発光素子
【課題】 光取出し効率を向上させることが可能な発光素子を提供する。
【解決手段】 本発明の発光素子１は、上面２ａ’を持つ複数の突起２ａを主面２Ａに有する単結晶基板２と、単結晶基板２上に形成された、複数の半導体層３ａ〜３ｃから成る光半導体層３とを備え、突起２ａは、上面２ａ’の一部に凹部４を有しており、光半導体層３は、最下層に位置する半導体層３ａが突起２ａの上面２ａ’に接しているとともに凹部４を埋めている。これにより、光半導体層３で発生した光が、凹部４内に入射した場合に、光半導体層３と単結晶基板２との界面で光半導体層３側に反射されにくくすることができ、光取出し効率を向上させることができる。
【解決手段】 本発明の発光素子１は、上面２ａ’を持つ複数の突起２ａを主面２Ａに有する単結晶基板２と、単結晶基板２上に形成された、複数の半導体層３ａ〜３ｃから成る光半導体層３とを備え、突起２ａは、上面２ａ’の一部に凹部４を有しており、光半導体層３は、最下層に位置する半導体層３ａが突起２ａの上面２ａ’に接しているとともに凹部４を埋めている。これにより、光半導体層３で発生した光が、凹部４内に入射した場合に、光半導体層３と単結晶基板２との界面で光半導体層３側に反射されにくくすることができ、光取出し効率を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、発光素子または受光素子として、基板上に半導体層を積層した半導体基板が用いられている。特に、発光素子や受光素子に用いられる半導体層を基板上に結晶成長させる場合には、半導体層の結晶品質を向上させる必要があった。
【０００３】
そこで、基板上に半導体層を結晶成長させる技術として、例えば、基板上に複数の突起を設けることによって、基板上に成長させる半導体層の結晶性を向上させる技術が開示されている（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2002−164296号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、複数の突起上に半導体層を結晶成長させた場合は、該半導体層で発生した光が複数の突起の上面と半導体層との界面で半導体層側に反射され、光取出し効率の低下を引き起こすおそれがあった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光取出し効率を向上させることが可能な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】
【０００７】
本発明の一実施形態にかかる発光素子は、上面を持つ複数の突起を主面に有する単結晶基板と、該単結晶基板上に形成された、複数の半導体層から成る光半導体層とを備え、前記突起は、前記上面の一部に凹部を有しており、前記光半導体層は、最下層に位置する前記半導体層が前記突起の前記上面に接しているとともに前記凹部を埋めている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一実施形態にかかる発光素子によれば、凹部が形成された突起を複数有する単結晶基板上に光半導体層を備えていることから、光半導体層で発生した光が光半導体層から単結晶基板に入射する際に、光半導体層側に反射されにくくすることができるので、発光素子の光取出し効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる発光素子を示す斜視図である。
【図２】図１の発光素子の断面を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図３】図１の発光素子の断面を示す断面図であり、突起、光半導体層およびその周辺を拡大した拡大図である。
【図４】図１に示す発光素子の変形例であり、突起、光半導体層およびその周辺の断面を拡大した拡大断面図である。
【図５】図１に示す発光素子の変形例の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図６】図１に示す発光素子の変形例の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図７】図１に示す発光素子の変形例の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図８】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法の一例の一工程を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面にする。
【図９】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法の一例の一工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法の変形例の一例の一工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法の変形例の一例の一工程を示す断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法の変形例の一例の一工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態の例について図を参照しながら説明する。
【００１１】
なお、本発明は以下の実施の形態の例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。
【００１２】
＜発光素子＞
図１は本発明の実施の形態の一例の発光素子１の斜視図であり、図２は図１に示す発光素子１の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【００１３】
発光素子１は、図１および図２に示すように、単結晶基板２および光半導体層３を有する。本例において、発光素子１の外部は、屈折率が例えば１の空気に設定されている。
【００１４】
単結晶基板２は、光半導体層３を結晶成長させることが可能な材料から構成されている。単結晶基板２としては、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイドまたはシリコンなどを用いることができる。単結晶基板２の厚みとしては、例えば１μｍ以上1500μｍ以下程度である。なお、単結晶基板２の厚みは、単結晶基板２の下面である第２主面２Ｂから突起２ａの上面（以下、突起上面という）２ａ’までの厚みを指す。
【００１５】
本例のように、光半導体層３で発光した光を、単結晶基板２側から取り出す場合には、単結晶基板２として光半導体層３で発光した光を透過しやすい透光性の基材が用いられる。透光性の基材としては、光半導体層３で発光した光の波長に対して、例えば60％以上の透過率を有するものを用いればよい。
【００１６】
単結晶基板２として用いられる透光性の基材としては、後述する発光層３ｂの構成を用いた場合であれば、例えばサファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛または二ホウ化ジルコニウムなどを単結晶基板２として用いることができる。
【００１７】
本例において、単結晶基板２は、光半導体層３で発光した光を透過しやすい透光性の材料であるサファイアにより形成されている。単結晶基板２としてサファイアを用いた場合には、結晶を成長させる結晶成長面として、例えばＡ面、Ｃ面またはＲ面などを用いることができる。
【００１８】
単結晶基板２は、主面のうち上面である第１主面２Ａ上に突起２ａを複数有している。
突起２ａは、第１主面２Ａから遠ざかる位置に突起上面２ａ’を有している。
【００１９】
突起２ａは、例えば単結晶基板２を加工することにより、単結晶基板２と一体的に設けられている。突起２ａの突起上面２ａ’は、単結晶基板２の第１主面２Ａからの距離が最も遠い位置にある面を指す。突起２ａは、単結晶基板２の第１主面２Ａから突起上面２ａ’までの高さが、例えば0.2μｍ以上５μｍ以下に設定されている。突起２ａの幅は、例えば0.5μｍ以上10μｍ以下に設定されている。突起２ａは、突起上面２ａ’の面積が、単結晶基板２の第１主面２Ａの面積に対して、例えば30％以上90％以下となるように設定されている。
【００２０】
突起２ａの突起上面２ａ’は、単結晶基板２の結晶成長面となるように設定されている。突起２ａの突起上面２ａ’の平坦性は、表面粗さが、例えば10ｎｍ以下に設定されている。突起２ａの突起上面２ａ’の表面粗さとしては、ＪＩＳ Ｂ0601−2001に準拠した最大高さ粗さＲｚを用いればよい。表面粗さを測定する方法としては、例えばＪＩＳ Ｂ0601−2001およびＪＩＳ Ｂ0633−2001に準拠した方法に則って、触針式表面粗さ測定機を用いることができる。また、ＪＩＳ Ｒ1683−2007に準拠した方法に則って、原子間力顕微鏡を用いて突起２ａの突起上面２ａ’の表面粗さを測定してもよい。
【００２１】
また、突起２ａの突起上面２ａ’は、単結晶基板２の第１主面２Ａに対して傾斜していてもよい。この場合は、突起２ａの突起上面２ａ’の傾斜角は単結晶基板２の第１主面２Ａに対して、単結晶基板２のオフ角である例えば０°以上２°以下の角度に設定される。
【００２２】
突起２ａとしては、突起上面２ａ’を有する形状であればよく、例えば、四角柱状または六角柱状などの多角柱状または円柱状などのものを用いることができる。本例においては、突起２ａは円柱状となるように設けられている。
【００２３】
突起２ａとしては、側面が単結晶基板２の第１主面２Ａに対して傾斜した形状であってもよい。傾斜した側面を持つ突起２ａとしては、例えば四角錐台状または六角錐台状などの多角錐台状または円錐台状などのものを用いることができる。この場合には、光半導体層３で発光した光を、光半導体層３と突起２ａの側面との界面で光半導体層３側に反射されにくくすることができるため、単結晶基板２に入射しやすくすることができる。その結果、発光素子１の光取出し効率を向上させることができる。
【００２４】
突起２ａは、突起上面２ａ’の一部に凹部４を有している。凹部４は、突起２ａの突起上面２ａ’の一部に設けられていればよい。凹部４は、平面視したときの平面視形状が、例えば四角形状などの多角形状または円形状などに形成されている。突起２ａを平面視した際に、突起２ａの突起上面２ａ’に対して、凹部４が占める割合は、例えば20％以上80％以下に設定されている。
【００２５】
凹部４は、底面４Ａを有している。突起２ａの突起上面２ａ’から凹部４の底面４Ａまでの深さは、例えば0.1μｍ以上３μｍ以下に設定されている。凹部４の底面４Ａの面積は、凹部４の開口部４Ｂが占める面積と同じか、または凹部４の開口部４Ｂが占める面積よりも小さくなるように設けられている。
【００２６】
凹部４は、断面視したときに、凹部４と開口部４Ｂとで囲まれる領域が、例えば、三角形状または四角形状などの多角形状に形成されている。なお、凹部４は、その内壁面から第１半導体層３ａが結晶成長するように設定されていればよい。そのため、凹部４の断面視形状は、下方に湾曲した曲面形状であってもよい。
【００２７】
単結晶基板２上には、図２に示すように、光半導体層３が設けられている。光半導体層
３は、複数の突起２ａの突起上面２ａに結晶成長させた半導体層（図２に示す例では第１半導体層３ａ）を含んでいる。また、光半導体層３は、第１半導体層３ａ、発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃを順次積層することによって構成されている。光半導体層３は、全体の厚みを例えば0.8μｍ以上10μｍ以下に設定されている。
【００２８】
光半導体層３は、例えば、複数の突起２ａを持つ単結晶基板２に、複数の半導体層を結晶成長させることによって設けられている。本例では、複数の半導体層として、第１半導体層３ａ、発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃを用いた場合について説明する。
【００２９】
光半導体層３としては、例えば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族窒化物半導体である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。本例においては、光半導体層３として窒化ガリウムを用いており、光半導体層３の各層は、屈折率が、例えば1.8以上2.7以下に設定される。
【００３０】
第１半導体層３ａは、厚みが0.3μｍ以上８μｍ以下に設定されている。光半導体層３のうち最下層に位置する第１半導体層３ａは、突起２ａの突起上面２ａ’に接し、凹部４を埋めるように設けられている。
【００３１】
凹部４内に位置する第１半導体層３ａは、凹部４の底面４Ａまたは凹部４の側面４Ｂと接していればよい。そのため、凹部４内に位置する第１半導体層３ａは、凹部４を隙間なく埋めていてもよいし、凹部４と第１半導体層３ａとの間の一部に空隙を有していてもよい。凹部４と第１半導体層３ａとの間の一部に空隙を有する場合は、空隙によって凹部４と第１半導体層３ａとが接しない領域が、凹部４の底面４Ａおよび側面４Ｃの面積に対して、例えば0.1％以上20％以下となるように設定されている。
【００３２】
発光層３ｂは、第１半導体層３ａに設けられている。発光層３ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層と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：Multiple Quantum Well）を用いることができる。障壁層および井戸層としては、アルミニウム、インジウムおよびガリウムのうち少なくとも一方を含む窒化物からなる混晶においてインジウムとガリウムと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３ｂは、例えば350ｎｍ以上600ｎｍ以下の波長の光を発光することができる。
【００３３】
第２半導体層３ｃは、発光層３ｂ上に設けられている。第２半導体層３ｃは、電子または正孔のどちらかを多数キャリアとすることによって、第１半導体層３ａとは逆導電型を示すように設定されている。第２半導体層３ｃに第１半導体層３ａとは逆導電型を付与する方法としては、例えばマグネシウム、亜鉛またはシリコンを不純物として添加する方法を用いることができる。
【００３４】
第１電極層５は第１半導体層３ａに、第２電極層６は第２半導体層３ｃに、それぞれ設けられている。第１電極層５および第２電極層６によって、光半導体層３に電圧が印加される。
【００３５】
第１電極層５および第２電極層６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、あるいは酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物、あるいは銀−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用いることができる。第１電極層５および第２電極層６として、それぞれ前述した材質の中から選択し
た層を複数回積層して設けてもよい。
【００３６】
本例においては、光半導体層３の発光層３ｂで発生した光を第１半導体層３ａ側から取り出すことから、第２電極層６として反射性電極材料を用いてもよい。第２電極層６として反射性電極材料を用いた場合には、発光層３ｂで発生した光が第２半導体層３ｃに入射した場合に第１半導体層３ａ側に反射しやすくすることができ、光取出し効率を向上させることができる。
【００３７】
本例において、第１半導体層３ａは、図３に示すように、凹部４を有する突起２ａの突起上面２ａ’に形成されている。さらに、第１半導体層３ａは、かかる凹部４内が埋まるように配置されている。そのため、光半導体層３で発生した光の一部は、凹部４内に位置する第１半導体層３ａに進むようになる。
【００３８】
そして、凹部４内に位置する第１半導体層３ａに入射した光は、凹部４の側面４Ｃまたは凹部４の底面４Ａから単結晶基板２に入射するようになる。このように凹部４が側面４Ｃを有することにより、光半導体層３で発生した光が単結晶基板２に入射されやすくなる。また、光半導体層３で発生した光が、凹部４の側面４Ｃで全反射された場合でも、凹部４の底面４Ａの方向に進みやすくすることができることから、凹部４の底面４Ａから単結晶基板２に入射されやすくすることができる。
【００３９】
このように光半導体層３で発生した光を、突起２ａの凹部４から単結晶基板２に入射させやすくすることができるため、光半導体層３と単結晶基板２との間で光半導体層３側に反射されにくくすることができ、発光素子１の光取出し効率を向上させることができる。
【００４０】
（変形例１）
凹部４は、図４に示すように、上方に向かうにつれて、突起上面２ａ’に対して平行な断面積が底面４Ａの面積よりも大きくなっていてもよい。凹部４は、底面４Ａから上方に向かうにつれて、次第に大きくなっている。この場合、凹部４は、底面４Ａの面積に対して、開口部４Ｂの面積が例えば0.5％以上10％以下の範囲で大きくなっている。このように凹部４が形成された場合には、凹部４の断面視形状が台形状となっており、凹部４の側面４Ｃが、底面４Ａに対して上方に向かって広がるように傾斜するようになる。なお、凹部４は、底面４Ａの面積から上方に向かう断面積が段階的に大きくなっていてもよい。
【００４１】
凹部４の側面４Ｃを底面４Ａに対して傾斜させることにより、光半導体層３で発生した光が、凹部４の側面４Ｃに入射する際に臨界角よりも大きい角度で入射しやすくすることができるため、凹部４の側面４Ｃで光半導体層３側に反射されにくくすることができる。また、凹部４の側面４Ｃが底面４Ａに対して傾斜していることから、単結晶基板２上に第１半導体層３ａを結晶成長させる際に、被覆性が良好となるように第１半導体層３ａで凹部４を埋めることができる。
【００４２】
（変形例２）
凹部４は、図３に示すように、底面４Ａが単結晶基板２の第１主面２Ａに対して、第１主面２Ａよりも上方に位置している。すなわち、突起２ａの高さよりも凹部４の深さが小さくなるように設定されている。このように凹部４の底面４Ａが、単結晶基板２の第１主面２Ａよりも上方に位置するように配置されているときには、凹部４の底面４Ａまで第１半導体層３ａを埋めやすくすることができる。
【００４３】
（変形例３）
光半導体層３は、図５に示すように、第１半導体層３ａが単結晶基板２の第１主面２Ａに接していてもよい。このように、第１半導体層３ａが単結晶基板２の第１主面２Ａと接
するように設けられているときには、光半導体層３で発生した光が、単結晶基板２の第１主面２Ａと第１半導体層３ａとの界面で光半導体層３側に反射されにくくすることができる。
【００４４】
（変形例４）
単結晶基板２は、図６に示すように、複数の突起２ａの間の第１主面２Ａに第２凹部７を有していてもよい。第２凹部７は、断面視形状は、凹部４と同じ形状とすることができる。第２凹部７は、平面視したときの寸法が、例えば0.2μｍ以上10μｍ以下となるように設定することができる。このような第２凹部７は、単結晶基板２の第１主面２Ａの面積（突起２ａを除いた面積）に対して、開口部の合計の面積が例えば１％以上30％以下となるように配置されている。
【００４５】
このように単結晶基板２の第１主面２Ａが第２凹部７を有している場合には、第１半導体層３ａが第２凹部７を埋めるように配置されているとよい。このように単結晶基板２の第１主面２Ａに第２凹部７が設けられ、かかる第２凹部７を第１半導体層３ａが埋めていることにより、光半導体層３で発生した光が、第１半導体層３ａと単結晶基板２の第１主面２Ａとの界面で光半導体層３側にさらに反射されにくくすることができる。
【００４６】
（変形例５）
光半導体層３は、図７に示すように、第１半導体層３ａ内に転位８を有していてもよい。転位８は、下端が突起２ａの突起上面２ａ’に位置するとともに上端が平面透視して突起２ａと重ならない領域に位置している。転位８は、第１半導体層３ａを単結晶基板２上に結晶成長させた場合に発生しやすくなる。このような転位８は、光半導体層３を横方向に結晶成長させることにより、発生する位置を制御することができる。
【００４７】
このような転位８は、結晶成長させる第１半導体層３ａを始めとする半導体層の結晶面に、意図しない結晶面または原子ステップが発生することによって生じやすくなり、例えば刃状転位またはらせん状転位などの種類がある。転位８は、第１半導体層３ａと単結晶基板２との間で格子定数が異なることに起因して、第１半導体層３ａと単結晶基板２との界面で起こりやすくなる。
【００４８】
転位８が光半導体層３内に配置されている場合には、平面透視して、突起２ａと重なる領域の光半導体層３から強い発光強度で発光しやすくなる。そのため、突起２ａと重なる領域の光半導体層３で発生した光は、突起２ａの凹部４内に入射しやすくなり、さらに光取出し効率を向上させることができる。
【００４９】
このように転位８の発生する位置を制御することにより、光半導体層３で発生する光の強度が強くなりやすい位置を制御することができ、突起２ａに凹部４を設けていない場合と比較して、発光素子１の光取出し効率をさらに向上させることができる。
【００５０】
＜発光素子の製造方法＞
図８−図12は、それぞれ発光素子１の製造工程を示す断面図であり、いずれも図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。上述した発光素子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。
【００５１】
続いて、本発明の実施の形態の発光素子１の製造方法を説明する。本発明の実施の形態の発光素子１に係る製造方法は、単結晶基板を準備する工程、光半導体層を成長させる工程を有している。
【００５２】
（単結晶基板を準備する工程）
単結晶基板２の第１主面２Ａに、突起２ａを複数形成する方法を、図８（ａ）〜（ｄ）を参考にしつつ説明する。
【００５３】
単結晶基板２は、光半導体層３を結晶成長させることが可能な材料から構成されている。単結晶基板２としては、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウムなどを用いることができる。本例においては、単結晶基板２としてサファイアを用いている。
【００５４】
単結晶基板２は、平面視形状が例えば四角形状などの多角形状または円形状などに設定されている。単結晶基板２は、厚みが例えば１μｍ以上2000μｍ以下に設定されている。単結晶基板２として、単結晶基板２の上面２Ａ’が平坦なものを用いることができる。
【００５５】
単結晶基板２の上面２Ａ’の平坦性は、表面粗さが例えば10ｎｍ以下に設定されている。なお、単結晶基板２としては、単結晶基板２の上面２Ａ’を研磨したものを用いてもよく、単結晶基板２の上面２Ａ’の表面粗さとしては、ＪＩＳ Ｂ0601−2001に準拠した最大高さ粗さＲｚを用いればよい。
【００５６】
単結晶基板２の上面２Ａ’としては、例えば単結晶基板２の結晶面が揃っているものを用いることができる。単結晶基板２がサファイアの場合であれば、単結晶基板２の結晶面としては、例えばサファイアのＡ面、Ｃ面またはＲ面などを用いることができる。
【００５７】
単結晶基板２の上面２Ａ’上に、図８（ａ）に示すように、単結晶基板２の上面２Ａ’の一部が露出する第１露出領域９を有する第１マスクパターン10を形成する。マスクパターン10の第１露出領域９は、平面視形状が例えば単結晶基板２の第１主面２Ａ上に形成する突起２ａの間の形状となるように設定される。そのため、第１露出領域９の幅は、突起２ａの間の第１主面２Ａの形状および寸法に設定すればよく、隣接する突起２ａ同士の間で例えば0.5μｍ以上10μｍ以下に設定される。
【００５８】
そして、第１露出領域９から露出した単結晶基板２の上面２Ａ’から深さ方向に第１エッチングを行なうことにより、第１マスクパターン10の形状、大きさおよび配置に応じた突起２ａを単結晶基板２の第１主面２Ａに形成する。
【００５９】
第１マスクパターン10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好ましく、例えばフォトレジスト、酸化シリコンなどの酸化物、またはニッケルなどの金属を用いることができる。第１マスクパターン10の膜厚は、エッチングによって単結晶基板２の一部を除去する場合であれば、単結晶基板２のエッチングレートと第１マスクパターン10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、例えば0.2μｍ以上10μｍ以下に設定することができる。
【００６０】
第１マスクパターン10は、マスク材料をスパッタリング法または蒸着法などの真空積層法を用いることによって単結晶基板２上に積層膜として積層し、露出領域９を有するようにパターニングすることによって形成することができる。この際、単結晶基板２としてサファイアを用いてドライエッチングを行なう場合は、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用いることができるが、この場合には、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。
【００６１】
単結晶基板２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って単結晶基板２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なってもよい。このようにドライエッチングを行なうことによって、生産性を
向上させることができる。
【００６２】
そして、図８（ｂ）に示すように、第１マスクパターン10を単結晶基板２から除去することによって、単結晶基板２の第１主面２Ａに複数の突起２ａを単結晶基板２と一体的に設けることができる。ここで、単結晶基板２の上面２Ａ’に、結晶が揃った平坦な結晶面を用いた場合は、突起２ａの突起上面２ａ’が第１マスクパターン10で覆われていることから、単結晶基板２の一部を除去する工程の際に、突起上面２ａ’および第１主面２Ａの平坦性を維持することができる。
【００６３】
次に、図８（ｃ）に示すように、突起２ａの突起上面２ａ’の一部が露出する第２露出領域11を有する第２マスクパターン12を単結晶基板２上に形成する。第２マスクパターン12の材料および膜厚などは、第１マスクパターン10と同じように設定すればよい。第２露出領域11の寸法は、例えば凹部４の開口あるいは底面４Ａの寸法と同じに設定すればよい。第２露出領域11の寸法は、円形状の凹部４であれば、直径を例えば0.1μｍ以上５μｍ以下に設定することができる。
【００６４】
そして、第２露出領域11から露出した突起２ａの突起上面２ａ’から深さ方向に第２エッチングして、凹部４を突起２ａの突起上面２ａ’に形成する。突起２ａを形成した際と同じ条件でエッチングを行なう場合には、第２エッチングの時間は、例えば第１エッチングの時間よりも少なくなるように設定することができる。このように第２エッチングの時間を設定することにより、凹部４の底面４Ａを、単結晶基板２の第１主面２Ａに対して第１主面２Ａよりも上方に配置することができる。
【００６５】
その後、図８（ｄ）に示すように、第２マスクパターン12を単結晶基板２から除去することにより、突起上面２ａ’の一部に凹部４を持つ複数の突起２ａを第１主面２Ａに有する単結晶基板２を準備することができる。
【００６６】
（光半導体層を成長させる工程）
次に、単結晶基板２上に光半導体層３を成長させる。この工程について以下に説明する。
【００６７】
光半導体層３としては、例えばIII−Ｖ族半導体を用いることができる。本例においては、光半導体層３には窒化ガリウムが用いられている。単結晶基板２の上面である突起２ａの突起上面２ａ’および第１主面２Ａに光半導体層３を成長させる方法としては、分子線エピタキシャル法、有機金属エピタキシャル法、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。
【００６８】
光半導体層３を成長させる方法としては、例えば、単結晶基板２の第１主面２Ａに対して垂直である垂直方向よりも第１主面２Ａと平行な平面方向に結晶成長しやすくした横方向成長を用いることができる。
【００６９】
具体的には、光半導体層３の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ることにより、光半導体層３を横方向に結晶成長させることができる。具体的には、原料ガスを突起２ａの突起上面２ａ’に対して傾斜した方向から流入させて突起２ａの突起上面２ａ’に光半導体層３を結晶成長させる。
【００７０】
単結晶基板２上に光半導体層３として窒化ガリウムを結晶成長させるには、窒化ガリウムの組成比、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。成長温度としては、例えば350℃以上1500℃以下に設定することができる。単結晶基板２上に窒化ガリウムからなる第１半導体層３ａとしての低温バッファ層を設ける場合には、成長温度として
例えば350℃以上800℃以下に設定すればよい。
【００７１】
以下、突起２ａの突起上面２ａ’に光半導体層３を横方向に結晶成長させる方法について図９〜図11を参照しつつ、具体的に説明する。
【００７２】
まず、図９に示すように、単結晶基板２上に複数形成された突起２ａの突起上面２ａ’に第１半導体層３ａの結晶体13を結晶成長させる。ここで、図９は、単結晶基板２の一部とその周辺を拡大した断面図である。
【００７３】
結晶体13は、側面が特定の結晶面となっている結晶からなる構造体である。このような結晶体13の形状は、例えば三角錐形状または六角錐形状などの多角錐形状、三角錐台形状または六角錐台形状などの多角錐台形状、円錐形状、または円錐台形状などを用いることができる。本例において、結晶体13は、六角錐形状で形成されている。
【００７４】
このように、突起２ａの突起上面２ａ’に対して傾斜した結晶面を有する結晶体13を形成する方法としては、成長時の成長圧力および成長温度を調整する方法などを用いることができる。光半導体層３として窒化ガリウムを用いた場合であれば、結晶体13は、例えば５ｋＰａ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ることができる。このような結晶体13の結晶面は、サファイアからなる単結晶基板２の突起２ａの突起上面２ａ’がｃ面である場合に、例えば｛1−101｝面とすることができる。
【００７５】
その後、図10に示すように、１つの突起２ａにおいて、凹部４を隔てて結晶成長させた２つの結晶体13を横方向に結晶成長させることにより、それぞれの突起上面２ａ’から延びる転位８同士を結合させやすくすることができる。このように１つの突起２ａ上で２つの結晶体13同士を合わせることによって１つの第２結晶体13’を形成し、それぞれの結晶体13から延びる転位８同士を結合させやすくすることができることから、突起２ａの突起上面２ａから延びる転位８の数を減らすことができる。
【００７６】
次に、図11に示すように、隣接する２つの突起２ａ上に形成された第２結晶体13’同士を合わせることによって第３結晶体13”を形成する。このように第３結晶体13”を形成することにより、突起２ａ上に形成された第２結晶体13’から延びる転位８同士を結合させて、第３結晶体13”から延びる転位８の数を減らすことができる。
【００７７】
このように、結晶体13を２段階で横方向に結晶成長させることから、突起２ａ上で突起上面２ａ’から延びる転位８の数を減らした後で、隣接する２つの突起２ａ間で転位８を減らすことができる。このように第１半導体層３ａ内で、２回に渡り転位８を結合させることができることから、上方に延びる転位８の数を減らすことができ、第１半導体層３ａの結晶品質を向上させることができる。
【００７８】
このように第１半導体層３ａにおける転位８の数を減らすことによって、発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃの結晶性を向上させることができる。その結果、光半導体層３の発光効率を向上させることができる。
【００７９】
また、第１半導体層３ａを横方向に結晶成長させて、光半導体層３の第１半導体層３ａ内で転位８を結合させることから、発光層３ｂに延在する転位８を少なくすることができるため、発光層３ｂで発光する領域を広げることができる。
【００８０】
その後、図12に示すように、第１半導体層３ａをさらに結晶成長させた後、発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃを結晶成長させることにより、単結晶基板２上に光半導体層３を形成する。
【００８１】
そして、第１半導体層３ａに電気的に接続される第１電極層５と、第２半導体層３ｂに電気的に接続される第２電極層６とを光半導体層３に形成して、図１に示すような発光素子１を形成する。このように形成された、第１電極層５および第２電極層６の間に電圧を印加することにより、光半導体層３を発光させることができる。
【００８２】
（発光素子の製造方法の変形例）
凹部４は、突起２ａの突起上面２ａ’の中心付近に配置していてもよい。凹部４が中心付近に配置されていることにより、突起上面２ａ’に形成した結晶体13を横方向に結晶成長させる際に、結晶体13が同じ速度で結晶成長することから、平面透視して、凹部４の領域内で結晶体13が合わさることにより第２結晶体13’が形成される。
【００８３】
そのため、結晶体13から延びる転位８を凹部４と重なる領域に集中させることができ、それぞれの転位８が結合されやすくすることができる。このように凹部４と重なる領域で結合させることにより、転位８が結合しやすくなり、さらに結晶性を向上させることができる。
【００８４】
また、結晶体13を突起２ａに形成する際に、凹部４の底面４Ａにも結晶を成長させて、凹部４を第１半導体層３ａで埋めてもよい。このように凹部４を第１半導体層３ａで埋めた場合には、光半導体層３で発生した光を単結晶基板２側から取り出す際に、発光素子１の光取出し効率を向上させることができる。
【００８５】
さらに、単結晶基板２の第１主面２Ａに接するように第１半導体層３ａを結晶成長させた場合には、光半導体層３で発生した光を単結晶基板２側から取り出す際に、発光素子１の光取出し効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００８６】
１ 発光素子
２ 単結晶基板
２Ａ 第１主面（主面）
２Ｂ 第２主面
２ａ 突起
２ａ’ 突起上面（上面）
３ 光半導体層
３ａ 第１半導体層（半導体層）
３ｂ 発光層（半導体層）
３ｃ 第２半導体層（半導体層）
４ 凹部
４Ａ 底面
４Ｂ 開口部
４Ｃ 側面
５ 第１電極層
６ 第２電極層
７ 第２凹部
８ 転位
９ 第１露出領域
10 第１マスクパターン
11 第２露出領域
12 第２マスクパターン
13 結晶体
13’ 第２結晶体
13” 第３結晶体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、発光素子または受光素子として、基板上に半導体層を積層した半導体基板が用いられている。特に、発光素子や受光素子に用いられる半導体層を基板上に結晶成長させる場合には、半導体層の結晶品質を向上させる必要があった。
【０００３】
そこで、基板上に半導体層を結晶成長させる技術として、例えば、基板上に複数の突起を設けることによって、基板上に成長させる半導体層の結晶性を向上させる技術が開示されている（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2002−164296号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、複数の突起上に半導体層を結晶成長させた場合は、該半導体層で発生した光が複数の突起の上面と半導体層との界面で半導体層側に反射され、光取出し効率の低下を引き起こすおそれがあった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光取出し効率を向上させることが可能な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】
【０００７】
本発明の一実施形態にかかる発光素子は、上面を持つ複数の突起を主面に有する単結晶基板と、該単結晶基板上に形成された、複数の半導体層から成る光半導体層とを備え、前記突起は、前記上面の一部に凹部を有しており、前記光半導体層は、最下層に位置する前記半導体層が前記突起の前記上面に接しているとともに前記凹部を埋めている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一実施形態にかかる発光素子によれば、凹部が形成された突起を複数有する単結晶基板上に光半導体層を備えていることから、光半導体層で発生した光が光半導体層から単結晶基板に入射する際に、光半導体層側に反射されにくくすることができるので、発光素子の光取出し効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる発光素子を示す斜視図である。
【図２】図１の発光素子の断面を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図３】図１の発光素子の断面を示す断面図であり、突起、光半導体層およびその周辺を拡大した拡大図である。
【図４】図１に示す発光素子の変形例であり、突起、光半導体層およびその周辺の断面を拡大した拡大断面図である。
【図５】図１に示す発光素子の変形例の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図６】図１に示す発光素子の変形例の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図７】図１に示す発光素子の変形例の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図８】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法の一例の一工程を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面にする。
【図９】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法の一例の一工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法の変形例の一例の一工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法の変形例の一例の一工程を示す断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造方法の変形例の一例の一工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態の例について図を参照しながら説明する。
【００１１】
なお、本発明は以下の実施の形態の例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。
【００１２】
＜発光素子＞
図１は本発明の実施の形態の一例の発光素子１の斜視図であり、図２は図１に示す発光素子１の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【００１３】
発光素子１は、図１および図２に示すように、単結晶基板２および光半導体層３を有する。本例において、発光素子１の外部は、屈折率が例えば１の空気に設定されている。
【００１４】
単結晶基板２は、光半導体層３を結晶成長させることが可能な材料から構成されている。単結晶基板２としては、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイドまたはシリコンなどを用いることができる。単結晶基板２の厚みとしては、例えば１μｍ以上1500μｍ以下程度である。なお、単結晶基板２の厚みは、単結晶基板２の下面である第２主面２Ｂから突起２ａの上面（以下、突起上面という）２ａ’までの厚みを指す。
【００１５】
本例のように、光半導体層３で発光した光を、単結晶基板２側から取り出す場合には、単結晶基板２として光半導体層３で発光した光を透過しやすい透光性の基材が用いられる。透光性の基材としては、光半導体層３で発光した光の波長に対して、例えば60％以上の透過率を有するものを用いればよい。
【００１６】
単結晶基板２として用いられる透光性の基材としては、後述する発光層３ｂの構成を用いた場合であれば、例えばサファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛または二ホウ化ジルコニウムなどを単結晶基板２として用いることができる。
【００１７】
本例において、単結晶基板２は、光半導体層３で発光した光を透過しやすい透光性の材料であるサファイアにより形成されている。単結晶基板２としてサファイアを用いた場合には、結晶を成長させる結晶成長面として、例えばＡ面、Ｃ面またはＲ面などを用いることができる。
【００１８】
単結晶基板２は、主面のうち上面である第１主面２Ａ上に突起２ａを複数有している。
突起２ａは、第１主面２Ａから遠ざかる位置に突起上面２ａ’を有している。
【００１９】
突起２ａは、例えば単結晶基板２を加工することにより、単結晶基板２と一体的に設けられている。突起２ａの突起上面２ａ’は、単結晶基板２の第１主面２Ａからの距離が最も遠い位置にある面を指す。突起２ａは、単結晶基板２の第１主面２Ａから突起上面２ａ’までの高さが、例えば0.2μｍ以上５μｍ以下に設定されている。突起２ａの幅は、例えば0.5μｍ以上10μｍ以下に設定されている。突起２ａは、突起上面２ａ’の面積が、単結晶基板２の第１主面２Ａの面積に対して、例えば30％以上90％以下となるように設定されている。
【００２０】
突起２ａの突起上面２ａ’は、単結晶基板２の結晶成長面となるように設定されている。突起２ａの突起上面２ａ’の平坦性は、表面粗さが、例えば10ｎｍ以下に設定されている。突起２ａの突起上面２ａ’の表面粗さとしては、ＪＩＳ Ｂ0601−2001に準拠した最大高さ粗さＲｚを用いればよい。表面粗さを測定する方法としては、例えばＪＩＳ Ｂ0601−2001およびＪＩＳ Ｂ0633−2001に準拠した方法に則って、触針式表面粗さ測定機を用いることができる。また、ＪＩＳ Ｒ1683−2007に準拠した方法に則って、原子間力顕微鏡を用いて突起２ａの突起上面２ａ’の表面粗さを測定してもよい。
【００２１】
また、突起２ａの突起上面２ａ’は、単結晶基板２の第１主面２Ａに対して傾斜していてもよい。この場合は、突起２ａの突起上面２ａ’の傾斜角は単結晶基板２の第１主面２Ａに対して、単結晶基板２のオフ角である例えば０°以上２°以下の角度に設定される。
【００２２】
突起２ａとしては、突起上面２ａ’を有する形状であればよく、例えば、四角柱状または六角柱状などの多角柱状または円柱状などのものを用いることができる。本例においては、突起２ａは円柱状となるように設けられている。
【００２３】
突起２ａとしては、側面が単結晶基板２の第１主面２Ａに対して傾斜した形状であってもよい。傾斜した側面を持つ突起２ａとしては、例えば四角錐台状または六角錐台状などの多角錐台状または円錐台状などのものを用いることができる。この場合には、光半導体層３で発光した光を、光半導体層３と突起２ａの側面との界面で光半導体層３側に反射されにくくすることができるため、単結晶基板２に入射しやすくすることができる。その結果、発光素子１の光取出し効率を向上させることができる。
【００２４】
突起２ａは、突起上面２ａ’の一部に凹部４を有している。凹部４は、突起２ａの突起上面２ａ’の一部に設けられていればよい。凹部４は、平面視したときの平面視形状が、例えば四角形状などの多角形状または円形状などに形成されている。突起２ａを平面視した際に、突起２ａの突起上面２ａ’に対して、凹部４が占める割合は、例えば20％以上80％以下に設定されている。
【００２５】
凹部４は、底面４Ａを有している。突起２ａの突起上面２ａ’から凹部４の底面４Ａまでの深さは、例えば0.1μｍ以上３μｍ以下に設定されている。凹部４の底面４Ａの面積は、凹部４の開口部４Ｂが占める面積と同じか、または凹部４の開口部４Ｂが占める面積よりも小さくなるように設けられている。
【００２６】
凹部４は、断面視したときに、凹部４と開口部４Ｂとで囲まれる領域が、例えば、三角形状または四角形状などの多角形状に形成されている。なお、凹部４は、その内壁面から第１半導体層３ａが結晶成長するように設定されていればよい。そのため、凹部４の断面視形状は、下方に湾曲した曲面形状であってもよい。
【００２７】
単結晶基板２上には、図２に示すように、光半導体層３が設けられている。光半導体層
３は、複数の突起２ａの突起上面２ａに結晶成長させた半導体層（図２に示す例では第１半導体層３ａ）を含んでいる。また、光半導体層３は、第１半導体層３ａ、発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃを順次積層することによって構成されている。光半導体層３は、全体の厚みを例えば0.8μｍ以上10μｍ以下に設定されている。
【００２８】
光半導体層３は、例えば、複数の突起２ａを持つ単結晶基板２に、複数の半導体層を結晶成長させることによって設けられている。本例では、複数の半導体層として、第１半導体層３ａ、発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃを用いた場合について説明する。
【００２９】
光半導体層３としては、例えば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族窒化物半導体である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。本例においては、光半導体層３として窒化ガリウムを用いており、光半導体層３の各層は、屈折率が、例えば1.8以上2.7以下に設定される。
【００３０】
第１半導体層３ａは、厚みが0.3μｍ以上８μｍ以下に設定されている。光半導体層３のうち最下層に位置する第１半導体層３ａは、突起２ａの突起上面２ａ’に接し、凹部４を埋めるように設けられている。
【００３１】
凹部４内に位置する第１半導体層３ａは、凹部４の底面４Ａまたは凹部４の側面４Ｂと接していればよい。そのため、凹部４内に位置する第１半導体層３ａは、凹部４を隙間なく埋めていてもよいし、凹部４と第１半導体層３ａとの間の一部に空隙を有していてもよい。凹部４と第１半導体層３ａとの間の一部に空隙を有する場合は、空隙によって凹部４と第１半導体層３ａとが接しない領域が、凹部４の底面４Ａおよび側面４Ｃの面積に対して、例えば0.1％以上20％以下となるように設定されている。
【００３２】
発光層３ｂは、第１半導体層３ａに設けられている。発光層３ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層と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：Multiple Quantum Well）を用いることができる。障壁層および井戸層としては、アルミニウム、インジウムおよびガリウムのうち少なくとも一方を含む窒化物からなる混晶においてインジウムとガリウムと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３ｂは、例えば350ｎｍ以上600ｎｍ以下の波長の光を発光することができる。
【００３３】
第２半導体層３ｃは、発光層３ｂ上に設けられている。第２半導体層３ｃは、電子または正孔のどちらかを多数キャリアとすることによって、第１半導体層３ａとは逆導電型を示すように設定されている。第２半導体層３ｃに第１半導体層３ａとは逆導電型を付与する方法としては、例えばマグネシウム、亜鉛またはシリコンを不純物として添加する方法を用いることができる。
【００３４】
第１電極層５は第１半導体層３ａに、第２電極層６は第２半導体層３ｃに、それぞれ設けられている。第１電極層５および第２電極層６によって、光半導体層３に電圧が印加される。
【００３５】
第１電極層５および第２電極層６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、あるいは酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物、あるいは銀−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用いることができる。第１電極層５および第２電極層６として、それぞれ前述した材質の中から選択し
た層を複数回積層して設けてもよい。
【００３６】
本例においては、光半導体層３の発光層３ｂで発生した光を第１半導体層３ａ側から取り出すことから、第２電極層６として反射性電極材料を用いてもよい。第２電極層６として反射性電極材料を用いた場合には、発光層３ｂで発生した光が第２半導体層３ｃに入射した場合に第１半導体層３ａ側に反射しやすくすることができ、光取出し効率を向上させることができる。
【００３７】
本例において、第１半導体層３ａは、図３に示すように、凹部４を有する突起２ａの突起上面２ａ’に形成されている。さらに、第１半導体層３ａは、かかる凹部４内が埋まるように配置されている。そのため、光半導体層３で発生した光の一部は、凹部４内に位置する第１半導体層３ａに進むようになる。
【００３８】
そして、凹部４内に位置する第１半導体層３ａに入射した光は、凹部４の側面４Ｃまたは凹部４の底面４Ａから単結晶基板２に入射するようになる。このように凹部４が側面４Ｃを有することにより、光半導体層３で発生した光が単結晶基板２に入射されやすくなる。また、光半導体層３で発生した光が、凹部４の側面４Ｃで全反射された場合でも、凹部４の底面４Ａの方向に進みやすくすることができることから、凹部４の底面４Ａから単結晶基板２に入射されやすくすることができる。
【００３９】
このように光半導体層３で発生した光を、突起２ａの凹部４から単結晶基板２に入射させやすくすることができるため、光半導体層３と単結晶基板２との間で光半導体層３側に反射されにくくすることができ、発光素子１の光取出し効率を向上させることができる。
【００４０】
（変形例１）
凹部４は、図４に示すように、上方に向かうにつれて、突起上面２ａ’に対して平行な断面積が底面４Ａの面積よりも大きくなっていてもよい。凹部４は、底面４Ａから上方に向かうにつれて、次第に大きくなっている。この場合、凹部４は、底面４Ａの面積に対して、開口部４Ｂの面積が例えば0.5％以上10％以下の範囲で大きくなっている。このように凹部４が形成された場合には、凹部４の断面視形状が台形状となっており、凹部４の側面４Ｃが、底面４Ａに対して上方に向かって広がるように傾斜するようになる。なお、凹部４は、底面４Ａの面積から上方に向かう断面積が段階的に大きくなっていてもよい。
【００４１】
凹部４の側面４Ｃを底面４Ａに対して傾斜させることにより、光半導体層３で発生した光が、凹部４の側面４Ｃに入射する際に臨界角よりも大きい角度で入射しやすくすることができるため、凹部４の側面４Ｃで光半導体層３側に反射されにくくすることができる。また、凹部４の側面４Ｃが底面４Ａに対して傾斜していることから、単結晶基板２上に第１半導体層３ａを結晶成長させる際に、被覆性が良好となるように第１半導体層３ａで凹部４を埋めることができる。
【００４２】
（変形例２）
凹部４は、図３に示すように、底面４Ａが単結晶基板２の第１主面２Ａに対して、第１主面２Ａよりも上方に位置している。すなわち、突起２ａの高さよりも凹部４の深さが小さくなるように設定されている。このように凹部４の底面４Ａが、単結晶基板２の第１主面２Ａよりも上方に位置するように配置されているときには、凹部４の底面４Ａまで第１半導体層３ａを埋めやすくすることができる。
【００４３】
（変形例３）
光半導体層３は、図５に示すように、第１半導体層３ａが単結晶基板２の第１主面２Ａに接していてもよい。このように、第１半導体層３ａが単結晶基板２の第１主面２Ａと接
するように設けられているときには、光半導体層３で発生した光が、単結晶基板２の第１主面２Ａと第１半導体層３ａとの界面で光半導体層３側に反射されにくくすることができる。
【００４４】
（変形例４）
単結晶基板２は、図６に示すように、複数の突起２ａの間の第１主面２Ａに第２凹部７を有していてもよい。第２凹部７は、断面視形状は、凹部４と同じ形状とすることができる。第２凹部７は、平面視したときの寸法が、例えば0.2μｍ以上10μｍ以下となるように設定することができる。このような第２凹部７は、単結晶基板２の第１主面２Ａの面積（突起２ａを除いた面積）に対して、開口部の合計の面積が例えば１％以上30％以下となるように配置されている。
【００４５】
このように単結晶基板２の第１主面２Ａが第２凹部７を有している場合には、第１半導体層３ａが第２凹部７を埋めるように配置されているとよい。このように単結晶基板２の第１主面２Ａに第２凹部７が設けられ、かかる第２凹部７を第１半導体層３ａが埋めていることにより、光半導体層３で発生した光が、第１半導体層３ａと単結晶基板２の第１主面２Ａとの界面で光半導体層３側にさらに反射されにくくすることができる。
【００４６】
（変形例５）
光半導体層３は、図７に示すように、第１半導体層３ａ内に転位８を有していてもよい。転位８は、下端が突起２ａの突起上面２ａ’に位置するとともに上端が平面透視して突起２ａと重ならない領域に位置している。転位８は、第１半導体層３ａを単結晶基板２上に結晶成長させた場合に発生しやすくなる。このような転位８は、光半導体層３を横方向に結晶成長させることにより、発生する位置を制御することができる。
【００４７】
このような転位８は、結晶成長させる第１半導体層３ａを始めとする半導体層の結晶面に、意図しない結晶面または原子ステップが発生することによって生じやすくなり、例えば刃状転位またはらせん状転位などの種類がある。転位８は、第１半導体層３ａと単結晶基板２との間で格子定数が異なることに起因して、第１半導体層３ａと単結晶基板２との界面で起こりやすくなる。
【００４８】
転位８が光半導体層３内に配置されている場合には、平面透視して、突起２ａと重なる領域の光半導体層３から強い発光強度で発光しやすくなる。そのため、突起２ａと重なる領域の光半導体層３で発生した光は、突起２ａの凹部４内に入射しやすくなり、さらに光取出し効率を向上させることができる。
【００４９】
このように転位８の発生する位置を制御することにより、光半導体層３で発生する光の強度が強くなりやすい位置を制御することができ、突起２ａに凹部４を設けていない場合と比較して、発光素子１の光取出し効率をさらに向上させることができる。
【００５０】
＜発光素子の製造方法＞
図８−図12は、それぞれ発光素子１の製造工程を示す断面図であり、いずれも図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。上述した発光素子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。
【００５１】
続いて、本発明の実施の形態の発光素子１の製造方法を説明する。本発明の実施の形態の発光素子１に係る製造方法は、単結晶基板を準備する工程、光半導体層を成長させる工程を有している。
【００５２】
（単結晶基板を準備する工程）
単結晶基板２の第１主面２Ａに、突起２ａを複数形成する方法を、図８（ａ）〜（ｄ）を参考にしつつ説明する。
【００５３】
単結晶基板２は、光半導体層３を結晶成長させることが可能な材料から構成されている。単結晶基板２としては、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウムなどを用いることができる。本例においては、単結晶基板２としてサファイアを用いている。
【００５４】
単結晶基板２は、平面視形状が例えば四角形状などの多角形状または円形状などに設定されている。単結晶基板２は、厚みが例えば１μｍ以上2000μｍ以下に設定されている。単結晶基板２として、単結晶基板２の上面２Ａ’が平坦なものを用いることができる。
【００５５】
単結晶基板２の上面２Ａ’の平坦性は、表面粗さが例えば10ｎｍ以下に設定されている。なお、単結晶基板２としては、単結晶基板２の上面２Ａ’を研磨したものを用いてもよく、単結晶基板２の上面２Ａ’の表面粗さとしては、ＪＩＳ Ｂ0601−2001に準拠した最大高さ粗さＲｚを用いればよい。
【００５６】
単結晶基板２の上面２Ａ’としては、例えば単結晶基板２の結晶面が揃っているものを用いることができる。単結晶基板２がサファイアの場合であれば、単結晶基板２の結晶面としては、例えばサファイアのＡ面、Ｃ面またはＲ面などを用いることができる。
【００５７】
単結晶基板２の上面２Ａ’上に、図８（ａ）に示すように、単結晶基板２の上面２Ａ’の一部が露出する第１露出領域９を有する第１マスクパターン10を形成する。マスクパターン10の第１露出領域９は、平面視形状が例えば単結晶基板２の第１主面２Ａ上に形成する突起２ａの間の形状となるように設定される。そのため、第１露出領域９の幅は、突起２ａの間の第１主面２Ａの形状および寸法に設定すればよく、隣接する突起２ａ同士の間で例えば0.5μｍ以上10μｍ以下に設定される。
【００５８】
そして、第１露出領域９から露出した単結晶基板２の上面２Ａ’から深さ方向に第１エッチングを行なうことにより、第１マスクパターン10の形状、大きさおよび配置に応じた突起２ａを単結晶基板２の第１主面２Ａに形成する。
【００５９】
第１マスクパターン10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好ましく、例えばフォトレジスト、酸化シリコンなどの酸化物、またはニッケルなどの金属を用いることができる。第１マスクパターン10の膜厚は、エッチングによって単結晶基板２の一部を除去する場合であれば、単結晶基板２のエッチングレートと第１マスクパターン10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、例えば0.2μｍ以上10μｍ以下に設定することができる。
【００６０】
第１マスクパターン10は、マスク材料をスパッタリング法または蒸着法などの真空積層法を用いることによって単結晶基板２上に積層膜として積層し、露出領域９を有するようにパターニングすることによって形成することができる。この際、単結晶基板２としてサファイアを用いてドライエッチングを行なう場合は、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用いることができるが、この場合には、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。
【００６１】
単結晶基板２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って単結晶基板２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なってもよい。このようにドライエッチングを行なうことによって、生産性を
向上させることができる。
【００６２】
そして、図８（ｂ）に示すように、第１マスクパターン10を単結晶基板２から除去することによって、単結晶基板２の第１主面２Ａに複数の突起２ａを単結晶基板２と一体的に設けることができる。ここで、単結晶基板２の上面２Ａ’に、結晶が揃った平坦な結晶面を用いた場合は、突起２ａの突起上面２ａ’が第１マスクパターン10で覆われていることから、単結晶基板２の一部を除去する工程の際に、突起上面２ａ’および第１主面２Ａの平坦性を維持することができる。
【００６３】
次に、図８（ｃ）に示すように、突起２ａの突起上面２ａ’の一部が露出する第２露出領域11を有する第２マスクパターン12を単結晶基板２上に形成する。第２マスクパターン12の材料および膜厚などは、第１マスクパターン10と同じように設定すればよい。第２露出領域11の寸法は、例えば凹部４の開口あるいは底面４Ａの寸法と同じに設定すればよい。第２露出領域11の寸法は、円形状の凹部４であれば、直径を例えば0.1μｍ以上５μｍ以下に設定することができる。
【００６４】
そして、第２露出領域11から露出した突起２ａの突起上面２ａ’から深さ方向に第２エッチングして、凹部４を突起２ａの突起上面２ａ’に形成する。突起２ａを形成した際と同じ条件でエッチングを行なう場合には、第２エッチングの時間は、例えば第１エッチングの時間よりも少なくなるように設定することができる。このように第２エッチングの時間を設定することにより、凹部４の底面４Ａを、単結晶基板２の第１主面２Ａに対して第１主面２Ａよりも上方に配置することができる。
【００６５】
その後、図８（ｄ）に示すように、第２マスクパターン12を単結晶基板２から除去することにより、突起上面２ａ’の一部に凹部４を持つ複数の突起２ａを第１主面２Ａに有する単結晶基板２を準備することができる。
【００６６】
（光半導体層を成長させる工程）
次に、単結晶基板２上に光半導体層３を成長させる。この工程について以下に説明する。
【００６７】
光半導体層３としては、例えばIII−Ｖ族半導体を用いることができる。本例においては、光半導体層３には窒化ガリウムが用いられている。単結晶基板２の上面である突起２ａの突起上面２ａ’および第１主面２Ａに光半導体層３を成長させる方法としては、分子線エピタキシャル法、有機金属エピタキシャル法、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。
【００６８】
光半導体層３を成長させる方法としては、例えば、単結晶基板２の第１主面２Ａに対して垂直である垂直方向よりも第１主面２Ａと平行な平面方向に結晶成長しやすくした横方向成長を用いることができる。
【００６９】
具体的には、光半導体層３の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ることにより、光半導体層３を横方向に結晶成長させることができる。具体的には、原料ガスを突起２ａの突起上面２ａ’に対して傾斜した方向から流入させて突起２ａの突起上面２ａ’に光半導体層３を結晶成長させる。
【００７０】
単結晶基板２上に光半導体層３として窒化ガリウムを結晶成長させるには、窒化ガリウムの組成比、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。成長温度としては、例えば350℃以上1500℃以下に設定することができる。単結晶基板２上に窒化ガリウムからなる第１半導体層３ａとしての低温バッファ層を設ける場合には、成長温度として
例えば350℃以上800℃以下に設定すればよい。
【００７１】
以下、突起２ａの突起上面２ａ’に光半導体層３を横方向に結晶成長させる方法について図９〜図11を参照しつつ、具体的に説明する。
【００７２】
まず、図９に示すように、単結晶基板２上に複数形成された突起２ａの突起上面２ａ’に第１半導体層３ａの結晶体13を結晶成長させる。ここで、図９は、単結晶基板２の一部とその周辺を拡大した断面図である。
【００７３】
結晶体13は、側面が特定の結晶面となっている結晶からなる構造体である。このような結晶体13の形状は、例えば三角錐形状または六角錐形状などの多角錐形状、三角錐台形状または六角錐台形状などの多角錐台形状、円錐形状、または円錐台形状などを用いることができる。本例において、結晶体13は、六角錐形状で形成されている。
【００７４】
このように、突起２ａの突起上面２ａ’に対して傾斜した結晶面を有する結晶体13を形成する方法としては、成長時の成長圧力および成長温度を調整する方法などを用いることができる。光半導体層３として窒化ガリウムを用いた場合であれば、結晶体13は、例えば５ｋＰａ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ることができる。このような結晶体13の結晶面は、サファイアからなる単結晶基板２の突起２ａの突起上面２ａ’がｃ面である場合に、例えば｛1−101｝面とすることができる。
【００７５】
その後、図10に示すように、１つの突起２ａにおいて、凹部４を隔てて結晶成長させた２つの結晶体13を横方向に結晶成長させることにより、それぞれの突起上面２ａ’から延びる転位８同士を結合させやすくすることができる。このように１つの突起２ａ上で２つの結晶体13同士を合わせることによって１つの第２結晶体13’を形成し、それぞれの結晶体13から延びる転位８同士を結合させやすくすることができることから、突起２ａの突起上面２ａから延びる転位８の数を減らすことができる。
【００７６】
次に、図11に示すように、隣接する２つの突起２ａ上に形成された第２結晶体13’同士を合わせることによって第３結晶体13”を形成する。このように第３結晶体13”を形成することにより、突起２ａ上に形成された第２結晶体13’から延びる転位８同士を結合させて、第３結晶体13”から延びる転位８の数を減らすことができる。
【００７７】
このように、結晶体13を２段階で横方向に結晶成長させることから、突起２ａ上で突起上面２ａ’から延びる転位８の数を減らした後で、隣接する２つの突起２ａ間で転位８を減らすことができる。このように第１半導体層３ａ内で、２回に渡り転位８を結合させることができることから、上方に延びる転位８の数を減らすことができ、第１半導体層３ａの結晶品質を向上させることができる。
【００７８】
このように第１半導体層３ａにおける転位８の数を減らすことによって、発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃの結晶性を向上させることができる。その結果、光半導体層３の発光効率を向上させることができる。
【００７９】
また、第１半導体層３ａを横方向に結晶成長させて、光半導体層３の第１半導体層３ａ内で転位８を結合させることから、発光層３ｂに延在する転位８を少なくすることができるため、発光層３ｂで発光する領域を広げることができる。
【００８０】
その後、図12に示すように、第１半導体層３ａをさらに結晶成長させた後、発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃを結晶成長させることにより、単結晶基板２上に光半導体層３を形成する。
【００８１】
そして、第１半導体層３ａに電気的に接続される第１電極層５と、第２半導体層３ｂに電気的に接続される第２電極層６とを光半導体層３に形成して、図１に示すような発光素子１を形成する。このように形成された、第１電極層５および第２電極層６の間に電圧を印加することにより、光半導体層３を発光させることができる。
【００８２】
（発光素子の製造方法の変形例）
凹部４は、突起２ａの突起上面２ａ’の中心付近に配置していてもよい。凹部４が中心付近に配置されていることにより、突起上面２ａ’に形成した結晶体13を横方向に結晶成長させる際に、結晶体13が同じ速度で結晶成長することから、平面透視して、凹部４の領域内で結晶体13が合わさることにより第２結晶体13’が形成される。
【００８３】
そのため、結晶体13から延びる転位８を凹部４と重なる領域に集中させることができ、それぞれの転位８が結合されやすくすることができる。このように凹部４と重なる領域で結合させることにより、転位８が結合しやすくなり、さらに結晶性を向上させることができる。
【００８４】
また、結晶体13を突起２ａに形成する際に、凹部４の底面４Ａにも結晶を成長させて、凹部４を第１半導体層３ａで埋めてもよい。このように凹部４を第１半導体層３ａで埋めた場合には、光半導体層３で発生した光を単結晶基板２側から取り出す際に、発光素子１の光取出し効率を向上させることができる。
【００８５】
さらに、単結晶基板２の第１主面２Ａに接するように第１半導体層３ａを結晶成長させた場合には、光半導体層３で発生した光を単結晶基板２側から取り出す際に、発光素子１の光取出し効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００８６】
１ 発光素子
２ 単結晶基板
２Ａ 第１主面（主面）
２Ｂ 第２主面
２ａ 突起
２ａ’ 突起上面（上面）
３ 光半導体層
３ａ 第１半導体層（半導体層）
３ｂ 発光層（半導体層）
３ｃ 第２半導体層（半導体層）
４ 凹部
４Ａ 底面
４Ｂ 開口部
４Ｃ 側面
５ 第１電極層
６ 第２電極層
７ 第２凹部
８ 転位
９ 第１露出領域
10 第１マスクパターン
11 第２露出領域
12 第２マスクパターン
13 結晶体
13’ 第２結晶体
13” 第３結晶体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面を持つ複数の突起を主面に有する単結晶基板と、
該単結晶基板上に形成された、複数の半導体層から成る光半導体層とを備え、
前記突起は、前記上面の一部に凹部を有しており、前記光半導体層は、最下層に位置する前記半導体層が前記突起の前記上面に接しているとともに前記凹部を埋めている
発光素子。
【請求項２】
前記凹部は、上方に向かうにつれて、前記上面に対して平行な断面積が底面の面積よりも大きくなっている請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記凹部は、底面が前記単結晶基板の前記主面に対して前記主面よりも上方に位置している請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記光半導体層は、最下層に位置する前記半導体層が前記単結晶基板の前記主面に接している請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
前記単結晶基板は、前記主面に第２凹部を有しており、
前記光半導体層は、最下層に位置する前記半導体層が前記第２凹部を埋めている請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記光半導体層は、最下層に位置する前記半導体層が、下端が前記突起の前記上面に位置するとともに上端が平面透視して前記突起と重ならない領域に位置する転位を有している請求項１〜５のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１】
上面を持つ複数の突起を主面に有する単結晶基板と、
該単結晶基板上に形成された、複数の半導体層から成る光半導体層とを備え、
前記突起は、前記上面の一部に凹部を有しており、前記光半導体層は、最下層に位置する前記半導体層が前記突起の前記上面に接しているとともに前記凹部を埋めている
発光素子。
【請求項２】
前記凹部は、上方に向かうにつれて、前記上面に対して平行な断面積が底面の面積よりも大きくなっている請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記凹部は、底面が前記単結晶基板の前記主面に対して前記主面よりも上方に位置している請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記光半導体層は、最下層に位置する前記半導体層が前記単結晶基板の前記主面に接している請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
前記単結晶基板は、前記主面に第２凹部を有しており、
前記光半導体層は、最下層に位置する前記半導体層が前記第２凹部を埋めている請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記光半導体層は、最下層に位置する前記半導体層が、下端が前記突起の前記上面に位置するとともに上端が平面透視して前記突起と重ならない領域に位置する転位を有している請求項１〜５のいずれかに記載の発光素子。
【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２０１２−１０９４９１（Ｐ２０１２−１０９４９１Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５８７９２（Ｐ２０１０−２５８７９２）
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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