(57)【要約】【課題】窒化物半導体層をクラックが生じる臨界膜厚よりも薄く形成しつつ、転位密度の低い窒化物半導体層を得ることのできる発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板１０２の成長面１０２ａに窒化物半導体層がエピタキシャル成長される発光素子１００において、基板１０２は窒化物半導体層と熱膨張係数が異なり、基板１０２の成長面１０２ａは１μｍ以下の周期で形成された複数の凹部１０２ｃを有し、窒化物半導体層は横方向成長を利用して成長される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の成長面に窒化物半導体層がエピタキシャル成長される発光素子において、
前記基板は、前記窒化物半導体層と熱膨張係数が異なり、
前記基板の前記成長面は、１μｍ以下の周期で形成された複数の凹部又は凸部を有し、
前記窒化物半導体層は、横方向成長を利用して成長される発光素子。
【請求項２】
前記基板は、ＢとＡｌの少なくとも一方とＮとがドープされた６Ｈ型ＳｉＣ単結晶蛍光材料からなり、
前記窒化物半導体層は、４０８ｎｍ以下のピーク波長で発光する発光層を有する請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記窒化物半導体層は、厚さが２．５μｍ以下である請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記基板は、Ｓｉからなり、
前記窒化物半導体層は、厚さが１．５μｍ以下である請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の発光素子を製造するにあたり、
電子線を用いたリソグラフィーを利用して、前記基板の前記成長面上に形成された電子線レジストに、所定周期のドット状のマスクパターンを形成する工程と、
前記電子線レジストの前記マスクパターンを、前記基板の前記成長面上に形成されるハードマスクに転写する工程と、
前記基板の前記成長面上における前記ハードマスク以外の領域をエッチングして、前記基板の前記成長面に周期的な前記各凹部又は前記各凸部を形成する工程と、
前記基板の前記成長面に前記窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、を含む発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記所定周期は、１μｍ以下である請求項５に記載の発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に窒化物半導体層がエピタキシャル成長される発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体のｐｎ接合による発光素子として、ＬＥＤ（発光ダイオード）が広く実用化され、主に、光伝送、表示及び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ＬＥＤ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、白色ＬＥＤ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、一般照明用途に対しては大幅な効率改善が必要である。さらに、高演色性、低コスト且つ大光束のＬＥＤの実現のためには多くの課題が残されている。現在市販されている白色ＬＥＤとして、リードフレームに実装された青色ＬＥＤチップと、この青色ＬＥＤチップに被せられＹＡＧ：Ｃｅからなる黄色蛍光体層と、これらを覆いエポキシ樹脂等の透明材料からなるモールドレンズと、を備えたものが知られている。この白色ＬＥＤでは、青色ＬＥＤチップから青色光が放出されると、黄色蛍光体を通り抜ける際に青色光の一部が黄色光に変換される。青色と黄色は互いに補色の関係にあることから、青色光と黄色光が交じり合うと白色光となる。この白色ＬＥＤでは、効率改善や演色性向上のため、青色ＬＥＤチップの性能向上等が求められている。
【０００３】
青色ＬＥＤチップとして、ｎ型のＳｉＣ基板上に、ＡｌＧａＮからなるバッファ層、ｎ−ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ層、ＧａＩｎＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸活性層、ｐ−ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層、ｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層が、ＳｉＣ基板側からこの順で連続的に積層されたものが知られている。さらに、ｐ型コンタクト層の表面にｐ側電極が形成されるとともに、ＳｉＣ基板の裏面にｎ側電極が形成され、ｐ側電極とｎ側電極との間に電圧を印加して電流を流すことにより、多重量子井戸活性層から青色光が放出される。この青色ＬＥＤチップでは、ＳｉＣ基板に導電性があるため、サファイア基板を用いた青色ＬＥＤチップと異なり、上下に電極を配置することができ、製造工程の簡略化、電流の面内均一性、チップ面積に対する発光面積の有効利用等を図ることができる。
【０００４】
さらに、蛍光体を利用することなく、単独で白色光を生成するＬＥＤチップが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このＬＥＤチップでは、前述の青色ＬＥＤチップのｎ型のＳｉＣ基板に代えて、Ｂ及びＮをドープした第１ＳｉＣ層と、Ａｌ及びＮをドープした第２ＳｉＣ層を有する蛍光ＳｉＣ基板が用いられ、多重量子井戸活性層から近紫外光が放出される。近紫外光は、第１ＳｉＣ層及び第２ＳｉＣ層にて吸収され、第１ＳｉＣ層にて緑色から赤色の可視光に、第２ＳｉＣ層にて青色から赤色の可視光にそれぞれ変換される。この結果、蛍光ＳｉＣ基板から演色性が高く太陽光に近い白色光が放出されるようになっている。
【０００５】
ところで、特許文献１に記載された構成のＬＥＤチップにおいて、高蛍光体ＳｉＣ基板と窒化物半導体層との間に格子不整合が存在していることから、両者の界面から格子不整合に起因する応力を緩和するために多数の転位欠陥が発生する。この転位は、成長方向に伝播し、多重量子井戸活性層を通ってｐ型コンタクト層の表面に達する。転位欠陥は、多重量子井戸活性層内では、非発光の再結合中心となることから、チップの発光効率に悪影響を及ぼす。このときの転位密度は、一般に５×１０８ｃｍ−２から４×１０９ｃｍ−２であり、他の材料によって構成される半導体層の転位密度と比較して４桁から５桁程度高くなっている。
【０００６】
ここで、ＧａＩｎＮ系の活性層は、ＩｎＮモル分率の空間的な不均一性を持ち、注入されたキャリアがＩｎＮモル分率が高い場所に局在するために、結果として非発光の再結合中心へのキャリアの拡散を抑制する効果がある。このため、上記のように高い転位密度であっても、青色領域にピーク波長を持つ構成の窒化物半導体層では、ＩｎＮモル分率の平均値が高くなるので外部量子効率が高くなる。しかしながら、近紫外領域にピーク波長を持つ構成の窒化物半導体層では、ＩｎＮモル分率の平均値が低いので、上記のようなキャリア拡散を抑制する効果が得られず、外部量子効率が急激に低下する。従って、特許文献１に記載された構成のＬＥＤチップでは、近紫外領域のピーク波長を有する窒化物半導体層を用いていることから、半導体層全体の転位密度を低減させることが望ましい。
【０００７】
窒化物半導体層の転位密度低減に有効な方法として、図１３に示すような選択横方向成長法が知られている。選択横方向成長法では、まず、サファイア基板９０１上に、ＡｌＧａＮからなるバッファ層９０２、ｎ−ＧａＮからなるｎ型層９０３を第１の結晶成長により積層する。この後、幅３μｍ、周期６μｍのＳｉＯ２からなるストライプマスク９０４を形成する。次いで、第２の結晶成長を行って、例えば、９５０℃でＧａＮからなるシード結晶９０５、続いて１０５０℃でＧａＮからなる平坦化層９０６を成長させる。シード結晶９０５は、ストライプマスク９０４に覆われていない開口部９０７からのみ成長し、低温成長のために基板表面に対して約６０度傾斜した結晶面９０８が現れる。ストライプマスク９０４を＜１１００＞方向に形成した場合、結晶面９０８は（１１−２２）面、ストライプマスク９０４を＜１１−２０＞方向に形成した場合、結晶面は（１−１０１）面となる。この成長の過程で、シード結晶９０５内部におけるサファイア基板９０１との界面から生じた転位は、垂直方向から水平方向に曲げられて結晶面上に現れる。この転位は、引き続き行われる平坦化層９０６の成長時にも水平方向に伝播を続け、隣り合いシード結晶９０５から横方向に成長した結晶同士が合体するストライプマスク９０４の中央部上方にて、転位の多くは終端して消滅する。消滅しない転位は、再び上方に向きを変え、平坦化層９０６の表面に現れる。しかし、転位が合体した部位の上方を除けば、表面に貫通する転位の数は極めて少なく、転位密度を半導体層全体の平均で１×１０６ｃｍ−２程度まで低減できる。
【特許文献１】特許第４１５３４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、横方向選択成長を蛍光ＳｉＣ基板上に形成される窒化物半導体層に適用することは困難である。これは以下の理由による。
シード結晶９０５を形成した後、表面を平坦化するため平坦化層９０６を成長させなければならないが、そのためには窒化物半導体層の厚さを３μｍ程度とする必要がある。ここで、蛍光ＳｉＣ基板と窒化物半導体層には熱膨張率の違いにより、窒化物半導体層に熱応力が発生する。具体的には、窒化物半導体層の結晶成長時に加熱した後、室温まで冷却すると、蛍光ＳｉＣ基板よりも熱膨張係数の大きな窒化物半導体層の面内方向に引っ張り歪みが生じる。これにより、窒化物半導体層の膜厚が２．５μｍを超えると、引っ張り歪による応力に窒化物半導体層が耐えられなくなってクラックが生じる。クラックとは、結晶層の割れた状態をいい、ひとたびクラックが生じると、その後のデバイス作製は不可能となる。尚、窒化物半導体層の厚さを２．５μｍよりも薄くすれば、クラックの発生が抑制できるものの、半導体層の表面の平坦化は得られない。
【０００９】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、窒化物半導体層をクラックが生じる臨界膜厚よりも薄く形成しつつ、転位密度の低い窒化物半導体層を得ることのできる発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明では、
基板の成長面に窒化物半導体層がエピタキシャル成長される発光素子において、
前記基板は、前記窒化物半導体層と熱膨張係数が異なり、
前記基板の前記成長面は、１μｍ以下の周期で形成された複数の凹部又は凸部を有し、
前記窒化物半導体層は、横方向成長を利用して成長される発光素子が提供される。
【００１１】
上記発光素子において、
前記基板は、ＢとＡｌの少なくとも一方とＮとがドープされた６Ｈ型ＳｉＣ単結晶蛍光材料からなり、
前記窒化物半導体層は、４０８ｎｍ以下のピーク波長で発光する発光層を有してもよい。
【００１２】
上記発光素子において、
前記窒化物半導体層は、厚さが２．５μｍ以下であってもよい。
【００１３】
上記発光素子において、
前記基板は、Ｓｉからなり、
前記窒化物半導体層は、厚さが１．５μｍ以下であってもよい。
【００１４】
前記目的を達成するため、本発明では、上記発光素子を製造するにあたり、
電子線を用いたリソグラフィーを利用して、前記基板の前記成長面上に形成された電子線レジストに、所定周期のドット状のマスクパターンを形成する工程と、
前記電子線レジストの前記マスクパターンを、前記基板の前記成長面上に形成されるハードマスクに転写する工程と、
前記基板の前記成長面上における前記ハードマスク以外の領域をエッチングして、前記基板の前記成長面に周期的な前記各凹部又は前記各凸部を形成する工程と、
前記基板の前記成長面に前記窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、を含む発光素子の製造方法が提供される。
【００１５】
前記所定周期は、１μｍ以下であってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、窒化物半導体層をクラックが生じる臨界膜厚よりも薄く形成しつつ、転位密度の低い窒化物半導体層を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１から図６は本発明の一実施形態を示すものであり、図１はＬＥＤチップの模式断面図である。
【００１８】
図１に示すように、ＬＥＤチップ１００は、Ｂ及びＮがドープされた第１ＳｉＣ層１２２と第１ＳｉＣ層１２２上に形成されＡｌ及びＮがドープされた第２ＳｉＣ層１２４を有するＳｉＣ基板１０２を備え、ＳｉＣ基板１０２上に形成された窒化物半導体層と、を備えている。窒化物半導体層は、熱膨張係数が５．６×１０−６／℃であり、バッファ層１０４、ｎ型層１０６、多重量子井戸活性層１０８、電子ブロック層１１０、ｐ型クラッド層１１２、ｐ型コンタクト層１１４をＳｉＣ基板１０２側からこの順に有している。ｐ型コンタクト層１１４上にはｐ側電極１１６が形成され、ＳｉＣ基板１０２の裏面側にｎ側電極１１８が形成されている。
【００１９】
ＳｉＣ基板１０２は、６Ｈ型ＳｉＣ単結晶蛍光材料からなり、熱膨張係数が４．２×１０−６／℃である。ＳｉＣ基板１０２は、窒化物半導体が成長される（０００１）Ｓｉ面が主面とされた成長面１０２ａに、平坦部１０２ｂと、平坦部１０２ｂに周期的に形成された複数の錐状の凹部１０２ｃと、が形成されている。凹部１０２ｃの形状は、円錐、多角錘等の形状とすることができる。窒化物半導体層は、各凹部１０２ｃに沿って周期的に形成される複数の錘状の凸部を成長面１０２ａ側に有している。本実施形態においては、ＳｉＣ基板１０２は、ピーク波長が４０８ｎｍ以下の紫外光により励起されると白色光を発する。
【００２０】
第１ＳｉＣ層１２２は、Ｂ及びＮがドープされたＳｉＣからなり、ピーク波長が４０８ｎｍ以下の紫外光により励起されると黄橙色の光を発する。第１ＳｉＣ層１２２は、例えば、５００ｎｍ〜６５０ｎｍにピークを有する５００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長の光を発する。第１ＳｉＣ層１２２におけるＢ及びＮのドーピング濃度は、それぞれ１０１５／ｃｍ３〜１０１９／ｃｍ３である。
【００２１】
第２ＳｉＣ層１２４は、Ａｌ及びＮがドープされたＳｉＣからなり、ピーク波長が４０８ｎｍ以下の紫外光により励起されると青緑色の光を発する。第２ＳｉＣ層１２４は、例えば、４００ｎｍ〜５５０ｎｍにピークを有する４００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長の光を発する。第２ＳｉＣ層１２４におけるＡｌ及びＮのドーピング濃度は、それぞれ１０１５／ｃｍ３〜１０１９／ｃｍ３である。
【００２２】
バッファ層１０４は、ＳｉＣ基板１０２ｃの成長面１０２ａ上に形成され、ＡｌＧａＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１０４は、後述するｎ型層１０６等よりも低温にて成長されている。ｎ型層１０６は、バッファ層１０４上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。
【００２３】
多重量子井戸活性層１０８は、ｎ型層１０６上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の注入により例えば紫外光を発する。本実施形態においては、多重量子井戸活性層１０８は、Ｇａ０．９５ｌｎ０．０５Ｎ／ＧａＮからなり、発光のピーク波長は３８５ｎｍである。
【００２４】
電子ブロック層１１０は、多重量子井戸活性層１０８上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。ｐ型クラッド層１１２は、電子ブロック層１１０上に形成され、ｐ−ＡｌＧａＮで構成されている。ｐ型コンタクト層１１４は、ｐ型クラッド層１１２上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。
【００２５】
バッファ層１０４からｐ型コンタクト層１１４までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成され、ＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａには周期的に凹部１０２ｃが形成されているが、III族窒化物半導体の成長所期に横方向成長による平坦化が図られる。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、窒化物半導体層の層構成は任意である。
【００２６】
ｐ側電極１１６は、ｐ型コンタクト層１１４上に形成され、例えばＮｉ／Ａｕからなり、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成される。ｎ側電極１１８は、ＳｉＣ基板１０２に形成され、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなり、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成される。
【００２７】
次いで、図２Ａ及び図２Ｂを参照してＳｉＣ基板１０２について詳述する。図２ＡはＳｉＣ基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）が模式縦断面図である。
【００２８】
図２Ａ（ａ）に示すように、ＳｉＣ基板１０２の各凹部１０２ｃは、平面視にて、各凹部１０２ｃの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で三角格子状に整列して形成される。尚、ここでいう周期とは、隣接する凹部１０２ｃにおける深さのピーク位置の距離をいう。各凹部１０２ｃの周期は、任意であるが、１μｍ以下であることが好ましい。このように、１μｍ以下の周期構造を形成することにより、ＳｉＣ基板１０２とIII族窒化物半導体との界面における反射が抑制される。
【００２９】
図２Ｂは、三角格子及び正方格子の周期と光取り出し効率の関係を示すグラフである。このグラフでは、ＳｉＣ基板１０２から空気への光取り出し効率を示しているが、ＳｉＣ基板１０２から空気以外へ光が取り出される場合であっても同じ性質を示す。さらに、窒化物半導体からＳｉＣ基板１０２へ入射する場合の入射効率も同じ性質を示す。尚、図３は、周期について１μｍを超える領域の光取り出し効率を示していないが、１μｍを超えると少なくとも６μｍ程度までは一定となる。
図２Ｂに示すように、三角格子であっても、正方格子であっても、周期構造が形成されない平坦面よりも光取り出し効率が高くなり、１μｍ以下の周期で１μｍを超える領域よりも光取り出し効率が高くなる領域があることがわかる。三角格子にあっては、周期が３００ｎｍ以上であれば１μｍを超える領域の光取り出し効率より高くなる。また、正方格子にあっては、周期が５００ｎｍ以上であれば１μｍを超える領域の光取り出し効率より高くなるし、周期が２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であっても１μｍを超える領域の光取り出し効率ようりも高くなる。
【００３０】
本実施形態においては、図２（ｂ）に示すように、各凹部１０２ｃは、円錐状に形成される。具体的に、各凹部１０２ｃは、基端部の直径は１５０ｎｍであり、深さは５００ｎｍとなっている。尚、ＳｉＣ基板１０２の厚さは２５０μｍであり、第１ＳｉＣ層１２２の厚さが２００μｍ、第２ＳｉＣ層１２４の厚さが５０μｍとなっている。また、各凹部１０２ｃの周期は、３００ｎｍとなっている。ＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａは、各凹部１０２ｃの他は平坦部１０２ｂとなっており、窒化物半導体層の横方向成長が助長されるようになっている。
【００３１】
次に、図３及び図４を参照してＬＥＤチップ１００用のＳｉＣ基板１０２の作製方法について説明する。図３は、ＳｉＣ基板を加工する説明図であり、（ａ）は成長面にレジスト層が形成された状態を示し、（ｂ）はレジスト層に選択的に電子線を照射する状態を示し、（ｃ）はレジスト層を現像して除去した状態を示し、（ｄ）はマスク層が形成された状態を示している。
【００３２】
まず、昇華再結晶等によりＢ及びＮがドープされたＳｉＣ結晶を生成し、この上に例えば近接昇華法によりＡｌ及びＮがドープされたＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させて、第１ＳｉＣ層１２２及び第２ＳｉＣ層１２４が積層されたＳｉＣ基板１０２を作製する。そして、図４（ａ）に示すように、ＳｉＣ基板１０２の表面に例えばスピンコーティング法を用いて電子線レジストとしてのレジスト層１３２を形成する。レジスト層１３２の厚さは、任意であるが、例えば２００ｎｍである。
【００３３】
次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト層１３２と離隔してステンシルマスク１３４をセットする。レジスト層１３２とステンシルマスク１３４との間は、１．０μｍ〜１００μｍの隙間があけられる。ステンシルマスク１３４は、例えばダイヤモンド、ＳｉＣ等の材料で形成されており、厚さは任意であるが、例えば、厚みが５００ｎｍ〜１００μｍとされる。ステンシルマスク１３４は、電子線を選択的に透過するドット状の開口１３４ａを有している。この開口１３４ａの直径は、例えば、５０ｎｍ〜５００ｎｍであり、周期は１００ｎｍ〜１μｍとなっている。この周期が１μｍ以下であれば、窒化物半導体層を臨界膜厚以下とすることができる。
【００３４】
ここで、ステンシルマスク１３４は、厚みが一定の薄板状に形成されているが、例えば格子状、突条の肉厚部を設けるなどして部分的に厚みを大きくして強度を付与するようにしてもよい。尚、肉厚部は、ＳｉＣ基板１０２側に突出しても、ＳｉＣ基板１０２と反対側に突出しても、さらには両側に突出してもよい。ＳｉＣ基板１０２側に突出する場合、肉厚部の先端をレジスト層１３２と当接させることにより、肉厚部にレジスト層１３２とのスペーサの機能を付与することができる。
【００３５】
この後、図４（ｃ）に示すように、ステンシルマスク１３４へ電子線を照射し、レジスト層１３２をステンシルマスク１３４の各開口１３４ａを通過した電子線に曝す。レジスト層１３２は、ポジタイプであり、感光すると現像液に対して溶解度が増大する。尚、ネガタイプのレジスト層１３２を用いてもよい。ここで、レジスト層１３２が感光する際に、レジスト層１３２に含まれていた溶剤が揮発することとなるが、レジスト層１３２とステンシルマスク１３４との間に隙間があることによって揮発成分が拡散しやすくなり、揮発成分によってステンシルマスク１３４が汚染されることが防止できる。
【００３６】
電子線の照射が完了した後、所定の現像液を用いてレジスト層１３２を現像する。これにより、図４（ｃ）に示すように、電子線が照射された部位が現像液に溶出し、電子線が照射されてない部位が残留して、開口１３２ａが形成される。このようにして、電子線を用いたリソグラフィーを利用して、ＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａ上に形成されたレジスト層１３２に、所定周期のドット状のマスクパターンが形成される。この所定周期は、１μｍ以下であることが望ましい。
【００３７】
次いで、図４（ｄ）に示すように、レジスト層１３２がパターンニングされたＳｉＣ基板１０２上に、マスク層１３６を形成する。マスク層１３６は、例えばＮｉからなり、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成される。マスク層１３６の厚さは、任意であるが、例えば１００ｎｍである。
【００３８】
図４はＳｉＣ基板を加工する説明図であり、（ａ）はレジスト層を完全に除去した状態を示し、（ｂ）はマスク層をマスクとしてＳｉＣ基板をエッチングした状態を示し、（ｃ）はマスク層を除去した状態を示している。
【００３９】
図４（ａ）に示すように、レジスト層１３２を剥離液を用いて除去する。例えば、レジスト層１３２を剥離液中に浸し、所定時間だけ超音波を照射することにより除去することができる。具体的に、剥離液としては例えばジエチルケトンを用いることができる。これにより、ＳｉＣ基板１０２上に、ステンシルマスク１３４の開口１３４ａのパターンを反転させたハードマスクとしてのマスク層１３６のパターンが形成される。これにより、レジスト層１３２のマスクパターンが、ＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａ上に形成されるマスク層１３６に転写される。
【００４０】
そして、図４（ｂ）に示すように、マスク層１３６をマスクとして、ＳｉＣ基板１０２のドライエッチングを行う。そして、ＳｉＣ基板１０２のエッチング深さが所期の深さとなるところでエッチングを終了させる。本実施形態においては、エッチング初期の段階ではマスク層１３６に転写された開口１３０ａは、エッチングが深さ方向に進行するにつれてサイドエッチングが進行して拡大し、最終的には基端部の直径が１５０ｎｍの円錐状の凹部１０２ｃが形成されるようになっている。ここで、エッチングガスとして、例えばＳＦ６を用いて反応性イオンエッチングを行うことができる。この後、図４（ｃ）に示すように、所定の剥離液を用いてＳｉＣ基板１０２上に残ったマスク層１３６を除去する。このようにして、ＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａ上におけるマスク層１３６以外の領域をエッチングして、基板１０２の成長面１０２ａに周期的な各凹部１０２ｃが形成される。
【００４１】
図５は、ＬＥＤチップの拡大説明断面図である。
図５に示すように、以上のように作製されたＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａに、横方向成長を利用してIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。本実施形態においては、例えば有機金属化合物気相成長法によって膜厚２００ｎｍのＡｌＧａＮからなるバッファ層１０４を成長させた後、ｎ−ＧａＮからなるｎ型層１０６、多重量子井戸活性層１０８、電子ブロック層１１０、ｐ型クラッド層１１２及びｐ型コンタクト層１１４を成長させる。
【００４２】
ＳｉＣ基板１０２とＧａＮ系窒化物半導体には通常、１％を超える格子不整合が存在するため、その応力を緩和するように密度５×１０８ｃｍ−２から１×１０９ｃｍ−２の転位欠陥１０７が生じ、結晶層上方に伝播していく。しかし、本実施形態のように凹凸加工が施されたＳｉＣ基板１０２上の成長では、横方向の成長が促進されるために転位も横方向へ曲げられ、転位は各凹部１０２ｃの中央付近に集まりながら一部は消滅し、その上方のみに伝播する。この結果、窒化物半導体層全体の平均で転位密度は１×１０７ｃｍ−２程度に減少する。
【００４３】
ただし、ＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａには、（０００１）面が含まれていなければならない。基板の（０００１）面が上部に成長される窒化物半導体層のＣ軸配向性を決定するため、この面が存在しないと結晶品質の確保が困難となるためである。なお、凹凸基板上での成長において、エピタキシャル成長層の表面が平坦化するためには、凹凸の周期や高さの２倍程度の膜厚を成長しなければならないが、本実施例のように周期や高さが小さければ、１μｍ程度の膜厚で平坦化させることができる。この膜厚は、基板からエピタキシャル成長層に加わる引っ張り歪によるクラック発生の臨界膜厚２．５μｍよりも十分に小さいため、クラックを生じることもない。
【００４４】
窒化物半導体層を形成した後、各電極１１６，１１８を形成し、ダイシングにより複数のＬＥＤチップ１００に分割することにより、ＬＥＤチップ１００が製造される。
【００４５】
以上のように構成されたＬＥＤチップ１００は、ｐ側電極１１６とｎ側電極１１８に対して電圧を印加すると、多重量子井戸活性層１０８から紫外光が放射状に発せられる。本実施形態においては、ＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａに凹部１０２ｃが形成されているものの、前述のように、窒化物半導体層にて転移の密度が比較的低い結晶が得られている。この結果、多重量子井戸活性層１０８において転移の密度が比較的低い結晶となっており、良好な発光効率を得ることができる。
【００４６】
図６は、窒化物半導体層における転位密度と発光効率の関係を示すグラフである。
図６に示すように、多重量子井戸活性層１０８では、転位密度は１×１０７ｃｍ−２程度であることから、発光効率が極めて高くなっている。
【００４７】
これにより、成長面１０２ａに凹部１０２ｃが形成されることにより、発光効率が損なわれることはない。多重量子井戸活性層１０８から発せられる紫外光のうち、ｐ側電極１１６へ向かうものについては、大部分がｐ側電極１１６にて反射してＳｉＣ基板１０２へ向かう。従って、多重量子井戸活性層１０８から発せられた光は、殆どがＳｉＣ基板１０２へ向かうこととなる。
【００４８】
ＳｉＣ基板１０２へ入射する紫外光は、バッファ層１０４とＳｉＣ基板１０２の界面に凹凸の周期構造が形成されていることから、大部分が当該界面にて反射せずにＳｉＣ基板１０２へ入射する。ＳｉＣ基板１０２へ入射した紫外光は、一部が第２ＳｉＣ層１２４にて青緑色の光に変換され、残りが第１ＳｉＣ層１２２にて黄橙色の光に変換される。これらの光は、ＳｉＣ基板１０２から外部へ放出され、太陽光に似た演色性の高い白色光を得ることができる。
【００４９】
このように、本実施形態のＬＥＤチップ１００によれば、窒化物半導体層をクラックが生じる臨界膜厚よりも薄く形成しつつ、転位密度の低い窒化物半導体層を得ることができる。従って、転位密度を低減して多重量子井戸活性層１０８における発光効率を良好とし、高効率の白色ＬＥＤチップが実現される。また、この種のＬＥＤチップ１００の課題である、高電流密度における効率低下を抑制することができる。
【００５０】
尚、前記実施形態においては、三角錐状の凹部１０２ｃが周期的に形成されたＳｉＣ基板１０２を示したが、例えば図７（ａ）に示すように、三角錐状の凸部１０２ｄが周期的に形成されたＳｉＣ基板１０２であってもよい。図７（ｂ）に示すように、このＳｉＣ基板１０２は、平坦部１０２ｅを有しており、窒化物半導体層の横方向成長が助長されるようになっている。図８に示すように、このＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａに窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体層をクラックが生じる臨界膜厚よりも薄く形成しつつ、転位密度の低い窒化物半導体層のＬＥＤチップ１００を得ることができる。
【００５１】
また、例えば図９（ａ）に示すように、三角錐台状の凸部１０２ｄが周期的に形成されたＳｉＣ基板１０２であってもよい。図９（ｂ）に示すように、このＳｉＣ基板１０２は、凸部１０２ｄの台部をなす平坦部１０２ｂと、凸部１０２ｄ間に形成される平坦部１０２ｅを有しており、窒化物半導体層の横方向成長が助長されるようになっている。図１０に示すように、このＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａに窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体層をクラックが生じる臨界膜厚よりも薄く形成しつつ、転位密度の低い窒化物半導体層のＬＥＤチップ１００を得ることができる。
【００５２】
さらに、例えば図１１（ａ）に示すように、三角錐台状の凹部１０２ｃが周期的に形成されたＳｉＣ基板１０２であってもよい。図１１（ｂ）に示すように、このＳｉＣ基板１０２は、凹部１０２ｄ周囲の平坦部１０２ｂと、凹部１０２ｄの台部をなす平坦部１０２ｅと、を有しており、窒化物半導体層の横方向成長が助長されるようになっている。図１２に示すように、このＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａに窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体層をクラックが生じる臨界膜厚よりも薄く形成しつつ、転位密度の低い窒化物半導体層のＬＥＤチップ１００を得ることができる。
【００５３】
また、前記実施形態においては、凹部１０２ｃの周期が３００ｎｍであるものを示したが、凹部１０２ｃの周期は、窒化物半導体がクラック発生の臨界膜厚である２．５μｍ以下で任意に設定することができる。そして、凹部１０２ｃの周期は、少なくとも１μｍ以下とすることにより、多重量子井戸活性層１０８から発せられる光を効率良くＳｉＣ基板１０２へ入射させることが可能となる。
【００５４】
また、前記実施形態においては、凹部１０２ｃが平面視にて三角格子状に配置されるものを示したが、例えば四角格子状に配置されてもよいし、凹部１０２ｃの配置は任意に設定することができる。
【００５５】
また、前記実施形態においては、Ｂ及びＮがドープされた第１ＳｉＣ層１２２と、Ａｌ及びＮがドープされた第２ＳｉＣ層１２４を有するＳｉＣ基板１０２を用いたＬＥＤチップ１００を示したが、ＳｉＣ基板１０２はいずれか一方の層のみであってもよいし、Ｂ、Ａｌ及びＮがドープされた層のみとしてもよい。さらに、多重量子井戸活性層１０８を青色光、緑色光等の可視領域にて発光するようにし、非蛍光の４Ｈ型或いは６Ｈ型のｎ型ＳｉＣ基板１０２を用いても良い。さらには、基板としてＳｉ（熱膨張係数：４．２×１０−６／℃）、ＧａＡｓ（熱膨張係数：５．７×１０−６／℃）等のように窒化物半導体と熱膨張係数の異なるものを用いることができ、例えば基板としてＳｉを用いた場合、窒化物半導体層の臨界膜厚は１．５μｍとなる。
【００５６】
また、例えば、ＳｉＣ基板１０２の成長面１０２ａと反対側の面に凹凸の周期構造を形成して、ＳｉＣ基板１０２から外部への光取り出し効率の向上を図ってもよい。さらには、凹部１０２ｃを三角錐状、四角錐状のような多角錘状としてもよく、具体的な細部構造等について適宜に変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態を示すＬＥＤチップの模式断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、ＳｉＣ基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）が模式縦断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、三角格子及び正方格子の周期と光取り出し効率の関係を示すグラフである。
【図３】図３は、ＳｉＣ基板を加工する説明図であり、（ａ）は成長面にレジスト層が形成された状態を示し、（ｂ）はレジスト層に選択的に電子線を照射する状態を示し、（ｃ）はレジスト層を現像して除去した状態を示し、（ｄ）はマスク層が形成された状態を示している。
【図４】図４は、ＳｉＣ基板を加工する説明図であり、（ａ）はレジスト層を完全に除去した状態を示し、（ｂ）はマスク層をマスクとしてＳｉＣ基板をエッチングした状態を示し、（ｃ）はマスク層を除去した状態を示している。
【図５】図５は、ＬＥＤチップの拡大説明断面図である。
【図６】図６は、窒化物半導体層における転位密度と発光効率の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、変形例を示すＳｉＣ基板であり、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）が模式縦断面図である。
【図８】図８は、変形例を示すＬＥＤチップの模式断面図である。
【図９】図９は、変形例を示すＳｉＣ基板であり、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）が模式縦断面図である。
【図１０】図１０は、変形例を示すＬＥＤチップの模式断面図である。
【図１１】図１１は、変形例を示すＳｉＣ基板であり、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）が模式縦断面図である。
【図１２】図１２は、変形例を示すＬＥＤチップの模式断面図である。
【図１３】図１３は、従来例を示すＬＥＤチップの拡大説明断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１００  ＬＥＤチップ
１０２  ＳｉＣ基板
１０２ａ  成長面
１０２ｂ  平坦部
１０２ｃ  凹部
１０２ｄ  凸部
１０２ｅ  平坦部
１０４  バッファ層
１０６  ｎ型層
１０７  転位
１０８  多重量子井戸活性層
１１０  電子ブロック層
１１２  ｐ型クラッド層
１１４  ｐ型コンタクト層
１１６  ｐ側電極
１１８  ｎ側電極
１３２  レジスト層
１３４  ステンシルマスク
１３４ａ  開口
１３６  マスク層
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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