JP5165668B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関し、より具体的には、全反射によって素子内部に反射していた光の比率を減らして優れた光抽出効率を実現させた半導体発光素子及びその製造方法に関する。

半導体発光素子（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）とは、電流が印加されると、ｐ型とｎ型の半導体の接合部分における電子と正孔の再結合によって、様々な色相の光を発生することができる半導体装置である。このようなＬＥＤは、フィラメントに基づいた発光素子に比べて、長い寿命、低い電力消耗、優れた初期駆動特性、高い振動抵抗及び反復的な電源断続に対する高い公差などの多くの長所を有するので、その需要が持続的に増加している。特に近年では、青色系列の短波長領域で発光可能なIII族窒化物半導体が脚光を浴びている。

しかし、半導体発光素子の問題点の一つは低い発光効率である。発光効率は、光の生成効率と素子の外に放出される効率とによって定まるが、発光素子の内部量子効率はほぼ１００％に至る一方で、実際に素子の外部に放出される外部量子効率は非常に低い。これは、素子内部で生成した光が素子の外部に放出される時に、素子と空気との間の界面における屈折率差によって発生する全反射に起因したものである。素子内部で発生した光が素子の表面に到達した時に、入射角が臨界角よりも大きいと、光が外に抽出されずに反射して、また素子内部に進行してしまう。したがって、半導体発光素子の光抽出効率は非常に低くなる。尚、界面を抜け出せなかった光は素子内部を移動しながら熱として転換されるので、素子の熱発生量を増大させて、素子の寿命を短縮させてしまう恐れがある。

このような問題点を解決するために、電極の位置を変更した垂直構造型半導体発光素子またはフリップチップ型半導体発光素子が提案されているが、全反射による低い発光効率の問題は未だに解決されていない。

本発明は、上記のような問題点を解決するためのものであり、その目的は、全反射によって内部に進行してしまう光の損失を減らすことにより、光抽出効率を向上させた半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための手段として、本発明は、第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上面に形成された活性層と、前記活性層の上面に形成された第２導電型半導体層とを含み、前記第２導電型半導体層の上面には、半球形上部及び柱形状部を有する光抽出用パターンが形成されていることを特徴とする半導体発光素子を提供する。

前記半導体発光素子は、前記第１導電型半導体層の下面に形成された絶縁性基板と、前記第２導電型半導体層及び前記活性層の一領域の除去したことによって露出した前記第１導電型半導体層上に形成された第１電極と、前記第２導電型半導体層の上面に形成された第２電極とをさらに含むことができる。

または、前記半導体発光素子は、前記第１導電型半導体層の下面に形成された導電性基板と、前記第２導電型半導体層の上面に形成された第２導電型電極とをさらに含むことができる。

上記の目的を達成するための他の手段として、本発明は、基板上に、第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層を積層する第１ステップと、前記第２導電型半導体層の上面にマスク層を形成する第２ステップと、前記マスク層を熱処理によって凝集させて、液滴形態の多数のマスクパターンを形成する第３ステップと、前記マスクパターンが形成された面をドライエッチングして、前記第２導電型半導体層の上面に半球形上部及び柱形状部を有する光抽出用パターンを形成する第４ステップとを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法を提供する。

前記マスク層は、Ｎｉ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕからなるグループから選択された一つ以上の金属を含むことができる。

また、前記マスク層は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｉＯ_２及びＴＣＯからなるグループから選択された酸化膜であることが好ましい。

前記マスク層は、１０００Å乃至２０００Åの厚さに蒸着されることが好ましい。

前記熱処理は、５００℃乃至８００℃の温度で行われることが好ましい。

前記液滴形態の多数のマスクパターンの間隔は、約０．０５μｍ乃至０．１５μｍであることが好ましい。

前記半導体発光素子の製造方法は、前記第４ステップの後に、前記第２導電型半導体層及び前記活性層の一領域をエッチングして前記第１導電型半導体層を露出させ、露出した領域上に第１電極を形成し、第２導電型半導体層の上面に第２電極を形成するステップをさらに含むことができる。

前記第１ステップにおいて、絶縁性基板に前記第２導電型半導体層、前記活性層及び前記第１導電型半導体層を順次成長させ、前記第１導電型半導体層に導電性基板を配置した後に前記絶縁性基板を取り除くことができる。

また、前記半導体発光素子の製造方法は、前記第４ステップの後に、前記第２導電型半導体層の上面に第２導電型電極を形成するステップを行うことができる。

本発明によれば、光放出面である第２導電型半導体層の上面に光抽出用パターンを形成したので、光抽出効率を向上させることができる。光抽出用パターンは、半球形上部及び柱形状部を有し、全反射によって内部に進行する光の比率を減少させる。また、このような光抽出用パターンは光放出面に形成可能であって、水平構造及び垂直構造の半導体発光素子だけでなく、フリップチップ型半導体発光素子にも適用可能である。

本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程別の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程別の断面図である。 本発明の半導体発光素子の製造工程のうち液滴形態のマスクパターンが形成された状態を示す写真である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。但し、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるわけではない。また、本発明の実施形態は、当業界における平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張する場合があり、図面上において同じ符号で表示される要素は同じ要素である。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。図１を参照すると、本実施形態に係る半導体発光素子１００は、第１導電型半導体層１０１と、第１導電型半導体層１０１の上面に形成された活性層１０２と、活性層１０２の上面に形成された第２導電型半導体層１０３とを具備した発光構造物１２０を含んでいる。また、発光構造物１２０は絶縁性基板１１０上に形成されている。第２導電型半導体層１０３及び活性層１０２の一領域を取り除いて形成された第１導電型半導体層１０１の露出領域上には第１電極１０５が形成され、第２導電型半導体層１０３上には第２電極１０４が形成されて水平構造の半導体発光素子を構成している。

発光構造物１２０を構成する第１導電型半導体層１０１、第２導電型半導体層１０３及び活性層１０２は、これに限定されないが、窒化物半導体から構成することができる。本明細書において、「発光構造物」とは、第１導電型半導体層１０１、活性層１０２、第２導電型半導体層１０３が順次に積層されて形成された構造物を意味する。第１導電型及び第２導電型半導体層１０１、１０３はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎの組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有するｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされた半導体物質から形成することができ、代表的にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮから形成することができる。また、ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅまたはＣなどを使用することができ、ｐ型不純物としては代表的にＭｇ、ＺｎまたはＢｅなどを使用することができる。活性層１０２は、電子と正孔の再結合によって光が発生する層であって、本実施形態の場合、単一または多重量子井戸構造を有する窒化物半導体層で構成することができる。

本実施形態では窒化物半導体を使用しているが、これに限定されず、当技術分野で公知の他の種類の半導体物質を使用することも可能である。

発光構造物１２０の第２導電型半導体層１０３の上面には、多数の光抽出用パターンが形成され、それぞれの光抽出用パターンは半球形上部１０３ａと柱形状部１０３ｂとを有する。

半球形上部１０３ａ及び柱形状部１０３ｂを有する光抽出用パターンは、第２導電型半導体層１０３の一部をエッチングすることによって形成され、それぞれの光抽出用パターンの周りには空気層が形成されている。

従来の半導体発光素子の場合、活性層で発生した光が第２導電型半導体層を通じて空気（パッケージで構成される場合、Ｓｉ樹脂など）に放出される時に、臨界角以上で入射した光は、全反射によって外部に抽出されずに内部に閉じ込められてしまう。

しかしながら、本発明に係る半導体発光素子の場合には、半球形上部１０３ａ及び柱形状部１０３ｂを有する光抽出用パターンによって、外部に抽出される光の比率を向上させることができる。活性層１０２から臨界角未満で第２導電型半導体層１０３に入射した光は、素子外部に抽出される（図１のａ）。臨界角以上で入射した光の一部は、光抽出用パターンの柱形状部１０３ｂに閉じ込められるが、柱形状部１０３ｂを取り囲んでいる物質（空気）の屈折率が半導体層の屈折率より小さいため、その光は外部に抜けず柱形状部１０３ｂを通じて進行し、半球形上部１０３ａを通じて外部に抽出される（図１のｂ）。臨界角以上で入射した光のうち柱形状部１０３ｂに閉じ込められない光は、低屈折率の物質を通じて抽出される（図１のｃ）。臨界角以上で入射した光のうち、柱形状部１０３ｂに閉じ込められずに端部の半球形界面に到達した光は、半球形界面を通じて抽出されることが可能である（図１のｄ）。

半球形上部１０３ａ及び柱形状部１０３ｂを有する光抽出用パターンは、これに限定されるわけではないが、０．０５μｍ乃至１．５μｍの間隔で形成することが好ましい。

また、光抽出用パターン間の深さは、活性層１０２が露出しない範囲であれば特に限定しない。

第２導電型半導体層１０３の上面に半球形上部１０３ａ及び柱形状部１０３ｂを有する光抽出用パターンを形成する方法については後述する。

絶縁性基板１１０は、単結晶成長のために提供された基板であって、例えば、サファイア基板であることが可能である。サファイア基板は、六角‐ロンボ型（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）対称性を有する結晶体であって、ｃ軸方向には１３．００１Åの格子定数、ａ軸方向には４．７６５Åの格子間距離を有し、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面などを有する。サファイア基板は、比較的に窒化物薄膜の成長が容易で、高温で安定するため、主に窒化物成長用基板として使用される。また、窒化物半導体成長用基板として提供されたサファイア基板の代わりに、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２またはＬｉＧａＯ_２などからなる基板を使用することもできる。

図２は、本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。

図２を参照すると、本実施形態に係る半導体発光素子２００は、第１導電型半導体層２０１と、第１導電型半導体層２０１の上面に形成された活性層２０２と、活性層２０２の上面に形成された第２導電型半導体層２０３とを具備した発光構造物２２０を含んでいる。第１導電型半導体層２０１の下面には導電性基板２３０が提供され、発光構造物２２０を支持することができる。この場合、導電性基板２３０は第１導電型電極として作用し、第２導電型半導体層２０３上に第２電極２０４を形成して垂直構造の半導体発光素子を構成する。

第２導電型半導体層２０３の上面に、半球形上部及び柱形状部を有する多数の光抽出用パターンが形成されている。これに対する具体的な説明は上述した図１と同一なので省略する。

導電性基板２３０は、第１導電型電極としての役割と共に発光構造物２２０を支持する支持体の役割を果たし、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ及びＴｉで構成されるグループから選択された物質を含むことができる。

導電性基板２３０は半導体単結晶成長のために提供された基板であっても良く、または単結晶成長に有利なサファイア基板に半導体単結晶を成長させた後、サファイア基板の除去前に半導体単結晶成長面の反対側に提供された基板であっても良い。

導電性基板２３０と発光構造物２２０との間に、高反射性オーミックコンタクト層２３１をさらに含むことが可能である。高反射性オーミックコンタクト層２３１は、本発明で必ずしも必要な構成要素ではないが、第１導電型半導体層２０１とのオーミックコンタクト機能と共に、活性層２０２で発光した光を第２導電型半導体層２０３の方向に反射させる機能を行って、発光効率の向上に寄与することができる。そのため、高反射性オーミックコンタクト層２３１は、７０％以上の反射率を有することが好ましく、例えば、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕなどを含む物質から形成することができる。また、別途に図示してはいないが、高反射性オーミックコンタクト層２３１は、２層以上の構造を採用して反射効率を向上させることができ、具体的な例としては、Ｎｉ／Ａｇ、Ｚｎ／Ａｇ、Ｎｉ／Ａｌ、Ｚｎ／Ａｌ、Ｐｄ／Ａｇ、Ｐｄ／Ａｌ、Ｉｒ／Ａｇ、Ｉｒ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｇ、Ｐｔ／Ａｌ、Ｎｉ／Ａｇ／Ｐｔなどを挙げることができる。

図３は、本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。

上述した実施形態では、発光構造物の第２導電型半導体層１０３、２０３の上面に光抽出パターンを形成していたが、本実施形態では基板３１０の下面に光抽出パターンを形成することにより、フリップチップ型の半導体発光素子を製造することができる。

以下、上述した半導体発光素子を製造する方法について説明する。

図４（ａ）乃至図４（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程別の断面図である。

図４（ａ）に示すように、基板１１０上に、第１導電型半導体層１０１、活性層１０２及び第２導電型半導体層１０３を含む発光構造物１２０を形成する。発光構造物１２０は、半導体成長用基板１１０に第１導電型半導体層１０１、活性層１０２、第２導電型半導体層１０３を順次成長させる方法によって、基板１１０上に形成することができる。第１導電型及び第２導電型半導体層１０１、１０３、活性層１０２の成長は、公知の工程を利用して行うことができ、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）またはハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を利用することができる。また、別途に図示していないが、第１導電型半導体層１０１を成長させる前に、バッファ層を優先的に成長させることもできる。

その後、第２導電型半導体層１０３の表面にメタルマスク層１４０を形成する。この場合、マスク層１４０は、Ｎｉ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕからなるグループから選択された一つ以上の金属を含むことができる。またはＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｉＯ_２及びＴＣＯからなるグループから選択された酸化膜であることも可能である。

マスク層１４０は、これに限定されるわけではないが、１０００Å乃至２０００Åの厚さで蒸着することができる。

次に、マスク層１４０を熱処理（ａｎｎｅａｌ）する。熱処理温度及び時間は、マスク層１４０に利用される物質の特性によって異なるように適用することができる。熱処理は、一般的に５００℃乃至８００℃の温度で１秒以上行うことができる。

図４（ｂ）に示すように、マスク層１４０を熱処理すると、表面エネルギーを減らすために表面張力によって凝集して（Ｓｅｌｆ‐ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ）、液滴形態のマスクパターン１４０が形成される。図６は、Ｐｔを含むマスク層を５ｎｍ形成した後、８００℃で熱処理して液滴形態のマスクパターンを形成した状態を示した写真である。

この場合、マスクパターン１４０は、約０．０５μｍ乃至０．１５μｍの間隔で形成することができる。

次に、マスクパターン１４０が形成された第２導電型半導体層１０３をドライエッチングする。この場合、ドライエッチングとしては、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）／ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）方法を利用することができる。ドライエッチング工程時には、第２導電型半導体層１０３の液滴形態のマスクパターン１４０が形成されなかった部分に、矢印方向に反応ガスを投入してエッチングを行う。それにより、図４（ｃ）に示すように、第２導電型半導体層１０３のマスクパターン１４０が形成されなかった部分に、エッチングによって一定の深さの溝が形成されて柱形状のパターンが形成され、液滴形態のマスクパターンが位置する上部には半球形が形成される。

一方、エッチング処理を通じてパターンが形成された後、ウェットエッチングを利用してマスクパターンを取り除く。例えば、酸溶液（例えば、硫酸溶液）を用いてマスクパターン１４０を取り除くことができる。ここで、マスク層１４０として酸化膜を利用した場合にはマスクパターンを取り除かなくても良い。酸化膜は、透明で半導体層と類似の屈折率を有するからである。

図４（ｄ）は、マスクパターン１４０を取り除いた状態を示している。エッチングによって溝が形成されたことにより、エッチングされなかった部分は柱形状を有することになり、柱形状の上部は半球形を形成することになる。

その後、図４（ｅ）に示すように、第２導電型半導体層１０３及び活性層１０２の一領域をエッチングして、第１導電型半導体層１０１を露出させる。そして、露出した領域上に第１電極１０５を形成し、第２導電型半導体層１０３の上面に第２電極１０４を形成することにより、水平構造の半導体発光素子１００（図１参照）を製造することができる。

次に、図５（ａ）乃至図５（ｆ）は、本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程別の断面図である。

図５（ｂ）に示すように、基板２３０上に第１導電型半導体層２０１、活性層２０２及び第２導電型半導体層２０３を含む発光構造物２２０を形成する。

発光構造物２２０は、半導体結晶成長用基板２３０に第１導電型半導体層２０１、活性層２０２、第２導電型半導体層２０３を順次成長させることにより、基板２３０上に形成することができる。

また、導電性基板２３０を利用する場合には半導体結晶成長が難しいので、サファイア基板のような半導体結晶成長に有利な基板上に半導体結晶を成長させた後、外郭に位置する第１導電型半導体層２０１上に導電性基板２３０を提供することができる。より具体的には図５（ａ）に示すように、まず成長用基板２１０上に発光構造物２２０を成長させる。この時、第２導電型半導体層２０３、活性層２０２及び第１導電型半導体層２０１を順次成長用基板２１０上に成長させる。その後、第１導電型半導体層２０１の上面に導電性基板２３０を提供し、成長用基板２１０を取り除く。単結晶成長用に提供された基板２１０を除去する時に、導電性基板２３０によって相対的に薄い発光構造物２２０をより容易に扱うことができる。

こうして成長用基板２１０を取り除いて、第２導電型半導体層２０３の一面を外部に露出させる。本ステップでは、代表的に、レーザーリフトオフ（ＬＬＯ）工程を利用することができるが、これに限定せず他の機械的または化学的工程を利用することも可能である。

導電性基板２３０を配置する時に、高反射性オーミックコンタクト層２３１を形成することができる。

高反射性オーミックコンタクト層２３１を形成するために、公知の色々な方法を利用することができ、スパッタリング、蒸着工程などを例に挙げることができる。

図５（ｂ）に示すように、第２導電型半導体層２０３の表面にメタルマスク層２４０を形成する。

その後、上述したように、熱処理及びエッチング工程を行う。図５（ｃ）乃至図５（ｅ）は、このような工程を順に示したものであり、図４と同様の過程で行われる。

その後、図５（ｆ）に示すように、第２導電型半導体層２０３の上面に第２導電型電極２０４を形成して、垂直構造の半導体発光素子２００を製造することができる。

本発明は、上述した実施形態及び添付した図面によって限定されるわけではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されるものである。従って、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で当技術分野における通常の知識を有する者であれば、様々な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属するものである。

１０１、２０１ 第１導電型半導体層
１０２、２０２ 活性層
１０３、２０３ 第２導電型半導体層
１０４、２０４ 第２電極
１０５ 第１電極
１１０、２１０ 絶縁性基板
１３０、２３０ 導電性基板
１４０、２４０ マスク層

Claims (11)

1. 第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層の上面に形成された活性層と、
   前記活性層の上面に形成された第２導電型半導体層と、
   前記第２導電型半導体層の上面に形成された第２電極とを含み、
   前記第２導電型半導体層の上面には、半球形上部及び柱形状部を有する光抽出用パターンが形成され、前記第２電極は前記光抽出用パターンの上面に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１導電型半導体層の下面に形成された絶縁性基板と、
   前記第２導電型半導体層及び前記活性層の一領域を除去したことによって露出した前記第１導電型半導体層上に形成された第１電極と
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記第１導電型半導体層の下面に形成された導電性基板をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 基板上に、第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層を積層する第１ステップと、
   前記第２導電型半導体層の上面にマスク層を形成する第２ステップと、
   前記マスク層を熱処理によって凝集させて、液滴形態の多数のマスクパターンを形成する第３ステップと、
   前記マスクパターンが形成された面をドライエッチングして、前記第２導電型半導体層の上面に半球形上部及び柱形状部を有する光抽出用パターンを形成する第４ステップと、
   前記第２導電型半導体層の上面に第２電極を形成する第５ステップとを含み、
   前記第２電極は前記光抽出用パターンの上面に形成されていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
5. 前記マスク層は、Ｎｉ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕからなるグループから選択された一つ以上の金属を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記マスク層は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｉＯ_２及びＴＣＯからなるグループから選択された酸化膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
7. 前記マスク層は、１０００Å乃至２０００Åの厚さに蒸着されることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記熱処理は、５００℃乃至８００℃の温度で行われることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
9. 前記液滴形態の多数のマスクパターンの間隔は、約０．０５μｍ乃至０．１５μｍであることを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
10. 前記第４ステップの後に、前記第２導電型半導体層及び前記活性層の一領域をエッチングして前記第１導電型半導体層を露出させ、露出した領域上に第１電極を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４乃至請求項９のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
11. 前記第１ステップにおいて、絶縁性基板に前記第２導電型半導体層、前記活性層及び前記第１導電型半導体層を順次成長させ、前記第１導電型半導体層に導電性基板を配置した後に前記絶縁性基板を取り除くことを特徴とする請求項４乃至請求項９のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。