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JP4201079B2 - 発光素子、その製造方法およびledランプ - Google Patents

発光素子、その製造方法およびledランプ Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光取り出し効率を高めた発光ダイオード(LED)と、その製造方法に関する。特に光取り出し効率を高めることができる積層界面の構造に特徴を有するものである。
【0002】
【従来の技術】
エネルギー消費効率(外部量子効率)を高めた発光素子が省エネルギーを進める上で望まれている。サファイア基板上に積層したGaN系発光ダイオードにおいて、従来の382nm付近の発光ダイオード(LED)の外部量子効率は、特許文献1では24%であった。外部量子効率は、「内部量子効率×電圧効率×光取り出し効率」の積として3要素に分解されるが、実測可能な電圧効率(約90〜95%)以外の2要素は実測不可能であり、それらレベルが判らないまま結晶品質や構造最適化による内部量子効率の向上が主に検討されてきた。一方、光取りだし効率の向上例として、LEDチップを屈折率が半導体と近い樹脂で覆い、発光した光を効率良く樹脂に透過させ、更に樹脂表面を球面に加工することで樹脂と空気界面の全反射を抑制する手法は古くから行われてきた。また、基板を逆メサ型に研削することで2倍程度の光取り出し効率増加を実現している例として、米国Cree社がX−Brightシリーズとして市販している。
【0003】
一方、半導体結晶の低転位化を実施する方法として半導体結晶基板表面に凹凸をつけ、成長する方法が知られている。例えば、III族窒化物半導体ではサファイア基板表面にストライプ状の溝を形成し、低温成長GaNバッファ層、その上に高温でIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる事で転位密度を低減できることが示されている。この転位密度の低下には、溝の傾斜角度は60°以上が良いとされている。ただし、光の取り出し効率については触れられていない(例えば特許文献1、非特許文献1参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−164296号公報
【非特許文献1】
ケー・タダトモ 外(K.Tadatomo、et al.)、ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジクス(Japanese Journal of Applied Physics)、2001年、第40巻、p.L583−L585
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
一般に発光素子(LED)は、発光層の屈折率がその外部の媒質の屈折率より大きい為、全反射角より大きい入射角の光線は発光層から外部に取り出す事ができなかった。本発明は、屈折率の異なる2層の界面に傾斜した側面を有する凹凸を導入することによって、全反射されていた光線を外に取り出す事を可能にし、発光素子の光の取り出し効率を高めることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
先ず初めに本発明に至った経緯のシミュレーションについて説明する。
実測不可能な光取り出し効率と内部量子効率を見積もる為に、本発明者はLEDからの光取り出し効率を光学シミュレーションにより見積もった。単純化したLEDのモデルとして、300μm角、厚さ100μmのサファイア基板に300μm角、厚さ6.1μmのGaN層が積層されている構造を取った。300μm角の中心でGaN表面から0.1μmのGaN層中に入った点に等方的に発光する点光源を配置した。屈折率はそれぞれ、サファイアがn=1.8、GaNがn=2.7(発光波長380nmの場合)またはn=2.4(発光波長400nmの場合)、これらの外部はn=1.4のシリコーン樹脂で満たされているとした。GaNの波長毎の屈折率は市販のGaNバルク基板を実測して求めた。点光源からランダムな方向に多数の光線を発生させ(モンテカルロ法)、光線は屈折率の異なる各界面でフレネルの式に従って屈折する光線と反射する光線に計算された比率に応じて分岐させた。光線発生数は50万本、分岐限度は10回とした。基板裏面、半導体層表面、側面のそれぞれと樹脂の界面からわずかに樹脂側に集光面を仮想的に設定し、各面からの光取り出し効率を算出した。
【0007】
表1は、基板に凹凸構造を設けない場合(▲1▼、▲2▼)と基板の表面に図1に示す凹凸構造を設けた場合(▲3▼)のそれぞれについて、基板面、半導体層面、側面からの光の取り出し効率をシミュレーションにより計算した結果を示す。
【0008】
【表1】
Figure 0004201079
【0009】
この結果によると、基板に凹凸構造を設けない場合、発光波長が400nmの場合で光の取り出し効率の合計は約55%、382nmの場合には約40%となっている。
この結果を非特許文献1に記載のLEDに当てはめてみる。この文献にはサファイア基板を用いたIII族窒化物半導体のLEDについて、発光波長が382nmでは外部量子効率は24%、400nmでは30%と記載されている。この外部量子効率の24%は、
24%=内部量子効率60%×電圧効率95%×光取り出し効率40%
と想定し、30%は、
30%=内部量子効率60%×電圧効率90%×光取り出し効率55%
と想定すると、発光波長には関係無い内部量子効率がいずれも60%として統一的に説明でき、シミュレーションの結果は概ね妥当と思われる。
このシミュレーションによれば、光の取り出し効率は波長400nmで約55%、波長382nmで約40%であるから、夫々1.8倍、2.5倍の向上の余地があることを示す。また内部量子効率は、約1.6倍の向上の余地がある。本発明はこれらのうち光の取り出し効率に関するものである。
【0010】
シミュレーション結果の詳細な解析によれば、屈折率n=1.4の樹脂で封止している場合はGaN層からサファイア基板に透過した光線は100%樹脂を通じて外部に取り出されており、GaN層に閉じこめられている光線群をいかにサファイア基板や樹脂へ取り出す事ができるかが光の取り出し効率を向上させる上で重要である事が判った。
【0011】
GaN層からサファイア基板や樹脂に効率よく光線を透過させる為には、GaN層と基板との界面を傾斜させ、光線が界面に入射する角度が全反射角を超えない様にすれば良い。その最適な傾斜角は45°である。表1の▲3▼にGaN層とサファイア基板の界面に図1に示す傾斜角45°のストライプ状の凹凸構造を導入した場合の計算結果を示す。半導体層面から樹脂を通じて外に出る光取り出し効率はあまり変わらないが、サファイア裏面や側面から外に出る光取り出し効率が向上している事が判る。その結果、トータルとして発光波長382nm(GaNの屈折率2.7)の場合、▲2▼と比較して2倍以上の光取り出し効率の向上が見込まれた。なお、凹凸構造の上面、底面、傾斜面の比率については、上面、底面がなく傾斜面のみの構造が、最も光取り出し効率向上の効果が高いため好ましい。
【0012】
本発明は上記のシミュレーションの結果に基づきなされたもので、以下の各項の発明からなる。
(1)基板、半導体層、発光層を有する発光素子において、基板とこれに積層されている半導体層の屈折率が異なり、該基板の半導体層を積層する面に傾斜側面を有する凹凸を形成させ、該傾斜側面の基板面に対する角度θを30°<θ<60°としたことを特徴とする発光素子。
(2)基板、半導体層、発光層を有する発光素子において、積層されている半導体層同士の屈折率が異なり、該半導体層の積層界面に傾斜側面を有する凹凸を形成させたことを特徴とする発光素子。
(3)凹凸の傾斜側面の基板に対する角度θが、30°<θ<60°である上記(2)に記載の発光素子。
(4)凹凸がストライプ状のV字状溝、ストライプ状の側面傾斜突起、側面傾斜ピットのいずれかである上記(1)〜(3)のいずれかに記載の発光素子。
(5)基板がサファイア(Al23)であり、半導体層がAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1)である上記(1)〜(4)のいずれかに記載の発光素子。
【0013】
(6)基板、半導体層、発光層を有する発光素子の製造方法において、高温処理、選択性エッチング、研削のいずれかの方法により、基板の半導体層を積層する側の表面に凹凸を設けることを特徴とする上記(1)に記載の半導体素子の製造方法。
(7)基板、半導体層、発光層を有する発光素子の製造方法において、基板の表面に選択成長用のマスクを形成し、その基板上に側面が傾斜した半導体の突起を設けることにより、半導体層の積層界面に傾斜側面を有する凹凸を形成することを特徴とする上記(1)に記載の発光素子の製造方法。
(8)基板、半導体層、発光層を有する発光素子の製造方法において、高温処理、選択性エッチング、研削のいずれかの方法により、半導体層の表面に傾斜側面を有する凹凸を設けることにより、半導体層の積層界面に傾斜側面を有する凹凸を形成することを特徴とする上記(2)に記載の半導体素子の製造方法。
(9)基板、半導体層、発光層を有する発光素子の製造方法において、半導体層の表面に選択成長用のマスクを形成し、その半導体層上に側面が傾斜した半導体の突起を設けることを特徴とする上記(2)に記載の発光素子の製造方法。
(10)上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載の発光素子を用いたLEDランプ。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の発光素子は、基板の表面あるいは半導体層同士の積層界面に側面を傾斜させた凹凸を形成させたものである。基板とこれに積層される半導体層との界面あるいは半導体層同士の積層界面における光の反射は、積層界面において両者の屈折率が異なる場合に起こる。本発明は、この両者の屈折率が異なる場合にできるだけ多くの光がLEDの外部に取り出せるようにしたものである。
上記のような凹凸を設けることにより光の取り出し効率が向上する機構の詳細な説明は省略するが、定性的には積層界面が平坦であると界面で反射した光は、反射が繰り返されても同じ状態の繰り返しになるので、外部に出ることは少ないが、界面に凹凸があると一度反射されても次に界面に入射する光は全反射角以下になる場合もあり、これらが繰り返されれば最終的には外部に出る光が多くなると考えられる。
【0015】
本発明の発光素子は、一つは基板の表面(半導体層が積層される側、以下同じ。)に側面が傾斜した凹凸を設けたものであり、その二は半導体層同士が積層されている界面に前記凹凸を設けたものである。LEDは図2に示すように基板上にバッファ層などの半導体層、n型半導体層、発光層、p型半導体層などが多層に形成されるが、凹凸を設ける面は屈折率が異なる二つの半導体層の界面であればいずれのところでもよく、効果が大きいいずれかの界面を選ぶのが好ましい。半導体層の積層界面には半導体層と発光層の界面も含まれる。
本発明において、基板等に形成される凹凸構造の代表的なものを模式的に図3の(a)〜(c)に示す。図3の(a)は基板表面にストライプ状にV字型溝を形成させたもの、図3の(b)は基板表面に六角錘型で断面が台形状のピットを形成させたもの、図3の(c)は基板表面に半導体からなる三角形状の突起をストライプ状に形成させたものである。図に示すθは、基板面に対する凹凸の傾斜側面の角度である。基板に形成される凹凸の傾斜側面の角度θは45°が最も好ましいが、30°<θ<60°の範囲ならば十分に効果がある。
半導体同士の界面に形成される凹凸の傾斜側面の角度については特に制限されるものではないが、基板の場合同様30°<θ<60°の範囲が好ましい。
【0016】
基板等に形成される凹凸は基板または半導体層の面方位に一致させたり、故意にずらせる事も可能である。凹凸サイズ、深さは任意に選べる。しかし、凹凸を有する界面の上に成長させるIII族窒化物半導体結晶の表面を平坦化させることを考慮すると、凹部の直径は3μm以下、凹部の深さは2μm以下とするのが望ましい。平坦化は非特許文献1に示されているように半導体層の成長条件を適切に選べば容易に実現できる。
本発明の基板等に凹凸を形成させる方法は、高温処理によるピット形成、選択性エッチングによるストライプ状の凹溝やピットの形成、あるいは研削材を用いたV字状溝の形成などがある。ここでV字状溝には、底部が平坦となった形状のものや、側面が多少丸みを帯びたものも含むものとする。これらは凹部の形状であるが、さらに基板等にマスクし、選択的に半導体を成長させ、例えば断面が三角形の突起をストライプ状に形成させることもできる。
上記の方法で形成される凹凸の傾斜面の角度θは、研削法では多くの場合30°〜60°の範囲に入り、高温処理によるピットは結晶面によりほぼ定まり58°と43°となる。またSiNで所定のマスクをし、その上にAlNやGaNを成長させると形成される三角形状の突起の傾斜角は58°または43°となる。
【0017】
本発明では、基板としてサファイア、GaN、AlN、SiCを初め、ガラス、Si、GaAs、GaPなどを用いることができる。これらの中で特に、前記基板がサファイア(Al23)であり、半導体層がIII族窒化物半導体であることが好ましい。
サファイア基板の面方位としては、m面、a面、c面等が使えるが、なかでもc面((0001)面)が好ましく、さらに基板表面の垂直軸が<0001>方向から特定の方向に傾斜していることが望ましい。また本発明に用いる基板は、第1の工程に用いる前に有機洗浄やエッチングのような前処理を行うと基板表面の状態を一定の状態に保つことができるため好ましい。
【0018】
本発明の発光素子の製造において、n型層、p型層、発光層の成長や電極の形成、樹脂封入等は、従来公知の方法を用いることができる。半導体の成長方法は、気相成長法としては有機金属化学気相成長法(MOCVD法)や気相エピタキシー法(VPE法)を用いることができる。この内MOCVD法は、不要な凹凸構造を平坦化する事ができる為、好ましい。
【0019】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
(実施例1)
本実施例1では、表面を(0001)面とするサファイア基板を使用した。ダイヤモンド系研削材を塗布したサンドペーパーに純水を塗布し、サファイア基板の<1-100>方向に動かしながら擦りつける事で、概ね<1-100>方向に線に凹凸構造を形成した。SEMで観察した凹部の断面形状は、幅が1μm、深さが0.5μmの三角形状(V字状溝形状)をしていた。V字状溝の立ち上がり斜面と基板平面とが成す角度θは、45°を中心に概ね30°〜60°の範囲にあった。600倍の光学顕微鏡で観察した所、平坦部分の面積と傷ついた部分の面積の比率は平均で2:1であった。
この様に作製したV字状溝付きサファイア基板を十分洗浄し、MOCVD装置に投入した。そして、このサファイア基板上に第1の工程として、トリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気とトリメチルガリウム(TMGa)の蒸気をモル比にして1:2で混合した気体を含む気体と、アンモニア(NH3)を含む気体を流通する処理を施した。第1の工程で用いた条件でのV/III比は、約85である。続いて第2の工程としてTMGaとアンモニアを流通して窒化ガリウムを成長させ、凹凸状に加工されたサファイア基板上に窒化ガリウム結晶からなるGaN層を作製した。
【0020】
上記のGaN層を含む試料を作製する第1の工程および第2の工程は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。
まず、表面が凹凸状に加工されたサファイア基板を導入する前に、同じ装置で行った前回の成長で反応炉内部に付着した付着物を、アンモニアと水素を含むガス中で加熱して窒化して、これ以上分解しにくいようにした。反応炉が室温まで降温するのを待ち、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で加熱用のカーボン製のサセプタ上に載置したサファイア基板を、誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。試料を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。窒素ガスを10分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を1170℃に昇温した。基板温度を1170℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させながら9分間放置して、基板表面のサーマルクリーニングを行った。
サーマルクリーニングを行っている間に、反応炉に接続された原料であるトリメチルガリウム(TMGa)の入った容器(バブラ)およびトリメチルアルミニウム(TMAl)の入った容器(バブラ)の配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。バブリングによって発生したTMGaおよびTMAlの蒸気は、成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。
【0021】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1150℃に降温させた。1150℃で温度が安定したのを確認した後、アンモニア配管のバルブを開き、アンモニアの炉内への流通を開始した。続いてTMGaとTMAlの配管のバルブを同時に切り替え、TMGaとTMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、サファイア基板上にIII族窒化物半導体を付着させる第1の工程を開始した。供給するTMGaとTMAlの混合比は、バブリングする配管に設置した流量調節器でモル比率で2:1となるように調節し、アンモニアの量はV/III比が85となるように調節した。
6分間の処理の後、TMGaとTMAlの配管のバルブを同時に切り替え、TMGaとTMAlの蒸気を含む気体の反応炉内への供給を停止した。続いてアンモニアの供給も停止し、そのまま3分間保持した。
【0022】
3分間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を再び開始した。そのまま4分間アンモニアを流通させた。その間に、TMGaの配管の流量調整器の流量を調節した。4分の後、TMGaのバルブを切り替えてTMGaの炉内への供給を開始し、GaNの成長を開始した。約3時間に渡って上記のGaN層の成長を行った。
【0023】
その後引き続き、以下の工程でn型層、発光層、p型層の順に積層し、LED用エピタキシャルウェーハを作製した。
まず、TMGaの供給を続けたまま、SiH4の供給を開始し、低Siドープのn型GaN層の成長を約1時間15分行った。SiH4の供給量は、低SiドープGaN層の電子濃度が1ラ1017cm-3となるように調整した。低SiドープGaN層の膜厚は2μmであった。
【0024】
更に、この低SiドープGaN層上に高Siドープのn型GaN層を成長した。低SiドープのGaN層を成長後、1分間に渡ってTMGaとSiH4の炉内への供給を停止した。その間、SiH4の流通量を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、高SiドープGaN層の電子濃度が1ラ1019cm-3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。
1分間の停止の後、TMGaとSiH4の供給を再開し、1時間に渡って成長を行った。この操作により、1.8μmの膜厚を成す高Siドープのn型GaN層を形成した。
【0025】
高SiドープGaN層を成長した後、TMGaとSiH4のバルブを切り替えて、これらの原料の炉内への供給を停止した。アンモニアはそのまま流通させながら、バルブを切り替えてキャリアガスを水素から窒素へ切り替えた。その後、基板の温度を1160℃から830℃へ低下させた。
炉内の温度の変更を待つ間に、SiH4の供給量を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、SiドープInGaNクラッド層の電子濃度が1ラ1017cm-3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。また、あらかじめトリメチルインジウム(TMIn)とトリエチルガリウム(TEGa)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。SiH4ガス、およびバブリングによって発生したTMInおよびTEGaの蒸気は、クラッド層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
その後、炉内の状態が安定するのを待って、TMInとTEGaとSiH4のバルブを同時に切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。約10分間に渡って供給を継続し、100Åの膜厚を成すSiドープのIn0.03Ga0.97Nからなるn型クラッド層を形成した。
その後、TMIn、TEGaおよびSiH4のバルブを切り替え、これらの原料の供給を停止した。
【0026】
次に、GaNよりなる障壁層とIn0.06Ga0.94Nよりなる井戸層で構成される多重量子井戸構造の発光層を作製した。多重量子井戸構造の作製にあたっては、SiドープIn0.03Ga0.97Nからなるn型クラッド層上に、始めにGaN障壁層を形成し、そのGaN障壁層上にIn0.06Ga0.94N井戸層を形成した。この構造を5回繰り返し積層したのち、5番目のIn0.06Ga0.94N井戸層上に、6番目のGaN障壁層を形成し、多重量子井戸構造の両側をGaN障壁層から構成した構造とした。
すなわち、n型クラッド層の成長終了後、30秒間に渡って停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaのバルブを切り替えてTEGaの炉内への供給を行った。7分間に渡ってTEGaの供給を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaの供給を停止してGaN障壁層の成長を終了した。これにより、70Åの膜厚を成すGaN障壁層を形成した。
【0027】
GaN障壁層の成長を行っている間、除外設備への配管に流していたTMInの流量を、クラッド層の成長の時と比較して、モル流量にして2倍になるように調節しておいた。
GaN障壁層の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaとTMInのバルブを切り替えてTEGaとTMInの炉内への供給を行った。2分間に渡ってTEGaとTMInの供給を行った後、再びバルブを切り替えてTEGaとTMInの供給を停止してIn0.06Ga0.94N井戸層の成長を終了した。これにより20Åの膜厚を成すIn0.06Ga0.94N井戸層を形成した。
【0028】
In0.06Ga0.94N井戸層の成長終了後、30秒間に渡ってIII族原料の供給を停止したのち、基板温度や炉内の圧力、キャリアガスの流量や種類はそのままで、TEGaの炉内への供給を開始し、再びGaN障壁層の成長を行った。
このような手順を5回繰り返し、5層のGaN障壁層と5層のIn0.06Ga0.94N井戸層を作製した。更に、最後のIn0.06Ga0.94N井戸層上にGaN障壁層を形成した。
【0029】
このGaN障壁層で終了する多重量子井戸構造上に、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層を作製した。
あらかじめトリメチルアルミニムウム(TMAl)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したTMAlの蒸気は、拡散防止層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
【0030】
炉内の圧力が安定するのを待って、TEGaとTMAlのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。その後、約3分間に渡って成長を行ったあと、TEGaとTMAlの供給を停止し、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層の成長を停止した。これにより、30Åの膜厚を成すノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層を形成した。
【0031】
このノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層上に、MgドープのGaNからなるp型クラッド層を作製した。
TEGaとTMAlの供給を停止して、ノンドープのAl0.2Ga0.8N拡散防止層の成長が終了した後、2分間をかけて、基板の温度を1100℃に上昇した。更に、キャリアガスを水素に変更した。また、あらかじめビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)のバブラへのキャリアガスの流通を開始しておいた。バブリングによって発生したCp2Mgの蒸気は、MgドープGaN層の成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。
【0032】
温度と圧力を変更して炉内の圧力が安定するのを待って、TMGaとCp2Mgのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。Cp2Mgを流通させる量は事前に検討してあり、MgドープのGaNからなるp型クラッド層の正孔濃度が8ラ1017cm-3となるように調整した。その後、約6分間に渡って成長を行ったあと、TMGaとCp2Mgの供給を停止し、MgドープのGaN層の成長を停止した。これにより、0.15μmの膜厚を成すMgドープGaN層が形成された。
【0033】
MgドープGaN層の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで20分をかけて降温した。成長温度から300℃までの降温中は、反応炉内のキャリアガスを窒素のみから構成し、容量にして1%のNH3を流通した。その後、基板温度が300℃となったのを確認した時点でNH3の流通を停止し、雰囲気ガスを窒素のみとした。基板温度が室温まで降温したのを確認して、ウェーハを大気中に取り出した。
【0034】
以上のような手順により、半導体発光素子用のエピタキシャル層構造を有するエピタキシャルウェーハを作製した。ここでMgドープGaN層はp型キャリアを活性化するためのアニール処理を行わなくてもp型を示した。
【0035】
次いで、上記のサファイア基板上にエピタキシャル層構造が積層されたエピタキシャルウェーハを用いて半導体発光素子の一種である発光ダイオードを作製した。作製したウェーハについて、公知のフォトリソグラフィーによってMgドープGaN層の表面上に、表面側から順にチタン、アルミニウム、金を積層した構造を持つp電極ボンディングパッドとそれに接合したAuのみからなる透光性p電極を形成し、p側電極を作製した。
更にその後ウェーハにドライエッチングを行い、高SiドープGaN層のn側電極を形成する部分を露出させ、露出した部分にNi、Al、Ti、Auの4層よりなるn電極を作製した。
【0036】
このようにしてp側およびn側の電極を形成したウェーハについて、サファイア基板の裏面を100μm厚まで研削し、研削してミラー状の面とした。その後、該ウェーハを350μm角の正方形のチップに切断し、電極が下になるように、サブマウントにボンディングし、サブマウント上の電極端子からリードフレームへ結線してフリップチップ型の発光素子とした。更に、シリコーン樹脂でほぼ半球形状になるように発光素子を樹脂で封止し、図4に示す砲弾型のLEDランプを作製した。
【0037】
上記のようにして作製したLEDランプのp側およびn側の電極間に順方向電流を流したところ、電流20mAにおける発光波長は380nm、出力値14.0mW、順方向電圧は3.4Vであった。
また、樹脂封止する前のLEDチップに通電した際のチップ表面を光学顕微鏡で観察した所、一面にGaNの深い準位間の発光と思われる黄色発光が観測されたが、その中でサファイア<1−100>方向に線状の発光強度が強い部分が存在する事が観測された。
【0038】
(比較例)
本比較例では、実施例1とほとんど同じ工程で、ただしサファイア表面が平坦なままであることだけが異なるLEDの作製を行った。
表面が平坦なサファイア基板を用い、実施例1と同じ方法で成長を行ったLED用エピタキシャルウェーハを用い、実施例1と同様に砲弾型のLEDランプを作製した。このLEDランプは、20mA通電で、発光波長380nm、出力値7.8mWであった。実施例1のLEDランプはこの比較例のLEDランプに対し、1.8倍の出力である事が確認された。
【0039】
(実施例2)
本実施例2では、表面を(0001)面とする1μm厚のAlN膜がついたサファイア基板を使用した。この基板を還元雰囲気下で1400℃の高温処理する事でAlN表面に六角錘のピットと不定形の凹凸を形成した。ピットの径は0.5〜2μm程度、大きいものはその底面がサファイア基板に達し、六角錘台形となっているものもあった。ピットや不定形の凹凸が占める面積と平坦部分の面積の比率は概ね1:0.2〜1:4程度であった。六角錘の斜面はAlNの(11−22)面のものと(1−102)面のものの2種類で構成されており、六角錘斜面と基板平面とが成す角度θはそれぞれ58°、43°であった。
この様に作製したピット形成AlN膜付きサファイア基板を十分洗浄し、MOCVD装置に投入し、実施例1と同様にしてLED用エピタキシャルウェーハを作製した。
【0040】
上記の方法で成長を行ったLED用エピタキシャルウェーハを用い、実施例1と同様に砲弾型のLEDランプを作製した。このLEDランプは、20mA通電で、発光波長380nm、出力値12.6mWであった。比較例に比べ、1.6倍の出力増となった。
【0041】
また、上記通電時のLED表面を光学顕微鏡で観察した所、一面にGaNの深い準位間の発光と思われる黄色発光が観測されたが、その中で六角形状に発光強度が強い輝点部分が存在する事が観測された。
【0042】
(実施例3)
本実施例3では、表面を(0001)面とするサファイア基板を使用した。この基板にサファイアの<1−100>方向に平行にライン幅2μm、スペース幅2μmのストライプ状のSiN膜による選択成長用マスクを形成し、十分洗浄した後、MOCVD装置に投入した。そして第1の工程として、高温下でトリメチルアルミニウム(TMAl)の蒸気を含む気体を流通し、第2の工程としてTMAlとアンモニアを流通して断面が三角形形状のストライプ状の窒化アルミニウムを成長させた。さらにその後窒化ガリウム層で平坦化させた上でLED構造を作製した。
【0043】
上記のAlN層を含む試料の作製は、MOCVD法を用いて以下の手順で行った。まず、サファイア基板を誘導加熱式ヒータのRFコイルの中に設置された石英製の反応炉の中に導入した。サファイア基板は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製サセプタ上に載置した。試料を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。
窒素ガスを10分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、10分をかけて基板温度を600℃に昇温した。基板温度を600℃に保ったまま、水素ガスを流通させながら9分間放置した。その間に、反応炉に接続された原料であるトリメチルガリウム(TMGa)の入った容器(バブラ)およびトリメチルアルミニウム(TMAl)の入った容器(バブラ)の配管に水素キャリアガスを流通して、バブリングを開始した。各バブラの温度は、温度を調整するための恒温槽を用いて一定に調整しておいた。バブリングによって発生したTMGaおよびTMAlの蒸気は、成長工程が始まるまでは、キャリアガスと一緒に除害装置への配管へ流通させ、除害装置を通して系外へ放出した。その後、窒素キャリアガスのバルブを閉として、反応炉内へ水素ガスの供給を開始した。
【0044】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を1150℃に昇温させた。1150℃で温度が安定したのを確認した後、TMAlの配管のバルブを切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給した。この際、反応炉の壁面や天板に付着した付着物の分解により、TMAlと同時に少量の窒素が基板へ供給されたと考えている。9分間の処理の後、TMAlの配管のバルブを同時に切り替え、TMAlの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給を停止し、そのまま3分間保持した。
【0045】
3分間のアニールの後、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始した。そのまま4分間アンモニアを流通させた。その間に、TMAlの配管の流量調整器の流量を調節した。4分の後、TMAlのバルブを切り替えてTMAlの炉内への供給を開始し、AlNの成長を開始した。約3時間に渡ってAlN層の成長を行った。この段階で取り出した実験ではストライプ状に表出したサファイア面上に頂点を持つ、断面が三角形のAlNが成長されていた。この段階でSiNマスクはAlNで埋め込まれていた。この斜面はAlNの(1−102)面であり、基板平面とのなす角は43°である。このあと、TMAlの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了して成長を停止した。
【0046】
AlN層の成長を終了した後、引き続きGaN層の成長を行った。3時間の成長でGaN層の成長表面を平坦化させ、n型層、発光層、p型層を順次積層しLED用エピタキシャルウェーハを作製した。
【0047】
上記の方法で成長を行ったLED用エピタキシャルウェーハを用い、実施例1と同様に砲弾型のLEDランプを作製した。このLEDランプは、20mA通電で、発光波長380nm、出力値14.8mWであった。比較例に比べ、1.9倍の出力となった。
【0048】
また、上記通電時のLED表面(サファイア面)を光学顕微鏡で観察した所、一面にGaNの深い準位間の発光と思われる黄色発光が観測されたが、その中でストライプ状に発光強度が強く太い輝線部分と弱く細い暗線部分が観測された。
【0049】
【発明の効果】
本発明の発光素子を用いると、光取り出し効率が最大2倍程度増加するので、LEDの発光出力、電光変換効率ともに最大2倍程度向上させる事ができる。この事は省エネルギーに寄与するだけでなく、再吸収による素子の発熱も抑制しLEDの安定動作、寿命の向上も促す。
【図面の簡単な説明】
【図1】光学シミュレーションに使用したGaN層を積層したサファイア基板で、基板表面に傾斜角45°の側面を有する凹凸構造をストライプ状に設けた状態の模式図。
【図2】本発明に係わる半導体発光素子の構造の一例を示す模式図。
【図3】本発明における基板等に設けられる凹凸構造の代表例の模式図。
【図4】フリップチップ型発光素子を樹脂で封止した砲弾型LEDランプの模式図。
【符号の説明】
1 基板
2 ストライプ状の凹凸
3 半導体層
4 n型半導体層
5 発光層
6 p型半導体層
θ 基板面に対する凹凸の傾斜側面の角度
31 樹脂
32 基板
33 半導体層
34 サブマウント
35 マウントカップ

Claims (4)

  1. 基板と該基板上に積層された発光層を含む半導体層とを有する発光素子において、基板と半導体層は屈折率が異なり、該基板はサファイア基板であって、かつ半導体が積層されている面が(0001)面であり、該基板の(0001)面の<1−100>方向にストライプ状に伸びた傾斜側面を有する凹凸が形成され、該傾斜側面の傾斜角度θが、基板の(0001)面に対して、30°<θ<60°であることを特徴とする発光素子。
  2. 半導体層がAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1)である請求項1に記載の発光素子。
  3. 基板と該基板上に積層された発光層を含む半導体層とを有する発光素子の製造方法において、研削法により、基板の(0001)面の<1−100>方向にストライプ状に伸びた傾斜側面を有する凹凸を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の発光素子の製造方法。
  4. 請求項1または2に記載の発光素子を用いたLEDランプ。
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