JP3815335B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物（ナイトライド）系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、その禁制帯幅が１．８ｅＶから６．２ｅＶに亘っており、赤色から紫外線の発光が可能な発光素子の実現が理論上可能であるため、近年注目を集めている。
【０００３】
この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザーを製造する場合には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどを多層に積層し、発光層（活性層）を第１導電型層および２導電型層により挟んだ構造を形成する必要がある。このような発光ダイオードまたは半導体レーザーとして、発光層をＧａＩｎＮ／ＧａＮ量子井戸構造またはＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構造としたものがある。
【０００４】
窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体の気相成長技術においては格子整合する基板や低転位密度の基板が存在しないために、従来よりサファイアなどの基板表面上に９００℃以下の低温でＡｌＮもしくはＡｌＸＧａ１−ＸＮ（Ｘは０以上１未満）低温バッファ層を堆積し、その後に窒化ガリウム系化合物半導体を成長し格子不整合に起因する転位を低減する技術がある。このような技術は、例えば、特開昭６３−１８８９３８号公報や特公平８−８２１７号公報に開示されるものがあり、これらの技術を使用することで窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性およびモフォロジーを改善できる特徴がある。
【０００５】
さらに低転位密度の高品質結晶を得る技術としては、一旦第１の窒化ガリウム系化合物半導体層を堆積した後に酸化珪素や窒化珪素などからなる窒化ガリウム系化合物半導体の成長を阻害する材料で保護膜を形成し、その保護膜で覆われていない領域から第２の窒化ガリウム系化合物半導体層を面内方向（横方向）に成長することで、基板界面から垂直に伸びる貫通転位の伝播を妨げる技術がある（例えば、特開平１０−３１２９７１号公報、特開平１１−２５１２５３号公報参照。）。また、同様な技術としては一旦第１の窒化ガリウム系化合物半導体を成長した後に、リアクティブイオンエッチング装置（以下、RIE）などを用いてその膜を選択的に除去し、その後成長装置内で残された結晶から第二の窒化ガリウム系化合物半導体選択的に成長することで貫通転位密度を低減する技術がある（例えば、MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1， G3. 38 (1999)、またはJournal of Crystal Growth 189/190 (1998) 83-86）。これらの技術を使用することで１０６ｃｍ−２程度までの転位密度を有する結晶膜が得られ、半導体レーザーの高寿命化などが実現されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような選択成長を用いることで、貫通転位の低減だけではなく、３次元的な構造を有する半導体素子を作製できる。例えば、窒化ガリウム系化合物半導体膜もしくは基板上に成長阻害膜を形成して開口部から選択的に結晶を成長させ、或いは窒化ガリウム系化合物半導体膜もしくは基板を選択的に除去した上で残された結晶から選択的に結晶を成長することで、３次元的な構造を有する半導体素子構造を得ることができる。このような半導体素子はファセットからなる側面と側面の合流する頂部（上面）とからなる立体構造とされ、例えば素子分離の工程でのダメージが少なくなり、レーザーにおける電流狭窄構造を形成でき、更にはファセットとなる結晶面の特性を積極的に利用して結晶性の改善が可能であるなどの利点がある。
【０００７】
図５３は選択成長により３次元状に形成される窒化物系発光素子の一例の断面図であり、この発光素子はＧａＮ系の発光ダイオードである。その構造については、サファイア基板１０１上に下地成長層としてのｎ型ＧａＮ層１０２が形成され、そのｎ型ＧａＮ層１０２上には開口部１０３が形成されたシリコン酸化膜１０４が被覆され、該シリコン酸化膜１０４の開口部１０３からの選択成長により六角錐形状のＧａＮ層１０５が形成されている。
【０００８】
このＧａＮ層１０５は、サファイア基板１０１の主面をＣ面とした場合にＳ面（｛１−１０１｝面）で覆われたピラミッド型の成長層であり、シリコンをドープさせた領域である。このＧａＮ層１０５の傾斜したＳ面の部分はクラッドとして機能する。ＧａＮ層１０５の傾斜したＳ面を覆うように活性層であるＩｎＧａＮ層１０６が形成されており、その外側にＡｌＧａＮ層３３６とマグネシウムドープのＧａＮ層１０７が形成される。
【０００９】
このような発光ダイオードには、ｐ電極１０８とｎ電極１０９とが形成されている。ｐ電極１０８は、マグネシウムドープのＧａＮ層１０７上に形成されるＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕなどの金属材料を蒸着して形成される。ｎ電極１０９は、前述のシリコン酸化膜１０４を開口した部分でＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどの金属材料を蒸着して形成される。
【００１０】
しかし、このような選択成長を用いた場合には、基板からの貫通転位が存在し、また、頂部若しくは上面は成長速度の遅いファセットからなる側面に囲まれるために原料の供給が過多になり結晶性が劣化することがある。また、基板面積に比べて頂部若しくは上面の面積が小さい場合に、その部分の膜厚や混晶組成の制御などが困難となる。したがって、選択成長によって３次元構造の半導体素子を形成した場合であっても、上記理由により頂部若しくは上面の結晶性が悪く、非発光再結合による効率の低下、ＰＮ接合が正常に形成されないことによる電流のリークなどの諸問題が発生する。
【００１１】
図５３に示すＩｎＧａＮ層１０６のように、選択成長による３次元状の半導体素子の側面などに活性層を形成する場合には、所要の電極形成プロセスにより側面にのみ電極を形成することも可能である。しかしながら、立体構造上のフォトリソグラフィーは困難であり、精度良く電極を形成することが容易ではなく歩留まりが悪くなる。また、電極と接する導電型層の抵抗率と厚みによってはその層で電流が広がり、頂部若しくは上面に電流が注入されて素子特性が悪くなる傾向がある。
【００１２】
そこで本発明は、選択成長などによって素子構造を３次元化した場合においても、発光効率に優れた半導体素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明に係る半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を角錐形状に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなることを特徴とする。
【００１４】
また、上述した目的を達成する本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に開口部を有するマスク層若しくは結晶種層を形成し、該マスク層の開口部若しくは上記結晶種層から該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を角錐形状に選択的に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成することを特徴とする。
【００１５】
以上のような本発明に係る半導体発光素子では、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面により構成された三次元状構造の頂部近傍、若しくは、上面近傍が除去された形状とされているため、基板から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部近傍若しくは上面近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを用いる構成とされている。これにより、頂部近傍若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することが防止されている。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現される。
【００１６】
また、本発明においては、上述の半導体発光素子が複数個配列された構造とすることにより、各半導体発光素子が画素を構成する画像形成装置や照明装置を構成することができる。
【００１７】
上述した目的を達成する本発明に係る半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する角錐形状の結晶層を形成し、上記Ｓ面または上記Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなることを特徴とするものである。
【００１８】
また、上述した目的を達成する本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に開口部を有するマスク層もしくは結晶種層を形成し、該マスク層の開口部もしくは上記結晶種層からＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する角錐形状の結晶層を選択的に形成し、上記Ｓ面または上記Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなることを特徴とするものである。
【００１９】
以上のような本発明に係る半導体発光素子では、基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面により構成された三次元状構造の頂部近傍、若しくは、上面近傍が除去された形状とされているため、基板から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部近傍若しくは上面近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを用いる構成とされている。これにより、頂部近傍若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することが防止されている。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現される。
【００２０】
また、本発明においては、上述の半導体発光素子が複数個配列された構造とすることにより、各半導体発光素子が画素を構成する画像形成装置や照明装置を構成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明においては、説明の便宜上、実際の縮尺と異なることがある。また、本発明に係る半導体素子は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００２２】
本発明に係る半導体素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成してなり、頂部近傍を除去した形状であることを特徴とする。
【００２３】
本発明に用いられる基板は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。基板自体は製品としての発光素子には含まれない構造も可能であり、製造の途中で素子部分を保持させるために使用され、完成前に取り外しされる構造であっても良い。
【００２４】
この基板上に形成される結晶層は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有している。この結晶層は、後述の基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、特に限定されるものではないが、その中でもウルツ鉱型の結晶構造を有することが好ましい。このような結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、Ｓ面や（１１−２２）面に実質的に等価な面とは、Ｓ面や（１１−２２）面に対してそれぞれ５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００２５】
この結晶層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＣＶＤ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＣＶＤ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。一般的なＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００２６】
結晶層を形成する前に、下地成長層を基板上に形成することが好ましい。この下地成長層は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地成長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ、或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合せからなる構造であっても良い。この下地成長層も結晶層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることができる。結晶層の成長を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異なる面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。したがって、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を成長させることができることになる。バッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、ＳｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつけることもあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低温にしないでバッファ層として成長することもあり、それでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用しても良い。
【００２７】
そして、本発明においては、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を形成するために、選択成長法を用いることができる。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は、その基板主面の選択にも依存するが、ウルツ鉱型の（０００１）面[Ｃ面]を基板主面とした場合では、（１−１００）面[Ｍ面]、（１−１０１）面[Ｓ面]、（１１−２０）面[Ａ面]、（１−１０２）面[Ｒ面]、（１−１２３）面[Ｎ面]、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた傾斜結晶面を挙げることができ、特にＳ面や（１１−２２）面およびでこれらに等価な結晶面で用いることが好ましい。これらに等価な結晶面とは前述のように、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。特にＳ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。このＳ面については、前述のように窒化ガリウム系化合物半導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を形成することができ、Ｃ面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。したがって、実効的にＶ／ＩＩＩ 比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００２８】
本発明の半導体発光素子においては、結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する構造を有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良い。
【００２９】
そして、本発明の半導体素子においては、上述した基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層、及びこの結晶層上の傾斜結晶面に平行な面内に形成された第１導電型層、活性層、及び第２導電型層は、頂部近傍を除去した形状とされている。
【００３０】
ここで、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は、Ｓ面または当該Ｓ面に実質的に等価な面とされてもよく、さらにこのＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐状の斜面をそれぞれ構成するようにされても良い。
【００３１】
ここで、略六角錐台形状は、正確に六角錐台形状であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。好適な一例においては、傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配設される。ほぼ対称とは、完全に対称形状になっている場合の他、多少対称形状よりずれている場合も含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。
【００３２】
三次元状の半導体発光素子では、基板から頂部若しくは上面部分にまで貫通転位が延びた場合、これに起因して電流のリークが生じて発光効率が低下する。そして、頂部若しくは上面近傍は成長速度の遅いファセットからなる側面に囲まれるために原料の供給が過多になり結晶性が劣化した部分が発生し、これに起因して電流のリークが生じて発光効率が低下する。
【００３３】
しかしながら、本発明に係る半導体発光素子では、三次元状の構造の頂部近傍、若しくは、上面近傍が除去されているため、基板から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部近傍若しくは上面近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを用いる構成とされている。これにより、頂部近傍若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することが防止されている。さらに、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現することができる。
【００３４】
ここで、本発明においては、三次元状の構造の頂部近傍が除去された部分の形状は、平面でも良く、また、平面以外の形状とされていても良い。頂部近傍が除去された形状が平面である場合には、例えば、基板の主面に平行な面または当該基板の主面に実質的に等価な面において頂部近傍を除去することができる。また、この基板の主面に平行な面または当該基板の主面に実質的に等価な面が、基板上に形成したＣ面または上記Ｃ面に実質的に等価な面であっても良い。すなわち、いわゆる略六角錐台形状とされても良い。
【００３５】
このような選択成長は、下地成長層の一部を選択的に除去することを利用したり、あるいは、選択的に前記下地成長層上にまたは前記下地成長層形成前に形成されたマスク層の開口された部分を利用して行われる。例えば、前記下地成長層がバッファ層と結晶種層とからなる場合、バッファ層上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の小領域に細分化し、それぞれの部分からの結晶成長によってＳ面等を有する結晶層を形成することが可能である。例えば、細分化された結晶種層は、発光素子として分離するためのマージンを見込んで離間するように配列することができ、個々の小領域としては、帯状、格子状、円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形およびこれらの変形形状などの形状にすることができる。下地成長層の上にマスク層を形成し、そのマスク層を選択的に開口して窓領域を形成することでも、選択成長が可能である。マスク層は例えば酸化シリコン層或いは窒化シリコン層によって構成することができる。前述のような略六角錐台形状が直線状に延在された形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台や角錐形状はマスク層の窓領域を帯状にしたり、結晶種層を帯状にすることで可能である。
【００３６】
選択成長を用い、マスク層の窓領域を１０μｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、または辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでその約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。またＳ面が基板と異なる方向であれば転位を曲げる効果、および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低減にも役立つ。
【００３７】
また、選択成長マスクを用いて選択成長する場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状にすることが可能である。このようなマイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかっている。またこのような横方向成長により発光領域も増大し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００３８】
本発明の半導体発光素子は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層上に形成する。第１導電型はｐ型またはｎ型のクラッド層であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることができる。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００３９】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に形成されるが、このような面内への形成は傾斜結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。すなわち、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を、全部または一部の傾斜結晶面上に形成することができる。
【００４０】
傾斜結晶面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外に出ることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層は傾斜結晶面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、傾斜結晶面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、傾斜結晶面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。
【００４１】
本発明の半導体発光素子では、傾斜した傾斜結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。結晶性が良い傾斜結晶面にのみ電流を注入すると、傾斜結晶面はＩｎの取り込みも良く結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的な傾斜結晶面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板または前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することができる。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることができる。
【００４２】
結晶層と第２導電型層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００４３】
本発明の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレーとして利用できる。
【００４４】
また、本発明の半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する結晶層を形成し、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成してなり、頂部近傍を除去した形状であることを特徴とする。
【００４５】
ここで、用いられる基板は、後述のＳ面またはそのＳ面に等価な面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用でき、先の半導体発光素子において例示したものと同様のものを用いることができる。
【００４６】
この基板上に形成される結晶層は基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有している。この結晶層は後述のＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、やはり先の半導体発光素子において例示したものと同様のものを用いることができる。結晶層の成長方法、結晶層を成長する際に形成する下地成長層も先の半導体発光素子と同様である。なお、Ｓ面に実質的に等価な面とは、Ｓ面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００４７】
そして、本発明においては、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面を形成するために、選択成長法を用いることができる。Ｓ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本例においても、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。
【００４８】
本発明の半導体発光素子においては、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面を有する構造を有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、すなわちいわゆる略六角錐台形状であっても良い。
【００４９】
この略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。具体的な選択成長法は、先の半導体発光素子１の場合と同様である。
【００５０】
本発明の半導体発光素子は、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層上に形成する。これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層については、先の半導体発光素子の項において説明した通りである。
【００５１】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に形成されるが、このような面内への形成はＳ面等が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。すなわち、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を、全部または一部のＳ面上に形成することができる。
【００５２】
傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。
【００５３】
本発明の半導体発光素子では、傾斜したＳ面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板または前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することができる。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることができる。
【００５４】
結晶層と第２導電型層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００５５】
本発明の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレーとして利用できる。
【００５６】
以下、本発明を各実施の形態を参照しながらさらに詳細に説明する。なお、本発明に係る半導体素子は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００５７】
第１の実施の形態
本実施の形態の半導体発光素子は、図１及び図２に示す素子構造を有している。その主な構成は、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１上にＧａＮ層２と結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層３とを介して成長した結晶層としてのシリコンドープのＧａＮ層４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層４は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層６が形成されている。ｐ電極７はマグネシウムドープのＧａＮ層６の上面に形成されており、ｎ電極８は、これらの側部で開口された領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層３とを介してシリコンドープのＧａＮ層４に接続している。
【００５８】
そして、シリコンドープのＧａＮ層４と、ＩｎＧａＮ層５と、マグネシウムドープのＧａＮ層６とは、Ｃ面または該Ｃ面に実質的に等価な面で略六角錐から頂部近傍を除去された形状とされ、Ｃ面または該Ｃ面に実質的に等価な面がその上平面部を構成する構造とされている。すなわち、この半導体発光素子は、いわゆる略六角錐台形状とされている。また、これらが、例えばＳｉＯ２からなる保護膜９により覆われている。
【００５９】
このような構造を有する半導体発光素子は、サファイア基板１主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がることがあり、欠陥を低減することも可能となる。
【００６０】
また、通常の六角錐形状の半導体発光素子では、基板から頂部近傍若しくは上面近傍にまで貫通転位が延びた場合、これに起因して電流のリークが生じて発光効率が低下する。そして、通常の六角錐形状の半導体発光素子においては、頂部近傍若しくは上面近傍は成長速度の遅いファセットからなる側面に囲まれるために原料の供給が過多になり結晶性が劣化した部分が発生し、これに起因して電流のリークが生じて発光効率が低下する。
【００６１】
しかしながら、この半導体発光素子においては、いわゆる略六角錐台形状とされているため、シリコンドープのＧａＮ層４は六角錐から頂部近傍を欠いた形状とされており、このシリコンドープのＧａＮ層４では基板から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部近傍若しくは上面近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを用いる構成とされている。これにより、頂部近傍若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することが防止されている。さらに、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現されている。
【００６２】
このような構造を有する半導体発光素子は、次のようにして作製することができる。以下では図３乃至図１４を参照しながらこの半導体発光素子の製造工程を説明する。
【００６３】
上述した半導体発光素子を作製するには、まず、基板主面をＣ＋面とするサファイア基板１上に、５００℃程度の低温でバッファ層となるＧａＮ層２を形成する。その後、１０００℃に昇温して図３に示すようにシリコンドープのＧａＮ層３を形成する。
【００６４】
次に、図４に示すようにＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１１をシリコンドープのＧａＮ層３上の全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図５に示すように、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口部からなる窓領域１２をマスク層１１に形成する。このときの一辺の方向は１−１００方向に垂直とする。この開口部の大きさは作りたい素子の特性により変える。
【００６５】
次に、成長温度１０００℃でシリコンドープのＧａＮ層４の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層４は円形の窓領域１２から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。シリコンドープのＧａＮ層４を形成した後しばらく成長を続け、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度となる。すると図６に示すように、１６μｍ程度の窓領域１２よりも底面が広がったシリコンドープのＧａＮ層４が形成される。なお、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度は例示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度とすることも可能である。なお、図６においては、シリコンドープのＧａＮ層４を１つのみ記載してあるが、実際の工程においてはサファイア基板１の主面上一面に多数のシリコンドープのＧａＮ層４を形成し、効率的に半導体発光素子を形成することができる。
【００６６】
そして、さらにシリコンドープのＧａＮ４の成長を行い、その後成長温度を低減して図７に示すように活性層となるＩｎＧａＮ層５の成長を行う。その後、成長温度を再び上昇させ、図８に示すようにｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層６を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが好ましい。この段階で、ＩｎＧａＮ層５やマグネシウムドープのＧａＮ層６は窓領域１２の周囲のマスク層１１の上まで延在され、第２成長層であるシリコンドープのＧａＮ層４の全体が被覆され、活性層であるＩｎＧａＮ層５、マグネシウムドープのＧａＮ層６の端部が形成されないことから、活性層の劣化を未然に防止することができる。
【００６７】
その後、六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着により、図９に示すようにｐ電極７が形成される。また、マスク層１１の一部を開口してシリコンドープのＧａＮ層３を露出させ、さらにその除去した部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これにより、図１０に示すようにｎ電極８が形成される。これらの蒸着の際、ｐ電極７、ｎ電極８はそれぞれ精度良く蒸着することが必要である。
【００６８】
次に、図１１に示すように全体をポリイミド等の樹脂１３で埋め込む。樹脂１３は特に限定されず、従来公知の樹脂を用いることができる。このとき、樹脂の埋め込み高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の略六角錐の頂部近傍程度とする。そして、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、以下ＣＭＰと呼ぶ。）装置１４を用いて、図１２に示すように略六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、ＣＭＰ処理後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層４ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍部分が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。以下の実施の形態においても同様である。
【００６９】
そして、図１３に示すように樹脂１３を除去した後、図１４に示すように全体を例えばＳｉＯ２などの保護膜９で覆う。なお、絶縁膜は必要に応じて形成すれば良い。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより本実施の形態の半導体発光素子が完成する。
【００７０】
第２の実施の形態
第２の実施の形態では、図１及び図２に示した半導体発光素子の他の製造方法について説明する。まず、上述した図３乃至図１１の手順に従って図１５に示すようにｐ電極７の中腹程度の高さまで樹脂１３に埋め込む。そして、図１６に示すように集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ、以下、ＦＩＢと呼ぶ。）装置２１によりイオンビームを略六角錐形状の頂部近傍に照射して、図１７に示すように略六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、ＦＩＢ照射処理後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層４ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。
【００７１】
そして、図１８に示すように樹脂１３を除去した後、図１９に示すように全体を例えばＳｉＯ２などの保護膜９で覆う。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより図１及び図２に示した半導体発光素子が完成する。
【００７２】
第３の実施の形態
第３の実施の形態では、図１及び図２に示した半導体発光素子の他の製造方法について説明する。まず、上述した図３乃至図１１の手順に従って図２０に示すようにｐ電極７の中腹程度の高さまで樹脂に埋め込む。そして、図２１に示すようにレーザー装置３１によりレーザービームを六角錐形状の頂部近傍に照射して、図２２に示すように略六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、レーザービーム照射処理後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層４ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。なお、使用するレーザービームは特に限定されるものではなく、シリコンドープのＧａＮ層４、ＩｎＧａＮ層５及びマグネシウムドープのＧａＮ層６を確実に除去できるものであれば、種々のものを用いることができる。
【００７３】
そして、図２３に示すように樹脂１３を除去した後、図２４に示すように全体を例えばＳｉＯ２などの保護膜９で覆う。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより図１及び図２に示した半導体発光素子が完成する。
【００７４】
第４の実施の形態
第４の実施の形態では、図１及び図２に示した半導体発光素子の他の製造方法について説明する。まず、上述した図３乃至図１１の手順に従って図２５に示すようにｐ電極７の中腹程度の高さまでレジスト４１を形成する。そして、図２６に示すようにレジスト４１をマスクとしてドライエッチングを行い、図２７に示すように六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、ドライエッチングに用いるエッチングガスは特に限定されるものではなく、シリコンドープのＧａＮ層４、ＩｎＧａＮ層５及びマグネシウムドープのＧａＮ層６を確実に除去できるものであれば、種々のものを用いることができ、例えば塩素系ガスなどを用いることができる。また、ドライエッチング後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層４ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。
【００７５】
そして、図２８に示すようにレジスト４１を除去した後、図２９に示すように全体を例えばＳｉＯ２などの保護膜９で覆う。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより図１及び図２に示した半導体発光素子が完成する。
【００７６】
第５の実施の形態
第５の実施の形態は、ｎ電極を基板裏面に形成する半導体発光素子の例であり、図３０乃至図３６を参照しながら説明する。
【００７７】
ｎ電極が裏面に形成される分だけ、ｎ電極用の領域はサファイア基板１主面より削除されているが、ｐ電極７を形成するところまでは第１の実施の形態と同じ工程を行う。すなわち、上述した図３乃至図９の手順に従って図３０に示すようにｐ電極７を形成する。ｐ電極７の形成後、図３１に示すように樹脂１３に埋め込む。そして、第１の実施の形態と同様にＣＭＰ装置１４を用いて、図３２に示すように略六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、ＣＭＰ処理後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層４ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。
【００７８】
そして、図３３に示すように樹脂１３を除去した後、図３４に示すように全体を例えばＳｉＯ２などの保護膜９で覆う。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離溝４１を形成して分離し、図３５に示すようにサファイア基板１上で素子毎に分離する。次に、サファイア基板１の裏面よりエキシマレーザー照射してアブレーションを起こすことにより素子部分となる領域を素子ごとに剥離して転写基板に接着し、素子側の裏面部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。この電極がｎ電極５１として機能することとなり、以上により、図３６に示すように素子裏面にｎ電極５１が形成された半導体発光素子を形成することができる。
【００７９】
第６の実施の形態
第６の実施の形態は、ｎ電極をシリコンドープのＧａＮ層４に直接形成する半導体発光素子の例であり、図３７乃至図４５を参照しながら説明する。
【００８０】
まず、第１の実施の形態と同様にして図３７に示すようにサファイア基板１上に、ＧａＮ層２、シリコンドープのＧａＮ層３及びＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１１をシリコンドープのＧａＮ層３上の全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状のマスク部６１を残し、図３８に示すようにサファイア基板１の主面が露呈するまでエッチングする。その結果、マスク部６１の形状を反映して円筒状のＧａＮ層２及びシリコンドープのＧａＮ層３が残される。
【００８１】
次に、マスク部６１を除去し、もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に成長温度を上昇し、シリコンドープのＧａＮ層６２の成長を行う。シリコンドープのＧａＮ層６２は残っていたＧａＮ層２及びシリコンドープのＧａＮ層３上に成長するが、しばらく成長を続けるとサファイア基板１主面に対して傾斜したＳ面によって周囲が囲まれた六角錐形状となっていく。成長に時間をかけるだけ、六角錐形状のシリコンドープのＧａＮ層６２が大きく成長するが、十分に成長した場合でもＧａＮ層６２同士が干渉せず、且つ素子間の分離のためのマージンを確保するようにＧａＮ層６２のピッチは十分に離しておく必要がある。
【００８２】
六角錐の大きさが実施例１と同様に幅１５〜２０μｍ程度（一辺が７．５〜１５μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度にすなわち１０〜１６μｍ程度になる。なお、六角錐の大きさが幅１５〜２０μｍ程度は例示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度またはそれ以下とすることも可能である。図３９に示すように、成長して傾斜したＳ面で囲まれた六角錐形状が形成された後、さらにシリコンドープのＧａＮ層を成長し、その後成長温度を低減し図４０に示すようにＩｎＧａＮ層６３を成長させる。その後、成長温度を上昇し、図４１に示すように、マグネシウムドープのＧａＮ層６４を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層６３の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。さらに活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもでき、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもできる。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが好ましい。
【００８３】
その後、活性層であるＩｎＧａＮ層６３およびｐ型クラッド層であるマグネシウムドープのＧａＮ層６４の一部をサファイア基板１に近い側で除去してシリコンドープのＧａＮ層６２の一部を露出させる。さらに図４２に示すようにその除去したサファイア基板１に近い部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極６５となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着により図４２に示すようにｐ電極６６が形成される。これらの蒸着の際には、電極同士の短絡を防止するために、精度の高い蒸着が必要であることは、実施例１と同様である。
【００８４】
次に、図４３に示すようにｐ電極６６の中腹程度の高さまで樹脂１３に埋め込む。そして、図４３に示すようにＦＩＢ装置２１によりイオンビームを六角錐形状の頂部近傍に照射して、図４４に示すように六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、ＦＩＢ照射処理後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層６２の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層６２ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍部分が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。
【００８５】
そして、樹脂１３を除去した後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより図４５示す半導体発光素子が完成する。
【００８６】
第７の実施の形態
第７の実施の形態では、図４６及び図４７に示すように、六角錐形状の底面側も削り込むことにより形成した半導体発光素子について説明する。
【００８７】
図４６及び図４７に示す半導体発光素子は、図１及び図２に示した半導体発光素子において、六角錐形状の底面側も除去された形状とされており、上述した本発明の効果の他に、半導体発光素子の薄厚化が図れるという利点も有している。
【００８８】
このような半導体発光素子を形成するには、上述した図３０乃至図３５の手順に従って半導体発光素子を形成し、さらにＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離溝４１を形成して分離し、図４８に示すようにサファイア基板１上で素子毎に分離する。
【００８９】
次に、図４９に示すようにサファイア基板１の裏面よりエキシマレーザー照射してアブレーションを起こすことにより素子部分となる領域を素子ごとに剥離して図５０に示すように接着層７２を形成した転写基板７３に接着する。そして、図５１に示すように先に形成した六角錐形状の底面側をｐ電極７に達しない程度に削り込む。底面側の削り込みは、上記において説明した手段のいずれによって行って良い。すなわち、ＣＭＰ装置、集束イオンビーム装置、レーザー装置のうちいずれの装置を用いても良い。
【００９０】
その後、図５２に示すように発光素子の裏面部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。この電極がｎ電極７１として機能することとなる。そして、所定の基板に転写することにより、良好な発光効率を有するとともに図４６及び図４７に示すように薄厚化され、素子裏面にｎ電極７１が形成された半導体発光素子を形成することができる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、頂部近傍を除去した形状とされてなるものである。
【００９２】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に開口部を有するマスク層もしくは結晶種層を形成し、該マスク層の開口部もしくは上記結晶種層から該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を選択的に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成し、頂部近傍を除去するものである。
【００９３】
以上のような本発明によれば基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面により構成された三次元状構造の頂部近傍、若しくは、上面近傍が取り除かれ、結晶性の良好な部分のみを用いる。これにより、頂部若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じ、発光効率が低下することが防止される。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現することができる。
【００９４】
また、本発明においては、上述の半導体発光素子が複数個配列された構造とすることにより、各半導体発光素子が画素を構成する輝度の高い画像形成装置や照明装置を構成することができる。
【００９５】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する結晶層を形成し、上記Ｓ面または上記Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、頂部近傍を除去した形状とされてなるものである。
【００９６】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に開口部を有するマスク層もしくは結晶種層を形成し、該マスク層の開口部もしくは上記結晶種層からＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する結晶層を選択的に形成し、上記Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成し、頂部近傍を除去するものである。
【００９７】
以上のような本発明によれば、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面により構成された三次元状構造の頂部近傍、若しくは、上面近傍が取り除かれ、結晶性の良好な部分のみを用いる。これにより、頂部若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じ、発光効率が低下することが防止される。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現することができる。
【００９８】
また、本発明においては、上述の半導体発光素子が複数個配列された構造とすることにより、各半導体発光素子が画素を構成する輝度の高い画像形成装置や照明装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の略六角錐部を上から見た上面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＧａＮ層とシリコンドープのＧａＮ層とを形成した状態を示す断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、マスク層を形成した状態を示す断面図である。
【図５】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、窓領域を形成した状態を示す断面図である。
【図６】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、シリコンドープのＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図７】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＩｎＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図８】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、マグネシウムドープのＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図９】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｐ電極を形成した状態を示す断面図である。
【図１０】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｎ電極を形成した状態を示す断面図である。
【図１１】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂に埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図１２】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＣＭＰにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図１３】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去した状態を示す断面図である。
【図１４】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、絶縁層を形成した状態を示す断面図である。
【図１５】第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂に埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図１６】第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＦＩＢを照射する状態を示す断面図である。
【図１７】第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＦＩＢにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図１８】第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去した状態を示す断面図である。
【図１９】第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、絶縁層を形成した状態を示す断面図である。
【図２０】第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂に埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図２１】第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、レーザービームを照射する状態を示す断面図である。
【図２２】第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、レーザービームにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図２３】第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去した状態を示す断面図である。
【図２４】第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、絶縁層を形成した状態を示す断面図である。
【図２５】第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂に埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図２６】第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ドライエッチング工程を示す断面図である。
【図２７】第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ドライエッチングにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図２８】第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去した状態を示す断面図である。
【図２９】第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、絶縁層を形成した状態を示す断面図である。
【図３０】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｐ電極形成工程を示す断面図である。
【図３１】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂に埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図３２】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＣＭＰにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図３３】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去した状態を示す断面図である。
【図３４】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、絶縁層を形成した状態を示す断面図である。
【図３５】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、分離溝を形成した状態を示す断面図である。
【図３６】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｎ電極を形成した状態を示す断面図である。
【図３７】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、マスク層を形成した状態を示す断面図である。
【図３８】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、エッチング工程を示す断面図である。
【図３９】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、シリコンドープのＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図４０】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＩｎＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図４１】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、マグネシウムドープのＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図４２】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｐ電極及びｎ電極を形成した状態を示す断面図である。
【図４３】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＦＩＢを照射する状態を示す断面図である。
【図４４】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＦＩＢにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図４５】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去し、半導体発光素子を分離した状態を示す断面図である。
【図４６】第７の実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。
【図４７】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の略六角錐部を上から見た上面図である。
【図４８】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、分離溝を形成した状態を示す断面図である。
【図４９】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、半導体発光素子の剥離工程を示す断面図である。
【図５０】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、半導体発光素子を転写基板に接着した状態を示す断面図である。
【図５１】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、半導体発光素子の底面側を削り込んだ状態を示す断面図である。
【図５２】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｎ電極を形成した状態を示す断面図である。
【図５３】従来の半導体発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２ ＧａＮ層
３ シリコンドープのＧａＮ層
４ シリコンドープのＧａＮ層
５ ＩｎＧａＮ層
６ マグネシウムドープのＧａＮ層
７ ｐ電極
８ ｎ電極、
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物（ナイトライド）系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、その禁制帯幅が１．８ｅＶから６．２ｅＶに亘っており、赤色から紫外線の発光が可能な発光素子の実現が理論上可能であるため、近年注目を集めている。
【０００３】
この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザーを製造する場合には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどを多層に積層し、発光層（活性層）を第１導電型層および２導電型層により挟んだ構造を形成する必要がある。このような発光ダイオードまたは半導体レーザーとして、発光層をＧａＩｎＮ／ＧａＮ量子井戸構造またはＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構造としたものがある。
【０００４】
窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体の気相成長技術においては格子整合する基板や低転位密度の基板が存在しないために、従来よりサファイアなどの基板表面上に９００℃以下の低温でＡｌＮもしくはＡｌＸＧａ１−ＸＮ（Ｘは０以上１未満）低温バッファ層を堆積し、その後に窒化ガリウム系化合物半導体を成長し格子不整合に起因する転位を低減する技術がある。このような技術は、例えば、特開昭６３−１８８９３８号公報や特公平８−８２１７号公報に開示されるものがあり、これらの技術を使用することで窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性およびモフォロジーを改善できる特徴がある。
【０００５】
さらに低転位密度の高品質結晶を得る技術としては、一旦第１の窒化ガリウム系化合物半導体層を堆積した後に酸化珪素や窒化珪素などからなる窒化ガリウム系化合物半導体の成長を阻害する材料で保護膜を形成し、その保護膜で覆われていない領域から第２の窒化ガリウム系化合物半導体層を面内方向（横方向）に成長することで、基板界面から垂直に伸びる貫通転位の伝播を妨げる技術がある（例えば、特開平１０−３１２９７１号公報、特開平１１−２５１２５３号公報参照。）。また、同様な技術としては一旦第１の窒化ガリウム系化合物半導体を成長した後に、リアクティブイオンエッチング装置（以下、RIE）などを用いてその膜を選択的に除去し、その後成長装置内で残された結晶から第二の窒化ガリウム系化合物半導体選択的に成長することで貫通転位密度を低減する技術がある（例えば、MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1， G3. 38 (1999)、またはJournal of Crystal Growth 189/190 (1998) 83-86）。これらの技術を使用することで１０６ｃｍ−２程度までの転位密度を有する結晶膜が得られ、半導体レーザーの高寿命化などが実現されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような選択成長を用いることで、貫通転位の低減だけではなく、３次元的な構造を有する半導体素子を作製できる。例えば、窒化ガリウム系化合物半導体膜もしくは基板上に成長阻害膜を形成して開口部から選択的に結晶を成長させ、或いは窒化ガリウム系化合物半導体膜もしくは基板を選択的に除去した上で残された結晶から選択的に結晶を成長することで、３次元的な構造を有する半導体素子構造を得ることができる。このような半導体素子はファセットからなる側面と側面の合流する頂部（上面）とからなる立体構造とされ、例えば素子分離の工程でのダメージが少なくなり、レーザーにおける電流狭窄構造を形成でき、更にはファセットとなる結晶面の特性を積極的に利用して結晶性の改善が可能であるなどの利点がある。
【０００７】
図５３は選択成長により３次元状に形成される窒化物系発光素子の一例の断面図であり、この発光素子はＧａＮ系の発光ダイオードである。その構造については、サファイア基板１０１上に下地成長層としてのｎ型ＧａＮ層１０２が形成され、そのｎ型ＧａＮ層１０２上には開口部１０３が形成されたシリコン酸化膜１０４が被覆され、該シリコン酸化膜１０４の開口部１０３からの選択成長により六角錐形状のＧａＮ層１０５が形成されている。
【０００８】
このＧａＮ層１０５は、サファイア基板１０１の主面をＣ面とした場合にＳ面（｛１−１０１｝面）で覆われたピラミッド型の成長層であり、シリコンをドープさせた領域である。このＧａＮ層１０５の傾斜したＳ面の部分はクラッドとして機能する。ＧａＮ層１０５の傾斜したＳ面を覆うように活性層であるＩｎＧａＮ層１０６が形成されており、その外側にＡｌＧａＮ層３３６とマグネシウムドープのＧａＮ層１０７が形成される。
【０００９】
このような発光ダイオードには、ｐ電極１０８とｎ電極１０９とが形成されている。ｐ電極１０８は、マグネシウムドープのＧａＮ層１０７上に形成されるＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕなどの金属材料を蒸着して形成される。ｎ電極１０９は、前述のシリコン酸化膜１０４を開口した部分でＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどの金属材料を蒸着して形成される。
【００１０】
しかし、このような選択成長を用いた場合には、基板からの貫通転位が存在し、また、頂部若しくは上面は成長速度の遅いファセットからなる側面に囲まれるために原料の供給が過多になり結晶性が劣化することがある。また、基板面積に比べて頂部若しくは上面の面積が小さい場合に、その部分の膜厚や混晶組成の制御などが困難となる。したがって、選択成長によって３次元構造の半導体素子を形成した場合であっても、上記理由により頂部若しくは上面の結晶性が悪く、非発光再結合による効率の低下、ＰＮ接合が正常に形成されないことによる電流のリークなどの諸問題が発生する。
【００１１】
図５３に示すＩｎＧａＮ層１０６のように、選択成長による３次元状の半導体素子の側面などに活性層を形成する場合には、所要の電極形成プロセスにより側面にのみ電極を形成することも可能である。しかしながら、立体構造上のフォトリソグラフィーは困難であり、精度良く電極を形成することが容易ではなく歩留まりが悪くなる。また、電極と接する導電型層の抵抗率と厚みによってはその層で電流が広がり、頂部若しくは上面に電流が注入されて素子特性が悪くなる傾向がある。
【００１２】
そこで本発明は、選択成長などによって素子構造を３次元化した場合においても、発光効率に優れた半導体素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明に係る半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を角錐形状に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなることを特徴とする。
【００１４】
また、上述した目的を達成する本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に開口部を有するマスク層若しくは結晶種層を形成し、該マスク層の開口部若しくは上記結晶種層から該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を角錐形状に選択的に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成することを特徴とする。
【００１５】
以上のような本発明に係る半導体発光素子では、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面により構成された三次元状構造の頂部近傍、若しくは、上面近傍が除去された形状とされているため、基板から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部近傍若しくは上面近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを用いる構成とされている。これにより、頂部近傍若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することが防止されている。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現される。
【００１６】
また、本発明においては、上述の半導体発光素子が複数個配列された構造とすることにより、各半導体発光素子が画素を構成する画像形成装置や照明装置を構成することができる。
【００１７】
上述した目的を達成する本発明に係る半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する角錐形状の結晶層を形成し、上記Ｓ面または上記Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなることを特徴とするものである。
【００１８】
また、上述した目的を達成する本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に開口部を有するマスク層もしくは結晶種層を形成し、該マスク層の開口部もしくは上記結晶種層からＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する角錐形状の結晶層を選択的に形成し、上記Ｓ面または上記Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなることを特徴とするものである。
【００１９】
以上のような本発明に係る半導体発光素子では、基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面により構成された三次元状構造の頂部近傍、若しくは、上面近傍が除去された形状とされているため、基板から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部近傍若しくは上面近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを用いる構成とされている。これにより、頂部近傍若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することが防止されている。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現される。
【００２０】
また、本発明においては、上述の半導体発光素子が複数個配列された構造とすることにより、各半導体発光素子が画素を構成する画像形成装置や照明装置を構成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明においては、説明の便宜上、実際の縮尺と異なることがある。また、本発明に係る半導体素子は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００２２】
本発明に係る半導体素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成してなり、頂部近傍を除去した形状であることを特徴とする。
【００２３】
本発明に用いられる基板は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。基板自体は製品としての発光素子には含まれない構造も可能であり、製造の途中で素子部分を保持させるために使用され、完成前に取り外しされる構造であっても良い。
【００２４】
この基板上に形成される結晶層は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有している。この結晶層は、後述の基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、特に限定されるものではないが、その中でもウルツ鉱型の結晶構造を有することが好ましい。このような結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、Ｓ面や（１１−２２）面に実質的に等価な面とは、Ｓ面や（１１−２２）面に対してそれぞれ５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００２５】
この結晶層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＣＶＤ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＣＶＤ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。一般的なＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００２６】
結晶層を形成する前に、下地成長層を基板上に形成することが好ましい。この下地成長層は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地成長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ、或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合せからなる構造であっても良い。この下地成長層も結晶層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることができる。結晶層の成長を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異なる面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。したがって、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を成長させることができることになる。バッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、ＳｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつけることもあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低温にしないでバッファ層として成長することもあり、それでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用しても良い。
【００２７】
そして、本発明においては、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を形成するために、選択成長法を用いることができる。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は、その基板主面の選択にも依存するが、ウルツ鉱型の（０００１）面[Ｃ面]を基板主面とした場合では、（１−１００）面[Ｍ面]、（１−１０１）面[Ｓ面]、（１１−２０）面[Ａ面]、（１−１０２）面[Ｒ面]、（１−１２３）面[Ｎ面]、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた傾斜結晶面を挙げることができ、特にＳ面や（１１−２２）面およびでこれらに等価な結晶面で用いることが好ましい。これらに等価な結晶面とは前述のように、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。特にＳ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。このＳ面については、前述のように窒化ガリウム系化合物半導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を形成することができ、Ｃ面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。したがって、実効的にＶ／ＩＩＩ 比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００２８】
本発明の半導体発光素子においては、結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する構造を有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良い。
【００２９】
そして、本発明の半導体素子においては、上述した基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層、及びこの結晶層上の傾斜結晶面に平行な面内に形成された第１導電型層、活性層、及び第２導電型層は、頂部近傍を除去した形状とされている。
【００３０】
ここで、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は、Ｓ面または当該Ｓ面に実質的に等価な面とされてもよく、さらにこのＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐状の斜面をそれぞれ構成するようにされても良い。
【００３１】
ここで、略六角錐台形状は、正確に六角錐台形状であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。好適な一例においては、傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配設される。ほぼ対称とは、完全に対称形状になっている場合の他、多少対称形状よりずれている場合も含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。
【００３２】
三次元状の半導体発光素子では、基板から頂部若しくは上面部分にまで貫通転位が延びた場合、これに起因して電流のリークが生じて発光効率が低下する。そして、頂部若しくは上面近傍は成長速度の遅いファセットからなる側面に囲まれるために原料の供給が過多になり結晶性が劣化した部分が発生し、これに起因して電流のリークが生じて発光効率が低下する。
【００３３】
しかしながら、本発明に係る半導体発光素子では、三次元状の構造の頂部近傍、若しくは、上面近傍が除去されているため、基板から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部近傍若しくは上面近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを用いる構成とされている。これにより、頂部近傍若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することが防止されている。さらに、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現することができる。
【００３４】
ここで、本発明においては、三次元状の構造の頂部近傍が除去された部分の形状は、平面でも良く、また、平面以外の形状とされていても良い。頂部近傍が除去された形状が平面である場合には、例えば、基板の主面に平行な面または当該基板の主面に実質的に等価な面において頂部近傍を除去することができる。また、この基板の主面に平行な面または当該基板の主面に実質的に等価な面が、基板上に形成したＣ面または上記Ｃ面に実質的に等価な面であっても良い。すなわち、いわゆる略六角錐台形状とされても良い。
【００３５】
このような選択成長は、下地成長層の一部を選択的に除去することを利用したり、あるいは、選択的に前記下地成長層上にまたは前記下地成長層形成前に形成されたマスク層の開口された部分を利用して行われる。例えば、前記下地成長層がバッファ層と結晶種層とからなる場合、バッファ層上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の小領域に細分化し、それぞれの部分からの結晶成長によってＳ面等を有する結晶層を形成することが可能である。例えば、細分化された結晶種層は、発光素子として分離するためのマージンを見込んで離間するように配列することができ、個々の小領域としては、帯状、格子状、円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形およびこれらの変形形状などの形状にすることができる。下地成長層の上にマスク層を形成し、そのマスク層を選択的に開口して窓領域を形成することでも、選択成長が可能である。マスク層は例えば酸化シリコン層或いは窒化シリコン層によって構成することができる。前述のような略六角錐台形状が直線状に延在された形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台や角錐形状はマスク層の窓領域を帯状にしたり、結晶種層を帯状にすることで可能である。
【００３６】
選択成長を用い、マスク層の窓領域を１０μｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、または辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでその約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。またＳ面が基板と異なる方向であれば転位を曲げる効果、および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低減にも役立つ。
【００３７】
また、選択成長マスクを用いて選択成長する場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状にすることが可能である。このようなマイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかっている。またこのような横方向成長により発光領域も増大し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００３８】
本発明の半導体発光素子は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層上に形成する。第１導電型はｐ型またはｎ型のクラッド層であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることができる。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００３９】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に形成されるが、このような面内への形成は傾斜結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。すなわち、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を、全部または一部の傾斜結晶面上に形成することができる。
【００４０】
傾斜結晶面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外に出ることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層は傾斜結晶面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、傾斜結晶面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、傾斜結晶面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。
【００４１】
本発明の半導体発光素子では、傾斜した傾斜結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。結晶性が良い傾斜結晶面にのみ電流を注入すると、傾斜結晶面はＩｎの取り込みも良く結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的な傾斜結晶面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板または前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することができる。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることができる。
【００４２】
結晶層と第２導電型層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００４３】
本発明の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレーとして利用できる。
【００４４】
また、本発明の半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する結晶層を形成し、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成してなり、頂部近傍を除去した形状であることを特徴とする。
【００４５】
ここで、用いられる基板は、後述のＳ面またはそのＳ面に等価な面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用でき、先の半導体発光素子において例示したものと同様のものを用いることができる。
【００４６】
この基板上に形成される結晶層は基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有している。この結晶層は後述のＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、やはり先の半導体発光素子において例示したものと同様のものを用いることができる。結晶層の成長方法、結晶層を成長する際に形成する下地成長層も先の半導体発光素子と同様である。なお、Ｓ面に実質的に等価な面とは、Ｓ面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００４７】
そして、本発明においては、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面を形成するために、選択成長法を用いることができる。Ｓ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本例においても、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。
【００４８】
本発明の半導体発光素子においては、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面を有する構造を有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、すなわちいわゆる略六角錐台形状であっても良い。
【００４９】
この略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。具体的な選択成長法は、先の半導体発光素子１の場合と同様である。
【００５０】
本発明の半導体発光素子は、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層上に形成する。これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層については、先の半導体発光素子の項において説明した通りである。
【００５１】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に形成されるが、このような面内への形成はＳ面等が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。すなわち、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を、全部または一部のＳ面上に形成することができる。
【００５２】
傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。
【００５３】
本発明の半導体発光素子では、傾斜したＳ面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板または前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することができる。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることができる。
【００５４】
結晶層と第２導電型層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層との双方についてしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００５５】
本発明の半導体発光素子は複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレーとして利用できる。
【００５６】
以下、本発明を各実施の形態を参照しながらさらに詳細に説明する。なお、本発明に係る半導体素子は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００５７】
第１の実施の形態
本実施の形態の半導体発光素子は、図１及び図２に示す素子構造を有している。その主な構成は、Ｃ＋面を基板主面とするサファイア基板１上にＧａＮ層２と結晶種層となるシリコンドープのＧａＮ層３とを介して成長した結晶層としてのシリコンドープのＧａＮ層４を有している。このシリコンドープのＧａＮ層４は基板主面とは傾斜してなるＳ面を有しており、このＳ面に平行に延在してなる形状で活性層であるＩｎＧａＮ層５が形成され、さらにそのＩｎＧａＮ層５上にクラッド層としてマグネシウムドープのＧａＮ層６が形成されている。ｐ電極７はマグネシウムドープのＧａＮ層６の上面に形成されており、ｎ電極８は、これらの側部で開口された領域に形成されており、シリコンドープのＧａＮ層３とを介してシリコンドープのＧａＮ層４に接続している。
【００５８】
そして、シリコンドープのＧａＮ層４と、ＩｎＧａＮ層５と、マグネシウムドープのＧａＮ層６とは、Ｃ面または該Ｃ面に実質的に等価な面で略六角錐から頂部近傍を除去された形状とされ、Ｃ面または該Ｃ面に実質的に等価な面がその上平面部を構成する構造とされている。すなわち、この半導体発光素子は、いわゆる略六角錐台形状とされている。また、これらが、例えばＳｉＯ２からなる保護膜９により覆われている。
【００５９】
このような構造を有する半導体発光素子は、サファイア基板１主面に対して傾斜したＳ面を利用することから、その窒素原子からガリウム原子へのボンドの数が増大することになり、実効的なＶ／ＩＩＩ比を高くすることが可能であり、形成される半導体発光素子の高性能化を図ることができる。また、基板主面はＣ＋面であり、Ｓ面は基板主面と異なる面であるために、基板から上に延びた転位が曲がることがあり、欠陥を低減することも可能となる。
【００６０】
また、通常の六角錐形状の半導体発光素子では、基板から頂部近傍若しくは上面近傍にまで貫通転位が延びた場合、これに起因して電流のリークが生じて発光効率が低下する。そして、通常の六角錐形状の半導体発光素子においては、頂部近傍若しくは上面近傍は成長速度の遅いファセットからなる側面に囲まれるために原料の供給が過多になり結晶性が劣化した部分が発生し、これに起因して電流のリークが生じて発光効率が低下する。
【００６１】
しかしながら、この半導体発光素子においては、いわゆる略六角錐台形状とされているため、シリコンドープのＧａＮ層４は六角錐から頂部近傍を欠いた形状とされており、このシリコンドープのＧａＮ層４では基板から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部近傍若しくは上面近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを用いる構成とされている。これにより、頂部近傍若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することが防止されている。さらに、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を用いることで、多重反射を防止することもでき、発生した光を効率良く素子外部に導くことができる。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現されている。
【００６２】
このような構造を有する半導体発光素子は、次のようにして作製することができる。以下では図３乃至図１４を参照しながらこの半導体発光素子の製造工程を説明する。
【００６３】
上述した半導体発光素子を作製するには、まず、基板主面をＣ＋面とするサファイア基板１上に、５００℃程度の低温でバッファ層となるＧａＮ層２を形成する。その後、１０００℃に昇温して図３に示すようにシリコンドープのＧａＮ層３を形成する。
【００６４】
次に、図４に示すようにＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１１をシリコンドープのＧａＮ層３上の全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、図５に示すように、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状の開口部からなる窓領域１２をマスク層１１に形成する。このときの一辺の方向は１−１００方向に垂直とする。この開口部の大きさは作りたい素子の特性により変える。
【００６５】
次に、成長温度１０００℃でシリコンドープのＧａＮ層４の結晶成長を行う。当初、シリコンドープのＧａＮ層４は円形の窓領域１２から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。シリコンドープのＧａＮ層４を形成した後しばらく成長を続け、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度（一辺が１０μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度となる。すると図６に示すように、１６μｍ程度の窓領域１２よりも底面が広がったシリコンドープのＧａＮ層４が形成される。なお、六角錐の大きさが幅２０μｍ程度は例示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度とすることも可能である。なお、図６においては、シリコンドープのＧａＮ層４を１つのみ記載してあるが、実際の工程においてはサファイア基板１の主面上一面に多数のシリコンドープのＧａＮ層４を形成し、効率的に半導体発光素子を形成することができる。
【００６６】
そして、さらにシリコンドープのＧａＮ４の成長を行い、その後成長温度を低減して図７に示すように活性層となるＩｎＧａＮ層５の成長を行う。その後、成長温度を再び上昇させ、図８に示すようにｐ型クラッド層としてのマグネシウムドープのＧａＮ層６を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層５の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもあり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもある。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが好ましい。この段階で、ＩｎＧａＮ層５やマグネシウムドープのＧａＮ層６は窓領域１２の周囲のマスク層１１の上まで延在され、第２成長層であるシリコンドープのＧａＮ層４の全体が被覆され、活性層であるＩｎＧａＮ層５、マグネシウムドープのＧａＮ層６の端部が形成されないことから、活性層の劣化を未然に防止することができる。
【００６７】
その後、六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着により、図９に示すようにｐ電極７が形成される。また、マスク層１１の一部を開口してシリコンドープのＧａＮ層３を露出させ、さらにその除去した部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これにより、図１０に示すようにｎ電極８が形成される。これらの蒸着の際、ｐ電極７、ｎ電極８はそれぞれ精度良く蒸着することが必要である。
【００６８】
次に、図１１に示すように全体をポリイミド等の樹脂１３で埋め込む。樹脂１３は特に限定されず、従来公知の樹脂を用いることができる。このとき、樹脂の埋め込み高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の略六角錐の頂部近傍程度とする。そして、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、以下ＣＭＰと呼ぶ。）装置１４を用いて、図１２に示すように略六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、ＣＭＰ処理後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層４ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍部分が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。以下の実施の形態においても同様である。
【００６９】
そして、図１３に示すように樹脂１３を除去した後、図１４に示すように全体を例えばＳｉＯ２などの保護膜９で覆う。なお、絶縁膜は必要に応じて形成すれば良い。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより本実施の形態の半導体発光素子が完成する。
【００７０】
第２の実施の形態
第２の実施の形態では、図１及び図２に示した半導体発光素子の他の製造方法について説明する。まず、上述した図３乃至図１１の手順に従って図１５に示すようにｐ電極７の中腹程度の高さまで樹脂１３に埋め込む。そして、図１６に示すように集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ、以下、ＦＩＢと呼ぶ。）装置２１によりイオンビームを略六角錐形状の頂部近傍に照射して、図１７に示すように略六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、ＦＩＢ照射処理後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層４ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。
【００７１】
そして、図１８に示すように樹脂１３を除去した後、図１９に示すように全体を例えばＳｉＯ２などの保護膜９で覆う。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより図１及び図２に示した半導体発光素子が完成する。
【００７２】
第３の実施の形態
第３の実施の形態では、図１及び図２に示した半導体発光素子の他の製造方法について説明する。まず、上述した図３乃至図１１の手順に従って図２０に示すようにｐ電極７の中腹程度の高さまで樹脂に埋め込む。そして、図２１に示すようにレーザー装置３１によりレーザービームを六角錐形状の頂部近傍に照射して、図２２に示すように略六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、レーザービーム照射処理後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層４ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。なお、使用するレーザービームは特に限定されるものではなく、シリコンドープのＧａＮ層４、ＩｎＧａＮ層５及びマグネシウムドープのＧａＮ層６を確実に除去できるものであれば、種々のものを用いることができる。
【００７３】
そして、図２３に示すように樹脂１３を除去した後、図２４に示すように全体を例えばＳｉＯ２などの保護膜９で覆う。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより図１及び図２に示した半導体発光素子が完成する。
【００７４】
第４の実施の形態
第４の実施の形態では、図１及び図２に示した半導体発光素子の他の製造方法について説明する。まず、上述した図３乃至図１１の手順に従って図２５に示すようにｐ電極７の中腹程度の高さまでレジスト４１を形成する。そして、図２６に示すようにレジスト４１をマスクとしてドライエッチングを行い、図２７に示すように六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、ドライエッチングに用いるエッチングガスは特に限定されるものではなく、シリコンドープのＧａＮ層４、ＩｎＧａＮ層５及びマグネシウムドープのＧａＮ層６を確実に除去できるものであれば、種々のものを用いることができ、例えば塩素系ガスなどを用いることができる。また、ドライエッチング後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層４ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。
【００７５】
そして、図２８に示すようにレジスト４１を除去した後、図２９に示すように全体を例えばＳｉＯ２などの保護膜９で覆う。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより図１及び図２に示した半導体発光素子が完成する。
【００７６】
第５の実施の形態
第５の実施の形態は、ｎ電極を基板裏面に形成する半導体発光素子の例であり、図３０乃至図３６を参照しながら説明する。
【００７７】
ｎ電極が裏面に形成される分だけ、ｎ電極用の領域はサファイア基板１主面より削除されているが、ｐ電極７を形成するところまでは第１の実施の形態と同じ工程を行う。すなわち、上述した図３乃至図９の手順に従って図３０に示すようにｐ電極７を形成する。ｐ電極７の形成後、図３１に示すように樹脂１３に埋め込む。そして、第１の実施の形態と同様にＣＭＰ装置１４を用いて、図３２に示すように略六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、ＣＭＰ処理後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層４の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層４ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。
【００７８】
そして、図３３に示すように樹脂１３を除去した後、図３４に示すように全体を例えばＳｉＯ２などの保護膜９で覆う。その後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離溝４１を形成して分離し、図３５に示すようにサファイア基板１上で素子毎に分離する。次に、サファイア基板１の裏面よりエキシマレーザー照射してアブレーションを起こすことにより素子部分となる領域を素子ごとに剥離して転写基板に接着し、素子側の裏面部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。この電極がｎ電極５１として機能することとなり、以上により、図３６に示すように素子裏面にｎ電極５１が形成された半導体発光素子を形成することができる。
【００７９】
第６の実施の形態
第６の実施の形態は、ｎ電極をシリコンドープのＧａＮ層４に直接形成する半導体発光素子の例であり、図３７乃至図４５を参照しながら説明する。
【００８０】
まず、第１の実施の形態と同様にして図３７に示すようにサファイア基板１上に、ＧａＮ層２、シリコンドープのＧａＮ層３及びＳｉＯ２またはＳｉＮを用いたマスク層１１をシリコンドープのＧａＮ層３上の全面に厚さ１００〜５００ｎｍの範囲で形成し、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを用いて１０μｍ程度の円形状のマスク部６１を残し、図３８に示すようにサファイア基板１の主面が露呈するまでエッチングする。その結果、マスク部６１の形状を反映して円筒状のＧａＮ層２及びシリコンドープのＧａＮ層３が残される。
【００８１】
次に、マスク部６１を除去し、もう一度結晶成長を行うが、このときは１０００℃程度に成長温度を上昇し、シリコンドープのＧａＮ層６２の成長を行う。シリコンドープのＧａＮ層６２は残っていたＧａＮ層２及びシリコンドープのＧａＮ層３上に成長するが、しばらく成長を続けるとサファイア基板１主面に対して傾斜したＳ面によって周囲が囲まれた六角錐形状となっていく。成長に時間をかけるだけ、六角錐形状のシリコンドープのＧａＮ層６２が大きく成長するが、十分に成長した場合でもＧａＮ層６２同士が干渉せず、且つ素子間の分離のためのマージンを確保するようにＧａＮ層６２のピッチは十分に離しておく必要がある。
【００８２】
六角錐の大きさが実施例１と同様に幅１５〜２０μｍ程度（一辺が７．５〜１５μｍ程度）になった際、高さは六角錐としてその一辺の１．６倍程度にすなわち１０〜１６μｍ程度になる。なお、六角錐の大きさが幅１５〜２０μｍ程度は例示であり、例えば六角錐の大きさを幅１０μｍ程度またはそれ以下とすることも可能である。図３９に示すように、成長して傾斜したＳ面で囲まれた六角錐形状が形成された後、さらにシリコンドープのＧａＮ層を成長し、その後成長温度を低減し図４０に示すようにＩｎＧａＮ層６３を成長させる。その後、成長温度を上昇し、図４１に示すように、マグネシウムドープのＧａＮ層６４を成長させる。その際のＩｎＧａＮ層６３の厚さは０．５ｎｍから３ｎｍ程度である。さらに活性層を（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることもでき、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもできる。その際、ＩｎＧａＮのすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが好ましい。
【００８３】
その後、活性層であるＩｎＧａＮ層６３およびｐ型クラッド層であるマグネシウムドープのＧａＮ層６４の一部をサファイア基板１に近い側で除去してシリコンドープのＧａＮ層６２の一部を露出させる。さらに図４２に示すようにその除去したサファイア基板１に近い部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。これがｎ電極６５となる。さらに六角錐上に成長した最表層にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着する。この蒸着により図４２に示すようにｐ電極６６が形成される。これらの蒸着の際には、電極同士の短絡を防止するために、精度の高い蒸着が必要であることは、実施例１と同様である。
【００８４】
次に、図４３に示すようにｐ電極６６の中腹程度の高さまで樹脂１３に埋め込む。そして、図４３に示すようにＦＩＢ装置２１によりイオンビームを六角錐形状の頂部近傍に照射して、図４４に示すように六角錐の頂部近傍から中腹付近までを削り落とし、いわゆる略六角錐台形状とする。ここで、ＦＩＢ照射処理後の半導体発光素子の高さは、シリコンドープのＧａＮ層６２の頂部近傍が確実に除去される高さとする。これにより、このシリコンドープのＧａＮ層６２ではサファイア基板１から頂部近傍にまで延びた貫通転位が取り除かれている。そして、結晶性の劣化した頂部若しくは頂部近傍部分が取り除かれている。すなわち、結晶性の良好な部分のみを残すことができる。その結果、頂部若しくは頂部近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じて発光効率が低下することを防止することができる。
【００８５】
そして、樹脂１３を除去した後、当該発光素子をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離する。これにより図４５示す半導体発光素子が完成する。
【００８６】
第７の実施の形態
第７の実施の形態では、図４６及び図４７に示すように、六角錐形状の底面側も削り込むことにより形成した半導体発光素子について説明する。
【００８７】
図４６及び図４７に示す半導体発光素子は、図１及び図２に示した半導体発光素子において、六角錐形状の底面側も除去された形状とされており、上述した本発明の効果の他に、半導体発光素子の薄厚化が図れるという利点も有している。
【００８８】
このような半導体発光素子を形成するには、上述した図３０乃至図３５の手順に従って半導体発光素子を形成し、さらにＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはダイサーなどで分離溝４１を形成して分離し、図４８に示すようにサファイア基板１上で素子毎に分離する。
【００８９】
次に、図４９に示すようにサファイア基板１の裏面よりエキシマレーザー照射してアブレーションを起こすことにより素子部分となる領域を素子ごとに剥離して図５０に示すように接着層７２を形成した転写基板７３に接着する。そして、図５１に示すように先に形成した六角錐形状の底面側をｐ電極７に達しない程度に削り込む。底面側の削り込みは、上記において説明した手段のいずれによって行って良い。すなわち、ＣＭＰ装置、集束イオンビーム装置、レーザー装置のうちいずれの装置を用いても良い。
【００９０】
その後、図５２に示すように発光素子の裏面部分にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着する。この電極がｎ電極７１として機能することとなる。そして、所定の基板に転写することにより、良好な発光効率を有するとともに図４６及び図４７に示すように薄厚化され、素子裏面にｎ電極７１が形成された半導体発光素子を形成することができる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、頂部近傍を除去した形状とされてなるものである。
【００９２】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に開口部を有するマスク層もしくは結晶種層を形成し、該マスク層の開口部もしくは上記結晶種層から該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を選択的に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成し、頂部近傍を除去するものである。
【００９３】
以上のような本発明によれば基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面により構成された三次元状構造の頂部近傍、若しくは、上面近傍が取り除かれ、結晶性の良好な部分のみを用いる。これにより、頂部若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じ、発光効率が低下することが防止される。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現することができる。
【００９４】
また、本発明においては、上述の半導体発光素子が複数個配列された構造とすることにより、各半導体発光素子が画素を構成する輝度の高い画像形成装置や照明装置を構成することができる。
【００９５】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に該基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する結晶層を形成し、上記Ｓ面または上記Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、頂部近傍を除去した形状とされてなるものである。
【００９６】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に開口部を有するマスク層もしくは結晶種層を形成し、該マスク層の開口部もしくは上記結晶種層からＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する結晶層を選択的に形成し、上記Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成し、頂部近傍を除去するものである。
【００９７】
以上のような本発明によれば、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面により構成された三次元状構造の頂部近傍、若しくは、上面近傍が取り除かれ、結晶性の良好な部分のみを用いる。これにより、頂部若しくは上面近傍の貫通転位、そして結晶性の劣化に起因して電流のリークが生じ、発光効率が低下することが防止される。したがって、この半導体発光素子によれば、発光効率に優れた輝度の高い半導体発光素子が実現することができる。
【００９８】
また、本発明においては、上述の半導体発光素子が複数個配列された構造とすることにより、各半導体発光素子が画素を構成する輝度の高い画像形成装置や照明装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の略六角錐部を上から見た上面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＧａＮ層とシリコンドープのＧａＮ層とを形成した状態を示す断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、マスク層を形成した状態を示す断面図である。
【図５】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、窓領域を形成した状態を示す断面図である。
【図６】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、シリコンドープのＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図７】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＩｎＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図８】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、マグネシウムドープのＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図９】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｐ電極を形成した状態を示す断面図である。
【図１０】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｎ電極を形成した状態を示す断面図である。
【図１１】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂に埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図１２】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＣＭＰにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図１３】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去した状態を示す断面図である。
【図１４】第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、絶縁層を形成した状態を示す断面図である。
【図１５】第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂に埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図１６】第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＦＩＢを照射する状態を示す断面図である。
【図１７】第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＦＩＢにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図１８】第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去した状態を示す断面図である。
【図１９】第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、絶縁層を形成した状態を示す断面図である。
【図２０】第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂に埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図２１】第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、レーザービームを照射する状態を示す断面図である。
【図２２】第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、レーザービームにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図２３】第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去した状態を示す断面図である。
【図２４】第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、絶縁層を形成した状態を示す断面図である。
【図２５】第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂に埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図２６】第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ドライエッチング工程を示す断面図である。
【図２７】第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ドライエッチングにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図２８】第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去した状態を示す断面図である。
【図２９】第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、絶縁層を形成した状態を示す断面図である。
【図３０】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｐ電極形成工程を示す断面図である。
【図３１】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂に埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図３２】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＣＭＰにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図３３】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去した状態を示す断面図である。
【図３４】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、絶縁層を形成した状態を示す断面図である。
【図３５】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、分離溝を形成した状態を示す断面図である。
【図３６】第５の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｎ電極を形成した状態を示す断面図である。
【図３７】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、マスク層を形成した状態を示す断面図である。
【図３８】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、エッチング工程を示す断面図である。
【図３９】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、シリコンドープのＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図４０】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＩｎＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図４１】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、マグネシウムドープのＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図４２】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｐ電極及びｎ電極を形成した状態を示す断面図である。
【図４３】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＦＩＢを照射する状態を示す断面図である。
【図４４】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ＦＩＢにより、いわゆる略六角錐台形状とした状態を示す断面図である。
【図４５】第６の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、樹脂を除去し、半導体発光素子を分離した状態を示す断面図である。
【図４６】第７の実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。
【図４７】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の略六角錐部を上から見た上面図である。
【図４８】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、分離溝を形成した状態を示す断面図である。
【図４９】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、半導体発光素子の剥離工程を示す断面図である。
【図５０】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、半導体発光素子を転写基板に接着した状態を示す断面図である。
【図５１】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、半導体発光素子の底面側を削り込んだ状態を示す断面図である。
【図５２】第７の実施の形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明する図であって、ｎ電極を形成した状態を示す断面図である。
【図５３】従来の半導体発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２ ＧａＮ層
３ シリコンドープのＧａＮ層
４ シリコンドープのＧａＮ層
５ ＩｎＧａＮ層
６ マグネシウムドープのＧａＮ層
７ ｐ電極
８ ｎ電極、
Claims (24)
- 基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を角錐形状に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなること
を特徴とする半導体発光素子。 - 上記角錐形状は略六角錐形状であり、上記電極層は６つの傾斜結晶面上それぞれを巡って構成される環状の形状にされることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を角錐形状に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなる半導体発光素子を配列し、
該半導体発光素子が信号に応じて発光するように構成されてなること
を特徴とする画像表示装置。 - 基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を角錐形状に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなる半導体発光素子を配列し、
該半導体発光素子が信号に応じて発光するように構成されてなること
を特徴とする照明装置。 - 基板上に開口部を有するマスク層若しくは結晶種層を形成し、該マスク層の開口部若しくは上記結晶種層から該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を角錐形状に選択的に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成すること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 上記基板上に複数の半導体発光素子を形成した後、各半導体発光素子毎に分離すること
を特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。 - 分離した各半導体発光素子の裏面に他方の電極層を形成すること
を特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層の除去は、化学機械研磨、集束イオンビーム、レーザービーム、及びドライエッチングから選ばれた方法により行なわれること
を特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記結晶層は下地成長層を介して上記基板上に選択成長により設けられること
を特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記選択成長は上記下地成長層を選択的に除去することを利用して行われること
を特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記選択成長は選択的に形成されたマスク層の開口部を利用して行われること
を特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記結晶層は上記マスク層の開口部よりも横方向に広がって選択成長したものであること
を特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。 - 基板上に該基板の主面に対して傾斜したＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する角錐形状の結晶層を形成し、上記Ｓ面または上記Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成してなり、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなること
を特徴とする半導体発光素子。 - 上記基板の主面に平行な面または上記基板の主面に実質的に等価な面は、上記基板上に形成したＣ面または上記Ｃ面に実質的に等価な面であること
を特徴とする請求項１３記載の半導体発光素子。 - 上記基板の主面はＣ面であること
を特徴とする請求項１３記載の半導体発光素子。 - 基板上に開口部を有するマスク層もしくは結晶種層を形成し、該マスク層の開口部もしくは上記結晶種層からＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面を有する角錐形状の結晶層を選択的に形成し、上記Ｓ面または上記Ｓ面に実質的に等価な面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を上記結晶層に形成し、上記傾斜結晶面に平行な面内に延在される一方の電極層を上記第２導電型層上に形成し、上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層を除去して上記基板の主面に平行な面を形成してなること
を特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 上記基板の主面に平行な面または上記基板の主面に実質的に等価な面は、上記基板上に形成したＣ面または上記Ｃ面に実質的に等価な面であること
を特徴とする請求項１６記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記基板上に複数の半導体発光素子を形成した後、各半導体発光素子毎に分離すること
を特徴とする請求項１６記載の半導体発光素子の製造方法。 - 分離した各半導体発光素子の裏面に他方の電極層を形成すること
を特徴とする請求項１６記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記角錐形状の頂点部分における上記電極層と上記結晶層の除去は、化学機械研磨、集束イオンビーム、レーザービーム、及びドライエッチングから選ばれた方法により行なわれること
を特徴とする請求項１６記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記結晶層は下地成長層を介して上記基板上に選択成長により設けられること
を特徴とする請求項１６記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記下地成長層を選択的に除去することを利用して行われること
を特徴とする請求項２１記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記選択成長は選択的に形成されたマスク層の開口部を利用して行われること
を特徴とする請求項１６記載の半導体発光素子の製造方法。 - 上記結晶層は上記マスク層の開口部よりも横方向に広がって選択成長したものであること
を特徴とする請求項１６記載の半導体発光素子の製造方法。
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