JP2008066590A - Compound semiconductor light emitting device, illumination apparatus employing the same and manufacturing method of compound semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III−V族化合物半導体などの化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法に関し、特に半導体素子としては、基板上にナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体が形成されて成るものに関する。 The present invention relates to a compound semiconductor light emitting device such as a III-V group compound semiconductor, a lighting device using the same, and a method of manufacturing the compound semiconductor device. In particular, the semiconductor device includes a nanoscale called a nanocolumn or a nanorod on a substrate. The columnar crystal structure is formed.
近年、窒化物半導体もしくは酸化物半導体で構成された発光層を有する化合物半導体発光素子が注目されている。この発光素子の構造は、一例として、サファイア基板を成長基板に用い、発光層の下部にシリコン(Si)がドーピングされたn+−GaN層から成るn−クラッド層およびコンタクト層、発光層の上部にマグネシウム(Mg)がドーピングされたp−AlxGa1−xNから成る電子ブロック層、電子ブロック層の上部にp−GaNのコンタクト層がそれぞれ形成されて構成されている。これらのいわゆるバルク結晶を用いる発光素子は、基板のサファイアと、窒化物や酸化物の半導体層との格子定数が大きく異なり、かつ基板上に薄膜として形成されるので、結晶内に非常に多くの貫通転位を含んでおり、発光素子の効率を増加させるのは困難であった。 In recent years, compound semiconductor light emitting devices having a light emitting layer composed of a nitride semiconductor or an oxide semiconductor have attracted attention. As an example of the structure of this light emitting element, an n-cladding layer and a contact layer composed of an n + -GaN layer in which a sapphire substrate is used as a growth substrate and silicon (Si) is doped below the light emitting layer, an upper portion of the light emitting layer An electron block layer made of p-Al x Ga 1-x N doped with magnesium (Mg) and a p-GaN contact layer on the electron block layer are formed. In these light-emitting elements using so-called bulk crystals, the lattice constants of the sapphire substrate and the nitride or oxide semiconductor layer are greatly different and are formed as a thin film on the substrate. Since threading dislocations are included, it is difficult to increase the efficiency of the light emitting element.
そこで、このような問題を解決する手法の従来例として、特許文献1が知られている。この従来例では、サファイア基板上に、n型GaNバッファ層を形成した後、アレイ状に配列された多数の前記柱状結晶構造体(ナノコラム)を形成しており、そのGaNナノコラム間に透明絶縁物層を埋め込み、透明電極および電極パッドが成膜されて構成されている。特にGaNナノコラムは、n型GaNナノコラム、InGaN量子井戸、p型GaNナノコラムから構成されている。このナノコラムを用いれば、前述のバルク結晶が有する貫通転位をほとんど無くすまでに低減することができ、前記貫通転位による非発光再結合が減少して、発光効率を向上することができる。
上述の従来技術では、成長基板にサファイアを用いている。サファイア基板は絶縁体であるので、各ナノコラム1本1本に電流を流すためには、導電性を有する前記n型GaNバッファ層を形成する必要があり、かつそのn型GaNバッファ層上の一部分の柱状結晶構造体を取除き、電極を形成しなくてはならない。このため、素子のスペースの一部分が電極に占有されて有効に活用できなくなるとともに、リソグラフィからエッチング、蒸着と、電極形成プロセスが複雑であるという問題がある。また、サファイア基板は放熱性が悪く、注入電流を多くした場合、発熱によって出力が低下するとともに、前記電極から電流はn型GaNバッファ層の面方向に流れることになり、電極から遠い柱状結晶構造体では、シート抵抗によって注入電流が減少するという問題もある。 In the prior art described above, sapphire is used as the growth substrate. Since the sapphire substrate is an insulator, it is necessary to form the n-type GaN buffer layer having conductivity in order to pass a current through each nanocolumn, and a part of the n-type GaN buffer layer. The columnar crystal structure must be removed to form an electrode. For this reason, a part of the element space is occupied by the electrodes and cannot be effectively used, and there is a problem in that the electrode formation process is complicated from lithography to etching and vapor deposition. Also, the sapphire substrate has poor heat dissipation, and when the injection current is increased, the output decreases due to heat generation, and the current flows from the electrode in the plane direction of the n-type GaN buffer layer, and the columnar crystal structure far from the electrode In the body, there is also a problem that the injection current decreases due to the sheet resistance.
本発明の目的は、基板の導電性、放熱性、吸収波長を考慮すること無く、簡便な手法を用いて効率良く光を取出すことができる化合物半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに化合物半導体素子の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a compound semiconductor light-emitting element capable of efficiently extracting light using a simple method without considering the conductivity, heat dissipation, and absorption wavelength of the substrate, an illumination device using the compound semiconductor light-emitting element, and the compound semiconductor element It is to provide a manufacturing method.
本発明の化合物半導体発光素子は、成長基板上に、n型化合物半導体層と、発光層と、p型化合物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有して成る化合物半導体発光素子において、前記p型化合物半導体層上に形成されるp型電極と、前記p型電極上に接合される支持基板と、前記成長基板に代わる透明なn型電極とを含むことを特徴とする。 The compound semiconductor light-emitting device of the present invention is a compound semiconductor light-emitting device comprising a plurality of columnar crystal structures in which an n-type compound semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type compound semiconductor layer are sequentially stacked on a growth substrate. And a p-type electrode formed on the p-type compound semiconductor layer, a support substrate bonded on the p-type electrode, and a transparent n-type electrode instead of the growth substrate.
また、本発明の化合物半導体発光素子の製造方法は、成長基板上に、n型化合物半導体層と、発光層と、p型化合物半導体層とを順に積層した柱状結晶構造体を複数有して成る化合物半導体発光素子の製造方法において、前記p型化合物半導体層上にp型電極を形成する工程と、前記p型電極上に支持基板を設ける工程と、前記成長基板を除去する工程と、露出した前記n型化合物半導体層の端面に透光性を有するn型電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。 The method for producing a compound semiconductor light-emitting device of the present invention includes a plurality of columnar crystal structures in which an n-type compound semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type compound semiconductor layer are sequentially stacked on a growth substrate. In the method for manufacturing a compound semiconductor light emitting device, a step of forming a p-type electrode on the p-type compound semiconductor layer, a step of providing a support substrate on the p-type electrode, a step of removing the growth substrate, and exposing Forming a translucent n-type electrode on an end face of the n-type compound semiconductor layer.
上記の構成によれば、成長基板上に、n型化合物半導体層と、発光層と、p型化合物半導体層とを順に積層して成り、ナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体を複数有して成る化合物半導体発光素子において、前記柱状結晶構造体を形成させるための基台となる前記成長基板上に、その柱状結晶構造体を成長させ、前記p型化合物半導体層上にp型電極を形成した後に、そのp型電極上に支持基板を接合して前記柱状結晶構造体を支持し、代りに前記成長基板を除去し、前記発光層から放射される光の波長に対して透光性を有するn型電極を前記n型化合物半導体層に接合する。すなわち、柱状結晶構造体を支持基板に支持させ、従来は成長基板が位置していたn型化合物半導体層の発光層とは反対側の面には、成長基板を除去し、透明なn型電極を直接取付ける。 According to the above configuration, an n-type compound semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type compound semiconductor layer are sequentially stacked on a growth substrate, and a nanoscale columnar crystal structure called a nanocolumn or nanorod is formed. In a compound semiconductor light emitting device having a plurality of bodies, the columnar crystal structure is grown on the growth substrate serving as a base for forming the columnar crystal structure, and is formed on the p-type compound semiconductor layer. After forming the p-type electrode, a support substrate is bonded onto the p-type electrode to support the columnar crystal structure, and instead, the growth substrate is removed, with respect to the wavelength of light emitted from the light emitting layer. An n-type electrode having translucency is bonded to the n-type compound semiconductor layer. That is, the columnar crystal structure is supported on a support substrate, and the growth substrate is removed from the surface opposite to the light emitting layer of the n-type compound semiconductor layer where the growth substrate is conventionally positioned, and a transparent n-type electrode Install directly.
したがって、n型化合物半導体層およびp型化合物半導体層に直接n型電極およびp型電極がそれぞれ形成されているので、基板の導電性、放熱性、吸収波長を考慮する必要が無く、簡便な手法を用いて効率良く光を取出すことができる。具体的には、先ずn型電極側から光取出しが行われることで、p型電極側は透光性に形成する必要は無くなる。これによって、前記柱状結晶構造体において前記発光層が前記成長基板から比較的遠い方に形成され、すなわちn型化合物半導体層がp型化合物半導体層よりも厚く(高く)形成されても、前記発光層に近いp型電極側に放熱手段を設けることができ(たとえば、前記支持基板自体を放熱手段とする)、柱状結晶構造体を複数有して成る化合物半導体発光素子の特徴である発光効率の高さを充分活かすことができる(柱状結晶構造体に大きな電流を注入することができる)。 Therefore, since the n-type electrode and the p-type electrode are directly formed on the n-type compound semiconductor layer and the p-type compound semiconductor layer, respectively, there is no need to consider the conductivity, heat dissipation, and absorption wavelength of the substrate. Can be used to efficiently extract light. Specifically, light extraction is first performed from the n-type electrode side, so that it is not necessary to form the p-type electrode side to be translucent. Thus, even if the light emitting layer is formed relatively far from the growth substrate in the columnar crystal structure, that is, even if the n-type compound semiconductor layer is formed thicker (higher) than the p-type compound semiconductor layer, the light emission The heat dissipation means can be provided on the p-type electrode side close to the layer (for example, the support substrate itself is used as the heat dissipation means), and the light emission efficiency characteristic of the compound semiconductor light emitting element having a plurality of columnar crystal structures is provided. The height can be fully utilized (a large current can be injected into the columnar crystal structure).
次に、一部の柱状結晶構造体を除去してn型電極を作成する必要はなく、素子全面を発光に使用することができるとともに、各柱状結晶構造体に効率良く均等に電流を注入することができる。さらにまた、前記成長基板には、たとえば安い材料で、上に成長される化合物半導体層と格子定数が近い等、成長に好都合なSiなどの材料を使用することができ、低コストで良質な柱状結晶構造体を得ることができる。 Next, it is not necessary to remove some columnar crystal structures to form an n-type electrode, and the entire surface of the device can be used for light emission, and current is efficiently and uniformly injected into each columnar crystal structure. be able to. Furthermore, for the growth substrate, for example, a material such as Si, which is convenient for growth, such as a cheap material and a lattice constant close to that of the compound semiconductor layer to be grown thereon, can be used. A crystal structure can be obtained.
さらにまた、本発明の化合物半導体発光素子は、前記p型電極上に、前記発光層から放射された光を反射する反射層をさらに備えることを特徴とする。 Furthermore, the compound semiconductor light-emitting element of the present invention further includes a reflective layer that reflects the light emitted from the light-emitting layer on the p-type electrode.
上記の構成によれば、p型電極側への漏光を無くし(支持基板で光が吸収されなくし)、光取出し効率を一層向上することができるとともに、その反射層による反射角を制御することで、前記n型電極側から放射される光の一部を制御し、取出したい方向に光を集めることができる。 According to the above configuration, light leakage to the p-type electrode side is eliminated (light is not absorbed by the support substrate), the light extraction efficiency can be further improved, and the reflection angle by the reflective layer can be controlled. By controlling a part of the light emitted from the n-type electrode side, it is possible to collect the light in the desired direction.
また、本発明の化合物半導体発光素子では、前記反射膜は、金属から成ることを特徴とする。 In the compound semiconductor light emitting device of the present invention, the reflective film is made of metal.
上記の構成によれば、前記反射膜が金属であることで、比較的高い反射率を容易に得ることができる。 According to said structure, a comparatively high reflectance can be obtained easily because the said reflecting film is a metal.
さらにまた、本発明の化合物半導体発光素子では、前記反射膜は、屈折率の異なる膜を複数層繰返し積層させた多層膜であることを特徴とする。 Furthermore, in the compound semiconductor light emitting device of the present invention, the reflective film is a multilayer film in which a plurality of films having different refractive indexes are repeatedly laminated.
上記の構成によれば、高い反射率の反射鏡を形成することができ、より高効率な発光素子を実現することができる。 According to said structure, a reflective mirror with a high reflectance can be formed, and a more efficient light emitting element can be implement | achieved.
また、本発明の化合物半導体発光素子では、前記支持基板は、ヒートシンクを兼ねることを特徴とする。 In the compound semiconductor light emitting device of the present invention, the support substrate also serves as a heat sink.
上記の構成によれば、柱状結晶構造体において発光層に近いp型電極の裏面に設けられる支持基板自体を放熱手段とすることで、より放熱効果を高めることができ、好ましくはさらにp型電極とオーミックコンタクトを取ることができる導電性を備えたものとすることで、より注入電流を増加することができる。 According to the above configuration, by using the support substrate itself provided on the back surface of the p-type electrode close to the light emitting layer in the columnar crystal structure as the heat dissipation means, the heat dissipation effect can be further enhanced, and preferably the p-type electrode In other words, it is possible to increase the injection current by providing conductivity that can make ohmic contact.
さらにまた、本発明の照明装置は、前記の化合物半導体発光素子を用いることを特徴とする。 Furthermore, the lighting device of the present invention is characterized by using the compound semiconductor light emitting element.
上記の構成によれば、発光効率の高い照明装置を実現することができる。 According to said structure, an illuminating device with high luminous efficiency is realizable.
本発明の化合物半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、成長基板上に、n型化合物半導体層と、発光層と、p型化合物半導体層とを順に積層して成り、ナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体を複数有して成る化合物半導体発光素子およびその製造方法において、前記柱状結晶構造体を形成させるための基台となる前記成長基板上に、その柱状結晶構造体を成長させ、前記p型化合物半導体層上にp型電極を形成した後に、そのp型電極上に支持基板を接合して前記柱状結晶構造体を支持し、代りに前記成長基板を除去し、前記発光層から放射される光の波長に対して透光性を有するn型電極を前記n型化合物半導体層に接合する。 As described above, the compound semiconductor light-emitting device and the manufacturing method thereof according to the present invention are formed by sequentially stacking an n-type compound semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type compound semiconductor layer on a growth substrate. In a compound semiconductor light-emitting device having a plurality of nanoscale columnar crystal structures referred to as above and a method for manufacturing the same, the columnar crystal structure is formed on the growth substrate serving as a base for forming the columnar crystal structures. After growing a crystal structure and forming a p-type electrode on the p-type compound semiconductor layer, a support substrate is bonded onto the p-type electrode to support the columnar crystal structure, and instead the growth substrate is The n-type electrode which removes and has translucency with respect to the wavelength of the light radiated | emitted from the said light emitting layer is joined to the said n-type compound semiconductor layer.
それゆえ、n型化合物半導体層およびp型化合物半導体層に直接n型電極およびp型電極がそれぞれ形成されているので、基板の導電性、放熱性、吸収波長を考慮する必要が無く、簡便な手法を用いて効率良く光を取出すことができる。具体的には、先ずn型電極側から光取出しが行われることで、p型電極側は透光性に形成する必要は無くなる。これによって、前記柱状結晶構造体において前記発光層が前記成長基板から比較的遠い方に形成され、すなわちn型化合物半導体層がp型化合物半導体層よりも厚く(高く)形成されても、前記発光層に近いp型電極側に放熱手段を設けることができ(たとえば、前記支持基板自体を放熱手段とする)、柱状結晶構造体を複数有して成る化合物半導体発光素子の特徴である発光効率の高さを充分活かすことができる(柱状結晶構造体に大きな電流を注入することができる)。 Therefore, since the n-type electrode and the p-type electrode are directly formed on the n-type compound semiconductor layer and the p-type compound semiconductor layer, respectively, there is no need to consider the conductivity, heat dissipation, and absorption wavelength of the substrate. The light can be extracted efficiently using the method. Specifically, light extraction is first performed from the n-type electrode side, so that it is not necessary to form the p-type electrode side to be translucent. Thus, even if the light emitting layer is formed relatively far from the growth substrate in the columnar crystal structure, that is, even if the n-type compound semiconductor layer is formed thicker (higher) than the p-type compound semiconductor layer, the light emission The heat dissipation means can be provided on the p-type electrode side close to the layer (for example, the support substrate itself is used as the heat dissipation means), and the light emission efficiency characteristic of the compound semiconductor light emitting element having a plurality of columnar crystal structures is provided. The height can be fully utilized (a large current can be injected into the columnar crystal structure).
次に、一部の柱状結晶構造体を除去してn型電極を作成する必要はなく、素子全面を発光に使用することができるとともに、各柱状結晶構造体に効率良く均等に電流を注入することができる。さらにまた、前記成長基板には、たとえば安い材料で、上に成長される化合物半導体層と格子定数が近い等、成長に好都合なSiなどの材料を使用することができ、低コストで良質な柱状結晶構造体を得ることができる。 Next, it is not necessary to remove some columnar crystal structures to form an n-type electrode, and the entire surface of the device can be used for light emission, and current is efficiently and uniformly injected into each columnar crystal structure. be able to. Furthermore, for the growth substrate, for example, a material such as Si, which is convenient for growth, such as a cheap material and a lattice constant close to that of the compound semiconductor layer to be grown thereon, can be used. A crystal structure can be obtained.
さらにまた、本発明の化合物半導体発光素子は、以上のように、前記p型電極上に、前記発光層から放射された光を反射する反射層をさらに設ける。 Furthermore, as described above, the compound semiconductor light emitting device of the present invention further includes a reflective layer that reflects the light emitted from the light emitting layer on the p-type electrode.
それゆえ、p型電極側への漏光を無くし(支持基板で光が吸収されなくし)、光取出し効率を一層向上することができるとともに、その反射層による反射角を制御することで、前記n型電極側から放射される光の一部を制御し、取出したい方向に光を集めることができる。 Therefore, light leakage to the p-type electrode side is eliminated (light is not absorbed by the support substrate), the light extraction efficiency can be further improved, and the reflection angle by the reflective layer is controlled, whereby the n-type A part of the light emitted from the electrode side can be controlled, and the light can be collected in the desired direction.
また、本発明の化合物半導体発光素子は、以上のように、前記反射膜を金属とする。 In the compound semiconductor light emitting device of the present invention, the reflective film is made of metal as described above.
それゆえ、比較的高い反射率を容易に得ることができる。 Therefore, a relatively high reflectance can be easily obtained.
さらにまた、本発明の化合物半導体発光素子は、以上のように、前記反射膜を、屈折率の異なる膜を複数層繰返し積層させた多層膜とする。 Furthermore, in the compound semiconductor light emitting device of the present invention, as described above, the reflective film is a multilayer film in which a plurality of films having different refractive indexes are repeatedly laminated.
それゆえ、高い反射率の反射鏡を形成することができ、より高効率な発光素子を実現することができる。 Therefore, a reflecting mirror having a high reflectance can be formed, and a more efficient light emitting element can be realized.
また、本発明の化合物半導体発光素子は、以上のように、前記支持基板がヒートシンクとしての機能を有する。 In the compound semiconductor light emitting device of the present invention, as described above, the support substrate functions as a heat sink.
それゆえ、柱状結晶構造体において発光層に近いp型電極の裏面に設けられる支持基板自体を放熱手段とすることで、より放熱効果を高めることができ、好ましくはさらにp型電極とオーミックコンタクトを取ることができる導電性を備えたものとすることで、より注入電流を増加することができる。 Therefore, by using the support substrate itself provided on the back surface of the p-type electrode close to the light emitting layer in the columnar crystal structure as a heat dissipation means, the heat dissipation effect can be further enhanced, and preferably the ohmic contact with the p-type electrode is further improved. By providing conductivity that can be obtained, the injection current can be further increased.
さらにまた、本発明の照明装置は、以上のように、前記の化合物半導体発光素子を用いる。 Furthermore, the lighting device of the present invention uses the compound semiconductor light emitting element as described above.
それゆえ、発光効率の高い照明装置を実現することができる。 Therefore, a lighting device with high luminous efficiency can be realized.
図1〜4は、本発明の実施の一形態に係る化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、自己形成的に窒化物ナノコラムを形成するが、ナノコラムの形成方法は限定されるものではない。たとえば、フォトリソグラフィ技術を用いて基板表面に開口部を設けて、窒化物ナノコラムを形成してもよい。また、本実施の形態では、ナノコラムの成長は、有機金属気相成長(MOCVD)によって行うことを前提としているが、ナノコラムの成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー(MBE)やハイドライド気相成長(HVPE)等の装置を用いてもナノコラムが作製可能であることは公知である。以下、特に断らない限り、MOCVD装置を用いるものとする。また、本実施の形態では、成長基板1としてSiを用いているが、Al2O3、SiC、SiO2、ZnO、AlN等の他の基板が用いられてもよい。 1 to 4 are cross-sectional views schematically showing a manufacturing process of a light-emitting diode that is a compound semiconductor light-emitting element according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, nitride nanocolumns are formed in a self-forming manner, but the method for forming the nanocolumns is not limited. For example, a nitride nanocolumn may be formed by providing an opening on the substrate surface using a photolithography technique. In this embodiment, it is assumed that nanocolumn growth is performed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). However, the nanocolumn growth method is not limited to this, and molecular beam epitaxy (MBE). It is well known that nanocolumns can be produced even using an apparatus such as hydride vapor phase epitaxy (HVPE). Hereinafter, an MOCVD apparatus is used unless otherwise specified. In the present embodiment, Si is used as the growth substrate 1, but other substrates such as Al 2 O 3 , SiC, SiO 2 , ZnO, and AlN may be used.
先ず、前記の成長基板1を前記MOCVD装置内に導入し、反応路炉内の圧力を76Torrとした後、1200℃で10分間、前記成長基板1の表面をクリーニングする。続いて、ナノコラム2を形成させるための核を成長する。それには、基板温度を通常の成長温度より低い500℃まで下げ、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を20SCCM、窒素原料としてアンモニア(NH3)を2SLMそれぞれ供給することで、低温AlN緩衝層3を25nm成長する。この低温AlN緩衝層3が、前記ナノコラム2を成長させるための核となる。 First, the growth substrate 1 is introduced into the MOCVD apparatus, the pressure in the reaction path furnace is set to 76 Torr, and then the surface of the growth substrate 1 is cleaned at 1200 ° C. for 10 minutes. Subsequently, a nucleus for forming the nanocolumn 2 is grown. For this purpose, the substrate temperature is lowered to 500 ° C., which is lower than the normal growth temperature, and trimethylaluminum (TMAl) is supplied as 20 SCCM as the Al material and ammonia (NH 3 ) is supplied as 2 SLM as the nitrogen material. Grows 25 nm. This low-temperature AlN buffer layer 3 serves as a nucleus for growing the nanocolumns 2.
次に、ナノコラムn型半導体層4としてn型GaNを2〜3μm形成する。それには、反応炉内の圧力を76Torrに保ったまま、基板温度を1150℃まで上げ、Ga原料としてトリメチルガリウム(TMGa)を20SCCM、窒素原料として前記アンモニア(NH3)を3SLMそれぞれ供給し、温度が安定した後、n型ドーパントとなるSiの原料としてテトラエチルシラン(TESi)を0.03SCCM供給する。n伝導を得るためのドーパントとしてSiを用いたが、限定されるものではなく、たとえばGeでもよい。こうして、n型伝導性を有する前記ナノコラムn型半導体層4を形成することができる。 Next, 2 to 3 μm of n-type GaN is formed as the nanocolumn n-type semiconductor layer 4. For this purpose, while maintaining the pressure in the reactor at 76 Torr, the substrate temperature is increased to 1150 ° C., trimethylgallium (TMGa) is supplied as 20 SCCM as a Ga source, and ammonia (NH 3 ) is supplied as 3 SLM as a nitrogen source. Then, 0.03 SCCM of tetraethylsilane (TESi) is supplied as a raw material of Si that becomes an n-type dopant. Si is used as a dopant for obtaining n-conduction, but the dopant is not limited, and Ge may be used, for example. Thus, the nanocolumn n-type semiconductor layer 4 having n-type conductivity can be formed.
続いて、ナノコラム発光層5を形成する。このナノコラム発光層5は、量子井戸構造となっており、井戸層(InGaN)および障壁層(GaN)で構成される。さらに、複数の井戸を有する多重量子井戸構造(MQW)とした。井戸層および障壁層のIn組成は、17%および0%であり、厚さはそれぞれ2nmおよび5nmとした。このときの基板温度は750℃、反応炉内圧力は76Torrで、前記Ga原料のトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)およびN原料のアンモニア(NH3)と共に、In原料のトリメチルインジウム(TMI)を供給する。こうして、多重量子井戸から成る前記ナノコラム発光層5を形成することができる。 Subsequently, the nanocolumn light emitting layer 5 is formed. The nanocolumn light-emitting layer 5 has a quantum well structure, and includes a well layer (InGaN) and a barrier layer (GaN). Furthermore, it was set as the multiple quantum well structure (MQW) which has several wells. The In composition of the well layer and the barrier layer was 17% and 0%, and the thicknesses were 2 nm and 5 nm, respectively. At this time, the substrate temperature is 750 ° C., the pressure in the reactor is 76 Torr, and trimethylindium (TMI) of In source together with trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ) of Ga source and ammonia (NH 3 ) of N source. Supply. In this way, the nanocolumn light emitting layer 5 composed of multiple quantum wells can be formed.
続いて、ナノコラムp型半導体層6としてp型GaNを120nm形成する。ここでは、ナノコラム2の径を徐々に太くしてゆき、隣接するナノコラムと結合させる。径を大きくするのは、アンモニア(NH3)の流量を減らすことで行うことができ、たとえばナノコラムn型半導体層4やナノコラム発光層5の成長時の半分の1.5SLMで行うことができる。また、p型伝導を得るためのドーパントとしてMgを用い、その原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を20SCCM供給する。こうして、前記ナノコラムp型半導体層6を形成することができ、図1で示すようになる。
Subsequently, 120 nm of p-type GaN is formed as the nanocolumn p-
注目すべきは、本実施の形態では、上述のようにして作成されたナノコラム半導体に電極を取付けるにあたって、成長基板1側を光取出し面とし、そのため図2で示すように、ナノコラムp型半導体層6上にp型電極7および金属反射層8を順に積層した後、さらに支持基板9を取付けることである。たとえば、前記p型電極7にはNiを、金属反射層8にはAlを用い、それぞれ、たとえば20Åおよび1000Åの厚さに蒸着する。Niは反射率が低い材料であるが、膜厚を薄くすることで吸収を少なく(反射を多く)することができる。蒸着をする真空度は、たとえば6×10−6Torrである。
It should be noted that in this embodiment, when attaching an electrode to the nanocolumn semiconductor produced as described above, the growth substrate 1 side is used as a light extraction surface, and as shown in FIG. After the p-
また、前記支持基板9には、前記p型電極7とオーミックコンタクトを取ることができ、しかもヒートシンクとしての機能を発揮することができる、たとえばCuWを用いることができる。このCuWと前記金属反射層8とは、たとえばAuSnを用いて接合を行うことができる。すなわち、AuSnを載せたCuW上に、ナノコラム半導体の前記金属反射層8側を合わさるように搭載した後、ヒータによって300℃に加熱を行い、冷却することで、前記支持基板9であるCuW上にナノコラム半導体を取付けることができる。
The
その後、また注目すべきは、本実施の形態では、前記成長基板1を除去した後、n型電極10を形成することである。ここで、SiはKOH中で高速にエッチングすることができるのに対して、ナノコラム2は結晶内に貫通転位をほとんど含んでいないために、エッチングされない。そこで、前記KOHを入れた容器を70℃に加熱し、その中に前記支持基板9に支持されたナノコラム2から成長基板1を浸漬することで、図3で示すように、該成長基板1を除去することができる。
After that, it should be noted that in the present embodiment, after the growth substrate 1 is removed, the n-
これによって露出したナノコラムn型半導体層4上に、真空蒸着装置にて、図4で示すように、ITOから成る透明n型電極10を100nm形成する。このとき、前記ナノコラムn型半導体層4は2〜3μmの高さで形成されており、林立するナノコラム2間に蒸着金属が入り込み、該ナノコラムn型半導体層4とナノコラムp型半導体層6との間を短絡してしまうことはない。その後、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて前記n型電極10上にパターン状に開口部を設け、さらに真空蒸着装置にてAuを蒸着し、その後レジストを除去することで、パターン状にAuパッド11を設けることができる。
On the exposed nanocolumn n-type semiconductor layer 4, as shown in FIG. 4, a transparent n-
以上のように、本実施の形態の発光ダイオードでは、成長基板1上に、ナノコラムn型半導体層4、ナノコラム発光層5およびナノコラムp型半導体層6を順に積層して成るナノコラム2が多数林立されて成る発光ダイオードにおいて、前記ナノコラム2を成長させるための基台となる前記成長基板1上に、そのナノコラム2を成長させ、前記ナノコラムp型半導体層6上にp型電極7を形成した後に、そのp型電極7上に支持基板9を接合して前記ナノコラム2を支持し、代りに前記成長基板1を除去し、前記ナノコラム発光層5から放射される光の波長に対して透光性を有するn型電極10を前記ナノコラムn型半導体層4に接合するので、ナノコラムn型半導体層4およびナノコラムp型半導体層6に直接n型電極10およびp型電極7がそれぞれ形成されることになり、基板の導電性、放熱性、吸収波長を考慮する必要が無く、簡便な手法を用いて効率良く光を取出すことができる。
As described above, in the light emitting diode according to the present embodiment, a large number of nanocolumns 2 in which the nanocolumn n-type semiconductor layer 4, the nanocolumn light emitting layer 5, and the nanocolumn p-
具体的には、先ずn型電極10側から光取出しが行われることで、p型電極7側は透光性に形成する必要は無くなる。これによって、前記ナノコラム2において前記ナノコラム発光層5が前記成長基板1から比較的遠い方に形成され、すなわちナノコラムn型半導体層4がナノコラムp型半導体層6よりも厚く(高く)形成されても、前記ナノコラム発光層5に近いp型電極7側に、放熱手段として前記支持基板9が設けられるので、ナノコラム2に大きな電流を注入することができ、該ナノコラム2を多数有する発光ダイオードの発光効率の高さを充分活かすことができる。また、一部のナノコラムを除去してn型電極を作成する必要はなく、素子全面を発光に使用することができるとともに、各ナノコラム2に効率良く均等に電流を注入することができる。さらにまた、前記成長基板1には、たとえば安い材料で、上に成長されるナノコラム2と格子定数が近い等、成長に好都合な前記Siなどの材料を使用することができ、低コストで良質なナノコラム2を得ることができる。
Specifically, first, light extraction is performed from the n-
また、本実施の形態の発光ダイオードは、以上のように、ナノコラム2において、ナノコラム発光層5に近いp型電極7の裏面に設けられる支持基板9自体がヒートシンクとしての機能を有することで、より放熱効果を高めることができ、さらに該支持基板9が前述のようにCuWから成ることで、p型電極7とオーミックコンタクトを取ることができ、より注入電流を増加することができる。
Further, as described above, in the light emitting diode of the present embodiment, the
さらにまた、本実施の形態の発光ダイオードは、以上のように、前記p型電極7上に、前記ナノコラム発光層5から放射された光を反射する金属反射層8をさらに有するので、p型電極7側への漏光を無くし(支持基板9で光が吸収されなくし)、光取出し効率を一層向上することができるとともに、その金属反射層8による反射角を制御することで、前記n型電極10側から放射される光の一部を制御し、取出したい方向に光を集めることができる。また、反射膜が前記金属反射膜8であるので、比較的高い反射率を容易に得ることもできる。さらにまた、好ましくは前記金属反射膜8を、屈折率の異なる膜を複数層繰返し積層させた多層膜とすることで、高い反射率の反射鏡を形成することができ、より高効率な発光ダイオードを実現することができる。
Furthermore, as described above, the light-emitting diode of the present embodiment further includes the
上述のように構成される発光ダイオードを照明装置に用いることで、発光効率の高い照明装置を実現することができ、好適である。 By using the light-emitting diode configured as described above for the lighting device, a lighting device with high luminous efficiency can be realized, which is preferable.
上述の実施の形態は、窒化物半導体(GaN)を例にして説明しているけれども、本発明は、酸化物半導体にも適用することができる。酸化物半導体であるZnOは、発光素子として非常に優れた特性を有している。励起子の結合エネルギーが60meVと、GaNの2〜3倍であり、内部量子効率がGaNに比べて高くなる可能性がある上、屈折率は2であり、GaNの屈折率2.5に比べて小さく、光取出しの点で圧倒的に有利である。また、材料自身が安価であることも商業ベースで考えると魅力的である。したがって、上述の実施の形態は、窒化物半導体であるGaN系ナノコラムについて述べているが、結晶構造上、よく似ている酸化物半導体であるZnOについても、全く同じ構造の半導体発光素子を、同様に作製することができる。詳述すれば、以下のとおりである。 Although the above embodiment has been described using a nitride semiconductor (GaN) as an example, the present invention can also be applied to an oxide semiconductor. ZnO which is an oxide semiconductor has extremely excellent characteristics as a light-emitting element. The exciton binding energy is 60 meV, 2 to 3 times that of GaN, the internal quantum efficiency may be higher than that of GaN, and the refractive index is 2, which is higher than the refractive index of GaN of 2.5. It is extremely small and overwhelmingly advantageous in terms of light extraction. Moreover, it is also attractive from a commercial basis that the material itself is inexpensive. Therefore, although the above-described embodiment describes a GaN-based nanocolumn that is a nitride semiconductor, a semiconductor light-emitting element having exactly the same structure is similarly applied to ZnO that is an oxide semiconductor that is similar in crystal structure. Can be produced. The details are as follows.
GaNとZnOとは、共に六方晶系の結晶構造を持ち、結晶の格子定数も近い。バンドギャップもGaNの3.4eVに対して、ZnOは3.3eVと、これもまた近い。両方とも直接遷移型半導体である。したがってGaNでナノコラムが形成されるのであれば、ZnOでもナノコラムが形成できる。一例として、文献1では、MOCVDを用いて、サファイア基板上にZnOのナノコラム(同文献ではナノロッドと呼んでいる)を形成している。(文献1:W.l.Park, Y.H. Jun, S.W.Jung and Gyu-Chul Yi Appl. Phys.Lett. 964(2003))。 Both GaN and ZnO have a hexagonal crystal structure, and the lattice constants of the crystals are close. The band gap is also 3.4 eV for GaN, and 3.3 eV for ZnO, which is also close. Both are direct transition semiconductors. Therefore, if a nanocolumn is formed of GaN, a nanocolumn can be formed of ZnO. As an example, in Literature 1, ZnO nanocolumns (called nanorods in the literature) are formed on a sapphire substrate using MOCVD. (Reference 1: W. l. Park, Y. H. Jun, S. W. Jung and Gyu-Chul Yi Appl. Phys. Lett. 964 (2003)).
1 成長基板
2 ナノコラム
3 低温AlN緩衝層
4 ナノコラムn型半導体層
5 ナノコラム発光層
6 ナノコラムp型半導体層
7 p型電極
8 金属反射層
9 支持基板
10 n型電極
11 Auパッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Growth substrate 2 Nanocolumn 3 Low temperature AlN buffer layer 4 Nanocolumn n-type semiconductor layer 5 Nanocolumn
Claims (7)
前記p型化合物半導体層上に形成されるp型電極と、
前記p型電極上に接合される支持基板と、
前記成長基板に代わる透明なn型電極とを含むことを特徴とする化合物半導体発光素子。 In a compound semiconductor light-emitting device comprising a plurality of columnar crystal structures in which an n-type compound semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type compound semiconductor layer are sequentially stacked on a growth substrate,
A p-type electrode formed on the p-type compound semiconductor layer;
A support substrate bonded on the p-type electrode;
A compound semiconductor light emitting device comprising a transparent n-type electrode instead of the growth substrate.
前記p型化合物半導体層上にp型電極を形成する工程と、
前記p型電極上に支持基板を設ける工程と、
前記成長基板を除去する工程と、
露出した前記n型化合物半導体層の端面に透光性を有するn型電極を形成する工程とを含むことを特徴とする化合物半導体発光素子の製造方法。 In a method for manufacturing a compound semiconductor light-emitting element comprising a plurality of columnar crystal structures in which an n-type compound semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type compound semiconductor layer are sequentially stacked on a growth substrate,
Forming a p-type electrode on the p-type compound semiconductor layer;
Providing a support substrate on the p-type electrode;
Removing the growth substrate;
Forming a light-transmitting n-type electrode on the exposed end surface of the n-type compound semiconductor layer.
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