JP2012114377A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子の光取り出し効率を向上させる。
【解決手段】非極性面又は半極性面を結晶成長面とする基板上に半導体層が形成された半導体発光素子であって、半導体層は、第１の側面と第２の側面とを有し、第２の側面の平均勾配は、第１の側面の平均勾配よりも大きい。
【選択図】図１５

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

従来から、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体発光素子が知られており、Ｖ族元素として窒素を有する窒化物半導体発光素子が市販されるに至っている。ＧａＮ系化合物半導体発光素子は、そのＧａＮ系材料が高い屈折率を有するために、光出力向上のため、発光素子自体に凹凸形状を付与したり、ＧａＮ系材料と空気の屈折率段差を緩和するために樹脂によって発光素子を封止したりしている。このＧａＮ系化合物半導体発光素子は、通常サファイア基板上にエピタキシャル成長によりＧａＮ系化合物半導体層を層状に成長させることにより製造する。近年、ＨＶＰＥ法等によって製造された高品質なＧａＮ基板が市場で入手できるようになり、サファイア基板よりも結晶欠陥が少ない高品質な発光素子を形成することが可能となっている。

特に、非極性面又は半極性面を結晶成長面として有するＧａＮ基板上に結晶成長させることによって得られた半導体発光素子は、活性層のヘテロ接合によるピエゾ電界由来の発光効率低下が、極性面を結晶成長面に有するＧａＮ基板上に結晶成長させることによって得られた半導体発光素子に比べて少ない上、活性層構造設計の自由度が高いため、ハイパワーデバイス用途として開発が行われている。

しかしながら、非極性面又は半極性面を結晶成長面として有するＧａＮ基板上に結晶成長させることによって得られた半導体発光素子の場合、主たる光取り出し面となる非極性面又は半極性面は、極性面と比して、化学的に安定している。従って、光取り出しに適した凹凸形状を形成することが困難であった。

また、ＧａＮ基板はａ軸方向にへき開する性質を有する。このへき開性から、非極性面又は半極性面を結晶成長面として有するＧａＮ基板上に結晶成長させることによって得られる半導体発光素子は、チップ化、即ちチップを安定的に所望の形状に切り出すことが困難であった。このことは歩留まり低下を引き起こすと共に、チップ外形によっては、出力低下要因となりうる。同様に、光取り出し効率を向上させるために、極性面上に結晶成長させることによって得られる半導体発光素子に対しては適用されうる種々の外形加工を適用することも、容易ではなかった。

一方、半導体発光素子の分野においては、発光効率をさらに高めることが求められている。特に、結晶成長面に対して水平な面や垂直な表面によって構成されている従来の半導体発光素子では、素子内部で光が全反射を繰り返す可能性が高いので、発光効率の低下を招いていた。

本発明は、特に上述のような非極性面又は半極性面を結晶成長面とする基板上に形成する半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることを目的とする。

本発明者は、鋭意検討の結果、非極性面又は半極性面を結晶成長面とする基板上発光素子において、側壁形状がＧａＮ系半導体材料の面方位によって異なる特定形状の半導体発光素子を安定的に製造でき、この側壁形状が光取り出しに効果的であることを見出した。また、この形状を有する側壁を長手方向に配し、または短手方向に配した発光素子はそれぞれ光出力特性を向上させることを見出した。

即ち、本発明の要旨は以下の通りである。
［１］非極性面又は半極性面を結晶成長面とする基板上に半導体層が形成された半導体発光素子であって、前記半導体層は、第１の側面と第２の側面とを有し、前記第２の側面の平均勾配は、前記第１の側面の平均勾配よりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。
［２］前記第１の側面が凸形状を有することを特徴とする、［１］に記載の半導体発光素子。
［３］前記第１の側面と前記第２の側面との間の最小間隔が、平面視における前記第１の側面の長さよりも大きいことを特徴とする、［１］又は［２］に記載の半導体発光素子。
［４］前記第１の側面と前記第２の側面との間の最小間隔が、平面視における前記第１の側面の長さよりも小さいことを特徴とする、［１］又は［２］に記載の半導体発光素子。
［５］前記第１の側面と同じ側に存在する前記基板側面の少なくとも一部が凹凸形状を有することを特徴とする、［１］乃至［４］の何れかに半導体発光素子。
［６］前記基板がＧａＮ系半導体からなることを特徴とする、［１］乃至［５］の何れかに記載の半導体発光素子。
［７］前記半導体層がＧａＮ系半導体からなることを特徴とする、［１］乃至［６］の何れかに記載の半導体発光素子。
［ａ１］非極性面又は半極性面を結晶成長面とする基板上に半導体層が形成された半導体発光素子であって、前記半導体発光素子は、第１の領域を有する第１の側面と、第２の領域を有する第２の側面とを有し、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記第１の領域及び前記第２の領域と交差し前記結晶成長面に平行な２つの面と、によって囲まれる立体において、前記第２の領域と前記２つの面のうち前記基板に近い面とがなす内角は、前記第１の領域と前記２つの面のうち前記基板に近い面とがなす内角よりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。
［ａ２］前記第１の側面は第３の領域を有し、前記半導体層の結晶構造の単位格子における極性面に対する前記第３の領域の傾きは１０°以内であることを特徴とする、［ａ１］に記載の半導体発光素子。
［ａ３］前記半導体層の結晶構造の単位格子における極性面に対する前記第２の領域の傾きは１０°以内であることを特徴とする、［ａ１］又は［ａ２］に記載の半導体発光素子。
［ａ４］前記第２の領域と前記２つの面のうち前記基板に近い面とがなす前記内角は、８０°以上１００°以下であることを特徴とする、［ａ１］乃至［ａ３］の何れかに記載の半導体発光素子。
［ａ５］前記第１の側面と前記第２の側面との間の最小間隔が、平面視における前記第１の側面の長さよりも大きいことを特徴とする、［ａ１］乃至［ａ４］の何れかに記載の半導体発光素子。
［ａ６］前記第１の側面と前記第２の側面との間の最小間隔が、平面視における前記第１の側面の長さよりも小さいことを特徴とする、［ａ１］乃至［ａ４］の何れかに記載の半導体発光素子。
［ａ７］前記第１の側面と同じ側に存在する前記基板側面の少なくとも一部が凹凸形状を有することを特徴とする、［ａ１］乃至［ａ６］の何れかに記載の半導体発光素子。
［ａ８］前記基板がＧａＮ系半導体からなることを特徴とする、［ａ１］乃至［ａ７］の何れかに記載の半導体発光素子。
［ａ９］前記半導体層がＧａＮ系半導体からなることを特徴とする、［ａ１］乃至［ａ８］の何れかに記載の半導体発光素子。

本発明によれば、非極性面又は半極性面を結晶成長面とする基板上に形成された半導体発光素子において、光取り出し効率が向上された半導体発光素子を簡便に、かつ安定的に得ることが出来る。

本発明に係る半導体発光素子の構造の一例を示す図である。 実施例１の第一工程で作製されるウェハー１２を示す図である。 実施例１の第二工程で作製されるウェハー１４を示す図である。 実施例１の第三工程で作製されるウェハー１５を示す図である。 実施例１の第三工程で作製されるウェハー１６を示す図である。 実施例１の第三工程で作製されるウェハー１７を示す図である。 実施例１の第四工程で作製されるウェハー１８を示す図である。 実施例１の第三工程で作製されるウェハー１５の上面図である。 実施例２で作製されるウェハー１５の上面図である。 実施例１に係るウェハー上に形成された積層構造の模式図である。 実施例１に係る半導体発光素子のＳＥＭ画像である。 実施例２に係る半導体発光素子のＳＥＭ画像である。 比較例１に関連する半導体層のＳＥＭ画像である。 実施例３においてレジストマスク３２が形成されたウェハー１５を示す図である。 実施例３に係る半導体層のＳＥＭ画像である。 平均勾配を説明する図である。

以下に実施例を挙げて本発明の特徴を更に具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は、以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。

図１は、本発明に係る半導体発光素子１０の一実施例を示す。図１の半導体発光素子１０は、基板１上に、半導体層の積層構造２０を有する。積層構造２０は、例えば第一導電型半導体層３と、活性層４と、第二導電型半導体層５とから構成され、これらを順に積層することにより形成される。半導体層の積層方法としては、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を含むエピタキシャル法を用いることができる。

本実施例に係る半導体発光素子１０は、例えば第一導電型半導体層３及び第二導電型半導体層５の上の電極を有しうるが、図１においては省略されている。本実施例において、第一導電型半導体層３の電極が形成される面を電極形成面ｐ３と呼ぶ。また、第二導電型半導体層５の電極が形成される面を電極形成面ｐ５と呼ぶ。電極の材料としては、例えばアルミニウム、クロム、インジウム、金、白金、ニッケル、モリブデン、ジルコニウム、錫、タングステン及びチタンから選択される１以上の金属、これらの金属のうちの１以上を有する合金、またはこれらの金属の酸化物を用いることができる。さらに、本実施例に係る半導体発光素子１０は、通常積層構造２０の一部表面に絶縁膜を有する場合があるが、図１においては省略されている。例えば、積層構造２０が露出している部分を絶縁膜で被覆することができる。絶縁膜の材料としては、例えば、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ、アルミナなどを用いることができる。

基板１は、非極性面又は半極性面を結晶成長面ｐ１とする基板である。積層構造２０は、結晶成長面ｐ１上に結晶を成長させることによって形成される。基板１は、例えばサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＬｉＧａＯ₂、ＬｉＡｌＯ_３、ＺｎＯ、ＳｃＡｌＭｇＯ₄、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＮｄＧａＯ₃、およびＭｇＯなどから選ばれることが望ましい。ＧａＮ系半導体層を成長させる際の結晶性、および加工性の観点からは、特にＧａＮが好ましい。

基板１は特に、ｃ面（極性面）を結晶成長面ｐ１とするＧａＮ基板ではないことが好ましい。例えば基板１は、ｍ面（非極性面）を結晶成長面ｐ１とするＧａＮ基板でありうる。また基板１は、いわゆる面指数によって完全に確定されるジャスト基板だけではなく、薄膜結晶成長の際の結晶性を制御する観点から、ｍ面に対してオフ角を有する面を結晶成長面ｐ１とする基板（ｍｉｓｓ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）であることが好ましい。

本明細書における「極性面」、「非極性面」および「半極性面」について、以下の通り六方晶系結晶構造（ウルツ鋼型結晶構造）を挙げて説明する。

「極性面」とは、六方晶系結晶構造における（０００１）面（ｃ＋面）や、（０００−１）面（ｃ−面）をいう。ＩＩＩ族窒化物結晶では、「ｃ＋面」はＩＩＩ族面（窒化ガリウムではＧａ面）であり、「ｃ−面」はＮ面である。

「非極性面」とは、例えば六方晶系結晶構造における｛１−１００｝面と等価な面（ｍ面）、｛１１−２０｝面と等価な面（ａ面）が挙げられる。｛１−１００｝面と等価な面は、（１−１００）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面、（１０−１０）面、（−１０１０）面である。また、｛１１−２０｝面と等価な面は、（１１−２０）面、（−１−１２０）面、（１−２１０）面、（−１２−１０）面、（−２１１０）面、（２−１−１０）面である。

半極性面は、極性面と非極性面との間の面であり、極性面でもなく非極性面でもない面は、半極性面である。

このような半極性面として、例えば六方晶系結晶構造（ウルツ鋼型結晶構造）における｛１１−２２｝面と等価な面や、｛２０−２１｝面と等価な面や、{１０−１１}面と等価な面を挙げることができる。｛１１−２２｝面と等価な面は、（１１−２２）面、（−１−１２２）面、（１−２１２）面、（−１２−１２）面、（−２１１２）面、（２−１−１２）面を挙げることができる。｛２０−２１｝面と等価な面は、（２０−２１）面、（２−２０１）面、（０２−２１）面、（０−２２１）面、（−２２０１）面、（−２０２１）面を挙げることができる。

また本明細書において、結晶成長面ｐ１に対して垂直な軸を結晶成長軸と呼び、基板１の結晶成長面ｐ１の、ｍ面に対する傾きは、±４５°以内が好ましく、±３０°以内がさらに好ましく、±１０°以内がさらに好ましく、±５°以内がさらに好ましい。

現在、基板の極性面（ｃ面）上に結晶を成長させることによって作成された半導体発光素子（ｃ−ＧａＮ基板上発光素子）がよく用いられている。非極性面又は半極性面を結晶成長面として作製された半導体発光素子は、これとは異なる特性を有することが期待される。例えば、ｍ面ＧａＮ基板上に半導体層を積層することによって作成された半導体発光素子（ｍ−ＧａＮ基板上発光素子）は、活性層のヘテロ接合によるピエゾ電界由来の発光効率低下が、ｃ−ＧａＮ基板上発光素子に比べて少ない。またｍ−ＧａＮ基板上発光素子は、活性層構造設計の自由度が高いため、ハイパワーデバイスに適している。

本実施例に係る半導体発光素子１０は、第１の領域ａ１を有する第１の側面Ａと、第２の領域ｂ１を有する第２の側面Ｂとを有する。具体的には、本実施例に係る半導体発光素子１０において、半導体層の積層構造２０は、第１の側面Ａと第２の側面Ｂとを有する。また、第２の側面Ｂの平均勾配は、第１の側面Ａの平均勾配よりも大きい。

本実施例において側面の平均勾配とは、結晶成長面ｐ１に対する勾配である。より具体的には、第１の側面Ａと第２の側面Ｂとを通りかつ結晶成長面ｐ１に垂直な切断面において、結晶成長面に対して垂直な方向の側面の長さを、結晶成長面に対して平行な方向の側面の長さで除した値である。この切断面は半導体発光素子１０の長手方向又は短手方向の断面であることが好ましい。

図１６には、本実施例に係る半導体発光素子１０の切断面の模式図を示す。図１６に示されるように、この切断面は第１の側面Ａと第２の側面Ｂとを通り、かつ結晶成長面ｐ１に垂直である。また、この切断面は半導体発光素子１０の長手方向の断面である。この場合、第１の側面Ａの平均勾配は、結晶成長面に対して垂直な方向の長さ（ｙ）を、結晶成長面に対して平行な方向の長さ（ｘ）で除することによって得られる。図１６において、結晶成長面に対して平行な長さ（ｘ）が短い側面Ｂの方が、側面Ａと比べて側面の平均勾配が大きいことがわかる。

また、図１に示されるように、第１の領域ａ１と、第２の領域ｂ１と、領域ａ１及び領域ｂ１と交差し結晶成長面ｐ１に平行な第１の面ｃ１及び第２の面ｃ２とによって、一部が囲まれた立体を定義することができる。この立体において、第２の側面Ｂの第２の領域ｂ１と、第２の面ｃ２よりも基板に近い第１の面ｃ１とがなす内角（θｂ）は、第１の側面Ａの第１の領域ａ１と第１の面ｃ１とがなす内角（θａ）よりも大きくてもよい。

本実施例に係る半導体発光素子１０においては、第１の側面Ａ及び第２の側面Ｂは、積層構造２０の側面を構成する。第１の側面Ａは、電極形成面ｐ３と電極形成面ｐ５とを接続する１つの側面になりうる。第２の側面Ｂも、電極形成面ｐ３と電極形成面ｐ５とを接続する１つの側面になりうる。第１の領域ａ１は、積層構造２０の側面を構成するが、図示されている様に、例えば第一導電型半導体層３の側面によって構成されてもよいし、第１の側面Ａ全体によって構成されてもよい。第２の領域ｂ１もまた、積層構造２０の側面を構成するが、図示されている様に、例えば第一導電型半導体層３の側面によって構成されてもよいし、第２の側面Ｂ全体によって構成されてもよい。

本実施例に係る半導体発光素子１０において、第１の領域ａ１の法線ベクトルと、基板１の積層構造側への法線ベクトルとがなす角は、１０°以上８０°未満であることが好ましい。また、第２の領域ｂ１の法線ベクトルと、基板１の積層構造側への法線ベクトルとがなす角は、０°以上９０°未満であることが好ましい。

上面視における、第１の側面Ａと電極形成面ｐ５とを接続する辺Ａ５の極性面に対する傾きは、任意であってよいが、±８０°以内が好ましく、±５０°以内がさらに好ましく、±３０°以内がさらに好ましく、±２０°以内がさらに好ましく、±１０°以内がさらに好ましく、±５°以内がさらに好ましい。さらに、上面視における、第１の側面Ａと電極形成面ｐ３とを接続する辺Ａ３の極性面に対する傾きも任意であってよいが、±８０°以内が好ましく、±５０°以内がさらに好ましく、±３０°以内がさらに好ましく、±２０°以内がさらに好ましく、±１０°以内がさらに好ましく、±５°以内がさらに好ましい。

本実施例に係る半導体発光素子１０において、第１の領域ａ１及び第２の領域ｂ１は、積層構造２０をエッチングすることによって生成された面でありうる。第１の領域ａ１及び第２の領域ｂ１は例えば、ＩＣＰ（Inductively coupled plasma, 誘導結合型プラズマ）によるＲＩＥ（Reactive Ion Etching, 反応性イオンエッチング）法を含む異方性エッチング方法によって積層構造２０をエッチングすることによって生成された面でありうる。

本実施例に係る半導体発光素子１０は、第２の側面Ｂの第２の領域ｂ１と、第２の面ｃ２よりも基板に近い第１の面ｃ１とがなす内角（θｂ）が、第１の側面Ａの第１の領域ａ１と第１の面ｃ１とがなす内角（θａ）よりも大きいような、第１の領域ａ１及び第２の領域ｂ１を有しうる。例えば本実施例に係る半導体発光素子１０は、結晶成長面ｐ１に対して垂直でない第１の領域ａ１と、結晶成長面ｐ１に対して略垂直な第２の領域ｂ１とを有する。すなわち第１の領域ａ１と第２の領域ｂ１とは平行ではない。また、θａ＜θｂの関係が成り立つことが好ましいのであって、必ずしも領域ｂ１は、結晶成長面ｐ１に対して垂直である必要は無い。

一方で従来の半導体発光素子は、このような第１の領域ａ１及び第２の領域ｂ１を有さない。例えば従来の半導体発光素子においては、通常、第１の領域ａ１と第２の領域ｂ１とはともに結晶成長面に対してほぼ垂直である。従って、活性層４からの光は、第１の領域ａ１と第２領域ｂ１との間で光の全反射・積層構造での吸収が繰り返され、半導体発光素子内で発生した光が外部に放出されない確率が高まる。このことは、発光効率の低下につながると考えられる。

本実施例に係る半導体発光素子１０においては、第１の領域ａ１と第２の領域ｂ１とが平行ではないため、第２の領域ｂ１で全反射される光であっても第１の領域ａ１を通って外に放出されることができる確率が高まる。また、第１の領域ａ１と結晶成長面ｐ１とが平行ではないため、結晶成長面ｐ１に対して略平行である電極形成面ｐ５及び基板裏面で全反射される光であっても、第１の領域ａ１を通って外に放出されることができる確率が高まる。さらに、面ｐ５には電極が形成されるために光が透過する部分は狭くなる一方、領域ａ１は半導体発光素子の表面積を増大させることができる。このように、本実施例に係る半導体発光素子１０は、従来と比較して発光効率が高い。

また、従来の半導体発光素子の中には、第１の領域ａ１と第２の領域ｂ１が平行ではないが、θｂ＝θａとなる台形型の層構造を有するものもある。しかしながら、本発明はかかる台形型の層構造を有する半導体発光素子よりも光取り出しに有利と考えられる。その理由としては、台形型のように比較的対称性の高い形状では、その対称性に起因した平面的な滞在光が発光素子内部に容易に発生し、発光素子内で吸収されてしまうのに対し、本発明のような対称性の低い形状には、このような滞在光は発生しにくいことが挙げられる。

第１の領域ａ１は、ステップ状の面ではなく、連続した面であることが好ましい。第１の領域ａ１と第１の面ｃ１とがなす内角（θａ）は、０°よりも大きいことが好ましく、１０°よりも大きいことがさらに好ましく、２０°よりも大きいことがさらに好ましい。また、第１の領域ａ１と第１の面ｃ１とがなす内角（θａ）は、９０°よりも小さいことが好ましく、８０°よりも小さいことがさらに好ましく、６５°よりも小さいことがさらに好ましい。

第一導電型半導体層３は、ｎ型半導体層でありうる。第一導電型半導体層３はＧａＮ系半導体であることが好ましく、例えばドーパントがドープされたＧａＮで構成されうる。例えば第一導電型半導体層３は、ＳｉドープされたＧａＮで構成されるｎ型半導体層でありうる。本実施例に係る半導体発光素子１０は、第一導電型半導体層３と基板１の間に、バッファ層２をさらに有してもよい。バッファ層２はＧａＮ系半導体であることが好ましく、例えばアンドープＧａＮで構成されうる。

活性層４は、ＧａＮ系半導体であることが好ましく、例えばＩｎＧａＮで構成されうる。さらに活性層４は、量子井戸層とバリア層とを交互に重ね合わせた量子井戸構造を有してもよい。この量子井戸層はＧａＮ系半導体であることが好ましく、例えばアンドープＩｎＧａＮで構成されうる。またバリア層もＧａＮ系半導体であることが好ましく、例えばアンドープＧａＮで構成されうる。また、Ａｌを含むＡｌＩｎＧａＮから構成される、量子井戸層であってもより。

第二導電型半導体層５は、ｐ型半導体層でありうる。第二導電型半導体層５はＧａＮ系半導体であることが好ましく、例えばドーパントがドープされたＡｌＧａＮで構成されうる。例えば第二導電型半導体層５は、ＭｇドープされたＡｌＧａＮで構成されたｐ型半導体層でありうる。また、第二導電型半導体層５が、元素構成の異なる２つ以上の層で構成されていてもよい。

第１の側面Ａは、第１の領域ａ１の他に、第３の領域ａ２を有してもよい。第３の領域ａ２は積層構造２０の側面を構成し、例えば第一導電型半導体層３、活性層４、第二導電型半導体層５のうちの少なくとも１つの側面を構成しうる。第３の領域ａ２の法線ベクトルと、基板１又は積層構造２０の法線ベクトルがなす角は、０°以上９０°未満であることが好ましい。

第３の領域ａ２は、極性面であることが好ましい。例えば第３の領域ａ２は、Ｎ原子終端された極性面でありうる。また第３の領域ａ２は、極性面に対して適度に傾いた面（オフ面）であってもよい。極性面に対する第３の領域ａ２の傾きは任意であってよいが、領域ａ２の法線ベクトルと基板１の法線ベクトルのなす角度は、０°以上が好ましく１０°以上がさらに好ましく、±２０°以上がさらに好ましい。第１の側面Ａは、第１の領域ａ１及び第３の領域ａ２以外の領域を有してもよく、この領域が積層構造２０を構成してもよい。また、第１の側面Ａは、第３の領域ａ２を有さず、第１の領域ａ１のみで構成されていてもよい。

第２の領域ｂ１は、極性面でありうる。例えば第２の領域ｂ１は、Ｇａ原子等の金属原子によって終端された極性面でありうる。また第２の領域ｂ１は、極性面に対して傾いた面（オフ面）であってもよい。

第２の側面Ｂもまた、第２の領域ｂ１以外の領域を有してもよく、この領域が積層構造２０を構成してもよい。また、第２の領域ｂ１は結晶成長面ｐ１に対して略垂直であることが好ましい。例えば、第２の領域ｂ１と第１の面ｃ１とがなす内角（θｂ）は、６５°以上が好ましく、８０°以上がより好ましい。また、１１５°以下が好ましく、１００°以下がより好ましい。しかしながら、θａ＜θｂの関係が成り立つのであれば、第２の領域ｂ１はかならずしも結晶成長面ｐ１に対して略垂直でなくともよい。

本実施例に係る半導体発光素子１０は、目的に応じて様々な形状をとることができる。例えば、第１の側面Ａと第２の側面Ｂとの間の最小間隔Ｗが、平面視における第１の側面Ａの長さＬよりも大きくなるように、半導体発光素子１０を設計することができる。平面視における第１の側面Ａの長さＬとは、結晶成長面ｐ１に水平な方向の、第１の側面Ａの長さでありうる。このように半導体発光素子１０を設計することにより、光が放出される領域ａ１をより小さくすることができる。この結果、第１の半導体発光素子１０からの発光の均一性を向上させることができる。第１の側面Ａと第２の側面Ｂとの間の最小間隔Ｗが、結晶成長面ｐ１に水平な方向の第１の領域ａ１の長さＬよりも大きくなるように、半導体発光素子１０を設計してもよい。

半導体発光素子１０の発光効率を向上させるという、別の観点から考えることもできる。すなわち、第１の側面Ａと第２の側面Ｂとの間の最小間隔Ｗが、平面視における第１の側面Ａの長さＬよりも小さくなるように、半導体発光素子１０を設計してもよい。このように半導体発光素子１０を設計することにより、光が放出される領域ａ１をより大きくすることができる。第１の側面Ａと第２の側面Ｂとの間の最小間隔Ｗが、結晶成長面ｐ１に水平な方向の第１の領域ａ１の長さＬよりも小さくなるように、半導体発光素子１０を設計してもよい。

第１の側面Ａと同じ側に存在する前記基板側面Ａ’の少なくとも一部は、凹凸形状を有しうる。凹凸形状のパターンは任意のものでよく、例えば縞状でもドット状でも格子状でもよい。凹凸形状の繰り返し間隔は任意のものでよいが、２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがさらに好ましく、５μｍ以下であることがさらに好ましい。また、１００ｎｍ以上であることが好ましく、２００ｎｍ以上であることがさらに好ましく、４００ｎｍ以上であることがさらに好ましい。また、凹凸形状がランダムに付けられていてもよい。

凹凸形状の深さは任意でよいが、５０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがさらに好ましく、５μｍ以下であることがさらに好ましく、２μｍ以下であることがさらに好ましい。また、１００ｎｍ以上であることが好ましく、２００ｎｍ以上であることがさらに好ましく、４００ｎｍ以上であることがさらに好ましい。

凹凸形状を有する側面においては、光の全反射が抑制され、凹凸形状を有する側面を通して光を外部に放出することが容易となる。このように、第１の側面Ａ’の少なくとも一部が凹凸形状を有すると、光取り出し効率が向上する。特に、第１の領域ａ１が凹凸形状を有することが好ましい。第１の側面Ａと第２の側面Ｂとの間の最小間隔が、第１の側面Ａに沿った方向の第１の側面Ａの長さよりも小さくなるように半導体発光素子１０が設計されている場合に、第１の側面Ａ’が凹凸形状を有することは特に好ましい。このような凹凸形状は、例えばＰＥＣ（フォトエレクトロ・ケミカル・エッチング）法を用いることにより作成することができるし、ドライエッチング手法を用いても良い。

従来のｃ−ＧａＮ基板上発光素子においては、極性面であるＮ終端面側に凹凸形状を付与することが行われてきた。しかしながら、非極性面又は半極性面に凹凸形状を付与することは、極性面に凹凸形状を付与するのと比べ困難である。例えば、ｍ−ＧａＮ基板上発光素子において主たる光取り出し面となるｍ面は、ｃ面と比べて化学的に安定しているため、光取り出しのための凹凸形状を形成することが困難であった。このように、非極性面又は半極性面を結晶成長面とする基板上に半導体層の積層構造が形成された半導体発光素子に対しては、第１の側面Ａ’の様に極性面に凹凸形状を形成することが有利である。

本実施例に係る半導体発光素子１０は例えば、非極性面又は半極性面を結晶成長面ｐ１とする基板１上に形成された積層構造２０に対し、エッチングを行うことにより得ることができる。エッチング法としては、例えばＲＩＥ法を用いることができ、ＩＣＰ法を用いることもできる。

本実施例に係る半導体発光素子１０の作成方法の一例を以下に説明する。非極性面又は半極性面を結晶成長面ｐ１とする基板上に、第一導電型半導体層３と、活性層４と、第二導電型半導体層５とを積層させる。積層は例えばエピタキシャル法によって行うことができる。その後、第一導電型半導体層３を露出させる部分に対してエッチングを行う。

エッチング方法としては、例えばフォトリソグラフィー法を行うことができる。例えば、まず積層構造２０上に保護膜３０を成膜する。保護膜３０としては例えば、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｒＦ_２等を用いることができる。次に、エッチングを行う部分の保護膜３０を除去する。保護膜３０の除去には、例えばＳＦ_６プラズマを用いたＲＩＥ法を用いることができる。その後、例えばＣｌ_２ガスを用いたＩＣＰエッチングにより、第一導電型半導体層３を露出させることができる。

第１の側面Ａは、凸形状を有することが好ましい。すなわち第１の側面Ａは、凸形状の領域を含むことが好ましい。例えば、第１の側面Ａが有する第１の領域ａ１は、凸形状を有しうる。もちろん、第２の側面Ｂが凸形状を有してもよい。本明細書において第１の側面が含みうる凸形状の領域とは、外部に突出するように湾曲している、積層構造２０の表面でありうる。

このような凸形状の領域は、例えば、フォトリソグラフィー法によってエッチングを行う際に、保護膜３０（マスク）としてレジストマスクを用いることにより、形成されうる。特に、レジストマスクの端部が曲面を有することが好ましい。特に、例えば図１に示される半導体発光素子１０を作製する場合、レジストマスクは通常、境界Ａ５と境界Ｂ５との間に被覆される。このような場合、境界Ａ５、すなわち電極形成面ｐ５と第１の側面Ａとを接続する辺に近い部分のレジストマスクの端部が、曲面を有することが好ましい。もちろん、境界Ｂ５に近い部分のレジストマスクの端部が曲面を有することもまた好ましい。具体的には、レジストマスクの塗布後に加熱（ポストべーク）を行うことにより、端部に曲面を有するレジストマスクを形成しうる。

Ｎ終端面側の極性面（ｃ−面）と、Ｇａ終端面側の極性面（ｃ＋面）との間の特性の違いを利用することにより、本実施例に係る特有な形状の半導体発光素子を得ることができる。はっきりとした要因は不明であるが、エッチングされることで露出される結晶面の極性によって電子の局在が異なり、第１の側面Ａと第２の側面Ｂとが異なる側面形状を示すものと考えられる。つまりは、側面形状が異なる様な、結晶面を成長面として選択することが重要である。

本実施例に係る半導体発光素子１０を作成する際には、通常は積層構造２０上に電極を形成する必要がある。例えば、第一導電型半導体層３上、及び第二導電型半導体層５上に、電極が形成される。本実施例に係る半導体発光素子１０における電極の形成方法は、公知の半導体発光素子の電極形成方法あるいはこれを適宜改良した方法を用いることが出来る。

本実施例に係る半導体発光素子１０を作成する際、通常はウェハーを基板１として用いる。この場合、ウェハー上に積層構造２０を形成し、さらに電極を形成した後に、ウェハーを分割することにより半導体発光素子１０を作製する。図１０に、ウェハー上に形成された積層構造２０の模式図を示す。図１０において電極は省略されている。ウェハー上に図１０に示される繰り返し構造を形成した後に、図１０に示される一点鎖線Ｖを分断面としてウェハーを分割することにより、半導体発光素子１０を得ることができる。

［実施例１］
［半導体発光素子の製造方法］
本実施例に係る半導体発光素子は、以下の第一工程から第五工程を順に行うことにより作製された。

〔第一工程〕
第一工程では、ＧａＮ基板１に対して半導体層を積層することにより、図２に示されるウェハー１２を作製した。以下に具体的な方法を説明する。

（１０−１０）面（ｍ面）配向した厚さ４００μｍのウェハーであるＧａＮ基板１を用意した。このＧａＮ基板１の（１０−１０）面（ｍ面）上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、成長温度１０７０℃で、厚さ２０ｎｍのアンドープＧａＮ層（バッファ層２）を形成した。

次に、バッファ層２上に、成長温度１０７０℃で、厚さ６．５μｍのＳｉドープ（Ｓｉ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）ＧａＮ層（第一導電型半導体層３）を形成した。

次に、第一導電型半導体層３上に、活性層４を形成した。活性層４は、厚さ１３ｎｍのアンドープＧａＮ層（バリア層）と、厚さ１３ｎｍのアンドープＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ層（量子井戸層）とを、交互に成長温度７４０℃で成膜することにより形成した。活性層は８層の量子井戸層を含み、活性層の最下層はバリア層である。また、最上層のバリア層として、成長温度７４０℃で厚さ１９ｎｍのアンドープＧａＮ層を成膜した。

更に、活性層４上に、第二導電型半導体層５として、ＭｇドープＡｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎ層及びＭｇドープＡｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層を形成した。具体的には、成長温度１０７０℃で、厚さ０．１３μｍのＭｇドープＡｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎ層を形成した。さらにその上に、成長温度１０７０℃で、厚さ０．０２μｍのＭｇドープＡｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層を形成した。

この後、ＭＯＣＶＤ成長炉の中で徐々に温度を下げて、半導体層を積層したウェハー１２を取り出した。

〔第二工程〕
第二工程では、半導体層を積層したウェハー１２に対して、第二導電型半導体層側の第一電極６を形成することにより、図３に示されるウェハー１４を作製した。以下に具体的な方法を説明する。まず、フォトリソグラフィー法を用いて、第二導電型半導体層５の表面ｐ５にレジストパターンを形成した。次に、レジストパターンが形成された表面ｐ５上に、Ｐｔ層を真空蒸着法によって形成した。そしてリフトオフ法によって、アセトン中でレジストパターン及び不要なＰｔを除去した。その後熱処理を実施することにより、電極６を完成させた。

〔第三工程〕
第三工程では、第二工程で得られたウェハー１４の第二導電型半導体層５、活性層４、及び第一導電型半導体層３（積層構造２０）をエッチングし、絶縁膜７を被覆することにより、図６に示されるウェハー１７を作製した。以下に具体的な方法を説明する。

最初に、ウェハー１４のうち積層構造２０をエッチングしない部分に対し、ＳｉＮｘ膜３０を被覆し、図４に示されるウェハー１５を作製した。具体的には、まずｐ−ＣＶＤ法を用いて、成膜温度４００℃で、ウェハー１４の全面に厚さ０．４μｍのＳｉＮｘ膜３０を成膜した。次に、フォトリソグラフィーを用いて、不要なＳｉＮｘ膜３０をエッチングした。より詳細には、積層構造２０に対するエッチングを行う部分についてはＳｉＮｘ膜を除去し、積層構造２０に対するエッチングを行わない部分についてはＳｉＮｘ膜を残した。不要なＳｉＮｘ膜のエッチングは、ＳＦ_６プラズマを用いたＲＩＥ法により行った。

ウェハー１５の上面図を図８に示す。図８には極性面に対して垂直な方向Ｌ１が破線で示されており、ｃ＋と記されている方がｃ＋面側であり、ｃ−と記されている方がｃ−面側である。本実施例においては、ＳｉＮｘ膜３０が被覆されている部分と、ＳｉＮｘ膜３０が被覆されていない部分との境界Ａ５，Ｂ５が、方向Ｌ１に対して垂直となるように、ＳｉＮｘ膜を形成した。

次に、ＳｉＮｘ膜３０をマスクとしてウェハー１５をエッチングし、図５に示されるウェハー１６を作製した。具体的には、Ｃｌ_２ガスを用いたＩＣＰエッチングを用いて積層構造２０をエッチングし、第一導電型半導体層３をウェハー上に露出させた。エッチング条件は、パワー３３０Ｗ、圧力０．５Ｐａ、Ｃｌ_２ガス流量５０ｓｃｃｍであった。この処理によって、積層構造２０の側面を構成する領域ａ１、ａ２、及びｂ１が形成された。

図８に示される境界Ａ５は、ウェハー１６における第１の側面Ａ（領域ａ２）と、第二導電型半導体層５の電極が形成される面ｐ５とを接続する辺Ａ５に対応する。また境界Ｂ５は、ウェハー１６における第２の側面Ｂ（領域ｂ１）と、第二導電型半導体層５の電極が形成される面ｐ５とを接続する辺Ｂ５に対応する。本実施例においては、領域ａ１は第一導電型半導体層３、及び活性層４の側面を構成する。もっとも別の実施例においては、領域ａ１は第一導電型半導体層３、活性層４、及び第二導電型半導体層５のうち少なくとも１つの側面を構成しうる。また、本実施例においては、領域ａ２は活性層４及び第二導電型半導体層５の側面を構成し、領域ｂ１は第一導電型半導体層３、活性層４、及び第二導電型半導体層５の側面を構成する。もっとも別の実施例においては、領域ａ２及び領域ｂ１は第一導電型半導体層３、活性層４、及び第二導電型半導体層５のうち少なくとも１つの側面を構成しうる。

続けて、ウェハー１６の表面に対して絶縁膜７を被覆し、図６に示されるウェハー１７を作製した。具体的には、まずウェハー１６に残っているＳｉＮｘ膜３０を除去した。次に、ｐ−ＣＶＤ法を用いることにより、成膜温度４００℃で、厚さ５５ｎｍのＳｉＮｘ膜７をウェハー全面に成膜した。そして、フォトリソグラフィーを用いて、ＳｉＮｘ膜７の不要部分をエッチングした。こうして、絶縁膜７が形成された。

〔第四工程〕
第四工程では、第三工程で得られたウェハー１７に対して第一導電型半導体側第一電極８を形成することにより、図７に示されるウェハー１８を作製した。以下に具体的な方法を説明する。まず、第三工程で得られたウェハー１７に対してフォトリソグラフィー法を用いてレジストパターンを形成した。次に、電極材料としてＡｌを用いて真空蒸着を行い、Ａｌ層をウェハー１７の全面に形成した。そしてリフトオフ法によって、不要なＡｌ及びレジストパターンをアセトン中で除去した。その後、熱処理を施すことにより、電極８を完成させた。

〔第五工程〕
第五工程では、第一導電型半導体側第二電極９Ａ及び第二導電型半導体側第二電極９Ｂを形成した。以下に具体的な方法を説明する。まず、第四工程で得られたウェハー１８に対してフォトリソグラフィー法を用いてレジストパターンを形成した。次に、電極材料としてＭｏ、Ｔｉ、及びＡｕを用いて真空蒸着を行い、Ｍｏ層、Ｔｉ層、及びＡｕ層をこの順にウェハー１８の全面に形成した。そしてリフトオフ法によって、不要なＭｏ、Ｔｉ、Ａｕ及びレジストパターンをアセトン中で除去した。こうして、電極９Ａ及び電極９Ｂ（不図示）が完成した。その後、従来の方法を用いてウェハーを分割することにより、本実施例に係る半導体発光素子が完成した。

［断面形状の評価］
得られた発光素子のうち、ＩＣＰエッチングで削り取られた部分の側面形状を、ＳＥＭを用いて観察した。得られた画像を図１１に示す。本実施例ではｃ軸に垂直な境界を有するマスクを用いてＩＣＰエッチングを行ったために、ｃ＋面側の側面と、ｃ−側の側面とが存在する。

図１１から分かるように、ｃ＋面側の側面Ｂは結晶成長面ｐ１に対して略垂直であり、ｃ＋面側の側面Ｂの平均勾配は、ｃ−面側の側面Ａの平均勾配よりも大きい。また、図１１のように、ｃ＋面側の側面Ｂは、結晶成長面ｐ１に対して略垂直な形状の領域ｂ１を有する。一方で、ｃ−面側の側面Ａは傾斜部分を有する。より詳細には、領域ａ１は結晶成長面ｐ１に対して傾斜しており、領域ａ２は結晶成長面ｐ１に対して略垂直である。また、領域ａ１と、領域ｂ１と、領域ａ１及び領域ｂ１と交差し結晶成長面ｐ１に平行な第１の面ｃ１及び第２の面ｃ２と、によって囲まれる立体において、領域ｂ１と、第２の面ｃ２よりも基板に近い第１の面ｃ１とがなす内角（θｂ）は、領域ａ１と第１の面ｃ１とがなす内角（θａ）よりも大きい。
［実施例２］

本実施例に係る発光素子は、実施例１と同様に作成されるが、同一形状のチップを形成し、上面視した際に、ｃ軸に対する傾きが異なる。本実施例に係るウェハー１５の上面図を図９に示す。図９には極性面に対して垂直な方向Ｌ１が破線で示されており、ｃ＋と記されている方がｃ＋側であり、ｃ−と記されている方がｃ−面側である。さらに図９には、方向Ｌ１に対して６０°傾いた方向Ｌ２が一点鎖線で示されている。本実施例においては、境界Ａ５,Ｂ５が、方向Ｌ２に対して垂直となるように形成した。

得られた発光素子のうち、ＩＣＰエッチングで削り取られた部分の側面形状を、ＳＥＭを用いて観察した。得られた画像を図１２に示す。図１２から分かるように、ｃ＋面側の側面Ｂの平均勾配は、ｃ−面側の側面Ａの平均勾配よりも大きい。また、図１２のように、ｃ＋面から６０°傾いた側面Ｂは領域ｂ１を有する。さらに、ｃ−面から６０°傾いた側面Ａは領域ａ１及びａ２を有する。図１２から分かるように、領域ｂ１と領域ａ１とは、結晶成長面ｐ１に対する傾斜角が異なる。また、領域ａ１と、領域ｂ１と、領域ａ１及び領域ｂ１と交差し結晶成長面ｐ１に平行な第１の面ｃ１及び第２の面ｃ２と、によって囲まれる立体において、領域ｂ１と、第２の面ｃ２よりも基板に近い第１の面ｃ１とがなす内角（θｂ）は、領域ａ１と第１の面ｃ１とがなす内角（θａ）よりも大きい。

［実施例３］
本実施例に係る発光素子は、実施例１と同様に作成されたが、以下の点で作成方法が異なる。まず、ウェハー１５に対してドライエッチングを実施する際に、マスクとしてＳｉＮｘ膜３０の代わりにレジストマスク３２を用いた。また、図１４の断面図に示されるように、レジストマスクの端部が、特に境界Ａ５に近い部分のレジストマスクの端部が、曲面を有するようにレジストマスク３２を形成した。具体的には、レジストマスク３２の材料としてロームアンドハース社製レジスト「Ｓ１８３０」を塗布し、その後１２０℃／９０秒のポストベークを行うことにより、端部に曲面を有するレジストマスク３２を形成した。

得られた発光素子のうち、ＩＣＰエッチングで削り取られた部分の側面形状を、ＳＥＭを用いて観察した。得られた画像を図１５に示す。図１５から分かるように、ｃ＋面側の側面Ｂの平均勾配は、ｃ−面側の側面Ａの平均勾配よりも大きい。また、図１５のように、ｃ＋面側の側面Ｂは領域ｂ１を有する。また、ｃ−面の側面Ａは領域ａ１を有する。図１５から分かるように、領域ｂ１と領域ａ１とは、結晶成長面ｐ１に対する傾斜角が異なる。また、領域ａ１と、領域ｂ１と、領域ａ１及び領域ｂ１と交差し結晶成長面ｐ１に平行な第１の面ｃ１及び第２の面ｃ２と、によって囲まれる立体において、領域ｂ１と、第２の面ｃ２よりも基板に近い第１の面ｃ１とがなす内角（θｂ）は、領域ａ１と第１の面ｃ１とがなす内角（θａ）よりも大きい。

また、この発光素子を上面視したときの、側面Ａ及び側面Ｂの長さはそれぞれ１．５９μｍ及び１．２６μｍであり、側面Ａの方が側面Ｂの方が長いことが確認された。さらに本実施例に係る発光素子は、図１５で観察されるように側面Ａ及びＢが曲面であった。特に、切断面において、半導体層が凸状になるような曲面を、側面ａ１及び側面ｂ１は呈していた。このように側面Ａ及びＢが曲面である形状は、素子内部から出射される光を効率よく取り出すことが出来る点で好ましい。
［比較例１］

本比較例に係る発光素子は、実施例１と同様に作成されるが、ＧａＮ基板１として（０００１）面（ｃ面）配向した厚さ４００μｍのウェハーが用いられる。また、本比較例においては量子井戸層の厚さは３ｎｍである。それ以外は実施例１と同様の方法で、本比較例の発光素子は作成された。

得られた発光素子のうち、ＩＣＰエッチングで削り取られた部分について、その側面形状をＳＥＭを用いて観察した。本比較例においては、側面が向いている面方位に関係なく、側面は結晶成長面ｐ１に対して略垂直であった。すなわち、ｃ＋面側の側面Ｂの平均勾配は、ｃ−面側の側面Ａの平均勾配と同等であった。また、領域ａ１と、領域ｂ１と、領域ａ１及び領域ｂ１と交差し結晶成長面ｐ１に平行な第１の面ｃ１及び第２の面ｃ２と、によって囲まれる立体において、領域ｂ１と、第２の面ｃ２よりも基板に近い第１の面ｃ１とがなす内角（θｂ）は、領域ａ１と第１の面ｃ１とがなす内角（θａ）と同等であった。

本比較例に関連して、（０００１）面（ｃ＋面）を結晶成長面とする厚さ４００μｍのウェハーをＧａＮ基板１として用い、実施例１と同様の半導体構造を積層し、ＩＣＰエッチングを行って得られる積層構造２０についてのＳＥＭ画像を図１３に示す。図１３には、ＩＣＰエッチングで削り取られた部分のうち、ｍ面側の側面形状が示されている。実施例１の第一導電型半導体層３とは異なり、断面は略垂直となっていることがわかる。

Claims (7)

1. 非極性面又は半極性面を結晶成長面とする基板上に半導体層が形成された半導体発光素子であって、
   前記半導体層は、第１の側面と第２の側面とを有し、
   前記第２の側面の平均勾配は、前記第１の側面の平均勾配よりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１の側面が凸形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記第１の側面と前記第２の側面との間の最小間隔が、平面視における前記第１の側面の長さよりも大きいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第１の側面と前記第２の側面との間の最小間隔が、平面視における前記第１の側面の長さよりも小さいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１の側面と同じ側に存在する前記基板側面の少なくとも一部が凹凸形状を有することを特徴とする、請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記基板がＧａＮ系半導体からなることを特徴とする、請求項１乃至５の何れか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記半導体層がＧａＮ系半導体からなることを特徴とする、請求項１乃至６の何れか１項に記載の半導体発光素子。