WO2006093018A1

WO2006093018A1 - ２光束干渉露光装置、２光束干渉露光方法、半導体発光素子の製造方法、および、半導体発光素子

Info

Publication number: WO2006093018A1
Application number: PCT/JP2006/303288
Authority: WO
Inventors: Satoshi Kamiyama; Motoaki Iwaya; Hiroshi Amano; Isamu Akasaki
Original assignee: Meijo University
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2006-09-08
Also published as: TWI406101B; JPWO2006093018A1; US20080123713A1; US7756189B2; EP1855311A4; EP1855311A1; EP1855311B1; KR101260343B1; TW200643647A; KR20070107044A

Abstract

　Ａｒレーザーの２倍高調波、または、ＮｄドープＹＡＧレーザーの４倍高調波を光源とし、エタロンと半波長板による極めて均質でコヒーレンスの高いレーザービームを生成できる２光束干渉露光装置を実現する。また上記２光束干渉露光によってフォトレジストマスクに周期パターンの露光を行い、フォトレジストマスクの現像を行い、レジストパターンをマスクとして半導体層エッチング用マスクのパターン形成を行い、レジスト除去後、光取り出し面をエッチングする工程により、極めて低コストでエネルギー変換効率の高い半導体発光素子を製造することができる。

Description

2光束干渉露光装置、 2光束干渉露光方法、半導体発光素子の製造方法、および、半導体発光素子

技術分野

[0001] 本発明は、 2光束干渉露光装置、 2光束干渉露光方法、半導体発光素子の製造方法、および、半導体発光素子に関するものである。

背景技術

[0002] 化合物半導体 pn接合による半導体発光素子として、発光ダイオードが広く実用化され、主に光伝送、表示や特殊照明用途に用いられている。近年、窒化物半導体と蛍光体を用いた白色発光ダイオードも実用化され、今後は一般照明用途への展開が大いに期待されている。しかし、特に白色発光ダイオードにおいてはエネルギー変換効率が既存の蛍光灯と比較して不十分のため、これら一般照明用途に対しては大幅な効率改善が必要である。発光ダイオードのエネルギー変換効率が低、最大の原因は、半導体自身の発光効率が低いわけではなぐ発光ダイオードから外部への光取り出し効率が低いことである。半導体は一般に屈折率が 2. 5〜4程度と高いため、発光層の内部で生じた光は外部へ取り出される際に、光取出し面において 20〜 30%程度のフレネル反射と放射角の屈折が生じる。放射角の屈折によって、ある臨界角を越えると全反射が生じ、全ての光は素子内部に閉じ込められる。閉じ込められた光は素子内部で反射を繰り返しながら半導体層や電極などで吸収されて減衰し、熱に変化する。一般的な発光ダイオードでは、光取り出し効率は 20%程度であり、 8 0%もの光が素子内部で失われている。

[0003] このような問題を解決するために、半導体表面に凹凸加工した構造が提案されている（例えば、特許文献 1、参照。；)。光を取り出す側の半導体表面にこのような凹凸構造を設けると、光散乱の効果により全反射は消失し、広い放射角にわたって 50% 程度の透過率を得ることができる。裏面電極の反射率を 100%と仮定すると、光取り出し効率は 50%近くまで高められる。さらに本願発明者は、この凹凸構造の周期を発光ダイオードの光学波長程度まで小さくすると、光取り出し効率はさらに 70— 80% まで向上できることを確認している。凹凸構造の周期を発光ダイオードの光学波長程度まで小さくすることにより、同凹凸構造における光の波動性が顕在化するため、回折の効果によって透過率が向上するからである。なお、この周期的な凹凸構造の形によってフォトニック結晶やモスアイ構造と名称が異なるが、光取出し効率向上の原理は同じである。

特許文献 1 :特開 2003— 86835号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] し力しながら、フォトニック結晶やモスアイ構造に用いられる波長オーダーの周期構造を作製することは容易ではなぐ作成コストも高いという課題があった。例えば窒化物による青色発光ダイオードの場合、発光波長を 460nmとし窒化物結晶の屈折率を 2. 5とすると、光学波長が 184nmとなり、凹凸構造の凸部の幅を約 90nm程度としなければならな!/、。現在の ArFエキシマレーザーを用いた最先端のフォトリソグラフィ一技術でも作製が困難となるサイズである。し力もこのような極めて高価な製造装置を発光ダイオードに使用することはコスト的に不可能であるし、基板口径の小さいィ匕合物半導体用の装置は存在しない。また、現在のフォトニック結晶やモスアイ構造の作製に用いられている電子線リソグラフィ一は、極めて量産性が低ぐ低コストの発光ダイオードには使用できな、。

本発明は、上記の課題にかんがみてなされたもので、容易、かつ、低コストで高工ネルギー効率の半導体発光素子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0005] 上記目的を達成するために、請求項 1にかかる発明では、レーザー共振器内において、レーザー光源と SHG素子とエタロンとが備えられる。レーザー光源は外部からエネルギーを受け取り、レーザー光を発生させる。 SHG素子は、上記レーザー光源にて出力されたレーザー光を上記レーザー共振器内において高調波に変換する。すなわち、上記レーザー光源にて出力されたレーザー光が短波長となるように変換する。なお、 SHG(Second- Harmonic Generation)素子は、レーザー光を入射することにより、入射した光の倍数の周波数の光を発生させる光学結晶によって構成される。 [0006] エタロンは上記レーザー共振器内にお!、て狭帯域波長フィルタとして機能し、特定の波長のレーザー光のみを抽出する。エタロン (etalon)は、例えば一定間隔を隔てて平行に向かい合った二つの平面ガラス力も形成することができ、この場合、同平面ガラスの間隔に応じた波長のレーザー光のみを透過させることができる。以上の構成により、上記レーザー共振器内にお!、て共振するレーザー光の波長を厳密に単波長化することができる。これにより、 2光束干渉に適したコヒーレンスの良好なレーザー光を上記レーザー共振器の外部に出力することができる。従って、上記レーザー光源力露光ターゲットまでの光路が長くしても、 2光束干渉を生じさせることができる。また、 2光束干渉露光において生じる干渉縞の周期は、レーザー光の波長に依存するため、 SHG素子によってレーザー光を高調波化しておくことにより、微細な干渉縞を形成することができる。

[0007] ビームスプリッタは、上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光を 2光束に分割する。干渉光学系は上記ビームスプリッタにて分割された 2光束を露光ターゲット上に集光させつつ、適度な角度で 2光束を干渉させることにより上記露光ターゲット上にて干渉縞を生じさせることができる。以上のようにして生成した干渉縞を上記露光ターゲット上のフォトレジストに作用させることにより、同干渉縞と同様のパターン形状にフォトレジストを感光させることができ、半導体発光素子に微細パターンを容易に形成することができる。

[0008] また、半導体発光素子において極めて微細なパターンを形成するための好適なレ一ザ一光源の一例として、請求項 2にかかる発明では、上記レーザー光源が Arレーザ一光源とされる。 Arレーザー光源によれば波長が約 488nmのレーザー光を発振させることができるため、上記 SHG素子にてレーザー光を 2倍高調波に変換することにより、波長が約 244nmの高調波を得ることができる。従って、半導体発光素子に極めて微細なパターンを形成することができる。

[0009] さらに、半導体発光素子において極めて微細なパターンを形成するための好適なレーザー光源の別の一例として、請求項 3にかかる発明では、上記レーザー光源が Ndドープ YAGレーザー光源とされる。 Ndドープ YAGレーザー光源によれば、上記 SHG素子にてレーザー光を 4倍高調波に変換することにより、波長が約 266nmの高調波を得ることができる。

[0010] さらに、屈折率の高い媒質にレーザー光を透過させる透過型の光学系を適用した場合における本発明の好適な構成として、請求項 4にかかる発明では、半波長板が備えられ、同半波長板にて上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光の直交偏光成分が低減させられる。半波長板 (half-wave plate)は、複屈折結晶で構成された薄板状の素子であり、レーザー光の偏光面を回転させる特性を有している。上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光が半波長板を経由することにより、レーザー光の直交偏光成分を低減することができる。レーザー光の直交偏光成分を低減することにより、透過型の光学系にレーザー光を透過する際の同レーザー光の光速に対する同直交偏光成分の影響を抑えることができる。すなわち、レーザー光に透過型の光学系を適用しても、直交偏光成分のばらつきに起因してレーザー光の光速にばらつきが生じることが防止できる。従って、透過型の光学系であるビームエキスパンダーによって、上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光を所定幅の平行光に変換しても、変換後の平行光の位相にばらつきが生じることが防止でき、良好なコヒーレンスを維持することができる。

[0011] 上述した 2光束干渉露光装置にかかる技術的思想は、同技術的思想を実現するための方法の発明として把握することもでき、請求項 5にかかる発明も、上記と同様の作用、効果を有する。むろん、請求項 5の 2光束干渉露光方法に、請求項 2から請求項 4の技術的思想を取り入れることも可能である。さらに、請求項 6のように上記方法にしたがって半導体発光素子を製造する方法においても、本発明の技術的思想を具現ィ匕することができる。すなわち、 2光束干渉露光方法は半導体の半導体発光素子の製造方法の一部であると捉えることができ、本発明の 2光束干渉露光方法の各ェ程を半導体発光素子の製造方法の工程に組み入れるも可能である。また、請求項 6 の半導体発光素子の製造方法に、請求項 2から請求項 4の技術的思想を取り入れることも可能である。

[0012] 請求項 6にかかる発明では、半導体発光素子の表面に光取り出し面が設けられ、同光取り出し面力発光層にて発光された光が外部に出力される。上記光取り出し面上に薄膜状のエッチングマスクを形成し、さらに同エッチングマスク上に薄膜状のフォトレジストマスクを形成する。そして、上述した 2光束干渉露光方法によって、光取り出し面上の上記フォトレジストマスクを露光する。次に、いわゆる現像処理を行うことにより、上記フォトレジストマスクの未露光部分を除去する。さらに、未露光部分を除去した上記フォトレジストマスクをレジストマスクとして上記エッチングマスクにパターンを形成する。これにより、 2光束干渉における干渉縞に対応したパターンを上記エツチングマスクに形成することができる。パターンが形成された上記エッチングマスクをレジストマスクとして上記光取り出し面のエッチングを行う。これ〖こより、上記光取り出し面において 2光束干渉における干渉縞に対応したパターンを形成することができ、上記光取り出し面に極めて微細な凹凸構造を形成することができる。例えば、上記レ一ザ一光源として Arレーザー光源を適用すると、凹凸構造の形成周期を光学波長程度まで小さくすることができ、極めて高い光取り出し効率を有する半導体発光素子を製造することができる。

[0013] また、凹凸構造の形状を制御するための好適な構成の一例として、請求項 7にかかる発明では、上記エッチングマスクを複数の薄膜層によって構成する。なお、各薄膜層はそれぞれエッチングをする際のエッチング速度が異なる異種の素材によって形成される。これにより、各薄膜層のエッチング量を任意にコントロールすることができ、エッチングマスクの形状を任意にコントロールすることができる。従って、サイドエッチング (アンダーカット)量が多くなるようなエッチングマスクの形状とすることもできるし、サイドエッチングを抑制するようなエッチングマスクの形状とすることもできる。サイドエツチング量が多くすることにより、先端が尖った形状の凹凸構造を形成することができる。

[0014] さらに、光取り出し面方向について凹凸構造の形状を制御するための好適な構成の一例として、請求項 8にかかる発明では、露光方向を変えつつ複数回露光を行う。一度の露光では縞模様の凹凸構造が形成されるが、例えば露光方向を 90度変えて 2度露光を行うことにより、正方形のマスクパターンを形成することができる。上述した半導体発光素子の製造方法に力かる技術的思想は、その製造方法によって製造された半導体発光素子においても具現ィ匕することができ、請求項 9にかかる発明も、上記と同様の作用、効果を有することは、うまでもな!/、。 [0015] 以上説明したように請求項 1と請求項 5と請求項 6と請求項 9の発明によれば、容易、かつ、低コストで高エネルギー効率の半導体発光素子を提供することができる。請求項 2と請求項 3の発明によれば、極めて微細なパターンを形成することができる請求項 4の発明によれば、コヒーレンスの良好な平行光を得ることができる。請求項 7と請求項 8の発明によれば、周期構造の形状を制御することができる。図面の簡単な説明

[0016] [図 1]2光束干渉露光装置の概略構成図である。

[図 2]干渉縞を示す図である。

[図 3]青色発光ダイオードの構造模式図である。

[図 4]凹凸構造の形成工程を説明する図である。

[図 5]フォトレジストマスクが露光される様子を示す図である。

[図 6]変形例に力かる青色発光ダイオードの構造模式図である。

[図 7]変形例に力かる凹凸構造の形成工程を説明する図である。

符号の説明

[0017] 1· "2光束干渉露光装置、 10···レーザー共振器、 ll"'Arレーザー光源、 12---SH G素子、 13···エタロン、 14a, 14b…共振ミラー、 20···半波長板、 30···ビームエキスノンダ一、 40···ビームスプリッタ、 50a, 50b-"NDフィルタ、 60a, 60b, 60c, 60d, 60e, 60f…ミラー、 100…青色発光ダイオード、 111…基板、 112…低温堆積緩衝層、 113···クラッド層、 114···発光層、 115···障壁層、 116…コンタクト層、 117···ρ— 電極、 118···η—電極、 130···エッチングマスク、 130a-"SiO層、 130b-"Ti層、 13

2

Oc-"Au層、 131···フォトレジストマスク、 131a…感光部、 131b…未露光部、 200··· 青色発光ダイオード、 211…基板、 211a…反射ミラー、 212…低温堆積緩衝層、 21 3…クラッド層、 214···発光層、 215···障壁層、 216···コンタクト層、 217···半透明電極、 218···ρ—電極、 219···η—電極、 230···エッチングマスク、 231···フォトレジストマスク、 Θ…入射角、 A, Β…凹凸構造、 Ρ…周期、 Τ…露光ターゲット

発明を実施するための最良の形態

[0018] 下記の順序に従って本願発明の実施形態について説明する。 (1) 2光束干渉露光装置の構成：

(2)半導体発光素子およびその製造方法：

(3)変形例にかかる半導体発光素子：

(4)まとめ：

[0019] (1) 2光束干渉露光装置の構成：

図 1は、本発明の一実施形態にかかる 2光束干渉露光装置の構成を示している。なお、同図においては、レーザー光の行路を波線によって示している。 2光束干渉露光装置 1は、レーザー共振器 10と半波長板 20とビームエキスパンダー 30とビームスプリツタ 40と NDフィノレタ 50a, 50bとミラー 60a, 60b, 60c, 60d, 60e, 60fと力ら構成されている。レーザー共振器 10は、 Arレーザー光源 11と SHG素子 12とエタロン 13 と 1対の共振ミラー 14a, 14bとから構成されている。

[0020] Arレーザー光源 11は Arガスの励起により波長が約 488nmの光を生成することが可能な光源であり、同 Arレーザー光源 11にて発光した光を互ヽに平行に向か、合う共振ミラー 14a, 14bの間で繰り返して反射させることによりレーザー光を出力することができる。 Arレーザー光源 11によれば比較的高、レーザー光の出力を得ることができる。レーザー光が共振する共振ミラー 14a, 14bの間において、 SHG素子 12 が備えられている。 SHG素子 12は、レーザー光を入射することにより、入射した光の倍数の周波数の光を発生させる特性を有しており、約 488nmの波長で入射したレーザ一光を約 244nmに高調化することができる。従って、レーザー共振器 10では波長が約 244nmのレーザー光を生成することが可能となっている。

[0021] SHG素子 12は、高調化したレーザー光の波長スペクトルのピークが約 244nmとなるものの、波長スペクトルにある程度の幅を生じさせる。すなわち、 SHG素子 12にて高調化した時点のレーザー光には種々の波長成分が含まれることとなる。一方、レーザ一光が共振する共振ミラー 14a, 14bの間において、エタロン 13が備えられている。エタロン 13は、本発明の狭帯域波長フィルタであり、一定の波長のレーザー光のみを透過させることが可能となっている。本実施形態においてエタロン 13は、一定間隔を隔てて平行に向かい合った二つの平面ガラスと、これらに挟まれた透過板とから形成されており、同平面ガラスの間隔と同透過板の屈折率に応じた波長のレーザー光のみを透過させることができる。この透過板は入射した光の波長に応じて異なる屈折率を有しており、波長が約 244nmの光が入射した場合にのみ、エタロン 13を透過することが可能な屈折角の屈折を生じさせる。

[0022] 力かる構成としたレーザー共振器 10によれば波長が約 244nmに狭帯域ィ匕された単波長レーザー光を出力することができ、そのコヒーレンス長が 10mを超えるようにすることができる。従って、レーザー共振器 10から露光ターゲットに至るまでのレーザ一光の経路が長くなる場合でも、良好な 2光束干渉を生じさせることができる。これに対して、エタロン 13を備えない場合には、レーザー共振器 10から出力されるレーザ一光に幅広、波長成分が含まれてしま、、結果として数十 cm程度のコヒーレンス長しか得ることができない。

[0023] ミラー 60a, 60bは、レーザー共振器 10から出力されたレーザー光を反射させ、半波長板 20にレーザー光を入射させる。半波長板 20においては、偏光比の増大が図られる。レーザー光は基本的には直接偏光であるが、主偏光成分に直交する直交偏光成分を数％以上含んで、る。図 1にて波線で示した方向に直交する方向の偏光成分がレーザー光には少量含まれて、る。半波長板 20ではこの直交偏光成分を低減することにより、主偏光成分の直交偏光成分に対する偏光比を増大させている。

[0024] そして、半波長板 20にて直交偏光成分が低減された上で、レーザー光がビームェキスパンダー 30に入射させられて、る。レーザー光に直交偏光成分が多く含まれる場合には、ビームエキスパンダー 30のように屈折を生じさせる透過型の光学部品の複屈折率性によって、主偏光成分のビームとの行路差すなわち位相差を生じさせることとなる。本実施形態にぉ、ては半波長板 20にて直交偏光成分を低減してカもレ一ザ一光をビームエキスパンダー 30に入射させているため、直交偏光成分による複屈折率性の影響が少なく、位相が揃った平行光をビームエキスパンダー 30にて生成することができ、良好なコヒーレントを維持することができる。ビームエキスパンダー 30 は、例えば 2枚の屈折レンズによって構成することができ、所定の幅の平行光を生成することができる。

[0025] ミラー 60c, 60dはビームエキスパンダー 30から出力されたレーザー光を所定方向に反射させ、同レーザー光を NDフィルタ 50aに入射させる。 NDフィルタ (Neutral De nsity Filer)50aは、いわゆる減光フィルタであり、減光率を調整することによりレーザ一光の光量を適度に調整することができる。なお、本実施形態においては透過型の NDフィルタ 50a, 50bを使用した力反射型であってもよい。 NDフィルタ 50aにて減光されたレーザー光はビームスプリッタ 40にて互いに略直交した 2光束に分割される

[0026] ビームスプリッタ 40を透過したレーザー光は NDフィルタ 50bにて減光され、ミラー 6 Ofにて反射されてから所定の入射角 Θで露光ターゲット Tに入射する。一方、ビームスプリッタ 40にて反射したレーザー光は、そのままミラー 60eにて反射され、入射角 Θで露光ターゲット Tに到達する。本実施形態のビームスプリッタ 40においては、透過光量の方が反射光量よりも多いため、ビームスプリッタ 40を透過したレーザー光が NDフィルタ 50bを通過することにより、双方のレーザー光を均等にすることができる。なお、 NDフィルタ 50a, 50bとビームスプリッタ 40は透過型の光学機器である力予め半波長板 20によって直交偏光成分が低減されているため、良好なコヒーレントを維持することができる。

[0027] 以上の構成により 2光束を露光ターゲット Tに入射させることにより、同露光ターゲット T上おいて図 2に示すような干渉縞を生じさせることができる。ここで、レーザー光の波長をえとすると、露光ターゲット T上に生じる干渉縞の周期 Pは下記式（1)で与えられる。

F= X /2sm Q · · · (1)

[0028] 例えば、入射角 Θ力 ½0度で波長 λが 244nmである場合には、干渉縞の周期 Pは約 141nmとなる。露光ターゲット Tに本実施形態のレーザー光に対して感光性を有するフォトレジストを形成した場合には、同フォトレジストにおいて図 2と同様の干渉縞模様に感光させることができる。市販の高出力 Arレーザーを用いた場合、本実施形態の 2光束干渉露光装置 1ではレーザー光の実効的なパワーとして 50mW程度を得ることが可能である。例えば、レーザービームを 10cm径まで拡大したときの平均レーザ一パワー密度は 0. 64mWZcm²となる。この場合に、フォトレジストとして適正露光量が 25mjZcm²程度のものを適用すると、 20秒程度で露光を完了させることができる。すなわち、化合物半導体のパターン形成でよく使用される 2インチや 3インチの基板の露光が一般的なフォトリソグラフィ一と同様の簡便さで実現することができる。

[0029] 上記式（1)において干渉縞の周期 Pは入射角 Θに依存しているため、入射角 Θを調整することにより、干渉縞の周期 Pを調整することができる。露光ターゲット Tに対して適切な入射角 Θでレーザー光を入射させるミラー 60e, 60fは本発明の干渉光学系に相当する。なお、本実施形態のように Arレーザーの 2倍高調波によって露光する場合、理論限界周期は 122nmであり、それ以上大きな周期 Pの周期パターンであれば形成することができるといえる。また、干渉縞の太さ、すなわち露光部分と未露光部分とのデューティー比は露光時間の調整によって調整することができるため、 2光束干渉によって形成される周期構造の形状の自由度も大きい。上述したとおりレーザ一光のコヒーレントは露光ターゲット Tに至るまで良好に維持されている。従って、露光ターゲット Tにおいて良好な干渉縞を生じさせることができる。

[0030] 本実施形態にぉ、ては、 Arレーザーを光源として使用した力 Ndドープ YAGレーザ一光源を使用してもよい。 Ndドープ YAGレーザーによれば出力されるレーザー光の波長が 10. 6 /z mであるため、 SHG素子によって 4倍高調波に変換することにより、 266nmのレーザー光を得ることができる。従って、本実施形態とほぼ同様の周期 P の干渉縞を生じさせることができる。

[0031] (2)半導体発光素子およびその製造方法：

図 3は、本発明の一実施形態にカゝかる半導体発光素子としての青色発光ダイォード 100の構成を模式的に示している。同図において青色発光ダイオード 100はそれぞれが略板状に形成された基板 111と低温堆積緩衝層 112とクラッド層 113と発光層 114と障壁層 115とコンタクト層 116と p—電極 117と n—電極 118とから構成されている。図において最下層を構成する板状の基板 111は SiCで構成されており、その表側の面上に AlGaN (3族窒化物半導体)で構成された低温堆積緩衝層 112と、 n—GaNで構成されたクラッド層 113と、 GalnNで構成された発光層 114と、 p— A1 GaNで構成された障壁層 115と、 p— GaNで構成されたコンタクト層 116とが順に積層された構造となっている。さらに、最上層のコンタクト層 116上に板状の p—電極 11 7が積層されており、クラッド層 113上に n—電極 118が積層されている。基板 111の裏側には周期的な凹凸構造 Aが形成されている。 [0032] 力かる構成において、青色発光ダイオード 100の p—電極 117と n—電極 118との間に順バイアス方向に電圧を付与することにより、発光層 114にて発光させることができる。発光層 114においては、そのバンドギャップに相応する波長光が発光される。本実施形態の発光部においては、その平均光学波長が約 220nmとなる。なお、光学波長は実際の波長を屈折率で除した値を意味する。基板 111と低温堆積緩衝層 1 12とクラッド層 113と障壁層 115とコンタクト層 116は、それぞれ透光性を有しており、発光層 114にて発光された光を基板 111の裏側から取り出すことが可能となって!/ヽる。すなわち、基板 111の裏面は青色発光ダイオード 100における光取り出し面を構成し、この光取り出し面から取り出した光を照明等に利用することが可能となって、る

[0033] 周期的な凹凸構造 Aの平均周期 (約 200nm)が、発光した光の光学波長 (約 220η m)よりも小さいため、周期的な凹凸構造 Αに到達した光の大半は空気と基板 111の間の屈折率を感じることとなる。従って、空気と基板 111の間の屈折率の急激な変化は緩和され、発光層 114にて発光された光が光取り出し面における全反射によって青色発光ダイオード 100の内部に閉じこめられることが防止でき、高い光取り出し効率を実現することが可能となって、る。

[0034] 次に、基板 111に周期的な凹凸構造 Aを形成する方法について説明する。図 4は、凹凸構造 Aを形成する工程を模式的に示している。同図（a)に示すように、はじめに本発明の光取り出し面に相当する基板 111の裏面に薄膜状のエッチングマスク 130 を形成する。エッチングマスク 130は、基板 111の裏面に SiOを素材とする薄膜状の

2

SiO層 130aを積層し、その上に Tiを素材とする Ti層 130bを積層し、さらにその表

2

面に Auを素材とする Au層 130cを積層することにより形成される。すなわち、エッチングマスク 130はそれぞれ異種の素材による複数の薄膜層によって構成されている。 SiO層 130aと Ti層 130bと Au層 130cを積層するにあたっては、例えば真空蒸着法

2

により堆積させることができる。

[0035] 次に、図 4 (b)に示すように、エッチングマスク 130上に薄膜状のフォトレジストマスク 131が形成されている。フォトレジストマスク 131の厚みはほぼ一様であり、約 0. 1 μ mとされて!/、る。低粘度のフォトレジスト液をスピンコートによってエッチングマスク 130 上に塗布し、プリベータすることにより、膜厚が極めて薄いフォトレジストマスク 131を形成することができる。次に、図 4 (c)に示すように、上述した 2光束干渉露光装置 1を用いてフォトレジストマスク 131を露光する。露光ターゲット Tに基板 111をセットし、フオトレジストマスク 131に 2光束を 10秒間入射させることにより、干渉縞模様にフオトレジストマスク 131を感光させることができる。

[0036] 図 5は、露光後のフォトレジストマスク 131を厚み方向力も見て示している。同図（a) にお、て、露光によって感光した感光部 13 laと未露光部 13 lbがハッチングの有無によって区別して図示されており、これらは図 2の干渉縞と同様の縞模様となっている。次に、基板 111を 90度回転させて同じ条件で 2回目の露光を行う。図 5 (b)は、 2回目の露光後のフォトレジストマスク 131を示している。同図において、 1回目の露光による感光部 131aと 2回目の露光による感光部 131aのハッチングをそれぞれ反対向きに示しており、ノ、ツチングが交差している部分は 2重露光部に相当している。 2重露光部においては積算露光時間が 20秒間となり、露光が完了する。このように、露光方向を 90度回転させることにより、フォトレジストマスク 131に干渉縞が直交した模様が形成することができ、正方形状の 2重露光部を形成することができる。また、複数回露光を行うことにより、 2次元のマスクパターンを形成することができる。

[0037] 2回目の露光が完了すると 2重露光部以外の部分のフォトレジストマスク 131を除去するための、現像処理を行う。すると、図 4 (d)に示すように、露光が完了している正方形状の 2重露光部のみを残存させることができる。以上説明したような 2光束干渉露光方法によって、 2次元の周期的な露光パターンを形成することができる。

[0038] 現像処理が完了すると、残存したフォトレジストマスク 131をレジストマスクとして、図 4 (e)に示すようにエッチングマスク 130のエッチングを行う。エッチングマスク 130をエッチングするにあたっては、例えば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより SiO層 130aと Ti層 130bと Au層 130cをエッチングすることができる。エッチングマ

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スク 130のエッチングが完了すると、剥膜処理によって、図 4 (f)に示すように、フォトレジストマスク 131を完全に除去する。

[0039] 続いて、四フッ化炭素ガスまたは四フッ化炭素と酸素の混合ガスを用いて再び反応性イオンエッチングを行う。このとき、最下層の SiO層 130aは四フッ化炭素イオンによってサイドエッチングを生じるために、図 4 (g)に示すように時間の経過とともに実効的なマスクサイズが縮小する。し力し、上層の Ti層 130bと Au層 130cはサイドエッチングの耐性が比較的高ぐエッチング速度が遅いため、 SiO層 130aが完全に除去さ

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れることはなぐ傾斜したマスク形状を形成することができる。このようなマスク形状とすることにより、基板 111に平行な方向のサイドエッチングを促進することができ、凸部が四角錐状の周期的な凹凸構造 Aを形成することができる。このような凹凸構造 A はモスアイ構造と呼ばれ、光の取り出し方向に関する断面積の変動が緩やかであるため、最も高い光取り出し効率を実現することができる。なお、エッチングの後に、ェツチングマスク 130を別工程によって除去してもよいし、凹凸構造 Aのサイドエツチングを継続することによりエッチングマスク 130を離脱させるようにしてもよい。

[0040] 本実施形態では光取り出し面として SiCの基板 111を用いたが、他の半導体材料において凹凸構造 Aを形成することも可能である。例えば、 GaAsや InPや GaPや Ga Nやサファイアなどに対しても、本実施形態と同様のエッチングマスクを使用して、各材料に適したエッチングガスにより、凹凸構造のパターン形成を行うことができる。また、本実施形態ではエッチング後の凹凸構造 Aの凸部の形状が四角錐となるが、ェツチングマスク 130を除去した後にウエットエッチングを行うことにより、正方形の角が選択的に除去され凸部が円錐形状の凹凸構造も形成することができる。

[0041] (3)変形例にかかる半導体発光素子：

図 6は、変形例に力かる半導体発光素子としての青色発光ダイオードの構成を模式的に示している。同図において、青色発光ダイオード 200はサファイアで形成された基板 211に、 AlGaNで構成された低温堆積緩衝層 212と、 n— GaNで構成されたクラッド層 213と、 0&11^で構成された発光層214と、 p— AlGaNで構成された障壁層 215と、 p— GaNで構成されたコンタクト層 216とが順に積層された構造となっている。さら〖こ、最上層のコンタクト層 216上に半透明 NiZAuで形成された半透明電極 2 17と p—電極 218が積層されており、クラッド層 213上に n—電極 219とが積層されている。サファイア基板 211の裏面には反射ミラー 21 laが形成されており、同反射ミラ一 211aにて青色発光ダイオード 200内部にて発光された光を上方に全反射させている。すなわち、本変形例において光の取り出し方向は上方とされており、 GaNのコンタクト層 216の表面が光取り出し面を構成し、コンタクト層 216上に周期的な凹凸構造 Bが形成されている。

[0042] 図 7は、本変形例に力かる凹凸構造 Bを形成する工程を模式的に示している。同図において、コンタクト層 216上にエッチングマスク 230とフォトレジストマスク 231が形成されている。ただし、本変形例のエッチングマスク 230は SiOの単層とされている。

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そして、前実施形態と同様の手法によって露光と、現像処理と、エッチングマスク 230 に対するエッチングと、剥膜処理とを行う。そして、エッチングマスク 230をエッチングレジストマスクとして、塩素ガスを用いて反応性イオンエッチングを行う。このとき、コンタクト層 216はマスクの開口部のみが選択的にエッチングされ、図 7 (e)のような凸部が四角柱状となる周期的な凹凸構造 Bが形成される。

[0043] エッチング時間を短くすれば、サイドエッチングを抑制することができ、角柱形状を維持することができる。このような周期構造はフォトニック結晶と呼ばれ、高い光取り出し効率を得ることができる。また、本実施形態ではエッチング後の凹凸構造 Aの凸部の形状が四角柱となる力エッチングマスク 130を除去した後にウエットエッチングを行うことにより、正方形の角が選択的に除去され凸部が円柱形状の凹凸構造も形成することができる。

[0044] (4)まとめ：

Arレーザーの 2倍高調波、または、 Ndドープ YAGレーザーの 4倍高調波を光源とし、エタロンと半波長板による極めて均質でコヒーレンスの高、レーザービームを生成できる 2光束干渉露光装置を実現する。また上記 2光束干渉露光によってフオトレジストマスクに周期パターンの露光を行い、フォトレジストマスクの現像を行い、レジストパターンをマスクとして半導体層エッチング用マスクのパターン形成を行い、レジスト除去後、光取り出し面をエッチングする工程により、極めて低コストでエネルギー変換効率の高い半導体発光素子を製造することができる。本発明の好ましい実施形態について詳細に図示しかつ記述した力添付された請求の範囲に定義された本発明の技術的思想力も逸脱することのな、範囲で、実施形態の変更が本発明でなされ得ることが、当業者には理解されるであろう。

Claims

請求の範囲

[1] レーザー共振器内に備えられるレーザー光源と、

上記レーザー共振器内に備えられ、上記レーザー光源にて出力されたレーザー光を高調波に変換する SHG素子と、

狭帯域波長フィルタとして上記レーザー共振器内に備えられるエタロンと、上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光を 2光束に分割するビームスプリッタと、

上記ビームスプリッタにて分割された 2光束を露光ターゲット上にて干渉させる干渉光学系とを備える 2光束干渉露光装置。

[2] 上記レーザー光源は Arレーザー光源であり、上記 SHG素子は同レーザー光源にて出力されたレーザー光を 2倍高調波に変換することを特徴とする請求項 1に記載の 2光束干渉露光装置。

[3] 上記レーザー光源は Ndドープ YAGレーザー光源であり、上記 SHG素子は同レーザ一光源にて出力されたレーザー光を 4倍高調波に変換することを特徴とする請求項 1に記載の 2光束干渉露光装置。

[4] 上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光の直交偏光成分を低減する半波長板と、

上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光を所定幅の平行光に変換するビームエキスパンダーとを具備することを特徴とする請求項 1から請求項 3のいずれかに記載の 2光束干渉露光装置。

[5] レーザー共振器内においてレーザー光源にて出力したレーザー光を SHG素子にて高調波に変換しつつ狭帯域波長フィルタとしてのエタロンにて狭帯域化させた後に、同レーザー共振器から出力し、

上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザー光をビームスプリッタにて 2光束に分割し、この 2光束を干渉光学系によって露光ターゲット上にて干渉させて露光を行う 2光束干渉露光方法。

[6] 発光層にて発光された光を表面の光取り出し面力外部に出力する半導体発光素子の製造方法において、上記光取り出し面上に薄膜状のエッチングマスクを形成し、

上記エッチングマスク上に薄膜状のフォトレジストマスクを形成し、

レーザー共振器内においてレーザー光源にて出力したレーザー光を SHG素子にて高調波に変換しつつ狭帯域波長フィルタとしてのエタロンにて狭帯域化させた後に、同レーザー共振器から出力し、上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザ一光をビームスプリッタにて 2光束に分割し、この光束を干渉光学系によって露光タ一ゲット上にて干渉させて露光を行う 2光束干渉露光方法により、光取り出し面上の上記フォトレジストマスクを露光し、

上記フォトレジストマスクの未露光部分を除去し、

未露光部分を除去した上記フォトレジストマスクをレジストマスクとして上記エツチングマスクにノターンを形成し、

ノターンが形成された上記エッチングマスクをレジストマスクとして上記光取り出し面のエッチングを行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

[7] 上記エッチングマスクは複数の薄膜層から構成され、各薄膜層はそれぞれエツチングをする際のエッチング速度が異なる異種の素材によって形成されることを特徴とする請求項 6に記載の半導体発光素子の製造方法。

[8] 露光方向を変えつつ複数回露光を行うことを特徴とする請求項 6または請求項 7のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。

[9] 発光層にて発光された光を表面の光取り出し面力外部に出力する半導体発光素子であって、

上記光取り出し面上に薄膜状のエッチングマスクを形成し、

レーザー共振器内においてレーザー光源にて出力したレーザー光を SHG素子にて高調波に変換しつつ狭帯域波長フィルタとしてのエタロンにて狭帯域化させた後に、同レーザー共振器から出力し、上記レーザー共振器の外部に出力されたレーザ一光をビームスプリッタにて 2光束に分割し、この光束を干渉光学系によって露光タ一ゲット上にて干渉させて露光を行う 2光束干渉露光方法により、光取り出し面上の上記フォトレジストマスクを露光し、上記フォトレジストマスクの未露光部分を除去し、

ノターンが形成された上記エッチングマスクをレジストマスクとして上記光取り出し面のエッチングを行うことにより製造されることを特徴とする半導体発光素子。