JP6024533B2 - 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

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 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及びその製造方法並びに窒化物半導体発光素子に関する。
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において活性層で発生した光は、サファイア基板とは反対側、あるいはサファイア基板側から取り出されるが、発生した光は出射側とは逆の方向にも放射される。従って、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である。
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半導体発光素子の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が形成された面上に窒化物半導体結晶を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ことが記載されている。
特開２００８−１７７５２８号公報
しかし、本発明者らによる研究の結果、発光ダイオードの高出力化が進むにつれて、従来の発光ダイオードでは認められなかったような結晶欠陥による問題が顕在化することがわかってきた。また、発光ダイオードの光取り出し効率の更なる向上が望まれている。
そこで、本発明は、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ことを目的とする。
本発明は更に、結晶性に優れた窒化物半導体で構成され、且つ光取り出し効率に優れた窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
図１に、従来の凸部の一例を示す（特許文献１参照）。図１に示す凸部は、底面が略三角形である略三角錐台形状であり、凸部の頂部は、隣接する凸部間に位置する平面に対して平行な平面１０４になっている。底面の各辺１０１、１０２及び１０３はそれぞれ、外側に湾曲した円弧状である。頂部における平面１０４は、窒化物半導体が成長可能な結晶成長面であり、一方、３つの側面１０１ｋ、１０２ｋ及び１０３ｋはそれぞれ、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。このような凸部を周期的に配置したサファイア基板を用いることにより、結晶性の優れた窒化物半導体を成長させることができ、高い光取り出し効率を有する窒化物半導体発光素子を得ることができる。
上述の従来の凸部を周期的に配置したサファイア基板は、凸部の高さを大きくすると光取り出し効率を更に向上させることができる。しかし、本発明者らの研究の結果、従来の凸部において凸部高さを大きくすると、その上に成長させた窒化物半導体においてボイド（空隙）が発生しやすくなることが明らかとなった。また、従来の凸部においては、凸部の上面から転位が発生するという問題もあった。
そこで、発明者らは鋭意研究の結果、先端が尖っている略錐形状の凸部であって、凸部の底面に対して５３〜５９°の傾斜角を有する側面で構成されている凸部をサファイア基板上に複数設けることによって、光取り出し効率の向上と窒化物半導体の優れた結晶性とを両立することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明は、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に関する。
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ることが好ましく、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ことが好ましい。前記凸部の底面は、より好ましくは略三角形である。
前記凸部の高さは、１．０〜１．７μｍであることが好ましい。
前記凸部は、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ことが好ましい。更に、前記凸部は、前記一方の主面上において周期的に配置されていることが好ましく、より好ましくは三角形格子、四角形格子又は六角形格子の頂点に配置されている。
隣接する前記凸部の先端間の距離は、好ましくは２．２〜３．１μｍであり、より好ましくは２．８〜３．１μｍである。
隣接する凸部間に位置する基板表面は結晶成長面であり、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は、好ましくは２５〜５０％であり、より好ましくは３０〜４５％である。
本発明は更に、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、方法に関する。
本発明は更に、上述のいずれか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に関する。
本発明のサファイア基板により、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、特にサファイア基板と反対の側かつ基板に対して垂直な方向からの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。
また、本発明のサファイア基板の製造方法により、結晶性に優れた窒化物半導体の成長が可能であるサファイア基板を得ることができ、そのサファイア基板を用いることにより、光取り出し効率、特にサファイア基板と反対の側かつ基板に対して垂直な方向からの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。
更に、本発明の窒化物半導体発光素子は上記特徴を有しているので、結晶性に優れた窒化物半導体で構成され、且つ光取り出し効率、特にサファイア基板と反対の側かつ基板に対して垂直な方向からの光取り出し効率に優れている。
図１（ａ）は、従来の凸部の一例の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す凸部の線Ａ−Ａ’についての断面図である。 図２は、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図である。 図３（ａ）は、本発明の一の実施形態における凸部の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す凸部の斜視図である。 図４は、実施形態の窒化物半導体発光素子における凸部の配列の一例を示す平面図である。 図５は、実施形態の窒化物半導体発光素子における凸部の配列の別の一例を示す平面図である。 図６は、本発明のサファイア基板の製造方法の各工程を模式的に示す図である。 図７（ａ）は、実施例のサファイア基板の上面からのＳＥＭ画像であり、図７（ｂ）は、実施例のサファイア基板の断面のＳＥＭ画像である。 図８は、比較例のサファイア基板の上面からのＳＥＭ画像である。 図９は、比較例１に対する実施例１の発光装置の光束比を示すグラフである。 図１０は、比較例２に対する実施例２の発光装置の放射束比および光束比を示すグラフである。 図１１は、比較例３の凸部の断面ＳＥＭ画像である。 図１２（ａ）は、実施例３および比較例３の窒化物半導体発光素子の上面図であり、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）は、実施例３および比較例３の窒化物半導体発光素子の指向特性を示すグラフである。
以下、発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。特に、以下に説明する構成部品の寸法、材質、形状、相対的配置等は、特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。更に、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
［サファイア基板］
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は、一方の主面に複数の凸部を備えており、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。
本明細書において、「先端が尖っている」とは、凸部の先端において、隣接する凸部間に位置する基板表面と平行な面が実質的に存在しないか、あるいは凸部の先端から窒化物半導体が成長しない程度に、凸部の先端における隣接する凸部間に位置する基板表面と平行な面が小さいことをいう。
本明細書において、「略錐形」は、錐形に近似した形を意味する。同様に、「略三角錐形」、「略多角形」、「略三角形」および「略三角錐台形」はそれぞれ、三角錐形、多角形、三角形および略三角錐台形に近似した形状を意味する。具体的には、「略錐形（略三角錐）」は例えば、錐形（三角錐）の底面の各辺が外側に湾曲した円弧状であり且つ各側面が外側に湾曲した曲面である形状、錐形（三角錐）の底面の各辺が直線であり且つ各側面が平坦である形状、錐形（三角錐）の底面の各辺が内側に湾曲した円弧状であり且つ各側面が内側に湾曲した曲面である形状を含む。また、「略多角形（略三角形）」は例えば、多角形（三角形）の各辺が外側に湾曲した円弧状である形状、多角形（三角形）の各辺が直線である形状、多角形（三角形）の各辺が内側に湾曲した円弧状である形状を含む。
凸部を構成する側面の傾斜角が、隣接する凸部間に位置する基板表面に対して５３〜５９°と大きいことにより、窒化物半導体発光素子中で横方向に伝搬する光を凸部の側面において効果的に反射・回折することができ、特にサファイア基板と反対の側に、基板に対して垂直な方向へと光を反射することができる。その結果、特にサファイア基板と反対の側かつ基板に対して垂直な方向からの光取り出し効率を向上させることができる。
また、本願のサファイア基板は、凸部高さを大きくすることにより光取り出し効率を更に向上させることができると同時に、凸部高さを大きくした場合であっても優れた結晶性を有する窒化物半導体を成長させることができる。
以下、本発明のサファイア基板上において、優れた結晶性を有する窒化物半導体を成長させることができるメカニズムを説明する。本発明のサファイア基板において、基板上に設けられた凸部を構成する側面はそれぞれ、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。一方、隣接する凸部間に位置する基板表面は、例えばＣ面であり、窒化物半導体の成長が可能な結晶成長面である。窒化物半導体が結晶成長面から縦方向（サファイア基板に対して垂直な方向）に成長すると、基板の格子定数と窒化物半導体の格子定数の差に起因する結晶欠陥（転位）が成長方向に伸びて表面に現れる傾向にある。本発明のサファイア基板上に窒化物半導体を成長させると、窒化物半導体は、凸部間に位置する結晶成長面からは成長するが、凸部の側面からの成長は抑制され、窒化物半導体は実質的に成長しない。このため、凸部間の結晶成長面から成長した窒化物半導体は凸部の側面において横方向に成長し、成長が進むにつれて窒化物半導体は凸部１を覆うようになる。この横方向の結晶成長により、成長方向に伸びる結晶欠陥が窒化物半導体の内部に閉じ込められ、その結果、窒化物半導体表面に現れる結晶欠陥を減らすことができる。この結晶欠陥の少ない平坦な窒化物半導体表面上に更に窒化物半導体層を積層することにより、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が積層された発光素子構造を得ることができる。
本発明に係る凸部は、後述の図３に例示されるように、先端が尖っている略錐状であり、図１に示す従来の凸部とは異なり凸部の頂部に結晶成長面を有しない。図１に示す従来の凸部は、凸部の頂部に結晶成長面を有しているので、凸部高さを大きくすると、窒化物半導体の上述の横方向の成長が、凸部の頂部からの縦方向の成長によって妨げられる傾向にある。これに対し、本発明に係る凸部は、凸部高さを大きくした場合であっても、窒化物半導体の横方向の成長が凸部頂部からの縦方向の成長によって妨げられることがないので、窒化物半導体表面に現れる結晶欠陥を減らす効果が高い。
更に、本発明に係る凸部は先端の尖った略錐形状であり、また、凸部を構成する側面の傾斜角が５３〜５９°と大きいことにより、サファイア基板上において高密度に配置することができる。側面の傾斜角が小さい場合、凸部を高密度に配置しようとすると、凸部高さを小さくする必要がある。本発明は、凸部を構成する側面の傾斜角を大きくすることにより、凸部高さの大きい凸部をサファイア基板上に高密度に配置することができるものである。凸部を高密度に配置することにより、結晶成長面に対する結晶成長抑制面の面積比率が高くなるので、結晶成長抑制面を覆うように横方向に成長する窒化物半導体の比率が多くなり、成長方向に伸びる結晶欠陥が窒化物半導体の内部に閉じ込められ、その結果、表面に現れる結晶欠陥を減らすことができる。加えて、本発明のサファイア基板は凸部を高密度に配置することにより、入射した光が拡散されにくくなり、得られる窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。
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ることが好ましく、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ことが好ましい。凸部の底面は、より好ましくは略三角形である。凸部の側面は特に、外側に湾曲した曲面となっていることが好ましい。
図３に、本発明の一の実施形態に係る凸部を示す。この実施形態において、凸部１は略三角錐形状であり、その先端ｔ１は尖っている。凸部１は、３つの側面１１ｋ、１２ｋ及び１３ｋで構成される略三角錐形状になるように形成されている。凸部の底面は、外側に湾曲した円弧状の各辺１１、１２及び１３を有する略三角形であり、側面１１ｋ、１２ｋ及び１３ｋはそれぞれ、外側に湾曲した略三角形の曲面である。凸部１の３つの側面１１ｋ、１２ｋ、１３ｋはそれぞれ、隣接する凸部間に位置する基板表面に対して５３〜５９°の傾斜角を有している。側面１１ｋの傾斜角１４を、例として図３（ｂ）に示す。なお、図３（ｂ）から明らかであるように、本明細書において、凸部の側面の「傾斜角」は、凸部の先端ｔ１と凸部の底面の一辺１１、１２または１３の中点とを結ぶ線分と、凸部の底面との間の角度を意味する。
後述の図７（ｂ）からもわかるように、本発明における凸部の傾斜角は、凸部の頂点と凸部の底面の一辺の中点とを結ぶ線分上のいずれの地点においても、実質的に一定である。即ち、凸部の先端と、底面の各辺のいずれかの中点とを通る断面において凸部の側面が実質的に平坦である。
凸部の高さは、１．０〜１．７μｍであることが好ましい。凸部の高さをこのように設定することにより、優れた光取り出し効率を有する窒化物半導体発光素子を得ることができる。なお、本明細書において「凸部の高さ」とは、凸部の先端と凸部の底面との間の距離を意味する。
凸部を構成する側面は、結晶成長面と比較して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。サファイア基板上に設けられた結晶成長抑制面は、隣接する凸部間に存在する結晶成長面から成長した窒化物半導体の横方向の成長を促進して、結晶欠陥の少ない表面を有する窒化物半導体の形成を可能にする。従って、結晶成長抑制面を有する凸部は、サファイア基板において均一に分布していることが好ましく、互いに離れて配置されることが好ましい。
凸部は、より好ましくはサファイア基板上において周期的に配置される。凸部は、サファイア基板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ることが好ましい。凸部の具体的な配置としては、例えば図４に示す三角格子点配置及び図５に示す正方格子点配置の他、平行四辺形格子点配置、長方形格子点配置等の配置が挙げられる。三角格子点配置は、特に高密度配置にした場合に、発光層で発生した光の横方向の伝播を効果的に遮ることができるので、特に好ましい。なお、凸部は、サファイア基板の表面全体に同一の周期的配置にて形成してよく、または、基板上に形成する半導体素子構造の、例えば電極配置に応じて、サファイア基板の表面を区分する少なくとも２つの領域で異なる周期的配置にて形成してもよい。
隣接する凸部の先端間の距離（以下、凸部間距離と称する）は、好ましくは２．２〜３．１μｍであり、より好ましくは２．８〜３．１μｍである。凸部間距離をこのように設定することにより、サファイア基板上に成長させる窒化物半導体の結晶性が向上し、且つ得られる窒化物半導体発光素子の光取り出し効率が向上する。
本発明のサファイア基板において、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（以下、結晶成長面面積比と称する）は、好ましくは２５〜５０％であり、より好ましくは３０〜４５％である。結晶成長面面積比をこのように設定することにより、高い光取り出し効率を有する窒化物半導体発光素子を得ることができる。
［サファイア基板の製造方法］
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。
エッチングには、ウェットエッチングとドライエッチングとがあるが、本発明ではいずれのエッチング方法を用いてもよい。
ドライエッチングとして、具体的には気相エッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチングを用いることができ、その際のエッチングガスとしては、Ｃｌ系、Ｆ系ガス、例えばＣｌ２、ＳｉＣｌ４、ＢＣｌ３、ＨＢｒ、ＳＦ６、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８、ＣＦ４等の他、不活性ガスのＡｒ等が挙げられる。ドライエッチングにおいて用いることができるマスク材料は、ＳｉＯ２などの酸化膜またはＮｉなどの金属膜が挙げられる。
ウェットエッチングのエッチング溶液としては、リン酸若しくはピロリン酸、又はそれに硫酸を加えた混酸、又は水酸化カリウムを用いることができる。ウェットエッチングにおけるマスク材料は、基板材料及び使用するエッチング液に応じて適宜選択することができ、ＳｉＯ２等のケイ素酸化物の他、例えば、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌからなる群から選択される少なくとも１つの元素の酸化物、Ｓｉ、Ｂ、Ａｌからなる群から選択される少なくとも１つの元素の窒化物を用いることができる。
本発明のサファイア基板の製造方法の一の実施形態を、図６を参照して以下に説明する。
まず、サファイア基板１０のＣ面（０００１）上に、ＳｉＯ２膜１５等を成膜し（図６（ａ））、次いでパターニングする（図６（ｂ））ことによって、基板上に複数の円形のエッチングマスク１６を形成する。エッチングマスク１６を形成するサファイア基板表面１０の面方位、エッチングマスク１６の形状、寸法及び配置並びにエッチングマスク１６間の距離等は、目的とする複数の凸部の個数、形状及び配置に応じて適宜設定することができる。
次いで、サファイア基板１０をエッチングする。エッチングを開始すると、初期段階ではエッチングマスク１６が形成されていない部分がエッチングにより除去されてマスク形状がほぼそのまま反映された円形の凸部が形成されるが、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異方性（方向によりエッチングが進む速度が異なること）の影響を受けることになり、結晶形態が反映された形状になっていく。
具体的には、エッチングの進行方向によってエッチング速度が異なることから結晶形態が反映されてエッチングが進み、底部の３つの頂点と三角錐の稜線が徐々に明確になり、円形のエッチングマスク１６の下に略三角錐台形状の凸部が形成される。この略三角錐台形状の凸部の上面は、略三角形状にエッチングされており且つアンダーカットによりエッチングマスク１６より面積は小さくなる。また、凸部の底面及び上面は、外側に湾曲した円弧状の各辺からなる略三角形状になり、エッチングが進むほど面積が小さくなるとともに各辺の円弧の曲率半径は大きくなって直線的になる。
エッチングが更に進行すると、凸部の上面の面積は次第に小さくなり、ついには凸部先端が尖った形状となる（図６（ｃ））。凸部が先端の尖った略三角錐形状になった後、エッチングマスク１６を除去する（図６（ｄ））。なお、アンダーカットを効果的に進行させる条件を適宜採用してよく、例えば、硫酸とリン酸の混酸をエッチング溶液として用いる場合、混酸中のリン酸の比率を高くしてよい。混酸の具体的組成は、エッチングマスクの成膜条件等に応じて適宜調節することができるが、例えば、硫酸：リン酸＝３：２の混酸を用いることができる。また、エッチングマスクとサファイア基板との間の密着性を低くすることにより、アンダーカットを効果的に進行させてもよい。マスクと基板との間の密着性は、例えばマスクのスパッタリング条件を適宜調節することにより低くすることができる。
このようにして、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の凸部１であって、側面が凸部底面に対して５３〜５９°の傾斜角を有する凸部１をサファイア基板１０上に複数形成することができる。具体的なエッチング条件は、目的とする凸部形状等に応じて適宜設定することができる。
なお、エッチング時間を長くすることにより、底面の各辺が直線であり、各側面が平坦である三角錐形状の凸部１を形成することも可能であり、また、底面の各辺が内側に湾曲した円弧状であり、各側面が内側に湾曲した曲面である凸部１を形成することも可能である。また、ドライエッチングを用いることにより、底面が四角形、五角形、六角形等である凸部を形成することも可能である。
上述の１段階のエッチング工程により、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（例えば略三角錘形状）の凸部であって、側面が凸部の底面に対して５３〜５９°の傾斜角を有しており、傾斜角が、凸部の頂点と凸部の底面の一辺の中点とを結ぶ線分上のいずれの地点においても実質的に一定である凸部を形成することができる。
ウェットエッチングによって凸部を形成することにより、得られる凸部は略三角錘形状となり、この略三角錘形の３つの側面はＲ面に近い面となる。従って、凸部の各側面の傾斜角は、Ｒ面の角度に近いものになる。具体的には、傾斜角は５３〜５９°である。
上述のサファイア基板の製造方法により、結晶性に優れた窒化物半導体の成長が可能であるサファイア基板を得ることができ、そのサファイア基板を用いることにより、光取り出し効率、特にサファイア基板と反対の側かつ基板に対して垂直な方向からの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。
［窒化物半導体発光素子］
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。
本発明の窒化物半導体発光素子を形成するにあたって、基板上に成長させる半導体としては、一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体材料を用いることができ、特にその二元・三元混晶を好適に用いることができる。また、窒化物半導体以外に、ＧａＡｓ、ＧａＰ系化合物半導体、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰ系化合物半導体等の他の半導体材料も用いることができる。
このようにして得られる発光素子は、結晶性に優れた窒化物半導体で構成され、且つ光取り出し効率、特にサファイア基板と反対の側かつ基板に対して垂直な方向からの光取り出し効率に優れている。
以下、本発明に係る実施例を説明する。
下記の手順で、サファイア基板上に凸部を形成した。
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。
エッチングマスクの寸法、三角形格子の１辺の長さ及びエッチング時間を調節することにより、凸部間距離を１．９〜３．１μｍの間で変化させ、各々の凸部間距離において、Ｃ面面積比を２０〜５５％の間で変化させた。
続いて、基板をＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置に移し、凸部が形成された基板表面に、低温（約５１０℃）でＧａＮバッファ層を２０ｎｍ成長させ、その上に高温（約１０５０℃）でＧａＮをｃ軸成長させ、表面が平坦な下地層２１を形成した。
このようにして得られた下地層２１の上に、図２に示すように、ｎ型コンタクト層等の第１導電型層（ｎ型層）２２と、活性層２３と、第２導電型層（ｐ型層）２４とを順に積層させた。
具体的には、下地層２１の上に、第１導電型層（ｎ型層）２２として、膜厚５μｍのＳｉ（４．５×１０１８／ｃｍ３）ドープＧａＮのｎ側コンタクト層と、ｎ側コンタクト層と活性層との間の領域に、０．３μｍのアンドープＧａＮ層と、０．０３μｍのＳｉ（４．５×１０１８／ｃｍ３）ドープＧａＮ層と、５ｎｍのアンドープＧａＮ層と、２ｎｍのアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層と４ｎｍのアンドープＧａＮ層とを繰り返し交互に１０層ずつ積層し最後に２ｎｍのアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を積層した多層膜とを積層した。次に、ｎ型層２２の上の活性層２３として、膜厚２５ｎｍのアンドープＧａＮ障壁層と膜厚３ｎｍのＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ井戸層とを繰り返し交互に６層ずつ積層し、最後に障壁層を積層した多重量子井戸構造を積層した。次に、活性層２３の上の第２導電型層（ｐ型層）２４として、４ｎｍのＭｇ（５×１０１９／ｃｍ３）ドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層と２．５ｎｍのＭｇ（５×１０１９／ｃｍ３）ドープＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層とを繰り返し５層ずつ交互に積層して最後に上記ＡｌＧａＮ層を積層したｐ側多層膜層と、膜厚０．１２μｍのＭｇ（１×１０２０／ｃｍ３）ドープＧａＮのｐ側コンタクト層とを積層した。
ｐ型層２４より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して、ｎ型層２２の一部を露出させた。露出させたｎ型層２２の上及びｐ型層２４の上に、第１電極及び第２電極を各々形成した。具体的には、発光構造部の表面となるｐ型層２４の表面に、透光性のオーミック電極としてＩＴＯ（約１７０ｎｍ）を形成し、そのＩＴＯの上及びｎ側コンタクト層の上に、Ｒｈ（約１００ｎｍ）、Ｐｔ（約２００ｎｍ）、Ａｕ（約５００ｎｍ）をこの順に積層した構造の電極を形成した。このようにして、発光波長４６５ｎｍの窒化物半導体発光素子を作製した。
［比較例１］
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。
まず、以下に示す手順でサファイア基板のＣ面上に略三角錐台形状の凸部を形成させた。
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２．６μｍ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、溶液温度約２９０℃で約４．５分間エッチングした。これにより、頂部に平面を有する複数の凸部を基板上に形成した。凸部を構成する側面の傾斜角は約５３〜５９°であり、凸部の高さは約１μｍであり、凸部間距離は３．５μｍであり、Ｃ面面積比は６０％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８に示す。
エッチングマスクの寸法、三角形格子の１辺の長さ及びエッチング時間を調節することにより、隣接する凸部の凸部間距離を、上述の実施例と同様に１．９〜３．１μｍの間で変化させ、各々の凸部間距離において、Ｃ面面積比を２０〜５５％の間で変化させた。なお、比較例において「凸部間距離」は隣接する凸部の底面の中心間距離を意味する。比較例におけるＣ面面積比は上述の結晶成長面面積比の定義に従うが、比較例におけるＣ面面積は、隣接する凸部間に位置するＣ面の面積と凸部の頂部に形成されている平面の面積との和で規定される。
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１の窒化物半導体発光素子を作製した。
［光束測定］
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の発光装置について、比較例１に対する実施例１の発光装置の光束比（Φｖ比）を下記の式（１）で定義する。

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。
図９からわかるように、比較例１に対する実施例１の発光装置の光束比（Φｖ比）は、１より大きい傾向にある。これにより、本発明の実施例１の発光装置は、比較例１の発光装置と比較して光束が増大し、従って、光取り出し効率が向上したことがわかる。光束比は凸部間距離が大きいほど大きくなる傾向にあり、凸部間距離が２．２〜３．１μｍ、特に２．８〜３．１μｍである場合に、特に大きい光束比の値が得られた。また、いずれの凸部間距離においても、Ｃ面面積比が２５〜５０％、特に３０〜４５％である場合に、特に大きい光束比の値が得られた。
次に、上述の実施例１および比較例１において説明した手順と同様の手順により、凸部間距離が１．９〜３．１μｍでＣ面面積比が約３５％〜７０％である実施例２及び比較例２の窒化物半導体発光素子を作製した。この実施例２及び比較例２の窒化物半導体発光素子は、凸部間距離が１．９〜３．１μｍでＣ面面積比が約３５％〜７０％である以外は、上で説明した実施例１及び比較例１の窒化物半導体発光素子と同じ構成である。
［光束測定］
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。
凸部間距離およびＣ面面積比が同一である実施例２および比較例２の窒化物半導体発光素子について、比較例２に対する実施例２の窒化物半導体発光素子の光束比（Φｖ比）を上述の式（１）で定義し、比較例２に対する実施例２の窒化物半導体発光素子の放射束比（Φｅ比）を下記の式（２）で定義する。

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。
図１０からわかるように、放射束比（Φｅ比）および光束比（Φｖ比）はいずれも、Ｃ面面積比が約６０％以下の場合に１より大きくなる傾向にあり、Ｃ面面積比が２５〜５０％、特に３０〜４５％の場合に、特に大きい放射束比および光束比の値が得られた。これにより、本発明の実施例２の発光装置は、比較例２の発光装置と比較して光束が増大し、従って、光取り出し効率が向上したことがわかる。
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。
上述の実施例１において説明した手順と同様の手順により、凸部間距離が２．５μｍ、Ｃ面面積比が５１％である実施例３の窒化物半導体発光素子を作製した。この実施例３の窒化物半導体発光素子は、凸部間距離が２．５μｍでＣ面面積比が５１％である以外は、実施例１の窒化物半導体発光素子と同じ構成である。
［比較例３］
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。
まず、以下に示す手順でサファイア基板のＣ面上に凸部を形成させた。
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。
このようにして得られた実施例３および比較例３の窒化物半導体発光素子の各々について光強度を測定し、指向特性の評価を行った。結果を図１２に示す。図１２（ａ）は、実施例３および比較例３の窒化物半導体発光素子の上面図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示すφ＝０°の方向において光強度を測定した場合における、実施例３および比較例３の窒化物半導体発光素子の指向特性を示すグラフであり、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）に示すφ＝９０°の方向において光強度を測定したにおける、実施例３および比較例３の窒化物半導体発光素子の指向特性を示すグラフである。図１２（ｂ）および図１２（ｃ）において、径方向が光強度、周方向が指向角を示している。光強度は、各窒化物半導体発光素子における最大光強度を基準とする相対値として示している。
図１２より、凸部の傾斜角が一定である実施例３の窒化物半導体発光素子は、φ＝０°およびφ＝９０°のいずれの場合においても、凸部の傾斜角が２段階で変化する比較例３の窒化物半導体発光素子と比較して、正面方向への光の取り出しが向上することがわかった。
本発明のサファイア基板により、高出力であり且つ光取り出し効率の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
１ 凸部
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)

  1. 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り、
    凸部の先端と、底面の各辺の中点とを通る断面において凸部の側面が実質的に平坦であることを特徴とするサファイア基板。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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°の傾斜角を有し、
    凸部の先端と、底面の各辺の中点とを通る断面において凸部の側面が実質的に平坦である、方法。
  13. 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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