JP2005064247A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体発光素子の光取り出し効率を高めるとともに、当該半導体発光素子を形成する際の製造コストを低減する。
【解決手段】 素子本体を構成するｎ型ＧａＮ層１３をサファイア基板１１から剥離する際に、予めサファイア基板１１の主面に形成された側面１７をｎ型ＧａＮ層１３の剥離面に転写する。これにより、発光層とされるＩｎＧａＮ層１４から出射される光が素子内部で殆ど全反射されることがなく、素子の光取り出し効率を高めることができる。さらに、このような素子形成に用いたサファイア基板１１は素子本体が剥離されることにより殆ど損傷をうけないことから、サファイア基板１１を繰り返し素子形成に用いることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、転位密度を低減するとともに光取り出し効率を高めることができる半導体発光素子及びその製造方法に関する。更に詳しくは、素子内部の全反射による光取り出し効率の低下を抑制することができる半導体発光素子及びその製造方法に関する。

半導体発光素子の輝度を上げるためには種々の方法が行なわれている。大きく分けて、素子自体の入力電流に対する発光量を上げる方法と、発生した光を効率良く素子外部に取り出す光取り出し効率を上げる方法が挙げられる。前者は、結晶層を構成する材料、結晶構造、結晶成長性の良し悪しやそれら結晶層の組み合わせおよび製造プロセスに負うところが大きい。後者は、素子の構造やその素子を装置基板に搭載したときの構造による光の反射等を検討し、発生した光を減衰させずに漏れなく素子外部に取り出すところが重要になる。例えば、青色又は緑色発光素子として好適とされるＧａＮ系半導体を用いた半導体発光素子においては、上述した製造プロセスに関する技術開発及び光取り出し効率を高めるための技術開発が活発に行われている。

前者については、ＧａＮ系半導体の結晶成長時に生じる転位密度を低減することが高品質の素子を製造するために重要な技術の一つとされている。例えば、特許文献１によれば、基板に形成された凹凸部を介して結晶層を選択成長することにより転位密度を低減し、良質の結晶層によって入力電流に対する発光効率を高める技術が開示されている。

また、後者について、半導体発光素子の内部の発光領域で発生した光は、外部に光を取り出す面に対して入射角が大きいと全反射によって外部に光を取り出すことができないことから、従来、素子をパッケージングしたときの境界面で全反射される光をパッケージ内の内部ミラーで再度反射させて外部に取り出す方法や半導体発光素子で発生した光を角度調整されたパッケージ内の内部ミラーで直接反射して外部に取り出す方法などが採られている。例えば、結晶成長基板に対して平行な面に結晶層を成長させたプレーナ型と呼ばれる構造を有する半導体発光素子では、全反射による光取り出し効率の低下を抑制するために、パッケージに含まれる外部ミラーによって発光領域である結晶層に対してランダムな方向に発生する光を一方向に揃える方法が採られる場合もある。

しかしながら、素子サイズの微小化とともにパッケージに反射ミラーの如き光反射手段を設けることが困難となる場合もあり、素子本体に光取り出し効率を高める構造を直接作り込む技術も求められている。例えば、特許文献１によれば、凹凸部が形成された基板に素子を形成し、この素子を基板から剥離する際に基板に転写される凹凸部によって素子内部の全反射を低減して光取り出し効率を高める技術が開示されている。

特開２００２−３１８４１号公報

ところで、上述したＧａＮ系半導体で構成される半導体発光素子の輝度を高めるためには、特許文献１に開示された凹凸部を素子に形成する技術だけでなく、さらに素子の光取り出し効率を高めるための構造を素子本体に形成する技術が求められている。例えば、上述した凹凸部を光取り出し効率を高めるためのさらに最適な形状にすることが重要となるが、特許文献１は凹凸部の詳細な形状については言及していない。また、素子の発光領域に対する凹凸部の位置も光取り出し効率を決める際の重要な要素となる。

しかしながら、今後、素子の微小化がさらに進展していった場合には、光取り出し効率を高めるための凹凸部を微小な素子に精度良く形成する技術も重要となる。素子形成後に光を用いて所要の凹凸部を微小な領域に形成することは困難であるうえ、素子毎にこれら凹凸部を形成することは半導体発光素子の製造工程を煩雑なものとし、製造コストの増大にもつながる。

また、上述したＧａＮ系半導体で構成される半導体発光素子を形成する際には、結晶成長を行うための基板としてＧａＮ基板やサファイア基板が広く用いられているが、これら基板から素子を剥離する際には基板を傷める場合があり、一度使用した基板を再度素子形成に用いることは難しく、半導体発光素子の製造コストの増大を招いていた。

さらに、素子の輝度を高めるためには発光効率を高めることも重要であり、上述した転位密度の如き欠陥密度を低減し、良質な結晶層を成長させることも重要となる。

よって、本発明は上述した問題点を鑑みてなされたものであり、転位密度が低減された結晶層を形成するとともに、光取り出し効率を高めるためのより最適な構造が素子に直接形成された半導体発光素子及びその製造方法に関する。さらに、製造コストが低減された半導体発光素子及びその製造方法に関する。

本発明にかかる半導体発光素子は、所要の傾斜面を有する基板上に形成され、前記基板から剥離される際に前記傾斜面の形状を反映した面が形成されてなる結晶層と、前記結晶層上に形成される発光層とを備えることを特徴とする。本発明にかかる半導体発光素子によれば、発光層で発生した光が素子内部で全反射されることが殆どないようにより最適な傾斜面を素子に直接形成することができる。さらに、予め基板に形成された所要の傾斜面の形状を反映した面を素子に形成することにより、素子に対して個別に所要の傾斜面を形成することなく素子の光取り出し効率を高めることができる。また、素子形成後に別途所要の傾斜面を形成することなく、所要の傾斜面を基板からの素子剥離にあわせて形成することができる。よって、素子形成後に所要の傾斜面を形成する工程を別途行うことがないうえ、予め基板に精度良く所要の傾斜面に合わせた形状を形成しておくことにより、煩雑な形状を反映した面を容易に素子に形成し、より光取り出し効率を高めることも可能となる。さらに、前記結晶層を所要の傾斜面から成長させることによって転位の如き欠陥を低減することも可能となり、良質の結晶層を成長させることができる。

また、本発明にかかる半導体発光素子においては、前記傾斜面によって前記発光層の主たる発光領域の下側に当該傾斜面の形状を反映した面を形成しておいても良い。これにより、主たる発光領域で発生した光の大部分の全反射を当該傾斜面の形状を反映した面によって低減することができる。例えば、前記所要の傾斜面が略球面を構成する場合には、素子表面が平坦な場合に比べて発光領域で発生した光の全反射をより効率良く低減することができ、発光層の主たる発光領域が前記略球面の中心付近の上側に位置している場合には、さらに効率良く光の全反射を低減することができる。また、この傾斜面は略フレネル形状を構成していても良く、光取り出し効率を高めることができるとともに、素子の略フレネル形状が形成された領域を略平坦にすることができ、素子の小型化にもつながる。さらに、上述した略球面形状の場合と同様に、発光層の主たる発光領域が前記フレネル形状の中心付近の上側に位置することにより、さらに効率良く光の全反射を低減することができる。また、前記結晶層に形成された面に光反射膜を形成しても良く、この光反射膜によって光を反射し、所要の方向に光を取り出すこともできる。

また、本発明にかかる半導体発光素子においては、前記基板のバンドギャップは前記結晶層のバンドギャップより大きく、前記結晶層に吸収される波長を有する光が前記基板の裏面側から照射されても良い。これにより、基板の裏面側から光を照射した場合でも基板を傷めることなく結晶層を基板から剥離することができる。

また、本発明にかかる半導体発光素子においては、前記結晶層を剥離層を介して前記基板に形成しても良い。このような剥離層を介して結晶層を基板から剥離する場合には、前記結晶層が吸収しない光を照射することによって前記結晶層を前記基板から剥離することも可能となる。さらにこのような剥離層のバンドギャップが前記発光層で発生する主たる光のエネルギーより大きい場合には、剥離層が前記結晶層から完全に除去されていない状態でも発光層から出射される光が剥離層で吸収されることない。よって、結晶層から除去されていない剥離層によって素子の光取り出し効率が低下することがない。また、前記剥離層のバンドギャップが前記発光層で発生する主たる光のエネルギーより小さい場合には前記剥離層を除去し、光取り出し効率の低下を抑制することもできる。

本発明にかかる半導体発光素子は、所要の傾斜面を有する基板上に形成され、前記基板から剥離される際に前記傾斜面の形状を反映した面が形成されてなる結晶層と、前記結晶層上に形成される発光層とを備え、前記傾斜面の形状を反映した面は、前記発光層及び前記結晶層が所要の間隔で分離されてなる素子本体毎に形成されていることを特徴とする。このような半導体発光素子においては、前記傾斜面の形状を反映した面は前記素子本体ごとに形成されていても良く、複数の素子に一括して所要の傾斜面を形成することが可能となる。これにより、素子毎に個別に所要の傾斜面を形成する場合に比べて、素子の製造コストを低減することができる。さらに、本発明にかかる半導体発光素子においては、前記傾斜面は、略球面、又はフレネル形状を構成し、前記発光層の主たる発光領域は、前記略球面、又は前記フレネル形状の中心付近の上側に位置するように前記傾斜面を形成しておくこともできる。このような傾斜面によれば、素子毎に光取り出し効率を高めるように形成された傾斜面によって一つの素子の主たる発光領域で発生した光を効率良く素子外部に取り出すことが可能となる。

本発明にかかる半導体発光素子の製造方法は、所要の傾斜面を基板上に形成し、前記基板上に所要の結晶層と発光層とを積層し、前記基板から前記結晶層を剥離する際に、前記傾斜面の形状を反映した面を前記結晶層に形成し、前記基板を用いて再度結晶層及び発光層を形成することを特徴とする。本発明にかかる半導体発光素子の製造方法によれば、素子形成後に別途所要の傾斜面を形成することなく、所要の傾斜面の形状を反映した面を基板からの素子剥離にあわせて形成することができる。素子形成後に所要の傾斜面を形成する工程を別途行うことがないうえ、予め基板に精度良く所要の傾斜面を形成しておくことにより煩雑な形状を構成する傾斜面を容易に転写することができ、より光取り出し効率を高めることが可能となる。さらに、素子剥離した基板を再度素子形成に用いることが可能となり、素子の製造コストを低減することもできる。このような半導体発光素子の製造方法は、所要の傾斜面が形成された微小な素子を一括して形成する場合には好適な製造方法である。

本発明にかかる半導体発光素子によれば、素子形成の際に形成される傾斜面によって素子内部における光の全反射を低減することが可能となり、素子の光取り出し効率を高めることが可能となる。さらに、本発明にかかる半導体発光素子によれば、素子から出射される光の出射方向を制御することもできる。

また、本発明にかかる半導体発光素子の製造方法によれば、素子形成に使用する基板を繰り返し使用することができ、光取り出し効率が高められた素子の製造コストを低減することも可能となる。さらに、一度基板に上述した傾斜面を形成しておくことにより、素子毎に精度良くこの傾斜面を形成する必要がなくなり、光取り出し効率を高めるための構造を簡便、且つ精度良く素子に形成することもできる。また、本発明にかかる半導体発光素子によれば、所要の傾斜面により構成される凹凸部を介して結晶層を基板から選択成長させることにより、転位密度が低減された良質の結晶層を有する半導体発光素子を製造することもできる。

以下、本発明にかかる半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
[第１の実施の形態]

図１及び図３を参照しながら、本実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について説明する。図１は、サファイア基板１１の裏面側からエキシマレーザ光Ｌ_１を照射する工程を示す工程図である。

基板主面をＣ＋面とするサファイア基板１１上にはマスク層１２が形成され、ｎ型ＧａＮ層１３はマスク層１２の一部を除去して形成される窓領域１８から選択成長されている。マスク層１２の側面１７は、サファイア基板１１の主面に対して傾斜した傾斜面とされるとともに、後述するＩｎＧａＮ層１４に対して傾斜した傾斜面とされる。なお、サファイア基板１１に限定されず、本発明の半導体発光素子を形成するためには、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板を用いることもできる。さらに、ｎ型ＧａＮ層１３を結晶成長させるために緩衝層を設ける際には、この緩衝層を形成する主たる材料としてはＡｌＮを用いても良い。すなわち、基板上に結晶成長させる結晶層、或いは素子構造に応じて好適な基板、マスク層、又は緩衝層を選択して組み合わせることもできる。

窓領域１８は、基板主面をＣ＋面とするサファイア基板１１上にマスク層１２を形成した後、マスク層１２の所要の領域を除去して形成される。また、本実施形態においては、マスク層１２はＳｉＯ_２で形成されているが、これに限定されず、サファイア基板１１上にＳｉＮを成膜した後、ＳｉＮの一部を除去して形成することもできる。

窓領域１８は、一旦サファイア基板１１上にマスク層１２を形成した後、マスク層１２に所要のパターングを行うことで形成される。マスク層１２をパターニングする際には、例えば、フォトリソグラフィーとフッ酸系エッチャントを好適な条件で行うことで窓領域１８を形成するとともに、側面１７を所要の傾斜面とすることができる。また、側面１７をＳ面（１−１０１）に沿って形成することでｎ型ＧａＮ層１３を容易に結晶成長させることもできる。なお、窓領域１８の大きさは作りたい素子の特性により変えることもできる。さらに、本実施形態にかかるマスク層１２のパターニング方法に限定されず、側面１７を所要の傾斜面となるように精度良く形成することができる方法であれば如何なる方法を用いてマスク層１２の一部を除去して良い。

ｎ型ＧａＮ層１３は、窓領域１８からマスク層１２を介して選択成長される結晶層であり、例えばシリコンドープのＧａＮを結晶成長させた結晶層である。ｎ型ＧａＮ層１３は、窓領域１８から選択成長されることで転位密度が低減された結晶層とされる。ｎ型ＧａＮ層１３は窓領域１８から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。さらに、ｎ型ＧａＮ層１３を成長させると、窓領域１８からそれぞれ成長したｎ型ＧａＮ層１３が会合し、略平坦な結晶層となる。

ＩｎＧａＮ層１４は、ｎ型ＧａＮ層１３の上に形成される発光層である。ＩｎＧａＮ層１４は、ｎ型ＧａＮ層１３とｐ型ＧａＮ層１５に挟み込まれて単一の量子井戸構造を構成するが、発光層として（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることも可能であり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもできる。その際、ＩｎＧａＮ層のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが好ましい。

ｐ型ＧａＮ層１５は、マグネシウムドープのＧａＮをＩｎＧａＮ層１４上に成長させることで形成される。ｐ電極１６は、ｐ型ＧａＮ層１５の表面にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着することで形成することができる。

上述のようにして形成されたｎ型ＧａＮ層１３及びＩｎＧａＮ層１４を含む素子本体に対して、サファイア基板１１の裏面側からエキシマレーザ光Ｌ_１を照射し、サファイア基板１１からｎ型ＧａＮ層１３を剥離する。

サファイア基板１１のバンドギャップは、ｎ型ＧａＮ層１３のバンドギャップより大きく、エキシマレーザ光Ｌ_１をサファイア基板１１の裏面側から照射した場合には、エキシマレーザ光Ｌ_１がサファイア基板１１を透過し、ｎ型ＧａＮ層１３に吸収される。例えば、サファイア基板１１のバンドギャップが約８．３ｅＶ、ｎ型ＧａＮ層１３のバンドギャップが約３．４ｅＶである場合、波長が２４８ｎｍ程度のエキシマレーザ光Ｌ_１はサファイア基板１１を透過し、ｎ型ＧａＮ層１３にのみ吸収される。特に、サファイア基板１１近傍のｎ型ＧａＮ層１３によってエキシマレーザ光Ｌ_１は吸収されることからｎ型ＧａＮ層１３とサファイア基板１１との接合力が弱められ、サファイア基板１１からｎ型ＧａＮ層１３を剥離することができる。このようにして、サファイア基板１１を殆ど傷めることなく、サファイア基板１１からｎ型ＧａＮ層１３を剥離することができる。

さらに、サファイア基板１１はｎ型ＧａＮ層１３を剥離する際に殆ど損傷を受けることがないため、再度結晶成長に用いることができる。したがって、サファイア基板１１に精度良くマスク層１２を形成しておけば、マスク層１２の側面１７の形状が反映された面が形成される結晶層を繰り返し結晶成長させることができ、微小な素子に上述した傾斜面を有する凸部を転写する際には本実施形態の如き半導体発光素子の製造方法は好適である。特に、最終的な素子サイズが１００μｍ以下とされる半導体発光素子に対しては、光取り出し効率を高めるための構造を素子本体に直接、且つ精度良く形成することが困難であるため、本実施形態の如き半導体発光素子の製造方法は好適とされる。

図２は、ｎ型ＧａＮ層１３からサファイア基板１１を剥離した状態を示す図である。サファイア基板１１から剥離されたｎ型ＧａＮ層１３の剥離面には、サファイア基板１１及びサファイア基板１１に形成されたマスク層１２の形状が反映された面が形成されることにより、凸部１９ａ、凹部１９ｂが形成されている。凸部１９ａの側面１７'は、マスク層１２の側面１７の形状がほぼそのまま反映されてなる傾斜面であり、発光層とされるＩｎＧａＮ層１４に対して傾斜している。凸部１９ａの側面１７'は、ＩｎＧａＮ層１４から出射される光の全反射を低減するようにＩｎＧａＮ層１４に対して傾斜している。また、側面１７のＩｎＧａＮ層１４にする傾斜角度は予めサファイア基板１１に窓領域１８を形成する際に調整しておくことができる。

また、ｎ型ＧａＮ層１３の結晶成長に好適な面方位となるように窓領域１８を形成し、マスク層１２の側面１７を略そのままｎ型ＧａＮ層１３に転写することもできる。例えば、側面１７がＳ面（１−１０１）となるように形成しておくことによりｎ型ＧａＮ層１３の結晶成長が容易に行えるとともに、サファイア基板１１からの剥離も容易となる。

また、ｐ電極１６は凸部１９ａの上側に形成され、ｐ電極１６の略下側とされるＩｎＧａＮ層１４の主たる発光領域の下側に凸部１９ａが位置することになる。したがって、ＩｎＧａＮ層１４の主たる発光領域から出射された光の大部分が凸部１９ａの側面１７'に入射し、この光が殆ど全反射されることなく素子外部に取り出されることになる。

続いて図３に示すように、ＩｎＧａＮ層１４及びｐ型ＧａＮ層１５の一部をｎ型ＧａＮ層１３が露出するまで除去し、ｎ電極２０が形成されて半導体発光素子２２が形成される。ｎ電極２０は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を露出したｎ型ＧａＮ層１３の表面に蒸着することで形成される。

このように、本実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法によれば、光取り出し効率を高めるために予め基板上に形成された所要の傾斜面を反映する面を素子に形成することで容易に光取り出し効率を高めるための構造を素子に直接形成することができる。さらに、素子サイズに合わせて所要の傾斜面を形成しておくことにより、微小な素子に対しても所要の傾斜面を精度良く形成することができる。

さらに、本実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、素子を形成する基板を繰り返し使用することができ、半導体発光素子を製造する際の製造コストを低減することも可能となる。
[第２の実施の形態]

次に、図４乃至図６を参照しながら、本実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について説明する。図４は、ＧａＮ基板４１の裏面側からエキシマレーザ光Ｌ_２を照射する工程を示す工程図である。

図４に示すように、所要の傾斜面４７を有する凹凸部４２が形成されたＧａＮ基板４１上に、ＩｎＧａＮ層５１が形成され、その上に素子本体を構成するｎ型ＧａＮ層４３、ＩｎＧａＮ層４４、ｐ型ＧａＮ層４５及びｐ電極４６が順次形成されている。

ＧａＮ基板４１に形成された凹凸部４２は、例えばウェットエッチングにより所要の傾斜面４７を形成するようにＧａＮ基板４１の一部を除去して形成される。傾斜面４７は、ＧａＮ基板４１の主面に対して傾斜した傾斜面とされる。このような傾斜面４７は、発光層であるＩｎＧａＮ層４４で発生した光の素子内部における全反射を低減するようにＩｎＧａＮ層４４に対する傾斜角が設定されている。

さらに後述するように、傾斜面４７はＧａＮ基板４１の上側に形成されるＩｎＧａＮ層４４に対して傾斜した傾斜面とされる。例えば、後述するように、傾斜面４７がＳ面となるようにＧａＮ基板４１の一部を除去することにより良質のｎ型ＧａＮ層４３を結晶成長させることもできる。

ＩｎＧａＮ層５１は、ＧａＮ層４１から素子本体を剥離するための剥離層であり、ＧａＮ基板４１の凹凸部４２上にＩｎＧａＮを結晶成長させることで形成される。ｎ型ＧａＮ層４３は、ＩｎＧａＮ層５１がＧａＮ基板４１の裏面側から照射される光Ｌ_２によってアブレーションされることによって剥離される。光Ｌ_２は、ＧａＮ基板４１を透過してＩｎＧａＮ層４３に吸収される波長を有する光であれば如何なる光で良い。このように、剥離層とされるＩｎＧａＮ層５１を介してｎ型ＧａＮ層４３をＧａＮ基板４１から剥離することにより、ｎ型ＧａＮ層４３及びＧａＮ基板４１が殆ど損傷を受けることがない。したがって、ｎ型ＧａＮ層４３を含む素子の品質を低下させることがないうえに、精度良く形成された傾斜面４７を維持することが可能であることから、光取り出し効率が高められた半導体発光素子をＧａＮ基板４１を再利用して繰り返し製造することもできる。

また、ＩｎＧａＮ層５１のバンドギャップがＩｎＧａＮ層４４で発生した光より小さい場合には、素子形成後にＩｎＧａＮ層４４で発生した光がｎ型ＧａＮ層４３に残留するＩｎＧａＮ層５１によって吸収されないように、ｎ型ＧａＮ層４３をＧａＮ基板４１から剥離した後、ＩｎＧａＮ層５１を除去しておけば良い。

ｎ型ＧａＮ層４３は、ＩｎＧａＮ層５１上に、例えばシリコンドープのＧａＮを結晶成長させた結晶層である。ｎ型ＧａＮ層４３は、凹凸部４２から選択成長されることで転位密度が低減された結晶層とされる。ｎ型ＧａＮ層４３は凸部から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。さらに、ｎ型ＧａＮ層４３を成長させると、凹部からからそれぞれ成長したｎ型ＧａＮ層４３と会合し、略平坦な結晶層となる。

ＩｎＧａＮ層４４は、ｎ型ＧａＮ層４３の上に形成される発光層である。ＩｎＧａＮ層４４は、ｎ型ＧａＮ層４３とｐ型ＧａＮ層４５に挟み込まれて単一の量子井戸構造を構成するが、発光層として（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることも可能であり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもできる。その際、ＩｎＧａＮ層のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが好ましい。

ｐ型ＧａＮ層４５は、マグネシウムドープのＧａＮをＩｎＧａＮ層４４上に成長させることで形成される。ｐ電極４６は、ｐ型ＧａＮ層４５の表面にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着することで形成される。

上述のようにして形成されたｎ型ＧａＮ層４３、ＩｎＧａＮ層４４、ｐ型ＧａＮ層４５、及びｐ電極４６からなる素子本体に対して、ＧａＮ基板４１の裏面側から光Ｌ_２を照射する。ＩｎＧａＮ層５１は光Ｌ_２を吸収し、アブレーションされる。これにより、ＧａＮ基板４１からｎ型ＧａＮ層４３が分離され、ＧａＮ基板４１から素子本体が分離される。光Ｌ_２は、ＧａＮ基板４１を透過してＩｎＧａＮ層５１に吸収されるエネルギーを有する光であれば如なる光でも良く、例えば、波長が３８０〜４２０ｎｍ程度のレーザ光を用いることが可能である。

図５は、ＩｎＧａＮ層４５及びｐ電極４６を形成した後、ＩｎＧａＮ層５１をアブレーションすることによりｎ型ＧａＮ層４３からＧａＮ基板４１を剥離した状態を示す図である。ｎ型ＧａＮ層４３の剥離面は、ＧａＮ基板４１に形成された凹凸部４２の形状を反映した凹凸部４２'を有する。凹凸部４２'を構成する傾斜面４７'は凹凸部４２'を構成する平坦部４８に対して所定の角度で傾斜しており、この角度は発光層とされるＩｎＧａＮ層４４で発生する光が全反射されることを低減するように設定されている。また、ｎ型ＧａＮ層４３の結晶成長に好適な面方位となるようにＧａＮ基板４１に凹凸部４２を形成し、素子本体をＧａＮ基板４１から剥離する際にｎ型ＧａＮ層４３にこの凹凸部４２の形状が反映された凹凸部４２'を形成することもできる。

本実施形態においては、ｎ型ＧａＮ層４３の下面に複数の凹凸部４２'が形成されているが、所要の傾斜面で構成された凹部、又は凸部を素子一個に一つずつ形成することもできる。このように各素子にそれぞれ所要の傾斜面からなる凹部、又は凸部が一つずつ形成されていることにより、発光層とされるＩｎＧａＮ層４４の発光領域で発生した光を効率良く素子外部に取り出すことが可能となり、光取り出し効率を高めることができる。さらに、発光層の主たる発光領域がこれら凹部、又は凸部の中心付近の上側に位置することにより、素子の平坦な表面による全反射を低減することができ、主たる発光領域で発生した光の大部分を素子外部に取り出すことも可能である。

上述のようにしてｎ型ＧａＮ層４３に所要の傾斜面４７を形成した後、図６に示すように、ＩｎＧａＮ層４４及びｐ型ＧａＮ層４５の一部をｎ型ＧａＮ層４３が露出するまで除去し、ｎ電極５０を形成して半導体発光素子５２が形成される。ｎ電極５０は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を露出したｎ型ＧａＮ層４３の表面に蒸着することで形成される。

図４乃至図６を参照しながら説明したように、本実施形態にかかる半導体発光素子によれば、発光層で発生した光が素子内部で全反射されることを低減することができ、光取り出し効率を高めることができる。また、素子毎に所要の傾斜面からなる凹部、又は凸部を形成することにより発光層の発光領域から出射される光を効率良く素子外部に取り出すこともできる。

さらに、本実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法によれば、素子本体が形成される基板から素子本体を分離するとともに素子本体に所要の傾斜面からなる凹凸部を形成することができ、簡便な製造工程で光取り出し効率が高められた半導体発光素子を形成することが可能となる。さらにまた、素子形成に使用した基板を繰り返し素子形成に使用することも可能であり、半導体発光素子の製造コストを低減することもできる。
[第３の実施の形態]

次に、図７及び図９を参照しながら、本実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について説明する。本実施形態にかかる半導体発光素子は、略球面を構成する傾斜面が形成されることにより光取り出し効率が高められた半導体発光素子である。

図７に示すように、傾斜面７７によって凹凸部７２が形成されたサファイア基板７１上にｎ型ＧａＮ層７３が形成され、その上にＩｎＧａＮ層７４、ｐ型ＧａＮ層７５及びｐ電極７６が順次形成されることでサファイア基板７１上に素子本体が形成される。

傾斜面７７は、後述するようにサファイア基板７１の上側に形成されるＩｎＧａＮ層７４に対して傾斜した傾斜面とされる。後述するように、この傾斜面の形状が反映された傾斜面７７'によって、ＩｎＧａＮ層７４で発生した光が効率良く素子外部に取り出されることになる。

サファイア基板７１に形成された凹凸部７２は、例えばドライエッチングにより所要の傾斜面７７を形成するようにサファイア基板７１の一部を除去して形成される。傾斜面７７は、サファイア基板７１の主面に対して傾斜した傾斜面とされ、凹凸部７２を構成する凹部から凸部にかけて略球面を構成する。傾斜面７７は図中奥行き方向に沿って上述した略球面の一部をなすように傾斜しており、凹凸部７２を構成する凹部はサファイア基板７１の主面に形成された椀形状をなす孔部とされる。

ｎ型ＧａＮ層７３は、サファイア基板７１の主面に、例えばシリコンドープのＧａＮを結晶成長させた結晶層であり、凹凸部から選択成長されることで転位密度が低減されている。ｎ型ＧａＮ層７３は凹凸部７２の凸部から成長するが、しばらく成長を続けると周囲がＳ面（１−１０１）よりなる六角錐の形状を露呈してくる。さらに、ｎ型ＧａＮ層７３を成長させると、凹部から成長したｎ型ＧａＮ層７３と会合し、略平坦なｎ型ＧａＮ層７３が形成される。

ＩｎＧａＮ層７４は、ｎ型ＧａＮ層７３の上に形成される発光層である。ＩｎＧａＮ層７４は、ｎ型ＧａＮ層７３とｐ型ＧａＮ層７５に挟み込まれて単一の量子井戸構造を構成するが、発光層として（Ａｌ）ＧａＮ／ＩｎＧａＮの量子井戸層や多重量子井戸層などにすることも可能であり、ガイド層として機能するＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いて多重構造とすることもできる。その際、ＩｎＧａＮ層のすぐ上の層にはＡｌＧａＮ層を成長することが好ましい。

ｐ型ＧａＮ層７５は、例えばマグネシウムドープのＧａＮをＩｎＧａＮ層７４上に成長させることで形成されている。ｐ電極７６は、凹凸部７２のピッチに合わせてｐ型ＧａＮ層７５の表面にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕを蒸着することで形成されている。

上述のようにして形成されたｎ型ＧａＮ層７３、ＩｎＧａＮ層７４、ｐ型ＧａＮ層７５、及びｐ電極７６からなる素子本体に対して、サファイア基板７１の裏面側からエキシマレーザ光Ｌ_３を照射する。ｎ型ＧａＮ層７３はエキシマレーザ光Ｌ_３を吸収し、サファイア基板７１近傍のｎ型ＧａＮ層７３がアブレーションされる。これにより、サファイア基板７１とｎ型ＧａＮ層７３の接合力が低下し、サファイア基板７１からｎ型ＧａＮ層７３が分離される。エキシマレーザ光Ｌ_３は、サファイア基板７１を透過してｎ型ＧａＮ層７３に吸収されるエネルギーを有する光であれば如なる光でも良く、例えば、波長が248ｎｍ程度のエキシマレーザ光を用いることが可能である。

図８は、ｎ型ＧａＮ層７３をアブレーションすることによりｎ型ＧａＮ層７３からサファイア基板７１を剥離した状態を示す図である。ｎ型ＧａＮ層７３の剥離面にはサファイア基板７１に形成された凹凸部７２の形状を反映した凹凸部７２'が形成されている。凹凸部７２'を構成する傾斜面７７'は、凹凸部７２'を構成する凹部の平坦部より突出した略球面を形成し、発光層とされるＩｎＧａＮ層７４で発生する光の全反射を低減することができる。このように略球面を構成する傾斜面７７'は、素子外部に取り出すために略球形状を構成しており、第１、又は第２の実施形態で形成される平坦な傾斜面に比べて発光層とされるＩｎＧａＮ層７４で発生する光の全反射をさらに効率良く低減することができる。特に、傾斜面７７'で構成される略球面の上側に発光層の主たる発光領域が位置している場合には、この主たる発光領域で発生する光の大部分をこの略球面を介して素子外部に出射することもできる。

続いて、図９に示すように、ｎ型ＧａＮ層７３、ＩｎＧａＮ層７４、ｐ型ＧａＮ層７５及びｐ電極７６からなる素子本体を個別の素子に分離し、ｎ電極８０を形成して半導体発光素子８２が形成される。なお、素子分離をサファイア基板７１で行ってから各素子の素子本体をサファイア基板７１から剥離して良い。

ｎ電極８０は、凹凸部７２'を構成していた凸部７２'ａの周囲に形成されており、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極をｎ型ＧａＮ層７３の剥離面に蒸着することで形成される。このようにして形成される半導体発光素子８２は、ｎ型ＧａＮ層７３の下面の略全体が略球面形状とされており、その球面形状の略中心の上側にｐ電極７６が形成されている。ＩｎＧａＮ層４４のうちｐ電極７６の下側の領域で電流密度が高くなる傾向にあることから、ｐ電極７６の下側付近がＩｎＧａＮ層４４の主たる発光領域とされ、この主たる発光領域で発生した光の大部分を素子外部に取り出すことが可能となる。さらに、ＩｎＧａＮ層４４のうちｎ型ＧａＮ層７３に形成された略球面の中心付近の狭い領域を発光領域とすることにより、この発光領域で発生した光を効率良く素子外部に取り出すこともできる。

また、本実施形態にかかる半導体発光素子８２は略球面とされる凸部７２'ａを有する。凸部７２'ａの代わりに略球面とされる凹部が素子毎に形成されていても良い。このように、素子一個についてそれぞれ所要の傾斜面で構成された凹部、又は凸部が一つずつ形成されていることにより、各半導体発光素子８２で発生する光を効率良く素子外部に取り出すことができる。

図１０は、本実施形態にかかる半導体発光素子の別の例を示す図である。本例の半導体発光素子９２は、図７乃至図９を参照しながら説明した半導体発光素子８２の下面に光反射膜９７が形成された構成を有する。

半導体発光素子９２は、半導体発光素子８２と略同様にして形成されるため製造方法の詳細な説明は省略するが、下面が略球面形状とされるｎ型ＧａＮ層９３、発光層とされるＩｎＧａＮ層９４、ｐ型ＧａＮ層９５、ｐ電極９６、ｎ型ＧａＮ層９３の下面に形成された凸部９８の周囲に形成されたｎ電極９０、及び凸部９８の表面に形成された光反射膜９７から構成されている。

光反射膜９７は、略球面形状とされる凸部９８の略全面を被覆するように形成されており、例えば金属薄膜を蒸着で形成することができる。このような光反射膜９７は、ＩｎＧａＮ層９４の主たる発光領域とされるｐ電極９６下のＩｎＧａＮ層９４から出射される光の大部分を反射し、半導体発光素子９２の上側に当該光を出射する。これにより、半導体発光素子９２の凸部９８から素子外部に光を取り出すだけでなく、半導体発光素子９２から出射される光の射出角を半導体発光素子９２の下側から上側に変更することもできる。また、素子内部における光の全反射を低減することもできることから、半導体発光素子９２は光が出射される向きを制御できるだけでなく、光取り出し効率も高められている。

このように、本実施形態にかかる半導体発光素子８２、又は半導体発光素子９２によれば、素子本体に形成された略球面形状によって素子内部における光の全反射を低減することができ、光取り出し効率を高めることができる。さらに、本実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法によれば、素子本体が形成される基板から素子本体を分離するとともに略球面を素子本体に転写することができ、簡便な製造工程で光取り出し効率が高められた半導体発光素子を形成することが可能となる。また、このような素子形成に用いられた基板を繰り返し使用して素子形成を行うことも可能である。一度精度良く所定の凹凸部を基板に形成しておけば、高精度、且つ簡便に素子を形成することができるうえ、基板を繰り返し使用することができることから素子の製造コストを低減することも可能となる。
[第４の実施の形態]

次に、図１１及び図１３を参照しながら、本実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について説明する。サファイア基板１０１の主面に傾斜面１０７，１０８が形成され、その上にｎ型ＧａＮ層１０３、ＩｎＧａＮ層１０４、ｐ型ＧａＮ層１０５、及びｐ電極１０６が順次形成されている。

図１１に示すように、傾斜面１０７，１０８はフレネル形状を構成し、後述するようにこのフレネル形状がｎ型ＧａＮ層１０３に転写されることにより、ｎ型ＧａＮ層１０３がフレネルレンズとして機能する。サファイア基板１０１の主面に傾斜面１０７，１０８を形成する際には、例えばサファイア基板１０１の主面をドライエッチングによって除去すれば良い。また、サファイア基板１０１の主面を直接加工する場合に限定されず、サファイア基板１０１の主面にＳｉＯ_２の如き材料によってマスク層を形成し、このマスク層をパターニングしてフレネル形状を形成することもできる。

また、サファイア基板１０１は、ｎ型ＧａＮ層１０３を剥離した後に再度素子形成に使用することができる。サファイア基板１０１の表面にフレネル形状の如き複雑な形状を一度形成してしまえば、このサファイア基板１０１を繰り返して使用することで同様のフレネル形状が形成された素子を精度良く簡便に形成することができる。したがって、光取り出し効率が高められた素子の製造コストを低減することも可能となる。

ｎ型ＧａＮ層１０３、ＩｎＧａＮ層１０４、ｐ型ＧａＮ層１０５、及びｐ電極１０６は、第１の実施形態で説明したｎ型ＧａＮ層１３、ＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＧａＮ層１５、及びｐ電極１６と略同様にして形成されているため、詳細な説明は省略する。なお、ｐ電極１０６は、フレネル形状の中心付近の上側に形成されており、ＩｎＧａＮ層１０４のうちｐ電極１０６の下側とされる主たる発光領域はフレネル形状の中心付近の上側に位置する。

上述のようにして形成されたｎ型ＧａＮ層１０３及びＩｎＧａＮ層１０４からなる素子本体に対して、サファイア基板１０１の裏面側からエキシマレーザ光Ｌ_４を照射し、サファイア基板１０１からｎ型ＧａＮ層１０３を剥離する。エキシマレーザ光Ｌ_４の波長は、２４８ｎｍ程度であり、そのエネルギーはサファイア基板１０１のバンドギャップより小さい。よって、エキシマレーザ光Ｌ_４はサファイア基板１０１を透過し、サファイア基板１０１に損傷を殆ど与えない。サファイア基板１０１を透過したエキシマレーザ光Ｌ_４は、ｎ型ＧａＮ層１０３に吸収され、ｎ型ＧａＮ層１０３とサファイア基板１０１との接合力が弱められることによりｎ型ＧａＮ層１０３がサファイア基板１０１から剥離される。

図１２は、ｎ型ＧａＮ層１０３からサファイア基板１０１を剥離した状態を示す図である。ｎ型ＧａＮ層１０３の剥離面には、サファイア基板１０１に形成された傾斜面１０７，１０８が転写されることでフレネル形状が形成されている。ｎ型ＧａＮ層１０３の剥離面に形成されたフレネル形状を構成する傾斜面１０７'，１０８'は、ｐ電極１０６の下側とされる主たる発光領域を中心とした略同心円状に形成されている。

このような傾斜面１０７'，１０８'により、ＩｎＧａＮ層１０４の主たる発光領域で発生した光を素子外部に効率良く出射することができる。すなわち、フレネル形状が形成されたｎ型ＧａＮ層１０３は、光学的には凸レンズ、或いは凹レンズの効果を奏しながら略平板状のレンズとして機能する。したがって、ｎ型ＧａＮ層１０３の下側が略球面とされる場合に比べて、ｎ型ＧａＮ層１０３の下側から突出する寸法を小さくしながら素子内部における全反射を低減することができるとともに光取り出し効率を高めることができる。特に、ＩｎＧａＮ層１０４の主たる発光領域が狭く、且つフレネル形状の中心付近の上側に位置する場合には、さらに効率良く発光領域で発生した光の大部分を素子外部に取り出すことができる。

続いて図１３に示すように、ＩｎＧａＮ層１０４及びｐ型ＧａＮ層１０５の一部をｎ型ＧａＮ層１０３が露出するまで除去し、ｎ電極１１０が形成される。ｎ電極１１０は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極を露出したｎ型ＧａＮ層１０３の表面に蒸着することで形成され、これにより半導体発光素子１１２が形成される。

本発明に第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法において、基板の裏面側から光を照射する工程を示す工程図である。 同半導体発光素子の製造方法において、基板から素子本体を分離する工程を示す工程図である。 同半導体発光素子の製造方法において、ｎ電極を形成する工程を示す工程図である。 本発明に第２の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法において、基板の裏面側から光を照射する工程を示す工程図である。 同半導体発光素子の製造方法において、基板から素子本体を分離する工程を示す工程図である。 同半導体発光素子の製造方法において、ｎ電極を形成する工程を示す工程図である。 本発明に第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法において、基板の裏面側から光を照射する工程を示す工程図である。 同半導体発光素子の製造方法において、基板から素子本体を分離する工程を示す工程図である。 同半導体発光素子の製造方法において、ｎ電極を形成する工程を示す工程図である。 本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子の別の例を示す断面構造図である。 本発明に第４の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法において、基板の裏面側から光を照射する工程を示す工程図である。 同半導体発光素子の製造方法において、基板から素子本体を分離する工程を示す工程図である。 同半導体発光素子の製造方法において、ｎ電極を形成する工程を示す工程図である。

符号の説明

１１，７１ サファイア基板
１２ マスク層
１８ 窓領域
１９ｂ 凹部
１９ａ 凸部
４８ 平坦部
７７ 傾斜面
７８ 凹凸部
９７ 光反射膜
１０１ サファイア基板

Claims (17)

1. 所要の傾斜面を有する基板上に形成され、前記基板から剥離される際に前記傾斜面の形状を反映した面が形成されてなる結晶層と、
   前記結晶層上に形成される発光層とを備えること
   を特徴とする半導体発光素子。
2. 前記傾斜面は、前記発光層の主たる発光領域の下側で当該傾斜面の形状を反映した面を形成すること
   を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記傾斜面は、略球面を構成すること
   を特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
4. 前記発光層の主たる発光領域は、前記略球面の中心付近の上側に位置すること
   を特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
5. 前記傾斜面は、略フレネル形状を構成すること
   を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
6. 前記発光層の主たる発光領域は、前記フレネル形状の中心付近の上側に位置すること
   を特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
7. 前記傾斜面の形状を反映した面には、光反射膜が形成されること
   を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
8. 前記基板のバンドギャップは前記結晶層のバンドギャップより大きく、
   前記結晶層に吸収される波長を有する光が前記基板の裏面側から照射されること
   を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
9. 前記結晶層及び前記発光層は、ＧａＮ系半導体を主たる材料とすること
   を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
10. 前記結晶層は剥離層を介して前記基板に形成されていること
    を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
11. 前記剥離層のバンドギャップは前記発光層で発生する主たる光のエネルギーより大きいこと
    を特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子。
12. 前記剥離層のバンドギャップが前記発光層で発生する主たる光のエネルギーより小さい場合に前記剥離層を除去すること
    を特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子。
13. 前記剥離層は、ＩｎＧａＮを主たる材料とすること
    を特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子。
14. 前記基板は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ，ＳｉＯ_２のいずれか一種の材料、若しくは少なくとも２種以上の材料から構成されること
    を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
15. 所要の傾斜面を有する基板上に形成され、前記基板から剥離される際に前記傾斜面の形状を反映した面が形成されてなる結晶層と、
    前記結晶層上に形成される発光層とを備え、
    前記傾斜面の形状を反映した面は、前記発光層及び前記結晶層が所要の間隔で分離されてなる素子本体毎に形成されていること
    を特徴とする半導体発光素子。
16. 前記傾斜面は、略球面、又はフレネル形状を構成し、
    前記発光層の主たる発光領域は、前記略球面、又は前記フレネル形状の中心付近の上側に位置すること
    を特徴とする請求項１５記載の半導体発光素子。
17. 所要の傾斜面を基板上に形成し、
    前記基板上に所要の結晶層と発光層とを積層し、
    前記基板から前記結晶層を剥離する際に、前記傾斜面の形状を反映した面を前記結晶層に形成し、
    前記基板を用いて再度結晶層及び発光層を形成すること
    を特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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