JP5270088B2 - 垂直型発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、垂直型発光素子に関するもので、特に、発光効率を向上できる垂直型発光素子及びその製造方法に関するものである。

発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、電流を光に変換させる公知の半導体発光素子であり、１９６２年にＧａＡｓＰ化合物半導体を用いた赤色ＬＥＤが商品化されて以来、ＧａＰ:Ｎ系列の緑色ＬＥＤと共に、情報通信機器を初めとする電子装置の表示画像用光源として用いられてきた。

上記のようなＬＥＤによって放出される光の波長は、ＬＥＤ製造に用いられる半導体材料によっている。これは、放出された光の波長が、価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）電子と伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）電子との間のエネルギー差を示す半導体材料のバンドギャップによることに起因する。

窒化ガリウム（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ＧａＮ）化合物半導体は、高い熱的安定性及び幅広いバンドギャップ（０．８〜６．２ｅＶ）により、高出力電子素子開発分野で多くの注目を受けてきた。その理由の一つは、ＧａＮが他の元素（インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）など）と組み合わされ、緑色、青色及び白色光を放出する半導体層を製造できるためである。

上記のように放出波長を調節できるため、特定装置の特性に合わせてＬＣＤの材料が適切に結晶される。例えば、ＧａＮを用いると、光記録に有益な青色ＬＥＤと、白熱灯の代わりとなりえる白色ＬＥＤとを製造できる。

また、従来の緑色ＬＥＤの場合、最初はＧａＰを用いて製造されていた。しかし、ＧａＰは、間接遷移型材料として効率低下を引き起こすので、ＧａＰを用いた緑色ＬＥＤでは、実用的な純緑色発光を得ることができなかった。一方、ＩｎＧａＮ薄膜成長が成功することで、高輝度の緑色ＬＥＤが実現可能になった。

上記のような利点及び他の利点によって、ＧａＮ系列のＬＥＤ市場が急速に成長しつつある。したがって、１９９４年にＧａＮ系列のＬＥＤが商業的に導入されて以来、ＧａＮ系列の光電子装置技術も急激に発達した。

上述したように、ＩｎＧａＮなどの窒化物半導体は、直接遷移型物質であって、高輝度ＬＥＤを実現可能であるが、異種基板との大きな格子不整合及び熱膨張係数の差によって結晶内に多くの欠陥が含まれるので、これが依然として解決すべき大きな問題点と指摘されている。

すなわち、窒化ガリウム（ＧａＮ）系列物質からなる基板は、実現が困難であり、高価であるため、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）などの発光素子を製造するとき、通常、サファイアなどの異種基板を用いている。

しかしながら、上記のような異種基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）系列の物質を成長させる過程で、熱膨張係数及び結晶の格子常数の差などによって、格子不整合や貫通電位などの欠陥が、成長される薄膜内に含まれる。

したがって、高品質の窒化ガリウム系列ＬＥＤを製作するためには、結晶質の良い窒化ガリウム基板を適用する必要がある。

最近になって、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）成長法を用いて窒化ガリウム（ＧａＮ）基板をフリースタンディング（Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ）基板に作る技術が常用化されている。しかしながら、この技術を実現するにおいて、基板に反りが発生し、製造費用が高価であるという問題点がある。

したがって、上記のようなＬＥＤ構造を製作するために、格子欠陥または結晶欠陥を低下させる工程技術が要求されている。

本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、基板上の選択的な領域で発光素子構造を成長させ、このように選択的に成長された窒化物半導体層の形状を多様に変化させる方法を提示し、このような構造を用いて高い光抽出効率を実現できる垂直型発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための第１観点として、本発明は、基板上にマスク層を形成する段階と、前記マスク層上に伝導性半導体層を形成する段階と、前記伝導性半導体層上に複数の半導体層を形成する段階と、前記複数の半導体層上に第１電極を形成する段階と、前記第１電極上に支持層を形成する段階と、前記基板を除去する段階と、前記基板が除去されて露出された伝導性半導体層面に第２電極を形成する段階と、を含んで構成されることが好ましい。

上記目的を達成するための第２観点として、本発明は、支持層と、前記支持層上に位置する第１電極と、前記第１電極上に位置する複数の半導体層と、前記複数の半導体層上に位置し、外側面が特定の傾斜角を有する伝導性半導体層と、前記伝導性半導体層上に位置する第２電極と、を含んで構成されることが好ましい。

本発明によると、基板上の選択的な領域で発光素子構造が成長できるようにし、このように選択的に成長された窒化物半導体層の形状を多様に変化させる方法を提示し、このような構造を用いて高い光抽出効率を実現できる垂直型発光素子及びその製造方法を提供できるという効果がある。

本発明は、多様な修正及び変形が可能であり、以下、その特定の実施形態が添付の図面に基づいて詳細に説明される。しかし、本発明は、開示された特別な形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定義された本発明の思想と合致する全ての修正、均等及び代用を含んでいる。

図中、同一の図面符号は、同一の要素を示している。各図面において、各層及び領域の寸法は、明瞭性のために誇張されている。また、ここで説明する各実施形態は、相補的な導電型の実施形態を含む。

層、領域または基板などの要素が他の構成要素“上（ｏｎ）”に存在すると表現される場合、層、領域または基板などの要素が直接的に他の要素上に存在したり、または、その間に中間要素が存在するものとして理解できる。また、表面などの構成要素の一部が‘内部（ｉｎｎｅｒ）'と表現される場合、表面などの構成要素の一部が、その要素の他の部分よりも素子の外側から一層遠くにあることを意味するものと理解できる。

さらに、‘下（ｂｅｎｅａｔｈ）’または‘重畳（ｏｖｅｒｌｉｅｓ）’などの相対的な用語は、図面に示すように、基板または基準層と関連した一つの層または領域と、他の層または領域に対する一つの層または領域の関係を説明するために用いられる。

上記のような用語は、図面によって描写された方向に加えて、素子の他の方向も含む意図を持つものとして理解できる。最後に、‘直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）'という用語は、中間に介入する要素が全くないことを意味する。ここで用いられる‘及び／または'という用語は、記録された関連項目の一つまたはそれ以上の何れかの組み合わせ、及び全ての組み合わせを含んでいる。

第１及び第２などの用語は、多様な要素、成分、領域、層及び／または地域を説明するために用いられるが、これら要素、成分、領域、層及び／または地域は、これら用語によって限定されてはならない。

これら用語は、他の領域、層または地域から何れか一つの要素、成分、領域、層または地域を区分するために用いられる。したがって、下記で論議された第１領域、層または地域は、第２領域、層または地域という名称にもなり得る。

＜第１実施形態＞

以下、図面に基づいて本発明の第１実施形態に対して詳細に説明する。

図１に示すように、基板１００の上部において、複数の素子領域を除いた残りの領域にマスク層１１０を形成し、素子領域のみを露出させる。

前記基板としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板、シリコン（Ｓｉ）基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板、上部に窒化物系半導体層が形成されたサファイア基板、上部に窒化物系半導体層が形成されたシリコン基板、及び上部に窒化物系半導体層が形成されたシリコンカーバイド基板のうち何れか一つが用いられる。

前記マスク層１１０は、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはスパッタ（Ｓｐｕｔｔｅｒ）などの蒸着装備を通して形成される。

また、前記マスク層１１０は、その上に前記窒化ガリウムなどの窒化物系半導体層が成長されない物質からなることが好ましく、この物質は、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２など）またはシリコン窒化物（Ｓｉ_３Ｎ_４など）であることが好ましい。

しかしながら、上記のように選択的な領域のみにマスク層１１０を形成するためには、フォトリソグラフィなどの方法を通したパターニング工程を必要とする。

上記のような選択領域を有するマスク層１１０の形成時、まず、図２に示すように、基板１００の上部にマスク物質１１１を形成する。このマスク物質１１１は、ＰＥＣＶＤまたはスパッタなどの蒸着装備を用いて形成される。

その後、図３に示すように、形成されたマスク物質１１１の上部にフォトレジスト２１０を塗布し、フォトリソグラフィ工程を通して、素子パターンが形成されるように前記フォトレジスト２１０をエッチングする。

前記フォトリソグラフィ工程は、光を用いてパターンを形成する過程をいい、この過程では、感光材としてフォトレジスト物質が必要である。

ここでは、前記マスク物質１１１の上部に前記フォトレジスト２１０を塗布し、素子パターンが彫られた他のマスクを通してフォトレジスト２１０の上部面を露光させた後、現像及びエッチングによって前記フォトレジスト２１０にパターンを形成する。

このとき、露光領域を現像しようとする場合は、ポジティブフォトレジスト物質を使用し、未露光領域を現像しようとする場合は、ネガティブフォトレジスト物質を使用すべきである。

上記のようなフォトレジスト２１０に形成された素子パターンを通してマスク物質１１１をエッチングした後、前記フォトレジスト２１０を除去すると、図１のような状態のマスク層１１０が残る。

このとき、前記マスク物質１１１のエッチング方法には、乾式エッチングまたは湿式エッチングがある。

その後、図４に示すように、基板１００上部の露出領域に窒化ガリウム層１２０ａ，１２０ｂをそれぞれ形成する。

ここで、前記窒化ガリウム層１２０ａ，１２０ｂは、伝導性を有するもので、ＨＶＰＥ工程を通して形成することが好ましい。

また、前記窒化ガリウム層１２０ａ，１２０ｂは、１〜３００μｍの厚さ範囲で成長させることが好ましい。

その後、図５に示すように、前記窒化ガリウム層１２０ａ，１２０ｂの上部には、活性層１３２ａ，１３２ｂを含む複数の半導体層１３０ａ，１３０ｂをそれぞれ形成する。

具体的に、前記半導体層１３０ａ，１３０ｂは、ｎ−型半導体層１３１ａ，１３１ｂ、活性層１３２ａ，１３２ｂ及びｐ−型半導体層１３３ａ，１３３ｂが順次積層されてなる。

このとき、前記半導体層１３０ａ，１３０ｂは、窒化ガリウム（ＧａＮ）系列の半導体層（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{1−ｘ−ｙ}Ｎ層:０≦（ｘ，ｙ）≦１）であることが好ましい。この半導体層１３０ａ，１３０ｂは、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの工程を通して成長される。

上記のような半導体層１３０ａ，１３０ｂの上部には、図６に示すように、反射型オーミック電極１４０ａ，１４０ｂを形成する。

その後、図７に示すように、前記反射型オーミック電極１４０ａ，１４０ｂの上部に第１電極１５０ａ，１５０ｂをそれぞれ形成し、その後、図８に示すように、前記第１電極１５０ａ，１５０ｂの上部に支持層１６０を形成する。

場合によっては、前記反射型オーミック電極１４０ａ，１４０ｂの上部に、第１電極１５０ａ，１５０ｂを形成せず、直ちに支持層１６０を形成することもある（図示せず）。

ここで、前記支持層１６０は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）半導体基板、ＣｕＷなどの金属基板、及び金属を含む基板のうち何れか一つの基板からなり、前記第１電極１５０ａ，１５０ｂの上部にボンディングによって形成されることが好ましい。

また、前記支持層１６０は、ニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃｕ）などの金属のメッキを通して形成することもできる。

その後、図９に示すように、基板１００を除去して窒化ガリウム層１２０ａ，１２０ｂの下部をそれぞれ露出させ、このように露出された窒化ガリウム層１２０ａ，１２０ｂの下部に第２電極１７０ａ，１７０ｂをそれぞれ形成する。

このとき、前記基板１００は、レーザーリフトオフ工程または湿式エッチング工程を通して除去される。

その後、図１０に示すように、支持層１６０を第１電極１５０ａ，１５０ｂから除去し、各発光素子１８０ａ，１８０ｂを個々のチップに分離する。

上記のような過程を通して製作された本発明に係る垂直型発光素子は、ＨＶＰＥ方法を通して成長された窒化ガリウム層１２０ａ，１２０ｂの縁部で、成長位置や条件によって、基板の表面に対して垂直であるか、所定角度だけ傾斜する。

その結果、発光素子の内部に生じた光が効果的に外部に放出されるので、発光素子の光抽出効率を改善できる。

上記のように、基板上部の素子領域のみに選択的に窒化ガリウム層を成長させ、その上部に半導体層を成長させるため、半導体発光素子構造の湾曲（Ｂｏｗｉｎｇ）現象、格子欠陥及び結晶欠陥などを最小化することで、垂直型発光素子の信頼性を一層向上させることができる。

また、半導体層からなる発光素子構造を単一素子に分離するための乾式エッチング工程が省略されるので、製作工程を一層単純化できる。

一方、窒化ガリウム層を厚く成長させることで、貫通電位が５×１０^８cm^-２以下に減少し、ＭＯＣＶＤ方法を通した発光素子構造の成長時にも結晶欠陥を最小化できるので、発光素子の内部効率及び信頼性が向上するという長所がある。

上記のように製造された垂直型発光素子は、一般的に知られた垂直型発光素子の特性と同様に、電流拡散、すなわち、電流の均一度が良く、発光面積が広いか熱伝導度の低いサファイアの代わりに、熱伝導度の高いシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などからなる半導体基板及び金属を使用することで、発光素子の熱特性を改善できる。また、発光素子の大きさを減少することで、ウェハー当りに一度に集積できる発光素子の数を増加できるという長所がある。

＜第２実施形態＞

以下、添付の図面に基づいて、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。

図１１に示すように、基板１０の上側には、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）またはシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）などの誘電体物質を用いて誘電体層３１を形成する。

前記基板１０としては、サファイア、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）またはリチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ_２）などからなる異種基板１０が用いられるか、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる同種基板１０が用いられる。

このとき、上記のようなＧａＮ基板１０は、ＨＶＰＥ方法で成長される。このように、ＨＶＰＥ法でＧａＮ基板１０を成長させると、適正な厚さを有する高品質のＧａＮ基板１０を提供することができる。

前記誘電体層３１は、基板１０上に直接成長されるか、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）またはＨＶＰＥなどの方法で成長された所定厚さのＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{(1−ｙ−ｘ)}Ｎ（０≦（ｘ，ｙ）≦１）からなるバッファ層２０上に成長される。以下、前記バッファ層２０上に誘電体層３１が形成される構造を説明する。

上記のような誘電体層３１は、ＰＥＣＶＤやスパッタなどの蒸着装備を用いて、前記基板１０またはバッファ層２０上にＳｉＯ_２やＳｉＮ_ｘなどの誘電体物質を蒸着して形成される。

前記誘電体層３１上には、フォトレジスト３３などの物質を塗布し、図１２のようなパターン３２を形成する。

上記のようにパターン３２が形成された誘電体層３１は、その後、特定の選択領域に窒化ガリウム半導体を成長させるためのマスク層３０を形成する。

このとき、前記パターン３２は、フォトリソグラフィなどの工程を通して形成される。

上記のようなパターン３２の平面形状は、図１２に示すように、円状または４角以上の多角形状であり、４角、６角、８角、１２角、２４角などの形状で形成される。

図１３は、前記マスク層３０のパターン３２が形成された断面（Ａ-Ａ線）構造を示している。

上記のように、多角形状に形成されたマスク層３０のパターン３２は、前記バッファ層２０上で、前記パターン３２の形状によって特定の多角柱状の窒化ガリウム半導体テンプレート（ｔｅｍｐｌａｔｅ）を成長させる。

上記のようなパターン３２は、乾式または湿式エッチング方法を通して形成される。

上記のように、発光素子を製作しようとする部分の誘電体層３１を除去してパターン３２を形成した後、ＨＶＰＥ法で１〜３００μｍ厚さの伝導性半導体を用いてテンプレート構造を成長させる。

前記テンプレート構造としての伝導性半導体層４０は、ｎ−型窒化ガリウム半導体層を用いて、その厚さは、１０〜１００μｍ程度の厚さであることが好ましい。

上述したＨＶＰＥ法を用いた成長は、時間当り５０μｍ程度の成長速度を有し、伝導性半導体層４０などの厚い薄膜を成長させるときに有利である。

このとき、上記のような伝導性半導体層４０の平面形状は、一般的にマスク層３０のパターン３２形状と同一であるが、伝導性半導体層４０の成長条件を変化させると、マスク層３０のパターン３２形状と異なるように形成される。

上記のような成長時、伝導性半導体層４０の形状は、成長速度、圧力、構成物質の混合率、Ｇａなどの３族物質とＮなどの５族物質との比率（Ｖ／III ｒａｔｉｏ）、成長時間、成長温度などを異ならせることで調節される。

例えば、結果的に形成された伝導性半導体層４０は、６角以下の多角形マスク層３０のパターン３２形状上に成長される場合も、図１４に示すように、８角以上の多角形状を有する。

また、図１５に示すように、６角形のパターン３２上に伝導性半導体層４０が形成される場合も、伝導性半導体層４０の水平断面は、１２角形の形状を有する。

図１４及び図１５は、実際にマスク層３０上に成長された伝導性半導体層４０のＳＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）イメージである。

上記のように、水平断面が８角形以上の多角形状である伝導性半導体層４０の形状は、素子から光が放出される場合、４角形または６角形の断面形状と比較したとき、光の内部全反射が起こる確率が一層減少することで、光抽出効率を改善できる。

上記のような伝導性半導体層４０の断面形状は、上述したように、８角形以上である場合に光抽出効率が向上し、円状であることが一層好ましいが、伝導性半導体層４０の形成過程を考慮したとき、８角形〜２４角形の断面形状を有することが好ましい。

一方、上記のように、４角以上の断面を有する伝導性半導体層４０上に形成される構造は、伝導性半導体層４０構造と同一の断面を有する。

また、窒化合物テンプレートとしての伝導性半導体層４０が、上記のような制限されたパターン３２内で成長される場合、結晶の特性上、自然に側面に傾斜角が形成される。この傾斜角は、３５〜６５゜で決定される。

この傾斜角も、上述した成長条件を変化させることで調節可能である。

上記のように成長された伝導性半導体層４０テンプレート上に、図１６に示すように、半導体層からなる発光素子構造５０をＭＯＣＶＤ法を用いて成長させる。

上述したような窒化合物テンプレートとしての伝導性半導体層４０の側面は、図１６に示すように、水平面から略３５〜６５゜の傾斜角θを有し、５３〜５６゜の傾斜をなすことが一層好ましい。

その後、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて、前記伝導性半導体層４０上にｎ−型半導体層５１、活性層５２及びｐ−型ＧａＮ半導体層５３を順次形成する。

このとき、前記ｎ−型半導体層５１、活性層５２、ｐ−型半導体層５３は、反対の順に形成されることもある。すなわち、前記伝導性半導体層４０の上部から、ｐ−型半導体層５３、活性層５２、ｎ−型半導体層５１の順に形成されることもある。この場合、前記伝導性半導体層４０としては、ｐ−型半導体層を用いる。

特に、前記発光素子構造５０には、窒化ガリウム（ＧａＮ）系列半導体が用いられるが、このとき、前記活性層５２は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ：ＱＷ）構造をなす。

その他に、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどの物質も、活性層５２として用いられる。この活性層５２からは、電界の印加時、電子-正孔対の結合によって光が発生するようになる。

また、この活性層５２は、輝度向上のために、上述した量子井戸構造（ＱＷ）が複数形成された多重量子井戸（ｍｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造をなす。

前記発光素子構造５０の上部には、ｐ−型電極６０が形成される。このとき、このｐ−型電極６０は、オーミック電極であり、このｐ−型電極６０上には、前記活性層５２から発生した光を反射して外部に放出させるための反射電極７０が形成される。

また、ｐ−型電極６０と反射電極７０の物質選択によって、一つの電極がｐ−型電極６０と反射電極７０の役割を兼ねることもある。

上記のような反射電極７０上には、後ほどの基板１０分離過程で発光素子構造５０を支持するための支持層８０が形成される。

上記のような支持層８０は、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などからなる半導体基板やＣｕ、Ｗなどからなる金属基板を反射電極７０上にボンディングして形成するか、または、前記反射電極７０上にニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃｕ）などの金属をメッキして形成する。

上記のような支持層８０が金属からなる場合、反射電極７０への付着性を高めるために結合金属を用いて形成することもできる。

以上のような段階によって、発光素子構造５０は、図１６と同一の構造をなす。

上記のような構造で、その後、前記基板１０、バッファ層２０及びマスク層３０が除去される。

上記のように前記基板１０、バッファ層２０及びマスク層３０が除去された状態で、全体の構造が逆転され、このような除去過程を通して露出された伝導性半導体層４０テンプレートの外側面にｎ−型電極９０が形成されることで、図１７のような垂直型発光素子の構造となる。

上述したように、全体構造が逆転されたので、前記伝導性半導体層４０の外側面の傾斜角は、前記伝導性半導体層４０の上側面と側面との間で５３〜５６°をなすようになる。

前記基板１０は、レーザーリフトオフ法でレーザーを用いて除去するか、または、エッチング法で化学的に除去する。

上記のような基板１０の除去過程で、前記支持層８０は、発光素子構造５０を支持する。

前記バッファ層２０及びマスク層３０は、乾式エッチングまたは湿式エッチング法で除去することができ、その後、除去されて露出された伝導性半導体層４０面には、化学的または機械的な表面処理がなされる。

上記のような垂直型発光素子の構造は、既存の水平型発光素子に比べて電流拡散、すなわち、電流の均一度が向上し、熱伝導度の低いサファイア基板１０の代りに熱伝導度の高いＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどからなる半導体基板及び金属を使用するので、ＬＥＤの熱放出特性を改善することができる。

上述したように、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘなどの誘電体薄膜からなるマスク層３０を用いる選択領域成長法（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ｇｒｏｗｔｈ：ＳＡＧ）を適用した結晶成長で、テンプレートの形状を用いると、成長条件及び結晶方向によって上述した截頭型逆ピラミッド構造を自然に有するようになる。

上記のような伝導性半導体層４０からなるテンプレートは、その断面形状が多角になるほど、発光素子の発光領域から外部に抽出される効率が高くなり、このような事実は、同一の発光素子構造で、四角と六角断面の素子を比較したときに実験的に表れた。

前記伝導性半導体層４０テンプレートの適正な角度は、ＧａＮ物質の屈折率及び空気中の屈折率などの関連条件を考慮したとき、略５５°の角度であることが好ましく、上述したように前記伝導性半導体層の上側面と側面との間の角度が５３〜５６°をなすときも、光抽出効率が相対的に大いに向上する。

したがって、本明のように、マスク層３０のパターン３２形状及び上記した多様な成長変数を用いて、結晶の側面による成長率と成長方向を任意に調節可能となり、結果的に、多様な形状のテンプレートを作り出すことで、光抽出効率を極大化できる構造となる。

上述した実施形態は、本発明の技術的思想を具体的に説明するための一例に過ぎない。そのため、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、多様な形態の変形が可能である。また、上記のような技術的思想の多様な実施形態は、全て本発明の保護範囲に属するものである。

本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第１実施形態において、マスク層を形成した状態を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第１実施形態において、マスク層を形成する過程を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第１実施形態において、マスク層を形成する過程を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第１実施形態において、窒化ガリウム層を形成した状態を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第１実施形態において、半導体層を形成した状態を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第１実施形態において、反射型オーミック電極を形成した状態を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第１実施形態において、第１電極を形成した状態を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第１実施形態において、支持層を形成した状態を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第１実施形態において、基板を分離して第２電極を形成した状態を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第１実施形態において、個々の素子を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第２実施形態において、マスク層を形成する過程を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第２実施形態において、マスク層を形成した状態を示す平面図である。 図１２のＡ-Ａ線断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第２実施形態において、伝導性半導体層成長の一例を示すＳＥＭイメージである。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第２実施形態において、伝導性半導体層成長の他の例を示すＳＥＭイメージである。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第２実施形態において、発光素子の薄膜成長構造を示す断面図である。 本発明に係る垂直型発光素子及びその製造方法の第２実施形態において、発光素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１００ 基板
１１０ マスク層
１１１ マクス物質
２１０ フォトレジスト

Claims (26)

1. 基板上にマスク層を形成する段階と、
   前記マスク層のパターン形状に沿って、窒化物半導体からなる伝導性半導体層を形成する段階と、
   前記伝導性半導体層上に第１型半導体層、活性層、第２型半導体層を備え、窒化物半導体からなる半導体構造を形成する段階と、
   前記半導体構造上に第１電極を形成する段階と、
   前記第１電極上に支持層を形成する段階と、
   前記基板を除去する段階と、
   前記伝導性半導体層の表面に第２電極を形成する段階と、を含んで構成され、
   前記伝導性半導体層は、前記半導体構造より厚く、前記半導体構造を成長するためのテンプレートとなり、
   前記伝導性半導体層は、素子の光抽出効率を向上するために、傾斜角を有する側面を備え、
   前記傾斜角は、前記伝導性半導体層の前記表面が前記伝導性半導体層の前記半導体構造と対面する表面より大きくなるよう設定されることを特徴とする垂直型発光素子の製造方法。
2. バッファ層上に前記マスク層を形成することを特徴とする請求項１に記載の垂直型発光素子の製造方法。
3. 前記バッファ層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ1-ｘ-ｙＮ層（０≦（ｘ，ｙ）≦１）を含むことを特徴とする請求項２に記載の垂直型発光素子の製造方法。
4. 前記マスク層を形成する段階は、
   前記基板上に誘電体層を形成する段階と、
   前記誘電体層を円状または多角形状のパターンで除去する段階と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の垂直型発光素子の製造方法。
5. 前記伝導性半導体層の水平断面は、前記誘電体層の円状または多角形状と同一であることを特徴とする請求項４に記載の垂直型発光素子の製造方法。
6. 前記伝導性半導体層の水平断面は、前記誘電体層の多角形状より多くの角を有することを特徴とする請求項４に記載の垂直型発光素子の製造方法。
7. 前記誘電体層は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物を含むことを特徴とする請求項４に記載の垂直型発光素子の製造方法。
8. 前記伝導性半導体層は、１〜３００μｍの厚さを有する伝導性ＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直型発光素子の製造方法。
9. 前記伝導性半導体層は、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法で形成されることを特徴とする請求項１に記載の垂直型発光素子の製造方法。
10. 前記伝導性半導体層の前記傾斜角は、前記伝導性半導体層の前記表面に対した側面の角度であり、３５〜６５°の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の垂直型発光素子の製造方法。
11. 前記基板は、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法で形成されるＧａＮ基板を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直型発光素子の製造方法。
12. 前記半導体構造は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程を通して形成されることを特徴とする請求項１に記載の垂直型発光素子の製造方法。
13. 前記基板の除去は、レーザーリフトオフ工程または湿式エッチング工程により行われることを特徴とする請求項１に記載の垂直型発光素子の製造方法。
14. 支持層と、
    前記支持層上の第１電極と、
    前記第１電極上の半導体構造であって、第１型層、活性層、第２型層を含み、窒化物半導体からなる半導体構造と、
    前記半導体構造上の、外側面が特定の傾斜角を有し、窒化物半導体からなる伝導性半導体層と、
    前記伝導性半導体層の表面上の第２電極と、を含んで構成され、
    前記伝導性半導体層の前記外側面の前記傾斜角は、前記伝導性半導体層の前記表面が前記伝導性半導体層の前記半導体構造と対面する表面より大きくなるよう設定されることを特徴とする垂直型発光素子。
15. 前記伝導性半導体層の外側面の傾斜角は、前記伝導性半導体層の前記表面と側面との間の角度であることを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
16. 前記伝導性半導体層は、１〜３００μｍの厚さを有する伝導性ＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
17. 前記支持層、第１電極、半導体構造、伝導性半導体層及び第２電極のうち少なくとも何れか一つ以上は、水平断面が４角以上の多角形状であることを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
18. 前記第１電極は、
    反射電極と、
    前記反射電極上に位置するオーミック電極と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
19. 第１電極は、反射型オーミック電極であることを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
20. 前記半導体構造の外側面は、前記伝導性半導体層の前記外側面の前記傾斜角と異なる角度を有することを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
21. 前記支持層は、シリコン（Ｓｉ）基板、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板、金属基板、及び金属を含む基板のうちの一つを含むことを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
22. 前記支持層は、ＮｉまたはＣｕを含むことを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
23. 前記伝導性半導体層の外側面は、前記半導体構造から放出される光の内部全反射が起こる確率が減少するように構成され、素子の光抽出効率を改善することを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
24. 前記伝導性半導体層は、前記半導体構造より厚いことを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
25. 前記支持層と前記第１電極との間に配置された結合金属をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。
26. 前記伝導性半導体層の前記外側面の前記傾斜角は、前記伝導性半導体層の前記表面と側面との間の角度であり、３５〜６５°の範囲内であることを特徴とする請求項１４に記載の垂直型発光素子。

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