JP5396049B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は発光素子及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、Ｐ型半導体層及び活性層をエッチングしてＮ型半導体層を露出させるように形成された網目構造トレンチが埋め込まれてなる導電層を形成する発光素子及びその製造方法に関する。

一般に、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどの窒化物は熱的安定性に優れ、且つ、直接遷移型のエネルギーバンド構造を有していることから、近年、青色及び紫外線領域の光電素子用の物質として非常に脚光を浴びている。特に、ＧａＮはエネルギーバンドギャップが常温において３．４ｅＶと極めて大きいため、高温高出力素子に利用可能である。また、ＧａＮはＩｎＮ、ＡｌＮなどの物質と組み合わせて、１．９ｅＶ（ＩｎＮ）から３．４ｅＶ（ＧａＮ）、６．２ｅＶ（ＡｌＮ）までのエネルギーバンドギャップを調節することができ、可視光から紫外線領域までの広い波長領域を有することになり、光素子の応用可能性が極めて大きな物質とされている。

ＧａＮを用いた発光素子は、一般に、基板の上部にＮ型ＧａＮ層、活性層、Ｐ型ＧａＮ層が積層状に形成され、Ｎ型ＧａＮ層及びＰ型ＧａＮ層にそれぞれ接続されたＮ型電極及びＰ型電極から構成される。このような発光素子のＮ型電極及びＰ型電極に所定の電流が印加されると、Ｎ型ＧａＮ層からの電子とＰ型ＧａＮ層からの正孔が活性層において再結合されて緑色または青色に相当する短波長光を放出することになる。

ところが、Ｐ型ＧａＮ層は低い伝導度を有するため、効率よく電流を拡散するためにＰ型ＧａＮ層の上部に導電層を形成していた。このような導電層としては、数十乃至数百Åのニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との二重構造を用いていた。しかしながら、ニッケルと金との二重構造を用いると、透明度が大幅に低下し、しかも、光子を吸収するため量子効率が低下してしまうという問題点があった。高効率の発光素子を得るためには、広い面積における均一な電流拡散特性と高い外部量子効果を併せ持つ必要がある。このために、Ｐ型ＧａＮ層とＰ型電極との間に透明電極を形成して透明度を高めると共に、Ｐ型電極から拡張される拡張電極を形成して電流拡散特性を高めることがある。拡張電極はＰ型電極と接続されて発光素子の外周に沿って延びて羽根状に形成されるものである。しかしながら、このようにして拡張電極を形成する場合にも、電流の拡散が均一とならない結果、均一な発光が得られなくなる。すなわち、Ｐ型電極に隣り合う拡張電極とＰ型電極との間は暗く、Ｎ型電極に隣り合う拡張電極とＮ型電極との間は明るく発光してしまう。

本発明の目的は、電流を一様に拡散させて均一に発光させることのできる発光素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、Ｐ型半導体層と活性層をエッチングしてＮ型半導体層を露出させた網目構造トレンチを形成し、同トレンチに充填されるとともにＮ型半導体層上に形成される電極と接続される導電層を形成して、電流の均一な拡散を可能にする発光素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一様態による発光素子は、基板と、同基板の上部に順次形成されたＮ型半導体層、活性層及びＰ型半導体層と、を有する発光素子であって、同Ｐ型半導体層、活性層及び少なくともＮ型半導体層の内部まで形成された少なくとも一つのトレンチと、同トレンチの側壁に形成された第１の絶縁層と、同第１の絶縁層が形成されたトレンチの内部に充填される導電層と、を備えている。

また、本発明による発光素子は、同Ｐ型半導体層の上部に形成された透明電極と、同導電層と電気的に接続され、かつ同Ｎ型半導体層の上部に形成された第１の電極と、同透明電極の上部に形成された第２の電極と、をさらに備え、同Ｐ型半導体層の少なくとも一部が露出されるように同透明電極の少なくとも一部が除去され、同第２の電極が同露出されたＰ型電極と接するように形成されている。

さらに、本発明による発光素子において、同トレンチは網目構造に形成されている。
さらにまた、本発明による発光素子は、同導電層と同透明電極との間に形成された第２の絶縁層をさらに備えている。

さらにまた、本発明による発光素子において、同トレンチは間隔の方が幅よりも広く形成されている。
本発明の他の様態による発光素子の製造方法は、基板の上部にＮ型半導体層、活性層及びＰ型半導体層をこの順に形成するステップと、同Ｐ型半導体層及び活性層をエッチングして同Ｎ型半導体層を露出させる網目構造トレンチを形成するステップと、同トレンチに充填された導電層を形成するステップと、を備えている。

本発明による発光素子の製造方法は、同網目構造トレンチと同時に同Ｎ型半導体層を露出させる孔をさらに形成し、同孔内の同Ｎ型半導体層の上部に第１の電極を形成するステップをさらに備えている。

本発明による発光素子の製造方法は、同導電層を形成後に同導電性層の上部に第２の絶縁層を形成するステップをさらに備えている。
本発明による発光素子の製造方法は、同第２の絶縁層を形成した後、同Ｐ型半導体層の上部に透明電極を形成するステップと、同透明電極の上部に第２の電極を形成するステップと、をさらに備えている。

本発明による発光素子の製造方法は、同第２の電極を形成する前に同Ｐ型半導体層の一部が露出されるように同透明電極の少なくとも一部を除去するステップをさらに備え、露出されたＰ型半導体層と接するように同第２の電極が形成されている。

本発明による発光素子では、Ｐ型半導体層と活性層をエッチングすることによりＮ型半導体層を露出させた網目構造トレンチが形成されており、そのトレンチを埋め立ててＮ型半導体層上に導電層を形成後、導電層と接続される第１の電極がＮ型半導体層上に形成されている。なお、導電層を形成する前にトレンチ側壁に絶縁層を形成し、導電層がＰ型半導体層及び活性層と絶縁されるように構成されている。

本発明によれば、Ｎ型半導体層の上に導電層を形成し、導電層と接続されるようにＮ型半導体層上に第１の電極を形成することにより、均一な電流拡散特性が得られる。その結果、均一な発光特性が得られることになり、発光効率を高めることが可能になる。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。しかしながら、本発明は後述する実施形態に限定されるものではなく、相異なる形で実現可能であり、これらの実施形態は、単に本発明の開示を完全たるものにし、且つ、この技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。図面において、同一の符号は同一の要素を示す。なお、層、膜、領域などの部分が他の部分の「上部に」若しくは「上に」あると表現される場合には、当該部分が他の部分の「すぐ上部」若しくは「真上」にある場合のみならず、当該部分と他の部分との間にさらに他の構成要素が存在する場合も含む。

図１は、本発明の一実施形態による発光素子の概略平面図であり、図２は、図１における線Ｉ−Ｉ’に沿った断面図であり、図３は、図１における線ＩＩ−ＩＩ’に沿った断面図であり、図４は、本発明の一実施形態による発光素子のトレンチに充填された導電層の拡大断面図である。

図１乃至図４を参照すると、本発明の一実施形態による発光素子は、基板１０の上部に順次形成されたバッファ層２０、Ｎ型半導体層３０、活性層４０、Ｐ型半導体層５０及び透明電極６０と、Ｎ型半導体層３０及びＰ型半導体層５０の上部にそれぞれ形成された第１の電極７０及び第２の電極８０と、を備えている。そして、Ｐ型半導体層５０及び活性層４０をエッチングすることによりＮ型半導体層３０が露出されたトレンチが網目構造に形成され、同トレンチに充填され、かつ第１の電極７０と接続された導電層９０をさらに備えている。また、活性層４０、Ｐ型半導体層５０及び透明電極６０と、導電層９０と、を絶縁させるために絶縁層１００をさらに備えている。

基板１０とは、発光素子を製作するための通常のウェーハのことを指し、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＬｉＡｌ_２Ｏ_３、ＢＮ、ＡｌＮ及びＧａＮのうちのいずれか１種を用いる。

バッファ層２０は、Ｎ型半導体層３０の結晶成長に際して、基板１０とＮ型半導体層３０との格子不整合を低減するために形成され、半導体材料であるＧａＮまたはＡｌＮを用いて形成される。

Ｎ型半導体層３０は活性層４０に電子を注入する層であって、Ｎ型不純物のドープされたＧａＮ層を用いることができるが、これに限定されることなく、種々の半導体性質を備えた物質層が利用可能である。すなわち、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ（ＩＩＩ−Ｖ族）などの窒化物とこの種の窒化物を一定の割合にて混合した化合物が利用可能である。また、Ｎ型半導体層３０は多層膜状に形成してもよい。一方、Ｎ型半導体層３０の上部にＮ型クラッド層（図示せず）がさらに形成されてもよく、同Ｎ型クラッド層はＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて形成することができる。

活性層４０は、所定のバンドギャップを有し、量子井戸が形成されて電子及び正孔が再結合される領域であり、ＩｎＧａＮを用いて形成することができる。このとき、活性層４０を形成する物質の種類によって、電子及び正孔が結合して発生する発光波長が異なってくる。このため、目標とする波長に応じて活性層４０に含まれる半導体材料を調節することが好ましい。なお、活性層４０は量子井戸層とバリア層が交互に積層された多層構造に形成することも可能である。

Ｐ型半導体層５０は活性層４０に正孔を注入する層であって、Ｐ型不純物の注入されたＧａＮ層が利用可能であるが、これに限定されることなく、種々の半導体性質を備えた物質層、例えば、ＩｎＧａＮが利用可能である。なお、Ｐ型半導体層５０は多層膜状に形成することも可能である。

透明電極６０は、Ｐ型半導体層５０への電流注入面積を増大させ、且つ、Ｐ型半導体層５０と第２の電極８０とのオーミックコンタクトを形成して順方向電圧を低下するために形成されている。また、透明電極６０は、透明な導電性物質、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯなどを用いて形成することにより、発光素子の透明度を高めることができる。

第１の電極７０及び第２の電極８０はＣｒ、Ａｕ、Ａｌなどの金属物質を用いて単一層または多層に形成され得る。第１の電極７０は透明電極６０、Ｐ型半導体層５０及び活性層４０の所定の領域がエッチングされてＮ型半導体層３０の一部が露出された後にＮ型半導体層３０の上部に形成され、導電層９０と電気的に接続されるように形成される。また、第２の電極８０は透明電極６０の上部に形成される。加えて、第２の電極８０は、透明電極６０の所定の領域を除去することにより露出されたＰ型半導体層５０と、接触するように形成可能である。

導電層９０は横方向に所定の幅及び間隔をもって形成された複数の第１のラインと、縦方向に所定の幅及び間隔をもって形成された複数の第２のラインとが交差した網目構造に形成される。このような網目構造の導電層９０はＮ型半導体層３０の上に形成され、第１の電極７０と接続されて形成される。すなわち、導電層９０は、Ｐ型半導体５０及び活性層４０をエッチングすることによりＮ型半導体層３０が露出された状態に形成されたトレンチであって網目構造のトレンチ、に充填された状態にて形成される。ここで、導電層９０は各ラインの幅よりもライン同士の間隔がさらに広くなるように形成されていることが好ましい。例えば、約５μｍの幅と約１０μｍの間隔と、に形成される。これは、仮に導電層９０の間隔を幅よりも広く形成した場合、光が放出される空間がさらに広くなり、結果として光の放出効率をさらに高くすることができるからである。このような網目構造の導電層９０の幅及び間隔はＮ型半導体層３０の厚さ及び材質などに応じて調節可能である。また、導電層９０は、例えば、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｌなどの金属物質を用いて単一層または多層に形成することができ、第１の電極７０と同時に形成可能である。

絶縁層１００は、活性層４０、Ｐ型半導体層５０及び透明電極６０と、導電層９０と、を絶縁させるために形成されている。すなわち、絶縁層１００は、Ｎ型半導体層３０が露出されるようにＰ型半導体層５０及び活性層４０がエッチングされてなる網目構造トレンチの内側壁に形成されており、活性層４０及びＰ型半導体層５０と、導電層９０と、を絶縁させる第１の絶縁層１００Ａと、導電層９０の上部に形成されるとともに導電層９０と透明電極６０とを絶縁させる第２の絶縁層１００Ｂと、を備えている。絶縁層１００は、例えば、酸化膜または窒化膜などの絶縁物質を用いて形成することができる。

一方、上述した物質層は金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などをはじめとする種々の蒸着または成長法を用いて形成される。

以上のように構成された本発明の一実施形態による発光素子の製造方法を図５Ａ乃至Ｄ及び図６に基づいて以下に説明する。
図５Ａ乃至図５Ｄは、本発明の一実施形態による発光素子の製造方法における工程手順を示す断面図であり、図６は、本発明の一実施形態による発光素子の製造方法において感光膜が形成された状態の平面図である。

図５Ａを参照すると、基板１０の上部にバッファ層２０、Ｎ型半導体層３０、活性層４０及びＰ型半導体層５０がこの順にて形成される。バッファ層２０は、例えばＧａＮ層から形成され、Ｎ型半導体層３０は、例えばＮ型不純物のドープされたＧａＮ層から形成される。そして、活性層４０は、例えばＩｎＧａＮ層からなる単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、ダブルへテロ構造（ＤＨ）またはマルチ量子井戸構造（ＭＱＷ）にて形成され、Ｐ型半導体層５０はＰ型不純物のドープされたＧａＮ層から形成される。

バッファ層２０は、４５０〜５５０℃の温度において窒素及びガリウム（Ｇａ）ソースとしてのアンモニア（ＮＨ_３）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）をそれぞれ流し込ませてＧａＮ層を蒸着することにより形成される。ＧａＮ層の代わりに、ＡｌＮ層、ＧａＩｎＮ層、ＡｌＧａＩｎＮ層またはＳｉＮ層など種々の物質を用いてバッファ層を形成することが可能であり、その場合の成長温度及び成長厚さは、素子または成長システムによって異なる。

次いで、バッファ層２０の上部に、例えばＮ型不純物のドープされたＧａＮ層からなるＮ型半導体層３０が形成される。このために、９００〜１０００℃程度の温度においてガリウムソースとしてのＴＭＧａ、窒素ソースとしてのアンモニア（ＮＨ_３）、及びＮ型不純物としてのＳｉＨ_４またはＳｉＨ_６を流し込ませ、シリコンのドープされたＧａＮ層が形成される。

次いで、Ｎ型半導体層３０の上部に、活性層４０が、例えばＩｎＧａＮ層からなる単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、ダブルへテロ構造（ＤＨ）またはマルチ量子井戸構造（ＭＱＷ）にて形成される。このために、７００〜８５０℃の温度においてインジウムソースとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）、ガリウムソースとしてのＴＭＧａまたはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、及び窒素ソースとしてのアンモニア（ＮＨ_３）を流し込ませ、ＩｎＧａＮ層が形成される。

次いで、活性層４０を形成後、温度を９００〜１１００℃に維持した状態で、ガリウムソースと窒素ソース及びマグネシウムソースを流し込ませ、Ｐ型半導体層５０がＰ型ＧａＮ層から形成される。

一方、Ｎ型半導体層３０及びＰ型半導体層５０は、ＧａＮの代わりに、ＩｎＮ、ＡｌＮなどから形成可能であるが、この場合、ガリウムソースの代わりにインジウムソースまたはアルミニウムソースを流し込ませればよい。

図５Ｂ及び図６を参照すると、Ｐ型半導体層５０の上部に感光膜１１０を形成後、所定のマスクを用いた写真及び現像工程により感光膜１１０がパターニングされる。感光膜１１０は互いに離間する複数の四角形状にパターニング可能であるが、Ｐ型半導体層５０が網目構造に露出されるようにパターニングされ、Ｐ型半導体層５０の所定の領域が網目構造の幅及び間隔よりも大きく露出されるようにパターニングされる。ここで、感光膜１１０は、網目構造に露出される領域が約１０μｍの間隔と約５μｍの幅とを有するようにパターニングされる。そして、このようにしてパターニングされた感光膜１１０をマスクとしてＰ型半導体層５０及び活性層４０がエッチングされる。このとき、オーバーエッチングによりＮ型半導体層３０が所定の厚さエッチングされることもある。これにより、網目構造のトレンチ１２０と所定の孔径の孔１３０が形成される。

図５Ｃを参照すると、全体の構造の上部に所定の厚さの第１の絶縁層１００Ａが形成される。ここで、第１の絶縁層１００Ａは、トレンチ１２０が埋め立てられない程度の厚さにて形成される。そして、全面エッチング工程を行うことにより、感光膜１１０の上部とトレンチ１２０及び孔１３０の底面に形成された第１の絶縁層１００Ａが除去される。すなわち、Ｎ型半導体層３０の上部に形成された第１の絶縁層１００Ａは除去される。このため、第１の絶縁層１００Ａは、トレンチ１２０及び孔１３０の側壁、すなわち、活性層４０及びＰ型半導体層５０の側壁にのみ残留することになる。次いで、トレンチ１２０が埋め立てられるように全体の構造の上部に導電物質９０Ａが形成される。

図５Ｄを参照すると、リフトオフ工程により感光膜１１０が除去される。これにより、感光膜１１０の上部に残留する導電物質９０Ａも同時に除去される。それにより、網目構造トレンチ１２０を埋め立てるように導電層９０が形成される。このとき、導電層９０は、第１の電極７０が形成される領域にも一部延設される。次いで、全体の上部に第２の絶縁層１００Ｂが形成され、その後、所定の写真及びエッチング工程により第２の絶縁層１００Ｂを導電層９０の上部に残留させる。そして、全体の上部に透明電極６０を、例えば、ＩＴＯを用いて形成する。次いで、Ｐ型半導体層５０が一部露出され、Ｎ型半導体層３０が露出されるように透明電極６０をエッチングする。そして、Ｎ型半導体層３０の上部に第１の電極７０が形成され、露出されたＰ型半導体層５０と接するように透明電極６０の上部に第２の電極８０が形成される。

前記実施形態では、導電層９０を形成した後に第１の電極７０と第２の電極８０とを同時に形成しているが、導電層９０と第１の電極７０を同時に形成した後に第２の電極８０を形成することもできる。なお、前記工程は種々に変形可能である。

一方、ガリウムのソースとしてはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の他にトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いることができ、アルミニウムソースとしてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の他にトリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、トリメチルアミンアルミニウム（ＴＭＡＡｌ）またはジメチルエチルアミンアルミニウム（ＤＭＥＡＡｌ）を用いることができる。そして、窒素ソースとしてはアンモニア（ＮＨ_３）の他にモノメチルヒドラジン（ＭＭＨｙ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を用いることができる。

本発明の技術的な思想は前記実施形態によって詳述されたが、前記実施形態はその説明のために記載されたものであり、同実施形態に制限されるものではないことに留意すべきである。なお、本発明の技術分野における通常の知識を持った者であれば、本発明の技術思想の範囲内において種々の実施形態が可能であることが理解できるであろう。

本発明の一実施形態による発光素子の概略平面図。 図１における線Ｉ−Ｉ’に沿った断面図。 図１における線ＩＩ−ＩＩ’に沿った断面図。 本発明の一実施形態による発光素子のトレンチに充填された導電層の拡大断面図。 本発明の一実施形態による発光素子の製造方法の工程手順を示す断面図。 本発明の一実施形態による発光素子の製造方法の工程手順を示す断面図。 本発明の一実施形態による発光素子の製造方法の工程手順を示す断面図。 本発明の一実施形態による発光素子の製造方法の工程手順を示す断面図。 本発明の一実施形態による発光素子の製造方法における、感光膜が形成された状態の平面図。

符号の説明

１０…基板、２０…バッファ層、３０…Ｎ型半導体層、４０…活性層、５０…Ｐ型半導体層、６０…透明電極、７０…第１の電極、８０…第２の電極、９０…導電層、１００…絶縁層。

Claims (9)

1. 基板と、前記基板の上部に順次形成されたＮ型半導体層、活性層及びＰ型半導体層と、を有する発光素子において、
   前記Ｐ型半導体層、前記活性層及び少なくとも前記Ｎ型半導体層の内部まで形成された少なくとも一つのトレンチと、
   前記トレンチの側壁に形成された第１の絶縁層と、
   前記第１の絶縁層が形成された前記トレンチの内部に充填される導電層と、
   前記Ｐ型半導体層の上部に形成された透明導電酸化物である透明電極と、
   前記導電層と電気的に接続されるとともに前記Ｎ型半導体層の上部に形成された第１の電極と、
   前記透明電極の上部に形成された第２の電極と、
   前記導電層と前記透明電極との間に形成された第２の絶縁層と、
   を備える発光素子。
2. 前記Ｐ型半導体層の少なくとも一部が露出されるように前記透明電極の少なくとも一部が除去され、前記第２の電極が前記露出されたＰ型電極と接するように形成されている請求項１に記載の発光素子。
3. 前記トレンチは網目構造に形成されている請求項１に記載の発光素子。
4. 前記トレンチは、間隔の方が幅よりも広く形成されている請求項１に記載の発光素子。
5. 基板の上部にＮ型半導体層、活性層及びＰ型半導体層をこの順にて形成するステップと、
   前記Ｐ型半導体層及び前記活性層をエッチングして前記Ｎ型半導体層を露出させた網目構造のトレンチを形成するステップと、
   前記トレンチの側壁に第１の絶縁層を形成するステップと、
   前記トレンチに充填された導電層を形成するステップと、
   前記導電層を形成した後に同導電層の上部に第２の絶縁層を形成するステップと、
   前記第２の絶縁層を形成後、前記Ｐ型半導体層の上部に透明導電酸化物である透明電極を形成するステップと、
   を含む発光素子の製造方法。
6. 前記網目構造のトレンチと同時に前記Ｎ型半導体層を露出させる孔をさらに形成する、請求項５に記載の発光素子の製造方法。
7. 前記孔内の前記Ｎ型半導体層の上部に第１の電極を形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の発光素子の製造方法。
8. 前記透明電極の上部に第２の電極を形成するステップをさらに含む、請求項５に記載の発光素子の製造方法。
9. 前記第２の電極を形成する前に前記Ｐ型半導体層の一部が露出されるように前記透明電極の少なくとも一部を除去するステップをさらに含み、露出されたＰ型半導体層と接するように前記第２の電極が形成される、請求項８に記載の発光素子の製造方法。
   

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