JP2006351965A - 曲面形成方法および半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】曲面を自由に制御することの可能な曲面形成方法およびその方法を用いて形成した半導体発光素子を提供する。
【解決手段】曲面形成方法は、第２クラッド層１３中の特定の元素の組成比ｆに応じてエッチングレートの異なるエッチャントにより、特定の元素が結晶成長方向に組成比ｆの分布を有する第２クラッド層１３を選択的に除去して、その表面に所定の曲面Ｓを形成する。例えば、エッチャントのエッチングレートをｒ（ｒは組成比ｆの関数となっている。）、エッチング時間をｔ、第２クラッド層１３のエッチング前の半径をＲとすると、（Ｒ−ｒｔ）＝２（ｐｙ）^0.5 を満たすように、組成比ｆを設定することにより、曲面Ｓをパラボラ形状とすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は化合物半導体表面を曲面に加工する曲面形成方法、およびその曲面形成方法を用いて形成された半導体発光素子に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）等の半導体発光素子の外部量子効率は、内部量子効率と光抽出効率との２つの要素からなり、これらの効率を改善することにより、長寿命、低消費電力、かつ、高出力の半導体発光素子を実現することが可能となる。ここで、前者の内部量子効率は、例えば、結晶欠陥や転位の少ない良質な結晶が得られるように成長条件を正確に管理したり、キャリア・オーバーフローの発生を抑制することの可能な層構造とすることにより改善される。一方、後者の光抽出効率は、活性層から発光した光が基板や活性層で吸収される前に出射窓に対して脱出円錐（エスケープ・コーン）角未満で入射する割合が多くなるような幾何形状や層構造とすることにより改善される。

そうした形状や構造の１つに、マイクロリフレクタと呼ばれる構造がある（特許文献１）。これは、光取り出し側とは反対側にメサ部を設けると共にそのメサ部の表面に高反射率のミラーを設けた構造であり、これにより、光取り出し側とは反対側に発光した光を光取り出し側に反射することができるようになっている。しかしながら、この構造では、光取り出し側とは反対側に発光した光は発光ダイオード内で複数回反射したのち出射されることとなるため、複数回反射する間に活性層で吸収されたり、脱出円錐角未満で光取り出し側に入射できずに再度活性層側に反射される割合が多い。そのため、光抽出効率を大幅に改善することは困難である。

そこで、光抽出効率をさらに改善するために、メサ部と高反射率のミラーとが接する面をパラボラ形状とする構造が考えられる（特許文献２）。この構造は、活性層の発光領域を点光源と仮定して曲面の焦点に配置すると、その発光領域から発光した光は１回の反射で光取り出し側に垂直に入射するようになっている。これにより、活性層での光の吸収を低減することができ、また、発光光が光取り出し側で反射されて再度活性層側に戻されることがないので、光抽出効率を大幅に改善することが可能である。

特表２００４−５０６３３１号公報 特開昭５９−１２１９８５号公報 特開平９−８２６６号公報

しかしながら、上記した特許文献２記載の構造はパラボラ形状の曲面を有しているため、その曲面を通常のエッチングプロセスで形成することは極めて困難であるという問題がある。なお、一般に、曲面を形成する方法としてリフロー法と呼ばれる手法が知られているが（特許文献３）、この手法は、レジストを加熱変形させ、湾曲形状を記憶させた状態でドライエッチングを行うものであり、レジストの溶融によるダレを利用したものである。そのため、曲面の形状を自由に制御することは極めて困難であり、ましてやパラボラ形状の曲面を形成することは到底不可能である。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、曲面の形状を自由に制御することの可能な曲面形成方法およびその方法を用いて形成した曲面を有する半導体発光素子を提供することにある。

本発明の曲面形成方法は、化合物半導体中の特定の元素の組成比に応じてエッチングレートの異なるエッチャントにより、特定の元素が結晶成長方向に組成比の分布を有する化合物半導体層を選択的に除去して、その表面に所定の曲面を形成するものである。

本発明の曲面形成方法では、化合物半導体中の特定の元素の組成比の分布を調整することにより曲面の形状が制御される。これにより、曲面を例えば、パラボラ形状とすることも可能である。

本発明の曲面形成方法によれば、化合物半導体中の特定の元素の組成比の分布を調整することにより曲面の形状を制御するようにしたので、任意の曲面を形成することができる。したがって、この曲面形成方法を用いることにより、任意の曲面を有する半導体発光素子を容易に実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面構造を表したものである。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の第２クラッド層１３Ａ中の特定の元素の組成比ｆの積層方向の分布を表したものである。なお、図１（Ａ）は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

この発光ダイオードは、基板１０の一面側に、第１クラッド１１、活性層１２、第２クラッド層１３およびコンタクト層１４をこの順に積層した積層構造を有する。コンタクト層１６の表面にはｐ側電極１６、基板１０の裏面にはｎ側電極１７がそれぞれ形成されている。この発光ダイオードは、活性層１２から発せられた発光光線を基板１０の開口Ｗから出射するように構成された上面発光型の発光素子である。

基板１０、第１クラッド１１、活性層１２、第２クラッド層１３およびコンタクト層１４は、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体によりそれぞれ構成されてなる化合物半導体層である。なお、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体とは、長周期型周期表における３Ｂ族元素のアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）と、５Ｂ族元素のリン（Ｐ）とを含む化合物半導体のことをいう。

基板１０は、活性層１２からの発光光を吸収することのない、光学的に透明な材料、例えば、ガリウム燐（ＧａＰ）などにより構成される。

活性層１２は、例えば、量子井戸層（図示せず）と障壁層（図示せず）とを交互に積層してなる多重量子井戸構造を備えており、アンドープＩｎ_a Ｇａ_1-a Ｐ（０＜ａ＜１）からなる量子井戸層とアンドープ（Ａｌ_b Ｇａ_1-b ）_1-c Ｉｎ_c Ｐ（０＜ｂ≦１，０＜ｃ＜１）からなる障壁層とを一組として、それを複数積層して構成される。また、活性層１２は、第２クラッド層１３と比べて十分に小さな体積からなる発光領域１２Ａを中心領域に有している。ここで、活性層１２のＩｎ組成比ａ，ｃおよびＡｌ組成比ｂは、発光波長や発光波長幅、光密度などを勘案して決定される。なお、活性層１３は、多重量子井戸構造以外の構造、例えば単一量子井戸構造やバルク構造を有するものであってもよい。

第１クラッド層１１は例えばｎ型（Ａｌ_d Ｇａ_1-d ）_1-e Ｉｎ_e Ｐ（０＜ｄ≦１，０＜ｅ＜１）により、第２クラッド層１３は例えばｐ型（Ａｌ_faＧａ_1-fa）_1-g Ｉｎ_g Ｐ（０＜ｆａ≦１，０＜ｇ＜１）によりそれぞれ構成される。また、第１クラッド層１１および第２クラッド層１３は、活性層１２より大きなバンドギャップを有する。ここで、第１クラッド層１１および第２クラッド層１３のＡｌ組成およびＩｎ組成は、活性層１１に対するキャリアの閉じ込め性や注入性などを勘案して決定される。

第２クラッド層１３は、組成比ｆが積層方向（結晶成長方向）に連続的に変化する特定の元素を含有しており、その特定の元素の組成比ｆに応じてエッチングレートｒの異なる（すなわち、エッチングレートｒが組成比ｆの関数となっている）エッチャントにより形成された曲面Ｓを有している。例えば、以下の式（１）を満たすように組成比ｆが設定されている場合には、曲面Ｓは、基板１０の表面に平行な軸（積層方向に垂直な軸）をＸ、基板１０の表面に垂直な軸（積層方向に平行な軸）をＹとすると、Ｙ軸上に焦点を有すると共にその焦点を基準として活性層１２とは反対側のＹ軸上に頂点を有する放物線を、Ｙ軸を回転軸として３６０°回転させることにより得られる面、いわゆるパラボラ形状の曲面となる。
（Ｒ−ｒｔ）＝２（ｐｙ）^0.5 …（１）

ここで、Ｒは第２クラッド層１３のエッチング前の半径、ｔはエッチング時間、ｐはパラボラ形状の曲面の焦点と頂点との距離、ｙはパラボラ形状の曲面の頂点から焦点側に向かう距離である。なお、パラボラ形状の曲面の焦点が活性層１２の発光領域１２Ａの中心部分と対応しているので、発光領域１２Ａはパラボラ形状の曲面の焦点およびその近傍に点光源として配置されている。

例えば、第２クラッド層１３Ａ（第２クラッド層１３のエッチング前の層）を、図１（Ｂ）に示したようなＡｌ組成比ｆａの分布を積層方向に有する（Ａｌ_faＧａ_1-fa）_1-g Ｉｎ_g Ｐにより構成し、かつ、図２に示したように、（Ａｌ_faＧａ_1-fa）_1-g Ｉｎ_g Ｐ中のＡｌ組成比ｆａに応じてエッチングレートの異なるエッチャント、例えば、加水すると共に約３０℃に加熱した硫酸（Ｈ₂ ＳＯ₄ ）により選択的に除去することにより、第２クラッド層１３の曲面Ｓを上記したようなパラボラ形状の曲面とすることができる。

ところで、第２クラッド層１３は、エッチャントにより除去されていない（またはほとんど除去されていない）残留部１８を有する。この残留部１８は、第２クラッド層１３のうち活性層１２近傍に設けられており、図１（Ｂ）に示したように、Ａｌ組成比ｆａが所定の値より小さな領域Ａに対応している。この領域Ａは、図２に示したように、（Ａｌ_faＧａ_1-fa）_1-g Ｉｎ_g Ｐのエッチングレートｒがほとんどゼロとなる領域に相当することから、残留部１８はエッチャントにより除去されずに（またはほとんど除去されずに）活性層１２表面に残留した部分に相当する。したがって、残留部１８はエッチングストップ層としての機能を有する。このように、第２クラッド層１３のうち活性層１２近傍の層にエッチングストップ層としての機能を持たせているので、第２クラッド層１３を選択的に除去する際に活性層１２が露出する虞がない。そのため、第２クラッド層１３と活性層１２との間に別途、光吸収層としての機能も有するエッチングストップ層を設ける必要はない。

コンタクト層１４は、例えばｐ型ＧａＰにより構成され、第２クラッド層１３の頂点およびその近傍の表面上に設けられている。

反射膜１５は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）層および銀（Ａｇ）層を曲面Ｓの表面にこの順に積層した構造を有しており、活性層１２からの発光光を高反射率で反射するようになっている。反射膜１５に含まれるＡｇ層は、コンタクト層１４と電気的に絶縁されている。なお、反射膜１５は、全指向性反射層により構成されていてもよい。

ｐ側電極１６は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をコンタクト層１４の表面にこの順に積層した構造を有しており、コンタクト層１６と電気的に接続されている。また、ｎ側電極１７は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とをこの順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。なお、ｎ側電極１７は、基板１０の裏面のうち曲面Ｓの開口部に対応する領域（開口Ｗに相当する）を取り囲むような態様で設けられている。

このような構成を有する発光ダイオードは、例えば次のようにして製造することができる。

この発光ダイオードを製造するためには、例えばＧａＡｓからなる基板１０上に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ホスフィン (ＰＨ₃ ) を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。

具体的には、まず、図３（Ａ）に示したように、基板１０の表面に、第１クラッド１１、活性層１２、第２クラッド層１３Ａ、コンタクト層１４Ａおよびレジスト層Ｔ１をこの順に積層させる。このとき、第２クラッド層１３Ａの特定の元素の組成比ｆが、所定の分布となるように原料ガスを調整する。

次に、図３（Ｂ）に示したように、第２クラッド層１３Ａの特定の元素の組成比ｆに応じてエッチングレートの異なるエッチャントにより第２クラッド層１３Ａを選択的に除去して曲面Ｓを形成する。

例えば、第２クラッド層１３Ａを、図１（Ｂ）に示したようなＡｌ組成比ｆａの分布を積層方向に有する（Ａｌ_faＧａ_1-fa）_1-g Ｉｎ_g Ｐにより構成し、かつ、図２に示したように、（Ａｌ_faＧａ_1-fa）_1-g Ｉｎ_g Ｐ中のＡｌ組成比ｆａに応じてエッチングレートの異なるエッチャント、例えば、加水すると共に約３０℃に加熱した硫酸（Ｈ₂ ＳＯ₄ ）により選択的に除去してパラボラ形状の曲面を形成する。その後、レジスト層Ｔ１を除去する。

次に、図４（Ａ）に示したように、コンタクト層１４Ａ上に、コンタクト層１４が形成されることとなる領域と対向する領域にレジスト層Ｔ２を形成する。その後、図４（Ｂ）に示したように、コンタクト層１４Ａを選択的に除去して、コンタクト層１４を形成したのち、レジスト層Ｔ２を除去する。

次に、図１（Ａ）に示したように、例えば真空蒸着法により、曲面Ｓの表面上に反射膜１５を、コンタクト層１４上にｐ側電極１６を、基板１０の裏面のうち曲面Ｓの開口部に対応する領域（開口Ｗに相当する）を除く領域にｎ側電極１７をそれぞれ形成する。このようにして、本実施の形態の発光ダイオードが製造される。

次に、本実施の形態の発光ダイオードの作用・効果について説明する。

本実施の形態の発光ダイオードでは、ｐ側電極１６とｎ側電極１７との間に所定の電圧が印加されると、ｎ側電極１７から電子が、ｐ側電極１６から正孔がそれぞれ活性層１２へ注入される。そして、この活性層１２に注入された電子と正孔が再結合することにより発光領域１２Ａから光子が発生し、その結果、発光光が基板１０の裏面から外部に出射される。

このとき、第２クラッド層１３Ａの特定の元素の組成比ｆが上記した式（１）を満たす場合には、エッチャントにより選択的に除去された第２クラッド層１３Ａの曲面Ｓはパラボラ形状の曲面となっており、さらに、発光領域１２Ａはそのパラボラ形状の曲面の焦点およびその近傍に点光源として配置されることとなる。これにより、発光領域１２Ａから発光した発光光のうち、開口Ｗ（光取り出し側）とは反対側に発光した光を１回の反射で開口Ｗにほぼ垂直に入射させることができる。その結果、活性層１２での光の吸収を低減することができ、また、発光光が光取り出し側で反射されて再度活性層１２側に戻されることがないので、光抽出効率を大幅に改善することができる。

また、上記したように、第２クラッド層１３のうち活性層１２近傍の層にエッチングストップ層としての機能を持たせているので、光吸収層としての機能を有するエッチングストップ層を別途設ける必要はない。これにより、第２クラッド層１３で光が吸収されることはほとんどないので、光抽出効率を悪化させる虞はない。

このように、本実施の形態の曲面形成方法では、第２クラッド層１３の特定の元素の組成比ｆの分布を調整すると共に、第２クラッド層１３中の特定の元素の組成比ｆに応じてエッチングレートの異なるエッチャントにより選択的に除去するようにしたので、その表面に任意の曲面Ｓを形成することができ、パラボラ形状の曲面を容易に形成することができる。

また、本実施の形態の半導体発光素子では、上記曲面形成方法を用いて曲面Ｓを形成するようにしたので、製造方法を複雑化することなく、光抽出効率を大幅に改善することが可能である。特に、曲面Ｓをパラボラ形状とした場合には、光抽出効率を大幅に改善することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、本発明の曲面形成方法をＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードに適用する場合を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＡｌＧａＡｓ系の発光ダイオードに適用することも可能である。具体的には、第２クラッド層のエッチング前の層を、上記実施の形態と同様、Ａｌ組成比ｋａの分布を積層方向に有するＡｌ_kaＧａ_1-kaＡｓ（０＜ｋａ≦１）により構成し、かつ、Ａｌ_kaＧａ_1-kaＡｓ中のＡｌ組成比ｋａに応じてエッチングレートの異なるエッチャント、例えば、フッ化アンモニウムとフッ酸との混合液により選択的に除去することにより、第２クラッド層の表面に任意の曲面Ｓを形成することができ、パラボラ形状の曲面を容易に形成することができる。

また、上記実施の形態では、本発明の曲面形成方法を発光ダイオードの製造に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の半導体素子の製造に適用することも可能である。

本発明の一実施の形態に係る発光ダイオードの断面構成図である。 Ａｌ組成比とエッチングレートとの関係を表す図である。 図１の発光ダイオードの製造工程を説明するための断面構成図である。 図３の続きの製造工程を説明するための断面構成図である。

符号の説明

１０…基板、１１…第１クラッド層、１２…活性層、１２Ａ…発光領域、１３，１３Ａ…第２クラッド層、１４，１４Ａ，１４Ｂ…コンタクト層、１５…反射膜、１６…ｐ側電極、１７…ｎ側電極、Ａ…領域、ｆ…第２クラッド層中の特定の元素の組成比、ｆａ…第２クラッド層中のＡｌ組成比、ｒ…エッチングレート、Ｒ…半径、ｐ…曲面の焦点と頂点との距離、Ｓ…曲面、ｔ…エッチング時間、Ｔ１，Ｔ２…レジスト層、Ｗ…開口、ｙ…曲面の頂点から焦点側に向かう距離。

Claims (10)

1. 化合物半導体中の特定の元素の組成比に応じてエッチングレートの異なるエッチャントにより、前記特定の元素が結晶成長方向に組成比の分布を有する化合物半導体層を選択的に除去して、その表面に所定の曲面を形成する
   ことを特徴とする曲面形成方法。
2. 前記曲面が、結晶成長方向に垂直な軸をＸ、結晶成長方向に平行な軸をＹとすると、Ｙ軸上に焦点および頂点を有する放物線を、Ｙ軸を回転軸として３６０°回転させることにより得られる面となるように、前記特定の元素の組成比を設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の曲面形成方法。
3. 前記化合物半導体は、Ａｌを含んで構成されており、
   前記化合物半導体のＡｌ組成比をｆａ、前記エッチャントのエッチングレートをｒ（ｒはｆａの関数となっている）、エッチング時間をｔ、前記化合物半導体のエッチング前の半径をＲ、前記曲面の焦点と頂点の距離をｐ、前記曲面の頂点から焦点側に向かう距離をｙとすると、以下の式（１）を満たすように、Ａｌ組成比ｆａを設定する
   （Ｒ−ｒｔ）＝２（ｐｙ）^0.5 …（１）
   ことを特徴とする請求項２に記載の曲面形成方法。
4. 前記化合物半導体は、（Ａｌ_f Ｇａ_1-f ）_1-g Ｉｎ_g Ｐ（０＜ｆ≦１，０＜ｇ＜１）を含んで構成されており、
   前記エッチャントは、加水したＨ₂ ＳＯ₄ である
   ことを特徴とする請求項３に記載の曲面形成方法。
5. 前記化合物半導体は、Ａｌ_k Ｇａ_1-k Ａｓ（０＜ｋ≦１）を含んで構成されており、
   前記エッチャントは、フッ化アンモニウムとフッ酸との混合液である
   ことを特徴とする請求項３に記載の曲面形成方法。
6. 活性層と、前記活性層より大きなバンドギャップを有し、前記活性層の両側に配置された一対のクラッド層とを含んで構成された化合物半導体層を備えた半導体発光素子であって、
   前記一対のクラッド層の一方は、組成比が積層方向に連続的に変化する特定の元素を含有すると共に、その特定の元素の組成比に応じてエッチングレートの異なるエッチャントにより形成された曲面を有する
   ことを特徴とする半導体発光素子。
7. 前記曲面が、積層方向に垂直な軸をＸ、積層方向に平行な軸をＹとすると、Ｙ軸上に焦点を有すると共にその焦点を基準として前記活性層とは反対側のＹ軸上に頂点を有する放物線を、Ｙ軸を回転軸として３６０°回転させることにより得られる面となるように、前記特定の元素の組成比が設定されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
8. 前記一対のクラッド層の一方は、Ａｌを含有する化合物半導体であり、
   前記一対のクラッド層の一方のＡｌ組成比をｆａ、前記エッチャントのエッチングレートをｒ（ｒはｆａの関数となっている）、エッチング時間をｔ、前記一対のクラッド層の一方のエッチング前の半径をＲ、前記曲面の焦点と頂点の距離をｐ、前記曲面の頂点から焦点側に向かう距離をｙとすると、以下の式（２）を満たすように、Ａｌ組成比ｆａが設定されている
   （Ｒ−ｒｔ）＝２（ｐｙ）^0.5 …（２）
   ことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 前記一対のクラッド層の一方は、（Ａｌ_f Ｇａ_1-f ）_1-g Ｉｎ_g Ｐ（０＜ｆ≦１，０＜ｇ＜１）を含んで構成されており、
   前記エッチャントは、加水したＨ₂ ＳＯ₄ である
   ことを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
10. 前記一対のクラッド層の一方は、Ａｌ_k Ｇａ_1-k Ａｓ（０＜ｋ≦１）を含んで構成されており、
    前記エッチャントは、フッ化アンモニウムとフッ酸との混合液である
    ことを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
    

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