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】テンプレートに成長する窒化物層の品質を改善させ、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上に第１の窒化物層２１０を成長させる段階、クロライド系列のエッチングガスを供給して前記の第１の窒化物層の上面をエッチングする段階、前記の第１の窒化物層の上面に第２の窒化物層２２０を成長させて多数個の第１の空隙２２３を形成する段階、前記エッチングガスを供給して前記の第２の窒化物層の上面をエッチングする段階、そして、前記の第２の窒化物層の上面に第３の窒化物層を成長させて多数個の第２の空隙２２３を形成する段階を含む。
【解決手段】基板１００上に第１の窒化物層２１０を成長させる段階、クロライド系列のエッチングガスを供給して前記の第１の窒化物層の上面をエッチングする段階、前記の第１の窒化物層の上面に第２の窒化物層２２０を成長させて多数個の第１の空隙２２３を形成する段階、前記エッチングガスを供給して前記の第２の窒化物層の上面をエッチングする段階、そして、前記の第２の窒化物層の上面に第３の窒化物層を成長させて多数個の第２の空隙２２３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示されている。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、基板上に第１の窒化物層を成長させること、クロライド系列のエッチングガスを供給して前記の第１の窒化物層の上面をエッチングすること、前記の第１の窒化物層の上面に第２の窒化物層を成長させて多数個の第１の空隙を形成すること、前記エッチングガスを供給して前記の第２の窒化物層の上面をエッチングすること、そして前記の第２の窒化物層の上面に第３の窒化物層を成長させて多数個の第２の空隙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、成長基板上に窒化物層成長工程及びエッチング工程を２回以上繰り返して多数個の空隙が備えられた窒化物バッファ層を成長させること、前記窒化物バッファ層上側に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、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も達成できる。
【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上にさら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段階図である。
【図４】図３で１次エッチング工程を行った第１の窒化物層の上面をＳＥＭ撮影した写真である。
【図５】図１のテンプレートの断面をＳＥＭ撮影した写真である。
【図６】本発明にかかるテンプレートを用いて製造された水平型窒化物半導体発光素子の断面を図示した断面図である。
【図７】本発明にかかるテンプレートを用いて垂直型窒化物半導体発光素子の断面を図示した断面図である。
【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、本発明の好ましい実施例にかかるテンプレート１０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２１３、２２３が形成された多孔性構造で構成され、窒化物緩衝層２００上側に他の窒化物層を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、高温で安定した特性を有し、六方晶系構造を成すサファイア（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のように六方晶系格子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】
一方、窒化物緩衝層２００は、ＧａＮ材質で構成された多数個の窒化物層が積層された構造を形成する。このとき、窒化物緩衝層２００はいずれかの窒化物層を成長させた状態で上面をエッチングする工程を行い、他の窒化物層を成長する方式で形成される。よって、窒化物緩衝層２００は、それぞれの窒化物層の境界面と隣接した部位に形成される多数個の空隙２１３、２２３を備える。
【００１８】
本実施例の窒化物緩衝層２００は、第１の窒化物層２１０、第２の窒化物層２２０及び第３の窒化物層２３０で構成される。そして、第１の窒化物層２１０と第２の窒化物層２２０の境界面とが隣接した部分には多数個の第１の空隙２１３が形成され、第２の窒化物層２２０と第３の窒化物層２３０の境界面とが隣接した部分では多数個の第２の空隙２２３が形成される。
【００１９】
よって、図１に示されたように、第１の空隙２１３の上側に第２の空隙２２３が形成されて２層構造で多数個の空隙が配列された構造を形成することができる。また、一部の位置では第２の空隙２２３形成時に既存に形成されていた第１の空隙２１３と抱合して大規模な空隙構造を形成することもできる。
【００２０】
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２００を成長方させる方法について具体的に説明する。
【００２１】
先ず、図３のａに示されたように、サファイア基板１００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。
【００２２】
本実施例では、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２１０を形成する。
【００２３】
第１の窒化物層２１０が成長したら、基板１００をＭＯＣＶＤ装置からＨＶＰＥ装置に移動させ、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１次エッチング工程を行う（Ｓ２０）。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２１０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。
【００２４】
図４は、前述の工程条件下で１５分間１次エッチング工程を行った後、第１の窒化物層の断面をＳＥＭで撮影したものである。図４に示されたように、１次エッチング工程により、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ことにより、エッチングが多く行われた位置では下側に窪んだ形状の多数個の第１のバレー構造２１２が形成され、エッチングがあまり行われなかった位置では柱状の多数個の第１のナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）２１１が形成される。
【００２５】
このとき、エッチング工程時に形成されるナノ構造物及びバレー構造の大きさ及びパターンは、塩化水素（ＨＣｌ）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスの配合比、供給量及びエッチング工程を行う時間を調節して制御でき、このようなエッチング工程は、５〜３０分間行うことができる。
【００２６】
前述の１次エッチング工程により、第１の窒化物層２１０上面に多数個の第１のナノ構造物２１１及び第１のバレー構造２１２が形成されたら、第１の窒化物層２１０上側に第２の窒化物層２２０を成長させる（Ｓ３０）。このとき、第２の窒化物層２２０の成長は、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置、ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）装置またはＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）装置等を用いて行うことができ、本実施例ではＨＶＰＥ装置を用いて第２の窒化物層２２０を成長させる。この場合、第２の窒化物層２２０成長工程を行った１次エッチング工程、及び後述の２次エッチング工程と一緒にＨＶＰＥ装置でインシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）方式で行い、工程を単純化させることができる。
【００２７】
よって、１次エッチング工程が終了したら、ＭＯＣＶＤ装置の内部空間の温度を１０００〜１３００℃に上昇させた後、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスとアンモニア（ＮＨ３）を工程空間に供給する。このとき、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスは、塩化水素（ＨＣｌ）ガスをガリウム（ｇａｌｌｉｕｍ）ソースが収容されているガリウムボート（ｇａｌｌｉｕｍ ｂｏａｔ）上側に通過させて塩化水素（ＨＣｌ）ガスとガリウム（ｇａｌｌｉｕｍ）の反応によって生成できる。
【００２８】
本工程では、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスが第１の窒化物層２１０の上側で反応してＧａＮ材質の第２の窒化物層２２０を形成する。このとき、図３のｃに示したように、第２の窒化物層２２０は第１のナノ構造物２１１の上側にルーフ（ｒｏｏｆ）構造を形成しながら成長し、第１のバレー構造２１２及び第１のナノ構造物２１１と一緒に多数個の第１の空隙２１３を形成する。
【００２９】
一方、第２の窒化物層２２０の成長が終了したら、第２の窒化物層２２０上側に２次エッチング工程を行う（Ｓ４０）。前述のように、２次エッチング工程はＨＶＰＥ装置でインシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）方式により行われ、１次エッチング工程と同様に、８００℃以上の温度を維持した状態で、クロライド系列のガス（本実施例では塩化水素を利用）とアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給する。これにより、異方性エッチングが行われることにより、第２の窒化物層２２０の上面に下側に窪んだ形状を有する多数個の第２のバレー構造２２２が形成され、エッチングが行われなかった部分では多数個の第２のナノ構造物２２１が形成される。
【００３０】
図３のｄに図示されたように、２次エッチング工程が相対的に弱く行われた位置（Ｃ領域参照）では、異方性エッチングが第１の空隙上側でルーフを形成する第２の窒化物層の厚さより浅く行われ、第２のバレー構造２２２及び第２のナノ構造物２２１が第１の空隙２１３の上層に形成され得る。
【００３１】
また、２次エッチング工程が相対的に多く行われた位置（Ｂ領域参照）では、第１の空隙２１３上側でルーフを形成していた第２の窒化物層２２０がエッチングされることにより、形成済みの第１の空隙２１３が上向きに開口する。よって、このような位置では２次エッチング工程時に形成される第２バレー構造２２２が既存の第１の空隙２１３の領域を含みつつ相対的に広い幅と深さを有するように形成され得る。
【００３２】
このように、２次エッチング工程は第１の空隙２１３が形成された状態で行われるため、エッチングがどれくらい行われるかによって相違する構造を形成することができる。よって、第２の窒化物層２２０の成長厚さ、２次エッチング工程の進行時間または２次エッチング工程時のエッチングガスの流量等を制御することにより、様々な形状の構造を形成することができる。
【００３３】
２次エッチング工程が終了したら、基板１００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、本工程により基板上に成長した窒化物層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。
【００３４】
その後、第３の窒化物層２３０を成長させるために基板１００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３の窒化物層２３０を成長させることもできるが、本実施例では第３の窒化物層２３０が窒化物緩衝層２００の上部構造を形成するため、良好な格子の成長を誘導できるようにＭＯＣＶＤ装置を用いる。
【００３５】
先ず、基板１００をＭＯＣＶＤ装置内部に搬入した後、第３の窒化物層２３０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及び第２の窒化物層２２０にクラック（ｃｒａｃｋ）が発生することを防止でき、基板１００を移動させる過程で第２の窒化物層２２０上に形成され得る酸化膜を除去することができる。
【００３６】
そして、ＭＯＣＶＤ装置の温度が十分に上昇したら、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３の窒化物層２３０を成長させる。
【００３７】
ここで、本工程初めには第２の窒化物層２２０の第２のナノ構造物２２１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、ＭＯＣＶＤ装置内部環境を１１５０〜１２５０℃の高温と２００ｍｂ以下の低圧環境に組成した状態で、第３の窒化物層２３０を第２のナノ構造物２２１の上側から水平方向に成長させてルーフ構造を形成する。そして、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程度成長させることにより、窒化物緩衝層２００の上層構造を形成する。
【００３８】
図３のｅに示されたように、本工程によって第３の窒化物層２３０は第２のナノ構造物２２１及び第２バレー構造２２２と一緒に多数個の第２の空隙２２３を形成する。このとき、２次エッチング工程で生成された第２のバレー構造２２２によって、第２の空隙２２３は相違する形状に形成することができる。
【００３９】
先ず、第２のバレー構造が第１の空隙２１３の上層部に形成される位置（Ｃ領域参照）では、第２の空隙２２３が第１の空隙２１３の上側に形成される。即ち、第１の空隙２１３は第１の窒化物層２１０と第２の窒化物層２２０の境界面に隣接して形成され、第２の空隙２２３は第２の窒化物層２２０と第３の窒化物層２３０の境界面に隣接して形成されることにより、二層に配列された空隙構造を形成する。
【００４０】
これに比べて、第２のバレー構造２２２が既存の第１の空隙２１３が形成されていた空間まで拡張する位置（Ｂ領域参照）では、第２の空隙２２３が既存の第１の空隙２１３の領域を抱合するように形成される。よって、図３のｅに示されたように、このような方式で形成された第２の空隙２２３は含まれない残りの第１の空隙２１３に比べて大規模に形成される。
【００４１】
図５は、図２の方法によって製作された窒化物緩衝層の断面をＳＥＭ撮影したものである。図５に示されたように、本発明にかかる窒化物緩衝層２００は、窒化物層成長工程及び窒化物層エッチング工程を複数回経て行うことにより、内部に様々な形態の空隙構造２１３、２２３を形成することができる。
【００４２】
このような空隙構造は、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１００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。特に、多数個の空隙が積層された形態に配列された構造の場合は、一部の転位が下側の空隙を通過しても上側の空隙でこれを解消することにより、二重に転位を遮断できるという効果を奏する。
【００４３】
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以下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。
【００４４】
よって、本発明にかかるテンプレート１０は、応力が緩和され、転位密度が減少した窒化物緩衝層２００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。
【００４５】
一方、前述の実施例では、一つの窒化物緩衝層が積層配列される空隙構造及び大型空隙構造を同時に含む構成を説明した。但し、これは説明の便宜のための一例であり、本発明がこれに限定されるのではない。これ以外にも、第２の窒化物層の成長厚さ、２次エッチング工程の工程時間またはエッチングガス流量等を制御することにより、様々な形態の空隙構造を形成することができる。また、本実施例ではエッチング工程を２回に亘り行ったが、３回以上に亘ってエッチング工程及び窒化物層成長工程を繰り返して行うこともできる。
【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装置で窒化物緩衝層２００の第３の窒化物層２３０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、第３の窒化物層２１０、２２０、２３０をアンドーピングＧａＮ材質で成長させる場合は、第３の窒化物層２３０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３１０、活性層３２０及びｐ型窒化物層３３０を順に成長させる。
【００４９】
但し、これ以外にも、２次エッチング工程を行った後、第３の窒化物層２３０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２０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に窒化物層成長工程とエッチング工程を繰り返し行い多孔性構造を有する窒化物緩衝層２００を成長させる。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を順に成長させる。このとき、窒化物緩衝層は３次窒化物層としてｎ型窒化物層を成長させることができ、この場合、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２１３、２２３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２１３、２２３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。特に、前述のテンプレートの製造方法で説明したように、複数回のエッチング工程により大規模な空隙が形成される場合、除去面の構造がより脆弱になるため、成長基板の分離がより容易であり得る。
【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２１３、２２３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】
１００：基板、２００：窒化物緩衝層、２１０：第１の窒化物層、２２０：第２の窒化物層、２３０：第３の窒化物層、２１３：第１の空隙、２２３：第２の空隙
【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示されている。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、基板上に第１の窒化物層を成長させること、クロライド系列のエッチングガスを供給して前記の第１の窒化物層の上面をエッチングすること、前記の第１の窒化物層の上面に第２の窒化物層を成長させて多数個の第１の空隙を形成すること、前記エッチングガスを供給して前記の第２の窒化物層の上面をエッチングすること、そして前記の第２の窒化物層の上面に第３の窒化物層を成長させて多数個の第２の空隙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、成長基板上に窒化物層成長工程及びエッチング工程を２回以上繰り返して多数個の空隙が備えられた窒化物バッファ層を成長させること、前記窒化物バッファ層上側に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、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も達成できる。
【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上にさら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段階図である。
【図４】図３で１次エッチング工程を行った第１の窒化物層の上面をＳＥＭ撮影した写真である。
【図５】図１のテンプレートの断面をＳＥＭ撮影した写真である。
【図６】本発明にかかるテンプレートを用いて製造された水平型窒化物半導体発光素子の断面を図示した断面図である。
【図７】本発明にかかるテンプレートを用いて垂直型窒化物半導体発光素子の断面を図示した断面図である。
【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、本発明の好ましい実施例にかかるテンプレート１０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２１３、２２３が形成された多孔性構造で構成され、窒化物緩衝層２００上側に他の窒化物層を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、高温で安定した特性を有し、六方晶系構造を成すサファイア（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のように六方晶系格子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】
一方、窒化物緩衝層２００は、ＧａＮ材質で構成された多数個の窒化物層が積層された構造を形成する。このとき、窒化物緩衝層２００はいずれかの窒化物層を成長させた状態で上面をエッチングする工程を行い、他の窒化物層を成長する方式で形成される。よって、窒化物緩衝層２００は、それぞれの窒化物層の境界面と隣接した部位に形成される多数個の空隙２１３、２２３を備える。
【００１８】
本実施例の窒化物緩衝層２００は、第１の窒化物層２１０、第２の窒化物層２２０及び第３の窒化物層２３０で構成される。そして、第１の窒化物層２１０と第２の窒化物層２２０の境界面とが隣接した部分には多数個の第１の空隙２１３が形成され、第２の窒化物層２２０と第３の窒化物層２３０の境界面とが隣接した部分では多数個の第２の空隙２２３が形成される。
【００１９】
よって、図１に示されたように、第１の空隙２１３の上側に第２の空隙２２３が形成されて２層構造で多数個の空隙が配列された構造を形成することができる。また、一部の位置では第２の空隙２２３形成時に既存に形成されていた第１の空隙２１３と抱合して大規模な空隙構造を形成することもできる。
【００２０】
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２００を成長方させる方法について具体的に説明する。
【００２１】
先ず、図３のａに示されたように、サファイア基板１００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。
【００２２】
本実施例では、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２１０を形成する。
【００２３】
第１の窒化物層２１０が成長したら、基板１００をＭＯＣＶＤ装置からＨＶＰＥ装置に移動させ、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１次エッチング工程を行う（Ｓ２０）。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２１０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。
【００２４】
図４は、前述の工程条件下で１５分間１次エッチング工程を行った後、第１の窒化物層の断面をＳＥＭで撮影したものである。図４に示されたように、１次エッチング工程により、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ことにより、エッチングが多く行われた位置では下側に窪んだ形状の多数個の第１のバレー構造２１２が形成され、エッチングがあまり行われなかった位置では柱状の多数個の第１のナノ構造物（ｎａｎｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）２１１が形成される。
【００２５】
このとき、エッチング工程時に形成されるナノ構造物及びバレー構造の大きさ及びパターンは、塩化水素（ＨＣｌ）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスの配合比、供給量及びエッチング工程を行う時間を調節して制御でき、このようなエッチング工程は、５〜３０分間行うことができる。
【００２６】
前述の１次エッチング工程により、第１の窒化物層２１０上面に多数個の第１のナノ構造物２１１及び第１のバレー構造２１２が形成されたら、第１の窒化物層２１０上側に第２の窒化物層２２０を成長させる（Ｓ３０）。このとき、第２の窒化物層２２０の成長は、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置、ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）装置またはＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）装置等を用いて行うことができ、本実施例ではＨＶＰＥ装置を用いて第２の窒化物層２２０を成長させる。この場合、第２の窒化物層２２０成長工程を行った１次エッチング工程、及び後述の２次エッチング工程と一緒にＨＶＰＥ装置でインシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）方式で行い、工程を単純化させることができる。
【００２７】
よって、１次エッチング工程が終了したら、ＭＯＣＶＤ装置の内部空間の温度を１０００〜１３００℃に上昇させた後、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスとアンモニア（ＮＨ３）を工程空間に供給する。このとき、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスは、塩化水素（ＨＣｌ）ガスをガリウム（ｇａｌｌｉｕｍ）ソースが収容されているガリウムボート（ｇａｌｌｉｕｍ ｂｏａｔ）上側に通過させて塩化水素（ＨＣｌ）ガスとガリウム（ｇａｌｌｉｕｍ）の反応によって生成できる。
【００２８】
本工程では、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスが第１の窒化物層２１０の上側で反応してＧａＮ材質の第２の窒化物層２２０を形成する。このとき、図３のｃに示したように、第２の窒化物層２２０は第１のナノ構造物２１１の上側にルーフ（ｒｏｏｆ）構造を形成しながら成長し、第１のバレー構造２１２及び第１のナノ構造物２１１と一緒に多数個の第１の空隙２１３を形成する。
【００２９】
一方、第２の窒化物層２２０の成長が終了したら、第２の窒化物層２２０上側に２次エッチング工程を行う（Ｓ４０）。前述のように、２次エッチング工程はＨＶＰＥ装置でインシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）方式により行われ、１次エッチング工程と同様に、８００℃以上の温度を維持した状態で、クロライド系列のガス（本実施例では塩化水素を利用）とアンモニア（ＮＨ３）ガスを供給する。これにより、異方性エッチングが行われることにより、第２の窒化物層２２０の上面に下側に窪んだ形状を有する多数個の第２のバレー構造２２２が形成され、エッチングが行われなかった部分では多数個の第２のナノ構造物２２１が形成される。
【００３０】
図３のｄに図示されたように、２次エッチング工程が相対的に弱く行われた位置（Ｃ領域参照）では、異方性エッチングが第１の空隙上側でルーフを形成する第２の窒化物層の厚さより浅く行われ、第２のバレー構造２２２及び第２のナノ構造物２２１が第１の空隙２１３の上層に形成され得る。
【００３１】
また、２次エッチング工程が相対的に多く行われた位置（Ｂ領域参照）では、第１の空隙２１３上側でルーフを形成していた第２の窒化物層２２０がエッチングされることにより、形成済みの第１の空隙２１３が上向きに開口する。よって、このような位置では２次エッチング工程時に形成される第２バレー構造２２２が既存の第１の空隙２１３の領域を含みつつ相対的に広い幅と深さを有するように形成され得る。
【００３２】
このように、２次エッチング工程は第１の空隙２１３が形成された状態で行われるため、エッチングがどれくらい行われるかによって相違する構造を形成することができる。よって、第２の窒化物層２２０の成長厚さ、２次エッチング工程の進行時間または２次エッチング工程時のエッチングガスの流量等を制御することにより、様々な形状の構造を形成することができる。
【００３３】
２次エッチング工程が終了したら、基板１００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、本工程により基板上に成長した窒化物層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。
【００３４】
その後、第３の窒化物層２３０を成長させるために基板１００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３の窒化物層２３０を成長させることもできるが、本実施例では第３の窒化物層２３０が窒化物緩衝層２００の上部構造を形成するため、良好な格子の成長を誘導できるようにＭＯＣＶＤ装置を用いる。
【００３５】
先ず、基板１００をＭＯＣＶＤ装置内部に搬入した後、第３の窒化物層２３０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及び第２の窒化物層２２０にクラック（ｃｒａｃｋ）が発生することを防止でき、基板１００を移動させる過程で第２の窒化物層２２０上に形成され得る酸化膜を除去することができる。
【００３６】
そして、ＭＯＣＶＤ装置の温度が十分に上昇したら、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３の窒化物層２３０を成長させる。
【００３７】
ここで、本工程初めには第２の窒化物層２２０の第２のナノ構造物２２１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、ＭＯＣＶＤ装置内部環境を１１５０〜１２５０℃の高温と２００ｍｂ以下の低圧環境に組成した状態で、第３の窒化物層２３０を第２のナノ構造物２２１の上側から水平方向に成長させてルーフ構造を形成する。そして、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程度成長させることにより、窒化物緩衝層２００の上層構造を形成する。
【００３８】
図３のｅに示されたように、本工程によって第３の窒化物層２３０は第２のナノ構造物２２１及び第２バレー構造２２２と一緒に多数個の第２の空隙２２３を形成する。このとき、２次エッチング工程で生成された第２のバレー構造２２２によって、第２の空隙２２３は相違する形状に形成することができる。
【００３９】
先ず、第２のバレー構造が第１の空隙２１３の上層部に形成される位置（Ｃ領域参照）では、第２の空隙２２３が第１の空隙２１３の上側に形成される。即ち、第１の空隙２１３は第１の窒化物層２１０と第２の窒化物層２２０の境界面に隣接して形成され、第２の空隙２２３は第２の窒化物層２２０と第３の窒化物層２３０の境界面に隣接して形成されることにより、二層に配列された空隙構造を形成する。
【００４０】
これに比べて、第２のバレー構造２２２が既存の第１の空隙２１３が形成されていた空間まで拡張する位置（Ｂ領域参照）では、第２の空隙２２３が既存の第１の空隙２１３の領域を抱合するように形成される。よって、図３のｅに示されたように、このような方式で形成された第２の空隙２２３は含まれない残りの第１の空隙２１３に比べて大規模に形成される。
【００４１】
図５は、図２の方法によって製作された窒化物緩衝層の断面をＳＥＭ撮影したものである。図５に示されたように、本発明にかかる窒化物緩衝層２００は、窒化物層成長工程及び窒化物層エッチング工程を複数回経て行うことにより、内部に様々な形態の空隙構造２１３、２２３を形成することができる。
【００４２】
このような空隙構造は、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１００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。特に、多数個の空隙が積層された形態に配列された構造の場合は、一部の転位が下側の空隙を通過しても上側の空隙でこれを解消することにより、二重に転位を遮断できるという効果を奏する。
【００４３】
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以下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。
【００４４】
よって、本発明にかかるテンプレート１０は、応力が緩和され、転位密度が減少した窒化物緩衝層２００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。
【００４５】
一方、前述の実施例では、一つの窒化物緩衝層が積層配列される空隙構造及び大型空隙構造を同時に含む構成を説明した。但し、これは説明の便宜のための一例であり、本発明がこれに限定されるのではない。これ以外にも、第２の窒化物層の成長厚さ、２次エッチング工程の工程時間またはエッチングガス流量等を制御することにより、様々な形態の空隙構造を形成することができる。また、本実施例ではエッチング工程を２回に亘り行ったが、３回以上に亘ってエッチング工程及び窒化物層成長工程を繰り返して行うこともできる。
【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装置で窒化物緩衝層２００の第３の窒化物層２３０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、第３の窒化物層２１０、２２０、２３０をアンドーピングＧａＮ材質で成長させる場合は、第３の窒化物層２３０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３１０、活性層３２０及びｐ型窒化物層３３０を順に成長させる。
【００４９】
但し、これ以外にも、２次エッチング工程を行った後、第３の窒化物層２３０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２０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に窒化物層成長工程とエッチング工程を繰り返し行い多孔性構造を有する窒化物緩衝層２００を成長させる。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を順に成長させる。このとき、窒化物緩衝層は３次窒化物層としてｎ型窒化物層を成長させることができ、この場合、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２１３、２２３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２１３、２２３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。特に、前述のテンプレートの製造方法で説明したように、複数回のエッチング工程により大規模な空隙が形成される場合、除去面の構造がより脆弱になるため、成長基板の分離がより容易であり得る。
【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２１３、２２３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】
１００：基板、２００：窒化物緩衝層、２１０：第１の窒化物層、２２０：第２の窒化物層、２３０：第３の窒化物層、２１３：第１の空隙、２２３：第２の空隙
【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；及び
前記基板上側に形成され、複数個の列に積層配置される多数個の空隙を含む窒化物緩衝層；を含むテンプレート。
【請求項２】
窒化物緩衝層を含むテンプレートの製造方法において、
基板上に第１の窒化物層を成長させること；
クロライド系列のエッチングガスを供給して前記の第１の窒化物層の上面をエッチングすること；
前記の第１の窒化物層の上面に第２の窒化物層を成長させて多数個の第１の空隙を形成すること；
前記エッチングガスを供給して前記第２の窒化物層の上面をエッチングすること；及び
前記の第２の窒化物層の上面に第３の窒化物層を成長させて多数個の第２の空隙を形成すること；を含むテンプレートの製造方法。
【請求項３】
前記の第１の窒化物層及び前記第３の窒化物層は、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置で成長することを特徴とする請求項２に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項４】
前記の第２の窒化物層は、ＨＶＰＥ（ｈｙｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）装置で成長することを特徴とする請求項３に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項５】
前記多数個の第２の空隙は、前記多数個の第１の空隙の上側に積層された形態に形成されることを特徴とする請求項２に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項６】
前記の第２の窒化物層のエッチングは、前記の第２の窒化物層の厚さより薄くエッチングす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】
前記多数個の第１の空隙は、前記の第１の窒化物層及び前記の第２の窒化物層の境界面に隣接して形成され、前記多数個の第２の空隙は前記の第２の窒化物層及び前記の第３の窒化物層の境界面に隣接して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８】
前記の第２の窒化物層のエッチングは、前記の第２の窒化物層の上面から前記の第１の空隙と連通するように前記の第２の窒化物層をエッチングすることを特徴とする請求項２に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項９】
前記の第２の空隙は、前記の第１の空隙より大きく形成されることを特徴とする請求項８に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項１０】
窒化物緩衝層を含むテンプレートを利用して垂直型窒化物半導体発光素子を製造する方法において、
成長基板上に窒化物層成長工程及びエッチング工程を２回以上繰り返して、多数個の空隙が備えられた窒化物緩衝層を成長させること；
前記窒化物緩衝層上側にｎ型窒化物層、活性層及びｐ型窒化物層を成長させること；
前記ｐ型窒化物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１１】
前記窒化物緩衝層の成長は、
前記成長基板上に第１の窒化物層を成長させること；
エッチングガスを供給して前記の第１の窒化物層の上面をエッチングすること；
前記の第１の窒化物層の上面に第２の窒化物層を成長させて多数個の第１の空隙を形成すること；
前記エッチングガスを供給して前記の第２の窒化物層の上面をエッチングすること；及び
前記の第２の窒化物層の上面に第３の窒化物層を成長させて多数個の第２の空隙を形成することを含むことを特徴とする請求項１０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１２】
前記の第１の窒化物層及び前記の第３の窒化物層は、ＭＯＣＶＤ装置で成長し、
前記第２の窒化物層は、ＨＶＰＥ装置で成長することを特徴とする請求項１１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１３】
前記窒化物緩衝層は、
前記多数個の空隙が少なくとも２つ以上の列を形成して積層された形態に配列されることを特徴とする請求項１０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１０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、
前記窒化物緩衝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１０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；及び
前記基板上側に形成され、複数個の列に積層配置される多数個の空隙を含む窒化物緩衝層；を含むテンプレート。
【請求項２】
窒化物緩衝層を含むテンプレートの製造方法において、
基板上に第１の窒化物層を成長させること；
クロライド系列のエッチングガスを供給して前記の第１の窒化物層の上面をエッチングすること；
前記の第１の窒化物層の上面に第２の窒化物層を成長させて多数個の第１の空隙を形成すること；
前記エッチングガスを供給して前記第２の窒化物層の上面をエッチングすること；及び
前記の第２の窒化物層の上面に第３の窒化物層を成長させて多数個の第２の空隙を形成すること；を含むテンプレートの製造方法。
【請求項３】
前記の第１の窒化物層及び前記第３の窒化物層は、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置で成長することを特徴とする請求項２に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項４】
前記の第２の窒化物層は、ＨＶＰＥ（ｈｙｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）装置で成長することを特徴とする請求項３に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項５】
前記多数個の第２の空隙は、前記多数個の第１の空隙の上側に積層された形態に形成されることを特徴とする請求項２に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項６】
前記の第２の窒化物層のエッチングは、前記の第２の窒化物層の厚さより薄くエッチングす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】
前記多数個の第１の空隙は、前記の第１の窒化物層及び前記の第２の窒化物層の境界面に隣接して形成され、前記多数個の第２の空隙は前記の第２の窒化物層及び前記の第３の窒化物層の境界面に隣接して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８】
前記の第２の窒化物層のエッチングは、前記の第２の窒化物層の上面から前記の第１の空隙と連通するように前記の第２の窒化物層をエッチングすることを特徴とする請求項２に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項９】
前記の第２の空隙は、前記の第１の空隙より大きく形成されることを特徴とする請求項８に記載のテンプレートの製造方法。
【請求項１０】
窒化物緩衝層を含むテンプレートを利用して垂直型窒化物半導体発光素子を製造する方法において、
成長基板上に窒化物層成長工程及びエッチング工程を２回以上繰り返して、多数個の空隙が備えられた窒化物緩衝層を成長させること；
前記窒化物緩衝層上側にｎ型窒化物層、活性層及びｐ型窒化物層を成長させること；
前記ｐ型窒化物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１１】
前記窒化物緩衝層の成長は、
前記成長基板上に第１の窒化物層を成長させること；
エッチングガスを供給して前記の第１の窒化物層の上面をエッチングすること；
前記の第１の窒化物層の上面に第２の窒化物層を成長させて多数個の第１の空隙を形成すること；
前記エッチングガスを供給して前記の第２の窒化物層の上面をエッチングすること；及び
前記の第２の窒化物層の上面に第３の窒化物層を成長させて多数個の第２の空隙を形成することを含むことを特徴とする請求項１０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１２】
前記の第１の窒化物層及び前記の第３の窒化物層は、ＭＯＣＶＤ装置で成長し、
前記第２の窒化物層は、ＨＶＰＥ装置で成長することを特徴とする請求項１１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１３】
前記窒化物緩衝層は、
前記多数個の空隙が少なくとも２つ以上の列を形成して積層された形態に配列されることを特徴とする請求項１０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１０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、
前記窒化物緩衝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１０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２０１２−１４２５４５（Ｐ２０１２−１４２５４５Ａ）
【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２０１１−１３８９２９（Ｐ２０１１−１３８９２９）
【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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