(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含む半導体積層部と、
前記半導体積層部が表面上に形成されるサファイア基板と、を備え、
前記サファイア基板の前記表面に前記発光層から発せられる光が入射し、
前記サファイア基板の表面には、前記発光層から発せられる光の光学波長より大きくコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成され、
前記サファイア基板の裏面には、前記表面を透過した光を反射して前記表面へ再入射させる反射部が形成され、
前記反射部は、誘電体多層膜を含み、前記発光層から発せられる光の波長域で反射率が９０％以上であり、
前記サファイア基板の裏面に形成された前記誘電体多層膜は、金属層により被覆され、
前記金属層は、Ａｌからなり、
前記凹部又は前記凸部の高さが、３００ｎｍ以上である半導体発光素子を製造するにあたり、
サファイア基板の表面上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、
前記マスク層上にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、
前記レジスト膜に所定のパターンを形成するパターン形成工程と、
Ａｒガスのプラズマを所定のバイアス出力を加えて前記サファイア基板側に誘導して、前記Ａｒガスの前記プラズマにより前記レジスト膜を変質させてエッチング選択比を高くするレジスト変質工程と、
Ａｒガスのプラズマを前記レジスト変質工程のバイアス出力よりも高いバイアス出力を加えて前記サファイア基板側に誘導して、エッチング選択比が高くなった前記レジスト膜をマスクとして前記マスク層のエッチングを行うマスク層のエッチング工程と、
エッチングされた前記マスク層をマスクとして、前記サファイア基板のエッチングを行って前記凹部又は前記凸部を形成する基板のエッチング工程と、
エッチングされた前記サファイア基板の表面上に、前記半導体積層部を形成する半導体形成工程と、
前記サファイア基板の裏面上に、前記誘電体多層膜を形成する多層膜形成工程と、を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記基板のエッチング工程にて、前記マスク層上に前記レジスト膜が残った状態で、前記サファイア基板のエッチングを行う請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記マスク層は、前記サファイア基板上のＳｉＯ２層と、前記ＳｉＯ２層上のＮｉ層と、を有し、
前記基板のエッチング工程にて、前記ＳｉＯ２層と、前記Ｎｉ層と、前記レジスト膜と、が積層した状態で、前記サファイア基板のエッチングを行う請求項２に記載の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、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低温堆積緩衝層技術、ｐ型伝導性制御、ｎ型伝導性制御、高効率発光層の作製法等の基幹技術の積み重ねにより、高輝度の青色、緑色、白色等の発光ダイオードが既に実用化されている。現在、発光ダイオードにおいては、半導体の屈折率が基板、空気等の屈折率よりも大きく、発光層から発せられた光の多くの部分が全反射もしくはフレネル反射により発光ダイオードの外部に取り出せないため、光取り出し効率の向上が課題となっている。【０００３】
この課題を解決するために、半導体表面に数ミクロン周期の凹凸加工を施した構造が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。半導体表面の光取り出し側に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、比較的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、光取り出し効率を５０％程度まで向上させることができる。【０００４】
さらに、凹凸構造の周期を発光ダイオードの光学波長の２倍以下まで小さくし、光取り出し効率を向上させることも提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、数ミクロン周期の凹凸構造とは光取り出しのメカニズムが異なり、光の波動性が顕在化して、屈折率の境界が消失してフレネル反射が抑制される。このような構造は、フォトニック結晶や、モスアイ構造と呼ばれており、光取り出し効率を５０％程度までは向上させることができる。【０００５】
さらにまた、凹凸構造の周期を光のコヒーレント長より小さくし、回折作用を利用して光を取り出すことが、本願発明者らにより提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２には、サファイア基板の表面上に形成され発光層を含むIII族窒化物半導体と、サファイア基板の表面側に形成され発光層から発せられる光が入射し当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、基板の裏面側に形成され回折面にて回折した光を反射して回折面へ再入射させるＡｌ反射膜と、を備える半導体発光素子が記載されている。この半導体発光素子によれば、回折作用により透過した光を回折面に再入射させて、回折面にて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３５４０２０号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／０２７６７９号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics Vol.41, 2004, L1431
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そして、本願発明者らは、さらなる光取り出し効率の向上を追及していた。【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、さらに光取り出し効率を向上させることのできる半導体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、発光層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部が表面上に形成されるサファイア基板と、を備え、前記サファイア基板の前記表面に前記発光層から発せられる光が入射し、前記サファイア基板の表面には、前記発光層から発せられる光の光学波長より大きくコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成され、前記サファイア基板の裏面には、前記表面を透過した光を反射して前記表面へ再入射させる反射部が形成され、前記反射部は、誘電体多層膜を含み、前記発光層から発せられる光の波長域で反射率が９０％以上である半導体発光素子が提供される。【００１１】
上記半導体発光素子において、前記サファイア基板の裏面に形成された前記誘電体多層膜は、金属層により被覆されていてもよい。【００１２】
上記半導体発光素子において、前記金属層は、Ａｌからなっていてもよい。【００１３】
上記半導体発光素子において、前記凹部又は前記凸部の高さは、３００ｎｍ以上であってもよい。【００１４】
上記半導体発光素子を製造するにあたり、サファイア基板の表面上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、前記マスク層上にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、前記レジスト膜に所定のパターンを形成するパターン形成工程と、Ａｒガスのプラズマを所定のバイアス出力を加えて前記サファイア基板側に誘導して、前記Ａｒガスの前記プラズマにより前記レジスト膜を変質させてエッチング選択比を高くするレジスト変質工程と、Ａｒガスのプラズマを前記レジスト変質工程のバイアス出力よりも高いバイアス出力を加えて前記サファイア基板側に誘導して、エッチング選択比が高くなった前記レジスト膜をマスクとして前記マスク層のエッチングを行うマスク層のエッチング工程と、エッチングされた前記マスク層をマスクとして、前記サファイア基板のエッチングを行って前記凹部又は前記凸部を形成する基板のエッチング工程と、エッチングされた前記サファイア基板の表面上に、前記半導体積層部を形成する半導体形成工程と、前記サファイア基板の裏面上に、前記誘電体多層膜を形成する多層膜形成工程と、を含む半導体発光素子の製造方法が提供される。【００１５】
上記半導体発光素子を製造方法において、前記基板のエッチング工程にて、前記マスク層上に前記レジスト膜が残った状態で、前記サファイア基板のエッチングを行ってもよい。【００１６】
上記半導体発光素子を製造方法において、前記マスク層は、前記サファイア基板上のＳｉＯ２層と、前記ＳｉＯ２層上のＮｉ層と、を有し、前記基板のエッチング工程にて、前記ＳｉＯ２層と、前記Ｎｉ層と、前記レジスト膜と、が積層した状態で、前記サファイア基板のエッチングを行ってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体発光素子によれば、さらに光取り出し効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図２】図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
【図３】図３は、半導体発光素子の一部拡大模式断面図である。
【図４】図４はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ−Ａ断面を示す模式説明図、（ｃ）が模式拡大説明図である。
【図５】図５は、プラズマエッチング装置の概略説明図である。
【図６】図６は、サファイア基板のエッチング方法を示すフローチャートである。
【図７Ａ】図７Ａはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ａ）は加工前のサファイア基板を示し、（ｂ）はサファイア上にマスク層を形成した状態を示し、（ｃ）はマスク層上にレジスト膜を形成した状態を示し、（ｄ）はレジスト膜にモールドを接触させた状態を示し、（ｅ）はレジスト膜にパターンが形成された状態を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ｆ）はレジスト膜の残膜を除去した状態を示し、（ｇ）はレジスト膜を変質させた状態を示し、（ｈ）はレジスト膜をマスクとしてマスク層をエッチングした状態を示し、（ｉ）はマスク層をマスクとしてサファイア基板をエッチングした状態を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ｊ）はマスク層をマスクとしてサファイア基板をさらにエッチングした状態を示し、（ｋ）はサファイア基板から残ったマスク層を除去した状態を示し、（ｌ）はサファイア基板にウェットエッチングを施した状態を示す。
【図８】図８は、表面が凹凸により回折面となっているサファイア基板を使用した発光素子と、表面が平面状のサファイア基板を使用した発光素子における、順方向電流と光出力の関係を示すグラフである。
【図９】図９は、実施例の反射部の反射率を示すグラフである。
【図１０】図１０は、表面が凹凸によりモスアイ加工が施されたサファイア基板（ＭＰＳＳ基板）を使用した発光素子と、表面が平面状のサファイア基板（ＦＬＡＴ基板）を使用した発光素子と、表面に線状の凹凸加工が施されたサファイア基板（ＰＳＳ基板）を使用した発光素子の、サファイア基板の裏面に誘電体多層膜及びＡｌ層を形成した場合の光出力が、裏面にＡｌ層のみ形成した場合と比較してどれだけ増加したかを示す表である。
【図１１】図１１は、反射部を誘電体多層膜のみとした場合の反射率を示すグラフである。
【図１２】図１２は、反射部を誘電体多層膜のみとした場合の反射率を示すグラフである。
【図１３】図１３は、反射部を誘電体多層膜のみとした場合の反射率を示すグラフである。
【図１４】図１４は、金属膜としてＡｇを用いた場合の反射部の反射率を示すグラフである。
【図１５】図１５は、本発明の第２の実施形態を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【図１６】図１６はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＢ−Ｂ断面を示す模式縦断面図である。
【図１７】図１７はサファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は回折面に第１マスク層が形成された状態を示し、（ｂ）は第１マスク層上にレジスト層が形成された状態を示し、（ｃ）はレジスト層に選択的に電子線を照射する状態を示し、（ｄ）はレジスト層を現像して除去した状態を示し、（ｅ）は第２マスク層が形成された状態を示している。
【図１８】図１８はサファイア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）は第２マスク層をマスクとして第１マスク層をエッチングした状態を示し、（ｃ）は第２マスク層を除去した状態を示し、（ｄ）第１マスク層をマスクとして回折面をエッチングした状態を示し、（ｅ）は第１マスク層を除去した状態を示している。
【図１９】図１９は、変形例を示す半導体発光素子の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１から図７Ｃは本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１は半導体発光素子の模式断面図である。
【００２０】
図１に示すように、発光素子１は、回折面２ａを有するサファイア基板２の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１９が形成されたものである。この発光素子１は、フェイスアップ型であり、サファイア基板２と反対側から主として光が取り出される。III族窒化物半導体層は、バッファ層１０、ｎ型ＧａＮ層１２、多重量子井戸活性層１４、電子ブロック層１６、ｐ型ＧａＮ層１８をサファイア基板２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１８上にはｐ側電極２０が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１２上にはｎ側電極２２が形成されている。
【００２１】
サファイア基板２は、窒化物半導体が成長されるｃ面（｛０００１｝）である回折面２ａを表面側に有している。回折面２ａには、平坦部２ｂ（図４（ａ）参照）と、平坦部２ｂに周期的に形成された複数の凸部２ｃ（図４（ａ）参照）と、が形成されている。各凸部２ｃの形状は、円錐、多角錘等の錘状の他、錘の上部を切り落とした円錘台、多角錘台等の錘台状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部２ｃにより、光の回折作用を得ることができる。
【００２２】
図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
【００２３】
ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θｉｎに対して反射角θｒｅｆが満たすべき条件は、
ｄ・ｎ１・（ｓｉｎθｉｎ−ｓｉｎθｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。本実施形態では、ｎ１は、III族窒化物半導体の屈折率となる。図２（ａ）に示すように、上記（１）式を満たす反射角θｒｅｆで、界面へ入射する光は反射される。
【００２４】
一方、ブラッグの回折条件から、界面にて光が透過する場合において、入射角θｉｎに対して透過角θｏｕｔが満たすべき条件は、
ｄ・（ｎ１・ｓｉｎθｉｎ−ｎ２・ｓｉｎθｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。本実施形態では、ｎ２は、サファイアの屈折率となる。図２（ｂ）に示すように、上記（２）式を満たす透過角θｏｕｔで、界面へ入射する光は透過される。
【００２５】
上記（１）式及び（２）式の回折条件を満たす反射角θｒｅｆ及び透過角θｏｕｔが存在するためには、回折面２ａの周期は、素子内部の光学波長である（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きくなければならない。一般的に知られているモスアイ構造は、周期が（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも小さく設定されており、回折光は存在しない。そして、回折面２ａの周期は、光が波としての性質を維持できるコヒーレント長より小さくなければならず、コヒーレント長の半分以下とすることが好ましい。コヒーレント長の半分以下とすることにより、回折による反射光及び透過光の強度を確保することができる。
【００２６】
図３は、半導体発光素子の一部拡大模式断面図である。
【００２７】
図３に示すように、サファイア基板２の裏面側には、誘電体多層膜２４が形成されている。誘電体多層膜２４は金属層により被覆される。本実施形態においては、誘電体多層膜２４の下面にはＡｌ層２６が形成されている。この発光素子１においては、誘電体多層膜２４及びＡｌ層２６が反射部をなしており、活性層１４から発せられ回折面２ａを回折作用によって透過した光を当該反射部で反射する。そして、回折作用により透過した光を回折面２ａに再入射させて、回折面２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。本願発明者らは、反射部として誘電体多層膜２４を含み多重量子井戸活性層１４から発せられる光の波長域で９０％以上のものを用いることで、発光素子１の光取り出し効率が飛躍的に向上することを見出した。
【００２８】
バッファ層１０は、サファイア基板２の回折面２ａ上に形成され、ＡｌＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１０は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成されるが、スパッタリング法を用いることもできる。また、バッファ層１０は、各凸部２ｃに沿って周期的に形成される複数の錘台状の凹部を回折面２ａ側に有している。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１２は、バッファ層１０上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層としての多重量子井戸活性層１４は、ｎ型ＧａＮ層１２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青色光を発する。ここで、青色光とは、例えば、ピーク波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光をいうものとする。本実施形態においては、多重量子井戸活性層１４の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。
【００２９】
電子ブロック層１６は、多重量子井戸活性層１４上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層１８は、電子ブロック層１６上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。ｎ型ＧａＮ層１２からｐ型ＧａＮ層１８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、サファイア基板２の回折面２ａには周期的に凸部２ｃが形成されているが、III族窒化物半導体の成長初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、半導体層の層構成は任意である。
【００３０】
ｐ側電極２０は、ｐ型ＧａＮ層１８上に形成され、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明な材料からなる。本実施形態においては、ｐ側電極１２０は、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。
【００３１】
ｎ側電極２２は、ｐ型ＧａＮ層１８からｎ型ＧａＮ層１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１２上に形成される。ｎ側電極２２は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから構成され、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。
【００３２】
図３に示すように、誘電体多層膜２４は、屈折率の異なる第１材料２４ａと第２材料２４ｂのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜２４は、例えば、第１材料２４ａをＺｒＯ２（屈折率：２．１８）、第２材料２４ｂをＳｉＯ２（屈折率：１．４６）とし、ペア数を５とすることができる。尚、ＺｒＯ２とＳｉＯ２と異なる材料を用いて誘電体多層膜２４を構成してもよく、例えば、ＡｌＮ（屈折率：２．１８）、Ｎｂ２Ｏ３（屈折率：２．４）、Ｔａ２Ｏ３（屈折率：２．３５）等を用いてもよい。
【００３３】
次いで、図４を参照してサファイア基板２について詳述する。図４はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ−Ａ断面を示す模式説明図、（ｃ）が模式拡大説明図である。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、回折面２ａは、平面視にて、各凸部２ｃの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部２ｃにおける高さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ２／Δλ）の関係にある。ここで、各凸部２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１４から発せられる光の光学波長の２倍より大きいことが好ましい。また、各凸部２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１４から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。
【００３５】
本実施形態においては、各凸部２ｃの周期は、４６０ｎｍである。活性層１４から発せられる光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、活性層１４から発せられる光の半値幅は２７ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、７８３７ｎｍである。すなわち、回折面２ａの周期は、活性層１４の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
【００３６】
本実施形態においては、図４（ｃ）に示すように、回折面２ａの各凸部２ｃは、平坦部２ｂから上方へ伸びる側面２ｄと、側面２ｄの上端から凸部２ｃの中心側へ湾曲して伸びる湾曲部２ｅと、湾曲部２ｅと連続的に形成される平坦な上面２ｆとを有する。後述するように、側面２ｄと上面２ｆの会合部により角が形成された湾曲部２ｅ形成前の凸部２ｃのウエットエッチングにより、角を落とすことで湾曲部２ｅが形成される。尚、平坦な上面２ｆが消失して凸部２ｃの上側全体が湾曲部２ｅとなるまでウェットエッチングを施すようにしても差し支えない。本実施形態においては、具体的に、各凸部２ｃは、基端部の直径が３８０ｎｍであり、高さは３５０ｎｍとなっている。サファイア基板２の回折面２ａは、各凸部２ｃの他は平坦部２ｂとなっており、半導体の横方向成長が助長されるようになっている。
【００３７】
ここで、図５から図７Ｃを参照して発光素子１用のサファイア基板２の作製方法について説明する。図５は、サファイア基板を加工するためのプラズマエッチング装置の概略説明図である。
【００３８】
図５に示すように、プラズマエッチング装置９１は、誘導結合型（ＩＣＰ）であり、サファイア基板２を保持する平板状の基板保持台９２と、基板保持台９２を収容する容器９３と、容器９３の上方に石英板９６を介して設けられたコイル９４と、基板保持台９２に接続された電源９５と、を有している。コイル９４は立体渦巻形のコイルであり、コイル中央から高周波電力を供給し、コイル外周の末端が接地されている。エッチング対象のサファイア基板２は直接或いは搬送用トレーを介して基板保持台９２に載置される。基板保持台９２にはサファイア基板２を冷却するための冷却機構が内蔵されており、冷却制御部９７によって制御される。容器９３は供給ポートを有し、Ｏ２ガス、Ａｒガス等の各種ガスが供給可能となっている。
【００３９】
このプラズマエッチング装置１でエッチングを行うにあたっては、基板保持台９２にサファイア基板２を載置した後、容器９３内の空気を排出して減圧状態とする。そして、容器９３内に所定の処理ガスを供給し、容器９３内のガス圧力を調整する。その後、コイル９４及び基板保持台９２に高出力の高周波電力を所定時間供給して、反応ガスのプラズマ９８を生成させる。このプラズマ９８によってサファイア基板２のエッチングを行う。
【００４０】
次いで、図６、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃを参照して、プラズマエッチング装置１を用いたエッチング方法について説明する。
図６は、エッチング方法を示すフローチャートである。図６に示すように、本実施形態のエッチング方法は、マスク層形成工程Ｓ１と、レジスト膜形成工程Ｓ２と、パターン形成工程Ｓ３と、残膜除去工程Ｓ４と、レジスト変質工程Ｓ５と、マスク層のエッチング工程Ｓ６と、サファイア基板のエッチング工程Ｓ７と、マスク層除去工程Ｓ８と、湾曲部形成工程Ｓ９と、を含んでいる。
【００４１】
図７Ａはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ａ）は加工前のサファイア基板を示し、（ｂ）はサファイア基板上にマスク層を形成した状態を示し、（ｃ）はマスク層上にレジスト膜を形成した状態を示し、（ｄ）はレジスト膜にモールドを接触させた状態を示し、（ｅ）はレジスト膜にパターンが形成された状態を示す。
図７Ｂはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ｆ）はレジスト膜の残膜を除去した状態を示し、（ｇ）はレジスト膜を変質させた状態を示し、（ｈ）はレジスト膜をマスクとしてマスク層をエッチングした状態を示し、（ｉ）はマスク層をマスクとしてサファイア基板をエッチングした状態を示す。尚、変質後のレジスト膜は、図中、塗りつぶすことで表現している。
図７Ｃはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ｊ）はマスク層をマスクとしてサファイア基板をさらにエッチングした状態を示し、（ｋ）はサファイア基板から残ったマスク層を除去した状態を示し、（ｌ）はサファイア基板にウェットエッチングを施した状態を示す。
【００４２】
まず、図７Ａ（ａ）に示すように、加工前のサファイア基板２を準備する。エッチングに先立って、サファイア基板２を所定の洗浄液で洗浄しておく。本実施形態においては、サファイア基板２はサファイア基板である。
【００４３】
次いで、図７Ａ（ｂ）に示すように、サファイア基板２にマスク層３０を形成する（マスク層形成工程：Ｓ１）。本実施形態においては、マスク層３０は、サファイア基板２上のＳｉＯ２層３１と、ＳｉＯ２層３１上のＮｉ層３２と、を有している。各層３１，１１２の厚さは任意であるが、例えばＳｉＯ２層を１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、Ｎｉ層３２を１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。尚、マスク層３０は、単層とすることもできる。マスク層３０は、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成される。
【００４４】
次に、図７Ａ（ｃ）に示すように、マスク層３０上にレジスト膜４０を形成する（レジスト膜形成工程：Ｓ２）。本実施形態においては、レジスト膜４０として熱可塑性樹脂が用いられ、スピンコート法により均一な厚さに形成される。レジスト膜４０は、例えばエポキシ系樹脂からなり、厚さが例えば１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。尚、レジスト膜４０として、光硬化性樹脂を用いることもできる。
【００４５】
そして、レジスト膜４０をサファイア基板２ごと加熱して軟化させ、図７Ａ（ｄ）に示すように、モールド５０でレジスト膜４０をプレスする。モールド５０の接触面には凹凸構造５１が形成されており、レジスト膜４０が凹凸構造５１に沿って変形する。
【００４６】
この後、プレス状態を保ったまま、レジスト膜４０をサファイア基板２ごと冷却して硬化させる。そして、モールド５０をレジスト膜４０から離隔することにより、図７Ａ（ｅ）に示すように、レジスト膜４０に凹凸構造４１が転写される（パターン形成工程：Ｓ３）。ここで、凹凸構造４１の周期は１μｍ以下となっている。本実施形態においては、凹凸構造４１の周期は４６０ｎｍである。また、本実施形態においては、凹凸構造４１の凸部４３の直径は１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下となっており、例えば２３０ｎｍである。また、凸部４３の高さは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下となっており、例えば２５０ｎｍである。この状態で、レジスト膜４０の凹部には残膜４２が形成されている。
【００４７】
以上のようにレジスト膜４０が形成されたサファイア基板２を、プラズマエッチング装置１の基板保持台９２に取り付ける。そして、例えばプラズマアッシングにより残膜４２を取り除いて、図７Ｂ（ｆ）に示すように被加工材であるマスク層３０を露出させる（残膜除去工程：Ｓ４）。本実施形態においては、プラズマアッシングの処理ガスとしてＯ２ガスが用いられる。このとき、レジスト膜４０の凸部４３もアッシングの影響を受け、凸部４３の側面４４は、マスク層３０の表面に対して垂直でなく、所定の角度だけ傾斜する。
【００４８】
そして、図７Ｂ（ｇ）に示すようにレジスト膜４０を変質用条件にてプラズマに曝して、レジスト膜４０を変質させてエッチング選択比を高くする（レジスト変質工程：Ｓ５）。本実施形態においては、レジスト膜４０の変質用の処理ガスとして、Ａｒガスが用いられる。また、本実施形態においては、変質用条件として、プラズマをサファイア基板２側に誘導するための電源９５のバイアス出力が、後述のエッチング用条件よりも低くなるよう設定される。
【００４９】
この後、エッチング用条件にてプラズマに曝し、エッチング選択比が高くなったレジスト膜４０をマスクとして被加工材としてのマスク層３０のエッチングを行う（マスク層のエッチング工程：Ｓ６）。本実施形態においては、レジスト膜４０のエッチング用の処理ガスとして、Ａｒガスが用いられる。これにより、図７Ｂ（ｈ）に示すように、マスク層３０にパターン３３が形成される。
【００５０】
ここで、変質用条件とエッチング用条件について、処理ガス、アンテナ出力、バイアス出力等を適宜に変更できるが、本実施形態のように同一の処理ガスを用いてバイアス出力を変えることが好ましい。具体的に、変質用条件について、処理ガスをＡｒガスとし、コイル９４のアンテナ出力を３５０Ｗ、電源９５のバイアス出力５０Ｗとすると、レジスト膜４０の硬化が観察された。そして、エッチング用条件について、処理ガスをＡｒガスとし、コイル９４のアンテナ出力を３５０Ｗ、電源９５のバイアス出力を１００Ｗとすると、マスク層３０のエッチングが観察された。尚、エッチング用条件に対してバイアス出力を低くする他、アンテナ出力を低くしたり、ガス流量を少なくしても、レジストの硬化が可能である。
【００５１】
次に、図７Ｂ（ｉ）に示すように、マスク層３０をマスクとして、サファイア基板２のエッチングを行う（サファイア基板のエッチング工程：Ｓ７）。本実施形態においては、マスク層３０上にレジスト膜４０が残った状態でエッチングが行われる。また、処理ガスとしてＢＣｌ３ガス等の塩素系ガスを用いたプラズマエッチングが行われる。
【００５２】
そして、図７Ｃ（ｊ）に示すように、エッチングが進行していくと、サファイア基板２に回折面２ａが形成される。本実施形態においては、回折面２ａの凹凸構造の高さは、３５０ｎｍである。尚、凹凸構造の高さを３５０ｎｍより大きくすることもできる。ここで、凹凸構造の高さが、例えば３００ｎｍのように比較的浅くするのならば、図７Ｂ（ｉ）に示すように、レジスト膜４０が残留した状態でエッチングを終了しても差し支えない。
【００５３】
本実施形態においては、マスク層３０のＳｉＯ２層３１により、サイドエッチングが助長されて、回折面２ａの凸部２ｃの側面２ｄが傾斜している。また、レジスト膜４０の側面４３の傾斜角によっても、サイドエッチングの状態を制御することができる。尚、マスク層３０をＮｉ層３２の単層とすれば、凸部２ｃの側面２ｄを主面に対してほぼ垂直にすることができる。
【００５４】
この後、図７Ｂ（ｋ）に示すように、所定の剥離液を用いてサファイア基板２上に残ったマスク層３０を除去する（マスク層除去工程：Ｓ８）。本実施形態においては、高温の硝酸を用いることでＮｉ層３２を除去した後、フッ化水素酸を用いてＳｉＯ２層３１を除去する。尚、レジスト膜４０がマスク層３０上に残留していても、高温の硝酸でＮｉ層３２とともに除去することができるが、レジスト膜４０の残留量が多い場合はＯ２アッシングにより予めレジスト膜４０を除去しておくことが好ましい。
【００５５】
そして、図７Ｂ（ｌ）に示すように、ウェットエッチングにより凸部２ｃの角を除去して湾曲部を形成する（湾曲部形成工程：Ｓ９）。ここで、エッチング液は任意であるが、例えば１７０℃程度に加温したリン酸水溶液、いわゆる“熱リン酸”を用いることができる。尚、この湾曲部形成工程は、適宜省略することができる。以上の工程を経て、表面に凹凸構造を有するサファイア基板２が作製される。
【００５６】
このサファイア基板２のエッチング方法によれば、レジスト膜４０をプラズマに曝して変質させたので、マスク層３０とレジスト膜４０のエッチングの選択比を高くすることができる。これにより、マスク層３０に対して微細で深い形状の加工を施しやすくなり、微細な形状のマスク層３０を十分に厚く形成することができる。
【００５７】
また、プラズマエッチング装置１により、レジスト膜４０の変質と、マスク層３０のエッチングとを連続的に行うことができ、工数が著しく増大することもない。本実施形態においては、電源９５のバイアス出力を変化させることにより、レジスト膜４０の変質とマスク層３０のエッチングとを行っており、簡単容易にレジスト膜４０の選択比を高くすることができる。
【００５８】
さらに、十分に厚いマスク層３０をマスクとして、サファイア基板２のエッチングを行うようにしたので、サファイア基板２に対して微細で深い形状の加工を施しやすくなる。特に、サファイア基板において、周期が１μｍ以下で深さが３００ｎｍ以上の凹凸構造を形成することは、マスク層が形成された基板上にレジスト膜を形成し、レジスト膜を利用してマスク層のエッチングを行うエッチング方法では従来は不可能であったが、本実施形態のエッチング方法では可能となる。特に、本実施形態のエッチング方法では、周期が１μｍ以下で深さが５００ｎｍ以上の凹凸構造を形成するのに好適である。
【００５９】
ナノスケールの周期的な凹凸構造はモスアイと称されるが、このモスアイの加工をサファイアに行う場合、サファイアは難削材であることから、２００ｎｍ程度の深さまでしか加工ができなかった。しかしながら、２００ｎｍ程度の段差では、モスアイとして不十分な場合があった。本実施形態のエッチング方法は、サファイア基板にモスアイ加工を施す場合の新規な課題を解決したものといえる。
【００６０】
尚、被加工材として、ＳｉＯ２／Ｎｉからなるマスク層３０を示したが、マスク層３０がＮｉの単層であったり他の材料であってもよいことは勿論である。要は、レジストを変質させて、マスク層３０とレジスト膜４０のエッチング選択比を高くすればよいのである。
【００６１】
また、プラズマエッチング装置１のバイアス出力を変化させて変質用条件とエッチング用条件とするものを示したが、アンテナ出力、ガス流量を変化させる他、例えば処理ガスを変更することで設定してもよい。要は、変質用条件は、レジストがプラズマに曝された際に変質してエッチング選択比が高くなる条件であればよい。
【００６２】
また、マスク層３０としてＮｉ層３２が含まれるものを示したが、他の材料のエッチングであっても本発明を適用可能なことはいうまでもない。尚、本実施形態のサファイア基板のエッチング方法は、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＺｎＯ等の基板にも適用可能である。
【００６３】
以上のように作製されたサファイア基板２の回折面２ａ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（半導体形成工程）、各電極を形成し、裏面に誘電体多層膜２４及びＡｌ層２６を形成した後（多層膜形成工程）、ダイシングにより複数の発光素子１に分割することにより、発光素子１が製造される。
【００６４】
以上のように構成された発光素子１では、活性層１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部２ｃが形成された回折面２ａと、回折面２ａにて回折した光を反射して回折面２ａへ再入射させる反射部と、を備えることにより、サファイア基板２とIII族窒化物半導体層の界面にて、全反射臨界角を超える角度で入射する光についても回折作用を利用して素子外部へ光を取り出すことができる。具体的には、回折作用により透過した光を回折面２ａに再入射させて、回折面２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。本実施形態については、回折作用により光を取り出していることから、散乱作用により光を取り出すものとは異質な作用効果を奏し、発光素子１の光取り出し効率を飛躍的に向上させることができる。
【００６５】
また、本実施形態の発光素子１では、凸部２ｃが短い周期で形成されているので、単位面積あたりの凸部２ｃの数が多くなる。凸部２ｃがコヒーレント長の２倍を超える場合は、この凸部２ｃに転位の起点となる角部が存在したとしても、転位密度が小さいために発光効率には殆ど影響を与えない。しかしながら、凸部２ｃの周期がコヒーレント長より小さくなると、半導体積層部１９のバッファ層１０中の転位密度が大きくなり、発光効率の低下が顕著となる。この傾向は、周期が１μｍ以下となるとさらに顕著になる。尚、発光効率の低下は、バッファ層１０の製法によらず発生し、ＭＯＣＶＤ法で形成されていても、スパッタリング法で形成されていても生じる。本実施形態においては、各凸部２ｃの上側に転位の起点となる角部がないので、バッファ層１０の形成時に当該角部を起点として転位が生じることはない。この結果、多重量子井戸活性層１４においても、転位の密度が比較的小さい結晶となっており、回折面２ａに凸部２ｃ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。
【００６６】
ここで、本願発明者らは、サファイア基板２の裏面に誘電体多層膜２４を含む反射部を設けることにより、発光素子１の光取り出し効率が顕著に増大することを見いだした。反射部をＡｌ層単体とした場合と比較して、反射率が９０％以上の反射部とすることにより、光取り出し効率が２０％以上向上する。サファイア基板２の裏面に誘電体多層膜２４を含む反射部を設けた場合、反射部の反射率が仮に９０％だとしても、Ａｌ層の反射率が約８０％であるから、反射率だけを見ればたかだか約１０％の向上である。そして、サファイア基板２の表面が平坦である場合は、サファイア基板２の裏面の反射率が１０％程度向上したとしても、素子全体の光取り出し効率は１０％程度しか向上しない。しかしながら、サファイア基板２の表面に回折面２ａが形成され、回折面２ａ上に活性層１４を含む半導体層が形成されている場合は、光取り出し効率が２０％以上向上し、これは当業者の予測の範囲を超えたサファイア基板２の表面にモスアイ構造が形成された素子特有の作用効果ということができる。
【００６７】
図８は、表面が凹凸により回折面となっているサファイア基板を使用した発光素子と、表面が平面状のサファイア基板を使用した発光素子における、順方向電流と光出力の関係を示すグラフである。データ取得にあたっては、実施例として、表面に高さ３５０ｎｍの凸部を４６０ｎｍの周期で形成し、裏面に誘電体多層膜及びＡｌ層を形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。また、比較例１として、表面に高さ３５０ｎｍの凸部を４６０ｎｍの周期で形成し、裏面にＡｌ層のみを形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。また、比較例２として、表面が平坦で裏面に誘電体多層膜及びＡｌ層を形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。また、比較例３として、表面が平坦で裏面にＡｌ層のみを形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。尚、各試料体の半導体積層部は全て同一の構成で、発光層からは４５０ｎｍの波長の光が発せられるようにした。また、各試料体の誘電体多層膜は、５１．６ｎｍのＺｒＯ２と７６．７６ｎｍＳｉＯ２の組み合わせでペア数を５とした。
【００６８】
図８に示すように、実施例と比較例１を見ると、サファイア基板の表面を回折面とし、サファイア基板の裏面に誘電体多層膜及びＡｌ層を形成すると、裏面にＡｌ層のみを形成した場合と比べて光出力が大幅に増加することが理解される。尚、比較例２と比較例３からサファイア基板の表面が平坦な場合であっても光出力が増加することが理解されるが、サファイア基板の表面が回折面である場合にはこの作用が顕著となる。
【００６９】
図９は、実施例の反射部の反射率を示すグラフである。実施例では、誘電体多層膜をＺｒＯ２とＳｉＯ２の組み合わせでペア数を５とし、誘電体多層膜に重ねてＡｌ層を形成した。図９に示すように、４２０ｎｍから５００ｎｍにわたってほぼ１００％の反射率が実現されている。
【００７０】
図１０は、表面に凹凸によるモスアイ加工が施されたサファイア基板（ＭＰＳＳ基板）を使用した発光素子と、表面が平面状のサファイア基板（ＦＬＡＴ基板）を使用した発光素子と、表面に比較的大きな凹凸加工が施されたサファイア基板（ＰＳＳ基板）を使用した発光素子の、サファイア基板の裏面に誘電体多層膜及びＡｌ層を形成した場合の光出力が、裏面にＡｌ層のみ形成した場合と比較してどれだけ増加したかを示す表である。ＭＰＳＳ基板については実施例と比較例１の光出力から増加率を求め、ＦＬＡＴ基板については比較例２と比較例３の光出力から増加率を求めた。また、比較例４として、表面に高さ７００ｎｍ、直径５０００ｎｍの凸部を６８００ｎｍの周期で形成し、裏面に誘電体多層膜及びＡｌ層を形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。また、比較例５として、表面に高さ７００ｎｍ、直径５０００ｎｍの凸部を６８００ｎｍの周期で形成し、裏面にＡｌ層のみを形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。ＰＳＳ基板については比較例４と比較例５の光出力から増加率を求めた。
【００７１】
図１０に示すように、ＭＰＳＳ基板では光出力が２６％増加しているのに対し、ＦＬＡＴ基板では１２％の増加にとどまっている。さらに、表面に凹凸構造を有するＰＳＳ基板ではわずか２％しか増加しない。これは、ＰＳＳ基板が回折作用でなく散乱作用を利用して光を取り出しているからと考えられる。
【００７２】
図１１から図１３は、反射部を誘電体多層膜のみとした場合の反射率を示すグラフである。図１１は、誘電体多層膜を５１．６ｎｍのＺｒＯ２と７６．７６ｎｍＳｉＯ２の組み合わせでペア数を２０とした場合の反射率を示している。図１２は、誘電体多層膜を５１．６ｎｍのＺｒＯ２と７６．７６ｎｍＳｉＯ２の組み合わせでペア数を１０とした場合の反射率を示している。図１３は、誘電体多層膜を５１．６ｎｍのＺｒＯ２と７６．７６ｎｍＳｉＯ２の組み合わせでペア数を５とした場合の反射率を示している。
【００７３】
図１１に示すように、ペア数を２０とすると、４００ｎｍから５１０ｎｍにわたって反射率をほぼ１００％とすることができる。また、図１２に示すように、ペア数を１０とすると、４２０ｎｍから４８０ｎｍにわたって反射率をほぼ１００％とすることができる。すなわち、ペア数が１０以上であれば、Ａｌ層なしであっても、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
一方で、図１１から図１３に示すように、誘電体多層膜のペア数を多くすれば誘電体多層膜が狙っている波長の反射率を向上させることができる反面、高反射率の波長域の外側で反射率が急激に低下するという不都合が生ずる。
【００７４】
また、図１３に示すように、ペア数を５とすると、反射率が９０％に満たなくなる。この場合は、Ａｌ層を重ねて設けることにより、図９に示すように４２０ｎｍから５００ｎｍにわたって反射率をほぼ１００％とすることができ、反射率が急激に低下するという不都合を回避しつつ高い反射率を実現することができる。
【００７５】
ここで、誘電体多層膜を被覆する金属膜としてＡｌ層以外の構成とすることも可能である。図１４は、金属膜としてＡｇを用いた場合の反射部の反射率を示すグラフである。図１４に示すように、４２０ｎｍから５３０ｎｍにわたってほぼ１００％の反射率が実現されている。
【００７６】
図１５から図１８は本発明の第２の実施形態を示すものであり、図１５は発光素子の模式断面図である。
【００７７】
図１５に示すように、発光素子１００は、回折面１０２ａを有するサファイア基板１０２上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１１９が形成されたものである。III族窒化物半導体層は、バッファ層１１０、ｎ型ＧａＮ層３２、多重量子井戸活性層１１４、電子ブロック層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８をサファイア基板１０２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１１８上にはｐ側電極１２０が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層３２上にはｎ側電極１２２が形成されている。また、サファイア基板１０２の裏面側には、誘電体多層膜１２４が形成されている。さらに、誘電体多層膜１２４の下面にはＡｌ層１２６が形成されている。
【００７８】
サファイア基板１０２は、窒化物半導体が成長されるｃ面（｛０００１｝）である回折面１０２ａを有している。回折面１０２ａには、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。各凹部１０２ｃの形状は、円錐、多角錘等の形状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凹部１０２ｃにより、光の回折作用を得ることができる。
【００７９】
バッファ層１１０は、サファイア基板１０２の回折面１０２ａ上に形成され、ＧａＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１１０は、後述するｎ型ＧａＮ層１１２等よりも低温にて成長されている。また、バッファ層１１０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回折面１０２ａ側に有している。
【００８０】
ｎ型ＧａＮ層１１２、多重量子井戸活性層１１４、電子ブロック層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８、ｐ側電極１２０、ｎ側電極１２２は、誘電体多層膜１２４及びＡｌ層１２６は、第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態においても、回折作用により透過した光を回折面１０２ａに再入射させて、回折面１０２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。本願発明者らは、反射部として誘電体多層膜１２４を用いることで、発光素子１００の光取り出し効率が飛躍的に向上することを見出した。
【００８１】
次いで、図１６を参照してサファイア基板１０２について詳述する。図１６はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＢ−Ｂ断面を示す模式縦断面図である。
【００８２】
図１６（ａ）に示すように、回折面１０２ａ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、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凹部１０２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。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。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ２／Δλ）の関係にある。ここで、各凹部１０２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光の光学波長の２倍より大きいことが好ましい。また、各凹部１０２ｃの周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。
【００８３】
本実施形態においては、各凹部１０２ｃの周期は、５００ｎｍである。活性層１１４から発せられる光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、活性層１１４から発せられる光の半値幅は６３ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、３２１４ｎｍである。すなわち、回折面１０２ａの周期は、活性層１１４の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
【００８４】
本実施形態においては、図１６（ｂ）に示すように、回折面１０２ａの各凹部１０２ｃは、円錐状に形成される。具体的に、各凹部１０２ｃは、基端部の直径が２００ｎｍであり、深さは５００ｎｍとなっている。サファイア基板１０２の回折面１０２ａは、各凹部１０２ｃの他は平坦部１０２ｂとなっており、半導体層の横方向成長が助長されるようになっている。
【００８５】
ここで、図１７及び図１８を参照して発光素子１００用のサファイア基板１０２の作製方法について説明する。図１７は、サファイア基板を加工する説明図であり、（ａ）は回折面に第１マスク層が形成された状態を示し、（ｂ）は第１マスク層上にレジスト層が形成された状態を示し、（ｃ）はレジスト層に選択的に電子線を照射する状態を示し、（ｄ）はレジスト層を現像して除去した状態を示し、（ｅ）は第２マスク層が形成された状態を示している。
【００８６】
まず、図１７（ａ）に示すように、平板状のサファイア基板１０２を用意し、サファイア基板１０２の表面に第１マスク層１３０を形成する。第１マスク層１３０は、例えばＳｉＯ２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。第１マスク層１３０の厚さは、任意であるが、例えば１．０μｍである。
【００８７】
例えば、マグネトロンスパッタリング装置を用いて第１マスク層１３０を形成する場合、Ａｒガスを用い、高周波（ＲＦ）電源を用いることができる。具体的には、例えば、Ａｒガスを２５ｓｃｃｍとし、ＲＦ電源の電力を材料に応じて２００〜５００Ｗとして、６００ｎｍの第１マスク層１３０をサファイア基板１０２に堆積することができる。このとき、スパッタリングの時間は適宜調節することができる。
【００８８】
次いで、図１７（ｂ）に示すように、サファイア基板１０２の第１マスク層１３０上にレジスト層１３２を形成する。レジスト層１３２は、例えば、日本ゼオン社製のＺＥＰ等の電子線感光材料からなり、第１マスク層１３０上に塗布される。レジスト層１３２の厚さは、任意であるが、例えば１００ｎｍから２．０μｍである。
【００８９】
例えば、スピンコーティングによりレジスト層１３２を形成する場合、スピナーの回転数を１５００ｒｐｍとして均一な膜を形成した後、１８０℃で４分間ベーキングを行って硬化させることにより、１６０〜１７０ｎｍの膜厚のレジスト層１３２を得ることができる。具体的にレジスト層１３２の材料として、日本ゼオン社製のＺＥＰと、日本ゼオン社製の希釈液ＺＥＰ−Ａとを、１：１．４の割合で混合したものを用いることができる。
【００９０】
次に、図１７（ｃ）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開口１３４ａを有している。
【００９１】
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。本実施形態においては、ウェハ状のサファイア基板１０２に一括して複数の発光素子１００に対応する凹部１０２ｃを作成し、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長後にダイシングすることにより、複数の発光素子１００を製造する。従って、ステンシルマスク１３４の肉厚部を、ダイシングブレードの通過位置に対応させて形成することが可能となっている。尚、肉厚部は、サファイア基板１０２側に突出しても、サファイア基板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。サファイア基板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。
【００９２】
この後、図１７（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。具体的には、例えば、１０〜１００μＣ／ｃｍ２の電子ビームを用いて、ステンシルマスク１３４のパターンをレジスト層１３２に転写する。尚、電子線は、ステンシルマスク１３４上においてスポット状に照射されるため、実際には電子線を走査させることにより、ステンシルマスク１３４の全面わたって電子線を照射することとなる。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。
【００９３】
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１７（ｄ）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。レジスト層１３２として日本ゼオン社製のＺＥＰを用いた場合、現像液として例えば酢酸アミルを用いることができる。また、現像後にリンス液にて洗浄するか否かは任意であるが、レジスト層１３２として日本ゼオン社製のＺＥＰを用いた場合、リンス液として例えばＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を用いることができる。
【００９４】
次いで、図１７（ｅ）に示すように、レジスト層１３２がパターンニングされた第１マスク層１３０上に、第２マスク層１３６を形成する。このようにして、第１マスク層１３０上に第２マスク層１３６を電子線照射を利用してパターンニングする。第２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。第２マスク層１３６の厚さは、任意であるが、例えば２０ｎｍである。第２マスク層１３６も、第１マスク層１３０と同様に、例えば、マグネトロンスパッタリング装置を用いて形成することができる。
【００９５】
図１８はサファイア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）は第２マスク層をマスクとして第１マスク層をエッチングした状態を示し、（ｃ）は第２マスク層を除去した状態を示し、（ｄ）第１マスク層をマスクとして回折面をエッチングした状態を示し、（ｅ）は第１マスク層を除去した状態を示している。
【００９６】
図１８（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。また、レジスト層１３２除去後にリンス液にて洗浄するか否かは任意であるが、リンス液として例えばアセトン、メタノール等を用いて洗浄を行うことができる。これにより、第１マスク層１３０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第２マスク層１３６のパターンが形成される。
【００９７】
次いで、図１８（ｂ）に示すように、第２マスク層１３６をマスクとして、第１マスク層１３０のドライエッチングを行う。これにより、第１マスク層１３０に開口１３０ａが形成され、第１マスク層１３０のパターンが形成される。このとき、エッチングガスとして、第２マスク層１３６に比してサファイア基板１０２及び第１マスク層１３０が耐性を有するものが用いられる。例えば、第１マスク層１３０がＳｉＯ２で第２マスク層１３６がＮｉである場合、ＳＦ６等のフッ素系ガスを用いると、ＮｉはＳｉＯ２に対してエッチングの選択比が１００程度であることから、第１マスク層１３０のパターンニングを的確に行うことができる。
【００９８】
この後、図１８（ｃ）に示すように、第１マスク層１３０上の第２マスク層１３６を除去する。第１マスク層１３０がＳｉＯ２であり、第２マスク層１３６がＮｉである場合、水で希釈して１：１程度で混合した塩酸及び硝酸に浸漬したり、アルゴンガスによるドライエッチングによりＮｉを除去することができる。
【００９９】
そして、図１８（ｄ）に示すように、第１マスク層１３０をマスクとして、サファイア基板１０２のドライエッチングを行う。このとき、サファイア基板１０２のうち第１マスク層１３０が除去された部位のみがエッチングガスに曝されることになるため、サファイア基板１０２にステンシルマスク１３４の各開口１３４ａの反転パターンを転写することができる。このとき、第１マスク層１３０は、サファイア基板１０２よりも、エッチングガスへの耐性が大きいため、第１マスク層１３０に被覆されていない箇所を選択的にエッチングすることができる。そして、サファイア基板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第１マスク層１３０に転写された開口１３０ａは、直径５０ｎｍであるが、エッチングが深さ方向に進行するにつれて、サイドエッチングも進行するため、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。本実施形態においては、エッチングの進行に伴って、第１マスク層１３０とサファイア基板１０２との接点が失われて、第１マスク層１３０が外縁から除去されていく。ここで、エッチングガスとしては、例えば、ＢＣｌ３等の塩素系ガスが用いられる。尚、サイドエッチングが進行しない第１マスク層１３０とエッチングガスの組合せを選択する場合は、ステンシルマスク１３４の開口１３４ａの反転パターンが、各凹部１０２ｃの基端部と同一形状となるよう設計すればよい。
【０１００】
この後、図１８（ｅ）に示すように、所定の剥離液を用いてサファイア基板１０２上に残った第１マスク層１３０を除去する。剥離液としては、例えば、第１マスク層１３０にＳｉＯ２が用いられている場合は希弗酸を用いることができる。
【０１０１】
以上のように作製されたサファイア基板１０２の回折面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、各電極を形成した後に、ダイシングにより複数の発光素子１００に分割することにより、発光素子１００が製造される。
【０１０２】
以上のように発光素子１００を製造すると、サファイア基板１０２の回折面１０２ａに凹部１０２ｃが形成されているものの、III族窒化物半導体層の横方向成長による平坦化の際に転位の終端が生じるので、III族窒化物半導体層にて転位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１１４においても、転位の密度が比較的低い結晶となっており、回折面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。
【０１０３】
ここで、本願発明者らは、サファイア基板１０２の裏面に誘電体多層膜１２４を含む反射部を設けることにより、発光素子１００の光取り出し効率が顕著に増大することを見いだした。反射部をＡｌ層単体とした場合と比較して、反射率が９０％以上の反射部とすることにより、光取り出し効率が２０％以上向上する。サファイア基板１０２の裏面に誘電体多層膜１２４を含む反射部を設けた場合、反射部の反射率が仮に９０％だとしても、Ａｌ層の反射率が約８０％であるから、反射率だけを見ればたかだか約１０％の向上である。そして、サファイア基板１０２の表面が平坦である場合は、サファイア基板１０２の裏面の反射率が１０％程度向上したとしても、素子全体の光取り出し効率は１０％程度しか向上しない。しかしながら、サファイア基板１０２の表面に回折面１０２ａが形成され、回折面１０２ａ上に活性層１１４を含む半導体層が形成されている場合は、光取り出し効率が２０％以上向上し、これは当業者の予測の範囲を超えたサファイア基板１０２の表面にモスアイ構造が形成された素子特有の作用効果ということができる。
【０１０４】
尚、前記実施形態においては、回折面１０２ａに複数の凹部１０２ｃが形成されたものを示したが、例えば図１９に示すように、サファイア基板１０２の回折面１０２ａに複数の角柱状の凸部２０２ｃを形成してもよい。図１９の発光素子２００は、図１５の発光素子２００の回折面２０２ａを変更したものであり、角柱状の凸部２０２ｃが所定の周期で仮想の正方格子の交点に整列して形成される。さらに、凹部又は凸部を三角錐状、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も適宜に変更可能であることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明の半導体発光素子及びその製造方法は、光取り出し効率を向上させることができるので、産業上有用である。
【符号の説明】
【０１０６】
１  発光素子
２  サファイア基板
２ａ  回折面
２ｂ  平坦部
２ｃ  凸部
２ｄ  側面
２ｅ  湾曲部
２ｆ  上面
１０  バッファ層
１２  ｎ型ＧａＮ層
１４  多重量子井戸活性層
１６  電子ブロック層
１８  ｐ型ＧａＮ層
２０  ｐ側電極
２２  ｎ側電極
２４  誘電体多層膜
２４ａ 第１材料
２４ｂ 第２材料
２６  Ａｌ層
３０  マスク層
３１  ＳｉＯ２層
３２  Ｎｉ層
４０  レジスト膜
４１  凹凸構造
４２  残膜
４３  凸部
５０  モールド
５１  凹凸構造
９１  プラズマエッチング装置
９２  基板保持台
９３  容器
９４  コイル
９５  電源
９６  石英板
９７  冷却制御部
９８  プラズマ
１００ 発光素子
１０２ サファイア基板
１０２ａ 回折面
１０２ｂ 平坦部
１０２ｃ 凹部
１１０ バッファ層
１１２ ｎ型ＧａＮ層
１１４ 多重量子井戸活性層
１１６ 電子ブロック層
１１８ ｐ型ＧａＮ層
１２０ ｐ側電極
１２２ ｎ側電極
１２４ 誘電体多層膜
１３０ 第１マスク層
１３０ａ 開口
１３２ レジスト層
１３２ａ 開口
１３４ ステンシルマスク
１３４ａ 開口
１３６ 第２マスク層
２００ 発光素子
２０２ サファイア基板
２０２ａ 回折面
２０２ｃ 凸部
【要約】
【課題】さらに光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体発光素子において、発光層を含む半導体積層部と、半導体積層部が表面上に形成されるサファイア基板と、を備え、サファイア基板の表面に発光層から発せられる光が入射し、サファイア基板の表面には、発光層から発せられる光の光学波長より大きくコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成され、サファイア基板の裏面には、表面を透過した光を反射して表面へ再入射させる反射部が形成され、反射部が、誘電体多層膜を含み、発光層から発せられる光の波長域で反射率が９０％以上であるようにした。
【選択図】図１【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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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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