JP4269645B2

JP4269645B2 - 付活剤を含有した基板を用いた窒化物半導体ｌｅｄ素子、及び成長方法

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Publication number: JP4269645B2
Application number: JP2002315629A
Authority: JP
Inventors: 裕之清久; 康雄神原; 勇仁木; 敏昭森脇
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: JP2003204079A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体素子に関するものであり、特に付活剤を含有した基板上に窒化物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）を有する窒化物半導体素子、及びその成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
白色光を発する発光素子は、液晶や照明、表示装置等に有用である。現在、白色発光素子は青色ＬＥＤチップをＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（以下、ＹＡＧと示す）系蛍光粉末を混合した樹脂でモールドすることにより形成されている。これはＬＥＤチップから放射された光の一部がＹＡＧ系蛍光粉末の粒子に当たり、発光した黄色光をＬＥＤチップからの青色光と混ざり合わせて白色光とするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示す方法で白色光の均一性を得るのは非常に困難である。その理由としては、樹脂に混入させるＹＡＧ系蛍光粉末の粒径を均一にすることが難しいからである。さらには粉末が沈降することが考えられる。これは粉末の重さによるものであり、粒径が不均一であるため粒径の大きい粉末は早く沈降する。そのため、粉末の空間的分布が存在することとなり、白色光の不均一が生じる。その他には、蛍光体粉末表面での反射散乱が起こるため光の取り出し効率の低下が考えられる。
【０００４】
そこで、本発明は上記の課題に鑑み任意の色を均一光とするＬＥＤ等の発光素子であって、発光効率を向上させた発光素子を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の目的は、以下に示す本発明の構成によって達成することができる。本発明における窒化物半導体ＬＥＤ素子は、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有し、（１１１）面を主面とするＹ _３Ａｌ _５Ｏ _１２基板であり、該Ｙの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又は該Ａｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換した基板であって、該基板にはテーパー角が１０°〜３０°である凹凸を有しており、前記基板の凹凸面上には窒化物半導体を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明における前記基板の平面形状は、ストライプ状、格子状、又は島状であることを特徴とする。
【００１１】
本発明における窒化物半導体素子は、前記基板と窒化物半導体との間にＩｎを含有するバッファ層を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明における窒化物半導体ＬＥＤ素子の成長方法は、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有し、（１１１）面を主面とするＹ _３Ａｌ _５Ｏ _１２基板であり、該Ｙの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又は該Ａｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換した基板の表面にテーパー角が１０°〜３０°である凹凸段差を形成する第１の工程と、その後、前記基板の表面である凹凸面上にバッファ層を形成する第２の工程と、その後、前記バッファ層上にＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成る窒化物半導体を少なくとも一層を形成する第３の工程とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明における窒化物半導体ＬＥＤ素子の成長方法は、前記窒化物半導体を形成した後、基板の裏面に第２の凹凸面を形成する第４の工程を備えたことを特徴とする。
【００１４】
上記に示すように本発明における基板は、付活剤を含有するものであり、このような付活剤は発光効果を有する。その中でもＣｅはＣｅ^３＋とすることで黄色発光を示す。またＴｂ^２＋、Ｔｂ^３＋については緑色発光、Ｅｕ^２＋、Ｅｕ^３＋については赤色を示す。そのため窒化物半導体の青色発光との組み合わせで例えば白色光のように任意の色を発光させることができる。
【００１５】
凹凸を形成したＹＡＧやサファイア基板上にエアーギャップを形成せずに窒化物半導体を成長させれば該基板への入射効率が向上する。凸部ａと凹部ｂを形成した基板上に窒化物半導体素子を形成し（図７−１）、前記基板に凹凸を形成したディンプル角度αが０°（垂直）〜９０°（平坦な基板）の範囲での取り出し効率を図７−２に示す。上記ディンプル角度が０°〜７５°であれば、ＹＡＧ基板であれば基板入射効率は５０％以上を示し、サファイア基板は４５％以上を示す。ＹＡＧ：Ｃｅ基板を用いた場合、テーパー角を傾けることで基板への入射光が増大するため蛍光色が強くなり、黄色が強くなる。つまり、前記テーパー角の角度を調整することで発光色を変化させることができる。また、テーパー角が１０°〜３０°であれば容易にエアーギャップを有さずに窒化物半導体を形成することができる。
【００１６】
また、前記基板には窒化物半導体の成長面に凹凸段差を形成して窒化物半導体を形成後、基板凹部にはエアーギャップが形成されるものがある（図８−１）。前記基板の凹凸段差面上の窒化物半導体は横方向成長で形成されるため、横方向成長した部分の結晶性がよく発光素子の寿命特性が向上する。この凹凸はエッチングにより形成されるものであり、断面形状はテーパ形状やメサ形状であってもよい。このような形状であれば、基板上に形成する窒化物半導体の横方向成長を促進させ、容易に平坦化させた結晶性の良い結晶を成長させることができる。また、前記基板上に成長させたＧａＮに角度βをつけることで基板への光の入射効率を向上させる（図８−２）。さらには、断面形状をテーパ形状やメサ形状にすることで空洞の高さや幅を調整することが可能となり、光取り出し効率の最適化が容易になる。横方向成長を促進させることで基板と窒化物半導体とのトータル膜厚を薄膜化させることもできる。エッチングにより形成された基板凹凸の平面形状は、ストライプ状、格子状、島状や、その他に凸部形状が多角形状、また凹部形状が多角形状に抜き取られたもの等がある。
【００１７】

以上より、（１１１）面を主面とするＹＡＧは他の基板（サファイア、ＺｎＯ等）に比べて格子定数が大きい。そのため、この基板上に窒化物半導体層を成長させることは困難であった。そのため、窒化物半導体層にＩｎを混晶することで格子定数を大きくし、格子不整合を緩和させることとした。ＹＡＧは立方晶系に属するため、（１１１）方位からの投影面を考えた場合に六角形がとれる。よって、ＧａＮの六方晶系と一致させることができる。
【００１８】
また、（１１１）面を主面とするＬＳＡＴを基板とすれば、Ｌａサイトに付活剤が任意の割合で置換できる。例えば、Ｃｅを付活剤とすれば、ＹＡＧ：Ｃｅ基板と同様に黄色発光を示す。
【００１９】
（０００１）面、（１１−２０）面を主面とするサファイア基板は、Ｃｅ等の付活剤を含有することでＹＡＧ基板と同様の発光を示す。
【００２０】
また窒化物半導体の発光層はＭＱＷやＳＱＷ等の量子井戸構造をとりＩｎを含有する。そのためバッファ層にＩｎを混晶すれば安定な発光層とすることができる。これは、Ｉｎに歪み緩和作用があるためである。特にＹＡＧ基板はＩｎを含有した窒化物半導体と格子定数が近く、またＩｎには歪み緩和作用もあるためＩｎを含有した窒化物半導体をＹＡＧ基板上に成長すれば結晶性を向上させることができる。また、バッファ層、さらにバッファ層上に形成するｎ型窒化物半導体層にＩｎを含有することで歪み緩和を実現でき、臨界膜厚を改善することができる。つまり、厚膜成長による過度の歪みから発生していた発光効率の低下、及び発光層においてはより長波長（Ｉｎ高混晶）での信頼性の低下を改善することができる。
【００２１】
前記バッファ層は基板の凹凸面上に形成されるが、バッファ層を核として成長する窒化物半導体は凹部側面を核とする場合に比べて凸部上面、凹部底面を核として成長させる方が成長レートが高い。また、凸部上面と凹部底面には高低差があるため、同じ成長レートであっても基板の凸部上面からの成長が縦方向だけでなく横方向にも延びることで隣接する凸部上面から成長した窒化物半導体同士が接合して平坦化する。平坦化後も凹部には空洞が残るため、基板の反り緩和や光取りだし効率の向上を実現できる。前記基板は窒化物半導体を成長させる主面に傾斜を形成してもよい。好ましくは、この基板の表面傾斜は主面となす角が１０°以内である。例えば、ＹＡＧ基板やＬＳＡＴ基板であれば、主面である（１１１）面とのなす角が１０°以内であるものとする。このような表面傾斜を形成することで、この基板上に成長させる窒化物半導体のステップ成長が促進される。そのため、モフォロジーの良好な窒化物半導体とすることができる。
【００２２】
以上に示すように、基板には凹凸段差を有することで基板上に成長させた窒化物半導体と基板凹部との間には空洞が形成され、これにより光の発光効率を上げることができる。さらに、ＬＳＡＴ基板は窒化物半導体と格子定数を一致させたＬＥＤ素子を作製することが可能であるため、格子不整合である基板に比べて寿命特性の向上等が期待できる。また、本発明は粒径不一致の蛍光体を樹脂でモールドするのではなく、基板を用いるものであり、例えば窒化物半導体の発光層からの青色発光（波長４０５〜４７０ｎｍ）とＹＡＧ基板の黄色発光から均一な白色発光を発光効率よく提供することができる。この発光色は付活剤により任意の色にすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子は、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有する基板であって、該基板には凹凸を有し、凹凸面上には窒化物半導体を備えたものである。前記基板は、（１１１）面を主面とするＹＡＧやＬＳＡＴ、又は（０００１）面、（１１−２０）面を主面とするサファイアである。前記基板の平面形状は、ストライプ状、格子状、又は島状である。前記基板の凹部と窒化物半導体との間には空洞を有することが好ましい。前記基板と窒化物半導体との間にはＩｎを含有するバッファ層を介するものとする。
【００２４】
本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の成長方法は、付活剤を含有する基板の表面に凹凸段差を形成する第１の工程と、その後、前記基板の表面である凹凸面上にバッファ層を形成する第２の工程と、その後、前記バッファ層上にＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成る窒化物半導体を少なくとも一層を形成する第３の工程とを備えるものである。さらには、前記基板の裏面に凹凸加工をすることで第２の凹凸面を第４の工程として備える。
【００２５】
上記本発明の作用効果としては、蛍光体を粉末にした蛍光粉末を含有する樹脂で封止したＬＥＤチップから発光される光と比べてより均一な光（例えば、白色光）となることである。蛍光粉末を含有する樹脂で封止したＬＥＤチップから発光される白色光は、蛍光粉末の粒径を均一にすることが困難であり、さらには蛍光粉末の沈殿等による色ムラが課題とされていた。しかしながら、本発明ではこのような課題を粒径不一致の蛍光粉末を用いることなく、スライスされた基板を用いることで解決するものである。また、製造工程も容易になり、生産性の向上が期待できる。
【００２６】
以下、本実施形態における発明を更に詳細に説明する。
（基板１）
ＹＡＧ基板は、（１１１）面を主面とするＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２であり、Ｙの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又はＡｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換したものである。
【００２７】
ＹＡＧ基板はＥＦＧ法、ヘム法、キプロス法等の方法で結晶を育成することができる。その中でもＣＺ法は組成均一であり、添加物の偏積がないため基板の成長法には好ましい。更には任意の角度で引き上げた基板を切り出せることから窒化物半導体の成長面である（１１１）面を容易に形成することができる。
【００２８】
ＣＺ法では原料融液に種結晶を基に結晶方位の揃った単結晶を育成する。回転させた種結晶を原料融液に接触させ、先端が溶けるほどの温度に保持した後、種結晶を上昇させて融液との間に温度勾配を作り冷却していく。その後、結晶育成は大きく３つの工程に分けられる。結晶の直径を太くする型作り工程、一定径の結晶を得る直胴部育成工程、融液から結晶を切り離す工程からなる。原料は所望の組成比の割合で秤量して混合すればよい。Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｔｂ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３等を混合して用意する。秤量、混合された原料はルツボ中に充填される。Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２は融点が２０００℃近くの高温であることからルツボ材にはＩｒ製のものが用いられる。結晶育成炉は、炉内に耐火材で構成された高温部の中に原料を充填Ｉｒルツボを配置する。ここで付活剤は共沈させることにより添加することができる。この付活剤は引き上げられたＹＡＧ内では均等に配置されている。その後、ワイヤーソーでカッティングをし、ラッピング、ポリッシングによりＹＡＧ基板とする。
【００２９】
ＹＡＧ：Ｃｅ基板を形成する場合に、まずＹ_２Ｏ_３を３３８ｇとＡｌ_２Ｏ_３を２５６ｇとし、Ｃｅ_２Ｏ_３を４．１ｇをＩｒ坩堝に入れる。Ａｒ雰囲気中で温度を１９００℃以上、１９５０℃程度に昇温して原料を溶かす。（１１１）面に切り出したＹＡＧのシードを結晶液面に漬けて、０．１〜１．０ｍｍ／ｓｅｃ、好ましくは０．３〜０．８ｍｍ／ｓｅｃ、より好ましくは０．５ｍｍ／ｓｅｃで結晶を引き上げる。引き上がったＹＡＧ：Ｃｅ結晶をＨ２雰囲気で１０００℃以上、好ましくは１４００℃程度でアニールを行う。次に、ウェハー状にカッティングを行う。以上より得られる基板は黄色である。
【００３０】
ＹＡＧ基板はＹＡＧ本来の蛍光機能を害することなく、その他の元素及び付活剤を添加することができる。このＹＡＧ基板の上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させるには基板上にＩｎを含んだバッファ層を形成することでＬＥＤ構造やＬＤ構造を形成することができる。本発明におけるバッファ層はＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）である。好ましくはＡｌの組成比が０．５以下である。Ａｌをバッファ層に含有すれば、後工程において窒化物半導体の成長時に容易に平坦化することができる。さらに好ましくはＡｌの組成比を０．２以下としたＩｎＧａＮバッファ層を形成するものである。これはＡｌの組成比を抑えて結晶性を向上させるものである。そのため、Ａｌの組成比は特にＹＡＧ基板であればゼロでもよく、このバッファ層上に結晶性のよい窒化物半導体を成長させることができる。
【００３１】
ＬＳＡＴ基板の製造方法は、Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＣＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_３を任意の組成比になるように所定量を計量しする。その後、原料をＩｒルツボに充填した後、アルゴン雰囲気中で１５００℃以上、好ましくは２０００℃程度で引き上げる。例えば、組成がＬａ_{０．２９４}Ｓｒ_{０．７０６}Ａｌ_{０．６４７}Ｔａ_{０．３５３}Ｏ_３となる。その後、ワイヤーソーでカッティングをし、ラッピング、ポリッシングによりＬＳＡＴ基板とする。
【００３２】
サファイア基板の製造方法としては、Ｉｒルツボにアルミナ、付活剤に用いる原料の酸化物等を所定量を投入し、高周波炉においてアルゴン雰囲気中で１５００℃以上、好ましくは２０７０℃程度まで昇温し、アルミナ種結晶からＣＺ法により引き上げる。その後、ワイヤーソーでカッティングをし、ラッピング、ポリッシングによりサファイア基板とする。
【００３３】
本実施形態においては、基板の膜厚は光を透過することができる膜厚であれば、特に限定されないが、好ましくは３ｍｍ以下とする。基板の膜厚は３０μｍあれば加工することは可能ではあるが、より好ましくは、５０μｍ以上２ｍｍ以下とする。これは基板のスライス加工、ステップ加工が可能な膜厚である。本発明に示す基板はスライス加工が可能な面は窒化物半導体の成長面とすることができる。
【００３４】
次に、前記基板上に段差を形成する方法としては、基板上に開口部を有する保護膜を形成する。その後、エッチングにより保護膜の開口部から露出している基板表面を除去する。これにより、基板に凹凸段差が形成される。その後、保護膜を除去することで凹凸段差を有する基板となる。
【００３５】
基板表面上に部分的に形成される保護膜としては、基板とのエッチング選択性を有するものであればよい。具体例としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）、窒化酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等の酸化物、窒化物、またはこれらの多層膜や１２００℃以上の融点を有する金属等である。この保護膜の成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ、スパッタリング及び、蒸着法等を用いて成膜させ、パターン状の保護膜を形成する。
【００３６】
前記保護膜の形状としては、例えば、ストライプ形状や格子状、又は島状、円形、又は多角形の開口部を有するものがある。多角形の開口部を有する具体的なパターン形状としては六角抜き型やその逆パターンの六角柱型が挙げられる。ストライプ形状であれば、窒化物半導体の横方向成長領域はストライプ状に低欠陥領域となるため、レーザーダイオードに用いることができる。また、円形や多角形の開口部を形成すれば窒化物半導体はこれらの開口部の中央部一点で接合するため基板全体にかかる応力を均等にでき、窒化物半導体基板の反りを抑制する。さらに円形や多角形のパターンは配列を六回対称や三回対称とすれば平坦化しやすくなる。
【００３７】
保護膜３の開口部の幅は、基板１の凹部抜き取り幅に等しい。保護膜のストライプ幅及び、格子幅としては、特に限定されないが、ストライプで形成した場合、保護膜のストライプ幅は好ましくは１〜５０μｍ、より好ましくは５〜２０μｍとする。ここで、基板凹部の深さは、０．１μｍ以上であり、窒化物半導体を成長した後の凹部内に空洞を有するものは、凹部の深さは０．２μｍ以上とするのが好ましい。
【００３８】
基板に凹凸を形成するエッチング方法としては、ウェットエッチング、ドライエッチング等の方法があるが、好ましくは異方性エッチングであり、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、ＩＣＰプラズマエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することで窒化物半導体をエッチングする。
【００３９】
ここで、前記基板１はウェハー状で窒化物半導体を成長させるが、ウェハーを０．１〜２０ｍｍ角の格子（立方）形状とした後、ダイヤモンド砥石でラッピングし、球状とした後、後工程で窒化物半導体を形成することができる。基板１は球状であれば、ＧａＮとの格子定数が一致する箇所で選択的に成長させることができる。
【００４０】
前記基板１上にはＳｉＣ等を介して窒化物半導体を形成することもできる。この時、前記ＳｉＣはレーザーアブレイションを行ったものが好ましい。これにより、成長させる窒化物半導体が多結晶ではなく、単結晶となるからである。
【００４１】
（バッファ層）
次に、前記基板１の凹凸面上にバッファ層（図示されていない。）を形成する。このバッファ層としては、Ｉｎを含むものであり、一般式はＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表される。好ましくはＡｌの組成比が０．５以下である。Ａｌの組成比が高ければ結晶性を低下させるが上記範囲でＡｌをバッファ層に含有すれば、後工程において窒化物半導体の成長時に容易に平坦化することができる。さらに好ましくはＡｌの組成比を０．２以下としたＩｎＧａＮバッファ層を形成するものである。またＡｌの組成比はゼロであってもよい。Ａｌの組成比をゼロとした場合において、好ましくはＩｎ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．２≦ｂ≦０．９）となる。Ｉｎを含むことによって歪み緩和効果を有する。また、ＩｎＮは不安定であるからＧａを含むことが好ましい。そのため、ＩＩＩ族元素の組成はＧａを少なくとも０．１とする。バッファ層の成長温度は３００℃以上１０００℃以下、好ましくは４００℃以上９００℃以下の範囲に調整する。バッファ層が良好な多結晶として形成すると、この多結晶を種結晶としてバッファ層の上に結晶性の良好な窒化物半導体を形成することができる。バッファ層の膜厚は１０オングストローム以上０．５μｍ以下で成長される。この範囲に調整すれば基板と窒化物半導体との格子定数不整を緩和することができるため、結晶欠陥を低減させる点で好ましい。バッファ層には基板と窒化物半導体との格子定数不整を緩和する効果があり、転位欠陥を単位面積あたり１×１０^９個／ｃｍ^２程度まで低減させる点で好ましい。
【００４２】
また、バッファ層上には横方向成長を利用した窒化物半導体を形成してもよい。この横方向成長層を有することにより転位欠陥を低減させることができる。横方向成長層としては以下に示す方法等がある。
【００４３】
第１の方法としては、バッファ層上に窒化物半導体ａを介して開口部を有する保護膜を形成した後、保護膜の開口部より窒化物半導体ｂを成長させるものである。この窒化物半導体は保護膜の開口部から成長を始め、保護膜上を横方向に成長し、さらに成長を続けることで保護膜上で隣接する窒化物半導体同士が接合し平坦化するものである。この横方向成長層を図４に示す。このような成長法は、保護膜を形成し意図的に窒化物半導体を横方向に成長させることにより、転位が窒化物半導体の成長と共に進行すると、転位は保護膜を有しない部分上にのみ発生するため、保護膜上には転位欠陥の少ない窒化物半導体を形成することができる。また、窒化物半導体ａは省略可能であり、バッファ層上に保護膜を形成してもよい。
【００４４】
第２の方法としては、バッファ層上に窒化物半導体ｃを成長した後、部分的に窒化物半導体ｃに開口部を形成し、その後、窒化物半導体ｃの開口部の上面、側面より更に窒化物半導体ｄを成長させるものである。この側面より横方向成長した窒化物半導体ｄ同士は開口部の中央で接合するため平坦化する。また、窒化物半導体ｃの開口部を深く形成することで、平坦化した窒化物半導体内には空洞を有するため、発光効率を向上させることができる。また、横方向成長した窒化物半導体ｄは転位欠陥を低減したものであり、寿命特性を向上することができる。この横方向成長層を図５に示す。
【００４５】
第３の方法としては、まずバッファ層上に窒化物半導体ｅを介して開口部を有する保護膜を形成する。次に、保護膜の開口部より窒化物半導体ｆを成長させ、保護膜上に横方向成長させる。次に、横方向に成長した窒化物半導体ｆ同士が接合する前に成長を止める。そこで保護膜を除去させた後、窒化物半導体ｇを再成長させることで隣接する窒化物半導体ｇ同士を接合させ、窒化物半導体の表面を平坦化させる。この横方向成長層の成長工程を図６に示す。保護膜を除去した領域には空洞が形成され、光の散乱や発光効率を向上させることができる。また、上記方法と同様に横方向成長した窒化物半導体は転位欠陥を低減したものであるため、寿命特性を向上することができる。また、窒化物半導体ｅは省略してもよい。
【００４６】
以上に示した横方向成長層は図１〜図３において、基板１とｎ側窒化物半導体層２との間に介されるものである。図２−１は基板に凹凸加工しており、空洞を有する。これに対して図２−２は基板に凹凸加工し、空洞を有さずにｎ側窒化物半導体層２を形成している。図３には基板１の光取り出し面にも凹凸加工がされている。この基板上にＬＥＤ素子を形成する実施形態を以下に示すが、本発明はこれに限定されず、面発光レーザ等の半導体発光デバイスへの利用が可能である。
【００４７】
ＬＥＤ素子
（ｎ側窒化物半導体層２）
上記バッファ層、又は横方向成長層を形成した基板上にｎ側窒化物半導体層２を成長させる。このｎ側窒化物半導体層２はアンドープ窒化物半導体層、ｎ型コンタクト層、ｎ側第１多層膜層、ｎ側第２多層膜層から成る。アンドープ窒化物半導体層を成長させることで、この上に形成するｎ側コンタクト層の結晶性を良好にすることができる。アンドープ窒化物半導体層は、一般式がＩｎＡｌＧａＮであって、膜厚は特に限定されず、省略することもできる。
【００４８】
次に、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層は、ｎ型不純物を１×１０^１７／ｃｍ^３以上、好ましくは３×１０^１８／ｃｍ^３以上の濃度で含有する。このようにｎ型不純物を多くドープすることで、ＬＥＤ素子を形成する場合にはＶｆ（順方向電圧）を低下させることができ、ＬＤ素子を形成する場合には閾値を低下させることができる。ｎ型コンタクト層としての機能を保持しうる限界としては５×１０^２１／ｃｍ^３以下とすることが望ましい。本発明における不純物濃度の測定は二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；Secondary Ion Mass Spectrometry）によるものである。ｎ型コンタクト層は、ＩｎＡｌＧａＮで表され、結晶欠陥を少なくするためにはＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２）とする。また、ｎ型コンタクト層はｎ電極を形成するための層であり、抵抗値を低くし発光素子のＶｆを低くするために、ｎ型コンタクト層の膜厚は１〜１０μｍとする。
【００４９】
次に、ｎ型コンタクト層上にはｎ側第１多層膜層を成長させる。アンドープの下層、ｎ型不純物ドープの中間層、アンドープの上層の３層から成るｎ側第１多層膜層を形成すると、発光出力と共に静電耐圧を向上させることができる。これらの３層を構成する窒化物半導体としては、ＩｎＡｌＧａＮで表される種々の組成の窒化物半導体を用いることができる。この組成は互いに同一でも異なっていてもよい。ｎ側第１多層膜の膜厚は、Ｖｆを最適化し静電耐圧を向上させるために、１７５〜１２０００Åとする。好ましくは２０００〜６０００Åとする。第１多層膜の膜厚は、各膜厚を適宜調整することにより、総膜厚を上記の範囲とする。これにより、発光出力及び静電耐圧を著しく向上させることができる。アンドープの下層の膜厚は、１００〜１００００Åとする。アンドープの下層は、膜厚を厚くすれば静電耐圧が上昇していくが、１０００Å付近でＶｆが急上昇し、一方膜厚を薄くしていくと、Ｖｆは低下していくが、静電耐圧の低下が大きくなり、１００Å未満では静電耐圧の低下に伴い歩留まりの低下が大きくなる傾向が見られる。また、アンドープの下層は、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層の結晶性の低下による影響を改善する機能を有しているため、結晶性を改善する機能を効果的に発揮させる観点からは、５００〜８０００Å程度の膜厚で成長させるのが好ましい。ｎ型不純物ドープの中間層の膜厚はｎ型コンタクト層の膜厚よりも小さいことが好ましく、５０〜１０００Åとする。このｎ型不純物がドープされた中間層は、キャリア濃度を十分高くして発光出力を比較的大きくする機能を有する層であり、この層を有する発光素子は、形成しない発光素子に比べて発光出力が低下する。また、膜厚が１０００Åを超えると逆に発光出力が低下する。一方、静電耐圧のみを考慮すると、中間層の膜厚は５０Åより厚いと静電耐圧は良好にできるが、これよりも薄ければ静電耐圧を低下させてしまう。アンドープの上層の膜厚はアンドープの下層の膜厚よりも小さいことが好ましく、２５〜１０００Åとする。このアンドープの上層は、第１多層膜の中で活性層に接して、あるいは最も接近して形成され、リーク電流の防止に大きく関与する層であるが、上層の膜厚が２５Å未満ではリーク電流の増加を効果的に防止することができない。また、上層の膜厚が１０００Åを超えるとＶｆが上昇し静電耐圧も低下する。上記の範囲で下層〜上層の各層の膜厚を形成することにより、素子特性のバランスが良好であり、特に発光出力及び静電耐圧が良好とすることができる。
【００５０】
第１の多層膜層を構成する各層の組成は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表され、各層の組成は同一でも異なっていても構わない。また、第１の多層膜層におけるｎ型不純物のドープ量は、好ましくは、３×１０^１８／ｃｍ^３以上の濃度とする。上限は、５×１０^２１／ｃｍ^３以下が望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第ＩＶＢ族、第ＶＩＢ族元素を選択する。第１多層膜の上に活性層を形成する場合において、その第１の多層膜層のうちの活性層と接する上層５ｃを、例えば、ＧａＮを用いて形成することにより、活性層における障壁層として機能させることができる。第１多層膜層は上記組成式で示される３層内のいずれか２層のみ、又は単一のアンドープ層としてもよい。
【００５１】
次に、第１の多層膜層上にｎ側第２多層膜層を形成する。この層は、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層と、その第１の窒化物半導体層と異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とを積層することにより構成する。このｎ側第２多層膜層において、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層はそれぞれ少なくとも一層以上形成し、好ましくはそれぞれ少なくとも２層以上積層し合計で４層以上積層することが望ましい。このｎ側第２多層膜層の膜厚は、少なくとも一方の膜厚を１００Å以下とし、好ましくは両方の膜厚を１００Å以下とする。少なくとも一方の膜厚が１００Å以下であれば、その一方の薄膜層が弾性臨界膜厚以下となって結晶性を良くすることができ、多層膜層全体の結晶性を良くすることができる。両方の膜厚を１００Å以下とすれば、ｎ側第２多層膜層が超格子構造となり、ｎ側第２多層膜層はバッファ層の作用効果を有するため、その多層膜層の結晶性が良くなり、出力をより向上させることができる。ｎ側第２多層膜層において、第１の窒化物半導体層はＩｎを含む窒化物半導体とし、好ましくは３元混晶のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）とし、好ましくはｘ値を０．５以下とする。第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層と組成が異なる窒化物半導体であればよく、２元混晶や３元混晶のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）とする。また、ｎ側第２多層膜層はアンドープ、いずれか一方に不純物がドープされてもよい。この不純物はｎ型不純物であり、変調ドープとすることが好ましい。変調ドープとすれば、出力を高くすることができる。ｎ型不純物のドープ量は、好ましくは、３×１０^１８／ｃｍ^３以上の濃度とする。上限は、５×１０^２１／ｃｍ^３以下が望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第ＩＶＢ族、第ＶＩＢ族元素を選択する。
【００５２】
（発光層３）
次に量子井戸構造の発光層を形成する。発光層（活性層）はアンドープの他に、ｎ型不純物とｐ型不純物のいずれか一方をドープしたものや、双方をドープしたものとする。発光層にｎ型不純物をドープするとアンドープのものに比べてバンド間発光強度を強くすることができる。発光層にｐ型不純物をドープすればバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低いエネルギー側にピーク波長をシフトさせることができるが、半値幅は広くなる。結晶性のよい発光層を成長させるには、アンドープが最も好ましい。また単一量子井戸構造としてもよいが、多重量子井戸構造とすれば発光出力が高い、静電耐圧の良好な特性が得られる。障壁層と井戸層との積層順は、井戸層から積層して井戸層で終わる、井戸層から積層して障壁層で終わる、障壁層から積層して障壁層で終わる、また障壁層から積層して井戸層で終わってもよい。このペア数は１〜１５ペア程度であればよい。この範囲の膜厚とすれば出力を向上させることができる。発光層に接している層は発光層における最初の層（井戸層、若しくは障壁層）として機能する場合もある。
【００５３】
井戸層の膜厚としては１００Å以下とし、膜厚の下限は、１原子層以上、好ましくは１０Å以上とする。なお、複数の井戸層を有する場合には、最もｎ側第２多層膜層に近い井戸層をｎ型不純物のドープ層から形成し、他の井戸層をアンドープとすればＶｆを低下させることができる。このｎ型不純物はＳｉが好ましく、５×１０^２１／ｃｍ^３以下に調整する。一方、障壁層の膜厚は２０００Å以下、好ましくは５００Å以下とし、膜厚の下限は、１原子層以上、好ましくは１０Å以上に調整する。
【００５４】
（ｐ側窒化物半導体層４）
発光層上にはｐ側窒化物半導体層４を成長させる。このｐ側窒化物半導体層４はｐ型クラッド層、ｐ型低濃度ドープ層、ｐ型コンタクト層から成る。ｐ型クラッド層はｐ型不純物をドープした、多層膜構造（超格子構造）または単一膜構造からなる。ｐ型クラッド層を構成する多層膜としては、少なくとも一方にｐ型不純物を含有したものが挙げられる。一般式はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される。ｐ型多層膜層のＡｌやＩｎの組成比は本発明における他の多層膜と同様に平均値を示すものとする。またｐ型クラッド層を超格子構造とすると、結晶性が良く、抵抗率を低くできるので、Ｖｆを低くすることができる。ｐ型クラッド層にドープされるｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第ＩＩＡ族、ＩＩＢ族元素を選択する。次に、ｐ型クラッド層を単一層とする場合は、ｐ型不純物を含有したＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）とする。Ａｌを含有することで発光出力が向上し、また静電耐圧についてもＧａＮと同等に良好である。
【００５５】
ｐ型クラッド層を形成後、ｐ型低濃度ドープ層を形成することができる。このｐ型低濃度ドープ層はｐ型クラッド層よりもｐ型不純物濃度を低くすればよく、多層膜としてもよい。効果としては、発光出力の向上と共に、静電耐圧を良好にすることができる。また、ｐ型低濃度ドープ層はｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層内のｐ型不純物濃度によっては省略することができる。
【００５６】
次にｐ型クラッド層、又はｐ型低濃度ドープ層上に一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１）で表され、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープしたｐ型コンタクト層を形成する。Ｉｎ、Ａｌを含まないＧａＮからなる窒化物半導体とすることで、ｐ電極とのオーミック接触をより良好にでき、発光効率を向上させることができる。ｐ型コンタクト層の膜厚は、特に限定されないが１０００Å程度である。以上より図２に示す窒化物半導体素子を得ることができる。基板に加工をしない窒化物半導体素子を図１に示す。この場合、任意の均一光を得ることはできるものの、光取り出し効率は基板に凹凸加工をしたものに比べて低下する。
【００５７】
また、ｎ電極はｎ型コンタクト層上に、ｐ電極はｐ型コンタクト層上に、それぞれ形成される。例えばｎ電極にはＷ／Ａｌ、ｐ電極としてはＮｉ／Ａｕなどを用いることができる。その後、チップ化することでＬＥＤチップとする。
【００５８】
さらに、ＬＥＤ素子を形成後、基板の裏面に第２の凹凸面を形成してもよい。ここで得られる窒化物半導体素子を図３に示す。凹凸形成条件は前記に示す凹凸の形成条件と同様である。また、凹凸の幅及び深さは０．１〜２００μｍの範囲であれば光取り出し効率や集光性を調整することができる。
【００５９】
本発明の実施形態において、窒化物半導体は、アンドープの窒化物半導体、およびＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型不純物をドープした窒化物半導体、またはＭｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体、さらにはｎ型不純物とｐ型不純物を同時ドープさせた窒化物半導体を用いることができる。また、窒化物半導体を成長させる方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等の方法を適用できる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明は、基板上に直接ＬＥＤ素子等の発光素子を形成するため、均一光となり、かつ任意光の発光効率を向上させた窒化物半導体素子を提供することができる。また、転位欠陥が少ない窒化物半導体を有することで寿命特性もよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図４】基板上に形成する横方向成長層を示す模式的断面図である。
【図５】基板上に形成する横方向成長層を示す模式的断面図である。
【図６】基板上に形成する横方向成長層を示す模式的断面図である。
【図７】本発明の窒化物半導体素子を示す模式的断面図、及びその基板を用いた基板入射効率のデータである。
【図８】本発明の窒化物半導体素子を示す模式的断面図、及びその基板を用いた基板入射効率のデータである。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・ｎ側窒化物半導体層
３・・・発光層
４・・・ｐ側窒化物半導体層

Claims

Ｃｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有し、（１１１）面を主面とするＹ _３Ａｌ _５Ｏ _１２基板であり、該Ｙの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又は該Ａｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換した基板であって、該基板にはテーパー角が１０°〜３０°である凹凸を有しており、
前記基板の凹凸面上には窒化物半導体を備えたことを特徴とする窒化物半導体ＬＥＤ素子。
前記基板の平面形状は、ストライプ状、格子状、又は島状であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体ＬＥＤ素子。
前記基板と窒化物半導体との間にＩｎを含有するバッファ層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体ＬＥＤ素子。
Ｃｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有し、（１１１）面を主面とするＹ _３Ａｌ _５Ｏ _１２基板であり、該Ｙの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又は該Ａｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換した基板の表面にテーパー角が１０°〜３０°である凹凸段差を形成する第１の工程と、その後、前記基板の表面である凹凸面上にバッファ層を形成する第２の工程と、その後、前記バッファ層上にＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成る窒化物半導体を少なくとも一層を形成する第３の工程とを備えたことを特徴とする窒化物半導体ＬＥＤ素子の成長方法。
前記窒化物半導体を形成した後、前記基板の裏面に第２の凹凸面を形成する第４の工程を備えたことを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体ＬＥＤ素子の成長方法。
前記バッファ層は、Ｉｎを含有することを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体ＬＥＤ素子の成長方法。