JP4277617B2 - Manufacturing method of semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に係り、特に窒化物系化合物半導体発光素子において、素子表面に多数の凹凸を形成して粗面化し、光の取出し効率を高めて発光効率を改善させるのに有効な製造技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, and particularly, in a nitride-based compound semiconductor light emitting device, a large number of irregularities are formed on the surface of the device to roughen the surface, thereby improving light extraction efficiency and improving light emission efficiency. The present invention relates to an effective manufacturing technique.
半導体結晶を用いた発光素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）等が知られている。 As a light emitting element using a semiconductor crystal, a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), an electroluminescence (EL) and the like are known.
ＧａＮ系発光素子は、青色や紫外の光源として重要である。また、蛍光体と組合せて作られる白色ダイオードは、白熱電球や蛍光灯にかわる新しい光源として期待されている。その普及のためには、発光効率が高いことが重要であり、結晶性の向上やＬＥＤ構造の工夫によって改善の努力が続けられている。 A GaN-based light emitting element is important as a blue or ultraviolet light source. White diodes made in combination with phosphors are expected as new light sources to replace incandescent bulbs and fluorescent lamps. For its spread, it is important that the luminous efficiency is high, and efforts for improvement are continued by improving the crystallinity and devising the LED structure.
しかし、発光効率は現状４０ｌｍ／Ｗ程度に留まっており、白熱電球の１０ｌｍ／Ｗは超えているものの、１００ｌｍ／Ｗ以上である蛍光灯レベルには及んでいない。 However, the luminous efficiency is currently limited to about 40 lm / W, which exceeds 10 lm / W of incandescent bulbs, but does not reach the fluorescent lamp level of 100 lm / W or more.
発光素子の発光効率は、内部量子効率と光の取出しの積（外部量子効率）に比例する。内部量子効率は、ＬＥＤ構造や結晶性の向上によって７０％にまで達しており、既に飽和傾向である。一方、取出し効率は通常２０％以下に留まっている。つまり、発光効率が低いのは、取出し効率が低いことが主な原因である。 The luminous efficiency of the light emitting element is proportional to the product of the internal quantum efficiency and the light extraction (external quantum efficiency). The internal quantum efficiency has reached 70% due to the improvement of the LED structure and crystallinity, and already has a saturation tendency. On the other hand, the extraction efficiency usually remains below 20%. That is, the low light emission efficiency is mainly due to the low extraction efficiency.
ＧａＡｓ系の発光素子においては、その発光表面に凹凸を付ける技術が提案されている。この提案によれば、発光表面に凹凸を付けることで、ミクロに見ると光の取り出し面にさまざまな角度を有する凹凸が形成され、これにより、有効立体角度が大きくなり、光の取出し効率が向上する。この表面凹凸化には、硝酸系のエッチング液や、弗化水素酸や、アンモニア−過酸化水素系のエッチング液が使用される。 In a GaAs-based light emitting element, a technique for providing unevenness on the light emitting surface has been proposed. According to this proposal, unevenness is formed on the light emitting surface, so that when viewed microscopically, irregularities having various angles are formed on the light extraction surface, thereby increasing the effective solid angle and improving the light extraction efficiency. To do. For this surface unevenness, a nitric acid-based etchant, hydrofluoric acid, or an ammonia-hydrogen peroxide-based etchant is used.
ところが、半導体層をＭＯＣＶＤ法にて成膜した場合、膜が薄いため、上記エッチング液による表面凹凸化手法を適用することがむずかしい。そこで、下記（１）〜（４）の工程を経ることで、発光面を粗面化処理する半導体発光素子の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 However, when the semiconductor layer is formed by the MOCVD method, since the film is thin, it is difficult to apply the surface unevenness method using the etching solution. Therefore, a method for manufacturing a semiconductor light emitting element in which the light emitting surface is roughened by the following steps (1) to (4) has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
（１）半導体基板上にガリウム砒素系の一導電型半導体層と逆導電型半導体層とを順次積層する。 (1) A gallium arsenide-based one-conductivity-type semiconductor layer and a reverse-conductivity-type semiconductor layer are sequentially stacked on a semiconductor substrate.
（２）逆導電型半導体層上にＺｎ含有層を形成する。 (2) A Zn-containing layer is formed on the reverse conductivity type semiconductor layer.
（３）少なくとも逆導電型半導体層とＺｎ含有層との双方に対し加熱し逆導電型半導体層にＺｎを拡散する。 (3) At least the opposite conductivity type semiconductor layer and the Zn-containing layer are heated to diffuse Zn into the opposite conductivity type semiconductor layer.
（４）エッチング処理によりＺｎ含有層を除去するとともに、逆導電型半導体層の表面を粗面化する。
上述したように発光素子の発光効率が低いのは、光の取出し効率が低いことが主な原因であり、光取出し効率を高めるには、素子表面に多数の凹凸を形成することが有効であることが知られている。 As described above, the light emission efficiency of the light emitting element is mainly due to the low light extraction efficiency. To increase the light extraction efficiency, it is effective to form a large number of irregularities on the element surface. It is known.
しかしながら、窒化物化合物半導体結晶の場合には、特にそのＧａ極性面は化学的に非常に安定であり、通常のウエットエッチングのような簡便な方法によって、そのような凹凸を作りこむことは困難である。 However, in the case of nitride compound semiconductor crystals, the Ga polar face is particularly chemically stable, and it is difficult to create such irregularities by a simple method such as normal wet etching. is there.
上述した特許文献１の技術も、ウエットエッチングにより表面に凹凸を形成するものである。すなわち、特許文献１は、ＧａＡｓ系ＬＥＤの表面をウエットエッチングにより荒らして光取出し効率を向上させる技術である。(1) まず、ＬＥＤ表面にＺｎＯ又はＺｎＡｓ層を形成する。(2) 次に熱処理を行い、ＬＥＤ表面層にＺｎを拡散させる。この時点では、まだ凹凸はできていない。(3) 熱処理後、ＨＦ系エッチャントでウエットエッチングを行うと、ＺｎＯ層とともに、ＬＥＤ表面層の、Ｚｎが拡散した部分が除去されて、表面に凹凸が形成される。
The technique of
このＧａＡｓ系半導体の場合と異なり、ＧａＮ系半導体では、特にそのＧａ極性面はウエットエッチングがほとんど効かないので、ウエットエッチングで凹凸形成するのは困難である。 Unlike this GaAs-based semiconductor, GaN-based semiconductors are difficult to form asperities by wet etching because the Ga-polar surface, in particular, is hardly affected by wet etching.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、窒化物化合物半導体結晶のようにウエットエッチングが有効でない物質系において、簡便な手段によって素子表面に微細な凹凸を形成し、光の取出し効率を高めて発光素子の発光効率を改善することができる半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and in a material system where wet etching is not effective, such as a nitride compound semiconductor crystal, fine irregularities are formed on the element surface by simple means, thereby improving the light extraction efficiency. An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of improving the light emission efficiency of the light emitting device and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
請求項１の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、結晶成長後のエピタキシャルウェハ表面の化合物半導体層に金属膜または金属窒化膜を形成する工程と、前記金属膜または金属窒化膜を形成したウェハに、エッチングガスの雰囲気中で熱処理を加えて、ウェハ表面の化合物半導体層に多数の微細な凹凸を形成する工程とを含むことを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor light emitting device comprising: forming a metal film or a metal nitride film on a compound semiconductor layer on a surface of an epitaxial wafer after crystal growth; and a wafer having the metal film or the metal nitride film formed thereon. And a step of forming a large number of fine irregularities on the compound semiconductor layer on the wafer surface by performing a heat treatment in an etching gas atmosphere.
これには、例えば、凹凸の形成後、網目状の金属または金属窒化膜を除去せずに残し、その上にもう一度ＧａＮ等の化合物半導体層を成長し、以てその表面に新たな凹凸が多数形成されて残り、且つ網目構造がその下に閉じ込められ保護された形とする形態が含まれる。 For example, after the formation of irregularities, the network metal or metal nitride film is left without being removed, and a compound semiconductor layer such as GaN is grown on it again, so that many new irregularities are formed on the surface. Included is a configuration that remains formed and the network structure is confined and protected underneath.
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体発光素子の製造方法において、前記金属膜または金属窒化膜として、スカンジウム、イットリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、レニウム、鉄、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、マンガン、銅、白金または金のいずれかから成る金属膜又はこれらのいずれかを含む金属窒化膜を形成することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the first aspect, the metal film or the metal nitride film may be scandium, yttrium, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten. Forming a metal film comprising any one of these, rhenium, iron, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, manganese, copper, platinum or gold, or a metal nitride film containing any of these To do.
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の半導体発光素子の製造方法において、前記金属膜または金属窒化膜の厚さを１μｍ以下とすることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the first or second aspect, the thickness of the metal film or the metal nitride film is 1 μm or less.
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、前記熱処理を水素とアンモニアとを含む混合気中で行うことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to any one of the first to third aspects, the heat treatment is performed in a gas mixture containing hydrogen and ammonia.
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、前記熱処理を７００℃以上１２００℃以下の温度で行うことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to any one of the first to fourth aspects, the heat treatment is performed at a temperature of 700 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower.
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、前記金属膜または金属窒化膜の形成に際して、前記ウェハ表面の化合物半導体層の面領域中、電極を形成する部分領域をマスクし、これにより前記金属膜または金属窒化膜を形成すべき領域を選択的に定めることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to any one of the first to fifth aspects, an electrode is formed in a surface region of the compound semiconductor layer on the wafer surface when forming the metal film or the metal nitride film. In this case, the region where the metal film or the metal nitride film is to be formed is selectively determined.
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、前記熱処理の後、前記金属膜または金属窒化膜を除去することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to any one of the first to sixth aspects, the metal film or the metal nitride film is removed after the heat treatment.
請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法において、前記凹凸を形成する最表面の化合物半導体層が窒化物系化合物半導体層であり、この窒化物系化合物半導体層の下に、該窒化物系化合物半導体層よりもエッチングされにくい層を挿入したウェハを用いることを特徴とする。
The invention according to
請求項９の発明は、請求項８記載の半導体発光素子の製造方法において、前記エッチングされにくい層として、Ａｌ組成が１％以上で、且つ厚さが３nm以上、好ましくは５nm以上の窒化物半導体層を挿入することを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the eighth aspect, the nitride semiconductor having an Al composition of 1% or more and a thickness of 3 nm or more, preferably 5 nm or more as the layer which is difficult to be etched. It is characterized by inserting a layer.
請求項１０の発明に係る半導体発光素子は、活性層を含む発光層と、この発光層の上に形成された窒化物半導体から成るコンタクト層と、前記コンタクト層の上に形成された光取出し側電極とを備えた窒化物系化合物半導体発光素子において、前記コンタクト層の表面の光取出し面に多数の微細な凹凸を形成して、光散乱用の粗面としたことを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device comprising: a light emitting layer including an active layer; a contact layer made of a nitride semiconductor formed on the light emitting layer; and a light extraction side formed on the contact layer. A nitride-based compound semiconductor light-emitting device including an electrode is characterized in that a large number of fine irregularities are formed on the light extraction surface of the surface of the contact layer to form a light-scattering rough surface.
請求項１１の発明は、請求項１０記載の半導体発光素子において、前記発光層が、シングルヘテロ接合、ダブルヘテロ接合もしくはホモ接合のいずれかを備えていることを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to the tenth aspect, the light emitting layer has any one of a single heterojunction, a double heterojunction, and a homojunction.
＜発明の要点＞
本発明においては、素子表面に金属または金属窒化膜を形成し、それにエッチングガスの雰囲気中で熱処理を加えることによって、表面の化合物半導体層、例えば窒化物系化合物半導体層に微細な凹凸を形成する。このとき熱処理を、水素とアンモニアを含む気流中で行うことによって、好適に凹凸が形成される。これは、表面に形成した金属または金属窒化物の触媒的な作用によって、窒化物系化合物半導体層の水素ガスによるエッチングが促進されるためと考えられる。
<Key points of the invention>
In the present invention, a metal or metal nitride film is formed on the element surface, and then heat treatment is performed in an etching gas atmosphere to form fine irregularities on the compound semiconductor layer on the surface, for example, a nitride-based compound semiconductor layer. . At this time, unevenness is suitably formed by performing the heat treatment in an air stream containing hydrogen and ammonia. This is presumably because the etching of the nitride compound semiconductor layer with hydrogen gas is promoted by the catalytic action of the metal or metal nitride formed on the surface.
従って、素子表面に形成する金属膜または金属窒化膜としては、スカンジウム、イットリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、レニウム、鉄、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、マンガン、銅、白金または金のいずれかから成る金属膜又はこれらのいずれかを含む金属窒化膜のいずれでもよい。 Therefore, as the metal film or metal nitride film formed on the element surface, scandium, yttrium, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, rhenium, iron, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, Any of a metal film made of iridium, nickel, palladium, manganese, copper, platinum or gold or a metal nitride film containing any of these may be used.
上記熱処理の際に形成される凹凸の大きさや高さは、熱処理の条件や、形成する金属膜または金属窒化膜の厚さによって制御することができる。 The size and height of the unevenness formed during the heat treatment can be controlled by the conditions of the heat treatment and the thickness of the metal film or metal nitride film to be formed.
ＬＥＤの表面に形成する金属膜または金属窒化膜の厚さは、１μｍ以下であることが望ましい。なぜなら、この層が厚いほどウェハ表面の窒化物系化合物半導体層（例えばＧａＮコンタクト層）のエッチングが促進されるため、厚すぎるとＧａＮコンタクト層が全て無くなってしまうからである。１μｍ以下であれば、適度な凹凸を形成することができる。 The thickness of the metal film or metal nitride film formed on the surface of the LED is desirably 1 μm or less. This is because the thicker this layer is, the more the etching of the nitride compound semiconductor layer (for example, the GaN contact layer) on the wafer surface is promoted. If it is 1 micrometer or less, moderate unevenness | corrugation can be formed.
熱処理温度は７００℃以上１２００℃以下であることが望ましい。また、その際の雰囲気ガスとしては、上記したようにＨ2（水素）とＮＨ3（アンモニア）の混合気を用いることが望ましい。Ｈ2を用いるのは、ＬＥＤ表面層をエッチングするためである。ＮＨ3を混合するのは、エッチングの起こる温度を制御するためである。Ｈ2のみで熱処理を行った場合、エッチングは低温で起こるため、エッチングによって生じるＧａ等の生成速度が蒸発速度を上回るため、表面にドロップレットが残ってしまう。ＮＨ3を適度に混合すれば、エッチングの起こる温度が高温側にシフトするため、Ｇａの蒸発速度は生成速度を上回り、表面は清浄となる。このような制御は、７００℃以上１２００℃以下の温度領域で好適に行うことができる。 The heat treatment temperature is desirably 700 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. As the atmospheric gas at that time, it is desirable to use a mixed gas of H 2 (hydrogen) and NH 3 (ammonia) as described above. H 2 is used to etch the LED surface layer. The reason why NH 3 is mixed is to control the temperature at which etching occurs. When the heat treatment is performed only with H 2 , the etching occurs at a low temperature, and the generation rate of Ga or the like generated by the etching exceeds the evaporation rate, so that droplets remain on the surface. If NH 3 is mixed appropriately, the temperature at which etching occurs shifts to the high temperature side, so the Ga evaporation rate exceeds the generation rate and the surface becomes clean. Such control can be suitably performed in a temperature range of 700 ° C. or more and 1200 ° C. or less.
また、凹凸を形成すべき表面層の中間にＡｌＧａＮ等のエッチングされにくい層を設ければ、その層でエッチングの進行が停止するため、凹凸の大きさと高さをより確実に制御することができる。このエッチングの深さを制限するための層は、Ａｌ組成１％以上、且つ厚さ３nm以上（より好ましくは５nm以上）であることが望ましい。Ａｌ組成が小さすぎるときや、膜厚が薄すぎる場合には、エッチングを阻む能力が得られにくくなるためである。 In addition, if a layer that is difficult to be etched, such as AlGaN, is provided in the middle of the surface layer where the irregularities are to be formed, the progress of the etching stops at that layer, so the size and height of the irregularities can be controlled more reliably. . It is desirable that the layer for limiting the etching depth has an Al composition of 1% or more and a thickness of 3 nm or more (more preferably 5 nm or more). This is because when the Al composition is too small or the film thickness is too thin, it is difficult to obtain the ability to inhibit etching.
凹凸を形成する部分は、マスク等を利用して、金属または金属窒化膜の形成領域を制限することによって、選択的に定めることができる。すなわち、金属膜または金属窒化膜の形成に際しては、ウェハ表面の化合物半導体層（例えば窒化物系化合物半導体層）の面領域中、電極を形成する部分領域をマスクすることにより金属膜または金属窒化膜を形成すべき領域を選択的に定めることができる。これにより、例えば、電極を形成する部分領域には凹凸を形成しないことが可能である。 The portion where the unevenness is formed can be selectively determined by limiting the formation region of the metal or metal nitride film using a mask or the like. That is, when forming a metal film or a metal nitride film, a metal film or a metal nitride film is formed by masking a partial region for forming an electrode in the surface region of a compound semiconductor layer (for example, a nitride-based compound semiconductor layer) on the wafer surface. The region to be formed can be selectively determined. Thereby, for example, it is possible not to form unevenness in the partial region where the electrode is formed.
熱処理によって凹凸を形成した後は、表面の金属または金属窒化膜はエッチング等によって簡単に除去することができる。金属または金属窒化膜は、その膜厚が薄い場合、例えば５０nm以下のＴｉの場合には、熱処理によって、多数の微細な孔の形成された、網目状の組織を持ったＴｉＮに変化する。この場合、ＴｉＮが導電性であることから、除去せずにそのまま網目状の電極として使用することも可能である。 After the unevenness is formed by heat treatment, the surface metal or metal nitride film can be easily removed by etching or the like. When the metal or the metal nitride film is thin, for example, when Ti is 50 nm or less, it is changed to TiN having a network structure with a large number of fine holes formed by heat treatment. In this case, since TiN is conductive, it can be used as it is as a mesh electrode without being removed.
上記したように本発明の要点は、発光素子構造の結晶をエピタキシャル成長した素子表面に金属膜または金属窒化膜を形成し、エッチングガスの雰囲気中で熱処理を加えることで、表面の化合物半導体層（例えば窒化物系化合物半導体層）に微細な凹凸を簡便に形成することにある。 As described above, the main point of the present invention is that a metal film or a metal nitride film is formed on the surface of an element obtained by epitaxially growing a crystal of a light emitting element structure, and a heat treatment is performed in an etching gas atmosphere to thereby form a compound semiconductor layer on the surface (for example, The object is to easily form fine irregularities in the nitride-based compound semiconductor layer.
本発明が優れている点は、ウエットエッチング無しで、熱処理のみで凹凸が形成される点である。既に述べたように、ＧａＡｓ系と異なり、ＧａＮ系半導体では、特にそのＧａ極性面はウエットエッチングがほとんど効かないので、ウエットエッチングで凹凸形成するのは困難である。そのような物質系において、簡便に素子表面に微細な凹凸を形成できるところに、本発明の意義がある。 The advantage of the present invention is that irregularities are formed only by heat treatment without wet etching. As already described, unlike GaAs, GaN-based semiconductors are difficult to form asperities by wet etching because the Ga polar surface, in particular, is hardly affected by wet etching. In such a substance system, the present invention is meaningful in that fine irregularities can be easily formed on the element surface.
なお、ＬＥＤについて光の取出し効率を考える上では発光層の層構造は本質ではなく、ダブルヘテロ構造やシングルヘテロ接合構造やホモ接合構造でも同様に考えることができる。 In addition, when considering the light extraction efficiency of the LED, the layer structure of the light-emitting layer is not essential, and a double heterostructure, a single heterojunction structure, or a homojunction structure can be similarly considered.
以上説明したように本発明によれば、金属膜または金属窒化膜を蒸着等により素子表面に形成し、エッチングガスの雰囲気中で熱処理を加えるという操作だけで、表面の化合物半導体層に微細な凹凸を簡便に形成することができる。蒸着と熱処理だけの操作であり、簡単であるので、量産向きである。 As described above, according to the present invention, a fine unevenness is formed on the surface of the compound semiconductor layer only by forming a metal film or a metal nitride film on the surface of the element by vapor deposition or the like and applying heat treatment in an etching gas atmosphere. Can be easily formed. Since it is an operation only of vapor deposition and heat treatment, it is simple and suitable for mass production.
本発明が特に優れている点は、ウエットエッチング無しで、熱処理のみで凹凸が形成される点である。既に述べたように、ＧａＡｓ系と異なり、ＧａＮ系半導体では、特にそのＧａ極性面はウエットエッチングがほとんど効かないので、ウエットエッチングで凹凸形成するのは困難である。そのような物質系において、簡便に素子表面に微細な凹凸を形成できるところに、本発明の意義がある。 The present invention is particularly excellent in that irregularities are formed only by heat treatment without wet etching. As already described, unlike GaAs, GaN-based semiconductors are difficult to form asperities by wet etching because the Ga polar surface, in particular, is hardly affected by wet etching. In such a substance system, the present invention is meaningful in that fine irregularities can be easily formed on the element surface.
すなわち、本発明によれば、窒化物化合物半導体結晶のようにウエットエッチングが有効でない物質系において、簡便な手段によって素子表面に微細な凹凸を形成し、光の取出し効率を高めて発光素子の発光効率を改善することができる。 That is, according to the present invention, in a material system in which wet etching is not effective, such as a nitride compound semiconductor crystal, fine irregularities are formed on the element surface by simple means, and the light extraction efficiency is improved by increasing the light extraction efficiency. Efficiency can be improved.
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
図１は、本発明の実施の形態における窒化物半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor light emitting device in an embodiment of the present invention.
図１に示す窒化物半導体発光素子においては、サファイア基板５上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により膜厚４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層４、ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層（発光層）３、膜厚４０nmのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２および膜厚２００〜５００nmのｐ型ＧａＮコンタクト層１が順にエピタキシャル成長されている。なお、この場合のｎ型ドーパントとしては例えばＳｉが用いられており、ｐ型ドーパントとしては例えばＭｇが用いられている。ＭＱＷ活性層３は、膜厚１０nmのアンドープＧａＮ障壁層と、膜厚３nmのアンドープＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる井戸層とが交互に６積層されてなる多重量子井戸構造を有する。
In the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1, an n-type
なお、この種の発光素子において、発光に直接寄与する部分は、活性層３とこの活性層を挟むクラッド層２及びコンタクト層４であるので、ここでは、これらの層をまとめて発光層と定義する。光の取出し効率を考える上では発光層の層構造は本質ではなく、従って、この発光層は活性層を含む形であれば良く、発光層でのｐｎ接合がダブルヘテロ接合やシングルヘテロ接合やホモ接合など、いずれの構造の場合でも発光に直接寄与する部分は発光層と称する。
In this type of light emitting device, the portion that directly contributes to light emission is the
上記の如くＬＥＤ構造の半導体層がエピタキシャル成長されたウェハには、ウェハ最表面である窒化物系化合物半導体層（ｐ型ＧａＮコンタクト層１）の面領域に、正確には、そのうちの光取出し側電極７ａを設けるための部分領域（電極用領域）を除いた領域（光取出し面）に、多数の微細な凹凸１０が形成されており、これにより光散乱用の粗面が形成されている。
As described above, on the wafer on which the semiconductor layer of the LED structure is epitaxially grown, the light extraction side electrode of the nitride-based compound semiconductor layer (p-type GaN contact layer 1), which is the outermost surface of the wafer, is precisely located. A large number of
上記半導体層のエピタキシャル成長後に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりｎ型ＧａＮコンタクト層４を表面に露出せしめ、そのｎ型ＧａＮコンタクト層４上に電極７ｂが、またｐ型ＧａＮコンタクト層１上の電極用領域に光取出し側電極７ａが、それぞれ蒸着により形成されている。これらの電極は、通常ボンディングによって外部配線と接続される。
After epitaxial growth of the semiconductor layer, the n-type
上記ｐ型ＧａＮコンタクト層１の表面領域のうちの光取出し面に微細な凹凸１０を形成し粗面化する方法は、次の（１）〜（４）の工程による。
（１）ＬＥＤ構造のエピタキシャル層部分（ｎ型ＧａＮコンタクト層４〜ｐ型ＧａＮコンタクト層１）を成長する。
（２）ｐ型ＧａＮコンタクト層（２００〜５００nm厚）表面にＴｉの金属膜を蒸着する。Ｔｉ膜は、荒らしたい表面部分（光取出し面）にのみ、マスク等を使用して選択的につける。金属膜はＴｉに限らず、別の金属でもよい。
（３）水素・アンモニア雰囲気で熱処理を行う。この熱処理によりＬＥＤ表面（つまりｐ型ＧａＮコンタクト層１の表面）に多数の凹凸１０が形成される。またこの熱処理により表面のＴｉはＴｉＮとなる。ここで形成される凹凸１０の大きさ、高さは、熱処理条件で制御できる。凹凸１０を形成する最表面のｐ型ＧａＮコンタクト層１の下に、該ｐ型ＧａＮコンタクト層１よりもエッチングされにくい層（ＶＳＬ）を挿入するという技術で制御してもよい。
（４）表面のＴｉＮ膜を薬液で除去する。しかし、このＴｉＮ膜は残しておいて、網目状電極として用いてもよい。
The method of forming the
(1) The epitaxial layer portion of the LED structure (n-type
(2) A Ti metal film is deposited on the surface of the p-type GaN contact layer (200 to 500 nm thick). The Ti film is selectively applied only to the surface portion (light extraction surface) to be roughened using a mask or the like. The metal film is not limited to Ti, but may be another metal.
(3) Heat treatment is performed in a hydrogen / ammonia atmosphere. By this heat treatment, a large number of
(4) The TiN film on the surface is removed with a chemical solution. However, this TiN film may be left and used as a mesh electrode.
このようにＧａＮ系ＬＥＤの表面を荒らして粗面化することで、ＬＥＤの表面の光取出し効率が向上する。またその粗面化手段は、Ｔｉの金属膜の存在下で、水素・アンモニア雰囲気で熱処理を行うだけである。従って、簡便な手段によって素子表面に微細な凹凸を形成し、光の取出し効率を高めて発光素子の発光効率を改善することができる。 Thus, by roughening the surface of the GaN-based LED and roughening the surface, the light extraction efficiency of the LED surface is improved. Further, the roughening means only performs heat treatment in a hydrogen / ammonia atmosphere in the presence of a Ti metal film. Accordingly, it is possible to improve the light emission efficiency of the light emitting element by forming fine irregularities on the surface of the element by simple means, increasing the light extraction efficiency.
本発明に関わる実施例について説明する。 Examples relating to the present invention will be described.
［実施例１］
第一の実施例を図２を用いて説明する。これは図１の構造の窒化物半導体発光素子を製造する例である。
[Example 1]
A first embodiment will be described with reference to FIG. This is an example of manufacturing the nitride semiconductor light emitting device having the structure of FIG.
はじめに、サファイア基板５上にｎ型ＧａＮコンタクト層４（厚さ４μｍ）と、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ／ＧａＮ−３−ＭＱＷ活性層３（ｗｅｌｌ層３nm、ｂａｒｒｉｅｒ層１０nm）と、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２（厚さ４０nm）、ｐ型ＧａＮコンタクト層１（厚さ５００nm）をＭＯＶＰＥ法を用いて順次成長して積層し、図２（ａ）に示すようなＬＥＤ構造を作製した。
First, an n-type GaN contact layer 4 (
その表面に、金属膜として図２（ｂ）に示すようにＴｉ膜６を２０nm真空蒸着した。その際、光取出し側電極を形成する部分はマスクして、Ｔｉがつかないようにした。
A
これにＨ2：ＮＨ3＝４：１の混合気流中、１０３０℃で３０分の熱処理を加えた。その結果、図２（ｃ）に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１はエッチングされ、多数の微細な凹凸１０が表面に形成されたｐ型ＧａＮ層１ａとなった。凹凸１０の形状は多角錐状であり、その高さと直径はそれぞれ約３００nmであった。また、Ｔｉ膜６は窒化されて数十nm程度の微細孔を多数有するＴｉＮ膜６ａに変化した。
This was subjected to heat treatment at 1030 ° C. for 30 minutes in a mixed gas stream of H 2 : NH 3 = 4: 1. As a result, as shown in FIG. 2C, the p-type
このＴｉＮ膜６ａをＨＦ：ＨＮＯ3＝１：１の混合液を用いて除去した後に、電極７ａ、７ｂを設けて、図２（ｄ）に示すようなＬＥＤ素子構造を形成した。
After this TiN film 6a was removed using a mixed solution of HF: HNO 3 = 1: 1,
このＬＥＤの発光効率は、同様の構造で、表面に凹凸を形成しなかったＬＥＤの場合の１５０％であった。このことから、凹凸の形成によってＬＥＤの発光効率が大きく改善されたといえる。 The luminous efficiency of this LED was 150% in the case of an LED having the same structure and no irregularities formed on the surface. From this, it can be said that the luminous efficiency of the LED is greatly improved by the formation of the unevenness.
［実施例２］
第二の実施例を図３を用いて説明する。これは凹凸を形成する最表面のｐ型ＧａＮコンタクト層の下にエッチングされにくい層（ＶＳＬ）を挿入した例である。
[Example 2]
A second embodiment will be described with reference to FIG. This is an example in which a layer (VSL) that is not easily etched is inserted under the p-type GaN contact layer on the outermost surface that forms the unevenness.
はじめに、サファイア基板５上にｎ型ＧａＮコンタクト層４（厚さ４μｍ）と、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ／ＧａＮ−３−ＭＱＷ活性層３（ｗｅｌｌ層３nm、ｂａｒｒｉｅｒ層１０nm）と、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２（厚さ４０nm）、ｐ型ＧａＮコンタクト層１（厚さ３００nm）と、ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層８（厚さ２００nm）と、ｐ型ＧａＮコンタクト層１（厚さ３００nm）とをＭＯＶＰＥ法を用いて順次成長して積層し、図３（ａ）に示すようなＬＥＤ構造を作製した。
First, an n-type GaN contact layer 4 (
その表面に、金属膜として図３（ｂ）に示すようにＴｉ膜６を２０nm真空蒸着した。その際、光取出し側電極を形成する部分はマスクして、Ｔｉがつかないようにした。
A
これにＨ2：ＮＨ3＝４：１の混合気流中、１０３０℃で３０分の熱処理を加えた。その結果、図３（ｃ）に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１はエッチングされ、多数の微細な凹凸１０が表面に形成されたｐ型ＧａＮ層１ａとなった。凹凸１０の形状は多角錐状であった。エッチングはｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層８で停止しており、そのため、凹凸１０の高さと直径はそれぞれ約２００nmであった。また、Ｔｉ膜６は窒化されて数十ｍ程度の微細孔を多数有するＴｉＮ膜６ａに変化した。
This was subjected to heat treatment at 1030 ° C. for 30 minutes in a mixed gas stream of H 2 : NH 3 = 4: 1. As a result, as shown in FIG. 3C, the p-type
このＴｉＮ層６ａをＨＦ：ＨＮＯ3＝１：１の混合液を用いて除去した後に、電極７ａ、７ｂを設けて、図３（ｄ）に示すようなＬＥＤ素子構造を形成した。
After this TiN layer 6a was removed using a mixed solution of HF: HNO 3 = 1: 1,
このＬＥＤの発光効率は、同様の構造で、表面に凹凸を形成しなかったＬＥＤの場合の１７０％であった。このことから、凹凸１０の形成によってＬＥＤの発光効率が大きく改善されたといえる。
The luminous efficiency of this LED was 170% in the case of an LED having the same structure and no irregularities formed on the surface. From this, it can be said that the luminous efficiency of the LED is greatly improved by the formation of the
［実施例３］
第三の実施例を図４を用いて説明する。これはＴｉＮ膜をそのまま残し、網目電極として利用する例である。
[Example 3]
A third embodiment will be described with reference to FIG. This is an example in which the TiN film is left as it is and used as a mesh electrode.
はじめに、サファイア基板５上にｎ型ＧａＮコンタクト層４（厚さ４μｍ）と、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ／ＧａＮ−３−ＭＱＷ活性層３（ｗｅｌｌ層３nm、ｂａｒｒｉｅｒ層１０nm）と、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２（厚さ４０nm）、ｐ型ＧａＮコンタクト層１（厚さ５００nm）をＭＯＶＰＥ法を用いて順次成長して積層し、図４（ａ）に示すようなＬＥＤ構造を作製した。
First, an n-type GaN contact layer 4 (
その表面に、金属膜として図４（ｂ）に示すようにＴｉ膜６を２０nm真空蒸着した。その際、光取出し側電極７ａを形成する部分はマスクして、Ｔｉがつかないようにした。
On the surface, a
これにＨ2：ＮＨ3＝４：１の混合気流中、１０３０℃で３０分の熱処理を加えた。その結果、図４（ｃ）に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１はエッチングされ、多数の微細な凹凸１０が表面に形成されたｐ型ＧａＮ層１ａとなった。凹凸１０の形状は多角錐状であり、その高さと直径はそれぞれ約３００nmであった。また、Ｔｉ膜６は窒化されて数十nm程度の微細孔を多数有するＴｉＮ膜６ａに変化した。
This was subjected to heat treatment at 1030 ° C. for 30 minutes in a mixed gas stream of H 2 : NH 3 = 4: 1. As a result, as shown in FIG. 4C, the p-type
このＴｉＮ膜６ａをそのまま電極として機能するように残し、さらに電極７ａ、７ｂを設けて、図に示すようなＬＥＤ素子構造を形成した。すなわち、この実施例ではｐ型ＧａＮ層１ａ側に設ける光取り出し側電極を、電極７ａとＴｉＮ膜６ａとで構成した。
The TiN film 6a was left as it was to function as an electrode, and
このＬＥＤの発光効率は、ＴｉＮ膜を除去した実施例１のＬＥＤの場合の１２０％となった。導電性のＴｉＮの網目構造電極によって、電流の分散が改善されたためと考えられる。 The luminous efficiency of this LED was 120% in the case of the LED of Example 1 from which the TiN film was removed. This is probably because the conductive TiN network electrode improved the current distribution.
＜他の実施例、変形例＞
（ａ）上記実施例ではＭＯＶＰＥ法を用いてＬＥＤ構造のエピタキシャル層を成長したが、成長方法はＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）や他の方法でも良い。
（ｂ）上記実施例ではＧａＮ系発光素子について述べたが、ＧａＮ系以外の発光素子にも同様に用いることが可能である。
（ｃ）上記実施例では凹凸の形成後、網目状の金属または金属窒化膜を除去するか又は除去せずに網目状電極として使用する例について述べたが、これ以外の形態のＬＥＤとして構成することもできる。例えば、凹凸１０の形成後、網目状の金属または金属窒化膜６ａを除去せずに、その上にもう一度ＧａＮの成長を行うと、表面に新たな凹凸が多数形成され、網目構造はその下に閉じ込められる。これにより、壊れやすい導電性の網目状膜を保護しつつ取出し効率を向上することも可能である。成長条件によって、凹凸の大きさや密度、形状を制御することも容易である。
<Other embodiments and modifications>
(A) Although the epitaxial layer of the LED structure is grown using the MOVPE method in the above embodiment, the growth method may be an MBE method (molecular beam epitaxy method) or other methods.
(B) Although the GaN-based light emitting device has been described in the above embodiment, it can be similarly used for light-emitting devices other than GaN-based devices.
(C) In the above embodiment, the example in which the mesh-like metal or metal nitride film is removed or not used as the mesh-like electrode after the formation of the projections and depressions has been described. You can also. For example, after the formation of the
１ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１ａ ｐ型ＧａＮ層
２ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
３ ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層
４ ｎ型ＧａＮコンタクト層
５ サファイア基板
６ Ｔｉ膜
６ａ ＴｉＮ膜
７ａ、７ｂ 電極
８ ｐ型ＡｌＧａＮ層
１０ 凹凸
1 p-type GaN contact layer 1a p-type GaN layer 2 p-type
Claims (6)
前記金属膜または金属窒化膜を形成した前記エピタキシャルウェハに、水素とアンモニアとを含む混合気中で７００℃以上１２００℃以下の温度で熱処理を加えることにより、前記金属膜または金属窒化膜の触媒的な作用によってエッチングを促進させて、前記金属膜または金属窒化膜に多数の微細孔を形成すると共に、前記光取り出し面となる化合物半導体層に多数の微細な凹凸を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 Forming a metal film or metal nitride film having a thickness of 1 μm or less on a compound semiconductor layer that serves as a light extraction surface of the epitaxial wafer surface after crystal growth;
In the epitaxial wafer obtained by forming the metal film or the metal nitride film, by applying a heat treatment at 700 ° C. or higher 1200 ° C. or less of the temperature in the mixed gas containing hydrogen and ammonia, catalytic of the metal film or the metal nitride layer Etching is accelerated by various actions to form a large number of fine holes in the metal film or the metal nitride film, and to form a large number of fine irregularities in the compound semiconductor layer serving as the light extraction surface. A method for producing a semiconductor light emitting device.
前記金属膜または金属窒化膜として、スカンジウム、イットリウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、レニウム、鉄、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、マンガン、銅、白金または金のいずれかから成る金属膜又はこれらのいずれかを含む金属窒化膜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。 In the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device according to claim 1,
As the metal film or metal nitride film, scandium, yttrium, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, rhenium, iron, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, manganese A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising forming a metal film made of any one of copper, platinum, and gold, or a metal nitride film containing any of these.
前記金属膜または金属窒化膜の形成に際して、前記エピタキシャルウェハ表面の化合物半導体層の面領域中、電極を形成する部分領域をマスクし、これにより前記金属膜または金属窒化膜を形成すべき前記光取り出し面となる化合物半導体層の領域を選択的に定めることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device according to claim 1 or 2,
In the formation of the metal film or metal nitride film, a partial region for forming an electrode is masked in the surface area of the compound semiconductor layer on the surface of the epitaxial wafer, whereby the light extraction for forming the metal film or metal nitride film is performed. A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, wherein a region of a compound semiconductor layer to be a surface is selectively determined .
前記熱処理を加えることにより、前記金属膜または金属窒化膜に多数の微細孔を形成するとともに、前記光取り出し面となる化合物半導体層に多数の微細な凹凸を形成した後、前記金属膜または金属窒化膜を除去することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device according to claim 1,
By applying the heat treatment , a large number of fine holes are formed in the metal film or metal nitride film, and a number of fine irregularities are formed in the compound semiconductor layer serving as the light extraction surface. A method for producing a semiconductor light emitting device, comprising removing the film .
前記凹凸を形成する最表面の化合物半導体層が窒化物系化合物半導体層であり、この窒化物系化合物半導体層の下に、該窒化物系化合物半導体層よりもエッチングされにくい層
を挿入したウェハを用いることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device according to claim 1,
The outermost compound semiconductor layer that forms the irregularities is a nitride compound semiconductor layer, and is a layer that is less easily etched than the nitride compound semiconductor layer under the nitride compound semiconductor layer.
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising using a wafer into which is inserted .
前記エッチングされにくい層として、Ａｌ組成が１％以上で、且つ厚さが３nm以上の窒化物半導体層を挿入することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device according to claim 5 ,
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising inserting a nitride semiconductor layer having an Al composition of 1% or more and a thickness of 3 nm or more as the layer that is difficult to be etched .
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