(57)【要約】【課題】サファイア基板上に成長させた化合物半導体層に存する貫通転位が少なく且つ配向特性の異方性が少なく、光取り出し効率の高い半導体装置を提供する。【解決手段】サファイア基板１の面に複数の凸起２，２，…をランダム配置で形成し、その面上にＧａＮ層１０を成長させた。さらにその上に、多重量子井戸層１２，ｐ−ＡｌＧａＮ層１４，ｐ−ＧａＮ層１６、ＩＴＯ層１８を形成し、２つの電極２１，２２も形成して半導体発光素子を作製した。【選択図】図７
2010092936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板上に化合物半導体層が設けられている半導体装置であって、
前記サファイア基板の前記化合物半導体層が設けられている面には、複数の凸起が形成されており、
前記複数の凸起は、前記面のランダムな位置に設けられているとともに、底部から頂部にかけて先細の形状を有しており、
前記凸起の頂部の平面の面積は、０よりも大きく０．１μｍ２以下である、半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記凸起の底面の長径は、１μｍ以上５０μｍ以下であり、短径は１μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記凸起は、１×１０５個／ｃｍ２以上５×１０７個／ｃｍ２以下の密度で配置されている、半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記凸起の側面は曲面である、半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一つにおいて、
前記凸起の高さは、０．２μｍ以上１０μｍ以下である、半導体装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一つにおいて、
前記凸起の底面は円形又は楕円形である、半導体装置。
【請求項６】
複数の遮光部がランダムに点在しているフォトマスクであって、
前記遮光部の長径は、１μｍ以上５０μｍ以下であり、短径は１μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記遮光部は、１×１０５個／ｃｍ２以上５×１０７個／ｃｍ２以下の密度で配置されている、フォトマスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特にサファイア基板上に化合物半導体層が設けられている半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、エネルギー変換効率の良さや長寿命であること等から種々の照明デバイスやイルミネーション、電子機器等に多く使われている。可視光線の発光が可能なＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＮ（以後、ＧａＮで代表させる）からなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を用いて主に作製されている。ＡｌＧａＩｎＰは、赤色光、橙色光、および黄色光を発するＬＥＤで使われる。ＧａＮは、緑色光、青色光および紫外光を発するＬＥＤで使われる。
【０００３】
現在コストや品質等の理由から、ＧａＮ結晶はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板の上に成長させている。けれどもサファイア基板の上に成長させたＧａＮ層には、サファイア結晶格子とＧａＮ結晶格子との間の格子不整合が原因でＧａＮ結晶中に高密度の非発光再結合中心として働く貫通転位が発生し、そのため光出力（外部量子効率）および耐久寿命が減少し、またリーク電流が増加してしまうという現象が生じていた。
【０００４】
さらに、青色領域の波長においてＧａＮの屈折率が約２．４、サファイア基板の屈折率が約１．８と、ＧａＮとサファイア基板の屈折率差が大きいためにＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層から発光した光のおよそ７０％は、全反射の制限から多重量子井戸層を含んだＧａＮ層に閉じ込められてＧａＮ層中を伝搬する間に多重量子井戸層に自己吸収され、あるいは電極などに吸収され最終的に熱に変換される。すなわち、屈折率差に起因する全反射の制限のためにＬＥＤの光取り出し効率が大幅に低下するという現象が生じている。
【０００５】
このような貫通転位を減らすために、また光取り出し効率を向上させるために、サファイア基板のＧａＮ層を載せる面を予めエッチングして凹凸を形成し、いわゆるパターン化されたサファイア基板（ＰＳＳ）を作製し、このＰＳＳを用いてＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層を成長させる技術が開示されている。（例えば、特許文献１）
【特許文献１】特許第３５９５２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されているような従来のＰＳＳは、複数本の平行溝や菱形凸起が規則正しく並んだパターンのような幾何学図形のパターンがサファイア基板の一面に設けられているものであり、このような規則的なパターンを使うと不必要なＧａＮ結晶の成長が規則的に並んだ凸起の側壁などから生じ、新たな貫通転位が発生してしまうという問題があった。即ちＰＳＳはランダムに発生する転位に関して、パターンの形状によってＧａＮ結晶の結晶成長モードを制御して転位の伝搬方向を変えるなどして、貫通転位の数を減少させる効果があるが、パターンの形状によっては貫通転位を増加させ、内部量子効率を低下させている。従ってパターン形状の厳密な制御が必要となっているのである。
【０００７】
また、このような規則的なパターンを作製するためには通常、上述したような内部量子効率を低下させないように設計したパターンのフォトマスクを作製し、高価な露光装置を使用し多くの工程を経る必要がある。
【０００８】
さらに周期的なパターンは光の取り出し効率の方向依存性を生み、ＬＥＤ素子からの発光の配向性に異方性を生じる。すなわち、ＧａＮ層中の光の伝搬方向にパターンの周期配列が直交する場合はＬＥＤ素子の表面からの光取り出し効率が向上し、周期配列が平行の場合は通常の平坦な表面のサファイア基板と同程度の光取り出し効率となる。
【０００９】
このように従来の規則的なパターンのＰＳＳでは貫通転位が十分に低減されない場合があり、さらに光取り出し効率の異方性によりＬＥＤ素子からの発光の配向性に異方性を生じ高効率かつ均一発光を必要とする照明や電子機器等に使用するのに支障が生じていた。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、サファイア基板上に成長させた化合物半導体層に存する貫通転位が少なく且つ配向特性の異方性が少なく、光取り出し効率の高い半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、サファイア基板上に化合物半導体層が設けられている半導体装置であって、前記サファイア基板の前記化合物半導体層が設けられている面には、複数の凸起が形成されており、前記複数の凸起は、前記面のランダムな位置に設けられているとともに、底部から頂部にかけて先細の形状を有しており、前記凸起の頂部の平面の面積は、０よりも大きく０．１μｍ２以下という構成とした。
【００１２】
前記凸起の底面の長径は、１μｍ以上５０μｍ以下であり、短径は１μｍ以上１０μｍ以下であり、前記凸起は、１×１０５個／ｃｍ２以上５×１０７個／ｃｍ２以下の密度で配置されている構成とすることができる。
【００１３】
前記凸起の側面は曲面である構成とすることができる。
【００１４】
前記凸起の高さは、０．２μｍ以上１０μｍ以下である構成とすることができる。
【００１５】
前記凸起の底面は円形あるいは楕円形である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
サファイア基板上のランダムな位置に先細の複数の凸起を設けてその上に化合物半導体層を成長させて半導体装置としているので、非発光再結合中心として働く貫通転位が少なく、ＬＥＤ素子からの発光の配向特性の異方性が少なくて高いエネルギー変換効率が得られる半導体装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。
【００１８】
（実施形態１）
＜サファイア基板の準備＞
Ａｌ２Ｏ３のコランダム構造の単結晶からなる円盤状のサファイア基板を用意した。サファイア基板の直径は５０〜３００ｍｍ、厚みは０．３〜３ｍｍである。サファイア基板はＧａＮ基板に比較してコストが圧倒的に低く、Ｓｉ基板に比較して光透過性を考慮したデバイス性能が圧倒的に優れている。またＧａＮ層を載せるサファイア基板の面（主面）は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜（０００１）面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、若しくはｒ面＜｛１−１０２｝面＞のいずれでも良く、あるいは他の面方位の結晶面であっても良い。
【００１９】
次に、ドットをランダム配置させるフォトマスクを用いて、フォトリソプロセスによりサファイア基板の主面にレジストをドット状にランダム配置させた。このフォトマスクは、コンピュータにより乱数を発生させて設計し、作製した。ドット形状は直径４μｍの円形とし、ドットの密度は２×１０６個／ｃｍ２とした。フォトレジストはポジ型を使用して３μｍの厚みにコートした。露光・現像後、ポストベーキング温度を通常より高く設定し、熱変形させることによりドーム型のレジスト形状に整形させた。
【００２０】
それからドット状のレジストがランダム配置されたサファイア基板の主面を、誘導結合プラズマによる反応性イオンエッチング（Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching：ＩＣＰ−ＲＩＥ）によってエッチングを行った。エッチングの条件を調節することにより、レジストが除去されるくらい十分にエッチングを行い、図１、図２に示す複数の凸起２，２，…が主面３上にランダムに配置されたサファイア基板１を作製した。
【００２１】
図５に示すように、サファイア基板１の主面上に形成した凸起２は、略半球状であって側面が上に凸の曲面により構成されており、底部６から頂部４にかけて先細である。底部６はほぼ円形である。頂部４は十分なエッチングによって削られてほぼ平面が無くなってやや尖り形状となっている。頂部４の平面部分の面積は、０．１μｍ２を越えるものはなく、平均でも０．００１μｍ２未満であった。なお、頂部４の平面部分の面積は、断面ＳＥＭ写真より、平面部分を円形と仮定して算出した。
【００２２】
複数の凸起２，２，…は大きさにばらつきがあるが、その高さｈは平均すると１．５μｍであった。また、底部６の直径（長径）Ｒは平均すると４μｍであった。凸起２の分布密度は、マスクの設計通り２×１０６個／ｃｍ２であった。凸起２の側面が曲面であることは、側面では結晶面が連続的に変化していることを意味している。
【００２３】
複数の凸起２，２，…の位置はレジストの配置位置と同じ位置であるので、主面３上に複数の凸起２，２，…はランダムに配置されており、凸起２，２，…同士の間の位置関係には規則性が無い。従って、複数の凸起２，２，…に起因する光の反射・屈折・減衰等が互いに相互作用（例えば干渉）を起こしてもその相互作用に方向性がなく、光は全方向に均一に発せられる。すなわち、このサファイア基板１を用いて作製したＬＥＤ素子からの発光の配向特性に異方性はほぼないということができる。
【００２４】
＜ＧａＮ層の作製＞
複数の凸起２，２，…を有するサファイア基板１の主面３上に、有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＰＶＥ）によってＧａＮ層を成長させた。なお、このときＳｉをドープすることによりｎ−ＧａＮとした。図３はＧａＮ層１０の成長の初期の状態を示す模式的な断面図であり、図４はＧａＮ層１０の厚みが凸起２の高さよりも大きくなるまでＧａＮ層１０が成長した状態を示す模式的な断面図である。
【００２５】
図３に示すようにＧａＮ層１０は、凸起２部分を除くサファイア基板１の主面３から成長し、凸起２の側面及び頂部４からは成長しない。凸起２の側面は特定の面方位の結晶面が露出しているのではないので、ＧａＮの成長の始点となる核が生成しにくいのであるが、サファイア基板１の主面３は特定の面方位の結晶面が全面に露出しているので、ＧａＮの核が生成しやすくＧａＮ層１０が成長していく。すなわち、凸起２の側面では結晶面が連続的に変化しているため、凸起２側面からのＧａＮの結晶成長を抑制している。凸起２の頂部４は平らな部分がほとんど無いか非常に狭いため、ＧａＮ層１０が成長しない。
【００２６】
図４に示すように、ＧａＮ層１０が厚くなって行くに連れて、凸起２は横方向（水平方向）に成長するＧａＮ層１０によって全面が覆われる。最終的にＧａＮ層１０の厚みが凸起２の高さ以上になると、凸起２はＧａＮ層１０に覆い隠され、上面から見ると、平らなＧａＮ層１０の表面が観察されるだけとなる。
【００２７】
図８にＧａＮ層１０の成長の様子を、平面ＳＥＭ写真によって示す。（Ａ）にはサファイア基板１の主面３の平坦な部分（底面）からＧａＮの結晶成長が生じていることが示されており、（Ｂ）には凸起２の表面からはＧａＮの結晶成長が起こってはいないことが、（Ｃ）にはＧａＮ層１０の成長によって凸起２の埋め込みが完了した後では平らなＧａＮ層１０が観察されるだけであることが示されている。
【００２８】
このＧａＮ層１０では、特許文献１に説明されているように、平らなサファイア基板上に成長させたＧａＮ層よりも貫通転位の数が少ない。特に凸起２の側面はＧａＮの横方向成長領域であり、この部分からは転位は発生していない。さらにＰＳＳ上のＧａＮ層では、数本の平行溝の底面および凸部の上面から発生した転位が上に延び貫通転位となりやすいが、本実施形態では凸起２の頂部４平面部分が非常に狭いためそこからＧａＮが実質的に成長しないので、頂部４から発生する転位の数が少なく、全体として貫通転位の数を少なくできる。
【００２９】
本実施形態においては、最終的にＧａＮ層１０の厚みが６μｍになるまでＧａＮ層１０を成長させた。カソードルミネッセンス（ＣＬ）によって、このＧａＮ層１０の表面の暗点を観察したところ、暗点はランダムに且つ均一な密度で分布しており、この暗点密度は１×１０８個／ｃｍ２であった。ＣＬによって観察される暗点はＧａＮ層１０の表面に現れている貫通転位であり、本実施形態の暗点密度は、従来のストライプ状のサファイア基板（基板表面に複数の平行な溝を形成したＰＳＳ）上に成長させたＧａＮ層において観察される暗点密度よりも低密度であった。なお、次に説明する半導体発光素子を作製する場合には、ＧａＮ層１０を成長させた後に、暗点観察をすることなく、連続して次の化合物半導体層を成長させる。
【００３０】
＜半導体発光素子の作製＞
上記のサファイア基板１上のＧａＮ層１０の上に更に複数の化合物半導体層および電極を形成して、図７に示す半導体発光素子を作製した。以下にその作製について説明する。
【００３１】
まずＧａＮ層１０の上に、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に複数回成長させて多重量子井戸層１２を形成した。それから多重量子井戸層１２の上にＭｇをドープしたｐ−ＡｌＧａＮ層１４を成長させ、更にその上にＭｇをドープしたｐ−ＧａＮ層１６を成長させた。それからｐ−ＧａＮ層１６の上に透明電極であるＩＴＯ層１８を電子ビーム蒸着法により形成した。
【００３２】
次に上記の積層させた化合物半導体層の一部に対してＩＣＰ−ＲＩＥを使ってエッチング加工を行うことによってＧａＮ層１０を露出させる。そして露出したＧａＮ層１０の上にＴｉ／Ａｌ合金からなるｎ型電極２２を電子ビーム蒸着法により形成し、ＩＴＯ層１８の上にＴｉ／Ａｌ合金からなるｐ型電極２１を形成して半導体発光素子を作製した。
【００３３】
＜半導体発光素子の特性＞
上述のように作製した本実施形態の半導体発光素子（半導体装置）の発光出力を、ＯＰＴＯ-ＳＹＳＴＥＭ社製の自動プローブテスターＷＰＳＲ３１００を用いて測定した。比較のため、サファイア基板として主面がフラット（凸起を形成していない）な基板を用い、それ以外の構成・製法は本実施形態の半導体発光素子と同じ比較用発光素子を作製し、同じように発光出力を測定した。なお、本実施形態の半導体発光素子の発光波長は４２７．６ｎｍであり、比較用発光素子の発光波長は４２３．９ｎｍであった。
【００３４】
２０ｍＡの電流を入力させたときの比較用発光素子の発光出力を１００とすると、本実施形態の半導体発光素子の発光出力は３１９となった。また、本実施形態の半導体発光素子は全面均一に発光していた。このように、サファイア基板１の主面３上に複数の凸起２，２，…をランダムに形成し、そのサファイア基板１上に化合物半導体層を形成して半導体発光素子を作製することにより、発光効率が向上し均一発光する半導体発光素子を得ることができた。
【００３５】
（実施形態２）
実施形態２では、サファイア基板１の主面３上に複数の凸起２，２，…をランダムに形成する方法が実施形態１と異なっており、それ以外の構成は実施形態１と同じであるので、実施形態１と異なっている部分を以下に説明する。
【００３６】
サファイア基板１の主面３上に複数の凸起２，２，…をランダムに形成するに当たって、本実施形態では直径３μｍのプラスチック（ポリスチレン）小球を添加したフォトレジストを用いた。即ち、サファイア基板１の主面にそのレジストを塗布し、フォトマスクを用いないでそのままフォトレジストを感光、フォトレジスト除去（現像）を行った。このとき、ポリスチレン小球がマスクとなってサファイア基板１上にはレジストとポリスチレン小球とが一体になってドット状にランダムに配置された状態となっていた。このサファイア基板１を実施形態１と同様にＩＣＰ−ＲＩＥによってエッチングを行い、サファイア基板１の主面３上に複数の凸起２，２，…をランダムに形成した。これ以降は、実施形態１と同じ方法で半導体発光素子を作製した。
【００３７】
実施形態２は実施形態１と同じ効果を奏し、さらにフォトマスクが不要なため、コスト削減を図ることができる。
【００３８】
（実施形態３）
実施形態３では、サファイア基板１の主面３上に複数の凸起２，２，…をランダムに形成する方法が実施形態１、２と異なっており、それ以外の構成は実施形態１、２と同じであるので、実施形態１、２と異なっている部分を以下に説明する。
【００３９】
サファイア基板１の主面３上に複数の凸起２，２，…をランダムに形成するに当たって、本実施形態では直径４μｍのポリスチレンの小球をサファイア基板１上に散布した。このとき、ポリスチレンの小球同士が静電気によって凝集してしまうのを防ぐために、事前に小球に適量の電荷を与えておいた。そのポリスチレン小球をサファイア基板１上に噴霧した。ポリスチレン小球をサファイア基板１に効果的に付着させるために、サファイア基板１の電位を適度にコントロールした。これにより、ポリスチレン小球がサファイア基板１上にランダムに配置された状態となっていた。このサファイア基板１を実施形態１と同様にＩＣＰ−ＲＩＥによってエッチングを行い、サファイア基板１の主面３上に複数の凸起２，２，…をランダムに形成した。このときポリスチレン小球はエッチングレジストとして働いている。これ以降は、実施形態１と同じ方法で半導体発光素子を作製した。この方法により、フォトマスクもフォトレジストも用いないで、サファイア基板１の主面３上に複数の凸起２，２，…をランダムに形成することができる。
【００４０】
実施形態３は実施形態１及び２と同じ効果を奏し、さらにフォトマスクおよびフォトレジストが不要なため、コスト削減をさらに図ることができる。
【００４１】
（その他の実施形態）
上記の実施形態は本発明の例示であって、本発明はこれらの例に限定されない。凸起２の形状は略半球形状に限らず、例えば略円錐形状などであっても構わない。
【００４２】
凸起２の平均の高さは０．２μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、６μｍ以下がより好ましい。凸起２の高さが０．２μｍよりも小さいと貫通転位の発生数が増え、内部量子効果が低下する。さらに散乱効果が低下するために光取り出し効率が減少するので、好ましくない。凸起２の高さが１０μｍを越えるとＧａＮ層１０をそれ以上の厚みで成長させる必要があり、コストが大きくなってしまう。
【００４３】
凸起２の底部６の形状は円形に限定されず、楕円形や曲線で囲まれた不定形などであってもよい。底部６の長径Ｒは０．５μｍ以上５μｍ以下が好ましい。
【００４４】
凸起２の分布密度は、１×１０５個／ｃｍ２以上５×１０７個／ｃｍ２以下が好ましい。１×１０５個／ｃｍ２未満であると転位密度の低減効果及び光取り出し効率の向上効果が小さくなり、５×１０７個／ｃｍ２よりも大きいと凸起間の重なりが大きくなり結晶成長に不具合が生じる可能性が大きい。
【００４５】
半導体発光素子の各構成層は、公知の手法で成長させれば良い。またサファイア基板１の主面上の複数の凸起２，２，…の製法は、レジストあるいはプラスチック（ポリスチレン）小球を用いて作製する方法に限定されず、例えばガラス小球、研磨剤などの種々の固体の微粒子をレジスト代わりにエッチングマスクとして用いる方法としてもよい。また、レジストなどを噴霧して微粒子を作り、基板表面にその微粒子を載せてもよい。
【００４６】
サファイア基板１の主面上３に成長させる半導体層はＧａＮ層１０に限らず、ＡｌＮやＩｎＧａＮなどの化合物半導体層であってもよい。
【００４７】
以上の実施形態では、サファイア基板上のランダムな位置に設けた複数の凸起が先細構造であって側面が曲面であり、頂部の面積も小さいので凸起の側面及び頂部には特定の面方位の結晶面は露出していないか、露出しているとしてもその面積は非常に小さい。そのため、凸起の側面および頂部においてはＧａＮの成長の始点となる核生成が起こりがたく、凸起２はその周囲のサファイア基板主面上の平担部から成長したＧａＮの横方向成長によって埋め込まれる。その結果転位密度の低減が効果的に生じる。従って、非発光再結合中心として働く貫通転位が少なくなり、凸起配置がランダムであるためＬＥＤ素子からの発光の配向特性に異方性がほとんどなくなる。そしてランダム配置の複数凸起による光取り出し効率の向上効果は、複数本の平行溝によるＰＳＳの効果と同等であり、凸起がないときは全反射の制限でＧａＮ層中に閉じ込められていた光を光散乱効果によりＧａＮ層の外に（さらにＬＥＤ素子の外部に）取り出すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上説明したように、本発明に係る半導体装置は、均一に且つ効率よく発光するので、照明用途等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施形態に係るサファイア基板の模式的な平面図である。
【図２】実施形態に係るサファイア基板の模式的な拡大断面図である。
【図３】ＧａＮ層が成長初期である実施形態に係る模式的な拡大断面図である。
【図４】ＧａＮ層が凸起を埋め込んだ状態である実施形態に係る模式的な拡大断面図である。
【図５】サファイア基板上の凸起を拡大した模式断面図である。
【図６】サファイア基板上の凸起を拡大した模式平面図である。
【図７】実施形態に係る半導体発光素子の模式的な拡大断面図である。
【図８】（Ａ）はＧａＮ層の成長初期の平面ＳＥＭ写真であり、（Ｂ）はＧａＮ層が凸起を半ば埋め込んだ状態の平面ＳＥＭ写真であり、（Ｃ）は凸起がＧａＮ層により完全に埋め込まれた後の平面ＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
【００５０】
１      サファイア基板
２      凸起
３      主面
４      凸起頂部
６      凸起底部
【図１】
2010092936.tif 000003
【図２】
2010092936.tif 000004
【図３】
2010092936.tif 000005
【図４】
2010092936.tif 000006
【図５】
2010092936.tif 000007
【図６】
2010092936.tif 000008
【図７】
2010092936.tif 000009
【図８】
2010092936.tif 000010