発光装置の製造方法
【課題】ＧａＮ系半導体を用いた発光装置において、光取出効率を増大させる。
【解決手段】サファイア基板１０の表面にナノインプリントプロセス及びＲＩＥでナノ寸法の凹凸構造を形成し、その上にＧａＮ層１４、ｎ型ＧａＮ層１６、活性層１８、ｐ型ＧａＮ層２０を形成する。凹凸構造により活性層１８からの光の反射を抑制する。サファイア基板１０とＧａＮ層１４との界面にＳｉＯ２あるいは金属を蒸着してもよい。ｐ型ＧａＮ層２０の外表面にナノ寸法の凹凸構造を形成してもよい。
【解決手段】サファイア基板１０の表面にナノインプリントプロセス及びＲＩＥでナノ寸法の凹凸構造を形成し、その上にＧａＮ層１４、ｎ型ＧａＮ層１６、活性層１８、ｐ型ＧａＮ層２０を形成する。凹凸構造により活性層１８からの光の反射を抑制する。サファイア基板１０とＧａＮ層１４との界面にＳｉＯ２あるいは金属を蒸着してもよい。ｐ型ＧａＮ層２０の外表面にナノ寸法の凹凸構造を形成してもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光装置の製造方法、特に、光取出効率の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＧａＮ等の窒化物半導体を用いたＬＥＤやＬＤ等の発光装置において、光取出効率を増大させる試みがなされている。例えば、下記に示す特許文献１には、サファイア基板上に窒化物半導体層を形成する際の、サファイア基板と窒化物半導体層間の量子効率を増大させながらストレス及び転位を減少させることを目的として、サファイア基板にナノ寸法の凹凸構造を形成し、その上に窒化物半導体を製造することが開示されている。具体的には、サファイア基板上にＰｔ、Ａｕ、Ｃｒ等の自己組織化金属の層を形成し、サファイア基板を加熱して表面が不規則に露出するように自己組織化金属を凝結させる。そして、この自己組織化金属凝結体をマスクとしてサファイア基板の露出した部分をプラズマでエッチングし、自己組織化金属の凝結体をウェットエッチングで除去することでサファイア基板にナノ寸法の凹凸構造を形成する。凹凸構造は直径５０乃至５００ｎｍ、深さ３乃至５０ｎｍとしている。ナノ寸法の凹凸構造が上面に形成されたサファイア基板を用いて窒化物半導体を形成すると、サファイア基板の凹凸構造がＧａＮ成長の際、核の生成に影響を及ぼし、サファイア基板の上面に形成されるＧａＮの結晶欠陥を減らすとしている。また、全反射条件によると、反射角はサファイア基板と空気間の屈折率またはＧａＮと空気間の屈折率により決定されるが、かかる全反射条件が臨界角より小さい場合に光が素子の外に漏れなくなり、かかる問題を凹凸構造により克服することができるとしている。
【０００３】
図９に、従来技術における窒化物半導体装置の断面図を示す。自己組織化金属凝結体を用いてサファイア基板１０２の上面にナノ寸法の凹凸が形成され、気孔１０８及び突起１１０が形成される。この上に、ＧａＮ核生成層１１２、ｎ型ＧａＮ層１１４、活性層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８が順次形成される。
【０００４】
また、特許文献２には、フリップチップ型のＬＥＤにおいて、サファイア基板上に順次ｎ型バッファ層、ｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層を形成し、ｐ型ＧａＮ層から発光層を超えてｎ型ＧａＮ層へ達するテーパ状の溝を形成するととともに、ｐ型ＧａＮに発光層まで達しない微小凹凸をナノインプリントプロセス（ナノインプリントリソグラフィー）により形成することが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８３９０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７３５７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、基板上にナノ寸法の凹凸を形成して発光特性を向上させる場合に、より効率的かつ精度よく形成することが必要であり、同時に量産化も考慮する必要がある。さらに、ＧａＮ系半導体を用いたＬＥＤあるいはＬＤの用途拡大に伴い、一層の発光出力増大が求められている。
【０００７】
本発明の目的は、ナノ寸法の凹凸を用いてＧａＮ系半導体を用いた発光装置の光取出効率を増大させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、基板あるいはＡｌＧａＩｎＮ層にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、前記ＳｉＯ２膜あるいはＳｉｘＮｙ膜（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、金属膜にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明において、さらに、前記発光層の外表面にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程を有することもできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ナノインプリントプロセスを用いて高精度かつ容易にナノ寸法の凹凸を所定位置に形成し、発光装置の光取出効率を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。本実施形態の基本原理は以下のとおりである。すなわち、ＧａＮ系半導体を用いたＬＥＤ等の発光装置の光取出効率は、光が空気や媒体と接触する面、ＧａＮ系発光装置と空気との接触面、ＧａＮ系半導体とサファイア基板との境界面の全てが関係することになる。本実施形態では、これらの境界面においてナノ寸法の凹凸を形成するものである。通常、光が見えるというのはその波長程度までとされている。それより小さいと、その物質と相手方物質の両方を見てしまい、屈折率は２つの物質の中間になる。仮に、ＧａＮの表面が空気に触れており、ＧａＮの表面にナノ寸法の凹凸が形成されていたとし、ＧａＮの凹凸の深さがλ／４ｎ・ｎｃ（但し、λは光の波長、ｎは屈折率、ｎｃは正の奇数）であったとすると、垂直入射時には反射率が最小となり、このときに光取出効率は最大となる。
【００１４】
また、サファイア基板上にＧａＮを形成する際に、サファイア基板にナノ寸法の凹凸を形成してＧａＮを形成すると、サファイア基板とＧａＮの界面における屈折率は光から見てサファイアとＧａＮの屈折率の間の値になる。サファイアの屈折率は１．９、ＧａＮの屈折率は２．７であるため、エッチング面と非エッチング面がほぼ等しい割合の場合にはサファイア基板とＧａＮの界面における屈折率（実効屈折率）は両者の中間の約２．３となる。光の波長を３８５ｎｍ程度とし、垂直入射の場合、凹凸の深さをλ／４ｎ＝３８５／４／２．３＝４２ｎｍ以上とすることで界面における反射率を最小として光取出効率を増大させることができる。
【００１５】
一方、サファイア基板やＧａＮの表面にナノ寸法を容易かつ高精度に形成するために、本実施形態ではナノインプリントプロセス（ナノインプリントリソグラフィー：ＮＩＬ）及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を組み合わせて用いる。ナノインプリントプロセスは、型の押し付けという極めて単純なプロセスによりナノ寸法の形状転写ができる加工プロセスである。ナノインプリントプロセスには、熱式ナノインプリントやＵＶ式ナノインプリント等がある。熱式ナノインプリントプロセスでは、金型と被成形素材を被成形素材のガラス転移温度以上に加熱し、その状態で金型を被成形素材に押し付けて金型パターンを被成形素材に転写し、その後金型と被成形素材とを被成形素材のガラス転移温度以下に冷却して金型を被成形素材から離型する一連の工程から構成されるものである。ＵＶ式ナノインプリントプロセスでは、ＵＶ樹脂を基板上に塗布し、その上から石英の型（モールド）を押し付け、位置合わせを行い、ＵＶ光を照射し、金型を離型するという一連の工程から構成されるものである。ＵＶ式ナノインプリントプロセスでは、熱を加えないプロセスのため熱膨張、熱収縮の問題がなく高精度に加工できること、及び光を透過する石英の型を使用するためアライメントの精度を高めることができる利点がある。本実施形態では、このようなナノインプリントプロセスを用いてサファイア基板上にナノ寸法の凹凸パターンを形成する。
【００１６】
すなわち、まず、ナノ寸法の凹凸パターンを形成するに先立ち、凹凸パターンの反転形状を有する型を作製する。型は、例えばシリコンウエハ上にレジストを塗布し電子線を照射してレジストパターンを作製する。その後、レジストパターンのＮｉ電鋳をとることで型を作製する。型を作製した後、サファイア基板の表面にレジストを塗布し、予め作製した型を押し付けて凹凸パターンを転写する。離型後、レジストには凹凸パターンが転写されるので、このレジストをマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うことでサファイア基板表面にナノ寸法の凹凸が形成される。その後、サファイア基板上にマスクとして残存するレジストを別のＲＩＥで除去する。以上のようにして、サファイア基板の表面にナノ寸法の凹凸構造が高精度かつ量産に優れた方法で形成される。
【００１７】
図１に、本実施形態における発光装置の構成を示す。上記のように、ナノインプリントプロセス及びＲＩＥを用いてサファイア基板１０の表面にナノ寸法の凹凸を形成する。凹凸の凹部１２の深さ、すなわちエッチング深さは４２ｎｍである。表面にナノ寸法の凹凸が形成されたサファイア基板１０上にＧａＮ層（バッファ層）１４、ｎ型ＧａＮ層１６、ＧａＮ系活性層１８、ｐ型ＧａＮ層２０からなるダブルへテロ発光構造をＭＯＣＶＤプロセスで順次形成する。
【００１８】
図２に、サファイア基板１０の表面に形成されるナノ寸法の凹凸構造の平面図を示す。凸部の直径は２５０ｎｍであり、凸部間の間隔、すなわち凹凸構造のピッチは５００ｎｍである。凸部は円柱状であり、三角形の頂点に位置するように配列する。図３に、凹凸構造の模式図を示す。凸部と凹部の間隔は同一ａであり、ピッチは２ａである。凹部１２の深さはλ／４ｎであり、ｎは凹凸構造により生じたサファイアとＧａＮの中間の屈折率である。λ／４ｎとするのは既述したとおり垂直入射の場合であり、角度がある場合には入射してから反射するまでの距離が長くなるので最適ではなく、したがって凹部１２の深さはλ／４ｎ以上とする。凹部１２が深いほど空気（正確には窒素、水素、アンモニア）が混入することとなり、より好適である。エッチング深さを４２ｎｍとし、凸部の直径をそれぞれ２５０ｎｍ、２００ｎｍ、１５０ｎｍとした場合の発光装置の出力を計測したところ、サファイア基板１０の表面に凹凸構造がない場合を１として、
直径２５０ｎｍ：１．１倍
直径２００ｎｍ：１．５倍
直径１５０ｎｍ：１．７倍
の結果が得られる。これらの結果は、１回の成長で比較が出来るように、凹凸構造なし、２５０ｎｍの凹凸構造、２００ｎｍの凹凸構造、１５０ｎｍの凹凸構造を１つの基板上に作り込み１回の成長で製膜したものであり、２０ｍＡで駆動した場合の結果である。また、ＣＬ（カソードルミネセンス）で表面転位を観察したところ、表面に凹凸構造がない場合には６×１０８個／ｃｍ２存在する一方、凹凸構造がある場合には３〜５×１０８ 個／ｃｍ２程度に低減する。これらのことから、サファイア基板上のナノ寸法の凹凸構造により、転位の低減と基板／ＧａＮ界面における光反射の低減による光出力の増大を図ることができる。ナノ寸法の凹凸のサイズが小さくなるほど、光出力が増大する傾向にある。これは、凹凸のサイズが小さくなる程、光にとって実効屈折率がサファイアとＧａＮの屈折率の中間に近くなるためであると考えられる。一般的には、凹凸構造の直径のサイズとして１００ｎｍ〜１５０ｎｍが適当であろう。
【００１９】
本実施形態では図１に示すようにサファイア基板１０上にＧａＮ層１４、ｎ型ＧａＮ層１６、ＧａＮ系活性層１８、ｐ型ＧａＮ層２０を形成しているが、サファイア基板１０上にバッファ層を介してＡｌＧａＩｎＮ層を形成し、このＡｌＧａＩｎＮ層にナノ寸法の凹凸構造を形成し、ナノ寸法の凹凸構造が形成されたＡｌＧａＩｎＮ層上にダブルへテロ構造の発光構造を形成してもよい。また、発光構造としては、他の構成の発光構造を形成してもよい。
【００２０】
図４に、発光装置の他の構成を示す。ナノインプリントプロセス及びＲＩＥでサファイア基板１０上にナノ寸法（１００ｎｍ〜２５０ｎｍ）の凹凸構造を形成し、その上にＧａＮ層１４０を形成する。次に、アンドープＧａＮ層１６０を形成し、さらにＳｉドープｎ型ＧａＮ層１８０を形成する。次に、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ／Ｓｉドープｎ型ＧａＮを交互に５０ペア形成してｎ型ＳＬＳ層２００を形成する。その後、アンドープＧａＮ層２２０を形成し、さらにアンドープＩｎＧａＮ／アンドープＡｌＩｎＧａＮを交互に７ペア積層してＭＱＷ活性層２４０を形成する。そして、ＭＱＷ活性層２４０の上に、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ／Ｍｇドープｐ型ＧａＮを交互に５０ペア形成してｐ型ＳＬＳ層２６０を形成し、さらにｐ型ＧａＮ層２８０を形成する。以上のようにしてＬＥＤウエハを作成した後、ＬＥＤウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、金属膜を蒸着してｐ型透明電極３００を形成する。そして、表面にフォトレジストを塗布し、ｎ型ＧａＮ層１８０が露出するまでエッチングし、露出したｎ型ＧａＮ層１８０上にｎ電極３２０を形成する。
【００２１】
各層の形成条件は例えば以下のとおりである。ナノ寸法の凹凸構造が表面に形成されたサファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置内に載置し、温度を５００度に維持しつつトリメチルガリウム及びアンモニアガスを流してＧａＮ層１４０を２５ｎｍ形成する。次に、温度を１０７５度まで昇温して再びトリメチルガリウム及びアンモニアガスを流してアンドープＧａＮ層１６０を２μｍ形成する。さらに、トリメチルガリウム及びアンモニアガスにモノメチルシランガスを加えてＳｉドープｎ型ＧａＮ層１８０を１μｍ形成する。キャリア密度は約５×１０１８ｃｍ−３である。次に、サファイア基板１０の温度を１０７５度に維持してｎ型ＳＬＳ層２００を形成する。Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層は２ｎｍ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層も２ｎｍである。ＡｌＧａＮ層を形成する際にはトリメチルアルミニウムを供給する。その後、基板温度を８３０度まで下げてアンドープＧａＮ層２２０を３０ｎｍ形成する。そして、アンドープＩｎＧａＮ層を１．５ｎｍ、アンドープＡｌＩｎＧａＮ層９．５ｎｍを交互に形成する。アンドープＩｎＧａＮ層が井戸層、アンドープＡｌＩｎＧａＮ層がバリア層として機能し、井戸層のバンドギャップはバリア層のバンドギャップより小さく設定される。井戸層及びバリア層をともにＡｌＩｎＧａＮ層で構成してもよい。井戸層のＡｌ組成としては、０％〜２０％が好適である。ＭＱＷ活性層２４０を形成後、基板１０の温度を９７５度まで下げてＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層を１．５ｎｍ、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層を０．８ｎｍずつ交互に形成してｐ型ＳＬＳ層２６０とする。さらに、ｐ型ＧａＮ層２８０を１５ｎｍ形成する。
【００２２】
サファイア基板１０とＧａＮ層１４０との間に、さらに不連続的にＳｉＮバッファ層を形成してもよい。この不連続ＳｉＮバッファ層は層中の転位を確実に低減するためのものである。不連続ＳｉＮバッファ層は、基板１０の温度を５００度まで下げ、モノメチルシランガスとアンモニアガスを１００秒間流すことで形成できる。ＧａＮ層１４０の成長途中にＳｉＮ層を挿入して転位を抑制してもよい。
【００２３】
また、図１の発光装置ではサファイア基板１０の表面にナノ寸法の凹凸構造を形成しているが、さらに、発光装置の外表面、すなわちｐ型ＧａＮ層２０の表面にナノ寸法の凹凸を形成してもよい。
【００２４】
図５に、サファイア基板１０及びｐ型ＧａＮ層２０の表面にナノインプリントプロセス及びＲＩＥを用いてナノ寸法の凹凸構造を形成した場合の構成を示す。サファイア基板１０表面の凹凸のエッチング深さは４２ｎｍ、直径は１００ｎｍ〜２５０ｎｍであり、ｐ型ＧａＮ層２０表面の凹凸のエッチング深さは４５ｎｍ、直径は１００ｎｍ〜２５０ｎｍである。サファイア基板１０とＧａＮ層１４との界面における凹凸、及びｐ型ＧａＮ層２０表面における凹凸により、光反射を防止して光取出効率がより増大する。サファイア基板１０表面の凹凸とｐ型ＧａＮ層２０表面の凹凸は同一の型を用いて形成してもよく、異なる型を用いて形成してもよい。量産には同一の型を用いて形成する、すなわち両凹凸のサイズ、ピッチを同一にすることが好適であろう。
【００２５】
なお、サファイア基板１０表面に凹凸を形成せず、単にｐ型ＧａＮ層２０の表面にナノ寸法の凹凸を形成してもよい。ｐ型ＧａＮ層２０のエッチング深さを４５ｎｍとし、直径を２５０ｎｍとした場合、発光波長λ＝４５０ｎｍにおいて凹凸がない場合に比べて光出力が１．４倍に増大することを確認している。ｐ型ＧａＮ層２０上にはｐ型電極が形成されるが、ｐ型ＧａＮ層２０表面の凹凸は、ｐ型電極とのオーミック接触を容易化する効果もある。
【００２６】
また、図１の構成において、サファイア基板１０の表面にナノ寸法の凹凸構造を形成するのではなく、サファイア基板１０上にＳｉＯ２層あるいはＳｉｘＮｙ層（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）を蒸着した後にナノ寸法の凹凸構造を形成してもよい。例えばＳｉＯ２をサファイア基板１０上に蒸着して凹凸構造を形成すると、サファイア基板１０とＧａＮ層１４との界面においてＳｉＯ２がナノ寸法で間欠的に介在することとなり、屈折率が変化する。ＧａＮとＳｉＯ２の存在ピッチが波長程度になると、実効屈折率はＧａＮとＳｉＯ２の屈折率の中間値に近くなる。
【００２７】
図６（ａ）、（ｂ）に、ＳｉＯ２層を蒸着してナノ寸法の凹凸構造を形成する場合の模式図を示す。図６（ａ）のように、サファイア基板１０上にＳｉＯ２がナノ寸法ピッチで存在し、ＳｉＯ２の間にＧａＮ層１４のＧａＮが存在する。したがって、光から見れば、サファイア基板１０とＧａＮ層１４との界面領域（図中一点鎖線で示す領域９０）における実効屈折率は、ＧａＮの２．７とＳｉＯ２の１．５の中間である２．１程度となり、サファイアの１．９に非常に近くなる。したがって、図６（ｂ）のように、サファイア基板１０との界面には屈折率が２．１程度のＧａＮ層１４’が実質的に存在することと等価となり、サファイア基板１０との界面における反射が効果的に抑制されることになる。このように、ＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙをサファイアとＧａＮとの間に介在させることで、低屈折率を実現することができる。ＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙは、サファイアとＧａＮとの組み合わせでは実現できない低屈折率をエッチング深さ４２ｎｍで実現するものである。
【００２８】
図７に、この場合の発光装置の構成を示す。サファイア基板１０上にＳｉＯ２層１３が形成され、ナノインプリントプロセス及びＲＩＥでナノ寸法の凹凸構造が形成される。なお、ＲＩＥでレジストを除去した後に、ＨＣｌ：水＝１：１の溶液で基板を処理する。これは表面が酸素で汚染されているからである。その後、ＧａＮ層１４、ｎ型ＧａＮ層１６、活性層１８、ｐ型ＧａＮ層２０が順次形成される。エッチング深さを４２ｎｍとし、凸部の直径をそれぞれ２５０ｎｍ、２００ｎｍ、１５０ｎｍとした場合の発光装置の出力を計測したところ、サファイア基板１０の表面に凹凸構造がない場合を１として、
直径２５０ｎｍ：１．２倍
直径２００ｎｍ：１．３倍
直径１５０ｎｍ：１．２倍
の結果が得られる。また、ＣＬ（カソードルミネセンス）で表面転位を観察したところ、表面に凹凸構造がない場合には６×１０８個／ｃｍ２存在する一方、凹凸構造がある場合には１〜５×１０８／ｃｍ２程度に低減する。これらのことから、サファイア基板上のナノ寸法の凹凸構造とＳｉＯ２層との組み合わせにより、転位の低減と基板／ＧａＮ界面における光反射の低減による光出力の増大を図ることができる。
【００２９】
サファイア基板１０上にＳｉＯ２を蒸着するのではなく、高融点金属、具体的にはＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｔｈ、Ｉｒ等の金属を蒸着して活性層１８からの光を積極的に反射させることも可能である。上記の金属のうち、ＭＯＣＶＤ装置内を汚染しないＭｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｉｒが特に好適である。エッチング深さを４２ｎｍとし、凸部の直径をそれぞれ２５０ｎｍ、２００ｎｍ、１５０ｎｍとした場合の発光装置の出力を計測したところ、サファイア基板１０の表面に凹凸構造がない場合を１として、
直径２５０ｎｍ：１．１倍
直径２００ｎｍ：１．２倍
直径１５０ｎｍ：１．１倍
の結果が得られる。但し、ＣＬ（カソードルミネセンス）で表面転位を観察したところ、表面に凹凸構造がない場合には６×１０８個／ｃｍ２存在する一方、凹凸構造がある場合には６〜１０×１０８／ｃｍ２程度と増大している。したがって、金属層を形成する場合には、金属層とＧａＮ層１４との間に不連続ＳｉＮバッファ層を形成する等、転位を抑制する層を別途設けることが好ましい。
【００３０】
ＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙあるいは金属をサファイア基板１０上に蒸着してナノ寸法の凹凸構造を形成する場合でも、ｐ型ＧａＮ層２０の表面あるいは基板１０の裏面にさらにナノ寸法の凹凸構造を形成してもよい。図８にこの場合の構成を示す。ＳｉＯ２を蒸着する場合の例であり、サファイア基板１０上にＳｉＯ２層１３が蒸着され、ナノインプリントプロセス及びＲＩＥで凹凸構造が形成される。その上に、ＧａＮ層１４、ｎ型ＧａＮ層１６、活性層１８、ｐ型ＧａＮ層２０が順次形成され、ｐ型ＧａＮ層２０の外表面にナノ寸法の凹凸構造がさらに形成される。
【００３１】
このように、本実施形態では、サファイア基板１０の表面にナノ寸法の凹凸構造を形成することで光取出効率を上げることができる。また、サファイア基板１０の表面にＳｉＯ２あるいは金属を蒸着した上でナノ寸法の凹凸構造を形成することで光取出効率を一層上げることができる。さらに、ナノインプリントプロセスとＲＩＥとを組み合わせて使用することで、ナノ寸法の凹凸構造を高精度にかつ容易に形成することができる。
【００３２】
本実施形態では、基板としてサファイア基板を用いているが、他の基板を用いることもできる。また、本実施形態ではナノ寸法の凹凸を円柱形状としているが、その断面形状として矩形状、台形状、円弧状のいずれかを用いることができる。
【００３３】
また、本実施形態において、ＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙあるいは金属にナノ寸法の凹凸構造を形成する方法として、リフトオフプロセスや剥離プロセスを用いることもできる。リストオフプロセスでは、基板上にまずフォトレジストを塗布し、ナノインプリントプロセスによりナノ寸法の凹凸を形成する。次に、全面にＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙあるいは金属を蒸着し、その後、フォトレジストを除去することでＳｉＯ２膜あるいはＳｉｘＮｙ膜あるいは金属膜にナノ寸法の凹凸構造が形成される。剥離プロセスでは、基板上にＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙあるいは金属を蒸着し、その上にフォトレジストを塗布形し、ナノインプリントプロセスによりナノ寸法の凹凸を形成する。次に、フォトレジストをマスクとしてＳｉＯ２あるいはＳＩｘＮｙあるいは金属をエッチングで除去し、その後、フォトレジストを除去することでＳｉＯ２膜あるいはＳｉｘＮｙ膜あるいは金属膜にナノ寸法の凹凸構造が形成される。
【００３４】
さらに、本実施形態ではダブルへテロ発光構造の下地層としてＧａＮ層を用いているが、ＧａＮ以外の他のＧａＮ系層、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを用いることができ、あるいはＡｌＩｎＮを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施形態の構成図である。
【図２】実施形態の凹凸構造の平面図である。
【図３】実施形態の凹凸構造の説明図である。
【図４】他の実施形態の構成図である。
【図５】さらに他の実施形態の構成図である。
【図６】ＳｉＯ２を蒸着する場合の模式的説明図である。
【図７】さらに他の実施形態の構成図である。
【図８】さらに他の実施形態の構成図である。
【図９】従来技術の構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ サファイア基板、１２ 凹凸構造の凹部、１４ ＧａＮ層、１６ ｎ型ＧａＮ層、１８ 活性層、２０ ｐ型ＧａＮ層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光装置の製造方法、特に、光取出効率の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＧａＮ等の窒化物半導体を用いたＬＥＤやＬＤ等の発光装置において、光取出効率を増大させる試みがなされている。例えば、下記に示す特許文献１には、サファイア基板上に窒化物半導体層を形成する際の、サファイア基板と窒化物半導体層間の量子効率を増大させながらストレス及び転位を減少させることを目的として、サファイア基板にナノ寸法の凹凸構造を形成し、その上に窒化物半導体を製造することが開示されている。具体的には、サファイア基板上にＰｔ、Ａｕ、Ｃｒ等の自己組織化金属の層を形成し、サファイア基板を加熱して表面が不規則に露出するように自己組織化金属を凝結させる。そして、この自己組織化金属凝結体をマスクとしてサファイア基板の露出した部分をプラズマでエッチングし、自己組織化金属の凝結体をウェットエッチングで除去することでサファイア基板にナノ寸法の凹凸構造を形成する。凹凸構造は直径５０乃至５００ｎｍ、深さ３乃至５０ｎｍとしている。ナノ寸法の凹凸構造が上面に形成されたサファイア基板を用いて窒化物半導体を形成すると、サファイア基板の凹凸構造がＧａＮ成長の際、核の生成に影響を及ぼし、サファイア基板の上面に形成されるＧａＮの結晶欠陥を減らすとしている。また、全反射条件によると、反射角はサファイア基板と空気間の屈折率またはＧａＮと空気間の屈折率により決定されるが、かかる全反射条件が臨界角より小さい場合に光が素子の外に漏れなくなり、かかる問題を凹凸構造により克服することができるとしている。
【０００３】
図９に、従来技術における窒化物半導体装置の断面図を示す。自己組織化金属凝結体を用いてサファイア基板１０２の上面にナノ寸法の凹凸が形成され、気孔１０８及び突起１１０が形成される。この上に、ＧａＮ核生成層１１２、ｎ型ＧａＮ層１１４、活性層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８が順次形成される。
【０００４】
また、特許文献２には、フリップチップ型のＬＥＤにおいて、サファイア基板上に順次ｎ型バッファ層、ｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層を形成し、ｐ型ＧａＮ層から発光層を超えてｎ型ＧａＮ層へ達するテーパ状の溝を形成するととともに、ｐ型ＧａＮに発光層まで達しない微小凹凸をナノインプリントプロセス（ナノインプリントリソグラフィー）により形成することが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８３９０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７３５７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、基板上にナノ寸法の凹凸を形成して発光特性を向上させる場合に、より効率的かつ精度よく形成することが必要であり、同時に量産化も考慮する必要がある。さらに、ＧａＮ系半導体を用いたＬＥＤあるいはＬＤの用途拡大に伴い、一層の発光出力増大が求められている。
【０００７】
本発明の目的は、ナノ寸法の凹凸を用いてＧａＮ系半導体を用いた発光装置の光取出効率を増大させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、基板あるいはＡｌＧａＩｎＮ層にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、前記ＳｉＯ２膜あるいはＳｉｘＮｙ膜（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、金属膜にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明において、さらに、前記発光層の外表面にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程を有することもできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ナノインプリントプロセスを用いて高精度かつ容易にナノ寸法の凹凸を所定位置に形成し、発光装置の光取出効率を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。本実施形態の基本原理は以下のとおりである。すなわち、ＧａＮ系半導体を用いたＬＥＤ等の発光装置の光取出効率は、光が空気や媒体と接触する面、ＧａＮ系発光装置と空気との接触面、ＧａＮ系半導体とサファイア基板との境界面の全てが関係することになる。本実施形態では、これらの境界面においてナノ寸法の凹凸を形成するものである。通常、光が見えるというのはその波長程度までとされている。それより小さいと、その物質と相手方物質の両方を見てしまい、屈折率は２つの物質の中間になる。仮に、ＧａＮの表面が空気に触れており、ＧａＮの表面にナノ寸法の凹凸が形成されていたとし、ＧａＮの凹凸の深さがλ／４ｎ・ｎｃ（但し、λは光の波長、ｎは屈折率、ｎｃは正の奇数）であったとすると、垂直入射時には反射率が最小となり、このときに光取出効率は最大となる。
【００１４】
また、サファイア基板上にＧａＮを形成する際に、サファイア基板にナノ寸法の凹凸を形成してＧａＮを形成すると、サファイア基板とＧａＮの界面における屈折率は光から見てサファイアとＧａＮの屈折率の間の値になる。サファイアの屈折率は１．９、ＧａＮの屈折率は２．７であるため、エッチング面と非エッチング面がほぼ等しい割合の場合にはサファイア基板とＧａＮの界面における屈折率（実効屈折率）は両者の中間の約２．３となる。光の波長を３８５ｎｍ程度とし、垂直入射の場合、凹凸の深さをλ／４ｎ＝３８５／４／２．３＝４２ｎｍ以上とすることで界面における反射率を最小として光取出効率を増大させることができる。
【００１５】
一方、サファイア基板やＧａＮの表面にナノ寸法を容易かつ高精度に形成するために、本実施形態ではナノインプリントプロセス（ナノインプリントリソグラフィー：ＮＩＬ）及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を組み合わせて用いる。ナノインプリントプロセスは、型の押し付けという極めて単純なプロセスによりナノ寸法の形状転写ができる加工プロセスである。ナノインプリントプロセスには、熱式ナノインプリントやＵＶ式ナノインプリント等がある。熱式ナノインプリントプロセスでは、金型と被成形素材を被成形素材のガラス転移温度以上に加熱し、その状態で金型を被成形素材に押し付けて金型パターンを被成形素材に転写し、その後金型と被成形素材とを被成形素材のガラス転移温度以下に冷却して金型を被成形素材から離型する一連の工程から構成されるものである。ＵＶ式ナノインプリントプロセスでは、ＵＶ樹脂を基板上に塗布し、その上から石英の型（モールド）を押し付け、位置合わせを行い、ＵＶ光を照射し、金型を離型するという一連の工程から構成されるものである。ＵＶ式ナノインプリントプロセスでは、熱を加えないプロセスのため熱膨張、熱収縮の問題がなく高精度に加工できること、及び光を透過する石英の型を使用するためアライメントの精度を高めることができる利点がある。本実施形態では、このようなナノインプリントプロセスを用いてサファイア基板上にナノ寸法の凹凸パターンを形成する。
【００１６】
すなわち、まず、ナノ寸法の凹凸パターンを形成するに先立ち、凹凸パターンの反転形状を有する型を作製する。型は、例えばシリコンウエハ上にレジストを塗布し電子線を照射してレジストパターンを作製する。その後、レジストパターンのＮｉ電鋳をとることで型を作製する。型を作製した後、サファイア基板の表面にレジストを塗布し、予め作製した型を押し付けて凹凸パターンを転写する。離型後、レジストには凹凸パターンが転写されるので、このレジストをマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うことでサファイア基板表面にナノ寸法の凹凸が形成される。その後、サファイア基板上にマスクとして残存するレジストを別のＲＩＥで除去する。以上のようにして、サファイア基板の表面にナノ寸法の凹凸構造が高精度かつ量産に優れた方法で形成される。
【００１７】
図１に、本実施形態における発光装置の構成を示す。上記のように、ナノインプリントプロセス及びＲＩＥを用いてサファイア基板１０の表面にナノ寸法の凹凸を形成する。凹凸の凹部１２の深さ、すなわちエッチング深さは４２ｎｍである。表面にナノ寸法の凹凸が形成されたサファイア基板１０上にＧａＮ層（バッファ層）１４、ｎ型ＧａＮ層１６、ＧａＮ系活性層１８、ｐ型ＧａＮ層２０からなるダブルへテロ発光構造をＭＯＣＶＤプロセスで順次形成する。
【００１８】
図２に、サファイア基板１０の表面に形成されるナノ寸法の凹凸構造の平面図を示す。凸部の直径は２５０ｎｍであり、凸部間の間隔、すなわち凹凸構造のピッチは５００ｎｍである。凸部は円柱状であり、三角形の頂点に位置するように配列する。図３に、凹凸構造の模式図を示す。凸部と凹部の間隔は同一ａであり、ピッチは２ａである。凹部１２の深さはλ／４ｎであり、ｎは凹凸構造により生じたサファイアとＧａＮの中間の屈折率である。λ／４ｎとするのは既述したとおり垂直入射の場合であり、角度がある場合には入射してから反射するまでの距離が長くなるので最適ではなく、したがって凹部１２の深さはλ／４ｎ以上とする。凹部１２が深いほど空気（正確には窒素、水素、アンモニア）が混入することとなり、より好適である。エッチング深さを４２ｎｍとし、凸部の直径をそれぞれ２５０ｎｍ、２００ｎｍ、１５０ｎｍとした場合の発光装置の出力を計測したところ、サファイア基板１０の表面に凹凸構造がない場合を１として、
直径２５０ｎｍ：１．１倍
直径２００ｎｍ：１．５倍
直径１５０ｎｍ：１．７倍
の結果が得られる。これらの結果は、１回の成長で比較が出来るように、凹凸構造なし、２５０ｎｍの凹凸構造、２００ｎｍの凹凸構造、１５０ｎｍの凹凸構造を１つの基板上に作り込み１回の成長で製膜したものであり、２０ｍＡで駆動した場合の結果である。また、ＣＬ（カソードルミネセンス）で表面転位を観察したところ、表面に凹凸構造がない場合には６×１０８個／ｃｍ２存在する一方、凹凸構造がある場合には３〜５×１０８ 個／ｃｍ２程度に低減する。これらのことから、サファイア基板上のナノ寸法の凹凸構造により、転位の低減と基板／ＧａＮ界面における光反射の低減による光出力の増大を図ることができる。ナノ寸法の凹凸のサイズが小さくなるほど、光出力が増大する傾向にある。これは、凹凸のサイズが小さくなる程、光にとって実効屈折率がサファイアとＧａＮの屈折率の中間に近くなるためであると考えられる。一般的には、凹凸構造の直径のサイズとして１００ｎｍ〜１５０ｎｍが適当であろう。
【００１９】
本実施形態では図１に示すようにサファイア基板１０上にＧａＮ層１４、ｎ型ＧａＮ層１６、ＧａＮ系活性層１８、ｐ型ＧａＮ層２０を形成しているが、サファイア基板１０上にバッファ層を介してＡｌＧａＩｎＮ層を形成し、このＡｌＧａＩｎＮ層にナノ寸法の凹凸構造を形成し、ナノ寸法の凹凸構造が形成されたＡｌＧａＩｎＮ層上にダブルへテロ構造の発光構造を形成してもよい。また、発光構造としては、他の構成の発光構造を形成してもよい。
【００２０】
図４に、発光装置の他の構成を示す。ナノインプリントプロセス及びＲＩＥでサファイア基板１０上にナノ寸法（１００ｎｍ〜２５０ｎｍ）の凹凸構造を形成し、その上にＧａＮ層１４０を形成する。次に、アンドープＧａＮ層１６０を形成し、さらにＳｉドープｎ型ＧａＮ層１８０を形成する。次に、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ／Ｓｉドープｎ型ＧａＮを交互に５０ペア形成してｎ型ＳＬＳ層２００を形成する。その後、アンドープＧａＮ層２２０を形成し、さらにアンドープＩｎＧａＮ／アンドープＡｌＩｎＧａＮを交互に７ペア積層してＭＱＷ活性層２４０を形成する。そして、ＭＱＷ活性層２４０の上に、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ／Ｍｇドープｐ型ＧａＮを交互に５０ペア形成してｐ型ＳＬＳ層２６０を形成し、さらにｐ型ＧａＮ層２８０を形成する。以上のようにしてＬＥＤウエハを作成した後、ＬＥＤウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、金属膜を蒸着してｐ型透明電極３００を形成する。そして、表面にフォトレジストを塗布し、ｎ型ＧａＮ層１８０が露出するまでエッチングし、露出したｎ型ＧａＮ層１８０上にｎ電極３２０を形成する。
【００２１】
各層の形成条件は例えば以下のとおりである。ナノ寸法の凹凸構造が表面に形成されたサファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置内に載置し、温度を５００度に維持しつつトリメチルガリウム及びアンモニアガスを流してＧａＮ層１４０を２５ｎｍ形成する。次に、温度を１０７５度まで昇温して再びトリメチルガリウム及びアンモニアガスを流してアンドープＧａＮ層１６０を２μｍ形成する。さらに、トリメチルガリウム及びアンモニアガスにモノメチルシランガスを加えてＳｉドープｎ型ＧａＮ層１８０を１μｍ形成する。キャリア密度は約５×１０１８ｃｍ−３である。次に、サファイア基板１０の温度を１０７５度に維持してｎ型ＳＬＳ層２００を形成する。Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層は２ｎｍ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層も２ｎｍである。ＡｌＧａＮ層を形成する際にはトリメチルアルミニウムを供給する。その後、基板温度を８３０度まで下げてアンドープＧａＮ層２２０を３０ｎｍ形成する。そして、アンドープＩｎＧａＮ層を１．５ｎｍ、アンドープＡｌＩｎＧａＮ層９．５ｎｍを交互に形成する。アンドープＩｎＧａＮ層が井戸層、アンドープＡｌＩｎＧａＮ層がバリア層として機能し、井戸層のバンドギャップはバリア層のバンドギャップより小さく設定される。井戸層及びバリア層をともにＡｌＩｎＧａＮ層で構成してもよい。井戸層のＡｌ組成としては、０％〜２０％が好適である。ＭＱＷ活性層２４０を形成後、基板１０の温度を９７５度まで下げてＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層を１．５ｎｍ、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層を０．８ｎｍずつ交互に形成してｐ型ＳＬＳ層２６０とする。さらに、ｐ型ＧａＮ層２８０を１５ｎｍ形成する。
【００２２】
サファイア基板１０とＧａＮ層１４０との間に、さらに不連続的にＳｉＮバッファ層を形成してもよい。この不連続ＳｉＮバッファ層は層中の転位を確実に低減するためのものである。不連続ＳｉＮバッファ層は、基板１０の温度を５００度まで下げ、モノメチルシランガスとアンモニアガスを１００秒間流すことで形成できる。ＧａＮ層１４０の成長途中にＳｉＮ層を挿入して転位を抑制してもよい。
【００２３】
また、図１の発光装置ではサファイア基板１０の表面にナノ寸法の凹凸構造を形成しているが、さらに、発光装置の外表面、すなわちｐ型ＧａＮ層２０の表面にナノ寸法の凹凸を形成してもよい。
【００２４】
図５に、サファイア基板１０及びｐ型ＧａＮ層２０の表面にナノインプリントプロセス及びＲＩＥを用いてナノ寸法の凹凸構造を形成した場合の構成を示す。サファイア基板１０表面の凹凸のエッチング深さは４２ｎｍ、直径は１００ｎｍ〜２５０ｎｍであり、ｐ型ＧａＮ層２０表面の凹凸のエッチング深さは４５ｎｍ、直径は１００ｎｍ〜２５０ｎｍである。サファイア基板１０とＧａＮ層１４との界面における凹凸、及びｐ型ＧａＮ層２０表面における凹凸により、光反射を防止して光取出効率がより増大する。サファイア基板１０表面の凹凸とｐ型ＧａＮ層２０表面の凹凸は同一の型を用いて形成してもよく、異なる型を用いて形成してもよい。量産には同一の型を用いて形成する、すなわち両凹凸のサイズ、ピッチを同一にすることが好適であろう。
【００２５】
なお、サファイア基板１０表面に凹凸を形成せず、単にｐ型ＧａＮ層２０の表面にナノ寸法の凹凸を形成してもよい。ｐ型ＧａＮ層２０のエッチング深さを４５ｎｍとし、直径を２５０ｎｍとした場合、発光波長λ＝４５０ｎｍにおいて凹凸がない場合に比べて光出力が１．４倍に増大することを確認している。ｐ型ＧａＮ層２０上にはｐ型電極が形成されるが、ｐ型ＧａＮ層２０表面の凹凸は、ｐ型電極とのオーミック接触を容易化する効果もある。
【００２６】
また、図１の構成において、サファイア基板１０の表面にナノ寸法の凹凸構造を形成するのではなく、サファイア基板１０上にＳｉＯ２層あるいはＳｉｘＮｙ層（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）を蒸着した後にナノ寸法の凹凸構造を形成してもよい。例えばＳｉＯ２をサファイア基板１０上に蒸着して凹凸構造を形成すると、サファイア基板１０とＧａＮ層１４との界面においてＳｉＯ２がナノ寸法で間欠的に介在することとなり、屈折率が変化する。ＧａＮとＳｉＯ２の存在ピッチが波長程度になると、実効屈折率はＧａＮとＳｉＯ２の屈折率の中間値に近くなる。
【００２７】
図６（ａ）、（ｂ）に、ＳｉＯ２層を蒸着してナノ寸法の凹凸構造を形成する場合の模式図を示す。図６（ａ）のように、サファイア基板１０上にＳｉＯ２がナノ寸法ピッチで存在し、ＳｉＯ２の間にＧａＮ層１４のＧａＮが存在する。したがって、光から見れば、サファイア基板１０とＧａＮ層１４との界面領域（図中一点鎖線で示す領域９０）における実効屈折率は、ＧａＮの２．７とＳｉＯ２の１．５の中間である２．１程度となり、サファイアの１．９に非常に近くなる。したがって、図６（ｂ）のように、サファイア基板１０との界面には屈折率が２．１程度のＧａＮ層１４’が実質的に存在することと等価となり、サファイア基板１０との界面における反射が効果的に抑制されることになる。このように、ＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙをサファイアとＧａＮとの間に介在させることで、低屈折率を実現することができる。ＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙは、サファイアとＧａＮとの組み合わせでは実現できない低屈折率をエッチング深さ４２ｎｍで実現するものである。
【００２８】
図７に、この場合の発光装置の構成を示す。サファイア基板１０上にＳｉＯ２層１３が形成され、ナノインプリントプロセス及びＲＩＥでナノ寸法の凹凸構造が形成される。なお、ＲＩＥでレジストを除去した後に、ＨＣｌ：水＝１：１の溶液で基板を処理する。これは表面が酸素で汚染されているからである。その後、ＧａＮ層１４、ｎ型ＧａＮ層１６、活性層１８、ｐ型ＧａＮ層２０が順次形成される。エッチング深さを４２ｎｍとし、凸部の直径をそれぞれ２５０ｎｍ、２００ｎｍ、１５０ｎｍとした場合の発光装置の出力を計測したところ、サファイア基板１０の表面に凹凸構造がない場合を１として、
直径２５０ｎｍ：１．２倍
直径２００ｎｍ：１．３倍
直径１５０ｎｍ：１．２倍
の結果が得られる。また、ＣＬ（カソードルミネセンス）で表面転位を観察したところ、表面に凹凸構造がない場合には６×１０８個／ｃｍ２存在する一方、凹凸構造がある場合には１〜５×１０８／ｃｍ２程度に低減する。これらのことから、サファイア基板上のナノ寸法の凹凸構造とＳｉＯ２層との組み合わせにより、転位の低減と基板／ＧａＮ界面における光反射の低減による光出力の増大を図ることができる。
【００２９】
サファイア基板１０上にＳｉＯ２を蒸着するのではなく、高融点金属、具体的にはＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｔｈ、Ｉｒ等の金属を蒸着して活性層１８からの光を積極的に反射させることも可能である。上記の金属のうち、ＭＯＣＶＤ装置内を汚染しないＭｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｉｒが特に好適である。エッチング深さを４２ｎｍとし、凸部の直径をそれぞれ２５０ｎｍ、２００ｎｍ、１５０ｎｍとした場合の発光装置の出力を計測したところ、サファイア基板１０の表面に凹凸構造がない場合を１として、
直径２５０ｎｍ：１．１倍
直径２００ｎｍ：１．２倍
直径１５０ｎｍ：１．１倍
の結果が得られる。但し、ＣＬ（カソードルミネセンス）で表面転位を観察したところ、表面に凹凸構造がない場合には６×１０８個／ｃｍ２存在する一方、凹凸構造がある場合には６〜１０×１０８／ｃｍ２程度と増大している。したがって、金属層を形成する場合には、金属層とＧａＮ層１４との間に不連続ＳｉＮバッファ層を形成する等、転位を抑制する層を別途設けることが好ましい。
【００３０】
ＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙあるいは金属をサファイア基板１０上に蒸着してナノ寸法の凹凸構造を形成する場合でも、ｐ型ＧａＮ層２０の表面あるいは基板１０の裏面にさらにナノ寸法の凹凸構造を形成してもよい。図８にこの場合の構成を示す。ＳｉＯ２を蒸着する場合の例であり、サファイア基板１０上にＳｉＯ２層１３が蒸着され、ナノインプリントプロセス及びＲＩＥで凹凸構造が形成される。その上に、ＧａＮ層１４、ｎ型ＧａＮ層１６、活性層１８、ｐ型ＧａＮ層２０が順次形成され、ｐ型ＧａＮ層２０の外表面にナノ寸法の凹凸構造がさらに形成される。
【００３１】
このように、本実施形態では、サファイア基板１０の表面にナノ寸法の凹凸構造を形成することで光取出効率を上げることができる。また、サファイア基板１０の表面にＳｉＯ２あるいは金属を蒸着した上でナノ寸法の凹凸構造を形成することで光取出効率を一層上げることができる。さらに、ナノインプリントプロセスとＲＩＥとを組み合わせて使用することで、ナノ寸法の凹凸構造を高精度にかつ容易に形成することができる。
【００３２】
本実施形態では、基板としてサファイア基板を用いているが、他の基板を用いることもできる。また、本実施形態ではナノ寸法の凹凸を円柱形状としているが、その断面形状として矩形状、台形状、円弧状のいずれかを用いることができる。
【００３３】
また、本実施形態において、ＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙあるいは金属にナノ寸法の凹凸構造を形成する方法として、リフトオフプロセスや剥離プロセスを用いることもできる。リストオフプロセスでは、基板上にまずフォトレジストを塗布し、ナノインプリントプロセスによりナノ寸法の凹凸を形成する。次に、全面にＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙあるいは金属を蒸着し、その後、フォトレジストを除去することでＳｉＯ２膜あるいはＳｉｘＮｙ膜あるいは金属膜にナノ寸法の凹凸構造が形成される。剥離プロセスでは、基板上にＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙあるいは金属を蒸着し、その上にフォトレジストを塗布形し、ナノインプリントプロセスによりナノ寸法の凹凸を形成する。次に、フォトレジストをマスクとしてＳｉＯ２あるいはＳＩｘＮｙあるいは金属をエッチングで除去し、その後、フォトレジストを除去することでＳｉＯ２膜あるいはＳｉｘＮｙ膜あるいは金属膜にナノ寸法の凹凸構造が形成される。
【００３４】
さらに、本実施形態ではダブルへテロ発光構造の下地層としてＧａＮ層を用いているが、ＧａＮ以外の他のＧａＮ系層、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを用いることができ、あるいはＡｌＩｎＮを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施形態の構成図である。
【図２】実施形態の凹凸構造の平面図である。
【図３】実施形態の凹凸構造の説明図である。
【図４】他の実施形態の構成図である。
【図５】さらに他の実施形態の構成図である。
【図６】ＳｉＯ２を蒸着する場合の模式的説明図である。
【図７】さらに他の実施形態の構成図である。
【図８】さらに他の実施形態の構成図である。
【図９】従来技術の構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ サファイア基板、１２ 凹凸構造の凹部、１４ ＧａＮ層、１６ ｎ型ＧａＮ層、１８ 活性層、２０ ｐ型ＧａＮ層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板あるいはＡｌＧａＩｎＮ層にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、
前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項２】
ＳｉＯ２膜あるいはＳｉｘＮｙ膜（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、
前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項３】
金属膜にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、
前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、
前記金属膜は、高融点金属であるＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｔｈ、Ｉｒのいずれかの膜であることを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の方法において、さらに、
前記発光層の外表面にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、
を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、
前記基板はサファイアからなり、
前記窒化物半導体層はＧａＮからなり、
前記ナノ寸法の凹凸により前記基板と前記ＧａＮ系層との界面における実質的な屈折率を前記サファイアの屈折率と前記ＧａＮの屈折率の中間値に設定することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項７】
請求項２記載の方法において、
前記基板はサファイアからなり、
前記窒化物半導体層はＧａＮからなり、
前記ナノ寸法の凹凸により前記基板と前記ＧａＮ系層との界面における実質的な屈折率を前記ＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙの屈折率と前記ＧａＮの屈折率の中間値に設定することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれかに記載の方法において、
前記窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａｎ、ＡｌＩｎＮのいずれかよりなることを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項１】
基板あるいはＡｌＧａＩｎＮ層にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、
前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項２】
ＳｉＯ２膜あるいはＳｉｘＮｙ膜（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、
前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項３】
金属膜にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、
前記ナノ寸法の凹凸上に窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層上にｎ型層、活性層及びｐ型層を含む発光構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、
前記金属膜は、高融点金属であるＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｔｈ、Ｉｒのいずれかの膜であることを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の方法において、さらに、
前記発光層の外表面にナノインプリントプロセス及び反応性イオンエッチングでナノ寸法の凹凸を形成する工程と、
を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、
前記基板はサファイアからなり、
前記窒化物半導体層はＧａＮからなり、
前記ナノ寸法の凹凸により前記基板と前記ＧａＮ系層との界面における実質的な屈折率を前記サファイアの屈折率と前記ＧａＮの屈折率の中間値に設定することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項７】
請求項２記載の方法において、
前記基板はサファイアからなり、
前記窒化物半導体層はＧａＮからなり、
前記ナノ寸法の凹凸により前記基板と前記ＧａＮ系層との界面における実質的な屈折率を前記ＳｉＯ２あるいはＳｉｘＮｙの屈折率と前記ＧａＮの屈折率の中間値に設定することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれかに記載の方法において、
前記窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａｎ、ＡｌＩｎＮのいずれかよりなることを特徴とする発光装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−５４８８２（Ｐ２００９−５４８８２Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２１６１２（Ｐ２００７−２２１６１２）
【出願日】平成１９年８月２８日（２００７．８．２８）
【出願人】（３０４０２０２９２）国立大学法人徳島大学 (307)
【出願人】（５０４０９７８２３）ＳＣＩＶＡＸ株式会社 (31)
【出願人】（５００２２１５６３）ナイトライド・セミコンダクター株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２８日（２００７．８．２８）
【出願人】（３０４０２０２９２）国立大学法人徳島大学 (307)
【出願人】（５０４０９７８２３）ＳＣＩＶＡＸ株式会社 (31)
【出願人】（５００２２１５６３）ナイトライド・セミコンダクター株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
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