半導体発光素子
【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】半導体発光素子において、基板の表面上に形成され発光層を含む半導体積層部と、基板の表面側に形成され発光層から発せられる光が入射し当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、基板の裏面側に形成され回折面にて回折した光を反射して回折面へ再入射させる反射面と、を備えるようにした。
【解決手段】半導体発光素子において、基板の表面上に形成され発光層を含む半導体積層部と、基板の表面側に形成され発光層から発せられる光が入射し当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、基板の裏面側に形成され回折面にて回折した光を反射して回折面へ再入射させる反射面と、を備えるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
低温堆積緩衝層技術、ｐ型伝導性制御、ｎ型伝導性制御、高効率発光層の作製法等の基幹技術の積み重ねにより、高輝度の青色、緑色、白色等の発光ダイオードが既に実用化されている。現在、発光ダイオードにおいては、半導体の屈折率が基板、空気等の屈折率よりも大きく、発光層から発せられた光の多くの部分が全反射もしくはフレネル反射により発光ダイオードの外部に取り出せないため、光取り出し効率の向上が課題となっている。
【０００３】
この課題を解決するために、半導体表面に数ミクロン周期の凹凸加工を施した構造が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。半導体表面の光取り出し側に凹凸構造を設けると、光散乱の効果により全反射は消失し、比較的広い放射角にわたって５０％程度の透過率を得ることができ、光取り出し効率を５０％程度まで向上させることができる。
【０００４】
さらに、凹凸構造の周期を発光ダイオードの光学波長の２倍以下まで小さくし、光取り出し効率を向上させることも提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、数ミクロン周期の凹凸構造とは光取り出しのメカニズムが異なり、光の波動性が顕在化して、屈折率の境界が消失してフレネル反射が抑制される。このような構造は、フォトニック結晶や、モスアイ構造と呼ばれており、光取り出し効率を５０％程度までは向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３５４０２０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics Vol.41, 2004, L1431
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に上げられた光取り出し効率の向上は限定的であり、さらなる効率の向上が望まれている。
【０００８】
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、光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明では、基板の表面上に形成され、発光層を含む半導体積層部と、前記基板の表面側に形成され、前記発光層から発せられる光が入射し、当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、前記基板の裏面側に形成され、前記回折面にて回折した光を反射して前記回折面へ再入射させる反射面と、を備える半導体発光素子が提供される。
【００１０】
上記半導体発光素子において、前記凹部又は前記凸部の周期は、前記光学波長の２倍より大きくともよい。
【００１１】
上記半導体発光素子において、前記凹部又は前記凸部の周期は、前記コヒーレント長の半分以下であってもよい。
【００１２】
上記半導体発光素子において、前記発光層は、青色光を発し、前記周期は、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であってもよい。
【００１３】
上記半導体発光素子において、前記回折面は、屈折率の差が０．５以上の異なる材料同士の界面に形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体発光素子によれば、光取り出し効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図２】図２はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ−Ａ断面を示す模式説明図、（ｃ）が模式拡大説明図である。
【図３】図３はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は回折面に第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４】図４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回折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、（ｆ）はウェットエッチングにより凸部に湾曲部を形成した状態を示す。
【図５】図５は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図６】図６は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図８】図８はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＢ−Ｂ断面を示す模式縦断面図である。
【図９】図９は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
【図１０】図１０は、III属窒化物半導体層からサファイア基板へ入射する光の回折作用を示す説明図である。
【図１１】図１１は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ１回目に入射する光の入射角と、界面での回折作用により反射した後、２回目に入射した光の界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。
【図１４】図１４は、光学波長を２５８ｎｍとし、サファイア基板とIII属窒化物半導体層の界面に回折面を形成した場合の、回折面の周期と相対光出力の関係を示すグラフである。
【図１５】図１５はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は回折面に第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１６】図１６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回折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１７】図１７は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図１８】図１８は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図１９】図１９は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１から図４は本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１は発光素子の模式断面図である。
【００１７】
図１に示すように、発光素子１は、回折面２ａを有するサファイア基板２の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１９が形成されたものである。この発光素子１は、フェイスアップ型であり、サファイア基板２と反対側から主として光が取り出される。III族窒化物半導体層は、バッファ層１０、ｎ型ＧａＮ層１２、多重量子井戸活性層１４、電子ブロック層１６、ｐ型ＧａＮ層１８をサファイア基板２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１８上にはｐ側電極２０が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１２上にはｎ側電極２４が形成されている。
【００１８】
サファイア基板２は、窒化物半導体が成長されるｃ面（｛０００１｝）である回折面２ａを表面側に有している。回折面２ａには、平坦部２ｂ（図２（ａ）参照）と、平坦部２ｂに周期的に形成された複数の凸部２ｃ（図２（ａ）参照）と、が形成されている。各凸部２ｃの形状は、円錐、多角錘等の錘状の他、錘の上部を切り落とした円錘台、多角錘台等の錘台状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部２ｃにより、光の回折作用を得ることができる。
【００１９】
サファイア基板２の裏面側には、例えばＡｌからなる反射膜２６が形成されている。この発光素子１においては、反射膜２６のサファイア基板２側の面が反射面２８をなしており、活性層１４から発せられた光が回折面２ａを回折作用によって透過し、透過した光を反射面２８にて反射する。これにより、回折作用により透過した光を回折面２ａに再入射させて、回折面２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。
【００２０】
バッファ層１０は、サファイア基板２の回折面２ａ上に形成され、ＡｌＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１０は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成されるが、スパッタリング法を用いることもできる。また、バッファ層１０は、各凸部２ｃに沿って周期的に形成される複数の錘台状の凹部を回折面２ａ側に有している。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１２は、バッファ層１０上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層としての多重量子井戸活性層１４は、ｎ型ＧａＮ層１２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青色光を発する。ここで、青色光とは、例えば、ピーク波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光をいうものとする。本実施形態においては、多重量子井戸活性層１４の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。
【００２１】
電子ブロック層１６は、多重量子井戸活性層１４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１８は、電子ブロック層１６上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。ｎ型ＧａＮ層１２からｐ型ＧａＮ層１８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２の回折面２ａには周期的に凸部２ｃ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。
【００２２】
ｐ側電極２０は、ｐ型ＧａＮ層１８上に形成され、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明な材料からなる。本実施形態においては、ｐ側電極１２０は、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。
【００２３】
ｎ側電極２４は、ｐ型ＧａＮ層１８からｎ型ＧａＮ層１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１２上に形成される。ｎ側電極２４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。
【００２４】
次いで、図２を参照してサファイア基板２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Ａ−Ａ断面を示す模式説明図、（ｃ）が模式拡大説明図である。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、回折面２ａは、平面視にて、各凸部２ｃの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部２ｃにおける高さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ２／Δλ）の関係にある。ここで、各凸部２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１４から発せられる光の光学波長の２倍より大きいことが好ましい。また、各凸部２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１４から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。
【００２６】
本実施形態においては、各凸部２ｃの周期は、５００ｎｍである。活性層１４から発せられる光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、活性層１４から発せられる光の半値幅は６３ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、３２１４ｎｍである。すなわち、回折面２ａの周期は、活性層１４の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
【００２７】
本実施形態においては、図２（ｃ）に示すように、回折面２ａの各凸部２ｃは、平坦部２ｂから上方へ伸びる側面２ｄと、側面２ｄの上端から凸部２ｃの中心側へ湾曲して伸びる湾曲部２ｅと、湾曲部２ｅと連続的に形成される平坦な上面２ｆとを有する。後述するように、側面２ｄと上面２ｆの会合部により角が形成された湾曲部２ｅ形成前の凸部２ｃ（図４（ｅ）参照）のウエットエッチングにより、角を落とすことで湾曲部２ｅが形成される。尚、平坦な上面２ｆが消失して凸部２ｃの上側全体が湾曲部２ｅとなるまでウェットエッチングを施すようにしても差し支えない。本実施形態においては、具体的に、各凸部２ｃは、基端部の直径が２００ｎｍであり、高さは２５０ｎｍとなっている。サファイア基板２の回折面２ａは、各凸部２ｃの他は平坦部２ｂ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。
【００２８】
ここで、図３及び図４を参照して発光素子１用のサファイア基板２の作製方法について説明する。図３は、サファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は回折面に第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。
【００２９】
まず、図３（ａ）に示すように、平板状のサファイア基板２を用意し、サファイア基板２の表面に第１マスク層３０を形成する。第１マスク層３０は、例えばＳｉＯ２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３０の厚さは、任意であるが、例えば１．０μｍである。
【００３０】
次いで、図３（ｂ）に示すように、サファイア基板２の第１マスク層３０上にレジスト層３２を形成する。レジスト層３２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３０上に塗布される。レジスト層３２の厚さは、任意であるが、例えば１００ｎｍから２．０μｍである。
【００３１】
次に、図３（ｃ）に示すように、レジスト層３２と離隔してステンシルマスク３４をセットする。レジスト層３２とステンシルマスク３４との間は、１．０μｍ〜１００μｍの隙間があけられる。ステンシルマスク３４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３４は、電子線を選択的に透過する開口３４ａを有している。
【００３２】
この後、図３（ｃ）に示すように、ステンシルマスク３４へ電子線を照射し、レジスト層３２をステンシルマスク３４の各開口３４ａを通過した電子線に曝す。具体的には、例えば、１０〜１００μＣ／ｃｍ２の電子ビームを用いて、ステンシルマスク３４のパターンをレジスト層３２に転写する。
【００３３】
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３２を現像する。これにより、図３（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３２ａが形成される。レジスト層３２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。
【００３４】
次いで、図３（ｅ）に示すように、レジスト層３２がパターンニングされた第１マスク層３０上に、第２マスク層３６を形成する。このようにして、第１マスク層３０上に第２マスク層３６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３６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３６の厚さは、任意であるが、例えば２０ｎｍである。
【００３５】
図４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回折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、（ｆ）はウェットエッチングにより凸部に湾曲部を形成した状態を示す。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、レジスト層３２を剥離液を用いて除去する。例えば、レジスト層３２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。これにより、第１マスク層３０上に、ステンシルマスク３４の開口３４ａのパターンを反転させた第２マスク層３６のパターンが形成される。
【００３７】
次いで、図４（ｂ）に示すように、第２マスク層３６をマスクとして、第１マスク層３０のドライエッチングを行う。これにより、第１マスク層３０に開口３０ａが形成され、第１マスク層３０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３６に比してサファイア基板２及び第１マスク層３０が耐性を有するものが用いられる。例えば、第１マスク層３０がＳｉＯ２で第２マスク層３６がＮｉである場合、ＳＦ６等のフッ素系ガスを用いると、ＮｉはＳｉＯ２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３０のパターンニングを的確に行うことができる。
【００３８】
この後、図４（ｃ）に示すように、第１マスク層３０上の第２マスク層３６を除去する。第１マスク層３０がＳｉＯ２であり、第２マスク層３６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。
【００３９】
そして、図４（ｄ）に示すように、第１マスク層３０をマスクとして、サファイア基板２のドライエッチングを行う。このとき、サファイア基板２のうち第１マスク層３０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２にステンシルマスク３４の各開口３４ａ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３０は、サファイア基板２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３０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２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。ここで、エッチングガスとしては、例えば、ＢＣｌ３等の塩素系ガスが用いられる。
【００４０】
この後、図４（ｅ）に示すように、所定の剥離液を用いてサファイア基板２上に残った第１マスク層３０を除去する。これにより、側面２ｄと上面２ｆの会合部により角が形成された湾曲部２ｅ形成前の凸部２ｃが形成される。剥離液としては、例えば、第１マスク層３０にＳｉＯ２が用いられている場合は希弗酸を用いることができる。
【００４１】
そして、図４（ｆ）に示すように、ウェットエッチングにより凸部２ｃの角を除去して湾曲部２ｅを形成する。ここで、エッチング液は任意であるが、例えば１６０℃程度に加温したリン酸水溶液、いわゆる“熱リン酸”を用いることができる。尚、エッチング方式としてドライエッチングのような他の方式を用いてもよく、要は凸部２ｃの角に湾曲部２ｅが形成されればよい。
【００４２】
以上のように作製されたサファイア基板２の回折面２ａ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発光素子１に分割することにより、発光素子１が製造される。
【００４３】
以上のように構成された発光素子１では、活性層１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部２ｃが形成された回折面２ａと、回折面２ａにて回折した光を反射して回折面２ａへ再入射させる反射面２８と、を備えることにより、サファイア基板２とIII族窒化物半導体層の界面にて、全反射臨界角を超える角度で入射する光についても回折作用を利用して素子外部へ光を取り出すことができる。具体的には、回折作用により透過した光を回折面２ａに再入射させて、回折面２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。本実施形態については、回折作用により光を取り出していることから、散乱作用により光を取り出すものとは異質な作用効果を奏し、発光素子１の光取り出し効率を飛躍的に向上させることができる。
【００４４】
ここで、凸部２ｃが短い周期で形成されているので、単位面積あたりの凸部２ｃの数が多くなる。凸部２ｃがコヒーレント長の２倍を超える場合は、この凸部２ｃに転位の起点となる角部が存在したとしても、転位密度が小さいために発光効率には殆ど影響を与えない。しかしながら、凸部２ｃの周期がコヒーレント長より小さくなると、半導体積層部１９のバッファ層１０中の転位密度が大きくなり、発光効率の低下が顕著となる。この傾向は、周期が１μｍ以下となるとさらに顕著になる。これは、凸部２ｃの周期をコヒーレント以下まで小さくした場合の新規の課題であり、従来公知の文献では発せられた光の取り出し効率にのみ着目して周期を短くする点についての開示があるが、発光効率の低下については一切考慮されていない。尚、発光効率の低下は、バッファ層１０の製法によらず発生し、ＭＯＣＶＤ法で形成されていても、スパッタリング法で形成されていても生じる。本実施形態においては、各凸部２ｃの上側に転位の起点となる角部がないので、バッファ層１０の形成時に当該角部を起点として転位が生じることはない。この結果、多重量子井戸活性層１４においても、転位の密度が比較的小さい結晶となっており、回折面２ａに凸部２ｃ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く、上記の新規な課題を解決したものといえる。
【００４５】
また、本実施形態の発光素子１によれば、サファイア基板２の回折面２ａに凸部２ｃ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位の終端が生じるので、これによってもIII族窒化物半導体層にて転位の密度が比較的小さい結晶が得られている。この結果、多重量子井戸活性層１４においても、転位の密度が比較的小さい結晶となっており、回折面２ａに凸部２ｃ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。
【００４６】
尚、前記実施形態においては、発光素子１がフェイスアップ型であるものを示したが、例えば図５に示すように、発光素子１をフリップチップ型としてもよい。図５の発光素子１は、サファイア基板２上に、バッファ層１０、ｎ型ＧａＮ層１２、多重量子井戸活性層１４、電子ブロック層１６、ｐ型ＧａＮ層１８がこの順に形成され、ｐ型ＧａＮ層１８上に例えばＡｇ系、Ｒｈ系等の反射性材料からなるｐ側電極２０が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１２上にはｎ側電極２４が形成されている。この場合、ｐ側電極２０のｐ型ＧａＮ層１８側の面が反射面２２をなす。
【００４７】
また、例えば図６に示すように、ｐ側電極２０の表面に第２の回折面２０ａを形成してもよい。この第２の回折面２０ａの凹凸周期も、多重量子井戸活性層１４から発せられる光のコヒーレント長より小さくすることが望ましい。これにより、サファイア基板２の回折面２ａと、ｐ側電極２０の回折面２０ａの両方の回折作用を得ることができる。
【００４８】
図７から図１６は本発明の第２の実施形態を示すものであり、図７は発光素子の模式断面図である。
【００４９】
図７に示すように、発光素子１００は、回折面１０２ａを有するサファイア基板１０２上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１１９が形成されたものである。この発光素子１００は、フリップチップ型であり、サファイア基板１０２の裏面（図１中は上面）から主として光が取り出される。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側電極１２０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。
【００５０】
サファイア基板１０２は、窒化物半導体が成長されるｃ面（｛０００１｝）である回折面１０２ａを有している。回折面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。各凹部１０２ｃの形状は、円錐、多角錘等の形状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凹部１０２ｃにより、光の回折作用を得ることができる。
【００５１】
バッファ層１１０は、サファイア基板１０２の回折面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回折面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。発光層としての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青色光を発する。ここで、青色光とは、例えば、ピーク波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光をいうものとする。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。
【００５２】
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の回折面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。
【００５３】
ｐ側電極１２０は、ｐ型ＧａＮ層１１８上に形成され、ｐ側ＧａＮ層１１８側の面が反射面１２２をなしている。ｐ側電極１２０は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光に対して高い反射率を有する。ｐ側電極１２０は、活性層１１４から発せられる光に対して８０％以上の反射率を有することが好ましい。本実施形態においては、ｐ側電極１２０は、例えばＡｇ系、Ｒｈ系の材料からなり、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。
【００５４】
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。
【００５５】
次いで、図８を参照してサファイア基板１０２について詳述する。図８はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＢ−Ｂ断面を示す模式縦断面図である。
【００５６】
図８（ａ）に示すように、回折面１０２ａ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、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凹部１０２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。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。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ２／Δλ）の関係にある。ここで、各凹部１０２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光の光学波長の２倍より大きいことが好ましい。また、各凹部１０２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。
【００５７】
本実施形態においては、各凹部１０２ｃの周期は、５００ｎｍである。活性層１１４から発せられる光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、活性層１１４から発せられる光の半値幅は６３ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、３２１４ｎｍである。すなわち、回折面１０２ａの周期は、活性層１１４の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
【００５８】
本実施形態においては、図８（ｂ）に示すように、回折面１０２ａの各凹部１０２ｃは、円錐状に形成される。具体的に、各凹部１０２ｃは、基端部の直径が２００ｎｍであり、深さは２５０ｎｍとなっている。サファイア基板１０２の回折面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。
【００５９】
図９は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
【００６０】
ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θｉｎに対して反射角θｒｅｆが満たすべき条件は、
ｄ・ｎ１・（ｓｉｎθｉｎ−ｓｉｎθｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。本実施形態では、ｎ１は、III族窒化物半導体の屈折率となる。図９（ａ）に示すように、上記（１）式を満たす反射角θｒｅｆで、界面へ入射する光は反射される。
【００６１】
一方、ブラッグの回折条件から、界面にて光が透過する場合において、入射角θｉｎに対して透過角θｏｕｔが満たすべき条件は、
ｄ・（ｎ１・ｓｉｎθｉｎ−ｎ２・ｓｉｎθｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。本実施形態では、ｎ２は、サファイアの屈折率となる。図９（ｂ）に示すように、上記（２）式を満たす透過角θｏｕｔで、界面へ入射する光は透過される。
【００６２】
上記（１）式及び（２）式の回折条件を満たす反射角θｒｅｆ及び透過角θｏｕｔが存在するためには、回折面１０２ａの周期は、素子内部の光学波長である（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きくなければならない。一般的に知られているモスアイ構造は、周期が（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも小さく設定されており、回折光は存在しない。そして、回折面１０２ａの周期は、光が波としての性質を維持できるコヒーレント長より小さくなければならず、コヒーレント長の半分以下とすることが好ましい。コヒーレント長の半分以下とすることにより、回折による反射光及び透過光の強度を確保することができる。
【００６３】
図１０は、III属窒化物半導体層からサファイア基板へ入射する光の回折作用を示す説明図である。
図１０に示すように、発光素子１００において活性層１１４から等方的に放出される光のうち、サファイア基板１０２へ入射角θｉｎで入射する光は、上記（１）式を満たす反射角θｒｅｆで反射するとともに、上記（２）式を満たす透過角θｏｕｔで透過する。ここで、全反射臨界角以上の入射角θｉｎでは、強い反射光強度となる。反射光は、ｐ側電極１２０の反射面１２２にて反射して、再びモスアイ面１０２ａへ入射するが先に入射したときの入射角θｉｎと異なる入射角θｉｎで入射するため、先の入射条件とは異なる透過特性となる。
【００６４】
図１１は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。
回折面１０２ａに入射する光には、一般的な平坦面と同様に全反射の臨界角が存在する。ＧａＮ系半導体層とサファイア基板１０２との界面では、臨界角は約４５°である。図５に示すように、入射角θｉｎが４５°を超えた領域では、上記（２）式の回折条件を満たすｍ＝１，２，３，４での回折モードでの透過が可能である。ただし、発光素子１００の光出射面をなすサファイア基板１０２の裏面が平坦面であると、サファイア基板１０２と素子外部との全反射臨界角が存在するため、透過角θｏｕｔが当該臨界角以内でないと、透過光を発光素子１００の外部へ取り出すことはできない。仮に外部が空気である場合、サファイア基板１０２と空気の界面における臨界角は約±３４°となり、この場合における有効な回折モードはｍ＝２，３である。
【００６５】
図１２は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。
図１２に示すように、入射角が４５°を超えた領域では、上記（１）式の回折条件を満たすｍ’＝１，２，３，４での回折モードでの反射が可能である。これらの回折モードで反射した反射光は、ｐ側電極１２０の反射面１２２で反射され、再び回折面１０２ａへ入射する。このときの入射角θｉｎは、先に回折面１０２ａで反射された角度を維持しており、２回目の入射によって再び回折されることとなる。
【００６６】
図１３は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ１回目に入射する光の入射角と、界面での回折作用により反射した後、２回目に入射した光の界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。
図１３においては、２回目に入射した光の透過についてのモード指数ｌを、１回目に入射した際の反射についてのモード指数ｍと、２回目に入射した際の透過についてのモード指数ｍ’の和として定義しており、ｌ＝ｍ＋ｍ’である。２回目に入射した光の透過についてのモード指数ｌは、１回目の反射のモード指数ｍと、２回目の透過のモード指数ｍ’がいかなる値をとっても、モード指数ｌが同じであれば同様の透過特性を持っている。１回目に入射する光の透過特性では、ｍ’＝０が許容されていないが、２回目に入射する光の透過特性では、ｌ＝０が許容される。例えば、ｌ＝１の場合、（ｍ，ｍ’）＝（２，−１），（３，−２），（４，−３），（−１，２），（−２，３）の５つのモードが存在する。すなわち、ｌ＝１で透過する角度の光強度が比較的強いものとなる。回折面１０２ａにおける周期がコヒーレント長よりも無限に小さいと仮定すれば、高反射率のｐ側電極１２０の付加によって、回折作用によって取り出される光の増加分は約５倍となる。
【００６７】
このように、活性層１１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部１０２ｃが形成された回折面１０２ａと、回折面１０２ａにて回折した光を反射して回折面１０２ａへ再入射させる反射面１２０と、を備えることにより、サファイア基板１０２とIII族窒化物半導体層の界面にて、全反射臨界角を超える角度で入射する光についても回折作用を利用して素子外部へ光を取り出すことができる。本実施形態については、回折作用により光を取り出していることから、散乱作用により光を取り出すものとは異質な作用効果を奏し、発光素子１００の光取り出し効率を飛躍的に向上させることができる。
【００６８】
特に、本実施形態では、発光層としての活性層１１４を、回折面１０２ａと反射面１２０とで挟んでいるため、回折面１０２ａにて入射角θｉｎと異なる反射角θｉｎで反射した光を、先の入射角θｉｎと異なる角度で再び入射させることができる。このように、１回目と２回目で異なる条件で回折面１０２ａへ光が入射することから、多くの透過モードが存在し、光取り出しにおいて極めて有利である。
【００６９】
さらに、本実施形態では、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であり、サファイアの屈折率が１．８であることから、回折面１０２ａは屈折率の差が０．５以上の異なる材料同士の界面に形成されている。材料同士の屈折率の差が０．５以上であると、光取り出しが比較的不利であるが、本実施形態の発光素子１００では的確に光を取り出すことができ、実用に際して極めて有利である。
【００７０】
ここで、図１４を参照して回折面の周期と素子の発光出力の関係を説明する。図１４は、光学波長を２５８ｎｍとし、サファイア基板とIII属窒化物半導体層の界面に回折面を形成した場合の、回折面の周期と相対光出力の関係を示すグラフである。相対光出力は、サファイア基板とIII属窒化物半導体層の界面が平坦面における光出力を１．０としている。尚、図１４においては、活性層から回折面までの距離を３．０μｍ、回折面からサファイア基板の裏面までの距離を１００μｍとして、室温にて１．０ｍｍ角のチップに１００ｍＡの直流電流を流してデータを取得した。また、相対光出力が１．０倍で４０ｍＷに相当している。
【００７１】
図１４に示すように、回折面の周期が光学波長の１倍以下の領域では、全反射臨界角以下におけるフレネル反射抑制の作用によって光取り出し効率が向上する。そして、光学波長の１倍を超えて２倍以下の領域では、回折作用と、フレネル反射抑制の作用の両方を得ることができ、光取り出し効率が向上する。光学波長の２倍を超えて２．５倍以下の領域では、フレネル反射抑制の作用が消失するため、光取り出し効率が僅かに低下する。光学波長の２．５倍を超えると回折条件を満たす入射角が増えるために、再び光取り出し効率が向上する。そして、光学波長の３倍以上５倍以下の領域では、光取り出し効率は平坦面の３倍以上となる。ここで、図１４においては、周期について光学波長の６倍程度までしか図示していないが、周期がコヒーレント長の半分になると発光出力は平坦面の２．０倍程度となり、コヒーレント長となると発光出力は平坦面の１．８倍程度となる。コヒーレント長においても出力が平坦面よりも大きいのは、凹部又は凸部による散乱効果を得ることができるからである。このように、界面における回折作用は、周期が光学波長の１．０倍を超えると得られるが、光学波長の２．５倍を超えると発光素子１の光出力が顕著に増大することが理解される。
【００７２】
ここで、図１５及び図１６を参照して発光素子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１５は、サファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は回折面に第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。
【００７３】
まず、図１５（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ＳｉＯ２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。
【００７４】
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。
【００７５】
次いで、図１５（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。
【００７６】
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。
【００７７】
次に、図１５（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。
【００７８】
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に一括して複数の発光素子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、複数の発光素子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。
【００７９】
この後、図１５（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／ｃｍ２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。
【００８０】
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１５（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。
【００８１】
次いで、図１５（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。
【００８２】
図１６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回折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。
【００８３】
図１６（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。
【００８４】
次いで、図１６（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ＳｉＯ２で第２マスク層１３６がＮｉである場合、ＳＦ６等のフッ素系ガスを用いると、ＮｉはＳｉＯ２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。
【００８５】
この後、図１６（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ＳｉＯ２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。
【００８６】
そして、図１６（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、ＢＣｌ３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。
【００８７】
この後、図１６（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ＳｉＯ２が用いられている場合は希弗酸を用いることができる。
【００８８】
以上のように作製されたサファイア基板１０２の回折面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発光素子１００に分割することにより、発光素子１００が製造される。
【００８９】
以上のように発光素子１００を製造すると、サファイア基板１０２の回折面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位の終端が生じるので、III族窒化物半導体層にて転位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、転位の密度が比較的低い結晶となっており、回折面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。
【００９０】
尚、前記実施形態における活性層１１４の発光波長や、回折面１０２ａの周期は任意であるが、活性層１１４が青色光を発する場合は、回折面１０２ａの周期を３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下とすると良好な光取り出し特性を得ることができる。
【００９１】
また、前記実施形態においては、発光素子１００がフリップチップ型であるものを示したが、例えば図１７に示すように、発光素子２００をフェイスアップ型としてもよい。図１７の発光素子２００は、サファイア基板２０２上に、III族窒化物半導体層が、バッファ層２１０、ｎ型ＧａＮ層２１２、多重量子井戸活性層２１４、電子ブロック層２１６、ｐ型ＧａＮ層２１８がこの順に形成され、ｐ型ＧａＮ層２１８上に例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなるｐ側透明電極２２０が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層２１２上にはｎ側電極２２４が形成されている。サファイア基板２０２の裏面側には、例えばＡｌからなる反射膜２２６が形成されている。この発光素子２００においては、反射膜２２６のサファイア基板２０２側の面が反射面２２８をなしており、活性層２１４から発せられた光が回折面２０２ａを回折作用によって透過し、透過した光を反射面２２８にて反射する。これにより、回折作用により透過した光を回折面２０２ａに再入射させて、回折面２０２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。
【００９２】
また、前記実施形態においては、サファイア基板１０２とIII族窒化物半導体の界面に回折面１０２ａを形成したものを示したが、例えば図１８に示すように、発光素子３００の表面に回折面３１２ａを形成してもよい。図１８の発光素子３００は、いわゆる薄膜型の発光ダイオードであり、導電性基板３０２の上に高反射材料からなるｐ側電極３２０、ｐ型ＧａＮ層３１８、電子ブロック層３１６、多重量子井戸活性層３１４、ｎ型ＧａＮ層３１２がこの順で形成されている。ｎ型ＧａＮ層３１２の表面の中央にはｎ側電極３２４が形成され、ｎ型ＧａＮ層３１２におけるｎ側電極３２４以外の部分は素子表面をなし、この部分に回折面３１２ａが形成されている。この発光素子３００においては、前記実施形態と同様に、回折面３１２ａとｐ側電極３２０の反射面３２２は、活性層３１４を挟んで互いに反対側に配置されている。この発光素子３００は、回折面３１２ａは、ｎ型ＧａＮ層３１２と素子外部の媒質との界面をなし、当該界面にて回折作用を得ることができる。
【００９３】
また、前記実施形態においては、回折面１０２ａに複数の凹部１０２ｃが形成されたものを示したが、例えば図１９に示すように、サファイア基板４０２の回折面４０２ａに複数の凸部４０２ｃを形成してもよい。図１９の発光素子４００は、図１７の発光素子２００の回折面４０２ａを変更したものであり、角柱状の凸部４０２ｃが所定の周期で仮想の正方格子の交点に整列して形成される。さらに、凹部又は凸部を三角錐状、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も適宜に変更可能であることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の半導体発光素子は、光取り出し効率を向上させることができるので、産業上有用である。
【符号の説明】
【００９５】
１ 発光素子
２ サファイア基板
２ａ 回折面
２ｂ 平坦部
２ｃ 凸部
２ｄ 側面
２ｅ 湾曲部
２ｆ 上面
１０ バッファ層
１２ ｎ型ＧａＮ層
１４ 多重量子井戸活性層
１６ 電子ブロック層
１８ ｐ型ＧａＮ層
２０ ｐ側電極
２０ａ 回折面
２２ 反射面
２４ ｎ側電極
２６ 反射膜
２８ 反射面
３０ 第１マスク層
３０ａ 開口
３２ レジスト層
３２ａ 開口
３４ ステンシルマスク
３４ａ 開口
３６ 第２マスク層
１００ 発光素子
１０２ サファイア基板
１０２ａ 回折面
１０２ｂ 平坦部
１０２ｃ 凹部
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
１１９ 半導体積層部
１２０ ｐ側電極
１２２ 反射面
１２４ ｎ側電極
１３０ 第１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
１３６ 第２マスク層
２００ 発光素子
２０２ サファイア基板
２０２ａ 回折面
２１０ バッファ層
２１２ ｎ型ＧａＮ層
２１４ 多重量子井戸活性層
２１６ 電子ブロック層
２１８ ｐ型ＧａＮ層
２２０ ｐ側透明電極
２２４ ｎ側電極
２２６ 反射膜
２２８ 反射面
３００ 発光素子
３０２ 導電性基板
３１０ バッファ層
３１２ ｎ型ＧａＮ層
３１２ａ 回折面
３１４ 多重量子井戸活性層
３１６ 電子ブロック層
３１８ ｐ型ＧａＮ層
３２０ ｐ側電極
３２２ 反射面
４００ 発光素子
４０２ａ 回折面
４０２ｃ 凸部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
低温堆積緩衝層技術、ｐ型伝導性制御、ｎ型伝導性制御、高効率発光層の作製法等の基幹技術の積み重ねにより、高輝度の青色、緑色、白色等の発光ダイオードが既に実用化されている。現在、発光ダイオードにおいては、半導体の屈折率が基板、空気等の屈折率よりも大きく、発光層から発せられた光の多くの部分が全反射もしくはフレネル反射により発光ダイオードの外部に取り出せないため、光取り出し効率の向上が課題となっている。
【０００３】
この課題を解決するために、半導体表面に数ミクロン周期の凹凸加工を施した構造が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。半導体表面の光取り出し側に凹凸構造を設けると、光散乱の効果により全反射は消失し、比較的広い放射角にわたって５０％程度の透過率を得ることができ、光取り出し効率を５０％程度まで向上させることができる。
【０００４】
さらに、凹凸構造の周期を発光ダイオードの光学波長の２倍以下まで小さくし、光取り出し効率を向上させることも提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、数ミクロン周期の凹凸構造とは光取り出しのメカニズムが異なり、光の波動性が顕在化して、屈折率の境界が消失してフレネル反射が抑制される。このような構造は、フォトニック結晶や、モスアイ構造と呼ばれており、光取り出し効率を５０％程度までは向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３５４０２０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics Vol.41, 2004, L1431
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に上げられた光取り出し効率の向上は限定的であり、さらなる効率の向上が望まれている。
【０００８】
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、光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明では、基板の表面上に形成され、発光層を含む半導体積層部と、前記基板の表面側に形成され、前記発光層から発せられる光が入射し、当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、前記基板の裏面側に形成され、前記回折面にて回折した光を反射して前記回折面へ再入射させる反射面と、を備える半導体発光素子が提供される。
【００１０】
上記半導体発光素子において、前記凹部又は前記凸部の周期は、前記光学波長の２倍より大きくともよい。
【００１１】
上記半導体発光素子において、前記凹部又は前記凸部の周期は、前記コヒーレント長の半分以下であってもよい。
【００１２】
上記半導体発光素子において、前記発光層は、青色光を発し、前記周期は、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であってもよい。
【００１３】
上記半導体発光素子において、前記回折面は、屈折率の差が０．５以上の異なる材料同士の界面に形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体発光素子によれば、光取り出し効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図２】図２はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ−Ａ断面を示す模式説明図、（ｃ）が模式拡大説明図である。
【図３】図３はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は回折面に第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４】図４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回折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、（ｆ）はウェットエッチングにより凸部に湾曲部を形成した状態を示す。
【図５】図５は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図６】図６は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図８】図８はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＢ−Ｂ断面を示す模式縦断面図である。
【図９】図９は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
【図１０】図１０は、III属窒化物半導体層からサファイア基板へ入射する光の回折作用を示す説明図である。
【図１１】図１１は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ１回目に入射する光の入射角と、界面での回折作用により反射した後、２回目に入射した光の界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。
【図１４】図１４は、光学波長を２５８ｎｍとし、サファイア基板とIII属窒化物半導体層の界面に回折面を形成した場合の、回折面の周期と相対光出力の関係を示すグラフである。
【図１５】図１５はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は回折面に第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１６】図１６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回折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１７】図１７は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図１８】図１８は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図１９】図１９は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１から図４は本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１は発光素子の模式断面図である。
【００１７】
図１に示すように、発光素子１は、回折面２ａを有するサファイア基板２の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１９が形成されたものである。この発光素子１は、フェイスアップ型であり、サファイア基板２と反対側から主として光が取り出される。III族窒化物半導体層は、バッファ層１０、ｎ型ＧａＮ層１２、多重量子井戸活性層１４、電子ブロック層１６、ｐ型ＧａＮ層１８をサファイア基板２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１８上にはｐ側電極２０が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１２上にはｎ側電極２４が形成されている。
【００１８】
サファイア基板２は、窒化物半導体が成長されるｃ面（｛０００１｝）である回折面２ａを表面側に有している。回折面２ａには、平坦部２ｂ（図２（ａ）参照）と、平坦部２ｂに周期的に形成された複数の凸部２ｃ（図２（ａ）参照）と、が形成されている。各凸部２ｃの形状は、円錐、多角錘等の錘状の他、錘の上部を切り落とした円錘台、多角錘台等の錘台状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部２ｃにより、光の回折作用を得ることができる。
【００１９】
サファイア基板２の裏面側には、例えばＡｌからなる反射膜２６が形成されている。この発光素子１においては、反射膜２６のサファイア基板２側の面が反射面２８をなしており、活性層１４から発せられた光が回折面２ａを回折作用によって透過し、透過した光を反射面２８にて反射する。これにより、回折作用により透過した光を回折面２ａに再入射させて、回折面２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。
【００２０】
バッファ層１０は、サファイア基板２の回折面２ａ上に形成され、ＡｌＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１０は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成されるが、スパッタリング法を用いることもできる。また、バッファ層１０は、各凸部２ｃに沿って周期的に形成される複数の錘台状の凹部を回折面２ａ側に有している。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１２は、バッファ層１０上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層としての多重量子井戸活性層１４は、ｎ型ＧａＮ層１２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青色光を発する。ここで、青色光とは、例えば、ピーク波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光をいうものとする。本実施形態においては、多重量子井戸活性層１４の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。
【００２１】
電子ブロック層１６は、多重量子井戸活性層１４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１８は、電子ブロック層１６上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。ｎ型ＧａＮ層１２からｐ型ＧａＮ層１８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２の回折面２ａには周期的に凸部２ｃ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。
【００２２】
ｐ側電極２０は、ｐ型ＧａＮ層１８上に形成され、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明な材料からなる。本実施形態においては、ｐ側電極１２０は、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。
【００２３】
ｎ側電極２４は、ｐ型ＧａＮ層１８からｎ型ＧａＮ層１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１２上に形成される。ｎ側電極２４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。
【００２４】
次いで、図２を参照してサファイア基板２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Ａ−Ａ断面を示す模式説明図、（ｃ）が模式拡大説明図である。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、回折面２ａは、平面視にて、各凸部２ｃの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部２ｃにおける高さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ２／Δλ）の関係にある。ここで、各凸部２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１４から発せられる光の光学波長の２倍より大きいことが好ましい。また、各凸部２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１４から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。
【００２６】
本実施形態においては、各凸部２ｃの周期は、５００ｎｍである。活性層１４から発せられる光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、活性層１４から発せられる光の半値幅は６３ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、３２１４ｎｍである。すなわち、回折面２ａの周期は、活性層１４の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
【００２７】
本実施形態においては、図２（ｃ）に示すように、回折面２ａの各凸部２ｃは、平坦部２ｂから上方へ伸びる側面２ｄと、側面２ｄの上端から凸部２ｃの中心側へ湾曲して伸びる湾曲部２ｅと、湾曲部２ｅと連続的に形成される平坦な上面２ｆとを有する。後述するように、側面２ｄと上面２ｆの会合部により角が形成された湾曲部２ｅ形成前の凸部２ｃ（図４（ｅ）参照）のウエットエッチングにより、角を落とすことで湾曲部２ｅが形成される。尚、平坦な上面２ｆが消失して凸部２ｃの上側全体が湾曲部２ｅとなるまでウェットエッチングを施すようにしても差し支えない。本実施形態においては、具体的に、各凸部２ｃは、基端部の直径が２００ｎｍであり、高さは２５０ｎｍとなっている。サファイア基板２の回折面２ａは、各凸部２ｃの他は平坦部２ｂ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。
【００２８】
ここで、図３及び図４を参照して発光素子１用のサファイア基板２の作製方法について説明する。図３は、サファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は回折面に第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。
【００２９】
まず、図３（ａ）に示すように、平板状のサファイア基板２を用意し、サファイア基板２の表面に第１マスク層３０を形成する。第１マスク層３０は、例えばＳｉＯ２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３０の厚さは、任意であるが、例えば１．０μｍである。
【００３０】
次いで、図３（ｂ）に示すように、サファイア基板２の第１マスク層３０上にレジスト層３２を形成する。レジスト層３２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３０上に塗布される。レジスト層３２の厚さは、任意であるが、例えば１００ｎｍから２．０μｍである。
【００３１】
次に、図３（ｃ）に示すように、レジスト層３２と離隔してステンシルマスク３４をセットする。レジスト層３２とステンシルマスク３４との間は、１．０μｍ〜１００μｍの隙間があけられる。ステンシルマスク３４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３４は、電子線を選択的に透過する開口３４ａを有している。
【００３２】
この後、図３（ｃ）に示すように、ステンシルマスク３４へ電子線を照射し、レジスト層３２をステンシルマスク３４の各開口３４ａを通過した電子線に曝す。具体的には、例えば、１０〜１００μＣ／ｃｍ２の電子ビームを用いて、ステンシルマスク３４のパターンをレジスト層３２に転写する。
【００３３】
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３２を現像する。これにより、図３（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３２ａが形成される。レジスト層３２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。
【００３４】
次いで、図３（ｅ）に示すように、レジスト層３２がパターンニングされた第１マスク層３０上に、第２マスク層３６を形成する。このようにして、第１マスク層３０上に第２マスク層３６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３６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３６の厚さは、任意であるが、例えば２０ｎｍである。
【００３５】
図４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回折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、（ｆ）はウェットエッチングにより凸部に湾曲部を形成した状態を示す。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、レジスト層３２を剥離液を用いて除去する。例えば、レジスト層３２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。これにより、第１マスク層３０上に、ステンシルマスク３４の開口３４ａのパターンを反転させた第２マスク層３６のパターンが形成される。
【００３７】
次いで、図４（ｂ）に示すように、第２マスク層３６をマスクとして、第１マスク層３０のドライエッチングを行う。これにより、第１マスク層３０に開口３０ａが形成され、第１マスク層３０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３６に比してサファイア基板２及び第１マスク層３０が耐性を有するものが用いられる。例えば、第１マスク層３０がＳｉＯ２で第２マスク層３６がＮｉである場合、ＳＦ６等のフッ素系ガスを用いると、ＮｉはＳｉＯ２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３０のパターンニングを的確に行うことができる。
【００３８】
この後、図４（ｃ）に示すように、第１マスク層３０上の第２マスク層３６を除去する。第１マスク層３０がＳｉＯ２であり、第２マスク層３６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。
【００３９】
そして、図４（ｄ）に示すように、第１マスク層３０をマスクとして、サファイア基板２のドライエッチングを行う。このとき、サファイア基板２のうち第１マスク層３０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２にステンシルマスク３４の各開口３４ａ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３０は、サファイア基板２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３０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２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。ここで、エッチングガスとしては、例えば、ＢＣｌ３等の塩素系ガスが用いられる。
【００４０】
この後、図４（ｅ）に示すように、所定の剥離液を用いてサファイア基板２上に残った第１マスク層３０を除去する。これにより、側面２ｄと上面２ｆの会合部により角が形成された湾曲部２ｅ形成前の凸部２ｃが形成される。剥離液としては、例えば、第１マスク層３０にＳｉＯ２が用いられている場合は希弗酸を用いることができる。
【００４１】
そして、図４（ｆ）に示すように、ウェットエッチングにより凸部２ｃの角を除去して湾曲部２ｅを形成する。ここで、エッチング液は任意であるが、例えば１６０℃程度に加温したリン酸水溶液、いわゆる“熱リン酸”を用いることができる。尚、エッチング方式としてドライエッチングのような他の方式を用いてもよく、要は凸部２ｃの角に湾曲部２ｅが形成されればよい。
【００４２】
以上のように作製されたサファイア基板２の回折面２ａ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発光素子１に分割することにより、発光素子１が製造される。
【００４３】
以上のように構成された発光素子１では、活性層１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部２ｃが形成された回折面２ａと、回折面２ａにて回折した光を反射して回折面２ａへ再入射させる反射面２８と、を備えることにより、サファイア基板２とIII族窒化物半導体層の界面にて、全反射臨界角を超える角度で入射する光についても回折作用を利用して素子外部へ光を取り出すことができる。具体的には、回折作用により透過した光を回折面２ａに再入射させて、回折面２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。本実施形態については、回折作用により光を取り出していることから、散乱作用により光を取り出すものとは異質な作用効果を奏し、発光素子１の光取り出し効率を飛躍的に向上させることができる。
【００４４】
ここで、凸部２ｃが短い周期で形成されているので、単位面積あたりの凸部２ｃの数が多くなる。凸部２ｃがコヒーレント長の２倍を超える場合は、この凸部２ｃに転位の起点となる角部が存在したとしても、転位密度が小さいために発光効率には殆ど影響を与えない。しかしながら、凸部２ｃの周期がコヒーレント長より小さくなると、半導体積層部１９のバッファ層１０中の転位密度が大きくなり、発光効率の低下が顕著となる。この傾向は、周期が１μｍ以下となるとさらに顕著になる。これは、凸部２ｃの周期をコヒーレント以下まで小さくした場合の新規の課題であり、従来公知の文献では発せられた光の取り出し効率にのみ着目して周期を短くする点についての開示があるが、発光効率の低下については一切考慮されていない。尚、発光効率の低下は、バッファ層１０の製法によらず発生し、ＭＯＣＶＤ法で形成されていても、スパッタリング法で形成されていても生じる。本実施形態においては、各凸部２ｃの上側に転位の起点となる角部がないので、バッファ層１０の形成時に当該角部を起点として転位が生じることはない。この結果、多重量子井戸活性層１４においても、転位の密度が比較的小さい結晶となっており、回折面２ａに凸部２ｃ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く、上記の新規な課題を解決したものといえる。
【００４５】
また、本実施形態の発光素子１によれば、サファイア基板２の回折面２ａに凸部２ｃ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位の終端が生じるので、これによってもIII族窒化物半導体層にて転位の密度が比較的小さい結晶が得られている。この結果、多重量子井戸活性層１４においても、転位の密度が比較的小さい結晶となっており、回折面２ａに凸部２ｃ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。
【００４６】
尚、前記実施形態においては、発光素子１がフェイスアップ型であるものを示したが、例えば図５に示すように、発光素子１をフリップチップ型としてもよい。図５の発光素子１は、サファイア基板２上に、バッファ層１０、ｎ型ＧａＮ層１２、多重量子井戸活性層１４、電子ブロック層１６、ｐ型ＧａＮ層１８がこの順に形成され、ｐ型ＧａＮ層１８上に例えばＡｇ系、Ｒｈ系等の反射性材料からなるｐ側電極２０が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１２上にはｎ側電極２４が形成されている。この場合、ｐ側電極２０のｐ型ＧａＮ層１８側の面が反射面２２をなす。
【００４７】
また、例えば図６に示すように、ｐ側電極２０の表面に第２の回折面２０ａを形成してもよい。この第２の回折面２０ａの凹凸周期も、多重量子井戸活性層１４から発せられる光のコヒーレント長より小さくすることが望ましい。これにより、サファイア基板２の回折面２ａと、ｐ側電極２０の回折面２０ａの両方の回折作用を得ることができる。
【００４８】
図７から図１６は本発明の第２の実施形態を示すものであり、図７は発光素子の模式断面図である。
【００４９】
図７に示すように、発光素子１００は、回折面１０２ａを有するサファイア基板１０２上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１１９が形成されたものである。この発光素子１００は、フリップチップ型であり、サファイア基板１０２の裏面（図１中は上面）から主として光が取り出される。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側電極１２０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。
【００５０】
サファイア基板１０２は、窒化物半導体が成長されるｃ面（｛０００１｝）である回折面１０２ａを有している。回折面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。各凹部１０２ｃの形状は、円錐、多角錘等の形状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凹部１０２ｃにより、光の回折作用を得ることができる。
【００５１】
バッファ層１１０は、サファイア基板１０２の回折面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回折面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。発光層としての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青色光を発する。ここで、青色光とは、例えば、ピーク波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光をいうものとする。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。
【００５２】
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の回折面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。
【００５３】
ｐ側電極１２０は、ｐ型ＧａＮ層１１８上に形成され、ｐ側ＧａＮ層１１８側の面が反射面１２２をなしている。ｐ側電極１２０は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光に対して高い反射率を有する。ｐ側電極１２０は、活性層１１４から発せられる光に対して８０％以上の反射率を有することが好ましい。本実施形態においては、ｐ側電極１２０は、例えばＡｇ系、Ｒｈ系の材料からなり、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。
【００５４】
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。
【００５５】
次いで、図８を参照してサファイア基板１０２について詳述する。図８はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＢ−Ｂ断面を示す模式縦断面図である。
【００５６】
図８（ａ）に示すように、回折面１０２ａ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、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凹部１０２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。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。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ２／Δλ）の関係にある。ここで、各凹部１０２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光の光学波長の２倍より大きいことが好ましい。また、各凹部１０２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。
【００５７】
本実施形態においては、各凹部１０２ｃの周期は、５００ｎｍである。活性層１１４から発せられる光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、活性層１１４から発せられる光の半値幅は６３ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、３２１４ｎｍである。すなわち、回折面１０２ａの周期は、活性層１１４の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
【００５８】
本実施形態においては、図８（ｂ）に示すように、回折面１０２ａの各凹部１０２ｃは、円錐状に形成される。具体的に、各凹部１０２ｃは、基端部の直径が２００ｎｍであり、深さは２５０ｎｍとなっている。サファイア基板１０２の回折面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。
【００５９】
図９は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
【００６０】
ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θｉｎに対して反射角θｒｅｆが満たすべき条件は、
ｄ・ｎ１・（ｓｉｎθｉｎ−ｓｉｎθｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。本実施形態では、ｎ１は、III族窒化物半導体の屈折率となる。図９（ａ）に示すように、上記（１）式を満たす反射角θｒｅｆで、界面へ入射する光は反射される。
【００６１】
一方、ブラッグの回折条件から、界面にて光が透過する場合において、入射角θｉｎに対して透過角θｏｕｔが満たすべき条件は、
ｄ・（ｎ１・ｓｉｎθｉｎ−ｎ２・ｓｉｎθｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。本実施形態では、ｎ２は、サファイアの屈折率となる。図９（ｂ）に示すように、上記（２）式を満たす透過角θｏｕｔで、界面へ入射する光は透過される。
【００６２】
上記（１）式及び（２）式の回折条件を満たす反射角θｒｅｆ及び透過角θｏｕｔが存在するためには、回折面１０２ａの周期は、素子内部の光学波長である（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きくなければならない。一般的に知られているモスアイ構造は、周期が（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも小さく設定されており、回折光は存在しない。そして、回折面１０２ａの周期は、光が波としての性質を維持できるコヒーレント長より小さくなければならず、コヒーレント長の半分以下とすることが好ましい。コヒーレント長の半分以下とすることにより、回折による反射光及び透過光の強度を確保することができる。
【００６３】
図１０は、III属窒化物半導体層からサファイア基板へ入射する光の回折作用を示す説明図である。
図１０に示すように、発光素子１００において活性層１１４から等方的に放出される光のうち、サファイア基板１０２へ入射角θｉｎで入射する光は、上記（１）式を満たす反射角θｒｅｆで反射するとともに、上記（２）式を満たす透過角θｏｕｔで透過する。ここで、全反射臨界角以上の入射角θｉｎでは、強い反射光強度となる。反射光は、ｐ側電極１２０の反射面１２２にて反射して、再びモスアイ面１０２ａへ入射するが先に入射したときの入射角θｉｎと異なる入射角θｉｎで入射するため、先の入射条件とは異なる透過特性となる。
【００６４】
図１１は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。
回折面１０２ａに入射する光には、一般的な平坦面と同様に全反射の臨界角が存在する。ＧａＮ系半導体層とサファイア基板１０２との界面では、臨界角は約４５°である。図５に示すように、入射角θｉｎが４５°を超えた領域では、上記（２）式の回折条件を満たすｍ＝１，２，３，４での回折モードでの透過が可能である。ただし、発光素子１００の光出射面をなすサファイア基板１０２の裏面が平坦面であると、サファイア基板１０２と素子外部との全反射臨界角が存在するため、透過角θｏｕｔが当該臨界角以内でないと、透過光を発光素子１００の外部へ取り出すことはできない。仮に外部が空気である場合、サファイア基板１０２と空気の界面における臨界角は約±３４°となり、この場合における有効な回折モードはｍ＝２，３である。
【００６５】
図１２は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。
図１２に示すように、入射角が４５°を超えた領域では、上記（１）式の回折条件を満たすｍ’＝１，２，３，４での回折モードでの反射が可能である。これらの回折モードで反射した反射光は、ｐ側電極１２０の反射面１２２で反射され、再び回折面１０２ａへ入射する。このときの入射角θｉｎは、先に回折面１０２ａで反射された角度を維持しており、２回目の入射によって再び回折されることとなる。
【００６６】
図１３は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ１回目に入射する光の入射角と、界面での回折作用により反射した後、２回目に入射した光の界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。
図１３においては、２回目に入射した光の透過についてのモード指数ｌを、１回目に入射した際の反射についてのモード指数ｍと、２回目に入射した際の透過についてのモード指数ｍ’の和として定義しており、ｌ＝ｍ＋ｍ’である。２回目に入射した光の透過についてのモード指数ｌは、１回目の反射のモード指数ｍと、２回目の透過のモード指数ｍ’がいかなる値をとっても、モード指数ｌが同じであれば同様の透過特性を持っている。１回目に入射する光の透過特性では、ｍ’＝０が許容されていないが、２回目に入射する光の透過特性では、ｌ＝０が許容される。例えば、ｌ＝１の場合、（ｍ，ｍ’）＝（２，−１），（３，−２），（４，−３），（−１，２），（−２，３）の５つのモードが存在する。すなわち、ｌ＝１で透過する角度の光強度が比較的強いものとなる。回折面１０２ａにおける周期がコヒーレント長よりも無限に小さいと仮定すれば、高反射率のｐ側電極１２０の付加によって、回折作用によって取り出される光の増加分は約５倍となる。
【００６７】
このように、活性層１１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部１０２ｃが形成された回折面１０２ａと、回折面１０２ａにて回折した光を反射して回折面１０２ａへ再入射させる反射面１２０と、を備えることにより、サファイア基板１０２とIII族窒化物半導体層の界面にて、全反射臨界角を超える角度で入射する光についても回折作用を利用して素子外部へ光を取り出すことができる。本実施形態については、回折作用により光を取り出していることから、散乱作用により光を取り出すものとは異質な作用効果を奏し、発光素子１００の光取り出し効率を飛躍的に向上させることができる。
【００６８】
特に、本実施形態では、発光層としての活性層１１４を、回折面１０２ａと反射面１２０とで挟んでいるため、回折面１０２ａにて入射角θｉｎと異なる反射角θｉｎで反射した光を、先の入射角θｉｎと異なる角度で再び入射させることができる。このように、１回目と２回目で異なる条件で回折面１０２ａへ光が入射することから、多くの透過モードが存在し、光取り出しにおいて極めて有利である。
【００６９】
さらに、本実施形態では、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であり、サファイアの屈折率が１．８であることから、回折面１０２ａは屈折率の差が０．５以上の異なる材料同士の界面に形成されている。材料同士の屈折率の差が０．５以上であると、光取り出しが比較的不利であるが、本実施形態の発光素子１００では的確に光を取り出すことができ、実用に際して極めて有利である。
【００７０】
ここで、図１４を参照して回折面の周期と素子の発光出力の関係を説明する。図１４は、光学波長を２５８ｎｍとし、サファイア基板とIII属窒化物半導体層の界面に回折面を形成した場合の、回折面の周期と相対光出力の関係を示すグラフである。相対光出力は、サファイア基板とIII属窒化物半導体層の界面が平坦面における光出力を１．０としている。尚、図１４においては、活性層から回折面までの距離を３．０μｍ、回折面からサファイア基板の裏面までの距離を１００μｍとして、室温にて１．０ｍｍ角のチップに１００ｍＡの直流電流を流してデータを取得した。また、相対光出力が１．０倍で４０ｍＷに相当している。
【００７１】
図１４に示すように、回折面の周期が光学波長の１倍以下の領域では、全反射臨界角以下におけるフレネル反射抑制の作用によって光取り出し効率が向上する。そして、光学波長の１倍を超えて２倍以下の領域では、回折作用と、フレネル反射抑制の作用の両方を得ることができ、光取り出し効率が向上する。光学波長の２倍を超えて２．５倍以下の領域では、フレネル反射抑制の作用が消失するため、光取り出し効率が僅かに低下する。光学波長の２．５倍を超えると回折条件を満たす入射角が増えるために、再び光取り出し効率が向上する。そして、光学波長の３倍以上５倍以下の領域では、光取り出し効率は平坦面の３倍以上となる。ここで、図１４においては、周期について光学波長の６倍程度までしか図示していないが、周期がコヒーレント長の半分になると発光出力は平坦面の２．０倍程度となり、コヒーレント長となると発光出力は平坦面の１．８倍程度となる。コヒーレント長においても出力が平坦面よりも大きいのは、凹部又は凸部による散乱効果を得ることができるからである。このように、界面における回折作用は、周期が光学波長の１．０倍を超えると得られるが、光学波長の２．５倍を超えると発光素子１の光出力が顕著に増大することが理解される。
【００７２】
ここで、図１５及び図１６を参照して発光素子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１５は、サファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は回折面に第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。
【００７３】
まず、図１５（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ＳｉＯ２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。
【００７４】
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。
【００７５】
次いで、図１５（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。
【００７６】
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。
【００７７】
次に、図１５（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。
【００７８】
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に一括して複数の発光素子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、複数の発光素子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。
【００７９】
この後、図１５（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／ｃｍ２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。
【００８０】
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１５（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。
【００８１】
次いで、図１５（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。
【００８２】
図１６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回折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。
【００８３】
図１６（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。
【００８４】
次いで、図１６（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ＳｉＯ２で第２マスク層１３６がＮｉである場合、ＳＦ６等のフッ素系ガスを用いると、ＮｉはＳｉＯ２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。
【００８５】
この後、図１６（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ＳｉＯ２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。
【００８６】
そして、図１６（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、ＢＣｌ３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。
【００８７】
この後、図１６（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ＳｉＯ２が用いられている場合は希弗酸を用いることができる。
【００８８】
以上のように作製されたサファイア基板１０２の回折面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発光素子１００に分割することにより、発光素子１００が製造される。
【００８９】
以上のように発光素子１００を製造すると、サファイア基板１０２の回折面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位の終端が生じるので、III族窒化物半導体層にて転位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、転位の密度が比較的低い結晶となっており、回折面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。
【００９０】
尚、前記実施形態における活性層１１４の発光波長や、回折面１０２ａの周期は任意であるが、活性層１１４が青色光を発する場合は、回折面１０２ａの周期を３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下とすると良好な光取り出し特性を得ることができる。
【００９１】
また、前記実施形態においては、発光素子１００がフリップチップ型であるものを示したが、例えば図１７に示すように、発光素子２００をフェイスアップ型としてもよい。図１７の発光素子２００は、サファイア基板２０２上に、III族窒化物半導体層が、バッファ層２１０、ｎ型ＧａＮ層２１２、多重量子井戸活性層２１４、電子ブロック層２１６、ｐ型ＧａＮ層２１８がこの順に形成され、ｐ型ＧａＮ層２１８上に例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなるｐ側透明電極２２０が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層２１２上にはｎ側電極２２４が形成されている。サファイア基板２０２の裏面側には、例えばＡｌからなる反射膜２２６が形成されている。この発光素子２００においては、反射膜２２６のサファイア基板２０２側の面が反射面２２８をなしており、活性層２１４から発せられた光が回折面２０２ａを回折作用によって透過し、透過した光を反射面２２８にて反射する。これにより、回折作用により透過した光を回折面２０２ａに再入射させて、回折面２０２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。
【００９２】
また、前記実施形態においては、サファイア基板１０２とIII族窒化物半導体の界面に回折面１０２ａを形成したものを示したが、例えば図１８に示すように、発光素子３００の表面に回折面３１２ａを形成してもよい。図１８の発光素子３００は、いわゆる薄膜型の発光ダイオードであり、導電性基板３０２の上に高反射材料からなるｐ側電極３２０、ｐ型ＧａＮ層３１８、電子ブロック層３１６、多重量子井戸活性層３１４、ｎ型ＧａＮ層３１２がこの順で形成されている。ｎ型ＧａＮ層３１２の表面の中央にはｎ側電極３２４が形成され、ｎ型ＧａＮ層３１２におけるｎ側電極３２４以外の部分は素子表面をなし、この部分に回折面３１２ａが形成されている。この発光素子３００においては、前記実施形態と同様に、回折面３１２ａとｐ側電極３２０の反射面３２２は、活性層３１４を挟んで互いに反対側に配置されている。この発光素子３００は、回折面３１２ａは、ｎ型ＧａＮ層３１２と素子外部の媒質との界面をなし、当該界面にて回折作用を得ることができる。
【００９３】
また、前記実施形態においては、回折面１０２ａに複数の凹部１０２ｃが形成されたものを示したが、例えば図１９に示すように、サファイア基板４０２の回折面４０２ａに複数の凸部４０２ｃを形成してもよい。図１９の発光素子４００は、図１７の発光素子２００の回折面４０２ａを変更したものであり、角柱状の凸部４０２ｃが所定の周期で仮想の正方格子の交点に整列して形成される。さらに、凹部又は凸部を三角錐状、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も適宜に変更可能であることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の半導体発光素子は、光取り出し効率を向上させることができるので、産業上有用である。
【符号の説明】
【００９５】
１ 発光素子
２ サファイア基板
２ａ 回折面
２ｂ 平坦部
２ｃ 凸部
２ｄ 側面
２ｅ 湾曲部
２ｆ 上面
１０ バッファ層
１２ ｎ型ＧａＮ層
１４ 多重量子井戸活性層
１６ 電子ブロック層
１８ ｐ型ＧａＮ層
２０ ｐ側電極
２０ａ 回折面
２２ 反射面
２４ ｎ側電極
２６ 反射膜
２８ 反射面
３０ 第１マスク層
３０ａ 開口
３２ レジスト層
３２ａ 開口
３４ ステンシルマスク
３４ａ 開口
３６ 第２マスク層
１００ 発光素子
１０２ サファイア基板
１０２ａ 回折面
１０２ｂ 平坦部
１０２ｃ 凹部
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
１１９ 半導体積層部
１２０ ｐ側電極
１２２ 反射面
１２４ ｎ側電極
１３０ 第１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
１３６ 第２マスク層
２００ 発光素子
２０２ サファイア基板
２０２ａ 回折面
２１０ バッファ層
２１２ ｎ型ＧａＮ層
２１４ 多重量子井戸活性層
２１６ 電子ブロック層
２１８ ｐ型ＧａＮ層
２２０ ｐ側透明電極
２２４ ｎ側電極
２２６ 反射膜
２２８ 反射面
３００ 発光素子
３０２ 導電性基板
３１０ バッファ層
３１２ ｎ型ＧａＮ層
３１２ａ 回折面
３１４ 多重量子井戸活性層
３１６ 電子ブロック層
３１８ ｐ型ＧａＮ層
３２０ ｐ側電極
３２２ 反射面
４００ 発光素子
４０２ａ 回折面
４０２ｃ 凸部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含む半導体積層部と、
前記発光層から発せられる光が入射し、当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成され、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで反射するとともに、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで透過する回折面と、を備え、
前記半導体積層部は、前記回折面上に形成され、
前記回折面の前記凹部又は前記凸部は、側面と、前記側面の上端から前記凹部又は前記凸部の中心側へ湾曲して伸びる湾曲部と、を有する半導体発光素子。
【請求項２】
前記凹部又は前記凸部の周期は、前記光学波長の２倍より大きい請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記凹部又は前記凸部の周期は、前記コヒーレント長の半分以下である請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層は、青色光を発し、
前記周期は、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記回折面は、屈折率の差が０．５以上の異なる材料同士の界面に形成されている請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１から５に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
側面と上面の会合部により角が形成された凹部又は凸部を形成を回折面に形成する工程と、
エッチングにより前記角を落として湾曲部を形成する工程と、を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
発光層を含む半導体積層部と、
前記発光層から発せられる光が入射し、当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成され、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで反射するとともに、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで透過する回折面と、を備え、
前記半導体積層部は、前記回折面上に形成され、
前記回折面の前記凹部又は前記凸部は、側面と、前記側面の上端から前記凹部又は前記凸部の中心側へ湾曲して伸びる湾曲部と、を有する半導体発光素子。
【請求項２】
前記凹部又は前記凸部の周期は、前記光学波長の２倍より大きい請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記凹部又は前記凸部の周期は、前記コヒーレント長の半分以下である請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層は、青色光を発し、
前記周期は、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記回折面は、屈折率の差が０．５以上の異なる材料同士の界面に形成されている請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１から５に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
側面と上面の会合部により角が形成された凹部又は凸部を形成を回折面に形成する工程と、
エッチングにより前記角を落として湾曲部を形成する工程と、を含む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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１１−１７６３７９（Ｐ２０１１−１７６３７９Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３４６６５（Ｐ２０１１−１３４６６５）
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【分割の表示】特願２０１１−５１０７５７（Ｐ２０１１−５１０７５７）の分割
【原出願日】平成２２年８月２３日（２０１０．８．２３）
【出願人】（５０７１３４７１４）エルシード株式会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【分割の表示】特願２０１１−５１０７５７（Ｐ２０１１−５１０７５７）の分割
【原出願日】平成２２年８月２３日（２０１０．８．２３）
【出願人】（５０７１３４７１４）エルシード株式会社 (8)
【Ｆターム（参考）】
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