JP5870921B2 - サファイア基板と半導体発光素子 - Google Patents

サファイア基板と半導体発光素子 Download PDF

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Description

本発明は、窒化物半導体発光素子用のサファイア基板と半導体発光素子に関する。
例えば、窒化物半導体からなる発光ダイオード（ＬＥＤ）は、通常、サファイア基板上にｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を順に積層することにより構成される。この発光ダイオードでは、発光した光は、サファイア基板とは反対側、またはサファイア基板側から取り出されるが、活性層で発光した光は出射側とは逆の方向にも放射される。したがって、出射側とは逆の方向に放射された光を効果的に出射側から取り出せるようにして外部量子効率を向上させることが必要になる。
そこで、例えば、三角錐台形状の凸部をサファイア基板上に複数配置して、外部量子効率を向上させることが特許文献１に開示されている。また、特許文献１には、三角錐台形状の凸部によって、その凸部が形成された面上に結晶成長させることにより、空隙の発生や結晶性の悪化を抑制できる旨記載されている。
特開２００８−１７７５２８号公報
しかしながら、本願発明者等の鋭意研究の結果、三角錐台形状の凸部を有する面上に成長された窒化物半導体からなる発光ダイオードでは、出射側と逆の方向に放射された光を効果的に出射側から取り出せるようには必ずしもなっておらず、外部量子効率を十分向上させるようにはなっていなかった。
そこで、本発明は、光取り出し効率に優れた窒化物半導体発光素子を構成することが可能な窒化物半導体発光素子用のサファイア基板を提供することを目的とする。
また、本発明は、光取り出し効率に優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。
以上の目的を達成するために、本発明に係るサファイア基板は、一方の主面に複数の凸部を備え、その一方の主面に窒化物半導体が成長され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、前記凸部はそれぞれ、底面の外周に少なくとも１つの窪みを有していることを特徴とする。この窪みはサファイア基板に対して垂直方向の窪みでなく、水平方向の窪みを意味する。
また、前記複数の凸部を、複数の凸部の底面が含まれる平面において任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が少なくともいずれかの凸部内を通過するように配置したことを特徴とする。
また、前記凸部はそれぞれ、底面が略多角形である略多角錐形状又は略多角錐台形状であり、かつその底面の各辺はそれぞれ中央部に窪みを有していることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体発光素子は、本発明に係るサファイア基板の一方の主面上に窒化物半導体を成長させることにより窒化物半導体層発光素子が形成されたことを特徴とする。
以上のように構成された本発明に係るサファイア基板は、一方の主面に複数の凸部を備え、その一方の主面に窒化物半導体が成長され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、前記凸部はそれぞれ、底面の外周に少なくとも１つの窪みを有しているので、サファイア基板に対して平行にかつ基板表面に出射された光は、凸部に照射され、光取り出し効率に優れた窒化物半導体発光素子を構成することが可能な窒化物半導体発光素子用のサファイア基板を提供することができる。
また、サファイア基板は、前記複数の凸部が、前記複数の凸部の底面を含む平面において任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が少なくともいずれかの凸部内を通過するように配置されているので、前記一方の主面上に窒化物半導体発光素子を構成したとき、その一方の主面に対して平行にかつ近接して伝搬する光がいずれの方向に伝搬した場合であっても少なくとも１つの凸部によって反射される。
したがって、本発明に係るサファイア基板によれば、光取り出し効率に優れた窒化物半導体発光素子を構成することが可能な窒化物半導体発光素子用のサファイア基板を提供することができる。
また、前記サファイア基板は、前記凸部がそれぞれ、底面が略多角形である略多角錐形状又は略多角錐台形状であり、かつその底面の各辺はそれぞれ中央部に窪みを有しているので、前記複数の凸部の底面を含む平面において任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が少なくともいずれかの凸部内を通過するような凸部配置を容易に実現できる。
また、本発明に係る半導体発光素子によれば、本発明に係るサファイア基板の一方の主面上に窒化物半導体を成長させることにより窒化物半導体層発光素子が形成されているので、光取り出し効率に優れた半導体発光素子を提供することができる。
本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。 本発明に係る実施形態１のサファイア基板における凸部の配列を示す平面図である。 本発明に係る実施形態２のサファイア基板における凸部の配列を示す平面図である。 本発明に係る実施形態３のサファイア基板における凸部の配列を示す平面図である。 本発明に係る実施形態４のサファイア基板における凸部の配列を示す平面図である。 本発明に係る実施形態５のサファイア基板における凸部の配列を示す平面図である。 本発明に係る実施形態６のサファイア基板における凸部の配列を示す平面図である。 本発明に係る実施形態７の凸部をサファイア基板上に形成する際に使用するマスクの一例を示す平面図である。 本発明に係る実施形態７のサファイア基板における凸部の構成及び配列を示す平面図である。 本発明に係る変形例１のサファイア基板における凸部の構成及び配列を示す平面図である。 本発明に係る変形例２のサファイア基板における凸部の構成及び配列を示す平面図である。 本発明に係る実施形態８のサファイア基板における凸部の構成及び配列を示す平面図である。 本発明に係る実施形態８の凸部をサファイア基板上に形成する際に使用するマスクの平面図である。 本発明に係る実施形態９のサファイア基板における凸部の構成及び配列を示す平面図である。 （ａ）は、サファイアウエハのオリフラ（Ａ面）と結晶軸（ａ軸）を示す平面図であり、（ｂ）は、凸部の方向を示す平面図である。 本発明に係る実施形態１０のサファイア基板における凸部の構成及び配列を示す平面図である。 実施形態１０の凸部の構成を拡大して示す平面図である。 本発明に係る実施形態１０の凸部をサファイア基板上に形成する際に使用するマスクの平面図である。 （ａ）は、サファイアウエハのオリフラ（Ａ面）と結晶軸（ａ軸）を示す平面図であり、（ｂ）（ｃ）は、凸部の方向と窒化物半導体の成長速度を模式的に示す平面図であり、（ｄ）は、窒化物半導体の成長速度のサファイアの結晶方向依存性を示す模式図である。 本発明に係る実施形態１１のサファイア基板における凸部の構成及び配列を示す平面図である。 本発明に係る実施形態１１の凸部をサファイア基板上に形成する際に使用するマスクの平面図である。 本発明に係る実施形態１２のサファイア基板における凸部の構成及び配列を示す平面図である。 本発明に係る実施形態１２の凸部をサファイア基板上に形成する際に使用するマスクの平面図である。
本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子は、図１に示すように、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２０が設けられており、下地層２１が成長される基板１０の表面には、それぞれ錐形状又は台形錐形状の複数の凸部（ディンプル）１が設けられている。
ここで特に、本実施形態では、複数の凸部１を、隣接する凸部１間に位置する基板表面に対して平行にかつ基板表面に近接して伝搬する光がどのような方向に伝搬した場合であっても少なくとも１つの凸部１によって反射されるように配置している。
これにより、本実施形態の窒化物半導体発光素子は、発光層２３で発光した光を複数の凸部１によって側面から出射させることなく、出射方向に効率よく反射させることが可能になり、光の取り出し効率を高くできる。
以下、本発明に係る実施形態のサファイア基板における凸部１の具体的な配置例について説明する。
尚、本発明において、凸部１は略ｎ角錐形状又は底面と略平行でかつ底面と略相似形状の上面１ｂを有する略ｎ角錐台形状であり、それぞれ底面が外側に膨らんだ円弧形状のｎ個の辺を有する略ｎ角形であればよいが、以下の実施形態１〜６の説明では、代表的な略三角錐形状又は略三角錐台形状の凸部１の例により示している。
また、実施形態１〜６において参照する図面では、凸部１の平面形状（底面の形状）を正三角形により模式的に示しているが、サファイア基板をエッチングすることにより略三角錐形状又は略三角錐台形状の凸部１を形成した場合には、その底面の各辺は、通常、外側に膨らんだ円弧形状になり、凸部１の傾斜した側面は外側に膨らんだ面となる。
実施形態１．
図２の平面図には、本発明に係る実施形態１のサファイア基板における凸部１の配列を示している。
本実施形態１では、格子形状が正三角形である三角格子の格子点にそれぞれ底面の重心が一致するようにそれぞれ略三角錘形状の複数の凸部１を配置している。また、実施形態１では、全ての凸部１が同一の方向を向くように三角格子の格子点に配置している。本明細書において、凸部１の方向とは、底面の頂点の角度を２等分する線が凸部１内から外に向かう方向をいい、２以上の凸部１が同一の方向を向くとは凸部１間で対応する全ての方向が同一方向を向いていることをいう。言い替えれば、底面を回転することなく、平行移動させることにより、他の全ての凸部１の底面に重ね合わせることができるような状態で配置されていることをいう。
このように配列された実施形態１の複数の凸部１は、複数の行が形成されるように凸部１が配列されており、どの方向の行をみても、同一行内に配列された凸部１は、その１つの頂点の角度を２等分する２等分直線が一直線上に位置しかつその２等分直線が凸部１内部から外部に向かう方向により規定される凸部方向が同一になるようにそれぞれ配列されている。
本実施形態１では、上記配置に加えさらに、凸部１の底面を含む平面において任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が必ずいずれかの凸部１内を通過するように凸部１の大きさは設定される。
このように凸部１の大きさが設定されかつ図２に示すように配列された複数の凸部１を有するサファイア基板を用いて、その複数の凸部１が形成された一方の主面上に、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２０を構成して、窒化物半導体発光素子を構成すると、発光層２３で発光した光のうちサファイア基板側に出射された光は、隣接する凸部１間に位置する基板表面に対して平行にかつ基板表面に近接して伝搬する光Ｌ１がどのような方向に伝搬した場合であっても少なくとも１つの凸部１によって反射される。
したがって、本実施形態１のサファイア基板を用いて構成された窒化物半導体発光素子は、上記配列された複数の凸部１があることによって側面から出射させることなく、出射方向に効率よく反射させることが可能になり、光の取り出し効率を高くできる。
また、本実施形態１のサファイア基板において凸部１は、上記配列により比較的密に配置されることになり、一方の主面に設けられた複数の凸部１のサファイア基板の一方の主面全体に対して占める割合が大きくなるので、低転位の窒化物半導体の成長が可能になり、窒化物半導体発光素子の発光効率を高くできる。
実施形態２．
図３の平面図には、本発明に係る実施形態２のサファイア基板における凸部１の配列を示している。
この図３の配列は、複数の凸部１によってそれぞれ構成された複数の行からなっており、同一行内に配列された凸部１は、その１つの頂点の角度を２等分する２等分直線が一直線上に位置しかつその２等分直線が凸部１内部から外部に向かう方向により規定される凸部方向が同一になるようにそれぞれ配列されており、奇数行の凸部１の配列方向と偶数行の凸部１の配列方向とは反対になっている。すなわち、各列における凸部１は隣接間で方向が反対になっている。
また、行に平行に任意の位置に直線を引いたとき、列に平行に任意の位置に直線を引いた場合のいずれの場合であっても、それらの直線がいずれかの凸部１の内部を通過するように各凸部１の底面の大きさが設定されている。
このように凸部１の大きさが設定されかつ図３に示すように配列された複数の凸部１を有するサファイア基板を用いて、その複数の凸部１が形成された一方の主面上に、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２０を構成して、窒化物半導体発光素子を構成すると、発光層２３で発光した光のうちサファイア基板側に出射された光は、隣接する凸部１間に位置する基板表面に対して平行にかつ基板表面に近接して伝搬する光Ｌ１がどのような方向に伝搬した場合であっても少なくとも１つの凸部１によって反射される。
したがって、本実施形態２のサファイア基板を用いて構成された窒化物半導体発光素子は、複数の凸部１によって側面から出射させることなく、出射方向に効率よく反射させることが可能になり、光の取り出し効率を高くできる。
また、本実施形態２のサファイア基板において凸部１は、上記配列によって比較的密に配置され、一方の主面に設けられた複数の凸部１の底面が、サファイア基板の一方の主面全体に対して占める占有面積が大きくなるので、低転位の窒化物半導体の成長が可能になり、窒化物半導体発光素子の発光効率を高くできる。
実施形態３．
図４の平面図には、本発明に係る実施形態３のサファイア基板における略三角錐形状の凸部１の配列を示している。本実施形態３において、複数の凸部１は、それぞれ正五角形の頂点と中心とに、その底面の重心が一致するように配置された６個の凸部１からなるグループＧ１が一定の規則にしたがって繰り返し配置されている。
本実施形態３において、６個の凸部１が配置された正五角形は、回転することなく、平行移動させることにより、他の正五角形に重ね合わせることができるような向き（同じ向き）に配置されている。
また、正五角形の配列は、各正五角形の中心が三角格子点の頂点と一致するように、かつ隣接するグループＧ１間で凸部１が離れて重なることがないように配置される。
さらに、各凸部１の大きさは、一方の主面上に任意に直線を引いたとき、その直線がいずれかの凸部１の内部を通過するように各凸部１の底面の大きさが設定されている。
このように凸部１の大きさが設定されかつ図４に示すように配列された複数の凸部１を有するサファイア基板を用いて、その複数の凸部１が形成された一方の主面上に、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２０を構成して、窒化物半導体発光素子を構成すると、発光層２３で発光した光のうちサファイア基板側に出射された光は、隣接する凸部１間に位置する基板表面に対して平行にかつ基板表面に近接して伝搬する光Ｌ１がどのような方向に伝搬した場合であっても少なくとも１つの凸部１によって反射される。
したがって、本実施形態３のサファイア基板を用いて構成された窒化物半導体発光素子は、複数の凸部１によって側面から出射させることなく、出射方向に効率よく反射させることが可能になり、光の取り出し効率を高くできる。
また、本実施形態３のサファイア基板において凸部１は、上記配列によって比較的密に配置され、一方の主面に設けられた複数の凸部１の底面が、サファイア基板の一方の主面全体に対して占める占有面積が大きくなるので、低転位の窒化物半導体の成長が可能になり、窒化物半導体発光素子の発光効率を高くできる。
実施形態４．
図５の平面図には、本発明に係る実施形態４のサファイア基板における凸部１の配列を示している。本実施形態４のサファイア基板は、実施形態３と同様、正五角形の頂点と中心とに配列された６個の凸部１からなるグループＧ１を複数有している点は、実施形態３と同様であるが、グループＧ１を繰り返し配置する際の規則が異なっている。
すなわち、実施形態４のサファイア基板では、図５に示すように、第１行（図面上最も上の行）に配列された複数のグループＧ１は、凸部１の配置を決定する正五角形が同じ向きなるように並置される。
また、次の第２行に配列された複数のグループＧ１は、第１行に配列されたグループＧ１に対して、その各グループＧ１の配置を決定する正五角形が第１行に配列されたグループＧ１の配置を決定する正五角形と反対向きなるように並置される。
このとき、第１行に配置されたグループＧ１の配置を決定する正五角形の中心と第２行に配置されたグループＧ１の配置を決定する正五角形の中心とが三角格子の頂点に位置するように、第１行に配置されたグループＧ１と第２行に配置されたグループＧ１の配置位置が設定される。
さらに、第３行と第４行における配置は、図５に示すように、第３行と第４行とが線対称になるように設定される。以下第１行〜第４行と同様の配置を繰り返すことにより実施形態４のサファイア基板における凸部１の配列は設定される。
尚、各凸部１の大きさは、実施形態３と同様に一方の主面上に任意に直線を引いたとき、その直線がいずれかの凸部１の底面の内部を通過するように各凸部１の底面の大きさが設定される。
このように凸部１の大きさが設定されかつ図５に示すように配列された複数の凸部１を有する実施形態４のサファイア基板を用いて構成された窒化物半導体発光素子は、複数の凸部１によって側面から出射させることなく、出射方向に効率よく反射させることが可能になり、光の取り出し効率を高くできる。
また、本実施形態４のサファイア基板において凸部１は、上記配列によって比較的密に配置され、一方の主面に設けられた複数の凸部１の底面が、サファイア基板の一方の主面全体に対して占める占有面積が大きくなるので、低転位の窒化物半導体の成長が可能になり、窒化物半導体発光素子の発光効率を高くできる。
実施形態５．
図６の平面図には、本発明に係る実施形態５のサファイア基板における凸部１の配列を示している。本実施形態５において、複数の凸部１は、それぞれ正五角形の頂点と中心とに、その底面の重心が一致するように配置された６個の凸部１からなるグループＧ１が実施形態３及び４とは異なる規則にしたがって繰り返し配置されている。
本実施形態５において、同じ列に配列されたグループＧ１は回転することなく同じ方向に配列されるが隣接する列間においてグループＧ１は逆向きに配列される。
また、偶数列に配置されるグループＧ１は奇数列に配置されるグループＧ１よりやや下方に配置される。その結果、各行に配列されるグループＧ１は、隣接間において向きが逆になり、各行におけるグループＧ１の配置を決定する正五角形の中心を結ぶ線は屈曲した線(ジグザグライン)になる。
さらに、各凸部１の大きさは、凸部１の底面を含む平面上に任意に直線を引いたとき、その直線がいずれかの凸部１の内部を通過するように各凸部１の底面の大きさが設定されている。
このように凸部１の大きさが設定されかつ図６に示すように配列された複数の凸部１を有するサファイア基板を用いて、その複数の凸部１が形成された一方の主面上に、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２０を構成して、窒化物半導体発光素子を構成すると、発光層２３で発光した光のうちサファイア基板側に出射された光は、隣接する凸部１間に位置する基板表面に対して平行にかつ基板表面に近接して伝搬する光Ｌ１がどのような方向に伝搬した場合であっても少なくとも１つの凸部１によって反射される。
したがって、本実施形態５のサファイア基板を用いて構成された窒化物半導体発光素子は、複数の凸部１によって側面から出射させることなく、出射方向に効率よく反射させることが可能になり、光の取り出し効率を高くできる。
また、本実施形態５のサファイア基板において一方の主面に設けられた複数の凸部１の底面が、サファイア基板の一方の主面全体に対して占める占有面積が大きくなるので、低転位の窒化物半導体の成長が可能になり、窒化物半導体発光素子の発光効率を高くできる。
実施形態６．
図７の平面図には、本発明に係る実施形態６のサファイア基板における凸部１の配列を示している。本実施形態６において、複数の凸部１は、それぞれ正八角形の頂点に配置した８個の凸部１とその凸部１より大きい凸部からなり正八角形の中心に配置した凸部２からなるグループＧ１０が一定の規則にしたがって繰り返し配置されている。
本実施形態６において、グループＧ１０は直交する行と列の２方向に繰り返し配列されており、同一行内で隣接する２つのグループＧ１０間及び同一列内で隣接する２つのグループＧ１０間においてそれぞれ２つの凸部１を共有している。
また、各凸部１の大きさと凸部２の大きさは、凸部１の底面を含む平面上に任意に直線を引いたとき、その直線がいずれかの凸部１または凸部２の内部を通過するように設定されている。
このように凸部１の大きさと凸部２の大きさとが設定されかつ図７に示すように配列された複数の凸部１を有するサファイア基板を用いて、その複数の凸部１が形成された一方の主面上に、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２０を構成して、窒化物半導体発光素子を構成すると、発光層２３で発光した光のうちサファイア基板側に出射された光は、隣接する凸部１間に位置する基板表面に対して平行にかつ基板表面に近接して伝搬する光Ｌ１がどのような方向に伝搬した場合であっても少なくとも１つの凸部１によって反射される。
したがって、本実施形態６のサファイア基板を用いて構成された窒化物半導体発光素子は、複数の凸部１と凸部２とによって側面から出射させることなく、出射方向に効率よく反射させることが可能になり、光の取り出し効率を高くできる。
また、本実施形態６のサファイア基板において一方の主面に設けられた複数の凸部１の底面が、サファイア基板の一方の主面全体に対して占める占有面積が大きくなるので、低転位の窒化物半導体の成長が可能になり、窒化物半導体発光素子の発光効率を高くできる。
実施形態７．
図９の平面図には、本発明に係る実施形態７のサファイア基板における凸部１の形状及び配列を示している。
図９に示すように、実施形態７の凸部１は、底面及び上面が以下のように変形された変形三角錘台形状であり、これにより、基板表面に対して平行でかつ基板表面に近接して伝搬する光Ｌ１がどのような方向に伝搬した場合であっても効果的に凸部１によって反射されるような複数の凸部１の配置を容易に実現でき、光の取り出し効率を向上させることが可能になる。
＜凸部１の形状＞
実施形態７の凸部１の底面は、各辺１１，１２，１３が中央部に窪みを有する略三角形状である。
具体的には、辺１１は、それぞれ外側に膨らんだ２つの曲線１１ａ，１１ｂからなり、その接続部分に窪みが形成されている。同様に辺１２は、それぞれ外側に膨らんだ２つの曲線１２ａ，１２ｂからなり、その接続部分に窪みが形成され、辺１３は、それぞれ外側に膨らんだ２つの曲線１３ａ，１３ｂからなり、その接続部分に窪みが形成されている。
また、実施形態７の凸部１の上面も、各辺の中央部に窪みを有する底面とほぼ相似形状の略三角形状である。
そして、実施形態７の凸部１において、底面と上面の間の傾斜した側面には、上面の頂点と底面の頂点をそれぞれ結ぶ尾根と、底面の窪みの最深部と上面の窪みの最深部とをそれぞれ結ぶ谷が形成されている。
実施形態７では、以上のように構成された凸部１は、隣接する凸部間において、一方の凸部１はその底面の頂点の１つが他方の凸部１の底面の２つの頂点とその間にある窪みの最深点を結ぶ近接領域内に位置する（入り込む）ように配置される。
このようにすると、凸部１の底面を含む平面において任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が必ずいずれかの凸部１内を通過するようにできる。
また、本実施形態７では、近接領域内に位置する一方の凸部１の頂点の角度を２等分する線の延長線上に他方の凸部１の窪みの最深部が位置するように配置されていることがさらに好ましい。
また、凸部１はそれぞれ、窪みと、その窪みを含む辺に対する頂点とを結ぶ直線に対して線対称の形状であることが好ましく、これにより容易に上記配置を実現できる。
以上のように凸部１の形状及び配置が設定された実施形態７のサファイア基板を用いて窒化物半導体発光素子を構成すると、基板表面に対して平行でかつ基板表面に近接して伝搬する光Ｌ１がどのような方向に伝搬した場合であっても凸部１によって反射されるようにできる。
したがって、本実施形態７のサファイア基板を用いて構成された窒化物半導体発光素子は、複数の凸部１によって側面から出射させることなく、出射方向に効率よく反射させることが可能になり、光の取り出し効率を高くできる。
また、本実施形態７のサファイア基板において一方の主面に設けられた複数の凸部１の底面が、サファイア基板の一方の主面全体に対して占める占有面積が大きくなるので、低転位の窒化物半導体の成長が可能になり、窒化物半導体発光素子の発光効率を高くできる。
さらに、本実施形態７のサファイア基板では、例えば、三角錐形状の凸部に比較して、凸部１の高さを低くできるので、複数の凸部１が形成された一方の主面上に下地層２１を成長させる際、原料ガスを窒化物半導体層の成長表面（凸部１の間に位置するサファイア基板表面）にほぼ均一に供給することが可能になる。
これにより、窒化物半導体層の成長表面から均一に凸部１を覆う横方向成長させることが可能になるとともに、凸部１の高さを低くできることから比較的薄い下地層２１によって平坦な表面が得られる。
本実施形態７における花弁形状の凸部１は、基板の結晶形態及び凸部１が形成される基板表面の面方位、マスク形状及び寸法、エッチング条件を目的形状に応じて設定することにより形成することができる。
図８には、図９に示す凸部１をサファイア基板のＣ面上に形成する際のマスクＭ１の一例を示している。この例のマスクＭ１は、中心から１２０度ずつ異なる３方向に延びる同一長同一幅の３つの脚部からなる（三脚形状）。
このような三脚形状のマスクＭ１を用いて、サファイア基板のＣ面表面を硫酸やリン酸によってウェットエッチングすると、マスクＭ１の直下に凸部１の上面１ｂがマスクＭ１の形状が変形された形に形成され、凸部１の上面の端を上端とする傾斜側面１ａが形成される。
すなわち、凸部１の上面の形状は、エッチングが進むにつれて結晶形態に起因するエッチング速度の方向依存性の影響を受け、マスクＭ１の三脚形状がエッチング特性に依存して変形された形状になる。これにより、各辺の中央部に窪みを有しかつ尖った頂点を有する略三角形状となる。
同様に、凸部１の底面もマスクＭ１の三脚形状がエッチング特性に依存して変形された、各辺の中央部に窪みを有しかつ尖った頂点を有する上面とほぼ相似形の略三角形状となる。
さらに、結晶形態に起因するエッチング速度の方向依存性により、底面と上面の間の傾斜した側面には、上面の頂点と底面の頂点をそれぞれ結ぶ尾根１ｒと、底面の窪みの最深部と上面の窪みの最深部とをそれぞれ結ぶ谷１２ｃが形成される。
また、マスクＭ１の脚部の先端部分（脚先端）にはそれぞれ、脚先端より外側に突出した尾根１ｒとその尾根１ｒの両側に傾斜方向が異なる傾斜面が形成される。したがって、隣接するマスクＭ１間において、一方のマスクＭ１の２つの脚先端の角を結ぶ直線に他方のマスクＭ１の１つの脚部の脚先端が近接、又は一致するように複数のマスクＭ１を形成することにより、複数の凸部１は、隣接する凸部１間において、一方の凸部１の頂点が他方の凸部１の２つの頂点とその間にある窪みの最深点を結ぶ領域内に位置する（入り込む）ように形成される。
尚、凸部１の向きは、凸部１が形成されるサファイア基板表面のＣ面からのオフ角を変更することにより所望の向きに設定することができる。
以上の実施形態７では、実施形態１と同様の凸部配列の例により説明したが、実施形態２〜６で説明した配列を適用することも可能である。
変形例．
以上の実施形態１〜７では、底面が略多角形（特に、略三角形）である略多角錐形状（特に、略三角錐形状）の凸部について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１０に示すように、中央部で屈曲した「く」の字型の底面形状の凸部３１であっても良いし、図１１に示すような十字の底面形状の凸部３２であっても良い。
図１０の底面が「く」の字形状の凸部３１によれば、底面の少なくとも１つの辺が中央部に窪みを有していることで、複数の凸部３１を、凸部３１が形成されたサファイア基板表面において、任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が少なくともいずれかの凸部３１内を通過するように配置することができる。
また、底面の各辺はそれぞれ中央部に窪みを有している十字の底面形状の凸部３２（図１１）であっても、複数の凸部３２を、凸部３２が形成されたサファイア基板表面において、任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が少なくともいずれかの凸部３２内を通過するように配置することができる。
実施形態８．
図１２の平面図には、本発明に係る実施形態８のサファイア基板における凸部４０の形状及び配列を示している。
この実施形態８の凸部４０は、実施形態７の凸部１を１８０度回転させた向きに形成している。ここで、本明細書において、凸部の向きは、図１５に示すように、サファイア基板のオリフラ（Ａ面）１００を基準にして規定する。
すなわち、実施形態８の凸部４０と実施形態７の凸部１は、いずれも凸部の方向（略三角形状の底面において、その略三角形状の中心から頂点に向かう３方向）がａ軸と直交するように形成されているが、凸部の方向が逆方向に向いている。その結果、実施形態７の凸部１における上記３方向は、図１５に示すａ軸（ａ１軸、ａ２軸及びａ３軸）を反時計回り（左回り）に３０度回転させたものと一致するのに対して、実施形態８の凸部４０における上記３方向は、図１５に示すａ軸（ａ１軸、ａ２軸及びａ３軸）を時計回り（右回り）に３０度回転させたものと一致する。
このような凸部１が１８０度回転された実施形態８の凸部４０は、図１３に示す上記３方向と一致する３方向に延びたマスクＭ４５をサファイア基板のＣ面上に形成して、エッチングすることにより形成することができる。
このように１８０度回転させると、a軸に平行方向にエッチングされる面はc面に対して角度が鈍角になり、逆に垂直方向にエッチングされる面はc面に対して角度が鋭角になることから、エッチングにより形成される凸部４０の形状は凸部１とは後述するように、異なった形状になる。
以上のようにして形成された実施形態８の凸部４０は、底面が略三角形であり、かつその底面の各辺がそれぞれ中央部に窪みを有している点では実施形態７の凸部１と同様であるが、図９と図１２を比較することにより理解できるように、凸部４０において全体の表面積に占める傾斜側面４０ａの割合が大きくなっており、上面４０ｂが占める割合が相対的に小さくなっている。また、実施形態８において、隣接する２つの凸部４０間に着目すると、一方の凸部４０の突出した部分の外周形状が他方の凸部４０の窪んだ辺と同じような形状になっており、一方の凸部４０の突出した部分と他方の凸部４０の窪んだ辺との間にはサファイア基板Ｃ面がほぼ同じ幅になる形成されている。これにより、実施形態７では３つの凸部１間のサファイア基板Ｃ面が略三角形に拡がっているのに対して、実施形態８のサファイア基板では、３つの凸部４０間に位置するサファイア基板Ｃ面は、ほぼ同じ幅になるように形成されて狭くなっている。このように、実施形態８の凸部４０は、凸部４０の底面の面積を、実施形態７の凸部１の底面の面積より広くでき、その結果、凸部４０間のサファイア基板Ｃ面の面積を小さくできる。
したがって、実施形態８の凸部４０が形成されたサファイア基板表面に窒化物半導体を成長させると、横方向に成長される窒化物半導体の比率を高くでき、成長された窒化物半導体の転位を減らすことができる。
以上のように、実施形態８のサファイア基板は、凸部４０の底面の各辺はそれぞれ中央部に窪みを有していて、サファイア基板表面に任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が少なくともいずれかの凸部３２内を通過するように配置することができることに加え、横方向に成長される窒化物半導体の比率を高くでき、成長された窒化物半導体の転位を減らすことができる。
以上の実施形態８では、最も好ましい例として、凸部４０における上記３方向を、ａ軸（ａ１軸、ａ２軸及びａ３軸）を時計回り（右回り）に３０度回転させたものと一致させた。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、凸部４０における上記３方向を、ａ軸を時計回りに３０度回転させた方向の±１０度の範囲とすることにより実施形態８と同様の作用効果が得られる。
実施形態９．
図１４の平面図には、本発明に係る実施形態９のサファイア基板における凸部５０の形状及び配列を示している。
この実施形態９のサファイア基板における凸部５０は、実施形態８の凸部４０と同様、実施形態７の凸部１を１８０度回転させた向きに形成されているが、凸部５０の上面５０ｂの構成が実施形態８の凸部４０の上面４０ｂとは異なっている。具体的には、実施形態９の上面５０ｂは、凸部５０の中央部で窪んでおり、上面５０ｂがサファイアＣ面から傾斜した面になっている。
このように形成された複数の凸部５０を一方の主面に有する実施形態９のサファイア基板は、実施形態８のサファイア基板と同様、凸部５０の傾斜側面５０ａの割合を増やして凸部５０間のサファイア基板Ｃ面の面積を減少させることができ、サファイアＣ面から傾斜した面である凸部５０の上面５０ｂにおける窒化物半導体の成長も抑制できる。これにより、実施形態９のサファイア基板は、一方の主面全体に占めるＣ面の面積をさらに減少させることができることから、より貫通転位の少ない窒化物半導体の成長が可能になることに加えて以下のような利点がある。
すなわち、凸部の上面に窒化物半導体が成長すると凸部の高さが高くなって、通常斜めから供給される原料ガスの供給が凸部によって遮られて凸部の根元に空孔（ボイド）が発生し易くなる。これに対して、本願のように凸部５０の上面５０ｂにおいて少なくとも一部、好ましくは全体をサファイアＣ面ではない面とすると、上面５０ｂにおける窒化物半導体の成長が抑えられ、空孔（ボイド）の発生を抑えることができる。またさらに、実施形態９のサファイア基板は、凸部上面の中央部に窪みが形成されているので、凸部底面の窪み部分にも十分原料ガスが到達し、より効果的に空孔（ボイド）の発生を抑えることができる。このサファイアＣ面ではない面からなる上面５０ｂを有する凸部５０は、マスク形状を適宜調整することにより作製することができる。また、凸部５０間のサファイア基板Ｃ面の面積を増加させることなく、上面５０ｂをサファイアＣ面ではない面とするためには、マスクの間隔を適宜調整すればよい。
実施形態１０．
図１６Ａの平面図には、本発明に係る実施形態１０のサファイア基板における凸部６０の形状及び配列を示している。また、図１６Ｂには、図１６Ａの凸部６０を拡大して示している。図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、凸部６０は、傾斜側面６０ａと上面６０ｂとを有してなる。
この実施形態１０のサファイア基板において、凸部６０は、実施形態７の凸部１を時計回りに３０度回転させた向きに形成している。
すなわち、実施形態１０の凸部６０は、図１８（ａ）及び図１８（ｃ）に示すように、凸部６０の略三角形状の底面において中心から頂点に向かう３方向がａ軸と一致するように形成されている。実施形態１０のサファイア基板において、複数の凸部６０は、ａ軸と一致する方向に配列されている。
この凸部６０は、中心から先端に向かう３方向がａ軸と一致するように形成されたマスクＭ６５をサファイア基板Ｃ面上にａ軸と一致する方向に形成して、エッチングすることにより形成することができる。このように形成されたマスクＭ６５を用いてサファイア基板をエッチングすると、エッチングされ易い方向とエッチングされ難い方向ができるために（エッチング異方性が現れる）、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、ａ軸の片側で傾斜側面の幅Ａがもう一方の傾斜側面の幅Ｂより大きくなり傾斜側面６０ａの面積が大きくなる。その結果、凸部６０間に形成されるサファイア基板Ｃ面の面積を小さくでき、窒化物半導体を成長させる際の貫通転位を少なくできる。
さらに、実施形態１０のサファイア基板では、凸部６０が中心から先端に向かう３方向に延びる延在部がａ軸と一致するように形成されているので、凸部６０間のＣ面から成長した窒化物半導体の凸部６０を覆う横方向成長が早くなり、成長される窒化物半導体の平坦化が促進され、より平坦な窒化物半導体層を形成することが可能になる。
詳細に説明すると、サファイアＣ面上に成長させる窒化物半導体は、図１８（ｄ）に示すように、ａ軸方向の成長が遅く、ａ軸から３０度回転した方向の成長が早くなる。その結果、ａ軸に直交する方向の窒化物半導体の成長が早くなる。したがって、凸部６０のａ軸と一致する方向に伸びた延在部はその両側から成長した窒化物半導体によって速やかに覆われることになる（図１８（ｃ））。
以上のように、実施形態１０のサファイア基板によれば、窒化物半導体を成長させる際の貫通転位を少なくでき、かつより平坦な窒化物半導体層を形成することが可能になる。
以上の実施形態１０では、最も好ましい例として、凸部６０における上記３方向を、ａ軸に一致させた。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、凸部６０における上記３方向を、ａ軸の±１０度の範囲とすることにより実施形態１０と同様の作用効果が得られる。
実施形態１１．
図１９の平面図には、本発明に係る実施形態１１のサファイア基板における凸部７０の形状及び配列を示している。
この実施形態１１のサファイア基板における凸部７０は、実施形態７における花弁形状の凸部１が中央部で分離された形態のサブ凸部７０ｓ１とサブ凸部７０ｓ２とサブ凸部７０ｓ３からなる。凸部７０が中央部で分離されることによって、この実施形態１１のサファイア基板の一方の主面には、サブ凸部７０ｓ１，７０ｓ２，７０ｓ３の間には光が直進し得る三角形状の部分が形成されるが、３つのサブ凸部７０ｓ１，７０ｓ２，７０ｓ３は近接している。したがって、実施形態１１における凸部７０の構成であっても、実施形態７における花弁形状の凸部１と同様、凸部７０が形成されたサファイア基板表面において、任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が少なくともいずれかの凸部７０内を通過するように凸部７０を配置することができる。
以上の中央部で分離された凸部７０は、図２０に示すような、中央部で分離されたマスクＭ７０ａ１，Ｍ７０ａ２，Ｍ７０ａ３からなるマスク７０を所定の配列で形成して、サファイア基板をエッチングすることにより形成することができる。尚、分離される部分の形状は、図２０に示すように、マスクＭ７０ａ１，Ｍ７０ａ２，Ｍ７０ａ３の向かい合う先端部分の形状により調整することができる。
以上のように構成された実施形態１１のサファイア基板では、一方の主面にサブ凸部７０ｓ１，７０ｓ２，７０ｓ３に分離された凸部７０が形成されている。これにより、凸部７０が形成されたサファイアＣ面上に窒化物半導体を成長させる際、凸部７０の中央部で原料ガスの供給が阻害されることがなく、ボイドの発生を防止することができる。
実施形態１２．
図２１の平面図には、本発明に係る実施形態１２のサファイア基板における凸部８０の形状及び配列を示している。
この実施形態１２のサファイア基板における凸部８０は、実施形態８における花弁形状の凸部４０が中央部で分離された形態のサブ凸部８０ｓ１とサブ凸部８０ｓ２とサブ凸部８０ｓ３からなる。凸部８０が中央部で分離されることによって、この実施形態１２のサファイア基板の一方の主面には、サブ凸部８０ｓ１，８０ｓ２，８０ｓ３の間には光が直進し得る隙間が形成されるが、３つのサブ凸部８０ｓ１，８０ｓ２，８０ｓ３は近接している。したがって、実施形態１２における凸部８０の構成であっても、実施形態８における花弁形状の凸部４０と同様、凸部４０が形成されたサファイア基板表面において、任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が少なくともいずれかの凸部８０内を通過するように凸部８０を配置することができる。
以上の中央部で分離された凸部８０は、図２２に示すような、中央部で分離されたマスクＭ８０ａ１，Ｍ８０ａ２，Ｍ８０ａ３からなるマスク８０を所定の配列で形成して、サファイア基板をエッチングすることにより形成することができる。尚、分離される部分の形状が図１９に示す実施形態１１と異なる理由は、実施形態１２の凸部８０は、実施形態１１の凸部７０を１８０度回転させた向きに形成するものであるため、サファイア基板のエッチング速度の方向異方性によるものである。
以上のように構成された実施形態１２のサファイア基板では、一方の主面にサブ凸部８０ｓ１，８０ｓ２，８０ｓ３に分離された凸部８０が形成されている。これにより、凸部８０が形成されたサファイアＣ面上に窒化物半導体を成長させる際、凸部８０の中央部で原料ガスの供給が阻害されることがなく、ボイドの発生を防止することができる。
１，２，３１，３２，４０，５０，６０，７０，８０ 凸部
１ａ，４０ａ，５０ａ，６０ａ，７０ａ，８０ａ 凸部の傾斜側面
１ｂ，４０ｂ，５０ｂ，６０ｂ，７０ｂ，８０ｂ 凸部の上面
１０ サファイア基板
１１，１２，１３ 凸部の底面の辺
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ 曲線
２０ 半導体積層構造
２１ 下地層
２２ 第１導電型層（ｎ型層）
２３ 活性層（発光層）
２４ 第２導電型層（ｐ型層）
Ｍ１，Ｍ４５，Ｍ６５，Ｍ７０，Ｍ８０ マスク
７０ｓ１，７０ｓ２，７０ｓ３，８０ｓ１，８０ｓ２，８０ｓ３ サブ凸部
１００ オリフラ

Claims (13)

  1. 一方の主面に複数の凸部を備え、その一方の主面に窒化物半導体が成長され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、
    前記複数の凸部の底面はそれぞれ略多角形であり、その底面の各辺がそれぞれ中央部に窪みを有することにより、前記複数の凸部のそれぞれは、該凸部の中心から先端に向かって延びる延在部を有しており、
    前記延在部の延伸方向がそれぞれサファイア結晶のａ軸の±１０度の範囲にあることを特徴とするサファイア基板。
  2. 前記複数の凸部を、その複数の凸部の底面が含まれる平面において任意の位置に任意の方向に直線を引いたとき、その直線が少なくともいずれかの凸部内を通過するように配置したことを特徴とする請求項１に記載のサファイア基板。
  3. 前記凸部はそれぞれ、略多角錐形状又は多角錐台形状である請求項１又は２に記載のサファイア基板
  4. 前記複数の凸部は、隣接する凸部間において、一方の凸部はその底面の１つの頂点が他方の凸部の底面の２つの頂点とその間にある窪みの最深点を結ぶ領域内に位置するように配置されている請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のサファイア基板。
  5. 前記凸部はそれぞれ、各底面とそれぞれ略相似形状の上面を有する請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載のサファイア基板。
  6. 前記凸部の底面はそれぞれ略三角形である請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載のサファイア基板。
  7. 前記複数の凸部は、それぞれ正ｎ角形の頂点と中心とに配置された（ｎ＋１）個の凸部からなるグループが繰り返し配置された請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載のサファイア基板。
  8. 前記グループは、隣接するグループ間で一部の凸部を共有している請求項７記載のサファイア基板。
  9. 前記複数の凸部はそれぞれ、凸部の中心から３方向に延びた３つのサブ凸部からなり、その３つのサブ凸部は前記中心を含む中央部で分離されている請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載のサファイア基板。
  10. 前記複数の凸部は、当該サファイア基板の主面に対して傾斜した側面を有し、上面視において、前記サファイア結晶のa軸の片側にある前記凸部の側面の幅が、前記a軸の反対側にある前記凸部の側面の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載のサファイア基板。
  11. 前記複数の凸部のそれぞれは、該凸部の中心から先端に向かって、３方向に延びる延在部を有することを特徴とする請求項１〜８、１０のうちのいずれか１つに記載のサファイア基板。
  12. 請求項１〜１１のうちのいずれか１つに記載のサファイア基板の一方の主面上に窒化物半導体を成長させることにより窒化物半導体層が形成された半導体発光素子。
  13. 前記窒化物半導体として、下地層、ｎ型層、活性層、ｐ型層が順に積層された構造を有し、前記下地層が平坦な表面を有することを特徴とする請求項１２に記載の半導体発光素子。
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