JP5037169B2 - 窒化物系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子に係り、より詳しくは、光抽出効率が向上するように、その構造の改善された窒化物系半導体発光素子、及びその製造方法に関する。

発光素子（ＬＥＤ： Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、化合物半導体の特性を用い、電気エネルギーを赤外線、可視光線または光の形態でもって発振することに使用される素子である。ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は、直接遷移型半導体であり、他の半導体を用いた素子より高温で安定した動作を得ることができ、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）のような発光素子に広く応用されている。かようなＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は、一般的にサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）またはＳｉＣを基板として用い、その上に形成されることが一般的である。ＬＥＤの発光効率は、内部量子効率（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）と光抽出効率（光取り出し効率；ｌｉｇｈｔ−ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）とによって決定され、発光効率を向上させるための方法の一つとして、光抽出効率を向上させるための多様な構造の発光ダイオードに関する研究が進められている。

図１Ａ及び図１Ｂは、相異なる屈折率を有する物質層が形成される界面構造による光路差を示す図面である。図１Ａは、平坦な構造の界面を示し、図１Ｂは、凹凸構造の界面を示す。

図１Ａを参照すれば、大きい屈折率を有する第１の物質層２から、それより小さい屈折率（ｎ＝１）を有した空気層４に光が進む場合、前記光が所定角度以上に平坦な界面８ａに入射されなければならない。前記光が所定角度以下で入射される場合、平坦な界面８ａで全反射され、光抽出効率が大きく低下してしまう。従って、光抽出効率の低下を防止するために、界面の構造を非平坦化する方法が試された。

図１Ｂを参照すれば、第１の物質層２と空気層４との間に、平坦ではない凹凸構造の界面８ｂを形成することにより、前記第１の物質層２から空気層４に入射する光が前記凹凸界面８Ｂで所定角度以上の入射角を維持できる。その結果、前記平坦界面８ａよりも凹凸界面８ｂで光抽出効率が大きく向上しうる。

従来の窒化物系化合物半導体ＬＥＤは、基板上に順次にｎ−クラッド層、活性層及びｐ−クラッド層を形成する段階、前記ｐ−クラッド層上面の一部領域から前記ｎ−クラッド層の所定深さまでエッチングしてｎ−コンタクト面を形成する段階、前記ｎ−コンタクト面上にｎ−電極を形成する段階、及びｐ−コンタクト層面上にｐ−電極を形成する段階のような工程を段階的に経て製造された。窒化物系化合物半導体物質は、空気層（ｎ＝１）より高い屈折率（例えば、ＧａＮ屈折率ｎ＝２．５４である。）を有するため、従来のＬＥＤ構造の場合、活性層で発生した光が平坦なＧａＮ面を通過して外部に抽出されて出にくい短所を有しており、その結果、光抽出効率が高くないという問題があった。かような問題を改善するため、従来のｐ−コンタクト層またはｎ−コンタクト層の表面に、凹凸構造を形成する方法が提案された。また、特許文献１は、ｐ−型及びｎ−型電極層の形成されていない非電極面に凹凸構造を形成する方法を開示した。しかしながら、前記解決方法は、それぞれの凹凸面をｐ−コンタクト層表面に金属ドットマスクを蒸着して湿式エッチングして形成するか、あるいはｎ−クラッド層を乾式エッチングしてｎ−コンタクト層を形成し、前記ｎ−コンタクト層の表面を湿式エッチングして形成するか、あるいは非電極面への追加的なリソグラフィ工程と乾式エッチング工程とによって形成するため、追加的な多くの工程が要求される。また、前記の３つの構造を同時に具現するためには、前述の工程を全て行わなければならないということで、工程が非常に複雑になりうる。また、従来技術では、凹凸構造を形成するためには、半導体発光素子の構造に形成する工程を進めた後、別途の化学的エッチング工程を実施しなければならないため、その製造工程が複雑になり、生産効率が落ちるという問題があった。
特開２００４−２２１５２９号公報

本発明の技術的課題は、光抽出効率が向上しうるように、その構造の改善された窒化物系半導体発光素子、及びその製造方法を提供するところにある。

前記技術的課題を達成するために、本発明による窒化物系半導体発光素子の製造方法は、基板上に順次にｎ−クラッド層、活性層及びｐ−クラッド層を形成する段階と、前記ｐ−クラッド層の上面に多数のマスキング・ドット（ｍａｓｋｉｎｇ ｄｏｔ）を形成する段階と、前記マスキング・ドットを回避し、前記ｐ−クラッド層上に凹凸構造を有するｐ−コンタクト層を形成する段階と、前記ｐ−コンタクト層上面の一部領域から前記ｎ−クラッド層の所定深さまで乾式エッチング（ドライエッチング）し、前記ｎ−クラッド層に前記ｐ−コンタクト層の凹凸形状が転写されたｎ−凹凸コンタクト面を形成する段階と、前記ｎ−凹凸コンタクト面上にｎ−電極を形成する段階と、前記ｐ−コンタクト層上にｐ−電極を形成する段階とを含むことを特徴とする。

本発明による窒化物系半導体発光素子は、その上面の所定領域がエッチングされて形成された段差部を備え、前記段差部にｎ−凹凸コンタクト面が形成されたｎ−クラッド層と、前記ｎ−クラッド層の上面に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ−クラッド層と、前記ｐ−クラッド層の上面に形成された多数のマスキング・ドットと、前記マスキング・ドットを回避し、前記ｐ−クラッド層上に形成され、凹凸構造を有するｐ−コンタクト層と、前記ｎ−凹凸コンタクト面上に形成されたｎ−電極と、前記ｐ−コンタクト層上に形成されたｐ−電極とを備える。

ここで、前記マスキング・ドットは、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ物質で形成され、かようなマスキング・ドットは、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、またはＯＭＣＶＤ；Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍｅｔａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）工程によって形成されうる。具体的には、前記マスキング・ドットは、Ｓｉ気相ソースとＮ気相ソースとを供給し、これらを化学反応させることによって形成されうる。ここで、前記Ｓｉ気相ソースは、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ジ−ｔｅｒｔ−ブチルシラン（ＤＴＢＳｉ）及びテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）からなる群から選択された少なくともいずれか１つの物質を含み、前記Ｎ気相ソースは、ＮＨ_３を含む。好ましくは、前記ｐ−コンタクト層は、前記ｐ−クラッド層の形成物質と実質的に同一な物質で形成されうる。そして、前記ｐ−コンタクト層の凹凸段差は、１０ｎｍ以上に形成されることが好ましい。前記ｐ−電極は、透明電極または反射電極のうち、少なくともいずれか一つを含むことができる。

かような本発明によれば、光抽出効率が向上しうるように、その構造の改善された窒化物系半導体発光素子を得ることができる。特に、本発明では、従来技術によるＬＥＤの製造工程に追加的なリソグラフィ及びエッチング工程を導入せず、ｐ−コンタクト層表面、ｎ−コンタクト層表面及び非電極面に凹凸構造を形成し、光抽出効率が最大化されるＬＥＤ構造及びその製造方法を提案した。

本発明によれば、光抽出効率が向上しうるように、その構造の改善された窒化物系半導体発光素子を得ることができる。本発明によれば、窒化物系半導体発光素子の光射出面が凹凸構造に形成され、かような凹凸構造が活性層内で発生する光を回折および／または散乱させ、光の外部抽出効率を向上させることができる。また、ｎ−クラッド層にｎ−凹凸コンタクト面を形成し、前記ｎ−凹凸コンタクト面上にｎ−電極を形成することにより、光の外部抽出効率を従来よりさらに向上させることができる。従って、本発明による窒化物系半導体発光素子で、従来より光抽出効率が向上しうる。

特に、本発明によれば、従来技術によるＬＥＤの製造工程に、追加的なリソグラフィ及びエッチング工程を導入せず、ｐ−コンタクト層表面、ｎ−コンタクト層表面及び非電極面に凹凸構造を形成し、光抽出効率が最大化されるＬＥＤ構造を実現できる。

以下、添付した図面に基づき、本発明による窒化物系半導体発光素子及びその製造方法の好適な実施形態を詳細に説明する。この過程で、図面に示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張されるように示されている。

図２は、本発明の実施形態による窒化物系半導体発光素子の断面図であり、図３は、図２におけるｐ−コンタクト層の上面を示す走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）写真である。

図２を参照すれば、本発明による窒化物系半導体発光素子は、基板１０上に順次に積層されたｎ−クラッド層２０、活性層３０、ｐ−クラッド層４０、前記ｐ−クラッド層４０の上面に形成された多数のマスキング・ドット５０、前記マスキング・ドット５０を回避し、前記ｐ−クラッド層４０上に形成された凹凸構造のｐ−コンタクト層６０を備える（ここで、マスキング・ドット５０を回避し、前記ｐ−クラッド層４０上に形成された凹凸構造のｐ−コンタクト層６０の様子は、図３のＳＥＭ写真も参照のこと。）。そして、ｎ−電極１００及びｐ−電極１２０それぞれは、前記ｎ−クラッド層２０のエッチング面、及び前記ｐ−コンタクト層６０上に形成されている。

ここで、前記ｎ−クラッド層２０のエッチング面は、凹凸構造のｎ−凹凸コンタクト面２０ａで形成されているので、前記活性層３０内で発生し、前記ｎ−電極１００に進む光のうち、その相当量が前記ｎ−凹凸コンタクト面２０ａで反射され、反射された光は、前記活性層３０に進んで内部量子効率を高めるか、または外部に抽出されて窒化物系半導体発光素子の光抽出能を向上させることができる。ｎ−凹凸コンタクト面２０ａの凹凸段差（Ｈ_２；図６Ｅ参照）は、好ましくは１０ｎｍ以上、より好ましくは１０〜７９９ｎｍの範囲に形成されることが望ましい。このような数値の範囲は、活性層３０で励起された光が外部に効率よく抽出されるための数値範囲である。ｎ−凹凸コンタクト面２０ａの凹凸段差が１０ｎｍ未満の場合には、上記したような凹凸構造による効果が十分に得られにくくなり、光の外部抽出効率の向上しろが小さくなるおそれがある。一方、ｎ−凹凸コンタクト面２０ａの凹凸段差の上限値は特に制限されないが、７９９ｎｍを超える場合には、活性層３０で励起された光が外部に効率的に抽出されにくくなるおそれがある。なお、ｎ−凹凸コンタクト面２０ａの凹凸段差（Ｈ_２；図６Ｅ参照）は、ｐ−コンタクト層６０の凹凸形状が転写され、マスキング・ドット５０表面からｐ−コンタクト層６０表面までの高さとほぼ同じ凹凸段差となっている。

前記多数のマスキング・ドット５０は、前記ｐ−クラッド層４０上に、凹凸構造のｐ−コンタクト層６０を形成するために製造工程で要求されるものであり、これらマスキング・ドット５０もまた前記活性層３０内で発生する光を回折および／または散乱させ、光の外部抽出効率を向上させる機能を行うことができる。

ここで、前記マスキング・ドット５０は、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ物質で形成されうるのが好ましい。これは、ｐ−クラッド層４０との粘着特性に優れ、ＧａＮ 窒化物半導体エピ成長時に一般的に使用するＳｉ気相ソースとＮ気相ソースを使って形成することができて、汚染または設備改造などの問題がなく、またＳｉ_ｘＮ_ｙ物質自体も活性層内から発生する光を回折及び／または散乱させて光の外部抽出効率をアップするのに適正な屈折率、すなわちその組成によって１．５〜２．３の屈折率を有することから、前記Ｓｉ_ｘＮ_ｙ物質が望ましいものといえる。

なお、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ物質において、ｘ、ｙを記載する理由は、組成比（ｓｔｏｉｃｈｉｍｅｔｒｙ）が合わなくて整数値を有しない場合があり、またこれらｘ、ｙがドット状（更には成膜形状）の形成を調節できる成膜条件によって変わることから使用したものである。一般的にＳｉＮ_ｘと表記する場合もあり、このような表記は、いずれも当業者にとって公知のことであるので、これらの範囲を記載しなくても当業者は本発明を十分に実施可能である。そして、ｘとｙとの間に相関関係は定まっていないことから、上記ｘとｙは共に正の数であればよい。

また、本発明において、ドット（ｄｏｔｓ）とは小さいパーチクル（ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）を意味する。一般に、気相蒸着によって形成されるドットはその定義を規定しなくても、その形状がいずれのものなのか当業者にとって明らかなので、それについて詳細な説明は省略する（なお、マスキング・ドット５０については、その厚さ、幅、ドット間隔については、後述する通りである。）。特に、“マスキング・ドット”において“マスキング”との表現は、本発明においてｐ−クラッド層（図２の参照符号４０）の一部領域を覆うという機能的意味を有し、英文 “ｍａｓｋ”または“ｍａｓｋｉｎｇ”の意味をそのまま生かしているものである。従って、このような表現は当業者の観点から容易に理解できるものである。また以下の図面を用いた説明及び図面内容を通じて、より一層明確に理解しうるものである。

また、マスキング・ドット５０の製法は、詳しくは後述するが、一般に、気相蒸着による成膜工程において、蒸着物質と基底物質それぞれの表面エネルギー及び界面エネルギーによって初期成膜またはドット状に形成されるが、ＳｉＮ材料（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ物質）は、ＧａＮ材料上に蒸着される時、初期ドット状に形成される。また、成膜条件、例えば成膜圧力、成膜温度、成膜時間などを制御して成膜形状またはドット状の形成を調節できることが広く知られているので、これに対する詳細な記載がなくても当業者が容易に実施可能である。

前記ｐ−クラッド層４０上に、凹凸構造のｐ−コンタクト層６０を形成するために、前記マスキング・ドット５０は、適正な厚さ及び幅に制御されうる。具体的には、前記マスキング・ドット５０は、数ｎｍ〜数百ｎｍの厚さ、好ましくは１〜３００ｎｍの厚さ、より好ましくは１〜３０ｎｍの厚さに制御されうるのが好ましい。マスキング・ドット５０の厚さ（ｔ；図６Ｂ参照）を１〜３０ｎｍの厚さに形成する場合、初期のドット状に蒸着し初めて、臨界厚さ以上では側面へのドットサイズが増加して隣接ドット同士が合体して次第に成膜形状になる。そのため、それ以上の厚さ、すなわち３０〜３００ｎｍ厚さまでドッドを蒸着する場合、成膜条件を制御して隣接ドットと合体される現象を防止しドット状を維持することができる。一方、３００ｎｍを超える厚さは成膜条件を制御してもドット状を維持し難く、成膜形状化されやすくなるため好ましくない。

マスキング・ドット５０の幅（Ｗ；図６Ｂ参照）は、５０〜５００ｎｍの範囲に制御されうるのが好ましい。このような数値範囲において、活性層３０で励起された光が効率よく抽出できるためである。従って、前記マスキング・ドット５０の幅が５０ｎｍよりも小さすぎる場合には効率的な光抽出が行なわれず、また５００ｎｍを超えて大きすぎる場合は成膜形状化しやすくなり好ましくない。

マスキング・ドット５０の隣接するドット間の間隔（Ｄ；図６Ｂ参照）は、５０〜５００ｎｍの範囲に制御されうるのが好ましい。マスキング・ドット５０の隣接するドット間の間隔が５０ｎｍよりも近すぎると成膜形状化しやすくなり、逆に５００ｎｍを超えて遠すぎると光抽出効率が劣化しやすくなり好ましくいない。

前記基板１０は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ、サファイア基板のうち、いずれか一つであることが好ましい。そして、前記ｎ−クラッド層２０は、ｎ−ＧａＮ系のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層で形成し、特にｎ−ＧａＮ層またはｎ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成することが好ましい。そして、前記ｐ−クラッド層４０は、ｐ−ＧａＮ系のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層で形成し、特にｐ−ＧａＮ層またはｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成することが好ましい。

前記活性層３０は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、そして０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ系のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層で形成し、特にＩｎＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層で形成することが好ましい。ここで、前記活性層３０は、多重量子ウェル（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）、または単一量子ウェル（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）のうち、いずれか１つの構造を有することができ、かような活性層構造は、本発明の技術的範囲を制限しない。例えば、活性層３０は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷまたはＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ構造に形成されることが一番好ましいといえる。

前記ｐ−コンタクト層６０は、前記ｐ−クラッド層４０の形成物質と実質的に同一な物質で形成されうる。例えば、前記ｐ−コンタクト層６０は、ｐ−ＧａＮ系のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層で形成し、特にｐ−ＧａＮ層またはｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成することが好ましい。

そして、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１；図６Ｅ等参照）は、１０ｎｍ以上、好ましくは１０〜８００ｎｍの範囲に形成されることが好ましく、また前記凹凸段差（Ｈ_１）は“マスキング・ドットの厚さより厚いもの”が望ましい。このような数値範囲は、前記活性層３０で励起された光が外部に効率的に抽出されるための厚さであり、厚さの差が必要なことは転写されたｎ−コンタクト面２０ａの凹凸段差（Ｈ_２）を形成できるようにするためである。ここで、前記ｐ−コンタクト層６０は、凹凸構造に形成されているので（図２、図３参照）、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸面が前記活性層３０内で発生する光を回折および／または散乱させ、光の外部抽出効率を向上させる機能を行うことができる。前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１）が１０ｎｍ未満の場合には、上記したような凹凸構造による効果が十分に得られにくくなり、光の外部抽出効率の向上しろが小さくなるおそれがある。一方、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１）の上限値は、特に制限されないが、８００ｎｍを超える場合には、前記活性層３０で励起された光が外部に効率的に抽出されにくくなるおそれがある。なお、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１；図６Ｅ参照）は、前記ｐ−クラッド層４０の表面から前記ｐ−コンタクト層６０の表面までの高さをいう。

また、前記マスキング・ドット５０の厚さ（ｔ；図６Ｂ参照）と前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１；図６Ｅ等参照）の関係は、上記したｎ−凹凸コンタクト面２０ａが平坦化されることなく、所望の凹凸段差（Ｈ_２；図６Ｅ参照）が形成されるように、それぞれマスキング・ドット５０の厚さ（ｔ；図６Ｂ参照）及びｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１；図６Ｅ参照）を形成すればよい。

好ましくは、前記ｐ−電極１２０は、透明電極７０または反射電極（図示せず）のうち、少なくともいずれか一つをさらに含むことができる。

前記透明電極７０は、前記ｐ−コンタクト層６０の全面に形成され、前記透明電極７０は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のような透明伝導性物質で形成される。前記透明電極７０が前記ｐ−コンタクト層６０の全面に形成される場合、前記ｐ−コンタクト層６０の一部面上に形成される場合より電流供給がさらに円滑になされて、電極抵抗を低くすることができることから、前記透明電極７０を前記ｐ−コンタクト層６０の全面に形成するのが望ましいものである。また、前記透明電極７０は、平らな構造または凹凸構造の両方で形成可能である。好ましくは、前記透明電極７０は、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸パターンに沿って凹凸構造に形成されうる。これは、前記透明電極７０を前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸パターンによって（沿って）“凹凸構造”に形成する場合、前記透明電極７０の凹凸構造が光出射面を成しながら凹凸構造のｐ−コンタクト層６０と共に前記透明電極７０の凹凸構造も活性層３０内で発生する光を回折及び／または散乱させて光の外部抽出効率をアップさせることができるため、前記透明電極７０を凹凸構造で形成することが望ましいものである。

前記反射電極（図示せず）は、ＡｇまたはＡｌのような反射率特性に優れた金属物質で形成される。このような反射電極（図示せず）は、前記ｐ−コンタクト層６０の全面に形成されることが望ましい。望ましくは、前記反射電極（図示せず）は、ｐ−コンタクト層６０の凹凸パターンによって（沿って）凹凸構造で形成されうる。前記反射電極（図示せず）がｐ−コンタクト層６０の全面に形成される場合、ｐ−コンタクト層６０の一部面上に形成される場合より電流供給が一層円滑になされて電極抵抗を低くすることができるので、前記反射電極（図示せず）をｐ−コンタクト層６０の全面（全体面）に形成するのが良いものである。ここで、前記反射電極（図示せず）は、平らな構造または凹凸構造の両方に形成可能である。特に、前記反射電極をｐ−コンタクト層６０の凹凸パターンによって“凹凸構造”に形成する場合、前記反射電極（図示せず）の凹凸構造が光出射面を成しながら凹凸構造のｐ−コンタクト層６０と共に前記反射電極（図示せず）の凹凸構造も活性層３０内で発生する光を回折及び／または散乱させて光の外部抽出効率を増加させられるので、前記反射電極（図示せず）を凹凸構造に形成するのが望ましい。

前記透明電極７０および反射電極（図示せず）を併用する場合、これらの積層の順序は特に制限されるものではない。

かような構造の窒化物系発光素子で、前記ｎ−電極１００とｐ−電極１２０との間に、所定の電圧が印加されれば、前記ｎ−クラッド層２０とｐ−クラッド層４０とからそれぞれ電子と正孔とが前記活性層３０に注入され、これらが活性層３０内で結合することにより、活性層３０から光が出力されうる。

本発明によれば、窒化物系半導体発光素子の光射出面が凹凸構造に形成され、かような凹凸構造が活性層３０内で発生する光を回折および／または散乱させ、光の外部抽出効率を向上させることができる。また、ｎ−クラッド層２０に、凹凸構造のｎ−凹凸コンタクト面２０ａを形成し、前記ｎ−凹凸コンタクト面２０ａ上に、ｎ−電極１００を形成することにより、光の外部抽出効率を従来よりさらに向上させることができる。従って、本発明による窒化物系半導体発光素子で、従来より光抽出効率が向上しうる。

図４Ａ及び図４Ｂは、図２でそれぞれ４０ｎｍ及び７０ｎｍの凹凸段差を有するｐ−コンタクト層の原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＡＦＭ）写真を示す。そして、図５は、図４Ａ及び図４Ｂでそれぞれ４０ｎｍ及び７０ｎｍの凹凸段差を有するｐ−コンタクト層を備えた窒化物系半導体発光素子サンプルの光出力特性を示すグラフである。ここで、プレーンサンプルは、非凹凸面で形成される従来のサファイア／ｎ−ＧａＮ／ＭＱＷ／ｐ−ＧａＮ構造のＬＥＤである。そして、テクスチャリング１（図５参照）並びにテクスチャリング２（図５参照）それぞれは、４０ｎｍ及び７０ｎｍの凹凸段差を有するｐ−コンタクト層を備えた本発明の窒化物系半導体発光素子である。

図６Ａ〜図６Ｆは、本発明の実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す工程フローチャートである。本発明では、従来技術によるＬＥＤの製造工程に追加的なリソグラフィ及びエッチング工程を導入せず、ｐ−コンタクト層表面、ｎ−コンタクト層表面及び非電極面に凹凸構造を形成し、光抽出効率が最大化されるＬＥＤ構造及びその製造方法を提供するものである。

図６Ａを参照すれば、事前に準備された基板１０、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮまたはサファイア基板上に同種積層（例えば、ＧａＮ基板上にＧａＮ系の結晶層成長）または異種積層（例えば、サファイア基板上にＧａＮ系の結晶層成長）法により、ｎ−クラッド層２０を形成する。前記ｎ−クラッド層２０は、ｎ−ＧａＮ系のＩＩＩ（１３族）−Ｖ族（１５族）窒化物半導体層で形成し、特にｎ−ＧａＮ層またはｎ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成することが好ましい。

その後、前記ｎ−クラッド層２０上に順次に活性層３０及びｐ−クラッド層４０を形成する。前記活性層３０は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、そして０≦ｘ＋ｙ≦１）であるＧａＮ系のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層で形成し、特にＩｎＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層で形成することが好ましい。ここで、前記活性層３０は、多重量子ウェルまたは単一量子ウェルのうちいずれか１つの構造に形成され、かような活性層３０の構造は、本発明の技術的範囲を制限しない。例えば、前記活性層３０は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷまたはＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ構造に形成されることが一番好ましいといえる。

そして、前記ｐ−クラッド層４０は、ｐ−ＧａＮ系のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層で形成し、特にｐ−ＧａＮ層またはｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成することが好ましい。

前記ｎ−クラッド層２０、活性層３０及びｐ−クラッド層４０それぞれはＨＶＰＥ（Ｈａｌｉｄｅ ｏｒ Ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ；ハロゲン化気相エピタキシーまたはハイドライド気相成長）またはＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）のような気相蒸着法で形成され、これらの方法は周知であるため、これらについての詳細な説明は省略する。

図６Ｂ及び図６Ｃを参照すれば、前記ｐ−クラッド層４０の上面に多数のマスキング・ドット５０を形成する。

前記マスキング・ドット５０は、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ物質で形成されるのが好ましい。これは、ｐ−クラッド層との粘着特性に優れ、ＧａＮ 窒化物半導体エピ成長時に一般的に使用するＳｉ気相ソースとＮ気相ソースを使って形成することができて、汚染または設備改造などの問題がなく、またＳｉ_ｘＮ_ｙ物質自体も活性層３０内から発生する光を回折及び／または散乱させて光の外部抽出効率をアップするのに適正な屈折率、すなわちその組成によって１．５〜２．３の屈折率を有することから、前記Ｓｉ_ｘＮ_ｙ物質で形成されるのが望ましいものといえる。かようなマスキング・ドット５０は、有機金属化学気相蒸着または分子線エピタキシー工程によって形成されるのが好ましい。これは、本発明においてマスキング・ドット形成を一般的なＧａＮ系窒化物半導体成長工程中に形成して追加工程がないこと強調しているように、ＧａＮ系発光素子製作時窒化物半導体はＭＯＣＶＤとＭＢＥの方法で成長されるが、前述したようにＧａＮ窒化物半導体エピ成長時にＭＯＣＶＤとＭＢＥでＳｉ気相ソースとＮ気相ソースを既に使用しているので、マスキング・ドットに関してもＭＯＣＶＤまたはＭＢＥ工程によって容易に形成でき、汚染または設備改造などの問題がなく、好ましいためである。ＭＯＣＶＤとＭＢＥでなくても、他の蒸着法によってもＳｉ_ｘＮ_ｙ物質のマスキング・ドット５０を形成することができるが、その際には、窒化物半導体成長工程と異なる蒸着法を用いたＳｉ_ｘＮ_ｙ物質蒸着工程が別に行われるべきなので、工程が複雑になる。

前記ｐ−クラッド層４０の上面への多数のマスキング・ドット５０の形成の仕方としては、具体的には、前記ｐ−クラッド層４０上にＳｉ気相ソースとＮ気相ソースとを供給し、この２つの物質を化学反応させることにより、前記マスキング・ドット５０が形成されうるのが好ましい。Ｓｉ気相ソースとＮ気相ソースを反応させて、Ｓｉ_ｘＮ_ｙを形成することが当業者にとって公知の技術であり、特に前述したようにＧａＮ窒化物半導体エピ成長時に一般的に使用するＳｉ気相ソースとＮ気相ソースを使用することができて容易に形成できるからである。

ここで、前記Ｓｉ気相ソースは、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ジ−ｔｅｒｔ−ブチルシラン（ＤＴＢＳｉ）及びテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）からなる群から選択された少なくともいずれか１つの物質を含むのが好ましく、前記Ｎ気相ソースは、ＮＨ_３を含むのが好ましい。これらＳｉ気相ソースおよびＮ気相ソースとして好適な化合物それぞれは、Ｓｉ気相ソースとＮ気相ソースとして一般的に使用する物質であり、既存のＧａＮ系窒化物半導体成長時にそれぞれＮ型ドーピングソース及びＶ族ソースとして幅広く使用するので、これを使用するのが望ましいものである。

なお、Ｓｉ気相ソースとＮ気相ソースの供給の仕方は、特に制限されるものではない。従って、同時的にまたは順次に供給できる。そして、Ｓｉ気相ソースとＮ気相ソースを反応させてＳｉ_ｘＮ_ｙ物質を形成することが当業者にとって公知の技術であるので、供給速度（ソース流量）に関しても、当業者が本発明を実施するのに無理なく適当な供給速度を決定することができることから、特に制限されるものではない。

前記マスキング・ドット５０は、数ｎｍ〜数百ｎｍの厚さ、好ましくは１〜３００ｎｍの厚さ、より好ましくは１〜３０ｎｍの厚さに形成されうる。マスキング・ドット５０の厚さ（ｔ；図６Ｂ参照）を１〜３０ｎｍの厚さに形成する場合、初期のドット状に蒸着し初めて、臨界厚さ以上では側面へのドットサイズが増加して隣接ドット同士が合体して次第に成膜形状になる。そのため、それ以上の厚さ、すなわち３０ｎｍ〜３００ｎｍ厚さまでドッドを蒸着する場合、成膜条件を制御して隣接ドットと合体される現象を防止しドット状を維持することができる。しかし、３００ｎｍを超える厚さは成膜条件を制御してもドット状を維持し難く、成膜形状化されやすいため好ましくない。

マスキング・ドット５０は、５０〜５００ｎｍの幅（Ｗ；図６Ｂ参照）に形成されうる。このような数値範囲において、活性層３０で励起された光が効率よく抽出できるためである。従って、前記マスキング・ドットの幅が５０ｎｍよりも小さすぎる場合、効率的な光抽出が行なわれず、また５００ｎｍを超えて大きすぎる場合は成膜形状化しやすくなるので好ましくない。

マスキング・ドット５０の隣接するドット間の間隔（Ｄ；図６Ｂ参照）は、５０〜５００ｎｍの範囲に形成されうる。マスキング・ドット５０の隣接するドット間の間隔が５０ｎｍよりも近すぎると成膜形状化しやすくなり、逆に５００ｎｍを超えて遠すぎると光抽出効率が劣化しやすくなり好ましくない。

その後、前記マスキング・ドット５０を回避し、前記ｐ−クラッド層４０上に凹凸構造を有するｐ−コンタクト層６０を形成する。前記マスキング・ドット５０は、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ物質のような窒化物で形成されるので、前記マスキング・ドット５０上には、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体物質がエピタキシー成長されない。従って、かような特性を用い、凹凸構造のｐ−コンタクト層６０を形成できる。

好ましくは、前記ｐ−コンタクト層６０は、前記ｐ−クラッド層４０の形成物質と実質的に同一な物質で形成される。例えば、前記ｐ−コンタクト層６０は、ｐ−ＧａＮ系のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層で形成し、特にｐ−ＧａＮ層またはｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層で形成することが好ましい。

そして、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１；図６Ｅ等参照）は、１０ｎｍ以上、好ましくは１０〜８００ｎｍの範囲に形成されるものであって、また前記凹凸段差（Ｈ_１）は、“マスキング・ドット５０の厚さより厚いもの”が望ましいものである。このような数値範囲は、前記活性層３０で励起された光が外部に効率的に抽出されるための厚さであり、厚さの差が必要なことは転写されたｎ−コンタクト面の凹凸段差（Ｈ_２）を形成できるようにするためである。従って、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１）が１０ｎｍ未満の場合には、上記したような凹凸構造による効果が十分に得られにくくなり、光の外部抽出効率の向上しろが小さくなるおそれがある。一方、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１）の上限値は特に制限されないが、８００ｎｍを超える場合には、活性層３０で励起された光が外部に効率的に抽出されにくくなるおそれがある。

また、前記マスキング・ドット５０の厚さ（ｔ；図６Ｂ参照）とｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１；図６Ｅ等参照）の関係は、上記したｎ−凹凸コンタクト面２０ａが平坦化されることなく、所望の凹凸段差（Ｈ_２；図６Ｅ参照）が形成されるように、それぞれマスキング・ドット５０の厚さ（ｔ；図６Ｂ参照）及びｐ−コンタクト層６０の凹凸段差（Ｈ_１；図６Ｅ参照）を形成すればよい。前記ｐ−コンタクト層６０は、有機金属化学気相蒸着または分子線エピタキシー工程のような気相蒸着によって形成されうる。

図６Ｄを参照すれば、前記ｐ−コンタクト層６０上面の一部領域から前記ｎ−クラッド層２０の所定深さまで乾式（ドライ）エッチングし、前記ｎ−クラッド層２０に前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸形状が転写されたｎ−凹凸コンタクト面２０ａを形成する。好ましくは、前記ｎ−クラッド層２０の乾式エッチングは、プラズマエッチング工程によって行うことができる。

前記ｎ−クラッド層２０に前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸形状が転写されたｎ−凹凸コンタクト面２０ａの凹凸段差（Ｈ_２；図６Ｅ参照）は、好ましくは１０ｎｍ以上、より好ましくは１０〜７９９ｎｍの範囲に形成されることが望ましい。このような数値の範囲は、活性層３０で励起された光が外部に効率よく抽出されるための数値範囲である。従って、ｎ−凹凸コンタクト面２０ａの凹凸段差が１０ｎｍ未満の場合には、上記したような凹凸構造による効果が十分に得られにくくなり、光の外部抽出効率の向上しろが小さくなるおそれがある。一方、ｎ−凹凸コンタクト面２０ａの凹凸段差の上限値は特に制限されないが、７９９ｎｍを超える場合には、活性層３０で励起された光が外部に効率的に抽出されにくくなるおそれがある。なお、上記ｐ−コンタクト層６０上面の一部領域及び前記ｎ−クラッド層２０の所定深さは、いずれも従来と同様にｎ−電極１００を形成し得るように適宜決定すればよく、何ら制限されるものではない。

図６Ｅ及び図６Ｆを参照すれば、前記ｎ−凹凸コンタクト面２０ａ及びｐ−コンタクト層６０上に、それぞれｎ−電極１００及びｐ−電極１２０を形成する。好ましくは、前記ｐ−電極１２０は、透明電極７０または反射電極（図示せず）のうち、少なくともいずれか一つをさらに含むことができる。

前記透明電極７０は、ＩＴＯのような透明伝導性物質で形成され、有機金属化学気相蒸着または分子線エピタキシー工程のような気相蒸着によって形成されうる。透明電極７０がｐ−コンタクト層６０の全面に形成される場合、ｐ−コンタクト層６０の一部面上に形成される場合より電流供給がさらに円滑になされて、電極抵抗を低くすることができることから、かような透明電極７０は、前記ｐ−コンタクト層６０の全面に形成されることが好ましい。ここで、透明電極７０は、平らな構造または凹凸構造の両方で形成可能である。特に、前記透明電極７０をｐ−コンタクト層６０の凹凸パターンによって“凹凸構造”に形成する場合、前記透明電極７０の凹凸構造が光出射面を成しながら凹凸構造のｐ−コンタクト層６０と共に前記透明電極７０の凹凸構造も活性層３０内で発生する光を回折及び／または散乱させて光の外部抽出効率をアップさせることができるため、好ましくは、前記透明電極７０は、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸パターンに沿って凹凸構造に形成されることが望ましい。

また前記反射電極（図示せず）は、ＡｇまたはＡｌのような反射率特性に優れた金属物質で形成され、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）または化学気相蒸着（ＣＶＤ；ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成されうる。

かような反射電極（図示せず）は、前記ｐ−コンタクト層６０の全面に形成されることが好ましい。好ましくは、前記反射電極（図示せず）は、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸パターンに沿って凹凸構造に形成されうる。前記反射電極（図示せず）がｐ−コンタクト層６０の全面に形成される場合、ｐ−コンタクト層６０の一部面上に形成される場合より電流供給が一層円滑になされるので電極抵抗を低くすることができるので、前記反射電極（図示せず）をｐ−コンタクト層６０の全面（全体面）に形成するのが望ましい。ここで、前記反射電極（図示せず）は平らな構造または凹凸構造の両方に形成可能である。特に、前記反射電極をｐ−コンタクト層６０の凹凸パターンによって“凹凸構造”に形成する場合、前記反射電極の凹凸構造が光出射面を成しながら凹凸構造のｐ−コンタクト層６０と共に前記反射電極の凹凸構造も活性層３０内で発生する光を回折及び／または散乱させて光の外部抽出効率を増加させられるので、前記反射電極を凹凸構造に形成するのが望ましい。なお、透明電極７０および反射電極（図示せず）を併用する場合、これらの積層の順序は特に制限されるものではない。

前記ｎ−電極１００及びｐ−電極１２０は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄのような金属物質で形成されうる。ここで、特に前記ｎ−電極１００は、Ａｇのように反射率特性に優れた物質で形成されることが好ましい。前記のような工程過程により、本発明による窒化物系半導体発光素子が製造されうる。前記ｎ−電極１００及びｐ−電極１２０の表面は、前記ｐ−コンタクト層６０の凹凸パターン及びｎ−凹凸コンタクト面２０ａの凹凸パターンに沿って凹凸構造に形成されていてもよいが、図６Ｆに示すように、平坦面に形成されることが好ましい。

以上で、かような本発明の理解を助けるためにいくつかの模範的な実施形態が説明されて添付した図面に示されたが、かような実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者であれば、前記実施形態から多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解することができるであろう。従って、本発明は、示されて説明された構造と工程順序とにのみ局限されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の技術思想を中心に保護されなければならないものである。

本発明の窒化物系半導体発光素子及びその製造方法は、例えば、発光素子関連の技術分野に効果的に適用可能である。

相異なる屈折率を有する物質層が形成される平坦界面での光路を示す図面である。 相異なる屈折率を有する物質層が形成される凹凸界面での光路を示す図面である。 本発明の実施形態による窒化物系半導体発光素子の断面図である。 図２でｐ−コンタクト層の上面を示すＳＥＭ写真である。 図２で、４０ｎｍの凹凸段差を有するｐ−コンタクト層のＡＦＭ写真である。 図２で、７０ｎｍの凹凸段差を有するｐ−コンタクト層のＡＦＭ写真である。 図４Ａ及び図４Ｂで、それぞれ４０ｎｍ及び７０ｎｍの凹凸段差を有するｐ−コンタクト層を備える窒化物系半導体発光素子サンプルの光出力特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す工程フローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す工程フローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す工程フローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す工程フローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す工程フローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す工程フローチャートである。

符号の説明

２ 第１の物質層、
４ 空気層、
８ａ 平坦な界面、
８ｂ 凹凸構造の界面、
１０ 基板、
２０ ｎ−クラッド層、
２０ａ ｎ−凹凸コンタクト面、
３０ 活性層、
４０ ｐ−クラッド層、
５０ マスキング・ドット、
６０ ｐ−コンタクト層、
７０ 透明電極、
１００ ｎ−電極、
１２０ ｐ−電極。

Claims (15)

1. 基板上に順次にｎ−クラッド層、活性層及びｐ−クラッド層を形成する段階と、
   前記ｐ−クラッド層の上面に多数のマスキング・ドットを形成する段階と、
   前記マスキング・ドットを回避し、前記ｐ−クラッド層上に凹凸構造を有するｐ−コンタクト層を形成する段階と、
   前記ｐ−コンタクト層上面の一部領域から前記ｎ−クラッド層の所定深さまで乾式エッチングし、前記ｎ−クラッド層に前記ｐ−コンタクト層の凹凸形状の転写されたｎ−凹凸コンタクト面を形成する段階と、
   前記ｎ−凹凸コンタクト面上にｎ−電極を形成する段階と、
   前記ｐ−コンタクト層上にｐ−電極を形成する段階と、を含むことを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。
2. 前記マスキング・ドットは、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ物質で形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
3. 前記マスキング・ドットは、有機金属化学気相蒸着または分子線エピタキシー工程によって形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
4. 前記マスキング・ドットは、Ｓｉ気相ソースとＮ気相ソースとを供給し、これらを化学反応させることによって形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
5. 前記Ｓｉ気相ソースは、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ジ−ｔｅｒｔ−ブチルシラン（ＤＴＢＳｉ）及びテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）からなる群から選択された少なくともいずれか一つの物質を含むことを特徴とする請求項４に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
6. 前記Ｎ気相ソースは、ＮＨ_３を含むことを特徴とする請求項４または５に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
7. 前記ｐ−コンタクト層は、前記ｐ−クラッド層の形成物質と実質的に同一な物質で形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
8. 前記ｐ−コンタクト層の凹凸段差は、１０ｎｍ以上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
9. 前記ｐ−電極は、透明電極または反射電極のうち、少なくともいずれか一つを備えることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
10. 請求項１ないし請求項９のうちいずれか１項に記載の方法で製造されたことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
11. 上面の所定領域がエッチングされて形成された段差部を備え、前記段差部にｎ−凹凸コンタクト面が形成されたｎ−クラッド層と、
    前記ｎ−クラッド層の上面に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成されたｐ−クラッド層と、
    前記ｐ−クラッド層の上面に形成された多数のマスキング・ドットと、
    前記マスキング・ドットを回避し、前記ｐ−クラッド層上に形成され、凹凸構造を有するｐ−コンタクト層と、
    前記ｎ−凹凸コンタクト面上に形成されたｎ−電極と、
    前記ｐ−コンタクト層上に形成されたｐ−電極と、を備えることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
12. 前記マスキング・ドットは、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ物質から形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の窒化物系半導体発光素子。
13. 前記ｐ−コンタクト層は、前記ｐ−クラッド層の形成物質と実質的に同一な物質から形成されたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の窒化物系半導体発光素子。
14. 前記ｐ−コンタクト層の凹凸段差は、１０ｎｍ以上に形成されたことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
15. 前記ｐ−電極は、透明電極または反射電極のうち、少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。