半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法
【課題】基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層し、上面に凹凸構造を有する半導体発光素子において、発光効率を高くする。
【解決手段】サファイア基板２上に、バッファ層３を形成し、１０００℃の成膜温度でｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４、発光層５およびｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６を成膜した後、８００℃に温度を下げて、四角錐状の凸部７を結晶核成長させ、その凸部７をマスクとして、ｐ層６をエッチングして凹凸８を形成する。したがって、光取出し効率を向上するための凹凸８が矩形波状ではないので、発光層５からｐ層６に略垂直に入射する光に対する光取出し効率を向上することができる。また、前記凹凸８は、ｐ層６をそのまま成長させたものであるので、界面が少なく、一層光取出し効率を向上することができる。
【解決手段】サファイア基板２上に、バッファ層３を形成し、１０００℃の成膜温度でｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４、発光層５およびｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６を成膜した後、８００℃に温度を下げて、四角錐状の凸部７を結晶核成長させ、その凸部７をマスクとして、ｐ層６をエッチングして凹凸８を形成する。したがって、光取出し効率を向上するための凹凸８が矩形波状ではないので、発光層５からｐ層６に略垂直に入射する光に対する光取出し効率を向上することができる。また、前記凹凸８は、ｐ層６をそのまま成長させたものであるので、界面が少なく、一層光取出し効率を向上することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、青色または紫外の光を発生することができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の素子構造に関し、詳しくはｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に凹凸構造を形成して、発光層から発生する光を効率良く外部に取出す方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、窒化ガリウム系化合物半導体層と光を取出す空気層との屈折率が大きく異なるので、発光層から発生した光がそれらの界面においてある角度以上で入射した場合には、全反射してしまい、空気層側へ取出せなくなる。このため、従来から、発光層内で発生する光の全反射を低減して発光効率が高い青色または紫外の半導体発光素子を実現するために、特許文献１および２で示されるように、光取出し面を粗面化する方法が用いられている。
【０００３】
特許文献１では、光取出し面となるｐ型またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に絶縁性の光散乱層を新たに形成しており、その光散乱層はＳｉＯ２をウェットエッチングして成り、表面は凹凸構造を有し、凸部は球形の粒子の一部から構成されていたり、取出し面上に島状に凸部を形成した例が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、光取出し面となるｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に最小寸法が発光波長λの１／４となる開口部を設けており、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上にレジストを積層してそのレジストにパターン形成を行った後、レジストをマスクとして、開口部をイオン・ミリング法によって形成するプロセスが記載されている。
【特許文献１】特開平１０−１６３５２５号公報
【特許文献２】特開２０００−９１６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１の従来技術では、光取出し面上に新たに光散乱層を設けているので、散乱層内での光吸収が発生する。また、ＳｉＯ２は、ＧａＮよりも屈折率が小さい（ＳｉＯ２が約１．７、ＧａＮが約２．５）ので、屈折率の大きいＧａＮから小さいＳｉＯ２へ、発光層からの光がある入射角度以上にて進む場合には、ＧａＮ側へ全反射するエスケープコーンが存在する。さらにまた、光取出し面と光散乱層との密着性が悪いときには、前記のような屈折率差を有する材料間の界面で反射が生じる。以上のようなことから、光取出し効率の向上が充分でないという問題がある。
【０００６】
一方、特許文献２では、光取出し面となるｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に直接開口部を設けているので、前記のような界面での光吸収は生じない。しかしながら、形成される開口は、矩形波状であるので、該ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面付近で、面方向に進む光に対しては光取出し効率を向上することができるけれども、発光層から略垂直に入射する光に対しては、前記光取出し効率の向上度合いは小さいという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、光取出し効率の向上を一層進めることができる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成り、前記ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を有する半導体発光素子において、前記凹凸構造を、前記ｐ型窒化物半導体層から、該ｐ型窒化物半導体層の生成温度よりも低い温度で引続きエピタキシャル成長させることで四角錐状の凸部を形成し、その凸部をマスクとして前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングして成ることを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、ｐ型窒化物半導体層を所望とする厚さに形成した後、引続き低温でエピタキシャル成長させることで、該ｐ型窒化物半導体層の表面から結晶核成長によって四角錐状の凸部が成長する。その凸部をマスクとして、前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングすることで、高温で成長させたｐ型窒化物半導体層に凹凸構造を形成する。
【００１０】
したがって、ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を形成し、回折による光取出し効率を向上するにあたって、その凹凸構造が、四角錐状の凸部をマスクとして、等方性エッチングして成るので、矩形波状の凹凸構造に比べて、発光層から略垂直に入射する光に対する光取出し効率を向上することができる。また、前記凸部は、ｐ型窒化物半導体層上に別の層を形成してそれに凹凸を設けたものではなく、ｐ型窒化物半導体層から成長させたものであるので、屈折率差を有するような界面はなく、一層光取出し効率を向上することができる。こうして、発光効率が高い青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。
【００１１】
また、本発明の照明装置は、前記の半導体発光素子を用いることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、半導体発光素子に凹凸を形成することによる光取出し効率を一層向上することができる照明装置を実現することができる。
【００１３】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成り、前記ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を有する半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型窒化物半導体層を、予め定める規定の膜厚に、少なくとも前記凹凸構造分の膜厚を合わせた厚さにエピタキシャル成長させる工程と、温度を低下してさらに成長を続けさせて四角錐状の凸部をエピタキシャル成長させる工程と、前記凸部をマスクとして前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングする工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、ｐ型窒化物半導体層を所望とする厚さに形成した後、温度を低下させて引続き結晶成長を行わせると、該結晶は通常の成長のような面方向に拡がった成長をせず、ｐ型窒化物半導体層上を分散して四角錐状に核成長してゆく。このようにして形成された凸部をマスクとして用い、前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングすると、その凸部の形状を反映して、該ｐ型窒化物半導体層が彫り込まれる。こうしてｐ型窒化物半導体層に形成された凹凸構造を、光取出し効率の向上のために用いる。
【００１５】
したがって、ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を形成し、回折による光取出し効率を向上するにあたって、その凹凸構造が四角錐状の凸部をマスクとして、等方性エッチングして成るので、矩形波状の凹凸構造に比べて、発光層から略垂直に入射する光に対する光取出し効率を向上することができる。また、前記凸部は、ｐ型窒化物半導体層上に別の層を形成してそれに凹凸を設けたものではなく、ｐ型窒化物半導体層から成長させたものであるので、屈折率差を有するような界面はなく、一層光取出し効率を向上することができる。こうして、発光効率が高い青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。
【００１６】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法では、前記ｐ型窒化物半導体層およびその上に成長される凸部は、ｐ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層から成り、前記エッチング工程の前に、ｐ型ドーパントと酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行う工程を行うことを特徴とする。
【００１７】
上記の構成によれば、凸部からｐ型窒化物半導体層までのｐ型ドーパントが活性化され、抵抗値を低くすることができるので、ｐ型電極の材料とのオーミック性を良好に保つことができ、動作電圧を抑えることができる。
【００１８】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法では、前記ｐ型窒化物半導体層のエッチングは、塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングであり、エッチング後に酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行う工程を備えることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、ｐ型窒化物半導体層をエッチングによるダメージから回復させることができるので、発光効率が高い青色または紫外の半導体発光素子が実現できる。
【００２０】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記熱処理後に、窒素ガスから成るプラズマにより、ｐ型窒化物半導体層の最表面を処理することを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、前記ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層から成るｐ型窒化物半導体層に、前記塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングを行うことで、該ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層から窒素が抜けてしまうので、前記窒素ガスから成るプラズマにより、そのｐ型窒化物半導体層の最表面を処理することで、該ｐ型窒化物半導体層のエッチングによるダメージを防止でき、発光効率が高い青色または紫外の半導体発光素子を実現できる。
【００２２】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法では、前記凸部は、ｎ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層から成り、前記エッチングは塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングであり、エッチング後に、光を照射した状態で、前記ｎ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層を酸性の溶液にてエッチングを行い、前記凸部を完全に除去する工程をさらに備えることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、凸部をｎ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層で作成することで、光照射によって、該凸部を容易に完全に除去することができる。
【００２４】
したがって、低温でエピタキシャル成長させた凸部は、活性化されるｐ型ドーパントが少なく、低抵抗化し難いのに対して、エッチングで除去しておくことで、低抵抗化し、動作電圧を抑えることができる。また、前記凹凸は、高温で成長させたｐ型窒化物半導体層自体をエッチングで彫り込んだものであるので、凹凸構造に界面がなく、一層光取出し効率を向上することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成り、前記ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を有する半導体発光素子において、ｐ型窒化物半導体層を所望とする厚さに形成した後、引続き低温でエピタキシャル成長させることで、該ｐ型窒化物半導体層の表面から結晶核成長によって四角錐状の凸部を成長させ、その凸部をマスクとして、前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングすることで凹凸構造を形成する。
【００２６】
それゆえ、ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を形成し、回折による光取出し効率を向上するにあたって、その凹凸構造が、四角錐状の凸部をマスクとして、等方性エッチングして成るので、矩形波状の凹凸構造に比べて、発光層から略垂直に入射する光に対する光取出し効率を向上することができる。また、前記凸部は、ｐ型窒化物半導体層上に別の層を形成してそれに凹凸を設けたものではなく、ｐ型窒化物半導体層から成長させたものであるので、屈折率差を有するような界面はなく、一層光取出し効率を向上することができる。こうして、発光効率が高い青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。
【００２７】
また、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光素子を用いる。
【００２８】
それゆえ、半導体発光素子に凹凸を形成することによる光取出し効率を一層向上することができる照明装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
［実施の形態１］
図１および図２は、本発明の実施の一形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である発光ダイオード１の製造工程を示す断面図である。この発光ダイオード１では、サファイア基板２上に、ＡｌＮとＧａＮとのペア層が積層されたバッファ層３、ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４、発光層５およびｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６が順に積層される。注目すべきは、本発明では、図２で示すように、前記ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６に続けて、該ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上に分散して、ｐ型ドーパントを含む四角錐状の凸部７が結晶成長され、その後、前記凸部７を含むｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６がエッチング処理されて、図１で示すような凹凸８が形成されることである。
【００３０】
その後、図示は省略するが、前記凸部７を含むｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上にメタル層が積層されてｐ型電極となり、またこの発光ダイオード１の一部分、たとえば矩形の隅角部の１箇所が、エッチングによって前記ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４まで彫り込まれ、その上にｎ型電極が形成される。
【００３１】
この発光ダイオード１では、サファイア基板２を支持基板として用いているが、基板はサファイアに限定されず、基板側から光取出しを行う場合には、該基板は発光波長に対して透光性を持つものであればよいことは言うまでもない。またその場合、導電膜およびｐ型電極は光を反射する材料となるけれども、基板がＳｉであったり、前記サファイア基板２側からＹＡＧレーザを照射することによって該サファイア基板２を除去し、前記バッファ層３上に導電膜を形成してｎ型電極とする場合には、導電膜およびｐ型電極は光を透過する材料として、ｐ型電極側から光を取出すようにしてもよい。
【００３２】
前記バッファ層３は、たとえばＡｌＮとＧａＮとから成るペア層が１ｎｍの厚みで積層されて成り、前記ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４は、ｎ型ドーパントとしてＳｉを含む、たとえばＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層が２μｍの厚みで積層されて成り、前記発光層５は、たとえばＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層が３ｎｍの厚みで積層されて成り、前記ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６は、たとえばｐ型の電気伝導を示すドーパントＭｇを含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層が０．１μｍの厚みで積層されて成る。一方、前記凸部７は、たとえばｐ型の電気伝導を示すドーパントＭｇを含むＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎが四角錘状に０．１μｍの厚みで積層されて成る。
【００３３】
前記各層４，５，６および凸部７において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）の成分ｘおよびその厚さは、上記の値に限らず、所望とする電気的特性を得ることができる範囲で、適宜変化されてもよい。本発明の半導体発光素子では、前記ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４、発光層５、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６および凸部７の組成は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表すことができ、上記の例は、ｙ＝０である。
【００３４】
以下に、上述のように構成される発光ダイオード１の結晶成長方法を説明する。成長に用いるガスは、キャリアガスとして、水素ガス（Ｈ２）、窒素ガス（Ｎ２）、成長に係わるガスとして、アンモニア（ＮＨ３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３、以下ＴＭＧと略す）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３、以下ＴＭＡと略す）、シラン（ＳｉＨ４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ５Ｈ５）２）である。
【００３５】
先ず、サファイア基板２を有機および酸溶液にて洗浄を行う。そして、Ｈ２を２（Ｌ／分）流しながら温度を１１００℃に上昇させ、サファイア基板２を気相エッチングする。次に、８００℃まで温度を低下させて、Ｈ２を２０（Ｌ／分）およびＮＨ３を１０（Ｌ／分）流しながら、１．７×１０−５（モル／分）のＴＭＡと１．２×１０−５（モル／分）のＴＭＧとを交互に供給して、合計で前記１ｎｍの厚みとしたＡｌＮとＧａＮとから成るペア層が積層されたバッファ層３をサファイア基板２上に結晶成長させる。
【００３６】
こうして基板処理が終わると半導体層の作成に移り、温度を１０００℃に上げて、Ｈ２を２０（Ｌ／分）およびＮＨ３を１０（Ｌ／分）流しながら、１．８×１０−５（モル／分）のＴＭＡと１．１×１０−５（モル／分）のＴＭＧとを交互に供給して、さらにシランを導入して、前記２μｍの厚みとし、ｎ型ドーパントとしてＳｉを含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を、前記ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４としてバッファ層３上に結晶成長させる。
【００３７】
引続き、温度を１０００℃に保ち、Ｈ２を２０（Ｌ／分）およびＮＨ３を１０（Ｌ／分）流しながら、１．８×１０−５（モル／分）のＴＭＡと１．２×１０−５（モル／分）のＴＭＧとを交互に供給して、さらにシランを導入して、前記３ｎｍの厚みとしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を、前記発光層５としてｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４上に結晶成長させる。
【００３８】
さらに、温度を１０００℃に保ち、Ｈ２を２０（Ｌ／分）およびＮＨ３を１０（Ｌ／分）流しながら、１．５×１０−５（モル／分）のＴＭＡと１．１×１０−５（モル／分）のＴＭＧとを交互に供給して、さらにシクロペンタジエニルマグネシウムを導入して、前記０．１μｍの厚みとしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を、前記ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６として発光層５上に結晶成長させる。
【００３９】
こうして、窒化ガリウム化合物半導体層が積層されると、注目すべきは、本発明では、温度を８００℃に低下させて続けて結晶成長を行い、Ｈ２を２０（Ｌ／分）およびＮＨ３を１０（Ｌ／分）流しながら、１．８×１０−５（モル／分）のＴＭＡと１．８×１０−５（モル／分）のＴＭＧとを交互に供給して、さらにシクロペンタジエニルマグネシウムを導入して、図２で示すように、前記０．１μｍの厚みとしたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎから成る四角錐状の凸部７を、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上に結晶成長させることである。ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上に、低温で結晶核成長させると、四角錘状に成長する。
【００４０】
その後、塩素を含むプラズマによりエッチングを行うと、前記図１で示すようになる。プラズマエッチングの方法を詳述する。エッチングに用いるガスは、ＢＣｌ３およびＡｒの混合ガスであり、エッチング装置にはＩＣＰエッチング装置を用いる。
【００４１】
図２で示すようにエピ成長の終了した上記発光ダイオード１を、ＩＣＰエッチング装置内に設置して、１×１０−６ｔｏｒｒ程度まで真空引きを行う。そして、前記ＢＣｌ３を４０ｓｃｃｍ、Ａｒを２０ｓｃｃｍ流し、圧力を一定の０．８Ｐａになるように調整する。続いて、ＲＦバイアスを２００Ｗ、ＩＣＰバイアスを５０Ｗに設定して、プラズマ状態を発生させ、３分間エッチング処理を行うと、前記図１で示すように、エッチング後の凹部９が、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６に形成され、凸部７の先端はプラズマの集中によって丸くなる。
【００４２】
このように構成することで、光取出し効率を向上するための凹凸８が矩形波状ではないので、発光層５からｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６に略垂直に入射する光に対する光取出し効率を向上することができる。また、前記凹凸８は、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上に別の層を形成してそれに凹凸を設けたものではなく、該ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６をそのまま成長させたものであるので、屈折率差を有するような界面はなく、一層光取出し効率を向上することができる。
【００４３】
なお、前記ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６がｐ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層から成るので、前記図２で示すように凸部７を形成した後、図１で示すようなエッチング工程を行う前に、ｐ型ドーパントと酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行うことが望ましい。このように構成することで、凸部７からｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６までのｐ型ドーパントが活性化され、抵抗値を低くすることができるので、ｐ型電極の材料とのオーミック性を良好に保つことができ、動作電圧を抑えることができる。
【００４４】
また、塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングの後に、酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行うことが望ましい。そのようにすることで、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６をエッチングによるダメージから回復させることができるので、発光効率が高い青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。
【００４５】
さらにまた、前記熱処理後に、窒素ガスから成るプラズマにより、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６の最表面を処理することが望ましい。そのようにすることで、前記ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層から成るｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６に、前記のような塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングを行うと、該ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層から窒素が抜けてしまうのに対して、その窒素を補充し、エッチングによるダメージを防止できるので、より一層発光効率が高い青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。
【００４６】
［実施の形態２］
図３〜図５は、本発明の実施の他の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である発光ダイオード１１の製造工程を示す断面図である。この発光ダイオード１１は、前述の発光ダイオード１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上には、図４で示すように、ｎ型の電気伝導を示すドーパントＳｉを含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎが四角錘状に０．１μｍの厚みで積層されて凸部１７が形成されていることである。
【００４７】
図４で示すようにエピ成長の終了した上記発光ダイオード１１を、ＩＣＰエッチング装置内に設置して、前述と同様に１×１０−６ｔｏｒｒ程度まで真空引きを行い、前記ＢＣｌ３を４０ｓｃｃｍ、Ａｒを２０ｓｃｃｍ流し、圧力を一定の０．８Ｐａになるように調整した後、ＲＦバイアスを２００Ｗ、ＩＣＰバイアスを５０Ｗに設定して、プラズマ状態を発生させ、３分間エッチング処理を行うと、前記図１と同様に、図３で示すように、エッチング後の凹部１９が、前記ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６に形成され、凸部１７の先端はプラズマの集中によって丸くなる。
【００４８】
しかしながら、注目すべきは、この発光ダイオード１１では、前記ｎ型のドーパントを含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎが、光照射によって、容易に完全に除去できることから、図３で示すようにエッチング処理を一旦終了した発光ダイオード１１を、たとえばＢＨＦ（バッファフッ酸）中に浸漬した後、波長３５０ｎｍのランプを１０分間照射させ、さらに５分間純水内にて洗浄を行うことで、図５で示すように除去していることである。
【００４９】
このように構成することで、低温でエピタキシャル成長させた凸部１７は、ｐ型ドーパントが少なく、低抵抗化し難いのに対して、エッチングで除去しておくことで、低抵抗化し、動作電圧を抑えることができる。また、凹凸１８は、高温で成長させたｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６自体をエッチングで彫り込んだ凹部１９から成るので、凹凸構造に界面がなく、一層光取出し効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の一形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図２】図１で示す発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の他の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図４】図３で示す発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図５】図３で示す発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１，１１ 発光ダイオード
２ サファイア基板
３ バッファ層
４ ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層
５ 発光層
６ ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層
７，１７ 凸部
８，１８ 凹凸
９，１９ 凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、青色または紫外の光を発生することができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の素子構造に関し、詳しくはｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に凹凸構造を形成して、発光層から発生する光を効率良く外部に取出す方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、窒化ガリウム系化合物半導体層と光を取出す空気層との屈折率が大きく異なるので、発光層から発生した光がそれらの界面においてある角度以上で入射した場合には、全反射してしまい、空気層側へ取出せなくなる。このため、従来から、発光層内で発生する光の全反射を低減して発光効率が高い青色または紫外の半導体発光素子を実現するために、特許文献１および２で示されるように、光取出し面を粗面化する方法が用いられている。
【０００３】
特許文献１では、光取出し面となるｐ型またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に絶縁性の光散乱層を新たに形成しており、その光散乱層はＳｉＯ２をウェットエッチングして成り、表面は凹凸構造を有し、凸部は球形の粒子の一部から構成されていたり、取出し面上に島状に凸部を形成した例が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２では、光取出し面となるｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に最小寸法が発光波長λの１／４となる開口部を設けており、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上にレジストを積層してそのレジストにパターン形成を行った後、レジストをマスクとして、開口部をイオン・ミリング法によって形成するプロセスが記載されている。
【特許文献１】特開平１０−１６３５２５号公報
【特許文献２】特開２０００−９１６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１の従来技術では、光取出し面上に新たに光散乱層を設けているので、散乱層内での光吸収が発生する。また、ＳｉＯ２は、ＧａＮよりも屈折率が小さい（ＳｉＯ２が約１．７、ＧａＮが約２．５）ので、屈折率の大きいＧａＮから小さいＳｉＯ２へ、発光層からの光がある入射角度以上にて進む場合には、ＧａＮ側へ全反射するエスケープコーンが存在する。さらにまた、光取出し面と光散乱層との密着性が悪いときには、前記のような屈折率差を有する材料間の界面で反射が生じる。以上のようなことから、光取出し効率の向上が充分でないという問題がある。
【０００６】
一方、特許文献２では、光取出し面となるｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に直接開口部を設けているので、前記のような界面での光吸収は生じない。しかしながら、形成される開口は、矩形波状であるので、該ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面付近で、面方向に進む光に対しては光取出し効率を向上することができるけれども、発光層から略垂直に入射する光に対しては、前記光取出し効率の向上度合いは小さいという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、光取出し効率の向上を一層進めることができる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体発光素子は、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成り、前記ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を有する半導体発光素子において、前記凹凸構造を、前記ｐ型窒化物半導体層から、該ｐ型窒化物半導体層の生成温度よりも低い温度で引続きエピタキシャル成長させることで四角錐状の凸部を形成し、その凸部をマスクとして前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングして成ることを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、ｐ型窒化物半導体層を所望とする厚さに形成した後、引続き低温でエピタキシャル成長させることで、該ｐ型窒化物半導体層の表面から結晶核成長によって四角錐状の凸部が成長する。その凸部をマスクとして、前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングすることで、高温で成長させたｐ型窒化物半導体層に凹凸構造を形成する。
【００１０】
したがって、ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を形成し、回折による光取出し効率を向上するにあたって、その凹凸構造が、四角錐状の凸部をマスクとして、等方性エッチングして成るので、矩形波状の凹凸構造に比べて、発光層から略垂直に入射する光に対する光取出し効率を向上することができる。また、前記凸部は、ｐ型窒化物半導体層上に別の層を形成してそれに凹凸を設けたものではなく、ｐ型窒化物半導体層から成長させたものであるので、屈折率差を有するような界面はなく、一層光取出し効率を向上することができる。こうして、発光効率が高い青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。
【００１１】
また、本発明の照明装置は、前記の半導体発光素子を用いることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、半導体発光素子に凹凸を形成することによる光取出し効率を一層向上することができる照明装置を実現することができる。
【００１３】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成り、前記ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を有する半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型窒化物半導体層を、予め定める規定の膜厚に、少なくとも前記凹凸構造分の膜厚を合わせた厚さにエピタキシャル成長させる工程と、温度を低下してさらに成長を続けさせて四角錐状の凸部をエピタキシャル成長させる工程と、前記凸部をマスクとして前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングする工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、ｐ型窒化物半導体層を所望とする厚さに形成した後、温度を低下させて引続き結晶成長を行わせると、該結晶は通常の成長のような面方向に拡がった成長をせず、ｐ型窒化物半導体層上を分散して四角錐状に核成長してゆく。このようにして形成された凸部をマスクとして用い、前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングすると、その凸部の形状を反映して、該ｐ型窒化物半導体層が彫り込まれる。こうしてｐ型窒化物半導体層に形成された凹凸構造を、光取出し効率の向上のために用いる。
【００１５】
したがって、ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を形成し、回折による光取出し効率を向上するにあたって、その凹凸構造が四角錐状の凸部をマスクとして、等方性エッチングして成るので、矩形波状の凹凸構造に比べて、発光層から略垂直に入射する光に対する光取出し効率を向上することができる。また、前記凸部は、ｐ型窒化物半導体層上に別の層を形成してそれに凹凸を設けたものではなく、ｐ型窒化物半導体層から成長させたものであるので、屈折率差を有するような界面はなく、一層光取出し効率を向上することができる。こうして、発光効率が高い青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。
【００１６】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法では、前記ｐ型窒化物半導体層およびその上に成長される凸部は、ｐ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層から成り、前記エッチング工程の前に、ｐ型ドーパントと酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行う工程を行うことを特徴とする。
【００１７】
上記の構成によれば、凸部からｐ型窒化物半導体層までのｐ型ドーパントが活性化され、抵抗値を低くすることができるので、ｐ型電極の材料とのオーミック性を良好に保つことができ、動作電圧を抑えることができる。
【００１８】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法では、前記ｐ型窒化物半導体層のエッチングは、塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングであり、エッチング後に酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行う工程を備えることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、ｐ型窒化物半導体層をエッチングによるダメージから回復させることができるので、発光効率が高い青色または紫外の半導体発光素子が実現できる。
【００２０】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記熱処理後に、窒素ガスから成るプラズマにより、ｐ型窒化物半導体層の最表面を処理することを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、前記ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層から成るｐ型窒化物半導体層に、前記塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングを行うことで、該ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層から窒素が抜けてしまうので、前記窒素ガスから成るプラズマにより、そのｐ型窒化物半導体層の最表面を処理することで、該ｐ型窒化物半導体層のエッチングによるダメージを防止でき、発光効率が高い青色または紫外の半導体発光素子を実現できる。
【００２２】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法では、前記凸部は、ｎ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層から成り、前記エッチングは塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングであり、エッチング後に、光を照射した状態で、前記ｎ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層を酸性の溶液にてエッチングを行い、前記凸部を完全に除去する工程をさらに備えることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、凸部をｎ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層で作成することで、光照射によって、該凸部を容易に完全に除去することができる。
【００２４】
したがって、低温でエピタキシャル成長させた凸部は、活性化されるｐ型ドーパントが少なく、低抵抗化し難いのに対して、エッチングで除去しておくことで、低抵抗化し、動作電圧を抑えることができる。また、前記凹凸は、高温で成長させたｐ型窒化物半導体層自体をエッチングで彫り込んだものであるので、凹凸構造に界面がなく、一層光取出し効率を向上することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成り、前記ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を有する半導体発光素子において、ｐ型窒化物半導体層を所望とする厚さに形成した後、引続き低温でエピタキシャル成長させることで、該ｐ型窒化物半導体層の表面から結晶核成長によって四角錐状の凸部を成長させ、その凸部をマスクとして、前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングすることで凹凸構造を形成する。
【００２６】
それゆえ、ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を形成し、回折による光取出し効率を向上するにあたって、その凹凸構造が、四角錐状の凸部をマスクとして、等方性エッチングして成るので、矩形波状の凹凸構造に比べて、発光層から略垂直に入射する光に対する光取出し効率を向上することができる。また、前記凸部は、ｐ型窒化物半導体層上に別の層を形成してそれに凹凸を設けたものではなく、ｐ型窒化物半導体層から成長させたものであるので、屈折率差を有するような界面はなく、一層光取出し効率を向上することができる。こうして、発光効率が高い青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。
【００２７】
また、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光素子を用いる。
【００２８】
それゆえ、半導体発光素子に凹凸を形成することによる光取出し効率を一層向上することができる照明装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
［実施の形態１］
図１および図２は、本発明の実施の一形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である発光ダイオード１の製造工程を示す断面図である。この発光ダイオード１では、サファイア基板２上に、ＡｌＮとＧａＮとのペア層が積層されたバッファ層３、ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４、発光層５およびｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６が順に積層される。注目すべきは、本発明では、図２で示すように、前記ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６に続けて、該ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上に分散して、ｐ型ドーパントを含む四角錐状の凸部７が結晶成長され、その後、前記凸部７を含むｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６がエッチング処理されて、図１で示すような凹凸８が形成されることである。
【００３０】
その後、図示は省略するが、前記凸部７を含むｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上にメタル層が積層されてｐ型電極となり、またこの発光ダイオード１の一部分、たとえば矩形の隅角部の１箇所が、エッチングによって前記ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４まで彫り込まれ、その上にｎ型電極が形成される。
【００３１】
この発光ダイオード１では、サファイア基板２を支持基板として用いているが、基板はサファイアに限定されず、基板側から光取出しを行う場合には、該基板は発光波長に対して透光性を持つものであればよいことは言うまでもない。またその場合、導電膜およびｐ型電極は光を反射する材料となるけれども、基板がＳｉであったり、前記サファイア基板２側からＹＡＧレーザを照射することによって該サファイア基板２を除去し、前記バッファ層３上に導電膜を形成してｎ型電極とする場合には、導電膜およびｐ型電極は光を透過する材料として、ｐ型電極側から光を取出すようにしてもよい。
【００３２】
前記バッファ層３は、たとえばＡｌＮとＧａＮとから成るペア層が１ｎｍの厚みで積層されて成り、前記ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４は、ｎ型ドーパントとしてＳｉを含む、たとえばＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層が２μｍの厚みで積層されて成り、前記発光層５は、たとえばＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層が３ｎｍの厚みで積層されて成り、前記ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６は、たとえばｐ型の電気伝導を示すドーパントＭｇを含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層が０．１μｍの厚みで積層されて成る。一方、前記凸部７は、たとえばｐ型の電気伝導を示すドーパントＭｇを含むＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎが四角錘状に０．１μｍの厚みで積層されて成る。
【００３３】
前記各層４，５，６および凸部７において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）の成分ｘおよびその厚さは、上記の値に限らず、所望とする電気的特性を得ることができる範囲で、適宜変化されてもよい。本発明の半導体発光素子では、前記ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４、発光層５、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６および凸部７の組成は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表すことができ、上記の例は、ｙ＝０である。
【００３４】
以下に、上述のように構成される発光ダイオード１の結晶成長方法を説明する。成長に用いるガスは、キャリアガスとして、水素ガス（Ｈ２）、窒素ガス（Ｎ２）、成長に係わるガスとして、アンモニア（ＮＨ３）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３、以下ＴＭＧと略す）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３、以下ＴＭＡと略す）、シラン（ＳｉＨ４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ５Ｈ５）２）である。
【００３５】
先ず、サファイア基板２を有機および酸溶液にて洗浄を行う。そして、Ｈ２を２（Ｌ／分）流しながら温度を１１００℃に上昇させ、サファイア基板２を気相エッチングする。次に、８００℃まで温度を低下させて、Ｈ２を２０（Ｌ／分）およびＮＨ３を１０（Ｌ／分）流しながら、１．７×１０−５（モル／分）のＴＭＡと１．２×１０−５（モル／分）のＴＭＧとを交互に供給して、合計で前記１ｎｍの厚みとしたＡｌＮとＧａＮとから成るペア層が積層されたバッファ層３をサファイア基板２上に結晶成長させる。
【００３６】
こうして基板処理が終わると半導体層の作成に移り、温度を１０００℃に上げて、Ｈ２を２０（Ｌ／分）およびＮＨ３を１０（Ｌ／分）流しながら、１．８×１０−５（モル／分）のＴＭＡと１．１×１０−５（モル／分）のＴＭＧとを交互に供給して、さらにシランを導入して、前記２μｍの厚みとし、ｎ型ドーパントとしてＳｉを含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を、前記ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４としてバッファ層３上に結晶成長させる。
【００３７】
引続き、温度を１０００℃に保ち、Ｈ２を２０（Ｌ／分）およびＮＨ３を１０（Ｌ／分）流しながら、１．８×１０−５（モル／分）のＴＭＡと１．２×１０−５（モル／分）のＴＭＧとを交互に供給して、さらにシランを導入して、前記３ｎｍの厚みとしたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を、前記発光層５としてｎ型窒化ガリウム化合物半導体層４上に結晶成長させる。
【００３８】
さらに、温度を１０００℃に保ち、Ｈ２を２０（Ｌ／分）およびＮＨ３を１０（Ｌ／分）流しながら、１．５×１０−５（モル／分）のＴＭＡと１．１×１０−５（モル／分）のＴＭＧとを交互に供給して、さらにシクロペンタジエニルマグネシウムを導入して、前記０．１μｍの厚みとしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を、前記ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６として発光層５上に結晶成長させる。
【００３９】
こうして、窒化ガリウム化合物半導体層が積層されると、注目すべきは、本発明では、温度を８００℃に低下させて続けて結晶成長を行い、Ｈ２を２０（Ｌ／分）およびＮＨ３を１０（Ｌ／分）流しながら、１．８×１０−５（モル／分）のＴＭＡと１．８×１０−５（モル／分）のＴＭＧとを交互に供給して、さらにシクロペンタジエニルマグネシウムを導入して、図２で示すように、前記０．１μｍの厚みとしたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎから成る四角錐状の凸部７を、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上に結晶成長させることである。ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上に、低温で結晶核成長させると、四角錘状に成長する。
【００４０】
その後、塩素を含むプラズマによりエッチングを行うと、前記図１で示すようになる。プラズマエッチングの方法を詳述する。エッチングに用いるガスは、ＢＣｌ３およびＡｒの混合ガスであり、エッチング装置にはＩＣＰエッチング装置を用いる。
【００４１】
図２で示すようにエピ成長の終了した上記発光ダイオード１を、ＩＣＰエッチング装置内に設置して、１×１０−６ｔｏｒｒ程度まで真空引きを行う。そして、前記ＢＣｌ３を４０ｓｃｃｍ、Ａｒを２０ｓｃｃｍ流し、圧力を一定の０．８Ｐａになるように調整する。続いて、ＲＦバイアスを２００Ｗ、ＩＣＰバイアスを５０Ｗに設定して、プラズマ状態を発生させ、３分間エッチング処理を行うと、前記図１で示すように、エッチング後の凹部９が、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６に形成され、凸部７の先端はプラズマの集中によって丸くなる。
【００４２】
このように構成することで、光取出し効率を向上するための凹凸８が矩形波状ではないので、発光層５からｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６に略垂直に入射する光に対する光取出し効率を向上することができる。また、前記凹凸８は、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上に別の層を形成してそれに凹凸を設けたものではなく、該ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６をそのまま成長させたものであるので、屈折率差を有するような界面はなく、一層光取出し効率を向上することができる。
【００４３】
なお、前記ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６がｐ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層から成るので、前記図２で示すように凸部７を形成した後、図１で示すようなエッチング工程を行う前に、ｐ型ドーパントと酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行うことが望ましい。このように構成することで、凸部７からｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６までのｐ型ドーパントが活性化され、抵抗値を低くすることができるので、ｐ型電極の材料とのオーミック性を良好に保つことができ、動作電圧を抑えることができる。
【００４４】
また、塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングの後に、酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行うことが望ましい。そのようにすることで、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６をエッチングによるダメージから回復させることができるので、発光効率が高い青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。
【００４５】
さらにまた、前記熱処理後に、窒素ガスから成るプラズマにより、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６の最表面を処理することが望ましい。そのようにすることで、前記ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層から成るｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６に、前記のような塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングを行うと、該ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層から窒素が抜けてしまうのに対して、その窒素を補充し、エッチングによるダメージを防止できるので、より一層発光効率が高い青色または紫外の発光ダイオードを実現することができる。
【００４６】
［実施の形態２］
図３〜図５は、本発明の実施の他の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である発光ダイオード１１の製造工程を示す断面図である。この発光ダイオード１１は、前述の発光ダイオード１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６上には、図４で示すように、ｎ型の電気伝導を示すドーパントＳｉを含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎが四角錘状に０．１μｍの厚みで積層されて凸部１７が形成されていることである。
【００４７】
図４で示すようにエピ成長の終了した上記発光ダイオード１１を、ＩＣＰエッチング装置内に設置して、前述と同様に１×１０−６ｔｏｒｒ程度まで真空引きを行い、前記ＢＣｌ３を４０ｓｃｃｍ、Ａｒを２０ｓｃｃｍ流し、圧力を一定の０．８Ｐａになるように調整した後、ＲＦバイアスを２００Ｗ、ＩＣＰバイアスを５０Ｗに設定して、プラズマ状態を発生させ、３分間エッチング処理を行うと、前記図１と同様に、図３で示すように、エッチング後の凹部１９が、前記ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６に形成され、凸部１７の先端はプラズマの集中によって丸くなる。
【００４８】
しかしながら、注目すべきは、この発光ダイオード１１では、前記ｎ型のドーパントを含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎが、光照射によって、容易に完全に除去できることから、図３で示すようにエッチング処理を一旦終了した発光ダイオード１１を、たとえばＢＨＦ（バッファフッ酸）中に浸漬した後、波長３５０ｎｍのランプを１０分間照射させ、さらに５分間純水内にて洗浄を行うことで、図５で示すように除去していることである。
【００４９】
このように構成することで、低温でエピタキシャル成長させた凸部１７は、ｐ型ドーパントが少なく、低抵抗化し難いのに対して、エッチングで除去しておくことで、低抵抗化し、動作電圧を抑えることができる。また、凹凸１８は、高温で成長させたｐ型窒化ガリウム化合物半導体層６自体をエッチングで彫り込んだ凹部１９から成るので、凹凸構造に界面がなく、一層光取出し効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の一形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図２】図１で示す発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の他の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図４】図３で示す発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図５】図３で示す発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１，１１ 発光ダイオード
２ サファイア基板
３ バッファ層
４ ｎ型窒化ガリウム化合物半導体層
５ 発光層
６ ｐ型窒化ガリウム化合物半導体層
７，１７ 凸部
８，１８ 凹凸
９，１９ 凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成り、前記ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を有する半導体発光素子において、
前記凹凸構造を、前記ｐ型窒化物半導体層から、該ｐ型窒化物半導体層の生成温度よりも低い温度で引続きエピタキシャル成長させることで四角錐状の凸部を形成し、その凸部をマスクとして前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングして成ることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記請求項１記載の半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。
【請求項３】
基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成り、前記ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を有する半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ型窒化物半導体層を、予め定める規定の膜厚に、少なくとも前記凹凸構造分の膜厚を合わせた厚さにエピタキシャル成長させる工程と、
温度を低下してさらに成長を続けさせて四角錐状の凸部をエピタキシャル成長させる工程と、
前記凸部をマスクとして前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングする工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記ｐ型窒化物半導体層およびその上に成長される凸部は、ｐ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層から成り、
前記エッチング工程の前に、ｐ型ドーパントと酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行う工程を行うことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記ｐ型窒化物半導体層のエッチングは、塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングであり、エッチング後に酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行う工程を備えることを特徴とする請求項３または４記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理後に、窒素ガスから成るプラズマにより、ｐ型窒化物半導体層の最表面を処理することを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記凸部は、ｎ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層から成り、前記エッチングは塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングであり、
エッチング後に、光を照射した状態で、前記ｎ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層を酸性の溶液にてエッチングを行い、前記凸部を完全に除去する工程をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成り、前記ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を有する半導体発光素子において、
前記凹凸構造を、前記ｐ型窒化物半導体層から、該ｐ型窒化物半導体層の生成温度よりも低い温度で引続きエピタキシャル成長させることで四角錐状の凸部を形成し、その凸部をマスクとして前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングして成ることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記請求項１記載の半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。
【請求項３】
基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を積層して成り、前記ｐ型窒化物半導体層上に凹凸構造を有する半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ型窒化物半導体層を、予め定める規定の膜厚に、少なくとも前記凹凸構造分の膜厚を合わせた厚さにエピタキシャル成長させる工程と、
温度を低下してさらに成長を続けさせて四角錐状の凸部をエピタキシャル成長させる工程と、
前記凸部をマスクとして前記ｐ型窒化物半導体層を等方性エッチングする工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記ｐ型窒化物半導体層およびその上に成長される凸部は、ｐ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層から成り、
前記エッチング工程の前に、ｐ型ドーパントと酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行う工程を行うことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記ｐ型窒化物半導体層のエッチングは、塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングであり、エッチング後に酸素と不活性ガスとを含む雰囲気下にて熱処理を行う工程を備えることを特徴とする請求項３または４記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理後に、窒素ガスから成るプラズマにより、ｐ型窒化物半導体層の最表面を処理することを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記凸部は、ｎ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層から成り、前記エッチングは塩素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングであり、
エッチング後に、光を照射した状態で、前記ｎ型ドーパントを含むＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ層を酸性の溶液にてエッチングを行い、前記凸部を完全に除去する工程をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−９５７４５（Ｐ２００７−９５７４５Ａ）
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７９５０１（Ｐ２００５−２７９５０１）
【出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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