(57)【要約】【課題】パターン形成基板を具備した半導体発光素子及びその製造方法を提供すること。【解決手段】基板、第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層を具備した発光素子において、上記基板には一表面上に複数の凸部を有するパターンが形成され、上記パターンは、上記複数の凸部のうちいずれか一つの第一凸部とその隣接した凸部間の離隔距離と、上記複数の凸部のうちいずれか一つの第２凸部とその隣接した凸部間の離隔距離とが相異なって形成されたことを特徴とするパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【選択図】        図９
2010021513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層を具備した発光素子において、
前記基板には、一表面上に複数の凸部を有するパターンが形成され、
前記パターンは、前記複数の凸部のうちいずれか一つの第１凸部とその隣接した凸部間の離隔距離と、前記複数の凸部のうちいずれか一つの第２凸部とその隣接した凸部間の離隔距離とが異なるように形成されたものであることを特徴とするパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板のパターンは、非周期的な配列から成ることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記基板のパターンは、凸部の垂直断面が半球形状であることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１凸部及び前記第２凸部は、相異なる大きさの底面を有することを特徴とする請求項３に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板のパターンは、凸部の垂直断面が多角形であることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１凸部及び前記第２凸部は、同一形状であり、相異なる大きさの底面を有することを特徴とする請求項５に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１凸部及び前記第２凸部は、窒化物半導体の成長面が相異なるように形成されることを特徴とする請求項５に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記基板のパターンは、凸部の垂直断面が半球形及び多角形が混合されたものであることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記多角形は、梯形、四角形、又は三角形であることを特徴とする請求項５又は８に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記基板と、前記第１導電型窒化物半導体層の間に、少なくとも一つ以上のバッファ層がさらに含まれることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記基板が、サファイア基板であることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記活性層は、３次元の幾何学的な屈曲を形成して設けられることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記凸部の大きさが、０.１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
基板、第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層を具備した発光素子の製造方法において、
前記基板の一表面上に複数の凸部を有するパターンを形成する段階と、
前記パターンが形成された基板上に第１導電型窒化物半導体層を成長させる段階と、
を含み、
前記基板のパターン形成段階は、前記複数の凸部のうちいずれか一つの第１凸部とその隣接した凸部間の離隔距離と、前記複数の凸部のうちいずれか一つの第２凸部とその隣接した凸部間の離隔距離とが異なるように形成することを特徴とするパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１導電型窒化物半導体層を成長させる段階の前に、
前記基板上には、少なくとも一つ以上のバッファ層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記基板のパターン形成段階は、前記第１凸部及び前記第２凸部が非周期的な配列で形成されることを特徴とする請求項１４に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記基板のパターン形成段階は、前記第１凸部及び前記第２凸部の垂直断面が半球形状に形成されることを特徴とする請求項１４に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記基板のパターン形成段階は、前記第１凸部及び前記第２凸部が相異なる大きさの底面を有するように形成されることを特徴とする請求項１７に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記基板のパターン形成段階は、前記第１凸部及び前記第２凸部の垂直断面が多角形状に形成されることを特徴とする請求項１４に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記基板のパターン形成段階は、前記第１凸部及び前記第２凸部が互いに異なる大きさの底面を有し、同一形状として形成されることを特徴とする請求項１９に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】
前記基板のパターン形成段階は、前記第１凸部及び前記第２凸部の窒化物半導体の成長面が互いに異なるように形成されることを特徴とする請求項１９に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２２】
前記基板のパターン形成段階は、前記第１凸部及び前記第２凸部の垂直断面が半球形面及び多角形が混合されたパターンで形成されることを特徴とする請求項１４に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２３】
前記多角形は、梯形、四角形又は三角形で形成されることを特徴とする請求項１９又は２２に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２４】
前記基板のパターン形成段階は、前記凸部の大きさが０.１μｍ〜１０μｍで形成されることを特徴とする請求項１４に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２５】
前記基板が、サファイア基板であることを特徴とする請求項１４に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２６】
前記活性層は、３次元の幾何学的な屈曲を形成して設けられることを特徴とする請求項１４に記載のパターン形成基板を具備した窒化物半導体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、パターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ：ＬＥＤ）及びその製造方法に関するもので、詳細には、成長基板上に局部的に不規則な形態のパターンを備えることによって、内部全反射による光放出効率の低下を抑制し、活性層の表面積を増加させ、外部量子効率（抽出効率）を増加させることのできる窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ＬＥＤの発光効率は、内部量子効率（ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）と抽出効率（ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）により決定される。また、内部量子効率は主に活性層の構造とエピタキシ（ｅｐｉｔａｘｙ）膜質によって決定され、抽出効率は材料の屈折率と表面又は界面の平滑度によって決定される。ここで、ＩｎＡｌＧａＮ窒化物系半導体の屈折率は２．２〜２．９であって、ＧａＮの屈折率は２．４、基板として使用されるサファイアの屈折率は１．７８、エポキシ樹脂の屈折率は１．５である。
【０００３】
図１は、窒化物系ＬＥＤにおける光経路を表した図である。図１に示されたように、窒化物系ＬＥＤにおいて発生した光は、入射角が臨界角より大きい場合、屈折率の差によって内部で全反射されるため、外部へ放出されない。すなわち、ＧａＮ層１２／空気１３の界面では臨界角が約２３．６であり、これによる光抽出効率は約６％となる。また、ＧａＮ層１２／サファイア基板１１の界面では、光抽出効率は約１３％である。サファイア基板１１の表面にパターンが形成される場合、ＧａＮ層１２との界面での臨界角が大きくなり、光抽出効率は向上する。
【０００４】
一方、パターンが形成されたサファイア基板上に窒化物半導体を成長させた場合、その成長形状は、サファイア基板に形成されたパターンによって異なるものとなる。サファイア基板の表面に四角形状の凸部を有するパターンが繰り返し形成される場合、四角形状の凸部及び底面の平坦面であるｃ面から窒化物半導体の成長が始まることとなるが、相対的にサファイア基板の側面での成長は殆ど行われない。このような窒化物半導体の成長が継続すると、四角形状の凸部と底面において窒化物半導体が夫々成長し、相互に接するようになり、成長するにしたがって平坦面を成すようになる。
【０００５】
他方、サファイア基板の表面上に曲面形状の凸部が形成された場合、結晶方向がｃ面である底面から窒化物半導体の成長が始まる。しかしながら、サファイア基板上の曲面形状の凸部にはｃ面の結晶面が存在しないため、曲面形状の凸部での成長は起こらない。従って、平坦な底面から成長の始まった窒化物半導体は、垂直方向への成長と水平方向への成長が同時に起こるため、窒化物半導体の成長が継続すると、曲面の凸部を埋めることで全体的に平坦な表面を得られる。
【０００６】
すなわち、パターン形成基板を適用して窒化物半導体発光素子を作製する際、規則的なパターンが形成されたサファイア基板上において成長させた窒化物半導体層が完全に平坦化される前に、ｎ‐クラッド層、活性層、ｐ‐クラッド層を形成することによって、これらｎ‐クラッド層、活性層、ｐ‐クラッド層にも屈曲を形成することができる。しかしながら、活性層の成長速度は各結晶方向によって異なり、Ｓｉ、Ｍｇのようなドーピング元素のドーピング濃度も結晶方向によって差が生じるため、上記のような規則的なパターンの形成されたサファイア基板を利用する場合、発光効率の高い窒化物半導体発光素子を作製するのは困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、発光素子の抽出効率を改善し、基板上に局部的に不規則なパターンを形成し窒化物半導体の成長モードを変化させることによって、活性層の表面積を増加させ、内部量子効率を増加させることのできるパターン形成基板を具備した半導体発光素子を提供することをその目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した技術的課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一側面によるパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子は、基板、第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層を具備した発光素子において、上記基板には、一表面上に複数の凸部を有するパターンが形成され、上記パターンは、上記複数の凸部のうちいずれか一つの第１凸部とその隣接した凸部間の離隔距離と、上記複数の凸部のうちいずれか一つの第２凸部とその隣接した凸部間の離隔距離とが異なるように形成される。
【０００９】
上記基板のパターンは、非周期的な配列から成り、上記基板のパターンは凸部の垂直断面が半球形状で、第１凸部及び第２凸部が相異なる大きさの底面を有する。上記基板のパターンは、凸部の垂直断面が多角形であり、上記第１及び第２凸部は同一形状であり、相異なる大きさの底面を有し、上記第１及び第２凸部は、窒化物半導体の成長面が相異なることが好ましい。
【００１０】
上記基板のパターンは、凸部の垂直断面が半球形及び多角形が混合してなるものであり、上記多角形は梯形、四角形、又は三角形であることが好ましい。上記窒化物半導体発光素子は、上記基板と上記第１導電型窒化物半導体層の間に少なくとも一つ以上のバッファ層をさらに含む。上記基板はサファイア基板であり、上記活性層は３次元の幾何学的な屈曲が形成される。上記凸部の大きさは０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。
【００１１】
一方、本発明の異なる側面によるパターン形成基板を備えた窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板、第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層を具備した発光素子の製造方法において、上記基板の一表面上に複数の凸部を有するパターンを形成する段階と、上記パターンが形成される基板上に第１導電型窒化物半導体層を成長させる段階と、を含み、上記基板のパターン形成段階は、上記複数の凸部のうちのいずれか一つの第１凸部とその隣接した凸部間の離隔距離と、上記複数の凸部のうちのいずれか一つの第２凸部とその隣接した凸部間の離隔距離とを相異なって形成する。
【００１２】
上記窒化物半導体発光素子の製造方法は、上記第１導電型窒化物半導体層を成長させる段階の前に、上記基板上に少なくとも一つ以上のバッファ層を形成する段階をさらに含む。上記基板のパターン形成段階は、上記第１凸部及び第２凸部を非周期的な配列で形成する。上記基板のパターン形成段階は、上記第１凸部及び第２凸部の垂直断面を半球形状に形成し、上記第１凸部及び第２凸部を相異なる大きさの底面を有するように形成する。
【００１３】
上記基板のパターン形成段階は、上記第１凸部及び第２凸部の垂直断面を多角形状に形成し、上記第１凸部及び第２凸部を相異なる大きさの底面を有する同一形状に形成する。また、上記基板のパターン形成段階は、上記第１凸部及び第２凸部の窒化物半導体の成長面が相異なるように形成する。上記基板のパターン形成段階は、上記第１凸部及び第２凸部の垂直断面を半球形及び多角形が混合したパターンに形成し、上記多角形は梯形、四角形又は三角形に形成することが好ましい。上記基板はサファイア基板であり、上記活性層は３次元の幾何学的な屈曲が形成される。上記基板のパターン形成段階は、上記凸部の大きさを０．１μｍ〜１０μｍに形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、パターン形成基板を具備した窒化物半導体の成長基板において、成長基板上に局部的に不規則なパターンが形成されることによって、内部全反射によりエピタキシャル層の内部に拘束される光が基板の屈曲面での臨界角の変化で外部に放出されるようになり、放出効率を向上することができるという効果を奏する。
【００１５】
また、本発明によれば、パターン形成基板を具備した窒化物半導体の成長基板において、成長基板上に局部的に不規則なパターンを形成し、活性層の成長面に屈曲を形成することによって、活性層の発光面積が増加し、量子点（ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔ）構造が形成されることになる。これにより、内部量子効率が改善され、発光素子の効率を極大化することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は、様々な形態に変形又は置換することができ、本発明の範囲が本実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野における通常の知識を有する者が本発明をより完全に理解することが出来るよう提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさ等は、説明をより明確に行うために拡張されて示されることがある。
【００１７】
本発明では、内部量子効率及び抽出効率を同時に極大化するために、成長基板の表面全体に均一のパターンで凸部を形成するのではなく、凸部の形状、大きさ、及び凸部間の離隔距離を局部的に変化させることを特徴とする。成長基板としてサファイア基板を適用する際、サファイア結晶のｃ面のような窒化物半導体の成長が先に起きる面の面積を変化するように、凸部の形状、大きさ、又は凸部間の離隔距離を局部的に変化させる。
【００１８】
ここでは、発光素子の光抽出効率を極大化させるために、基板の規則的なパターン形状を維持しながら一部のみ異なるパターンを適用する。これにより、基板上に成長する窒化物半導体の成長モード、すなわち成長速度の違いによりモフォロジーを突出及び沈下させることとなる。その上に成長する活性層においても、その成長モードが突出及び沈下する構造として形成され、これによって内部量子効率だけでなく、外部量子効率も改善させることができる。
【００１９】
具体的には、本発明におけるパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子は、基板、第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層を具備した発光素子において、上記基板には一表面上に複数の凸部を有するパターンを形成し、上記パターンは上記複数の凸部のうちのいずれか一つの第１凸部とその隣接した凸部間の離隔距離と、上記複数の凸部のうちのいずれか一つの第２凸部とその隣接した凸部間の離隔距離とが相異なって形成される。
【００２０】
上記基板のパターンは非周期的な配列からなり、上記基板のパターンは凸部の垂直断面が半球形状であり、上記第１凸部及び第２凸部は相異なる大きさの底面を有することが好ましい。また、上記基板のパターンは、凸部の垂直断面が多角形であり、上記第１凸部及び第２凸部は同一形状で、相異なる大きさの底面を有するかあるいは上記第１凸部及び第２凸部は窒化物半導体の成長面が異なることが好ましい。さらに、上記基板のパターンは、凸部の垂直断面が半球形及び多角形が混合された形態をなし、上記多角形は、梯形、四角形又は三角形であることが好ましい。そして、上記窒化物半導体発光素子は、上記基板と上記第１導電型窒化物半導体層の間に少なくとも一つ以上のバッファ層をさらに含むことができ、上記基板はサファイア基板であり、上記活性層は３次元の幾何学的な屈曲が形成され、上記基板のパターンの大きさは０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。
【００２１】
一方、本発明によるパターン形成基板を具備した窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板、第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層を具備した発光素子の製造方法において、上記基板の一表面上に複数の凸部を有するパターンを形成する段階と、上記パターンが形成された基板上に第１導電型窒化物半導体層を成長させる段階と、を含み、上記基板のパターン形成段階は、上記複数の凸部のうちいずれか一つの第１凸部とその隣接した凸部間の離隔距離と、上記複数の凸部のうちいずれか一つの第２凸部とその隣接した凸部間の離隔距離とが、相異なって形成される。また、上記窒化物半導体発光素子の製造方法は、上記第１導電型窒化物半導体層を成長させる段階の前に、上記基板上に少なくとも一つ以上のバッファ層を形成する段階をさらに含む。
【００２２】
上記基板のパターン形成段階は、上記第１及び第２凸部を非周期的な配列で形成し、上記第１及び第２凸部の垂直断面を半球形状に形成し、上記第１及び第２凸部を相異なる大きさの底面を有するように形成する。また、上記基板のパターン形成段階は、上記第１及び第２凸部の垂直断面を多角形状に形成し、上記第１及び第２凸部を相異なる大きさの底面を有する同一形状に形成し、あるいは、上記第１及び第２凸部の窒化物半導体の成長面が異なるように形成する。また、上記基板のパターン形成段階は、上記第１及び第２凸部の垂直断面を半球形及び多角形が混合したパターンに形成し、上記多角形は梯形、四角形又は三角形であることが好ましい。上記基板はサファイア基板であり、上記活性層は３次元の幾何学的な屈曲に形成され、上記基板のパターン形成段階は、上記凸部の大きさを０．１μｍ〜１０μｍとして形成することが好ましい。
【００２３】
図２は、本発明による第１の実施形態の窒化物半導体発光素子に適用されるパターン形成基板を示した断面図であり、凸部の垂直断面が半球形状を有するものである。図２に示されたように、半球形状２３のパターンが成長基板２１上に周期的に配列されており、局部的に大きさの異なる半球形状２２のパターンが形成されている。
【００２４】
ここで、成長基板２１全体に均一に配列されているパターンをマトリックスパターン（ｍａｔｒｉｘ  ｐａｔｔｅｒｎ）といい、局部的にマトリックスパターンとは異なる形状、大きさ又は離隔距離を有するパターンをローカルパターン（ｌｏｃａｌ  ｐａｔｔｅｒｎ）という。
【００２５】
マトリックスパターンとローカルパターンに夫々形成された半球形状２２及び２３の大きさが相異なるため、マトリックスパターンの半球形状２３とその隣接した凸部の間の離隔距離は、ローカルパターンの半球形状２２とその隣接した凸部の間の離隔距離とは異なって形成される。その結果、窒化物半導体が成長する成長基板２１の底面は、（Ａ）又は（Ｂ）のように異なって形成される。
【００２６】
図３は、本発明による第２の実施形態の窒化物半導体発光素子に適用されるパターン形成基板を示した断面図で、凸部の垂直断面が半球形及び四角形が混合された形態を有する。図３で示されたように、四角形状３３のパターンが成長基板３１上に周期的に配列されており、局部的に半球形状３２のパターンが形成されている。ここで、基板に形成された凸部間の離隔距離は同一であるが、凸部の形状が異なるため、窒化物半導体の成長する底面の面積は（Ａ）及び（Ｂ）のように異なる。
【００２７】
また、半球形状３２のパターンは凸部にｃ面がないため、底面３４のｃ面、すなわち（Ｂ）においてのみ窒化物半導体の成長が始まる。しかし、四角形状３３のパターンは凸部３３及び底面３５のｃ面、すなわち（Ａ）において同時に窒化物半導体の成長が始まることとなる。
【００２８】
図４は、本発明による第３の実施形態の窒化物半導体発光素子に適用されるパターン形成基板を示した断面図であり、凸部の垂直断面が梯形状及び四角形状を有する。図４に図示されたように、四角形状４３のパターンが成長基板４１上に周期的に配列されてマトリックスパターンを形成し、局部的に梯形状４２のパターンが形成されてローカルパターンを形成している。
【００２９】
すなわち、ローカルパターンの梯形状４２とその隣接した凸部間の離隔距離と、マトリックスパターンの四角形状４３とその隣接した凸部間の離隔距離が異なって形成される。
【００３０】
従って、ローカルパターンにおける梯形状４２の凸部のｃ面及び底面４４のｃ面、マトリックスパターンにおける四角形状４３の凸部のｃ面及び底面４５のｃ面で異なるため、窒化物半導体の成長する面積が（Ａ）と（Ｂ）のように異なる。
【００３１】
図５は、本発明による第４の実施形態の窒化物半導体発光素子に適用されるパターン形成基板を示した断面図であり、凸部の垂直断面が四角形状を有する。図５に示されたように、四角形状５３のパターンが成長基板５１上に周期的に配列されてマトリックスパターンを形成し、四角形状５３の大きさより大きい四角形状５２のパターンが局部的に形成されてローカルパターンを形成している。
【００３２】
ローカルパターンの大きい四角形状５２に隣接した底面５４の離隔距離が、マトリックスパターンの四角形状５３に隣接した底面５５の離隔距離より狭いため、窒化物半導体の成長面、すなわちｃ面の面積が（Ａ）と（Ｂ）のように異なる。
【００３３】
従って、図２〜図５に示されたように、本発明においては、周期的なパターンであるマトリックスパターンの間に、局部的に形状の異なるパターン、同一形状で大きさの異なるパターンのようなローカルパターンを形成することにより、窒化物半導体の成長面であるｃ面の面積を変化させる。
【００３４】
また、本発明おいては、図２〜図５に示されたように、マトリックスパターンに局部的に形成されたローカルパターンを一つのパターンとして、これを周期的に配列することによって、ｃ面の面積を周期的に変化させることもできる。
【００３５】
そして、本発明においては、成長基板としてサファイア基板を適用し説明するが、これに限定されるものではない。また、図２〜図５では便宜上、パターンが全て同一の高さとして現されているが、本発明においては、パターンの高さの違いに関係なく窒化物半導体の成長面であるｃ面サファイア基板の結晶面における成長面積の変化に着目したものである。
【００３６】
また、ｃ面サファイア基板上に窒化物半導体をすぐに成長させることもでき、あらかじめ結晶性の改善のためのバッファ層の成長処理、基板表面の物理的処理及び化学的処理を実施し、その後に窒化物半導体を成長させることもできる。
【００３７】
次に、サファイア基板のパターンの形状、大きさ、及び形状間の離隔距離を局部的に変化させることによって、窒化物半導体の成長面の面積が変化する理由について述べる。
【００３８】
図６ａ〜図８ｄは、図２及び図５に示された本発明の実施形態によるパターン形成基板上での窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【００３９】
図６ａ〜図６ｄは、図２に示された本発明の第１の実施形態によるパターン形成基板上での窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。図６ａに示されたように、サファイア基板６１の表面上に周期的な半球形状６３のマトリックスパターンが形成され、局部的に大きさの異なる半球形状６２のローカルパターンが形成される場合、大きさの異なる半球形状６２に隣接した凸部間の離隔距離と、周期的な半球形状６３に隣接した凸部間の離隔距離が変わる。すなわち、大きさの異なる半球形状６２に隣接した（Ｂ）領域におけるｃ面の面積が、その周辺の（Ａ）領域におけるｃ面の面積より小さくなる。
【００４０】
窒化物半導体が有機化学蒸着法による成長によって薄膜を形成する場合、サファイア基板のｃ面の結晶面から成長が始まるが、半球形状面においては結晶学的に表面原子の結晶構造が窒化物半導体の結晶構造と大きく違うため、成長が生じない。
【００４１】
従って、半球形状のパターン上に接近し吸着される窒化物半導体原子は、その場で成長することができず、基板表面で原子移動（ａｔｏｍｉｃ  ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）することによって周辺のｃ面の結晶面に移動するようになる。
【００４２】
図６ｂ及び図６ｃに示されたように、大きさの異なる半球形状６２に隣接した底面６４である（Ｂ）領域では、半球形状６３のマトリックスパターン領域から流入してくる窒化物半導体原子は多いが、相対的にｃ面の面積が小さいため、ｃ側方向への窒化物半導体の成長速度が速くなる。
【００４３】
従って、図６ｄに示されたように、（Ｂ）領域での窒化物半導体の成長速度が速くなることによって、ローカルパターン領域の半球形状６２における窒化物半導体膜が厚くなる。
【００４４】
図７ａ〜図７ｄは、図５に示された第４の実施形態による四角形状のパターンが形成されたサファイア基板上における窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。図７ａを参照すると、サファイア基板７１の表面には周期的に四角形状７３のマトリックスパターンが形成され、局部的に大きさの異なる四角形状７２のローカルパターンが形成されている。このとき、大きさの異なる四角形状７２に隣接した凸部間の離隔距離と、四角形状７３に隣接した凸部間の離隔距離は異なる。すなわち、ローカルパターンの四角形状７２に隣接した（Ｂ）領域でのｃ面の面積は、その周辺の（Ａ）領域でのｃ面の面積より小さいものとなる。
【００４５】
図７ｂ及び図７ｃを参照すると、大きさの異なる四角形状７２に隣接した底面７４である（Ｂ）領域では、四角形状７３のマトリックスパターン領域から流入してくる窒化物半導体原子は多いが、相対的にｃ面の面積は小さいため、ｃ側方向への窒化物半導体の成長速度が速くなる。
【００４６】
従って、窒化物半導体膜の成長が行われることによって全体的に窒化物半導体が覆われると、ローカルパターン領域では（Ｂ）領域の窒化物半導体の厚さが周辺の（Ａ）領域の窒化物半導体より厚くなって、図７ｄに示されたように、盛り上がった表面形状を有するようになる。
【００４７】
図８ａ〜図８ｄは、図５に示された第４の実施形態による四角形状のパターンが形成されたサファイア基板において、底面のみ成長する窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。四角形状のパターンが形成されたサファイア基板８１において、パターンの凸部を表面処理することでｃ面の窒化物半導体の成長を遮って底面のみ成長がなされるようにする。
【００４８】
図８ａに示されたように、四角形状８３のマトリックスパターンが形成されたサファイア基板８１に、局部的に大きさの異なる四角形状８２のローカルパターンを形成する。ここで、大きさの異なる四角形状８２に隣接した凸部間の離隔距離と、四角形状８３に隣接した凸部間の離隔距離は異なる。すなわち、大きさの異なる四角形状８２に隣接した（Ｂ）領域である底面８４のｃ面の面積が、四角形状８３の周辺の（Ａ）領域である底面８５のｃ面の面積より小さくなる。このようなサファイア基板８１上に窒化物半導体を成長させる。
【００４９】
図８ｂ及び図８ｃに示されたように、四角形状８３に隣接した凸部間の離隔距離より短い離隔距離のｃ面の結晶面である（Ｂ）領域において、窒化物半導体が速く成長するのがわかる。
【００５０】
従って、図８ｄを参照すると、離隔距離の短い（Ｂ）領域において窒化物半導体の成長膜の厚さが、周辺の（Ａ）領域の窒化物半導体より厚くなって、盛り上がった表面形状を有するようになる。すなわち、窒化物半導体の表面モフォロジーが基板のパターンに従って突出又は沈下した形態を有する。
【００５１】
図９は、図２に示されたパターン形成基板を適用した窒化物半導体発光素子を表した断面図である。ここで、本発明による窒化物半導体発光素子は、図２に示されたパターン形成基板に限定されるものではなく、図２〜図５に示されたパターン形成基板のうち一つを適用することができるだけでなく、窒化物半導体が成長するｃ面の結晶面の異なる凸部及び底面を有するパターンが形成された基板であれば、あらゆるものの適用が可能である。
【００５２】
図９に示されたように、パターン形成基板９１の表面上に窒化物半導体層の結晶性の向上のためのバッファ層９２を成長させる。次に、バッファ層９２が形成されたパターン形成基板９１上に窒化物半導体を成長させると、局部的に突出及び沈下した構造を有するｎ型窒化物半導体層９３と活性層９４が形成される。活性層上にはｐ型窒化物半導体層９５が形成される。活性層９４において局部的な突出及び沈下の構造を有するため、３次元の幾何学的な屈曲により活性層９４の表面積が増加する。これにより発光素子の光出力が増加する。
【００５３】
さらに、パターンの形状及び窒化物半導体の成長条件を変化させることによって、局部的に発光効率の高い３次元の量子点（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ）の形成が促進され、窒化物半導体発光素子の内部量子効率を向上させることができる。
【００５４】
本発明による発光素子の特性の改善のために、基板パターンの凸部は０．１μｍ〜１０μｍの範囲であることが好ましく、また、凸部の高さは０．１μｍ〜５μｍの範囲であることが好ましい。さらに、マトリックスパターンに対してローカルパターンの占める割合を１〜５０％に調節することが可能であり、パターン形成基板上において窒化物半導体のエピタキシ成長が円滑に進行するためには、ローカルパターンの割合が０．１〜２０％であることが好ましい。
【００５５】
本発明は、上述した実施の形態及び添付された図面により限定されるものではなく、特許請求の範囲により限定される。従って、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において当該技術分野における通常の知識を有する者により多様な形態への置換、変形及び変更が可能であり、これもまた本発明の範囲に属すると言える。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】窒化物系ＬＥＤにおける光経路による光の分流を表した図である。
【図２】本発明による第１の実施形態の窒化物半導体発光素子に適用されるパターン形成基板を表した断面図である。
【図３】本発明による第２の実施形態の窒化物半導体発光素子に適用されるパターン形成基板を表した断面図である。
【図４】本発明による第３の実施形態の窒化物半導体発光素子に適用されるパターン形成基板を表した断面図である。
【図５】本発明による第４の実施形態の窒化物半導体発光素子に適用されるパターン形成基板を表した断面図である。
【図６ａ】図２に示された第１の実施形態によるパターン形成基板上での窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図６ｂ】図２に示された第１の実施形態によるパターン形成基板上での窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図６ｃ】図２に示された第１の実施形態によるパターン形成基板上での窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図６ｄ】図２に示された第１の実施形態によるパターン形成基板上での窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図７ａ】図５に示された第４の実施形態による四角形状のパターンが形成されたサファイア基板上における窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図７ｂ】図５に示された第４の実施形態による四角形状のパターンが形成されたサファイア基板上における窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図７ｃ】図５に示された第４の実施形態による四角形状のパターンが形成されたサファイア基板上における窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図７ｄ】図５に示された第４の実施形態による四角形状のパターンが形成されたサファイア基板上における窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図８ａ】図５に示された第４の実施形態による四角形状のパターンが形成されたサファイア基板において、底面のみ成長する窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図８ｂ】図５に示された第４の実施形態による四角形状のパターンが形成されたサファイア基板において、底面のみ成長する窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図８ｃ】図５に示された第４の実施形態による四角形状のパターンが形成されたサファイア基板において、底面のみ成長する窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図８ｄ】図５に示された第４の実施形態による四角形状のパターンが形成されたサファイア基板において、底面のみ成長する窒化物半導体の成長モードを段階別に示した断面図である。
【図９】図２に示された第１の実施形態によるパターン形成基板を適用した窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
９１  パターン形成基板
９２  バッファ層
９３  ｎ型窒化物半導体層
９４  活性層
９５  ｐ型窒化物半導体層
【図１】
2010021513.tif 000003
【図２】
2010021513.tif 000004
【図３】
2010021513.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010021513.tif 000007
【図６ａ】
2010021513.tif 000008
【図６ｂ】
2010021513.tif 000009
【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９】
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