連続して形成され、第（ｍ−２）の傾斜面の個数は、第（ｍ−１）の傾斜面の個数より少なくすることで、光軸方向からずれていくときの光強度の減少をなだらかにすることができ、好ましい指向特性を得ることができる。たとえば、ｍが３から成るとき、第２の上面と第３の側面との間には、第１の傾斜面を有し、第３の上面と第４の側面との間には、第２の傾斜面を有する。このとき、第２の傾斜面は連続してなる複数の傾斜面を有する。例えば、図４に示すように、第２の傾斜面が３個の傾斜面からなるとき、第１の傾斜面の個数は第２の傾斜面の個数３よりも少なく、１個とする。上面と側面との間の傾斜面の数を増やせば増やすほど、光はそれぞれの面に分散されることを利用し、活性層から離れるにつれて、角部での傾斜面の数を増やすことで、光軸方向からずれていくときの光強度の減少をなだらかにすることができるからである。
【００３２】
本発明の窒化物半導体発光素子は、基板と活性層との間のｎ型窒化物半導体の膜厚が、５μｍ以上であるときに、顕著な効果を示す。ｎ型窒化物半導体層の膜厚を大きくすることで、ｐ電極と基板との間で反射を繰り返し、窒化物半導体層中を横方向に伝搬する光の減衰を防ぐことができるが、窒化物半導体発光素子を作製する上で、ｐ電極およびｎ電極を形成時に、通常フォトリソグラフィ技術を用いる。具体的には、レジストなどをマスク材として、電極非形成部にマスクを形成し、全面に電極材料を形成後、マスク形成部はマスクから除去することで、部分的に（非マスク形成部に）、電極が形成されるような、リフトオフ法を用いている。その際、ｎ型窒化物半導体層の膜厚が大きいために、図５（ａ）に示すように、レジスト５０１が均一に塗布できない。とくに側面と上面との間の角部において、レジスト５０１は非常に薄くなってしまい、角部に電極の材料が形成されてしまう傾向にある。また、レジストを厚く塗布することも可能であるが、レジストを厚く形成すると、パターニング精度が悪くなるので、厚くするのは好ましくない。そこで、本発明のようなｎ型窒化物半導体層１０１に異なる高さの上面を形成することで、高段差部をなくし、マスク材を均一に塗布しやすくできる。図５（ａ）と図５（ｂ）を比較すると、図５（ａ）のｎ型窒化物半導体層１０１の上面を１つだけ設けて、その面にｎ電極を形成する、従来の窒化物半導体素子の形状では、ｎ型窒化物半導体層の上面と側面との間の角部において、レジストが極端に薄くなっているが、図５（ｂ）のように上面を２つ設けると、レジスト５０１は角部においても形成されるようになる。これは、レジストが流動性を持つためであり、レジストの粘度などにも左右されるが、だいたい５μｍよりも厚い段差があると、角部において、レジストが塗布されにくくなる傾向にある。そこで、ｎ型窒化物半導体層１０１が５μｍよりも大きいときに、高さの異なる上面を複数設けることで、レジストが良好に形成され、信頼性の高い窒化物半導体発光素子を得ることが可能となる。このことから、例えばｎ型窒化物半導体層が１０μｍある場合には、ｎ型窒化物半導体層に高さの異なる上面を３つ形成するとよい。レジストの被覆性を考慮する場合、ｎ型窒化物半導体層に形成される段差のうち、高さ（側面における高さに相当する）は５μｍ以下が好ましい。また、段差の幅は（上面における幅に相当する）は５μｍ以上にすることで、その上面でレジストが一度平坦化されるので、複数の段差を設ける場合に好ましい。
【００３３】
本発明の窒化物半導体発光素子は、基板が窒化物半導体との接合面に、規則的に配列されたディンプルが形成されてなるときに、顕著な効果を示す。本発明の目的とするところは、特に素子の上方への光取り出し効率を向上させるものである。そこで、基板にあらかじめ凹凸を形成し、その上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させることで、活性層から放出された光が、またｐ電極から反射した光が基板に当たるときの入射角を、凹凸を形成しない場合の基板に当たるときの入射角と変えることで、外部に光が取り出されやすくすることができる。特に好ましくは、凹凸形成部の凸部を、メサ状に形成することで、凹部と凸部をつなぐ面に入射した光の多くが、上下方向に進路を変えて進むようになる。つまり、凹凸を形成すること、とくに凸部をメサ状にすることで、基板に入射する光のうち、臨界角よりも大きい角度で入射する光を減らし、臨界角よりも小さい角度で入射する光を増やすことが可能となる。また、ディンプルを形成することで、基板上に成長される窒化物半導体層は、基板の凹凸の形状を反映し成長されるため、窒化物半導体層成長面が平滑になりにくい。特に、活性層が平滑でなく、凹凸を有してしまうと、発光特性における歩留が悪くなってしまうので、好ましくない。そこで、ディンプルが形成された基板を用いるときには、基板と活性層との間のｎ型窒化物半導体層の膜厚を５μｍ以上とすることが好ましい。これにより、活性層は平滑な面が得られ、素子の上方への光取り出し効率が高く、歩留もよい窒化物半導体発光素子を得ることができる。本発明において、凹凸を有するディンプル形状とは、凹部および凸部には、平面が存在するものをさす。また、凹凸の具体的に好ましい基板の形状としては、凹部側面のテーパ角（＝凹部の底面と側面のなす角）が１０５°以上、好ましくは１１５°以上でかつ、１６０°以下、好ましくは１５０°以下、さらに好ましくは１４０°以下とする。これにより素子上方への光取り出し効率が高い素子が得られる。また基板の形状として、凹部の深さ、凸部の段差が５ｎｍ以上で、ｎ型窒化物半導体層の膜厚以下とすることで、光が基板に当たるときの入射角を、凹凸を形成しない場合の基板に当たるときの入射角と変えるときの、臨界角よりも大きい角度で入射する光を減らし、臨界角よりも小さい角度で入射する光を増やす効果が顕著にあらわれる。
【００３４】
本発明において、ｎ型窒化物半導体層１０１、活性層１０２およびｐ型窒化物半導体層１０３は、いずれも窒化物半導体からなり、好ましくはＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなる。またいずれの層もＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）、すなわちＧａを含む窒化物半導体を少なくとも１層有する。ｎ型窒化物半導体層１０１およびｐ型窒化物半導体層１０３は、複数の層から成り、クラッド層として機能する層を少なくとも有する。またｎ型窒化物半導体層１０１においては、基板との接合面に、基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるための、バッファ層を有する。また活性層１０２は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造のいずれでも良く、好ましくは、井戸層と障壁層とが繰り返し積層されてなる多重量子井戸構造とする。
【００３５】
さらに、本発明は、ｐ型窒化物半導体層１０３の最上面にはｐ電極が３０１、ｎ型窒化物半導体層の複数の上面のうち、いずれか１つの上面には、ｎ電極３０２が形成されてなり、いずれの電極も、少なくとも一部が、接する窒化物半導体層と好ましいオーミック性が得られるように形成されている。
【００３６】
次に本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００３７】
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、第１の工程として、基板上にｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とを順に積層する工程と、第１の工程後、第２の工程として、ｐ型窒化物半導体層にマスク層を形成し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまでエッチングする工程と、第２の工程後、第３の工程として、前記マスク層を一部除去し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまでエッチングする工程と、第３の工程後、第４の工程として、マスク層を一部除去し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまで、かつ一部は基板が露出するまでエッチングする工程を具備することを特徴とする。さらには、第１の工程後、第２の工程と第３の工程を複数回繰り返して行い、最後の第３の工程後、第４の工程を行うことを特徴とする。
【００３８】
基板上に窒化物半導体を形成して得られる窒化物半導体発光素子は、ｐ電極とｎ電極を同一面側に形成する必要があるため、ｐ型窒化物半導体層の一部にマスクを形成し、非マスク形成部をＲＩＥ等のエッチングにより、ｎ型窒化物半導体層を露出させ、その露出面にｎ電極を形成する。本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、さらにｎ電極を形成するｎ型窒化物半導体層の露出面とは異なる第２の露出面を設けるものである。
【００３９】
以下に図を用いて、本発明の製造方法を詳細に説明する。図６から図１４は、本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程を順に示したものである。
【００４０】
まず図６のように、基板２０１上にｎ型窒化物半導体層１０１と活性層１０２とｐ型窒化物半導体層１０３を積層する。基板２０１は好ましくはサファイア基板とする。またｎ型窒化物半導体層１０１と活性層１０２とｐ型窒化物半導体層１０３は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなる。またいずれの層もＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）、すなわちＧａを含む窒化物半導体を少なくとも１層有する、複数の層から成ることが好ましい。
【００４１】
次に図７のように、ｐ型窒化物半導体層１０３の一部にマスク層４０１を形成する。ＡｌＩｎＧａＮ系の窒化物半導体層をＲＩＥ等でエッチングする際に好ましく用いられるマスク層の材料としては、ＳｉＯ_２が挙げられる。マスク層４０１を図７のように、パターニングして形成する方法としては、レジストを用いた通常のパターニング方法が用いられる。
【００４２】
次に、図８のように、ｐ型窒化物半導体層１０３上の一部にマスク層４０１を形成後、ＲＩＥにより窒化物半導体をエッチングし、ｎ型窒化物半導体層１０１を露出する。ここで、この工程により露出するｎ型窒化物半導体層１０１の露出面を第１の領域とする。
【００４３】
次に、図９のように、最初に形成したマスク層４０１の一部を除去する。最初に形成したマスク層よりも小さいマスク層を、パターニングして形成する。マスク層４０１の一部を除去する方法は、同様にレジストを用い、非マスク除去部にのみレジストを塗布し、マスク層のみが選択的にエッチングされるガスを用いて、ＲＩＥで除去するか、ウェットエッチングで除去する。いずれを用いて除去してもよいが、精度良く除去するにはＲＩＥを用いるのがよい。
【００４４】
そして、図１０のように、マスク層４０１の一部を除去後、さらにＲＩＥにより、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまでエッチングする。マスク層を除去した部分において、ｐ型窒化物半導体層１０３と活性層１０２とｎ型窒化物半導体層１０１の一部がエッチングされ、ｎ型窒化物半導体層１０１が露出する。ここで、この工程により、あらたに露出されたｎ型窒化物半導体層の領域を第２の領域とする。また第１の領域、すなわち最初のエッチングで露出したｎ型窒化物半導体層１０１は、さらにエッチングされるので、最初の露出面よりも低い位置にｎ型窒化物半導体層１０１の露出面が形成される。このとき第１の領域と第２の領域との間に高低差が生じ、第１の段差部が形成される。
【００４５】
次に、図１１のように、マスク層４０１の一部をさらに除去する。先に形成したマスク層よりも小さいマスク層を、パターニングして形成する。
【００４６】
そして、図１２のように、マスク層４０１の一部を除去後、さらにＲＩＥにより、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層１０１が露出するまでエッチングする。マスク層４０１を除去した部分において、ｐ型窒化物半導体層１０３と活性層１０２とｎ型窒化物半導体層１０１の一部がエッチングされ、ｎ型窒化物半導体層１０１が露出する。ここで、この工程により、あらたに露出されたｎ型窒化物半導体層１０１の領域を第３の領域とする。また第２の領域は、さらにエッチングされるので、第２の領域を形成した際の露出面よりもさらに低い位置にｎ型窒化物半導体層１０１の露出面が形成される。また第１の領域は、サファイア基板２０１が露出するまでエッチングする。つまり、この工程によるエッチングで、第３の領域はｎ型窒化物半導体層１０１が露出し、第２の領域は第３の領域よりも低い位置でｎ型窒化物半導体層１０１が露出し、第１の領域はサファイア基板２０１が露出する。第３の領域と第２の領域との間には、高低差が生じ、第２の段差部が形成される。また第２の領域と第１の領域との間には、さらにエッチングされた第１の段差部が形成される。
【００４７】
最後に図１３のように、マスク層４０１を除去し、図１４のように、ｐ型窒化物半導体層１０３にｐ電極３０１を、ｎ型窒化物半導体層の第２の段差部表面にｎ電極３０２を形成し、基板をチップ状に切断することで、窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【００４８】
ここで、第１および第２の段差部は、ｎ型窒化物半導体層の上面と側面とからなり、第２の段差部表面が第１の上面、第２の段差部側面が第２の側面、第１の段差部表面が第２の上面、第１の段差部側面が第３の側面に相当する。
【００４９】
本発明の製造方法は、窒化物半導体層を数回に分けてエッチングし、そのうち最後のエッチングにより、基板を露出させるので、複数の段差部が形成されるだけでなく、基板と窒化物半導体層との熱膨張係数差に起因する圧縮歪みや引張り歪みを緩和することができ、歩留の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【００５０】
また本発明の製造方法によると、ＲＩＥにより窒化物半導体をエッチングする際、エッチングされる窒化物半導体層に段差部を有する。段差部を有する窒化物半導体層をエッチングすると、段差部のうち、角部が特にエッチングされる。これはエッチングガスが特に角部に集中して当たるためで、角部は面取りされて、傾斜面が形成される。第２の段差部は、最後のエッチングにより形成された段差部であるので、傾斜面は形成されないが、第１の段差部は、最後のエッチングの際に既に形成されているので、角部がエッチングされ、傾斜面が形成される。ここで、第１の段差部傾斜面が第１の傾斜面に相当する。
【００５１】
さらに本発明の製造方法は、第１の工程として、基板上にｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とが順に積層する工程と、第１の工程後、第２の工程として、ｐ型窒化物半導体層にマスク層を形成し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまでエッチングする工程と、第２の工程後、第３の工程として、前記マスク層を一部除去し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまでエッチングする工程と、第３の工程後、第４の工程として、マスク層を一部除去し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまで、かつ一部は基板が露出するまでエッチングする工程を具備するものであり、第１の工程後、第２の工程と第３の工程を複数回繰り返し、最後に第４の工程を行うことで、ｎ型窒化物半導体層に複数の段差が階段状に形成され、上方への光取り出し効率を高め、指向特性にムラのない良好な窒化物半導体発光素子を得ることができる。さらに、段差部において、上面と側面との間の角部がエッチングされると、傾斜面を有するが、さらに傾斜面を有する段差部では、傾斜面と上面との角部、さらに傾斜面と側面との角部がエッチングされるので、３個の傾斜面が形成される。第２の工程と第３の工程を繰り返すことで、活性層から離れるほど、段差部は何回もエッチングされるので、活性層から離れるにつれて、角部での傾斜面の数が多い、窒化物半導体発光素子を得ることができる。活性層から離れるにつれて、角部での傾斜面の数を増やすことで、光軸方向からずれていくときの光強度の減少をなだらかにすることができる。
【００５２】
【実施例】
［実施例１］
基板としてＡ面（１１−２０）にオリフラのあるＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用い、規則的に配列されたディンプルを形成する。ディンプルは、凹凸が繰り返して形成され、凸部の段差は１μｍ、凸部側面の傾斜角は１２０°とする。
【００５３】
次にディンプルが形成されたサファイア基板の上に、ｎ型半導体層としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の低温成長バッファ層を１００Å、アンドープのＧａＮを３μｍ、ＳｉドープのＧａＮを４μｍ、アンドープのＧａＮを３０００Å積層し、続いて発光領域となる多重量子井戸の活性層として、（井戸層、障壁層）＝（アンドープのＩｎＧａＮ、ＳｉドープのＧａＮ）をそれぞれの膜厚を（６０Å、２５０Å）として井戸層が６層、障壁層が７層となるように交互に積層する。この場合、最後に積層する障壁層はアンドープのＧａＮとしてもよい。ｎ型窒化物半導体層の総膜厚が、約７μｍであるので、活性層は、基板の凹凸の形状が反映されることなく、平滑な面が得られる。
【００５４】
多重量子井戸の活性層を積層後、ｐ型半導体層として、ＭｇドープのＡｌＧａＮを２００Å、アンドープのＧａＮを１０００Å、ＭｇドープのＧａＮを２００Å積層する。ｐ型半導体層として形成するアンドープのＧａＮ層は、隣接する層からのＭｇの拡散によりｐ型を示す。
【００５５】
次にＭｇドープのＧａＮの一部にＳｉＯ_２から成るマスク層を形成し、非マスク形成部のｐ型窒化物半導体層と活性層とｎ型窒化物半導体層の一部までをエッチングし、ＳｉドープＧａＮ層を露出させる。
【００５６】
次に、ＭｇドープＧａＮ上のＳｉＯ_２の一部を除去し、非マスク形成部のｐ型窒化物半導体層と活性層とｎ型窒化物半導体層の一部までをエッチングし、ＳｉドープＧａＮ層を露出させると同時に、さきに露出されているＳｉドープＧａＮ層をさらにエッチングし、アンドープのＧａＮ層を露出させる。
【００５７】
次に、ＭｇドープＧａＮ上のＳｉＯ_２の一部をさらに除去し、非マスク形成部のｐ型窒化物半導体層と活性層とｎ型窒化物半導体層の一部までをエッチングし、ＳｉドープＧａＮ層を露出させると同時に、さきに露出されているＳｉドープＧａＮ層をさらにエッチングし、アンドープのＧａＮ層を露出させると共に、さきに露出されているアンドープＧａＮ層をさらにエッチングし、サファイア基板を露出させる。
【００５８】
次に、ＭｇドープＧａＮ上のＳｉＯ_２を除去し、ＭｇドープＧａＮの表面全面にＮｉ／Ａｕからなる透光性のｐ電極を、さらに透光性のｐ電極上において、ｎ電極形成部と対向する位置にＡｕからなるｐパッド電極を形成し、ｎ型窒化物半導体層の露出面のうち、ＳｉドープＧａＮ層の露出面にＷ／Ａｌ／Ｗからなるｎ電極およびＰｔ／Ａｕからなるｎパッド電極を形成する。
【００５９】
最後にウエハを四角形状にチップ化し、１ｍｍ□の半導体チップを得る。
［実施例２］
実施例１において、ｐ電極を金属膜からなるメッシュ状の電極にする。詳しくは、開口率５０％からなる開口であって、Ｒｈからなるｐ電極を、ｐ型半導体層表面のほぼ全面に形成する。さらにｐ電極上において、ｎ電極形成部と対向する位置にＡｕからなるｐパッド電極を形成し、ｎ型窒化物半導体層の露出面のうち、ＳｉドープＧａＮ層の露出面にＷ／Ａｌ／Ｗからなるｎ電極およびＰｔ／Ａｕからなるｎパッド電極を形成する。
【００６０】
最後にウエハを四角形状にチップ化し、１ｍｍ□の半導体チップを得る。
［実施例３］
実施例１において、ｐ電極を金属膜からなるメッシュ状の電極にする。詳しくは、開口率５０％からなる開口であって、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極を、ｐ型半導体層表面のほぼ全面に形成する。さらにｐ電極上において、ｎ電極形成部と対向する位置にＡｕからなるｐパッド電極を形成し、ｎ型窒化物半導体層の露出面のうち、ＳｉドープＧａＮ層の露出面にＷ／Ａｌ／Ｗからなるｎ電極およびＰｔ／Ａｕからなるｎパッド電極を形成する。
【００６１】
最後にウエハを四角形状にチップ化し、１ｍｍ□の半導体チップを得る。
［実施例４］
実施例１において、ｐ型窒化物半導体層としてＭｇドープＧａＮを成長させるまでは、実施例１と同様にする。
【００６２】
次にＭｇドープのＧａＮの一部にＳｉＯ_２から成るマスク層を形成し、非マスク形成部のｐ型窒化物半導体層と活性層とｎ型窒化物半導体層の一部までをエッチングし、ＳｉドープＧａＮ層を露出させる。
【００６３】
次に、ＭｇドープＧａＮ上のＳｉＯ_２の一部を除去し、非マスク形成部のｐ型窒化物半導体層と活性層とｎ型窒化物半導体層の一部までをエッチングし、ＳｉドープＧａＮ層を露出させると同時に、さきに露出されているＳｉドープＧａＮ層をさらにエッチングする。さらにＭｇドープＧａＮ上のＳｉＯ_２の一部を除去し、非マスク形成部をエッチングするという同様の工程を繰り返し、階段状にｎ型窒化物半導体層を形成する。最後のエッチングにおいては、最初のエッチングでＳｉドープＧａＮ層を露出させた面がサファイア基板に到達し、サファイア基板を露出させるようにする。
【００６４】
次に、ＭｇドープＧａＮ上のＳｉＯ_２を除去し、ＭｇドープＧａＮの表面全面にＮｉ／Ａｕからなる透光性のｐ電極を、さらに透光性のｐ電極上において、ｎ電極形成部と対向する位置にＡｕからなるｐパッド電極を形成し、ｎ型窒化物半導体層の露出面のうち、最も上に位置する、ＳｉドープＧａＮ層の露出面にＷ／Ａｌ／Ｗからなるｎ電極およびＰｔ／Ａｕからなるｎパッド電極を形成する。
【００６５】
最後にウエハを四角形状にチップ化し、１ｍｍ□の半導体チップを得る。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体発光素子は、素子の上方への光取り出し効率を向上させることができる。また本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法により、素子の上方への光取り出し効率を向上させた窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化物半導体層中の光の伝搬を示す模式図、
【図２】本発明の窒化物半導体発光素子を示す模式段面図、
【図３】本発明の窒化物半導体発光素子の特徴を説明するための模式段面図、
【図４】本発明の窒化物半導体発光素子の一実施の形態を示す模式断面図、
【図５】本発明の窒化物半導体発光素子の特徴を説明するための模式段面図、
【図６】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図、
【図７】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図、
【図８】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図、
【図９】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図、
【図１０】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図、
【図１１】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図、
【図１２】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図、
【図１３】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図、
【図１４】本発明の製造方法の一工程を説明する模式断面図。
【符号の説明】
１０１・・・ｎ型窒化物半導体層、
１０２・・・活性層、
１０３・・・ｐ型窒化物半導体層、
２０１・・・基板、
３０１・・・ｐ電極、
３０２・・・ｎ電極、
４０１・・・マスク層、
５０１・・・レジスト。

Claims (15)

1. 基板と、基板上面に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層が順に積層されてなる窒化物半導体発光素子であって、
   前記ｎ型窒化物半導体層は、露出された上面を少なくとも２つ有し、かつ高さの異なる前記上面の間には、ほぼ垂直な側面を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記窒化物半導体発光素子は、基板上面が一部露出されて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。
3. 前記ｎ型窒化物半導体層は、前記窒化物半導体発光素子の中央部に近い側に第１の上面を、中央部から遠い側に第２の上面を有し、該第２の上面は第１の上面よりも低い位置にあることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記ｎ型窒化物半導体層は、ｎ型窒化物半導体層と活性層との接合面から連続する第１の側面と、第１の上面と第２の上面との間に位置する第２の側面と、第２の上面と露出された基板上面との間に位置する第３の側面とを有することを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記第１の上面と第２の側面とは連続してなり、前記第２の上面と第３の側面との間には、それぞれに連続してなる傾斜面を有することを特徴とする請求項３または請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
6. 基板と、基板上面に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層が順に積層されてなる窒化物半導体発光素子であって、
   前記ｎ型窒化物半導体層は、露出された上面をｍ個（ただしｍは３以上の整数）有し、かつ高さの異なる前記上面の間には、ほぼ垂直な側面を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記窒化物半導体発光素子は、基板上面が一部露出されてなることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記ｎ型窒化物半導体層は、窒化物半導体発光素子の中央部に近い側に第（ｍ−１）の上面を、中央部から遠い側に第ｍの上面を有し、該第ｍの上面は第（ｍ−１）の上面よりも低い位置にあることを特徴とする請求項６または請求項７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記ｎ型窒化物半導体層は、第（ｍ−１）の側面と、第（ｍ−１）の上面と第ｍの上面との間に位置する第ｍの側面と、第ｍの上面と露出された基板上面もしくは第（ｍ＋１）の上面との間に位置する第（ｍ＋１）の側面と、を有することを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記第（ｍ−１）の上面と第ｍの側面との間には、それぞれに連続してなる第（ｍ−２）の傾斜面を有し、前記第ｍの上面と第（ｍ＋１）の側面との間には、それぞれに連続してなる第ｍの傾斜面を有することを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。
11. 前記第ｍの傾斜面は複数の傾斜面が連続してなることを特徴とし、前記第（ｍ−１）の傾斜面の個数は、第ｍの傾斜面の個数より少ないことを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
12. 基板と活性層との間のｎ型窒化物半導体の膜厚が、５μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のうちいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
13. 前記基板は、窒化物半導体との接合面に、規則的に配列されたディンプルが形成されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
14. 第１の工程として、基板上にｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とを順に積層する工程と、
    第１の工程後、第２の工程として、ｐ型窒化物半導体層にマスク層を形成し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまでエッチングする工程と、
    第２の工程後、第３の工程として、前記マスク層を一部除去し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまでエッチングする工程と、
    第３の工程後、第４の工程として、マスク層を一部除去し、非マスク形成部をｎ型窒化物半導体層が露出するまで、かつ一部は基板が露出するまでエッチングする工程を具備することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
15. 第１の工程後、第２の工程と第３の工程を複数回繰り返して行い、最後の第３の工程後、第４の工程を行うことを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。

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