JP2010258455A - 周期構造を有するサファイア基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光ダイオード（ＬＥＤ）に使用し得る、ナノサイズのボールにより形成された周期構造を有するサファイア基板を提供する。
【解決手段】サファイア基板２１の少なくとも一つの面上に形成され、複数のマイクロキャビティ２０２を有する、少なくとも１つの周期構造を含む、周期構造を有するサファイア基板であって、マイクロキャビティは配列状に配置され、マイクロキャビティは、それぞれ反転した錐様の形状であり、マイクロキャビティの底辺の長さは１００〜２４００ｎｍであり、かつマイクロキャビティの深さは２５〜１０００ｎｍである。
【選択図】図６
【解決手段】サファイア基板２１の少なくとも一つの面上に形成され、複数のマイクロキャビティ２０２を有する、少なくとも１つの周期構造を含む、周期構造を有するサファイア基板であって、マイクロキャビティは配列状に配置され、マイクロキャビティは、それぞれ反転した錐様の形状であり、マイクロキャビティの底辺の長さは１００〜２４００ｎｍであり、かつマイクロキャビティの深さは２５〜１０００ｎｍである。
【選択図】図６
Description
本発明は、周期構造を有するサファイア基板に関し、さらに詳しくは、発光ダイオード（ＬＥＤ）に使用し得る、ナノサイズのボールにより形成された周期構造を有するサファイア基板に関する。
図１は、一般的な発光ダイオード（ＬＥＤ）の透視図である。ＬＥＤは、外部電子回路（図には示さず）と連携して、電気を光に変換する。一般に、ＬＥＤは、基板１０、基板１０の表面上に配置した緩衝層１３１、緩衝層１３１の表面上に配置した第一の半導体層１３、第一の半導体層１３の表面上に配置した活性層１４、活性層１４の表面上に配置した第二の半導体層１５、第一の半導体層１３に電気的に接続した第一の電気的接触部１６、および第二の半導体層１５に電気的に接続した第二の電気的接触部１７を含む。
例えば、青色ＬＥＤは、フリップチップ技術を用いてサファイアより作られた基板１０によって製造される。光が活性層１４から放射され、基板１０を通過する際に、サファイア基板の平坦な消光(out-light)面により、内部全反射の現象が起こる。故に、青色ＬＥＤの量子効率は低下する。従って、粗化処理、即ちパターニングを、サファイア基板の消光面上で実施して、全反射の角度を解消し、光抽出を向上させる。
加えて、ＧａＮは半導体材料の一種であり、青色光を効率的に産生し得る。しかし、ＧａＮを緩衝層１３１としてサファイア基板１０の表面に堆積した場合、サファイアとＧａＮとの格子定数の差が大きいことから、緩衝層１３１と基板１０との間に多くの問題がある。これらの問題により、発光効率が低下し、漏電の確率が増加する。サファイアとＧａＮとの格子定数の差を縮小するため、サフィア基板にパターニング法を実施する。サフィア基板の平坦面と比較して、サフィア基板のパターニングした表面の格子定数は、ＧａＮの格子定数と非常に類似している。従って、ＧａＮをサファイア基板のパターニングした表面上に堆積した場合、より良い品質のエピタキシャル薄膜が得られる。このパターニングしたサファイア基板上にＧａＮ薄膜を形成したものをＬＥＤに適用した場合、ＬＥＤの出力は向上し得る。
現在、サファイア基板のパターニングした表面は、フォトリソグラフィーおよびその後のウェットエッチングまたはドライエッチングによって形成する。サファイア基板のパターニング方法を図２Ａ〜２Ｆに示す。初めに、図２Ａを参照し、基板１０を供給し、図２Ｂに示す通り、基板１０の表面１０１上に、フォトレジスト層１１を形成する。次に、図２Ｃに示す通り、フォトレジスト層１１上に、フォトマスク１２を供給した後、露光してフォトレジスト層１１をパターンニングする。フォトマスク１２を現像および除去した後、図２Ｄに示す通り、パターニングしたフォトレジスト層１１を得る。図２Ｅに示す通り、エッチングテンプレートとしてパターニングしたフォトレジスト層１１を用いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を実施して基板１０をエッチングし、その後、基板１０の表面上に複数のマイクロキャビティ１０２を形成する。フォトレジスト層１１（エッチングテンプレート）を除去した後、図２Ｆに示す通り、パターニングした基板１０を得る。ここで、パターンニングした基板１０の表面１０１上に形成された複数のマイクロキャビティは、周期構造に配置される。
ドライエッチング法により、均一で規則的なマイクロキャビティを持つ周期構造を有する基板を製造し得るが、上記の方法には、なおいくつかの不都合な点がある。第一に、フォトリソグラフィーの製造コストは高く、生産速度は遅い。さらに、ナノサイズの周期構造が求められる場合、フォトリソグラフィー法において、サブマイクロサイズのフォトマスクが必要である。しかし、サブマイクロサイズのフォトマスクは非常に高価であり、５００ｎｍ以下の大きさの周期構造が求められる場合、フォトマスクの製造コストはさらに高価である。加えて、ＲＩＥ機は高価であり、ＲＩＥ法は遅く、ＲＩＥ法を使用した場合、基板は容易に損傷する。さらに、ドライエッチング法で形成されるエッチング表面、即ち、パターニングした基板の表面は、不自然な格子面であり、ＧａＮ薄膜とは理想的には適合し得ない。
ドライエッチング法によって起こる問題を解決するため、図３Ａ〜３Ｆに示す通り、ウェットエッチング法が開発されて、周期構造を有する基板が形成される。周期構造を有する基板を形成するウェットエッチング法は、エッチングバッファーを使用して基板をパターニングする以外は、ドライエッチング法に類似する。初めに、図３Ａに示す通り、基板１０を供給する。次に、図３Ｂに示す通り、基板１０の表面上にガラス層１８を形成した後、ガラス層１８上にフォトレジスト層１１をコーティングする。その後、図３Ｃに示す通り、フォトマスク１２をフォトレジスト層１１の表面上に配置した後に露光し、パターニングしたフォトレジスト層１１を得る。図３Ｄに示す通り、フォトマスク１２を除去し、パターニングしたフォトレジスト層１１を現像した後、エッチングバッファーを使用して、エッチングテンプレートとしてパターニングしたフォトレジスト層１１を適用することにより、ガラス層１８をパターニングする。その後、図３Ｅに示す通り、パターニングしたガラス層１８は、基板１０をパターニングするためのもう一つのエッチングテンプレートとなり、基板１０は別のエッチングバッファーによってパターニングされる。最後に、図３Ｆに示す通り、パターニングしたフォトレジスト層１１およびパターニングしたガラス層１８を除去して、パターニングした基板１０を得る。ここで、パターニングした基板１０の表面１０１上に形成された複数のマイクロキャビティ１０２は、周期構造に配置される。基板１０をウェットエッチング法によってパターニングする場合、反転した錐 (awl)様の形状のマイクロキャビティ１０２が得られる。
ウェットエッチング法は基板が損傷しないよう保護することが可能で、パターニングした基板の表面は自然な格子面であるが、ウェットエッチング法のパラメータが適切に制御されない場合、周期構造の均一性は充分ではない。加えて、フォトリソグラフィーはなおも上記の方法で実施されるので、高製造コストおよび低生産速度の問題は依然として存在する。
従って、パターニングした表面を有するサファイア基板であって、全反射の現象を低減し、ＬＥＤの明るさを向上させるため、ＧａＮと一致する格子定数を有するサファイア基板を提供することが望まれている。加えて、フォトリソグラフィーをウェットエッチングと組み合わせた方法により、パターニングした表面を有するサファイア基板を得ることが可能であるが、高製造コストおよび低生産速度により、なおも青色ＬＥＤの製造コストを引き下げることができない。従って、迅速かつ安価に製造し得る、パターンニングしたサファイアを提供することが望ましい。
本発明の目的は、周期構造を有するサファイア基板であって、本発明のサファイア基板の格子定数がＧａＮのそれと一致して、ＬＥＤの明るさを向上させる、サファイア基板を提供することである。
目的を達成するため、本発明の周期構造を有するサファイア基板は：サファイア基板；およびサファイア基板の少なくとも一つの面上に形成され、複数のマイクロキャビティを有する、少なくとも１つの周期構造を含む。マイクロキャビティは配列状に配置され、マイクロキャビティは、それぞれ、反転した錐様の形状であり、マイクロキャビティの底辺(base line)の長さは１００〜２４００ｎｍであり、かつマイクロキャビティの深さは２５〜１０００ｎｍである。ここで、反転した錐とは、錐の底がサファイア基板の表面上に位置し、錐の先端がサファイア基板の表面から窪んでいることを意味する。加えて、本発明のサファイア基板は、その一方の表面上に形成される一つの周期構造を有するか、その両方の表面上に形成される２つの周期構造を有していてもよい。
本発明の周期構造を有するサファイア基板では、好ましくは、周期構造は、以下の工程によって形成される：（Ａ）サファイア基板および複数のナノサイズのボールを提供する工程であって、ナノサイズのボールはサファイア基板の表面上に配置され；（Ｂ）サファイア基板の部分表面上およびナノサイズのボールの間の間隙上に、クラッド層を堆積させる工程；（Ｃ）ナノサイズのボールを除去する工程；（Ｄ）エッチングテンプレートとしてクラッド層を用いることにより、サファイア基板をエッチングする工程；および（Ｅ）エッチングテンプレートを除去して、サファイア基板の表面上に周期構造を形成する工程。
本発明の周期構造を有するサファイア基板では、ナノサイズのボールはフォトリソグラフィー法に代わって使用して、周期構造を形成する。ナノサイズのボールは、その「自己組織化」特性により、サファイア基板の表面上に自動的かつ均一に配置し得る。良好に配置されたナノサイズのボールは、エッチングテンプレートを形成するためのテンプレートとなり得る。本発明のサファイア基板は、サブマイクロサイズの高価なフォトマスクによらず、配置されたナノサイズのボールによって製造される。従って、本発明において、周期構造を有するサファイア基板を安価にかつ迅速に製造することが可能である。反転した錐様の形状のマイクロキャビティの大きさは、エッチング法の条件およびナノサイズのボールの大きさにより調節される。マイクロキャビティの底辺の長さは１００ｎｍ〜２４００ｎｍであることができ、マイクロキャビティの深さは２５ｎｍ〜１０００ｎｍであることができる。好ましくは、マイクロキャビティの底辺の長さは１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、マイクロキャビティの深さは２５ｎｍ〜５００ｎｍである。
本発明のサファイア基板上に周期構造を形成する方法は、工程（Ｅ）の後に、さらに、工程（Ｆ）：サファイア基板の表面を再度エッチングする工程を含む。
本発明のサファイア基板では、隣接するマイクロキャビティ間に平面があってもよく、その平面は同じ高さである。従って、周期構造を有する上記のサファイア基板は、凹状のサファイア基板と見なし得る。加えて、隣接するマイクロキャビティ間に平面がなくてもよく、故にこの周期構造を有するサファイア基板は、凸状のサファイア基板と見なし得る。従って、本発明のサファイア基板は、凹形態、凸形態、両凹形態、凹凸形態、または両凸形態であってもよい。
本発明のサファイア基板は、サファイア基板の表面およびマイクロキャビティの表面上に形成される、エピタキシャル薄膜をさらに含んでもよい。好ましくは、エピタキシャル薄膜は、エピタキシャルＧａＮ薄膜である。サファイア基板の表面上の周期構造は、ＧａＮの格子定数と一致し、故に、良好な品質のエピタキシャルＧａＮ薄膜を形成することが可能である。従って、本発明のサファイア基板をＬＥＤに適用する場合、ＬＥＤの出力は向上し得る。
本発明のサファイア基板上に周期構造を形成する方法では、ナノサイズのボールをサファイア基板の表面上に配置する工程（Ａ）は、以下の工程：（Ａ１）サファイア基板、および容器中にコロイド溶液を提供する工程であって、コロイド溶液はナノサイズのボールおよび界面活性剤を含む；（Ａ２）サファイア基板を容器中に置き、サファイア基板の表面をコロイド溶液が覆う工程；および（Ａ３）揮発性溶液を容器中に加え、サファイア基板上にナノサイズのボールが形成されたものを得る工程を含む。ここで、ナノサイズのボールは、ナノサイズのボール層を形成し、好ましくは、一層のナノサイズのボール層を形成する。
本発明のサファイア基板では、マイクロキャビティの大きさはナノサイズのボールの大きさおよびエッチング条件によって決定される。好ましくは、ナノサイズのボールの直径は１００ｎｍ〜２．５μｍである。より好ましくは、ナノサイズのボールの直径は１００ｎｍ〜１．２μｍである。加えて、好ましくは、ナノサイズのボール（複数）の直径は同一である。さらに、ナノサイズのボールの材料は制限されず、酸化ケイ素、セラミックス、ＰＭＭＡ、酸化チタンまたはＰＳであってもよい。
本発明のサファイア基板では、クラッド層の材料は金属とガラス物質に分類し得る。さらに、金属またはガラス物質は、サファイア基板の部分表面上またはナノサイズのボールの間の間隙上に、一般的な薄膜堆積装置または一般的な電気化学的堆積装置を使用して、堆積させ得る。好ましくは、クラッド層は、化学蒸着（ＣＶＤ）または物理蒸着（ＰＶＤ）によって形成される。加えて、クラッド層に用いられる金属材料は、エッチングテンプレートに一般的に使用されるあらゆる材料であり得る。好ましくは、金属材料は、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ、Ａｕ、ＰｔまたはＰｄである。クラッド層に使用されるガラス物質の主成分は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、またはアルカリ金属、アルカリ土類金属または他の金属イオンをドープした酸化ケイ素であり得る。好ましくは、ガラス物質の主成分は、酸化ケイ素である。さらに、クラッド層の厚さは、所望のマイクロキャビティの大きさによって調節する。好ましくは、クラッド層の厚さは、ナノサイズのボールの直径より小さい。
本発明のサファイア基板上に周期構造を形成する方法では、工程（Ｄ）におけるサファイア基板のエッチングに、ドライエッチング法またはウェットエッチング法を使用し得る。好ましくは、サファイア基板の損傷を防ぐために、ウェットエッチング法を使用する。さらに、硫酸、リン酸、またはそれらの組み合わせを含有する溶液を、サファイア基板をパターニングするエッチングバッファーとして使用し得る。
エッチング時間およびエッチング温度が異なるにつれて、マイクロキャビティによって配置される配列の大きさおよび間隔は異なる。エッチング工程終了後、エッチングテンプレートを除去して、複数のマイクロキャビティによって配置される配列を有するサファイア基板、即ち周期構造を有するサファイア基板が得られる。エッチングテンプレートを除去するために使用される溶液は、クラッド層の材料によって選択される。ガラス物質でできたクラッド層を除去するためには、純水およびフッ化水素酸（ＨＦ）よりなる溶液を使用し；窒化ケイ素等でできたクラッド層を除去するためには、純水およびリン酸（Ｈ3ＰＯ4）よりなる溶液を使用する。クラッド層の材料がＡｕ、Ｐｔ、ＰｄまたはＣｒである場合、クラッド層は、硝酸（Ｈ2ＮＯ4）および塩酸（ＨＣｌ）よりなる溶液によって除去し得る。クラッド層の材料がＴａ、Ｗ、ＶまたはＮｉである場合、クラッド層はＨ2ＮＯ4およびＨＦよりなる溶液によって除去し得る。クラッド層の材料がＦｅである場合、クラッド層はＨ2ＮＯ4およびＨＣｌよりなる溶液によって除去し得る。さらに、クラッド層の材料がＡｇである場合、クラッド層はＨ2ＮＯ4よりなる溶液、またはアンモニアおよびヒドロペルオキシドよりなる混合物によって除去し得る。
本発明の周期構造を有するサファイア基板は、フォトリソグラフィーによってではなく、ナノサイズのボールおよびウェットエッチング法を使用することによって形成される。従って、サブマイクロサイズのフォトマスクは、本発明のサファイア基板を調製する際には必要ではなく、故に、製造コストおよび生産時間を大いに削減することが可能である。同時に、複数のマイクロキャビティを有する周期構造がウェットエッチング法によって形成され、故に、サファイア基板の損傷を防ぐことが可能である。従って、本発明は、容易かつ安価に形成し得る、周期構造を有するサファイア基板を提供する。さらに、サファイア基板の表面上に形成される周期構造は、エピタキシャルＧａＮ薄膜の格子定数と一致し、故に、本発明の周期構造を有するサファイア基板をＬＥＤに適用した場合、ＬＥＤの明るさは向上し、全反射の現象は解消され得る。
加えて、本発明は、さらに、サファイア基板；およびサファイア基板の表面上に配置されたエッチングテンプレートを含む、周期構造を有するエッチングテンプレートを持つサファイア基板を提供する。ここで、エッチングテンプレートは、エッチングテンプレートの表面上に形成され複数のマイクロキャビティを持つ周期構造を有し、マイクロキャビティは配列状に配置される。
本発明の周期構造を有するエッチングプレートを持つサファイア基板では、マイクロキャビティの形状は部分的球面であってもよい。好ましくは、マイクロキャビティは半球の形状である。加えて、マイクロキャビティの直径は１００ｎｍ〜２４００ｎｍであってもよい。好ましくは、マイクロキャビティの直径は１００ｎｍ〜１０００ｎｍである。さらに、エッチングテンプレートの材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、アルカリ金属をドープした酸化ケイ素、アルカリ土類金属をドープした酸化ケイ素、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ、Ａｕ、ＰｔまたはＰｄであってもよい。
従って、本発明の周期構造を有するエッチングテンプレートを持つサファイア基板を用い、エッチング法の時間、温度およびエッチングバッファーを調節することにより、種々の形状のマイクロキャビティを形成することが可能である。従って、本発明のエッチングテンプレートを持つサファイア基板より調製される、パターニングしたサファイア基板は、種々の目的のためのＬＥＤに適用し得る。
本発明の他の目的、利点、および新規な特徴は、添付の図面と共に解釈する場合、以下の詳細な説明から、より明らかになるであろう。
図４Ａ〜４Ｆは、本発明の好ましい態様において、サファイア基板の表面上に、ナノサイズのボールを配置する方法を説明する、断面図である。先ず、図４Ａに示す通り、サファイア基板２１が提供され、容器２６中にコロイド溶液２５が提供されるが、コロイド溶液２５は、複数のナノサイズのボール（図中に示さず）および界面活性剤（図中に示さず）を含む。次に、図４Ｂに示す通り、サファイア基板２１を容器２６に入れ、サファイア基板２１をコロイド溶液２５中に完全に浸す。数分後、図４Ｃに示す通り、ナノサイズのボール２２を基板２１の表面上に規則的に配置して、「ナノサイズのボール層」を形成する。次に、図４Ｄに示す通り、揮発性溶液２７を容器２６中に加えて、コロイド溶液２５を完全に蒸発させる。最後に、図４Ｅに示す通り、コロイド溶液２５を完全に蒸発させ、その後、図４Ｆに示す通り、サファイア基板２１を容器２６から取り出し、サファイア基板２１上に規則的に配置した複数のナノサイズのボール２２を有するものを得る。
この態様において、ナノサイズのボール２２の材料はポリスチレン（ＰＳ）である。しかし、ナノサイズのボール２２の材料は、種々の適用の求めるものにより、セラミックス、ＴｉＯx等の金属酸化物、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）またはＳｉＯx等のガラス物質であり得る。加えて、ナノサイズのボール２２の直径は、１００ｎｍ〜２．５μｍであり、ナノサイズのボール２２の大部分は同一の直径を有する。しかし、種々の適用の求めるものにおいて、ナノサイズのボール２２の大きさは、上記の範囲に制限されない。
図５Ａ〜５Ｆは、それぞれ、本発明の好ましい態様において、周期構造を有するサファイア基板の製造方法を説明する、断面図である。先ず、図５Ａに示す通り、サファイア基板２１および複数のナノサイズのボール２２が提供される。上記の方法に従って、ナノサイズのボール２２をサファイア基板２１の表面上に順序良く配置して、ナノサイズのボール層を形成する。ナノサイズのボール２２は、複数の層の形で、サファイア基板２１の表面上に配置し得る。本態様において、ナノサイズのボール２２はサファイア基板２１の表面上に、単層の形で配置される。サファイア基板２１のＳＥＭ画像は、ナノサイズのボールがサファイア基板２１の表面上に単層の形で配置することを示す。
次に、図５Ｂに示す通り、クラッド層はＣＶＤによってサファイア基板２１の部分表面上およびナノサイズのボール２２の間の間隙上に蒸着される。ここで、クラッド層２３の厚さは、ナノサイズのボール２２の直径未満である。さらに、クラッド層２３の材料は、酸化ケイ素である。しかし、クラッド層２３はＣＶＤによってのみ形成され得るのではなく、ＰＶＤによっても形成され得る。さらに、クラッド層２３の材料は、あらゆる種類のガラスまたは金属材料であり得るが、これはエッチングテンプレートにおいて通常使用される。例えば、クラッド層の材料は、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、またはアルカリ金属またはアルカリ土類金属をドープした酸化ケイ素であり得る。
次に、図５Ｃに示す通り、ナノサイズのボール２２をＴＨＦ溶液を使用して除去し、残るクラッド層２３はエッチングテンプレート２４となる。従って、周期構造を有するエッチングテンプレートを持つサファイア基板が得られるが、これは、サファイア基板２１；およびサファイア基板２１の表面上に配置されるエッチングテンプレート２４を含む。エッチングテンプレート２４は、エッチングテンプレート２４の表面上に形成された周期構造、および複数のマイクロキャビティ２４２を有し、マイクロキャビティ２４２は配列状に配置される。
種々の材料を用いたナノサイズのボールは、種々の好適な溶液によって基板から除去されることに注目すべきである。例えば、ＰＭＭＡで作られたナノサイズのボールは、トルエンまたはギ酸によって除去し得、ＳｉＯxで作られたナノサイズのボールはＨＦまたはＨＦ含有溶液を用いて除去し得る。
次に、図５Ｄに示す通り、クラッド層をエッチングテンプレート２４として用いて、ウェットエッチング法によりサファイア基板２１をパターニングする。本態様において、エッチングバッファーは硫酸およびリン酸を含む。しかし、ウェットエッチングに用いるエッチングバッファーは、クラッド層の材料によって選択される。加えて、エッチングバッファーの成分および濃度、およびエッチング法の温度および時間が変化するのに伴い、サファイア基板上に形成されるパターンは異なる。さらに、エッチング法の温度が上昇すると、エッチング時間は減少する。
エッチングテンプレート２４を除去した後、図５Ｆに示す通り、複数のマイクロキャビティ２０２、即ち周期構造が、サファイア基板２１の表面上に形成される。マイクロキャビティ２０２は配列状に配置され、マイクロキャビティ２０２は反転した錐 様の形状である。ここで、反転した錐とは、錐の底面(base)がサファイア基板２１の表面上に位置し、錐の頂点がサファイア基板２１の表面から窪んでいることを意味する。さらに、隣接する２つのマイクロキャビティ２０２の間に平面２０１があり、平面２０１は同じ高さである。従って、本態様で製造されるサファイア基板は、凹状のサファイア基板上に周期構造が形成されたものである。
パターニングされたサファイア基板のＳＥＭ画像により、本態様において、それぞれ反転した錐様の形状を有するマイクロキャビティがサファイア基板上に形成されることが示される。底辺(side of the base)から底面(base)上の頂点である突起点までの長さは、約３１０ｎｍであり、底辺(side of the base)の長さは約４１０ｎｍである。従って、本態様の凹状のサファイア基板上に形成される周期構造は、ナノサイズの周期構造である。
本態様の凹状のサファイア基板上に形成される周期構造を理解するために、図６を参照されたい。これは、本発明の好ましい態様の凹状の周期構造を有するサファイア基板の斜視図である。上記の方法に従って製造される周期構造を有するサファイア基板は、複数のマイクロキャビティ２０２を含むが、これはサファイア基板２１の表面上に配列状に配置され、それぞれ反転した錐様の形状に形成される。
加えて、サファイア基板の表面の粗度を増すために、図５Ｆに示す通り、凹状のサファイア基板を得た後に、基板１０の表面の再度のエッチングを実施する。凹状のサファイア基板を再度エッチングした後、マイクロキャビティの大きさは拡張し、隣接するマイクロキャビティの間の平面は再度のエッチングによって縮小する。従って、周期構造を有する凸状のサファイア基板が得られる。さらに、本態様のサファイア基板のＳＥＭ画像により、反転した錐様の形状のマイクロキャビティの縁上には平面がないので、サファイア基板の表面上のパターンは凸形状であることが示される。
本態様の凸状のサファイア基板上に形成される周期構造を理解するために、図７を参照されたい。これは、本発明の好ましい態様の凸状の周期構造を有するサファイア基板の斜視図である。サファイア基板の表面を再度エッチングした後、サファイア基板の表面の粗度は増加し得る。本態様において製造される凸状のサファイア基板をＬＥＤに適用する場合、サファイア基板のパターニングされた表面は、エピタキシャルＧａＮ薄膜に、より一致する。従って、ＬＥＤの発光効率も向上し得る。
図８は、本発明の別の好ましい態様の、周期構造を有するサファイア基板の斜視図である。本態様のサファイア基板は上記の方法で製造される。さらに、マイクロキャビティの形状は、エッチング法の条件、即ち時間および温度によって調節し得る。
図９は、本発明のさらに別の好ましい態様の、周期構造を有するサファイア基板の透視図であり、これは上記の方法に従って形成される。サファイア基板の両表面上にそれぞれ形成される、２つの周期構造がある。本態様において、周期構造の一つは、凹状の構造であり、隣接するマイクロキャビティ２０２の間に平面２０１がある。他方の周期構造は凸状の構造であり、隣接するマイクロキャビティ２０２の間に平面はない。しかし、両周期構造は、サファイア基板の用途によって、凸状構造または凹状構造であり得る。
図１０は、本発明のさらに別の好ましい態様の、周期構造を有するサファイア基板の透視図である。本態様のＬＥＤは、外部の電子回路（図には示さず）と協力して、電気を光に変換する。本態様のＬＥＤは、基板３０、基板３０の表面上に配置されたバッファー層３３１、バッファー層３３１の表面上に配置された第一の半導体層３３、第一の半導体層３３１の表面上に配置された活性層３４、活性層３４の表面上に配置された第二の半導体層３５、第一の半導体層３３に電気的に接続した第一の電気的接触部３６、および第二の半導体層３５に電気的に接続した第二の電気的接触部３７を含む。
ここで、基板は、上記の方法に従って製造される周期構造を有するサファイア基板であり、バッファー層３３１はエピタキシャルＧａＮ薄膜であり、第一の半導体層３３の材料はＮ型ＧａＮであり、第二の半導体層３５の材料はＰ型ＧａＮである。加えて、マイクロキャビティ３２を有する周期構造は、サファイア基板３０の表面上に形成されるので、サファイア（基板３０）とＧａＮ（バッファー層３３１）との格子定数の差は低下し得る。周期構造を持たないサファイア基板を用いたＬＥＤと比較して、周期構造を有するサファイア基板を含む本態様のＬＥＤの明るさは、約２０〜４０％向上し得る。
本発明の周期構造を有するサファイア基板は、エッチングテンプレートとしてナノサイズのボールを使用することにより、迅速で安価な方法で製造し得る。本発明のサファイア基板を青色ＬＥＤに適用する場合、その上に形成された周期構造によって、全反射の現象を解消することが可能である。同時に、本発明の周期構造を有するサファイア基板は、ウェットエッチング法によって製造されるので、周期構造の表面は自然の格子面である。故に、ＧａＮがサファイア基板の周期構造の表面上に蒸着されてエピタキシャル薄膜を形成する場合、周期構造はＧａＮの格子定数と一致する。従って、本発明のサファイア基板をＬＥＤに適用する場合、明るさおよび発光効率が向上し得る。結論として、本発明の周期構造を有するサファイア基板は、迅速かつ低コストな方法で製造し得るのみならず、全反射の現象を解消し、ＬＥＤの明るさを増すこともあり得る。
本発明をその好ましい態様に関して説明したが、以下に特許請求された通りの発明の範囲から逸脱することなく、多くの他の可能な改良および改変がなされ得ることを理解すべきである。
Claims (22)
- サファイア基板；および
サファイア基板の少なくとも一つの表面上に形成され、複数のマイクロキャビティを有する、少なくとも１つの周期構造
を含む、周期構造を有するサファイア基板であって、
マイクロキャビティは、配列状に配置され、マイクロキャビティは、それぞれ、反転した錐 (awl)様の形状であり、マイクロキャビティの底辺(base line)の長さは１００〜２４００ｎｍであり、かつマイクロキャビティの深さは２５〜１０００ｎｍである、サファイア基板。 - 請求項１に記載のサファイア基板であって、周期構造が、以下の工程によって形成される、サファイア基板。
（Ａ）サファイア基板および複数のナノサイズのボールを提供する工程であって、ナノサイズのボールをサファイア基板の表面上に配置し；
（Ｂ）サファイア基板の部分表面上およびナノサイズのボールの間の間隙上に、クラッド層を堆積する工程；
（Ｃ）ナノサイズのボールを除去する工程；
（Ｄ）エッチングテンプレートとしてクラッド層を用いることにより、サファイア基板をエッチングする工程；および
（Ｅ）エッチングテンプレートを除去して、サファイア基板の表面上に周期構造を形成する工程 - 請求項２に記載のサファイア基板であって、工程（Ｅ）の後に、さらに工程（Ｆ）：サファイア基板の表面を再度エッチングする工程を含む、サファイア基板。
- 請求項１に記載のサファイア基板であって、隣接するマイクロキャビティ間に平面がある、サファイア基板。
- 請求項１に記載のサファイア基板であって、隣接するマイクロキャビティ間に平面がない、サファイア基板。
- 請求項１に記載のサファイア基板であって、サファイア基板の２つの表面上にそれぞれ形成された２つの周期構造を含み、１つの周期構造における隣接するマイクロキャビティ間に平面があり、もう一つの周期構造における隣接するマイクロキャビティ間に平面がない、サファイア基板。
- 請求項１に記載のサファイア基板であって、周期構造がナノサイズの周期構造である、サファイア基板。
- 請求項１に記載のサファイア基板であって、サファイア基板の表面およびマイクロキャビティの表面上に形成される、エピタキシャル薄膜をさらに含む、サファイア基板。
- 請求項８に記載のサファイア基板であって、エピタキシャル薄膜が、エピタキシャルＧａＮ薄膜である、サファイア基板。
- 請求項２に記載のサファイア基板であって、ナノサイズのボールをサファイア基板の表面上に配置する工程（Ａ）が、以下の工程：
（Ａ１）サファイア基板、および容器中にコロイド溶液を提供する工程であって、コロイド溶液はナノサイズのボールおよび界面活性剤を含む；
（Ａ２）サファイア基板を容器中に置き、サファイア基板の表面をコロイド溶液が覆う工程；および
（Ａ３）揮発性溶液を容器中に加え、サファイア基板上にナノサイズのボールが形成されたものを得る工程
を含む、サファイア基板。 - 請求項２に記載のサファイア基板であって、クラッド層を、ＣＶＤまたはＰＶＤによって、サファイア基板の部分表面上またはナノサイズのボールの間の間隙上に形成する、サファイア基板。
- 請求項２に記載のサファイア基板であって、サファイア基板を工程（Ｄ）におけるエッチング溶液でエッチングする、サファイア基板。
- 請求項１２に記載のサファイア基板であって、エッチング溶液がＨ2ＳＯ4およびＨ2ＰＯ4の組み合わせである、サファイア基板。
- 請求項２に記載のサファイア基板であって、クラッド層の材料が、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、アルカリ金属をドープした酸化ケイ素、アルカリ土類金属をドープした酸化ケイ素、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ、Ａｕ、ＰｔまたはＰｄである、サファイア基板。
- 請求項２に記載のサファイア基板であって、ナノサイズのボールの材料が、酸化ケイ素、セラミックス、ＰＭＭＡ、酸化チタンまたはＰＳである、サファイア基板。
- 請求項２に記載のサファイア基板であって、クラッド層の厚さが、ナノサイズのボールの直径未満である、サファイア基板。
- 請求項２に記載のサファイア基板であって、ナノサイズのボールの直径が、１００ｎｍ〜２．５μｍである、サファイア基板。
- 請求項２に記載のサファイア基板であって、ナノサイズのボール（複数）の直径が同一である、サファイア基板。
- サファイア基板；および
サファイア基板の表面上に配置されたエッチングテンプレート
を含む、周期構造を持つエッチングテンプレートを有するサファイア基板であって、
エッチングテンプレートがエッチングテンプレートの表面上に形成され複数のマイクロキャビティを持つ周期構造を有し、マイクロキャビティが配列状に配置された、サファイア基板。 - 請求項１９に記載のサファイア基板であって、マイクロキャビティが半球の形状である、サファイア基板。
- 請求項１９に記載のサファイア基板であって、マイクロキャビティの直径が１００ｎｍ〜２４００ｎｍである、サファイア基板。
- 請求項１９に記載のサファイア基板であって、エッチングテンプレートの材料が、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、アルカリ金属をドープした酸化ケイ素、アルカリ土類金属をドープした酸化ケイ素、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇ、Ａｕ、ＰｔまたはＰｄである、サファイア基板。
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