JP6229707B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板に凸部を有する発光素子及び発光素子の製造方法に関する。

一般に、窒化物半導体等の半導体からなる発光素子（発光ダイオード：ＬＥＤ）は、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。従来、発光素子の光取り出し効率を向上させるために、サファイア基板上に予め凸部を設ける技術が提案されている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１１／０７４５３４号

特許文献１の製造方法では、露光マスクを使用して単に六角形のレジストをサファイア基板上に形成し、そのレジストを用いてサファイア基板をエッチングすることにより六角錐形状の凸部を形成しようとしている。

しかし、特許文献１の製造方法では、単に六角形のレジストを用いてエッチングを行っている。レジストは角部ほど早く削られ易いため、六角形レジストはエッチングが進むに従って円形に近い形状になり、凸部の形状は円錐に近い形状になってしまう。そのため、特許文献１では、凸部の形状は六角錐よりも円錐に近いものとなる。
本発明の実施形態は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光取出し効率を向上させることができる発光素子及び発光素子の製造方法を提供することを課題とする。

本発明の実施形態に係る発光素子は、ｃ面を主面とするサファイア基板と、活性層を有する窒化物半導体からなり前記サファイア基板の主面側に設けられた半導体積層体と、を備え、前記サファイア基板は、前記主面に、それぞれが６つの側面を有する疑似六角錐からなる複数の凸部を有し、前記６つの側面それぞれは、内側に凹ませた湾曲面を有し、前記凸部の上面視形状は、六角形の６つの頂点間を、当該六角形の中心に向かって湾曲させた曲線と、前記六角形の頂点を通過する曲線とを接続した形状の擬似六角形である。

また、本発明の実施形態に係る発光素子の製造方法は、ｃ面を主面とするサファイア基板を準備し、前記主面上に複数のレジストを設ける工程と、前記サファイア基板を前記レジストを除去しながらドライエッチングすることで前記主面に複数の凸部を形成する工程と、前記サファイア基板の主面側に窒化物半導体からなる半導体層を成長させ発光層を有する半導体積層体を成長させる工程と、含み、前記レジストを設ける工程において、前記レジストの上面視形状を、六角形の６つの辺を前記六角形の中心に向かって湾曲させた曲線と、前記六角形の頂点を通過する曲線とを接続した形状である擬似六角形に形成する。

本発明の実施形態に係る発光素子は、凸部の側面での結晶成長を抑制することができるので、空間やボイドの少ない半導体層が形成でき、光取り出し効率を向上させることができる。
本開示の実施形態に係る発光素子の製造方法は、レジストの形状をエッチングのされやすさを考慮した形状に形成しているので、サファイア基板に底面形状が六角形に近い疑似六角錐の凸部を形成することができ、光取り出し効率が向上した発光素子を製造することができる。

第１実施形態に係る発光素子を模式的に示す断面図である。 サファイア基板におけるサファイア結晶の面方位を模式的に示すユニットセル図である。 サファイア基板におけるサファイア結晶の面方位を模式的に示すサファイア結晶構造の平面図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板における凸部の整列状態の一部分を模式的に示す平面図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板における凸部を、図３のＩＶ−ＩＶ線で断面にして模式的に示す斜視図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板における凸部を拡大して模式的に示す平面図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板における凸部を図５ＡのＶＢ−ＶＢ線で断面にして模式的に示す断面図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板における凸部の外接円の直径と内接円の直径との比の値が１．１２５である場合を模式的に示す平面図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板における凸部の外接円の直径と内接円の直径との比の値が１．２３である場合を模式的に示す平面図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板における凸部の外接円の直径と内接円の直径との比の値が１．３５である場合を模式的に示す平面図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板における凸部の外接円の直径と内接円の直径との比の値が１．５である場合を模式的に示す平面図である。 第１実施形態に係る発光素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板に凸部を形成するためのマスク及びレジストの形状を模式的に示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板に凸部を形成するためのレジストを模式的に示す平面図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板にレジストを設けた状態を示す模式図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板がレジストを介してエッチングされる状態を示す模式図である。 第１実施形態に係る発光素子のサファイア基板及びサファイア基板に設けたレジストがエッチングされ凸部が形成された状態を示す模式図である。 第２実施形態に係る発光素子のサファイア基板における凸部の整列状態の一部分を模式的に示す平面図である。 第２実施形態に係る発光素子のサファイア基板に凸部を形成するためのマスク及びレジストの形状を模式的に示す分解斜視図である。 第２実施形態に係る発光素子のサファイア基板に凸部を形成するためのレジストを模式的に示す平面図である。

以下、各実施形態に係る発光素子について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、各実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係等が誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、以下の説明では、同一の名称および符号については原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略することとする。さらに、各図において示す方向は、構成要素間の相対的な位置を示し、絶対的な位置を示すことを意図したものではない。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る発光素子の構成の一例を、図１〜図６Ｄを参照しながら説明する。
図１に示すように、発光素子１は、サファイア基板１０と、バッファ層２０と、窒化物半導体からなる半導体積層体３０とを備えている。なお、発光素子１は、一例として、ｎ側電極４０とｐ側電極５０と、透光性電極６０とを備える構成として説明する。

サファイア基板１０は、半導体積層体３０を支持するとともに半導体積層体３０を成長させるためのものである。半導体積層体３０は、窒化物半導体からなる半導体層を積層して形成される。サファイア基板１０は、その主面側となるｃ面側の上面に複数の凸部１１が所定の間隔で形成されている。また、サファイア基板１０は、前記した凸部１１を含めて、全体として例えば３００μｍ〜１０００μｍの範囲の厚さを有している。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、サファイア基板１０は、六方晶の結晶構造を有するサファイア結晶ＳＣで構成されており、ｃ面（（０００１）面）を主面としている。なお、本明細書におけるｃ面とは、ｃ面に対してやや傾斜したオフ角が付されたものであってもよい。オフ角の角度は例えば３°以下程度である。サファイア結晶ＳＣは、ｃ面の他にも、ユニットセル図における六角柱の側面であり、ｍ₁軸、ｍ₂軸、ｍ₃軸にそれぞれ直交する６つのｍ面と、ａ₁軸、ａ₂軸、ａ₃軸にそれぞれ直交する３つのａ面、すなわち、第１のａ面ＳＡ１、第２のａ面ＳＡ２、第３のａ面ＳＡ３を有している。

凸部１１は、サファイア基板１０上に半導体層を結晶成長させる際に、空隙やボイドの少ない半導体積層体３０を形成することができるものである。図３から図５Ｂに示すように、凸部１１は、６つの側面１２を、それぞれ内側に凹んだ湾曲面を含む擬似六角錐に形成されている。そして、凸部１１は、上面視形状（底面の形状）を、仮想の六角形の６つの頂点１３間を、六角形の中心に向かって湾曲させた曲線と、六角形の頂点１３を通過する曲線とを接続した疑似六角形としている。さらに、疑似六角形では、頂点１３間の曲線部分を辺１４とし、辺の長さの中点１６を内側に湾曲させた曲線に形成されている。つまり、凸部１１は、疑似六角形の底面形状を備える疑似六角錐形状に形成されている。なお、図３においてＳＡ１〜ＳＡ３で示す太線は仮想的に面の方向を表すために記載された線である。

このように凸部１１の上面視形状が多数の曲線で構成されているため、凸部１１の表面は比較的曲率の大きい曲面により構成される。従来のような円錐形状の凸部の場合は、側面の曲率が比較的小さいため、結晶成長しやすいサファイア基板１０のｒ面及びその近似面の占める面積が大きくなりやすい。また、多角錐形状の凸部の場合は、側面がｒ面及びその近似面と一致しないように特定の向きで配置する必要がある。多角錐の角を丸めた形状の場合も同様である。しかし、本実施形態における凸部１１であれば、その側面が比較的曲率の大きい曲面により構成されているため、どのような向きで配置してもｒ面及びその近似面が現れる面積を小さくすることができる。つまり、本実施形態における凸部１１は、凸部１１の側面から結晶成長が生じやすいサファイア基板１０のｒ面及びその近似面以外の面、すなわち結晶成長抑制面で主に構成されるため、凸部の側面１２からの意図しない結晶成長を抑制することができる。

ここで、サファイア基板１０に設けられた凸部に意図しない結晶成長が生じた場合、凸部間に存在する結晶成長面からの半導体層の成長が阻害されやすく、安定して半導体層を成長させることが困難になる。その結果、形成された半導体積層体に転位等の結晶欠陥が生じることや、半導体積層体の内部に空隙やボイドが生じ光取り出し効率が低下すること、などの問題が発生する虞がある。しかし、本実施形態では、凸部１１を主に結晶成長抑制面により構成し、意図しない結晶成長を抑制することにより結晶成長面から半導体層を安定して成長させることができるため、転位の少ない表面を有する半導体層の形成が可能である。すなわち、本実施形態においては、側面を上記した構成にすることにより、半導体結晶が側面１２から成長しにくく、安定して凸部１１間の結晶成長面（ｃ面）から成長させることができ、凸部１１の周辺における空隙やボイドの発生を抑制することができる。このように本実施形態では、半導体積層体３０の内部における空隙やボイドの発生を抑制できるため、上記した問題の発生を抑制し、光取り出し効率に優れた発光素子を得ることができる。

本実施形態では、サファイア基板１０のａ面（（１１−２０）面）に対して、疑似六角形の元となる仮想の六角形の辺が平行になるように凸部１１を配置している。この場合、ｒ面（（−１０１２）面）は、仮想の六角形の辺と約３０度で交差し、ｃ面に対して約５８度で傾斜した面である。すなわち、ｒ面及びその近似面は凸部１１の稜線Ｒｓ付近に現れることになるが、稜線Ｒｓは側面１２と接続される比較的曲率の大きな曲面で構成されているため、ｒ面及びその近似面が現れたとしてもその領域は稜線Ｒｓの一部に限られる。それ以外の凸部１１の表面は結晶成長抑制面であるため、凸部の側面１２からの意図しない結晶成長を抑制することができ、空隙やボイドの発生を抑制でき、光取り出し効率に優れた発光素子を得ることができる。

凸部１１は、疑似六角錐として、連続する６つの側面１２のそれぞれが、隣接する側面１２の間に位置する稜線Ｒｓの間で、側面１２の中央が内側に湾曲した曲面となるように形成されている。ここで、隣接する側面１２の間に位置する稜線Ｒｓは、隣接する側面１２間に連続して形成される曲面において、最大の曲率を有する部分とする。側面１２をこのような湾曲した曲面とすることにより、側面１２からの成長を遅らせることができるので、半導体層を安定して結晶成長面（ｃ面）から成長させることができる。側面１２は、上面視において、頂部１５を一つの頂点として、辺１４と、隣り合う稜線Ｒｓと、からなる略二等辺三角形状に形成されている。そして、側面１２は、底辺（辺１４）を中央で、頂部１５を底面側に投影した中心に向かって内側に湾曲されている。さらに、側面１２の面内において、隣り合う稜線Ｒｓ間における曲率は、底辺（辺１４）を最大とし頂部１５に向かって徐々に小さく形成されている。

なお、各図では、疑似六角錐の隣接する側面１２の間を稜線Ｒｓとして細線で示しているが、この稜線Ｒｓは、図面を分かり易くするために模式的に示しているものである。また、凸部１１の底面を形成する６つの頂点１３は、仮想の正六角形の中心を通り面積を六等分にする対角線上と、凸部１１の底面を形成する曲線のうち外周に向かって突出する曲線とが交わる点として表示している。

凸部１１は、底面となる疑似六角形の最外径部分となる頂点１３を通過する外接円Ｃ１の直径ｒ１と、底面となる疑似六角形の最内径部分となる辺の長さの中点１６を通過する内接円Ｃ２の直径ｒ２との比の値は、１．１以上１．８以下であることが好ましい。外接円Ｃ１の直径ｒ１と内接円Ｃ２の直径ｒ２との比の値を１．１以上にすると、凸部１１の底面が円形に近づくことを抑制できるので、各凸部１１間の距離を均等にしやすくなる。また、凸部１１は、外接円Ｃ１の直径ｒ１と内接円Ｃ２の直径ｒ２との比の値が１．８以下にすると、頂点１３と湾曲する辺１４の中点１６との差が大きくなりすぎることを回避し、転位密度が低減された半導体積層体３０を形成することが困難になる事態を回避することができる。これは、頂点１３と湾曲する辺１４の長さ中点１６との差が大きくなると、頂点１３の位置はそのままで中点１６との差を小さくした場合と比較して、上面視における凸部１１の面積が小さくなり、結晶成長面、すなわち凸部１１が形成されていない平坦面（ｃ面）の面積が相対的に大きくなるためである。

これにより、凸部１１による転位を低減する効果が得られにくくなる。なお、前記した比の値は、光取り出し効率を高めるために、１．１〜１．３の範囲であることがより好ましく、１．１〜１．２５の範囲であることが更に好ましい。つまり、正六角形における外接円Ｃ１の直径と内接円Ｃ２の直径との比の値が、約１．１５であるので、この正六角形の比の値に近い疑似六角形の底辺を有する疑似六角錐であることが望ましい。なお、本実施形態における擬似六角錐の底面である擬似六角形は、角部が丸みを帯びている形状となるため、正六角形の比の値１．１５よりも小さい値をとる場合がある。

サファイア基板１０に形成する凸部１１の底面の形状の一例を図６Ａ〜図６Ｄに示す。図６Ａに示す凸部１１は、図５Ａに示す凸部１１と同様の形状であり、外接円Ｃ１の直径と内接円Ｃ２の直径との比の値が約１．１２で形成されている。図６Ｂに示す凸部１１Ｂは、外接円Ｃ１の直径と内接円Ｃ２の直径との比の値を約１．２３としている。この凸部１１Ｂは、凸部１１と比較して、辺１４Ｂの曲率が大きく湾曲度合いも大きくなり、側面１２Ｂの傾斜角度も急峻になる。また、図６Ｃに示す凸部１１Ｃは、外接円Ｃ１の直径と内接円Ｃ２の直径との比の値を約１．３５としている。この凸部１１Ｃは、凸部１１Ｂと比較して、辺１４Ｃの曲率がさらに大きく湾曲度合いも大きくなり、側面１２Ｃの傾斜角度も急峻になる。そのため、凸部１１Ｃの側面１２Ｃにおいてサファイア基板１０の結晶成長面（ｒ面及びその近似面）が存在する領域が減少する。

さらに、図６Ｄに示す凸部１１Ｄは、外接円Ｃ１の直径と内接円Ｃ２の直径との比の値を約１．５としている。この凸部１１Ｄは、凸部１１Ｃと比較して、さらに辺１４Ｄの曲率が大きく湾曲度合いも大きくなり、側面１２Ｄの傾斜角度も急峻になる。そのため、凸部１１Ｄの側面１２Ｄにおいてサファイア基板１０の結晶成長面（ｒ面及びその近似面）が存在する領域が減少する。なお、凸部１１Ｂ〜１１Ｄは、凸部１１と同様に側面が湾曲した曲面で構成されているため、良好な結晶性を有する半導体層を形成することが可能であり、光取り出し効率に優れた発光素子を得ることができる。ここで、サファイア基板のｒ面とは（−１０１２）面であり、ｒ面の近似面とはｒ面からのずれが１〜２度程度以内の面を指す。凸部１１の表面はこのような面以外から形成されていることが結晶成長を抑制する観点から好ましい。

図３及び図４に示すように、凸部１１は、上面視において頂部１５の位置が三角格子に配置されることが好ましい。そして、凸部１１は、頂部１５の位置（上面視で凸部１１の中心）が三角格子に配列されるときに、１つの凸部１１の辺と隣り合う凸部１１の辺１４とが互いに平行になるように配置されている。なお、凸部１１は、上面視において、その頂部１５の位置が、三角格子に配列される場合、正三角格子状に配列されることが更に好ましい。これにより、サファイア基板１０の面内において、隣り合う凸部１１間の距離を均等にすることができる。その結果、結晶成長面において、半導体層の成長速度が均一となるため、良好な結晶性を有する半導体層を形成しやすく、発光素子１の光取り出し効率を向上させることができる。また、凸部１１を三角格子に配置することで、多数の凸部１１を密に設置できる。なお、隣り合う凸部１１の頂部１５間の距離（以下、凸部間距離という）は、例えば、２．２〜３．１μｍの範囲で設定することが好ましい。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１０上に成長させる半導体層の結晶性が向上し、且つ得られる発光素子１の光取り出し効率が向上する。

また、凸部１１を有することで、窒化物半導体表面に現れる転位の数を減少させることができる。ここで、転位の数を減少させるメカニズムを説明する。サファイア基板１０において、基板上に設けられた凸部１１を構成する側面１２のそれぞれは、主に窒化物半導体の成長が抑制される結晶成長抑制面で構成される。一方、隣り合う凸部１１間に位置するサファイア基板１０の表面は、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１０厚み方向）に成長すると、サファイア基板１０の格子定数と窒化物半導体の格子定数の差に起因する転位が成長方向に伸びて形成された窒化物半導体の表面に現れる傾向にある。サファイア基板１０上に窒化物半導体を成長させると、窒化物半導体は、凸部１１間に位置する結晶成長面からは成長するが、凸部１１の側面１２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、窒化物半導体表面に現れる転位を減らすことができる。例えば、発光層付近における転位密度を５×１０⁷個／ｃｍ^-2〜５×１０⁸個／ｃｍ^-2程度とすることができる。

半導体積層体３０は、ＧａＮが結晶成長したものである場合、六方晶系のＧａＮは、上方向をｃ軸方向として結晶成長する。そして、横方向においてはａ軸方向よりもｍ軸方向のほうが成長しにくいため、平面視でＧａＮのｍ面（サファイア基板１０のｃ面と垂直に交わる面）に等価な面を底辺とするファセット面を維持して成長する傾向がある。このとき、ＧａＮのｍ面は、サファイア基板１０のａ面と同一平面に沿って位置している。つまり、ＧａＮは、上面視でサファイア基板１０のａ面と一致する線を底辺とするファセット面を維持して成長する傾向にある。

そこで、サファイア基板１０の表面に、サファイア基板１０のｍ面と異なる面、好ましくはサファイア基板１０のａ面に対して、疑似六角錐の辺１４が平行になるように凸部１１を配置する。すなわち、図３に示すように、凸部１１は、底面の各辺１４が、サファイア基板１０のａ面に対して平行になるように形成されていることが好ましい。ここで、ａ面に対して辺１４が平行とは、隣り合う頂点１３を仮に直線で結んだ辺としたときに、その直線の辺とａ面（第１のａ面ＳＡ１〜第３のａ面ＳＡ３のいずれか）とが平行になっていることをいう。

凸部１１が、第１のａ面ＳＡ１、第２のａ面ＳＡ２及び第３のａ面ＳＡ３に沿って疑似六角形の各辺１４が平行となるように配置されることで、凸部１１の疑似六角錐の辺１４の外縁が、ファセット面の底辺が凸部１１の辺１４の外縁と平行になる。凸部１１をこのような構成にすることにより、成長が進むにつれて窒化物半導体は凸部１１を覆い横方向に成長するので、成長方向に伸びる転位が窒化物半導体の内部に閉じ込められる。その結果、窒化物半導体の表面に現れる転位を減少させ、低転位密度の半導体積層体３０を形成することができる。すなわち、上方向及び横方向に結晶成長する窒化物半導体は成長が進むにつれて凸部１１を徐々に覆い、最終的に凸部１１の全周囲から成長した窒化物半導体が凸部１１の上で合わさる。このとき、凸部１１が上述の構成であることで、窒化物半導体が凸部１１上の一点（凸部１１の中心付近の上）に収束しやすい。これにより、成長方向に伸びる結晶欠陥が一点に収束しやすい、又は窒化物半導体の内部に閉じ込められやすいため、窒化物半導体層の表面に現れる転位を減少させることができる。

図１に示すように、バッファ層２０は、サファイア基板１０とサファイア基板１０上に成長させる半導体積層体３０との格子定数差を緩和させるためのものである。バッファ層２０は、サファイア基板１０と半導体積層体３０との間に形成されている。このバッファ層２０は例えばＡｌＮやＡｌＧａＮで構成される。バッファ層２０は、後記するように、製造方法のバッファ層を設ける工程において、例えば所定条件下でスパッタリングを行うことで形成することができる。バッファ層２０は、例えば図１に示すようなサファイア基板１０を被覆する層状であるが、一部でサファイア基板１０が露出していてもよい。なお、バッファ層２０は、後述するように、スパッタリング等で形成した単結晶のＡｌＮであることがより好ましい。これにより、半導体積層体３０の表面に現れる転位の数をより減少させることができるため、例えば、出力、Ｖｆ（順方向電圧）、温度特性等においてバッファ層２０にＡｌＧａＮを用いた発光素子よりも優れた値となる。

窒化物半導体からなる半導体積層体３０は、発光素子１の発光部を構成するものである。窒化物半導体としては、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１））が挙げられる。半導体積層体３０は、図１に示すように、サファイア基板１０のｃ面側（主面側）にバッファ層２０を介して形成されており、サファイア基板１０の主面側からｎ側半導体層３１、活性層３２及びｐ側半導体層３３がこの順に積層された構造を有している。活性層３２は、例えば井戸層（発光層）と障壁層とを有する量子井戸構造である。半導体積層体３０は、例えば、活性層３２及びｐ側半導体層３３の一部を除去して露出させたｎ側半導体層３１の上とｐ側半導体層３３の上とに、ｎ側電極４０とｐ側電極５０とが各々形成される。そして、第ｐ側電極５０は、ｐ側半導体層３３上のほぼ全面に形成された透光性電極６０の上に形成されて構成されていてもよい。

［発光素子の製造方法］
次に発光素子の製造方法について、図７〜図１０Ｃを参照しながら説明する。
はじめに、発光素子の製造方法では、図７に示すように、サファイア基板１０を準備してレジスト膜を設ける工程Ｓ１を行う。まずサファイア基板１０の全面にレジスト膜を形成し、そして、マスクＭａ（図８参照）を介してレジスト膜を露光することで、サファイア基板１０の主面（ｃ面）側に形成する凸部１１の数に対応した所定形状を有するレジストＲａのレジストパターンを形成する露光工程Ｓ２を行う。ついで、露光工程Ｓ２で形成した所定形状を有するレジストＲａ（図８参照）を介してサファイア基板１０をドライエッチングしてサファイア基板１０のｃ面上に複数の凸部１１を形成する工程Ｓ３を行う。さらに、凸部１１が形成されたサファイア基板１０上にバッファ層２０を設ける工程Ｓ４を行う。その後、バッファ層２０上に半導体層を成長させ半導体積層体３０を形成する工程Ｓ５を行うことで発光素子１を製造している。

レジスト膜を設ける工程Ｓ１は、サファイア基板１０にレジスト膜を、例えばスピンコータ等により塗布して設ける工程である。サファイア基板１０に工程Ｓ１を行う場合、ここでは予め、基板面をプラズマで叩くことで基板表面を若干荒らし、成膜されるレジスト膜を剥がれにくくするアッシング工程を行う。また、アッシング工程後には、基板面に付着したゴミを除去するハイドロ洗浄等の洗浄工程を行う。そして、洗浄後のサファイア基板１０のｃ面（０００１）上に、サファイア基板１０上にレジスト膜を設ける工程Ｓ１を行う。レジスト膜としては例えばノボラック樹脂を主成分としたポジ型のレジスト膜が挙げられる。なお、アッシング工程及び洗浄工程は必須ではなく、製造工程を簡略化するために適宜省略してもよい。

サファイア基板１０上にレジスト膜を設けた後、図８に示すように、所定の形状に形成されたマスクＭａを介して光照射（紫外線を含む光照射）することでレジスト膜を露光する露光工程Ｓ２を行う。この露光工程Ｓ２において、エッチングしたときにサファイア基板１０に形成される凸部１１が、所望の疑似六角錐になるようなレジストＲａをパターニングすることができる形状のマスクＭａが用いられる。

露光工程Ｓ２で使用されるマスクＭａは、図８に示すように、平面視において、六角形の６つの辺を六角形の中心に向かって湾曲させた曲線と、六角形の頂点を通過する曲線とを接続した形状である擬似六角形の貫通穴Ｈａが複数形成されている。貫通穴Ｈａの形状を詳細に説明すると、正六角形の頂点間の辺が辺の長さ中心で内側に向かって湾曲し辺の長さ中心を曲線の頂点とする曲線と、正六角形の頂点に向かって湾曲し正六角形の頂点を曲線の頂点とする曲線と、により構成されている。このマスクＭａの貫通穴Ｈａの疑似六角形は、サファイア基板１０上にレジストＲａをパターニングするために用いられる。このマスクＭａを介してステッパー装置等を使用して露光作業を行い、図９に示すように、疑似六角形のレジストパターンのエッチングマスクとなるレジストＲａを形成する。このとき、レジストＲａの上面視形状は、マスクＭａに形成された貫通穴Ｈａの形状と略同じ形状となる。なお、露光工程Ｓ２を行った後に、現像処理、ＵＶキュアにより疑似六角形に形成したレジストを焼き固め、エッチングマスクとしてエッチングに使用できるレジストＲａが形成される（図１０Ａ参照）。

サファイア基板１０をレジストＲａを介してドライエッチングする工程Ｓ３は、サファイア基板１０を前記した露光工程Ｓ２で形成されたレジストＲａを介してドライエッチングすることにより、サファイア基板１０に複数の凸部１１を形成する工程である。ドライエッチングする工程Ｓ３において、サファイア基板１０及びレジストＲａが共に削られながら所望の形状を有する凸部１１が形成される。

ドライエッチングをする工程Ｓ３について、図１０Ｂから図１０Ｃを参照しながら説明する。まずエッチングが開始されると、初期段階ではレジストＲａ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る。そして、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と共にレジストＲａも少しずつ除去されることになる（図１０Ｂ参照）。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６つの頂点１３と疑似六角錐の稜線が徐々に明確になり、疑似六角形のレジストＲａの下に疑似六角錐形状の凸部に相当する凸が形成される。

この疑似六角錐形状になる凸の上面は、レジストＲａが存在している間は平坦な状態となっている（図１０Ｂ参照）。また、凸周縁は、疑似六角形状にエッチングされるようになり、レジストＲａの面積よりも小さくなる。そして、凸部１１の側面１２および辺１４に相当する部分は、内側に湾曲した円弧状になる。そして凸部１１の側面１２に相当する部分は、辺１４を底辺とする略二等辺三角形状になり、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る。

エッチングが更に進行すると、凸の上面に位置するレジストＲａが削られて面積は次第に小さくなり、ついにはレジストＲａが無くなることで、凸部１１の頂部１５に相当する部分が徐々に形成され、凸部１１の頂部１５が尖った疑似六角錐の形状になる（図１０Ｃ参照）。

ドライエッチングする工程Ｓ３では、レジストＲａの上面視形状を、六角形の６つの辺を六角形の中心に向って湾曲させた曲線と、六角形の頂点を通過する曲線とを接続した形状である擬似六角形としている。具体的には、レジストＲａの上面視形状を、形成される凸部１１の形状の頂点１３に対応する部分が六角形の対角線方向において外周方向に向かって突出した疑似六角形としている。これにより、凸部１１の疑似六角錐となる各頂点１３が、円錐の底面のように円形に近い形状となることを防止することができる。つまり、レジストＲａのエッチングによる削れやすさを推定し、形成される凸部１１に対してレジストＲａの上面視形状を設定する。具体的には、レジストＲａにおいて突出している部分がより削られやすい傾向にあるため、形成したい凸部１１の上面視形状における突出部分をさらに突出させた上面視形状にする。このレジストＲａの上面視形状は、予めレジスト条件と形成される疑似六角錐との関係を、実験あるいはシミュレーションにより求めることで設定される。

ドライエッチングする工程Ｓ３において、レジストＲａの上面視形状を、擬似六角形の最外周となる部分を通過する外接円Ｃ３と、擬似六角形の最内周となる部分を通過する内接円Ｃ４との直径の比が１．３以上２．０以下であるように設けることが好ましい。外接円Ｃ３の直径と内接円Ｃ４との比の値を１．３以上とすると、形成される凸部１１の底面形状が円形に近づくことを抑制することができる。また、外接円Ｃ３の直径と内接円Ｃ４との比の値を２．０以下とすると、サファイア基板１０の面内において、結晶成長面が占める面積の割合が多くなりすぎず、凸部１１により転位を抑制させる効果を効率よく得ることができる。

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レジストは、ノボラック樹脂を主成分としたポジ型のレジスト膜が挙げられる。

前記したサファイア基板の加工方法により、結晶性に優れた半導体層の成長が可能である凸部１１が形成されたサファイア基板１０を得ることができる。そして、後記する半導体積層体を設ける工程において、その加工された凸部１１を有するサファイア基板１０を用いることにより、良好な結晶性を有する半導体積層体を形成でき、光取り出し効率に優れた発光素子１を得ることができる。

ドライエッチングする工程Ｓ３の後、基板を洗浄し乾燥させた後に凸部１１が形成されたサファイア基板１０上にバッファ層２０を形成する工程Ｓ４を行う。バッファ層２０は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等により形成され、ＡｌＮを用いて形成されることが好ましい。後記する半導体積層体３０を設ける工程Ｓ５において、スパッタリング等で形成した単結晶のＡｌＮにより形成されたバッファ層２０上に半導体層を成長させることで、サファイア基板１０のｃ面上に結晶性に優れた半導体層を形成できるが、一方で凸部１１の斜面に結晶が成長しやすい傾向がある。しかし、本実施形態では、凸部１１の側面１２が結晶成長抑制面で構成されているため、バッファ層２０がＡｌＮを用いて形成されていたとしても斜面成長を抑制し、良好な結晶性を有する半導体層を形成することができる。

次に、サファイア基板１０上に半導体層を成長させ発光層を有する半導体積層体３０を設ける工程Ｓ５を行う。半導体層は、窒化物半導体を成長させることで形成する。
半導体積層体３０を設ける工程Ｓ５において、サファイア基板１０上に凸部１１が形成されている場合、前記したように半導体積層体３０の転位の数を減少させやすい。さらに、凸部１１の側面１２が結晶成長抑制面で構成されているため、意図しない結晶の発生を抑制し安定して半導体層を成長させることができる。従って、優れた結晶性を有する半導体積層体３０を形成でき、光取り出し効率が向上された発光素子を製造することができる。なお、凸部１１の形状及び配置を前記したように構成することで、従来に比較して短時間で転位を収束してサファイア基板１０から近い位置において平坦な面となるように結晶成長することができる。また、隣り合う凸部１１間に位置する結晶成長面の領域は、幅を一定にすることができるので、半導体層の成長速度を一定にして、良好な結晶性を有する半導体層を得ることが可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態は、第１実施形態に比較してマスクの形状、レジストの形状、及び凸部１１の配置が異なるのみで、それ以外の既に説明した構成は同じであるため、適宜説明を省略する。なお、図１１で示すＳＡ１〜ＳＡ３で示す太線は仮想的にａ面の方向を表すために記載された線である。

図１１に示すように、サファイア基板１０に形成される凸部１１は、隣り合う２つの凸部１１の頂点１３同士が対向するように配置されている。言い換えれば、１つの凸部１１の頂点１３はそれぞれ、隣り合う凸部１１の頂点１３に近接するように配置されている。さらに、複数の凸部１１は、上面視において凸部中心となる頂部１５が三角格子となるように配列されている。また、凸部１１の辺１４は、サファイア基板１０のａ面と平行となるように基板上に形成されている。

また、凸部１１の仮想の六角形の辺は、サファイア基板１０のａ面に対してと垂直となるように基板上に形成されている。この場合、凸部の３つの側面１２付近に結晶成長が生じやすいサファイア基板のｒ面及びその近似面が主に位置することになる。本実施形態において、３つの側面１２は、湾曲した面から形成され、さらに凸部の上面視形状が六角形の６つの頂点間を、六角形の中心に向かって湾曲させた曲線と六角形の頂点を通過する曲線とを接続した形状で形成されている。これにより、凸部が円錐または円錐に近い形状である場合に比較して、凸部の側面１２の傾斜角度が急峻となるため、凸部の側面１２に現れるサファイア基板のｒ面及びその近似面の面積を減少させることができる。その結果、意図しない結晶成長を抑制することができる。

なお、サファイア基板１０に複数の凸部１１を、隣り合う凸部１１の頂点１３が互いに対向して（最短距離で位置して）整列するように形成するために、図１２に示すようなマスクＭｂを用いる。このマスクＭｂには貫通穴Ｈｂが形成されており、マスクＭｂを介して、前記したようにステッパー等によりレジスト膜に対して露光することで、図１３に示すように、レジストＲｂを形成する。そして、形成したレジストＲｂをエッチングマスクとしてサファイア基板１０をドライエッチングすることにより、サファイア基板１０のｃ面上に複数の凸部１１を設けることができる。この凸部１１は、図１１に示すように、各辺１４がサファイア基板１０のａ面に対して整列するように配置されている。

凸部１１は、疑似六角形の外接円Ｃ１の直径ｒ１と内接円Ｃ２の直径ｒ２との比の値が、１．１以上で１．８以下の範囲になるように設定され、すでに説明した図６Ａ〜図６Ｄと疑似六角形の向きが３０度回転して配置されていること以外は前記した第１実施形態と同じ構成を備えている。そして、当該比の値を前記した所定の範囲に調整する場合には、マスクＭｂの疑似六角形の頂点１３に対応する部分の突出長さおよび太さを調整することで、実現することが可能になる。
以上説明したような第２実施形態においても、前記した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

１ 発光素子
１０ サファイア基板
１１，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ 凸部
１２，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ 側面
１３，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ 頂点
１４，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ 辺
１５ 頂部
１６ 中点
２０ バッファ層
３０ 半導体積層体
３１ ｎ側半導体層
３２ 活性層
３３ ｐ側半導体層
４０ ｎ側電極
５０ ｐ側電極
６０ 透光性電極
Ｃ１、Ｃ３ 外接円
Ｃ２、Ｃ４ 内接円
Ｈａ，Ｈｂ 貫通穴
Ｍａ，Ｍｂ マスク
Ｒｓ 稜線
Ｒａ，Ｒｂ レジスト
Ｓ１ レジスト膜を設ける工程
Ｓ２ 露光工程
Ｓ３ ドライエッチングする工程
Ｓ４ バッファ層の形成工程
Ｓ５ 半導体積層体の成長工程
ＳＡ１ 第１のａ面
ＳＡ２ 第２のａ面
ＳＡ３ 第３のａ面
ＳＣ サファイア結晶

Claims (12)

1. ｃ面を主面とするサファイア基板と、活性層を有する窒化物半導体からなり前記サファイア基板の主面側に設けられた半導体積層体と、を備え、
   前記サファイア基板は、前記主面に、それぞれが６つの側面を有する疑似六角錐からなる複数の凸部を有し、
   前記６つの側面それぞれは、内側に凹んだ湾曲面を有し、
   前記凸部の上面視形状は、六角形の６つの頂点間を、当該六角形の中心に向かって湾曲させた曲線と、前記六角形の頂点を通過する曲線とを接続した形状の擬似六角形である発光素子。
2. 前記擬似六角形の外接円の直径と内接円の直径との比が１．１以上１.８以下である請求項１に記載の発光素子。
3. 前記凸部は、上面視において、前記六角形の辺が、前記サファイア基板のａ面に対して平行に配置されている請求項１または請求項２に記載の発光素子。
4. 前記複数の凸部は、上面視において、１つの前記凸部の前記六角形の辺と、前記１つの凸部に隣り合う他の前記凸部の前記六角形の辺とが平行に配置される請求項２または請求項３に記載の発光素子。
5. 前記複数の凸部の中心は、上面視において、三角格子に配列される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発光素子。
6. 前記サファイア基板の主面上にＡｌＮからなるバッファ層が設けられ、前記バッファ層上に前記半導体積層体が設けられる請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発光素子。
7. ｃ面を主面とするサファイア基板を準備し、前記主面上にレジストを設ける工程と、
   前記レジストを介して前記サファイア基板をドライエッチングすることでレジストを除去しながら前記主面に複数の凸部を形成する工程と、
   前記サファイア基板の主面側に窒化物半導体からなる半導体層を成長させ発光層を有する半導体積層体を設ける工程と、を含み、
   前記レジストを設ける工程において、前記レジストの上面視形状を、六角形の６つの辺を前記六角形の中心に向かって湾曲させた曲線と、前記六角形の頂点を通過する曲線とを接続した形状である擬似六角形に形成する発光素子の製造方法。
8. 前記レジストを設ける工程において、複数の前記擬似六角形の中心が三角格子に配置されるように形成する請求項７に記載の発光素子の製造方法。
9. 前記レジストを設ける工程において、前記擬似六角形を、前記六角形の辺が前記サファイア基板のａ面に対して平行になるように配置する請求項７または請求項８に記載の発光素子の製造方法。
10. 前記レジストを設ける工程において、前記レジストを、１つの前記凸部の前記六角形の辺と、前記１つの凸部に隣り合う他の前記凸部の前記六角形の辺とが平行になるように配置する請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。
11. 前記凸部を形成する工程の後であって前記半導体積層体を設ける工程の前に、前記サファイア基板の主面上にＡｌＮからなるバッファ層を設ける工程を備え、
    前記バッファ層上に前記半導体層を成長させる請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。
12. 前記レジストを設ける工程において、前記レジストを、上面視において、前記擬似六角形の外接円の直径と内接円の直径との比が１．３以上２．０以下であるように設ける請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。

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