JP2008181910A - ＧａＮ系発光ダイオード素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の裏面に凹部を形成することにより光取出し光効率を改善したＧａＮ系発光ダイオード素子を、効率よく、かつ、素子間での発光効率のバラツキを発生させることなく、製造することのできる製造方法を提供すること。
【解決手段】透光性を有する単結晶基板１１の一方の面上に、発光するｐｎ接合部を構成するように積層されたｎ型層およびｐ型層を含むＧａＮ系半導体層１２が、該単結晶基板１１と光学的に結合されるように形成されてなり、該単結晶基板１１の他方の面に凹部Ａ１１が設けられたＧａＮ系発光ダイオード素子１０の製造方法であって、異方性ウェットエッチングにより凹部Ａ１１を形成する工程を含むことを特徴とする。

【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子構造の主要部をＧａＮ系半導体で構成したＧａＮ系発光ダイオード素子に関し、とりわけ、その製造方法に関する。

ＧａＮ系半導体は、化学式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化物半導体などとも呼ばれる。上記化学式において、３族元素の一部をＢ（ホウ素）、Ｔｌ（タリウム）などで置換したもの、また、Ｎ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）などで置換したものも、ＧａＮ系半導体に含まれる。

典型的なＧａＮ系発光ダイオード素子は、サファイア基板上にＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ系半導体を成長させて、サファイア基板とＧａＮ系半導体層とを積層することにより製造される。ＧａＮ系半導体層は、発光するｐｎ接合部が構成されるように、ｎ型層およびｐ型層を積層した構造とされる。ｐｎ接合部に活性層を設けてダブルヘテロ構造としたものは、特に高い発光効率を示す。このようなＧａＮ系発光ダイオード素子において、サファイア基板の裏面を加工して凹部を形成し、該裏面を凹凸状とすることにより、光取出し効率を改善できることが公知である（特許文献１、特許文献２）。
特開２００４−５６０８８号公報 特開２００５−３０２８０３号公報

基板の裏面を加工して凹部を形成する方法として、特許文献１には、ダイサーを用いた機械加工と、レーザ光によるエッチング加工が、また、特許文献２には、研磨による機械加工が開示されている。しかしながら、機械加工では、製造効率を高くするために加工速度を上げると、凹部の形状を一定にすることが難しくなる。凹部の形状が変動すると素子ごとに光取出し効率が変わるので、素子の発光効率にバラツキが生じるという問題がある。また、レーザ加工では、レーザ光の走査により凹部をひとつずつ形成する必要があるために、量産には適さないという問題がある。

本発明の主な目的は、上記の課題を解決することのできるＧａＮ系発光ダイオード素子の製造方法を提供することである。

本発明は、次の特徴を有する、ＧａＮ系発光ダイオード素子の製造方法を提供する。
（１）透光性を有する単結晶基板の一方の面上に、発光するｐｎ接合部を構成するように積層されたｎ型層およびｐ型層を含むＧａＮ系半導体層が、該単結晶基板と光学的に結合されるように形成されてなり、該単結晶基板の他方の面に凹部が設けられたＧａＮ系発光ダイオード素子の製造方法であって、異方性ウェットエッチングにより前記凹部を形成する工程を含むことを特徴とする製造方法。
（２）前記凹部がＶ字形または台形の断面を有する凹部である、前記（１）に記載の製造方法。
（３）前記工程においては、サイズの異なる複数の開口部を設けたエッチングマスクを用いることにより、前記他方の面に、形状が同じで深さの異なる複数の凹部を同時に形成する、前記（１）に記載の製造方法。
（４）前記ＧａＮ系発光ダイオード素子が、前記ｐｎ接合部上に部分的に形成されたパッド電極を有するＧａＮ系発光ダイオード素子であり、前記工程では、前記他方の面のうち、該パッド電極の直下を含む領域に、最も深い凹部を形成する、前記（３）に記載の製造方法。
（５）前記ＧａＮ系発光ダイオード素子が、前記ｐｎ接合部上に部分的に形成されたパッド電極をひとつだけ有するＧａＮ系発光ダイオード素子であり、前記工程では、前記他方の面のうち、該パッド電極の直下の領域を除いた領域に、該パッド電極の直下の領域からの距離がＬ１かつ深さがＤ１である第１の凹部と、該パッド電極の直下の領域からの距離がＬ２かつ深さがＤ２である第２の凹部とを、Ｌ１＜Ｌ２かつＤ１＜Ｄ２となるように形成した領域を設ける、前記（３）に記載の製造方法。
（６）前記工程では、前記他方の面のうち、前記パッド電極の直下の領域を除いた領域に、複数の凹部を、その深さが該パッド電極の直下の領域から離れるにつれて単調に増加するように形成した領域を設ける、前記（５）に記載の製造方法。
（７）前記単結晶基板がサファイア基板である、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の製造方法。
（８）前記単結晶基板がＧａＮ系半導体基板である、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の製造方法。
（９）前記単結晶基板が前記ＧａＮ系半導体層よりも高い屈折率を有している、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の製造方法。
（１０）前記工程においては、前記他方の面に、前記単結晶基板の厚さの１０％以上の深さを有する凹部を少なくともひとつ形成する、前記（８）または（９）のいずれかに記載の製造方法。
（１１）前記工程でエッチングマスクとして前記単結晶基板上に誘電体膜または金属膜を形成するとともに、該工程の後に該誘電体膜または金属膜を除去しない、前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の製造方法。

本発明の製造方法によれば、基板の裏面に異方性ウェットエッチングにより凹部を形成するので、光取出し光効率を改善したＧａＮ系発光ダイオード素子を、効率よく、かつ、素子間での発光効率のバラツキを発生させることなく、製造することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子（以下「ＧａＮ系ＬＥＤ」ともいう。）の断面図である。このＧａＮ系ＬＥＤ１０は、透光性を有する単結晶基板１１と、その上面上に形成されたＧａＮ系半導体層１２とを有している。ここでいう透光性とは、ＧａＮ系半導体層１２内部のｐｎ接合部で生じる光を透過する性質をいう。ＧａＮ系半導体層１２は、発光するｐｎ接合が形成されるように積層された、第１の層１２−１と第２の層１２−２とを有している。第１の層１２−１と第２の層１２−２は、いずれか一方の層がｎ型層であり、他方の層がｐ型層であればよい。部分的に露出した第１の層１２−１の表面には下部電極１３が形成されている。第２の層１２−２の上面には拡散電極１４が形成され、その拡散電極１４上に上部電極１５が形成されている。下部電極１３と上部電極１５に電圧を印加してＬＥＤ１０に電流を流すと、第１の層１２−１と第２の層１２−２との界面付近に形成されたｐｎ接合部で発光が生じる。好ましくは、このｐｎ接合部に活性層を設けて、ダブルヘテロ構造が構成されるようにする。ＧａＮ系半導体層１２と単結晶基板１１とは光学的に結合されており、ＧａＮ系半導体層１２内部で生じた光は、ＧａＮ系半導体層１２内から単結晶基板１１内に伝播し得る。単結晶基板１１の裏面には、この光の波長（基板１１内における波長）の１／４以上の深さを有する凹部Ａ１１が設けられている。ＧａＮ系半導体層１２内から単結晶基板１１内に伝播した光の一部は、単結晶基板１１の裏面に入射し、反射を受けるが、このとき、凹部Ａ１１が設けられていることによって、光の進行方向のランダム化が起こり、それによって、素子内部での多重反射が抑制されるために、ＬＥＤ１０は、凹部Ａ１１を設けないＬＥＤに比べて、改善された光取出し効率を示す。

反射光の進行方向をランダム化させる働きを強くするには、基板の裏面に、深さ５μｍ以下の浅い凹部を、高密度に形成することが好ましい。一方、深さが５μｍより大きい凹部は、進行方向が基板の表面に平行かまたは平行に近い光を反射させて、その進行方向を基板の厚さ方向に変化させるのに有効である。いずれの作用を得ようとする場合にも、凹部は、傾斜した内壁面を有するものとすることが好ましい。傾斜した内壁面を有する凹部の方が、基板の裏面に入射する光の入射角と反射角との差を大きくする効果が高いからである。よって、最も好ましい凹部は、凹部Ａ１１のようなＶ字形の断面を有する凹部（角錐形の窪み、Ｖ溝など）であり、次に好ましい凹部は、台形の断面を有する凹部（角錐台状の窪み、台形の断面を有する溝など）である。ただし、本発明は、凹部を角柱状の窪みとしたり、矩形の断面を有する溝とする実施形態を排除するものではない。

図１のＧａＮ系ＬＥＤ１０において、単結晶基板１１がＧａＮ系半導体と同等の屈折率を有する基板（例えば、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＡｌＮ基板などのＧａＮ系半導体基板）である場合には、単結晶基板１１とＧａＮ系半導体層１２とからなる積層体をコアとする板状の導波路構造が形成され、ＧａＮ系半導体層１２内で発生する光が、該構造内に強く閉じ込められる傾向が生じる。また、単結晶基板１１がＧａＮ系半導体よりも大きな屈折率を有する基板（例えば、ＧａＰ基板）である場合には、単結晶基板１１をコアとする板状の導波路構造が形成され、ＧａＮ系半導体層１２内で発生する光が、該構造内に強く閉じ込められる傾向が生じる。このような場合に、単結晶基板１１の裏面に凹部Ａ１１を設けることは、光取出し効率を改善するうえで、とりわけ有効である。なぜなら、凹部が導波路構造における欠陥となり、該導波路構造からの光の漏れ出しを発生させるからである。この効果は、凹部Ａ１１を深く形成するほど高いことから、このような場合の、凹部Ａ１１の好ましい深さは、単結晶基板１１の厚さの１０％以上であり、より好ましい深さは、該厚さの２０％以上であり、更に好ましい深さは、該厚さの３０％以上である。また、上記の導波路構造からの光の漏れ出しを促進するには、凹部の形成によって単結晶基板の裏面が呈する凹凸構造を、周期性の低いものとすることも有効である。そのためには、複数の凹部を配置の周期性が低くなるように設けたり、凹部の断面形状を対称性の低いものとしたり、深さの異なる複数の凹部を設けることなどが好ましい。

図１に示すＧａＮ系ＬＥＤ１０を製造する場合、単結晶基板１１上にＭＯＶＰＥ法などの方法でＧａＮ系半導体結晶層を成長させることによって、単結晶基板１１とＧａＮ系半導体層１２とを積層してもよいし、あるいは、単結晶基板１１とは別の基板上に、ＭＯＶＰＥ法などの方法を用いてＧａＮ系半導体層１２を形成した後、これを、ウェハボンディングにより単結晶基板１１に積層してもよい。ウェハボンディングによる場合、単結晶基板１１とＧａＮ系半導体層１２とを直接接合してもよいし、透光性の接着性物質を介して接合してもよい。単結晶基板上１１上にＧａＮ系半導体層１２を積層する工程と、単結晶基板１１の裏面に凹部Ａ１１を形成する工程の順序に限定はなく、いずれを先に行ってもよい。

好ましい製造方法では、単結晶基板１１の裏面に凹部Ａ１１を形成する方法として、異方性ウェットエッチングを採用する。異方性ウェットエッチングとは、エッチング速度が結晶面異方性を示すウェットエッチングである。異方性ウェットエッチングによれば、凹部の壁面が特定の結晶面（エッチング速度の遅い面）により形成されるので、一定形状の凹部を再現性よく形成することができる。よって、素子間での光取出し効率のバラツキが発生しない。更に、多数枚のウェハを同時に処理することができるので、量産性の点でも極めて有利である。

異方性ウェットエッチングに用いるエッチャントは、単結晶基板１１の材料に応じて、公知のエッチャントから選択することができる。単結晶基板１１の材料がサファイアである場合のエッチャントには、塩酸、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、硫酸、リン酸などを好適に用いることができる。単結晶基板１１の材料がＧａＮ系半導体である場合の好ましいエッチャントとしてはリン酸、硫酸、水酸化カリウムが挙げられる。単結晶基板１１の材料がＺｎＯやＧａＰである場合の好ましいエッチャントとしては、塩酸が挙げられる。なお、いずれの場合も、種類の異なる酸同士あるいはアルカリ同士を、混合して用いることが可能である。エッチングマスクはエッチャントおよびエッチング条件に応じて適宜選択すればよい。酸性のエッチャントを用いる場合には、ＳｉＯ_２膜が好適なエッチングマスクとして例示される。中でも、プラズマＣＶＤ法により得られるＳｉＯ_２膜は、構造が緻密でかつ密着性が良好であることから、エッチングマスクとして特に好適である。リン酸をエッチャントとする場合にはポリイミド膜もエッチングマスクとして好ましく用い得る。その他、白金などの耐食性の良好な金属もエッチングマスクとして使用可能である。

異方性ウェットエッチングにより形成することのできる凹部の形状は様々であるが、とりわけ、凹部Ａ１１のようなＶ字形の断面を有する凹部（角錐形の窪み、Ｖ溝など）には、エッチングマスクに設ける開口部のサイズを変えることによって、その深さを容易に制御できるという利点がある。このことを図２を用いて説明する。図２（ａ）は、表面にエッチングマスクＭを形成した単結晶基板２１の断面図である。エッチングマスクＭには、同じ平面形状を有する開口部Ｂ２１および開口部Ｂ２２が、同じ方向に形成されている。ただし、開口部Ｂ２１と開口部Ｂ２１とは、そのサイズが異なっている。図２（ｂ）は、このようにエッチングマスクＭを形成した単結晶基板２１に、特定の傾斜した結晶面が露出するように異方性ウェットエッチングを行ったところであり、開口部Ｂ２１と開口部Ｂ２２の位置には、凹部Ａ２１と凹部Ａ２２とがそれぞれ形成されている。凹部Ａ２１と凹部Ａ２２の形状は相似であるが、サイズの大きな開口部Ｂ２２の位置に形成された凹部Ａ２２の方が、凹部Ａ２１よりもサイズの大きい、深い凹部となっている。これは、内壁面が上記特定の傾斜した結晶面のみからなる、特定形状の凹部が形成されたところで、エッチングが実質的に停止するからである。つまり、エッチングは開口部Ｂ２１と開口部Ｂ２２の位置で同時に始まるが、凹部Ａ２１の方が先に所定形状の凹部として完成し、その時点で開口部Ｂ２１におけるエッチングの進行が実質的に停止する一方、開口部Ｂ２２におけるエッチングは、凹部Ａ２２が所定の形状を呈すようになるまで進行するからである。従って、エッチングマスクの開口部のサイズによって、形成される凹部の深さを制御できることになる。また、図２の例がそうであるように、エッチングマスクに形状および方向が同一で、サイズの異なる、複数の開口部を設けておけば、開口部のサイズに応じた深さを有する複数の凹部を、同時に形成できることになる。形状が同一の凹部でも、深さが異なると、その表面における光の反射の仕方が異なるので、深さの異なる凹部の配置の仕方によって、ＬＥＤの放射パターンを調節することが可能となる。

図３は、単結晶基板の裏面に深さの異なる凹部を形成したＧａＮ系ＬＥＤの一例を示す断面図である。図３に示すＧａＮ系ＬＥＤ３０は、透光性を有する単結晶基板３１と、その上面上に形成されたＧａＮ系半導体層３２とを有している。ＧａＮ系半導体層３２は、ｐｎ接合が形成されるように積層された、第１の層３２−１と第２の層３２−２とから構成されている。第１の層３２−１と第２の層３２−２のいずれかがｎ型層であり、他方がｐ型層である。部分的に露出した第１の層３２−１の表面には下部電極３３が形成されている。第２の層３２−２の上面には透光性の拡散電極３４が形成されており、その拡散電極３４上の一部にはパッド電極である上部電極３５が形成されている。パッド電極は、ボンディングワイヤまたはハンダが接合される電極であり、金属で形成され、その厚さは数百ｎｍ〜数十μｍとされる。パッド電極は、反射性の良好な金属で形成した場合であっても、光の吸収体として働く。また、パッド電極は、ＬＥＤ３０の上部電極３５側の表面から光を取出そうとする場合には、これを阻害する遮蔽体として働く。単結晶基板３１の裏面には、深さの異なる２種類の凹部Ａ３１、Ａ３２が形成されている。凹部Ａ３１、Ａ３２はいずれもＶ字形の断面を有している。ＧａＮ系ＬＥＤ３０の特徴は、単結晶基板３１の裏面のうち、上部電極３５の直下（図３の２つの破線の間）を含む領域に、深い凹部Ａ３１が設けられ、その他の領域には浅い凹部Ａ３２が設けられていることである。上部電極３５の直下のｐｎ接合部で生じる光は、凹部Ａ３１によって、上部電極３５の直下の領域から他の領域に向けて反射される。つまり、パッド電極である上部電極３５による吸収や遮蔽の影響が最も強い領域で生じる光が、その影響の小さな領域に、効果的に逃がされるようになっている。

図４は、単結晶基板の裏面に深さの異なる凹部を形成したＧａＮ系ＬＥＤの、他の一例を示す断面図である。図４に示すＧａＮ系ＬＥＤ４０は、透光性を有する単結晶基板４１と、その上面上に形成されたＧａＮ系半導体層４２とを有している。ＧａＮ系半導体層４２は、ｐｎ接合が形成されるように積層された、第１の層４２−１と第２の層４２−２とから構成されている。第１の層４２−１と第２の層４２−２のいずれかがｎ型層であり、他方がｐ型層である。この例では、単結晶基板４１が導電性を有しており、単結晶基板４１の裏面上（凹部Ａ４１、Ａ４２が形成されていない領域）に下部電極４３が形成されている。つまり、単結晶基板４１を介して下部電極４３から第１の層４２−１に電流が流れるように構成されている。第２の層４２−２の上面には透光性の拡散電極４４が形成されており、その拡散電極４４上の一部にはパッド電極である上部電極４５が形成されている。単結晶基板４１の裏面には、深さの異なる２種類の凹部Ａ４１、Ａ４２が形成されている。凹部Ａ４１、Ａ４２はいずれもＶ字形の断面を有している。ＧａＮ系ＬＥＤ４０の特徴は、単結晶基板４１の裏面のうち、上部電極４５の直下を除いた領域に、凹部Ａ４１と凹部Ａ４２とが設けられており、とりわけ、より深い凹部Ａ４１の方が、凹部Ａ４２よりも、該上部電極４５の直下の領域から離れた位置に設けられていることである。電流が集中し易い上部電極４５の直下では、ｐｎ接合部で生じる光が他の領域よりも強くなる傾向がある。この上部電極４５の直下で生じる強い光の一部は単結晶基板４１内に入るが、そのうちの、進行方向が該基板４１の表面と平行に近い光ほど、基板４１の裏面への入射位置が、上部電極４５の直下の領域から離れた位置となる。そこで、上部電極４５の直下の領域からより離れた位置に、光の進行方向を変化させる働きのより強い、深い凹部４１を形成することによって、この上部電極４５の直下で生じる光を、効率よく素子外部に取出すことが可能となる。なお、この実施形態において、基板４１の裏面の、凹部４１と凹部４２との間の位置に、凹部４２よりも浅い凹部を追加的に設けても構わない。

図５に断面構造を示すＧａＮ系ＬＥＤ５０を作製した。ＧａＮ系ＬＥＤ５０は、Ｃ面サファイア基板５１と、その上にＧａＮ低温バッファ層（図示せず）を介して積層された、ＧａＮ系半導体層５２とを有している。ＧａＮ系半導体層５２は積層構造を備えており、基板５１側から順に、不純物無添加のＧａＮ層５２ａと、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層５２ｂと、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸からなる活性層５２ｃと、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５２ｄと、ＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層５２ｅとを有している。部分的に露出したｎ型層コンタクト層５２ａの表面には、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる下部電極５３が形成されている。ｐ型コンタクト層５２ｅ上には、その略全面を覆うように、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる拡散電極５４が形成されている。上部電極５４上の一部にはＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる上部電極５５が形成されている。この上部電極５５はパッド電極である。基板５１の裏面には、深さの異なる４種類の凹部Ａ５１、Ａ５２、Ａ５３、Ａ５４が形成されている。これらの凹部はいずれもＶ溝であり、その長手方向は、サファイアのＭ軸方向に平行である。最も深い凹部Ａ５１は、上部電極５５の直下を含む領域に形成されている。また、基板５１の裏面のうち、上部電極５５の直下の領域よりも図５中にて右側の領域には、上部電極５５の直下の領域から離れるつれて凹部の深さが単調に増加するように、凹部Ａ５２〜Ａ５４が形成されている。

ＧａＮ系ＬＥＤ５０の作製手順は次の通りである。
（ＧａＮ系半導体層の形成）
直径２インチ、厚さ４００μｍのＣ面サファイア基板５１を準備し、その表面上に、通常のＭＯＶＰＥ法を用いて、ＧａＮ低温バッファ層、ＧａＮ層５２ａ、ｎ型コンタクト層５２ｂ、活性層５２ｃ、ｐ型クラッド層５２ｄ、ｐ型コンタクト層５２ｅを順次成長させて積層し、ＧａＮ系半導体層５２を形成した。形成後、得られたエピタキシャルウェハをＭＯＶＰＥ装置から取出し、ｐ型層にドーパントとして添加したＭｇを活性化させるために、ラピッドサーマルアニーリング装置で熱処理を行った。

（電極の形成）
熱処理したウェハのｐ型コンタクト層５２ｅ上に、蒸着法によりＩＴＯからなる拡散電極５４を形成した。次に、ドライエッチングによりｐ型コンタクト層５２ｅ、ｐ型クラッド層５２ｄ、活性層５２ｃを部分的に除去し、それによって露出したｎ型ＧａＮコンタクト層５２ｂの表面上に、蒸着法によりＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｔｉ膜、Ａｕ膜の順に形成して積層することにより、下部電極５３を形成した。このとき、拡散電極５４上への上部電極５５の形成も同時に行った。

（凹部の形成）
電極形成後、Ｃ面サファイア基板５１の裏面を研削および研磨して、その厚さを８０μｍとした。次に、研磨により鏡面となったＣ面サファイア基板５１の裏面上に、プラズマＣＶＤ法により、厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２膜を形成した。次に、フォトリソグラフィ技法により、このＳｉＯ_２膜に、サファイアのＭ軸方向を長手方向とするストライプ状の開口部をパターニングした。開口部の幅（Ａ軸方向の幅）は、３０μｍ、２０μｍ、１０μｍ、５μｍの４種類とした。これらの開口部は、幅の広い方から順に、凹部Ａ５１、Ａ５２、Ａ５３、Ａ５４を形成するための開口部である。次に、ウェハの上面（ＧａＮ系半導体層と電極を形成した側の面）をワックスで被覆して保護したうえで、ウェハをエッチャントに浸漬して、エッチングを行った。エッチャントにはリン酸溶液を用い、エッチング温度は２００℃、エッチング時間は５時間とした。エッチング後、バッファーフッ酸（ｂｕｆｆｅｒｅｄ−ＨＦ）を用いてエッチングマスクを除去した。処理後のＣ面サファイア基板５１の裏面をＳＥＭ観察すると、エッチングマスクの開口部の位置に、その幅に応じて、異なる深さを有するＶ溝が形成されていた。すなわち、幅３０μｍの開口部の位置には深さ２０．１μｍのＶ溝が、幅２０μｍの開口部の位置には深さ１３．４μｍのＶ溝が、幅１０μｍの開口部の位置には深さ６．７μｍのＶ溝が、幅５μｍの開口部の位置には深さ３．４μｍのＶ溝が、それぞれ形成されていた。これらのＶ溝は、いずれも等しい傾斜を有する２つの側壁面を有しており、各側壁面がＣ面サファイア基板５１のＣ軸に対してなす角度は３８度であった。なおエッチングに要する時間はエッチング温度を上げることにより短縮が可能であり、エッチング温度を２５０℃とした場合には、３時間のエッチングで同様の形状の凹部を得ることができた。

（チップ化）
凹部の形成後、ウェハを保護していたワックスを除去し、ダイシングによってウェハを分断することにより、３５０μｍ角のチップ状のＧａＮ系ＬＥＤ５０を得た。

（比較例）
Ｃ面サファイア基板の裏面に凹部を形成しなかったこと以外は実施例と同様にして、比較例のＧａＮ系ＬＥＤを作製した。

（評価）
実施例および比較例のＧａＮ系ＬＥＤについて、ステム上に固定して順方向電流２０ｍＡを流したときの出力を、積分球を用いて測定した。その結果、ＬＥＤのサファイア基板側をステム側に向けて（ＧａＮ系半導体層側の表面を光取出し面として）実装した場合で比較すると、実施例のＬＥＤの出力は、比較例のＬＥＤの出力よりも５％〜１０％高かった。また、ＬＥＤの向きを変え、上部電極側の表面をステム側に向けて（サファイア基板側の表面を光取出し面として）、フリップチップ実装した場合で比較すると、実施例のＬＥＤの出力は、比較例のＬＥＤよりも１０％〜１５％高かった。

本発明は、本明細書に明示的に示した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

上記実施例のＧａＮ系ＬＥＤ５０を、窒化物半導体層側の表面を光取出し面として使用する場合には、基板５１の裏面に反射膜を形成してもよい。この反射膜は、誘電体反射膜とすることもできるし、金属反射膜であってもよい。誘電体反射膜は、低屈折率材料からなる単層膜であってもよいし、多層膜型の反射膜であっても。好ましい低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２の他、ＭｇＦ_２、ＬｉＦのような金属フッ化物が挙げられる。多層膜型の反射膜は、例えば、ＳｉＯ_２膜とＴｉＯ_２膜とを交互に積層することにより形成することができる。異方性ウェットエッチングにより基板５１の裏面に凹部を形成する際に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ_２膜を、そのまま単層型の反射膜として用いてもよいし、また、多層膜型の反射膜の一部として用いることもできる。予め、エッチングマスクを、多層膜型の反射膜構造を含む積層体としておくことも可能である。金属反射膜は、好ましくは、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔなどの、反射率の高い金属で形成する。金属反射膜は、誘電体反射膜の上に積層してもよい。Ｐｔなどの耐食性の高い材料で金属反射膜を形成する場合には、金属反射膜に異方性ウェットエッチング時のエッチングマスクを兼用させることもできる。

実施例のＧａＮ系ＬＥＤ５０を、サファイア基板側の表面を光取出し面として使用する場合には、基板５１の表面に無反射膜を形成してもよい。異方性ウェットエッチングの際にエッチングマスクとして用いたＳｉＯ_２膜を、無反射膜として用いることが可能であるが、そうするためには、エッチング後のＳｉＯ_２膜の膜厚が無反射膜条件を満たすように、ＳｉＯ_２膜の初期の膜厚と、エッチングによる膜厚の減少量を制御する必要がある。無反射膜は誘電体多層膜であってもよい。予め、エッチングマスクを、多層膜型の無反射膜構造を含む積層体としておくことも可能である。

本発明により提供されるＧａＮ系発光ダイオード素子の好適な実施形態を以下に付記しておく。
（１ａ）透光性を有する単結晶基板の一方の面上に、発光するｐｎ接合部を構成するように積層されたｎ型層およびｐ型層を含むＧａＮ系半導体層が、該単結晶基板と光学的に結合されるように形成されてなり、該単結晶基板の他方の面に深さの異なる複数の凹部を有するＧａＮ系発光ダイオード素子。
（２ａ）前記ｐｎ接合部上に部分的に形成されたパッド電極を有し、前記他方の面のうち、該パッド電極の直下を含む領域に、前記深さの異なる複数の凹部の中で最も深い凹部が形成されている、前記（１ａ）に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（３ａ）前記ｐｎ接合部上に部分的に形成されたパッド電極をひとつだけ有し、前記他方の面のうち、該パッド電極の直下の領域を除いた領域に、該パッド電極の直下の領域からの距離がＬ１かつ深さがＤ１である第１の凹部と、該パッド電極の直下の領域からの距離がＬ２かつ深さがＤ２である第２の凹部とが、Ｌ１＜Ｌ２かつＤ１＜Ｄ２となるように形成された領域を有する、前記（１ａ）または（２ａ）に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（４ａ）前記他方の面のうち、前記パッド電極の直下の領域を除いた領域に、複数の凹部が、その深さが該パッド電極の直下の領域から離れるにつれて単調に増加するように形成された領域を有する、前記（３ａ）に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（５ａ）前記単結晶基板がサファイア基板である、前記（１ａ）〜（４ａ）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（６ａ）前記単結晶基板がＧａＮ系半導体基板である、前記（１ａ）〜（４ａ）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（７ａ）前記単結晶基板が前記ＧａＮ系半導体層よりも高い屈折率を有している、前記（１ａ）〜（４ａ）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（８ａ）複数の凹部の少なくともひとつが、前記単結晶基板の厚さの１０％以上の深さを有している、前記（６ａ）または（７ａ）のいずれかに記載のＧａＮ系発光ダイオード素子。
（９ａ）前記深さの異なる複数の凹部が同じ形状を有している、前記（１ａ）〜（８ａ）のいずれかに記載のＧａＮ系ダイオード素子。
（１０ａ）前記凹部がＶ字形または台形の断面を有する凹部である、前記（９ａ）に記載のＧａＮ系ダイオード素子。
上記（１ａ）〜（１０ａ）に記載のＧａＮ系発光ダイオード素子は、その製造方法により限定されるものではなく、異方性ウェットエッチング以外の方法を用いて単結晶基板に凹部を形成することにより製造されるものを含む。

本発明の一実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の断面図である。 エッチングマスクに設ける開口部のサイズを変えることにより、凹部の深さが制御できることを説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の断面図である。 本発明の一実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の断面図である。 本発明の一実施形態に係るＧａＮ系発光ダイオード素子の断面図である。

符号の説明

１０、３０、４０、５０ ＧａＮ系発光ダイオード素子
１１、２１、３１、４１、５１ 単結晶基板
１２、３２、４２、５２ ＧａＮ系半導体層
Ａ１１、Ａ２１、Ａ２２、Ａ３１、Ａ３２、Ａ４１、Ａ４２、Ａ５１、Ａ５２、Ａ５３、Ａ５４ 凹部

Claims (11)

1. 透光性を有する単結晶基板の一方の面上に、発光するｐｎ接合部を構成するように積層されたｎ型層およびｐ型層を含むＧａＮ系半導体層が、該単結晶基板と光学的に結合されるように形成されてなり、該単結晶基板の他方の面に凹部が設けられたＧａＮ系発光ダイオード素子の製造方法であって、
   異方性ウェットエッチングにより前記凹部を形成する工程を含むことを特徴とする製造方法。
2. 前記凹部がＶ字形または台形の断面を有する凹部である、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記工程においては、サイズの異なる複数の開口部を設けたエッチングマスクを用いることにより、前記他方の面に、形状が同じで深さの異なる複数の凹部を同時に形成する、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記ＧａＮ系発光ダイオード素子が、前記ｐｎ接合部上に部分的に形成されたパッド電極を有するＧａＮ系発光ダイオード素子であり、前記工程では、前記他方の面のうち、該パッド電極の直下を含む領域に、最も深い凹部を形成する、請求項３に記載の製造方法。
5. 前記ＧａＮ系発光ダイオード素子が、前記ｐｎ接合部上に部分的に形成されたパッド電極をひとつだけ有するＧａＮ系発光ダイオード素子であり、前記工程では、前記他方の面のうち、該パッド電極の直下の領域を除いた領域に、該パッド電極の直下の領域からの距離がＬ１かつ深さがＤ１である第１の凹部と、該パッド電極の直下の領域からの距離がＬ２かつ深さがＤ２である第２の凹部とを、Ｌ１＜Ｌ２かつＤ１＜Ｄ２となるように形成した領域を設ける、請求項３に記載の製造方法。
6. 前記工程では、前記他方の面のうち、前記パッド電極の直下の領域を除いた領域に、複数の凹部を、その深さが該パッド電極の直下の領域から離れるにつれて単調に増加するように形成した領域を設ける、請求項５に記載の製造方法。
7. 前記単結晶基板がサファイア基板である、請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
8. 前記単結晶基板がＧａＮ系半導体基板である、請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
9. 前記単結晶基板が前記ＧａＮ系半導体層よりも高い屈折率を有している、請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
10. 前記工程においては、前記他方の面に、前記単結晶基板の厚さの１０％以上の深さを有する凹部を少なくともひとつ形成する、請求項８または９のいずれかに記載の製造方法。
11. 前記工程でエッチングマスクとして前記単結晶基板上に誘電体膜または金属膜を形成するとともに、該工程の後に該誘電体膜または金属膜を除去しない、請求項１〜１０のいずれかに記載の製造方法。

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