発光素子
【課題】 光取り出し効率を向上した発光素子を提供する。
【解決手段】 本発明の発光素子は、基板２と、基板２の第１主面２Ａに、平面視して、格子状に引いた仮想直線５同士の交点位置に重なるように配置された複数の第１突起３ａ、および第１突起３ａと重ならない位置に配置された、基板２と異なる材料からなる第２突起３ｂを有する突起群３と、突起群３を埋めるように基板２の第１主面２Ａ上に設けられた光半導体層４とを有する。このように基板２上に第２突起３ｂを有していることから、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。
【解決手段】 本発明の発光素子は、基板２と、基板２の第１主面２Ａに、平面視して、格子状に引いた仮想直線５同士の交点位置に重なるように配置された複数の第１突起３ａ、および第１突起３ａと重ならない位置に配置された、基板２と異なる材料からなる第２突起３ｂを有する突起群３と、突起群３を埋めるように基板２の第１主面２Ａ上に設けられた光半導体層４とを有する。このように基板２上に第２突起３ｂを有していることから、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を用いた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体層を基板上に積層させる方法が種々提案されている。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、基板上に光半導体層を結晶成長させる技術として、例えば、基板上に凹凸を設けることによって、基板上に成長させる光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、特許文献１に開示された半導体層を成長させる技術を用いて製造された発光素子は、規則的に凹凸が基板に設けられているのみでは、光半導体層内で発光した光が基板側に取り出されにくいことがあった。その結果、発光素子の光取り出し効率を向上させることが困難だった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光取り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、基板と、該基板の主面に、平面視して、格子状に引いた仮想直線同士の交点位置に重なるように配置された複数の第１突起、および該第１突起と重ならない位置に配置された、前記基板と異なる材料からなる第２突起を有する突起群と、該突起群を埋めるように前記基板の前記主面上に設けられた光半導体層とを有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一実施形態にかかる発光素子は、上述のように、基板上に第２突起を有していることから、光半導体層で発光した光が第２突起からも取り出されやすくなり、発光素子の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】
【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の発光素子を切断した断面図であり、Ａ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図３】図１の発光素子における基板を平面視した平面図であり、点線は基板上に引かれる仮想直線を示している。
【図４】本発明の一実施形態の変形例にかかる発光素子における基板を平面視した平面図であり、（ａ）は基板上に引かれる仮想直線を示し、（ｂ）は直線状領域を示している。
【図５】本発明の一実施形態の変形例にかかる発光素子を示しており、（ａ）はかかる発光素子における基板を平面視した平面図であり、（ｂ）は発光素子においてＡ−Ａ’線で切断した断面の断面図である。
【図６】従来例の発光素子を示しており、（ａ）はかかる発光素子における基板を平面視した平面図であり、（ｂ）は発光素子においてＢ−Ｂ’線で切断した断面の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態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相当する。
【図８】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図９】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態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半導体基板の製造方法の実施形態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半導体基板の製造方法の実施形態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半導体基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態の変形例の一工程を示す断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態の変形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の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の斜視図を示し、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。発光素子１は、図１および図２に示すように、基板２、突起群３および光半導体層４から構成されている。
【００１３】
基板２は、光半導体層４を成長させることが可能な材料から構成されている。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。基板２の厚みとしては、例えば１μｍ以上1500μｍ以下程度である。ここで基板２の厚みは、基板２の第１主面２Ａから第２主面２Ｂまでの厚みを指す。
【００１４】
本例においては、光半導体層４で発光した光が基板２側から取り出されることから、光半導体層４で発光した光の波長における基板２の透過率を考慮して、基板２に用いる材料を選択すればよい。また本例において、基板２は、光半導体層４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で形成されている。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。
【００１５】
基板２は、第１主面２Ａに突起群３を有している。突起群３は、第１突起３ａおよび第２突起３ｂを有している。なお、基板２の第１主面２Ａは、基板２の突起群３が設けられ
ていない主面を含む仮想平面を指す。
【００１６】
第１突起３ａは、基板２の第１主面２Ａ上に複数設けられている。第１突起３ａは、基板２の第１主面２Ａから頂部までの高さが、例えば0.2μｍ以上５μｍ以下に設定されて
いる。第１突起３ａの幅は、例えば0.5μｍ以上50μｍ以下に設定されている。複数の第
１突起３ａ同士は、例えば0.5μｍ以上20μｍ以下の間隔を開けて配置されている。
【００１７】
第１突起３ａは、例えば四角柱状もしくは六角柱状などの多角柱状、四角錘状もしくは六角錘状などの多角錘状または円柱状の形状に設定することができる。第１突起３ａとして多角錘状の形状を用いた場合には、第１突起３ａの側面が基板２の第１主面２Ａに対して傾斜することになり、光半導体層４で発光した光を第１突起３ａの側面で反射されにくくすることができる。本例においては、第１突起３ａは六角柱状のものが設けられている。
【００１８】
第１突起３ａは、図３（ａ）に示すように、格子状に引いた仮想直線５同士の交点位置に重なるように複数配置されている。格子状に引いた仮想直線５は、ｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ等間隔となっており、その間隔は例えばそれぞれ１μｍ以上25μｍ以下となるように設定されている。具体的には、ｘ軸方向に平行な仮想直線５同士の間隔ｈ１、およびｙ軸方向に平行な仮想直線５同士の間隔ｈ２が、それぞれで等間隔となるように設定されている。このように引かれた仮想直線５で構成される格子によって囲まれる四角形状の領域Ｒｈは、例えば、正方形状、長方形状、台形状、平行四辺形状またはひし形状となるように設定することができる。
【００１９】
一方、格子状に引いた仮想直線５は、ｘ軸方向に平行な仮想直線５同士の間隔ｈ１およびｙ軸方向に平行な仮想直線５同士の間隔ｈ２が互いに異なるように設定されていてもよい。具体的には、ｘ軸方向に平行な仮想直線５が、ｙ軸の一方向に向かうにつれて間隔ｈ１が徐々に小さくなるように設定されていたり、あるいは徐々に大きくなるように設定されていたりしてもよい。このように仮想直線５の間隔ｈ１および間隔ｈ２が互いに異なるように設定することにより、格子によって囲まれる四角形状の領域Ｒｈの形状を容易に変えることができる。
【００２０】
第１突起３ａは、格子状に引いた仮想直線５同士の交点位置の全てに配置されていてもよく、交点位置の一部に配置されていてもよい。本例では、第１突起３ａが六角柱状となるように設けられていることから、それぞれの第１突起３ａの六角柱の側面同士が向かい合うように交点位置の一部に配置されている。なお、第１突起３ａは、平面視して、仮想直線５同士の交点位置と重なるように配置されていればよい。
【００２１】
第１突起３ａの材料は、例えば基板２と同じ材料またはチタン、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、スカンジウム、ネオジウム、ニオブもしくはナトリウムからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも１種類を含む材料を用いることができる。具体的な材料としては、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、酸化チタンまたは窒化マグネシウムなどを用いることができる。
【００２２】
第２突起３ｂは、図３に示すように、基板２を平面視して、第１突起３ａと重ならない位置であって基板２の第１主面２Ａ上に配置されている。すなわち、第２突起３ｂは、基板２の第１主面２Ａにおいて、第１突起３ａと異なる位置に配置されている。
【００２３】
第２突起３ｂは、基板２と異なる材料であればよく、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
、スカンジウム、ネオジウム、ニオブもしくはナトリウムからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも１種類を含む材料を用いることができる。具体的な材料としては、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、酸化チタンまたは窒化マグネシウムなどを用いることができる。
【００２４】
第２突起３ｂは、多角形柱状もしくは円柱状などの柱状、多角錘状もしくは円錘状などの錘状、または多角錘台状もしくは円錐台状などの錘台状などを用いることができる。第２突起３ｂは、第１突起３ａの底面よりも小さい底面となるように形成してもよい。
【００２５】
基板２上には、図２に示すように、突起群３を埋めるように光半導体層４が設けられている。光半導体層４は、第１半導体層４ａ、発光層４ｂおよび第２半導体層４ｃを順次積層することにより構成されている。光半導体層４は、全体の厚みを例えば0.1μｍ以上10
μｍ以下として形成することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
第１半導体層４ａは、基板２上に設けられている。第１半導体層４ａは、厚みが１μｍ以上10μｍ以下に設定されている。
【００２８】
発光層４ｂは、第１半導体層４ａ上に設けられている。発光層４ｂ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との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４ｂは、例えば350ｎ
ｍ以上600ｎｍ以下の波長の光を発光することができる。
【００２９】
第２半導体層４ｃは、発光層４ｂ上に設けられている。第２半導体層４ｃ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り、第１半導体層４ａとは逆導電型を示す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。
【００３０】
第１電極層６は第１半導体層４ａ上に、第２電極層７は第２半導体層４ｃ上に、それぞれ設けられている。第１電極層６および第２電極層７によって、光半導体層４に電圧が印加される。
【００３１】
第１電極層６および第２電極層７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、または酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物や、もしくは銀−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好適に用いることができる。
【００３２】
第１電極層６および第２電極層７は、例えばスパッタリング法または蒸着法などの積層方法などを用いて形成することができる。また、第１電極層６および第２電極層７として、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設けてもよい。
【００３３】
本例においては、光半導体層４で発光した光を基板２側から取り出すことから、第２電極層７として反射性電極材料を用いてもよい。第２電極層７として反射性電極材料を用い
た場合には、光半導体層４で発光した光を基板２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。
【００３４】
以上のようにして、本例の発光素子１が構成される。すなわち、本例の発光素子１は、基板２、第１突起３ａ、第２突起３ｂおよび光半導体層４によって構成されている。
【００３５】
一方、図６に示すように、規則的に格子状に第１突起を配置したのみの基板からなる発光素子の場合は、第１突起が規則的に配置されていることから、光半導体層で発光した光が、基板との間で反射を繰り返して基板に対して平面方向に進んだ際に、第１突起が存在していない経路を通ると、基板側に取り出されにくく、発光素子の光取り出し効率を向上することが困難であった。なお、図６（ａ）は基板を平面視した平面図、図６（ｂ）は発光素子を図６（ａ）のＢ−Ｂ’線で厚み方向に切断した断面図をそれぞれ示している。
【００３６】
本例の発光素子１は、図３に示すように、基板２の第１主面２Ａに、第１突起３ａと第２突起３ｂとを有しており、第１突起３ａが格子状に引いた仮想直線５同士の交点位置と重なるとともに、第２突起３ｂが第１突起３ａと重ならない位置に配置されている。
【００３７】
本例の発光素子１においては、このように第２突起３ｂが第１突起３ａと重ならない位置に配置されていることから、光半導体層４で発光した光が、基板２と光半導体層４との間で反射を繰り返しながら基板に対して平面方向に進んだ際に、第２突起２ｂに入射しやすくなる。そして、第２突起３ｂに入射した光は、第２突起３ｂから基板２に入射して、基板２側に取り出される。その結果、基板２に入射する、光半導体層４で発光した光が多くなるため、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。
【００３８】
（発光素子の各種変形例）
以下、本発明の発光素子１の変形例について説明をする。なお、上述の発光素子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。
【００３９】
（変形例１）
第２突起３ｂは、図４に示すように、仮想直線５と重ならない位置に配置されている。ここで、図４は基板２を平面視したときの平面図を示している。なお、図４（ａ）においては、基板２上に引かれる格子状の仮想直線５を示している。このように第２突起３ｂが仮想直線５と重ならない位置に配置されると、第１突起３ａが存在しない２つの直線状領域８同士が交差する位置に配置されることとなる。ここで、図４（ｂ）は、基板２上の直線上領域８の例を示している。第２突起３ｂは、底面が格子によって囲まれる四角形の領域よりも小さくなるように設定することができ、例えば0.5μｍ２以上20μｍ２以下とな
るように設定することができる。
【００４０】
これにより、光半導体層４で発光した光のうち、直線状領域８で基板２と光半導体層４との間で反射を繰り返している光を、第２突起３ｂによって基板２側に入射しやすくすることができる。その結果、光半導体層４と基板２との間で反射を繰り返して基板２側に取り出されなかった光が基板２側に取り出されやすくなり、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。
【００４１】
（変形例２）
第１突起３ａは、図５に示すように、上面３Ａを有するとともに、基板２と同じ材料から構成されている。ここで、図５（ａ）は、基板２を平面視したときの平面図を示しており、図５（ｂ）は発光素子１を図５（ａ）のＡ−Ａ’線で切断したときの断面図を示している。第１突起３ａは、図５（ｂ）に示すように、基板２と一体的に設けられている。このようにして第１突起３ａが設けられている場合には、光半導体層４を第１突起３ａの上
面３Ａから結晶成長させることができる。第１突起３ａの上面３Ａは、面積が例えば0.5
μｍ２以上10μｍ２以下となるように設定されている。
【００４２】
第１突起３ａ上に、光半導体層４を結晶成長させる方法としては、光半導体層４の厚み方向と垂直な方向である横方向に結晶成長させる横方向成長法などを用いることができる。このように第１突起３ａに光半導体層４を横方向成長により結晶成長させた場合には、第１突起３ａの上面３Ａから厚み方向に延びる転位を減らすことができるため、光半導体層４の結晶性を向上させることができる。
【００４３】
（変形例３）
第２突起３ｂは、光半導体層４の屈折率よりも小さい屈折率を持つ材料から構成されている。本例では、基板２としてサファイア（屈折率 1.65）を、および光半導体層４として窒化ガリウム系化合物（屈折率 約2.4）を用いることから、第２突起３ｂとして、屈
折率が例えば1.75以上2.30以下の材料を用いることができる。
【００４４】
このような第２突起３ｂの材料としては、例えば、酸化マグネシウム（屈折率 約1.68以上1.80以下）、二酸化ジルコニウム（屈折率 約1.78以上2.00以下）、フッ化カルシウム（屈折率 約1.50以上2.10以下）、酸化ハフニウム（屈折率 約1.90以上2.10以下）、酸化イットリウム（屈折率 約1.80以上1.90以下）などを用いることができる
第２突起３ｂが、基板２と光半導体層４との間の屈折率を持つ材料によって構成されていることから、第２突起３ｂと光半導体層４との屈折率差を基板２と光半導体層４との屈折率差よりも小さくすることができる。そのため、光半導体層４と第２突起３ｂとの界面における臨界角を、光半導体層４と基板２との界面における臨界角よりも大きくすることができ、光半導体層４で発光した光を、光半導体層４と第２突起３ｂとの界面で反射されにくくすることができる。
【００４５】
さらに、第２突起３ｂとして、多角錘状もしくは円錐状などの錘状、または多角錘台状もしくは円錐台状などの錘台状のものを用いることにより、第２突起３ｂの側面を基板２の第１主面２Ａに対して傾斜させることができる。これにより、光半導体層４で発光した光を、第２突起３ｂに入射させやすくすることができ、発光素子１の光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００４６】
＜発光素子の製造方法＞
図７−図14は、それぞれ発光素子１の製造工程の一部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。上述の発光素子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。
【００４７】
（基板を加工する工程）
基板２の第１主面２Ａに、第１突起３ａを形成する方法を、図７を参照しつつ説明する。なお、基板２としては、半導体を結晶成長させることが可能な材料を用いればよい。基板２は、例えばサファイア、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化シリコン、窒化インジウムまたはシリコンカーバイドなどを用いることができる。本例において、基板２としてサファイアを用いた場合について説明する。
【００４８】
基板２の上面２Ａ’としては、例えば基板２の結晶面が揃っているものを用いることができる。基板２がサファイアの場合であれば、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。
【００４９】
図７に示すように、基板２の上面２Ａ’上に、基板２の上面２Ａ’の一部が露出する露出領域９と上面２Ａ’の他の部分を被覆する被覆領域10とを有するマスクパターン11を形
成する。マスクパターン11の被覆領域10は、平面視形状を、例えば基板２の第１主面２Ａ上に形成する第１突起３ａの底面形状に設定すればよい。そのため、被覆領域10の幅は、第１突起３ａの底面の寸法に設定すればよく、例えば0.5μｍ以上50μｍ以下に設定され
る。
【００５０】
マスクパターン11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、例えば酸化シリコンなどの酸化物またはチタンなどの金属を用いることができる。マスクパターン11の膜厚は、エッチングによって基板２の一部を除去する場合であれば、基板２のエッチングレートとマスクパターン11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200ｎｍ以上3500ｎｍ以下に設定することができる。
【００５１】
マスクパターン11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基板２上に積層膜を積層し、露出領域９および被覆領域10を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、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であれば、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てもよい。
【００５２】
次に、図８に示すように、基板２の上面２Ａ’の一部を露出させた露出領域９からエッチング法などで、基板２の一部を厚み方向へ除去する。基板２の一部を除去する方法としては、ウエットエッチングまたはドライエッチングなどのエッチング法を用いることができる。ここで、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、第１第１突起３ａの上面３Ａがマスクパターン11の被覆領域10で覆われているものになることから、基板２の一部を除去する工程の際に、マスクパターン11の被覆領域10で覆われた基板２の上面２Ａ’（第１突起３ａの上面３Ａ）の平坦性を維持することができる。
【００５３】
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り基板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うことによって、生産性を向上させることができる。その後、マスクパターン11を基板２から除去することによって、図９に示すように、基板２の第１主面２Ａに複数の第１突起３ａを基板２と一体的に設けることができる。
【００５４】
本例において、上面２Ａ’が平坦な基板２を用いた場合について説明したが、上面２Ａ’の平坦性の低い基板２を用いてもよい。この場合、第１突起３ａを基板２に設けてマスクパターン11を除去した後、第１突起３ａの上面３Ａを研磨する工程を設けてもよい。このようにマスクパターン11を除去した後に第１突起３ａの上面３Ａを研磨することにより、第１突起３ａの上面３Ａに残留した、例えばマスクパターン11の一部または剥離剤などの付着物を除去するとともに、この上面３Ａを平坦化することができる。
【００５５】
さらに、マスクパターン11を除去する工程に代えて、マスクパターン11の上方から第１突起３ａの上面３Ａまで研磨する工程としてもよい。この場合には、マスクパターン11を除去する工程と第１突起３ａの上面３Ａを平坦化する工程とを続けて行なうことができ、生産性を向上することができる。
【００５６】
（第２突起を形成する工程）
次に、基板２の第１主面２Ａに第２突起３ｂを形成する。第２突起３ｂは、基板２と異なる材料であればよく、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、スカンジウム、ネオジウム、ニオブもしくはナトリウムからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも１種類を含む無機材料を用いることができる。具体的な材料としては、酸化ジルコニウム、
酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、酸化チタンまたは窒化マグネシウムなどを用いることができる。
【００５７】
このように第２突起３ｂを無機材料の中でも非晶質の材料で形成することにより、第１突起３ａから光半導体層４を成長させつつ、第２突起３ｂから光半導体層４が成長するのを抑制することができる。
【００５８】
第２突起３ｂを形成するには、まず第２突起３ｂとなる材料を堆積させた堆積層12を基板２上に形成する。堆積層12は、例えばスパッタリング法、蒸着法またはスピンコート法などを用いて堆積した後、パターニングすることによって形成される。堆積層12の厚みは、第２突起３ｂとなる高さに設定すればよく、例えば0.02μｍ以上５μｍ以下となるように設定する。
【００５９】
具体的には、基板２の第１主面２Ａに、図10に示すように、堆積層12となる材料をスパッタリング法により堆積させる。その後、堆積膜12を、図11に示すように、一般的なエッチング法またはフォトリソグラフィ法を用いて、第２突起３ｂを形成する。
【００６０】
本例において、第２突起３ｂは、図２に示すように、第１突起３ａ同士の間に位置するように設けられている。すなわち、第２突起３ｂは、平面視して、格子状に引かれた仮想直線５同士の交点位置に配置された第１突起３ａと重ならないように設けられる。第２突起３ｂは、基板２を平面視して、第１突起３ａが設けられていない第１主面２Ａに対して、面積の占有割合が例えば10％以上90％以下となるように配置されている。
【００６１】
（光半導体層を成長させる工程）
次に、図12に示すように、基板２上に光半導体層４を成長させる。なお、光半導体層４は、図12に示すように、その中に第１突起３ａを埋めるように基板２上に結晶成長されている。
【００６２】
光半導体層４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４は窒化ガリウムが用いられている。基板２の上面２Ａに光半導体層４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。
【００６３】
光半導体層４を成長させる方法としては、例えば、光半導体層４を、第１主面２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成長しやすくした横方向成長を用いることができる。具体的には、光半導体層４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４を横方向成長させることができる。
【００６４】
基板２上に光半導体層４として窒化ガリウムをエピタキシャル成長させるには、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。基板２上に窒化ガリウム
からなる第１半導体層３ａ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℃以下に設定することができる。
【００６５】
このようにして光半導体層４を基板２上に成長させることにより、発光素子１を製造することができる。
【００６６】
（発光素子の製造方法の変形例）
光半導体層４を結晶成長させる工程の前に、図13および図14に示すように、第１突起３
ａの上面３Ａに、上面４Ａに対して傾斜した結晶側面13ａを有する結晶体13を成長させる工程を有してもよい。
【００６７】
結晶体13は、光半導体層４として窒化ガリウムを用いた場合であれば、第１突起３ａの上面３Ａに対して傾斜した結晶側面13ａを有する結晶体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。このような条件で結晶成長させることにより、図13に示すように、基板２の第１突起３ａの上面３Ａに結晶体13を成長させることができる。結晶体13の結晶側面13ａは、サファイアからなる基板２の第１突起３ａの上面３Ａがｃ面である場合に、例えば｛1−101｝面とすることができる。
【００６８】
その後、図14に示すように、結晶体13を横方向に成長させて、隣接する結晶体13と結合させる。結晶体13を横方向に成長させて、隣接する結晶体13と結合させることにより、それぞれの第１突起３ａの上面３Ａから延びる転位同士を結合させて、光半導体層４の厚み方向に延びる転位の数を少なくすることができる。
【００６９】
このように光半導体層４の厚み方向に延びる転位の数を少なくすることにより、光半導体層４の結晶品質を向上させることができ、光半導体層４の発光効率を向上させることができる。また、光半導体層４の第１半導体層４ａにおいて、転位を結合させた場合には、発光層４ｂに延在する転位を少なくすることができるため、発光層４ｂで発光する領域を広げることができる。
【００７０】
さらに、結晶側面13ａ形成時の温度以上に設定した高温状態および結晶側面13ａ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、光半導体層４を横方向成長させることができる。
【００７１】
このようにして結晶体13を成長させて光半導体層４を成長させることにより、発光素子１の発光効率を向上させることができ、発光素子１から取り出される光を多くすることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 発光素子
２ 基板
２Ａ 第１主面
２Ｂ 第２主面
２’ 上面
３ 突起群
３ａ 第１突起
３Ａ 上面
３ｂ 第２突起
４ 光半導体層
４ａ 第１半導体層
４ｂ 発光層
４ｃ 第２半導体層
５ 仮想直線
６ 第１電極
７ 第２電極
８ 直線状領域
９ 露出領域
10 被覆領域
11 マスクパターン
12 堆積層
13 結晶体
13ａ 結晶側面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を用いた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体層を基板上に積層させる方法が種々提案されている。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、基板上に光半導体層を結晶成長させる技術として、例えば、基板上に凹凸を設けることによって、基板上に成長させる光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、特許文献１に開示された半導体層を成長させる技術を用いて製造された発光素子は、規則的に凹凸が基板に設けられているのみでは、光半導体層内で発光した光が基板側に取り出されにくいことがあった。その結果、発光素子の光取り出し効率を向上させることが困難だった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光取り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、基板と、該基板の主面に、平面視して、格子状に引いた仮想直線同士の交点位置に重なるように配置された複数の第１突起、および該第１突起と重ならない位置に配置された、前記基板と異なる材料からなる第２突起を有する突起群と、該突起群を埋めるように前記基板の前記主面上に設けられた光半導体層とを有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一実施形態にかかる発光素子は、上述のように、基板上に第２突起を有していることから、光半導体層で発光した光が第２突起からも取り出されやすくなり、発光素子の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】
【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の発光素子を切断した断面図であり、Ａ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図３】図１の発光素子における基板を平面視した平面図であり、点線は基板上に引かれる仮想直線を示している。
【図４】本発明の一実施形態の変形例にかかる発光素子における基板を平面視した平面図であり、（ａ）は基板上に引かれる仮想直線を示し、（ｂ）は直線状領域を示している。
【図５】本発明の一実施形態の変形例にかかる発光素子を示しており、（ａ）はかかる発光素子における基板を平面視した平面図であり、（ｂ）は発光素子においてＡ−Ａ’線で切断した断面の断面図である。
【図６】従来例の発光素子を示しており、（ａ）はかかる発光素子における基板を平面視した平面図であり、（ｂ）は発光素子においてＢ−Ｂ’線で切断した断面の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態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相当する。
【図８】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図９】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態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半導体基板の製造方法の実施形態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半導体基板の製造方法の実施形態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半導体基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態の変形例の一工程を示す断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態の変形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の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の斜視図を示し、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。発光素子１は、図１および図２に示すように、基板２、突起群３および光半導体層４から構成されている。
【００１３】
基板２は、光半導体層４を成長させることが可能な材料から構成されている。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。基板２の厚みとしては、例えば１μｍ以上1500μｍ以下程度である。ここで基板２の厚みは、基板２の第１主面２Ａから第２主面２Ｂまでの厚みを指す。
【００１４】
本例においては、光半導体層４で発光した光が基板２側から取り出されることから、光半導体層４で発光した光の波長における基板２の透過率を考慮して、基板２に用いる材料を選択すればよい。また本例において、基板２は、光半導体層４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で形成されている。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。
【００１５】
基板２は、第１主面２Ａに突起群３を有している。突起群３は、第１突起３ａおよび第２突起３ｂを有している。なお、基板２の第１主面２Ａは、基板２の突起群３が設けられ
ていない主面を含む仮想平面を指す。
【００１６】
第１突起３ａは、基板２の第１主面２Ａ上に複数設けられている。第１突起３ａは、基板２の第１主面２Ａから頂部までの高さが、例えば0.2μｍ以上５μｍ以下に設定されて
いる。第１突起３ａの幅は、例えば0.5μｍ以上50μｍ以下に設定されている。複数の第
１突起３ａ同士は、例えば0.5μｍ以上20μｍ以下の間隔を開けて配置されている。
【００１７】
第１突起３ａは、例えば四角柱状もしくは六角柱状などの多角柱状、四角錘状もしくは六角錘状などの多角錘状または円柱状の形状に設定することができる。第１突起３ａとして多角錘状の形状を用いた場合には、第１突起３ａの側面が基板２の第１主面２Ａに対して傾斜することになり、光半導体層４で発光した光を第１突起３ａの側面で反射されにくくすることができる。本例においては、第１突起３ａは六角柱状のものが設けられている。
【００１８】
第１突起３ａは、図３（ａ）に示すように、格子状に引いた仮想直線５同士の交点位置に重なるように複数配置されている。格子状に引いた仮想直線５は、ｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ等間隔となっており、その間隔は例えばそれぞれ１μｍ以上25μｍ以下となるように設定されている。具体的には、ｘ軸方向に平行な仮想直線５同士の間隔ｈ１、およびｙ軸方向に平行な仮想直線５同士の間隔ｈ２が、それぞれで等間隔となるように設定されている。このように引かれた仮想直線５で構成される格子によって囲まれる四角形状の領域Ｒｈは、例えば、正方形状、長方形状、台形状、平行四辺形状またはひし形状となるように設定することができる。
【００１９】
一方、格子状に引いた仮想直線５は、ｘ軸方向に平行な仮想直線５同士の間隔ｈ１およびｙ軸方向に平行な仮想直線５同士の間隔ｈ２が互いに異なるように設定されていてもよい。具体的には、ｘ軸方向に平行な仮想直線５が、ｙ軸の一方向に向かうにつれて間隔ｈ１が徐々に小さくなるように設定されていたり、あるいは徐々に大きくなるように設定されていたりしてもよい。このように仮想直線５の間隔ｈ１および間隔ｈ２が互いに異なるように設定することにより、格子によって囲まれる四角形状の領域Ｒｈの形状を容易に変えることができる。
【００２０】
第１突起３ａは、格子状に引いた仮想直線５同士の交点位置の全てに配置されていてもよく、交点位置の一部に配置されていてもよい。本例では、第１突起３ａが六角柱状となるように設けられていることから、それぞれの第１突起３ａの六角柱の側面同士が向かい合うように交点位置の一部に配置されている。なお、第１突起３ａは、平面視して、仮想直線５同士の交点位置と重なるように配置されていればよい。
【００２１】
第１突起３ａの材料は、例えば基板２と同じ材料またはチタン、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、スカンジウム、ネオジウム、ニオブもしくはナトリウムからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも１種類を含む材料を用いることができる。具体的な材料としては、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、酸化チタンまたは窒化マグネシウムなどを用いることができる。
【００２２】
第２突起３ｂは、図３に示すように、基板２を平面視して、第１突起３ａと重ならない位置であって基板２の第１主面２Ａ上に配置されている。すなわち、第２突起３ｂは、基板２の第１主面２Ａにおいて、第１突起３ａと異なる位置に配置されている。
【００２３】
第２突起３ｂは、基板２と異なる材料であればよく、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
、スカンジウム、ネオジウム、ニオブもしくはナトリウムからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも１種類を含む材料を用いることができる。具体的な材料としては、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、酸化チタンまたは窒化マグネシウムなどを用いることができる。
【００２４】
第２突起３ｂは、多角形柱状もしくは円柱状などの柱状、多角錘状もしくは円錘状などの錘状、または多角錘台状もしくは円錐台状などの錘台状などを用いることができる。第２突起３ｂは、第１突起３ａの底面よりも小さい底面となるように形成してもよい。
【００２５】
基板２上には、図２に示すように、突起群３を埋めるように光半導体層４が設けられている。光半導体層４は、第１半導体層４ａ、発光層４ｂおよび第２半導体層４ｃを順次積層することにより構成されている。光半導体層４は、全体の厚みを例えば0.1μｍ以上10
μｍ以下として形成することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
第１半導体層４ａは、基板２上に設けられている。第１半導体層４ａは、厚みが１μｍ以上10μｍ以下に設定されている。
【００２８】
発光層４ｂは、第１半導体層４ａ上に設けられている。発光層４ｂ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との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４ｂは、例えば350ｎ
ｍ以上600ｎｍ以下の波長の光を発光することができる。
【００２９】
第２半導体層４ｃは、発光層４ｂ上に設けられている。第２半導体層４ｃ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り、第１半導体層４ａとは逆導電型を示す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。
【００３０】
第１電極層６は第１半導体層４ａ上に、第２電極層７は第２半導体層４ｃ上に、それぞれ設けられている。第１電極層６および第２電極層７によって、光半導体層４に電圧が印加される。
【００３１】
第１電極層６および第２電極層７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、または酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物や、もしくは銀−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好適に用いることができる。
【００３２】
第１電極層６および第２電極層７は、例えばスパッタリング法または蒸着法などの積層方法などを用いて形成することができる。また、第１電極層６および第２電極層７として、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設けてもよい。
【００３３】
本例においては、光半導体層４で発光した光を基板２側から取り出すことから、第２電極層７として反射性電極材料を用いてもよい。第２電極層７として反射性電極材料を用い
た場合には、光半導体層４で発光した光を基板２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。
【００３４】
以上のようにして、本例の発光素子１が構成される。すなわち、本例の発光素子１は、基板２、第１突起３ａ、第２突起３ｂおよび光半導体層４によって構成されている。
【００３５】
一方、図６に示すように、規則的に格子状に第１突起を配置したのみの基板からなる発光素子の場合は、第１突起が規則的に配置されていることから、光半導体層で発光した光が、基板との間で反射を繰り返して基板に対して平面方向に進んだ際に、第１突起が存在していない経路を通ると、基板側に取り出されにくく、発光素子の光取り出し効率を向上することが困難であった。なお、図６（ａ）は基板を平面視した平面図、図６（ｂ）は発光素子を図６（ａ）のＢ−Ｂ’線で厚み方向に切断した断面図をそれぞれ示している。
【００３６】
本例の発光素子１は、図３に示すように、基板２の第１主面２Ａに、第１突起３ａと第２突起３ｂとを有しており、第１突起３ａが格子状に引いた仮想直線５同士の交点位置と重なるとともに、第２突起３ｂが第１突起３ａと重ならない位置に配置されている。
【００３７】
本例の発光素子１においては、このように第２突起３ｂが第１突起３ａと重ならない位置に配置されていることから、光半導体層４で発光した光が、基板２と光半導体層４との間で反射を繰り返しながら基板に対して平面方向に進んだ際に、第２突起２ｂに入射しやすくなる。そして、第２突起３ｂに入射した光は、第２突起３ｂから基板２に入射して、基板２側に取り出される。その結果、基板２に入射する、光半導体層４で発光した光が多くなるため、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。
【００３８】
（発光素子の各種変形例）
以下、本発明の発光素子１の変形例について説明をする。なお、上述の発光素子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。
【００３９】
（変形例１）
第２突起３ｂは、図４に示すように、仮想直線５と重ならない位置に配置されている。ここで、図４は基板２を平面視したときの平面図を示している。なお、図４（ａ）においては、基板２上に引かれる格子状の仮想直線５を示している。このように第２突起３ｂが仮想直線５と重ならない位置に配置されると、第１突起３ａが存在しない２つの直線状領域８同士が交差する位置に配置されることとなる。ここで、図４（ｂ）は、基板２上の直線上領域８の例を示している。第２突起３ｂは、底面が格子によって囲まれる四角形の領域よりも小さくなるように設定することができ、例えば0.5μｍ２以上20μｍ２以下とな
るように設定することができる。
【００４０】
これにより、光半導体層４で発光した光のうち、直線状領域８で基板２と光半導体層４との間で反射を繰り返している光を、第２突起３ｂによって基板２側に入射しやすくすることができる。その結果、光半導体層４と基板２との間で反射を繰り返して基板２側に取り出されなかった光が基板２側に取り出されやすくなり、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。
【００４１】
（変形例２）
第１突起３ａは、図５に示すように、上面３Ａを有するとともに、基板２と同じ材料から構成されている。ここで、図５（ａ）は、基板２を平面視したときの平面図を示しており、図５（ｂ）は発光素子１を図５（ａ）のＡ−Ａ’線で切断したときの断面図を示している。第１突起３ａは、図５（ｂ）に示すように、基板２と一体的に設けられている。このようにして第１突起３ａが設けられている場合には、光半導体層４を第１突起３ａの上
面３Ａから結晶成長させることができる。第１突起３ａの上面３Ａは、面積が例えば0.5
μｍ２以上10μｍ２以下となるように設定されている。
【００４２】
第１突起３ａ上に、光半導体層４を結晶成長させる方法としては、光半導体層４の厚み方向と垂直な方向である横方向に結晶成長させる横方向成長法などを用いることができる。このように第１突起３ａに光半導体層４を横方向成長により結晶成長させた場合には、第１突起３ａの上面３Ａから厚み方向に延びる転位を減らすことができるため、光半導体層４の結晶性を向上させることができる。
【００４３】
（変形例３）
第２突起３ｂは、光半導体層４の屈折率よりも小さい屈折率を持つ材料から構成されている。本例では、基板２としてサファイア（屈折率 1.65）を、および光半導体層４として窒化ガリウム系化合物（屈折率 約2.4）を用いることから、第２突起３ｂとして、屈
折率が例えば1.75以上2.30以下の材料を用いることができる。
【００４４】
このような第２突起３ｂの材料としては、例えば、酸化マグネシウム（屈折率 約1.68以上1.80以下）、二酸化ジルコニウム（屈折率 約1.78以上2.00以下）、フッ化カルシウム（屈折率 約1.50以上2.10以下）、酸化ハフニウム（屈折率 約1.90以上2.10以下）、酸化イットリウム（屈折率 約1.80以上1.90以下）などを用いることができる
第２突起３ｂが、基板２と光半導体層４との間の屈折率を持つ材料によって構成されていることから、第２突起３ｂと光半導体層４との屈折率差を基板２と光半導体層４との屈折率差よりも小さくすることができる。そのため、光半導体層４と第２突起３ｂとの界面における臨界角を、光半導体層４と基板２との界面における臨界角よりも大きくすることができ、光半導体層４で発光した光を、光半導体層４と第２突起３ｂとの界面で反射されにくくすることができる。
【００４５】
さらに、第２突起３ｂとして、多角錘状もしくは円錐状などの錘状、または多角錘台状もしくは円錐台状などの錘台状のものを用いることにより、第２突起３ｂの側面を基板２の第１主面２Ａに対して傾斜させることができる。これにより、光半導体層４で発光した光を、第２突起３ｂに入射させやすくすることができ、発光素子１の光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００４６】
＜発光素子の製造方法＞
図７−図14は、それぞれ発光素子１の製造工程の一部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。上述の発光素子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。
【００４７】
（基板を加工する工程）
基板２の第１主面２Ａに、第１突起３ａを形成する方法を、図７を参照しつつ説明する。なお、基板２としては、半導体を結晶成長させることが可能な材料を用いればよい。基板２は、例えばサファイア、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化シリコン、窒化インジウムまたはシリコンカーバイドなどを用いることができる。本例において、基板２としてサファイアを用いた場合について説明する。
【００４８】
基板２の上面２Ａ’としては、例えば基板２の結晶面が揃っているものを用いることができる。基板２がサファイアの場合であれば、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。
【００４９】
図７に示すように、基板２の上面２Ａ’上に、基板２の上面２Ａ’の一部が露出する露出領域９と上面２Ａ’の他の部分を被覆する被覆領域10とを有するマスクパターン11を形
成する。マスクパターン11の被覆領域10は、平面視形状を、例えば基板２の第１主面２Ａ上に形成する第１突起３ａの底面形状に設定すればよい。そのため、被覆領域10の幅は、第１突起３ａの底面の寸法に設定すればよく、例えば0.5μｍ以上50μｍ以下に設定され
る。
【００５０】
マスクパターン11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、例えば酸化シリコンなどの酸化物またはチタンなどの金属を用いることができる。マスクパターン11の膜厚は、エッチングによって基板２の一部を除去する場合であれば、基板２のエッチングレートとマスクパターン11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200ｎｍ以上3500ｎｍ以下に設定することができる。
【００５１】
マスクパターン11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基板２上に積層膜を積層し、露出領域９および被覆領域10を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、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であれば、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てもよい。
【００５２】
次に、図８に示すように、基板２の上面２Ａ’の一部を露出させた露出領域９からエッチング法などで、基板２の一部を厚み方向へ除去する。基板２の一部を除去する方法としては、ウエットエッチングまたはドライエッチングなどのエッチング法を用いることができる。ここで、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、第１第１突起３ａの上面３Ａがマスクパターン11の被覆領域10で覆われているものになることから、基板２の一部を除去する工程の際に、マスクパターン11の被覆領域10で覆われた基板２の上面２Ａ’（第１突起３ａの上面３Ａ）の平坦性を維持することができる。
【００５３】
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り基板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うことによって、生産性を向上させることができる。その後、マスクパターン11を基板２から除去することによって、図９に示すように、基板２の第１主面２Ａに複数の第１突起３ａを基板２と一体的に設けることができる。
【００５４】
本例において、上面２Ａ’が平坦な基板２を用いた場合について説明したが、上面２Ａ’の平坦性の低い基板２を用いてもよい。この場合、第１突起３ａを基板２に設けてマスクパターン11を除去した後、第１突起３ａの上面３Ａを研磨する工程を設けてもよい。このようにマスクパターン11を除去した後に第１突起３ａの上面３Ａを研磨することにより、第１突起３ａの上面３Ａに残留した、例えばマスクパターン11の一部または剥離剤などの付着物を除去するとともに、この上面３Ａを平坦化することができる。
【００５５】
さらに、マスクパターン11を除去する工程に代えて、マスクパターン11の上方から第１突起３ａの上面３Ａまで研磨する工程としてもよい。この場合には、マスクパターン11を除去する工程と第１突起３ａの上面３Ａを平坦化する工程とを続けて行なうことができ、生産性を向上することができる。
【００５６】
（第２突起を形成する工程）
次に、基板２の第１主面２Ａに第２突起３ｂを形成する。第２突起３ｂは、基板２と異なる材料であればよく、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、スカンジウム、ネオジウム、ニオブもしくはナトリウムからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも１種類を含む無機材料を用いることができる。具体的な材料としては、酸化ジルコニウム、
酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン、酸化チタンまたは窒化マグネシウムなどを用いることができる。
【００５７】
このように第２突起３ｂを無機材料の中でも非晶質の材料で形成することにより、第１突起３ａから光半導体層４を成長させつつ、第２突起３ｂから光半導体層４が成長するのを抑制することができる。
【００５８】
第２突起３ｂを形成するには、まず第２突起３ｂとなる材料を堆積させた堆積層12を基板２上に形成する。堆積層12は、例えばスパッタリング法、蒸着法またはスピンコート法などを用いて堆積した後、パターニングすることによって形成される。堆積層12の厚みは、第２突起３ｂとなる高さに設定すればよく、例えば0.02μｍ以上５μｍ以下となるように設定する。
【００５９】
具体的には、基板２の第１主面２Ａに、図10に示すように、堆積層12となる材料をスパッタリング法により堆積させる。その後、堆積膜12を、図11に示すように、一般的なエッチング法またはフォトリソグラフィ法を用いて、第２突起３ｂを形成する。
【００６０】
本例において、第２突起３ｂは、図２に示すように、第１突起３ａ同士の間に位置するように設けられている。すなわち、第２突起３ｂは、平面視して、格子状に引かれた仮想直線５同士の交点位置に配置された第１突起３ａと重ならないように設けられる。第２突起３ｂは、基板２を平面視して、第１突起３ａが設けられていない第１主面２Ａに対して、面積の占有割合が例えば10％以上90％以下となるように配置されている。
【００６１】
（光半導体層を成長させる工程）
次に、図12に示すように、基板２上に光半導体層４を成長させる。なお、光半導体層４は、図12に示すように、その中に第１突起３ａを埋めるように基板２上に結晶成長されている。
【００６２】
光半導体層４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４は窒化ガリウムが用いられている。基板２の上面２Ａに光半導体層４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。
【００６３】
光半導体層４を成長させる方法としては、例えば、光半導体層４を、第１主面２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成長しやすくした横方向成長を用いることができる。具体的には、光半導体層４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４を横方向成長させることができる。
【００６４】
基板２上に光半導体層４として窒化ガリウムをエピタキシャル成長させるには、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。基板２上に窒化ガリウム
からなる第１半導体層３ａ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℃以下に設定することができる。
【００６５】
このようにして光半導体層４を基板２上に成長させることにより、発光素子１を製造することができる。
【００６６】
（発光素子の製造方法の変形例）
光半導体層４を結晶成長させる工程の前に、図13および図14に示すように、第１突起３
ａの上面３Ａに、上面４Ａに対して傾斜した結晶側面13ａを有する結晶体13を成長させる工程を有してもよい。
【００６７】
結晶体13は、光半導体層４として窒化ガリウムを用いた場合であれば、第１突起３ａの上面３Ａに対して傾斜した結晶側面13ａを有する結晶体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。このような条件で結晶成長させることにより、図13に示すように、基板２の第１突起３ａの上面３Ａに結晶体13を成長させることができる。結晶体13の結晶側面13ａは、サファイアからなる基板２の第１突起３ａの上面３Ａがｃ面である場合に、例えば｛1−101｝面とすることができる。
【００６８】
その後、図14に示すように、結晶体13を横方向に成長させて、隣接する結晶体13と結合させる。結晶体13を横方向に成長させて、隣接する結晶体13と結合させることにより、それぞれの第１突起３ａの上面３Ａから延びる転位同士を結合させて、光半導体層４の厚み方向に延びる転位の数を少なくすることができる。
【００６９】
このように光半導体層４の厚み方向に延びる転位の数を少なくすることにより、光半導体層４の結晶品質を向上させることができ、光半導体層４の発光効率を向上させることができる。また、光半導体層４の第１半導体層４ａにおいて、転位を結合させた場合には、発光層４ｂに延在する転位を少なくすることができるため、発光層４ｂで発光する領域を広げることができる。
【００７０】
さらに、結晶側面13ａ形成時の温度以上に設定した高温状態および結晶側面13ａ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、光半導体層４を横方向成長させることができる。
【００７１】
このようにして結晶体13を成長させて光半導体層４を成長させることにより、発光素子１の発光効率を向上させることができ、発光素子１から取り出される光を多くすることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 発光素子
２ 基板
２Ａ 第１主面
２Ｂ 第２主面
２’ 上面
３ 突起群
３ａ 第１突起
３Ａ 上面
３ｂ 第２突起
４ 光半導体層
４ａ 第１半導体層
４ｂ 発光層
４ｃ 第２半導体層
５ 仮想直線
６ 第１電極
７ 第２電極
８ 直線状領域
９ 露出領域
10 被覆領域
11 マスクパターン
12 堆積層
13 結晶体
13ａ 結晶側面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板の主面に、平面視して、格子状に引いた仮想直線同士の交点位置に重なるように配置された複数の第１突起、および該第１突起と重ならない位置に配置された、前記基板と異なる材料からなる第２突起を有する突起群と、
該突起群を埋めるように前記基板の前記主面上に設けられた光半導体層と
を有する発光素子。
【請求項２】
前記第２突起は、前記仮想直線と重ならない位置に配置されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１突起は、上面を有するとともに、前記基板と同じ材料からなる請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第２突起は、前記光半導体層の屈折率よりも小さい屈折率を持つ請求項１−３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１】
基板と、
該基板の主面に、平面視して、格子状に引いた仮想直線同士の交点位置に重なるように配置された複数の第１突起、および該第１突起と重ならない位置に配置された、前記基板と異なる材料からなる第２突起を有する突起群と、
該突起群を埋めるように前記基板の前記主面上に設けられた光半導体層と
を有する発光素子。
【請求項２】
前記第２突起は、前記仮想直線と重ならない位置に配置されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１突起は、上面を有するとともに、前記基板と同じ材料からなる請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第２突起は、前記光半導体層の屈折率よりも小さい屈折率を持つ請求項１−３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１３】
【図１４】
【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】
【公開番号】特開２０１２−２０９２９４（Ｐ２０１２−２０９２９４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７１４８０（Ｐ２０１１−７１４８０）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【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１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]