KR20160060069A - 기판과 그 제조 방법, 및 발광 소자와 그 제조 방법, 및 그 기판 또는 발광 소자를 갖는 장치 - Google Patents
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Abstract
포토레지스트막 없이도 패턴 형성을 가능하게 함으로써, 공정수의 삭감과, 공정수 삭감에 따른 저코스트화를 가능하게 한, 원하는 패턴을 면 상에 갖는 기판과 그 제조 방법, 및 발광 소자와 그 제조 방법, 및 그 기판 또는 발광 소자를 갖는 장치를 제공한다. 평탄한 기판을 준비하고, 감광제를 함유하는 유전체를 기판면 상에 형성하며, 유전체를 패턴 형성하여, 원하는 패턴의 유전체를 기판면 상에 형성함으로써, 평탄한 기판의 면 상에, 섬 형상의 볼록부로 이루어지는 패턴을 갖고, 볼록부가 유전체로 구성되는 기판을 얻는다.
Description
본 발명은, 기판과 그 제조 방법, 및 발광 소자와 그 제조 방법, 및 그 기판 또는 발광 소자를 갖는 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)는, 화합물 반도체의 특성을 이용하여, 전기 에너지를 광 에너지로 변환하는 EL(Electro Luminescence) 소자의 일종이며, 3-5족 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드가 실용화되어 있다. 그 3-5족 화합물 반도체는 직접 천이형 반도체이며, 다른 반도체를 이용한 소자보다 고온에서 안정된 동작이 가능하다. 또한 3-5족 화합물 반도체는, 에너지 변환 효율이 양호한 점이나 장수명인 점에서 다양한 조명 디바이스나 일루미네이션, 전자 기기 등에 많이 사용되고 있다.
이와 같은 LED의 발광 소자(이하, 적절히 "발광 소자"라고 표기)는, 사파이어(Al2O3) 기판의 면 상에 형성되어 있고, 그 구조의 모식도를 도 17에 나타낸다(예를 들면, 특허문헌 1의 도 3 참조). 도 17에서 종래의 발광 소자(100)에서는, 사파이어 기판(101)의 면 상에, GaN계 반도체 재료로 이루어지는 저온 성장 버퍼층(도시하지 않음)을 통하여, n형 GaN 콘택트층(n-GaN층)(102)이 형성되어 있다. n-GaN층(102)에는 n형 전극이 형성되어 있다. 그 n-GaN층(102) 상에는 n형 AlGaN 클래드층(도시하지 않음. 경우에 따라서는 생략됨), InGaN 발광층(활성층)(103), p형 AlGaN 클래드층(104)이 형성되고, 그 위에 p형 GaN 콘택트층(105)이 형성된다. 또한 p형 GaN 콘택트층(105) 상에는 p형 전극으로서의 ITO(산화 인듐 주석) 투명 전극(106) 및 금속 전극이 형성되어 있다. InGaN 발광층(103)은, InGaN 우물층과 InGaN(GaN) 장벽층으로 구성되는 다중 양자 우물 구조(MQW: Multiple Quantum Well)가 채용된다. 또, n-GaN층(102) 상의 InGaN 발광층(103)이 형성되어 있지 않은 개소에, n형 전극층(107)이 형성된다.
발광 소자(100)의 InGaN 발광층(103)에서 발광한 광은, p형 전극 및, 또는 사파이어 기판(101)으로부터 취출되지만, 이 광 취출 효율을 향상시키기 위해서는, 전위의 저감이 과제가 된다. 그러나, 사파이어 기판(101) 위에 성장시킨 GaN층에는, 사파이어의 격자 상수와 GaN의 격자 상수의 사이에 격자 상수 차가 발생하여, 이 격자 상수 차에 의하여 GaN 결정 중에 고밀도의 비발광 재결합 중심으로서 기능하는 관통 전위가 발생한다. 이 관통 전위가 원인으로 광 출력(외부 양자 효율) 및 내구 수명이 감소함과 함께, 리크 전류의 증가가 발생하게 된다.
또한, 청색 영역의 파장에 있어서는, GaN의 굴절률은 약 2.4, 사파이어의 굴절률은 약 1.8, 공기의 굴절률은 1.0으로, GaN과 사파이어의 사이에는 약 0.6, GaN과 공기의 사이에는 약 1.4의 굴절률 차가 발생한다. 이 굴절률 차 때문에, InGaN 발광층(103)으로부터 발광한 광은, p형 전극이나 GaN과 공기의 계면이나 사파이어 기판(101)과의 사이에서 전체 반사를 반복한다. 광은 이 전체 반사에 의하여 InGaN 발광층(103)에 갇혀 InGaN 발광층(103) 중을 전반(傳搬)하는 동안에 자기 흡수되거나, 전극 등에 흡수되어, 최종적으로 열로 변환된다. 즉, 굴절률 차에 기인하는 전체 반사의 제한 때문에 발광 소자의 광 취출 효율이 큰 폭으로 저하한다는 현상이 발생하고 있다.
광 취출 효율을 향상시키기 위하여, 예를 들면 사파이어 기판면 상에 요철 패턴을 형성하여, 그 요철 패턴 상에 상기 각 GaN층(102 내지 105)이나 전극을 형성한 발광 소자가 개시되어 있다. 요철 패턴의 형성으로서는, 사파이어 기판 표면을 에칭 가공하는 방법이 있다. 또한, 보다 요철 패턴의 제조 효율을 향상시킨 발광 소자로서, GaN보다 굴절률이 작은 SiO2, ZrO2, TiO2 등의 유전체로 구성되는 요철 패턴을, 평탄한 사파이어 기판의 면 상에 형성한 발광 소자가 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1의 도 1 참조).
도 18에 나타내는 바와 같이 특허문헌 1 개시의 발광 소자(108)에서는, 사파이어 기판(101)의 면 상에, 유전체로 구성된 볼록부(109)의 패턴을 형성하고 있다. 이와 같이 사파이어 기판(101) 표면에 볼록부(109)의 패턴을 형성함으로써, InGaN 발광층(103)의 하방에 요철 형상의 굴절률 계면을 형성할 수 있다. 따라서, InGaN 발광층(103)에서 발생하여 횡방향으로 전파하여 발광 소자(108) 내부에서 흡수되어 버리는 광의 일부를, 볼록부(109)의 광 산란 효과에 의하여, 사파이어 기판(101) 및 InGaN 발광층(103)의 외부로 추출하는 것이 가능하게 되어, 광 취출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 사파이어 기판(101)의 표면을 에칭 가공하지 않고, 발광 소자(108)의 발광 효율을 향상시키는 것이 가능하게 됨과 함께, FACELO(Facet-Controlled Epitaxial Lateral Overgrowth)의 성장 모드를 실현할 수 있으며, 전위 밀도가 감소한 GaN계의 발광 소자를 얻을 수 있다.
그러나, 특허문헌 1에서는, 볼록부(109)의 패턴 형성에, 통상의 포토리소그래피 기술을 이용한다. 따라서 볼록부(109)의 형성 시에, 볼록부(109)의 기(基)가 되는 SiO2막과는 별도로, 포토레지스트막을 SiO2막 상에 형성한 다음, 마스크를 통하여 포토레지스트막을 패턴 형성하고, 패턴 형성된 포토레지스트막을 새로운 마스크로 하여, SiO2막을 에칭에 의하여 패턴 형성해야만 했다. 따라서, 포토레지스트막의 성막 공정이나 노광, 현상 공정, 및 SiO2막의 에칭 공정이 필수가 되기 때문에, 공정수가 증가하여, 공정수 증가에 따른 코스트의 상승도 야기하고 있었다.
또한, 포토리소그래피 기술과 에칭 가공으로 볼록부(109)를 형성한 경우, 노광, 현상의 공정을 거쳐야만 한다. 따라서, 형성 가능한 볼록부(109)의 단면 형상은 사다리꼴형에 한정되기 때문에, 형성할 수 있는 볼록부 형상의 자유도가 낮아진다. 그로 인하여, 광 취출 효율의 향상의 실현 및, 볼록부를 덮는 GaN층의 성장 시간을 단축 가능하게 하는 단면 형상의 볼록부를 제작하는 것은, 포토리소그래피 기술과 에칭 가공에서는 어려웠다.
또한, 패턴 형성된 SiO2막을 새로운 마스크로 하여, 에칭 가공에 의하여 사파이어 기판 표면에 패턴 형성을 행하려고 해도, 역시 도중의 제조 공정에서 포토레지스트막이 필수였다. 따라서, 공정수의 증가와 공정수 증가에 따른 코스트의 상승을 야기하고 있었다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 포토레지스트막 없이도 패턴 형성을 가능하게 함으로써, 공정수의 삭감과, 공정수 삭감에 따른 저코스트화가 가능한, 원하는 패턴을 면 상에 갖는 기판과 그 제조 방법, 및 발광 소자와 그 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제는, 이하의 본 발명에 의하여 달성된다. 즉,
(1) 본 발명의, 기판의 제조 방법은, 평탄한 기판을 준비하고,
감광제를 함유하는 유전체를 상기 기판면 상에 형성하며,
상기 유전체를 패턴 형성하여, 원하는 패턴의 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하는 것을 특징으로 한다.
(2) 본 발명의, 기판의 제조 방법의 일 실시형태는, 상기 유전체의 패턴 형성 후에 상기 유전체를 어닐링하여, 원하는 상기 패턴의 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하는 것이 바람직하다.
또, 기판의 제조 방법의 다른 실시형태는, 상기 유전체의 패턴 형성 후이고 상기 어닐링 전에 상기 유전체를 포스트 베이크하는 것이 바람직하다.
(3) 또 본 발명의, 기판의 제조 방법의 다른 실시형태는, 상기 포스트 베이크를 100℃ 이상 400℃ 이하의 온도 범위에서 행하는 것이 바람직하다.
(4) 또 본 발명의, 기판의 제조 방법의 다른 실시형태는, 상기 어닐링을 600℃ 이상 1700℃ 이하의 온도 범위에서 행하는 것이 바람직하다.
(5) 또 본 발명의, 기판의 제조 방법의 다른 실시형태는, 상기 유전체가 실록산 수지 조성물, 산화 타이타늄 함유 실록산 수지 조성물, 산화 지르코늄 함유 실록산 수지 조성물 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
(6) 또 본 발명의, 기판의 제조 방법의 다른 실시형태는, 상기 유전체를 상기 기판면 상에 도포함으로써, 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하고,
다음으로, 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성한 상기 기판을 프리 베이크하며,
다음으로, 마스크를 이용하여 상기 유전체를 원하는 상기 패턴으로 노광하고,
다음으로, 노광된 상기 유전체를 현상하며,
상기 유전체를 상기 어닐링하여, 원하는 상기 패턴의 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하는 것이 바람직하다.
(7) 또 본 발명의, 기판의 제조 방법의 다른 실시형태는, 상기 유전체를, 원하는 상기 패턴으로 상기 기판면 상에 직접 패턴 형성하고,
다음으로, 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성한 상기 기판을 프리 베이크하며,
다음으로, 상기 유전체를 노광하고,
상기 유전체를 상기 어닐링하여, 원하는 상기 패턴의 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하는 것이 바람직하다.
(8) 또 본 발명의, 기판의 제조 방법의 다른 실시형태는, 상기 유전체를 상기 기판면 상에 도포함으로써, 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하고,
다음으로, 몰드를 상기 유전체에 압압하여 상기 유전체를 경화시키며,
상기 유전체를 상기 어닐링하여, 원하는 상기 패턴의 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하는 것이 바람직하다.
(9) 또 본 발명의, 기판의 제조 방법은, 상기 기판을 준비하고,
상기 패턴을 마스크로 하여, 상기 기판의 표면을 에칭 처리하며, 상기 기판의 표면에 원하는 상기 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
(10) 또 본 발명의, 발광 소자의 제조 방법은, 상기 기판을 준비하고,
상기 볼록부 및 상기 기판 상에, GaN층, AlN층, InN층 중 적어도 한 층을 형성하여,
발광 소자를 제조하는 것을 특징으로 한다.
(11) 또, 본 발명의 기판은, 평탄한 기판의 면 상에, 섬 형상의 볼록부로 이루어지는 패턴을 가짐과 함께, 상기 볼록부가 유전체로 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 당해 기판은, 광원이나 디스플레이, 또 태양 전지에 구비될 수 있다.
(12) 본 발명의, 기판의 일 실시형태는, 상기 볼록부의 적어도 일부가, 곡면 형상인(곡면을 가진) 것이 바람직하다.
(13) 또 본 발명의, 기판의 다른 실시형태는, 상기 볼록부를 구성하는 유전체가, SiO2, TiO2, ZrO2 중 어느 하나를 주요 성분으로 하는 것이 바람직하다.
(14) 또 본 발명의, 기판의 다른 실시형태는, 상기 볼록부는, 전체가 곡면으로서, 꼭지부 및 측부의 구별이 없고, 평탄면이 존재하지 않는 곡면 형상을 갖는 것이 바람직하다.
(15) 또 본 발명의, 기판의 다른 실시형태는, 상기 볼록부가 반구형인 것이 바람직하다.
(16) 또 본 발명의, 기판의 다른 실시형태는, 상기 볼록부의 평면 형상이 원형 또는 타원형인 것이 바람직하다.
(17) 또 본 발명의 기판은, 상기 기판의 표면에 원하는 상기 패턴을 갖는 것을 특징으로 한다.
(18) 또 본 발명의, 발광 소자는, 상기 볼록부 및 상기 기판 상에 형성된, GaN층, AlN층, InN층 중 적어도 한 층을 포함하는 발광 소자인 것을 특징으로 한다.
또한, 당해 발광 소자는, 광원이나 디스플레이에 구비되는 것이 바람직하다.
상기 (1), (9), (11) (17) 중 어느 하나의 발명에 의하면, 감광제를 함유하는 유전체를 패턴 형성함으로써, 볼록부로 이루어지는 원하는 패턴을 기판면 상에 형성할 수 있으므로, 포토레지스트막을 성막하는 일없이 기판면 상에 패턴을 형성하는 것이 가능하게 된다. 따라서 공정수의 삭감과 공정의 용이화, 및 공정수 삭감에 따른 기판의 저코스트화가 실현된다. 또한, 이와 같이 하여 얻어진 기판은, 광원이나 디스플레이, 기판 등에 적용할 수 있다.
또한, 상기 (2)의 발명에 의하면, 원하는 패턴 형성 후의 유전체에 어닐링을 실시함으로써, 포토레지스트막을 성막하는 일없이 기판면 상에 원하는 패턴을, 임의의 측면 형상으로 성형하는 것이 가능하게 된다. 또한, 감광제의 성분을 어닐링에 의하여 제거함으로써, GaN층 등의 발광 소자로의 유기 성분의 혼입을 방지할 수 있다.
또한, 상기 (3)의 발명에 의하면, 포스트 베이크를 100℃ 이상 400℃ 이하의 온도 범위에서 행함으로써, 유전체의 유동성을 높이는 것이 가능하게 되기 때문에, 유전체의 패턴의 전체 또는, 꼭지부/측부의 일부를 둥글게 하여 곡면 형상으로 성형하는 것이 가능하게 되어, 발광 소자의 광 취출 효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 단면 형상이 사다리꼴 형상 또는 직사각형 형상인 볼록부와 비교하면, 곡면 형상으로 성형된 볼록부는, GaN층 등의 성막 시에 GaN층의 횡방향 성장 시간이 짧아지므로, GaN층의 성장 시간을 단축하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 (4)의 발명에 의하면, 어닐링을, 600℃ 이상 1700℃ 이하의 온도 범위에서 행함으로써, 볼록부의 감광제 성분을 어닐링에 의하여 제거할 수 있기 때문에, 상기와 같이 GaN층 등의 발광 소자로의 유기 성분의 혼입을 방지할 수 있다. 또한, 볼록부 상에서의 GaN층의 성장 발생의 방지, 혹은 성장 발생을 곤란하게 하는 것도 가능하게 된다. 볼록부 상에서의 GaN층의 성장을 억제함으로써, FACELO의 성장 모드를 실현할 수 있기 때문에, 전위 밀도가 감소한 GaN층을 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 (5)의 발명에 의하면, 실록산 수지 조성물, 산화 타이타늄 함유 실록산 수지 조성물, 산화 지르코늄 함유 실록산 수지 조성물은 피복성이 양호하기 때문에, 기판 표면에 균일한 두께 또는 높이로 편차 없는 유전체를 형성할 수 있다. 또한 경화 수축이 작기 때문에, 원하는 높이와 크기 및 피치로 볼록부를 기판면 상에 용이하게 형성하는 것이 가능하게 된다. 또 실록산 수지 조성물, 산화 타이타늄 함유 실록산 수지 조성물, 산화 지르코늄 함유 실록산 수지 조성물은, 경화 후에 크랙이 발생하기 어렵기 때문에, GaN층의 성장 시에 볼록부와 GaN층의 계면에 간극(보이드)이 발생하기 어려워진다. 따라서 발광 소자에 있어서 전기 특성의 악화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 (6)의 발명에 의하면, 원하는 패턴 형성에 포토리소그래피법을 이용함으로써, 포토레지스트막을 성막하는 일없이 기판면 상에 패턴을 형성하는 것이 가능하게 된다. 따라서 공정수의 삭감과 공정의 용이화, 및 공정수 삭감에 따른 기판의 저코스트화가 실현된다. 또한, 포토리소그래피법 공정의 시간이 짧기 때문에, 원하는 패턴을 면 상에 갖는 기판을, 단시간에 제작할 수 있다.
또한, 상기 (7)의 발명에 의하면, 원하는 패턴 형성에 잉크젯법을 이용함으로써, 직접, 패턴 형성을 행할 수 있으므로, 볼록부 패턴의 종류의 자유도를 높일 수 있다.
또한, 상기 (8)의 발명에 의하면, 원하는 패턴 형성에 나노 임프린트법을 이용함으로써, 간편한 설비이면서도 저코스트로 기판면 상에 원하는 크기, 피치, 높이의 볼록부의 패턴을 형성할 수 있다.
또, 상기 (10) 또는 (18)의 발명에 의하면, 볼록부가 기판의 표면 상에 형성됨으로써, 각 볼록부에서 광 산란 효과가 얻어진다. 따라서, 발광 소자 내부에서 흡수되게 되는 광의 일부를, 기판 및 InGaN 발광층의 외부로 취출하는 것이 가능하게 되어, 발광 소자의 광 취출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이와 같이 하여 얻어진 발광 소자는, 광원이나 디스플레이 등에 적용할 수 있다.
또한, 감광제를 함유하는 유전체를 패턴 형성함으로써, 볼록부로 이루어지는 원하는 패턴을 기판면 상에 형성할 수 있으므로, 포토레지스트막을 성막하는 일없이 기판면 상에 패턴을 형성하는 것이 가능하게 된다. 따라서 공정수의 삭감과 공정의 용이화, 및 공정수 삭감에 따른 발광 소자의 저코스트화가 실현됨과 함께, 상기 광 취출 효율이 향상된 발광 소자를 제조할 수 있다.
또한, 상기 (12)의 발명에 의하면, 볼록부의 일부가 곡면 형상으로 형성되어 있음으로써, 발광 소자의 광 취출 효율을 보다 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 단면 형상이 사다리꼴 형상 또는 직사각형 형상인 볼록부와 비교하면, 곡면 형상으로 성형된 볼록부는, GaN층 등의 성막 시에 GaN층의 횡방향 성장 시간이 짧아지므로, GaN층의 성장 시간을 단축하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 (13)의 발명에 의하면, 볼록부를 구성하는 재료를, SiO2, TiO2, ZrO2 중 어느 하나를 주요 성분으로 하는 유전체로 함으로써, 볼록부 상에서의 GaN층의 성장 발생을 방지, 혹은 성장 발생을 곤란하게 할 수 있다. 볼록부 상에서의 GaN층의 성장을 억제함으로써, FACELO의 성장 모드를 실현할 수 있기 때문에, 전위 밀도가 감소한 GaN층을 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 (14) 또는 (15)의 발명에 의하면, 볼록부 전체가 곡면으로 형성됨으로써 꼭지부 및 측부의 구별이 없고, 평탄면이 존재하지 않는 곡면 형상이므로, 발광 소자의 광 취출 효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 볼록부를 반구형으로 성형함으로써, 보다 상기 광 취출 효율을 향상시킬 수 있다. 물론 상기와 같이, 단면 형상이 사다리꼴 형상 또는 직사각형 형상인 볼록부와 비교하면, 곡면 형상으로 성형된 볼록부는, GaN층 등의 성막 시에 GaN층의 횡방향 성장 시간이 짧아지므로, GaN층의 성장 시간을 단축하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 (16)의 발명에 의하면, 볼록부의 평면 형상을 원형 또는 타원형으로 설정함으로써, 유전체층의 패터닝 공정을 용이화하는 것이 가능하게 된다. 특히 상기 평면 형상을 원형으로 설정함으로써, 상기 효과에 더하여, 복수의 볼록부에 의한 광의 반사·굴절·감쇠 등이 서로 상호 작용(예를 들면 간섭)을 일으켜도, 그 상호 작용에 방향성이 없어, 광이 전체 방향으로 균일하게 발광되기 때문에, 광 취출 효율이 높은 발광 소자를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 발광 소자의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 관한 원하는 패턴을 면 상에 갖는 기판을 나타내는 모식도이다.
도 3에 있어서, 도 3(a)는 도 2에 나타내는 기판의 확대 측면도이다. 도 3(b)는 도 2에 나타내는 기판을 확대하여, 볼록부만을 나타내는 부분 평면도이다.
도 4에 있어서, 도 4(a)는 본 발명에 관하여, 평면 형상이 타원인 볼록부의 패턴을 면 상에 갖는 기판을 나타내는, 확대 측면도이다. 도 4(b)는 도 4(a)에 나타내는 기판의, 볼록부만을 나타내는 부분 평면도이다. 도 4(c)는 도 4(a)에 나타내는 기판을 90도 상이한 방향에서 본 확대 측면도이다. 도 4(d)는 도 4(c)에 나타내는 기판의, 볼록부만을 나타내는 부분 평면도이다.
도 5에 있어서, 도 5(a)는 본 발명에 관하여, 평면 형상이 삼각형인 볼록부만을 나타내는 부분 평면도이다. 도 5(b)는 본 발명에 관하여, 평면 형상이 육각형인 볼록부만을 나타내는 부분 평면도이다.
도 6은 본 발명에 관하여, 평면 형상이 대략 다각형인 볼록부의 패턴을 면 상에 갖는 기판을 나타내는, 확대 측면도이다.
도 6a는 기판의 변형예의 기판의 확대 측면도이다. 도 6a의 (a)는 도 3(a)에 나타내는 기판의 변형예의 기판의 확대 측면도이다. 도 6a의 (b)는 도 4(c)에 나타내는 기판의 변형예의 기판의 확대 측면도이다. 도 6a의 (c)는 도 6에 나타내는 기판의 변형예의 기판의 확대 측면도이다.
도 7에 있어서, 도 7(a)는 사다리꼴 형상의 볼록부에 있어서의, GaN층의 성장 단계를 나타내는, 볼록부 확대도이다. 도 7(b)는 직사각형 형상의 볼록부에 있어서의, GaN층의 성장 단계를 나타내는, 볼록부 확대도이다. 도 7(c)는 패턴 전체가 곡면 형상으로 성형된 볼록부에 있어서의, GaN층의 성장 단계를 나타내는, 볼록부 확대도이다. 도 7(d)는 꼭지부의 일부가 곡면 형상으로 성형된 볼록부에 있어서의, GaN층의 성장 단계를 나타내는, 볼록부 확대도이다.
도 8은 본 실시형태의 제조 방법에 관한 하나의 형태인, 포토리소그래피법의 제조 공정을 나타내는 모식도이다.
도 9는 본 실시형태의 제조 방법에 관한 다른 형태인, 임프린트법의 제조 공정을 나타내는 모식도이다.
도 10은 본 실시형태의 제조 방법에 관한 다른 형태인, 잉크젯법의 제조 공정을 나타내는 모식도이다.
도 11은 본 발명에 관한 발광 소자의 제조 과정을 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예의 볼록부 단면 형상을 나타내는 AFM상이다.
도 13은 본 발명의 실시예의 볼록부 형상을 사시적으로 나타내는 AFM상이다.
도 14는 본 발명의 발광 소자를 갖는 광원을 구비하는 조명 장치이다.
도 15는 본 발명의 발광 소자를 갖는 광원을 구비하는 디스플레이 장치이다.
도 16은 본 발명의 기판을 구비하는 태양 전지이다.
도 17은 종래의 발광 소자의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 18은 종래의 다른 발광 소자의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 관한 원하는 패턴을 면 상에 갖는 기판을 나타내는 모식도이다.
도 3에 있어서, 도 3(a)는 도 2에 나타내는 기판의 확대 측면도이다. 도 3(b)는 도 2에 나타내는 기판을 확대하여, 볼록부만을 나타내는 부분 평면도이다.
도 4에 있어서, 도 4(a)는 본 발명에 관하여, 평면 형상이 타원인 볼록부의 패턴을 면 상에 갖는 기판을 나타내는, 확대 측면도이다. 도 4(b)는 도 4(a)에 나타내는 기판의, 볼록부만을 나타내는 부분 평면도이다. 도 4(c)는 도 4(a)에 나타내는 기판을 90도 상이한 방향에서 본 확대 측면도이다. 도 4(d)는 도 4(c)에 나타내는 기판의, 볼록부만을 나타내는 부분 평면도이다.
도 5에 있어서, 도 5(a)는 본 발명에 관하여, 평면 형상이 삼각형인 볼록부만을 나타내는 부분 평면도이다. 도 5(b)는 본 발명에 관하여, 평면 형상이 육각형인 볼록부만을 나타내는 부분 평면도이다.
도 6은 본 발명에 관하여, 평면 형상이 대략 다각형인 볼록부의 패턴을 면 상에 갖는 기판을 나타내는, 확대 측면도이다.
도 6a는 기판의 변형예의 기판의 확대 측면도이다. 도 6a의 (a)는 도 3(a)에 나타내는 기판의 변형예의 기판의 확대 측면도이다. 도 6a의 (b)는 도 4(c)에 나타내는 기판의 변형예의 기판의 확대 측면도이다. 도 6a의 (c)는 도 6에 나타내는 기판의 변형예의 기판의 확대 측면도이다.
도 7에 있어서, 도 7(a)는 사다리꼴 형상의 볼록부에 있어서의, GaN층의 성장 단계를 나타내는, 볼록부 확대도이다. 도 7(b)는 직사각형 형상의 볼록부에 있어서의, GaN층의 성장 단계를 나타내는, 볼록부 확대도이다. 도 7(c)는 패턴 전체가 곡면 형상으로 성형된 볼록부에 있어서의, GaN층의 성장 단계를 나타내는, 볼록부 확대도이다. 도 7(d)는 꼭지부의 일부가 곡면 형상으로 성형된 볼록부에 있어서의, GaN층의 성장 단계를 나타내는, 볼록부 확대도이다.
도 8은 본 실시형태의 제조 방법에 관한 하나의 형태인, 포토리소그래피법의 제조 공정을 나타내는 모식도이다.
도 9는 본 실시형태의 제조 방법에 관한 다른 형태인, 임프린트법의 제조 공정을 나타내는 모식도이다.
도 10은 본 실시형태의 제조 방법에 관한 다른 형태인, 잉크젯법의 제조 공정을 나타내는 모식도이다.
도 11은 본 발명에 관한 발광 소자의 제조 과정을 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예의 볼록부 단면 형상을 나타내는 AFM상이다.
도 13은 본 발명의 실시예의 볼록부 형상을 사시적으로 나타내는 AFM상이다.
도 14는 본 발명의 발광 소자를 갖는 광원을 구비하는 조명 장치이다.
도 15는 본 발명의 발광 소자를 갖는 광원을 구비하는 디스플레이 장치이다.
도 16은 본 발명의 기판을 구비하는 태양 전지이다.
도 17은 종래의 발광 소자의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 18은 종래의 다른 발광 소자의 구조를 나타내는 모식도이다.
이하, 도 1~도 7을 참조하여, 발광 소자용 GaN층의 형성에 이용되는, 원하는 패턴을 면 상에 갖는 기판 및 그 기판을 이용한 발광 소자의, 본 실시형태를 설명한다. 도 1에서, 원하는 패턴을 면 상에 갖는 기판(1)(이하, 적절히 "기판(1)"이라고 표기)은, LED 발광 소자(8)(이하, 적절히 "발광 소자(8)"라고 표기)의 하지(下地) 기판이다. 또한 도 2에 나타내는 바와 같이, 기판(1)은 평탄한 기판(1a)의 면 상에, 섬 형상의 볼록부(1b)로 이루어지는 패턴을 갖는다. 또한, 볼록부(1b)는 유전체로 구성된다.
상기 섬 형상이란, 기판(1a)의 두께 방향에 있어서, 볼록부(1b)의 꼭지부로부터 기판(1a) 표면의 높이에 걸쳐, 각각의 볼록부(1b)가 독립한 볼록 형상을 갖는 것을 가리킨다. 따라서, 볼록부(1b)의 꼭지부로부터 기판(1a) 표면의 높이까지, 각각의 볼록부(1b)가 독립한 볼록 형상을 갖고 있으면, 섬 형상의 패턴을 충족시키고 있고, 기판(1a)을 기판 평면 방향(도 1 또는 도 2 상측에서 하측을 향하는 방향)으로부터 보았을 때에, 서로의 볼록부(1b)가 떨어져 있는 것, 또는 볼록부(1b)의 바닥면 즉 기판(1a) 표면에서 볼록부(1b)의 측부가 서로 접하고 있는 것 중, 어느 것이어도 된다.
볼록부(1b)가 기판(1a)의 표면 상에 형성됨으로써, 각 볼록부(1b)에서 광 산란 효과가 얻어진다. 따라서, 발광 소자(8) 내부에서 흡수되어 버리는 광의 일부를, 기판(1a) 및 InGaN 발광층(3)의 외부로 취출하는 것이 가능하게 되어, 발광 소자(8)의 광 취출 효율을 향상시킬 수 있다.
n형 GaN 콘택트층(n-GaN층)(2)의 성장은 볼록부(1b)의 사이의 기판(1a) 표면, 즉 볼록부(1b)가 아닌 평탄부로부터 개시되어, n-GaN층(2)의 두께가 두꺼워짐에 따라, 볼록부(1b)의 측부 및 꼭지부를 덮어간다. 따라서, 기판(1a)의 표면과 볼록부(1b)의 패턴을 덮어 GaN층이 형성된다.
기판(1a)은, 사파이어(Al2O3), Si, SiC, GaAs, InP, 스피넬 등과 같은, 3-5족 화합물 반도체가 성장 가능한 재료이면 되지만, 특히 사파이어가 3-5족 화합물 반도체의 형성이라는 점에서 가장 바람직하다. 이하, 사파이어 기판을 기판(1a)의 예로 들어, 설명을 계속한다.
사파이어 기판을 기판(1a)에 사용하는 경우는, 기판(1a) 표면은 C면, A면, R면 등으로부터 적절히 선택, 또는 이들 표면으로부터 경사져 있어도 된다.
또, n-GaN층(2)의 성장 개시 개소가 되는 기판(1a)의 표면은, 표면 조도 Ra로 1nm 이하 정도의 경면 상태인 것이, n-GaN층(2) 내의 결정 성장 시의 결함 발생 방지의 점에서 특히 바람직하다. 기판(1a)의 표면을 경면 상태로 하기 위해서는, 예를 들면 경면 연마를 실시하면 된다.
볼록부(1b)의 재료는, 감광제를 함유하는 유전체로 한다. 감광제를 함유하는 유전체로 볼록부(1b)를 형성함으로써, 후술하는 바와 같이 포토레지스트막(즉, 볼록부(1b) 형성막의 에칭용 마스크)이 없어도, 볼록부(1b)의 패턴을 기판(1a)의 면 상에 형성하는 것이 가능하게 된다. 또한 볼록부(1b)를 형성하는 유전체로서는, SiO2, TiO2, ZrO2 중 어느 하나를 주요 성분으로 하는 유전체가 바람직하고, 재료로서는 예를 들면 실록산 수지 조성물, 산화 타이타늄 함유 실록산 수지 조성물, 산화 지르코늄 함유 실록산 수지 조성물을 들 수 있다.
실록산 수지 조성물은, 실록산 결합에 의한 주골격을 갖는 중합체를 함유한다. 실록산 결합에 의한 주골격을 갖는 중합체는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 GPC(젤 퍼미에이션 크로마토그래피)로 측정되는 폴리스타이렌 환산으로 중량 평균 분자량(Mw)이 1000~100000, 더 바람직하게는 2000~50000이다. Mw가 1000보다 작으면 도막성이 나빠지고, 100000보다 크면 패턴 형성 시의 현상액에 대한 용해성이 나빠진다.
실록산 수지 조성물, 산화 타이타늄 함유 실록산 수지 조성물, 산화 지르코늄 함유 실록산 수지 조성물은 피복성이 양호하기 때문에, 기판(1a) 표면에 균일한 두께 또는 높이로 편차 없는 유전체를 형성할 수 있다. 또한 경화 수축이 작기 때문에, 원하는 높이와 크기 및 피치로 볼록부(1b)를 기판(1a)면 상에 용이하게 형성하는 것이 가능하게 된다. 또 실록산 수지 조성물, 산화 타이타늄 함유 실록산 수지 조성물, 산화 지르코늄 함유 실록산 수지 조성물은, 경화 후에 크랙이 발생하기 어렵기 때문에, GaN층(2 내지 5)의 성장 시에 볼록부(1b)와 GaN층의 계면에 간극(보이드)이 발생하기 어려워진다. 따라서, 발광 소자(8)에 있어서 전기 특성의 악화를 방지할 수 있다. 또한, 상기 피치란, 인접하는 볼록부(1b)끼리의 중심 간 거리 중, 최소 거리를 가리킨다.
또한 볼록부(1b)를 구성하는 재료를, SiO2, TiO2, ZrO2 중 어느 하나를 주요 성분으로 하는 유전체로 함으로써, 볼록부(1b) 상에서의 GaN층의 성장 발생을 방지, 혹은 성장 발생을 곤란하게 할 수 있다. 볼록부(1b) 상에서의 GaN층의 성장을 억제함으로써, FACELO의 성장 모드를 실현할 수 있기 때문에, 전위 밀도가 감소한 GaN층을 형성하는 것이 가능하게 된다.
또, 볼록부(1b)의 크기와 볼록부(1b)끼리의 피치는, 발광 소자(8)의 GaN층 중에 있어서의 발광 파장을 λ로 설정했을 때에, 적어도 λ/(4n) 이상으로 설정하는 것이, 충분히 광을 산란 또는 회절시킨다는 점에서 바람직하다. 또한 볼록부(1b)의 크기란, 볼록부(1b)의 평면 형상에 따라 다양하게 설정되지만, 그 평면 형상이 후술하는 바와 같이, 원형인 경우는 반경의 길이, 타원형인 경우는 단축 방향의 반경 길이, 다각형인 경우는 볼록부(1b)의 구성이 되는 한 변의 길이로 나타내는 것으로 한다. 또, n이란 GaN층의 굴절률이며, 일례로서는 약 2.4이다. 또한, 기판(1a)이 발광 소자(8)에 이용되는 경우, 유전체의 굴절률은, 적어도 질화 갈륨(GaN)의 굴절률과 상이한 것이 바람직하다. 또, 기판측으로의 광의 투과를 방지하여, 발광 소자의 휘도를 향상시킨다는 점에서, 유전체의 굴절률이 질화 갈륨(GaN)의 굴절률보다 작은 것이, 보다 바람직하다.
또, 모든 GaN층(2 내지 5)의 총 막두께가 30μm 이하인 경우, 볼록부(1b) 간의 피치는 50μm 이하인 것이, 산란 또는 회절에 의한 광의 전체 반사 횟수를 감소시킨다는 관점에서 바람직하다. 또한, GaN층의 결정성 향상(즉, 피트 발생 방지)의 관점에서, 볼록부(1b) 간의 피치는 20μm 이하인 것이 더 바람직하다. 보다 바람직하게는, 볼록부간의 피치를 10μm 이하로 설정하는 것이며, 상기 피치를 10μm 이하로 설정함으로써, 광 산란면이 늘어나 광의 산란 또는 회절의 확률이 높아져, 발광 소자(8)의 광 취출 효율을 더 향상시키는 것이 가능하게 된다.
볼록부(1b)의 측면 형상은 도 3(a), 도 4(a) 및 도 4(c), 또는 도 6에 나타내는 바와 같이, 적어도 볼록부(1b)의 일부가 곡면 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 볼록부(1b)의 적어도 일부는 곡면을 갖는다. 볼록부(1b)의 일부가 곡면 형상으로 형성되어 있음으로써, 발광 소자(8)의 광 취출 효율을 보다 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 기판과 수직인 면에 있어서의 단면 형상이 사다리꼴 형상 또는 직사각형 형상인 볼록부와 비교하면, 곡면 형상으로 성형된 볼록부(1b)는, GaN층(2 내지 5) 등의 성막 시에 GaN층의 횡방향 성장 시간이 짧아지므로, GaN층의 성장 시간을 단축하는 것이 가능하게 된다. 보다 상세히 설명하면, 도 7(a)에서 측면 형상이 사다리꼴 형상인 볼록부(13), 또는 도 7(b)에서 측면 형상이 직사각형 형상인 볼록부(14) 상에 GaN층을 횡방향 성장시키려고 하면, GaN층은 화살표로 나타내는 바와 같이, 일단 측부(13a, 14a)로 성장하고, 다음으로 꼭지부(13b, 14b)의 평면 상을 성장시킨다는, 2단계의 성장을 거쳐야만 한다. 한편, 도 7(c)에서 패턴 전체가 곡면 형상으로 성형된 볼록부(1b)에서는, 화살표로 나타내는 바와 같이 일련의 횡방향 성장에 의하여 GaN층을 볼록부(1b) 상에 형성할 수 있기 때문에, GaN층의 성장 시간을 단축하는 것이 가능하게 된다. 또, 도 7(d)에서 꼭지부의 일부가 곡면 형상으로 성형된 볼록부(1b)에서는, 측부(1c)에서의 GaN층의 성장을 신속하게 꼭지부(1d)로 이행할 수 있기 때문에, GaN층의 성장 시간을 단축하는 것이 가능하게 된다. 측부의 일부가 곡면 형상으로 성형된 볼록부에서도, 측부에서 신속하게 GaN층의 성장이 촉진되어, 그 GaN층의 성장을 꼭지부로 이행할 수 있으므로, GaN층의 성장 시간을 단축하는 것이 가능하게 된다.
구체적인 볼록부(1b)의 형상의 하나의 형태로서는, 평면 형상은 도 5(a) 또는 도 5(b)에 나타내는 바와 같이 대략 다각형이고, 또한 측면 형상은 도 6에 나타내는 바와 같이 측부(1c)가 경사하고 있으며, 또한 볼록부 꼭지부(1d)가 곡면으로 형성된 형상을 들 수 있다.
테이퍼각 θ가 90°일 때는, 볼록부(1b)의 단면 형상은 직사각형이 되며, 180°일 때는 볼록부(1b)가 전혀 없는 평평한 상태가 된다. GaN층에 의하여 볼록부(1b)를 매립시키기 위해서는, 테이퍼각 θ가 적어도 90˚이상일 것이 필요하다.
대략 다각형이란, 삼각형 또는 육각형을 가리키며, 기하학적으로 완전한 다각형일 필요는 없고, 가공상의 이유 등에서 각이나 변이 둥그스름한 다각형도 포함하는 것으로 한다. 볼록부(1b)의 평면 형상을, 삼각형 또는 육각형으로 성형함으로써, GaN층의 성장 안정면에 대하여 대략 평행한 면에 꼭지점을 갖고, 또한 GaN층의 성장 안정면에 대하여 대략 평행한 면과 교차하는 직선을 구성변으로 할 수 있다.
또 볼록부(1b) 평면 형상의 다른 형태로서, 볼록부(1b) 전체가 곡면으로 형성됨으로써 꼭지부 및 측부의 구별이 없고, 평탄면이 존재하지 않는 곡면 형상을 갖는 것이, 상기 광 취출 효율의 향상의 GaN층(2 내지 5)의 횡방향 성장 시간의 단축이라는 점에서 보다 바람직하며, 볼록부(1b)가 도 3(a)에 나타내는 바와 같이 반구형인 것이 더 바람직하다. 따라서, 볼록부(1b)의 각 부위에 있어서의 곡률은 0보다 크고, 볼록부(1b)와 기판(1a)이 연속하는 개소를 제외하고 모서리부는 존재하지 않는다. 또, 상술한 도 3(a), 도 4(c), 및 도 6에 각각 나타낸 기판(1a)과 볼록부(1b)는, 도 6a에 나타내는 바와 같은 변형예를 갖고 있어도 된다. 도 6a의 (a)와 도 6a의 (b)에 나타내는 변형예는, 볼록부(1b) 전체가 곡면으로 형성되는 경우에 있어서 그 곡면이 도중에 변곡점을 갖고, 그 변곡점의 전후에 꼭지부의 곡면의 곡률과는 반대 부호의 곡률을 갖는 곡면(1f)을 갖는다. 또, 도 6a의 (c)에 나타내는 변형예는, 일부에 측부(1c)를 갖고, 그 측부(1c)의 전후에 꼭지부의 곡면의 곡률과는 반대 부호의 곡률을 갖는 곡면(1f)을 갖는다. 이 변형예에 있어서는, 기판(1a)으로부터 볼록부(1b)에 걸쳐 완만하게 연속하므로, GaN층의 성장이 촉진되어, 성장 시간을 더 단축하는 것이 가능하게 된다. 또한, 도 4(a)의 볼록부(1b)에도, 동일하게 곡면(1f)을 형성해도 된다.
또한 볼록부(1b)의 평면 형상은, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이 원형이거나, 또는 도 4(b) 및 도 4(d)에 나타내는 바와 같이 타원형인 것이 바람직하다. 그러나 원형으로 형성함으로써, 복수의 볼록부(1b, 1b, …)에 의한 광의 반사·굴절·감쇠 등이 서로 상호 작용(예를 들면 간섭)을 일으켜도, 그 상호 작용에 방향성이 없어, 광이 전체 방향으로 균일하게 발광되기 때문에, 광 취출 효율이 높은 발광 소자(8)를 제작할 수 있다. 따라서, 원형의 평면 형상인 볼록부(1b)가 보다 바람직하다. 또, 평면 형상을 원형 또는 타원형으로 설정함으로써, 유전체층의 후술하는 패터닝 공정을 용이화하는 것이 가능하게 된다.
기판(1a) 표면에 형성되는 모든 볼록부(1b)는, 동일한 크기, 형상이 바람직하지만, 볼록부(1b)마다 크기, 형상, 또는 상기 곡률에 약간 차가 있어도 된다. 또 볼록부(1b)의 배열 형태에도 제한은 없고, 격자 형상 배열 구조와 같이 규칙적인 피치에 의한 배열 형태여도 되고, 불규칙한 피치에서의 배열 형태여도 된다. 혹은, 볼록부(1b)의 평면 형상으로서 원형 또는 타원형과, 대략 다각형 형상을, 1개의 기판(1a)면 상에 병용해도 된다.
이상과 같은 기판(1)의 면 상에 형성된, 볼록부(1b) 및 기판(1a) 상에, 2개 이상의 GaN층(2 내지 5) 및 p형 전극(6)과 n형 전극층(7)을 형성함으로써, 발광 소자(8)를 제조한다. p형 전극(6)은 p형 GaN 콘택트층(5) 상에 금속 전극과 함께 형성되고, n형 전극층(7)은 n-GaN층(2) 상의 InGaN 발광층(3)이 형성되어 있지 않은 개소에 형성된다. 2개 이상의 GaN층이란, 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같이, n형 GaN 콘택트층(n-GaN층)(2), InGaN 발광층(활성층)(3), p형 AlGaN 클래드층(4), 및 p형 GaN 콘택트층(5)을 들 수 있지만, 이 구조에 한정되지 않는다. 적어도 n형 도전성을 갖는 층, p형 도전성을 갖는 층, 이들 사이에 끼워진 발광층을 갖는 3-5족 질화 화합물 반도체의 층으로 이루어지는 구성의 것이 바람직하다. 활성층(3)으로서는, Inx Gay Alz N(단, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 나타나는 3-5족 질화 화합물 반도체로 이루어지는 층이 바람직하다.
상기 기판(1) 상에 형성시키는 3-5족 질화 화합물 반도체는, GaN층에 한정되지 않고, AlN층 또는 InN층 중 어느 한 층을, 적어도 포함하도록 변경해도 된다. 구체적으로는, AlN 등으로 이루어지는 버퍼층을 기판(1) 상에 형성한 다음 n-GaN층(2)을 형성하는 것을 들 수 있다. 또한 상기 버퍼층에는, GaN으로 이루어지는 층을 이용해도 된다.
다음으로 기판(1)의 제조 방법을, 도 8~도 11을 참조하면서 설명한다. 도 8은, 본 실시형태의 상기 제조 방법에 관한 하나의 형태인, 포토리소그래피법의 제조 공정을 나타내는 모식도이다. 도 9는, 본 실시형태의 상기 제조 방법에 관한 다른 형태인, 임프린트법의 제조 공정을 나타내는 모식도이다. 도 10은, 본 실시형태의 상기 제조 방법에 관한 다른 형태인, 잉크젯법의 제조 공정을 나타내는 모식도이다.
도 8(a), 도 9(a), 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 먼저 평탄한 기판(1a)을 준비하고, 다음으로 도 8(b), 도 9(b), 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 감광제를 함유하는 유전체(1e)를 기판(1a)면 상에 형성하며, 유전체(1e)를 패턴 형성하여, 원하는 패턴의 유전체로 이루어지는 상기 볼록부(1b)를 기판(1a)면 상에 형성한다. 도 8 및 도 9에 나타내는 제조 방법에 있어서는, 유전체(1e)는 일정한 두께의 막으로서 형성되고, 도 10의 제조 방법에 있어서는, 복수의 볼록 형상으로 형성된다. 또한, 기판(1a)이 평탄하다란, 유전체(1e)를 패턴 형성하는 기판(1a)의 표면이 경면 상태인 것을 가리키며, 표면 조도 Ra로 1nm 이하 정도이다. 또, 원하는 패턴이란, 섬 형상의 볼록부(1b)로 이루어지는 패턴을 가리킨다.
감광제를 함유하는 유전체를 패턴 형성함으로써, 상기 볼록부(1b)로 이루어지는 원하는 패턴을 기판(1a)면 상에 형성할 수 있으므로, 포토레지스트막(볼록부(1b) 형성막의 에칭용 마스크)을 성막하는 일없이 기판(1a)면 상에 패턴을 형성하는 것이 가능하게 된다. 따라서 공정수의 삭감과 공정의 용이화, 및 공정수 삭감에 따른 기판(1)의 저코스트화가 실현된다.
또한, 상기 유전체(1e)로서 상기 실록산 수지 조성물을 예로 들어, 개개의 공정마다 상세하게 설명한다. 이하, 기판(1a)이 사파이어제(이하, 적절히 "사파이어 기판(1a)"이라고 기재함)인 경우를 예로 들어, 설명을 한다.
상기 도 8(a), 도 9(a), 도 10(a)의 전 공정으로서, 사파이어 기판(1a)을 UV/O3 세정하고, 그 후 수세하여, 탈수 베이크를 행한다. 또한, 사파이어 기판(1a)에 HMDS(헥사메틸다이실라제인) 공정을 실시하고, 베이크를 행하여, 도 8(a), 도 9(a), 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 평탄한 기판으로서 사파이어 기판(1a)을 준비한다.
다음으로 도 8(b) 또는 도 9(b)에 있어서는, 그 사파이어 기판(1a)의 면 상에 실록산 수지 조성물을 스피너에 의하여 균일하게 도포한다.
실록산 수지 조성물을 볼록부(1b)의 형성 재료로 이용함으로써, 피복성이 양호하기 때문에, 기판(1a) 표면에 균일한 두께 또는 높이로 편차 없는 유전체를 형성할 수 있다. 또한 경화 수축이 작기 때문에, 원하는 높이와 크기 및 피치로 볼록부(1b)를 기판(1a)면 상에 용이하게 형성하는 것이 가능하게 된다. 또 실록산 수지 조성물은, 경화 후에 크랙이 발생하기 어렵기 때문에, GaN층(2 내지 5)의 성장 시에 볼록부(1b)와 GaN층의 계면에 간극(보이드)이 발생하기 어려워진다. 따라서, 발광 소자(8)의 전기 특성의 악화를 방지할 수 있다.
실록산 수지 조성물을 기판(1a)면 상에 형성한 후에, 그 실록산 수지 조성물로부터 상기 원하는 패턴을 기판(1a)면 상에 형성하는 방법은, 몇 가지 존재하며, 예를 들면, 상기의 포토리소그래피법, 임프린트법, 및 잉크젯법의 3개의 방법을 들 수 있다.
포토리소그래피법의 공정은 이하와 같다. 상기와 같이, 유전체(1e)를 기판(1a)의 면 상에 도포함으로써, 유전체(1e)의 막을 기판(1a)의 면 상에 형성한다(도 8(b) 참조). 그 후, 유전체(1e)의 막을 기판(1a)면 상에 형성한 기판(1a)을 프리 베이크하고, 다음으로 도 8(c)에 나타내는 바와 같이, 마스크(10)를 이용하여 유전체(1e)의 막을 원하는 패턴으로 노광한다. 또한, 노광한 유전체(1e)를 현상하고(도 8(d) 참조), 현상한 유전체(1e)를 포스트 베이크한다. 또한 도 8(e)에 나타내는 바와 같이, 포스트 베이크 후에 유전체(1e)를 어닐링하여, 원하는 패턴의 유전체(1e)(도 8(e)의 시점에서, 유전체(1e)는 볼록부(1b)가 됨)를 기판(1a)면 상에 형성시킨다. 또한, 상기 예에서는, 현상한 유전체(1e)를 포스트 베이크한 후 유전체(1e)를 어닐링했지만, 이에 한정되지 않고, 포스트 베이크를 행하지 않고 현상한 유전체(1e)를 그대로 어닐링해도 된다.
임프린트법의 공정은 이하와 같다. 상기와 같이, 유전체(1e)를 기판(1a)의 면 상에 도포함으로써, 유전체(1e)의 막을 기판(1a)의 면 상에 형성한다(도 9(b) 참조). 그 후, 몰드(11)를 유전체(1e)의 막에 압압하여 상기 유전체를 광조사에 의하여 경화시킨다(도 9(c) 참조). 다음으로, 유전체(1e)를 포스트 베이크하고(도 9(d) 참조), 또한 도 9(e)에 나타내는 바와 같이, 포스트 베이크 후에 유전체(1e)를 어닐링하여, 원하는 패턴의 유전체(1e)(도 9(e)의 시점에서, 유전체(1e)는 볼록부(1b)가 됨)를 기판(1a)면 상에 형성시킨다.
잉크젯법의 공정은 이하와 같다. 상기와 같은 스피너에 의한 실록산 수지 조성물의 도포 대신에, 유전체(1e)를 노즐(12)로부터 직접, 기판(1a)면 상에 원하는 패턴으로 패턴 형성한다(도 10(b) 참조). 다음으로, 유전체(1e)를 면 상에 형성한 기판(1a)을 프리 베이크하고, 또한 유전체(1e)를 노광 후에 포스트 베이크한다(도 10(c) 참조). 또한 도 10(d)에 나타내는 바와 같이, 포스트 베이크 후에 유전체(1e)를 어닐링하여, 원하는 패턴의 유전체(1e)(도 10(d)의 시점에서, 유전체(1e)는 볼록부(1b)가 됨)를 기판(1a)면 상에 형성시킨다. 또한, 임프린트법 또는 잉크젯법에서도, 포스트 베이크를 행하지 않고, 유전체(1e)를 그대로 어닐링해도 된다.
포토리소그래피법에 있어서의, 노광의 광원으로서는, 미세한 패턴을 형성한다는 관점에서, 고압 수은등의 g선(파장 436nm), h선(파장 405nm), i선(파장 365nm), KrF 엑시머 레이저(파장 248nm), ArF 엑시머 레이저(파장 193nm) 등이 바람직하다. 또, 유전체(1e)의 막으로서는 포지티브형과, 네가티브형이 있는데, 패턴의 미세화라는 점에서 포지티브형이 바람직하다. 포지티브형의 경우, 노광 후, 베이크하지 않고, 현상할 필요가 있다. 노광 후, 60℃ 이상에서 베이크한 경우, 노광부의 실록산이 축합 반응하여, 현상액에 대한 용해성이 저하, 패턴을 형성하지 못하여, 바람직하지 않다.
포지티브형 감광성 실록산에는, 감광제로서, 나프토퀴논다이아자이드-5-술폰산 에스테르가 바람직하게 이용된다.
노광 장치는 패턴의 미세화가 가능하다는 관점에서, 축소 투영 노광 수법이 가능한 장치가 바람직하다.
또, 포토리소그래피법에서의 현상액에는, 실록산 수지 조성물을 용해하는 약액이 사용되고, 유기 용제인 경우와, 유기 또는 무기 알칼리인 경우가 있다. 그러나, 수산화 칼륨(KOH) 등의 무기 알칼리에서는 후공정으로의 혼입을 피할 수 없다는 관점에서, 유기 알칼리인 TMAH(Tetra-methyl-ammonium-hydroxyde)가 가장 바람직하다.
상기와 같이, 포토리소그래피법, 임프린트법, 잉크젯법 모두, 유전체(1e)의 패턴 형성 후에, 또한 유전체(1e)를 포스트 베이크한다. 포스트 베이크에 의하여, 기판(1a) 및 유전체(1e)에 부착된 린스액이 가열에 의하여 제거된다. 또한 포스트 베이크 후에 유전체(1e)를 어닐링하여, 원하는 패턴의 유전체(1e)를 기판(1a)면 상에 형성한다.
포스트 베이크를 100℃ 이상 400℃ 이하의 온도 범위에서 행함으로써, 유전체(1e)의 유동성을 높이는 것이 가능하게 되기 때문에, 유전체(1e)의 패턴의 전체 또는, 꼭지부/측부의 일부를 둥글게 하여 곡면 형상으로 성형하는 것이 가능하게 되고, 발광 소자(8)의 광 취출 효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 단면 형상이 사다리꼴 형상 또는 직사각형 형상인 볼록부(예를 들면 볼록부(109))와 비교하면, 곡면 형상으로 성형된 볼록부(1b)는, GaN층(2 내지 5) 등의 성막 시에 GaN층의 횡방향 성장 시간이 짧아지므로, GaN층의 성장 시간을 단축하는 것이 가능하게 된다. 또한, 100℃ 미만에서는, 유전체(1e)의 유동성이 불충분하게 되어, 유전체(1e)의 패턴의 전체 또는, 꼭지부/측부의 일부를 곡면 형상으로 성형할 수 없게 된다. 또, 400℃ 초과에서는, 유전체(1e)의 유동성이 커져, 원하는 해상도 패턴을 얻을 수 없다.
원하는 패턴 형성 후의 유전체(1e)에 어닐링을 실시함으로써, 포토레지스트막(볼록부(1b) 형성막의 에칭용 마스크)을 성막하는 일없이 기판(1a)면 상에 원하는 패턴을, 임의의 측면 형상으로 성형하는 것이 가능하게 된다. 또한, 감광제의 성분을 어닐링에 의하여 제거함으로써, GaN층(2 내지 5) 등의 발광 소자(8)로의 유기 성분의 혼입을 방지할 수 있다. 또한 감광제 성분의 제거란, 어닐링에 의하여 감광제가 액화되어, 증발에 의하여 제거되는 것을 가리킨다.
또한, 원하는 패턴 형성에 포토리소그래피법을 이용함으로써, 포토레지스트막(즉, 볼록부(1b) 형성막의 에칭용 마스크)을 성막하는 일없이 기판(1a)면 상에 패턴을 형성하는 것이 가능하게 된다. 따라서 공정수의 삭감과 공정의 용이화, 및 공정수 삭감에 따른 기판(1)의 저코스트화가 실현된다. 또한, 포토리소그래피법 공정의 시간이 짧으므로, 원하는 패턴을 면 상에 갖는 기판(1)을, 단시간에 제작할 수 있다.
임프린트법에 대하여 더 상세히 설명한다. 몰드(11)재로서는, 예를 들면 석영제 등과 같이 자외선의 투과율이 양호한 재료를 이용하면 된다. 석영 몰드의 제작 방법은, 먼저 석영을 준비하고, 다음으로 석영 기판 상에 레지스트를 도포하고, 통상의 포토리소그래피법 또는 전자선 묘화법에 의하여 섬 형상의 패턴을 노광하여 현상한다. 다음으로, Al을 100nm 정도 증착하여, 리프트 오프하고, 또한 Al을 마스크로 하여 CHF3(3불화 메탄)을 이용한 RIE(Reactive Ion Etching: 반응성 이온 에칭) 장치로 석영을 소정의 깊이까지 에칭 가공을 행한다. 소정의 깊이란, 볼록부(1b)의 높이와 동일한 것으로 한다. 에칭 가공 후에 남은 불필요한 Al은 인산으로 제거하고, 마지막에 순수로 세정하여 건조시켜, 석영 몰드를 완성시킨다.
이와 같은 몰드(11)를, 유전체(1e)에 압압한 채로, 몰드(11)를 통하여 자외선을 조사하여 유전체(1e)를 경화시킨다. 이 때 자외선을 조사하는 방향은 몰드(11)측으로부터인 것으로 해도 되고, 사파이어 기판(1a)이 투명체이므로, 사파이어 기판(1a)측으로부터 자외선을 조사해도 상관없다. 또한, 기판(1a)측으로부터 자외선을 조사하는 경우는, 몰드(11)의 재료는 반드시 투명체일 필요는 없기 때문에, 석영 이외의 재질, 예를 들면 실리콘 등의 불투명체를 이용해도 된다. 또, 투명한 재료로서 사파이어를 몰드(11)에 사용할 수도 있다.
또한, 몰드(11)를 유전체(1e)에 압압했을 때에, 각각의 유전체(1e) 내에 기포가 들어가지 않도록, 진공 분위기 중에서 행해도 된다. 또한, 여기에서는 임프린트법으로서 광 나노 임프린트법에 따른 예를 나타냈지만, 이 외에 열에 의하여 유전체(1e)를 경화시키는 열 나노 임프린트법을 이용할 수도 있다.
섬 형상의 유전체(1e)를 경화 후에 몰드(11)를 떼어 분리하고, 몰드(11)의 볼록부에 상당하는 부분(섬 형상의 유전체(1e) 이외의 부분)에 남은, 불필요한 유전체를 산소 RIE 장치에 의하여 제거한다.
이상과 같이, 원하는 패턴 형성에 나노 임프린트법을 이용함으로써, 간편한 설비이면서도 저코스트로 기판(1a)면 상에 원하는 크기, 피치, 높이의 볼록부(1b)의 패턴을 형성할 수 있다.
또, 원하는 패턴 형성에 잉크젯법을 이용함으로써, 직접, 패턴 형성하는 것이 가능하게 되기 때문에, 볼록부(1b)의 패턴의 종류의 자유도를 높일 수 있다.
또한, 상기의 포토리소그래피법, 임프린트법, 및 잉크젯법 중, 가장 범용성이 높다는 점에서, 포토리소그래피법이 바람직하다.
또한 어닐링을, 600℃ 이상 1700℃ 이하의 온도 범위에서 행함으로써, 볼록부(1b)의 감광제 성분을 제거할 수 있기 때문에, GaN층(2 내지 5) 등의 발광 소자(8)로의 유기 성분의 혼입을 방지할 수 있다. 또한, 볼록부(1b) 상에서의 GaN층의 성장 발생의 방지, 혹은 성장 발생을 곤란하게 하는 것도 가능하게 된다. 볼록부(1b) 상에서의 GaN층의 성장을 억제함으로써, FACELO의 성장 모드를 실현할 수 있기 때문에, 전위 밀도가 감소한 GaN층을 형성하는 것이 가능하게 된다. 또한, 600℃ 미만에서는, SiO2, TiO2, ZrO2 중 어느 하나를 주요 성분으로 할 수 없게 된다. 또 1700℃ 초과에서는, 볼록부(1b)의 주요 성분인 SiO2, TiO2, ZrO2 중 어느 하나의 융점을 넘어 버려, 볼록부(1b)의 형상의 일그러짐을 초래할 우려가 있기 때문에, 바람직하지 않다.
다음으로, 발광 소자(8)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 지금까지 설명한 제조 방법에 의하여 제조된, 원하는 패턴을 면 상에 갖는 기판(1)을 먼저 준비하고, 볼록부(1b) 및 기판(1a) 상에, GaN층, AlN층, InN층 중 적어도 한 층을 형성함으로써, 발광 소자(8)를 제조한다.
도 1에 나타내는 GaN층(2 내지 5)은, 예를 들면 에피택셜 성장법 등의 공지의 방법으로 성장시키면 되고, 또는 GaN층(2 내지 5)의 각 층마다 상이한 성막 방법 및/또는 성막 조건을 채용하여 성막해도 된다. 에피택셜 성장이란, 호모에피택셜 성장, 헤테로에피택셜 성장을 포함한다. 성막법으로서는 그 밖에 도금법 등의 액상 성막법도 들 수 있지만, 스퍼터링법이나 CVD법(Chemical Vapor Deposition) 등의 기상 성막법을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 발광 소자(8)의 제조를 목적으로 하여 3-5족 질화 화합물 반도체층 등의 반도체층을 성막하는 경우, MOCVD법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MOVPE법(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), HVPE법(Hydride vapor phase epitaxy), MBE법(Molecular Beam Epitaxy) 등의 기상 성막법을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 기판(1b)으로 이용하는 재료가 사파이어 등의 무기 재료인 경우, 각 반도체층을 구성하는 재료도, 금속 재료, 금속 산화물 재료, 무기 반도체 재료 등의 무기 재료로 하는 것이 바람직하고, 모든 층이 이들 무기 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 단, MOCVD법을 성막법으로 하여 이용한 경우, 반도체층의 무기 재료 중에 유기 금속 유래의 유기물을 함유시켜도 된다.
먼저, 사파이어제의 기판(1)의 볼록부(1b)측의 면 상에, GaN 또는 AlN로 이루어지는 버퍼층을 성막하고, n-GaN층(2), InGaN 발광층(활성층)(3), p형 AlGaN 클래드층(4), 및 p형 GaN 콘택트층(5)을 이 순서로 성막 형성한다. 그 후, 소정의 후가공을 행함으로써 발광 소자(8)를 얻는다.
볼록부(1b)는 유전체로 구성되므로, 볼록부(1b) 표면에 특정 면 방위의 결정면이 노출되어 있는 것은 아니며, n-GaN층(2)의 성장의 개시점이 되는 핵이 생성되기 어렵다. 즉, 볼록부(1b)의 측부에서는 특정 면 방위의 결정면이 노출되어 있지 않기 때문에, 볼록부(1b) 측부로부터의 GaN층의 결정 성장은 억제된다. 또, 볼록부(1b)의 적어도 일부(예를 들면 꼭지부)는 곡면 형상으로 형성되어 평평한 부분이 거의 없거나 매우 좁기 때문에, GaN층이 성장하지 않는다. 그러나 기판(1)의 면 상에는 특정 면 방위의 결정면이 전체 면에 노출되어 있으므로(예를 들면, 사파이어의 C면 등), GaN의 핵이 생성되기 쉬워 n-GaN층(2)이 성장해 간다.
따라서, 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, n-GaN층(2)의 성장은 볼록부(1b) 사이의 기판(1a) 표면, 즉 볼록부(1b)가 아닌 평탄부로부터 시작되어, n-GaN층(2)의 두께가 두꺼워짐에 따라, n-GaN층(2)은 횡방향(수평 방향)으로 성장하고, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이 볼록부(1b)의 측부 및 꼭지부를 덮어간다. 최종적으로 n-GaN층(2)의 두께가 볼록부(1b)의 높이 이상이 되면, 기판(1a)의 표면과 볼록부(1b)의 패턴은 도 11(c)에 나타내는 바와 같이 n-GaN층(2)으로 덮여, 평면 방향으로부터 보면, 평평한 n-GaN층(2)의 표면만 관찰되게 된다.
따라서, 볼록부(1b)의 측부는 n-GaN층(2)의 횡방향 성장 영역이 되므로, 볼록부(1b)의 측부로부터의 전위 발생을 방지하는 것이 가능하게 된다. 또한 볼록부(1b)의 적어도 일부(예를 들면 꼭지부)를 곡면 형상으로 형성함으로써, 평평한 부분이 거의 없거나 매우 좁게 할 수 있다. 따라서, 볼록부(1b)로부터의 n-GaN층(2)의 성장을 억제 또는 방지할 수 있으므로, 볼록부(1b) 부근의 n-GaN층(2) 내의 전위 발생도 방지할 수 있다. 이상에 의하여, 평탄한 기판 상에 성장시킨 GaN층보다 관통 전위의 수를 적게 할 수 있다.
또한, GaN 또는 AlN로 이루어지는 버퍼층을 형성함으로써, n-GaN층(2)의 막두께 방향에 있어서의 막질이나 막두께 편차 등을 방지할 수 있다.
또한, GaN층(3 내지 5)을 공지 방법으로 성막 후, p형 전극(6)을 전자빔 증착법에 의하여 형성한다. 또한 n-GaN층(2) 상의 InGaN 발광층(3)이 형성되어 있지 않은 개소에, ICP-RIE를 사용하여 에칭 가공을 행하여 n-GaN층(2)을 노출시킨다. 그리고 노출된 n-GaN층(2) 상에 Ti/Al의 적층 구조로 이루어지는 n형 전극층(7)을, 전자빔 증착법에 의하여 형성하고, p형 전극(6) 상에 Ti/Al로 이루어지는 p형의 금속 전극(9)을 형성하여, 발광 소자(8)를 제작했다. 또한, p형 전극(6) 및 n형 전극층(7)에는, Ni, Au, Pt, Pd, Rh 등의 금속을 이용해도 된다.
볼록부(1b)가 기판(1a)의 표면 상에 형성됨으로써, 각 볼록부(1b)에서 광 산란 효과가 얻어진다. 따라서, 발광 소자(8) 내부에서 흡수되게 되는 광의 일부를, 기판(1a) 및 InGaN 발광층(3)의 외부로 취출하는 것이 가능하게 되어, 발광 소자(8)의 광 취출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 감광제를 함유하는 유전체를 패턴 형성함으로써, 볼록부(1b)로 이루어지는 원하는 패턴을 기판(1a)면 상에 형성할 수 있으므로, 포토레지스트막(볼록부(1b) 형성막의 에칭용 마스크)을 성막하는 일없이 기판(1a)면 상에 패턴을 형성하는 것이 가능하게 된다. 따라서 공정수의 삭감과 공정의 용이화, 및 공정수 삭감에 따른 발광 소자(8)의 저코스트화가 실현됨과 함께, 상기 광 취출 효율이 향상된 발광 소자(8)를 제조할 수 있다.
또, 추가로 유전체로 이루어지는 볼록부(1b)의 패턴을 마스크로 하여, 기판(1a) 표면을 드라이 에칭 또는 웨트 에칭 처리함으로써, 기판(1a) 표면에 직접, 섬 형상 패턴을 형성해도 된다.
이하에, 실시예 1을 들어 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예 1에만 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
-제조 방법-
먼저, 기판 표면이 C면이고 또한 표면 조도 Ra 1nm의 경면 상태로 된, 평탄한 사파이어 기판을 준비했다. 그 사파이어 기판을 5분간 UV/O3 세정하고, 그 후 수세하고, 핫플레이트에 의하여 130℃에서 3분간 탈수 베이크를 행한다. 또한, 탈수 베이크 후의 사파이어 기판 표면에 HMDS(hexamethyldisilazane: 헥사메틸다이실라제인) 약액을 스피너에 의하여, 300rpm으로 10초간, 추가로 700rpm으로 10초간 2단계의 공정으로 도포했다. 그 후, 사파이어 기판을 핫플레이트에 의하여 120℃에서 50초간 베이크했다.
다음으로 GaN의 굴절률 2.4보다 굴절률이 작고, 또한 감광제로서, 나프토퀴논다이아자이드-5-술폰산 에스터를 함유하는 유전체로서, 실록산 수지 조성물로 이루어지는 막을 사파이어 기판면 상에, 스피너에 의하여 700rpm으로 10초간, 추가로 1500rpm으로 30초간 2단계의 공정으로 형성했다. 그 결과, 두께 1.55μm의 실록산 수지 조성물막이 형성되었다. 또한 실록산 수지 조성물에는, 도레이(주)제 포지티브형 감광성 실록산 ER-S2000(프리 베이크막의 굴절률 1.52(632.8nm) 프리즘 커플러법)을 채용했다.
본 실시예에서는, 상기 실록산 수지 조성물막으로부터 원하는 패턴을 사파이어 기판면 상에 형성하는 방법으로서, 포토리소그래피법을 채용했다. 실록산 수지 조성물막이 면 상에 형성된 사파이어 기판을, 핫플레이트에 의하여 110℃에서 3분간 프리 베이크하고, 다음으로 실록산 수지 조성물막을 패턴 노광했다. 본 실시예에서는, 볼록부의 평면 형상은 원형으로, 그 원형의 직경이 4.9μm, 또한 볼록부간의 피치가 6.0μm인 패턴을 형성하도록 포지티브용 마스크를 작성하여, 실록산 수지 조성물막을 노광했다. 노광의 광원에는, 광조사 에너지가 i-line 환산으로 65mJ/cm2인, g, h, i선으로 이루어지는 브로드광을 이용했다(g선=436nm, h선=405nm, i선=365nm). 또, 실록산 수지 조성물막으로서는 포지티브형으로 하고, 노광 장치에는 콘택트 노광 장치를 이용했다.
또한, 노광된 실록산 수지 조성물막을 현상했다. 현상액에는 2.38wt％-TMAH를 이용하여, 그 현상액에 60초간 실록산 수지 조성물막을 침지함으로써 행했다. 그 후, 사파이어 기판 및 현상된 실록산 수지 조성물을 230℃에서 3분간 핫플레이트에서 포스트 베이크했다.
또한 포스트 베이크 후에 사파이어 기판 상의 현상된 실록산 수지 조성물을, 대기 분위기 중에서 1000℃ 1시간 어닐링하여, 원하는 패턴 및 측면 형상인 볼록부를 사파이어 기판의 면 상에 형성했다.
-볼록부-
이상의 공정에 의하여 제조된, 볼록부를 확인한 바, 하기와 같은 패턴 및 SiO2 함유 볼록부가 확인되었다.
평면 형상: 원형
원형의 직경: 4.9μm
높이: 0.47μm
피치: 6.0μm
측면 형상: 전체가 곡면으로 형성된 곡면 형상(도 12 및 도 13 참조)
(실시예 2)
-제조 방법-
실록산 수지 조성물인 도레이(주)제 포지티브형 감광성 실록산 ER-S2000을, 도레이(주)제 포지티브형 감광성 산화 타이타늄 함유 실록산 ER-S3000으로 변경한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 원하는 패턴 및 측면 형상의 볼록부를 사파이어 기판의 면 상에 형성했다.
프리 베이크막의 굴절률 1.78(632.8nm) 프리즘 커플러법을 채용했다.
-볼록부-
이상의 공정에 의하여 제조된, 볼록부를 확인한 바, 하기와 같은 패턴 및 TiO2 함유 볼록부가 확인되었다.
평면 형상: 원형
원형의 직경: 4.9μm
높이: 1.00μm
피치: 6.0μm
측면 형상: 전체가 곡면으로 형성된 곡면 형상(도 12 및 도 13 참조)
(실시예 3)
-제조 방법-
실록산 수지 조성물인 도레이(주)제 포지티브형 감광성 실록산 ER-S2000을, 도레이(주)제 포지티브형 감광성 산화 지르코늄 함유 실록산 ER-S3100으로 변경한 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 원하는 패턴 및 측면 형상의 볼록부를 사파이어 기판의 면 상에 형성했다. 프리 베이크막의 굴절률 1.64(632.8nm) 프리즘 커플러법을 채용했다.
-볼록부-
이상의 공정에 의하여 제조된, 볼록부를 확인한 바, 하기와 같은 패턴 및 ZrO2 함유 볼록부가 확인되었다.
평면 형상: 원형
원형의 직경: 4.9μm
높이: 1.50μm
피치: 6.0μm
측면 형상: 전체가 곡면으로 형성된 곡면 형상(도 12 및 도 13 참조)
(비교예)
이하에 비교예를 설명한다. 비교예에서는, SiO2막을 플라즈마 CVD법으로 성막하고, 그 후 SiO2막 상에 포토레지스트막을 형성하고, 실시예 1과 동일하게 상기 포토레지스트막을 노광, 현상하여, 실시예 1 기재된 패턴과 같이 상기 포토레지스트막을 패턴 형성했다. 패턴 형성한 포토레지스트막을 마스크로 하여, SiO2막의 드라이 에칭을 행했다.
완성된 볼록부의 패턴 및 SiO2 함유량을 확인한 바, 실시예 1의 볼록부와 동일한 결과가 얻어졌다.
＜평가＞
실시예 1 및 비교예에 대하여, 볼록부 형성까지의 소요 공정수와 리드 타임을 평가했다. 그 결과, 실시예 1의 소요 공정수는 8, 리드 타임은 70분이라는 평가 결과가 얻어졌다. 한편, 비교예의 소요 공정수는 9, 리드 타임은 110분이었다. 이상의 평가 결과로부터, 본 실시예가 공정수의 삭감 및 리드 타임 단축을 실현 가능하다는 것이 확인되었다. 대량 생산의 경우나 기판이 대구경(大口徑)이 된 경우에는, 비교예에서는, SiO2막의 성막 공정이나 SiO2막의 드라이 에칭 공정의 장치 사이즈에 따라 웨이퍼 처리 매수가 한정되어 버려, 리드 타임의 차가 더 현저하게 된다.
상술한 기판 및 발광 소자는, 이하의 장치나 기기 등에 적용할 수 있다. 예를 들면, 당해 발광 소자를 구비함으로써, 도 14에 나타내는 바와 같이, 조명(100)을 위한 광원(101)이나 기기 등의 도입 광원으로서 적용할 수 있다. 이들 광원은, 당해 발광 소자가 V족 원소 내의 질소(N)로 구성되는 경우, 특히 청색의 가시광부터 자외광에 적합하기 때문에, 청색의 가시광이나 자외광을 발광시키기 위하여 필요한 기기 등에 이용할 수 있다. 예를 들어, 청색광(단파장)을 발광하기 위한 조명, 신호기, 투광기, 내시경 등의 광원, 컬러 디스플레이(200)의 3원색의 1개의 광원(201)(도 15 참조), 광 픽업을 위한 광원, 및 자외광은 발광하기 위한 살균고, 냉장고 등의 광원으로서 이용할 수 있다. 또, 형광 도료의 도포면과 조합하여 백색이나 전구색을 생성함으로써, 형광등 등의 조명 기기(예를 들면, 식물 육성용 조명), 디스플레이의 백라이트, 차량용의 등화(燈火), 프로젝터, 카메라용 플래시 등의 광원으로서 이용할 수 있다. 물론, 본원의 발광 소자는, 질화물계의 화합물 반도체에 한정되는 것은 아니기 때문에, 그 적용 범위도 상기에 한정되는 것이 아닌 것은 말할 필요도 없다.
또, 도 16에 나타내는 바와 같이, 본원의 기판은, 발광 소자로서뿐만 아니라, 다양한 방향으로부터의 광을 수광하는 수광 소자로서, 포토 다이오드의 기판, 태양 전지나 태양광 발전 패널(300)의 기판(301)으로서 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 예시한 실시예나 적용예에 한정되는 것은 아니고, 특허청구범위의 각 항에 기재된 내용으로부터 일탈하지 않는 범위의 구성에 의한 실시가 가능하다. 즉, 본 발명은, 주로 특정의 실시형태에 관하여 특별히 도시하고, 또한 설명되어 있지만, 본 발명의 기술적 사상 및 목적의 범위로부터 일탈하지 않고, 이상 설명한 실시형태에 대하여, 수량, 그 외의 상세한 구성에 있어서, 당업자가 다양한 변형을 더할 수 있는 것이다.
1 원하는 패턴을 면 상에 갖는 기판
1a 기판
2b 볼록부
2 n형 GaN 콘택트층(n-GaN층)
3 InGaN 발광층(활성층)
4 p형 AlGaN 클래드층
5 p형 GaN 콘택트층
6 p형 전극
7 n형 전극층
8 LED 발광 소자
9 금속 전극
10 마스크
11 몰드
12 노즐
13 사다리꼴 형상의 볼록부
14 직사각형 형상의 볼록부
100 조명 장치
101 광원(발광 소자)
200 디스플레이 장치
201 광원(발광 소자)
300 태양 전지
301 기판
1a 기판
2b 볼록부
2 n형 GaN 콘택트층(n-GaN층)
3 InGaN 발광층(활성층)
4 p형 AlGaN 클래드층
5 p형 GaN 콘택트층
6 p형 전극
7 n형 전극층
8 LED 발광 소자
9 금속 전극
10 마스크
11 몰드
12 노즐
13 사다리꼴 형상의 볼록부
14 직사각형 형상의 볼록부
100 조명 장치
101 광원(발광 소자)
200 디스플레이 장치
201 광원(발광 소자)
300 태양 전지
301 기판
Claims (22)
- 평탄한 기판을 준비하고,
감광제를 함유하는 유전체를 상기 기판면 상에 형성하며,
상기 유전체를 패턴 형성하여, 원하는 패턴의 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하는,
기판의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 유전체의 패턴 형성 후에 상기 유전체를 어닐링하여, 원하는 상기 패턴의 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하는 것을 특징으로 하는, 기판의 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 유전체의 패턴 형성 후이고 상기 어닐링 전에 상기 유전체를 포스트 베이크하는 것을 특징으로 하는, 기판의 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 포스트 베이크를 100℃ 이상 400℃ 이하의 온도 범위에서 행하는 것을 특징으로 하는, 기판의 제조 방법. - 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 어닐링을 600℃ 이상 1700℃ 이하의 온도 범위에서 행하는 것을 특징으로 하는, 기판의 제조 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체가 실록산 수지 조성물, 산화 타이타늄 함유 실록산 수지 조성물, 산화 지르코늄 함유 실록산 수지 조성물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 기판의 제조 방법. - 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체를 상기 기판면 상에 도포함으로써, 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하고,
다음으로, 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성한 상기 기판을 프리 베이크하며,
다음으로, 마스크를 이용하여 상기 유전체를 원하는 상기 패턴으로 노광하고,
다음으로, 노광된 상기 유전체를 현상하며,
상기 유전체를 상기 어닐링하여, 원하는 상기 패턴의 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하는 것을 특징으로 하는, 기판의 제조 방법. - 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체를, 원하는 상기 패턴으로 상기 기판면 상에 직접 패턴 형성하고,
다음으로, 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성한 상기 기판을 프리 베이크하며,
다음으로, 상기 유전체를 노광하고,
상기 유전체를 상기 어닐링하여, 원하는 상기 패턴의 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하는 것을 특징으로 하는, 기판의 제조 방법. - 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체를 상기 기판면 상에 도포함으로써, 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하고,
다음으로, 몰드를 상기 유전체에 압압하여 상기 유전체를 경화시키며,
상기 유전체를 상기 어닐링하여, 원하는 상기 패턴의 상기 유전체를 상기 기판면 상에 형성하는 것을 특징으로 하는, 기판의 제조 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른, 기판을 준비하고,
상기 패턴을 마스크로 하여, 상기 기판의 표면을 에칭 처리하며, 상기 기판의 표면에 원하는 상기 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는, 기판의 제조 방법. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 기판을 준비하고,
볼록부 및 상기 기판 상에, GaN층, AlN층, InN층 중 적어도 한 층을 형성하여,
발광 소자를 제조하는 발광 소자의 제조 방법. - 기판의 평탄한 면 상에, 섬 형상의 볼록부로 이루어지는 패턴을 갖고, 상기 볼록부가 유전체로 구성되는 것을 특징으로 하는, 기판.
- 제12항에 있어서,
상기 볼록부의 적어도 일부가, 곡면 형상인 것을 특징으로 하는, 기판. - 제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 볼록부를 구성하는 유전체가, SiO2, TiO2, ZrO2 중 어느 하나를 주요 성분으로 하는 것을 특징으로 하는, 기판. - 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 볼록부는, 전체가 곡면으로서, 꼭지부 및 측부의 구별이 없고, 평탄면이 존재하지 않는 곡면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 기판. - 제15항에 있어서,
상기 볼록부는 반구형인 것을 특징으로 하는, 기판. - 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 볼록부의 평면 형상이 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는, 기판. - 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 상기 기판에 있어서,
상기 기판의 표면에 원하는 상기 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는, 기판. - 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 기판과, 상기 볼록부 및 상기 기판 상에 형성된, GaN층, AlN층, InN층 중 적어도 한 층을 포함하는 발광 소자.
- 제19항에 따른 발광 소자를 구비하는 광원.
- 제19항에 따른 발광 소자를 구비하는 디스플레이.
- 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 기판을 구비하는 태양 전지.
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