発光素子
【課題】転位を少なくする半導体成長用基板および転位の少ない発光素子を提供する。
【解決手段】
本発明の発光素子は、 一方主面１５Ａから一部が突出するとともに、上面１４ａ´を有する突起１４ａを複数備えた単結晶基板１４と、
一方主面１５Ａの突起１４ａが配置されていない領域に設けられ、上部１４ａ´が突起１４ａの上面１４ａ´の高さ位置より高い位置にあるとともに、単結晶基板１４と異なる材料からなる複数の構造体１６と、単結晶基板１４上に構造体１６を被覆するように設けられた光半導体層１３と、を有する。
【解決手段】
本発明の発光素子は、 一方主面１５Ａから一部が突出するとともに、上面１４ａ´を有する突起１４ａを複数備えた単結晶基板１４と、
一方主面１５Ａの突起１４ａが配置されていない領域に設けられ、上部１４ａ´が突起１４ａの上面１４ａ´の高さ位置より高い位置にあるとともに、単結晶基板１４と異なる材料からなる複数の構造体１６と、単結晶基板１４上に構造体１６を被覆するように設けられた光半導体層１３と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体成長用基板上に、紫外光、青色光、緑色光等を発光する光半導体層から構成される発光素子を形成する技術が提案されている。
【０００３】
発光素子の開発において、発光ムラや発光効率を改善するため、複数の突起を形成した半導体成長用基板上に光半導体層を成長させて、突起の上面から延びる転位を結合させて転位を減らす必要があった（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７７３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、突起の上面から延びる転位をより結合しやすくすることにより、光半導体層の厚み方向に延在する転位をさらに減らした発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる発光素子は、一方主面から一部が突出するとともに、上面を有する突起を複数備えた単結晶基板と、前記一方主面の前記突起が配置されていない領域に設けられ、上部が前記突起の上面の高さ位置より高い位置にあるとともに、前記単結晶基板と異なる材料からなる複数の構造体と、前記単結晶基板上に前記構造体を被覆するように設けられ、前記複数の突起の上面から前記一方主面に沿った方向であって前記複数の構造体同士の間に延びる転位を複数有する光半導体層と、を有し、前記複数の転位を、平面透視して、前記突起および前記構造体と重ならない位置で結合させている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発光効率を向上させることができる発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態にかかる発光素子を実装した発光装置を示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´線で切断したときの断面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる発光素子の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる半導体成長用基板の平面図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる発光素子の断面図であり、（ａ）は図２および３のＢ−Ｂ´線で切断したとき、（ｂ）は図２および３のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【図５】本発明の実施形態にかかる発光素子の断面図であり、（ａ）は図２および３のＢ−Ｂ´線で切断したとき、（ｂ）は図２および３のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【図６】本発明の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態の変形例にかかる発光素子の断面図であり、図２のＢ−Ｂ´線で切断した時の断面に相当する。
【図１２】本発明の実施形態の変形例にかかる発光素子の断面図であり、図２のＣ−Ｃ´線で切断した時の断面に相当する。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。
【００１０】
本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。
【００１１】
＜発光装置＞
図１（ａ）は本実施形態にかかる発光素子１を実装した発光装置２の斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す発光装置２の断面図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した時の断面に相当する。
【００１２】
発光装置２は、図１（ｂ）に示すように、配線導体３が設けられた実装基体４と、実装基体４上に実装された発光素子１と、を有している。
【００１３】
実装基体４は、例えばセラミックから成る第１シート４ａおよび第２シート４ｂを積層した積層体により形成することができる。実装基体４は、具体的には、凹部５を形成するための貫通孔を有する第１シート４ａと、発光素子１の搭載面６から引き出し面７まで電気的な導通をさせる配線導体３を有する第２シート４ｂとを張り合わせることにより形成することができる。
【００１４】
第１シート４ａおよび第２シート４ｂとして例えばセラミック材料を用いた場合、配線導体３はタングステン、モリブデン、銅および銀などの金属をメタライズ配線により形成することができる。そして、このような第１シート４ａおよび第２シート４ｂを高温で焼成することにより実装基体４が形成される。
【００１５】
発光素子１は、接合電極８を介して搭載面６上の配線導体３に実装されている。本実施形態においては、発光素子１が配線導体３にフリップチップ接続の配置で実装されていることから、発光素子１で発生した熱を効率よく実装基体１側に放熱させることができる。接合電極８は、配線導体３と、後述する発光素子１の第１電極層９および第２電極層１０と配線導体３との間に介在し、それぞれが電気的に接合するように配置されている。
【００１６】
モールド樹脂１１は、実装基体４に実装された発光素子１を被覆するように、実装基体４の凹部５に充填されている。モールド樹脂１１としては、絶縁材料を用いることができる。このように発光素子１をモールド樹脂１１により被覆することで、発光素子１を電気的に周囲と絶縁させることができ、信頼性を向上させることができる。
【００１７】
＜発光素子＞
発光装置２に実装される発光素子１を、図面を参考にしつつ以下に詳細に説明する。
【００１８】
図２に、本実施形態にかかる発光素子１の斜視図を示す。図３は、半導体成長用基板１２の平面図であり、Ｂ−Ｂ´線およびＣ−Ｃ´線は図２のＢ−Ｂ´線およびＣ−Ｃ´線にそれぞれ相当する。さらに、図４は図２に示す発光素子１の断面図であり、図４（ａ）は
図２および３のＢ−Ｂ´線で切断したとき、図４（ｂ）は図２および３のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【００１９】
発光素子１は、図２に示すように、半導体成長用基板１２と、半導体成長用基板１２上に成長させた光半導体層１３と、を有する。
【００２０】
半導体成長用基板１２は、図３に示すように、単結晶基板１４と、単結晶基板１４の第１主面１５Ａに構造体１６と、を有している。また、半導体成長用基板１２の厚みは、例えば１０μｍ以上１０００μｍ以下に設定することができる。ここで、半導体成長用基板１２の厚みは、単結晶基板１４ａの第１主面１５Ａから第２主面１５Ｂまでの厚みを指す。
【００２１】
単結晶基板１４は、光半導体層１３を成長させることが可能な材料を用いることができ、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、ホウ化ジルコニウムまたは酸化亜鉛などの結晶性材料を用いることができる。このような結晶性材料の中でも、光半導体層１３で発光した光を単結晶基板１４の第２主面１５Ｂ側から取り出す場合、発光層１３ｂで発光する光を５０％以上透過させることができる透光性材料であるサファイア、窒化ガリウムを用いることにより、光取り出し効率を向上させることができる。なお、単結晶基板１４は、平面視形状が多角形や円形などにより設定されている。
【００２２】
単結晶基板１４には、単結晶基板１４の第１主面１５Ａから一部が上方へ突出するように上面１４ａ´を有する突起１４ａが複数設けられている。かかる突起１４ａは、単結晶基板１４と同じ材料からなり、単結晶基板１４と一体的に設けられている。さらに第１主面１５Ａ上に設けられた複数の突起１４ａは、平面視して、突起１４ａの間隔が離間するようにして設けられている。このような離間した突起１４ａの間隔は、例えば１．０μｍ以上２０μｍ以下に設定することができる。
【００２３】
このような突起１４ａは、平面視したときに、突起１４ａの面積が単結晶基板１４の第１主面１５Ａ全体の面積に対して５０％以上となるように配置することが好ましい。このように突起１４ａを設けることにより、後述するように、多く単結晶基板１４からの転位１７を、第１主面１５Ａに沿う方向へ曲げることができるため、光半導体層１３の結晶品質を向上させることができる。
【００２４】
突起１４ａは、上面１４ａ´が結晶成長面となっている。結晶成長面とは、結晶格子の結晶面が揃った平面を指し、例えばサファイアを用いた場合だと結晶格子のＡ面、Ｃ面またはＲ面などの結晶面を用いることができる。結晶成長面上に半導体を結晶成長させることにより、かかる結晶成長面上に半導体を規則的に配列させた結晶を育成することができる。
【００２５】
突起１４ａは、平面視形状が四角形などの多角形や円形などの形状をなし、断面形状が台形や四角形などの多角形をなしている。突起１４ａは、単結晶基板１４の第１主面１５から突起１４ａの上面１４ａ´までの高さが例えば０．５０μｍ以上２００μｍ以下に設定されている。
【００２６】
構造体１６は、第１主面１５Ａの突起１４ａが配置されていない領域に設けられている。突起１４ａが配置されていない領域とは、単結晶基板１４を平面視して、突起１４ａが配置されていない第１主面１５Ａを指す。また、構造体１６は、２つの突起１４ａの間に配置されるように設けられている。
【００２７】
さらに、図４に示すように、構造体１６の上部は、突起１４ａの上面１４ａ´の高さ位
置より高くなるように設けられている。構造体１６の上部は、例えば構造体１６の上面１６´など構造体１６の最上部を指す。構造体１６の高さ位置としては、後述する突起１４ａの上面１４ａ´上に設けられるファセットの最高部より高くなるように形成することが好ましい。なお、構造体１６の上面１６´は、突起１４ａの上面１４ａ´より高い位置になるように設定されていればよく、構造体１６の高さは、例えば１μｍ以上１５０μｍ以下に設定することができる。
【００２８】
このような構造体１６は、平面形状が例えば三角形などの多角形や円形となるように形成することができ、断面形状が例えば台形や長方形などの多角形となるように形成することができる。構造体１６の平面形状は、かかる構造体１６に隣接する突起１４ａを直線で結んだ領域より小さく形成されており、例えば対角線の線分が０．５μｍ以上１０μｍ以下で形成されている。なお、本実施形態においては、構造体１６は、三角柱で形成されている。
【００２９】
構造体１６は、半導体成長用基板１２上に光半導体層１３を結晶成長させることから、単結晶基板１４と異なる材料で、かつ耐熱性の材料から形成されている。光半導体層１３が例えば４００℃以上６００℃以下で結晶成長される場合には、構造体１６として融解温度が６５０℃以上の耐熱性の材料を用いることができる。このような構造体１６は、例えばチタン、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、トリウム、ニオブまたはナトリウムのうち少なくともいずれかを含む酸化物、弗化物或いは窒化物などを用いることができる。
【００３０】
半導体成長用基板１２上には、図４に示すように、光半導体層１３が設けられている。光半導体層１３は、第１半導体層１３ａ、発光層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃを順次積層することにより構成されている。なお、光半導体層１３は、全体の厚みが例えば１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下で形成することができる。また、光半導体層１３の各層の屈折率は、窒化ガリウムを用いた場合には例えば１．８０以上２．７０以下に設定される。
【００３１】
光半導体層１３としては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、ボロン、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムのうち少なくとも１つの窒化物からなる混晶を用いることができ、例えば窒化ガリウムを用いることができる。
【００３２】
第１半導体層１３ａは、突起１４ａおよび構造体１６を被覆するように単結晶基板１４ａ上に設けられている。第１半導体層１３ａには、単結晶基板１４ａから延びる転位１７が複数存在している。
【００３３】
転位１７は、半導体の結晶格子がずれることにより形成され、例えば刃状転位やらせん状転位などの種類がある。このような転位１７すなわち結晶格子のずれは、第１半導体層１３ａの格子定数と単結晶基板１４ａの格子定数が異なるため、単結晶基板１４ａと第１半導体層１３ａとの界面で発生しやすくなっている。なお、第１半導体層１３ａは、厚みが１μｍ以上２５０μｍ以下に設定されている。
【００３４】
発光層１３ｂは、第１半導体層１３ａ上に設けられている。発光層１３ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層からなる量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）を用いることができる。障壁層および井戸層としては、インジウムとガリウムの窒化物からなる混晶においてインジウムとガリウムの組成比を調整したものを用いることができる。このように構成された発光層１３ｂは、例えば３
５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の光を発光することができる。発光層１３ｂは第１半導体層１３ａ上に形成されるため、転位１７が第１半導体層１３ａの上面にまで延在している場合、かかる転位１７が発光層１３ｂ内にまで延びやすくなる。
【００３５】
第２半導体層１３ｃは、発光層１３ｂ上に設けられている。第２半導体層１３ｃは、電子か正孔のどちらかを多数キャリアとすることにより、第１半導体層１３ａとは逆導電型を呈するように設定されている。半導体層に導電型を付与する方法としては、例えばマグネシウムやシリコンを不純物として混ぜる方法を用いることができる。
【００３６】
第１電極層９は第１半導体層１３ａ上に、第２電極層１０は第２半導体層１３ｃ上に、それぞれ設けられている。このような２つの電極層により、光半導体層１３に電圧が印加される。かかる２つの電極層の材料としては、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、タンタルまたは白金などの金属や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物や、銀−アルミニウム合金、金−亜鉛合金または金−ベリリウム合金などの合金膜を好適に用いることができる。また、このような２つの電極層は、それぞれ上記材質の中から選択した層を複数回積層しても構わない。
【００３７】
光半導体層１３を半導体成長用基板１２上に設ける際に、第１半導体層１３ａを横方向成長させて形成した場合、突起１４ａの上面１４ａ´から延びる転位１７が第１主面１５Ａに沿う方向へ延びやすくなる。具体的には、突起１４ａの上面１４ａ´に、上面１４ａに対して傾斜したファセット面を形成した後、横方向成長させることにより、突起１４ａの上面１４ａ´から第１半導体層１３ａの厚み方向に伸びる転位１７を第１主面１５Ａに沿う方向へ延ばすことができる。ここで傾斜したファセット面は、例えば突起１４ａの上面１４ａ´を（０００１）面とした場合には、（１１−２２）面のものなどを用いることができる。
【００３８】
本実施形態においては、突起１４ａの上面１４ａ´より高い上面１６´を有する構造体１６が設けられていることから、突起１４ａの上面１４ａ´から第１主面１５Ａに沿う方向へ延びる転位１７が構造体１６を避けて成長するようになる。そのため、このように構造体１６を避けて延びる複数の転位１７は、隣接する構造体１６同士の間の領域に多く存在するようになる。
【００３９】
その結果、構造体１６同士の間の領域に延びる複数の転位１７を、平面透視して、突起１４ａおよび構造体１６と重ならない領域で結合させることができる。具体的には、構造体１６同士の間に延びる複数の転位１７を、構造体１６同士の間で結合させたり、突起１４ａおよび構造体１６と重ならない領域であって構造体１６より高い位置で結合させたりすることができる。
【００４０】
このように複数の転位１７を結合させることにより、転位１７の数を減らすことができる。なかでも、複数の転位１７すなわち結晶格子のずれが結合されることにより、結晶格子のずれがなくなり結晶格子が揃うようになった場合には、かかる転位１７が結合された後それ以上転位１７を延びなくすることができる。
【００４１】
このように突起１４ａが配置されていない領域に構造体１６が設けられている場合、複数の突起１４ａの上面１４ａ´から第１主面１５Ａに沿う方向へ延びる転位１７の平面方向に延びる方向を制御することができる。そのため、かかる転位１７同士を結合させやすくでき、第１半導体層１３ａの厚み方向へ延びる転位１７の数を減らすことができる。その結果、第１半導体層１３ａの結晶品質を向上させることができ、かかる第１半導体層１３ａ上に成長される発光層１３ｂの結晶品質を向上させることができる。その結果、発光
層１３ｂでの発光効率を向上させることができる。
【００４２】
一方、非結晶成長構造体を有さない発光素子の構成では、単結晶基板上に第１半導体層を横方向成長させた際に、突起から単結晶基板の第１主面に沿ったあらゆる方向に複数の転位が延びるようになる。そのことから、複数の転位同士が結合されにくく、発光層まで延在する転位の数を減らすことが困難だった。その結果、かかる転位によって発光層の発光効率を向上させることが難しかった。
【００４３】
本実施形態において、構造体１６を三角柱で形成する場合について説明したが、構造体１６は、下部から上部に向かうにつれて、第１主面１５Ａに平行な断面積が漸次小さくなるように設けることが好ましい。具体的には、三角錘、円錐および円錐台などの形状を用いることができる。
【００４４】
ここで、図５に構造体１６を三角錘台で形成した場合の発光素子１を示す。図５（ａ）は図２および３のＢ−Ｂ´線で切断したとき、図５（ｂ）は図２および３のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【００４５】
このように構造体１６が下部から上部に向かうにつれて第１主面１５Ａに平行な断面積が小さく形成されている場合、構造体１６は、第１主面１５Ａとなす内角が鋭角となる斜面１８を有する。そのため、発光層１３ｂで第１主面１５Ａに向かって発光された光が、構造体１６と第１半導体層１３ａとの臨界角以下の角度で構造体１６の斜面１８に入射しやすくなる。その結果、発光層１３ｂで発光された光が構造体１６の斜面１８で発光層１３ｂ側へ全反射されにくくなり、発光素子１の光取り出し効率を向上させることができる。
【００４６】
さらに、構造体１６として、単結晶基板１４と第１半導体層１３ａとの間の屈折率を有する材料から形成することが好ましい。このような材料で構造体１６を形成することにより、発光層１３ｂで発光した光が、第１半導体層１３ａと構造体１６との界面、構造体１６と単結晶基板１４との界面で反射されにくくなり、光取り出し効率を向上させることができる。
【００４７】
また、半導体成長用基板１２上に光半導体層１３を成長させた後、単結晶基板１４を除去してもよい。このように単結晶基板１４を除去することにより、発光層１３ｂで発光した光を、発光層１３ｂの第１半導体層１３ａ側から取り出す場合、発光層１３ｂで発光した光が単結晶基板１４で吸収されなくなり、発光素子１の光取り出し効率を向上させることができる。
【００４８】
＜発光素子の製造方法＞
次に、発光素子１の製造方法を説明する。図６から図１０は、発光素子１の製造方法を説明するための断面図であり、図２に示す発光素子１のＣ−Ｃ´線における断面に相当する部分を示している。
【００４９】
（半導体成長用基板の製造工程）
図６に示すように、単結晶基板１４上に、単結晶基板１４の一部を露出させた露出領域を有するマスクパターン１９を形成する。マスクパターン１９としては、後に容易に除去することができる材料を選択することができ、厚みは例えば４００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下に設定することができる。なお、マスクパターン１９の膜厚は、エッチングにより単結晶基板１４の一部を除去する場合、単結晶基板１４のエッチングレートとマスクパターン１９のエッチングレートとの選択比によって適宜選択することができる。
【００５０】
マスクパターン１９は、マスク材料をスパッタ法や蒸着法などの真空積層法を用いることにより単結晶基板１４上に積層膜を積層し、単結晶基板１４の一部を露出させるための露出領域をパターニングすることにより形成することができる。この際、単結晶基板１４ａとしてサファイアを用いてドライエッチングを行う場合、サファイアと反応しやすい塩素系ガスを反応ガスとして好適に用いることができるが、この場合、マスク材料としては、チタン、ニッケルまたはクロムなどの金属や酸化シリコンなどの耐塩素性の無機材料を用いることが望ましい。
【００５１】
さらに、単結晶基板１４の上面を露出させた露出領域からエッチング法などで、単結晶基板１４の一部を厚み方向へ除去した後、マスクパターン１９を除去することにより、図７に示すような、突起１４ａが設けられる。
【００５２】
単結晶基板１４の一部を除去する方法としては、ウエットエッチングやドライエッチングなどエッチング法を用いることができる。単結晶基板１４としてサファイアを用いた場合に、ドライエッチングにより単結晶基板１４の一部を除去する際には、サファイアと反応しやすい塩素系ガス雰囲気中でドライエッチングを行うことにより生産性を向上させることができる。一方、単結晶基板１４の一部をウエットエッチングで除去する場合には、ウエットエッチングのサイドエッチなどを用いることにより、突起１４ａの断面形状を台形状などにすることができる。
【００５３】
さらに、図８に示すように、突起１４ａを被覆するように単結晶基板１４上に、積層膜２０と、積層膜２０上にレジストパターン２１と、を積層した積層体２２を形成する。
【００５４】
積層膜２０は、突起１４ａの第１主面１５から上面１４ａ´までの高さより高くなるように膜厚が設定されている。積層膜２０の材料として酸化シリコンを用いた場合、例えばスパッタ法やスピンコート法などにより形成することができる。
【００５５】
レジストパターン２１は、積層膜２０の上面の一部を露出させる露出領域を有するように、積層膜２０上に設けられている。レジストパターン２１の露出領域が、平面透視して、突起１４ａと重なる領域に設定されている。レジストパターン２１の膜厚は、エッチングにより積層膜２０の一部を除去する場合、積層膜２０のエッチングレートとレジストパターン２１のエッチングレートとの選択比によって適宜選択することができる。
【００５６】
その後、積層膜２０の露出領域から厚み方向へ一部除去することにより、図９に示すような、構造体１６を形成することができる。エッチングする方法としては、ドライエッチングやウエットエッチングなど用いることができる。ドライエッチングを用いて積層膜２０の一部を除去した場合、露出領域に対して垂直方向からエッチングされやすいため、構造体１６の断面形状を四角形とすることができる。また、ウエットエッチングを用いて積層膜２０の一部を除去した場合、サイドエッチにより平面透視してレジストパターンと重なる領域もエッチングされやすいため、容易に斜面１８を有する構造体１６を形成することができる。
【００５７】
以上のようにして、突起１４ａを有する単結晶基板１４と、単結晶基板１４の第１主面１５Ａ上に配置された構造体１６と、を有する半導体成長用基板１２が形成される。
【００５８】
（発光素子の製造工程）
次に、図１０に示すように光半導体層１３を、単結晶基板１４上に横方向成長を用いて形成する。光半導体層１３を横方向成長させる方法としては、それぞれの層において組成比、成長温度および成長圧力などの成長条件を調整すればよい。このように成長条件を調整することにより、結晶の成長速度を、単結晶基板１４の第１主面１５Ａに対して垂直方
向と水平方向とで制御することができる。
【００５９】
第１半導体層１３ａは、単結晶基板１４の突起１４ａの上面１４ａ´に第１半導体層１３ａのファセットを形成して、横方向成長させることにより設けられる。具体的に、第１半導体層１３ａは、突起１４ａの上面１４ａ´に外部との界面が特定の結晶面すなわちファセットとなるように成長させた後、第１主面１５Ａに対して水平方向の成長を垂直方向に対して成長速度を早くすることにより設けられる。このように第１半導体層１３ａを横方向成長させて設けることから、転位１７も横方向成長に伴い第１主面１５Ａと水平な方向に沿って延びやすくなる。
【００６０】
第１半導体層１３ａとして窒化ガリウムを用いた場合、突起１４ａの上面１４ａ´に傾斜したファセットを形成する方法としては、例えば２０ｋＰａ以上９０ｋＰａ以下の圧力および７００℃以上１１５０℃以下の温度で結晶成長させればよい。その後、ファセット形成時の温度以上に設定した高温状態およびファセット形成時の圧力以下に設定した低圧力状態にして結晶成長させることにより、第１半導体層１３ａを横方向成長させることができる。
【００６１】
本実施形態においては、単結晶基板１４の第１主面１５Ａ上に構造体１６が形成されているため、第１半導体層１３ａが構造体１６の隙間を埋めるようにして、突起１４ａの上面１４ａ´から成長する。そのため、第１半導体層１３ａが構造体１６の隙間を埋めるとともに、突起１４の上面１４ａから延びる転位１７が複数の構造体１６の隙間を縫うようにして平面方向へ延びるようになる。このように複数の転位１７は、構造体１６によって平面方向に延びる方向が制限されるため、複数の構造体１６の隙間に存在しやすくなり、転位１７同士が結合しやすくなる。その結果、第１半導体層１３ａの厚み方向へ延びる転位１７の数を減らすことができる。
【００６２】
その後、第１半導体層１３ａ上に発光層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃを積層することにより、光半導体層１３が単結晶基板１４上に形成される。
【００６３】
このように構造体１６を設けていることにより、第１半導体層１３ａの結晶品質を向上させることができ、結果的に第１半導体層１３ａの上に形成される発光層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃの結晶品質の向上に寄与することができる。
【００６４】
このような光半導体層１３すなわち第１半導体層１３ａ、発光層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃを成長させる方法として、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、ハイドライド気相成長法またはパルスレーザデポジション法などを用いることができる。
【００６５】
（電極形成工程）
次に、光半導体層１３に電圧を印加するための一対の電極層を形成する。このような一対の電極層は、第１半導体層１３ａと接続する第１電極層９と第２半導体層１３ｃと接続する第２電極層１０により構成されている。
【００６６】
一対の電極層の材料としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛またはベリリウムなどの金属や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物を好適に用いることができる。また、一対の電極層は、それぞれ上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。
【００６７】
（変形例１）
図１１は上述した実施形態にかかる発光素子１の変形例を示す図であり、図２のＢ−Ｂ
´線で切断したときの断面に相当する。上述の実施形態にかかる発光素子１と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００６８】
変形例１にかかる発光素子２３は、発光層１３ｂと第２半導体層１３ｃとの間に、平面透視して、構造体１６と重なる位置に貫通孔２４ａを有する絶縁層２４が配置されている。
【００６９】
このような絶縁層２４が設けられていることにより、発光素子２３に電圧を印加した際に、絶縁層２４の貫通孔２４ａに電流が流れやすくなり、平面透視して貫通孔２４ａと重なる位置の発光層１３ｂを発光させることができる。
【００７０】
これにより、光半導体層１３の構造体１６と重なる領域すなわち厚み方向に延在する転位１７の少ない領域に効率よく電流を集中させることができる。その結果、転位１７による光半導体層１３の静電破壊を抑制しつつ、発光波長の改善や発光効率を向上させることができる。
【００７１】
（変形例２）
図１２は上述した実施形態にかかる発光素子１の変形例を示す図であり、図２のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面に相当する。上述の実施形態にかかる発光素子１と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００７２】
変形例２にかかる発光素子２５は、構造体１６の一部が単結晶基板１４の突状部１４ｂから形成されている。
【００７３】
突状部１４ｂは、単結晶基板１４と一体的に設けられている。このような突状部１４ｂは、上述した半導体成長用基板の製造工程において、突状部１４ｂとなる領域をマスクパターン１９で被覆し、単結晶基板１４の露出した露出領域から単結晶基板１４をエッチングすることにより、突起１４ａと同時に設けることができる。なお、突起１４ａの高さと突状部１４ｂの高さを異なるように形成する場合には、マスクパターン２２の厚みを部分的に変えることにより、突起１４ａと突状部１４ｂを異なる高さで形成することができる。
【００７４】
このように構造体１６の一部を単結晶基板１４の突状部１４ｂで形成することにより、突状部１４ｂの第１主面１５Ａからの高さ分だけ積層膜２０の厚みを薄くすることができ、構造体１６形成の生産性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１ 発光素子
２ 発光装置
３ 配線導体
４ 実装基体
４ａ 第１シート
４ｂ 第２シート
５ 凹部
６ 搭載面
７ 引き出し面
８ 接合電極
９ 第１電極層
１０ 第２電極層
１１ モールド樹脂
１２ 半導体成長用基板
１３ 光半導体層
１３ａ 第１半導体層
１３ｂ 発光層
１３ｃ 第２半導体層
１４ 単結晶基板
１４ａ 突起
１４ａ´ 上面
１４ｂ 突状部
１５Ａ 第１主面
１５Ｂ 第２主面
１６ 構造体
１６´ 上面
１７ 転位
１８ 斜面
１９ マスクパターン
２０ 積層膜
２１ レジストパターン
２２ 積層体
２３ 発光素子
２４ 絶縁層
２４ａ 貫通孔
２５ 発光素子
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体成長用基板上に、紫外光、青色光、緑色光等を発光する光半導体層から構成される発光素子を形成する技術が提案されている。
【０００３】
発光素子の開発において、発光ムラや発光効率を改善するため、複数の突起を形成した半導体成長用基板上に光半導体層を成長させて、突起の上面から延びる転位を結合させて転位を減らす必要があった（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７７３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、突起の上面から延びる転位をより結合しやすくすることにより、光半導体層の厚み方向に延在する転位をさらに減らした発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる発光素子は、一方主面から一部が突出するとともに、上面を有する突起を複数備えた単結晶基板と、前記一方主面の前記突起が配置されていない領域に設けられ、上部が前記突起の上面の高さ位置より高い位置にあるとともに、前記単結晶基板と異なる材料からなる複数の構造体と、前記単結晶基板上に前記構造体を被覆するように設けられ、前記複数の突起の上面から前記一方主面に沿った方向であって前記複数の構造体同士の間に延びる転位を複数有する光半導体層と、を有し、前記複数の転位を、平面透視して、前記突起および前記構造体と重ならない位置で結合させている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発光効率を向上させることができる発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態にかかる発光素子を実装した発光装置を示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´線で切断したときの断面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる発光素子の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる半導体成長用基板の平面図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる発光素子の断面図であり、（ａ）は図２および３のＢ−Ｂ´線で切断したとき、（ｂ）は図２および３のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【図５】本発明の実施形態にかかる発光素子の断面図であり、（ａ）は図２および３のＢ−Ｂ´線で切断したとき、（ｂ）は図２および３のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【図６】本発明の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態の変形例にかかる発光素子の断面図であり、図２のＢ−Ｂ´線で切断した時の断面に相当する。
【図１２】本発明の実施形態の変形例にかかる発光素子の断面図であり、図２のＣ−Ｃ´線で切断した時の断面に相当する。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。
【００１０】
本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。
【００１１】
＜発光装置＞
図１（ａ）は本実施形態にかかる発光素子１を実装した発光装置２の斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す発光装置２の断面図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した時の断面に相当する。
【００１２】
発光装置２は、図１（ｂ）に示すように、配線導体３が設けられた実装基体４と、実装基体４上に実装された発光素子１と、を有している。
【００１３】
実装基体４は、例えばセラミックから成る第１シート４ａおよび第２シート４ｂを積層した積層体により形成することができる。実装基体４は、具体的には、凹部５を形成するための貫通孔を有する第１シート４ａと、発光素子１の搭載面６から引き出し面７まで電気的な導通をさせる配線導体３を有する第２シート４ｂとを張り合わせることにより形成することができる。
【００１４】
第１シート４ａおよび第２シート４ｂとして例えばセラミック材料を用いた場合、配線導体３はタングステン、モリブデン、銅および銀などの金属をメタライズ配線により形成することができる。そして、このような第１シート４ａおよび第２シート４ｂを高温で焼成することにより実装基体４が形成される。
【００１５】
発光素子１は、接合電極８を介して搭載面６上の配線導体３に実装されている。本実施形態においては、発光素子１が配線導体３にフリップチップ接続の配置で実装されていることから、発光素子１で発生した熱を効率よく実装基体１側に放熱させることができる。接合電極８は、配線導体３と、後述する発光素子１の第１電極層９および第２電極層１０と配線導体３との間に介在し、それぞれが電気的に接合するように配置されている。
【００１６】
モールド樹脂１１は、実装基体４に実装された発光素子１を被覆するように、実装基体４の凹部５に充填されている。モールド樹脂１１としては、絶縁材料を用いることができる。このように発光素子１をモールド樹脂１１により被覆することで、発光素子１を電気的に周囲と絶縁させることができ、信頼性を向上させることができる。
【００１７】
＜発光素子＞
発光装置２に実装される発光素子１を、図面を参考にしつつ以下に詳細に説明する。
【００１８】
図２に、本実施形態にかかる発光素子１の斜視図を示す。図３は、半導体成長用基板１２の平面図であり、Ｂ−Ｂ´線およびＣ−Ｃ´線は図２のＢ−Ｂ´線およびＣ−Ｃ´線にそれぞれ相当する。さらに、図４は図２に示す発光素子１の断面図であり、図４（ａ）は
図２および３のＢ−Ｂ´線で切断したとき、図４（ｂ）は図２および３のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【００１９】
発光素子１は、図２に示すように、半導体成長用基板１２と、半導体成長用基板１２上に成長させた光半導体層１３と、を有する。
【００２０】
半導体成長用基板１２は、図３に示すように、単結晶基板１４と、単結晶基板１４の第１主面１５Ａに構造体１６と、を有している。また、半導体成長用基板１２の厚みは、例えば１０μｍ以上１０００μｍ以下に設定することができる。ここで、半導体成長用基板１２の厚みは、単結晶基板１４ａの第１主面１５Ａから第２主面１５Ｂまでの厚みを指す。
【００２１】
単結晶基板１４は、光半導体層１３を成長させることが可能な材料を用いることができ、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、ホウ化ジルコニウムまたは酸化亜鉛などの結晶性材料を用いることができる。このような結晶性材料の中でも、光半導体層１３で発光した光を単結晶基板１４の第２主面１５Ｂ側から取り出す場合、発光層１３ｂで発光する光を５０％以上透過させることができる透光性材料であるサファイア、窒化ガリウムを用いることにより、光取り出し効率を向上させることができる。なお、単結晶基板１４は、平面視形状が多角形や円形などにより設定されている。
【００２２】
単結晶基板１４には、単結晶基板１４の第１主面１５Ａから一部が上方へ突出するように上面１４ａ´を有する突起１４ａが複数設けられている。かかる突起１４ａは、単結晶基板１４と同じ材料からなり、単結晶基板１４と一体的に設けられている。さらに第１主面１５Ａ上に設けられた複数の突起１４ａは、平面視して、突起１４ａの間隔が離間するようにして設けられている。このような離間した突起１４ａの間隔は、例えば１．０μｍ以上２０μｍ以下に設定することができる。
【００２３】
このような突起１４ａは、平面視したときに、突起１４ａの面積が単結晶基板１４の第１主面１５Ａ全体の面積に対して５０％以上となるように配置することが好ましい。このように突起１４ａを設けることにより、後述するように、多く単結晶基板１４からの転位１７を、第１主面１５Ａに沿う方向へ曲げることができるため、光半導体層１３の結晶品質を向上させることができる。
【００２４】
突起１４ａは、上面１４ａ´が結晶成長面となっている。結晶成長面とは、結晶格子の結晶面が揃った平面を指し、例えばサファイアを用いた場合だと結晶格子のＡ面、Ｃ面またはＲ面などの結晶面を用いることができる。結晶成長面上に半導体を結晶成長させることにより、かかる結晶成長面上に半導体を規則的に配列させた結晶を育成することができる。
【００２５】
突起１４ａは、平面視形状が四角形などの多角形や円形などの形状をなし、断面形状が台形や四角形などの多角形をなしている。突起１４ａは、単結晶基板１４の第１主面１５から突起１４ａの上面１４ａ´までの高さが例えば０．５０μｍ以上２００μｍ以下に設定されている。
【００２６】
構造体１６は、第１主面１５Ａの突起１４ａが配置されていない領域に設けられている。突起１４ａが配置されていない領域とは、単結晶基板１４を平面視して、突起１４ａが配置されていない第１主面１５Ａを指す。また、構造体１６は、２つの突起１４ａの間に配置されるように設けられている。
【００２７】
さらに、図４に示すように、構造体１６の上部は、突起１４ａの上面１４ａ´の高さ位
置より高くなるように設けられている。構造体１６の上部は、例えば構造体１６の上面１６´など構造体１６の最上部を指す。構造体１６の高さ位置としては、後述する突起１４ａの上面１４ａ´上に設けられるファセットの最高部より高くなるように形成することが好ましい。なお、構造体１６の上面１６´は、突起１４ａの上面１４ａ´より高い位置になるように設定されていればよく、構造体１６の高さは、例えば１μｍ以上１５０μｍ以下に設定することができる。
【００２８】
このような構造体１６は、平面形状が例えば三角形などの多角形や円形となるように形成することができ、断面形状が例えば台形や長方形などの多角形となるように形成することができる。構造体１６の平面形状は、かかる構造体１６に隣接する突起１４ａを直線で結んだ領域より小さく形成されており、例えば対角線の線分が０．５μｍ以上１０μｍ以下で形成されている。なお、本実施形態においては、構造体１６は、三角柱で形成されている。
【００２９】
構造体１６は、半導体成長用基板１２上に光半導体層１３を結晶成長させることから、単結晶基板１４と異なる材料で、かつ耐熱性の材料から形成されている。光半導体層１３が例えば４００℃以上６００℃以下で結晶成長される場合には、構造体１６として融解温度が６５０℃以上の耐熱性の材料を用いることができる。このような構造体１６は、例えばチタン、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、トリウム、ニオブまたはナトリウムのうち少なくともいずれかを含む酸化物、弗化物或いは窒化物などを用いることができる。
【００３０】
半導体成長用基板１２上には、図４に示すように、光半導体層１３が設けられている。光半導体層１３は、第１半導体層１３ａ、発光層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃを順次積層することにより構成されている。なお、光半導体層１３は、全体の厚みが例えば１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下で形成することができる。また、光半導体層１３の各層の屈折率は、窒化ガリウムを用いた場合には例えば１．８０以上２．７０以下に設定される。
【００３１】
光半導体層１３としては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、ボロン、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムのうち少なくとも１つの窒化物からなる混晶を用いることができ、例えば窒化ガリウムを用いることができる。
【００３２】
第１半導体層１３ａは、突起１４ａおよび構造体１６を被覆するように単結晶基板１４ａ上に設けられている。第１半導体層１３ａには、単結晶基板１４ａから延びる転位１７が複数存在している。
【００３３】
転位１７は、半導体の結晶格子がずれることにより形成され、例えば刃状転位やらせん状転位などの種類がある。このような転位１７すなわち結晶格子のずれは、第１半導体層１３ａの格子定数と単結晶基板１４ａの格子定数が異なるため、単結晶基板１４ａと第１半導体層１３ａとの界面で発生しやすくなっている。なお、第１半導体層１３ａは、厚みが１μｍ以上２５０μｍ以下に設定されている。
【００３４】
発光層１３ｂは、第１半導体層１３ａ上に設けられている。発光層１３ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層からなる量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）を用いることができる。障壁層および井戸層としては、インジウムとガリウムの窒化物からなる混晶においてインジウムとガリウムの組成比を調整したものを用いることができる。このように構成された発光層１３ｂは、例えば３
５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の光を発光することができる。発光層１３ｂは第１半導体層１３ａ上に形成されるため、転位１７が第１半導体層１３ａの上面にまで延在している場合、かかる転位１７が発光層１３ｂ内にまで延びやすくなる。
【００３５】
第２半導体層１３ｃは、発光層１３ｂ上に設けられている。第２半導体層１３ｃは、電子か正孔のどちらかを多数キャリアとすることにより、第１半導体層１３ａとは逆導電型を呈するように設定されている。半導体層に導電型を付与する方法としては、例えばマグネシウムやシリコンを不純物として混ぜる方法を用いることができる。
【００３６】
第１電極層９は第１半導体層１３ａ上に、第２電極層１０は第２半導体層１３ｃ上に、それぞれ設けられている。このような２つの電極層により、光半導体層１３に電圧が印加される。かかる２つの電極層の材料としては、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、タンタルまたは白金などの金属や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物や、銀−アルミニウム合金、金−亜鉛合金または金−ベリリウム合金などの合金膜を好適に用いることができる。また、このような２つの電極層は、それぞれ上記材質の中から選択した層を複数回積層しても構わない。
【００３７】
光半導体層１３を半導体成長用基板１２上に設ける際に、第１半導体層１３ａを横方向成長させて形成した場合、突起１４ａの上面１４ａ´から延びる転位１７が第１主面１５Ａに沿う方向へ延びやすくなる。具体的には、突起１４ａの上面１４ａ´に、上面１４ａに対して傾斜したファセット面を形成した後、横方向成長させることにより、突起１４ａの上面１４ａ´から第１半導体層１３ａの厚み方向に伸びる転位１７を第１主面１５Ａに沿う方向へ延ばすことができる。ここで傾斜したファセット面は、例えば突起１４ａの上面１４ａ´を（０００１）面とした場合には、（１１−２２）面のものなどを用いることができる。
【００３８】
本実施形態においては、突起１４ａの上面１４ａ´より高い上面１６´を有する構造体１６が設けられていることから、突起１４ａの上面１４ａ´から第１主面１５Ａに沿う方向へ延びる転位１７が構造体１６を避けて成長するようになる。そのため、このように構造体１６を避けて延びる複数の転位１７は、隣接する構造体１６同士の間の領域に多く存在するようになる。
【００３９】
その結果、構造体１６同士の間の領域に延びる複数の転位１７を、平面透視して、突起１４ａおよび構造体１６と重ならない領域で結合させることができる。具体的には、構造体１６同士の間に延びる複数の転位１７を、構造体１６同士の間で結合させたり、突起１４ａおよび構造体１６と重ならない領域であって構造体１６より高い位置で結合させたりすることができる。
【００４０】
このように複数の転位１７を結合させることにより、転位１７の数を減らすことができる。なかでも、複数の転位１７すなわち結晶格子のずれが結合されることにより、結晶格子のずれがなくなり結晶格子が揃うようになった場合には、かかる転位１７が結合された後それ以上転位１７を延びなくすることができる。
【００４１】
このように突起１４ａが配置されていない領域に構造体１６が設けられている場合、複数の突起１４ａの上面１４ａ´から第１主面１５Ａに沿う方向へ延びる転位１７の平面方向に延びる方向を制御することができる。そのため、かかる転位１７同士を結合させやすくでき、第１半導体層１３ａの厚み方向へ延びる転位１７の数を減らすことができる。その結果、第１半導体層１３ａの結晶品質を向上させることができ、かかる第１半導体層１３ａ上に成長される発光層１３ｂの結晶品質を向上させることができる。その結果、発光
層１３ｂでの発光効率を向上させることができる。
【００４２】
一方、非結晶成長構造体を有さない発光素子の構成では、単結晶基板上に第１半導体層を横方向成長させた際に、突起から単結晶基板の第１主面に沿ったあらゆる方向に複数の転位が延びるようになる。そのことから、複数の転位同士が結合されにくく、発光層まで延在する転位の数を減らすことが困難だった。その結果、かかる転位によって発光層の発光効率を向上させることが難しかった。
【００４３】
本実施形態において、構造体１６を三角柱で形成する場合について説明したが、構造体１６は、下部から上部に向かうにつれて、第１主面１５Ａに平行な断面積が漸次小さくなるように設けることが好ましい。具体的には、三角錘、円錐および円錐台などの形状を用いることができる。
【００４４】
ここで、図５に構造体１６を三角錘台で形成した場合の発光素子１を示す。図５（ａ）は図２および３のＢ−Ｂ´線で切断したとき、図５（ｂ）は図２および３のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【００４５】
このように構造体１６が下部から上部に向かうにつれて第１主面１５Ａに平行な断面積が小さく形成されている場合、構造体１６は、第１主面１５Ａとなす内角が鋭角となる斜面１８を有する。そのため、発光層１３ｂで第１主面１５Ａに向かって発光された光が、構造体１６と第１半導体層１３ａとの臨界角以下の角度で構造体１６の斜面１８に入射しやすくなる。その結果、発光層１３ｂで発光された光が構造体１６の斜面１８で発光層１３ｂ側へ全反射されにくくなり、発光素子１の光取り出し効率を向上させることができる。
【００４６】
さらに、構造体１６として、単結晶基板１４と第１半導体層１３ａとの間の屈折率を有する材料から形成することが好ましい。このような材料で構造体１６を形成することにより、発光層１３ｂで発光した光が、第１半導体層１３ａと構造体１６との界面、構造体１６と単結晶基板１４との界面で反射されにくくなり、光取り出し効率を向上させることができる。
【００４７】
また、半導体成長用基板１２上に光半導体層１３を成長させた後、単結晶基板１４を除去してもよい。このように単結晶基板１４を除去することにより、発光層１３ｂで発光した光を、発光層１３ｂの第１半導体層１３ａ側から取り出す場合、発光層１３ｂで発光した光が単結晶基板１４で吸収されなくなり、発光素子１の光取り出し効率を向上させることができる。
【００４８】
＜発光素子の製造方法＞
次に、発光素子１の製造方法を説明する。図６から図１０は、発光素子１の製造方法を説明するための断面図であり、図２に示す発光素子１のＣ−Ｃ´線における断面に相当する部分を示している。
【００４９】
（半導体成長用基板の製造工程）
図６に示すように、単結晶基板１４上に、単結晶基板１４の一部を露出させた露出領域を有するマスクパターン１９を形成する。マスクパターン１９としては、後に容易に除去することができる材料を選択することができ、厚みは例えば４００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下に設定することができる。なお、マスクパターン１９の膜厚は、エッチングにより単結晶基板１４の一部を除去する場合、単結晶基板１４のエッチングレートとマスクパターン１９のエッチングレートとの選択比によって適宜選択することができる。
【００５０】
マスクパターン１９は、マスク材料をスパッタ法や蒸着法などの真空積層法を用いることにより単結晶基板１４上に積層膜を積層し、単結晶基板１４の一部を露出させるための露出領域をパターニングすることにより形成することができる。この際、単結晶基板１４ａとしてサファイアを用いてドライエッチングを行う場合、サファイアと反応しやすい塩素系ガスを反応ガスとして好適に用いることができるが、この場合、マスク材料としては、チタン、ニッケルまたはクロムなどの金属や酸化シリコンなどの耐塩素性の無機材料を用いることが望ましい。
【００５１】
さらに、単結晶基板１４の上面を露出させた露出領域からエッチング法などで、単結晶基板１４の一部を厚み方向へ除去した後、マスクパターン１９を除去することにより、図７に示すような、突起１４ａが設けられる。
【００５２】
単結晶基板１４の一部を除去する方法としては、ウエットエッチングやドライエッチングなどエッチング法を用いることができる。単結晶基板１４としてサファイアを用いた場合に、ドライエッチングにより単結晶基板１４の一部を除去する際には、サファイアと反応しやすい塩素系ガス雰囲気中でドライエッチングを行うことにより生産性を向上させることができる。一方、単結晶基板１４の一部をウエットエッチングで除去する場合には、ウエットエッチングのサイドエッチなどを用いることにより、突起１４ａの断面形状を台形状などにすることができる。
【００５３】
さらに、図８に示すように、突起１４ａを被覆するように単結晶基板１４上に、積層膜２０と、積層膜２０上にレジストパターン２１と、を積層した積層体２２を形成する。
【００５４】
積層膜２０は、突起１４ａの第１主面１５から上面１４ａ´までの高さより高くなるように膜厚が設定されている。積層膜２０の材料として酸化シリコンを用いた場合、例えばスパッタ法やスピンコート法などにより形成することができる。
【００５５】
レジストパターン２１は、積層膜２０の上面の一部を露出させる露出領域を有するように、積層膜２０上に設けられている。レジストパターン２１の露出領域が、平面透視して、突起１４ａと重なる領域に設定されている。レジストパターン２１の膜厚は、エッチングにより積層膜２０の一部を除去する場合、積層膜２０のエッチングレートとレジストパターン２１のエッチングレートとの選択比によって適宜選択することができる。
【００５６】
その後、積層膜２０の露出領域から厚み方向へ一部除去することにより、図９に示すような、構造体１６を形成することができる。エッチングする方法としては、ドライエッチングやウエットエッチングなど用いることができる。ドライエッチングを用いて積層膜２０の一部を除去した場合、露出領域に対して垂直方向からエッチングされやすいため、構造体１６の断面形状を四角形とすることができる。また、ウエットエッチングを用いて積層膜２０の一部を除去した場合、サイドエッチにより平面透視してレジストパターンと重なる領域もエッチングされやすいため、容易に斜面１８を有する構造体１６を形成することができる。
【００５７】
以上のようにして、突起１４ａを有する単結晶基板１４と、単結晶基板１４の第１主面１５Ａ上に配置された構造体１６と、を有する半導体成長用基板１２が形成される。
【００５８】
（発光素子の製造工程）
次に、図１０に示すように光半導体層１３を、単結晶基板１４上に横方向成長を用いて形成する。光半導体層１３を横方向成長させる方法としては、それぞれの層において組成比、成長温度および成長圧力などの成長条件を調整すればよい。このように成長条件を調整することにより、結晶の成長速度を、単結晶基板１４の第１主面１５Ａに対して垂直方
向と水平方向とで制御することができる。
【００５９】
第１半導体層１３ａは、単結晶基板１４の突起１４ａの上面１４ａ´に第１半導体層１３ａのファセットを形成して、横方向成長させることにより設けられる。具体的に、第１半導体層１３ａは、突起１４ａの上面１４ａ´に外部との界面が特定の結晶面すなわちファセットとなるように成長させた後、第１主面１５Ａに対して水平方向の成長を垂直方向に対して成長速度を早くすることにより設けられる。このように第１半導体層１３ａを横方向成長させて設けることから、転位１７も横方向成長に伴い第１主面１５Ａと水平な方向に沿って延びやすくなる。
【００６０】
第１半導体層１３ａとして窒化ガリウムを用いた場合、突起１４ａの上面１４ａ´に傾斜したファセットを形成する方法としては、例えば２０ｋＰａ以上９０ｋＰａ以下の圧力および７００℃以上１１５０℃以下の温度で結晶成長させればよい。その後、ファセット形成時の温度以上に設定した高温状態およびファセット形成時の圧力以下に設定した低圧力状態にして結晶成長させることにより、第１半導体層１３ａを横方向成長させることができる。
【００６１】
本実施形態においては、単結晶基板１４の第１主面１５Ａ上に構造体１６が形成されているため、第１半導体層１３ａが構造体１６の隙間を埋めるようにして、突起１４ａの上面１４ａ´から成長する。そのため、第１半導体層１３ａが構造体１６の隙間を埋めるとともに、突起１４の上面１４ａから延びる転位１７が複数の構造体１６の隙間を縫うようにして平面方向へ延びるようになる。このように複数の転位１７は、構造体１６によって平面方向に延びる方向が制限されるため、複数の構造体１６の隙間に存在しやすくなり、転位１７同士が結合しやすくなる。その結果、第１半導体層１３ａの厚み方向へ延びる転位１７の数を減らすことができる。
【００６２】
その後、第１半導体層１３ａ上に発光層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃを積層することにより、光半導体層１３が単結晶基板１４上に形成される。
【００６３】
このように構造体１６を設けていることにより、第１半導体層１３ａの結晶品質を向上させることができ、結果的に第１半導体層１３ａの上に形成される発光層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃの結晶品質の向上に寄与することができる。
【００６４】
このような光半導体層１３すなわち第１半導体層１３ａ、発光層１３ｂおよび第２半導体層１３ｃを成長させる方法として、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、ハイドライド気相成長法またはパルスレーザデポジション法などを用いることができる。
【００６５】
（電極形成工程）
次に、光半導体層１３に電圧を印加するための一対の電極層を形成する。このような一対の電極層は、第１半導体層１３ａと接続する第１電極層９と第２半導体層１３ｃと接続する第２電極層１０により構成されている。
【００６６】
一対の電極層の材料としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛またはベリリウムなどの金属や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物を好適に用いることができる。また、一対の電極層は、それぞれ上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。
【００６７】
（変形例１）
図１１は上述した実施形態にかかる発光素子１の変形例を示す図であり、図２のＢ−Ｂ
´線で切断したときの断面に相当する。上述の実施形態にかかる発光素子１と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００６８】
変形例１にかかる発光素子２３は、発光層１３ｂと第２半導体層１３ｃとの間に、平面透視して、構造体１６と重なる位置に貫通孔２４ａを有する絶縁層２４が配置されている。
【００６９】
このような絶縁層２４が設けられていることにより、発光素子２３に電圧を印加した際に、絶縁層２４の貫通孔２４ａに電流が流れやすくなり、平面透視して貫通孔２４ａと重なる位置の発光層１３ｂを発光させることができる。
【００７０】
これにより、光半導体層１３の構造体１６と重なる領域すなわち厚み方向に延在する転位１７の少ない領域に効率よく電流を集中させることができる。その結果、転位１７による光半導体層１３の静電破壊を抑制しつつ、発光波長の改善や発光効率を向上させることができる。
【００７１】
（変形例２）
図１２は上述した実施形態にかかる発光素子１の変形例を示す図であり、図２のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面に相当する。上述の実施形態にかかる発光素子１と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００７２】
変形例２にかかる発光素子２５は、構造体１６の一部が単結晶基板１４の突状部１４ｂから形成されている。
【００７３】
突状部１４ｂは、単結晶基板１４と一体的に設けられている。このような突状部１４ｂは、上述した半導体成長用基板の製造工程において、突状部１４ｂとなる領域をマスクパターン１９で被覆し、単結晶基板１４の露出した露出領域から単結晶基板１４をエッチングすることにより、突起１４ａと同時に設けることができる。なお、突起１４ａの高さと突状部１４ｂの高さを異なるように形成する場合には、マスクパターン２２の厚みを部分的に変えることにより、突起１４ａと突状部１４ｂを異なる高さで形成することができる。
【００７４】
このように構造体１６の一部を単結晶基板１４の突状部１４ｂで形成することにより、突状部１４ｂの第１主面１５Ａからの高さ分だけ積層膜２０の厚みを薄くすることができ、構造体１６形成の生産性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１ 発光素子
２ 発光装置
３ 配線導体
４ 実装基体
４ａ 第１シート
４ｂ 第２シート
５ 凹部
６ 搭載面
７ 引き出し面
８ 接合電極
９ 第１電極層
１０ 第２電極層
１１ モールド樹脂
１２ 半導体成長用基板
１３ 光半導体層
１３ａ 第１半導体層
１３ｂ 発光層
１３ｃ 第２半導体層
１４ 単結晶基板
１４ａ 突起
１４ａ´ 上面
１４ｂ 突状部
１５Ａ 第１主面
１５Ｂ 第２主面
１６ 構造体
１６´ 上面
１７ 転位
１８ 斜面
１９ マスクパターン
２０ 積層膜
２１ レジストパターン
２２ 積層体
２３ 発光素子
２４ 絶縁層
２４ａ 貫通孔
２５ 発光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方主面から一部が突出するとともに、上面を有する突起を複数備えた単結晶基板と、
前記一方主面の前記突起が配置されていない領域に設けられ、上部が前記突起の上面の高さ位置より高い位置にあるとともに、前記単結晶基板と異なる材料からなる複数の構造体と、
前記単結晶基板上に前記構造体を被覆するように設けられた光半導体層と、を有する発光素子。
【請求項２】
前記構造体は、前記突起から離間するように設けられている請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記構造体は、下部から上部に向かうにつれて一方主面に平行な断面積が漸次小さくなるように設けられている請求項１または２に記載された発光素子。
【請求項１】
一方主面から一部が突出するとともに、上面を有する突起を複数備えた単結晶基板と、
前記一方主面の前記突起が配置されていない領域に設けられ、上部が前記突起の上面の高さ位置より高い位置にあるとともに、前記単結晶基板と異なる材料からなる複数の構造体と、
前記単結晶基板上に前記構造体を被覆するように設けられた光半導体層と、を有する発光素子。
【請求項２】
前記構造体は、前記突起から離間するように設けられている請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記構造体は、下部から上部に向かうにつれて一方主面に平行な断面積が漸次小さくなるように設けられている請求項１または２に記載された発光素子。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２１１０４９（Ｐ２０１１−２１１０４９Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７８６９２（Ｐ２０１０−７８６９２）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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