JP5376462B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光素子及びその製造方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体発光素子として、基板上にＧａＮ等の半導体層が設けられた構造を有するものが量産化されている。

特許文献１には、サファイア基板の半導体層が積層されたのとは反対側の裏面を粗面化した半導体発光素子が開示されており、これにより光取り出し効率の向上を図ることができる、と記載されている。

非特許文献１には、サファイア基板上にＳｉＯ_２で形成されたマスク層を設け、そのマスク層にサファイア基板が露出するようにストライプ状に溝を形成し、溝から露出したサファイア基板を起点としてＧａＮを結晶成長させることにより転位欠陥を低くすることができ、また、それによって発光出力パワー（外部量子効率）を高めることができる、と記載されている。

特開２００６−２４５０６６号公報

K.Hoshino,T.Murata,M.Araki,and K.Tadatomo,phys.stat.sol.(c)5,No.9,3060-3062(2008)

ところで、表面にサブミクロンオーダーの多数の微細凹凸を有するサファイア基板を用いてＧａＮを結晶成長させた場合、得られるＧａＮ層は、転位密度が大きく、そのため結晶品質が低いものとなってしまう。

本発明の課題は、転位密度が小さくて結晶品質が高い半導体層を備え、しかも発光効率の優れる半導体発光素子を提供することである。

本発明は、表面にサブミクロンオーダーの多数の微細凹凸を有する基板と、
上記基板の表面における多数の微細凹凸の一部分の凹部を埋めると共にその部分を覆うように設けられたマスク層と、
上記基板の表面における多数の微細凹凸の上記マスク層で覆われていない部分を起点として結晶成長することにより該基板上に形成された半導体層と、
を備えた半導体発光素子であって、
上記マスク層は、上記基板との屈折率差よりも上記半導体層との屈折率差の方が小さい。

本発明は、表面にサブミクロンオーダーの多数の微細凹凸を有する基板と、
上記基板の表面における多数の微細凹凸の一部分の凹部を埋めると共にその部分を覆うように設けられたマスク層と、
上記基板の表面における多数の微細凹凸の上記マスク層で覆われていない部分を起点として結晶成長することにより該基板上に形成された半導体層と、
を備えた半導体発光素子の製造方法であって、
マスク層を、基板との屈折率差よりも半導体層との屈折率差の方が小さい材料で形成するものである。

本発明によれば、基板の表面における多数の微細凹凸の一部分の凹部を埋めると共にその部分を覆うようにマスク層が設けられているので、マスク層で覆われていない部分を起点として結晶成長して形成された半導体層において、転位密度の低減及びそれによる結晶品質の向上を図ることができ、それに加えて、マスク層が基板との屈折率差よりも半導体層との屈折率差の方が小さいので、半導体層と基板との微細凹凸の界面のみならず、マスク層と基板との微細凹凸の界面においても光が散乱し、それによって高い発光効率を得ることができる。

実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の説明図である。

実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。

（半導体発光素子）
図１は本実施形態に係る半導体発光素子１０を示す。

実施形態に係る半導体発光素子１０は、表面にサブミクロンオーダーの多数の微細凹凸１１ａを有する基板１１を備え、そして、基板１１の表面における多数の微細凹凸１１ａの一部分の凹部を埋めると共にその部分を覆うようにマスク層１２が設けられ、また、基板１１の表面における多数の微細凹凸１１ａのマスク層１２で覆われていない部分を起点として結晶成長することにより基板１１上に形成された半導体層１３が設けられた構成を有し、例えば発光ダイオード等として使用されるものである。

基板１１としては、例えば、典型的にはサファイア基板（Ａｌ_２Ｏ_３のコランダム構造の単結晶の基板）が挙げられ、その他、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板等が挙げられる。また、基板１１は、サファイア基板等のベース基板の表面に、ベース基板と屈折率が近い乃至同じ酸化窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）或いは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を部分的に設けて微細凹凸１１ａを形成した加工基板であってもよい。ここで、本出願における「屈折率」とは、波長が３５０ｎｍから７００ｎｍの光に対しての文献などで報告されている値、または実測値とする（以下、同様）。基板１１は、例えば、発光素子の状態では矩形板状に形成されており、縦及び横のそれぞれが２００〜１０００μｍ、並びに厚さが５０〜３００μｍである。

基板１１の表面のサブミクロンオーダーの多数の微細凹凸１１ａとしては、例えば、多数の凹溝が幅方向に間隔をおいて並行に延びるように形成された構成が挙げられる。凹溝としては、例えば、台形溝、コの字溝、Ｖ字溝等が挙げられる。「サブミクロンオーダー」とは１万分の１ミリメートルオーダーであることから、凹溝は、例えば、溝開口幅が５０〜９００ｎｍ、溝深さが５０〜８００ｎｍ、及び溝間隔が１５０〜２０００ｎｍである。また、微細凹凸１１ａとしては、多数の有底凹孔が離散的に形成された構成が挙げられる。有底凹孔としては、例えば、円形孔、長方形孔、六角形孔等が挙げられる。有底凹孔は、例えば、孔径が５０〜９００ｎｍ、孔深さが５０〜８００ｎｍ、及び孔間隔が１５０〜２０００ｎｍである。孔の配列は四角形配列であってもよいし三角形配列であってもよい。また、微細凹凸１１ａとしては、多数の凸構造が離散的に形成された構成であってもよい。凸構造は、例えば、円形、長方形、六角形等が挙げられる。凸構造は、例えば、径が５０〜９００ｎｍ、高さが５０〜８００ｎｍ、及び凸構造の間隔が１５０〜２０００ｎｍである。凸構造の配列は四角形配列であってもよいし三角形配列であってもよい。

基板１１の表面の少なくとも一部（例えば凹部側面や凹部底面）は、半導体層１３を構成する半導体の結晶成長面に構成されている。その結晶成長面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜（０００１）面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、若しくはｒ面＜｛１−１０２｝面＞であってもよく、又は他の面方位の結晶面であってもよい。なお、ａ面、ｃ面、及びｍ面は面方位が相互に直交する。

マスク層１２の構成材料としては、例えば、半導体層１３を構成する半導体が結晶成長不能で、屈折率が比較的高い、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２、屈折率２．４）、ダイヤモンド（Ｃ、屈折率２．４２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２、ルチル、屈折率２．７１）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ、屈折率２．２程度）、窒化ホウ素（ＢＮ、屈折率２．４程度）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３、屈折率２．３７）、酸化窒化ケイ素（ＳｉＯ_ＸＮ_Ｙ：０＜Ｘ＜２，０＜Ｙ＜４／３、屈折率１．７〜２．２）等が挙げられる。マスク層１２の厚さは例えば０．１〜３．０μｍである。基板と上記凸構造の大きい方の屈折率をｎ_ｓｕｂとし、半導体層の平均屈折率をｎ_ｓｅｍｉとすると、マスク層１２の屈折率ｎ_ｍａｓｋは半導体層の屈折率に近い方が望ましく、ｎ_ｓｅｍｉ−（（ｎ_ｓｅｍｉ−ｎ_ｓｕｂ）／２）〜ｎ_ｓｅｍｉ＋（（ｎ_ｓｅｍｉ−ｎ_ｓｕｂ）／２）であることが好ましい。具体的には２．１〜２．８であることが好ましい。なお、マスク層１２は単一層で構成されていてもよく、また、複数層で構成されていてもよい。

マスク層１２が覆う基板１１の表面における多数の微細凹凸１１ａの部分の面積比率は２０〜９５％であることが好ましく、５０〜９０％であることがより好ましい。マスク層１２が覆わない部分は開口が形成されることとなるが、その開口の形態としては、例えば、溝、孔等が挙げられる。溝形状が選択された場合は、マスク層１２に形成された開口幅は例えば０．５〜３．０μｍであり、周期は３．０〜３０μｍである。

半導体層１３の構成材料としては、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が挙げられる。半導体層１３の厚さは例えば２〜２０μｍである。なお、結晶成長起点である基板１１の表面と半導体層１３との間には厚さ２０〜３０ｎｍ程度の低温バッファ層が設けられていてもよい。

そして、実施形態に係る半導体発光素子１０では、マスク層１２が基板１１との屈折率差よりも半導体層１３との屈折率差の方が小さく、基板と上記凸構造の大きい方の屈折率をｎ_ｓｕｂとし、半導体層の平均屈折率をｎ_ｓｅｍｉとすると、マスク層１２の屈折率ｎ_ｍａｓｋは、ｎ_ｓｅｍｉ−（（ｎ_ｓｅｍｉ−ｎ_ｓｕｂ）／２）〜ｎ_ｓｅｍｉ＋（（ｎ_ｓｅｍｉ−ｎ_ｓｕｂ）／２）であることが好ましく、最も好ましいのはマスク層１２の屈折率が半導体層１３の屈折率と同一である場合である。具体例としては、例えば、基板１１が屈折率１．７６であるサファイア基板、マスク層１２が屈折率２．４のＺｒＯ_２マスク層あるいは屈折率２．４のＢＮ、及び半導体層１３が屈折率２．４のＧａＮ層の組合せ等が挙げられる。

このような構成によれば、基板１１の表面における多数の微細凹凸１１ａの一部分の凹部を埋めると共にその部分を覆うようにマスク層１２が設けられているので、マスク層１２で覆われていない部分を起点として結晶成長して形成された半導体層１３において、転位密度の低減及びそれによる結晶品質の向上を図ることができる。

また、一般に、半導体発光素子では、素子内外の屈折率の差異に起因する全反射角の制約のために発光した光の多くは素子内部に閉じ込められ、特に例えばサファイア基板とその上に成長したＧａＮ層とを有する窒化物半導体発光素子の場合、それらの屈折率の差異に起因する全反射角の制約のために発光した光の多くはＧａＮ層に閉じ込められる。その改善策として、サブミクロンサイズのサファイア表面の凹凸形状、あるいは凸構造により、散乱、回折などの効果により全反射角の制約が弱まり、光取り出し効率を著しく向上する。このとき、サブミクロンサイズの凹凸構造をサファイア表面に形成すると、結晶成長核の発生密度が高くなり、結晶性の低下を引き起こす。この結晶性の低下を防ぐためにマスク層１２の導入を行った。しかしながら、マスク層１２の屈折率が基板とほぼ同じか小さい、あるいは凸構造とほぼ同じか小さければ、上記の光取り出し効率の飛躍的向上をもたらす上記サブミクロンの凹凸形状あるいは凸構造が、散乱、回折などの光学的効果を発揮できないことになる。したがって、上記屈折率に設計すれば、半導体層１３と基板１１との微細凹凸１１ａの界面のみならず、マスク層１２と基板１１との微細凹凸１１ａの界面においても光が散乱、あるいは回折等を起こし、さらにはフォトニック結晶効果も生じ、それによって高い発光効率を得ることができる。

以下、実施形態に係る半導体発光素子１０の例として、基板１１が屈折率１．７６のサファイア基板１１、マスク層１２が屈折率２．４のＺｒＯ_２マスク層１２、及び半導体層１３が屈折率２．４のｕ-ＧａＮ層１３（不純物を故意に添加していない層）であり、その上にｎ型ＧａＮ層１４、多重量子井戸層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、及びｐ型ＧａＮ層１７の各半導体層が順に積層され、そして、ｐ型ＧａＮ層１７上にｐ型電極１９が、また、エッチングされて露出したｎ型ＧａＮ層１４上にｎ型電極１８がそれぞれ設けられた構成のものについて説明する。

ｎ型ＧａＮ層１４の構成材料はｎ型ドーパントがドープされたＧａＮである。ｎ型ドーパントとしては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等が挙げられる。ｎ型ドーパントの濃度は例えば１．０×１０^１７〜２０×１０^１７／ｃｍ^３である。ｎ型ＧａＮ層１４は、単一層で構成されていてもよく、また、ｎ型ドーパントの種類や濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。ｎ型ＧａＮ層１４の厚さは例えば２〜１０μｍである。

多重量子井戸層１５は、井戸層１５ａと障壁層１５ｂとの交互積層構造を有する。井戸層１５ａ及び障壁層１５ｂの層数は例えば５〜１５層である。

井戸層１５ａの構成材料としては、例えば、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等が挙げられる。井戸層１５ａの厚さは例えば１〜２０ｎｍである。

障壁層１５ｂの構成材料としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ(ただし、井戸層のバンドギャップより大きい)等が挙げられる。障壁層１５ｂの厚さは例えば５〜２０ｎｍである。

ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の構成材料はｐ型ドーパントがドープされたＡｌＧａＮである。ＡｌＮの混晶比は０．０５〜０．３が適時選ばれる。ｐ型ドーパントとしては、例えばＭｇ、Ｃｄなどが挙げられる。ｐ型の場合はアクセプタ準位が深いために、ドーパント濃度と自由正孔濃度が大きく異なる。それゆえ、ｐ型に関してはホール効果で測定される自由正孔濃度を評価指標とする。自由正孔濃度は、例えば１．０×１０^１７〜５×１０^１７／ｃｍ^３である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の厚さは、例えば１０〜３０ｎｍである。

ｐ型ＧａＮ層１７の構成材料はｐ型ドーパントがドープされたＧａＮである。ｐ型ドーパントとしては、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の場合と同様、例えば、Ｍｇ、Ｃｄ等が挙げられる。ホール効果測定で測定される自由正孔濃度は、例えば２．０×１０^１７〜１０×１０^１７／ｃｍ^３である。ｐ型ＧａＮ層１７は、単一層で構成されていてもよく、また、ｐ型ドーパントの種類や濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。ｐ型ＧａＮ層１７の厚さは例えば５０〜２００ｎｍである。

ｎ型電極１８の構成電極材料としては、例えば、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ等の積層構造、或いは合金等が挙げられる。ｎ型電極１８の厚さは例えばＴｉ／Ａｌ（１０ｎｍ／５００ｎｍ）である。

ｐ型電極１９としては、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ等の積層構造、或いは合金等、又はＩＴＯ（酸化インジウム錫）などの酸化物系透明導電材料が挙げられる。ｐ型電極１９の厚さは例えばＩＴＯの場合１０〜２００ｎｍである。ｐ型電極の上にはワイヤーボンディング用のパッド電極が必要であり、多くの場合はｎ型電極と同じ材料系で作製される。

（半導体発光素子の製造方法）
次に、本実施形態に係る半導体発光素子１０の製造方法について図２（ａ）〜（ｆ）に基づいて説明する。

本実施形態に係る半導体発光素子１０の製造方法では、サファイアウエハ加工基板１１’（サファイア基板１１）上にＺｒＯ_２マスク層１２を設け、その上にｕ-ＧａＮ層１３、ｎ型ＧａＮ層１４（Ｓｉドープ）、発光層である多重量子井戸層１５（井戸層１５ａ：ＩｎＧａＮ、障壁層１５ｂ：ＧａＮ）、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６（Ｍｇドープ）、及びｐ型ＧａＮ層１７（Ｍｇドープ）の各半導体層を順に形成した後、ｎ型ＧａＮ層１４及びｐ型ＧａＮ層１７の上にそれぞれｎ型電極１８及びｐ型電極１９を形成する。

＜サファイアウエハ加工基板の準備＞
サファイアウエハを準備する。サファイアウエハは、その直径によっても変わるが厚さが０．３〜３．０ｍｍ、及び直径が５０〜３００ｍｍである。なお、直径５０ｍｍのサファイアウエハの場合では、１枚のサファイアウエハ上に５０００〜１２０００個の半導体発光素子１０を作り込むことができる。

そして、このサファイアウエハの表面に、凹部形成予定部分だけが開口部となるようにフォトレジストのパターニングを設け、開口部を反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）等のドライエッチングをすることにより、図２（ａ）に示すように、表面にサブミクロンオーダーの多数の微細凹凸１１ａを有するサファイアウエハ加工基板１１’を作製する。また、サファイアウエハをベース基板とし、その表面にサファイアと屈折率が近い乃至同じ酸化窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）或いは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を堆積させてエッチングして、或いは、部分的に堆積させて微細凹凸１１ａを形成することによりサファイアウエハ加工基板１１’を作製してもよい。

＜ＺｒＯ_２マスク層の形成＞
ＺｒＯ_２マスク層１２は、洗浄したサファイアウエハ加工基板１１’に対して、例えば、プラズマＣＶＤ、常圧ＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング等の方法により形成することができる。以下では、プラズマＣＶＤ法を利用したＺｒＯ_２マスク層１２の形成方法について説明する。

ＺｒＯ_２マスク層１２の形成に用いるプラズマＣＶＤ装置は、ステンレススチール製真空容器の上方に高周波電極を構成する反応ガス供給部が設けられており、また、真空容器内の下方には対向電極を構成するウエハテーブルが設けられていると共にウエハテーブルには加熱ヒータが取り付けられている。反応ガス供給部とウエハテーブルとの間の間隔は例えば２．０〜３．０ｃｍである。そして、プラズマＣＶＤ装置は、ウエハテーブル上にセットされたサファイアウエハ加工基板１１’上に反応ガスによりＺｒＯ_２マスク層１２を成膜形成するように構成されている。

上記プラズマＣＶＤ装置を用いて、サファイアウエハ加工基板１１’を表面が上向きになるようにウエハテーブル上にセットした後、反応容器内に反応ガスとして、テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム（ＴＥＭＡＺ）、オゾン（Ｏ_３）、及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を供給する。

このとき、サファイアウエハ加工基板１１’上に、その表面を被覆するように酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）の被膜が成膜され、ＺｒＯ_２マスク層１２が形成される。

次いで、図２（ｂ）に示すように、ＺｒＯ_２マスク層１２に開口を形成する。ＺｒＯ_２マスク層１２への開口の形成方法としては、例えば、ＺｒＯ_２マスク層１２で覆おう部分にフォトレジストのパターニングを設け、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）などのドライエッチング法、あるいはフッ酸系エッチング液を使ったウエットエッチング法等により、ＺｒＯ_２マスク層１２を選択的にエッチングして基板１１する方法を挙げることができる。また、ＺｒＯ_２マスク層１２で覆わない部分に予めパターニングを施しておき、ＺｒＯ_２マスク層１２の堆積後にそのパターニングを除去して開口を形成してもよい。

＜半導体層の形成＞
以下の各半導体層の形成方法としては、有機金属気相成長法（Metal Organic Ｖapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）等が挙げられ、これらのうち有機金属気相成長法が最も一般的である。以下では、有機金属気相成長法を利用した各半導体層の形成方法について説明する。

各半導体層の形成に用いるＭＯＶＰＥ装置は、各々、電子制御される、ウエハ搬送系、ウエハ加熱系、ガス供給系、及びガス排気系で構成されている。ウエハ加熱系は、熱電対及び抵抗加熱ヒータ、その上に設けられた炭素製或いはＳｉＣ製のサセプタで構成されている。そして、ＭＯＶＰＥ装置は、ウエハ加熱系において、搬送される石英トレイのサセプタの上にセットされたサファイアウエハ加工基板１１’上に反応ガスにより半導体層を結晶成長させるように構成されている。

−ｕ-ＧａＮ層の形成−
上記ＭＯＶＰＥ装置を用いて、ＺｒＯ_２マスク層１２を設けたサファイアウエハ加工基板１１’をＺｒＯ_２マスク層１２の表面が上向きになるように石英トレイ上にセットした後、サファイアウエハ加工基板１１’を１０５０〜１１５０℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内に設置したフローチャネル内にキャリアガスとしてＨ_２を流通させ、その状態を数分間保持することによりサファイアウエハ加工基板１１’をサーマルクリーニングする。

次いで、サファイアウエハ加工基板１１’の温度を１０５０〜１１５０℃とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ_２を１０Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。

このとき、ＺｒＯ_２マスク層１２の表面からは結晶成長は起こらないが、ＺｒＯ_２マスク層１２で覆われていないサファイアウエハ加工基板１１’の表面における微細凹凸１１ａの結晶成長面を起点として、その上にアンドープのＧａＮが結晶成長し、図２（ｃ）に示すように、サファイアウエハ加工基板１１’及びＺｒＯ_２マスク層１２上にｕ-ＧａＮ層１３が形成される。ＺｒＯ_２マスク層１２に形成された開口の部分ではＧａＮがサファイアウエハ加工基板１１’の表面の法線方向に結晶成長して層が形成され、一方、開口以外のＺｒＯ_２マスク層１２の部分では、ＧａＮが横方向に結晶成長して合一することによりその部分を被覆する層が形成される。

なお、ｕ-ＧａＮ層１５を形成する前に低温バッファ層を形成する場合には、サファイアウエハ加工基板１１’の温度を４００〜５００℃としてＧａＮを結晶成長させる。

−ｎ型ＧａＮ層の形成−
反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ_２を５〜１５Ｌ／ｍｉｎ（以下、ガス流量は基準状態（０℃、１気圧）での値とする）の流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びｎ型ドーピング元素供給源（ＳｉＨ_４）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び１〜５×１０^−３μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。

このとき、図２（ｄ）に示すように、ｕ-ＧａＮ層１３に連続してｎ型ＧａＮが結晶成長してｎ型ＧａＮ層１４が形成される。

−多重量子井戸層の形成−
サファイアウエハ加工基板１１’の温度を８００℃程度とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＮ_２を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びIII族元素供給源２（ＴＭＩ）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５〜１５μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び２〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。このとき、ｎ型ＧａＮ層１４に連続してＩｎＧａＮが結晶成長して井戸層１５ａが形成される。

次いで、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５〜１５μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。このとき、ＩｎＧａＮの井戸層１５ａに連続してＧａＮが結晶成長して障壁層１５ｂが形成される。

そして、上記と同様の操作を交互に繰り返し、図２（ｅ）に示すように、井戸層１５ａと障壁層１５ｂとを交互に形成することにより多重量子井戸層１５を構成する。なお、多重量子井戸層１５の発光波長は井戸層１５ａの井戸幅（井戸層の厚み）とＩｎＮ混晶比に依存し、ＩｎＮ混晶比が高いほど発光波長は長波長となる。ＩｎＮ混晶比はＴＭＩのモル流量／（ＴＭＧのモル流量＋ＴＭＩのモル流量）と成長温度によって決定される。

−ｐ型ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の形成−
サファイアウエハ加工基板１１’の温度を１０００〜１１００℃とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスのＨ_２を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、III族元素供給源３（ＴＭＡ）、及びｐ型ドーピング元素供給源（Ｃｐ_２Ｍｇ）を、それぞれの供給流量０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、２〜８０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び０．０３〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。

このとき、図２（ｆ）に示すように、多重量子井戸層１５に連続してＡｌＧａＮが結晶成長してｐ型ＡｌＧａＮ層１６が形成される。

引き続き、反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びｐ型ドーピング元素供給源（Ｃｐ_２Ｍｇ）を、それぞれの供給流量０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び０．０３〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。

このとき、図２（ｆ）に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６に連続してｐ型ＧａＮが結晶成長してｐ型ＧａＮ層１７が形成される。

＜電極の形成＞
半導体層を積層形成したサファイアウエハ加工基板１１’を部分的に反応性イオンエッチングすることによりｎ型ＧａＮ層１４を露出させた後、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法によりｎ型ＧａＮ層１４上にｎ型電極１８及びｐ型ＧａＮ層１７上にｐ型電極１９をそれぞれ形成する。

そして、サファイアウエハ加工基板１１’を劈開することにより個々の半導体発光素子１０に分断する。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、基板１１がサファイア基板１１、マスク層１２がＺｒＯ_２マスク層１２、及び半導体層１３がｕ-ＧａＮ層１３の組合せの構成を例としたが、特にこれに限定されるものではなく、マスク層１２が基板１１との屈折率差よりも半導体層１３との屈折率差の方が小さいものであればその他の組合せの構成であってもよい。

本発明は半導体発光素子及びその製造方法について有用である。

１０ 半導体発光素子
１１ （サファイア）基板
１１’ サファイアウエハ加工基板
１１ａ 微細凹凸
１２ （ＺｒＯ_２）マスク層
１３ 半導体層，ｕ-ＧａＮ層
１４ ｎ型ＧａＮ層
１５ 多重量子井戸層
１５ａ 井戸層
１５ｂ 障壁層
１６ ｐ型ＡｌＧａＮ層
１７ ｐ型ＧａＮ層
１８ ｎ型電極
１９ ｐ型電極

Claims (5)

1. 表面にサブミクロンオーダーの多数の微細凹凸を有する基板と、
   上記基板の表面における多数の微細凹凸の一部分の凹部を埋めると共にその部分を覆うように設けられたマスク層と、
   上記基板の表面における多数の微細凹凸の上記マスク層で覆われていない部分を起点として結晶成長することにより該基板上に形成された半導体層と、
   を備えた半導体発光素子であって、
   上記マスク層は、上記基板との屈折率差よりも上記半導体層との屈折率差の方が小さい半導体発光素子。
2. 請求項１に記載された半導体発光素子において、
   上記基板がサファイア基板である半導体発光素子。
3. 請求項１又は２に記載された半導体発光素子において、
   上記半導体層がＧａＮである半導体発光素子。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された半導体発光素子において、
   上記マスク層が酸化ジルコニウムである半導体発光素子。
5. 表面にサブミクロンオーダーの多数の微細凹凸を有する基板と、
   上記基板の表面における多数の微細凹凸の一部分の凹部を埋めると共にその部分を覆うように設けられたマスク層と、
   上記基板の表面における多数の微細凹凸の上記マスク層で覆われていない部分を起点として結晶成長することにより該基板上に形成された半導体層と、
   を備えた半導体発光素子の製造方法であって、
   マスク層を、基板との屈折率差よりも半導体層との屈折率差の方が小さい材料で形成する半導体発光素子の製造方法。

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