JP2014078683A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子とその製造方法および半導体発光装置 - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子とその製造方法および半導体発光装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 軸上方向から取り出される光の光取り出し効率の向上を図ったIII 族窒化物系化合物半導体発光素子とその製造方法および半導体発光装置を提供することである。
【解決手段】 発光素子１００の基板１１０の主面上には、凹凸形状部１１１が形成されている。発光素子１００は、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２および第３の領域Ｒ３を有している。第１の領域Ｒ１および第３の領域Ｒ３には、基板１１０と半導体層１２０との間に隙間部Ｃが形成されている。第２の領域Ｒ２には、ボイドが形成されている。そして、凹凸形状部１１１の隣り合う頂部Ｔ１とそれらの間に位置する底面Ｂ１とを通る断面における凹部の内部に、半導体層１２０の一部および隙間部Ｃの一部が配置されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、III 族窒化物系化合物半導体発光素子とその製造方法および半導体発光装置に関する。さらに詳細には、光取り出し効率の向上を図ったIII 族窒化物系化合物半導体発光素子とその製造方法および半導体発光装置に関するものである。
半導体発光素子における光量は、内部における発光の程度と、半導体発光素子から外部への光取り出し効率とに依存する。そして、屈折率の大きな半導体層から屈折率の小さな外部に光が向かう場合には、臨界角（θｃ）以上の光は素子界面で全反射を起こす（特許文献１の段落［０００３］参照）。つまり、臨界角（θｃ）未満の光は半導体層から外部に取り出されるが、臨界角（θｃ）以上の光は半導体層から外部に取り出されない。これにより、十分な半導体発光素子の光量が得られない。
そのため、特許文献１では、半導体層の側面の法線と半導体層の表面の法線とが、例えば、９０度より大きく１８０度より小さくすることとしている（特許文献１の段落［００１３］参照）。つまり、半導体層の側面の角度を変えることで臨界角（θｃ）未満となる光の成分を増やすのである。これにより、より多くの光が半導体層の側面から外部に透過しやすいと推測される（特許文献１の段落［００２７］参照）。
特開２００９−３８４０７号公報
特許文献１の場合には、半導体発光素子の側面から取り出される光の光量は増加する。しかし、その効果は限定的である。側面まで伝播する光は一部に限られているためである。したがって、取り出される光の光量を多くするためには、側面に到達しない光を側面以外の箇所から取り出すことが好ましい。
本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、軸上方向から取り出される光の光取り出し効率の向上を図ったIII 族窒化物系化合物半導体発光素子とその製造方法および半導体発光装置を提供することである。
第１の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子は、主面に凹凸形状部の形成された基板と、基板に形成されたIII 族窒化物系化合物半導体層とを有する。また、第１の領域を有する。そして、第１の領域では、基板とIII 族窒化物系化合物半導体層との間に隙間部が形成されており、凹凸形状部の隣り合う頂部とそれらの間に位置する底部とを通る断面における凹部の内部に、III 族窒化物系化合物半導体層の一部および隙間部の一部が配置されている。
このIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、第１の領域で、III 族窒化物系化合物半導体層から基板に向かう光が、半導体層と空気層（もしくは樹脂層）との界面でほとんど全反射する。そのため、光取り出し面からの光取り出し効率が高い。
第２の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、第１の領域では、III 族窒化物系化合物半導体層は、基板の側に向かって凸形状の凸部を有する。凸部は、凹凸形状部の底部と対面する位置に配置されている。
第３の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、凹凸形状部の隣り合う頂部とそれらの間に位置する底部とを通る断面における凹部の内部に、III 族窒化物系化合物半導体層の凸部の頂点が配置されている。
第４の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子は、第２の領域を有する。第２の領域では、基板とIII 族窒化物系化合物半導体層との間の少なくとも一部にボイドが形成されている。
第５の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子は、第３の領域を有する。第３の領域では、基板とIII 族窒化物系化合物半導体層との間に隙間部が形成されており、凹凸形状部の隣り合う頂部とそれらの間に位置する底部とを通る断面における凹部の内部に、隙間部の一部が配置されている。
第６の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、第１の領域は、第２の領域と第３の領域との間に配置されている。
第７の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、III 族窒化物系化合物半導体層を貫通するとともに、基板の主面を露出させる少なくとも１以上の孔が形成されている。そのため、第１の領域等の形成領域が広い。
第８の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、基板の凹凸形状部は、基板の主面に対して４０°以上８０°以下の範囲内にある傾斜面を有する。この範囲内の場合に、ボイドが形成されやすい。
第９の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、III 族窒化物系化合物半導体層は、基板と対面する位置に、凹凸形状部に沿った凹凸形状をしているバッファ層を有する。そして、バッファ層は、ＡｌＮから成る層である。
第１０の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法は、主面に凹凸形状部の形成された基板にIII 族窒化物系化合物半導体層を形成する方法である。また、この製造方法は、基板の凹凸形状部にIII 族窒化物系化合物半導体層を形成する半導体層形成工程と、III 族窒化物系化合物半導体層をウェットエッチングするウェットエッチング工程とを有する。そして、半導体層形成工程では、基板の凹凸形状部とIII 族窒化物系化合物半導体層との間に複数のボイドを形成し、ウェットエッチング工程では、III 族窒化物系化合物半導体層の一部をボイドに沿ってエッチングすることにより、基板とIII 族窒化物系化合物半導体層の一部との間に隙間部を形成する。ボイドに沿ってエッチングすることにより、基板とIII 族窒化物系化合物半導体層との間に隙間部を好適に形成することができる。
第１１の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、ウェットエッチング工程では、基板とIII 族窒化物系化合物半導体層の残部との間に位置するボイドを残留したままとする。
第１２の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、半導体層形成工程では、基板の凹凸形状部の上にＡｌＮから成るバッファ層を形成する工程と、バッファ層の上にIII 族窒化物系化合物半導体から成る層を形成する工程と、を有する。そして、バッファ層を形成する工程では、バッファ層にボイドを形成する。
第１３の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、ウェットエッチング工程では、エッチング溶液としてリン酸系の溶媒を用いて、バッファ層およびIII 族窒化物系化合物半導体から成る層をエッチングする。
第１４の態様における半導体発光装置は、上記に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子と、III 族窒化物系化合物半導体発光素子を凹部に収容するためのケースと、凹部を充填する封止樹脂と、を有するものである。この半導体発光装置では、明るさが明るい。
第１５の態様における半導体発光装置では、封止樹脂が、隙間部を充填している。この場合であっても、半導体層と封止樹脂との界面で、光が反射することに変わりない。
本発明によれば、軸上方向から取り出される光の光取り出し効率の向上を図ったIII 族窒化物系化合物半導体発光素子とその製造方法および半導体発光装置が提供されている。
第１の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の構成を示す図である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の基板の形状を説明するための断面図である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の基板の形状を説明するための平面図である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の第１の領域および第２の領域および第３の領域を示す図である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の隙間部の形状を説明するための図である。 第１の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法における半導体層形成工程後を示す図である。 第２の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の第１の領域および第２の領域を示す図である。 第３の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の各領域を示す図である。 第４の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の各領域を示す図である。 第５の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の各領域を示す図である。 第６の実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の各領域を示す図である。 第７の実施形態に係る半導体発光装置の構成を示す図である。 実施例に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の隙間部を示す顕微鏡写真である。 ＡｌＮから成るバッファ層におけるリン酸に対するエッチング性を確かめた実験結果を示す顕微鏡写真である。
以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。また、各図の凹凸形状については、理解しやすいように大きく描いてある。しかし、実際には、これらの凹凸形状は非常に微細な形状である。
（第１の実施形態）
１．半導体発光素子
１−１．半導体発光素子の構造
本実施形態の発光素子１００を図１の断面図に示す。発光素子１００は、III 族窒化物系化合物半導体層を有するIII 族窒化物系化合物半導体発光素子である。発光素子１００は、図１に示すように、基板１１０と、半導体層１２０と、導電性透明膜１３０と、絶縁膜１４０と、ｎパッド電極Ｎ１と、ｐパッド電極Ｐ１と、を有している。
基板１１０は、サファイア基板である。また、Ｓｉ基板や、ＳｉＣ基板や、ＺｎＯ基板を用いることができる。また、ＧａＮ基板を用いてもよい。基板１１０の主面（表面）には、凹凸形状部１１１が形成されている。凹凸形状部１１１は、その上に半導体層１２０を形成される箇所である。
半導体層１２０は、III 族窒化物系化合物半導体を有する層である。半導体層１２０は、例えば、基板１１０の側から順に、バッファ層と、ｎ型コンタクト層と、ｎ型ＥＳＤ層と、ｎ型超格子層と、発光層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とを形成したものである。これらの層は、あくまで例示であり、これ以外の層であってもよい。また、上記の層の材質として、ｎ型ＧａＮやｐ型ＧａＮ等のＧａＮの他、ＡｌＧａＮや、ＩｎＧａＮや、ＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができる。
ここで、バッファ層は、基板１１０上の基板１１０と対面する位置に凹凸形状部１１１の凹凸に沿って凹凸形状に形成されている。そして、その凹凸形状のバッファ層の上に、ｎ型コンタクト層等のIII 族窒化物系化合物半導体が形成されている。そのため、このIII 族窒化物系化合物半導体は、凹凸形状部１１１の凹凸に沿って形成されている。バッファ層の材質として、例えば、ＡｌＮもしくはＧａＮが挙げられる。バッファ層がＡｌＮの場合には、半導体層１５０は、絶縁体であるＡｌＮを含むこととなる。
導電性透明膜１３０は、半導体層１２０のｐ型コンタクト層とオーミックコンタクトをとるためのものである。導電性透明膜１３０の材質として、例えば、ＩＴＯ、ＩＣＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＮｂＴｉＯ2 、ＴａＴｉＯ2 などが挙げられる。もちろん、それ以外の材質を用いてもよい。絶縁膜１４０は、半導体層１２０等の表面を保護するためのものである。
ｎパッド電極Ｎ１は、半導体層１２０のｎ型コンタクト層と接触するパッド電極である。ｐパッド電極Ｐ１は、導電性透明膜１３０の上に設けられたパッド電極である。これらは、ワイヤボンディング等により、外部電源に電気的に接続される。
１−２．半導体発光素子の領域
また、図１に示すように、発光素子１００には、第１の領域Ｒ１と、第２の領域Ｒ２と、第３の領域Ｒ３とがある。これらの各領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、半導体層１２０を有する領域である。第１の領域Ｒ１は、第２の領域Ｒ２と第３の領域Ｒ３との間の位置に配置されている。第１の領域Ｒ１および第３の領域Ｒ３には、これらの領域にわたって隙間部Ｃが形成されている。隙間部Ｃは、基板１１０と半導体層１２０との間に形成されている。隙間部Ｃの詳細については後述する。第２の領域Ｒ２では、基板１１０と半導体層１２０との間に複数のボイドが形成されている。ボイドについても後述する。
２．基板の形状
ここで、基板１１０の凹凸形状部１１１について説明する。図２に示すように、基板１１０における半導体層１２０を形成する側の主面には、凹凸形状部１１１が形成されている。凹凸形状部１１１は、底面Ｂ１と、斜面Ｓ１と、頂部Ｔ１と、を有している。頂部Ｔ１と頂部Ｔ１との間の位置に、底面Ｂ１がある。そして、これらの繰り返し構造により、周期的な凹凸形状が形成されている。
ここで、頂部Ｔ１の幅Ｌ１は、０μｍ以上２μｍ以下の範囲内である。根元部の幅Ｌ２は、０．１μｍ以上５μｍ以下の範囲内である。底面Ｂ１の幅Ｌ３は、０μｍ以上２μｍ以下の範囲内である。後述するように、底面Ｂ１にはボイドが形成されにくいため、幅Ｌ３は小さいほうがよい。頂部Ｔ１のピッチＬ４は、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内である。凹凸形状部１１１の深さＤ１は、０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲内である。ここで凹凸形状部１１１の深さＤ１は、底面Ｂ１と頂部Ｔ１との間の距離のことである。斜面Ｓ１の主面に対する角度θ１が４０°以上８０°以下の範囲内であると、ボイドが形成されやすい。なお、これらの値は、ボイドが形成されやすいと思われる条件の例示である。後述するように、ボイドの形成されやすい条件は、基板１１０の凹凸形状部１１１のみならず、他の因子によっても変わる。したがって、これらの数値として、上記以外の値を用いてもよい。
図３に、基板１１０を主面の側から見た平面図を示す。図３に示すように、この凹凸形状部１１１の凸形状は、円錐台形状である。ただし、その円錐台の頂部Ｔ１は平坦になっている。この凸形状は、ハニカム状に配置されている。つまり、正六角形の各頂点の位置と、その正六角形の中心の位置とに凸形状が配置されている。頂部Ｔ１は、円形である。そして、頂部Ｔ１は、島状に離散して配置されている。底面Ｂ１は、基板１１０の主面に平行な面である。そして、底面Ｂ１は、連続している面である。
３．基板と半導体層との界面の状態
３−１．第１の領域および第２の領域および第３の領域
図４に示すように、発光素子１００には、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２と第３の領域Ｒ３とがある。隙間部Ｃのある領域を、第１の領域Ｒ１および第３の領域Ｒ３とする。一方、隙間部Ｃのない領域を、第２の領域Ｒ２とする。第１の領域Ｒ１と第３の領域Ｒ３との違いについては、後述する。
３−２．隙間部
前述のとおり、発光素子１００は、図１および図４に示すように、第１の領域Ｒ１および第３の領域Ｒ３に隙間部Ｃを有することに特徴点を有する。隙間部Ｃは、基板１１０と、半導体層１２０との間に形成されている。なお、第２の領域Ｒ２には、隙間部Ｃは存在しない。
隙間部Ｃの形状を図５に示す。図５は、図３の線ＬＬでの断面に相当する断面を示す断面図である。線ＬＬは、隣り合う頂部Ｔ１とそれらの間に位置する底面Ｂ１とを通る断面を示している。隙間部Ｃは、後述するように、ウェットエッチング工程を実施することにより形成される。したがって、半導体層１２０と基板１１０との間にエッチング溶液が入り込んだ箇所に隙間部Ｃが形成される。また、後述するように、エッチングは、基板１１０の凹凸形状部１１１の形状に沿って進む。そして、基板１１０の凹凸形状部１１１の上に形成されたボイドをつなげるように進行する。そのため、隙間部Ｃの幅Ｃ１、すなわち、基板１１０と半導体層１２０との間の幅は、半導体層１２０の端部１２２から遠ざかるにしたがって、徐々に狭くなっている。
３−３．隙間部（第１の領域）
第１の領域Ｒ１では、半導体層１２０の凹凸部１２１の形状は、基板１１０の凹凸形状部１１１に対応する形状、すなわち、基板１１０の凹凸形状部１１１を反転させた形状である。そして、凹凸部１２１は、基板１１０の側に向かって凸形状の凸部（頂部Ｔ２）と、基板１１０の側に向かって凹形状の凹部（底部Ｂ２）とを有している。また、基板１１０の頂部Ｔ１と、半導体層１２０の底部Ｂ２とは、隙間部Ｃを挟んで対向する位置にある。基板１１０の底面Ｂ１と、半導体層１２０の頂部Ｔ２とは、隙間部Ｃを挟んで対向する位置にある。つまり、頂部Ｔ１と底部Ｂ２とは対面する位置に配置されている。底面Ｂ１と頂部Ｔ２とは対面する位置に配置されている。
図５には、凹部ＲＸ１が示されている。凹部ＲＸ１は、凹凸形状部１１１の隣り合う頂部Ｔ１と頂部Ｔ３とそれらの間に位置する底面Ｂ１とを通る断面における凹部である。そして、凹部ＲＸ１は、第１の領域Ｒ１に位置している。凹部ＲＸ１の内部、すなわち、図５の深さＤ１で示す範囲内に、隙間部Ｃの一部と、半導体層１２０の一部とが配置されている。そのため、凹部ＲＸ１の内部に、半導体層１２０の頂部Ｔ２が配置されている。つまり、半導体層１２０の頂部Ｔ２は、基板１１０の頂部Ｔ１と底面Ｂ１との間に位置している。
３−４．隙間部（第３の領域）
図５に示すように、第３の領域Ｒ３では、第１の領域Ｒ１と同様に、隙間部Ｃが形成されている。隙間部Ｃは、第１の領域Ｒ１および第３の領域Ｒ３にわたって形成されている。第３の領域Ｒ３でも、半導体層１２０の頂部Ｔ４と、基板１１０の底面Ｂ１とは、対面する位置に配置されている。また、半導体層１２０の底部Ｂ３と、基板１１０の頂部Ｔ５とは、対面する位置に配置されている。
図５には、凹部ＲＸ３が示されている。凹部ＲＸ３は、凹凸形状部１１１の隣り合う頂部Ｔ５と頂部Ｔ６とそれらの間に位置する底面Ｂ１とを通る断面における凹部である。そして、凹部ＲＸ３は、第３の領域Ｒ３に位置している。凹部ＲＸ３の内部には、隙間部Ｃの一部が配置されているが、半導体層１２０は配置されていない。つまり、半導体層１２０の頂部Ｔ４は、凹部ＲＸ３の内部に位置していない。この点において、第３の領域Ｒ３は、第１の領域Ｒ１と異なっている。
３−５．隙間部の効果
このように、第１の領域Ｒ１および第３の領域Ｒ３にわたって隙間部Ｃが形成されている。そして、隙間部Ｃには、通常、大気が入り込んでいる。大気における屈折率は１．０である。また、ＧａＮの屈折率は、２．４である。そのため、発光素子１００の半導体層１２０と隙間部Ｃとの境界で、ほとんどの光は全反射を起こす。したがって、光が発光素子１００の側面から外部に漏れるおそれはほとんどない。そして、半導体層１２０と隙間部Ｃとの界面で反射された光は、軸上方向から取り出される。
３−６．ボイド（第２の領域）
発光素子１００の第２の領域Ｒ２の断面図を図５に示す。図５に示すように、第２の領域Ｒ２では、基板１１０の凹凸形状部１１１の上に多数のボイドＶが発生している。このボイドＶは、凹凸形状部１１１の頂部Ｔ１および斜面Ｓ１の上に形成されている。つまり、半導体層１２０におけるバッファ層に、ボイドＶが発生している。このように、第２の領域Ｒ２では、基板１１０と半導体層１２０との間にボイドＶが残留している。そして、図５では、凹凸形状部１１１の底面Ｂ１には、ボイドは発生していない。
なお、図５に示す第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２との境界面Ｒ４は、半導体層１２０の端部１２２から５μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に位置している。これは、エッチング溶液や、エッチングレートの他、エッチング時間に依存する。また、ボイドＶの発生の度合いにも依存する。
３−７．領域の配置位置
図５に示すように、半導体層１２０の端面１２２から、第３の領域Ｒ３、第１の領域Ｒ１、第２の領域Ｒ２の順に位置している。
４．III 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法
本実施形態では、隙間部Ｃを形成するためには、半導体層形成工程において、基板１１０の凹凸形状部１１１にボイドＶを発生させつつ半導体層を形成する。そしてその後に、そのボイドＶをつなげるようにエッチング処理を施すエッチング工程を行う。
４−１．半導体層形成工程（ボイド形成工程）
まず、図６に示すように、凹凸形状部１１１を有する基板１１０に、半導体層１２０を形成する。そのために、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いればよい。基板１１０の側から順に、バッファ層と、ｎ型コンタクト層と、ｎ型ＥＳＤ層と、ｎ型超格子層と、発光層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とを形成する。これらの層はあくまで例示であり、これ以外の積層構造としてももちろん構わない。
この半導体層１２０を形成する際に、図６に示すように、基板１１０の凹凸形状部１１１と、半導体層１２０の凹凸部１２１との間に、多数のボイドＶを形成する。したがって、基板１１０の凹凸形状部１１１の上に多数のボイドＶを介在させた状態で、凹凸形状部１１１の上に半導体層１２０が形成される。なお、図６に示すように、基板１１０の底面Ｂ１には、ボイドは形成されていない。
なお、ボイドＶが発生するか否かについては、種々の条件によって変わる。例えば、基板１１０の凹凸形状部１１１や、半導体層１２０の成長速度やバッファ層の厚みなどに依存する。凹凸形状部１１１の条件として、頂部Ｔ１間の距離や、斜面Ｓ１の角度や、底面Ｂ１の幅等が挙げられる。
４−２．電極形成工程
そして、半導体層１２０のｐ型コンタクト層の上に導電性透明膜１３０を形成する。次に、ｎ型コンタクト層の一部を露出させる。そして、ｎ型コンタクト層の上にｎパッド電極Ｎ１を形成するとともに、導電性透明膜１３０の上にｐパッド電極Ｐ１を形成する（図１参照）。続いて、ｐパッド電極Ｐ１の一部を露出させるようにパッシベーション膜１４０を形成する。
４−３．ドライエッチング工程
次に、電極を形成したものに、ドライエッチングを施す。例えば、Ｃｌ2 を用いたＩＣＰを実施する。これにより、半導体層１２０の一部が抉られ、半導体層１２０は、発光素子１００のサイズに区画される。つまり、半導体層１２０の端部１２２が露出する。
後述するウェットエッチング工程では、このドライエッチングにより露出させた箇所から、エッチング溶液が浸入する。そして、エッチング溶液が浸入することにより、隙間部Ｃが形成されることとなる。逆に、ドライエッチングによりあえて露出させない箇所を設定することにより、その箇所からのウェットエッチングを防止することができる。
４−４．ウェットエッチング工程
続いて、ボイドＶおよび半導体層１２０を形成したウエハに、ウェットエッチング処理を施す。処理液は、例えば、リン酸である。もちろん、他の処理液を用いてもよい。これにより、半導体層１２０をウェットエッチングすることとなる。具体的には、図６の矢印Ｄａに示すように、エッチングは進行する。図６の矢印Ｄｂ、Ｄｃに示すように、基板１１０の凹凸形状部１１１の凹凸に沿って、エッチングは進行する。これは、ボイドＶをつなげるようにボイドＶに沿ってエッチングが進行するからである。つまり、ボイドＶがあるために、基板１１０の凹凸形状部１１１に沿う方向のエッチングレートが、他の方向のエッチングレートに比べて速い。
このウェットエッチングでは、基板１１０はエッチングされないが、半導体層１２０はエッチングされる。これにより、第１の領域Ｒ１および第３の領域Ｒ３には隙間部Ｃが形成される。一方、エッチング溶液の届かない第２の領域Ｒ２にはボイドＶが残留したままである。
４−５．素子分離工程
続いて、ウエハ上に多数形成された素子を分離する。この場合に、レーザーやブレーキングを用いる。また、ダイシングを用いてもよい。これにより、発光素子１００が製造される。
また、その他の後工程を行ってもよい。そして、以上の工程に加えて適宜熱処理工程を行ってもよい。なお、ウェットエッチング工程を、半導体層形成工程の後に行うこととすれば、これ以外の工程順序であってもよい。
５．変形例
５−１．ボイド
図５や図６では、ボイドＶは、基板１１０の凹凸形状部１１１の底面Ｂ１には形成されていないものとして描いてある。しかし、ボイドＶが発生するか否かについては、その他の条件にも依存する。したがって、底面Ｂ１にもボイドＶが発生することもありうる。その場合には、基板１１０と半導体層１２０との間の全面にわたってボイドが形成される。
５−２．基板の凹凸形状部
図２等では、基板１１０に底面Ｂ１を設けることとした。底面Ｂ１の幅を小さくしてもよい。そして、底面Ｂ１の幅Ｌ３をゼロとしてもよい。この場合には、隣り合う頂部とそれらの間に位置する底部とを通る断面における凹部の先端は尖っている。その場合であっても、凹凸の底部が存在することに変わりない。そして、その場合には、基板と半導体層との間の全面にわたってボイドが形成される。また、基板１１０の頂部Ｔ１の幅Ｌ１をゼロとしてもよい。このときには、頂部Ｔ１の形状は、先端の尖った形状である。
５−３．バッファ層の厚みおよび種類
バッファ層の厚みを５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするとよい。また、バッファ層としてＡｌＮを用いるとよい。ウェットエッチングが進行しやすいからである。
６．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００は、第１の領域Ｒ１および第３の領域Ｒ３にわたる範囲に隙間部Ｃを有し、第２の領域Ｒ２に多数のボイドＶを有するものである。隙間部Ｃは、基板１１０と半導体層１２０との間に形成されている。そのため、第１の領域Ｒ１および第３の領域Ｒ３では、半導体層１２０から隙間部Ｃに向かう光のほとんどが、半導体層１２０と隙間部Ｃとの界面で全反射する。したがって、取り出される光の光量は、多い。
なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、半導体層１２０を形成するにあたって、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた。しかし、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）等、その他の方法を用いてもよい。
（第２の実施形態）
１．半導体発光素子
第２の実施形態について説明する。本実施形態の発光素子２００を図７に示す。図７に示すように、発光素子２００には、第１の領域Ｒ１２および第２の領域Ｒ２２がある。しかし、第１の実施形態で説明した第３の領域がない。そして、図７に示すように、半導体層２２０の端面２２２から、第１の領域Ｒ１２、第２の領域Ｒ２２の順に位置している。
発光素子２００のように、第３の領域がないものであっても、半導体層２２０と空気層との境界面で、光が十分に反射する。そのため、発光素子２００の発光効率はよい。つまり、第１の実施形態の発光素子１００と同様の効果を奏する。
２．半導体発光素子の製造方法
ウェットエッチング工程において、ウェットエッチングを実施する実施時間を短くすれば、第３の領域が存在しない発光素子２００を製造することができる。また、バッファ層の厚みやエッチング溶液等、その他のエッチング条件を適用して製造することもできる。
（第３の実施形態）
１．半導体発光素子
第３の実施形態について説明する。本実施形態の発光素子３００を図８に示す。図８に示すように、発光素子３００は、第１の領域Ｒ１３および第２の領域Ｒ２３および第３の領域Ｒ３３を有している。
発光素子３００には、半導体層３２０の４方の角に角部３２１がある。角部３２１では、半導体層３２０がウェットエッチングによるエッチングを受けていない。すなわち、角部３２１には、隙間部Ｃがない。そして、半導体層３２０における角部３２１以外の外周部には、隙間部Ｃが設けられている。そのため、角部３２１で破損が生じにくい。つまり、発光素子３００の強度は、第１の実施形態の発光素子１００の強度よりも高い。
２．半導体発光素子の製造方法
本実施形態では、ウェットエッチングにより角部３２１をエッチングさせない。そのために、その前のドライエッチング工程で、角部３２１となる周辺をドライエッチングにより除去しないこととすればよい。つまり、角部３２１を露出させない。これにより、そこからエッチング溶液が入り込むことがない。したがって、角部３２１は、ウェットエッチングを受けないで、残留する。そして、その状態で、素子分離を行えば、角部３２１に隙間部Ｃの形成されていない発光素子３００が得られる。
（第４の実施形態）
１．半導体発光素子
第４の実施形態について説明する。本実施形態の発光素子４００を図９に示す。図９に示すように、発光素子４００は、第１の領域Ｒ１４および第２の領域Ｒ２４および第３の領域Ｒ３４を有している。
発光素子４００では、半導体層４２０の４辺でなく、向かい合う２辺のみに対してウェットエッチングにより隙間部Ｃを形成することとした。そのため、残りの２辺については、隙間部が形成されていない。
２．半導体発光素子の製造方法
第３の実施形態の場合と同様に、ドライエッチング工程で、隙間部を形成する予定の２辺の箇所を露出させるとともに、隙間部を形成しない２辺の箇所を露出させないこととすればよい。
３．変形例
ここでは、半導体層４２０の向かい合う２辺の箇所に隙間部Ｃを形成することとしたが、隣り合う２辺に隙間部Ｃを形成することとしてもよい。また、１辺のみでもよい。もちろん、３辺に形成することとしてもよい。
（第５の実施形態）
１．半導体発光素子
第５の実施形態について説明する。本実施形態の発光素子５００を図１０に示す。図１０に示すように、発光素子５００は、第１の領域Ｒ１５および第２の領域Ｒ２５および第３の領域Ｒ３５を有している。また、発光素子５００は、第１の領域Ｒ１５ａおよび第３の領域Ｒ３５ａを有している。
発光素子５００では、半導体層５２０に孔５２１が設けられている。孔５２１は、半導体層５２０を貫通している。そして、孔５２１の底では、基板１１０の主面が露出している。図１０では、孔５２１は、４個形成されている。しかし、１個以上形成されていればよい。もちろん、多数形成されていてもよい。または、この孔５２１を透明な絶縁体で充填してあってもよい。孔５２１の内側面から、第３の領域Ｒ３５ａ、第１の領域Ｒ１５ａ、第２の領域Ｒ２５が、この順序で位置している。
２．半導体発光素子の製造方法
ドライエッチング工程で、孔５２１を形成すればよい。この後ウェットエッチング工程を実施することにより、孔５２１の周囲における基板１１０と半導体層５２０との間に隙間部を形成することができる。もちろん、第１の領域Ｒ１５、Ｒ１５ａおよび第３の領域Ｒ３５、Ｒ３５ａを同一の工程で形成することができる。
（第６の実施形態）
１．半導体発光素子
第６の実施形態について説明する。本実施形態の発光素子６００を図１１に示す。図１１に示すように、発光素子６００は、第１の領域Ｒ１６および第２の領域Ｒ２６および第３の領域Ｒ３６を有している。
発光素子６００の半導体層６２０には、スリット６３０が形成されている。スリット６３０は、半導体層６２０の端面６２１から内側に向かう向きに形成されている。そのため、ウェットエッチングを実施した際に、エッチング溶液と接触する接触面積が大きい。つまり、エッチング溶液が入り込みやすい。そして、第１の領域Ｒ１６の占める面積は、第１の実施形態における第１の領域Ｒ１の占める面積よりも広い。したがって、基板１１０と半導体層６２０との界面で、より光が反射しやすい。ただし、エッチング時間等のエッチング条件を同じとした場合である。
２．半導体発光素子の製造方法
ドライエッチング工程で、スリット６３０を形成する。この後、ウェットエッチングを実施することにより、発光素子６００を製造することができる。
（第７の実施形態）
１．半導体発光装置
第７の実施形態について説明する。発光装置１０００は、第１の実施形態から第６の実施形態までで説明した発光素子１００を備える半導体発光装置である。本実施形態の発光装置１０００の一例を図１２に示す。
発光装置１０００は、発光素子１００と、ケース１１００と、リードフレーム１１１０、１１２０と、ボンディングワイヤ１２１０、１２２０と、封止樹脂１３００と、を有している。発光素子１００のｐ電極Ｐ１は、ボンディングワイヤ１２１０を介してリードフレーム１１１０と電気的に接続されている。発光素子１００のｎ電極Ｎ１は、ボンディングワイヤ１２２０を介してリードフレーム１１２０と電気的に接続されている。
ケース１１００には、凹部が設けられている。その凹部に、発光素子１００が配置されている。その凹部には、封止樹脂１３００が充填されている。そして、発光素子１００の空洞部Ｃにも封止樹脂１３００が充填されている。
基板１１０の材質をサファイアとすると、その屈折率は、１．７７である。ＧａＮの屈折率は、およそ２．４である。大気の屈折率は、１である。封止樹脂の屈折率は、およそ１．５である。もちろん、この値は、用いる材質によるが、それほど大きく変わるわけではない。このように、半導体層と封止樹脂１３００との界面で、屈折率が異なっている。したがって、光が反射することに変わりない。
図１２では、第１の実施形態の発光素子１００を備えることとしたが、もちろん、これまでに説明した他の発光素子２００、３００、４００、５００、６００を用いてもよい。
また、サイドビューパッケージのように、チップとパッケージ側壁との間隔が狭い発光装置に適用するとよい。チップから取り出された光は、パッケージ側壁に当たることなく、発光装置の外部へ取り出されるからである。つまり、発光装置はより明るい。
以上、第１の実施形態から第７の実施形態まで説明した。これらの実施形態および各変形例を適宜組み合わせてももちろんよい。
１．実験１
ここで、実験１について説明する。実験１は、隙間部の有無による半導体発光素子の明るさを比較するために実施したものである。実施例に係る半導体発光素子は、ボイドを形成後にエッチングを行って隙間部を形成したものである。上記の実施形態のうち、第１の実施形態の発光素子１００に相当する。比較例に係る半導体発光素子は、ボイドを形成しないこととしたものである。そのため、隙間部を有していない。したがって、この相違点を除くと、実施例の半導体発光素子と比較例の半導体発光素子とは同じである。
実施例および比較例のいずれも、基板の形状は同じである。すなわち、頂部Ｔ１の幅Ｌ１は、０．３μｍである。底部の幅Ｌ２は、３μｍである。底面Ｂ１の幅Ｌ３は、０．５μｍである。頂部Ｔ１のピッチＬ４は、３．５μｍである。凹凸形状部１１１の深さＤ１は、１．６μｍである。斜面Ｓ１の底面Ｂ１に対する角度θ１は、５０度である。
また、実施例および比較例のいずれも、同じ半導体層を形成した。ただし、ウェットエッチングにより、基板との境界面に隙間部が形成されている点については異なっている。基板の主面の上には、バッファ層、ｎ型コンタクト層、ｎ型ＥＳＤ層、ｎ型ＳＬ層、発光層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層の順で形成した。そして、ｐ型コンタクト層の上にＩＴＯを形成し、その上にｐパッド電極を形成した。また、ｎ型コンタクト層の一部を露出させ、ｎパッド電極を形成した。
ｎ型コンタクト層として、ｎ型ＧａＮ層を形成した。ｎ型ＥＳＤ層として、ＧａＮとｎ型ＧａＮとを５回繰り返し積層した構造とした。ｎ型ＳＬ層として、ＩｎＧａＮとＧａＮとｎ型ＧａＮとを基板の側からこの順序で５回繰り返し積層した構造とした。発光層として、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮとを５回繰り返し積層した構造とした。ｐ型クラッド層として、ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成した。ｐ型コンタクト層として、ｐ型ＧａＮ層を形成した。
なお、ここでは、バッファ層としてＡｌＮを形成した。また、エッチング溶液として、表１に示す成分を含有するリン酸系のエッチング溶液を用いた。エッチング溶液の温度は、１４０℃であった。実施例の半導体発光素子をエッチング溶液に浸漬した時間は、１５分であった。横方向のエッチングの距離は、２０μｍ程度であった。したがって、エッチングレートは、１．３μｍ／ｍｉｎ程度である。
［表１］
成分 濃度
リン酸 ８６％
水 １４％
図１３は、実施例における隙間部を示す顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）である。ウェットエッチングにより、隙間部が形成されている様子が示されている。
実施例および比較例の半導体発光素子における全放射束を表２に示す。実施例の半導体発光素子における放射強度は、６．２８ｍＷ／Ｓｒであった。比較例の半導体発光素子における放射強度は、５．７７ｍＷ／Ｓｒであった。
［表２］
隙間部 放射強度
実施例 有り ６．２８ｍＷ／Ｓｒ
比較例 無し ５．７７ｍＷ／Ｓｒ
以上説明したように、隙間部Ｃを有する実施例の半導体発光素子は、比較例の半導体発光素子に比べて明るい。
２．実験２
ここで、実験２について説明する。実験２では、エッチングの進行のしやすさを評価した。そのために、凹凸のない基板を用いて、ボイドを形成しないで半導体層を形成した。凹凸がないため、基板の側面からエッチング溶液が、基板と半導体層との間に入り込みにくい。そのため、エッチングされにくいと考えられる。また、ボイドがないため、エッチングは進行しにくい。このように、エッチングが進行しにくい条件で、ウェットエッチングを実施した。
実験２では、バッファ層としてＡｌＮを形成して、その上に窒化物半導体を成長させたもの（以下、「ＡｌＮバッファ積層体」ということとする。）と、バッファ層としてＧａＮを形成して、その上に窒化物半導体を成長させたもの（以下、「ＧａＮバッファ積層体」ということとする。）とを用いた。
ＡｌＮバッファ積層体にウェットエッチングを施した場合の顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）を図１４に示す。図１４に示すように、凹凸のない基板にボイドを形成しないで半導体層を成長させたものであっても、ウェットエッチングにより、エッチングが進行した。エッチング溶液として、表１に示すものを用いた。浸漬時間は、２５分であった。横方向のエッチングの距離は、３μｍ程度であった。したがって、エッチングレートは、０．１２μｍ／ｍｉｎ程度である。このエッチングレートは、ＡｌＮバッファ積層体に対するものであり、上記の各実施形態で説明した凹凸のある基板にボイドを形成した半導体素子にエッチングを施した場合には、エッチングレートはこの値よりも大きいはずである。
一方、上記のＡｌＮバッファ積層体と同じ条件でＧａＮバッファ積層体にウェットエッチングを施した場合には、エッチングの深さは、ＡｌＮバッファ積層体の場合に比べて、十分に小さかった。
このように、ＡｌＮバッファ積層体を用いた場合には、ＧａＮバッファ積層体を用いた場合より、ウェットエッチングが進行しやすい。実験２では、凹凸のない基板を用いるとともにボイドを形成しないで半導体層を形成した。凹凸のある基板を用いてボイドを形成する場合には、エッチングレートはより高いと考えられる。また、この場合であっても、バッファ層としてＡｌＮを用いたほうが、ウェットエッチングは進行しやすいという傾向に変わりないと考えられる。
１００、２００、３００、４００、５００、６００…発光素子
１１０…基板
１１１…凹凸形状部
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０…半導体層
１２１…凹凸部
１３０…導電性透明膜
１４０…絶縁膜
Ｐ１…ｐ電極
Ｎ１…ｎ電極
Ｒ１…第１の領域
Ｒ２…第２の領域
Ｒ３…第３の領域
ＲＸ１、ＲＸ３…凹部
Ｃ…隙間部
Ｔ１…頂部
Ｂ１…底面
Ｓ１…斜面
１０００…発光装置

Claims (15)

  1. 主面に凹凸形状部の形成された基板と、
    前記基板に形成されたIII 族窒化物系化合物半導体層とを有するIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
    第１の領域を有し、
    前記第１の領域では、
    前記基板と前記III 族窒化物系化合物半導体層との間に隙間部が形成されており、
    前記凹凸形状部の隣り合う頂部とそれらの間に位置する底部とを通る断面における凹部の内部に、
    前記III 族窒化物系化合物半導体層の一部および前記隙間部の一部が配置されていること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
  2. 請求項１に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
    前記第１の領域では、
    前記III 族窒化物系化合物半導体層は、
    前記基板の側に向かって凸形状の凸部を有し、
    前記凸部は、
    前記凹凸形状部の底部と対面する位置に配置されていること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
  3. 請求項２に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
    前記凹凸形状部の隣り合う頂部とそれらの間に位置する底部とを通る断面における凹部の内部に、
    前記III 族窒化物系化合物半導体層の前記凸部の頂点が配置されていること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
    第２の領域を有し、
    前記第２の領域では、
    前記基板と前記III 族窒化物系化合物半導体層との間の少なくとも一部にボイドが形成されていること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
    第３の領域を有し、
    前記第３の領域では、
    前記基板と前記III 族窒化物系化合物半導体層との間に隙間部が形成されており、
    前記凹凸形状部の隣り合う頂部とそれらの間に位置する底部とを通る断面における凹部の内部に、
    前記隙間部の一部が配置されていること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
  6. 請求項５に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
    前記第１の領域は、
    前記第２の領域と前記第３の領域との間に配置されていること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
  7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
    III 族窒化物系化合物半導体層を貫通するとともに、前記基板の主面を露出させる少なくとも１以上の孔が形成されていること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
  8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
    前記基板の前記凹凸形状部は、
    前記基板の主面に対して４０°以上８０°以下の範囲内にある傾斜面を有すること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
  9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
    前記III 族窒化物系化合物半導体層は、
    前記基板と対面する位置に、前記凹凸形状部に沿った凹凸形状をしているバッファ層を有し、
    前記バッファ層は、ＡｌＮから成る層であること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
  10. 主面に凹凸形状部の形成された基板にIII 族窒化物系化合物半導体層を形成するIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、
    前記基板の凹凸形状部にIII 族窒化物系化合物半導体層を形成する半導体層形成工程と、
    前記III 族窒化物系化合物半導体層をウェットエッチングするウェットエッチング工程とを有し、
    前記半導体層形成工程では、
    前記基板の前記凹凸形状部と前記III 族窒化物系化合物半導体層との間に複数のボイドを形成し、
    前記ウェットエッチング工程では、
    前記III 族窒化物系化合物半導体層の一部をボイドに沿ってエッチングすることにより、前記基板と前記III 族窒化物系化合物半導体層の一部との間に隙間部を形成すること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
  11. 請求項１０に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、
    前記ウェットエッチング工程では、
    前記基板と前記III 族窒化物系化合物半導体層の残部との間に位置するボイドを残留したままとすること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
  12. 請求項１０または請求項１１に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、
    前記半導体層形成工程では、
    前記基板の前記凹凸形状部の上にＡｌＮから成るバッファ層を形成する工程と、
    前記バッファ層の上にIII 族窒化物系化合物半導体から成る層を形成する工程と、
    を有し、
    前記バッファ層を形成する工程では、
    前記バッファ層にボイドを形成すること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
  13. 請求項１２に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、
    前記ウェットエッチング工程では、
    エッチング溶液としてリン酸系の溶媒を用いて、前記バッファ層および前記III 族窒化物系化合物半導体から成る層をエッチングすること
    を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
  14. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子と、
    前記III 族窒化物系化合物半導体発光素子を凹部に収容するためのケースと、
    前記凹部を充填する封止樹脂と、
    を有する半導体発光装置。
  15. 請求項１４に記載の半導体発光装置において、
    前記封止樹脂が、
    前記隙間部を充填していること
    を特徴とする半導体発光装置。
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