JP5246236B2

JP5246236B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法

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Publication number: JP5246236B2
Application number: JP2010220463A
Authority: JP
Inventors: 州吾新田; 真仁中井; 大輔篠田; 義樹齋藤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012079722A

Description

本発明は、凹凸加工されたサファイア基板を用いて光取り出し効率を向上させたIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。

近年、III 族窒化物半導体発光素子は一般照明用途に利用され始めており、光取り出し効率の改善が強く求められている。光取り出し効率を向上させる方法の１つとして、サファイア基板に凹凸加工を施す方法が知られている（特許文献１、２など）。凹凸を設けずに平坦とした場合、素子内部においてサファイア基板に水平な方向へ伝搬する光は、半導体層内に閉じ込められ、多重反射を繰り返すなどして減衰していたが、サファイア基板に凹凸を設けることでこの水平方向に伝搬する光を垂直な方向に反射・散乱させて外部に取り出すことができ、光取り出し効率を向上させることができる。

特開２００３−３１８４４１特開２００７−１９３１８

さらなる光取り出し効率の向上のためには、サファイア基板の凹凸の深さをより深くし、凹凸側面の傾斜角度（凹部側面ないし凸部側面がサファイア基板主面に対して成す角度）を４０〜８０°とすることが考えられる。しかし、このような凹凸加工では、半導体結晶にピットが発生してしまったり、結晶方位のばらつきが大きくなってしまう。

そこで本発明の目的は、凹凸加工基板を用いたIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、さらなる光取り出し効率の向上を図るとともに、ピットの発生を抑制し、結晶方位のばらつきを小さくすることである。

第１の発明は、凹凸加工されたｃ面を主面とするサファイア基板上にバッファ層を介してIII 族窒化物半導体からなる積層構造を形成するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、サファイア基板の凹凸は、主面上に形成された凸部であって、高さが１．２〜２．５μｍ、側面の傾斜角度が４０〜８０°、間隔が２〜８μｍの周期的に配列されたドット状の凸部を有し、凹凸の形成後、バッファ層の形成前に、サファイア基板を、水素を含む雰囲気中１０００〜１２００℃の温度で熱処理を行い、サファイア基板上に形成された凹凸に沿ってＡｌＮから成るバッファ層を形成し、バッファ層の上に、凹凸の主面に平行なｃ面から成長させ、凸部の斜面からは成長させずに、凹凸を埋め込んで結晶表面を平坦化するＳｉがドープされたＧａＮから成る埋め込み層を、その埋め込み層の上に成長させる半導体層の成長温度よりも３０〜７０℃低い温度で形成し、埋め込み層の上に、半導体層を１０５０〜１２００℃の範囲の温度で形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。

サファイア基板に設けられる凹凸のパターンは、ドット状の凸部をマトリクス状など周期的に配列したパターンである。ドット状の凸部は、たとえば、角錐台、円錐台、角柱、円柱、角錐、円錐などの形状である。凸部の高さを１．２〜２．５μｍとするのは、１．２μｍよりも低いと光取り出し効率向上の効果が十分でなく、２．５μｍよりも高いと凹凸を埋め込んで平坦化することが難しくなるためである。より望ましくは１．４〜２．０μｍである。凹凸側面の傾斜角度（凸部の側面がサファイア基板主面に対して成す角度）を４０〜８０°とするのは、この範囲であればより光取り出し効率を向上させることができるためである。より光取り出し効率を向上させるためにさらに望ましいのは５０〜７０°である。

バッファ層は、Ａｌ組成比が高いほど結晶のピットの発生を抑制する効果が高く、結晶方位のばらつきが小さくなるため望ましい。特にＡｌ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮとするのが望ましく、最も望ましいのはＡｌＮとすることである。

サファイア基板に凹凸加工を施した後、バッファ層を形成する前に、水素を含む雰囲気中１０００〜１２００℃の温度で熱処理を行う。結晶成長の初期において凹凸側面に結晶核が発生するのを抑制し、結晶方位のばらつきを小さくすることができる。

なお、本発明とは別に、下記の特徴が明細書に記載されている。
サファイア基板に設けられる凹凸のパターンは、ドット状の凸部または凹部をマトリクス状など周期的に配列したパターンや、ストライプ状のパターンなどである。ドット状の凸部または凹部は、たとえば、角錐台、円錐台、角柱、円柱、角錐、円錐、半球状、などの形状である。凹凸の深さ（凹部の深さまたは凸部の高さ）を１．２〜２．５μｍとするのは、１．２μｍよりも浅いと光取り出し効率向上の効果が十分でなく、２．５μｍよりも深いと凹凸を埋め込んで平坦化することが難しくなるためである。より望ましくは１．４〜２．０μｍである。凹凸側面の傾斜角度（凹部の側面あるいは凸部の側面がサファイア基板主面に対して成す角度）を４０〜８０°とするのは、この範囲であればより光取り出し効率を向上させることができるためである。より光取り出し効率を向上させるためにさらに望ましいのは５０〜７０°である。

本発明によれば、サファイア基板の凹凸を、深さ１．２〜２．５μｍ、凹凸側面の傾斜角度４０〜８０°に形成して光取り出し効率の向上を図った場合であっても、結晶にピットが発生するのを抑制することができ、結晶方位のばらつきを抑制することができる。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について示した図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構造について示した図。結晶表面を撮影した写真。結晶成長の様子を模式的に示した図。ＸＲＣ半値幅のサーマルクリーニング温度依存性を示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図２は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、凹凸加工されたサファイア基板１０を用いることで、光取り出し効率を向上させた構造である。サファイア基板１０は主面をｃ面とし、サファイア基板１０上には、ＡｌＮからなるバッファ層１１を介して埋め込み層１２、ｎ型層１３、発光層１４、ｐ型層１５が順に積層されている。サファイア基板１０に設けられた凹凸は、高さ１．２〜２．５μｍのドット状（正六角推台）の凸部１９を、所定間隔で周期的に配列したパターンである。凸部１９側面１９ａの、サファイア基板１０の主面に対する傾斜角度θは、４０〜８０°である。この範囲であれば光取り出し効率をより向上させることができる。

バッファ層１１は、ＡｌＮに限るものではなく、Ａｌを含むIII 族窒化物半導体であればよい。しかし、Ａｌ組成比が高いほど結晶にピットが発生するのを抑制する効果が高く、結晶方位のばらつきを小さくすることができるため、Ａｌ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮを用いることが望ましい。最も望ましいのは、本実施例のようにＡｌＮを用いることである。

サファイア基板１０に設ける凹凸のパターンは、上記のようなドット状の凸部１９を周期的に配列したパターンに限るものではなく、凹凸の深さ（凹部の深さまたは凸部の高さ）が１．２〜２．５μｍであって、凹凸側面の傾斜角度（凹部側面ないし凸部側面がサファイア基板主面に対して成す角度）θが４０〜８０°であれば任意のパターンでよい。たとえば、ドット状の凹部を周期的に配列したパターンや、凹部または凸部をストライプ状に配列したパターンでもよい。また、必ずしも周期的なパターンである必要はない。ドット状の凸部または凹部は、角錐台、円錐台、角錐、円錐、半球状などである。ただし、半球状の場合、サファイア基板１０に接続する部分の接線の角度が４０〜８０°とする。凹凸の深さを１．２〜２．５μｍとするのは、凹凸の深さが１．２μｍよりも小さいと、その凹凸による光取り出し効率向上効果が十分でなく、２．５μｍよりも大きいと、凹凸を埋め込んで結晶表面を平坦化することが難しくなるためである。より望ましい凹凸の深さは、１．４〜２μｍである。ドット状の凸部を周期的に配列したパターンや凸部をストライプ状に周期的に配列したパターンとする場合、凹凸の埋め込みを容易とするために凸部の間隔を２μｍ以上とすることが好ましく、光取り出し効率向上のために凸部の間隔を８μｍ以下とするのが好ましい。

埋め込み層１２は、凹凸を埋め込んで結晶表面を平坦化するための層である。ＧａＮからなる埋め込み層１２を形成する場合、成長温度はｎ型層１３の成長温度（１０５０〜１２００℃）よりも３０〜７０℃低い温度がよい。ピットの発生を抑制することができる。また、埋め込み層１２にＳｉをドープすることで、より凹凸の埋め込みが容易となる。

ｎ型層１３、発光層１４、ｐ型層１５は、従来より知られる任意の構造でよい。たとえばｎ型層１３は、埋め込み層１２側から順に、ＧａＮからなる高濃度にＳｉがドープされたｎ型コンタクト層、ＧａＮからなるｎクラッド層が順に積層された構造である。また、たとえば発光層１４は、ＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。また、たとえばｐ型層１５は、発光層１４側から順に、ＡｌＧａＮからなるＭｇがドープされたｐクラッド層、ＧａＮからなるＭｇがドープされたｐコンタクト層が積層された構造である。

ｐ型層１５上の一部領域には、ＩＴＯからなる透明電極１６が形成されている。また、発光層１４、ｐ型層１５の一部は除去されてｎ型層１３が露出している。その露出したｎ型層１３上にはｎ電極１７、透明電極１６上にはｐ電極１８が形成されている。

次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について、図１を参照に説明する。

まず、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、サファイア基板１０表面に所定のパターンの凹凸加工を施す（図１（ａ））。凹凸は、上記のようにドット状の凸部１９を周期的に配列したパターンであり、凸部１９の高さは１．２〜２．５μｍ、凸部１９側面１９ａの傾斜角度θは４０〜８０°である。凸部１９の高さはエッチング時間によって制御することができ、凸部１９側面１９ａの傾斜角度θは、レジストマスクの形状などによって制御可能である。

次に、水素雰囲気中１０００〜１２００℃の温度で熱処理を行い、サファイア基板１０表面の不純物等を除去する。このサーマルクリーニングによって、後の埋め込み層１２形成時に、成長初期において結晶成長核がに凸部１９側面１９ａに発生するのを抑制することができる。

次に、凹凸加工されたサファイア基板１０上に、その凹凸に沿って、ＡｌＮからなるバッファ層１１を３００〜６００℃でＭＯＣＶＤ法によって形成する（図１（ｂ））。

次に、バッファ層１１上に、埋め込み層１２をＭＯＣＶＤ法によって形成する。埋め込み層１２の厚さは３〜６μｍとし、凹凸を埋め込んで埋め込み層１２の表面が平坦になるように形成する（図１（ｃ））。ここで、バッファ層１１としてＡｌＮを用いているため、埋め込み層１２の成長初期において、結晶核はサファイア基板１０表面のｃ面にのみ発生し、ｃ面ではない凸部１９側面１９ａに結晶核が発生するのが抑制される。このバッファ層１１としてＡｌＮを用いたことと、バッファ層１１形成前のサーマルクリーニングを行ったことによる凸部１９側面１９ａでの結晶核発生を抑制する効果のため、側面１９ａの傾斜角度θが４０〜８０°の凸部１９の高さを１．２〜２．５μｍと高くし、凸部１９側面１９ａの面積が広くなる場合であっても、埋め込み層１２は結晶にピットが発生せず、結晶方位のばらつきが少ない高品質な結晶となる。

次に、埋め込み層１２上に、続いてｎ型層１３、発光層１４、ｐ型層１５を順にＭＯＣＶＤ法によって形成し（図１（ｄ））、ｐ型層１５上の一部領域にＩＴＯからなる透明電極１６を形成する。そして、発光層１４とｐ型層１５を一部エッチングし、ｎ型層１３を露出させる。露出させたｎ型層１３上にはｎ電極１７、透明電極１６上にはｐ電極１８を形成する。以上により実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。

図３は、ｎ型層１３の表面を撮影した写真である。図３（ａ）は、実施例１において以下の条件で作製した場合（以下、実施例１の試料）のｎ型層１３表面である。凸部１９の高さを１．５μｍ、凸部１９側面１９ａの傾斜角度θを６０°とし、サーマルクリーニングの温度を１１５０℃、バッファ層１１は３８０℃でＡｌＮを６０秒堆積、埋め込み層１２は１１２５℃でＳｉをドープして成長させた。また、図３（ｂ）は、バッファ層１１として５２０℃でＧａＮを２４０秒堆積した以外は図３（ａ）と同様にして作製した場合（以下、比較例１の試料）のｎ型層１３表面である。図３のように、バッファ層１１としてＧａＮを用いた場合には結晶表面に大きなピットが多数生じてしまったのに対して、バッファ層１１としてＡｌＮを用いた場合には、ピットが全く生じていないことがわかる。

図４（ａ）は、バッファ層１１としてＡｌＮを用いた場合、図４（ｂ）は、バッファ層１１としてＧａＮを用いた場合の、結晶成長の様子を模式的に示した図である。図４（ａ）のように、バッファ層１１としてＡｌＮを用いた場合には、成長初期ではサファイア基板１０のｃ面の領域にのみ選択的にＧａＮが成長し、ｃ面ではない凸部１９側面１９ａにはＧａＮが成長しない。そして、ｃ面から成長したＧａＮのみによって埋め込み層１２が形成されるため、面方位が均一で高品質な結晶となる。一方、図４（ｂ）のように、バッファ層１１としてＧａＮを用いた場合には、サファイア基板１０のｃ面の領域だけでなく、凸部１９側面１９ａにもＧａＮが成長する。この凸部１９側面１９ａから成長したＧａＮは多結晶となってしまったり、ｃ面から成長したＧａＮとは面方位が異なるため、埋め込み層１２は多結晶や面方位が異なる結晶が混在した品質の低い結晶となる。

図５（ａ）は、（０００２）面ＸＲＣ（Ｘ線ロッキングカーブ）の半値幅、図５（ｂ）は、（１０−１０）面ＸＲＣの半値幅のサーマルクリーニング温度依存性を示したグラフである。測定に用いた試料は、実施例１、比較例１の試料のほか、サファイア基板１０に凹凸加工をせずにバッファ層１１とＧａＮを用いた以外は同様にして作製した試料（比較例２の試料）、凸部１９の高さを０．７μｍ、側面の傾斜角度を７５°とし、バッファ層１１としてＧａＮを用い、それ以外は同様にして作製した試料（比較例３の試料）である。

図５（ａ）、（ｂ）のように、バッファ層１１としてＡｌＮを用いた場合には、ＸＲＣの半値幅にサーマルクリーニング温度の依存性はほとんど見られないことがわかる。また、サーマルクリーニング温度によらずピットは発生しなかった。一方、バッファ層１１としてＧａＮを用いた場合には、比較例２、３ではＸＲＣの半値幅にサーマルクリーニング温度の依存性はほとんど見られなかったが、サーマルクリーニング温度が１１２５℃よりも高いとピットの発生が見られた。また、比較例１では、サーマルクリーニング温度が１１００℃以下ではＸＲＣ半値幅が増大し、結晶性が悪化してしまうことがわかる。また、比較例１では、サーマルクリーニング温度が１１２５℃よりも高いとピットの発生が見られた。このように、比較例１のように凸部１９を高くしてしまうと、バッファ層１１としてＧａＮを用いている場合には、ピットの発生の抑制と、結晶性の改善とを、サーマルクリーニング温度による制御で両立させることが困難となっている。これに対し、実施例１のようにバッファ層１１としてＡｌＮを用いている場合には、凸部１９が高くとも、ピットの発生の抑制と、結晶性の改善とを両立させることが可能となっている。

また、図５から、バッファ層１１のＡｌ組成比が高いほど、サーマルクリーニング温度低下によるＸＲＣ半値幅の増加割合は小さくなっていくものと推察される。したがって、バッファ層１１にＡｌＮ以外を用いる場合には、Ａｌ組成比がなるべく高いIII 族窒化物半導体を用いるのがよく、特にＡｌ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮが望ましいと考えられる。

なお、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子はフェイスアップ型であるが、本発明はフリップチップ型にも採用することができる。

本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置などに用いることができる。

１０：サファイア基板
１１：バッファ層
１２：埋め込み層
１３：ｎ型層
１４：発光層
１５：ｐ型層
１６：透明電極
１７：ｎ電極
１８：ｐ電極
１９：凸部

Claims

凹凸加工されたｃ面を主面とするサファイア基板上にバッファ層を介してIII 族窒化物半導体からなる積層構造を形成するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記サファイア基板の前記凹凸は、前記主面上に形成された凸部であって、高さが１．２〜２．５μｍ、側面の傾斜角度が４０〜８０°、間隔が２〜８μｍの周期的に配列されたドット状の凸部を有し、
前記凹凸の形成後、前記バッファ層の形成前に、前記サファイア基板を、水素を含む雰囲気中１０００〜１２００℃の温度で熱処理を行い、
前記サファイア基板上に形成された前記凹凸に沿ってＡｌＮから成るバッファ層を形成し、
前記バッファ層の上に、前記凹凸の前記主面に平行なｃ面から成長させ、前記前記凸部の斜面からは成長させずに、前記凹凸を埋め込んで結晶表面を平坦化するＳｉがドープされたＧａＮから成る埋め込み層を、その埋め込み層の上に成長させる半導体層の成長温度よりも３０〜７０℃低い温度で形成し、
前記埋め込み層の上に、前記半導体層を１０５０〜１２００℃の範囲の温度で形成する
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。