テンプレート、その製造方法及びこれを用いた垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法
【課題】成長する窒化物層の品質を改善させることができ、さらに、製造工程の作業性が改善され、発光素子の発光効率を改善することができるテンプレートの製造方法及びこれを用いた窒化物半導体発光素子の製造方法の提供。
【解決手段】基板１００上に３族物質を含む第１の窒化物層２１０を成長させる段階、前記第１の窒化物層の上側に、前記の第１の窒化物層とエッチング特性が相違する多数個のエッチングバリア２１２を形成する段階、クロライド系列のガスで前記の第１の窒化物層を前記エッチングバリアのパターンに沿ってエッチングして柱状のナノ構造物を形成する段階、そして前記ナノ構造物上側に第２の窒化物層を成長させて、内部に多数個の空隙２１４を備える窒化物緩衝層を形成する段階を含む。
【解決手段】基板１００上に３族物質を含む第１の窒化物層２１０を成長させる段階、前記第１の窒化物層の上側に、前記の第１の窒化物層とエッチング特性が相違する多数個のエッチングバリア２１２を形成する段階、クロライド系列のガスで前記の第１の窒化物層を前記エッチングバリアのパターンに沿ってエッチングして柱状のナノ構造物を形成する段階、そして前記ナノ構造物上側に第２の窒化物層を成長させて、内部に多数個の空隙２１４を備える窒化物緩衝層を形成する段階を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テンプレートを用いて窒化物半導体発光素子を製造する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体発光素子は、長い寿命、低い電力消耗、優れた初期駆動特性、及び高い振動抵抗等の様々な長所を有するため、需要が持続的に増加している。
【０００３】
一般的に、窒化物半導体発光素子は、基板上に成長するｎ型窒化物層、活性層、ｐ型窒化物層を含む多数個の窒化物層で構成される。ここで、ｎ型窒化物層とｐ型窒化物層は、それぞれ電子と正孔を活性層に提供して、これらが活性層で再結合しながら発光が起きる。
【０００４】
ところが、一般的にサファイア（Ａｌ２Ｏ３）等の材質で形成される基板は、窒化物層と格子定数が異なるため、基板上に窒化物層を直接成長させると格子の歪みが激しく発生する。よって、近年は、基板上にアンドーピング窒化物層が蒸着されたテンプレートを用いることにより、窒化物層の成長時に格子の歪みを緩和させる方法が提案されている。しかし、この方法による場合も、１０９〜１０１０／ｃｍ２の転位密度が表れるため、窒化物層の結晶品質の改善には限界がある。
【０００５】
近年、このような転位密度を低減させる方法として、アンドーピング窒化物層が蒸着されたテンプレート上にＳｉＯ２等でパターンを備えるマスクを形成し、マスクの開口した部分から窒化物層を成長させてマスク上に側面成長を誘導するＥＬＯ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）方式等の成長技術が提案されている。しかし、このような成長技術は、ＣＶＤ法等によるＳｉＯ２膜蒸着工程、レジストの塗布工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング及び洗浄工程等を伴うため、工程が複雑で多くの時間がかかるという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記のような問題点を解決するために、多孔性構造の窒化物緩衝層を備え、基板の格子定数の差により発生する応力を低減し、転位を解消できるテンプレートの製造方法及びこれを用いた垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法を提供するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の本発明の目的は、基板上に３族物質を含む第１の窒化物層を成長させること、前記の第１の窒化物層の上側に、前記の第１の窒化物層とエッチング特性が相違する多数個のエッチングバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成すること、クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列のガスで前記の第１の窒化物層を前記エッチングバリアのパターンに沿ってエッチングして柱状のナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成すること、そして前記ナノ構造物の上側に第２の窒化物層を成長させ、内部に多数個の空隙を備える窒化物緩衝層を形成することを含むテンプレートの製造方法によって達成できる。
【０００８】
一方、前記の本発明の目的は、成長基板上にエッチングバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）が形成されたバッファ層成長させること、クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列のガスで前記エッチングバリアが形成されたパターンに沿って前記バッファ層をエッチングして柱状のナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成すること、前記ナノ構造物の上側にｎ型窒化物層、活性層及びｐ型窒化物層を成長させて内部に多数個の空隙が形成された窒化物多重層を形成すること、前記窒化物多重層の上側に導電性基板を設けること、前記の多数個の空隙が形成された部分を切断面にして前記成長基板を除去すること、そして前記切断面を加工して電極パッドを形成することを含む垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法によって達成することもできる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、アンドーピング窒化物層に形成される多数個の空隙によって格子間応力が緩和され、転位欠陥が減少してテンプレートに成長する窒化物層の品質を改善させることができる。
【００１０】
さらに、本発明のテンプレートを用いて発光素子を製造すると、製造工程の作業性が改善され、発光素子の発光効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の好ましい第１の実施例にかかるテンプレートの断面を図示した断面図である。
【図２】図１のテンプレートを製造する段階を図示した順序図である。
【図３】図２のテンプレートを製造する段階を概略的に図示した図面である。
【図４】図２のエッチングバリアを形成しない状態で１５分間エッチング工程を行った第１の窒化物層の断面をＳＥＭ撮影した写真である。
【図５】エッチングバリアを形成した状態で１５分間エッチング工程を行った第１の窒化物層の断面をＳＥＭ撮影した写真である。
【図６】前記の方式で製造された水平型窒化物半導体の断面を図示した断面図である。
【図７】本発明を利用した垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法を概略的に図示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を具体的に説明する。但し、下記の実施例では、発光素子の製造に用いられるテンプレートを中心に説明するが、本発明がこれに限定されるのではなく、これ以外にも窒化物の成長に用いられる多様なテンプレートに適用できる。
【００１３】
図１は、本発明の好ましい第１実施例にかかるテンプレートの断面を図示した断面図である。
【００１４】
図１に示されたように、本実施例にかかるテンプレート１０は、基板１００ 及び基板１００上に成長する窒化物緩衝層２００を含んで構成される。そして、窒化物緩衝層２００は多数個の空隙２１４が形成された多孔性構造からなり、窒化物緩衝層２００の上側に他の窒化物層が積層成長することもできる。
【００１５】
基板１００は、窒化物層の成長が始まる基礎面を形成し、窒化物層の格子成長に適した材質からなる。本実施例では、六方晶系構造からなり、高温で安定した特性を有するサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を用いる。但し、これ以外にもスピネル（ＭｇＡｌＯ４）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、砒化ガリウム（ＡｓＧａ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の材質で構成された基板を用いることができる。
【００１６】
そして、サファイア基板１００上面には窒化物緩衝層２００が形成される。本実施例では、サファイア基板１００のように六方晶系構造を有する窒化ガリウム（ＧａＮ：ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ）層を用いて窒化物緩衝層２００を構成し、これ以外の３族窒化物層を用いて窒化物緩衝層２００を構成することもできる。
【００１７】
図１に示されたように、窒化物緩衝層２００は、ＧａＮ材質の第１の窒化物層２１０及び第２の窒化物層２２０で構成される。第１の窒化物層２１０は、サファイア基板１００に成長し、その後、異方性エッチング（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｅｔｃｈｉｎｇ）工程によって上層部に多数個のナノ構造物２１３が形成される。そして、第２の窒化物層がナノ構造物２１３上にルーフ（ｒｏｏｆ）構造を形成するように成長し、図１に示されたように、多数個の空隙２１４を備えた窒化物緩衝層２００を形成する。
【００１８】
このとき、窒化物緩衝層２００内側に多数個のエッチングバリア２１２が備えられる。エッチングバリア２１２は、第１の窒化物層上に異物質がドーピングされた領域であり、該当領域はドーピングされた異物質によって相違する格子構造を形成することにより、隣接した窒化物層と相違するエッチング特性を有する。
【００１９】
ここで、異物質とは、第１の窒化物層２１０の格子を形成する３族元素と異なる物質を意味し、該当格子構造で３族元素の代わりに置換されて格子を形成できる２族、３族、又は４族等の物質でも良い。
【００２０】
このような異物質がドーピングされた位置は、エッチング工程時の異物質がドーピングされない窒化物層に比べてエッチングがうまく行われないエッチングバリア２１２の特性を有する。よって、異方性エッチング工程進行時に、エッチングバリア２１２のパターンに沿って一定の大きさのナノ構造物２１３を形成でき、このようなナノ構造物２１３から均一な大きさの空隙２１４を形成することができる。
【００２１】
図２は、図１のテンプレートを製造する段階を図示した順序図であり、図３は図２のテンプレートを製造する段階を概略的に図示したものである。以下では、図２及び図３を参照して窒化物緩衝層の成長方法について具体的に説明する。
【００２２】
先ず、図３のａに示されたように、サファイア基板上に０．２〜１０μｍの厚さに第１の窒化物層２１０を成長させる（Ｓ１０）。本工程は、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置、ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）装置またはＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）装置で行うことができ、本実施例では窒化物層格子の良好な成長のためにＭＯＣＶＤ装置を用いる。
【００２３】
ＭＯＣＶＤ装置内部にサファイア基板１００を安着させ、水素（Ｈ２）キャリアガスと一緒にトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ３）を供給して、ｕ−ＧａＮ（ｕｎｄｏｐｐｅｄ−ＧａＮ）材質の第１の窒化物層２１０を成長させる。このとき、成長工程初期には５００〜７００℃の低温で約１０分〜３０分、２０ｎｍのｕ−ＧａＮ層を成長させてバッファを形成した後、温度を１０００〜１２００℃まで上昇させて約２μｍの厚さに更にｕ−ＧａＮ層を成長させて第１の窒化物層を形成する。
【００２４】
そして、第１の窒化物層上にエッチングバリアを形成する段階を行う（Ｓ２０）。本段階では、以前の段階と同様に、ＭＯＣＶＤ装置内部にｕ−ＧａＮ層の成長のためのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ３）を供給するが、さらに異物質を含む工程ガスを供給する。よって、本段階はＭＯＣＶＤ装置でインシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で行い、前述の第１の窒化物層の成長段階と連続して行うことができる。
【００２５】
本実施例では、異物質としてマグネシウム（Ｍｇ）を使用し、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ３）と一緒にＣｐ２Ｍｇ（ｂｉｓ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）を少量供給して窒化物層薄膜２１１を成長させる。このとき、Ｃｐ２Ｍｇで熱分解されたマグネシウム原子は、窒化物層薄膜２１１のＧａＮ格子中、Ｇａの位置で格子構造を形成する。ここで、マグネシウムの原子は、Ｇａ原子より大きい原子半径を有するため、ドーピングされたマグネシウム原子によって該当格子は勿論、これと隣接する格子構造にまで変形が生じることになる。よって、鏡のように（ｍｉｒｒｏｒ−ｌｉｋｅ）滑らかな窒化物層の上面に、所定パターンで六角形状のヒルロック（ｈｉｌｌｒｏｃｋ）が形成される。このように、ドーピングされた異物質によって格子構造が変形した位置は、隣接の窒化物層に比べてエッチング工程時にエッチングが十分に行われないエッチングバリア２１２を形成する。
【００２６】
本実施例では、エッチングバリアを形成するための異物質としてマグネシウムを用いたが、これは一例に過ぎなく、本発明がこれに限定されるのではない。これ以外にも、２族、３族、４族の多様な元素を異物質として利用でき、好ましくは、本段階をインシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）方式で行うことができるように、発光素子の窒化物層の成長時に使用されるマグネシウム（Ｍｇ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）のいずれか又は多数個の物質を用いることができる。
【００２７】
このように、第１の窒化物層上にエッチングバリアが形成されたら、ナノ構造物（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成するためのエッチング工程を行う（Ｓ３０）。このとき、ＭＯＣＶＤ装置で連続的にエッチング工程を行う場合、以前の段階でチャンバ内壁にコーティングされた窒化物層がエッチングされて多量のパーティクルが発生する恐れがある。よって、本エッチング工程は、エクスシチュ（ｅｘ−ｓｉｔｕ）工程により行われ、一例として高温のエッチング環境を提供できるＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）装置を用いる。
【００２８】
第１の窒化物層にエッチングバリアが形成された基板をＭＯＣＶＤ装置からＨＶＰＥ装置に移動し、ＨＶＰＥ装置の内部温度を８００℃以上に上昇させる。そして、クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列のガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給して異方性エッチングを行う。本実施例では、クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列ガスの一例として塩化水素（ＨＣｌ）を用いる。ここで、塩化水素（ＨＣｌ）だけを供給したり、アンモニア（ＮＨ３）ガスだけを供給する場合にも第１の窒化物層をエッチングする効果が見られるが、この場合は、エッチングが行われない部分の窒化物層構造まで不安定になる恐れがある。よって、塩化水素（ＨＣｌ）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスをそれぞれ０〜１０００ｓｃｃｍと１００〜２０００ｓｃｃｍの範囲で組み合わせて供給することが好ましく、本実施例ではそれぞれ３００ｓｃｃｍ及び１０００ｓｃｃｍで供給してエッチング工程を行う。
【００２９】
図４はエッチングバリアを形成しない状態で１５分間エッチング工程を行った第１の窒化物層の断面をＳＥＭ撮影した様子であり、図５はエッチングバリアを形成した状態で１５分間エッチング工程を行った第１の窒化物層の断面をＳＥＭ撮影したものである。
【００３０】
図４及び図５に示されたように、エッチング工程が行われることにより、第１の窒化物層２１０の上面は下向きに異方性エッチングが行われると共に、窪んだ形状の多数個のバレー（ｖａｌｌｅｙ）構造を形成し、エッチングが行われなかった部分では多数個のナノ構造物２１３を形成する（図３のｃ参照）。但し、図４のようにエッチングバリア２１２が形成されない状態では窒化物層の上面でランダムにエッチングが行われるため、ナノ構造物の大きさ及び形状が非常に不規則になるしかない。これに比べて、本実施例のように窒化物層上面にエッチングバリア２１２が形成された場合は、窒化物層上面中のエッチングバリアが位置していない部分でエッチングが行われ、エッチングバリア２１２が形成された位置にはそれぞれナノ構造物が形成される（図５参照）。
【００３１】
このように、本実施例のようにエッチングバリア２１２を用いて窒化物層をエッチングするようにすると、位置別エッチング選択性に優れるため、一定の大きさのナノ構造物２１３を形成することができる。また、エッチングバリアを用いず窒化物層をエッチングする場合は、ナノ構造物の端部が尖った形状からなっているため、第２の窒化物層の成長時に水平成長を誘導することが困難だったが（図４参照）、本実施例によると、ナノ構造物２１３の端部が丸いつぼみ状を有するため、第２の窒化物層２２０の成長時に水平成長を誘導して空隙を形成することが容易だという長所がある。
【００３２】
前述のエッチング工程によりナノ構造物を形成すると、第１の窒化物層２１０を所定時間冷却させる段階を行う。冷却段階は、ＨＶＰＥ装置により自然冷却方式で行われ、本工程により第１の窒化物層２１０を安定化させることができる。本冷却段階は、１５〜６０分間行うことができ、本実施例では３０分間自然冷却を行う。
【００３３】
その後、第２の窒化物層２２０を成長させるために基板をＨＶＰＥ装置からＭＯＣＶＤ装置に移動させる。このとき、ＭＯＣＶＤ装置以外の他の装置で第２の窒化物層を成長させることもできるが、本実施例では数μｍの範囲内で第２の窒化物層の水平方向の成長を誘導できるようにＭＯＣＶＤ装置を用いる。
【００３４】
先ず、基板１００をＭＯＣＶＤ装置内部に搬入させた後、第２の窒化物層２２０の成長環境を組成するためにヒーターを駆動して工程空間の温度を上昇させる。工程空間の温度を上昇させる間は、持続的にアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給できる。このようにアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給することにより、温度上昇中に成長済みの第１の窒化物層２１０にクラック（ｃｒａｃｋ）が発生することを防止でき、基板を移動させる過程で第１の窒化物層２１０上に形成され得る酸化膜を除去することができる。
【００３５】
そして、ＭＯＣＶＤ装置の温度が十分に上昇すると、水素（Ｈ２）キャリアガスと一緒にトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ３）を供給してＧａＮ材質の第２の窒化物層を成長させる（Ｓ４０、図３のｄ参照）。
【００３６】
ここで、第２の窒化物層２２０の成長工程初めには第２の窒化物層２２０がナノ構造物２１３の上側で水平成長が行われるように一般的なＧａＮ成長環境に比べて低圧高温の環境を組成することが好ましい。よって、本実施例では、第２の窒化物層２２０成長工程初めには１１５０〜１２５０℃の高温と２００ｍｂ以下の低圧環境でＧａＮ層が水平方向に成長してルーフ構造を形成するように誘導する。第２の窒化物層２２０が水平成長してナノ構造物の上側にルーフ構造を形成した後は、工程環境をそれぞれ１０００〜１２００℃の温度及び３００ｍｂ以上の圧力に調節してＧａＮ層を垂直方向に１〜５μｍ程度成長させる。但し、本段階の具体的な工程条件は、ナノ構造物２１３の大きさ又は形成しようとする空隙２１４のサイズ等を考慮して当業者が変更して実施できる。
【００３７】
このような過程によって成長した窒化物緩衝層２００は、内部に多数個の空隙２１４構造を備える。特に、本発明の場合は高さが一定でつぼみ状の端部を有するナノ構造物を利用するため、容易に空隙２１４構造を形成できるだけでなく、比較的均一に分布する一定の大きさの空隙２１４を備えることができる。
【００３８】
このような空隙２１４構造は、窒化物層とサファイア基板間の格子定数及び熱膨張係数の差によって発生する応力（ｓｔｒｅｓｓ）を緩和させることができる。そして、基板と隣接した窒化物層で発生する転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が空隙構造によって解消されると共に、窒化物層上側に行われることを遮断させることができる。
【００３９】
実際に、本実施例によって成長した窒化物緩衝層の転位密度を測定した結果、窒化物緩衝層の厚さが２〜４μｍの場合も１０６／ｃｍ２程の転位密度が測定され、これは従来に比べて転位密度が１％以下に減少された数値である。
【００４０】
よって、本発明にかかるテンプレートは、応力が緩和され、転位密度が減少した窒化物緩衝層を備えるため、窒化物緩衝層の上面に良好な結晶品質を有する発光素子の窒化物層を成長させることができ、実験の結果、従来に比べて発光効率が３０〜４０％程度改善された発光素子を製造することができる。
【００４１】
一方、本発明にかかるテンプレートは、前述の実施例以外にも様々な方式に応用して製作できる。
【００４２】
例えば、本発明にかかるテンプレートは一つの異物質を利用してエッチングバリアを形成したが、これ以外にも二つ以上の異物質をドーピングしてエッチングバリアを形成できる。この場合、ドーピングされた異物質の種類に応じてエッチングバリアのエッチング特性が相違する。よって、エッチング工程時に様々な大きさと様々な端部形状を有するナノ構造物を形成できる。
【００４３】
別の例としては、本発明にかかるテンプレートは異物質を含むドーピングガスを供給してランダムなパターンでエッチングバリアを形成したが、これ以外にもマスク等を利用する別途のパターン形成装置により設計された位置にエッチングバリアを形成することができる。この場合、エッチングバリアのパターンを制御できるため、ナノ構造物及び空隙の形成位置を制御することができる。
【００４４】
また別の例としては、本発明にかかるテンプレートは、同一な平面上にエッチングバリアを単層で形成したが、これ以外にも多層構造のエッチングバリアを形成することもできる。例えば、エッチングバリアを形成する段階で、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ３）と一緒にＣｐ２Ｍｇ（ｂｉｓ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）を供給してマグネシウムドーピングされた第１の窒化物薄膜を形成し、Ｃｐ２Ｍｇ（ｂｉｓ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）の供給を所定時間中断してアンドーピングされた第２の窒化物薄膜を形成した後、再度Ｃｐ２Ｍｇ（ｂｉｓ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）の供給を再開してマグネシウムドーピングされた第２の窒化物薄膜を形成することができる。この場合、エッチング工程により二種類の高さを有するナノ構造物を形成することができるため、ナノ構造物によって形成される空隙の形状を多様化できる。
【００４５】
このように、本発明は様々な形態にエッチングバリアを形成することにより、ナノ構造物及び空隙の形状、大きさ及びパターンを多様に制御できる。よって、使用される用途に応じて使用者が望む空隙構造を有するテンプレートを提供することができる。
【００４６】
本発明にかかるテンプレートは、前述のように窒化物緩衝層上側に発光素子の窒化物層を成長させることができ、図６はこのような方式で製造された水平型窒化物半導体の断面を図示したものである。
【００４７】
図６に示されたように、水平型窒化物半導体発光素子２０は、テンプレート１０の上側にｎ型窒化物層３１０、活性層３２０及びｐ型窒化物層３３０が順に積層される構造である。よって、ＭＯＣＶＤ装置でテンプレート１０の窒化物緩衝層２００を成長させた後、連続工程で発光素子の窒化物層を成長させることができる。
【００４８】
本実施例のようにテンプレート１０の第１、第２の窒化物層２１０、２２０をアンドーピングＧａＮ材質で成長させる場合は、第２の窒化物層を成長させた後、温度と工程ガスを制御しながら、ｎ型窒化物層、活性層及びｐ型窒化物層を順に成長させる。
【００４９】
但し、これ以外にも第１の窒化物層のエッチング工程を行った後、第２の窒化物層としてｎ型窒化物層を成長させ、ｎ型窒化物層上にさらに活性層及びｐ型窒化物層を成長させることもできる。
【００５０】
このように、本発明による水平型窒化物半導体発光素子は、基板１００と隣接した窒化物層に多数個の空隙が形成されるため、窒化物層の応力及び転位密度が減少して内部量子効率が改善され、分極現象を改善することができる。
【００５１】
また、このような空隙は、隣接する窒化物層と相違する屈折率を有する。よって、基板方向に進行する光が多数個の空隙を経ながら散乱または屈折して経路が転換されるため、発光素子の光抽出効率を改善することができる。
【００５２】
一方、本発明は垂直型窒化物半導体発光素子を製造する工程にも利用することができ、図７では、本発明を利用した垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法を概略的に図示している。
【００５３】
先ず、前述のテンプレートを製造する方法と同様に、窒化物層成長基板１００にアンドーピング窒化物層を成長させ、アンドーピング窒化物層上に所定パターンでエッチングバリアを形成した後、エッチング工程を行う。そして、エッチング工程によって形成されるナノ構造物の上側に直接ｎ型窒化物層４１０、活性層４２０及びｐ型窒化物層４３０を順に成長させて発光素子の窒化物多重層を形成する。その後、アンドーピング窒化物層とｎ型窒化物層の境界部に多数個の空隙が配置される（図７のａ参照）。
【００５４】
窒化物多重層の成長が完了したら、ｐ型窒化物層上側に導電性接着層４４０を形成してから導電性基板４５０を付着する。ここで、導電性基板４５０は外部回路と電気的に連結されｐ側電極を形成する。
【００５５】
そして、窒化物層から成長基板１００を除去する段階を行う（図７のｂ参照）。ここで、成長基板１００に成長した窒化物層中、多数個の空隙２１４が形成された位置は、窒化物層がナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）形態で存在するため、他の位置の窒化物層に比べて相対的に弱い構造を有する。よって、本発明では多数個の空隙２１４が形成された位置を除去面にして成長基板１００を容易に分離させることができる。
【００５６】
このとき、成長基板１００と隣接する位置の窒化物層にレーザーを照射して基板を除去するレーザーリフトオフ（ＬＬＯ：ｌａｓｅｒ ｌｉｆｔ ｏｆｆ）方式を利用することができる。但し、従来は窒化物層が堅固な格子構造を形成していたため、レーザー照射時に窒化物層が激しく毀損して収率が低調になるという問題があったが、本発明によると、多数個の空隙２１４によって相対的に弱い構造を有する位置にレーザーを照射することにより、窒化物層の毀損を最少化させることができる。
【００５７】
前述のＬＬＯ方式以外にも、窒化物層と成長基板１００の温度を制御して成長基板を分離させることもできる。一般的に、サファイア材質の成長基板と窒化物層は、熱膨張係数の差が大きいため、成長基板上に窒化物層が成長した高温の環境から冷却が行われると、熱変形によって窒化物層に大きな応力が発生することになる。実験の結果、成長基板を冷却することにより多数個の空隙が形成される部分に沿って亀裂が発生し、この部分に少量のエネルギーをさらに提供することにより成長基板を分離させることができる。
【００５８】
このように、本発明は多数個の空隙が形成された位置を基準に成長基板を容易に分離できる。そして、成長基板分離時に窒化物層に加えられる応力の変化もまた相対的に少なく発生するため、従来と比べて良好な品質の自立膜（ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を形成することができる。
【００５９】
また、成長基板１００が分離されると、電極パッド３６０を設けるために、ｎ型窒化物層４１０が露出されるように除去面を加工する段階を行う。従来の場合は、除去面加工時にはｎ型窒化物層４１０が露出されたかを見計らいながら本段階を行わなければらないという困難があったが、本発明によると、アンドーピング窒化物層１２０とｎ型窒化物層４１０の境界で除去面が形成されるため、本段階をより容易に行うことができる。
【００６０】
このように、本発明は良好な品質の窒化物層の形成に寄与するだけでなく、発光素子の製造時に作業性が改善され、発光効率及び耐久性に優れた発光素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０：テンプレート、１００：基板、２００：窒化物緩衝層、２１０：第１の窒化物層、２１２：エッチングバリア、２１３：ナノ構造物、２１４：空隙
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テンプレートを用いて窒化物半導体発光素子を製造する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体発光素子は、長い寿命、低い電力消耗、優れた初期駆動特性、及び高い振動抵抗等の様々な長所を有するため、需要が持続的に増加している。
【０００３】
一般的に、窒化物半導体発光素子は、基板上に成長するｎ型窒化物層、活性層、ｐ型窒化物層を含む多数個の窒化物層で構成される。ここで、ｎ型窒化物層とｐ型窒化物層は、それぞれ電子と正孔を活性層に提供して、これらが活性層で再結合しながら発光が起きる。
【０００４】
ところが、一般的にサファイア（Ａｌ２Ｏ３）等の材質で形成される基板は、窒化物層と格子定数が異なるため、基板上に窒化物層を直接成長させると格子の歪みが激しく発生する。よって、近年は、基板上にアンドーピング窒化物層が蒸着されたテンプレートを用いることにより、窒化物層の成長時に格子の歪みを緩和させる方法が提案されている。しかし、この方法による場合も、１０９〜１０１０／ｃｍ２の転位密度が表れるため、窒化物層の結晶品質の改善には限界がある。
【０００５】
近年、このような転位密度を低減させる方法として、アンドーピング窒化物層が蒸着されたテンプレート上にＳｉＯ２等でパターンを備えるマスクを形成し、マスクの開口した部分から窒化物層を成長させてマスク上に側面成長を誘導するＥＬＯ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）方式等の成長技術が提案されている。しかし、このような成長技術は、ＣＶＤ法等によるＳｉＯ２膜蒸着工程、レジストの塗布工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング及び洗浄工程等を伴うため、工程が複雑で多くの時間がかかるという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記のような問題点を解決するために、多孔性構造の窒化物緩衝層を備え、基板の格子定数の差により発生する応力を低減し、転位を解消できるテンプレートの製造方法及びこれを用いた垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法を提供するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の本発明の目的は、基板上に３族物質を含む第１の窒化物層を成長させること、前記の第１の窒化物層の上側に、前記の第１の窒化物層とエッチング特性が相違する多数個のエッチングバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成すること、クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列のガスで前記の第１の窒化物層を前記エッチングバリアのパターンに沿ってエッチングして柱状のナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成すること、そして前記ナノ構造物の上側に第２の窒化物層を成長させ、内部に多数個の空隙を備える窒化物緩衝層を形成することを含むテンプレートの製造方法によって達成できる。
【０００８】
一方、前記の本発明の目的は、成長基板上にエッチングバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）が形成されたバッファ層成長させること、クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列のガスで前記エッチングバリアが形成されたパターンに沿って前記バッファ層をエッチングして柱状のナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成すること、前記ナノ構造物の上側にｎ型窒化物層、活性層及びｐ型窒化物層を成長させて内部に多数個の空隙が形成された窒化物多重層を形成すること、前記窒化物多重層の上側に導電性基板を設けること、前記の多数個の空隙が形成された部分を切断面にして前記成長基板を除去すること、そして前記切断面を加工して電極パッドを形成することを含む垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法によって達成することもできる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、アンドーピング窒化物層に形成される多数個の空隙によって格子間応力が緩和され、転位欠陥が減少してテンプレートに成長する窒化物層の品質を改善させることができる。
【００１０】
さらに、本発明のテンプレートを用いて発光素子を製造すると、製造工程の作業性が改善され、発光素子の発光効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の好ましい第１の実施例にかかるテンプレートの断面を図示した断面図である。
【図２】図１のテンプレートを製造する段階を図示した順序図である。
【図３】図２のテンプレートを製造する段階を概略的に図示した図面である。
【図４】図２のエッチングバリアを形成しない状態で１５分間エッチング工程を行った第１の窒化物層の断面をＳＥＭ撮影した写真である。
【図５】エッチングバリアを形成した状態で１５分間エッチング工程を行った第１の窒化物層の断面をＳＥＭ撮影した写真である。
【図６】前記の方式で製造された水平型窒化物半導体の断面を図示した断面図である。
【図７】本発明を利用した垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法を概略的に図示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を具体的に説明する。但し、下記の実施例では、発光素子の製造に用いられるテンプレートを中心に説明するが、本発明がこれに限定されるのではなく、これ以外にも窒化物の成長に用いられる多様なテンプレートに適用できる。
【００１３】
図１は、本発明の好ましい第１実施例にかかるテンプレートの断面を図示した断面図である。
【００１４】
図１に示されたように、本実施例にかかるテンプレート１０は、基板１００ 及び基板１００上に成長する窒化物緩衝層２００を含んで構成される。そして、窒化物緩衝層２００は多数個の空隙２１４が形成された多孔性構造からなり、窒化物緩衝層２００の上側に他の窒化物層が積層成長することもできる。
【００１５】
基板１００は、窒化物層の成長が始まる基礎面を形成し、窒化物層の格子成長に適した材質からなる。本実施例では、六方晶系構造からなり、高温で安定した特性を有するサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を用いる。但し、これ以外にもスピネル（ＭｇＡｌＯ４）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、砒化ガリウム（ＡｓＧａ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の材質で構成された基板を用いることができる。
【００１６】
そして、サファイア基板１００上面には窒化物緩衝層２００が形成される。本実施例では、サファイア基板１００のように六方晶系構造を有する窒化ガリウム（ＧａＮ：ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ）層を用いて窒化物緩衝層２００を構成し、これ以外の３族窒化物層を用いて窒化物緩衝層２００を構成することもできる。
【００１７】
図１に示されたように、窒化物緩衝層２００は、ＧａＮ材質の第１の窒化物層２１０及び第２の窒化物層２２０で構成される。第１の窒化物層２１０は、サファイア基板１００に成長し、その後、異方性エッチング（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｅｔｃｈｉｎｇ）工程によって上層部に多数個のナノ構造物２１３が形成される。そして、第２の窒化物層がナノ構造物２１３上にルーフ（ｒｏｏｆ）構造を形成するように成長し、図１に示されたように、多数個の空隙２１４を備えた窒化物緩衝層２００を形成する。
【００１８】
このとき、窒化物緩衝層２００内側に多数個のエッチングバリア２１２が備えられる。エッチングバリア２１２は、第１の窒化物層上に異物質がドーピングされた領域であり、該当領域はドーピングされた異物質によって相違する格子構造を形成することにより、隣接した窒化物層と相違するエッチング特性を有する。
【００１９】
ここで、異物質とは、第１の窒化物層２１０の格子を形成する３族元素と異なる物質を意味し、該当格子構造で３族元素の代わりに置換されて格子を形成できる２族、３族、又は４族等の物質でも良い。
【００２０】
このような異物質がドーピングされた位置は、エッチング工程時の異物質がドーピングされない窒化物層に比べてエッチングがうまく行われないエッチングバリア２１２の特性を有する。よって、異方性エッチング工程進行時に、エッチングバリア２１２のパターンに沿って一定の大きさのナノ構造物２１３を形成でき、このようなナノ構造物２１３から均一な大きさの空隙２１４を形成することができる。
【００２１】
図２は、図１のテンプレートを製造する段階を図示した順序図であり、図３は図２のテンプレートを製造する段階を概略的に図示したものである。以下では、図２及び図３を参照して窒化物緩衝層の成長方法について具体的に説明する。
【００２２】
先ず、図３のａに示されたように、サファイア基板上に０．２〜１０μｍの厚さに第１の窒化物層２１０を成長させる（Ｓ１０）。本工程は、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置、ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）装置またはＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）装置で行うことができ、本実施例では窒化物層格子の良好な成長のためにＭＯＣＶＤ装置を用いる。
【００２３】
ＭＯＣＶＤ装置内部にサファイア基板１００を安着させ、水素（Ｈ２）キャリアガスと一緒にトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ３）を供給して、ｕ−ＧａＮ（ｕｎｄｏｐｐｅｄ−ＧａＮ）材質の第１の窒化物層２１０を成長させる。このとき、成長工程初期には５００〜７００℃の低温で約１０分〜３０分、２０ｎｍのｕ−ＧａＮ層を成長させてバッファを形成した後、温度を１０００〜１２００℃まで上昇させて約２μｍの厚さに更にｕ−ＧａＮ層を成長させて第１の窒化物層を形成する。
【００２４】
そして、第１の窒化物層上にエッチングバリアを形成する段階を行う（Ｓ２０）。本段階では、以前の段階と同様に、ＭＯＣＶＤ装置内部にｕ−ＧａＮ層の成長のためのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ３）を供給するが、さらに異物質を含む工程ガスを供給する。よって、本段階はＭＯＣＶＤ装置でインシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で行い、前述の第１の窒化物層の成長段階と連続して行うことができる。
【００２５】
本実施例では、異物質としてマグネシウム（Ｍｇ）を使用し、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ３）と一緒にＣｐ２Ｍｇ（ｂｉｓ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）を少量供給して窒化物層薄膜２１１を成長させる。このとき、Ｃｐ２Ｍｇで熱分解されたマグネシウム原子は、窒化物層薄膜２１１のＧａＮ格子中、Ｇａの位置で格子構造を形成する。ここで、マグネシウムの原子は、Ｇａ原子より大きい原子半径を有するため、ドーピングされたマグネシウム原子によって該当格子は勿論、これと隣接する格子構造にまで変形が生じることになる。よって、鏡のように（ｍｉｒｒｏｒ−ｌｉｋｅ）滑らかな窒化物層の上面に、所定パターンで六角形状のヒルロック（ｈｉｌｌｒｏｃｋ）が形成される。このように、ドーピングされた異物質によって格子構造が変形した位置は、隣接の窒化物層に比べてエッチング工程時にエッチングが十分に行われないエッチングバリア２１２を形成する。
【００２６】
本実施例では、エッチングバリアを形成するための異物質としてマグネシウムを用いたが、これは一例に過ぎなく、本発明がこれに限定されるのではない。これ以外にも、２族、３族、４族の多様な元素を異物質として利用でき、好ましくは、本段階をインシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）方式で行うことができるように、発光素子の窒化物層の成長時に使用されるマグネシウム（Ｍｇ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）のいずれか又は多数個の物質を用いることができる。
【００２７】
このように、第１の窒化物層上にエッチングバリアが形成されたら、ナノ構造物（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成するためのエッチング工程を行う（Ｓ３０）。このとき、ＭＯＣＶＤ装置で連続的にエッチング工程を行う場合、以前の段階でチャンバ内壁にコーティングされた窒化物層がエッチングされて多量のパーティクルが発生する恐れがある。よって、本エッチング工程は、エクスシチュ（ｅｘ−ｓｉｔｕ）工程により行われ、一例として高温のエッチング環境を提供できるＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）装置を用いる。
【００２８】
第１の窒化物層にエッチングバリアが形成された基板をＭＯＣＶＤ装置からＨＶＰＥ装置に移動し、ＨＶＰＥ装置の内部温度を８００℃以上に上昇させる。そして、クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列のガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給して異方性エッチングを行う。本実施例では、クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列ガスの一例として塩化水素（ＨＣｌ）を用いる。ここで、塩化水素（ＨＣｌ）だけを供給したり、アンモニア（ＮＨ３）ガスだけを供給する場合にも第１の窒化物層をエッチングする効果が見られるが、この場合は、エッチングが行われない部分の窒化物層構造まで不安定になる恐れがある。よって、塩化水素（ＨＣｌ）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスをそれぞれ０〜１０００ｓｃｃｍと１００〜２０００ｓｃｃｍの範囲で組み合わせて供給することが好ましく、本実施例ではそれぞれ３００ｓｃｃｍ及び１０００ｓｃｃｍで供給してエッチング工程を行う。
【００２９】
図４はエッチングバリアを形成しない状態で１５分間エッチング工程を行った第１の窒化物層の断面をＳＥＭ撮影した様子であり、図５はエッチングバリアを形成した状態で１５分間エッチング工程を行った第１の窒化物層の断面をＳＥＭ撮影したものである。
【００３０】
図４及び図５に示されたように、エッチング工程が行われることにより、第１の窒化物層２１０の上面は下向きに異方性エッチングが行われると共に、窪んだ形状の多数個のバレー（ｖａｌｌｅｙ）構造を形成し、エッチングが行われなかった部分では多数個のナノ構造物２１３を形成する（図３のｃ参照）。但し、図４のようにエッチングバリア２１２が形成されない状態では窒化物層の上面でランダムにエッチングが行われるため、ナノ構造物の大きさ及び形状が非常に不規則になるしかない。これに比べて、本実施例のように窒化物層上面にエッチングバリア２１２が形成された場合は、窒化物層上面中のエッチングバリアが位置していない部分でエッチングが行われ、エッチングバリア２１２が形成された位置にはそれぞれナノ構造物が形成される（図５参照）。
【００３１】
このように、本実施例のようにエッチングバリア２１２を用いて窒化物層をエッチングするようにすると、位置別エッチング選択性に優れるため、一定の大きさのナノ構造物２１３を形成することができる。また、エッチングバリアを用いず窒化物層をエッチングする場合は、ナノ構造物の端部が尖った形状からなっているため、第２の窒化物層の成長時に水平成長を誘導することが困難だったが（図４参照）、本実施例によると、ナノ構造物２１３の端部が丸いつぼみ状を有するため、第２の窒化物層２２０の成長時に水平成長を誘導して空隙を形成することが容易だという長所がある。
【００３２】
前述のエッチング工程によりナノ構造物を形成すると、第１の窒化物層２１０を所定時間冷却させる段階を行う。冷却段階は、ＨＶＰＥ装置により自然冷却方式で行われ、本工程により第１の窒化物層２１０を安定化させることができる。本冷却段階は、１５〜６０分間行うことができ、本実施例では３０分間自然冷却を行う。
【００３３】
その後、第２の窒化物層２２０を成長させるために基板をＨＶＰＥ装置からＭＯＣＶＤ装置に移動させる。このとき、ＭＯＣＶＤ装置以外の他の装置で第２の窒化物層を成長させることもできるが、本実施例では数μｍの範囲内で第２の窒化物層の水平方向の成長を誘導できるようにＭＯＣＶＤ装置を用いる。
【００３４】
先ず、基板１００をＭＯＣＶＤ装置内部に搬入させた後、第２の窒化物層２２０の成長環境を組成するためにヒーターを駆動して工程空間の温度を上昇させる。工程空間の温度を上昇させる間は、持続的にアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給できる。このようにアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給することにより、温度上昇中に成長済みの第１の窒化物層２１０にクラック（ｃｒａｃｋ）が発生することを防止でき、基板を移動させる過程で第１の窒化物層２１０上に形成され得る酸化膜を除去することができる。
【００３５】
そして、ＭＯＣＶＤ装置の温度が十分に上昇すると、水素（Ｈ２）キャリアガスと一緒にトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ３）を供給してＧａＮ材質の第２の窒化物層を成長させる（Ｓ４０、図３のｄ参照）。
【００３６】
ここで、第２の窒化物層２２０の成長工程初めには第２の窒化物層２２０がナノ構造物２１３の上側で水平成長が行われるように一般的なＧａＮ成長環境に比べて低圧高温の環境を組成することが好ましい。よって、本実施例では、第２の窒化物層２２０成長工程初めには１１５０〜１２５０℃の高温と２００ｍｂ以下の低圧環境でＧａＮ層が水平方向に成長してルーフ構造を形成するように誘導する。第２の窒化物層２２０が水平成長してナノ構造物の上側にルーフ構造を形成した後は、工程環境をそれぞれ１０００〜１２００℃の温度及び３００ｍｂ以上の圧力に調節してＧａＮ層を垂直方向に１〜５μｍ程度成長させる。但し、本段階の具体的な工程条件は、ナノ構造物２１３の大きさ又は形成しようとする空隙２１４のサイズ等を考慮して当業者が変更して実施できる。
【００３７】
このような過程によって成長した窒化物緩衝層２００は、内部に多数個の空隙２１４構造を備える。特に、本発明の場合は高さが一定でつぼみ状の端部を有するナノ構造物を利用するため、容易に空隙２１４構造を形成できるだけでなく、比較的均一に分布する一定の大きさの空隙２１４を備えることができる。
【００３８】
このような空隙２１４構造は、窒化物層とサファイア基板間の格子定数及び熱膨張係数の差によって発生する応力（ｓｔｒｅｓｓ）を緩和させることができる。そして、基板と隣接した窒化物層で発生する転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が空隙構造によって解消されると共に、窒化物層上側に行われることを遮断させることができる。
【００３９】
実際に、本実施例によって成長した窒化物緩衝層の転位密度を測定した結果、窒化物緩衝層の厚さが２〜４μｍの場合も１０６／ｃｍ２程の転位密度が測定され、これは従来に比べて転位密度が１％以下に減少された数値である。
【００４０】
よって、本発明にかかるテンプレートは、応力が緩和され、転位密度が減少した窒化物緩衝層を備えるため、窒化物緩衝層の上面に良好な結晶品質を有する発光素子の窒化物層を成長させることができ、実験の結果、従来に比べて発光効率が３０〜４０％程度改善された発光素子を製造することができる。
【００４１】
一方、本発明にかかるテンプレートは、前述の実施例以外にも様々な方式に応用して製作できる。
【００４２】
例えば、本発明にかかるテンプレートは一つの異物質を利用してエッチングバリアを形成したが、これ以外にも二つ以上の異物質をドーピングしてエッチングバリアを形成できる。この場合、ドーピングされた異物質の種類に応じてエッチングバリアのエッチング特性が相違する。よって、エッチング工程時に様々な大きさと様々な端部形状を有するナノ構造物を形成できる。
【００４３】
別の例としては、本発明にかかるテンプレートは異物質を含むドーピングガスを供給してランダムなパターンでエッチングバリアを形成したが、これ以外にもマスク等を利用する別途のパターン形成装置により設計された位置にエッチングバリアを形成することができる。この場合、エッチングバリアのパターンを制御できるため、ナノ構造物及び空隙の形成位置を制御することができる。
【００４４】
また別の例としては、本発明にかかるテンプレートは、同一な平面上にエッチングバリアを単層で形成したが、これ以外にも多層構造のエッチングバリアを形成することもできる。例えば、エッチングバリアを形成する段階で、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ３）と一緒にＣｐ２Ｍｇ（ｂｉｓ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）を供給してマグネシウムドーピングされた第１の窒化物薄膜を形成し、Ｃｐ２Ｍｇ（ｂｉｓ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）の供給を所定時間中断してアンドーピングされた第２の窒化物薄膜を形成した後、再度Ｃｐ２Ｍｇ（ｂｉｓ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）の供給を再開してマグネシウムドーピングされた第２の窒化物薄膜を形成することができる。この場合、エッチング工程により二種類の高さを有するナノ構造物を形成することができるため、ナノ構造物によって形成される空隙の形状を多様化できる。
【００４５】
このように、本発明は様々な形態にエッチングバリアを形成することにより、ナノ構造物及び空隙の形状、大きさ及びパターンを多様に制御できる。よって、使用される用途に応じて使用者が望む空隙構造を有するテンプレートを提供することができる。
【００４６】
本発明にかかるテンプレートは、前述のように窒化物緩衝層上側に発光素子の窒化物層を成長させることができ、図６はこのような方式で製造された水平型窒化物半導体の断面を図示したものである。
【００４７】
図６に示されたように、水平型窒化物半導体発光素子２０は、テンプレート１０の上側にｎ型窒化物層３１０、活性層３２０及びｐ型窒化物層３３０が順に積層される構造である。よって、ＭＯＣＶＤ装置でテンプレート１０の窒化物緩衝層２００を成長させた後、連続工程で発光素子の窒化物層を成長させることができる。
【００４８】
本実施例のようにテンプレート１０の第１、第２の窒化物層２１０、２２０をアンドーピングＧａＮ材質で成長させる場合は、第２の窒化物層を成長させた後、温度と工程ガスを制御しながら、ｎ型窒化物層、活性層及びｐ型窒化物層を順に成長させる。
【００４９】
但し、これ以外にも第１の窒化物層のエッチング工程を行った後、第２の窒化物層としてｎ型窒化物層を成長させ、ｎ型窒化物層上にさらに活性層及びｐ型窒化物層を成長させることもできる。
【００５０】
このように、本発明による水平型窒化物半導体発光素子は、基板１００と隣接した窒化物層に多数個の空隙が形成されるため、窒化物層の応力及び転位密度が減少して内部量子効率が改善され、分極現象を改善することができる。
【００５１】
また、このような空隙は、隣接する窒化物層と相違する屈折率を有する。よって、基板方向に進行する光が多数個の空隙を経ながら散乱または屈折して経路が転換されるため、発光素子の光抽出効率を改善することができる。
【００５２】
一方、本発明は垂直型窒化物半導体発光素子を製造する工程にも利用することができ、図７では、本発明を利用した垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法を概略的に図示している。
【００５３】
先ず、前述のテンプレートを製造する方法と同様に、窒化物層成長基板１００にアンドーピング窒化物層を成長させ、アンドーピング窒化物層上に所定パターンでエッチングバリアを形成した後、エッチング工程を行う。そして、エッチング工程によって形成されるナノ構造物の上側に直接ｎ型窒化物層４１０、活性層４２０及びｐ型窒化物層４３０を順に成長させて発光素子の窒化物多重層を形成する。その後、アンドーピング窒化物層とｎ型窒化物層の境界部に多数個の空隙が配置される（図７のａ参照）。
【００５４】
窒化物多重層の成長が完了したら、ｐ型窒化物層上側に導電性接着層４４０を形成してから導電性基板４５０を付着する。ここで、導電性基板４５０は外部回路と電気的に連結されｐ側電極を形成する。
【００５５】
そして、窒化物層から成長基板１００を除去する段階を行う（図７のｂ参照）。ここで、成長基板１００に成長した窒化物層中、多数個の空隙２１４が形成された位置は、窒化物層がナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）形態で存在するため、他の位置の窒化物層に比べて相対的に弱い構造を有する。よって、本発明では多数個の空隙２１４が形成された位置を除去面にして成長基板１００を容易に分離させることができる。
【００５６】
このとき、成長基板１００と隣接する位置の窒化物層にレーザーを照射して基板を除去するレーザーリフトオフ（ＬＬＯ：ｌａｓｅｒ ｌｉｆｔ ｏｆｆ）方式を利用することができる。但し、従来は窒化物層が堅固な格子構造を形成していたため、レーザー照射時に窒化物層が激しく毀損して収率が低調になるという問題があったが、本発明によると、多数個の空隙２１４によって相対的に弱い構造を有する位置にレーザーを照射することにより、窒化物層の毀損を最少化させることができる。
【００５７】
前述のＬＬＯ方式以外にも、窒化物層と成長基板１００の温度を制御して成長基板を分離させることもできる。一般的に、サファイア材質の成長基板と窒化物層は、熱膨張係数の差が大きいため、成長基板上に窒化物層が成長した高温の環境から冷却が行われると、熱変形によって窒化物層に大きな応力が発生することになる。実験の結果、成長基板を冷却することにより多数個の空隙が形成される部分に沿って亀裂が発生し、この部分に少量のエネルギーをさらに提供することにより成長基板を分離させることができる。
【００５８】
このように、本発明は多数個の空隙が形成された位置を基準に成長基板を容易に分離できる。そして、成長基板分離時に窒化物層に加えられる応力の変化もまた相対的に少なく発生するため、従来と比べて良好な品質の自立膜（ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を形成することができる。
【００５９】
また、成長基板１００が分離されると、電極パッド３６０を設けるために、ｎ型窒化物層４１０が露出されるように除去面を加工する段階を行う。従来の場合は、除去面加工時にはｎ型窒化物層４１０が露出されたかを見計らいながら本段階を行わなければらないという困難があったが、本発明によると、アンドーピング窒化物層１２０とｎ型窒化物層４１０の境界で除去面が形成されるため、本段階をより容易に行うことができる。
【００６０】
このように、本発明は良好な品質の窒化物層の形成に寄与するだけでなく、発光素子の製造時に作業性が改善され、発光効率及び耐久性に優れた発光素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０：テンプレート、１００：基板、２００：窒化物緩衝層、２１０：第１の窒化物層、２１２：エッチングバリア、２１３：ナノ構造物、２１４：空隙
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物緩衝層を含むテンプレートにおいて、
基板と、前記基板上に形成されて多数個の空隙構造を有する窒化物緩衝層を含み、
前記窒化物緩衝層は、上側に多数個のナノ構造物を形成する第１の窒化物層、及び前記多数個のナノ構造物上側にルーフ構造を形成する第２の窒化物層を含み、前記多数個のナノ構造物の上段部には隣接する部分と相違するエッチング特性を有する多数個のエッチングバリアが形成されたことを特徴とするテンプレート。
【請求項２】
前記エッチングバリアは、前記の第１の窒化物層上に異物質がドーピングされて形成されることを特徴とする請求項１に記載のテンプレート。
【請求項３】
前記異物質は、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）の１以上の物質を含むことを特徴とする請求項２に記載のテンプレート。
【請求項４】
窒化物緩衝層を含むテンプレートの製造方法において、
基板上に３族物質を含む第１の窒化物層を成長させること；
前記の第１の窒化物層の上側に、前記の第１の窒化物層とエッチング特性が相違する多 数個のエッチングバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成すること；
クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列のガスで前記の第１の窒化物層を前記エッチングバリアのパターンによってエッチングして柱状のナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成すること；及び
前記ナノ構造物上側に第２の窒化物層を成長させて、内部に多数個の空隙を備える窒化物緩衝層を形成すること；を含むテンプレートの製造方法。
【請求項５】
前記エッチングバリアの形成は、異物質がドーピングされた窒化物薄膜を成長させる工程からなり、前記異物質がドーピングされた位置に前記エッチングバリアが形成されることを特徴とする請求項４に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項６】
前記ナノ構造物は、前記エッチングバリアが形成された位置に形成されることを特徴とする請求項５に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項７】
前記異物質は、前記の第１の窒化物層の前記３族物質より原子半径が大きいことを特徴とする請求項５に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項８】
前記異物質は、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）の少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項５に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項９】
前記エッチングバリアの形成は、前記の第１の窒化物層を成長させた後インシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で行うことを特徴とする請求項４に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項１０】
前記の第１の窒化物層の成長は、前記基板上側に複数個の工程ガスを供給して行い、
前記エッチングバリアの形成は、前記複数個の工程ガスと共に前記異物質を含むドーピングガスをさらに供給して、前記の第１の窒化物層を成長させることを連続する工程で行うことを特徴とする請求項４に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項１１】
前記エッチングバリアの形成は、
前記異物質がドーピングされた第１の窒化物薄膜を成長させること、
前記異物質がドーピングされない第２の窒化物薄膜を成長させること、及び
前記異物質がドーピングされた第３の窒化物薄膜を成長させることを含むことを特徴とする請求項４に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項１２】
窒化物多重層を含むテンプレートを用いて垂直型窒化物発光素子を製造する方法において、
成長基板上にエッチングバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）が形成されたアンドーピング窒化物層を成長させること；
クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列のガスで前記エッチングバリアが形成されたパターンに従い、前記アンドーピング窒化物層をエッチングして柱状のナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成すること；
前記ナノ構造物の上側にｎ型窒化物層、活性層及びｐ型窒化物層を成長させて内部に多数個の空隙が形成された窒化物多重層を形成すること；
前記窒化物多重層上側に導電性基板を設けること；
前記多数個の空隙が形成された部分を切断面にして前記成長基板を除去すること；及び
前記切断面を加工して電極パッドを形成すること；を含む垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記エッチングバリアは、
前記アンドーピング窒化物層の上側にドーピングされた異物質によって形成され、前記異物質がドーピングされた位置は隣接する前記アンドーピング窒化物層と相違するエッチング特性を有することを特徴とする請求項１２に記載の垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記異物質は、
インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）の少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項１３に記載の垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記成長基板の除去は、
前記多数個の空隙が形成された部分にレーザーを照射して前記成長基板を除去することを特徴とする請求項１３に記載の垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記成長基板の除去は、
前記窒化物多重層を冷却して前記多数個の空隙が形成された部分の亀裂を誘導することを特徴とする請求項１３に記載の垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
窒化物緩衝層を含むテンプレートにおいて、
基板と、前記基板上に形成されて多数個の空隙構造を有する窒化物緩衝層を含み、
前記窒化物緩衝層は、上側に多数個のナノ構造物を形成する第１の窒化物層、及び前記多数個のナノ構造物上側にルーフ構造を形成する第２の窒化物層を含み、前記多数個のナノ構造物の上段部には隣接する部分と相違するエッチング特性を有する多数個のエッチングバリアが形成されたことを特徴とするテンプレート。
【請求項２】
前記エッチングバリアは、前記の第１の窒化物層上に異物質がドーピングされて形成されることを特徴とする請求項１に記載のテンプレート。
【請求項３】
前記異物質は、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）の１以上の物質を含むことを特徴とする請求項２に記載のテンプレート。
【請求項４】
窒化物緩衝層を含むテンプレートの製造方法において、
基板上に３族物質を含む第１の窒化物層を成長させること；
前記の第１の窒化物層の上側に、前記の第１の窒化物層とエッチング特性が相違する多 数個のエッチングバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成すること；
クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列のガスで前記の第１の窒化物層を前記エッチングバリアのパターンによってエッチングして柱状のナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成すること；及び
前記ナノ構造物上側に第２の窒化物層を成長させて、内部に多数個の空隙を備える窒化物緩衝層を形成すること；を含むテンプレートの製造方法。
【請求項５】
前記エッチングバリアの形成は、異物質がドーピングされた窒化物薄膜を成長させる工程からなり、前記異物質がドーピングされた位置に前記エッチングバリアが形成されることを特徴とする請求項４に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項６】
前記ナノ構造物は、前記エッチングバリアが形成された位置に形成されることを特徴とする請求項５に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項７】
前記異物質は、前記の第１の窒化物層の前記３族物質より原子半径が大きいことを特徴とする請求項５に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項８】
前記異物質は、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）の少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項５に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項９】
前記エッチングバリアの形成は、前記の第１の窒化物層を成長させた後インシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で行うことを特徴とする請求項４に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項１０】
前記の第１の窒化物層の成長は、前記基板上側に複数個の工程ガスを供給して行い、
前記エッチングバリアの形成は、前記複数個の工程ガスと共に前記異物質を含むドーピングガスをさらに供給して、前記の第１の窒化物層を成長させることを連続する工程で行うことを特徴とする請求項４に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項１１】
前記エッチングバリアの形成は、
前記異物質がドーピングされた第１の窒化物薄膜を成長させること、
前記異物質がドーピングされない第２の窒化物薄膜を成長させること、及び
前記異物質がドーピングされた第３の窒化物薄膜を成長させることを含むことを特徴とする請求項４に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項１２】
窒化物多重層を含むテンプレートを用いて垂直型窒化物発光素子を製造する方法において、
成長基板上にエッチングバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）が形成されたアンドーピング窒化物層を成長させること；
クロライド（ｃｈｌｏｒｉｄｅ）系列のガスで前記エッチングバリアが形成されたパターンに従い、前記アンドーピング窒化物層をエッチングして柱状のナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成すること；
前記ナノ構造物の上側にｎ型窒化物層、活性層及びｐ型窒化物層を成長させて内部に多数個の空隙が形成された窒化物多重層を形成すること；
前記窒化物多重層上側に導電性基板を設けること；
前記多数個の空隙が形成された部分を切断面にして前記成長基板を除去すること；及び
前記切断面を加工して電極パッドを形成すること；を含む垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記エッチングバリアは、
前記アンドーピング窒化物層の上側にドーピングされた異物質によって形成され、前記異物質がドーピングされた位置は隣接する前記アンドーピング窒化物層と相違するエッチング特性を有することを特徴とする請求項１２に記載の垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記異物質は、
インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）の少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項１３に記載の垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記成長基板の除去は、
前記多数個の空隙が形成された部分にレーザーを照射して前記成長基板を除去することを特徴とする請求項１３に記載の垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記成長基板の除去は、
前記窒化物多重層を冷却して前記多数個の空隙が形成された部分の亀裂を誘導することを特徴とする請求項１３に記載の垂直型窒化物半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１４２５４４（Ｐ２０１２−１４２５４４Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８９２８（Ｐ２０１１−１３８９２８）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（５１１１５１９０５）セミマテリアルズ カンパニー リミテッド (8)
【出願人】（５１１１５１５５８）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（５１１１５１９０５）セミマテリアルズ カンパニー リミテッド (8)
【出願人】（５１１１５１５５８）
【Ｆターム（参考）】
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