JP2007184346A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子が全体的に均一に効率よく発光し、かつ基板が光を吸収することないことから、活性層からの発光を効率よく外部に取り出すことのできる高輝度の発光素子を提供すること。
【解決手段】 発光素子は、六方晶からなる単結晶基板の一主面に、化学式Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０）で表される第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０）で表される活性層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’’−ｙ’’}Ｉｎ_ｙ’’Ａｌ_ｘ’’Ｎ（０＜ｘ’’＋ｙ’’＜１、ｘ’’＞０、ｙ’’≧０）で表される第２導電型半導体とを含むとともに前記順でこれらの層が積層されている半導体層が形成されており、単結晶基板の一部にエッチングによって半導体層に達して形成された貫通孔から成る光取り出し孔が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子に関し、特に発光波長に対して吸収性のある単結晶基板の主面上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた発光素子、及びその製造方法に関する。

近年、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウム（ＩｎＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化ガリウム系化合物半導体は、直接遷移型の化合物半導体であり、また広いバンドギャップ（ワイドバンドギャップ）を持つため、青色光あるいは青紫色光、紫色光の発光ダイオードやレーザダイオード、フォトディテクター等の光素子用材料として利用されている。また、高周波、大電力に対応でき、高信頼性であることから、高性能な電子素子用材料として注目されている。

従来の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子を、図２に示す。サファイア基板２００上に、ＡｌＮバッファ層２０１が形成され、このＡｌＮバッファ層２０１の上に、ｎ−ＧａＮクラッド層２０２、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層（発光層）２０３、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２０４、及びｐ−ＧａＮコンタクト層２０５が順次積層された多層構造の半導体層が形成されている。

この多層構造の半導体層は、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０５からｎ−ＧａＮクラッド層２０２の一部の上部領域までエッチング除去され、最上層のｐ−ＧａＮコンタクト層２０５の上面に光反射性のｐ型電極２０６が形成され、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮコンタクト層２０２の上面にｎ型電極２０８が形成されている。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層２０３から発光素子の表面（上面）側に向かった光は、ｐ型電極２０６で反射され、発光素子の裏面（下面）側へ向かい出射する。このようにして、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層２０３で発光した光は、発光素子の外部に効率よく取り出されることになる。

このようなサファイア基板２００上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成して作製された発光素子は、サファイア基板２００が絶縁性基板であるため、発光素子の一部をエッチングし、その部分にｎ型電極２０８を設けなければならない。この構成の場合、電流は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層２０３とｎ−ＧａＮクラッド層２０２の界面を通過するため、ｎ−ＧａＮクラッド層２０２全体に電流が広がらず、エッチング面近傍に電流が集中して高い電流密度となる。そして、エッチング面近傍で電子及び空孔の再結合による発光が生じ、発光素子全面が効率よく発光することができず、高輝度の発光が得られない。

また、絶縁性のサファイア基板２００にかわり、導電性のＳｉ基板を用いた単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた発光素子がある。図３に、導電性の単結晶基板としてＳｉ基板を用いた発光素子を示す。Ｓｉ基板３００上にＡｌＮバッファ層３０１が形成され、このＡｌＮバッファ層３０１の上に、ｎ−ＧａＮクラッド層３０２、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層３０３、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３０４、及びｐ−ＧａＮコンタクト層３０５が順次積層された多層構造の半導体層が形成されている。

このような導電性基板を用いた発光素子の場合、単結晶基板の裏面に電極３０８を形成することができ、ｎ−ＧａＮクラッド層３０２に対して電流密度を均一に分布させることができる。そして、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層３０３で発光のための再結合が均一に生じ、発光素子を均一に効率よく発光させることができる。

しかしながら、Ｓｉ基板３００は導電性の単結晶基板ではあるが、サファイア基板２００に比べて、可視光や紫外光等の波長領域において光の吸収が生じる単結晶基板である。そのため、発光素子の裏面側から取り出すことができないため、発光素子の表面側に半透明性のｐ型電極３０６を形成して、発光素子の表面側から光を取り出さなければならない。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層３０３から発光素子の裏面側に出射した光は単結晶基板で吸収されるため、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層３０３で生じた光を効率よく外部に取り出すことができない。

そこで、単結晶基板の一部を加工して貫通孔を形成することにより、光取り出し孔を設けて、活性層で発光した光を単結晶基板に吸収されることなく、発光素子の外部に効率よく光を取り出す構成が考えられる。

Ｓｉ基板にＧａＮ層を成長させる場合、ＧａＮは六方晶であるため、ＧａＮの（０００１）面を成長面としたピタキシャル成長するときは、正六角形状の格子面をもつＳｉ結晶の（１１１）面をＧａＮ層を成長させる成長面として使用する。この場合、ＧａＮとＳｉの（１１１）面の格子不整合率は１７．０％であり、熱膨張係数の差は３．１９×１０^６／Ｋである。これらの格子不整合率と熱膨張係数の差から、ＧａＮ層に１×１０^８〜１×１０^１０ｃｍ^−２の転位が発生する。また、熱歪からＧａＮ層に反りが生じ、その結晶性を著しく劣化させる。

このような結晶性が劣化したＧａＮ層を有するＳｉ基板の一部を加工し貫通孔を形成して、光取り出し孔を設けると、光取り出し孔の領域では、格子定数と熱膨張係数の違いから生じていたＧａＮ層の応力が緩和される。光取り出し孔の領域のみＧａＮ層の応力が緩和されるため、光取り出し孔周囲のＳｉ基板の存在している領域と光取り出し孔の領域との境界に応力が集中し、発光素子にクラック等が生じる。
特開２００２−２４６６４５号公報

上述したように、従来、絶縁性のサファイア基板を用いて発光素子を作製する場合、発光素子の一部をエッチング除去し、その部分にｎ型電極を形成しており、このタイプの発光素子では、エッチング面近傍の電流密度が高くなってエッチング面近傍の発光強度が強くなり、発光素子が均一に効率よく発光することができないという問題点があった。

また、導電性のＳｉ基板を用いた場合、Ｓｉ基板が可視光や紫外光等の波長領域において光を吸収するため、発光素子の裏面側に向かった光を効率よく外部に取り出すことができないという問題点があった。

さらに、Ｓｉ基板の一部を加工して光取り出し孔を設けると、光取り出し孔周囲のＳｉ基板の存在している領域と光取り出し孔の領域との境界に、ＳｉとＧａＮの格子不整合と熱膨張係数の差から生じた応力が集中し、発光素子にクラック等が生じるという問題点があった。

従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、発光素子が全体的に均一に効率よく発光し、かつ基板が光を吸収することないことから、活性層からの発光を効率よく外部に取り出すことのできる高輝度の発光素子を提供することである。

本発明の発光素子は、六方晶からなる単結晶基板の一主面に、化学式Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’’−ｙ’’}Ｉｎ_ｙ’’Ａｌ_ｘ’’Ｎ（ただし、０＜ｘ’’＋ｙ’’＜１、ｘ’’＞０、ｙ’’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層とを含むとともに前記順でこれらの層が積層されている半導体層が形成されており、前記単結晶基板の一部にエッチングによって前記半導体層に達して形成された貫通孔から成る光取り出し孔が形成されていることを特徴とする。

本発明の発光素子は好ましくは、前記単結晶基板は、導電性を有するとともに一部に第１導電型電極が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記単結晶基板は、ＸＢ_２（但し、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆのうちの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶基板であることを特徴とする。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記単結晶基板の一主面に最初に成長される窒化ガリウム系化合物半導体層が化学式Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）で表されるものであることを特徴とする。

本発明の発光素子の製造方法は、六方晶からなる単結晶基板の一主面に、化学式Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’’−ｙ’’}Ｉｎ_ｙ’’Ａｌ_ｘ’’Ｎ（ただし、０＜ｘ’’＋ｙ’’＜１、ｘ’’＞０、ｙ’’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層とを含むとともに前記順でこれらの層が積層されている半導体層を形成し、次に前記単結晶基板の一部にエッチングによって前記半導体層に達するように貫通孔から成る光取り出し孔を形成することを特徴とする。

本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、前記単結晶基板の一部にエッチングによって前記半導体層に達するように貫通孔から成る光取り出し孔を形成するに際して、ＨＣｌ，Ｈ_２ＳＯ_４及びＨＮＯ_３のうちの少なくとも１種と、ＨＦ及びＮＨ_４ＨＦ_２のうちの少なくとも１種とを混合したエッチング溶液によってウェトエッチングを行うことを特徴とする。

また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、前記単結晶基板の一部にエッチングによって前記半導体層に達するように貫通孔から成る光取り出し孔を形成するに際して、ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_３Ｆ_８，ｃ−Ｃ_４Ｆ_８，Ｃ_５Ｆ_１２，ＣＨＦ_３，ＣＢｒＦ_３，ＣＣｌ_３Ｆ，ＣＣｌ_２Ｆ_２，ＣＣｌＦ_３，ＳＦ_６，ＮＦ_３及びＦ_２のうちの少なくとも１種のエッチングガスを用いたドライエッチングを行うことを特徴とする。

本発明の発光素子は、六方晶からなる単結晶基板の一主面に、化学式Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’’−ｙ’’}Ｉｎ_ｙ’’Ａｌ_ｘ’’Ｎ（ただし、０＜ｘ’’＋ｙ’’＜１、ｘ’’＞０、ｙ’’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層とを含むとともに前記順でこれらの層が積層されている半導体層が形成されており、単結晶基板の一部にエッチングによって半導体層に達して形成された貫通孔から成る光取り出し孔が形成されていることから、単結晶基板が活性層（発光層）からの発光波長領域の光を吸収する場合にも、発光素子外部へ光が透過できる領域が設けられ、発光素子の光取り出し効率が向上し、高輝度の発光強度を得ることができる。

また、従来のサファイア基板を用いた発光素子のように、電流密度が局所的に高くなることもないため、発光素子全体で均一な発光が可能になる。

本発明の発光素子は好ましくは、単結晶基板は、導電性を有するとともに一部に第１導電型電極が形成されていることから、発光素子において縦型の直線的な電気伝導（電流注入）を実現し、第１導電型半導体層における電流密度を全体的に均一なものとすることができる。このように電流密度が発光素子の一部の領域に偏ることなく、均一に電流が拡散することで、発光素子の均一な発光が実現でき、高輝度の発光強度を得ることができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、単結晶基板は、ＸＢ_２（但し、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆのうちの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶基板であることから、ＸＢ_２例えばＺｒＢ_２で表記される単結晶基板の格子定数ａは、ａ＝３．１７０Åであり、ウルツアイト構造のＧａＮの格子定数ａは、ａ＝３．１８９Åであり、これらの格子不整合は０．５７％であり、熱膨張係数の差も２．７×１０^−６／Ｋである。その結果、窒化ガリウム系化合物半導体に対して極めて格子整合性の高い単結晶基板を用いることにより、格子欠陥が少なく、基板との間に生じる応力が小さい、良質な結晶性の窒化ガリウム系化合物半導体を得ることができる。従って、単結晶基板の一部をエッチングして光取り出し孔を形成した場合でも、光取り出し孔周囲の単結晶基板の存在している領域と光取り出し孔の領域との境界に応力集中がほとんど起こらない。そのため、発光素子にクラック等が生じることをなくして単結晶基板に光取り出し孔を形成することができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、単結晶基板の一主面に最初に成長される窒化ガリウム系化合物半導体層が化学式Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）で表されるものであることから、ＡｌＮの格子定数はａ＝３．１１２Åであるため、Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）の混晶比ｘを適切な値にすることにより、上記の二硼化物単結晶基板との間で格子不整合がほとんどない窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることができる。

本発明の発光素子の製造方法は、六方晶からなる単結晶基板の一主面に、化学式Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’’−ｙ’’}Ｉｎ_ｙ’’Ａｌ_ｘ’’Ｎ（ただし、０＜ｘ’’＋ｙ’’＜１、ｘ’’＞０、ｙ’’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層とを含むとともに前記順でこれらの層が積層されている半導体層を形成し、次に単結晶基板の一部にエッチングによって半導体層に達するように貫通孔から成る光取り出し孔を形成することから、上記の優れた作用効果を奏する本発明の発光素子をエッチング法によって容易に製造できる。

本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、単結晶基板の一部にエッチングによって半導体層に達するように貫通孔から成る光取り出し孔を形成するに際して、ＨＣｌ，Ｈ_２ＳＯ_４及びＨＮＯ_３のうちの少なくとも１種と、ＨＦ及びＮＨ_４ＨＦ_２のうちの少なくとも１種とを混合したエッチング溶液によってウェトエッチングを行うことから、発光素子にエッチングストップ層や犠牲層を特別に設けることなく、単結晶基板や窒化ガリウム系化合物半導体を選択的にエッチングすることができる。

また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、単結晶基板の一部にエッチングによって半導体層に達するように貫通孔から成る光取り出し孔を形成するに際して、ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_３Ｆ_８，ｃ−Ｃ_４Ｆ_８，Ｃ_５Ｆ_１２，ＣＨＦ_３，ＣＢｒＦ_３，ＣＣｌ_３Ｆ，ＣＣｌ_２Ｆ_２，ＣＣｌＦ_３，ＳＦ_６，ＮＦ_３及びＦ_２のうちの少なくとも１種のエッチングガスを用いたドライエッチングを行うことから、上記と同様に、発光素子にエッチングストップ層や犠牲層を特別に設けることなく、単結晶基板や窒化ガリウム系化合物半導体を選択的にエッチングすることができる。

本発明の発光素子及びその製造方法について以下に詳細に説明する。

本発明の発光素子は、六方晶からなる単結晶基板の一主面に、化学式Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’’−ｙ’’}Ｉｎ_ｙ’’Ａｌ_ｘ’’Ｎ（ただし、０＜ｘ’’＋ｙ’’＜１、ｘ’’＞０、ｙ’’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層とを含むとともに前記順でこれらの層が積層されている多層構造の半導体層が形成されており、単結晶基板の一部にエッチングによって半導体層に達して形成された貫通孔から成る光取り出し孔が形成されている構成である。

本発明では、結晶構造が六方晶からなる導電性の単結晶基板を用いるが、単結晶基板としてＸＢ_２（但し、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆのうちの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶基板が好ましく、この場合、二硼化物単結晶の（０００１）面を成膜するための主面とするのが好ましい。

例えば、二硼化物単結晶基板がＺｒＢ_２からなる場合、ＺｒＢ_２の格子定数ａはａ＝３．１７０Åであり、ウルツアイト構造のＧａＮの格子定数ａは、ａ＝３．１８９Åであり、これらの格子不整合は０．５７％と極めて小さい。また、熱膨張係数の差も２．７×１０^−６／Ｋであり、極めて整合性の高い組み合わせとなる。その結果、格子欠陥が少なく、単結晶基板との間に生じる応力が小さい良質な結晶性の窒化ガリウム系化合物半導体を形成することができる。

化学式Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層は、具体的には、例えばＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層からなり、厚み１００〜１０００nm程度で形成される。

化学式Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層は、具体的には、例えばＡｌ_０．２０Ｇａ_０．８０層とＧａＮ層の多層構造からなり、厚み２０〜５０nm程度で形成される。

化学式Ｇａ_{１−ｘ’’−ｙ’’}Ｉｎ_ｙ’’Ａｌ_ｘ’’Ｎ（ただし、０＜ｘ’’＋ｙ’’＜１、ｘ’’＞０、ｙ’’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層は、具体的には、例えばＡｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ｎ層からなり、厚み２０〜５００nm程度で形成される。

また、単結晶基板は、その一部にエッチングによって半導体層に達して形成された貫通孔から成る光取り出し孔が形成されているが、光取り出し孔の横断面形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、五角形以上の多角形、星形等の種々の形状とし得る。特に、放射した光のスポットが等方的である円形が好ましい。

光取り出し孔の大きさは、単結晶基板の光出射面である他主面における開口は、例えば外形が３５０μｍ角の大きさの発光素子の場合、円形の場合直径が２００〜３００μｍ程度であるのがよい。３００μｍより大きい場合、発光素子全体の機械的強度が弱くなり、２００μｍより小さい場合、発光素子から取り出される光が少なくなる。他主面における開口が、円形以外の形状の場合、同様の理由でその最大幅が２００〜３００μｍ程度であるのがよい。

また、光取り出し孔の側面は、単結晶基板の他主面から一主面に向かって断面形状が小さくなるように傾斜しているのがよい。その場合、光を外部に効率よく放射させることができるという利点がある。

また、光取り出し孔は、単結晶基板に複数形成してもよく、特に単結晶基板の他主面を平面視した際に複数の光取り出し孔が対称状に形成されているのがよい。その場合、光の放射がより均一になり、均一な発光特性が得られる。

本発明の発光素子は、単結晶基板は、導電性を有するとともに一部に第１導電型電極が形成されていることが好ましい。さらに、この第１導電型電極は、単結晶基板の他主面に、光取り出し孔を囲むように形成されているのがよく、発光素子内部の電流密度の分布をより均一化することができる。また、第１導電型電極は、単結晶基板の他主面の光取り出し孔以外の部分全面に形成するのがよく、第1導電型電極上で電流密度を拡散させ、単結晶基板に電流を注入する効果がある。

第１導電型電極は、金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）等からなる。

また、本発明の発光素子は、単結晶基板は、ＸＢ_２（但し、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆのうちの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶基板であることが好ましい。即ち、単結晶基板は、ＺｒＢ_２，ＴｉＢ_２，ＨｆＢ_２等からなるが、これらのうちＺｒＢ_２の（０００１）面を主面（窒化ガリウム系化合物半導体層の成長面）とするのが好ましい。ＺｒＢ_２は導電性を有する基板であり、ＺｒＢ_２の格子定数ａ＝３．１７０Åは、ウルツアイト構造のＧａＮの格子定数ａ＝３．１８９Åとの格子不整合が０．６％であり、熱膨張係数の差も２．７×１０^−６／Ｋと小さく、極めて整合性の高い組み合わせとなる。その結果、格子欠陥が少なく、単結晶基板１０と窒化ガリウム系化合物半導体層との間に生じる応力が小さい、良質な窒化ガリウム系化合物半導体層が得られる。

また、本発明の発光素子は、単結晶基板の一主面に最初に成長される窒化ガリウム系化合物半導体層が化学式Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）で表されるものであることが好ましい。この窒化ガリウム系化合物半導体層は、具体的には、Ａｌ_０．２４Ｇａ_０．７６Ｎを用いたものであり、厚み２０〜１００nm程度で形成される。

本発明の発光素子の製造方法は、六方晶からなる単結晶基板の一主面に、化学式Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’’−ｙ’’}Ｉｎ_ｙ’’Ａｌ_ｘ’’Ｎ（ただし、０＜ｘ’’＋ｙ’’＜１、ｘ’’＞０、ｙ’’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層とを含むとともに前記順でこれらの層が積層されている半導体層を形成し、次に単結晶基板の一部にエッチングによって半導体層に達するように貫通孔から成る光取り出し孔を形成する構成である。

窒化ガリウム系化合物半導体からなる各層の結晶成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法等によって行われる。単結晶基板の一主面に最初にバッファ層を形成する場合、バッファ層を６００〜８００℃の成長温度で結晶成長させる。特に、上記ＸＢ_２で表記される二硼化物単結晶基板を用いた場合、バッファ層は二硼化物単結晶基板に対して格子定数の近いＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）であることが好ましい。

成膜装置内の単結晶基板が設置された、ヒーター等で加熱されたサセプターからの単結晶基板への熱接触により、熱が単結晶基板へ伝導し加熱される。また、サセプター表面からの熱輻射（赤外光）として放出されるが、このとき単結晶基板が導電性基板であり、サセプターからの熱輻射は単結晶基板に吸収され、加熱される。即ち、単結晶基板が導電性基板からなる場合、サセプターからの熱によって単結晶基板が効率的に加熱されるため、単結晶基板温度の安定性が良いという効果がある。

次に成長温度を１０００〜１２００℃に昇温し、バッファ層上に、第１導電型半導体層としてのｎ型クラッド層、活性層、第２導電型半導体層としてのｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層を順次成長させる。ｎ型クラッド層は、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型不純物を含有する。活性層は半導体不純物を含有しない。ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層は、マグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ）等のｐ型不純物を含有する。

なお、上記の例では、第１導電型半導体層をｎ型、第２導電型半導体層をｐ型としたが、第１導電型半導体層をｐ型、第２導電型半導体層をｎ型としてもよい。

次に、窒化ガリウム系化合物半導体の各層を全て成長させた後のｐ型コンタクト層上に、フォトリソグラフィー技術を用いてフォトレジストからなるマスクを形成し、蒸着法、スパッタリング法等によりｐ型電極材料を成膜した後に、リフトオフ法によってフォトレジストを剥離して、光反射性の第１導電型電極としてのｐ型電極を形成する。ｐ型電極は、金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ），銀（Ａｇ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），タンタル（Ｔａ）等からなる。

次に、フォトリソグラフィー技術を用いて単結晶基板の他主面（裏面）に、光取り出し孔を形成するためのフォトレジストからなるパターンを形成する。パターン形成後、蒸着法、スパッタリング法等により金属材料を成膜した後に、リフトオフ法でフォトレジストを剥離して、光取り出し孔以外の領域をマスクするメタルマスクを形成する。ウェットエッチング法で光取り出し孔を形成する場合、ＨＣｌ，Ｈ_２ＳＯ_４及びＨＮＯ_３の少なくとも１種と、ＨＦ及びＮＨ_４ＨＦ_２の少なくとも１種とを混合したエッチング溶液を用いることにより、単結晶基板や窒化ガリウム系化合物半導体を選択的にエッチングすることができる。メタルマスクは、エッチング溶液に対して耐薬品性のあるＡｕ，Ｃｒからなることが好ましい。

ドライエッチング法を用いる場合、Ｎｉ等からなる強固なメタルマスクを形成することが好ましい。また、ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_３Ｆ_８，ｃ−Ｃ_４Ｆ_８，Ｃ_５Ｆ_１２，ＣＨＦ_３，ＣＢｒＦ_３，ＣＣｌ_３Ｆ，ＣＣｌ_２Ｆ_２，ＣＣｌＦ_３，ＳＦ_６，ＮＦ_３及びＦ_２のうちの少なくとも１種のエッチングガスを用いることにより、単結晶基板や窒化ガリウム系化合物半導体を選択的にエッチングすることができる。

その後、単結晶基板の裏面にｎ型電極を形成する。

図１に示す本発明の発光素子のより具体的な製造方法の例について、以下に説明する。この例では、導電性の六方晶からなる単結晶基板としてＺｒＢ_２基板、単結晶基板に光取り出し孔を形成するためにウェットエッチング法を用いる。

ＭＯＶＰＥ成長炉内に、ＺｒＢ_２基板１００を、その（０００１）面が窒化ガリウム系化合物半導体の成長面となるようにして設置し、ＺｒＢ_２基板１００の温度を８００℃まで昇温させて、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長を開始する。

その後、ＺｒＢ_２基板１００の温度を６００℃まで降温させてバッファ層１０１の成長を行う。バッファ層１０１は、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を含有するＡｌ_０．２４Ｇａ_０．７６Ｎからなり、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニアガスを原料とし、ｎ型不純物原料としてシランガス（ＳｉＨ_４）を用い、２０ｎｍの厚さまで成長させる。

次に、ＺｒＢ_２基板１００の温度を１０５０℃まで上昇させ、この温度でｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型クラッド層１０４、ｎ型コンタクト層１０５を順次成長させる。

ｎ型クラッド層１０２は、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を含有するＡｌ_０．２４Ｇａ_０．７６Ｎからなり、ＴＭＡ，ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、ｎ型不純物原料としてシランガス（ＳｉＨ_４）を用い、２００ｎｍの厚さまで成長させる。

活性層１０３は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層／ＧａＮ層の量子井戸構造からなり、ＴＭＡ，ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、５０ｎｍの厚さまで成長させる。なお、障壁層としての厚み７nmのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層と、厚み３nmのＧａＮ層とを、交互に５回繰り返して形成する。

ｐ型クラッド層１０４は、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含有するＡｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ｎからなり、ＴＭＡ、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、ｐ型不純物原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ_２Ｍｇ）を用い、２００ｎｍの厚さまで成長させる。

ｐ型コンタクト層１０５は、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含有するＧａＮからなり、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、ｐ型不純物原料としてＣｐ_２Ｍｇを用い、２０ｎｍの厚さまで成長させる。

そして、結晶成長後のＺｒＢ_２基板１００を熱拡散法で５７５℃の温度でアニール処理することにより、ｐ型不純物の活性化を行う。

次に、ｐ型コンタクト層１０５上に、フォトグラフィー法でｐ型電極１０６を形成するためのフォトレジストマスクを形成した後に、蒸着機にてＮｉ層（厚み５０Å）、Ａｇ層（厚み３００Å）、Ａｕ層（厚み２０００Å）を蒸着し、リフトオフ法によってフォトレジストマスクを剥離し、熱拡散炉にて５５０℃のアニール処理を行うことにより、光反射性のｐ型電極１０６を形成する。

次に、ｐ型電極１０６の両側からの電流の漏れが無いように、フォトグラフィー法によって絶縁層１０７を形成するためのフォトレジストマスクを形成した後に、蒸着機にてＳｉＯ_２層（厚み５００Å）を蒸着し、リフトオフ法によりフォトレジストマスクを剥離し、ＳｉＯ_２層からなる絶縁層１０７を形成する。

その後、蒸着機にてＺｒＢ_２基板１００の一主面側のｐ型電極１０６及び絶縁層１０７上に、Ｃｒ層（厚み５００Å）を蒸着する。

次に、ＺｒＢ_２基板１００の他主面（図１では下面）に、フォトグラフィー法によって光取り出し孔を形成するためのフォトレジストマスクを形成した後に、蒸着機にてＣｒ層（厚み１０００Å）を蒸着し、リフトオフ法によってフォトレジストマスクを剥離して、Ｃｒ層からなるマスクパターンを形成する。なお、このマスクパターンは、例えばＺｒＢ_２基板１００の他主面における光取り出し孔の開口形状が直径３００μｍの円形となるような形状とする。

作製したＣｒマスクパターンは、ｐ型電極１０６の直下に、即ち平面視でｐ型電極１０６に重なるように、光取り出し孔が形成されるようなパターン形状となっており、この構成が好ましい。これは以下の理由による。

窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐ型半導体層と、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層とでは、ｐ型半導体層の方が抵抗値が高い。このため、電流を注入したとき、ｐ型半導体層に比べてｎ型半導体層の方が電流は横方向に広がる。従って、注入した電流は、ｎ型半導体層では広がり、ｐ型半導体層ではあまり広がらずに、活性層ではｐ型電極１０６直下の部分に電流が集中して電流密度が高くなり、活性層で発光のための再結合が起こる。このようにｐ型電極１０６直下の部分が発光領域となるため、ｐ型電極１０６直下の単結晶基板の領域に光取り出し孔を設けることにより、活性層で発光した光を効率よく取り出すことができる。

ＺｒＢ_２基板１００のエッチングは、ＨＦ：ＨＮＯ_３＝１：２０のエッチング液を用いて行った。エッチングマスクとして用いたＣｒマスクは、そのままｎ型電極１０８として用いる。

ＺｒＢ_２基板１００に形成された光取り出し孔は、ＺｒＢ_２基板１００の他主面（裏面）側において直径３００nmの円形であり、ＺｒＢ_２基板１００の一主面（表面）側において直径２００nmの円形である、部分円錐形状である。光取り出し孔の長さ（深さ）は、ＺｒＢ_２基板１００の厚みに相当する３００nmである。これにより、本発明の発光素子を作製する。

以上より、本発明の発光素子は、均一に効率よく発光し、単結晶基板に光が吸収されることないため、活性層で発光した光を効率よく外部に取り出すことのできる高輝度の発光素子となる。

本発明の発光素子について実施の形態の１例を示す断面図である。 従来の発光素子の１例を示す断面図である。 従来の発光素子の他例を示す断面図である。

符号の説明

１００：ＺｒＢ_２基板
１０１：ＡｌＧａＮバッファ層
１０２：ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０３：ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層
１０４：ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０５：ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０６：光反射性のｐ型電極
１０８：ｎ型電極

Claims (7)

1. 六方晶からなる単結晶基板の一主面に、化学式Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’’−ｙ’’}Ｉｎ_ｙ’’Ａｌ_ｘ’’Ｎ（ただし、０＜ｘ’’＋ｙ’’＜１、ｘ’’＞０、ｙ’’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層とを含むとともに前記順でこれらの層が積層されている半導体層が形成されており、前記単結晶基板の一部にエッチングによって前記半導体層に達して形成された貫通孔から成る光取り出し孔が形成されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記単結晶基板は、導電性を有するとともに一部に第１導電型電極が形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記単結晶基板は、ＸＢ_２（但し、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆのうちの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶基板であることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
4. 前記単結晶基板の一主面に最初に成長される窒化ガリウム系化合物半導体層が化学式Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）で表されるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の発光素子。
5. 六方晶からなる単結晶基板の一主面に、化学式Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ’’−ｙ’’}Ｉｎ_ｙ’’Ａｌ_ｘ’’Ｎ（ただし、０＜ｘ’’＋ｙ’’＜１、ｘ’’＞０、ｙ’’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層とを含むとともに前記順でこれらの層が積層されている半導体層を形成し、次に前記単結晶基板の一部にエッチングによって前記半導体層に達するように貫通孔から成る光取り出し孔を形成することを特徴とする発光素子の製造方法。
6. 前記単結晶基板の一部にエッチングによって前記半導体層に達するように貫通孔から成る光取り出し孔を形成するに際して、ＨＣｌ，Ｈ_２ＳＯ_４及びＨＮＯ_３のうちの少なくとも１種と、ＨＦ及びＮＨ_４ＨＦ_２のうちの少なくとも１種とを混合したエッチング溶液によってウェトエッチングを行うことを特徴とする請求項５記載の発光素子の製造方法。
7. 前記単結晶基板の一部にエッチングによって前記半導体層に達するように貫通孔から成る光取り出し孔を形成するに際して、ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_３Ｆ_８，ｃ−Ｃ_４Ｆ_８，Ｃ_５Ｆ_１２，ＣＨＦ_３，ＣＢｒＦ_３，ＣＣｌ_３Ｆ，ＣＣｌ_２Ｆ_２，ＣＣｌＦ_３，ＳＦ_６，ＮＦ_３及びＦ_２のうちの少なくとも１種のエッチングガスを用いたドライエッチングを行うことを特徴とする請求項５記載の発光素子の製造方法。
   
   

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