JP2019079994A - テンプレート基板およびその製造方法、発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の凸部近傍に異常成長領域が発生するのを抑制すること。
【解決手段】テンプレート基板は、基板１０と、三次元成長層１１と、埋め込み層１２と、アンドープ層１３と、ｎ型層１４と、によって構成されている。基板１０表面は、凹凸形状を有している。凹凸形状は、凸部１５が正三角格子状に周期的に配列されたパターンである。凸部１５の曲面の形状は、その曲面全体の面積Ｓ₀ に対し、凸部１５の曲面のうち基板１０主面に対する傾斜角度θが３０〜５０°の範囲である曲面領域Ａの面積Ｓが３０％以下となるような形状である。また、凸部１５は、接触角θ₀ が６０°以上９０°以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外発光素子の作製に用いるテンプレート基板およびその製造方法に関するものである。また、そのテンプレート基板を用いた発光素子に関するものである。

III 族窒化物半導体からなる発光素子では、光取り出しの向上や結晶性向上のために、サファイア基板表面に凸部を周期的に配列したパターンの凹凸形状を設けている。

特許文献１には、凹凸形状を有したサファイア基板上にIII 族窒化物半導体からなる半導体層を積層させた発光素子が記載されている。凹凸形状は、凸部が規則的に配列されたパターンであり、凸部は曲面状であることが記載されている。

また、特許文献２には、発光素子用のテンプレート基板が記載されている。テンプレート基板は、凹凸形状を有したサファイア基板上に、スパッタにより形成されたＡｌＮからなるバッファ層を介して、ＡｌＧａＮからなる下地層が形成された構成である。また、凹凸形状は凸部が碁盤目状に配列されたパターンであり、凸部は半球状であることが記載されている。

特開２００５−１２９８９６号公報 特開２０１０−１６１３５４号公報

深紫外発光素子の場合、サファイア基板上にＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮを成長させる必要がある。サファイア基板として凹凸加工しない平坦な面のものを使用した場合、基板上にＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮを成長させるとクラックやヒロックを抑制することが困難であり、発光素子構造の形成が困難である。そのため、凹凸形状を有したサファイア基板を用い、クラックやヒロックの抑制を図る必要がある。

しかし、凹凸形状を有したサファイア基板上にＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮ層を形成すると、凸部の側面近傍に異常成長領域（通常の結晶とは異なる領域）が発生してしまうことがわかった。また、異常成長領域は発光層からの紫外線を吸収し、光取り出しを低下させてしまうことがわかった。

そこで本発明は、異常成長領域が抑制された紫外発光素子用のテンプレート基板を提供することである。また、そのテンプレート基板の製造方法を提供することである。また、そのテンプレート基板を用いた発光素子を提供することである。

本発明は、紫外発光素子用のテンプレート基板であって、表面に凸部が周期的に配列された凹凸形状を有する基板と、基板上に、凹凸形状に沿って膜状に設けられたIII 族窒化物半導体からなるバッファ層と、基板上であって凸部頂点近傍を除く領域に、バッファ層を介して設けられたＡｌＧａＮからなる三次元成長層と、三次元成長層上および凸部頂点近傍を覆うようにして設けられ、Ａｌ組成比が三次元成長層のＡｌ組成比以下であるＡｌＧａＮからなり、平坦な表面を有した埋め込み層と、を有し、凸部の形状は、基板の主面に対する接触角が６０°以上９０°以下であり、凸部表面全体の面積に対し、凸部表面のうち基板主面に対する傾斜角度が３０〜５０°の範囲である曲面領域の面積が３０％以下となるような形状である、ことを特徴とするテンプレート基板である。また、本発明はこのテンプレート基板を含む紫外発光の発光素子である。

三次元成長層のＡｌ組成比を１０％以上とする場合に本発明は好適である。三次元成長層のＡｌ組成比が１０％以上の場合、凸部近傍に異常成長領域が発生しやすくなるが、そのような場合であっても本発明によれば効果的に異常成長領域の発生を抑制することができる。

本発明は主面をｃ面とするサファイアからなる基板に好適である。また、凸部はレンズ状の形状が作製の容易さなどの点から好ましい。

また、本発明は、紫外発光素子用のテンプレート基板の製造方法であって、基板上に、凸部が周期的に配列された凹凸形状を形成する工程と、基板上に、凹凸形状に沿って膜状にIII 族窒化物半導体からなるバッファ層を形成する工程と、基板上であって凸部頂点近傍を除く領域に、バッファ層を介してＡｌＧａＮを三次元成長させて三次元成長層を形成する工程と、三次元成長層上および凸部頂点近傍を覆うようにして、Ａｌ組成比が三次元成長層のＡｌ組成比以下であるＡｌＧａＮを二次元成長させ、平坦な表面を有した埋め込み層を形成する工程と、を有し、凸部は、基板の主面に対する接触角が６０°以上９０°以下であり、凸部表面全体の面積に対し、凸部表面のうち基板主面に対する傾斜角度が３０〜５０°の範囲である曲面領域の面積が３０％以下となるような形状に形成する、ことを特徴とするテンプレート基板の製造方法である。

本発明によれば、基板の凸部近傍に異常成長領域が発生するのを抑制することができ、紫外線の吸収を抑制することができる。

実施例１のテンプレート基板の構成を示した図。 凸部１５の平面パターンを示した図。 凸部１５を拡大して示した図。 実施例１のテンプレート基板の製造工程を示した図。 基板の凸部を撮影したＳＥＭ画像。 異常成長領域の発生箇所を模式的に示した図。 凸部近傍のＡｌ組成比を測定した結果を示したグラフ。 実施例２の発光素子の構成について示した図。 発光スペクトルを示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のテンプレート基板の構成を示した図である。実施例１のテンプレート基板は、図１のように、基板１０と、三次元成長層１１と、埋め込み層１２と、アンドープ層１３と、ｎ型層１４と、によって構成されている。実施例１のテンプレート基板は、そのテンプレート基板上に半導体層を積層させて発光素子を形成するためのものであり、紫外発光素子（たとえば波長２５０〜３８０ｎｍ）用のものである。

基板１０は、サファイアからなり、主面はｃ面である。基板１０表面は、凹凸形状を有している。この凹凸形状によって光取り出しの向上を図るとともに、その上に積層される半導体層（三次元成長層１１、埋め込み層１２、アンドープ層１３、およびｎ型層１４）にクラックやヒロックが発生するのを抑制し、結晶性の向上を図っている。

凹凸形状は、図２に示すように、凸部１５が正三角格子状に周期的に配列されたパターンである。また、凸部１５は、図１に示すように、曲面状に突出したレンズ状である。ここでレンズ状とは、曲率一定の球面である場合だけでなく、非球面の曲面も含むものとする。

図３は、凸部１５を拡大して示した図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は平面図である。凸部１５の曲面の形状は、その曲面全体の面積Ｓ₀ に対し、凸部１５の曲面のうち基板１０主面に対する傾斜角度θが３０〜５０°の範囲である曲面領域Ａの面積Ｓが３０％以下となるような形状、つまりＳ／Ｓ₀ ≦０．３である。このような形状とすることで、凸部１５の曲面上にバッファ層１６を介して成長する結晶に異常成長領域が発生するのを抑制することができる。図３（ｂ）のように、凸部１５はレンズ状で平面視で円であるから、曲面領域Ａは、平面視で同心円のリング状となる。

Ｓ／Ｓ₀ ≦０．３とすることで異常成長領域の発生を抑制できる理由は、傾斜角度θ３０〜５０°の範囲である曲面領域Ａのサファイア結晶の面方位が、ＡｌＧａＮ結晶に異常成長を発生させやすい面方位となっているためと推察される。Ｓ／Ｓ₀ ≦０．３とすれば、このような結晶面の面積も十分に低減されるため、異常成長領域も低減されたと考えられる。

より望ましくは、Ｓ／Ｓ₀ ≦０．２、さらに望ましくはＳ／Ｓ₀ ≦０．１である。最も望ましいのはＳ／Ｓ₀ ＝０（つまりＳ＝０）とすることであるが、そのような形状は実際の作製上困難である。そのため、０．０１≦Ｓ／Ｓ₀ とすることが望ましく、より望ましくは０．０５≦Ｓ／Ｓ₀ である。

凸部１５は、接触角θ₀ （基板１０表面の平坦面と凸部１５の曲面との接点における平坦面に対する曲面の成す角）が６０°以上９０°以下である。接触角θ₀ が６０°未満では、凸部１５の高さＨが低くなり、十分に光取り出しを向上させることが難しくなる。また、基板１０上にＡｌＧａＮを三次元成長させることが難しくなり、結晶性を十分に向上させることが難しくなる。接触角θ₀ が９０°より大きいと、埋め込みが難しくなり、ボイドを発生させてしまう可能性があり、また作製も容易でない。そのため望ましくない。より望ましくは６０〜７５°である。

凸部１５の高さＨは、０．３〜１．０μｍとすることが好ましい。この範囲とすることで、光取り出しや結晶性を向上させる効果をより高めることができる。また、１．０μｍよりも高いと基板１０の凹凸形状を埋め込んで平坦化させるのに時間がかかる。また、凸部１５の高さＨが大きくなると、異常成長領域も厚くなる傾向にある。これらの点から高さＨは１．０μｍ以下とすることが望ましい。より望ましくは０．４〜０．８μｍである。

凸部１５の配列周期Ｌは、凸部１５の配列周期Ｌ（隣接する凸部１５の中心間の距離）は、発光波長λの０．７５〜１．２５倍とすることが望ましい。この範囲とすることで、光取り出しをより向上させることができ、軸上強度をより向上させることができる。より望ましくは０．８〜１．２倍であり、さらに望ましくは０．９〜１．１倍である。

凸部１５の直径Ｒは、配列周期Ｌの０．２５〜０．７５倍とすることが望ましい。ここで直径Ｒは、凸部１５の下面の直径である。凸部１５が平面視で円でない場合には下面の外接円の直径とする。直径Ｒをこの範囲とすることで、光取り出しをより向上させることができ、軸上強度をより向上させることができる。より望ましくは０．３〜０．７倍であり、さらに望ましくは０．４〜０．６倍である。

なお、実施例１では凸部１５の表面形状を曲面のみで構成されたレンズ状としているが、凸部１５の曲面全体の面積Ｓ₀ に対し、基板主面に対する傾斜角度θが３０〜５０°の範囲である曲面の面積Ｓが３０％以下となるような形状であればレンズ状に限らず、曲面と平面の混合であったり、平面のみで構成された形状、たとえば角錐台や円錐台であってもよい。ただし、作製の容易さからレンズ状とすることが好ましい。

また、凸部１５の配列パターンを正三角格子状としているが、正方格子状、ハニカム状など任意の周期的なパターンとしてよい。ただし、埋め込み層１２による凹凸の埋め込みを良好とし、結晶品質を等方的とするために正三角格子状とすることが好ましい。

また、基板１０の主面はｃ面に限らず、ａ面、ｍ面などであってもよいが、ｃ面とすることが好ましい。また、基板１０の材料はサファイアに限らず、III 族窒化物半導体を結晶成長可能であって紫外線を透過する材料であればよく、ＭｇＯ₂ 、Ｇａ₂ Ｏ₃ 、ＡｌＮ、スピネル（ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ ）などを用いてよい。

（バッファ層１６の構成）
バッファ層１６は、基板１０上に凹凸形状に沿って膜状に形成されている。バッファ層１６はスパッタ法により形成されたＡｌＮからなり、その厚さは１５〜３０ｎｍである。ＡｌＮに替えて、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどIII 族窒化物半導体であればよい。ただし、Ａｌ組成比が大きいほど三次元成長層１１の結晶性を向上できるため、Ａｌ組成比はなるべく大きいことが望ましく、より望ましくはＡｌ組成比を５０％以上とし、実施例１のようにＡｌＮとすることが最も望ましい。

（三次元成長層１１の構成）
三次元成長層１１は、アンドープのＡｌＧａＮからなる。Ａｌ組成比は１２％である。図１のように、凸部１５間の平坦面１０ａ上、およびその平坦面１０ａ近傍の凸部１５上にバッファ層１６を介して形成されていて、凸部１５の頂点近傍には形成されていない。三次元成長層１１は、縦方向成長が優位な条件で成長させた層であり、縦方向成長によって転位の少ない高品質な結晶としている。

なお、三次元成長層１１のＡｌ組成比は、２％以上であれば任意である。ただし、Ａｌ組成比が高いほど短波長側の透過率を高めることができるので、発光波長の選択幅を広げ、より汎用な紫外発光素子用のテンプレート基板とするために、Ａｌ組成比は１０％以上とすることが好ましい。また、Ａｌ組成比が高いほど、凸部１５近傍の領域に異常成長領域が発生しやすくなるが、実施例１のように凸部１５の曲面形状をＳ／Ｓ₀ ≦０．３とすれば、１０％以上の高いＡｌ組成比の場合であっても効果的に異常成長領域の発生を抑制することができる。より好ましくは１０〜１５％、さらに好ましくは１０〜１３％である。また、三次元成長層１１には三次元成長を促進させるための不純物がドープされていてもよい。

また、三次元成長層１１の厚さ（凸部１５間の平坦面から三次元成長層１１表面までの厚さ）は、凸部１５の高さＨの１〜１．５倍とするのがよい。この範囲であれば転位の集中を抑制して結晶性を向上する効果が十分に得られる。より望ましくは１．２〜１．３倍である。

（埋め込み層１２の構成）
埋め込み層１２は、アンドープのＡｌＧａＮからなる。Ａｌ組成比は１０％である。埋め込み層１２は、横方向成長によって凹凸を埋め込んで、表面を平坦化させるための層である。埋め込み層１２は三次元成長層１１上、および凸部１５頂点近傍に連続的に覆うようにして設けられており、その表面は平坦となっている。

埋め込み層１２の厚さ（三次元成長層１１表面から埋め込み層１２表面までの厚さ）は、凹凸形状を埋め込んで表面が平坦となる厚さであれば任意の厚さでよいが、０．５〜３μｍとすることが好ましい。０．５μｍよりも薄いと、凹凸の埋め込みが不十分で埋め込み層１２表面が平坦とならない場合がある。

また、埋め込み層１２のＡｌ組成比は、三次元成長層１１と同一のＡｌ組成比としてもよいが、実施例１のように三次元成長層１１よりもＡｌ組成比を低くすることが好ましい。Ａｌ組成比を低くすることで横方向成長（二次元成長）が促進され、基板１０表面の凹凸形状の埋め込みがより容易となる。この場合、埋め込み層１２のＡｌ組成比は、三次元成長層１１よりも１〜５％低くすることが好ましい。また、埋め込み層１２に二次元成長を促進させるための不純物がドープされていてもよい。

（アンドープ層１３の構成）
アンドープ層１３は、厚さ０．１〜３μｍのアンドープＡｌＧａＮからなり、Ａｌ組成比は１０〜１５％である。このアンドープ層１３を設けることによって、転位を減少させて結晶品質の向上を図るとともに、基板１０との格子定数差による応力の緩和を図っている。アンドープ層１３は、埋め込み層１２のＡｌ組成比からｎ型層１４のＡｌ組成比まで連続的または段階的にＡｌ組成比を変化させた層としてもよい。

（ｎ型層１４の構成）
ｎ型層１４は、Ｓｉドープのｎ−ＡｌＧａＮからなり、厚さ０．１〜３μｍである。ｎ型層１４のＡｌ組成比は、アンドープ層１３のＡｌ組成比以上であれば任意であり、たとえば５〜５０％である。ｎ型不純物はＳｉであり、Ｓｉ濃度は１×１０¹⁸〜１×１０²⁰／ｃｍ³ である。

ｎ型層１４は複数の層で構成してもよく、その場合、III 族窒化物半導体からなる発光素子のｎ型層１４の構成として従来知られている種々の構成を採用することができる。また、ｎ型層１４において、厚さ方向にＳｉ濃度を一定とするのではなく、連続的ないし段階的に変化させてもよい。たとえば、ｎ型層１４のうちｎ電極を設ける予定の領域のＳｉ濃度を高くし、他の領域はＳｉ濃度をそれよりも低くしてもよい。また、Ａｌ組成比についても、厚さ方向において段階的、または連続的に変化させてもよい。ただし、結晶の転位を軽減して結晶品質を向上させるためにはＡｌ組成比は厚さ方向に一様とすることが望ましい。また、ｎ型を示す範囲内であれば、Ｓｉに加えてＭｇなど他の不純物をコドープし、透過率などの特性を調整してもよい。

なお、実施例１のテンプレート基板では、アンドープ層１３とｎ型層１４の積層構造を設けているが、ｎ型層１４を省略してもよいし、アンドープ層１３とｎ型層１４の双方を省略してもよい。また、アンドープ層１３を設けずに埋め込み層１２上にｎ型層１４を設けてもよい。

以上、実施例１のテンプレート基板では、凸部１５の接触角θ₀ を６０°以上９０°以下とし、凸部１５の曲面の形状は、その曲面全体の面積Ｓ₀ に対し、基板主面に対する傾斜角度θが３０〜５０°の範囲である曲面領域Ａの面積Ｓが３０％以下となるような形状としている。そのため三次元成長層１１を成長させる際に凸部１５近傍に異常成長領域が発生してしまうのを抑制することができる。そのため、このテンプレート基板を利用して紫外発光素子を作製した場合、紫外発光素子から放射される紫外線が異常成長領域に起因して吸収されてしまうのを抑制することができ、光取り出しを向上させることができる。

特に、実施例１のテンプレート基板は、基板１０上にバッファ層１６を介して積層される三次元成長層１１のＡｌ組成比を１０％以上とする場合に好適である。Ａｌ組成比を高くすると異常成長領域が発生しやすくなるが、実施例１のテンプレート基板によれば、Ａｌ組成比を１０％以上とした場合でも効果的に異常成長領域の発生を抑制することができる。

次に、実施例１のテンプレート基板の製造方法について、図４を参照に説明する。

まず、サファイアからなり、主面がｃ面の基板１０を用意する。その基板１０の表面にマスク１７を形成する（図４（ａ）参照）。マスク１７はフォトリソグラフィやナノインプリントによって形成する。マスク１７の平面パターンは、凸部１５の平面パターンと同一であり、直径Ｒの円が周期Ｌで正三角格子状に配列されたパターンである。

次に、基板１０表面をドライエッチングする。エッチングガスは塩素系ガスを用いる。塩素系ガスは、たとえばＣｌ₂ 、ＢＣｌ₃ 、ＳｉＣｌ₄ などである。ここで、ドライエッチングはマスク１７が全て除去されて以後も引き続き行う。マスク１７がすべて除去された直後は凸部１５は釣鐘状となるが、ドライエッチングをさらに続けることで凸部１５は球面状に近づいていく。よって、凸部１５の曲面形状は、マスク１７が除去された後のドライエッチング時間によって調整することができる。そして、このドライエッチング時間の調整により、凸部１５の曲面形状が、その曲面全体の面積Ｓ₀ に対し、基板主面に対する傾斜角度θが３０〜５０°の範囲である曲面領域Ａの面積Ｓが３０％以下となるようなレンズ形状となるようにする（図４（ｂ）参照）。

次に、スパッタ法によってＡｌＮからなる厚さ１５〜３０ｎｍのバッファ層１６を形成する。基板温度は３００〜６００℃とし、圧力は１〜４Ｐａとする。バッファ層１６は、基板１０の凹凸に沿って膜状に形成される（図４（ｃ）参照）。スパッタの方式は、マグネトロンスパッタ、ＤＣスパッタ、ＲＦスパッタ、イオンビームスパッタ、ＥＣＲスパッタなどの各種方式を用いることができる。また、スパッタ意外にもＭＯＣＶＤ法やＰＰＤ（パルスプラズマ拡散）を用いてもよい。ただし、基板１０上にバッファ層１６を介して転位の少ない高品質なＡｌＧａＮを成長させるためには、スパッタ法によって形成することが望ましい。

次に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、アンドープのＡｌＧａＮからなる三次元成長層１１を形成する。ＭＯＣＶＤ法では、たとえば、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｎ源としてアンモニアを用い、キャリアガスとして水素を用いる。もちろん、これら以外の従来知られている任意の原料ガス、キャリアガスを用いてよい。圧力は０．０５〜０．５ａｔｍ、成長温度は９５０〜１０８０℃である。三次元成長層１１は、基板１０上のうち、凸部１５間の平坦面上、および凸部１５曲面上のうち頂点近傍を除く領域に形成する（図４（ｄ）参照）。このような低温で成長させることにより、縦方向成長が支配的となり、転位の少ない結晶を成長させることができる。

次に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、三次元成長層１１上に、アンドープのＡｌＧａＮからなる埋め込み層１２を形成する。圧力は０．０５〜０．５ａｔｍ、成長温度は１１００〜１２００℃である。三次元成長層１１よりも高温で成長させることで横方向成長が支配的となる。これにより、三次元成長層１１上に埋め込み層１２を成長させるとともに、三次元成長層１１から横方向に埋め込み層１２を成長させ、凸部１５の頂点近傍も覆うようにする。この結果、三次元成長層１１から凸部１５頂点近傍にかけて連続的に埋め込み層１２が形成される。そして、埋め込み層１２が成長するにつれて凹部は埋め込まれていき、埋め込み層１２の表面は平坦となる（図４（ｅ）参照）。

次に、減圧ＭＯＣＶＤ法によって、埋め込み層１２上にアンドープのＡｌＧａＮからなるアンドープ層１３、ｎ型層１４を順に形成する。圧力は０．０５〜０．５ａｔｍ、成長温度は１１００〜１２００℃である。ｎ型ドーパントガスにはシランを用いる。以上の工程によって図１に示すテンプレート基板を製造する。

図５（ａ）は、実施例１のテンプレート基板において、凸部１５近傍を撮影したＳＥＭ像である。また、図５（ｂ）は比較例１のテンプレート基板において、同様に凸部近傍を撮影したＳＥＭ画像である。比較例１は、凸部の形状をコーン状とした以外は実施例１と同様である。

図５（ｂ）のように、比較例１では、凸部の近傍に通常の結晶とは異なる領域（異常成長領域）が見られることがわかる。図６（ｂ）のように、頂点近傍から平面までの間の凸部曲面の領域を、頂点近傍に近い順に斜面１〜３の３つの領域に等分すると、異常成長領域は斜面１、２の領域上に見られることがわかる。また、異常成長領域の上部に空隙が発生しており、結晶性に問題があることがわかる。

一方、図５（ａ）、図６（ａ）のように、実施例１の場合は、異常成長領域は凸部１５近傍の曲面のうち斜面２上に少し見られるのみであり、比較例１に比べて異常成長領域の範囲が大幅に縮小していることがわかる。

また、異常成長領域が見られる領域と凸部曲面の傾斜角度の関係を調べたところ、異常成長領域は傾斜角度が３０〜５０°の範囲に多く見られ、傾斜角度３０°未満や５０°を超えると異常成長領域はほとんど見られなかった。比較例１では、凸部の形状をコーン状としており、傾斜角度が３０〜５０°の領域が実施例１に比べて広い。そのため、比較例１の方が実施例１に比べて異常成長領域の発生範囲が広くなったと推察される。実施例１は比較例１に比べて異常成長領域が発生している位置が低く、異常成長領域の厚さは薄いが、比較例１はコーン状であるため高い位置まで異常成長領域が発生しており、その高い位置ほど異常成長領域が厚かった。このように、基板１０の平坦面からの位置が高いほど、異常成長領域が厚くなる傾向が見られた。

図７は、凸部近傍のＡｌＧａＮのＡｌ組成比を測定した結果を示したグラフである。図７のように、凸部の頂点付近や平坦部では、実施例１と比較例１とでＡｌ組成比はほぼ同一であったが、斜面１〜３ではＡｌ組成比に違いが見られた。

比較例１では斜面１、２に異常成長領域が見られるが、斜面１と斜面２ではＡｌ組成比がおよそ１０％異なっており、斜面１ではおよそ１４％、斜面２ではおよそ４％のＡｌ組成比であった。このように、広範に異常成長領域が発生することでＡｌ組成比の濃淡が形成されていることがわかる。比較例１のテンプレート基板について透過率を測定したところ、吸収端は３７０ｎｍ以上であり、紫外線を吸収することがわかった。Ａｌ組成比の濃淡の差が大きく、一部にＡｌ組成比の低い領域が生じてしまうことが、紫外線を吸収する要因となっていると考えられる。

一方、実施例１では、異常成長領域が発生した斜面２にのみＡｌ組成比の高い領域が見られたが、斜面２におけるＡｌ組成比は１２％程度で比較例１におけるＡｌ組成比のピークよりも低く、他の領域はＡｌ組成比のばらつきは少なかった。実施例１のテンプレート基板について透過率を測定したところ、吸収端は３６５ｎｍ以下にあり、比較例１に比べて紫外線の吸収が抑制されていることがわかった。実施例１は、比較例１に比べてＡｌ組成比のばらつきが少ないため、比較例１に比べて紫外線の吸収が抑制されていると考えられる。

図８は、実施例２の発光素子の構成を示した図である。実施例２の発光素子は、フリップチップ型の素子であり、実施例１のテンプレート基板を利用して作製したものである。実施例２の発光素子は、実施例１のテンプレート基板上（ｎ型層１４上）に、発光素子構造が積層されている。具体的には、ｎ型層１４上に、発光層２０、電子ブロック層２１、ｐコンタクト層２２が順に積層されている。また、ｐコンタクト層２２側からｎ型層１４に達する溝が形成されており、その溝の底面に露出するｎ型層１４上にｎ電極２３が設けられている。また、ｐコンタクト層２２上に透明電極２４が設けられ、透明電極２４上にｐ電極２５が設けられている。

発光層２０は、ｎ型層１４上に設けられている。発光層２０は、井戸層と障壁層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。繰り返し回数はたとえば２〜５回である。井戸層の材料は、発光波長に応じて選択される。遠紫外発光の場合にはＡｌＧａＮが用いられ、近紫外発光の場合（波長３６５ｎｍ以上の場合）にはＧａＮやＩｎＧａＮが用いられる。井戸層のＡｌ組成比やＩｎ組成比は、発光素子の発光波長に応じて設計される。障壁層はＡｌＧａＮからなり、井戸層よりもＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮからなる。井戸層の厚さは１分子層〜１５ｎｍ、障壁層の厚さは２〜１５ｎｍである。井戸層や障壁層にはＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。なお、発光層２０はＳＱＷ（単一量子井戸構造）としてもよい。

電子ブロック層２１は、発光層２０上に設けられている。電子ブロック層２１は、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮからなる。Ｍｇ濃度は１×１０¹⁹〜１×２０²¹／ｃｍ³ 、Ａｌ組成比は３０〜５０％、厚さは１〜５０ｎｍである。電子ブロック層２１を設けることで電子がｐコンタクト層２２側に拡散して発光効率を低下させてしまうことを抑制している。この抑制効果をより高めるために、電子ブロック層２１のＡｌ組成比を発光層２０の障壁層のＡｌ組成比よりも１０％以上高くすることが好ましい。

ｐコンタクト層２２は、電子ブロック層２１上に設けられている。ｐコンタクト層２２は、電子ブロック層２１側から順に、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮからなる第１層、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮからなる第２層の積層である。第１層は厚さ２０〜１００ｎｍ、Ｍｇ濃度は１×１０¹⁹〜１×２０²⁰／ｃｍ³ 、第２層は厚さ２〜１０ｎｍ、Ｍｇ濃度は１×１０²⁰〜１×２０²²／ｃｍ³ である。第１層のＡｌ組成比は、電子ブロック層のＡｌ組成比よりも低く、かつｎ型層１４のＡｌ組成比よりも高くすることが望ましく、たとえば１０〜２０％である。

透明電極２４は、ｐコンタクト層上にほぼ全面にわたって設けられている。透明電極２４は、ＩＺＯ（亜鉛ドープの酸化インジウム）からなる。ＩＺＯ以外にも、ＩＴＯ、ＩＣＯ（セリウムドープの酸化インジウム）など、発光素子の発光波長に対して透明な導電性材料であれば任意の材料を用いることができる。

ｐ電極２５は、透明電極２４上に設けられている。ｐ電極２５の材料は、たとえば、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、などである。ｎ電極２３は、溝の底面に露出するｎ型層１４上に設けられている。ｎ電極２３の材料は、たとえば、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、などである。

なお、ｎ型層１４上に構成される発光素子構造は、上記に限らず、紫外発光素子の素子構造として従来知られている任意の構造を採用することができる。

以上、実施例２の発光素子では、素子作製に実施例１のテンプレート基板を用いており、このテンプレート基板は異常成長領域が低減されている。そのため、異常成長領域の存在に起因する紫外線の吸収が低減されている。たとえば、基板１０裏面側から測定した発光スペクトルとｐ電極２５側から測定した発光スペクトルとで、半値幅の差を２％以下、ピーク強度の差を２５％以下に抑えることができ、紫外線の吸収を十分に低減することができる。ここで、半値全幅の差が２％以下とは、基板１０裏面側から測定した発光スペクトルの半値幅をΔλ１、ｐ電極２５側から測定した発光スペクトルの半値幅をΔλ２として、０．９８×Δλ１≦Δλ２≦１．０２×Δλ１を満たすことである。また、ピーク強度の差が２５％以下とは、基板１０裏面側から測定した発光スペクトルのピーク強度をＰ１、ｐ電極２５側から測定した発光スペクトルのピーク強度をＰ２として、０．７５×Ｐ１≦Ｐ２≦１．２５Ｐ１を満たすことである。このように紫外線の吸収が抑制されるため、発光素子から放射される紫外線の光取り出しが向上している。

また、テンプレート基板中の基板１０が紫外線を吸収しないサファイアであるため、レーザーリフトオフなどによって基板１０を除去する必要がない。基板１０除去工程を省くことができるため、製造コストを低減することができる。また、基板１０を残すことにより、発光素子の物理的な強度を向上させることができる。これは、発光素子をガラスにより封止する際に特に有効である。

図９は、実施例２の発光素子の発光スペクトルを示したグラフである。比較のため、比較例１のテンプレート基板上に実施例２と同様の発光素子構造を設けた発光素子（比較例２）、および実施例２の発光素子からレーザーリフトオフによって基板１０を除去した発光素子（比較例３）についても発光スペクトルを示す。

図９のように、実施例２と比較例３とでは、発光スペクトル形状はほぼ同一であることがわかる。このことから、実施例２の発光素子では、異常成長領域の発生による紫外線の吸収が十分に抑制されていることがわかる。一方、比較例２の発光スペクトルを見ると、ピークよりも短波長側において実施例２や比較例３よりも強度が低下しており、異常成長領域による紫外線吸収が見られることがわかる。

本発明のテンプレート基板は、紫外発光素子の作製に利用することができる。

１０：基板
１１：三次元成長層
１２：埋め込み層
１３：アンドープ層
１４：ｎ型層
１５：凸部
１６：バッファ層
２０：発光層
２１：電子ブロック層
２２：ｐコンタクト層
２３：ｎ電極
２４：透明電極
２５：ｐ電極

Claims (6)

1. 紫外発光素子用のテンプレート基板であって、
   表面に凸部が周期的に配列された凹凸形状を有する基板と、
   前記基板上に、前記凹凸形状に沿って膜状に設けられたIII 族窒化物半導体からなるバッファ層と、
   前記基板上であって前記凸部頂点近傍を除く領域に、前記バッファ層を介して設けられたＡｌＧａＮからなる三次元成長層と、
   前記三次元成長層上および前記凸部頂点近傍を覆うようにして設けられ、Ａｌ組成比が前記三次元成長層のＡｌ組成比以下であるＡｌＧａＮからなり、平坦な表面を有した埋め込み層と、
   を有し、
   前記凸部の形状は、前記基板の主面に対する接触角が６０°以上９０°以下であり、前記凸部表面全体の面積に対し、前記凸部表面のうち基板主面に対する傾斜角度が３０〜５０°の範囲である曲面領域の面積が３０％以下となるような形状である、
   ことを特徴とするテンプレート基板。
2. 前記三次元成長層のＡｌ組成比は１０％以上である、ことを特徴とする請求項１に記載のテンプレート基板。
3. 前記基板は、主面をｃ面とするサファイアからなる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のテンプレート基板。
4. 前記凸部はレンズ状である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のテンプレート基板。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のテンプレート基板を含む紫外発光の発光素子。
6. 紫外発光素子用のテンプレート基板の製造方法であって、
   基板上に、凸部が周期的に配列された凹凸形状を形成する工程と、
   前記基板上に、前記凹凸形状に沿って膜状にIII 族窒化物半導体からなるバッファ層を形成する工程と、
   前記基板上であって前記凸部頂点近傍を除く領域に、前記バッファ層を介してＡｌＧａＮを三次元成長させて三次元成長層を形成する工程と、
   前記三次元成長層上および前記凸部頂点近傍を覆うようにして、Ａｌ組成比が前記三次元成長層のＡｌ組成比以下であるＡｌＧａＮを二次元成長させ、平坦な表面を有した埋め込み層を形成する工程と、
   を有し、
   前記凸部は、前記基板の主面に対する接触角が６０°以上９０°以下であり、前記凸部表面全体の面積に対し、前記凸部表面のうち基板主面に対する傾斜角度が３０〜５０°の範囲である曲面領域の面積が３０％以下となるような形状に形成する、
   ことを特徴とするテンプレート基板の製造方法。