半導体発光素子及びその製造方法
【課題】 凹凸を有する基板上に形成する膜の表面が平坦になるまでの成長時間を短縮することが可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 コランダム構造のｃ面基板の表面に複数の凸部が形成されている。この表面に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、基板表面よりも平坦な下地膜が配置されている。下地膜の上に、Ｇａ及びＮを含む発光構造が配置されている。下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の方向を第１方向とし、それと直交する方向を第２方向とする。凸部は、第１方向及び第２方向に規則的に配列している。凸部の各々は、ｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の第１の辺と、ａ軸方向とのなす角度が１５°未満の第２の辺とを有する。第１方向に隣り合う２つの凸部の相互に対向する第１の辺は平行であり、第２方向に隣り合う２つの凸部の相互に対向する第２の辺は平行である。対向する第２の辺のｍ軸方向の間隔は、対向する第１の辺のａ軸方向の間隔よりも広い。
【解決手段】 コランダム構造のｃ面基板の表面に複数の凸部が形成されている。この表面に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、基板表面よりも平坦な下地膜が配置されている。下地膜の上に、Ｇａ及びＮを含む発光構造が配置されている。下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の方向を第１方向とし、それと直交する方向を第２方向とする。凸部は、第１方向及び第２方向に規則的に配列している。凸部の各々は、ｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の第１の辺と、ａ軸方向とのなす角度が１５°未満の第２の辺とを有する。第１方向に隣り合う２つの凸部の相互に対向する第１の辺は平行であり、第２方向に隣り合う２つの凸部の相互に対向する第２の辺は平行である。対向する第２の辺のｍ軸方向の間隔は、対向する第１の辺のａ軸方向の間隔よりも広い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｇａ及びＮを発光層に含む半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイア基板の表面に凹凸を付して、その上に半導体発光層を形成する技術が提案されている（特許文献１）。この凹凸は、半導体発光層に結晶欠陥を生じさせない形状にされている。発光層で発生した光が、凹凸で散乱または回折されることにより、外部量子効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１８４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
凹凸が付されたサファイア基板の上にＧａＮ層を成長させると、凸部の上面から成長した膜と、凹部の底面から成長した膜とが融合することにより、平坦な表面を有する膜が得られる。平坦な表面を得るためには、凸部の上面から成長した膜と、凹部の底面から成長した膜とが融合し、平坦な状態になるまでＧａＮ層を成長させなければならない。成長時間が十分でない場合には、ＧａＮ層の表面に凹凸が残ってしまう。
【０００５】
本発明の目的は、凹凸を有する基板上に形成する膜の表面が平坦になるまでの成長時間を短縮することが可能な半導体発光素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、
ｃ軸が厚さ方向を向くコランダム構造の結晶構造を持ち、表面に複数の凸部が形成された基板と、
前記基板の前記凸部が形成された表面の上に配置され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、表面が前記基板の表面よりも平坦である下地膜と、
前記下地膜の上に形成され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造と
を有し、
前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する方向を第２の方向としたとき、
前記凸部は、前記第１の方向、及び第２の方向に規則的に配列しており、前記凸部の各々の平面形状は、四角形の４つの辺に整合する縁を持ち、該四角形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記第１の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第１の辺は相互に平行であり、前記第２の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第２の辺は相互に平行であり、相互に対向する前記第２の辺の前記ｍ軸方向の間隔は、相互に対向する前記第１の辺の前記ａ軸方向の間隔よりも広い半導体発光素子が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によると、
ｃ軸が厚さ方向を向くコランダム構造の結晶構造を持つ基板の表層部を部分的にエッチングすることにより、前記表面をに複数の凸部を形成する工程と、
前記基板の前記凸部が形成された表面の上に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる下地膜を形成する工程と、
前記下地膜の上に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造を形成する工程と
を有し、
前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する方向を第２の方向としたとき、
前記凸部は、前記第１の方向、及び第２の方向に規則的に配列しており、前記凸部の各々の平面形状は、四角形の４つの辺に整合する縁を持ち、該四角形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記第１の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第１の辺は相互に平行であり、前記第２の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第２の辺は相互に平行であり、相互に対向する前記第２の辺の前記ｍ軸方向の間隔は、相互に対向する前記第１の辺の前記ａ軸方向の間隔よりも広い半導体発光素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
下地膜の上面が平坦になるまでの成長時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（１Ａ）は、評価実験の対象となる試料の断面図であり、（１Ｂ）〜（１Ｈ）は、各試料の凹凸パターンの平面図である。
【図２】（２Ａ）は、評価実験の対象となる試料の正規化外部量子効率の測定結果を示すグラフであり、（２Ｂ）は、試料の断面図である。
【図３】評価実験の対象となる試料のＧａＮ層のピット数の測定結果を示すグラフである。
【図４】（４Ａ）は、実施例１による半導体発光素子の基板の断面図であり、（４Ｂ）は、基板の平面図であり、（４Ｃ）は、基板の斜視図である。
【図５】実施例１による半導体発光素子のｎ型半導体層形成工程までの製造途中段階の素子の断面図である。
【図６】（６Ａ）〜（６Ｃ）は、実施例１による半導体発光素子の製造途中段階の素子の断面図であり、（６Ｄ）は、半導体発光素子の断面図である。
【図７】比較例による方法でＧａＮ層を形成する場合の基板及びＧａＮ層の断面図である。
【図８】（８Ａ）及び（８Ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例１及び変形例２による半導体発光素子の基板の平面図である。
【図９】（９Ａ）及び（９Ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例３及び変形例４による半導体発光素子の基板の平面図である。
【図１０】（１０Ａ）は、実施例２による半導体発光素子の基板の断面図であり、（１０Ｂ）は、基板の平面図であり、（１０Ｃ）は、基板の斜視図である。
【図１１】（１１Ａ）及び（１１Ｂ）は、それぞれ実施例２及び比較例による半導体発光素子の下地層の成長の様子を説明するための平面図である。
【図１２】（１２Ａ）は、実施例３による半導体発光素子の基板の断面図であり、（１２Ｂ）は、基板の平面図である。
【図１３】実施例３による半導体発光素子の下地層形成工程までを示す製造途中段階の素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施例について説明する前に、本願発明者らが行った評価実験、及びその結果について説明する。
【００１１】
図１Ａに示すように、表面に複数の凸部１１が形成されたＣ面サファイア単結晶基板１０の上に、ＧａＮ層１２を、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）を用いて成長させることにより、複数の試料を作製した。基板１０を構成するサファイア単結晶はコランダム構造を有し、基板１０の厚さ方向が、サファイア単結晶のｃ軸に平行になる。サファイア単結晶基板１０のａ軸方向をｘ軸、ｍ軸方向をｙ軸、ｃ軸方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ＧａＮ膜１２のａ軸は、基板１０のａ軸から３０°回転した方位を向く。このため、ＧａＮ膜１２のａ軸及びｍ軸は、それぞれｙ軸及びｘ軸に平行になる。
【００１２】
図１Ｂ〜図１Ｈに、凸部１１の形状及び分布を示す。図１Ｂ及び図１Ｃに示した試料では、凸部１１の各々の平面形状が、一辺の長さが３μｍの正三角形であり、１つの辺がｘ軸に平行である。図１Ｄに示した試料では、凸部１１の各々の平面形状が、直径３μｍの円形である。図１Ｅ及び図１Ｆに示した試料では、凸部１１の平面形状が、一辺の長さが３μｍの正方形である。図１Ｅに示した試料の凸部１１の一辺は、ｙ軸に平行であり、図１Ｆに示した凸部１１の一辺は、ｘ軸に対して４５°傾いている。図１Ｇ及び図１Ｈに示した試料では、凸部１１の各々の平面形状が正六角形であり、その外接円の直径が３μｍである。図１Ｇに示した試料の凸部１１の１つの辺はｙ軸に平行であり、図１Ｈに示した試料の凸部１１の１つの辺はｘ軸に平行である。
【００１３】
図１Ｂに示した試料では、１つの格子線がｙ軸に平行な正三角格子の格子点の位置に、凸部１１が配置される。図１Ｃ、図１Ｄ、図１Ｇ、図１Ｈに示した試料では、１つの格子線がｘ軸に平行な正三角格子の格子点の位置に、凸部１１が配置される。図１Ｅに示した試料では、１つの格子線がｘ軸に平行な正方格子の格子点の位置に、凸部１１が配置される。図１Ｆに示した試料では、１つの格子線がｘ軸に対して４５°傾いている正方格子の格子点の位置に、凸部１１が配置される。いずれの試料においても、格子点の間隔は４．５μｍである。
【００１４】
図２Ａに、各試料のＧａＮ膜１２の上に形成した発光ダイオードの外部量子効率の測定結果を示す。図２Ｂに、作製した発光ダイオードの断面図を示す。ＧａＮ膜の上に、ｎ型ＧａＮ層１３、発光層１４、及びｐ型ＧａＮ層１５が積層されている。ｎ型ＧａＮ層１３の上面の一部に、ｎ側電極１７が形成され、ｐ型ＧａＮ層１５の上に、ｐ側電極１６が形成されている。
【００１５】
図２Ａの横軸は、図１Ｂ〜図１Ｈに示した試料に対応する。縦軸は、平坦なサファイア基板上に形成した発光ダイオードの外部量子効率を１として正規化した外部量子効率を表す。図２Ａの円形、正方形、三角形、及び菱形の記号は、それぞれ凸部１１の高さが１．０μｍ、１．４５μｍ、１．６６μｍ、及び２．０μｍの試料の上に形成した発光ダイオードの正規化外部量子効率を示す。
【００１６】
凸部１１の高さが２．０μｍ以外の試料では、平坦なサファイア基板上に形成した発光ダイオードよりも高い外部量子効率が得られていることがわかる。これは、サファイア基板１０の表面に形成された凹凸が、素子内への光の閉じ込めを抑制しているためである。特に、図１Ｅに示した試料の上に発光ダイオードを形成した素子の外部量子効率が、他の試料に比べて高いことがわかる。
【００１７】
図３に、各試料のＧａＮ層１２の表面を走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）で観察し、転位（ピット）を計数した結果を示す。縦軸は、５μｍ×５μｍの正方形の範囲内に検出されたピット数を表す。横軸は、各試料に対応する。試料「参照」は、平坦なサファイア基板上にＧａＮ層を成長させたものである。試料「１Ｂ」〜「１Ｈ」は、それぞれ図１Ｂ〜図１Ｈに示した凸部１１の形状及び配列を持つ試料に対応する。パターン寸法は、凸部１１の各々の寸法を示す。パターン寸法は、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｅ、図１Ｆの試料では、凸部１１の一辺の長さに相当し、図１Ｄの試料では、凸部１１の直径に相当し、図１Ｇ、図１Ｈの試料では、正六角形の外接円の直径に相当する。図３の周期は、凸部１１の配列に対応する格子模様の格子点の間隔に相当する。
【００１８】
図３に示した評価結果から、図１Ｅに示した試料のＧａＮ層１２のピット数が、他の試料のＧａＮ層１２のピット数に比べて少ないことがわかる。これは、結晶性の高いＧａＮ層が形成されていることを意味する。
【００１９】
図２Ａ及び図３に示した評価結果からわかるように、サファイア基板の表面に形成する凸部１１の平面形状を正方形にすることが好ましい。さらに、この正方形の１つの辺をｘ軸（サファイア基板のａ軸）に平行にすることが好ましい。
［実施例１］
次に、図４Ａ〜図６Ｄを参照して、実施例１による半導体発光素子ついて説明する。
【００２０】
図４Ａに、実施例１による半導体発光素子に用いられる基板２０の断面図を示す。基板２０には、Ｃ面サファイア単結晶基板が用いられる。サファイア単結晶は、コランダム構造を有する。基板２０のａ軸、ｍ軸、及びｃ軸方向を、それぞれｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。
【００２１】
基板２０の表面に、レジストパターンを形成し、基板２０の表層部を部分的にエッチングすることにより、凹凸パターンを形成する。凹凸パターンは、複数の凸部２１を含む。基板２０のエッチングには、例えばＢＣｌ３、Ｃｌ２、及びＡｒの誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を適用することができる。基板２０をエッチングした後、レジストパターンを除去する。エッチングの深さは１μｍとする。このため、凸部２１の高さが１μｍになる。レジストパターンに代えて、ＳｉＯ２や金属等のハードマスクを用いてもよい。
【００２２】
図４Ｂに、表面をエッチングした基板２０の平面図を示す。凸部２１が、ｘ方向及びｙ方向に周期的に配列している。凸部２１の各々の平面形状は、例えば一辺の長さがＷの正方形である。なお、平面形状は、四角形であることが好ましく、例えば長方形にしてもよい。実施例１においては、一辺の長さＷを３μｍとした。ｙ方向に並ぶ２つの凸部２１の間隔Ｇ１は６μｍであり、ｘ方向に並ぶ２つの凸部２１の間隔Ｇ２は２μｍである。
【００２３】
図４Ｃに、基板２０の表面に形成された凹凸パターンの斜視図を示す。凸部２１の各々は、正方形の上面と、上面の４つの縁に連続する４つの側面（段差面）を含む。４つの段差面は、ｘｙ面に対して傾斜している。傾斜角（段差面とｘｙ面とのなす角度）は、基板２０のエッチング条件に依存し、例えば３０°〜８５°である。
【００２４】
１つの凸部２１の４つの段差面は、ｘ軸に平行な１対の第１の段差面２１Ａと、ｙ軸に平行な１対の第２の段差面２１Ｂとを含む。ｙ方向に隣り合う２つの凸部２１の間に、第１の段差面２１Ａを側面とする凹部（相対的に低い領域）２２ａが画定される。この凹部２２ａの底面の幅が、間隔Ｇ１に等しい。ｘ方向に隣り合う２つの凸部２１の間に、第２の段差面２１Ｂを側面とする凹部（相対的に低い領域）２２ｂが画定される。この凹部２２ｂの底面の幅が、間隔Ｇ２に等しい。２つの凹部２２ａと２つの凹部２２ｂとで囲まれた領域２２ｃは、凹部２２ａ、２２ｂの底面と同じ高さを有する相対的に低い領域である。
【００２５】
図５Ａａ及び図５Ａｂに示すように、基板２０の上に、ＧａＮからなる厚さ３０ｎｍのバッファ層２３をＭＯＣＶＤにより形成する。図５Ａａは、ｙ軸に垂直な断面を示し、図５Ａｂは、ｘ軸に垂直な断面を示す。成膜条件は、例えば下記の通りである。
・基板温度 ５２５℃
・トリメチルガリウム（ＴＭＧ）供給量 １０．４μｍｏｌ／分
・アンモニア（ＮＨ３）供給量 ３．３ｓｌｍ
バッファ層２３は、凸部２１の上面、及び凸部２１の間の凹部の底面の上に形成される。バッファ層２３を形成した後、１０００℃で３０秒間のアニールを行う。アニール雰囲気は、Ｎ２とＨ２との混合ガスとし、例えばＮ２流量を６ｓｌｍ、Ｈ２流量を１２ｓｌｍとする。
【００２６】
図５Ｂａ及び図５Ｂｂに示すように、バッファ層２３の上に、ＧａＮからなる下地層２４をＭＯＣＶＤにより形成する。図５Ｂａは、ｙ軸に垂直な断面を示し、図５Ｂｂは、ｘ軸に垂直な断面を示す。下地層２４は、第１の成膜条件と、第２の成膜条件とを交互に４回繰り返すことにより形成される。
【００２７】
第１の成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 １０００℃
・ＴＭＧ供給量 ２３μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ２．２ｓｌｍ
・成膜厚さ ２０ｎｍ
第２の成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 １０００℃
・ＴＭＧ供給量 ４５μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ４．４ｓｌｍ
・成膜厚さ ８０ｎｍ
第１の成膜条件では、横方向の成長に比べて縦方向の成長が優先的に生じる。第２の成膜条件では、第１の成膜条件よりも、横方向成長が速くなる。第１の成長条件による成長と、第２の成長条件による成長とを４回繰り返すことにより、凸部２１上に形成された下地層２４と、凹部に形成された下地層２４とが融合し始めた。このとき、凸部２１の上に堆積した下地層２４の厚さは約４００ｎｍである。なお、下地膜２４の表面は、幾何学的に完全な平坦面であることまでは必要とされない。例えば、下地膜２４の表面が、基板２０の表面に比べて平坦であればよい。また、下地膜２４の表面の高低差が、基板２０の表面の高低差の１／２以下であれば、半導体発光素子の下地として、より好ましい。
【００２８】
図５Ｃａ及び図５Ｃｂに示すように、下地層２４の上に、ｎ型ＧａＮからなる厚さ３μｍのｎ型半導体層２５をＭＯＣＶＤにより形成する。図５Ｃａは、ｙ軸に垂直な断面を示し、図５Ｃｂは、ｘ軸に垂直な断面を示す。ｎ型不純物としてＳｉが用いられ、不純物濃度は５×１０１８ｃｍ−３である。成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 １０００℃
・ＴＭＧ供給量 ４５μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ５．５ｓｌｍ
・成膜時間 １時間
バッファ層２３、下地層２４、及びｎ型半導体層２５は、ウルツ鉱（ウルツァイト）構造を持ち、そのａ軸は、基板２０のａ軸に対して３０°回転した方位を向く。このため、バッファ層２３、下地層２４、及びｎ型半導体層２５のａ軸はｙ軸に平行になり、ｍ軸はｘ軸に平行になる。
【００２９】
図６Ａに示すように、ｎ型半導体層２５の上に、発光層２６を形成する。発光層２６は、例えば交互に積層された厚さ１４ｎｍのＧａＮ層と厚さ２ｎｍのＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ層とを含む。積層の繰り返し回数は、例えば５回である。発光層２６の成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 ７３０℃
・ＴＭＧ供給量 ３．６μｍｏｌ／分
・トリメチルインジウム（ＴＭＩ）供給量 １０μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ４．４ｓｌｍ
なお、ＧａＮ層の成膜時には、ＴＭＩの供給は停止される。
【００３０】
発光層２６の上に、ｐ型ＡｌＧａＮからなる厚さ４０ｎｍのｐ型半導体層２７を形成する。ｐ型不純物としてＭｇが用いられ、不純物濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 ８７０℃
・ＴＭＧ供給量 ８．１μｍｏｌ／分
・トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）供給量 ７．５６μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ４．４ｓｌｍ
ｐ型半導体層２７の上に、ｐ型ＧａＮからなるｐ型半導体層２８を形成する。ｐ型半導体層２８は、厚さが１００ｎｍ、Ｍｇ濃度が２×１０１９ｃｍ−３の下層部分と、厚さが２０ｎｍ、Ｍｇ濃度が２×１０２０ｃｍ−３の上層部分とを含む。成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 ８７０℃
・ＴＭＧ供給量 １８μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ４．４ｓｌｍ
ｐ型半導体層２８を形成した後、９００℃で１分の熱処理を行う。
【００３１】
図６Ｂに示すように、ｐ型半導体層２８の表面から、ｎ型半導体層２５の厚さ方向の途中までエッチングを行うことにより、複数のメサ３０を残す。メサ３０の各々は、例えば一辺の長さが３５０μｍの正方形のうち、１つの頂点近傍が、その頂点を中心とする扇形状に切り取られた平面形状を有する。扇形に切り取られた領域には、ｎ型半導体層２５が露出している。メサ３０の高さは、例えば７００ｎｍである。
【００３２】
図６Ｃに示すように、メサ３０の上面に、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）からなる透明電極３１を形成する。透明電極３１の厚さは、例えば２００ｎｍとする。正方形のメサから扇形に切り取られた領域に露出しているｎ型半導体層２５の上に、ｎ側電極３２を形成する。ｎ側電極３２は、例えば厚さ１ｎｍのＴｉ膜と、その上に形成された厚さ１０００ｎｍのＡｌ膜との２層構造を有する。
【００３３】
透明電極３１の一部の領域上に、ｐ側パッド３３を形成する。ｐ側パッド３３は、厚さ０．５ｎｍのＴｉ膜、厚さ１００ｎｍのＲｈ膜、厚さ５０ｎｍのＴｉ膜、及び厚さ１０００ｎｍのＡｕ膜がこの順番に積層された積層構造を有する。なお、ｐ側パッド３３の一部が、ｐ型半導体層２８に直接接触するようにしてもよい。
【００３４】
図６Ｄに示すように、基板２０の背面に溝を形成した後、ダイシングすることにより、チップ４０に分割する。チップ４０の背面と端面との接続部分に、ダイシング用の溝に対応する斜面４１が形成される。
【００３５】
図７Ａａ〜図７Ｂｂを参照して、比較例によるＧａＮ層の形成方法について説明する。比較例では、実施例１の図４Ｂに示した凸部２１に対応する凸部が、ｘ方向及びｙ方向に等しい間隔で配列している。ＧａＮのａ軸方向の成長速度は、ｍ軸方向の成長速度よりも速い。このため、図７Ａｂに示したｘ軸に平行な段差面上に形成されるＧａＮ膜５０が、図７Ａａに示したｙ軸に平行な段差面上に形成されるＧａＮ膜５０よりも厚い。
【００３６】
図７Ｂｂに示すように、ｙ軸方向に隣り合う凸部の間が埋め込まれて、その部分のＧａＮ膜の上面がほぼ平坦になったとき、図７Ｂａに示すように、ｘ軸方向に隣り合う凸部の間のＧａＮ膜５０の上面には、窪みが残った状態になる。この窪みが埋め込まれて平坦になるまでＧａＮ膜５０を形成することは、図７Ｂｂに示した断面においては、ＧａＮ膜５０上面が平坦になった後も、継続して成膜が行われることになる。
【００３７】
実施例１では、図４Ｂに示したように、ｘ方向に隣り合う凸部２１の間隔Ｇ２を、ｙ方向に隣り合う凸部２１の間の間隔Ｇ１よりも狭くしている。このため、ｘ方向に隣り合う凸部２１の間の凹部２２ｂにおいてＧａＮ層の上面が平坦になるまでの成長時間が、ｙ方向に隣り合う凸部２１の間の凹部２２ａにおいてＧａＮ層の表面が平坦になるまでの成長時間に近づく。これにより、ＧａＮ層の上面が平坦になるまでの成長時間を短縮することができる。
【００３８】
相対的に低い領域２２ｃにおいては、厚さ方向の成長と、領域２２ｃに隣接する凹部２２ａ、２２ｂに形成されたＧａＮ層からの横方向成長により、ＧａＮ層が形成される。
【００３９】
凸部２１のｘ方向及びｙ方向の間隔を共に６μｍにしたとき、上述の第１の成膜条件による成膜と、第２の成膜条件による成膜とを１２回繰り返した時点で、ＧａＮ層の上面が融合し始める。実施例１においては、４回の繰り返しで平坦な下地層２４が得られている。このように、実施例１の方法により、比較例に比べて成膜時間を約１／３に短縮することができる。
【００４０】
次に、実施例１の変形例について説明する。この変形例では、図４Ｂに示した間隔Ｇ２を６μｍにし、間隔Ｇ１を１８μｍにした。この構造で下地層２４を形成したところ、上述の第１の成膜条件による成膜と、第２の成膜条件による成膜とを１２回繰り返すことにより、上面がほぼ平坦な下地層２４が得られた。すなわち、上記比較例と対比すると、間隔Ｇ１を６μｍから１８μｍに広げているにも関わらず、平坦な上面が得られるまでの成膜時間はほぼ同等であることがわかる。
【００４１】
なお、厚さ方向の成長が優先的に生じる第１の成膜条件として、下記の条件を採用してもよい。
・ＴＭＧ供給量 １０〜３０μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 １〜３ｓｌｍ
・成膜厚さ １０〜６０ｎｍ
また、第１の成膜条件よりも横方向成長の速度が速い第２の成膜条件として、下記の条件を採用してもよい。
・ＴＭＧ供給量 ３０〜７０μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ３〜７ｓｌｍ
・成膜厚さ ３０〜１４０ｎｍ
第２の成膜条件で成膜する厚さは、第１の成膜条件で成膜する厚さよりも厚くすることが好ましい。
【００４２】
図４Ｂに示した間隔Ｇ２が、間隔Ｇ１に比べて狭くなりすぎると、広い間隔Ｇ１に対応する凹部２２ａが埋め込まれる前に、狭い間隔Ｇ２に対応する凹部２２ｂが埋め込まれてしまう。狭い間隔Ｇ２の凹部２２ｂが埋め込まれるのに必要な成長時間と、広い間隔Ｇ１の凹部２２ａが埋め込まれるのに必要な成長時間との差が小さいと、より効率的な埋込が可能になる。埋込効率を高めるために、広い間隔Ｇ１を狭い間隔Ｇ２の４．５倍以下にすることが好ましい。さらに、広い間隔Ｇ１を狭い間隔Ｇ２の１．５倍以上にすることが好ましい。
【００４３】
実施例１では、凸部２１の１つの辺を、ｘ軸（基板２０のａ軸）に平行にした。この１つの辺と、ｘ軸とは、完全に平行である必要はない。例えば、１つの辺が延在する方向と、ｘ軸との角度のずれが±１５°以下であれば、実質的に実施例１と同様の効果が得られる。さらに、他の１つの辺が延在する方向と、ｙ軸との角度のずれが±１５°以下であれば、実質的に実施例１と同様の効果が得られる。
【００４４】
図８Ａに、実施例１の変形例１による半導体発光素子の製造方法で用いられる基板２０の平面図を示す。凸部２１が、ｘ軸方向及びｙ軸方向に規則的に配列している。凸部２１の各々の平面形状は平行四辺形であるが、長方形及び正方形のいずれでもない。相互に対向する一対の辺２１Ｘの各々と、ｘ軸とのなす角度は１５°以下であり、他の一対の辺２１Ｙの各々と、ｙ軸とのなす角度も１５°以下である。
【００４５】
ｙ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の、相互に向かい合う辺２１Ｘは平行であり、ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の、相互に向かい合う辺２１Ｙも平行である。凸部２１のｙ軸方向の間隔Ｇ１を、ｙ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の相互に対向する辺２１Ｘの、ｙ軸方向の間隔と定義する。同様に、凸部２１のｘ軸方向の間隔Ｇ２を、ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の相互に対向する辺２１Ｙの、ｘ軸方向の間隔と定義する。このとき、間隔Ｇ１を、間隔Ｇ２の１．５倍以上４．５倍以下とすることが好ましい。
【００４６】
図８Ｂに、実施例１の変形例２による半導体発光素子の製造方法で用いられる基板２０の平面図を示す。変形例２では、凸部２１の各々の平面形状が台形である。台形の上底及び下底に対応する辺２１Ｘはｘ軸に平行である。台形の斜辺に対応する辺２１Ｙは、ｙ軸に対して傾いており、ｙ軸とのなす角度は１５°以下である。
【００４７】
ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１は、一方の凸部２１を１８０°回転させると、他方の凸部２１に重なる位置関係を持つ。このため、ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の、相互に対向する辺２１Ｙは平行になる。各凸部２１の辺２１Ｘは、ｘ軸に平行でありため、ｙ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の、相互に対向する辺２１Ｘも平行になる。凸部２１のｙ軸方向の間隔Ｇ１及びｘ軸方向の間隔Ｇ２の定義は、図８Ａに示した変形例１の場合と同一である。
【００４８】
変形例２においても、間隔Ｇ１を、間隔Ｇ２の１．５倍以上４．５倍以下とすることが好ましい。
【００４９】
図９Ａに、実施例１の変形例３による半導体発光素子の製造方法で用いられる基板２０の平面図を示す。凸部２１が、第１の方向８０及び第２の方向８１に規則的に配列している。第１の方向８０は、ｘ軸に対して傾斜しており、第１の方向８０とｘ軸とのなす角度θは１５°以下である。第２の方向８１は、第１の方向８０と直交する。
【００５０】
凸部２１の相互に対向するひと組の辺２１Ｘは第１の方向８０と平行であり、他のひと組の辺２１Ｙは第２の方向８１に平行である。このため、凸部２１の各々の平面形状は、正方形または長方形になる。
【００５１】
ｙ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の間隔Ｇ１として、第２の方向８１に隣り合う２つの凸部２１のｙ軸方向に関する距離を採用する。同様に、ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の間隔Ｇ２として、第１の方向８０に隣り合う２つの凸部２１のｘ軸方向に関する距離を採用する。第１の方向８０に関する距離及び第２の方向８１に関する距離を採用しないのは、結晶成長が、第１の方向８０及び第２の方向８１に進むのではなく、ｘ軸方向及びｙ軸方向に進むことによる。この変形例３においては、間隔Ｇ１を、間隔Ｇ２の１．５倍以上、かつ４．５倍以下とすることが好ましい。
【００５２】
図９Ｂに、実施例１の変形例４による半導体発光素子の製造方法で用いられる基板２０の平面図を示す。凸部２１が、第１の方向８０及び第２の方向８１に規則的に配列している。第１の方向８０及び第２の方向８１は、図９Ａに示した変形例３の場合と同一である。
【００５３】
凸部２１の相互に対向するひと組の辺２１Ｘはｘ軸と平行であり、他のひと組の辺２１Ｙはｙ軸と平行である。このため、凸部２１の各々の平面形状は、正方形または長方形になる。図９Ａに示した変形例３の場合と同様に、ｙ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の間隔Ｇ１として、第２の方向８１に隣り合う２つの凸部２１のｙ軸方向に関する距離を採用し、ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の間隔Ｇ２として、第１の方向８０に隣り合う２つの凸部２１のｘ軸方向に関する距離を採用する。この変形例４においても、間隔Ｇ１を、間隔Ｇ２の１．５倍以上、かつ４．５倍以下とすることが好ましい。
【００５４】
なお、上記実施例１、及び変形例１〜４において、間隔Ｇ１を間隔Ｇ２の３倍以下とすることがより好ましい。また、実施例１の変形例１〜４では、凸部２１の辺がｘ軸及びｙ軸に対して傾いている構成、及び凸部２１の配列方向はｘ軸及びｙ軸に対して傾いている構成を示した。これらの構成でも、図４Ｂに示した実施例１の構成に近い効果が得られるが、凸部２１の各辺、及び凸部２１の配列する方向を、ｘ軸及びｙ軸に平行にすることが最も好ましい。
【００５５】
実施例１では、基板２０に、Ｃ面サファイア単結晶基板を用いたが、他のコランダム構造の結晶からなるＣ面基板を用いてもよい。また、基板上に形成する下地膜に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いてもよい。
［実施例２］
図１０Ａに、実施例２による半導体発光素子の製造方法で用いる基板２０の断面図を示す。以下の説明では、実施例１との相違点に着目し、同一の構成については説明を省略する。基板２０の表面に形成された凹凸パターンは、複数の凹部６０を含む。
【００５６】
図１０Ｂに、基板２０の平面図を示す。複数の凹部６０が、ｘ方向及びｙ方向に周期的に配列している。凹部６０の各々の平面形状は、１つの辺がｘ軸に平行な長方形である。ｙ軸に平行な辺の長さＷ１は、ｘ軸に平行な辺の長さＷ２よりも短い。ｘ方向に隣り合う凹部６０の間隔、及びｙ方向に隣り合う凹部６０の間隔は、共にＧである。
【００５７】
図１０Ｃに、基板２０に形成された凹凸パターンの斜視図を示す。凹部６０の各々は、ｘ方向に向かい合う一対の第１の段差面６０Ａ、ｙ方向に向かい合う一対の第２の段差面６０Ｂ、及び底面を有する。段差面６０Ａ、６０Ｂは、ｘｙ面に対して傾斜している。傾斜角（段差面とｘｙ面とのなす角度）は、基板２０のエッチング条件に依存し、例えば３０°〜８５°である。
【００５８】
図１１Ａに、基板２０の上にＧａＮ層を成長させたときの結晶成長の様子を示す。段差面６０Ａから凹部６０の内側に向かってＧａＮのａ軸方向の横方向成長が生じ、段差面６０Ｂから凹部６０の内側に向かってＧａＮのｍ軸方向の横方向成長が生じる。ａ軸方向の成長速度が、ｍ軸方向の成長速度よりも速い。このため、凹部６０の短辺の長さＷ１の１／２の長さのａ軸方向の成長が生じると、凹部６０内がＧａＮ層で埋め込まれる。
【００５９】
図１１Ｂに、凹部６０がｙ方向に長い例を示す。この場合にも、凹部６０の長辺の長さＷ１の１／２の長さのａ軸方向の成長が生じた時点で、凹部６０内がＧａＮ層で埋め込まれる。
【００６０】
従って、凹部６０の平面形状を凹部６０のｙ方向の寸法を、ｘ方向の寸法よりも短くすることにより、凹部６０内をＧａＮ層で埋め込むまでの成長時間を短縮することが可能になる。長辺の長さＷ２を短辺の長さＷ１の１．５倍〜４．５倍の範囲内にすることが好ましい。この範囲内にすることにより、成長時間短縮の有意な効果が期待できる。
【００６１】
実施例２では、凹部６０の１つの辺を、ｘ軸（基板２０のａ軸）に平行にした。この１つの辺と、ｘ軸とは、完全に平行である必要はない。例えば、１つの辺の延在する方向と、ｘ軸との角度のずれが１５°以下であれば、実質的に実施例２と同様の効果が得られる。また、他の辺の延在する方向と、ｙ軸との角度のずれが１５°以下であれば、必ずしもｙ軸に平行である必要はない。
【００６２】
凹部６０の辺がｘ軸及びｙ軸と平行ではない場合には、凹部６０の平面形状が長方形になるとは限らない。この場合でも、相互に対向する辺は平行であることが好ましい。すなわち、凹部６０の平面形状は平行四辺形であることが好ましい。このとき、図８Ｂに示したｙ軸方向の寸法Ｗ１として、ｘ軸との角度のずれが１５°以下のひと組の対辺のｙ軸方向に関する間隔を採用する。同様に、ｘ軸方向の寸法Ｗ２として、ｙ軸との角度のずれが１５°以下のひと組の対辺のｘ軸方向に関する間隔を採用する。
【００６３】
ｘ軸方向の寸法Ｗ２を、ｙ軸方向の寸法Ｗ１の１．５倍以上４．５倍以下とすることが好ましい。なお、図８Ｂに示したように、凹部６０の辺を、ｘ軸及びｙ軸に平行にすることが最も好ましく、寸法Ｗ２を寸法Ｗ１の３倍以下とすることがより好ましい。
【００６４】
基板２０の上に形成されたＧａＮ層の上に、実施例１と同様の発光構造を形成することにより、半導体発光素子が得られる。凹部６０が、光を屈折または散乱させることにより、外部量子効率を高めることができる。
［実施例３］
図１２Ａに、実施例３による半導体発光素子の製造方法で用いる基板７０の断面図を示す。基板７０には、Ｃ面ＧａＮ単結晶基板が用いられる。基板７０の表面に、ＳｉＯ２等の絶縁材料からなる複数のマスクパターン７１が形成されている。基板７０のｍ軸方向をｘ軸、ａ軸方向をｙ軸、ｃ軸方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。
【００６５】
図１２Ｂに、マスクパターン７１の平面図を示す。マスクパターン７１の各々の平面形状は、１つの辺がｘ軸に平行な長方形である。ｘ軸に平行な辺の長さをＷｘ、ｙ軸に平行な辺の長さをＷｙとする。
【００６６】
図１３Ａ〜図１３Ｃに、基板７０の上にＧａＮ層を成長させたときの断面図を時系列で示す。
【００６７】
図１３Ａに示すように、基板７０が露出した領域にＧａＮ層７５が形成される。マスクパターン７１の上には、ＧａＮ層が成長しない。成長したＧａＮ層７５が、マスクパターン７１の上面まで達すると、図１３Ｂに示すように、マスクパターン７１の縁から内側に向かって横方向の成長が始まる。横方向の成長が進むと、図１３Ｃに示すように、マスクパターン７１がＧａＮ層７５で完全に覆われる。
【００６８】
このＧａＮ層７５を下地層として、その上に実施例１と同様の発光構造を形成することができる。マスクパターン７１が、光を屈折及び散乱させることにより、外部量子効率を高めることができる。
【００６９】
マスクパターン７１の上方で生じるｙ方向（ａ軸方向）への横方向成長が、ｘ方向（ｍ軸方向）への横方向成長よりも速い。従って、マスクパターン７１のｙ方向の寸法を、ｘ方向の寸法よりも短くすることにより、マスクパターン７１の上面を、より速くＧａＮ層７５で被覆することができる。
【００７０】
マスクパターン７１のｘ方向の寸法Ｗｘを、ｙ方向の寸法Ｗｙの１．５倍〜４．５倍の範囲内とすることにより、ＧａＮ層の成膜時間を短縮する有意な効果が期待できる。
【００７１】
実施例３では、マスクパターン７１の１つの辺を、ｘ軸（基板７０のｍ軸）に平行にした。この１つの辺と、ｘ軸とは、完全に平行である必要はない。例えば、１つの辺が延在する方向と、ｘ軸との角度のずれが１５°以下であれば、実質的に実施例３と同様の効果が得られる。また、他の辺が延在する方向と、ｙ軸との角度のずれが１５°以下であれば、必ずしもｙ軸に平行である必要はない。この場合、マスクパターン７１の平面形状は平行四辺形であることが好ましい。このとき、図１０Ｂに示したｘ軸方向の寸法Ｗｘとして、ｙ軸との角度のずれが１５°以下のひと組の対辺のｘ軸方向に関する間隔を採用する。同様に、ｙ軸方向の寸法Ｗｙとして、ｘ軸との角度のずれが１５°以下のひと組の対辺のｙ軸方向に関する間隔を採用する。
【００７２】
ｘ軸方向の寸法Ｗｘを、ｙ軸方向の寸法Ｗｙの１．５倍以上４．５倍以下とすることが好ましい。なお、図１０Ｂに示したように、マスクパターン７１の辺を、ｘ軸及びｙ軸に平行にすることが最も好ましく、寸法Ｗｘを寸法Ｗｙの３倍以下とすることがより好ましい。
【００７３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００７４】
１０ サファイア基板
１１ 凸部
１２ ＧａＮ層
１３ ｎ型ＧａＮ層
１４ 発光層
１５ ｐ型ＧａＮ層
１６ ｐ側電極
１７ ｎ側電極
２０ 基板
２１ 凸部
２１Ａ 第１の段差面
２１Ｂ 第２の段差面
２１Ｘ、２１Ｙ 辺
２３ バッファ層
２４ 下地層
２５ ｎ型半導体層
２６ 発光層
２７、２８ ｐ型半導体層
３０ メサ
３１ 透明電極
３２ ｎ側電極
３３ ｐ側パッド
４０ 半導体発光素子のチップ
４１ 斜面
５０ ＧａＮ層
６０ 凹部
７０ 基板
７１ マスクパターン
７５ ＧａＮ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｇａ及びＮを発光層に含む半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイア基板の表面に凹凸を付して、その上に半導体発光層を形成する技術が提案されている（特許文献１）。この凹凸は、半導体発光層に結晶欠陥を生じさせない形状にされている。発光層で発生した光が、凹凸で散乱または回折されることにより、外部量子効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１８４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
凹凸が付されたサファイア基板の上にＧａＮ層を成長させると、凸部の上面から成長した膜と、凹部の底面から成長した膜とが融合することにより、平坦な表面を有する膜が得られる。平坦な表面を得るためには、凸部の上面から成長した膜と、凹部の底面から成長した膜とが融合し、平坦な状態になるまでＧａＮ層を成長させなければならない。成長時間が十分でない場合には、ＧａＮ層の表面に凹凸が残ってしまう。
【０００５】
本発明の目的は、凹凸を有する基板上に形成する膜の表面が平坦になるまでの成長時間を短縮することが可能な半導体発光素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、
ｃ軸が厚さ方向を向くコランダム構造の結晶構造を持ち、表面に複数の凸部が形成された基板と、
前記基板の前記凸部が形成された表面の上に配置され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、表面が前記基板の表面よりも平坦である下地膜と、
前記下地膜の上に形成され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造と
を有し、
前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する方向を第２の方向としたとき、
前記凸部は、前記第１の方向、及び第２の方向に規則的に配列しており、前記凸部の各々の平面形状は、四角形の４つの辺に整合する縁を持ち、該四角形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記第１の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第１の辺は相互に平行であり、前記第２の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第２の辺は相互に平行であり、相互に対向する前記第２の辺の前記ｍ軸方向の間隔は、相互に対向する前記第１の辺の前記ａ軸方向の間隔よりも広い半導体発光素子が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によると、
ｃ軸が厚さ方向を向くコランダム構造の結晶構造を持つ基板の表層部を部分的にエッチングすることにより、前記表面をに複数の凸部を形成する工程と、
前記基板の前記凸部が形成された表面の上に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる下地膜を形成する工程と、
前記下地膜の上に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造を形成する工程と
を有し、
前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する方向を第２の方向としたとき、
前記凸部は、前記第１の方向、及び第２の方向に規則的に配列しており、前記凸部の各々の平面形状は、四角形の４つの辺に整合する縁を持ち、該四角形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記第１の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第１の辺は相互に平行であり、前記第２の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第２の辺は相互に平行であり、相互に対向する前記第２の辺の前記ｍ軸方向の間隔は、相互に対向する前記第１の辺の前記ａ軸方向の間隔よりも広い半導体発光素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
下地膜の上面が平坦になるまでの成長時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（１Ａ）は、評価実験の対象となる試料の断面図であり、（１Ｂ）〜（１Ｈ）は、各試料の凹凸パターンの平面図である。
【図２】（２Ａ）は、評価実験の対象となる試料の正規化外部量子効率の測定結果を示すグラフであり、（２Ｂ）は、試料の断面図である。
【図３】評価実験の対象となる試料のＧａＮ層のピット数の測定結果を示すグラフである。
【図４】（４Ａ）は、実施例１による半導体発光素子の基板の断面図であり、（４Ｂ）は、基板の平面図であり、（４Ｃ）は、基板の斜視図である。
【図５】実施例１による半導体発光素子のｎ型半導体層形成工程までの製造途中段階の素子の断面図である。
【図６】（６Ａ）〜（６Ｃ）は、実施例１による半導体発光素子の製造途中段階の素子の断面図であり、（６Ｄ）は、半導体発光素子の断面図である。
【図７】比較例による方法でＧａＮ層を形成する場合の基板及びＧａＮ層の断面図である。
【図８】（８Ａ）及び（８Ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例１及び変形例２による半導体発光素子の基板の平面図である。
【図９】（９Ａ）及び（９Ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例３及び変形例４による半導体発光素子の基板の平面図である。
【図１０】（１０Ａ）は、実施例２による半導体発光素子の基板の断面図であり、（１０Ｂ）は、基板の平面図であり、（１０Ｃ）は、基板の斜視図である。
【図１１】（１１Ａ）及び（１１Ｂ）は、それぞれ実施例２及び比較例による半導体発光素子の下地層の成長の様子を説明するための平面図である。
【図１２】（１２Ａ）は、実施例３による半導体発光素子の基板の断面図であり、（１２Ｂ）は、基板の平面図である。
【図１３】実施例３による半導体発光素子の下地層形成工程までを示す製造途中段階の素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施例について説明する前に、本願発明者らが行った評価実験、及びその結果について説明する。
【００１１】
図１Ａに示すように、表面に複数の凸部１１が形成されたＣ面サファイア単結晶基板１０の上に、ＧａＮ層１２を、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）を用いて成長させることにより、複数の試料を作製した。基板１０を構成するサファイア単結晶はコランダム構造を有し、基板１０の厚さ方向が、サファイア単結晶のｃ軸に平行になる。サファイア単結晶基板１０のａ軸方向をｘ軸、ｍ軸方向をｙ軸、ｃ軸方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ＧａＮ膜１２のａ軸は、基板１０のａ軸から３０°回転した方位を向く。このため、ＧａＮ膜１２のａ軸及びｍ軸は、それぞれｙ軸及びｘ軸に平行になる。
【００１２】
図１Ｂ〜図１Ｈに、凸部１１の形状及び分布を示す。図１Ｂ及び図１Ｃに示した試料では、凸部１１の各々の平面形状が、一辺の長さが３μｍの正三角形であり、１つの辺がｘ軸に平行である。図１Ｄに示した試料では、凸部１１の各々の平面形状が、直径３μｍの円形である。図１Ｅ及び図１Ｆに示した試料では、凸部１１の平面形状が、一辺の長さが３μｍの正方形である。図１Ｅに示した試料の凸部１１の一辺は、ｙ軸に平行であり、図１Ｆに示した凸部１１の一辺は、ｘ軸に対して４５°傾いている。図１Ｇ及び図１Ｈに示した試料では、凸部１１の各々の平面形状が正六角形であり、その外接円の直径が３μｍである。図１Ｇに示した試料の凸部１１の１つの辺はｙ軸に平行であり、図１Ｈに示した試料の凸部１１の１つの辺はｘ軸に平行である。
【００１３】
図１Ｂに示した試料では、１つの格子線がｙ軸に平行な正三角格子の格子点の位置に、凸部１１が配置される。図１Ｃ、図１Ｄ、図１Ｇ、図１Ｈに示した試料では、１つの格子線がｘ軸に平行な正三角格子の格子点の位置に、凸部１１が配置される。図１Ｅに示した試料では、１つの格子線がｘ軸に平行な正方格子の格子点の位置に、凸部１１が配置される。図１Ｆに示した試料では、１つの格子線がｘ軸に対して４５°傾いている正方格子の格子点の位置に、凸部１１が配置される。いずれの試料においても、格子点の間隔は４．５μｍである。
【００１４】
図２Ａに、各試料のＧａＮ膜１２の上に形成した発光ダイオードの外部量子効率の測定結果を示す。図２Ｂに、作製した発光ダイオードの断面図を示す。ＧａＮ膜の上に、ｎ型ＧａＮ層１３、発光層１４、及びｐ型ＧａＮ層１５が積層されている。ｎ型ＧａＮ層１３の上面の一部に、ｎ側電極１７が形成され、ｐ型ＧａＮ層１５の上に、ｐ側電極１６が形成されている。
【００１５】
図２Ａの横軸は、図１Ｂ〜図１Ｈに示した試料に対応する。縦軸は、平坦なサファイア基板上に形成した発光ダイオードの外部量子効率を１として正規化した外部量子効率を表す。図２Ａの円形、正方形、三角形、及び菱形の記号は、それぞれ凸部１１の高さが１．０μｍ、１．４５μｍ、１．６６μｍ、及び２．０μｍの試料の上に形成した発光ダイオードの正規化外部量子効率を示す。
【００１６】
凸部１１の高さが２．０μｍ以外の試料では、平坦なサファイア基板上に形成した発光ダイオードよりも高い外部量子効率が得られていることがわかる。これは、サファイア基板１０の表面に形成された凹凸が、素子内への光の閉じ込めを抑制しているためである。特に、図１Ｅに示した試料の上に発光ダイオードを形成した素子の外部量子効率が、他の試料に比べて高いことがわかる。
【００１７】
図３に、各試料のＧａＮ層１２の表面を走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）で観察し、転位（ピット）を計数した結果を示す。縦軸は、５μｍ×５μｍの正方形の範囲内に検出されたピット数を表す。横軸は、各試料に対応する。試料「参照」は、平坦なサファイア基板上にＧａＮ層を成長させたものである。試料「１Ｂ」〜「１Ｈ」は、それぞれ図１Ｂ〜図１Ｈに示した凸部１１の形状及び配列を持つ試料に対応する。パターン寸法は、凸部１１の各々の寸法を示す。パターン寸法は、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｅ、図１Ｆの試料では、凸部１１の一辺の長さに相当し、図１Ｄの試料では、凸部１１の直径に相当し、図１Ｇ、図１Ｈの試料では、正六角形の外接円の直径に相当する。図３の周期は、凸部１１の配列に対応する格子模様の格子点の間隔に相当する。
【００１８】
図３に示した評価結果から、図１Ｅに示した試料のＧａＮ層１２のピット数が、他の試料のＧａＮ層１２のピット数に比べて少ないことがわかる。これは、結晶性の高いＧａＮ層が形成されていることを意味する。
【００１９】
図２Ａ及び図３に示した評価結果からわかるように、サファイア基板の表面に形成する凸部１１の平面形状を正方形にすることが好ましい。さらに、この正方形の１つの辺をｘ軸（サファイア基板のａ軸）に平行にすることが好ましい。
［実施例１］
次に、図４Ａ〜図６Ｄを参照して、実施例１による半導体発光素子ついて説明する。
【００２０】
図４Ａに、実施例１による半導体発光素子に用いられる基板２０の断面図を示す。基板２０には、Ｃ面サファイア単結晶基板が用いられる。サファイア単結晶は、コランダム構造を有する。基板２０のａ軸、ｍ軸、及びｃ軸方向を、それぞれｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。
【００２１】
基板２０の表面に、レジストパターンを形成し、基板２０の表層部を部分的にエッチングすることにより、凹凸パターンを形成する。凹凸パターンは、複数の凸部２１を含む。基板２０のエッチングには、例えばＢＣｌ３、Ｃｌ２、及びＡｒの誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を適用することができる。基板２０をエッチングした後、レジストパターンを除去する。エッチングの深さは１μｍとする。このため、凸部２１の高さが１μｍになる。レジストパターンに代えて、ＳｉＯ２や金属等のハードマスクを用いてもよい。
【００２２】
図４Ｂに、表面をエッチングした基板２０の平面図を示す。凸部２１が、ｘ方向及びｙ方向に周期的に配列している。凸部２１の各々の平面形状は、例えば一辺の長さがＷの正方形である。なお、平面形状は、四角形であることが好ましく、例えば長方形にしてもよい。実施例１においては、一辺の長さＷを３μｍとした。ｙ方向に並ぶ２つの凸部２１の間隔Ｇ１は６μｍであり、ｘ方向に並ぶ２つの凸部２１の間隔Ｇ２は２μｍである。
【００２３】
図４Ｃに、基板２０の表面に形成された凹凸パターンの斜視図を示す。凸部２１の各々は、正方形の上面と、上面の４つの縁に連続する４つの側面（段差面）を含む。４つの段差面は、ｘｙ面に対して傾斜している。傾斜角（段差面とｘｙ面とのなす角度）は、基板２０のエッチング条件に依存し、例えば３０°〜８５°である。
【００２４】
１つの凸部２１の４つの段差面は、ｘ軸に平行な１対の第１の段差面２１Ａと、ｙ軸に平行な１対の第２の段差面２１Ｂとを含む。ｙ方向に隣り合う２つの凸部２１の間に、第１の段差面２１Ａを側面とする凹部（相対的に低い領域）２２ａが画定される。この凹部２２ａの底面の幅が、間隔Ｇ１に等しい。ｘ方向に隣り合う２つの凸部２１の間に、第２の段差面２１Ｂを側面とする凹部（相対的に低い領域）２２ｂが画定される。この凹部２２ｂの底面の幅が、間隔Ｇ２に等しい。２つの凹部２２ａと２つの凹部２２ｂとで囲まれた領域２２ｃは、凹部２２ａ、２２ｂの底面と同じ高さを有する相対的に低い領域である。
【００２５】
図５Ａａ及び図５Ａｂに示すように、基板２０の上に、ＧａＮからなる厚さ３０ｎｍのバッファ層２３をＭＯＣＶＤにより形成する。図５Ａａは、ｙ軸に垂直な断面を示し、図５Ａｂは、ｘ軸に垂直な断面を示す。成膜条件は、例えば下記の通りである。
・基板温度 ５２５℃
・トリメチルガリウム（ＴＭＧ）供給量 １０．４μｍｏｌ／分
・アンモニア（ＮＨ３）供給量 ３．３ｓｌｍ
バッファ層２３は、凸部２１の上面、及び凸部２１の間の凹部の底面の上に形成される。バッファ層２３を形成した後、１０００℃で３０秒間のアニールを行う。アニール雰囲気は、Ｎ２とＨ２との混合ガスとし、例えばＮ２流量を６ｓｌｍ、Ｈ２流量を１２ｓｌｍとする。
【００２６】
図５Ｂａ及び図５Ｂｂに示すように、バッファ層２３の上に、ＧａＮからなる下地層２４をＭＯＣＶＤにより形成する。図５Ｂａは、ｙ軸に垂直な断面を示し、図５Ｂｂは、ｘ軸に垂直な断面を示す。下地層２４は、第１の成膜条件と、第２の成膜条件とを交互に４回繰り返すことにより形成される。
【００２７】
第１の成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 １０００℃
・ＴＭＧ供給量 ２３μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ２．２ｓｌｍ
・成膜厚さ ２０ｎｍ
第２の成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 １０００℃
・ＴＭＧ供給量 ４５μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ４．４ｓｌｍ
・成膜厚さ ８０ｎｍ
第１の成膜条件では、横方向の成長に比べて縦方向の成長が優先的に生じる。第２の成膜条件では、第１の成膜条件よりも、横方向成長が速くなる。第１の成長条件による成長と、第２の成長条件による成長とを４回繰り返すことにより、凸部２１上に形成された下地層２４と、凹部に形成された下地層２４とが融合し始めた。このとき、凸部２１の上に堆積した下地層２４の厚さは約４００ｎｍである。なお、下地膜２４の表面は、幾何学的に完全な平坦面であることまでは必要とされない。例えば、下地膜２４の表面が、基板２０の表面に比べて平坦であればよい。また、下地膜２４の表面の高低差が、基板２０の表面の高低差の１／２以下であれば、半導体発光素子の下地として、より好ましい。
【００２８】
図５Ｃａ及び図５Ｃｂに示すように、下地層２４の上に、ｎ型ＧａＮからなる厚さ３μｍのｎ型半導体層２５をＭＯＣＶＤにより形成する。図５Ｃａは、ｙ軸に垂直な断面を示し、図５Ｃｂは、ｘ軸に垂直な断面を示す。ｎ型不純物としてＳｉが用いられ、不純物濃度は５×１０１８ｃｍ−３である。成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 １０００℃
・ＴＭＧ供給量 ４５μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ５．５ｓｌｍ
・成膜時間 １時間
バッファ層２３、下地層２４、及びｎ型半導体層２５は、ウルツ鉱（ウルツァイト）構造を持ち、そのａ軸は、基板２０のａ軸に対して３０°回転した方位を向く。このため、バッファ層２３、下地層２４、及びｎ型半導体層２５のａ軸はｙ軸に平行になり、ｍ軸はｘ軸に平行になる。
【００２９】
図６Ａに示すように、ｎ型半導体層２５の上に、発光層２６を形成する。発光層２６は、例えば交互に積層された厚さ１４ｎｍのＧａＮ層と厚さ２ｎｍのＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ層とを含む。積層の繰り返し回数は、例えば５回である。発光層２６の成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 ７３０℃
・ＴＭＧ供給量 ３．６μｍｏｌ／分
・トリメチルインジウム（ＴＭＩ）供給量 １０μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ４．４ｓｌｍ
なお、ＧａＮ層の成膜時には、ＴＭＩの供給は停止される。
【００３０】
発光層２６の上に、ｐ型ＡｌＧａＮからなる厚さ４０ｎｍのｐ型半導体層２７を形成する。ｐ型不純物としてＭｇが用いられ、不純物濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 ８７０℃
・ＴＭＧ供給量 ８．１μｍｏｌ／分
・トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）供給量 ７．５６μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ４．４ｓｌｍ
ｐ型半導体層２７の上に、ｐ型ＧａＮからなるｐ型半導体層２８を形成する。ｐ型半導体層２８は、厚さが１００ｎｍ、Ｍｇ濃度が２×１０１９ｃｍ−３の下層部分と、厚さが２０ｎｍ、Ｍｇ濃度が２×１０２０ｃｍ−３の上層部分とを含む。成膜条件は下記の通りである。
・基板温度 ８７０℃
・ＴＭＧ供給量 １８μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ４．４ｓｌｍ
ｐ型半導体層２８を形成した後、９００℃で１分の熱処理を行う。
【００３１】
図６Ｂに示すように、ｐ型半導体層２８の表面から、ｎ型半導体層２５の厚さ方向の途中までエッチングを行うことにより、複数のメサ３０を残す。メサ３０の各々は、例えば一辺の長さが３５０μｍの正方形のうち、１つの頂点近傍が、その頂点を中心とする扇形状に切り取られた平面形状を有する。扇形に切り取られた領域には、ｎ型半導体層２５が露出している。メサ３０の高さは、例えば７００ｎｍである。
【００３２】
図６Ｃに示すように、メサ３０の上面に、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）からなる透明電極３１を形成する。透明電極３１の厚さは、例えば２００ｎｍとする。正方形のメサから扇形に切り取られた領域に露出しているｎ型半導体層２５の上に、ｎ側電極３２を形成する。ｎ側電極３２は、例えば厚さ１ｎｍのＴｉ膜と、その上に形成された厚さ１０００ｎｍのＡｌ膜との２層構造を有する。
【００３３】
透明電極３１の一部の領域上に、ｐ側パッド３３を形成する。ｐ側パッド３３は、厚さ０．５ｎｍのＴｉ膜、厚さ１００ｎｍのＲｈ膜、厚さ５０ｎｍのＴｉ膜、及び厚さ１０００ｎｍのＡｕ膜がこの順番に積層された積層構造を有する。なお、ｐ側パッド３３の一部が、ｐ型半導体層２８に直接接触するようにしてもよい。
【００３４】
図６Ｄに示すように、基板２０の背面に溝を形成した後、ダイシングすることにより、チップ４０に分割する。チップ４０の背面と端面との接続部分に、ダイシング用の溝に対応する斜面４１が形成される。
【００３５】
図７Ａａ〜図７Ｂｂを参照して、比較例によるＧａＮ層の形成方法について説明する。比較例では、実施例１の図４Ｂに示した凸部２１に対応する凸部が、ｘ方向及びｙ方向に等しい間隔で配列している。ＧａＮのａ軸方向の成長速度は、ｍ軸方向の成長速度よりも速い。このため、図７Ａｂに示したｘ軸に平行な段差面上に形成されるＧａＮ膜５０が、図７Ａａに示したｙ軸に平行な段差面上に形成されるＧａＮ膜５０よりも厚い。
【００３６】
図７Ｂｂに示すように、ｙ軸方向に隣り合う凸部の間が埋め込まれて、その部分のＧａＮ膜の上面がほぼ平坦になったとき、図７Ｂａに示すように、ｘ軸方向に隣り合う凸部の間のＧａＮ膜５０の上面には、窪みが残った状態になる。この窪みが埋め込まれて平坦になるまでＧａＮ膜５０を形成することは、図７Ｂｂに示した断面においては、ＧａＮ膜５０上面が平坦になった後も、継続して成膜が行われることになる。
【００３７】
実施例１では、図４Ｂに示したように、ｘ方向に隣り合う凸部２１の間隔Ｇ２を、ｙ方向に隣り合う凸部２１の間の間隔Ｇ１よりも狭くしている。このため、ｘ方向に隣り合う凸部２１の間の凹部２２ｂにおいてＧａＮ層の上面が平坦になるまでの成長時間が、ｙ方向に隣り合う凸部２１の間の凹部２２ａにおいてＧａＮ層の表面が平坦になるまでの成長時間に近づく。これにより、ＧａＮ層の上面が平坦になるまでの成長時間を短縮することができる。
【００３８】
相対的に低い領域２２ｃにおいては、厚さ方向の成長と、領域２２ｃに隣接する凹部２２ａ、２２ｂに形成されたＧａＮ層からの横方向成長により、ＧａＮ層が形成される。
【００３９】
凸部２１のｘ方向及びｙ方向の間隔を共に６μｍにしたとき、上述の第１の成膜条件による成膜と、第２の成膜条件による成膜とを１２回繰り返した時点で、ＧａＮ層の上面が融合し始める。実施例１においては、４回の繰り返しで平坦な下地層２４が得られている。このように、実施例１の方法により、比較例に比べて成膜時間を約１／３に短縮することができる。
【００４０】
次に、実施例１の変形例について説明する。この変形例では、図４Ｂに示した間隔Ｇ２を６μｍにし、間隔Ｇ１を１８μｍにした。この構造で下地層２４を形成したところ、上述の第１の成膜条件による成膜と、第２の成膜条件による成膜とを１２回繰り返すことにより、上面がほぼ平坦な下地層２４が得られた。すなわち、上記比較例と対比すると、間隔Ｇ１を６μｍから１８μｍに広げているにも関わらず、平坦な上面が得られるまでの成膜時間はほぼ同等であることがわかる。
【００４１】
なお、厚さ方向の成長が優先的に生じる第１の成膜条件として、下記の条件を採用してもよい。
・ＴＭＧ供給量 １０〜３０μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 １〜３ｓｌｍ
・成膜厚さ １０〜６０ｎｍ
また、第１の成膜条件よりも横方向成長の速度が速い第２の成膜条件として、下記の条件を採用してもよい。
・ＴＭＧ供給量 ３０〜７０μｍｏｌ／分
・ＮＨ３供給量 ３〜７ｓｌｍ
・成膜厚さ ３０〜１４０ｎｍ
第２の成膜条件で成膜する厚さは、第１の成膜条件で成膜する厚さよりも厚くすることが好ましい。
【００４２】
図４Ｂに示した間隔Ｇ２が、間隔Ｇ１に比べて狭くなりすぎると、広い間隔Ｇ１に対応する凹部２２ａが埋め込まれる前に、狭い間隔Ｇ２に対応する凹部２２ｂが埋め込まれてしまう。狭い間隔Ｇ２の凹部２２ｂが埋め込まれるのに必要な成長時間と、広い間隔Ｇ１の凹部２２ａが埋め込まれるのに必要な成長時間との差が小さいと、より効率的な埋込が可能になる。埋込効率を高めるために、広い間隔Ｇ１を狭い間隔Ｇ２の４．５倍以下にすることが好ましい。さらに、広い間隔Ｇ１を狭い間隔Ｇ２の１．５倍以上にすることが好ましい。
【００４３】
実施例１では、凸部２１の１つの辺を、ｘ軸（基板２０のａ軸）に平行にした。この１つの辺と、ｘ軸とは、完全に平行である必要はない。例えば、１つの辺が延在する方向と、ｘ軸との角度のずれが±１５°以下であれば、実質的に実施例１と同様の効果が得られる。さらに、他の１つの辺が延在する方向と、ｙ軸との角度のずれが±１５°以下であれば、実質的に実施例１と同様の効果が得られる。
【００４４】
図８Ａに、実施例１の変形例１による半導体発光素子の製造方法で用いられる基板２０の平面図を示す。凸部２１が、ｘ軸方向及びｙ軸方向に規則的に配列している。凸部２１の各々の平面形状は平行四辺形であるが、長方形及び正方形のいずれでもない。相互に対向する一対の辺２１Ｘの各々と、ｘ軸とのなす角度は１５°以下であり、他の一対の辺２１Ｙの各々と、ｙ軸とのなす角度も１５°以下である。
【００４５】
ｙ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の、相互に向かい合う辺２１Ｘは平行であり、ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の、相互に向かい合う辺２１Ｙも平行である。凸部２１のｙ軸方向の間隔Ｇ１を、ｙ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の相互に対向する辺２１Ｘの、ｙ軸方向の間隔と定義する。同様に、凸部２１のｘ軸方向の間隔Ｇ２を、ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の相互に対向する辺２１Ｙの、ｘ軸方向の間隔と定義する。このとき、間隔Ｇ１を、間隔Ｇ２の１．５倍以上４．５倍以下とすることが好ましい。
【００４６】
図８Ｂに、実施例１の変形例２による半導体発光素子の製造方法で用いられる基板２０の平面図を示す。変形例２では、凸部２１の各々の平面形状が台形である。台形の上底及び下底に対応する辺２１Ｘはｘ軸に平行である。台形の斜辺に対応する辺２１Ｙは、ｙ軸に対して傾いており、ｙ軸とのなす角度は１５°以下である。
【００４７】
ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１は、一方の凸部２１を１８０°回転させると、他方の凸部２１に重なる位置関係を持つ。このため、ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の、相互に対向する辺２１Ｙは平行になる。各凸部２１の辺２１Ｘは、ｘ軸に平行でありため、ｙ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の、相互に対向する辺２１Ｘも平行になる。凸部２１のｙ軸方向の間隔Ｇ１及びｘ軸方向の間隔Ｇ２の定義は、図８Ａに示した変形例１の場合と同一である。
【００４８】
変形例２においても、間隔Ｇ１を、間隔Ｇ２の１．５倍以上４．５倍以下とすることが好ましい。
【００４９】
図９Ａに、実施例１の変形例３による半導体発光素子の製造方法で用いられる基板２０の平面図を示す。凸部２１が、第１の方向８０及び第２の方向８１に規則的に配列している。第１の方向８０は、ｘ軸に対して傾斜しており、第１の方向８０とｘ軸とのなす角度θは１５°以下である。第２の方向８１は、第１の方向８０と直交する。
【００５０】
凸部２１の相互に対向するひと組の辺２１Ｘは第１の方向８０と平行であり、他のひと組の辺２１Ｙは第２の方向８１に平行である。このため、凸部２１の各々の平面形状は、正方形または長方形になる。
【００５１】
ｙ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の間隔Ｇ１として、第２の方向８１に隣り合う２つの凸部２１のｙ軸方向に関する距離を採用する。同様に、ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の間隔Ｇ２として、第１の方向８０に隣り合う２つの凸部２１のｘ軸方向に関する距離を採用する。第１の方向８０に関する距離及び第２の方向８１に関する距離を採用しないのは、結晶成長が、第１の方向８０及び第２の方向８１に進むのではなく、ｘ軸方向及びｙ軸方向に進むことによる。この変形例３においては、間隔Ｇ１を、間隔Ｇ２の１．５倍以上、かつ４．５倍以下とすることが好ましい。
【００５２】
図９Ｂに、実施例１の変形例４による半導体発光素子の製造方法で用いられる基板２０の平面図を示す。凸部２１が、第１の方向８０及び第２の方向８１に規則的に配列している。第１の方向８０及び第２の方向８１は、図９Ａに示した変形例３の場合と同一である。
【００５３】
凸部２１の相互に対向するひと組の辺２１Ｘはｘ軸と平行であり、他のひと組の辺２１Ｙはｙ軸と平行である。このため、凸部２１の各々の平面形状は、正方形または長方形になる。図９Ａに示した変形例３の場合と同様に、ｙ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の間隔Ｇ１として、第２の方向８１に隣り合う２つの凸部２１のｙ軸方向に関する距離を採用し、ｘ軸方向に隣り合う２つの凸部２１の間隔Ｇ２として、第１の方向８０に隣り合う２つの凸部２１のｘ軸方向に関する距離を採用する。この変形例４においても、間隔Ｇ１を、間隔Ｇ２の１．５倍以上、かつ４．５倍以下とすることが好ましい。
【００５４】
なお、上記実施例１、及び変形例１〜４において、間隔Ｇ１を間隔Ｇ２の３倍以下とすることがより好ましい。また、実施例１の変形例１〜４では、凸部２１の辺がｘ軸及びｙ軸に対して傾いている構成、及び凸部２１の配列方向はｘ軸及びｙ軸に対して傾いている構成を示した。これらの構成でも、図４Ｂに示した実施例１の構成に近い効果が得られるが、凸部２１の各辺、及び凸部２１の配列する方向を、ｘ軸及びｙ軸に平行にすることが最も好ましい。
【００５５】
実施例１では、基板２０に、Ｃ面サファイア単結晶基板を用いたが、他のコランダム構造の結晶からなるＣ面基板を用いてもよい。また、基板上に形成する下地膜に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いてもよい。
［実施例２］
図１０Ａに、実施例２による半導体発光素子の製造方法で用いる基板２０の断面図を示す。以下の説明では、実施例１との相違点に着目し、同一の構成については説明を省略する。基板２０の表面に形成された凹凸パターンは、複数の凹部６０を含む。
【００５６】
図１０Ｂに、基板２０の平面図を示す。複数の凹部６０が、ｘ方向及びｙ方向に周期的に配列している。凹部６０の各々の平面形状は、１つの辺がｘ軸に平行な長方形である。ｙ軸に平行な辺の長さＷ１は、ｘ軸に平行な辺の長さＷ２よりも短い。ｘ方向に隣り合う凹部６０の間隔、及びｙ方向に隣り合う凹部６０の間隔は、共にＧである。
【００５７】
図１０Ｃに、基板２０に形成された凹凸パターンの斜視図を示す。凹部６０の各々は、ｘ方向に向かい合う一対の第１の段差面６０Ａ、ｙ方向に向かい合う一対の第２の段差面６０Ｂ、及び底面を有する。段差面６０Ａ、６０Ｂは、ｘｙ面に対して傾斜している。傾斜角（段差面とｘｙ面とのなす角度）は、基板２０のエッチング条件に依存し、例えば３０°〜８５°である。
【００５８】
図１１Ａに、基板２０の上にＧａＮ層を成長させたときの結晶成長の様子を示す。段差面６０Ａから凹部６０の内側に向かってＧａＮのａ軸方向の横方向成長が生じ、段差面６０Ｂから凹部６０の内側に向かってＧａＮのｍ軸方向の横方向成長が生じる。ａ軸方向の成長速度が、ｍ軸方向の成長速度よりも速い。このため、凹部６０の短辺の長さＷ１の１／２の長さのａ軸方向の成長が生じると、凹部６０内がＧａＮ層で埋め込まれる。
【００５９】
図１１Ｂに、凹部６０がｙ方向に長い例を示す。この場合にも、凹部６０の長辺の長さＷ１の１／２の長さのａ軸方向の成長が生じた時点で、凹部６０内がＧａＮ層で埋め込まれる。
【００６０】
従って、凹部６０の平面形状を凹部６０のｙ方向の寸法を、ｘ方向の寸法よりも短くすることにより、凹部６０内をＧａＮ層で埋め込むまでの成長時間を短縮することが可能になる。長辺の長さＷ２を短辺の長さＷ１の１．５倍〜４．５倍の範囲内にすることが好ましい。この範囲内にすることにより、成長時間短縮の有意な効果が期待できる。
【００６１】
実施例２では、凹部６０の１つの辺を、ｘ軸（基板２０のａ軸）に平行にした。この１つの辺と、ｘ軸とは、完全に平行である必要はない。例えば、１つの辺の延在する方向と、ｘ軸との角度のずれが１５°以下であれば、実質的に実施例２と同様の効果が得られる。また、他の辺の延在する方向と、ｙ軸との角度のずれが１５°以下であれば、必ずしもｙ軸に平行である必要はない。
【００６２】
凹部６０の辺がｘ軸及びｙ軸と平行ではない場合には、凹部６０の平面形状が長方形になるとは限らない。この場合でも、相互に対向する辺は平行であることが好ましい。すなわち、凹部６０の平面形状は平行四辺形であることが好ましい。このとき、図８Ｂに示したｙ軸方向の寸法Ｗ１として、ｘ軸との角度のずれが１５°以下のひと組の対辺のｙ軸方向に関する間隔を採用する。同様に、ｘ軸方向の寸法Ｗ２として、ｙ軸との角度のずれが１５°以下のひと組の対辺のｘ軸方向に関する間隔を採用する。
【００６３】
ｘ軸方向の寸法Ｗ２を、ｙ軸方向の寸法Ｗ１の１．５倍以上４．５倍以下とすることが好ましい。なお、図８Ｂに示したように、凹部６０の辺を、ｘ軸及びｙ軸に平行にすることが最も好ましく、寸法Ｗ２を寸法Ｗ１の３倍以下とすることがより好ましい。
【００６４】
基板２０の上に形成されたＧａＮ層の上に、実施例１と同様の発光構造を形成することにより、半導体発光素子が得られる。凹部６０が、光を屈折または散乱させることにより、外部量子効率を高めることができる。
［実施例３］
図１２Ａに、実施例３による半導体発光素子の製造方法で用いる基板７０の断面図を示す。基板７０には、Ｃ面ＧａＮ単結晶基板が用いられる。基板７０の表面に、ＳｉＯ２等の絶縁材料からなる複数のマスクパターン７１が形成されている。基板７０のｍ軸方向をｘ軸、ａ軸方向をｙ軸、ｃ軸方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。
【００６５】
図１２Ｂに、マスクパターン７１の平面図を示す。マスクパターン７１の各々の平面形状は、１つの辺がｘ軸に平行な長方形である。ｘ軸に平行な辺の長さをＷｘ、ｙ軸に平行な辺の長さをＷｙとする。
【００６６】
図１３Ａ〜図１３Ｃに、基板７０の上にＧａＮ層を成長させたときの断面図を時系列で示す。
【００６７】
図１３Ａに示すように、基板７０が露出した領域にＧａＮ層７５が形成される。マスクパターン７１の上には、ＧａＮ層が成長しない。成長したＧａＮ層７５が、マスクパターン７１の上面まで達すると、図１３Ｂに示すように、マスクパターン７１の縁から内側に向かって横方向の成長が始まる。横方向の成長が進むと、図１３Ｃに示すように、マスクパターン７１がＧａＮ層７５で完全に覆われる。
【００６８】
このＧａＮ層７５を下地層として、その上に実施例１と同様の発光構造を形成することができる。マスクパターン７１が、光を屈折及び散乱させることにより、外部量子効率を高めることができる。
【００６９】
マスクパターン７１の上方で生じるｙ方向（ａ軸方向）への横方向成長が、ｘ方向（ｍ軸方向）への横方向成長よりも速い。従って、マスクパターン７１のｙ方向の寸法を、ｘ方向の寸法よりも短くすることにより、マスクパターン７１の上面を、より速くＧａＮ層７５で被覆することができる。
【００７０】
マスクパターン７１のｘ方向の寸法Ｗｘを、ｙ方向の寸法Ｗｙの１．５倍〜４．５倍の範囲内とすることにより、ＧａＮ層の成膜時間を短縮する有意な効果が期待できる。
【００７１】
実施例３では、マスクパターン７１の１つの辺を、ｘ軸（基板７０のｍ軸）に平行にした。この１つの辺と、ｘ軸とは、完全に平行である必要はない。例えば、１つの辺が延在する方向と、ｘ軸との角度のずれが１５°以下であれば、実質的に実施例３と同様の効果が得られる。また、他の辺が延在する方向と、ｙ軸との角度のずれが１５°以下であれば、必ずしもｙ軸に平行である必要はない。この場合、マスクパターン７１の平面形状は平行四辺形であることが好ましい。このとき、図１０Ｂに示したｘ軸方向の寸法Ｗｘとして、ｙ軸との角度のずれが１５°以下のひと組の対辺のｘ軸方向に関する間隔を採用する。同様に、ｙ軸方向の寸法Ｗｙとして、ｘ軸との角度のずれが１５°以下のひと組の対辺のｙ軸方向に関する間隔を採用する。
【００７２】
ｘ軸方向の寸法Ｗｘを、ｙ軸方向の寸法Ｗｙの１．５倍以上４．５倍以下とすることが好ましい。なお、図１０Ｂに示したように、マスクパターン７１の辺を、ｘ軸及びｙ軸に平行にすることが最も好ましく、寸法Ｗｘを寸法Ｗｙの３倍以下とすることがより好ましい。
【００７３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００７４】
１０ サファイア基板
１１ 凸部
１２ ＧａＮ層
１３ ｎ型ＧａＮ層
１４ 発光層
１５ ｐ型ＧａＮ層
１６ ｐ側電極
１７ ｎ側電極
２０ 基板
２１ 凸部
２１Ａ 第１の段差面
２１Ｂ 第２の段差面
２１Ｘ、２１Ｙ 辺
２３ バッファ層
２４ 下地層
２５ ｎ型半導体層
２６ 発光層
２７、２８ ｐ型半導体層
３０ メサ
３１ 透明電極
３２ ｎ側電極
３３ ｐ側パッド
４０ 半導体発光素子のチップ
４１ 斜面
５０ ＧａＮ層
６０ 凹部
７０ 基板
７１ マスクパターン
７５ ＧａＮ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ軸が厚さ方向を向くコランダム構造の結晶構造を持ち、表面に複数の凸部が形成された基板と、
前記基板の前記凸部が形成された表面の上に配置され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、表面が前記基板の表面よりも平坦である下地膜と、
前記下地膜の上に形成され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造と
を有し、
前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する方向を第２の方向としたとき、
前記凸部は、前記第１の方向、及び第２の方向に規則的に配列しており、前記凸部の各々の平面形状は、四角形の４つの辺に整合する縁を持ち、該四角形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記第１の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第１の辺は相互に平行であり、前記第２の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第２の辺は相互に平行であり、相互に対向する前記第２の辺の前記ｍ軸方向の間隔は、相互に対向する前記第１の辺の前記ａ軸方向の間隔よりも広い半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の方向に隣り合う前記凸部の、前記ａ軸方向に関する間隔が、前記第２の方向に隣り合う前記凸部の、前記ｍ軸方向に関する間隔の４．５倍以下である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
ｃ軸が厚さ方向を向くコランダム構造の結晶構造を持ち、表面に複数の凹部が形成された基板と、
前記基板の前記凹部が形成された表面の上に配置され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、表面が前記基板の表面よりも平坦である下地膜と、
前記下地膜の上に形成され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造と
を有し、
前記凹部の各々の平面形状は、平行四辺形の４つの辺に整合する縁を持ち、該平行四辺形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記平行四辺形の各々の前記第１の辺の前記ａ軸方向に関する間隔は、前記第２の辺の前記ｍ軸方向に関する間隔よりも広い半導体発光素子。
【請求項４】
ｃ軸が厚さ方向を向き、Ｇａ及びＮを含むウルツ鉱構造を持つＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる支持基板と、
前記支持基板の上に形成され、前記支持基板のａ軸方向及びｍ軸方向に周期的に配置されたマスクパターンと、
前記支持基板からエピタキシャル成長し、さらに、横方向成長して前記マスクパターンを覆う下地膜と、
前記下地膜の上に形成され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造と
を有し、
前記マスクパターンの各々の平面形状は、平行四辺形の４つの辺に整合する縁を持ち、該平行四辺形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記平行四辺形の各々の前記第１の辺の前記ａ軸方向に関する間隔は、前記第２の辺の前記ｍ軸方向に関する間隔よりも広い半導体発光素子。
【請求項５】
ｃ軸が厚さ方向を向くコランダム構造の結晶構造を持つ基板の表層部を部分的にエッチングすることにより、前記表面をに複数の凸部を形成する工程と、
前記基板の前記凸部が形成された表面の上に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる下地膜を形成する工程と、
前記下地膜の上に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造を形成する工程と
を有し、
前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する方向を第２の方向としたとき、
前記凸部は、前記第１の方向、及び第２の方向に規則的に配列しており、前記凸部の各々の平面形状は、四角形の４つの辺に整合する縁を持ち、該四角形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記第１の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第１の辺は相互に平行であり、前記第２の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第２の辺は相互に平行であり、相互に対向する前記第２の辺の前記ｍ軸方向の間隔は、相互に対向する前記第１の辺の前記ａ軸方向の間隔よりも広い半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
ｃ軸が厚さ方向を向くコランダム構造の結晶構造を持ち、表面に複数の凸部が形成された基板と、
前記基板の前記凸部が形成された表面の上に配置され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、表面が前記基板の表面よりも平坦である下地膜と、
前記下地膜の上に形成され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造と
を有し、
前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する方向を第２の方向としたとき、
前記凸部は、前記第１の方向、及び第２の方向に規則的に配列しており、前記凸部の各々の平面形状は、四角形の４つの辺に整合する縁を持ち、該四角形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記第１の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第１の辺は相互に平行であり、前記第２の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第２の辺は相互に平行であり、相互に対向する前記第２の辺の前記ｍ軸方向の間隔は、相互に対向する前記第１の辺の前記ａ軸方向の間隔よりも広い半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の方向に隣り合う前記凸部の、前記ａ軸方向に関する間隔が、前記第２の方向に隣り合う前記凸部の、前記ｍ軸方向に関する間隔の４．５倍以下である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
ｃ軸が厚さ方向を向くコランダム構造の結晶構造を持ち、表面に複数の凹部が形成された基板と、
前記基板の前記凹部が形成された表面の上に配置され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、表面が前記基板の表面よりも平坦である下地膜と、
前記下地膜の上に形成され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造と
を有し、
前記凹部の各々の平面形状は、平行四辺形の４つの辺に整合する縁を持ち、該平行四辺形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記平行四辺形の各々の前記第１の辺の前記ａ軸方向に関する間隔は、前記第２の辺の前記ｍ軸方向に関する間隔よりも広い半導体発光素子。
【請求項４】
ｃ軸が厚さ方向を向き、Ｇａ及びＮを含むウルツ鉱構造を持つＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる支持基板と、
前記支持基板の上に形成され、前記支持基板のａ軸方向及びｍ軸方向に周期的に配置されたマスクパターンと、
前記支持基板からエピタキシャル成長し、さらに、横方向成長して前記マスクパターンを覆う下地膜と、
前記下地膜の上に形成され、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造と
を有し、
前記マスクパターンの各々の平面形状は、平行四辺形の４つの辺に整合する縁を持ち、該平行四辺形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記平行四辺形の各々の前記第１の辺の前記ａ軸方向に関する間隔は、前記第２の辺の前記ｍ軸方向に関する間隔よりも広い半導体発光素子。
【請求項５】
ｃ軸が厚さ方向を向くコランダム構造の結晶構造を持つ基板の表層部を部分的にエッチングすることにより、前記表面をに複数の凸部を形成する工程と、
前記基板の前記凸部が形成された表面の上に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる下地膜を形成する工程と、
前記下地膜の上に、Ｇａ及びＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含む発光構造を形成する工程と
を有し、
前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する方向を第２の方向としたとき、
前記凸部は、前記第１の方向、及び第２の方向に規則的に配列しており、前記凸部の各々の平面形状は、四角形の４つの辺に整合する縁を持ち、該四角形の各々は、前記下地膜のｍ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第１の辺と、前記下地膜のａ軸方向とのなす角度が１５°未満の一対の第２の辺とを有し、
前記第１の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第１の辺は相互に平行であり、前記第２の方向に隣り合う２つの凸部に整合する四角形の相互に対向する前記第２の辺は相互に平行であり、相互に対向する前記第２の辺の前記ｍ軸方向の間隔は、相互に対向する前記第１の辺の前記ａ軸方向の間隔よりも広い半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１４６５８９（Ｐ２０１１−１４６５８９Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７１５４（Ｐ２０１０−７１５４）
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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