JP2012186427A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態に係る半導体発光素子は、構造体と、第1電極層と、電極層と、無機膜と、を備える。構造体は、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、第1半導体層と第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する。電極層は、構造体の第2半導体層の側に設けられる。電極層は、金属部と、複数の開口部と、を有する。金属部は、第1半導体層から第2半導体層に向かう方向に沿った厚さが10nm以上、100nm以下である。開口部は、前記方向に沿って金属部を貫通し、円相当直径が10nm以上、5μm以下である。無機膜は、前記方向に沿った厚さが20nm以上、200nm以下で、金属部の表面及び開口部の内面を覆うように設けられ、発光層から放出される光に対して透過性を有する。
【選択図】図1
Description
構造体は、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する。
電極層は、構造体の第2半導体層の側に設けられる。
電極層は、金属部と、複数の開口部と、を有する。
金属部は、第1半導体層から第2半導体層に向かう方向に沿った厚さが10ナノメートル(nm)以上、100nm以下である。
開口部は、前記方向に沿って金属部を貫通し、円相当直径が10nm以上、5マイクロメートル(μm)以下である。
無機膜は、発光層から放出される光に対して透過性を有する。無機膜は、金属部の表面及び開口部の内面を覆うように設けられる。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
また、以下の説明では、一例として、第1導電形をn形、第2導電形をp形とした具体例を挙げる。
図1は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図2は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の一部を拡大した模式的断面図である。
第1の実施形態に係る半導体発光素子110は、構造体100、電極層である第2電極層20、及び無機膜40、を備える。
構造体100に含まれる第1半導体層51、活性層53及び第2半導体層52は、図示しない成長用基板(例えば、サファイア基板)の上で結晶成長した層である。
なお、実施形態では、説明の便宜上、構造体100の第2半導体層52の側を表面側または上側、構造体100の第1半導体層51の側を裏面側または下側とする。また、第1半導体層51から第2半導体層52に向かう方向に沿った積層方法をZ方向とする。
円相当直径=2×(面積/π)1/2
ここで、面積は、開口部21のZ方向からみたときの面積である。
また、半導体発光素子110では、無機膜40によってAgの化合物を保護することができる。すなわち、無機膜40によって金属部23の表面及び開口部21の内面が覆われているため、第2電極層20のオーミック接触を確保するためのアニール処理を行っても、Agの化合物をアニール温度から保護することができる。これによって、Agの化合物を用いた第2電極層20からの放出光の輝度の向上を図ることが可能となる。
半導体発光素子110は、例えばGaNの電流拡散層511を備え、この電流拡散層511の上に、例えばSiがドープされたn形GaNによるクラッド層512と、InGaNによる発光層530と、p形AlGaNによるクラッド層521と、を含むヘテロ構造が形成される。
コンタクト層に用いられる材料は、例えば、コンタクト層に隣接する電流拡散層522の材料、及び、第2電極層20に用いられる材料に基づいて適切に選択すればよい。
第1層231は、例えば、Al、Cu、Zn、Zr、Si、Ge、Pt、Rh、Ni、Pd、Cu、Sn、C、Mg、Cr、Te、Se、In、Co及びTiからなる群から選択される少なくとも1つの元素を含有する。
第2層232は、Ni、Ti、Cr及びCoうちいずれかを含む。第2層232のZ軸方向に沿った厚さは、例えば1nm以上、5nm以下である。
このように、第1層231と第2半導体層52との間に第2層232を設けることで、第1層231に含まれるAgが第2半導体層52へ拡散することを防止する。ただし、第2層232の膜厚が大きすぎると、発光層530から放出される光の透過性が悪くなることから、5nm以下が好ましい。
ここで、構造体100のZ軸方向に沿った厚さは、数μm以上、20μm以下である。第1電極層30のZ方向に沿った厚さを1μm以上、500μm以下にすることが好ましく、より好ましくは、10μm以上、100μm以下である。
そして、実施形態に係る半導体発光素子110において、発光層530から放出された光は、第2半導体層52の第2電極層20が設けられた全面から外部に放出される。半導体発光素子110は、例えば、中心波長400nm以上、650nm以下の光を放出する。
このような波長の光を発光する半導体発光素子110において、第2電極層20にAgの化合物を含む材料を用いると光の吸収が抑制され、発光効率を高めることができる。
図3は、無機膜が設けられている場合、図4は、無機膜が設けられていない場合である。それぞれ、(a)はアニール前、(b)はアニール後の状態を示している。
Ag−Cu−Pdの合金では、500℃以上で凝縮が発生すると考えられる。
したがって、開口部21の円相当直径が10nm以上、5μm以下である場合、無機膜40による耐熱性の向上の効果を得ることができる。つまり、500℃以上の温度でアニールを行っても、第2電極層20に含まれるAgの凝縮を発生させずに開口部21を維持することができる。
なお、複数の電流供給源が設けられている場合には、各電流供給源のそれぞれに対応して第2電極層20の金属部23が連続していればよい。
次に、第2の実施形態を説明する。第2の実施形態は、半導体発光素子の製造方法である。
開口部を有する第2電極層を形成させる方法のひとつは、電子線描画による方法である。この方法を利用した第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、次の工程を備える。
すなわち、当該製造方法は、成長用基板の上に、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、当該第1半導体層と当該第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する構造体を結晶成長によって形成し、当該第2半導体層の上に、金属層を形成する工程(a1)と、当該金属層の上にレジスト膜を形成する工程(a2)と、当該レジスト膜に電子線を照射し、現像し、複数の第1レジスト開口部及び第2レジスト開口部を有するレジスト層を形成する工程(a3)と、当該レジスト層をマスクとして当該金属層をエッチングし、複数の開口部を有する第2電極層を形成する工程(a4)と、金属層の表面及び開口部の内面を覆うように無機膜を形成し、アニール処理する工程(a5)と、構造体から成長用基板を剥離した後、構造体の第1半導体層側に第1半導体層と接する部分を有する金属製の第2電極層を形成する工程(a6)と、を備える。
図5は、電子線描画を利用する方法の工程例を示す模式的断面図である。
先ず、図5(a)に表したように、成長用基板10上に第1半導体層51を形成し、第1半導体層51上に発光層530を形成し、その上に第2半導体層52を形成する。
次いで、第2半導体層52の上に金属層20Aを形成する。次に転写層としてシリコン酸化膜201Aを例えばEB(Electron Beam)蒸着する。そして、金属層20Aの上に電子線用のレジスト膜200Aの層を形成する。
その後、サファイア基板側から、波長248nmのフッ化クリプトン(KrF)エキシマレーザ光を照射し、サファイア基板とGaNの界面にレーザ光を吸収させて、レーザリフトオフ(LLO)法により、サファイア基板からエピ基板を剥離する。裏面に残ったGaについては、塩酸処理により取り除く。
次に、剥がした裏面に銀をスパッタし、さらにメッキで銀を50μm積層させる。
そして、表面の樹脂を有機溶媒により溶解することで補助基板を剥離する。最後にダイシングにより素子を分離し、半導体発光素子110を完成させる。
第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の別のひとつは、型を利用するものである。その方法は、次の工程を備える。
すなわち、当該製造方法は、成長用基板の上に、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、当該第1半導体層と当該第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する構造体を結晶成長によって形成し、当該第2半導体層の上に、金属層を形成する工程(b1)と、当該金属層の上にレジスト膜を形成する工程(b2)と、レジスト膜に、凸部を有する型の凸部を押し付けて、当該レジスト膜に複数のレジスト凹部を有するレジスト層を形成する工程(b3)と、当該レジスト層をマスクとして当該金属層をエッチングし、レジスト凹部に対応した複数の開口部を有する第2電極層を形成する工程(b4)と、金属層の表面及び開口部の内面を覆うように無機膜を形成し、アニール処理する工程(b5)と、構造体から成長用基板を剥離した後、構造体の第1半導体層側に第1半導体層と接する部分を有する金属製の第1電極層を形成する工程(b6)と、を備える。
図6は、型を利用する方法の工程例を示す模式的断面図である。
先ず、図6(a)に表したように、成長用基板10上に第1半導体層51を形成し、第1半導体層51上に発光層530を形成し、その上に第2半導体層52を形成する。
次いで、第2半導体層52の上に金属層20Aを形成する。そして、金属層20Aの上に転写層としてシリコン酸化膜800Aを例えばEB蒸着する。さらにレジスト膜801Aの層を形成する。
例えば、型802の凸部802aが設けられた転写面において、複数の凸部802aが設けられている。
型802は、例えば石英上に電子線リソグラフィにて所望の構造を形成させることにより製造することができる。なお、型802の材料及び型802の微細凹凸構造の形成手法はこれに限定されない。例えば、型802を後述するブロックコポリマー(ブロック共重合体)の自己組織化や、微粒子マスクを用いた方法により形成することも可能である。
その後、サファイア基板側から、波長248nmのKrFエキシマレーザ光を照射し、サファイア基板とGaNの界面にレーザ光を吸収させて、レーザリフトオフ(LLO)法により、サファイア基板からエピ基板を剥離する。裏面に残ったGaについては、塩酸処理により取り除く。
次に、剥がした裏面に銀をスパッタし、さらにメッキで銀を50μm積層させる。
そして、表面の樹脂を有機溶媒により溶解することで補助基板を剥離する。最後にダイシングにより素子を分離し、半導体発光素子110を完成させる。
第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の別のひとつは、ブロックコポリマーの自己組織化による相分離を利用するものである。その方法は、次の工程を備える。
すなわち、当該製造方法は、成長用基板の上に、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、当該第1半導体層と当該第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する構造体を結晶成長によって形成し、当該第2半導体層の上に、金属層を形成する工程(c1)と、当該金属層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布し、当該ブロックコポリマーを相分離させてミクロドメインパターンを生成する工程(c2)と、当該ミクロドメインパターンをマスクとして当該金属層をエッチングして、複数の開口部を有する第2電極層を形成する工程(c3)と、金属層の表面及び開口部の内面を覆うように無機膜を形成し、アニール処理する工程(c4)と、構造体から成長用基板を剥離した後、構造体の第1半導体層側に第1半導体層と接する部分を有する金属製の第1電極層を形成する工程(c5)と、を備える。
図7は、ブロックコポリマーの自己組織化を利用する方法の工程例を示す模式的断面図である。
先ず、図7(a)に表したように、成長用基板10上に第1半導体層51を形成し、第1半導体層51上に発光層530を形成し、その上に第2半導体層52を形成する。
次いで、第2半導体層52の上に金属層20Aを形成する。そして、金属層20Aの上に、例えばシリコン酸化膜701Aを形成する。
その後、サファイア基板側から、波長248nmのKrFエキシマレーザ光を照射し、サファイア基板とGaNの界面にレーザ光を吸収させて、レーザリフトオフ(LLO)法により、サファイア基板からエピ基板を剥離する。裏面に残ったGaについては、塩酸処理により取り除く。
次に、剥がした裏面に銀をスパッタし、さらにメッキで銀を50μm積層させる。
そして、表面の樹脂を有機溶媒により溶解することで補助基板を剥離する。最後にダイシングにより素子を分離し、半導体発光素子110を完成させる。
第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の別のひとつは、シリカ等の微粒子の単分子層をマスクとして利用するものである。その方法は、次の工程を備える。
すなわち、当該製造方法は、成長用基板の上に、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、当該第1半導体層と当該第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する構造体を結晶成長によって形成し、当該第2半導体層の上に、金属層を形成する工程(d1)と、当該金属層の上にレジスト膜を形成する工程(d2)と、当該レジスト膜の表面に微粒子の単粒子層を形成させる工程(d3)と、当該単粒子層をマスクとして当該レジスト膜をエッチングし、開口部を有するレジスト層を形成する工程(d4)と、当該レジスト層の開口部に無機物質を充填して逆パターンマスクを形成する工程(d5)と、当該逆パターンマスクをマスクとして当該金属層をエッチングし、複数の開口部を有する第2電極層を形成する工程(d6)と、金属層の表面及び開口部の内面を覆うように無機膜を形成し、アニール処理する工程(d7)と、構造体から成長用基板を剥離した後、構造体の第1半導体層側に第1半導体層と接する部分を有する金属製の第1電極層を形成する工程(d8)と、を備える。
図8は、微粒子のマスクを利用する方法の工程例を示す模式的断面図である。
先ず、図8(a)に表したように、成長用基板10上に第1半導体層51を形成し、第1半導体層51上に発光層530を形成し、その上に第2半導体層52を形成する。
次いで、第2半導体層52の上に金属層20Aを形成する。そして、金属層20Aの上にレジスト膜601Aの層を形成する。
その後、サファイア基板側から、波長248nmのKrFエキシマレーザ光を照射し、サファイア基板とGaNの界面にレーザ光を吸収させて、レーザリフトオフ(LLO)法により、サファイア基板からエピ基板を剥離する。裏面に残ったGaについては、塩酸処理により取り除く。
次に、剥がした裏面に銀をスパッタし、さらにメッキで銀を50μm積層させる。
そして、表面の樹脂を有機溶媒により溶解することで補助基板を剥離する。最後にダイシングにより素子を分離し、半導体発光素子110を完成させる。
実施例1では、上記(A)の電子線描画を利用した方法に準じて半導体発光素子110を製造する。
実施例2では、上記(C)のブロックコポリマーの自己組織化を利用した方法に準じて半導体発光素子110を製造する。
図9は、変形例に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
本変形例に係る半導体発光素子120においては、構造体100が成長用基板10の上に形成されている。また、第1電極層39は、第1半導体層51の表面側に露出した部分に設けられている。
本変形例に係る半導体発光素子120においても、半導体発光素子110と同様に、第2電極層20による発光層530への電流の拡がりを保ったまま、効率良く光を外部に放出することができるようになる。
図10は、変形例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
本変形例に係る半導体発光素子130には、窒化物半導体以外の半導体が用いられている。
その後、図10(e)に表したように、Ag−Cuの第2電極層20の上にパッド電極202を形成して半導体発光素子130を完成させる。
また、第1の導電形をn形、第2の導電形をp形として説明したが、第1の導電形をp形、第2の導電形をn形としても実施可能である。
Claims (16)
- 第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する構造体と、
前記構造体の前記第2半導体層の側に設けられた電極層であって、前記第1半導体層から前記第2半導体層に向かう方向に沿った厚さが10ナノメートル以上、100ナノメートル以下である金属部と、前記方向に沿って前記金属部を貫通する複数の開口部であって前記開口部のそれぞれを前記方向にみたときの外形の円相当直径が10ナノメートル以上、5マイクロメートル以下である複数の開口部と、を有する電極層と、
前記発光層から放出される光に対して透過性を有し、前記金属部の表面及び前記開口部の内面を覆う無機膜と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記金属部は、Agを含む第1層を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記金属部は、
前記第1層と前記第2半導体層との間に設けられ、Ni、Ti、Cr及びCoの少なくともいずれかを含む第2層をさらに有し、
前記第2層の厚さは、1ナノメートル以上、5ナノメートル以下であることを特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。 - 前記第1層は、Al、Cu、Zn、Zr、Si、Ge、Pt、Rh、Ni、Pd、Cu、Sn、C、Mg、Cr、Te、Se、In、Co及びTiからなる群から選択される少なくとも1つの元素を含有することを特徴とする請求項2または3に記載の半導体発光素子。
- 前記無機膜は、SiN、BN、AlN、GaN、CN、ZnS、AlF3、MgF2、CaF2、CeF2、GdF2、LaF2、NdF2、LiF,NaF、YbF3及びYF3のよりなる群からから選択される少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記無機膜の厚さは、20ナノメートル以上、200ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記開口部の前記円相当直径は、10ナノメートル以上、1マイクロメートル未満であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記開口部の前記円相当直径は、10ナノメートル以上、500ナノメートル未満であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記開口部の前記円相当直径は、10ナノメートル以上、50ナノメートル未満であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記電極層の前記方向にみたときの外形の面積は、1平方ミリメートル以上であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記電極層のシート抵抗は、10オーム/□以下であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 成長用基板の上に、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する構造体を結晶成長によって形成する工程と、
前記第2半導体層の上に、前記第1半導体層から前記第2半導体層に向かう方向に沿った厚さが10ナノメートル以上、100ナノメートル以下の金属層を形成する工程と、
前記金属層の上にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクにして前記金属層をエッチングし、前記方向にみたときの形状の円相当直径が10ナノメートル以上、5マイクロメートル以下である複数の開口部を有する電極層を形成する工程と、
前記金属層の表面及び前記開口部の内面を覆うように、前記発光層から放出される光に対して透過性を有する無機膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記マスクパターンを形成する工程において、
前記金属層の上にブロックコポリマー膜を形成し、前記ブロックコポリマー膜をミクロ相分離させ、ブロックコポリマー膜の1相を除去することにより、複数の開口部を作成し、前記開口部が得られたブロックコポリマー膜をマスクに用いることを特徴とする請求項12記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記マスクパターンを形成する工程において、
前記金属層の上にレジスト膜を形成し、前記レジスト膜に凸部を有する型の前記凸部を押し付けて、前記レジスト膜に複数のレジスト凹部を有するレジストパターンを形成することを特徴とする請求項12記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記マスクパターンを形成する工程において、
前記金属層の上にレジスト膜を形成し、前記レジスト膜に電子線または光を照射したのちに現像し、前記レジスト膜に複数のレジスト開口部が設けられたレジストパターンを形成することを特徴とする請求項12記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記マスクパターンを形成する工程において、
前記金属層の上に単層の微粒子を形成し、前記単層の微粒子を樹脂で固定化したのち、微粒子を除去することで樹脂膜に複数の開口部を作成し、前記開口部が樹脂膜をマスクに用いることを特徴とする請求項12記載の半導体発光素子の製造方法。
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