(57)【要約】  本発明は、ＰＳＳに匹敵する光取出し効率の改善効果を与える、ＧａＮ系ＬＥＤデバイス用の新規なエピタキシャル成長用基板を提供することを主たる目的とする。本発明の実施形態は、ＧａＮ系ＬＥＤデバイス用のエピタキシャル成長用基板を含む。一例において、該エピタキシャル成長用基板は、単結晶基板及びＧａＮよりも低屈折率の誘電体を含む成長マスク層を有し、該成長マスク層は、該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記単結晶基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、複数の該貫通孔が、どのひとつにも少なくとも他の３つが隣接するように配置され、かつ、そのように配置された該複数の該貫通孔から隣接する２つを任意に選び、その一方を第１貫通孔、他方を第２貫通孔としたとき、該第１貫通孔の側壁と該第２貫通孔の側壁とが境を接している。
2012093601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板と、該単結晶基板の一方の主面上に形成されＧａＮよりも低屈折率の誘電体を含む成長マスク層とを有し、
該成長マスク層は、当該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記単結晶基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、
複数の該貫通孔が、どのひとつにも少なくとも他の３つが隣接するように配置され、かつ、そのように配置された該複数の該貫通孔から隣接する２つを任意に選び、その一方を第１貫通孔、他方を第２貫通孔としたとき、該第１貫通孔の側壁と該第２貫通孔の側壁とが境を接している、ＧａＮ系ＬＥＤデバイス用のエピタキシャル成長用基板。
【請求項２】
前記単結晶基板がサファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、スピネル基板、酸化ガリウム基板または酸化亜鉛基板である、請求項１に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項３】
前記成長マスク層の厚さが０．５〜３μｍである、請求項１または２に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項４】
複数の前記貫通孔は、どのひとつにも他の６つが隣接するように配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項５】
前記成長マスク層の底面側における前記貫通孔の開口部が円形である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項６】
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が３０〜７５度である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項７】
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が５０〜７５度である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項８】
前記成長マスク層が前記単結晶基板より低屈折率の誘電体を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項９】
前記成長マスク層が酸化ケイ素を含む、請求項８に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項１０】
サファイア基板と、該サファイア基板の一方の主面上に形成され酸化ケイ素を含む成長マスク層とを有し、
該成長マスク層は、当該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記サファイア基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、
該成長マスク層の底面側における該貫通孔の開口部が円形であり、
複数の該貫通孔が、どのひとつにも他の６つが隣接するように配置され、かつ、該複数の該貫通孔から隣接する２つを任意に選び、その一方を第１貫通孔、他方を第２貫通孔としたとき、該第１貫通孔の側壁と該第２貫通孔の側壁とが境を接している、エピタキシャル成長用基板。
【請求項１１】
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が５０〜７５度である、請求項１０に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項１２】
エピタキシャル成長用基板と、該エピタキシャル成長用基板の上にエピタキシャル成長により形成され、ｎ型層、ｐ型層および該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれた発光層を含むＧａＮ系半導体積層体と、を有するＧａＮ系ＬＥＤデバイスであって：
該エピタキシャル成長用基板は、単結晶基板と、該単結晶基板の一方の主面上に形成され該ＧａＮ系半導体積層体よりも低屈折率の誘電体を含む成長マスク層とを有し、
該成長マスク層は、当該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記単結晶基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、
複数の該貫通孔が、どのひとつにも少なくとも３つが隣接するように配置され、かつ、そのように配置された該複数の該貫通孔から隣接する２つを任意に選び、その一方を第１貫通孔、他方を第２貫通孔としたとき、該第１貫通孔の側壁と該第２貫通孔の側壁とが境を接しているＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項１３】
前記単結晶基板がサファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、スピネル基板、酸化ガリウム基板または酸化亜鉛基板である、請求項１２に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項１４】
前記成長マスク層の厚さが０．５〜３μｍである、請求項１２または１３に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項１５】
複数の前記貫通孔は、どのひとつにも他の６つが隣接するように配置されている、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項１６】
前記成長マスク層の底面側における前記貫通孔の開口部が円形である、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項１７】
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が３０〜７５度である、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項１８】
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が５０〜７５度である、請求項１２〜１７のいずれか１項に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項１９】
前記成長マスク層が前記単結晶基板より低屈折率の誘電体を含む、請求項１２〜１８のいずれか１項に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項２０】
前記成長マスク層が酸化ケイ素を含む、請求項１９に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項２１】
エピタキシャル成長用基板と、該エピタキシャル成長用基板の上にエピタキシャル成長により形成され、ｎ型層、ｐ型層および該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれた発光層を含むＧａＮ系半導体積層体と、を有するＧａＮ系ＬＥＤデバイスであって：
該エピタキシャル成長用基板は、サファイア基板と、該サファイア基板の一方の主面上に形成され酸化ケイ素を含む成長マスク層とを有し、
該成長マスク層は、当該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記サファイア基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、
該成長マスク層の底面側における該貫通孔の開口部が円形であり、
複数の該貫通孔が、どのひとつにも他の６つが隣接するように配置され、かつ、該複数の該貫通孔から隣接する２つを任意に選び、その一方を第１貫通孔、他方を第２貫通孔としたとき、該第１貫通孔の側壁と該第２貫通孔の側壁とが境を接する程度に該第１貫通孔と該第２貫通孔とが近接している、ＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項２２】
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が５０〜７５度である、請求項２１に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項２３】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板の上に、エピタキシャル成長によって、ｎ型層、ｐ型層および該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれた発光層を含むＧａＮ系半導体積層体を形成する積層体形成工程を含む、ＧａＮ系ＬＥＤデバイスの製造方法。
【請求項２４】
単結晶基板と、該単結晶基板の一方の主面上に形成されＧａＮよりも低屈折率の誘電体を含む成長マスク層とを有し、
該成長マスク層は、当該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記単結晶基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、
該成長マスク層の底面側および上面側における該貫通孔の開口部が円形であり、
複数の該貫通孔が該成長マスク層の上面側におけるその開口部の直径の１．２５倍以下のピッチで最密配置されている、ＧａＮ系ＬＥＤデバイス用のエピタキシャル成長用基板。
【請求項２５】
前記単結晶基板がサファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、スピネル基板、酸化ガリウム基板または酸化亜鉛基板である、請求項２４に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項２６】
前記成長マスク層の厚さが０．５〜３μｍである、請求項２４または２５に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項２７】
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が３０〜７５度である、請求項２４〜２６のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項２８】
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が５０〜７５度である、請求項２４〜２７のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項２９】
前記成長マスク層が前記単結晶基板より低屈折率の誘電体を含む、請求項２４〜２８のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項３０】
前記成長マスク層が酸化ケイ素を含む、請求項２９に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項３１】
請求項２４〜３０のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板と、該エピタキシャル成長用基板の上にエピタキシャル成長により形成され、ｎ型層、ｐ型層および該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれた発光層を含むＧａＮ系半導体積層体と、を有するＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
【請求項３２】
請求項２４〜３０のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用基板の上に、エピタキシャル成長によって、ｎ型層、ｐ型層および該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれた発光層を含むＧａＮ系半導体積層体を形成する積層体形成工程を含む、ＧａＮ系ＬＥＤデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル成長用基板およびＧａＮ系ＬＥＤ（発光ダイオード）デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系半導体は、一般式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、ＩＩＩ族窒化物半導体、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などとも呼ばれる。ｎ型層（ｎ型導電性層）とｐ型層（ｐ型導電性層）とこれらの層の間に挟まれた発光層とからなるＬＥＤデバイス構造を、ＧａＮ系半導体を用いて形成してなるＧａＮ系ＬＥＤデバイスは、近紫外〜緑の波長の光を発生させることができる。ＧａＮ系ＬＥＤデバイスと蛍光体とを組み合わせて構成した白色発光ダイオードは、液晶ディスプレイのバックライトユニット用光源や、白色照明用の光源として実用化されている。【０００３】
ＧａＮ系ＬＥＤデバイスは、サファイア基板上にＭＯＶＰＥ法などの気相成長法によりＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させる工程を経て製造される。従って、ＧａＮ系ＬＥＤデバイスは通常その構造中にサファイア基板を含んでおり、該基板の上にＧａＮ系半導体からなるＬＥＤデバイス構造が形成されている。最近では、そのサファイア基板として、表面をエッチングにより加工して非平坦面としたパターン化サファイア基板（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ；以下、ＰＳＳともいう）が使用されることが多い。【０００４】
ＰＳＳの利用は、光取出し効率の改善を通して、ＧａＮ系ＬＥＤデバイスの出力向上に寄与する（特許文献１、特許文献２、非特許文献１）。非特許文献１には、熱リン酸ベースの溶液中でエッチングされた三角ピラミッドを有するＰＳＳを用いた、ＧａＮ系ＬＥＤデバイスの作製例が報告されている。報告されているところによれば、ピラミッド側壁の傾斜を緩やかにする（傾斜角５７．４度から３１．６度まで）につれてＧａＮ系ＬＥＤデバイスの出力が高くなる。更に、ピラミッド側壁の傾斜角を８０度から３０度まで小さくすると、光取出し効率が増加するというシミュレーション結果が得られているとのことである。【０００５】
ＰＳＳと同様の効果を得ることを目的として、Ａｌ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｙ２Ｏ３などのような、サファイアと実質的に同一の屈折率またはＧａＮ系半導体よりもサファイアに近い屈折率を有する材料からなる突出部を表面に形成した基板が提案されている（特許文献３）。この基板は、ＰＳＳを模擬したものであるといえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００２／０７５８２１号
【特許文献２】国際公開第２００３／０１０８３１号
【特許文献３】日本国特開２００４−１５３０８９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｊｉ−Ｈａｏ  Ｃｈｅｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ９６，  ０５１１０９  （２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＰＳＳの利点のひとつは、その上にＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させるだけで、光取出し効率の改善に有益な構造、すなわち、互いに屈折率の異なるＧａＮ系半導体とサファイアとの間で非平坦界面が形成された構造を、ＬＥＤデバイス内に導入できるところである。しかし、非平坦界面をＧａＮ系半導体と形成する材料がサファイアであることは、光取出し効率の改善効果にとって本質的な要素ではない。つまり、ＧａＮ系半導体との間で非平坦界面を形成する材料が非サファイア材料を含んでいたとしても、その非サファイア材料がＧａＮ系半導体よりも低い屈折率を有していれば、ＰＳＳに匹敵する光取出し効率の改善効果が得られると考えられる。さらに、その非サファイア材料がＧａＮ系半導体との間で形成する界面が傾斜部を含むように構成すれば、その光取出し効率はさらに良好なものとなり得る。ここで、傾斜部とは、ＬＥＤデバイス構造を構成する発光層などの半導体層と平行な平面に対して、傾斜している部分をいう。【０００９】
従って、本発明の目的のひとつは、ＰＳＳに匹敵する光取出し効率の改善効果を与える、ＧａＮ系ＬＥＤデバイス用の新規なエピタキシャル成長用基板を提供することである。【００１０】
また、本発明の目的には、かかるエピタキシャル成長用基板を用いたＧａＮ系ＬＥＤデバイスを提供することが含まれる。【００１１】
さらに、本発明の目的には、かかるエピタキシャル成長用基板を用いたＧａＮ系ＬＥＤデバイスの製造方法を提供することが含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態は、下記のエピタキシャル成長用基板、ＧａＮ系ＬＥＤデバイスおよびＧａＮ系ＬＥＤデバイスの製造方法を含む。
［１］
単結晶基板と、該単結晶基板の一方の主面上に形成されＧａＮよりも低屈折率の誘電体を含む成長マスク層とを有し、
該成長マスク層は、当該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記単結晶基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、
複数の該貫通孔が、どのひとつにも少なくとも他の３つが隣接するように配置され、かつ、そのように配置された該複数の該貫通孔から隣接する２つを任意に選び、その一方を第１貫通孔、他方を第２貫通孔としたとき、該第１貫通孔の側壁と該第２貫通孔の側壁とが境を接している、ＧａＮ系ＬＥＤデバイス用のエピタキシャル成長用基板。
［２］
前記単結晶基板がサファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、スピネル基板、酸化ガリウム基板または酸化亜鉛基板である、前記［１］に記載のエピタキシャル成長用基板。
［３］
前記成長マスク層の厚さが０．５〜３μｍである、前記[１]または[２]に記載のエピタキシャル成長用基板。
［４］
複数の前記貫通孔は、どのひとつにも他の６つが隣接するように配置されている、前記［１］〜［３］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板。
［５］
前記成長マスク層の底面側における前記貫通孔の開口部が円形である、前記［１］〜［４］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板。
［６］
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が３０〜７５度である、前記［１］〜［５］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板。
［７］
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が５０〜７５度である、前記［１］〜［６］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板。
［８］
前記成長マスク層が前記単結晶基板より低屈折率の誘電体を含む、前記［１］〜［７］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板。
［９］
前記成長マスク層が酸化ケイ素を含む、前記［８］に記載のエピタキシャル成長用基板。
［１０］
サファイア基板と、該サファイア基板の一方の主面上に形成され酸化ケイ素を含む成長マスク層とを有し、
該成長マスク層は、当該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記サファイア基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、
該成長マスク層の底面側における該貫通孔の開口部が円形であり、
複数の該貫通孔が、どのひとつにも他の６つが隣接するように配置され、かつ、該複数の該貫通孔から隣接する２つを任意に選び、その一方を第１貫通孔、他方を第２貫通孔としたとき、該第１貫通孔の側壁と該第２貫通孔の側壁とが境を接している、エピタキシャル成長用基板。
［１１］
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が５０〜７５度である、前記［１０］に記載のエピタキシャル成長用基板。
［１２］
エピタキシャル成長用基板と、該エピタキシャル成長用基板の上にエピタキシャル成長により形成され、ｎ型層、ｐ型層および該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれた発光層を含むＧａＮ系半導体積層体と、を有するＧａＮ系ＬＥＤデバイスであって：
該エピタキシャル成長用基板は、単結晶基板と、該単結晶基板の一方の主面上に形成され該ＧａＮ系半導体積層体よりも低屈折率の誘電体を含む成長マスク層とを有し、
該成長マスク層は、当該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記単結晶基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、
複数の該貫通孔が、どのひとつにも少なくとも３つが隣接するように配置され、かつ、そのように配置された該複数の該貫通孔から隣接する２つを任意に選び、その一方を第１貫通孔、他方を第２貫通孔としたとき、該第１貫通孔の側壁と該第２貫通孔の側壁とが境を接しているＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［１３］
前記単結晶基板がサファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、スピネル基板、酸化ガリウム基板または酸化亜鉛基板である、前記［１２］に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［１４］
前記成長マスク層の厚さが０．５〜３μｍである、前記［１２］または［１３］に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［１５］
複数の前記貫通孔は、どのひとつにも他の６つが隣接するように配置されている、前記［１２］〜［１４］のいずれか１に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［１６］
前記成長マスク層の底面側における前記貫通孔の開口部が円形である、前記［１２］〜［１５］のいずれか１に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［１７］
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が３０〜７５度である、前記［１２］〜［１６］のいずれか１に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［１８］
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が５０〜７５度である、前記［１２］〜［１７］のいずれか１に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［１９］
前記成長マスク層が前記単結晶基板より低屈折率の誘電体を含む、前記［１２］〜［１８］のいずれか１に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［２０］
前記成長マスク層が酸化ケイ素を含む、前記［１９］に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［２１］
エピタキシャル成長用基板と、該エピタキシャル成長用基板の上にエピタキシャル成長により形成され、ｎ型層、ｐ型層および該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれた発光層を含むＧａＮ系半導体積層体と、を有するＧａＮ系ＬＥＤデバイスであって：
該エピタキシャル成長用基板は、サファイア基板と、該サファイア基板の一方の主面上に形成され酸化ケイ素を含む成長マスク層とを有し、
該成長マスク層は、当該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記サファイア基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、
該成長マスク層の底面側における該貫通孔の開口部が円形であり、
複数の該貫通孔が、どのひとつにも他の６つが隣接するように配置され、かつ、該複数の該貫通孔から隣接する２つを任意に選び、その一方を第１貫通孔、他方を第２貫通孔としたとき、該第１貫通孔の側壁と該第２貫通孔の側壁とが境を接する程度に該第１貫通孔と該第２貫通孔とが近接している、ＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［２２］
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が５０〜７５度である、前記［２１］に記載のＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［２３］
前記［１］〜［１１］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板の上に、エピタキシャル成長によって、ｎ型層、ｐ型層および該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれた発光層を含むＧａＮ系半導体積層体を形成する積層体形成工程を含む、ＧａＮ系ＬＥＤデバイスの製造方法。
［２４］
単結晶基板と、該単結晶基板の一方の主面上に形成されＧａＮよりも低屈折率の誘電体を含む成長マスク層とを有し、
該成長マスク層は、当該成長マスク層を厚さ方向に貫通し、その断面積が前記単結晶基板から離れるにつれて増加する貫通孔を有し、
該成長マスク層の底面側および上面側における該貫通孔の開口部が円形であり、
複数の該貫通孔が該成長マスク層の上面側におけるその開口部の直径の１．２５倍以下のピッチで最密配置されている、ＧａＮ系ＬＥＤデバイス用のエピタキシャル成長用基板。
［２５］
前記単結晶基板がサファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、スピネル基板、酸化ガリウム基板または酸化亜鉛基板である、前記［２４］に記載のエピタキシャル成長用基板。
［２６］
前記成長マスク層の厚さが０．５〜３μｍである、前記［２４］または［２５］に記載のエピタキシャル成長用基板。
［２７］
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が３０〜７５度である、前記［２４］〜［２６］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板。
［２８］
前記貫通孔においては、前記単結晶基板からの距離が前記成長マスク層の厚さの半分の位置における側壁の傾斜角が５０〜７５度である、前記［２４］〜［２７］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板。
［２９］
前記成長マスク層が前記単結晶基板より低屈折率の誘電体を含む、前記［２４］〜［２８］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板。
［３０］
前記成長マスク層が酸化ケイ素を含む、前記［２９］に記載のエピタキシャル成長用基板。
［３１］
前記［２４］〜［３０］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板と、該エピタキシャル成長用基板の上にエピタキシャル成長により形成され、ｎ型層、ｐ型層および該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれた発光層を含むＧａＮ系半導体積層体と、を有するＧａＮ系ＬＥＤデバイス。
［３２］
前記［２４］〜［３０］のいずれか１に記載のエピタキシャル成長用基板の上に、エピタキシャル成長によって、ｎ型層、ｐ型層および該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれた発光層を含むＧａＮ系半導体積層体を形成する積層体形成工程を含む、ＧａＮ系ＬＥＤデバイスの製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る上記のエピタキシャル成長用基板の上にＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させることにより、光取出し効率の改善に有益な非平坦界面をＧａＮ系半導体と該エピタキシャル成長用基板との間に備える発光効率に優れたＧａＮ系ＬＥＤデバイスを、簡便かつ効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、実施形態に係るエピタキシャル成長用基板を示しており、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ１−Ｘ１線の位置における断面図である。
【図２】図２は、図１に示すエピタキシャル成長用基板の、図１（ａ）のＸ２−Ｘ２線の位置における断面図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、貫通孔の側壁の傾斜角が一定でないエピタキシャル成長用基板の断面図である。図３（ａ）は、貫通孔Ｈの側壁の傾斜角が、単結晶基板１１からの距離とともに減少する一例を示している。図３（ｂ）は、貫通孔Ｈの側壁の傾斜角が、単結晶基板１１からの距離とともに増加する一例を示している。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、図１に示すエピタキシャル成長用基板と同じ貫通孔配置を有するエピタキシャル成長用基板を示しており、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｅ）は、図１に示すエピタキシャル成長用基板の製造工程を説明するための断面図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は実施形態に係るエピタキシャル成長用基板を示しており、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は斜視図である。
【図７】図７は、実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の平面図である。
【図８】図８は、実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の平面図である。
【図９】図９は、実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の平面図である。
【図１０】図１０は、実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の平面図である。
【図１１】図１１（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係るエピタキシャル成長用基板上におけるＧａＮ結晶のエピタキシャル成長の様子を示す断面図である。
【図１２】図１２は、実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤデバイスの断面図である。
【図１３】図１３（ａ）〜（ｅ）は、シミュレーション１で仮定したエピタキシャル成長用基板の平面図である。
【図１４】図１４は、シミュレーション１の結果を示している。
【図１５】図１５（ａ）〜（ｅ）は、シミュレーション２で仮定したエピタキシャル成長用基板の斜視図である。
【図１６】図１６は、シミュレーション２の結果を示している。
【図１７】図１７（ａ）〜（ｅ）は、シミュレーション３で仮定したエピタキシャル成長用基板の斜視図である。
【図１８】図１８は、シミュレーション３の結果を示している。
【図１９】図１９は、シミュレーション４の結果を示している。
【図２０】図２０（ａ）及び（ｂ）は、シミュレーション５で仮定したエピタキシャル成長用基板の斜視図であり、図２０（ａ）は成長マスク層がストライプパターンを呈する場合を、図２０（ｂ）は成長マスク層がドットパターンを呈する場合を、それぞれ示している。
【図２１】図２１は、シミュレーション５の結果を示している。
【図２２】図２２は、実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
１．エピタキシャル成長用基板
図１および図２に、本発明の実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ１−Ｘ１線の位置における断面図、図２は図１（ａ）のＸ２−Ｘ２線の位置における断面図である。エピタキシャル成長用基板１０は、単結晶基板１１と、その一方の主面上に形成された成長マスク層１２とから構成されている。成長マスク層１２には、成長マスク層１２を厚さ方向に貫通する貫通孔Ｈが複数形成されており、該貫通孔Ｈの位置には単結晶基板１１の表面が露出している。
【００１６】
単結晶基板１１には、ＧａＮ系半導体のエピタキシャル成長に通常使用される基板を用いることができる。単結晶基板１１は、好ましくは、サファイア基板（ｃ面、ａ面、ｒ面）、ＳｉＣ基板（４Ｈ、６Ｈ）、ＧａＮ基板（ｃ面、ｍ面、ｓ面）、ＡｌＮ基板、スピネル基板、酸化ガリウム基板、酸化亜鉛基板などのように、可視波長域（３８０〜７８０ｎｍ）の光を殆ど吸収せず、かつ、屈折率がＧａＮ系半導体と同等以下である基板である。単結晶基板１１は、特に好ましくは、ｃ軸成長によって効率の高いＧａＮ系ＬＥＤ構造を製造できることから、ｃ面サファイア基板、ＳｉＣ基板（４Ｈ、６Ｈ）またはｃ面ＧａＮ基板である。単結晶基板１１はオフ角が付与された基板であってもよい。
【００１７】
成長マスク層１２は、例えば、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、酸化タンタル、酸化ジルコニウムなどを用いて形成される。これらの誘電体を用いて成長マスク層１２を形成することにより、貫通孔Ｈを通して露出する単結晶基板１１の表面からＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させる際に、成長マスク層１２の表面でＧａＮ系半導体結晶が成長することが防止される。
【００１８】
成長マスク層１２の材料は、上記例示したものに限らず、ＧａＮ系半導体のＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）において成長マスクに用いられている種々の材料から選択することができる。成長マスクを用いたＧａＮ系半導体のＥＬＯについて記した多数の文献が存在するが、そのごく一例として、米国特許第６２２５６５０号公報および米国特許第６２５２２６１号公報を挙げることができる。
【００１９】
酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化ケイ素、酸化タンタル、酸化ジルコニウムなどを用いて形成した成長マスク層１２は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２）など、ＧａＮ系ＬＥＤデバイスの主要部に通常使用されるＧａＮ系半導体よりも低い屈折率を有する。従って、エピタキシャル成長基板１０を用いたＧａＮ系ＬＥＤデバイスにおいて、成長マスク層１２とＧａＮ系半導体との間で形成される界面は、光を反射させる性質や光を屈折させる性質を備えるものとなる。例示した誘電体のうち、屈折率の最も低い酸化ケイ素で成長マスク層１２を形成したとき、該界面が光を反射させる作用や光を屈折させる作用は最も強くなる。
【００２０】
成長マスク層１２の厚さは、貫通孔Ｈの側壁の面積が十分大きくなるように、好ましくは０．５μｍ以上、より好ましくは１μｍ以上とする。成長マスク層１２の厚さは好ましくは３μｍ以下である。これより厚くすると、ＬＥＤデバイスの製造時に成長マスク層１２を埋め込むためにＧａＮ系半導体を成長させる時間が長くなるので、ＬＥＤデバイスの製造効率を低下させる恐れがある。成長マスク層１２の厚さは２μｍ以下であってもよく、１．５μｍ前後（１．２５〜１．７５μｍ）が適当である。
【００２１】
成長マスク層１２に設けられた貫通孔Ｈは、断面積が単結晶基板１１から離れるにつれて増加している。ここでいう断面積とは、単結晶基板１１の主面に平行な平面で貫通孔Ｈを切断してできる断面の面積である。貫通孔Ｈの断面積がこのように変化しているので、図１（ｂ）および図２に示すように、貫通孔Ｈの側壁は傾斜角θが９０度未満の傾斜面となっている。この傾斜角θは、１５〜８０度とすることができるが、好ましくは３０〜７５度、より好ましくは５０〜７５度である。ここでいう傾斜角は、単結晶基板１１の主面を基準面としたときの傾斜角である（以下においても同様とする）。
【００２２】
成長マスク層に設ける貫通孔において、側壁は下端（単結晶基板側の端）から上端（単結晶基板から離れた側の端）まで傾斜角一定である必要はない。例えば、図３（ａ）の例のように、貫通孔Ｈの側壁の傾斜角は、単結晶基板１１から離れるにつれて減少していてもよい。あるいは、図３（ｂ）の例のように、貫通孔Ｈの側壁の傾斜角は、単結晶基板１１から離れるにつれて増加していてもよい。側壁の傾斜角が一定でない貫通孔においては、該傾斜角が３０〜７５度、とりわけ５０〜７５度の範囲内に含まれる部分を多くすることが好ましい。そのためには、単結晶基板１１からの距離が成長マスク層の厚さｔの半分の位置における貫通孔の側壁の傾斜角である中央部傾斜角θ１／２を、３０〜７５度、とりわけ５０〜７５度とすることが好ましい。
【００２３】
図１に示すエピタキシャル成長用基板１０では、複数の貫通孔Ｈが、どのひとつにも他の６つが隣接するように配置されている。さらに、該複数の該貫通孔から隣接する２つを任意に選んだとき、その２つは、一方の側壁と他方の側壁とが境を接する程度に近接している。換言すれば、複数の貫通孔Ｈは、どの隣接する２つの間にも側壁どうしが交わる境界が形成されるように、密に配置されている。このことを図４を用いて説明すると、図４（ａ）に示すように、任意に選ばれる貫通孔Ｈ０には６つの他の貫通孔Ｈ１〜Ｈ６が隣接している。そして、Ｘ−Ｘ線上では、貫通孔Ｈ０の側壁が一部で貫通孔Ｈ１の側壁と境を接しており、他の一部で貫通孔Ｈ４の側壁と境を接している。側壁同士の境界においては一方の側壁と他方の側壁とが交差しているので、図４（ｂ）に示すように、Ｘ−Ｘ線の位置における成長マスク層１２の断面は、最上部に水平部を有さない形状（この例では三角形）を呈している。
同様にして、Ｙ−Ｙ線上では、貫通孔Ｈ０の側壁が一部で貫通孔Ｈ２の側壁と境を接しており、他の一部で貫通孔Ｈ５の側壁と境を接している。また、Ｚ−Ｚ線上では、貫通孔Ｈ０の側壁の上端が、一部で貫通孔Ｈ３の側壁と境を接しており、他の一部で貫通孔Ｈ６の側壁と境を接している。
【００２４】
隣接する貫通孔の側壁同士が境を接する程に貫通孔を密に設けることによって、エピタキシャル成長用基板上にＧａＮ系ＬＥＤデバイス構造を形成したときに、成長マスク層とＧａＮ系半導体との界面に占める傾斜部の割合を多くすることができる。
【００２５】
なお、先に説明した図３（ａ）および図３（ｂ）も、隣接する２つの貫通孔の側壁同士が境を接している位置における断面を示しており、それ故に、成長マスク層１２の断面が最上部に水平部を有さない形状を呈している。
【００２６】
成長マスク層１２の底面（単結晶基板１１と接する面）側における貫通孔Ｈの開口部のサイズは、該開口部に露出する単結晶基板１１の表面からＧａＮ系半導体がエピタキシャル成長し得るサイズであればよい。該開口部の面積は、例えば、０．５μｍ２〜３０μｍ２とすることができる。この面積を小さくするほど、エピタキシャル成長用基板１０上にＧａＮ系ＬＥＤデバイス構造を形成したときに、当該エピタキシャル成長用基板とＧａＮ系半導体との界面に占める傾斜部の割合が多くなり、光取出し効率が高くなる。
【００２７】
次に、エピタキシャル成長用基板１０の製造手順の一例を、図５を用いて説明する。
まず、出発材料として単結晶基板１１、例えば、通常のｃ面サファイア基板を準備する。そして、図５（ａ）に示すように、その単結晶基板１１の主面を一様に覆うように、成長マスク層１２を形成する。成長マスク層の形成方法に限定はなく、該層をなす材料に応じて公知の薄膜形成方法から適宜選択すればよい。金属の酸化物、窒化物または酸窒化物を材料に用いる場合であれば、プラズマＣＶＤ法、真空蒸着法またはスパッタリング法を好ましく用いることができる。
【００２８】
成長マスク層１２の形成後、図５（ｂ）に示すように、その表面にフォトレジスト膜Ｐを形成する。次いで、通常の技法を用いてフォトレジスト膜Ｐをパターニングし、図５（ｃ）に示すように開口部ｈを形成する。ここでフォトレジスト膜Ｐに形成する開口部ｈのパターンは、目的とするエピタキシャル成長用基板１０において成長マスク層１２に設けるべき貫通孔の、単結晶基板１１側の開口部のパターンと同一とする。
【００２９】
パターニング後、フォトレジスト膜Ｐをエッチングマスクに用いて、反応性イオンエッチング、プラズマエッチングなどのドライエッチング法により成長マスク層１２に貫通孔Ｈを形成する。この工程では、図５（ｄ）に示すように、成長マスク層１２のエッチングが進むに従い、フォトレジスト膜Ｐが周辺部から消失して面積が縮小していくように、成長マスク層のエッチングレートとフォトレジスト膜のエッチングレートの比を設定する。それによって、成長マスク層１２に形成される孔の側壁を傾斜させることができる。フォトレジスト膜Ｐをパターニング後にハードベーキングすると、その端面がテーパ状となる、つまり周辺部における膜厚が小さくなるので、エッチング工程におけるフォトレジスト膜Ｐの周辺部の消失を促進することができる。
【００３０】
図５（ｅ）に示すように、成長マスク層１２に貫通孔Ｈが形成され、単結晶基板１１の表面が露出したら、エッチング加工を終了し、消失せずに残ったフォトレジスト膜を除去する。このように、フォトレジスト膜Ｐが部分的に残った状態でエッチング加工を終了させると、成長マスク層１２の表面にはエッチングを受けていない部分が、単結晶基板１１の主面に平行な水平面として残る。この部分が、図１（ａ）及び図２における成長マスク層１２の水平面部１２Ａとなる。
【００３１】
好ましい実施形態では、成長マスク層に貫通孔が形成された後、フォトレジスト膜が完全に消失するまでエッチング加工を続けてもよい。このようにすると、図６（ａ）に平面図、図６（ｂ）に斜視図を示すように、成長マスク層２２が上面側（底面側とは反対の側）に水平面を有さないエピタキシャル成長用基板２０が得られる。フォトレジスト膜が消失した後もエッチング加工を続けることにより、成長マスク層２２の表面に丸みを帯びさせることもできる。
【００３２】
上述の製造工程において、フォトレジスト膜に形成する開口部のパターンを変えることによって、成長マスク層に設ける貫通孔の形状や配置を様々に変化させることができる。
【００３３】
図７に平面図を示すエピタキシャル成長用基板３０では、単結晶基板３１上に形成された成長マスク層３２に設けられた複数の貫通孔Ｈが、どのひとつにも他の３つが隣接するように配置されている。そして、どの隣接する２つの貫通孔を見ても、その２つの貫通孔の一方の側壁と他方の側壁とが境を接している。
変形例においては、図２２に示す平面図を示すエピタキシャル成長用基板３０’のように、２種類の貫通孔ＨＡおよびＨＢを成長マスク層３２’に設けることもできる。一方種の貫通孔ＨＡの配置は、図７に示す貫通孔Ｈの配置と同じである。他方種の貫通孔ＨＢは、貫通孔ＨＡによって占有されていない領域に配置されている。貫通孔ＨＢの側壁と貫通孔ＨＡの側壁とは境を接していない。
【００３４】
図２２の例において、２種類の貫通孔ＨＡおよびＨＢでは、両端間の距離が同じ（成長マスク層３２’の厚さに等しい）であるが、開口部のサイズが成長マスク層の底面側においても上面側においても異なっている。これは、貫通孔ＨＡと貫通孔ＨＢとでは側壁の傾斜が異なっているということである。このような、側壁の傾斜の異なる複数種の貫通孔を成長マスク層に有するエピタキシャル成長用基板は、貫通孔を種類毎に異なる工程で形成する方法によって製造することができる。
図２２の例を更に変形した実施形態では、一方種の貫通孔ＨＡの側壁と他方種の貫通孔ＨＢの側壁とが境を接するようにすることもできる。
【００３５】
図８に平面図を示すエピタキシャル成長用基板４０では、単結晶基板４１上に形成された成長マスク層４２に設けられた複数の貫通孔Ｈのそれぞれが正三角形の断面（単結晶基板４１の主面に平行な平面で切断してできる断面）を有している。このエピタキシャル成長用基板４０では、成長マスク層４２が上面側に水平面を有していない。成長マスク層４２に設けられたいずれの貫通孔Ｈにも、１２個の他の貫通孔が隣接している。その１２個のうち３個は、成長マスク層４２の上面側において、その開口部と当該貫通孔の開口部とが線で接するように配置されている。残りの９個は、成長マスク層４２の上面側において、その開口部と当該貫通孔の開口部とが点で接するように配置されている。
【００３６】
図９に平面図を示すエピタキシャル成長用基板５０では、単結晶基板５１上に形成された成長マスク層５２に設けられた複数の貫通孔Ｈのそれぞれが菱形の断面（単結晶基板５１の主面に平行な平面で切断してできる断面）を有している。このエピタキシャル成長用基板５０では、成長マスク層５２が上面側に水平面を有していない。成長マスク層５２に設けられたいずれの貫通孔Ｈにも、８個の他の貫通孔が隣接している。その８個のうち４個は、成長マスク層５２の上面側において、その開口部と当該貫通孔の開口部とが線で接するように配置されている。残りの４個は、成長マスク層５２の上面側において、その開口部と当該貫通孔の開口部とが点で接するように配置されている。
【００３７】
図１０に平面図を示すエピタキシャル成長用基板６０では、単結晶基板６１上に形成された成長マスク層６２に設けられた複数の貫通孔Ｈのそれぞれが正六角形の断面（単結晶基板６１の主面に平行な平面で切断してできる断面）を有している。このエピタキシャル成長用基板６０では、成長マスク層６２が上面側に水平面を有していない。成長マスク層６２に設けられたいずれの貫通孔Ｈにも、６個の他の貫通孔が隣接している。その６個はいずれも、その側壁が、当該貫通孔の側壁と線状の境界を形成するように配置されている。
【００３８】
２．ＧａＮ系半導体のエピタキシャル成長
上述の各実施形態のエピタキシャル成長用基板の上にＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させる方法は特に限定されず、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法、スパッタリング法、反応性スパッタ法、その他の公知の方法を適宜用いることができる。最も好ましい方法はＭＯＶＰＥ法である。
【００３９】
エピタキシャル成長用基板に含まれる単結晶基板が、サファイア基板のようにＧａＮ系半導体との間に格子定数差を有する基板の場合には、公知のバッファ層技術を好ましく用いることができる。例えば、エピタキシャル成長をＭＯＶＰＥ法で行う場合には、単結晶を成長させる温度よりも低い温度、例えば４００〜６００℃で、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮなどのＧａＮ系半導体からなるバッファ層を形成する、低温バッファ層技術が有用である。
【００４０】
上述の各実施形態に係るエピタキシャル成長用基板上におけるＧａＮ系半導体の成長態様は、概ね、図１１に示すようなものとなる。図１１（ａ）に示すのは、上述のエピタキシャル成長用基板１０である。この基板１０の上に、例えばＭＯＶＰＥ法を用いてＧａＮをエピタキシャル成長させると、図１１（ｂ）に示すように、成長マスク層１２に設けられた貫通孔Ｈの位置に露出した単結晶基板１１の表面からＧａＮ結晶Ｓ１の成長が開始される。ＧａＮ結晶Ｓ１は厚さ方向に成長するとともに、貫通孔Ｈの傾斜した側壁上でラテラル方向に成長する。これは、成長マスク層１２の表面を起点とするＧａＮ結晶の成長が生じ難いからである。
【００４１】
各貫通孔Ｈから成長するＧａＮ結晶Ｓ１は、膜厚が成長マスク層１２の膜厚を超えるとコアレスし、図１１（ｃ）に示すように、成長マスク層１２を埋め込んで一体化した層状体を呈すに至る。複数の貫通孔Ｈからそれぞれ成長するＧａＮ結晶Ｓ１の結晶方位が揃っているために、コアレス不良は発生し難い。単結晶基板１１の表面には、成長マスク層１２が形成される前にポリッシュ仕上げのような一括仕上げが施されているので、結晶成長の開始面となる単結晶基板１１の露出面の品質にバラツキが少ないからである。
ここでＰＳＳとの比較を行うと、ＰＳＳ上にＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させる工程ではコアレス不良が発生し易い。ＰＳＳではエピタキシャル成長に用いられる非平坦表面の全体が、ＧａＮ系半導体結晶の成長開始の場となり得るサファイア表面であり、その非平坦表面上では部位毎にＧａＮ系半導体結晶が異なるモードで成長し得る（例えば、突出部の頂面と側壁面とから異なるモードで結晶が成長し得る）からである。
【００４２】
また、最近はＧａＮ系ＬＥＤデバイスのコスト低減のためにサファイア基板の大型化が進められているが、サファイア基板が大型化するほど、フォトリソグラフィ技術を用いて形成されるＰＳＳのパターンの面内均一性が低下する傾向が生じる。ＰＳＳのパターンはその上に成長するＧａＮ系半導体の結晶品質に直接的に影響するので、該パターンの面内均一性の低下は歩留り低下の原因となり得る。
それに対して、上述の各実施形態に係るエピタキシャル成長用基板では、成長マスク層のパターンの面内均一性が低下した場合であっても、ＧａＮ系半導体結晶の成長開始面である単結晶基板の表面の品質は影響を受けないので、それによってＧａＮ系半導体結晶の品質の面内均一性が低下することがない。
【００４３】
３．ＧａＮ系ＬＥＤデバイス
図１２に、実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤデバイスの断面図を示す。ＧａＮ系ＬＥＤデバイス１００は、上述の実施形態に係るエピタキシャル成長用基板１０（単結晶基板１１と成長マスク層１２とからなる）の上に、エピタキシャル成長によって形成されたＧａＮ系半導体積層体Ｓ２を有している。
【００４４】
ＧａＮ系半導体積層体Ｓ２は、エピタキシャル成長用基板１０側から、アンドープ層Ｓ２１、ｎ型層Ｓ２２、発光層Ｓ２３、ｐ型層Ｓ２４を順に有している。一部露出したｎ型層Ｓ２２の表面には負電極Ｅ１が形成されている。また、ｐ型層Ｓ２４の上面には透光性電極Ｅ２が形成され、その一部上には正電極Ｅ３が形成されている。
【００４５】
アンドープ層Ｓ２１は、不純物でドープしない、例えばＧａＮからなる層であり、成長マスク層１２に形成された貫通孔Ｈを通して露出した単結晶基板１１の表面からエピタキシャル成長し、成長マスク層１２を層状に覆っている。アンドープ層Ｓ２１の形成を省略して、ｎ型層Ｓ２２をエピタキシャル成長用基板１０の直上に形成することもできる。
【００４６】
ｎ型層Ｓ２２は、例えば、Ｓｉが１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加されたＧａＮからなり、２〜６μｍの厚さに形成されている。発光層Ｓ２３は、アンドープＩｎＧａＮからなる量子井戸層を含むことが好ましく、例えば、かかる量子井戸層と、ＧａＮまたはＩｎＧａＮからなる障壁層とを交互に積層したＭＱＷ構造とされる。好ましくは、障壁層はＳｉでドープされる。ｐ型層Ｓ２４は、例えば、Ｍｇが５×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３の濃度で添加されたＧａＮからなり、５０〜５００ｎｍの厚さに形成されている。
【００４７】
ｎ型層Ｓ２２の内部には、負電極Ｅ１を形成する層としてコンタクト層を設けることができる他、ｎ型ＡｌＧａＮからなる正孔ブロック層、ＩｎＧａＮあるいはＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子からなるｎ型の歪緩和層などを設けることができる。ｐ型層Ｓ２４の内部には、最上層として設けるコンタクト層の下に、ｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層などを設けることができる。
【００４８】
負電極Ｅ１はオーミック電極と電極パッドを兼用しており、ｎ型ＧａＮ層Ｓ２２と接する部分にオーミック接触層を有し、表層はＡｕ層である。オーミック接触層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒの単体または合金で形成することができる他、ＴＣＯ（透明導電性酸化物）で形成することができる。透光性電極Ｅ２はＴＣＯで形成されている。負電極Ｅ１のオーミック接触層、透光性電極Ｅ２のいずれにも、ＩＴＯなどの酸化インジウムベースのＴＣＯ、および、ＩＺＯなどの酸化亜鉛ベースのＴＣＯを好ましく用いることができる。正電極Ｅ３は、透光性電極Ｅ２と接する部分に、ＴＣＯとの密着性が良好な金属からなる層、例えば、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｈなどからなる層を有し、最表層はＡｕ層である。
【００４９】
４．シミュレーション
成長マスク層の形状や屈折率などに依存してＬＥＤデバイスの光取出し効率がどのように変化するかを調べるために、図１２に示す断面構造を有するＬＥＤデバイスをモデルに用いてシミュレーションを行った。ＬＥＤデバイスの発光波長は４５０ｎｍであるものとした。単結晶基板１１はサファイアと同じ屈折率１．７８を有するものとし、そのサイズは縦横３５０μｍ×３５０μｍ、厚さ１００μｍとした。成長マスク層１２の屈折率は種々変化させた。ＧａＮ系半導体積層体Ｓ２の厚さは１０μｍとした。便宜のために、ＧａＮ系半導体積層体Ｓ２はその内部が光学的に一様であるものとし、その屈折率はＧａＮの屈折率である２．４３とした。また、ＧａＮ系半導体積層体は消衰係数１０−７を有するものとした。透光性電極Ｅ２はＩＴＯ（インジウム錫酸化物）で形成したときを模擬するために、屈折率を２．０、消衰係数を０．０２と設定した。負電極Ｅ１と正電極Ｅ３はいずれも直径１００μｍとし、屈折率１．５、消衰係数１．８８を有するものとした。この屈折率および消衰係数はＡｕの値を参照したものである。モデルＬＥＤデバイスの表面は平坦な光学表面であるものとした。
シミュレーションはＯＲＡ社（現Ｓｙｎｏｐｓｉｓ社）の照明設計解析ソフトウェアであるＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ（登録商標）を用いて光線追跡法により行った。
光取出し効率は、発光層Ｓ２３から出る光線の量に対する、モデルＬＥＤデバイスのあらゆる表面から該デバイスの外側に脱出する光線の量の比とした。デバイスの外側の屈折率は１とした。
【００５０】
（ｉ）シミュレーション１
成長マスク層に設けられる複数の貫通孔の配置パターンのピッチと、モデルＬＥＤデバイスの光取出し効率との関係を調べた。
図１３は、このシミュレーションで仮定したエピタキシャル成長用基板の平面図であり、図１３（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、該貫通孔の配置パターンのピッチが１．５μｍ、１．７μｍ、２．０μｍ、２．５μｍ、４．０μｍの場合を示している。成長マスク層は円形メッシュパターンを呈しており、底面側における開口部が円形で、側壁の傾斜角が一定である貫通孔を、複数有している。どの貫通孔も、成長マスク層の底面側における開口部の直径は１．１μｍで、側壁の傾斜角は４５度とした。複数の該貫通孔は最密配置されており、各貫通孔には６つの他の貫通孔が隣接しているものとした。換言すれば、各貫通孔が三角格子の格子位置を占めているものとした。該配置パターンのピッチ（該三角格子の周期）が１．７μｍ以上のときの成長マスク層の厚さを０．４５μｍとした。よって、ピッチが２．０μｍより大きいときは、隣接する貫通孔の側壁同士が境を接しない。一方、ピッチが１．７μｍ以下のときには、成長マスク層が上面側に水平面を有さない。
成長マスク層の屈折率は１．４５（ＳｉＯ２の屈折率）とした。
【００５１】
シミュレーション１の結果を図１４に示す。モデルＬＥＤデバイスの光取出し効率が最も良好となったのは、貫通孔の配置パターンのピッチが１．５〜２．０μｍのとき、すなわち、隣接する貫通孔の側壁同士が境を接するときであった。該ピッチが１．５μｍのときの光取出し効率は、該ピッチが１．７μｍのときよりも低くなったが、その理由は、該ピッチが１．５μｍのときの方が１．７μｍのときよりも成長マスク層の厚さが小さいからであると考えられる。
また、貫通孔の配置パターンのピッチが２．０μｍを超える場合においても、該ピッチが２．５μｍのときに５１％という光取出し効率が得られている。この値は、成長マスク層を設けないときの光取出し効率のシミュレーション値が２５％程度であることからすれば、十分に高い値であるといえる。このことから、隣接する貫通孔の側壁同士が境を接するまで貫通孔を密に設けない場合であっても、成長マスク層の上面側における貫通孔の開口部の直径に対して１．２５倍以下、好ましくは１．１倍以下、より好ましくは１．０５倍以下のピッチで貫通孔を最密配置すれば、比較的良好な光取出し効率の改善効果が得られるといえる。
【００５２】
（ｉｉ）シミュレーション２
成長マスク層に設けられる貫通孔の側壁の傾斜角と、モデルＬＥＤデバイスの光取出し効率との関係を調べた。
図１５は、このシミュレーションで仮定したエピタキシャル成長用基板の斜視図であり、図１５（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ、貫通孔の側壁の傾斜角が１５度、３０度、４５度、６０度、７５度の場合を示している。成長マスク層は円形メッシュパターンを呈しており、底面側における開口部が円形で、側壁の傾斜角が一定である貫通孔を、複数有している。どの貫通孔も、底面側における開口部の直径は１．１μｍとした。また、複数の該貫通孔は最密配置されており、各貫通孔には６つの他の貫通孔が隣接しているものとした。
貫通孔の配置パターンのピッチは、側壁の傾斜角にかかわらず１．７μｍとした。従って、側壁の傾斜角が異なっていても、成長マスク層の貫通孔を通して露出する単結晶基板の表面の総面積は一定である。一方、成長マスク層の厚さは、当該成長マスク層が上面側に水平面を有さなくなるように設定した。そのために、貫通孔の側壁の傾斜角が大きい程、成長マスク層の厚さは大きい。
成長マスク層の屈折率は１．４５（ＳｉＯ２の屈折率）とした。
【００５３】
シミュレーション２の結果を図１６に示す。モデルＬＥＤデバイスの光取出し効率が最高となったのは貫通孔の側壁の傾斜角が６０〜７５度のときであり、その値は５９％に達した。一方、該傾斜角が６０度より小さいときには、該傾斜角が小さくなるにつれて光取出し効率は低くなり、該傾斜角が１５度のときの光取出し効率は４８％であった。ただし、この傾向には貫通孔の側壁の傾斜角だけではなく、成長マスク層の厚さも関係している可能性がある。該傾斜角が６０度および７５度のときの成長マスク層の厚さは、それぞれ、該傾斜角が１５度のときの約６．５倍および約１４倍であるからである。
【００５４】
（ｉｉｉ）シミュレーション３
上記シミュレーション２では、貫通孔の配置パターンのピッチが一定という条件での、貫通孔の側壁の傾斜角とモデルＬＥＤデバイスの光取出し効率との関係を調べた。それに対し、シミュレーション３では、成長マスク層の厚さが一定という条件での、貫通孔の側壁の傾斜角とモデルＬＥＤデバイスの光取出し効率との関係を調べた。
【００５５】
図１７は、このシミュレーション３で仮定したエピタキシャル成長用基板の斜視図であり、図１７（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ、貫通孔の側壁の傾斜角が１５度、３０度、４５度、６０度、７５度の場合を示している。成長マスク層は円形メッシュパターンを呈しており、底面側における開口部が円形で、側壁の傾斜角が一定である貫通孔を、複数有している。いずれの場合も成長マスク層の厚さは０．４５μｍとし、また、どの貫通孔も、底面側における開口部の直径は１．１μｍとした。複数の該貫通孔は最密配置されており、成長マスク層の上面側において隣り合う貫通孔の開口部同士が点で接するように、該配置パターンのピッチを設定した。従って、貫通孔の側壁の傾斜角が緩やかである程、該配置パターンのピッチは大きく、また、貫通孔を通して露出する単結晶基板の表面の総面積は小さくなる。
成長マスク層の屈折率は１．４５（ＳｉＯ２の屈折率）とした。
【００５６】
シミュレーション３の結果を図１８に示す。モデルＬＥＤデバイスの光取出し効率が良好となったのは、貫通孔の側壁の傾斜角が３０〜７５度のときで、特に４５度よりも大きいときであった。該傾斜角が６０度のときの光取出し効率は５８％に達した。該傾斜角が６０度未満では該傾斜角の減少とともに光取出し効率は低下する傾向が見られ、該傾斜角が１５度のときには光取出し効率は４６％まで低下した。
ただし、成長マスク層を設けないときの光取出し効率のシミュレーション値が２５％程度であることからすれば、貫通孔の側壁の傾斜角が１５度の場合であっても、成長マスク層による光取出し効率の改善効果は決して小さくないといえる。
【００５７】
貫通孔の側壁の傾斜角が４５度よりも大きいとき、特に６０〜７５度のときに最も光取出し効率が高くなるという上記シミュレーション２およびシミュレーション３の結果は、特にシミュレーション３においては貫通孔の側壁の傾斜角が小さくなるほど該側壁の面積が大きくなることを考えると、意外であった。このような結果は、成長マスク層の形状に原因がある可能性がある。というのは、本発明者等が別途行った、ＰＳＳを用いたＧａＮ系ＬＥＤデバイスの光取出し効率に関するシミュレーションにおいても、ＰＳＳが円錐形状の突起を最密配置したパターンを有する場合と、円錐台形状の窪みを最密配置したパターンを有する場合とでは、光取出し効率が側壁の傾斜角に対して異なる依存性を示したからである。このシミュレーションでは、前者のパターンを有するＰＳＳを含むＬＥＤデバイスでは、円錐の側壁の傾斜が６４度のときよりも４５度のときの方が光取出し効率が明らかに高くなったのに対し、後者のパターンを有するＰＳＳを含むＬＥＤデバイスでは、窪みの側壁の傾斜が６４度のときの方が、４５度のときよりも光取出し効率は僅かに高いという結果が得られている。
【００５８】
（ｉｖ）シミュレーション４
成長マスク層の屈折率とモデルＬＥＤデバイスの光取出し効率との関係を調べた。
成長マスク層に設ける複数の貫通孔の形状、サイズおよび配置は、上述のシミュレーション１におけるピッチ１．７μｍの場合（図１３（ｂ））と同じとし、成長マスク層の屈折率を１．４５から２．３の間で５通りに変化させた。
シミュレーション４の結果を図１９に示す。モデルＬＥＤデバイスの光取出し効率が良好となったのは、成長マスク層の屈折率が１．４５〜２．０のときであり、該屈折率がサファイア基板と同じ１．７８のときの光取出し効率は６０％に達した。成長マスク層の屈折率がＧａＮの屈折率に近い２．３のときには、光取出し効率は４５％まで低下したが、それでも、成長マスク層を設けないときの光取出し効率のシミュレーション値が２５％程度であることからすれば、成長マスク層による光取出し効率の改善効果は決して小さいものではない。
【００５９】
（ｖ）シミュレーション５
成長マスク層が呈するパターンとモデルＬＥＤデバイスの光取出し効率との関係を調べた。成長マスク層のパターンは、円形メッシュパターン、ストライプパターンおよびドットパターンとした。
円形メッシュパターンの成長マスク層の代表例として、シミュレーション１でピッチ１．７μｍとしたときのパターン（図１３（ｂ））を用いた。この場合、単結晶基板の表面のうち、面積にして３８％の部分が成長マスク層に設けられた貫通孔を通して露出することになる。
【００６０】
成長マスク層がストライプパターンを呈する場合については、図２０（ａ）に示すように、ライン状の成長マスク層のそれぞれが、底面（単結晶基板に接する面）と２つの傾斜した壁面とを有しており、その横断面（長手方向に直交する断面）が二等辺三角形であるものとした。成長マスク層の底面の、ストライプ方向に直交する方向の幅は２μｍ、２つの壁面の傾斜角は４５度、ストライプのピッチは３．２３μｍとした。この場合、単結晶基板の表面のうち、面積にして３８％の部分が成長マスク層に覆われずに露出することになる。
【００６１】
成長マスク層がドットパターンを呈する場合については、図２０（ｂ）に示すように、ドット形状の成長マスク層のそれぞれが円錐であるものとした。各円錐は底面の直径２μｍ、高さ１μｍ、側壁の傾斜角４５度とした。円錐は最密配置されるものとし、該配置パターンのピッチは円錐の底面の直径の２倍である４μｍとした。この場合、単結晶基板の表面のうち、面積にして７８％の部分が成長マスク層に覆われずに露出することになる。
【００６２】
シミュレーション５の結果を図２１に示す。成長マスク層の屈折率を１．４５から２．３０の間で５通りに変化させたが、いずれの場合においても、モデルＬＥＤデバイスの光取出し効率は、成長マスク層が円形メッシュパターンのとき最も高くなり、ストライプパターンのときに最も低くなった。
【００６３】
（ｖｉ）シミュレーション６
単結晶基板をサファイア基板（屈折率１．７８）からＧａＮ基板（屈折率２．４３）に置換したモデルＬＥＤデバイスの光取出し効率を調べた。
成長マスク層に設ける複数の貫通孔の形状、サイズおよび配置は、上述のシミュレーション１におけるピッチ１．７μｍの場合（図１３（ｂ））と同じとした。
シミュレーションの結果、単結晶基板にＧａＮ基板を用いたモデルＬＥＤデバイスの光取出し効率は、成長マスク層を設けない場合には２３％であるのに対し、成長マスク層を設けた場合にはその２．２〜２．３倍である５２％となることがわかった。
【００６４】
以上、本発明を具体的な実施形態に即して説明したが、本発明は明細書および図面に明示的に記載された実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変形が可能である。
本出願は、２０１１年１月７日出願の日本特許出願（特願２０１１−００２３７３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明に係るエピタキシャル成長用基板の上にＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させることにより得られるＧａＮ系ＬＥＤデバイスは、発光効率に優れたものとなるので、液晶ディスプレイのバックライトユニット用光源や、白色照明用の光源のような各種の光源に好ましく使用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０、２０、３０、３０’、４０、５０、６０  エピタキシャル成長用基板
１１、２１、３１、３１’、４１、５１、６１  単結晶基板
１２、２２、３２、３２’、４２、５２、６２  成長マスク層
１２Ａ、３２Ａ  水平面部
Ｈ、ＨＡ、ＨＢ  貫通孔
Ｓ１  ＧａＮ結晶
１００  ＧａＮ系ＬＥＤデバイス
Ｓ２  ＧａＮ系半導体積層体
Ｓ２１  アンドープ層
Ｓ２２  ｎ型層
Ｓ２３  発光層
Ｓ２４  ｐ型層
Ｅ１  負電極
Ｅ２  透光性電極
Ｅ３  正電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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