JP2010074090A - 発光素子、発光素子用サファイア基板及び発光素子用サファイア基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体層と透光性基板の間の反射を抑制して光の取り出し効率を向上させる。
【解決手段】ＬＥＤチップ１００において、平坦部１０２ｂ及び当該平坦部１０２ｂに周期的に形成された複数の錐状の凹部１０２ｃを成長面１０２ａに有するサファイア基板１０２と、サファイア基板１０２の成長面１０２ａにて横方向成長が可能であり各凹部１０２ｃに沿って周期的に形成される複数の錘状の凸部を成長面１０２ａ側に有し、ｎ型ＧａＮ層１１２、多重量子井戸活性層１１４及びｐ型ＧａＮ層１１８を含む半導体層と、を備え、半導体層とサファイア基板１０２の界面にて光の反射を抑制するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、透光性基板上に半導体層が形成される発光素子と、この発光素子用のサファイア基板及びその製造方法に関する。

現在、窒化物半導体等の半導体層を有する青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップ、緑色ＬＥＤチップ等の発光素子は、サファイア基板等の透光性基板上へのエピタキシャル成長によって作製されている。

図１２に従来の青色のＬＥＤチップの素子構造の一例を示す。このＬＥＤチップ４００は、サファイア基板４０２と、サファイア基板４０２上に形成されるIII族窒化物半導体層と、を有している。III族窒化物半導体層は、サファイア基板４０２上にエピタキシャル成長により形成され、バッファ層４１０、ｎ型ＧａＮ層４１２と、多重量子井戸活性層４１４と、電子ブロック層４１６と、ｐ型ＧａＮ層４１８と、をサファイア基板４０２側からこの順で有している。ｐ型ＧａＮ層４１８上にはｐ側透明電極４２０が形成され、ｐ側透明電極４２０上の所定領域にｐ側電極パッド４２２が形成される。ｎ型ＧａＮ層４１２上にはｎ側電極４２４が形成され、サファイア基板４０２の裏面には高反射率の金属による反射金属層４２６が形成されている。このＬＥＤチップ４００では、ｐ側電極パッド４２２とｎ側電極４２４の間に電圧を印加すると、多重量子井戸活性層４１４にて青色光が生じ、チップ上方のｐ側透明電極４２０を通じて、チップ外部へ青色光が放出される。

また、このようなＬＥＤチップにおいて、ｐ側透明電極に２次元のフォトニック結晶を形成したものが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
Japanese Journal of Applied Physics Vol.43, No.8B, 2004, PP. 5809-5813

しかしながら、上記のようなＬＥＤチップ４００では、全ての青色光がチップ外部へ取り出されるわけではなく、青色光の一部はチップ内部でIII族窒化物半導体層、電極等で吸収されてしまう。特に、屈折率の比較的高いIII族窒化物半導体層と、屈折率の比較的低いサファイア基板４０２の界面で青色光が反射すると、サイドエッジ方向（図１２中横方向）の光となってしまい、チップのサイドエッジに到達するまでに比較的長い距離を進むために光の吸収が顕著となる。この結果、光の取り出し効率が低くなるという問題点があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体層と透光性基板の間の反射を抑制して光の取り出し効率を向上させた発光素子と、この発光素子用のサファイア基板及びその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、
平坦部と、当該平坦部に周期的に形成された複数の錐状の凹部と、を成長面に有する透光性基板と、
前記透光性基板の前記成長面にて横方向成長が可能であり、前記各凹部に沿って周期的に形成される複数の錘状の凸部を前記成長面側に有し、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含む半導体層と、を備えた発光素子が提供される。

上記発光素子において、
前記透光性基板は、サファイアからなり、
前記半導体層は、III族窒化物半導体からなる構成としてもよい。

上記発光素子において、
前記各凹部の周期は、前記活性層の発光ピーク波長以下である構成としてもよい。

また、前記目的を達成するため、本発明では、
周期的に形成された複数の錐台状の凸部と、当該凸部の台部分をなす平坦部と、を成長面に有する透光性基板と、
前記透光性基板の前記成長面にて横方向成長が可能であり、前記各凸部に沿って周期的に形成される複数の錐台状の凹部を前記成長面側に有し、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含む半導体層と、を備えた発光素子。

上記発光素子において、
前記透光性基板は、サファイアからなり、
前記半導体層は、III族窒化物半導体からなる構成としてもよい。

上記発光素子において、
前記各凸部の周期は、前記活性層の発光ピーク波長以下である構成としてもよい。

上記発光素子において、
前記周期は、前記活性層の前記発光ピーク波長の１／３以下である構成としてもよい。

上記発光素子において、
前記半導体層は、前記透光性基板上に成長されるバッファ層を含む構成としてもよい。

また、前記目的を達成するため、本発明では、
ｃ面である平坦部と、前記平坦部に周期的に形成された複数の錐状の凹部と、を有する発光素子用サファイア基板が提供される。

また、前記目的を達成するため、本発明では、
周期的に形成された複数の錐台状の凸部と、当該凸部の台部分をなすｃ面である平坦部と、を有する発光素子用サファイア基板が提供される。

また、前記目的を達成するため、本発明では、
上記発光素子用サファイア基板の製造方法であって、
発光素子用サファイア基板の平坦部上に第１マスク層を形成する工程と、
前記平坦部上の前記第１マスク層上に第２マスク層を電子線照射を利用してパターンニングする工程と、
前記第２マスク層をマスクとして前記第１マスク層をエッチングによりパターンニングする工程と、
前記第２マスク層を除去する工程と、
前記第１マスク層をマスクとして前記平坦部をエッチングする工程と、を含む発光素子用サファイア基板の製造方法が提供される。

また、上記発光素子用サファイア基板の製造方法において、
前記第１マスク層は、ＳｉＯ_２からなり、
前記第２マスク層は、Ｎｉからなる構成としてもよい。

また、上記発光素子用サファイア基板の製造方法において、
前記第２マスク層をマスクとした前記第１マスク層のエッチングを、フッ素系エッチングガスを用いたドライエッチングにより行うようにしてもよい。

本発明によれば、半導体層と透光性基板の間の反射を抑制して光の取り出し効率を向上させることができる。

図１から図５は本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１はＬＥＤチップの模式断面図である。

図１に示すように、ＬＥＤチップ１００は、透光性基板としてのサファイア基板１０２上に、III族窒化物半導体層が形成されたものである。III族窒化物半導体層は、バッファ層１１０、ｎ型ＧａＮ層１１２、多重量子井戸活性層１１４、電子ブロック層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８をサファイア基板１０２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１１８上にはｐ側透明電極１２０とｐ側電極パッド１２２が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１１２上にはｎ側電極１２４が形成されている。

サファイア基板１０２は、窒化物半導体が成長されるｃ面（｛０００１｝）である成長面１０２ａを有している。成長面１０２ａには、平坦部１０２ｂと、平坦部１０２ｂに周期的に形成された複数の錐状の凹部１０２ｃと、が形成されている。平坦部１０２ｂは、サファイア基板１０２のｃ面となっている。凹部１０２ｃの形状は、円錐、多角錘等の形状とすることができる。

バッファ層１１０は、サファイア基板１０２の成長面１０２ａ上に形成され、ＧａＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１１０は、後述するｎ型ＧａＮ層１１２等よりも低温にて成長されている。また、バッファ層１１０は、各凹部１０２ｃに沿って周期的に形成される複数の錘状の凸部を成長面１０２ａ側に有している。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１１２は、バッファ層１１０上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。多重量子井戸活性層１１４は、ｎ型ＧａＮ層１１２上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の注入により例えば青色光を発する。本実施形態においては、多重量子井戸活性層１１４の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。電子ブロック層１１６は、多重量子井戸活性層１１４上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層１１８は、電子ブロック層１１６上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。バッファ層１１０からｐ型ＧａＮ層１１８までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成され、サファイア基板１０２の成長面１０２ａには周期的に凹部１０２ｃが形成されているが、III族窒化物半導体の成長所期に横方向成長による平坦化が図られる。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。

ｐ側透明電極１２０は、ｐ型ＧａＮ層１１８上に形成され、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなり、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成される。また、ｐ側電極パッド１２２は、ｐ側透明電極１２０上に形成され、例えばＴｉ／Ａｕから構成され、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成される。

ｎ側電極１２４は、ｐ型ＧａＮ層１１８からｎ型ＧａＮ層１１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１１２上に形成される。ｎ側電極１２４は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから構成され、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成される。

また、サファイア基板１０２の裏面には、例えばＡｌ等の高い反射率を有する金属からなる反射金属層１２６が形成されている。反射金属層１２６は、金属の蒸着により形成される。

次いで、図２を参照してサファイア基板１０２について詳述する。図２はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）が模式縦断面図である。

図２（ａ）に示すように、サファイア基板１０２の各凹部１０２ｃは、平面視にて、各凹部１０２ｃの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で三角格子状に整列して形成される。尚、ここでいう周期とは、隣接する凹部１０２ｃにおける深さのピーク位置の距離をいう。各凹部１０２ｃの周期は、任意であるが、多重量子井戸活性層１１４の発光ピーク波長以下であることが好ましく、当該発光ピーク波長の１／３以下であることがより好ましい。このように、透過する光の光学波長に対して十分に小さな周期構造を形成することにより、サファイア基板１０２とIII族窒化物半導体との界面における反射が防止される。

本実施形態においては、図２（ｂ）に示すように、各凹部１０２ｃは、円錐状に形成される。具体的に、各凹部１０２ｃは、基端部の直径は１５０ｎｍであり、深さは４００ｎｍとなっている。尚、サファイア基板１０２の厚さは、４３０μｍである。また、各凹部１０２ｃの周期は、３００ｎｍとなっている。サファイア基板１０２の成長面１０２ａは、各凹部１０２ｃの他は平坦部１０２ｂとなっており、半導体層の横方向成長が助長されるようになっている。

図３は、III族窒化物半導体からサファイア基板へ入射する光の角度と光透過率の関係を示すグラフである。図３のグラフは、入射する光の波長が４５０ｎｍであり、各凹部１０２ｃが基端部の直径が１５０ｎｍで深さ４００ｎｍの円錐状で周期が３００ｎｍの場合のデータである。

図３に示すように、成長面１０２ａを平坦面とした場合は、入射角が３０度を超えると急激に光透過率が低下し、４０度を超えると光が透過することは殆どなくなる。これに対し、本実施形態のように、成長面１０２ａに周期的に凹部１０２ｃを形成することにより、入射角が７０度まで比較的高い光透過率を得ることができ、８０度を超えても相当量の光を透過させることができる。

次に、図４及び図５を参照してＬＥＤチップ１００用のサファイア基板１０２の作製方法について説明する。図４は、サファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は成長面に第１マスク層が形成された状態を示し、（ｂ）は第１マスク層上にレジスト層が形成された状態を示し、（ｃ）はレジスト層に選択的に電子線を照射する状態を示し、（ｄ）はレジスト層を現像して除去した状態を示し、（ｅ）は第２マスク層が形成された状態を示している。

まず、図４（ａ）に示すように、平板状のサファイア基板１０２を用意し、サファイア基板１０２の表面に第１マスク層１３０を形成する。第１マスク層１３０は、例えばＳｉＯ_２からなり、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成される。第１マスク層１３０の厚さは、任意であるが、例えば１．０μｍである。

例えば、マグネトロンスパッタリング装置を用いて第１マスク層１３０を形成する場合、Ａｒガスを用い、高周波（ＲＦ）電源を用いることができる。具体的には、例えば、Ａｒガスを２５ｓｃｃｍとし、ＲＦ電源の電力を材料に応じて２００〜５００Ｗとして、６００ｎｍの第１マスク層１３０をサファイア基板１０２に堆積することができる。このとき、スパッタリングの時間は適宜調節することができる。

次いで、図４（ｂ）に示すように、サファイア基板１０２の第１マスク層１３０上にレジスト層１３２を形成する。レジスト層１３２は、例えば、日本ゼオン社製のＺＥＰ等の電子線感光材料からなり、第１マスク層１３０上に塗布される。レジスト層１３２の厚さは、任意であるが、例えば１００ｎｍから２．０μｍである。

例えば、スピンコーティングによりレジスト層１３２を形成する場合、スピナーの回転数を１５００ｒｐｍとして均一な膜を形成した後、１８０℃で４分間ベーキングを行って硬化させることにより、１６０〜１７０ｎｍの膜厚のレジスト層１３２を得ることができる。具体的にレジスト層１３２の材料として、日本ゼオン社製のＺＥＰと、日本ゼオン社製の希釈液ＺＥＰ−Ａとを、１：１．４の割合で混合したものを用いることができる。

次に、図４（ｃ）に示すように、レジスト層１３２と離隔してステンシルマスク１３４をセットする。レジスト層１３２とステンシルマスク１３４との間は、１．０μｍ〜１００μｍの隙間があけられる。ステンシルマスク１３４は、例えばダイヤモンド、ＳｉＣ等の材料で形成されており、厚さは任意であるが、例えば、厚みが５００ｎｍ〜１００μｍとされる。ステンシルマスク１３４は、電子線を選択的に透過する開口１３４ａを有している。

ここで、ステンシルマスク１３４は、厚みが一定の薄板状に形成されているが、例えば格子状、突条の肉厚部を設けるなどして部分的に厚みを大きくして強度を付与するようにしてもよい。本実施形態においては、ウェハ状のサファイア基板１０２に一括して複数のＬＥＤチップ１００に対応する凹部１０２ｃを作成し、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長後にダイシングすることにより、複数のＬＥＤチップ１００を製造する。従って、ステンシルマスク１３４の肉厚部を、ダイシングブレードの通過位置に対応させて形成することが可能となっている。尚、肉厚部は、サファイア基板１０２側に突出しても、サファイア基板１０２と反対側に突出しても、さらには両側に突出してもよい。サファイア基板１０２側に突出する場合、肉厚部の先端をレジスト層１３２と当接させることにより、肉厚部にレジスト層１３２とのスペーサの機能を付与することができる。

この後、図４（ｃ）に示すように、ステンシルマスク１３４へ電子線を照射し、レジスト層１３２をステンシルマスク１３４の各開口１３４ａを通過した電子線に曝す。具体的には、例えば、１０〜１００μＣ／ｃｍ^２の電子ビームを用いて、ステンシルマスク１３４のパターンをレジスト層１３２に転写する。尚、電子線は、ステンシルマスク１３４上においてスポット状に照射されるため、実際には電子線を走査させることにより、ステンシルマスク１３４の全面わたって電子線を照射することとなる。レジスト層１３２は、ポジタイプであり、感光すると現像液に対して溶解度が増大する。尚、ネガタイプのレジスト層１３２を用いてもよい。ここで、レジスト層１３２が感光する際に、レジスト層１３２に含まれていた溶剤が揮発することとなるが、レジスト層１３２とステンシルマスク１３４との間に隙間があることによって揮発成分が拡散しやすくなり、揮発成分によってステンシルマスク１３４が汚染されることが防止できる。

電子線の照射が完了した後、所定の現像液を用いてレジスト層１３２を現像する。これにより、図４（ｄ）に示すように、電子線が照射された部位が現像液に溶出し、電子線が照射されてない部位が残留して、開口１３２ａが形成される。レジスト層１３２として日本ゼオン社製のＺＥＰを用いた場合、現像液として例えば酢酸アミルを用いることができる。また、現像後にリンス液にて洗浄するか否かは任意であるが、レジスト層１３２として日本ゼオン社製のＺＥＰを用いた場合、リンス液として例えばＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を用いることができる。

次いで、図４（ｅ）に示すように、レジスト層１３２がパターンニングされた第１マスク層１３０上に、第２マスク層１３６を形成する。このようにして、第１マスク層１３０上に第２マスク層１３６を電子線照射を利用してパターンニングする。第２マスク層１３６は、例えばＮｉからなり、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成される。第２マスク層１３６の厚さは、任意であるが、例えば２０ｎｍである。第２マスク層１３６も、第１マスク層１３０と同様に、例えば、マグネトロンスパッタリング装置を用いて形成することができる。

図５はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）はレジスト層を完全に除去した状態を示し、（ｂ）は第２マスク層をマスクとして第１マスク層をエッチングした状態を示し、（ｃ）は第２マスク層を除去した状態を示し、（ｄ）第１マスク層をマスクとして成長面をエッチングした状態を示し、（ｅ）は第１マスク層を除去した状態を示している。

図５（ａ）に示すように、レジスト層１３２を剥離液を用いて除去する。例えば、レジスト層１３２を剥離液中に浸し、所定時間だけ超音波を照射することにより除去することができる。具体的に、剥離液としては例えばジエチルケトンを用いることができる。また、レジスト層１３２除去後にリンス液にて洗浄するか否かは任意であるが、リンス液として例えばアセトン、メタノール等を用いて洗浄を行うことができる。これにより、第１マスク層１３０上に、ステンシルマスク１３４の開口１３４ａのパターンを反転させた第２マスク層１３６のパターンが形成される。

次いで、図５（ｂ）に示すように、第２マスク層１３６をマスクとして、第１マスク層１３０のドライエッチングを行う。これにより、第１マスク層１３０に開口１３０ａが形成され、第１マスク層１３０のパターンが形成される。このとき、エッチングガスとして、第２マスク層１３６に比してサファイア基板１０２及び第１マスク層１３０が耐性を有するものが用いられる。例えば、第１マスク層１３０がＳｉＯ_２で第２マスク層１３６がＮｉである場合、ＳＦ_６等のフッ素系ガスを用いると、ＮｉはＳｉＯ_２に対してエッチングの選択比が１００程度であることから、第１マスク層１３０のパターンニングを的確に行うことができる。

この後、図５（ｃ）に示すように、第１マスク層１３０上の第２マスク層１３６を除去する。第１マスク層１３０がＳｉＯ_２であり、第２マスク層１３６がＮｉである場合、水で希釈して１：１程度で混合した塩酸及び硝酸に浸漬したり、アルゴンガスによるドライエッチングによりＮｉを除去することができる。

そして、図５（ｄ）に示すように、第１マスク層１３０をマスクとして、サファイア基板１０２のドライエッチングを行う。このとき、サファイア基板１０２のうち第１マスク層１３０が除去された部位のみがエッチングガスに曝されることになるため、サファイア基板１０２にステンシルマスク１３４の各開口１３４ａの反転パターンを転写することができる。このとき、第１マスク層１３０は、サファイア基板１０２よりも、エッチングガスへの耐性が大きいため、第１マスク層１３０に被覆されていない箇所を選択的にエッチングすることができる。そして、サファイア基板１０２のエッチング深さが所期の深さとなるところでエッチングを終了させる。本実施形態においては、エッチング初期の段階では第１マスク層１３０に転写された開口１３０ａは、直径５０ｎｍであるが、エッチングが深さ方向に進行するにつれて、サイドエッチングも進行するため、最終的には基端部の直径が１５０ｎｍの円錐状の凹部１０２ｃが形成されるようになっている。本実施形態においては、エッチングの進行に伴って、第１マスク層１３０とサファイア基板１０２との接点が失われて、第１マスク層１３０が外縁から除去されていく。ここで、エッチングガスとしては、例えば、ＢＣｌ_３等の塩素系ガスが用いられる。尚、サイドエッチングが進行しない第１マスク層１３０とエッチングガスの組合せを選択する場合は、ステンシルマスク１３４の開口１３４ａの反転パターンが、各凹部１０２ｃの基端部と同一形状となるよう設計すればよい。

この後、図５（ｅ）に示すように、所定の剥離液を用いてサファイア基板１０２上に残った第１マスク層１３０を除去する。剥離液としては、例えば、第１マスク層１３０にＳｉＯ_２が用いられている場合は希弗酸を用いることができる。

以上のように作製されたサファイア基板１０２の成長面１０２ａに、横方向成長を利用してIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させ、各電極を形成した後に、ダイシングにより複数のＬＥＤチップ１００に分割することにより、ＬＥＤチップ１００が製造される。

以上のように構成されたＬＥＤチップ１００は、ｐ側電極パッド１２２とｎ側電極１２４に対して電圧を印加すると、多重量子井戸活性層１１４から青色光が放射状に発せられる。本実施形態においては、サファイア基板１０２の成長面１０２ａに凹部１０２ｃが形成されているものの、III族窒化物半導体層の横方向成長による平坦化の際に転移の終端が生じるので、III族窒化物半導体層にて転移の密度が比較的低い結晶が得られている。この結果、多重量子井戸活性層１１４においても、転移の密度が比較的低い結晶となっており、成長面１０２ａに凹部１０２ｃが形成されることにより、発光効率が損なわれることはない。多重量子井戸活性層１１４から発せられる青色光のうち、ｐ側透明電極１２０へ向かうものについては、大部分がｐ側透明電極１２０を透過して素子外部へ放射される。

また、青色光のうち、サファイア基板１０２側へ向かうものについては、バッファ層１１０とサファイア基板１０２の界面に凹凸の周期構造が形成されていることから、大部分が当該界面にて反射せずにサファイア基板１０２へ入射する。サファイア基板１０２へ入射した青色光のうち、反射金属層２１０へ到達したものは、反射金属層２１０の表面にて反射してサファイア基板１０２の成長面１０２ａ側へ向かう。そして、成長面１０２ａからIII族窒化物半導体層を通じてｐ側透明電極１２０へ向かう青色光は、大部分がｐ側透明電極１２０を透過して素子外部へ放射される。

このように、本実施形態のＬＥＤチップ１００によれば、サファイア基板１０２とIII族窒化物半導体層との界面での反射を抑制し、当該反射により青色光が横方向へ進んでIII族窒化物半導体層、電極等で吸収されることを抑制することができる。従って、多重量子井戸活性層１１４から発せられる青色光を、ｐ側透明電極１２０側から効率良く取り出すことができる。

特に、本実施形態のように、透光性基板として屈折率が１．７７のサファイアを用いるとともに、ｐ側透明電極１２０として屈折率が２．１のＩＴＯを用い、屈折率が２．５程度のＧａＮ系の半導体層を用いた場合、半導体層から発せられた光が透光性基板及びｐ側透明電極で反射し易く、仮に透光性基板の成長面が平坦面である場合は、これらが光ガイドのように振る舞って半導体層の光をチップのサイドエッジ方向へ案内してしまう。本実施形態のＬＥＤチップ１００は、半導体層よりも高屈折率の透光性基板及び透明電極を有するチップに固有の光ガイドの課題を解決したものである。

尚、前記実施形態においては、多重量子井戸活性層１１４が、III族窒化物半導体層からなり青色光を発するものを示したが、III族窒化物半導体層を用いて紫外光、緑色光、黄色光、橙色光等を発せさせることもできる。さらには、透光性基板としてはサファイア基板１０２以外のものを用いたり、半導体層としてIII族窒化物半導体以外のものを用いてもよい。

また、ＬＥＤチップ２００を図６のように構成してもよい。図６のＬＥＤチップ２００は、サファイア基板１０２上に、III族窒化物半導体層が、バッファ層１１０、第１アンドープＧａＮ層２１２ａ、ｎ型ＧａＮ層１１２、第２アンドープＧａＮ層２１２ｂ、多重量子井戸活性層１１４、電子ブロック層１１６、ｐ型クラッド層２１８ｂ、ｐ型コンタクト層２１８ａの順で形成されている。ｐ型クラッド層２１８ｂは、ｐ−ＡｌＧａＮからなり、ｐ型コンタクト層２１８ａは、ｐ^＋−ＧａＮから構成される。その他の構成は、図１と同様である。

また、例えば図７に示すように、ｐ側透明電極１２０に周期構造１２０ａを形成してもよい。このＬＥＤチップ３００では、ｐ側透明電極１２０から外部へ光が放射されやすくなり、チップ全体としての光取り出し効率をさらに向上することができる。さらに、例えば図７に示すように、サファイア基板１０２の裏面側に反射金属層を設けず、透光性基板からも光を取り出すようにしてもよい。

図８から図１１は本発明の第２の実施形態を示すものであり、図８はＬＥＤチップの模式断面図である。第２の実施形態のＬＥＤチップ２００は、サファイア基板１０２の成長面１０２ａが第１の実施形態のＬＥＤチップ１００と相違し、その他の構成は第１の実施形態のＬＥＤチップ１００と同様の構成である。

図８に示すように、ＬＥＤチップ２００は、透光性基板としてのサファイア基板１０２上に、III族窒化物半導体層が形成されたものである。III族窒化物半導体層は、バッファ層１１０、ｎ型ＧａＮ層１１２、多重量子井戸活性層１１４、電子ブロック層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８をサファイア基板１０２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１１８上にはｐ側透明電極１２０とｐ側電極パッド１２２が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１１２上にはｎ側電極１２４が形成されている。

サファイア基板１０２は、窒化物半導体が成長されるｃ面からなる成長面１０２ａを有している。成長面１０２ａには、周期的に形成された複数の錐台状の凸部１０２ｄと、当該凸部の台部分をなす平坦部１０２ｂと、が形成されている。平坦部１０２ｂは、サファイア基板１０２のｃ面となっている。また、成長面１０２ａには、各凸部１０２ｄの間に、底面部１０２ｅが形成されている。この底面部１０２ｅも、平坦部１０２ｂと同様に、サファイアのｃ面とすることが望ましい。錐台状の各凸部１０２ｄの錐形状は、円錐、多角錘等の形状とすることができる。

次いで、図９を参照してサファイア基板１０２について詳述する。図９はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）が模式縦断面図である。

図９（ａ）に示すように、サファイア基板１０２の各凸部１０２ｄは、平面視にて、各凸部１０２ｄの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で三角格子状に整列して形成される。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部１０２ｃにおける上面の中心位置の距離をいう。本実施形態においては、図９（ｂ）に示すように、各凸部１０２ｄは、円錐の錐台状に形成される。サファイア基板１０２の成長面１０２ａは、各凸部１０２ｄの他は平坦部１０２ｂとなっており、半導体層の横方向成長が助長されるようになっている。

次に、図１０及び図１１を参照してＬＥＤチップ２００用のサファイア基板１０２の作製方法について説明する。図１０は、サファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は成長面に第１マスク層及び第２マスク層が形成された状態を示し、（ｂ）は第２マスク層上にレジスト層が形成された状態を示し、（ｃ）はレジスト層に選択的に電子線を照射する状態を示し、（ｄ）はレジスト層を現像して除去した状態を示し、（ｅ）はレジスト層をマスクとして第２マスク層がエッチングされた状態を示している。

まず、図１０（ａ）に示すように、平板状のサファイア基板１０２を用意し、サファイア基板１０２の表面に第１マスク層１３０及び第２マスク層１３６を積層して形成する。第１マスク層１３０は、例えばＳｉＯ_２からなり、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成される。第１マスク層１３０の厚さは、任意であるが、例えば１．０μｍである。

第２マスク層１３６は、例えばＮｉからなり、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により第１マスク層１３０上に形成される。第２マスク層１３６は、例えばＮｉからなり、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成される。第２マスク層１３６の厚さは、任意であるが、例えば２０ｎｍである。

次いで、図１０（ｂ）に示すように、第２マスク層１３６上にレジスト層１３２を形成する。レジスト層１３２は、例えば、日本ゼオン社製のＺＥＰ等の電子線感光材料からなり、第１マスク層１３６上に塗布される。レジスト層１３６の厚さは、任意であるが、例えば１００ｎｍから２．０μｍである。

次に、図１０（ｃ）に示すように、レジスト層１３２と離隔してステンシルマスク１３４をセットする。ステンシルマスク１３４は、例えばダイヤモンド、ＳｉＣ等の材料で形成されており、厚さは任意であるが、例えば、厚みが５００ｎｍ〜１００μｍとされる。ステンシルマスク１３４は、電子線を選択的に透過する開口１３４ａを有している。そして、ステンシルマスク１３４へ電子線を照射し、レジスト層１３２をステンシルマスク１３４の各開口１３４ａを通過した電子線に曝す。レジスト層１３２は、ポジタイプであり、感光すると現像液に対して溶解度が増大する。尚、ネガタイプのレジスト層１３２を用いてもよい。

電子線の照射が完了した後、所定の現像液を用いてレジスト層１３２を現像する。これにより、図１０（ｄ）に示すように、電子線が照射された部位が現像液に溶出し、電子線が照射されてない部位が残留して、開口１３２ａが形成される。

この後、図１０（ｅ）に示すように、レジスト層１３２をマスクとして、第２マスク層１３６のエッチングを行う。例えば、第２マスク層１３６としてＮｉが用いられている場合、Ａｒイオン、Ｇａイオン等を用いたイオンビームエッチングによりＮｉを選択的に除去することができる。このようにして、第１マスク層１３０上に第２マスク層１３６を電子線照射を利用してパターンニングする。

図１１はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）はレジスト層を完全に除去した状態を示し、（ｂ）は第２マスク層をマスクとして第１マスク層をエッチングした状態を示し、（ｃ）は第２マスク層を除去した状態を示し、（ｄ）第１マスク層をマスクとして成長面をエッチングした状態を示し、（ｅ）は第１マスク層を除去した状態を示している。

図１１（ａ）に示すように、レジスト層１３２を剥離液を用いて除去する。例えば、レジスト層１３２を剥離液中に浸し、所定時間だけ超音波を照射することにより除去することができる。

次いで、図１１（ｂ）に示すように、第２マスク層１３６をマスクとして、第１マスク層１３０のドライエッチングを行う。これにより、第１マスク層１３０に開口１３０ａが形成され、第１マスク層１３０のパターンが形成される。この後、図１１（ｃ）に示すように、第１マスク層１３０上の第２マスク層１３６を除去する。

そして、図１１（ｄ）に示すように、第１マスク層１３０をマスクとして、サファイア基板１０２のドライエッチングを行う。このとき、サファイア基板１０２のうち第１マスク層１３０が除去された部位のみがエッチングガスに曝されることになるため、サファイア基板１０２にステンシルマスク１３４の各開口１３４ａの反転パターンを転写することができる。そして、サファイア基板１０２のエッチング深さが所期の深さとなるところでエッチングを終了させる。本実施形態においては、エッチングの進行に伴って、第１マスク層１３０とサファイア基板１０２との接点が失われて、第１マスク層１３０が外縁から除去されていく。ここで、エッチングガスとしては、例えば、ＢＣｌ_３等の塩素系ガスが用いられる。

この後、図１１（ｅ）に示すように、所定の剥離液を用いてサファイア基板１０２上に残った第１マスク層１３０を除去する。剥離液としては、例えば、第１マスク層１３０にＳｉＯ_２が用いられている場合は希弗酸を用いることができる。

以上のように作製されたサファイア基板１０２の成長面１０２ａに、横方向成長を利用してIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させ、各電極を形成した後に、ダイシングにより複数のＬＥＤチップ２００に分割することにより、ＬＥＤチップ２００が製造される。

以上のように構成されたＬＥＤチップ２００は、サファイア基板１０２の成長面１０２ａに凸部１０２ｄが形成されているものの、III族窒化物半導体層の横方向成長による平坦化の際に転移の終端が生じるので、III族窒化物半導体層にて転移の密度が比較的低い結晶が得られている。この結果、多重量子井戸活性層１１４においても、転移の密度が比較的低い結晶となっており、成長面１０２ａに凸部１０２ｄが形成されることにより、発光効率が損なわれることはない。

また、本実施形態のＬＥＤチップ２００によれば、サファイア基板１０２とIII族窒化物半導体層との界面での反射を抑制し、当該反射により青色光が横方向へ進んでIII族窒化物半導体層、電極等で吸収されることを抑制することができる。従って、多重量子井戸活性層１１４から発せられる青色光を、ｐ側透明電極１２０側から効率良く取り出すことができる。

尚、前記各実施形態においては、ｐ側の電極が透明であるものを示したが、ｐ側の電極を反射性の金属から構成して主として透光性基板側から光が取り出されるようにしたり、凹部１０２ｃを三角錐状、四角錐状のような多角錘状としてもよく、具体的な細部構造等について適宜に変更可能であることは勿論である。

図１は、本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤチップの模式断面図である。 図２はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）が模式縦断面図である。 図３は、III族窒化物半導体からサファイア基板へ入射する光の角度と光透過率の関係を示すグラフである。 図４はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は成長面に第１マスク層が形成された状態を示し、（ｂ）は第１マスク層上にレジスト層が形成された状態を示し、（ｃ）はレジスト層に選択的に電子線を照射する状態を示し、（ｄ）はレジスト層を現像して除去した状態を示し、（ｅ）は第２マスク層が形成された状態を示している。 図５はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）はレジスト層を完全に除去した状態を示し、（ｂ）は第２マスク層をマスクとして第１マスク層をエッチングした状態を示し、（ｃ）は第２マスク層を除去した状態を示し、（ｄ）第１マスク層をマスクとして成長面をエッチングした状態を示し、（ｅ）は第１マスク層を除去した状態を示している。 図６は、変形例を示すＬＥＤチップの模式断面図である。 図７は、変形例を示すＬＥＤチップの模式断面図である。 図８は、本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤチップの模式断面図である。 図９はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）が模式縦断面図である。 図１０はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は成長面に第１マスク層及び第２マスク層が形成された状態を示し、（ｂ）は第２マスク層上にレジスト層が形成された状態を示し、（ｃ）はレジスト層に選択的に電子線を照射する状態を示し、（ｄ）はレジスト層を現像して除去した状態を示し、（ｅ）はレジスト層をマスクとして第２マスク層がエッチングされた状態を示している。 図１１はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）はレジスト層を完全に除去した状態を示し、（ｂ）は第２マスク層をマスクとして第１マスク層をエッチングした状態を示し、（ｃ）は第２マスク層を除去した状態を示し、（ｄ）第１マスク層をマスクとして成長面をエッチングした状態を示し、（ｅ）は第１マスク層を除去した状態を示している。 図１２は従来のＬＥＤチップの模式断面図である。

符号の説明

１００ ＬＥＤチップ
１０２ サファイア基板
１０２ａ 成長面
１０２ｂ 平坦部
１０２ｃ 凹部
１０２ｄ 凸部
１０２ｅ 底面部
１１０ バッファ層
１１２ ｎ型ＧａＮ層
１１４ 多重量子井戸活性層
１１６ 電子ブロック層
１１８ ｐ型ＧａＮ層
１２０ ｐ側透明電極
１２２ ｐ側電極パッド
１２４ ｎ側電極
１２６ 反射金属層
１３０ マスク層
１３０ａ 開口
１３２ レジスト層
１３２ａ 開口
１３４ ステンシルマスク
１３４ａ 開口
２００ ＬＥＤチップ
２１２ａ 第１アンドープＧａＮ層
２１２ｂ 第２アンドープＧａＮ層
２１８ａ ｐ型コンタクト層
２１８ｂ ｐ型クラッド層
３００ ＬＥＤチップ

Claims (13)

1. 平坦部と、当該平坦部に周期的に形成された複数の錐状の凹部と、を成長面に有する透光性基板と、
   前記透光性基板の前記成長面にて横方向成長が可能であり、前記各凹部に沿って周期的に形成される複数の錘状の凸部を前記成長面側に有し、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含む半導体層と、を備えた発光素子。
2. 前記透光性基板は、サファイアからなり、
   前記半導体層は、III族窒化物半導体からなる請求項１に記載の発光素子。
3. 前記各凹部の周期は、前記活性層の発光ピーク波長以下である請求項２に記載の発光素子。
4. 周期的に形成された複数の錐台状の凸部と、当該凸部の台部分をなす平坦部と、を成長面に有する透光性基板と、
   前記透光性基板の前記成長面にて横方向成長が可能であり、前記各凸部に沿って周期的に形成される複数の錐台状の凹部を前記成長面側に有し、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含む半導体層と、を備えた発光素子。
5. 前記透光性基板は、サファイアからなり、
   前記半導体層は、III族窒化物半導体からなる請求項４に記載の発光素子。
6. 前記各凸部の周期は、前記活性層の発光ピーク波長以下である請求項５に記載の発光素子。
7. 前記周期は、前記活性層の前記発光ピーク波長の１／３以下である請求項３または６に記載の発光素子。
8. 前記半導体層は、前記透光性基板上に成長されるバッファ層を含む請求項３、６または７に記載の発光素子。
9. ｃ面である平坦部と、前記平坦部に周期的に形成された複数の錐状の凹部と、を有する発光素子用サファイア基板。
10. 周期的に形成された複数の錐台状の凸部と、当該凸部の台部分をなすｃ面である平坦部と、を有する発光素子用サファイア基板。
11. 請求項９または１０に記載の発光素子用サファイア基板の製造方法であって、
    発光素子用サファイア基板の平坦部上に第１マスク層を形成する工程と、
    前記平坦部上の前記第１マスク層上に第２マスク層を電子線照射を利用してパターンニングする工程と、
    前記第２マスク層をマスクとして前記第１マスク層をエッチングによりパターンニングする工程と、
    前記第２マスク層を除去する工程と、
    前記第１マスク層をマスクとして前記平坦部をエッチングする工程と、を含む発光素子用サファイア基板の製造方法。
12. 前記第１マスク層は、ＳｉＯ_２からなり、
    前記第２マスク層は、Ｎｉからなる請求項１１に記載の発光素子用サファイア基板の製造方法。
13. 記第２マスク層をマスクとした前記第１マスク層のエッチングを、フッ素系エッチングガスを用いたドライエッチングにより行う請求項１２に記載の発光素子用サファイア基板の製造方法。

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