JP2013229581A - サファイア基板及びその製造方法並びに窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
結晶性に優れた窒化物半導体の成長が可能であり、且つ光取り出し効率に優れた窒化物半導体発光素子を得ることができるサファイア基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
一方の主面に複数の凸部を備え、その一方の主面上に窒化物半導体を成長させて窒化物半導体発光素子が形成されるサファイア基板であって、前記凸部は先端が尖っており且つ複数の側面で構成されている略錐形状であり、前記側面は、凸部の底面に対して53〜59°の傾斜角を有しており、前記側面は、隣接する凸部間に位置する基板表面と比較して前記窒化物半導体の成長が抑制される結晶成長抑制面であることを特徴とするサファイア基板。
【選択図】図2
Description
前記凸部は先端が尖っており且つ複数の側面で構成されている略錐形状であり、
前記側面は、凸部の底面に対して53〜59°の傾斜角を有しており、
前記側面は、隣接する凸部間に位置する基板表面と比較して前記窒化物半導体の成長が抑制される結晶成長抑制面であることを特徴とするサファイア基板に関する。
本発明の一の実施形態における窒化物半導体発光素子の断面を図2に示す。図2において、サファイア基板10の上に、下地層21、第1導電型層(n型層)22、活性層(発光層)23、第2導電型層(p型層)24が順に積層された半導体積層構造2が設けられており、下地層21を成長させる基板10の表面には、それぞれ先端が尖った略錐形状の複数の凸部1が設けられている。
本発明のサファイア基板の製造方法は、エッチングにより複数の凸部をサファイア基板のC面上に形成することを特徴とし、前記方法は、サファイア基板のC面上に複数のエッチングマスクを形成し、凸部が先端の尖った略錐形状になるまでサファイア基板をエッチングするエッチング工程を含む。
本発明の窒化物半導体発光素子の構造は、例えば、図2に示すように、サファイア基板10上に、第1導電型層22、活性層23、第2導電型層24を順に積層させた積層構造2を有している。活性層23及び第2導電型層24の一部を除去して露出させた第1導電型層22の上と第2導電型層24の上とに、第1電極と第2電極とが各々形成され、第2電極は、第2導電型層24上のほぼ全面に形成された透光性オーミック電極とその透光性オーミック電極の上に形成されたパッド及び拡散電極とからなる。
サファイア基板のC面(0001)上にSiO2膜を成膜、パターンニングすることにより、直径約1.5μmの複数の円形状エッチングマスクを1辺が1.9μmの三角形格子の頂点に形成した。続いて、エッチング液としてリン酸と硫酸の混酸を用いたエッチング浴に基板を浸漬し、溶液の温度約290℃で約5分エッチングした。これにより、先端が尖っている略三角錐形状の複数の凸部をサファイア基板上に形成した。凸部を構成する側面の傾斜角は約54°であり、凸部高さは約1.2μmであり、凸部間距離は2.1μmであり、C面面積比(結晶成長面面積比)は35%であった。得られたサファイア基板の上面からのSEM画像を図7(a)、断面のSEM画像を図7(b)に示す。
次に、比較例として、略三角錐台形状の凸部が形成されたサファイア基板上に窒化物半導体を成長させて得られる窒化物半導体発光素子を作製した。
得られた実施例1及び比較例1の発光素子を用いて砲弾型の発光装置を作製した。砲弾型の発光装置は、第1のリード上に発光素子が載置され、第1のリード及び第2のリードがワイヤによって発光素子と電気的に接続されている。第1のリードはカップ形状を有しておらず、第1のリードの平坦な面に発光素子が載置されている。第1のリードの一部及び第2のリードの一部、発光素子はエポキシ樹脂にて覆われ、固定されている。エポキシ樹脂の一部は、第1のリード上に載置された発光素子が中心となるように半球状になっている。
作製した実施例1および比較例1の発光装置の各々を球形の積分球の中心に配置し、光束Φvを測定した。
凸部間距離およびC面面積比が同一である実施例1および比較例1の発光装置の各々について、式(1)を用いて光束比の値を算出した。得られた光束比をC面面積比に対してプロットしたグラフを図9に示す。
得られた実施例2および比較例2の発光素子を用いて、上述の実施例1および比較例1と同様に、砲弾型の発光装置を作製した。作製した実施例2および比較例2の発光装置の各々を球形の積分球の中心に配置し、全方向の放射束Φeおよび光束Φvを測定した。
実施例2および比較例2の発光装置の各々について、式(1)および(2)を用いて、光束比および放射束比の値を算出した。得られた放射束比および光束比をC面面積比に対してプロットしたグラフを図10に示す。
また、図10からわかるように、C面面積比が約35%〜70%の範囲において、光束比の値は放射束比の値よりも大きい傾向にあり、この傾向は、C面面積比が25〜50%、特に30〜45%である場合に顕著であった。これにより、実施例2の発光装置は、比較例2の発光装置と比較して、優れた発光効率を有することがわかった。
比較例3として、凸部の側面の傾斜角が2段階で変化する略三角錐形状の凸部が形成されたサファイア基板上に窒化物半導体を成長させて得られる窒化物半導体発光素子を作製した。
サファイア基板のC面(0001)上にSiO2膜を成膜、パターニングすることにより、直径約1.5μmの複数の円形状エッチングマスクを1辺が2.5μmの三角形格子の頂点に形成した。続いて、エッチング液として、実施例1で使用した混酸と比較してリン酸の混合比を低くした混酸(具体的には硫酸:リン酸=3:1)を用いたエッチング浴に基板を浸漬し、溶液温度約290℃で約4.5分間エッチングした。次いで、エッチングマスクを除去し、上述のエッチング浴に再び基板を浸漬し、溶液温度約290℃で約1分間エッチングした。これにより、凸部の側面の傾斜角が2段階で変化する略三角錘形状の凸部を基板上に形成した。凸部の側面の傾斜角は、下側において53°であり、上側において28°であった。凸部の高さは約1μmであり、凸部間距離は2.5μmであり、C面面積比は38%であった。得られたサファイア基板の断面SEM画像を図11に示す。図11より、凸部の頂点を通る断面において側面の傾斜角が2段階で変化していることがわかる。こうして得られた基板を用いて、上述の実施例1と同様の手順で比較例3の窒化物半導体発光素子を作製した。
2 半導体積層構造
10 基板
t1 凸部の先端
11、12、13、101、102、103 凸部の底面をなす辺
11k、12k、13k、101k、102k、103k 凸部の側面
14 傾斜角
104 凸部先端の平面
15 SiO2膜
16 エッチングマスク
21 下地層
22 第1導電型層(n型層)
23 活性層
24 第2導電型層(p型層)
Claims (13)
- 一方の主面に複数の凸部を備え、その一方の主面上に窒化物半導体を成長させて窒化物半導体発光素子が形成されるサファイア基板であって、
前記凸部は先端が尖っており且つ複数の側面で構成されている略錐形状であり、
前記側面は、凸部の底面に対して53〜59°の傾斜角を有しており、
前記側面は、隣接する凸部間に位置する基板表面と比較して前記窒化物半導体の成長が抑制される結晶成長抑制面であることを特徴とするサファイア基板。 - 前記凸部の底面は、それぞれ外側に湾曲した円弧状の3以上の辺を有する略多角形であり、前記側面はそれぞれ、前記底面の各辺の両端及び前記凸部の先端を頂点とする略三角形である請求項1に記載のサファイア基板。
- 前記凸部の底面が略三角形である請求項2に記載のサファイア基板。
- 前記凸部の高さが1.0〜1.7μmである請求項1〜3のいずれか1項に記載のサファイア基板。
- 前記凸部が、前記一方の主面上において互いに離れて配置されている請求項1〜4のいずれか1項に記載のサファイア基板。
- 前記凸部が、前記一方の主面上において周期的に配置されている請求項1〜5のいずれか1項に記載のサファイア基板。
- 前記凸部が、前記一方の主面上において三角形格子、四角形格子又は六角形格子の頂点に配置されている請求項6に記載のサファイア基板。
- 隣接する前記凸部の先端間の距離が2.2〜3.1μmである請求項1〜7のいずれか1項に記載のサファイア基板。
- 隣接する前記凸部の先端間の距離が2.8〜3.1μmである請求項8に記載のサファイア基板。
- 隣接する凸部間に位置する基板表面が結晶成長面であり、前記一方の主面の面積に対する結晶成長面の面積の割合が25〜60%である請求項1〜9のいずれか1項に記載のサファイア基板。
- 前記一方の主面の面積に対する結晶成長面の面積の割合が30〜45%である請求項10に記載のサファイア基板。
- エッチングにより複数の凸部をサファイア基板のC面上に形成することを特徴とするサファイア基板の製造方法であって、
前記方法は、サファイア基板のC面上に複数のエッチングマスクを形成し、凸部が先端の尖った略錐形状になるまでサファイア基板をエッチングする1段階のエッチング工程を含み、
形成される凸部は先端が尖っており且つ複数の側面で構成されている略錐形状であり、
前記側面は、凸部の底面に対して53〜59°の傾斜角を有する、方法。 - 請求項1〜11のいずれか1項に記載のサファイア基板の前記一方の主面上に窒化物半導体を成長させることにより形成される、窒化物半導体発光素子。
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