JP4802315B2 - 窒化物半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、レーザダイオード（ＬＤ）素子などの発光素子に関し、特に発光特性の改善された窒化物半導体発光素子とその製造方法に関するものである。

窒化物半導体（Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＮ、ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）においては、その組成を調整することによって、バンドギャップが狭いものから広いものまでの種々の窒化物半導体結晶を成長させることができる。このような窒化物半導体を利用して半導体発光素子を作製する場合には、通常はサファイア、スピネル、ＳｉＣなどの異種基板上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）法などを利用して複数の窒化物系半導体層が積層される。しかしながら、そのような異種基板上に結晶成長した窒化物半導体層中には、格子不整合に起因して１０⁹〜１０¹⁰／ｃｍ²もの高い密度の貫通転位が存在する。これらの貫通転位は非発光センターになり、電流のリークパスの原因ともなる。

近年では、高出力の発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）などが実現されているが、さらにそれらの特性向上を図るためには転位密度の低減が望まれている。転位密度の低減を図る方法の一つとして、基板面上の選択的結晶成長を利用するラテラル（横方向）成長法がある。この方法は、基板面上に結晶成長を防止するマスクを部分的に設けて選択的結晶成長をさせることによって、マスク上面にラテラル結晶成長を行わせ、転位密度が低減された高品質の結晶領域を得る方法である（たとえば、特許文献１の特許第３１３９４４５号公報参照）。この方法は、ＬＥＯ（lateral epitaxial overgrowth）法と呼ばれている。また、結晶成長防止用マスクを使用せずに、周期溝を形成した基板の溝上へラテラル成長させる例もある（たとえば、特許文献２の特許第３５５６９１６号公報参照）。この方法は、ＬＥＰＳ（lateral epitaxial patterned substrate）法と呼ばれている。これらのＬＥＯ法やＬＥＰＳ法では、結晶層の成長中に発生する貫通転位のほとんどが結晶層の厚さ方向に伝播し、横方向には伝播しないことを利用している。

現在において実用化されている窒化物発光ダイオードのほとんどはいわゆるＣ面窒化物発光ダイオードであって、六方晶系であるサファイアのＣ面すなわち（０００１）面またはそれに直交するＡ面すなわち（１１−２０）面上に平行に成長するＣ面を有する窒化物半導体層を利用して作製されている。

図９と図１０の模式的斜視図は、それぞれ六方晶系のサファイア結晶とＧａＮ結晶における主要な結晶学的方位を示している。ＧａＮ結晶のＣ面に平行な原子面としてはＧａ原子面とＮ原子面が交互に重なっている。そして、これらの原子間の電気陰性度の相違に起因して結晶内のｃ軸方向すなわち［０００１］軸方向に自発分極が発生し、さらに、歪がかかった場合には圧電（ピエゾ）分極が重畳される。発光層として作用する（Ｃ面に平行な）量子井戸層内において、このように分極による電場が生じれば、電子と正孔が井戸層の両界面側に分離し、発光効率の低下を招く。

この対策として、サファイア基礎基板のＲ面すなわち（０１−１２）面上にラテラル成長技術を利用して結晶成長させたＧａＮ基板層（下地層）のＡ面上にその無極性のＡ面に平行な活性層を含む窒化物発光ダイオードを試作した例はあるが（たとえば、特許文献３のＵＳ２００５／０２１４９９２Ａ１参照）、このような窒化物発光ダイオードにおいても従来の有極性窒化物発光ダイオードに比べて優れた特性は得られていない。この原因としては、後述するように、ＧａＮ下地層上のラテラル成長の起点となる非マスク領域、お
よび−ｃ軸方向すなわち［０００−１］方向へのラテラル成長部には高密度の貫通転位が存在するからであると考えられる。
特許第３１３９４４５号公報 特許第３５５６９１６号公報 ＵＳ２００５／０２１４９９２Ａ１

従来のラテラル成長によって転位密度が低減された窒化物ＬＥＤの場合、周期的なストライプ状にラテラル成長した結晶の隣同士が合体して成長表面全体が平坦になった後に、量子井戸活性層などが成長させられて積層されている。

図１１は、前述のＬＥＯ法によって転位密度が低減された従来の非極性窒化物ＬＥＤの断面構造を模式的に示している。この窒化物ＬＥＤにおいては、いわゆるサファイアＲ面基板１０１の上面にいわゆるＡ面ＧａＮ下地層１０２が形成されている。このＡ面ＧａＮ下地層１０２上には周期的なストライプ状の結晶成長防止マスク（ＳｉＯ₂）１０３が周期窓１０４を伴って形成されている。そして、それらのマスク１０３および窓１０４を覆うように、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０５、ｎ型ＧａＮクラッド層１０６、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１０７、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０８、ｐ型ＧａＮクラッド層１０９、およびｐ⁺型ＧａＮコンタクト層１１０が順次結晶成長させられている。

図１１の窒化物ＬＥＤは、ｐ型用電極（Ｎｉ／Ａｕなど）１１２およびｎ型用電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕなど）１１３をも含み、縦の平行線で表された貫通転位密度が高い領域１１１をも含んでいる。すなわち、従来のＬＥＯ法やＬＥＰＳ法などによって転位密度低減を図ったＬＥＤにおいては、チップ全面での平均転位密度は１０⁷〜１０⁸／ｃｍ²とまだ高く、内部量子効率が十分ではない。これは、特に結晶成長防止マスク１０３のない窓部１０４の上方の結晶領域およびラテラル成長合体部では転位密度が高く、これらの領域中の活性層１０７をも発光させるからである。

また、従来の窒化物半導体発光ダイオードの活性層で発生した光を外部に取り出す場合、表面電極が部分的に光を遮断することが光取り出し効率悪化の１つの原因となっている。これに関連して、活性層のうちで電極から離れた領域まで電流が拡がらず、電極直下の活性層領域で最も光るという不都合も存在している。

さらに、窒化物発光ダイオードチップのサファイア基板側をパッケージに接着する場合、サファイアの熱伝導率が悪いので、活性層における発熱を十分に放熱することができない。したがって、窒化物発光ダイオードを高電流で発光させる場合、光出力が熱飽和してしまう。

本発明は上述のような課題を解消するために、貫通転位密度の低減された領域に形成された無極性の活性層のみを発光領域として利用することによって、発光特性の改善された窒化物半導体発光素子を簡便かつ低コストで提供することを目的としている。

本発明による窒化物系半導体発光素子においては、六方晶の窒化物半導体積層構造が支持基板の一主面上に設けられており、半導体積層構造は活性層を含む複数の窒化物半導体層からなり、半導体積層構造はサファイアＲ面基板上のラテラル結晶成長法によって形成されたものであってサファイアＲ面に平行なそのＡ面を有し、半導体積層構造はｃ軸方向にラテラル結晶成長した相対的に転位密度の低い領域と、−ｃ軸方向にラテラル結晶成長した相対的に転位密度の高い領域と、ａ軸方向に縦方向結晶成長した相対的に転位密度の高い領域とを有し、活性層のうちでｃ軸方向へのラテラル結晶成長部である相対的に転位密度の低い領域のみに電流注入して生じる発光の外部への取出しを阻害しないように、半導体積層構造のうちでｃ軸方向へのラテラル結晶成長部以外の転位密度の高い領域の成長表面に電極が配置されていることを特徴としている。

なお、活性層は非分極性のＡ面多重量子井戸層を含むことが好ましい。また、半導体積層構造のうちでｃ軸方向へのラテラル結晶成長部以外の相対的に転位密度の高い領域でサファイア基板に接していた側に電流阻止膜が形成されていることが好ましい。本発明の窒化物半導体発光素子においては、非極性のＡ面活性層で発光するストライプ状発光セグメントの複数が集積され得る。

以上のような窒化物半導体発光素子を製造するための方法においては、サファイアＲ面基板上にＧａＮ下地層を積層し、その上に窒化物半導体積層構造がラテラル結晶成長させられることが好ましい。また、ラテラル結晶成長法において、周期的な結晶成長防止膜が形成されている基板を使用することが好ましい。ラテラル結晶成長法において、周期的な凹部の底面と側面に結晶成長防止膜が形成されている基板を使用することもできる。ラテラル結晶成長法において、周期的な結晶成長防止膜はサファイアＲ面基板上に形成されたＧａＮ層のｍ軸［１−１００］方向に平行なストライプ状に形成されていることが好ましい。

周期的結晶成長防止膜間の窓部に露出したＧａＮ下地層を種結晶としてｃ軸方向へラテラル成長した部分が、活性層の発光領域として好ましく利用される。ＧａＮ下地層は、相対的に低温で堆積されたＧａＮバッファ層を相対的に高温で熱処理することによって形成されてもよい。サファイア基板上に形成された窒化物半導体積層構造の表面上に放熱性ウェハを支持基板として接着した後、そのサファイア基板を除去することが好ましい。

以上のように作製された窒化物半導体発光素子とその発光素子から発する紫外から青色までの波長範囲内の光を波長変換する蛍光体とを組み合わせることによって、全体として白色光を放射し得る白色発光装置を提供することができる。

以上のような本発明によれば、窒化物半導体発光素子において、低転位密度領域での非極性面発光による内部量子効率の向上が得られる。また、光放射面側の電極直下での電流ブロックによって、光取り出し効率の向上すなわち外部量子効率の向上を図り、低電流で大きな発光出力を得ることができる。さらに、窒化物半導体積層構造に接合された支持基板がヒートシンク材を兼ね得るので、窒化物半導体発光素子の高出力動作時における熱飽和が少ない。

本発明の発光素子構造とその製造方法を採用することによって得られる主要な効果の幾つかをより具体的に列挙すれば、以下のようである。

（１） 貫通転位が低減された領域に発光層が形成されているので、非発光センターが少なくて、電流リークも少ない。

（２） 非極性のＡ面を発光層として使用するので自発分極や圧電分極の影響がなく、内部量子効率向上が実現できる。

（３） 窒化物半導体積層構造に接合した支持基板がヒートシンクも兼ねるので、窒化物半導体発光素子における高出力動作時の熱飽和が少ない。

また、本発明における窒化物ＬＥＤの応用例において、以下の効果を得ることができる。たとえば、本発明の窒化物ＬＥＤを白色用蛍光体の励起光源として使用すれば、１００
ｌｍ／Ｗ以上の白色発光効率が期待でき、照明用光源として最適である。

まず、本発明においては、前述のサファイアＲ面基板上にＬＥＯ法またはＬＥＰＳ法によってＡ面ＧａＮ層のＭＯＣＶＤ成長を行い、ラテラル成長部の転位密度の低い部分の活性層のみを発光層として利用することが基本概念である。

図１は、サファイアＲ面上のＬＥＯ法によるラテラル成長の様子を示す模式的断面図である（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．９４，Ｎｏ．２，ｐｐ．９４２参照）。このＬＥＯ法においては、まずサファイアＲ面基板１上にＡ面ＧａＮ下地層２を厚さ１〜２μｍに成長させ、その上にＳｉＯ₂などの結晶成長防止膜３を形成する。この結晶成長防止膜３は、窓部４が介在する周期的なストライプ状に形成される。

図１（ａ）は、ＧａＮ下地層２のｍ軸［１−１００］方向に平行にストライプ窓４を形成した場合を示している。この下地層２上にＧａＮ系の窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ成長させる場合、ＳｉＯ₂膜３上には窒化物半導体（たとえばＧａＮ）層の結晶核が発生しなくて結晶成長が起こらない。マスク窓４の領域のみに発生する結晶核を起点として、縦方向（ａ軸方向）と横方向（ｃ軸方向と−ｃ軸方向）にＧａＮ層の結晶成長が起こる。これらの方向の結晶成長速度をそれらの結晶軸で表せば、ｃ軸＞ａ軸＞−ｃ軸の関係にある。ｃ軸方向の成長速度は、ａ軸方向に比べて１〜１．５倍であって、−ｃ軸方向に比べて３〜１０倍である。

ここで、ＧａＮ層がｃ軸方向（横方向）に成長している側面ではＧａ原子面が安定であり、その逆方向の−ｃ軸方向に成長している側面ではＮ原子面が安定である。また、隣り合う窓部４からの互いに向かい合うｃ軸方向成長と−ｃ軸方向成長との合体部８の下方には隙間９が残る。そして、ＧａＮ結晶成長層には、マスク窓４の上方向に成長した領域５、マスク３上でｃ軸方向に横方向成長した領域６、およびマスク３上で−ｃ軸方向に横方向成長した領域７が含まれる。それぞれの領域の転位密度は、マスク窓４の上方向に成長した領域５およびマスク３上で−ｃ軸方向に横方向成長した領域７において１０⁹〜１０¹⁰／ｃｍ²程度に多く、マスク３上でｃ軸方向に横方向成長した領域６において１０⁵〜１０⁶／ｃｍ²程度に少ない。

図１（ｂ）は、ＧａＮ下地層２のｃ軸［０００１］方向に平行にストライプ窓４を形成した場合を示している。この場合、横方向結晶成長７はｍ軸方向となり、その成長速度が非常に遅くてデバイス作製のためには利用することはできない。

したがって、本発明では、図１（ａ）に示されているようにストライプ窓４をｍ軸［１−１００］方向に形成した場合を採用し、マスク窓４の上方向へ成長した領域５およびマスク３上で−ｃ軸方向に横方向成長した領域７へ流れる電流をブロックし、ｃ軸方向に横方向成長して貫通転位密度が低減された領域６の活性層でのみ発光させる窒化物半導体発光素子を作製する。これによって、貫通転位に起因する非発光センターが少なくなり、内部量子効率が向上し、高出力の窒化物半導体発光ダイオードが可能になる。

また、本発明においては、後で詳述される図２の模式的な断面図に示されているように、光取り出し面上の表面電極３０は活性層２２への電流がブロックされる貫通転位密度の高い領域５上に形成され、これによって表面電極３０直下の発光が防止される。すなわち、発光は表面電極３０が無くて転移密度が低減された領域６でのみ起こるので、窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。

さらに、本発明では、放熱性で導電性の支持基板と窒化物半導体積層構造の結晶成長表面とを合金層を介して接合した後、サファイア基板をレーザ照射法などにより分離し、放熱性支持基板側がパッケージにマウントされる。この方法によって、活性層で発生した熱がパッケージ側へ効率良く放熱され、窒化物半導体発光素子における光出力の熱飽和問題を回避し得る。

［実施例１］
図２は、本発明の実施例１による窒化物発光ダイオードを示す模式的断面図である。この発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮクラッド層２１、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層２２、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層２３、ｐ型ＧａＮクラッド層２４、ｐ型ＧａＮコンタクト層２５、電流ブロック用ＳｉＯ₂膜２６、ｐ型用電極２７、導電性接着材料（Ａｕ−Ｓｎなど）２８、両面がメタライズされた導電性放熱支持基板２９、およびｎ型用電極３０を含んでいる。図中の矢印３１はｐ型用電極２７からｎ型用電極３０へ流れる電流を表し、矢印３２は窒化物半導体積層構造の結晶成長表面から放射される光を表している。図２から分かるように、電流３１はＳｉＯ₂膜２６によってブロックされて貫通転位の多い領域５と７へは流れず、貫通転位の少ない領域６のみを通って流れる。

図３は、図２の発光ダイオードの製造プロセスの一例を模式的断面図で図解している。
図３（ａ）では、サファイアＲ面基板１上にＭＯＣＶＤ法によって、基板温度１１００℃でＡ面ＧａＮ下地層２を厚さ１．２μｍに成長させる。サファイアとＧａＮの格子定数は約１４％程度に大きく異なるので、ＧａＮ下地層２の結晶中には貫通転位が１０⁹〜１０¹⁰／ｃｍ²程度に多く存在する。そのＧａＮ下地層２上にプラズマＣＶＤ法によって厚さ０．１２μｍのＳｉＯ₂膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によって周期的ストライプ状にエッチングすることによって、マスク部３と窓部４を形成する。このとき、ストライプ方向はｍ軸［０−１００］方向に平行にする。たとえば、マスク部３の幅は１２μｍであり、窓部４の幅は３μｍとし得る。

図３（ｂ）では、ＭＯＣＶＤ法によって、基板温度１１００℃において、ｎ型ＧａＮクラッド層２１（厚さ６μｍ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２２、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層２３（厚さ０．０５μｍ）、ｐ型ＧａＮクラッド層２４（厚さ０．３μｍ）、およびキャリア濃度の大きいｐ⁺型ＧａＮコンタクト層２５（厚さ０．５μｍ）を順次結晶成長させる。その結果、全厚７μｍの窒化物半導体積層構造が形成される。量子井戸活性層は、アンドープＩｎＧａＮ井戸層（厚さ３ｎｍ）とアンドープＧａＮ障壁層（厚さ１２ｎｍ）を交互に５周期積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）である。ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比は発光波長ピークが４０５ｎｍになるように設計し得る。

窒化物半導体積層構造を成長させる際に、ｎ型ＧａＡｓクラッド層２１の厚さが約５μｍになるときに、対向するラテラル成長の側面が完全に合体し上表面が平坦となる。図中の符号５は窓部４から上方へ貫通転位を引き継いだ領域を表し、符号６はｃ軸方向に向いて横方向に結晶成長した結果として転位の少ない領域を表し、そして符号７は−ｃ軸方向に向いて結晶成長した結果として転位の多い領域を表している。また、符号８は、対向するラテラル成長の合体部を表している。符号９は、対向するラテラル成長層の合体部下に残る隙間を表している。すなわち、ＬＥＯ法の場合、ＳｉＯ₂マスク３上ではラテラル成長の端面がやや傾いて成長するので、合体部８下では三角形の隙間９が残る。

窓部４上の縦方向成長部５はＧａＮ下地層２中の転位を引き継ぐので、そこにおける貫通転位密度は１０⁸〜１０¹⁰／ｃｍ²程度に高くなる。他方、ｃ軸方向のラテラル成長部６の転位密度は１０⁵〜１０⁶／ｃｍ²程度に低く、−ｃ軸方向のラテラル成長部７の転位密度は１０⁷〜１０¹⁸／ｃｍ²程度に高くなる。

図３（ｃ）では、転位密度の高い領域５と７における結晶成長表面上に、電流をブロックするためのストライプ状ＳｉＯ₂膜２６がプラズマＣＶＤ法により形成される。この電流阻止膜２６は、たとえば６μｍのストライプ幅に形成され得る。次に、ｐ型用電極（Ｎｉ／Ａｕ）２７が真空蒸着法によって形成される。

図３（ｄ）では、両面がメタライズされた厚さ３５０μｍの支持基板（Ｓｉウェハ）２９が、窒化物半導体積層構造のｐ型用電極２７側へ合金（Ａｕ−Ｓｎ）層２８を介して反りを生じないように均等な圧力で熱圧着される。このとき、反りの吸収のために、隣接する窒化物半導体積層構造間の合体部８でクラックが発生しても問題を生じない。

図３（ｅ）では、紫外波長２４８．５ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光の断面を線状に整形して、サファイア基板１の裏面から全面をスキャンする。そうすれば、サファイア基板１とＧａＮ下地層２との境界においてＧａＮ半導体が分解し、サファイア基板１を分離することができる。このとき、窒化物半導体積層構造に反りが生じていないので、レーザ光の焦点ずれがなく、サファイア基板１を全面にわたって確実に分離することができる。

図３（ｆ）では、サファイア基板１の分離によって露出したＧａＮ下地層２の表面からＳｉＯ₂膜３までが研磨によって除去される。その後、研磨により露出したｎ型ＧａＮクラッド層２１のうちで転位密度の高い領域５と７上に、電流ブロック膜２６に対向してｎ型用電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）ストライプ３０が形成される。

図４は、以上のようにして作製され得る図２のＬＥＤペレットにおける電極側パターンの一例を模式的な平面図で示している。この図において、部号３０はｎ型用電極ストライプを表し、符号３１はｎ型用電極用ボンディングパッドを表している。このチップの寸法形状を３００μｍ角とした場合、電極ストライプのピッチは１５μｍであるから、ｎ型用電極ストライプは２０本となる。

本実施例１において得られた窒化物半導体積層構造の結晶性を評価するために、そのＣＬ（カソードルミネッセンス）測定によって暗点密度を測定した。その結果、暗点密度は窓部４の上方領域５において１０⁸〜１０¹⁰／ｃｍ²であり、ｃ軸方向のラテラル成長部６において１０⁵〜１０⁶／ｃｍ²であり、そして−ｃ軸方向のラテラル成長部７において１０⁸〜１０⁹／ｃｍ²であった。また、ＰＬ（フォトルミネッセンス）測定を行ったところ、ｃ軸方向のラテラル成長部６のＰＬ強度は、窓部上方の成長部５に比べて約３０倍であった。さらに、本実施例１における窒化物半導体ＬＥＤの電流−電圧特性において、３Ｖ以下の順方向電圧において電流リークはほとんど生じなかった。

本実施例１の窒化物半導体ＬＥＤの発光特性を測定したところ、４０５ｎｍのピーク波長、７０％の内部量子効率、および７０％の光取り出し効率が得られた。また、そのＬＥＤの光出力は約２５ｍＷ（２０ｍＡ）であり、従来のＬＥＤに比べて大幅な出力向上が実現できた。

［実施例２］
図５は、本発明の実施例２による発光ダイオードを模式的な断面図で示している。この図５の発光ダイオードが図２のものと異なる点は、ラテラル成長法としてＬＥＰＳ法を採用しているので、結晶成長用基板の溝部上で対向するラテラル成長部６と７が完全に合体し、その合体した窒化物半導体積層構造間８において隙間が残らないことである。したがって、ｐ型用電極２７からｎ型用電極３０へ流れる電流が左右に均等に流れ、発光分布が均一になり得る。

図６は、図５の発光ダイオードの製造プロセスを模式的断面図で図解している。
図６（ａ）では、サファイアＲ面基板１上に、ＭＯＣＶＤ法によって基板温度１１００℃でＡ面ＧａＮ下地層２を厚さ１．２μｍに成長させる。サファイアとＧａＮの格子定数は約１４％程度に大きく異なるので、ＧａＮ下地層２中には貫通転位が１０⁹〜１０¹⁰／ｃｍ²程度の密度で存在する。

図６（ｂ）では、フォトリソグラフィ技術とＲＩＥ（反応性イオンエッチング）技術を利用して、サファイア基板１を部分的に露出させる周期的ストライプ溝６１を形成する。このストライプ溝６１の方向は、ｍ軸［１−１００］に平行である。ストライプ溝６１の幅はたとえば１２μｍとすることができ、それらの溝間の凸部６２の幅はたとえば３μｍとし得る。

図６（ｃ）では、プラズマＣＶＤ法によって、基板１の全面を覆うように厚さ０．１２μｍのＳｉＯ₂膜を形成した後に、フォトリソグラフィ技術によって凸部６２上のＳｉＯ₂膜を除去する。すなわち、溝部６１の底面と側面のみにＳｉＯ₂膜からなる結晶成長防止膜６３を形成する。

図６（ｄ）では、ＭＯＣＶＤ法によって、基板温度１１００℃でｎ型ＧａＮクラッド層２１（厚さ６μｍ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２２、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層２３（厚さ０．０５μｍ）、ｐ型ＧａＮクラッド層２４（厚さ０．３μｍ）、およびキャリア濃度の大きいｐ⁺型ＧａＮコンタクト層２５（厚さ０．５μｍ）を順次結晶成長させる。こうして得られる窒化物半導体積層構造の全厚は７μｍである。量子井戸活性層２２は、アンドープＩｎＧａＮ井戸層（厚さ３ｎｍ）とアンドープＧａＮ障壁層（厚さ１２ｎｍ）を交互に５周期積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）である。ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成比は、発光波長ピークが４０５ｎｍになるように設計し得る。

窒化物半導体積層構造の成長の際には、凸部６２に露出しているＧａＮ下地層２を種結晶として、縦方向と横方向に結晶成長が起こる。他方、溝部６１の底面と側面の成長防止膜６３上には結晶成長が全く起こらず、また、横方向結晶成長部の下面ではＭＯＣＶＤ用原料ガスの回り込みが少ないので結晶成長がほとんど起こらない。ｎ型ＧａＡｓクラッド層２１の厚さが約４μｍになるときに、対向するラテラル成長部６と７の側面が完全に合体し、窒化物系半導体積層体の表面が平坦となる。実施例１のＬＥＯ法の場合と違って、本実施例２におけるＬＥＰＳ法ではラテラル成長部６と７の側面に傾きはなく、合体したラテラル成長部の間に隙間が残ることはない。縦方向のａ軸［１１−２０］方向への結晶成長速度に比べて、ラテラル成長部の成長速度はｃ軸［０００１］方向において約１．２倍であり、−ｃ軸 ［０００−１］方向においては約０．３倍である。

凸部６２上の縦方向結晶成長部５においては、ＧａＮ下地層２からの転位を引き継ぐので、貫通転位密度が１０⁸〜１０¹⁰／ｃｍ²程度に高くなる。他方、溝部６１上のラテラル成長部の転位密度は、ｃ軸方向の成長部６において１０⁵〜１０⁶／ｃｍ²程度に低く、−ｃ軸方向の成長部７においては１０⁷〜１０¹⁸／ｃｍ²程度に高くなる。

図６（ｅ）では、転位密度の高い領域５と７の成長表面上に電流をブロックするためのストライプ状ＳｉＯ₂膜２６をプラズマＣＶＤ法により形成する。このストライプ幅は、たとえば６μｍとし得る。次に、ｐ型用電極（Ｎｉ／Ａｕ）２７が、真空蒸着法により形成される。

図６（ｆ）では、両面がメタライズされた厚さ３５０μｍのＳｉウェハからなる支持基板２９が、窒化物半導体積層構造のｐ型用電極２７側へＡｕ−Ｓｎ合金層２８を介して反りが生じないように均等な圧力で熱圧着される。

図６（ｇ）では、紫外波長２４８．５ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光の断面を線状に整形して、サファイア基板１の裏面から全面をスキャンする。そうすれば、サファイア基板１とＧａＮ下地層２との境界においてＧａＮが分解し、サファイア基板１を分離除去することができる。このとき、サファイア基板１とＧａＮ下地層２との接触面積が小さいので、サファイア基板１を全面にわたって容易に分離することができる。

図６（ｈ）では、サファイア基板１の分離除去によって露出したＧａＮ突部６２が研磨によって除去される。その後、転位密度の高い領域５と７の領域上に、電流ブロック膜２６に対向してｎ型用電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）ストライプ３０が形成される。この電極ストライプ３０の幅も、たとえば６μｍとし得る。

図４は、実施例１の場合のみならず、本実施例２のＬＥＤチップの電極側パターンの一例としても参照することができる。その場合、符号３０はｎ型用電極ストライプを表し、符号３１はｎ型用電極用ボンディングパッドを表す。ＬＥＤチップの寸法形状を３００μｍ角とした場合、ｎ型用電極ストライプのピッチは１５μｍであるから、その電極ストライプは２０本となる。

本実施例２において得られた窒化物半導体積層構造の結晶性を評価するために、ＣＬ（カソードルミネッセンス）測定によって暗点密度を測定した。その結果、暗点密度は窓部凸部６２の上方に対応する領域５において１０⁸〜１０¹⁰／ｃｍ²であり、ｃ軸方向ラテラル成長部６において１０⁵〜１０⁶／ｃｍ²であり、そして−ｃ軸ラテラル成長部７において１０⁸〜１０⁹／ｃｍ²であった。また、ＰＬ（フォトルミネッセンス）測定を行ったところ、ｃ軸方向ラテラル成長部６のＰＬ強度は、窓部成長部５に比べて約１００倍であった。さらに、本実施例２の窒化物ＬＥＤの電流−電圧特性においても、３Ｖ以下も順方向電圧において電流リークがほとんど生じなかった。

本実施例２の窒化物半導体ＬＥＤの発光特性を測定したところ、４０５ｎｍのピーク波長、８０％の内部量子効率、および７０％の光取り出し効率が得られた。また、本実施例２のＬＥＤにおいては、光出力が約３５ｍＷ（２０ｍＡ）であって、従来のＬＥＤに比べて大幅な出力向上が実現できた。

［実施例３］
本発明の実施例３による発光ダイオードに関しても、図５の断面図を参照することができる。図７は、本実施例３の発光ダイオードの製造プロセスを模式的断面図で図解している。

図７（ａ）では、サファイアＲ面基板７０上に、フォトリソグラフィ技術とＲＩＥ技術によって、周期的ストライプ溝７１を形成する。このストライプの方向は、ｍ軸［１−１００］に平行である。ストライプ溝７１の幅はたとえば１２μｍにすることができ、それらの溝７１間における凸部７２の幅は３μｍとし得る。

図７（ｂ）では、プラズマＣＶＤ法によって溝７１および凸部７２を覆うように厚さ０．１２μｍのＳｉＯ₂膜を形成し、その後にフォトリソグラフィ技術によって凸部７２上のＳｉＯ₂膜を除去する。すなわち、溝部７１の底面と側面のみにＳｉＯ₂膜からなる結晶成長防止膜７３を形成する。

図７（ｃ）では、ＭＯＣＶＤ装置内で、サファイア凹凸基板７の上に基板温度５００℃にて低温ＧａＮバッファ層（下地層）７４を厚さ２５ｎｍに成長させる。そして、基板温度を１１００℃まで昇温することによって、バッファ層７４の平坦化が行われる。この際、溝７１の底面と側面のＳｉＯ₂膜上にはＧａＮバッファ層７４が成長しない。引き続い
て、実施例１および２の場合と同様に、本実施例３においてもＭＱＷ層を含む窒化物半導体積層構造を結晶成長させる。そのとき、凸部７２に露出しているＧａＮ下地層７４を種結晶として、縦方向と横方向に結晶成長が起こる。

その後の図７（ｄ）から（ｈ）までの製造プロセスは、実施例２の場合と同様である。
図８のグラフにおいては、実施例１〜３のＬＥＤの光出力−電流特性の測定例が示されている。すなわち、このグラフの横軸は電流（ｍＡ）を表し、縦軸は光出力（ｍＷ）を表している。

なお、以上の実施例においては紫外光を発する窒化物半導体発光素子が例示されたが、本発明においては、窒化物半導体の組成を調整することによって、紫外から赤色までの任意の波長の光を発する窒化物半導体発光素子を作製し得ることは言うまでもない。また、以上の実施例において結晶成長用基板としてサファイアを用いる例が説明されたが、スピネル、炭化ケイ素、または窒化物半導体などの基板を用いることもできる。また、上述のような窒化物半導体発光素子とその発光素子から発する紫外から青色までの波長範囲内の光を波長変換する蛍光体とを組み合わせることによって、全体として白色光を放射し得る白色発光装置を提供することができる。

以上のように、本発明によれば、種々の特性が改善された窒化物系半導体発光素子を簡便かつ低コストで提供することができる。

本発明に関連する窒化物半導体層のラテラル結晶成長を図解する模式的断面図である。 本発明の一実施例による窒化物発光ダイオードを示す模式的断面図である。 図２の発光ダイオードの製造プロセスを図解する模式的断面図である。 図２のＬＥＤペレットにおける電極側パターンの一例を示す模式的平面図である。 本発明の他の実施例による窒化物発光ダイオードを示す模式的断面図である。 図５の発光ダイオードの製造プロセスを図解する模式的断面図である。 本発明のさらに他の実施例による発光ダイオードの製造プロセスを図解する模式的断面図である。 本発明の種々の実施例による発光ダイオードの光出力−電流特性の測定例を示すグラフである。 サファイア結晶の単位格子の結晶学的方位を示す模式的斜視図である。 六方晶系ＧａＮ結晶の単位格子の結晶学的方位を示す模式的斜視図である。 従来の窒化物半導体発光ダイオードペレットを示す模式的断面図である。

符号の説明

１、７０、１０１ サファイアＲ面基板、２、１０２ Ａ面ＧａＮ下地層、３、７３、１０３ 結晶成長防止用ＳｉＯ₂マスク、４、７２、１０４ マスク窓部、５、１１１ 縦方向結晶成長部、６ ｃ軸方向のラテラル結晶成長部、７ −ｃ軸方向のラテラル結晶成長部、８ 対向するラテラル結晶成長の合体部、９ 合体部に残る隙間、２１、１０６
ｎ型ＧａＮクラッド層、２２、１０７ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層、２３、１０８
ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、２４、１０９ ｐ型ＧａＮクラッド層、２５、１１０ ｐ⁺型ＧａＮコンタクト層、２６ 電流ブロック用ＳｉＯ₂膜、２７、１１２ ｐ型用電極、２８ 導電性接着材料（Ａｕ−Ｓｎなど）、２９ 両面がメタライズされた導電性放熱支
持基板、３０、１１３ ｎ型用電極、３１ ｐ型用電極からｎ型用電極へ流れる電流、３２ 窒化物半導体積層構造の表面から放射される光、７４ ＧａＮ低温バッファ層。

なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。

Claims (12)

1. 六方晶の窒化物半導体積層構造が支持基板の一主面上に設けられており、
   前記半導体積層構造は活性層を含む複数の窒化物半導体層からなり、
   前記半導体積層構造はサファイアＲ面基板上のラテラル結晶成長法によって形成されたものであって前記サファイアＲ面に平行なそのＡ面を有し、
   前記半導体積層構造はｃ軸方向にラテラル結晶成長した相対的に転位密度の低い領域と、−ｃ軸方向にラレラル結晶成長した相対的に転位密度の高い領域と、ａ軸方向に縦方向結晶成長した相対的に転位密度の高い領域とを有し、
   前記活性層のうちでｃ軸方向へのラテラル結晶成長部である相対的に転位密度の低い領域のみに電流注入して生じる発光の外部への取出しを阻害しないように、前記半導体積層構造のうちでｃ軸方向へのラテラル結晶成長部以外の転位密度の高い領域の成長表面に電極が配置されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記活性層が非分極性のＡ面多重量子井戸層を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記半導体積層構造のうちでｃ軸方向へのラテラル結晶成長部以外の転位密度の高い領域で前記サファイア基板に接していた側に電流阻止膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 非極性のＡ面活性層で発光するストライプ状発光セグメントの複数が集積されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 請求項１から４のいずれかの窒化物半導体発光素子を製造するための方法であって、前記サファイアＲ面基板上にＧａＮ下地層を積層し、その上に前記窒化物半導体積層構造が結晶成長させられることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
6. 前記ラテラル結晶成長法において、周期的な結晶成長防止膜が形成されている基板を使用することを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
7. 前記ラテラル結晶成長法において、周期的な凹部の底面と側面に結晶成長防止膜が形成されている基板を使用することを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
8. 前記周期的な結晶成長防止膜はサファイアＲ面基板上に形成された前記ＧａＮ下地層のｍ軸［１−１００］方向に平行なストライプ状に形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
9. 前記周期的結晶成長防止膜間の窓部に露出した前記ＧａＮ下地層を種結晶としてｃ軸方向へラテラル成長した部分を前記活性層の発光領域として利用することを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
10. 前記ＧａＮ下地層は相対的に低温で堆積されたＧａＮバッファ層を相対的に高温で熱処理して形成されることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
11. 前記サファイア基板上に形成された窒化物半導体積層構造の表面上に放熱性ウェハを前記支持基板として接着した後、前記サファイア基板を除去することを特徴とする請求項５から１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
12. 請求項１から４のいずれかの窒化物半導体発光素子とその発光素子から発する紫外から青色までの波長範囲内の光を波長変換する蛍光体とを含み、全体として白色光を放射し得ることを特徴とする白色発光装置。

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