JP2006191071A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】（イ）基板上に第１半導体層（３１）、活性層（３２）、及び第２半導体層（３３）を順次積層して形成する工程と、（ロ）第２半導体層（３３）の表面の一部領域にインサイチュでマスク層（３４）を蒸着する工程と、（ハ）第２半導体層（３３）及びマスク層（３４）上に半導体物質を蒸着し、第２半導体層（３３）上に凹凸構造の第３半導体層（３５）を選択的に成長させる工程と、を含む。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、発光素子に係り、さらに詳細には、窒化物半導体構造の半導体層にインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で凹凸構造を形成し、光抽出効率を向上させた窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
発光素子は、化合物半導体の特性を利用し、電気エネルギーを赤外線、可視光線、または、他の光の形態を発信するために使われる素子である。電気エネルギーを光エネルギーに変換するには、温度輻射及び発光（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）の二種類に大別される。この場合、発光には光の励起によるフォトルミネッセンス、Ｘ線や電子線の照射によって発生するカソードルミネッセンス及びＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）などがある。ここで、発光ダイオード（ＬＥＤ）はＥＬの一種であり、現在、III−Ｖ族化合物の半導体を利用したＬＥＤが実用化されている。
III族窒化物系の化合物半導体は、直接遷移型の半導体であり、他の半導体を利用した素子より高温で安定した動作を得ることができ、ＬＥＤやレーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）のような発光素子に広く応用されている。このようなIII族窒化物系化合物半導体は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、または、ＳｉＣを基板として利用し、その基板上に形成されるものが一般的である。近年では、発光効率、すなわち、光の抽出効率を向上させるために多様な構造のＬＥＤに関する研究が進められている。そのうちの一つが、ＬＥＤの活性層上部の半導体層に凹凸構造を形成して光抽出効率を向上させようとする研究である。
図１Ａ及び図１Ｂは、相異なる屈折率を有した物質層の界面での光の進行方向を説明するために供する図である。図１Ａは屈折率が相異なる物質が平坦な界面を有した場合、光が放出されているところを示した図、図１Ｂは屈折率が相異なる物質が凹凸界面を有した場合、光が放出されているところを示した図である 図１Ａを参照すれば、大きい屈折率を有した物質層１１から、それより小さな屈折率（ｎ＝１）を有した空気層１２に光が進もうとする場合、平坦な界面１３ａに所定の角度以上で入射しなければならない。所定の角度以下で入射する場合、平坦な界面１３ｂで全反射し、光抽出効率が大きく低下してしまう。従って、これを防止するために、界面の構造を非平坦化する方法がある。
図１Ｂを参照すれば、物質層１１と空気層１２との間の界面に平坦ではない凹凸構造界面１３ｂが形成されている。この結果、物質層１１から空気層１２に入射する位置の凹凸構造界面１３ｂで所定の角度以上の入射角を有することができ、光抽出効率を向上させることができる。
図２Ａは、前述のような凹凸構造を採用した発光素子の断面をＳＥＭで撮影した写真を示す図である。下部構造体２１上に、ｐ−電極２２、ｐ−ＧａＮ層２３、ＩｎＧａＮ活性層２４、ｎ−ＧａＮ層２５及びｎ−電極２６が順次積層され形成されている。ここで、ｎ−ＧａＮ層２５の表面に、凹凸構造２７が形成されていることが分かる。凹凸構造２７は、ＧａＮが前述のように空気層（ｎ＝１）より高い屈折率（ｎ＝２．５）を有するので、活性層２４で発生した光をｎ−ＧａＮ層２５を介して空気層へ容易に抽出することができるように、入射角を調節するために形成されたものである。図２Ｂでは、図２Ａの凹凸構造２７を表した写真である。この凹凸構造は、Ｈ３ＰＯ４のような物質を利用して湿式エッチングにより形成したものである。
しかし、従来技術では、凹凸構造を形成するためには、半導体発光素子の構造に形成する工程を進めた後、別途、化学的エッチング工程を実施しなければならないので、製造工程が複雑になり、生産効率が落ちてしまうという問題点がある。
本発明は前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、半導体発光構造体の形成工程と光抽出効率を向上させるための凹凸構造を形成する工程とをインサイチュで進め、光抽出効率を向上させた窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、（イ）基板上に第１半導体層、活性層、及び第２半導体層を順次積層して形成する工程と、（ロ）前記第２半導体層の表面の一部領域にインサイチュでマスク層を蒸着する工程と、（ハ）前記第２半導体層及び前記マスク層上に半導体物質を蒸着し、前記第２半導体層上に凹凸構造の第３半導体層を選択的に成長させる工程と、を含むことを特徴とする。
本発明において、前記（ロ）工程は、前記第２半導体層上にＳｉソース及びＮソースを投入して前記マスク層を形成することを特徴とする。
本発明において、前記Ｓｉソースは、トリエチルシラン（ＴＥＳｉ：ｔｒｉｅｔｈｙｌｓｉｌａｎｅ）、トリブチルシラン（ＴＢＳｉ：ｔｒｉｂｕｔｈｙ ｓｉｌａｎｅ）、ＤＴＢＳＩ（ｄｉｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｈｙｓｉｌａｎｅ）、シラン（ＳｉＨ４：ｓｉｌａｎｅ）、及びジシラン（Ｓｉ２Ｈ６：ｄｉｓｉｌａｎｅ）からなる群から選択される少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする。
本発明において、前記Ｎソースは、ＮＨ３を使用することができる。
本発明において、前記第１半導体層はｎ型半導体物質で形成し、前記第２半導体層はｐ型半導体物質で形成することを特徴とする。
本発明において、前記（イ）、前記（ロ）、及び前記（ハ）工程は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）工程により実施することができる。
また、前記目的を達成するために本発明係る半導体発光素子は、第１半導体層、活性層及び第２半導体層を含む半導体発光素子にであって、前記第２半導体層の表面の一部領域に形成されたマスク層と、前記マスク層が形成されていない前記第２半導体層の表面の領域に凹凸構造に形成された第３半導体層とを備えることを特徴とする。
本発明において、前記マスク層は、ＳｉｘＮｙを含む物質で形成されることを特徴とする。
本発明によれば、従来の半導体成長工程と別途のエッチング工程を介して形成されていた凹凸構造を有した半導体発光素子の製造工程を単純化し、一つの製造装備内で半導体素子のエピタキシャル成長工程と結合して半導体層に凹凸構造を形成することができる。この結果、生産効率を向上させると共に光抽出効率を向上させた半導体素子を得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の半導体素子及びその製造方法についてさらに詳細に説明する。
図３Ａは本発明の実施の形態に係る光抽出効率の向上した半導体発光素子の概略構成を示す図、図３Ｂは光抽出効率を向上させるための凹凸構造領域を示した図である。図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、基板３０上に、第１半導体層３１、活性層３２、及び第２半導体層３３が順次積層して形成されている。第２半導体層３３上の一部領域には、マスク層３４が形成されている。そして、マスク層３４が形成されていない第２半導体層３３上には、第３半導体層３５が形成されている。また、第３半導体層３５上には、透明電極３６が形成されており、透明電極３６上には、第１電極３７が形成されている。そして、第１半導体層３１上の活性層３２が形成されていない領域には、第２電極３８が形成されている。
ここで、第１半導体層３１がｐ型半導体物質から形成される場合、第２半導体層３３及び第３半導体層３５は、ｎ型半導体物質から形成される。そして、第１半導体層３１がｎ型半導体物質から形成される場合、第２半導体層３３及び第３半導体層３５は、ｐ型半導体物質から形成される。第１半導体層３１、活性層３２、第２半導体層３３、及び第３半導体層３５は、いずれも窒化物半導体物質から形成されることが望ましい。マスク層３４は、窒化シリコンから形成され、化学式は、ＳｉｘＮｙと表現される。
マスク層３４が形成されていない第２半導体層３３上に第３半導体層３５が形成されているので、第３半導体層３５は凹凸の形状（以下、「凹凸状」と称する。）を有する。本実施の形態に係る窒化物半導体の発光素子の場合、マスク層３４を導入することにより、第３半導体層３５の構造が凹凸状になるように誘導し、凹凸状の構造を介して半導体発光素子の活性層で発生した光の抽出効率を向上させることができる。
以下、図４Ａから図４Ｃを参照して、本発明の実施の形態に係る光抽出効率の向上した窒化物半導体発光素子の製造方法について詳細に説明する。
図４Ａを参照すれば、基板３０上に第１半導体層３１、活性層３２、及び第２半導体層３３を順次積層して形成する。この工程では、従来の一般的な半導体発光素子の構造を形成する工程であるＭＯＣＶＤまたはＭＢＥなどを利用できる。ＭＯＣＶＤ装置内で、ＧａＡｓ基板またはサファイア、ＳｉＣ、ＳｉまたはＧａＡｓ基板３０を使用し、その上部に第１半導体層３１としてｎ−ＧａＮを蒸着し、活性層３２としてＩｎＧａＮを蒸着し、第２半導体層３３としてｐ−ＧａＮをエピタキシ蒸着する。
次に、図４Ｂを参照すれば、第２半導体層３３上にマスク層３４を形成する。このとき、マスク層３４は、第２半導体層３３の全面に形成するのではなく、アイルランド構造に、第２半導体層３３上部の一部領域に形成する。マスク層３３には、図４Ａの半導体発光素子を形成する装置をそのまま利用し、望ましくは、ＳｉｘＮｙで形成する。これを詳細に説明すれば、次の通りである。
ＭＯＣＶＤ装置の反応チャンバ内で、第２半導体層３３まで形成させた後、Ｓｉ原料物質とＮ原料物質とを投入する。Ｓｉ原料物質は、例えば、ＴＥＳｉ、ＴＢＳｉ、ＤＴＢＳＩ、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６を使用することができる。そして、Ｎ原料物質は、ＮＨ３（アンモニア）を使用することができる。ＭＯＣＶＤ装置の反応チャンバ内に、Ｓｉ原料物質とＮ原料物質とを投入すれば、ＳｉＮｘが形成される。ここで、反応チャンバ内に投入するＳｉ原料物質とＮ原料物質の量を調節し、比較的少量を投入し、第２半導体層３３上の一部領域だけに間歇的にＳｉｘＮｙマスク層３４を形成する。マスク層３４の厚さは、数ｎｍから１００ｎｍに形成し、第２半導体層３３に比べて非常に薄く形成する。結果的に、第２半導体層３３上の一部領域にだけマスク層３４が形成され、その他の領域は、第２半導体層３３が露出されている形態となる。
次に、図４Ｃを参照すれば、第２半導体層３３上に第３半導体層３５を蒸着する。ここで、第３半導体層３５は、第２半導体層３３の物質と同じ物質で形成し、例えば、第２半導体層３３をｐ−ＧａＮで形成し、第３半導体層３５もｐ−ＧａＮで形成することができる。
第３半導体層３５は、第２半導体層３３の表面だけでエピタキシ成長が起き、ＳｉｘＮｙマスク層３４においてはエピタキシ成長があまり起こることはない。すなわち、まず、成長面方向に成長し、その構造は図４Ｃに示されているように、マスク層３４が形成された部分では成長されず、第２半導体層３３の露出領域だけで成長され、結果的に、第３半導体層３５は凹凸構造に成長されるということが分かる。その成長形態について述べれば、まず、露出された第２マスク層３３の表面で、上方にエピタキシャル成長され、マスク層３４より高い位置では、その側面にエピタキシャル成長される。そして、第３半導体層３５上の一部領域に透明電極（図示せず）などを形成すれば、半導体発光素子を完成することができる。
図４Ｃに示すように本実施の形態に係る凹凸構造は、従来技術に関する図２Ａに表した凹凸構造に対応し、活性層３２から発生する光を発光素子外部へ抽出する光抽出効率を向上させることができる。本実施の形態に係る光抽出効率を向上させた半導体発光素子の製造方法では、第２半導体層３３上の一部領域にＳｉｘＮｙマスク層３４を形成することにより、一つの工程装置内で別途、エッチング工程を行うことなく、簡単に凹凸構造を形成することができる。
図４Ｄは、前述の図４Ａから図４Ｃに示した製造工程により形成された本実施の形態に係る半導体発光素子の凹凸構造の表面をＳＥＭで撮影した写真を示した図である。図４Ｄを参照すれば、第２半導体層３３上に第３半導体層３５が形成されており、第２半導体層３３の一部領域にマスク層３４が形成されているということを確認することができる。
以上、本発明に係る半導体発光素子およびその製造方法を前記の実施の形態によって詳細に説明したが、これは本発明を単に例示したものである。本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば、本発明の思想と精神を逸脱することなく、本発明を修正または変更することができる。したがって、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって決定されなければならない。
本発明は、発光素子関連の技術分野に効果的に適用可能である。
屈折率が相異なる物質が平坦な界面を有した場合、光が放出されているところを表した図面である。 屈折率が相異なる物質が凹凸界面を有した場合、光が放出されているところを表した図面である。 従来技術による凹凸構造を有した窒化物半導体の発光素子の構造を表した図面である。 図２Ａの凹凸構造を採用した発光素子の断面をＳＥＭで撮影した写真を示す図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の概略構成を示す図である。 光抽出効率を向上させるための凹凸構造領域を示す図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の製造工程を示す図である。 図４Ａから図４Ｃにより製造された本発明の実施の形態による窒化物半導体発光素子の製造工程により製造された凹凸構造をＳＥＭで撮影したＳ写真を示す図である。
符号の説明
１１ 物質層、
１２ 空気層、
１３ａ 平坦な界面、
１３ｂ 凹凸構造界面、
２１ 下部構造体、
２２ ｐ電極、
２３ ｐ−ＧａＮ層、
２４ ＩｎＧａＮ活性層、
２５ ｎ−ＧａＮ層、
２６ ｎ電極、
２７ 凹凸構造、
３０ 基板、
３１ 第１半導体層、
３２ 活性層、
３３ 第２半導体層、
３４ マスク層、
３５ 第３半導体層、
３６ 透明電極、
３７ 第１電極、
３８ 第２電極。

Claims (8)

  1. 半導体発光素子の製造方法であって、
    （イ）基板上に第１半導体層、活性層、及び第２半導体層を順次に積層して形成する工程と、
    （ロ）前記第２半導体層の表面の一部領域にインサイチュでマスク層を蒸着する工程と、
    （ハ）前記第２半導体層及び前記マスク層上に半導体物質を蒸着し、前記第２半導体層上に凹凸構造の第３半導体層を選択的に成長させる工程と、
    を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  2. 前記（ロ）工程は、
    前記第２半導体層上にＳｉソース及びＮソースを投入して前記マスク層を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
  3. 前記Ｓｉソースは、ＴＥＳｉ、ＴＢＳｉ、ＤＴＢＳＩ、ＳｉＨ４、及びＳｉ２Ｈ６からなる群から選択される少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項２に記載の発光素子の製造方法。
  4. 前記Ｎソースは、ＮＨ３であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
  5. 前記第１半導体層はｎ型半導体物質で形成し、前記第２半導体層はｐ型半導体物質で形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
  6. 前記（イ）、前記（ロ）、及び前記（ハ）工程は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥ工程により行われることを特徴とする請求項１に記載の発光素子の製造方法。
  7. 第１半導体層、活性層、及び第２半導体層を含む半導体発光素子であって、
    前記第２半導体層の表面の一部領域に形成されたマスク層と、
    前記マスク層が形成されていない前記第２半導体層の表面の領域に凹凸構造に形成される第３半導体層と、
    を備えることを特徴とする半導体発光素子。
  8. 前記マスク層は、ＳｉｘＮｙを含む物質で形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
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