(57)【要約】【課題】内部電界が０となる面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる発光素子の製造方法において、光取り出し効率を向上させること。【解決手段】ａ面サファイア基板２０の一方の表面をドライエッチングして、複数のドット状の凸部１８をハニカム状に配列した凹凸パターンに加工し、凸部１８形成側のサファイア基板２０表面上に、ｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体からなるｎ型層１５、発光層１４、ｐ型層１３を形成する。次に、ｐ型層１３上にｐ電極１２を形成し、ｐ電極１２と支持基板１０とを金属層１１を介して接合する。次に、レーザーリフトオフによりサファイア基板２０を除去する。露出するｎ型層１５表面１５ａには、凸部１８による凹凸パターンが転写されて凹部１７による凹凸パターンが形成される。次に、ｎ型層１５表面１５ａをウェットエッチングして多数のエッチピット１９を形成する。【選択図】図１
2011211075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の表面に凹凸パターンが設けられたサファイア基板を用い、その凹凸パターンによる凹部あるいは凸部側面からIII 族窒化物半導体を結晶成長させることによって、前記サファイア基板の凹凸パターンが設けられた側の表面上に、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面を主面とするIII 族窒化物半導体であるｎ型層、発光層、ｐ型層を順に積層する工程と、
前記ｐ型層上にｐ電極を形成する工程と、
前記ｐ電極と支持基板とを接合する工程と、
レーザーリフトオフにより前記サファイア基板を除去し、その前記サファイア基板側であった前記ｎ型層表面に、前記凹凸パターンを反転したパターンである凹凸パターンを露出させる工程と、
前記サファイア基板の除去により露出した前記ｎ型層表面を、ウェットエッチングしてエッチピットを形成する工程と、
を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記凹凸パターンは、複数のドット状の凸部が配列されたパターンである、ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の電界強度の内部電界が存在する面は、ｍ面、ａ面、またはｃ面方向に対して６０°をなす面に対して５°以内の角度を成す面であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記サファイア基板の一方の表面に凹凸パターンを形成した後、前記ｎ型層を形成する前に、前記サファイア基板の凹凸パターンを形成した側の表面に、透光性を有した絶縁膜のパターニングによる凹凸パターンを設ける工程を有する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族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、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界に対し、１０％以下の電界強度の内部電界が存在する面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものであり、特に光取り出し効率を向上させることができる製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のIII 族窒化物半導体発光素子は、III 族窒化物半導体のｃ面を用いて構成されている。そのため、結晶内にピエゾ分極による内部電界が生じ、発光効率の低下や結晶性の低下などの問題を生じさせていた。そこで近年、ｍ面やａ面などの内部電界が０となる面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子が検討されている。このようなｍ面やａ面などを主面とするIII 族窒化物半導体発光素子は、発光する光が特定方向に偏光しているため、液晶パネルのバックライトなどに特に有用である。
【０００３】
内部電界が０となる面を主面とするIII 族窒化物半導体を形成する方法として、たとえば特許文献１、２の方法が知られている。特許文献１、２では、サファイア基板を凹凸加工し、凹部あるいは凸部側面からＧａＮを結晶成長させることで、ｍ面、ａ面など任意の面を主面とするIII 族窒化物半導体を形成することができることが記載されている。
【０００４】
一方、III 族窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を向上させる技術として、特許文献３に記載の方法がある。これは、以下のような方法である。まず、凹凸加工を施したサファイア基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型層およびｐ電極を順に形成する。次に、接合層を介してｐ電極と支持体とを接合し、その後レーザーリフトオフによってサファイア基板を除去する。ここで、サファイア基板が除去されて露出する側のｎ型層表面には、サファイア基板の凹凸パターンが転写される。次にｎ型層表面を強アルカリ溶液によってウェットエッチングして、ｎ型層表面の凹凸パターンよりも微細な凹凸を設ける。このように、ｎ型層表面に凹凸パターンと微細な凹凸とを設けることで光取り出し効率を向上させることができる。III 族窒化物半導体の面方位について特許文献２には特に記載はないが、ｃ面を主面とするものであると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３６５６１
【特許文献２】特開２００９−２０３１５１
【特許文献３】特開２００７−３６２４０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
内部電界が０となる面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子においても、光取り出し効率を向上させることが課題となっている。
【０００７】
光取り出し効率を向上させる方法としては、III 族窒化物半導体層表面に凹凸加工を施すことが考えられる。しかし、III 族窒化物半導体のｍ面、ａ面などの非極性面は、強アルカリ溶液に耐性があり、ウェットエッチングが容易でない。また、ドライエッチングによる凹凸加工では結晶にダメージがあるため望ましくない。
【０００８】
そこで本発明の目的は、内部電界が０となる面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、一方の表面に凹凸パターンが設けられたサファイア基板を用い、その凹凸パターンによる凹部あるいは凸部側面からIII 族窒化物半導体を結晶成長させることによって、サファイア基板の凹凸パターンが設けられた側の表面上に、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面を主面とするIII 族窒化物半導体であるｎ型層、発光層、ｐ型層を順に積層する工程と、ｐ型層上にｐ電極を形成する工程と、ｐ電極と支持基板とを接合する工程と、レーザーリフトオフによりサファイア基板を除去し、そのサファイア基板側であったｎ型層表面に、凹凸パターンを反転したパターンである凹凸パターンを露出させる工程と、サファイア基板の除去により露出したｎ型層表面を、ウェットエッチングしてエッチピットを形成する工程と、を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１０】
ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。
【００１１】
ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面（以下、非極性面とする）とは、たとえば、III 族窒化物半導体のｃ面に対して９０°を成す無極性面（たとえばｍ面やａ面）や、ｃ面に対して約６０°を成す半極性面（たとえば（１１−２２）面など）に対して５°以内の角度を成した面である。最も望ましいのは内部電界が０となる面であり、ｃ面に対して９０°を成す無極性面（ｍ面やａ面など）や、ｃ面に対して約６０°を成す半極性面である。なお、ミラー指数において負の方向は本来、数字の上にバーを付けて表記するが、本明細書では数字の左に負号−を付けて表記するものとする。内部電界の強度をｃ面の場合の内部電界強度に対して１０％以下とするのは、この範囲であれば、実質的に、発光効率を低下させることがなく、また長波長側への波長シフトをなくすることができるからである。
【００１２】
凹凸が設けられたサファイア基板上に形成されるIII 族窒化物半導体の面方位は、サファイア基板の主面の面方位と、凹凸による側面の面方位とによって決定される。したがって、用いるサファイア基板の主面の面方位と凹凸のパターンによって、サファイア基板上に任意の面を主面とするIII 族窒化物半導体を成長させることが可能であり、特に内部電界０となる面を主面とするIII 族窒化物半導体を成長させることが可能である。これについては、特許文献１、２に詳しい記載がある通りである。たとえば、サファイア基板の主面をａ面とし、ｍ軸方向に伸びるストライプ状の凹部を有した凹凸パターンとすれば、ｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体をサファイア基板上に形成することができる。
【００１３】
ウェットエッチングには、強アルカリ溶液を用いることができ、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨなどを用いることができる。また、リン酸などを用いることもできる。
【００１４】
凹凸パターンは、ストライプ状、ドット状など、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面を主面とするIII 族窒化物半導体を結晶成長可能な任意の凹凸パターンでよい。ただし、ストライプ状よりもドット状の凹凸パターンとすることが、光取り出し効率をより向上できるため望ましい。これは、ストライプ状とした場合、ストライプ方向に伝搬する光の方向を変化させることができず、光を取り出すことができないためである。
【００１５】
ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面を主面とするIII 族窒化物半導体を形成するのに適した凹凸パターンと、光取り出し効率の向上に適した凹凸パターンとは必ずしも一致しない。そこで、凹凸加工されたサファイア基板上に、所定のパターンのＳｉＯ2 などの透光性を有した絶縁膜を形成してさらに第２の凹凸パターンを形成し、サファイア基板に設けた第１の凹凸パターンと、絶縁膜による第２の凹凸パターンとの組み合わせによって、より光取り出し効率の向上に適した凹凸パターンを、サファイア基板の除去により露出するｎ型層表面上に形成することができる。たとえば、サファイア基板に設ける凹凸パターンをストライプ状とした場合、サファイア基板のストライプ方向と角度を成した方向をストライプ方向とするストライプ状の凹凸パターンを、サファイア基板に絶縁膜により設けることで、光取り出し効率の向上に適した凹凸パターンとすることができる。また、絶縁膜による第２の凹凸パターンによって、ｎ型層表面上に形成される凹凸パターンの凹凸をより深くすることで、ウェットエッチングされやすい−ｃ面を凹部または凸部側面に広く露出させることができるので、より深いエッチピットをより多く形成することができ、光取り出し効率をより向上させることができる。
【００１６】
ｎ型層表面の凹凸パターン、およびエッチピットによる凹凸は、ｎ型層表面のｎ電極形成領域には設けないことが望ましい。ｎ電極とｎ型層の凹凸との界面において光が多重反射して減衰し、光取り出し効率を悪化させてしまうからである。
【００１７】
支持基板には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗなどの基板を用いることができ、金属層を介してｐ電極と支持基板を接合する。金属層には、Ａｕ−Ｓｎ層、Ａｕ−Ｓｉ層、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ層、Ｓｎ−Ｂｉ層などの金属共晶層である低融点金属を用いることができ、低融点金属ではないがＡｕ層、Ｓｎ層、Ｃｕ層などを用いることもできる。また、ｐ電極上に直接めっきやスパッタなどによってＣｕなどの金属層を形成して支持基板としてもよい。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明において、凹凸パターンは、複数のドット状の凸部が配列されたパターンである、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１９】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面は、ｍ面、ａ面、またはｃ面方向に対して６０°をなす面に対して５°以内の角度を成す面であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００２０】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、サファイア基板の一方の表面に凹凸パターンを形成した後、ｎ型層を形成する前に、サファイア基板の凹凸パターンを形成した側の表面に、透光性を有した絶縁膜のパターニングによる凹凸パターンを設ける工程を有する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００２１】
絶縁膜には、ＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＡｌＮ、などを用いることができる。
【発明の効果】
【００２２】
第１の発明によると、従来凹凸を設けることが難しかった、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面を主面とするIII 族窒化物半導体発光素子においても、ｎ型層表面に凹凸パターンを形成することができる。さらに、サファイア基板の除去により露出する面は、成長初期の結晶であるから結晶欠陥が多く、ウェットエッチングによってエッチピットを多数形成することができる。このｎ型層表面の凹凸パターンと、エッチピットによる微細な凹凸によって、光取り出し効率を向上させることができる。
【００２３】
また、第２の発明に、複数のドット状の凸部を配列した凹凸パターンとすることで、光取り出し効率をより向上させることができる。
【００２４】
また、第３の発明のように、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面として、ｍ面、ａ面、またはｃ面に対して６０°を成す面に対して５°以内の角度を成す面を採用することができる。
【００２５】
また、第４の発明によれば、サファイア基板表面に形成する凹凸パターンと、絶縁膜による凹凸パターンとの組み合わせによって、ｎ型層表面により光取り出し効率の向上に適した凹凸パターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１の発光素子１の構成を示した図。
【図２．Ａ】実施例１の発光素子１の製造工程を示した図。
【図２．Ｂ】実施例１の発光素子１の製造工程を示した図。
【図２．Ｃ】実施例１の発光素子１の製造工程を示した図。
【図２．Ｄ】実施例１の発光素子１の製造工程を示した図。
【図２．Ｅ】実施例１の発光素子１の製造工程を示した図。
【図２．Ｆ】実施例１の発光素子１の製造工程を示した図。
【図３】実施例２の発光素子２の構成を示した図。
【図４．Ａ】実施例２の発光素子２の製造工程を示した図。
【図４．Ｂ】実施例２の発光素子２の製造工程を示した図。
【図４．Ｃ】実施例２の発光素子２の製造工程を示した図。
【図４．Ｄ】実施例２の発光素子２の製造工程を示した図。
【図４．Ｅ】実施例２の発光素子２の製造工程を示した図。
【図４．Ｆ】実施例２の発光素子２の製造工程を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２８】
図１は、実施例１の発光素子１の構成を示した図である。図１のように、発光素子１は、支持基板１０と、支持基板１０上に金属層１１を介して接合されたｐ電極１２と、ｐ電極１２上に順に積層されたIII 族窒化物半導体からなるｐ型層１３、発光層１４、ｎ型層１５と、ｎ型層１５上に形成されたｎ電極１６と、によって構成されている。
【００２９】
支持基板１０は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗなどからなる導電性基板を用いることができる。支持基板１０の裏面（ｐ電極１２側とは反対側の面）には、裏面電極２１が形成されていて、発光素子１は素子面に垂直な方向に導通を取る構成となっている。金属層１１には、低融点金属であるＡｕ−Ｓｎ層、Ａｕ−Ｓｉ層、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ層、Ｓｎ−Ｂｉ層などの金属共晶層を用いることができ、低融点金属ではないが、Ａｕ層、Ｓｎ層、Ｃｕ層などを用いることもできる。なお、金属層１１を用いて支持基板１０とｐ電極１２とを接合するのではなく、ｐ電極１２上に直接めっき、スパッタ、蒸着などによってＣｕなどの金属層を形成して支持基板１０としてもよい。ｐ電極１２は、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｒｕやこれらの金属を主成分とする合金などの高光反射率で低コンタクト抵抗な金属である。他にｐ電極１２の材料として、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ａｕ合金などを用いることもでき、ＩＴＯなどの透明電極膜と高反射金属膜からなる複合層であってもよい。
【００３０】
ｐ型層１３、発光層１４、ｎ型層１５はｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体層である。これら、ｐ型層１３、発光層１４、ｎ型層１５は、従来より発光素子の構成として知られている任意の構成でよい。たとえば、ｐ型層１３はｐクラッド層、ｐコンタクト層で構成され、発光層はＭＱＷ構造、ｎ型層はｎクラッド層、ｎコンタクト層で構成される。
【００３１】
ｎ型層１５の表面１５ａ（発光層１４側とは反対側の表面）には、ハニカム状に配列された複数のドット状の凹部１７を有した凹凸パターンが形成されている。各凹部１７は正六角柱状であり、６つの側面のうち、ある対向する２面は＋ｃ面、−ｃ面である。また、凹部１７の底面、側面、凹部１７の形成されていないｎ型層１５の表面１５ａには、多数のエッチピット１９が形成されている。この凹部１７による凹凸パターンと、多数のエッチピット１９により、光取り出し効率が向上されている。
【００３２】
ｎ電極１６は、凹部１７の形成されていないｎ型層１５の表面１５ａ上に形成されている。ｎ電極１６の材料は、ｎ型層１５に対して低抵抗にコンタクトをとることができる材料であればよく、たとえばＶ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｌなどである。ｎ電極１６はパッド部のみからなる構造であってもよいが、パッド部に連続する格子状、放射状などの配線状パターンの配線電極を設け、素子面方向の電流拡散性を向上させるようにしてもよい。また、ｎ型層１５とｎ電極１６との間にＩＴＯなどの透明電極を設け、透明電極により電流拡散性を向上させてもよい。
【００３３】
次に、実施例１の発光素子１の製造方法について、図２を参照に説明する。
【００３４】
まず、ａ面サファイア基板２０の一方の表面をドライエッチングして、複数のドット状の凸部１８をハニカム状に配列した凹凸パターンに加工する（図２．Ａ）。ここで凸部１８は正六角柱状であり、６つの側面のうち、ある２つの対向する面１８ａはｃ面となっている。
【００３５】
次に、サファイア基板２０を水素雰囲気下で加熱し、サーマルクリーニングを行う。これにより、凸部１８の形成によって生じたエッチングダメージを回復させるとともに、サファイア基板２０表面の不純物や酸化物を除去する。
【００３６】
次に、サファイア基板２０を３００〜４２０℃に降温したのち、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を供給し、サファイア基板２０の露出した面をＡｌで終端させてＡｌ薄膜を形成する。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用いた。次にＴＭＡの供給を停止してキャリアガスとアンモニアガスを供給し、サファイア基板２０を１０１０℃まで昇温する。これにより、サファイア基板２０にＡｌＮ薄膜（図示しない）を形成する。このＡｌＮ薄膜は、バッファ層として機能し、凸部１８のｃ面である側面１８ａからのIII 族窒化物半導体の結晶成長を促進し、他の面（凸部１８のｃ面でない側面、上面や、エッチングにより露出したサファイア基板２０表面に平行な面）からのIII 族窒化物半導体の結晶成長を抑制する働きをする。
【００３７】
次に、ＭＯＣＶＤ法によってｎ型のIII 族窒化物半導体を結晶成長させる。成長初期において、III 族窒化物半導体は凸部１８のｃ面である側面１８ａからＡｌＮ薄膜を介して成長し、他の面からの成長は抑制される。ここで、ｎ型のIII 族窒化物半導体は、ｃ軸方向はサファイア基板１０のｃ軸方向と揃い、ｍ軸方向はサファイア基板２０の主面に垂直な方向と揃うように成長する。結晶成長が進むと、各凸部１８の側面１８ａから成長したｎ型のIII 族窒化物半導体が合体し、次第にサファイア基板２０上全体を覆っていき、最終的にサファイア基板２０上にはｎ型のIII 族窒化物半導体からなる平坦なｍ面を主面とするｎ型層１５が形成される（図２．Ｂ）。
【００３８】
なお、凸部１８のｃ面である２つの側面１８ａのうち、一方の側面をＳｉＯ2 などのマスクで覆ったのちにIII 族窒化物半導体を結晶成長させることが望ましい。III 族窒化物半導体の極性が揃い、ｎ型層１５の結晶性をより向上させることができるからである。
【００３９】
次に、ｎ型層１５上に、ＭＯＣＶＤ法によって発光層１４、ｐ型層１３を順に積層し、ｐ型層１３上にスパッタ法によってｐ電極１２をする（図２．Ｃ）。発光層１４、ｐ型層１３は、ｎ型層１５に格子整合して結晶成長するため、いずれもｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体層となる。
【００４０】
ｐ型層１３、発光層１４、ｎ型層１５を形成する際に用いたキャリアガス、原料ガス、ドーパントガスは以下の通りである。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用いた。原料ガスには、窒素源としてアンモニア、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｉｎ源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いた。ｎ型ドーパントガスにはシランを用い、ｐ型ドーパントガスにはＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた。
【００４１】
次に、支持基板１０を用意し、支持基板１０とｐ電極１２とを金属層１１を介して接合する（図２．Ｄ）。なお、ｐ電極１２と金属層１１との間に図示しない拡散防止層をあらかじめ形成しておき、金属層１１の金属がｐ電極１２側に拡散するのを防止するとよい。
【００４２】
そして、サファイア基板２０側からレーザー光を照射して、レーザーリフトオフにより、サファイア基板２０を分離除去し（図２．Ｅ）、サファイア基板２０の除去により露出したｎ型層１５表面１５ａを塩酸によって洗浄する。ここで、サファイア基板２０表面に凸部１８が形成されているため、ｎ型層１５の表面１５ａには、凸部１８に噛み合うような凹部１７が形成される。そのため、サファイア基板２０の凸部１８による凹凸パターンを反転したパターンである凹部１７による凹凸パターンが、ｎ型層１５の表面１５ａに形成されている。
【００４３】
次に、ｎ型層１５の表面１５ａを、ＴＭＡＨ水溶液を用いてウェットエッチングする。ここで、ｎ型層１５の表面１５ａは、サファイア基板２０との界面であった側の表面であり、成長初期の結晶であるため、結晶欠陥が多い。そのため、このウェットエッチングによって、ｎ型層１５の表面１５ａには多数のエッチピット１９が形成される（図２．Ｆ）。なお、サファイア基板２０とｎ型層との間に形成されていた図示しないＡｌＮ薄膜は、このウェットエッチング工程によって除去される。
【００４４】
なお、ｎ型層１５の表面１５ａ上であって後の工程でｎ電極１６を形成する領域には、凸部１７による凹凸パターンや、エッチピット１９のない平坦な面とすることが望ましい。凹凸パターン上にｎ電極１６を形成すると、ｎ電極１６と凹凸パターンやエッチピットを有したｎ型層１５との界面において光が多重反射して減衰し、光取り出し効率を低下させてしまうからである。
【００４５】
次に、ｎ型層１５表面１５ａ上にｎ電極１６をリフトオフ法によって形成し、支持基板１０の金属層１１側とは反対側の表面に裏面電極２１を形成し、レーザーダイシングなどにより素子分離することで、図１に示す実施例１の発光素子１が製造される。
【００４６】
以上に述べた実施例１の発光素子１の製造方法によると、ｍを主面とするｎ型層１５の表面に凹凸パターンを設けることができ、さらにエッチピット１９による微小な凹凸を設けることができるので、光取り出し効率を向上させることができる。
【００４７】
なお、サファイア基板２０の表面２０ａに形成する凹凸パターンは上記のようなドット状の凸部を配列したパターンに限るものではない。たとえば、ａ面を主面とするサファイア基板２０上にストライプ状の複数の凸部、あるいは凹部を形成し、そのストライプ方向をｍ軸方向とした場合にも、実施例１と同様に、サファイア基板２０上にｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体を形成することができる。しかし、このようなストライプ状の凹凸パターンでは、ストライプ方向に伝搬する光の方向を変化させて外部に取り出すことができないため、光取り出し効率が悪く望ましくない。そこで、ストライプ状の凹凸加工後に、サファイア基板２０上にＳｉＯ2 などの透光性を有した絶縁膜をパターニングして設けてもよい。サファイア基板２０の凹凸パターンと絶縁膜による凹凸パターンとを組み合わせることで、より効率的な光取り出しを可能とする凹凸パターンをｎ型層１５の表面１５ａに形成することができる。もちろん、実施例１のようなサファイア基板表面をドット状の凹凸パターンとする場合にも、絶縁膜による凹凸パターンと組み合わせることで、より光取り出し効率の高い凹凸パターンをｎ型層１５の表面１５ａに設けることができる。
【００４８】
なお、サファイア基板上にパターニングした絶縁膜は、レーザーリフトオフによりサファイア基板を除去した後に、バッファードフッ酸などによって除去する。
【００４９】
また、絶縁膜による凹凸パターンと組み合わせることにより、ｎ型層１５表面１５ａの凹凸をより深くすることができ、これにより凹部１７の−ｃ面である側面をより広く露出させることができる。この−ｃ面はウェットエッチングされやすいので、深いエッチピットを多数形成することができ、光取り出し効率を一層向上させることができる。
【００５０】
サファイア基板２０表面の凹凸パターンにより、あるいはサファイア基板２０表面の凹凸パターンと絶縁膜による凹凸パターンとの組み合わせによって、ｎ型層１５の表面１５ａにペンローズ・タイルなどの準周期的な凹凸パターンを形成することもできる。このような準周期的な凹凸パターンでは、素子面内のどの方向においても凹凸が周期的ではなく、光取り出し効率をより向上させることができる。
【実施例２】
【００５１】
図３は、実施例２の発光素子２の構成を示した図である。図３のように、発光素子２は、支持基板１０と、支持基板１０上に金属層１１を介して接合されたｐ電極１２と、ｐ電極１２上に順に積層されたIII 族窒化物半導体からなるｐ型層１０３、発光層１０４、ｎ型層１０５と、ｎ型層１０５上に形成されたｎ電極１０と、によって構成されており、ｐ型層１０３、発光層１０４、ｎ型層１０５以外は実施例１の発光素子１と同様の構成である。
【００５２】
ｐ型層１０３、発光層１０４、ｎ型層１０５は、（１１−２２）面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる。この（１１−２２）面は、ｃ面に対して約６０°を成す面であり、内部電界がほぼ０（ｃ面を主面とする場合に比べて内部電界が−１０〜１０％）となる面である。これら、ｐ型層１０３、発光層１０４、ｎ型層１０５は、実施例１の発光素子１のｐ型層１３、発光層１４、ｎ型層１５と同様に、従来より発光素子の構成として知られている任意の構成でよい。
【００５３】
ｎ型層１０５は、表面１０５ａ（発光層１０４側とは反対側の表面）には、ハニカム状に配列された複数のドット状の凹部１０７を有した凹凸パターンが形成されている。各凹部１０７は六角推状であり、６つの傾斜した側面のうち、少なくとも１つの面は＋ｃ面である。また、凹部１０７の側面、凹部１０７の形成されていないｎ型層１５の表面１５ａには、多数のエッチピット１０９が形成されている。この凹部１０７による凹凸パターンと、多数のエッチピット１０９により、光取り出し効率が向上されている。
【００５４】
次に、実施例２の発光素子２の製造方法について、図４を参照に説明する。
【００５５】
まず、ｒ面（（１−１０２）面）サファイア基板１２０の一方の表面をドライエッチングして、複数のドット状の凸部１０８をハニカム状に配列した凹凸パターンに加工する（図４．Ａ）。ここで凸部１０８は六角推状であり、傾斜した６つの側面のうち、少なくとも１つの面はｃ面となっている。
【００５６】
次に、サファイア基板１２０を水素雰囲気下で加熱し、サーマルクリーニングを行う。これにより、凸部１０８の形成によって生じたエッチングダメージを回復させるとともに、サファイア基板１２０表面の不純物や酸化物を除去する。
【００５７】
次に、サファイア基板１２０を３００〜４２０℃に降温したのち、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を供給し、サファイア基板１２０の露出した面をＡｌで終端させてＡｌ薄膜を形成する。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用いた。次にＴＭＡの供給を停止してキャリアガスとアンモニアガスを供給し、サファイア基板１２０を１０１０℃まで昇温する。これにより、サファイア基板１２０にＡｌＮ薄膜（図示しない）を形成する。このＡｌＮ薄膜は、バッファ層として機能し、凸部１０８のｃ面である側面からのIII 族窒化物半導体の結晶成長を促進し、他の面（凸部１０８のｃ面でない側面や、エッチングにより露出したサファイア基板１２０表面に平行な面）からのIII 族窒化物半導体の結晶成長を抑制する働きをする。
【００５８】
次に、ＭＯＣＶＤ法によってｎ型のIII 族窒化物半導体を結晶成長させる。成長初期において、III 族窒化物半導体は凸部１０８のｃ面である側面からＡｌＮ薄膜を介して成長し、他の面からの成長は抑制される。III 族窒化物半導体は、ｃ軸方向はサファイア基板１２０のｃ軸方向と揃い、ｍ軸方向はサファイア基板１２０のａ軸方向と揃うように成長する。結晶成長が進むと、各凸部１０８のｃ面である側面１８ａから成長したｎ型のIII 族窒化物半導体同士が合体し、次第にサファイア基板１２０上全体を覆っていき、最終的にサファイア基板１２０上にはｎ型のIII 族窒化物半導体からなる平坦なｎ型層１０５が形成される（図４．Ｂ）。ここで、ｎ型層１０５のｃ軸方向はサファイア基板１２０のｃ軸方向と一致し、ｍ軸方向はサファイア基板１２０のａ軸方向と一致するため、ｒ面（（１−１０２）面）を主面とするサファイア基板１２０上に形成されるｎ型層１０５の主面は、（１１−２２）面となる。
【００５９】
次に、ｎ型層１０５上に、ＭＯＣＶＤ法によって発光層１０４、ｐ型層１０３を順に積層し、ｐ型層１３上にスパッタ法によってｐ電極１２をする（図４．Ｃ）。発光層１０４、ｐ型層１０３は、ｎ型層１０５に格子整合して結晶成長するため、いずれも（１１−２２）面を主面とするIII 族窒化物半導体層である。
【００６０】
次に、支持基板１０を用意し、支持基板１０とｐ電極１２とを金属層１１を介して接合する（図４．Ｄ）。
【００６１】
そして、サファイア基板１２０側からレーザー光を照射して、レーザーリフトオフにより、サファイア基板１２０を分離除去し（図４．Ｅ）、サファイア基板１２０の除去により露出したｎ型層１０５表面１０５ａを塩酸によって洗浄する。ここで、サファイア基板１２０表面に凹部１０８が形成されているため、ｎ型層１０５の表面１０５ａには、凸１０８に噛み合うような凹部１０７が形成される。そのため、サファイア基板１２０の凸部１０８による凹凸パターンを反転したパターンである凹部１０７による凹凸パターンが、ｎ型層１０５の表面１０５ａに形成されている。
【００６２】
次に、ｎ型層１０５の表面１０５ａを、ＴＭＡＨ水溶液を用いてウェットエッチングする。ここで、ｎ型層１０５の表面１０５ａは、サファイア基板１２０との界面であった側の表面であり、成長初期の結晶であるため、結晶欠陥が多い。そのため、このウェットエッチングによって、ｎ型層１０５の表面１０５ａには多数のエッチピット１０９が形成される（図２．Ｆ）。なお、サファイア基板１２０とｎ型層との間に形成されていた図示しないＡｌＮ薄膜は、このウェットエッチング工程によって除去される。
【００６３】
次に、ｎ型層１５表面１０５ａ上にｎ電極１６をリフトオフ法によって形成し、支持基板１０の金属層１１側とは反対側の表面に裏面電極２１を形成し、レーザーダイシングなどにより素子分離することで、図３に示す実施例２の発光素子２が製造される。
【００６４】
以上に述べた実施例２の発光素子２の製造方法によると、（１１−２２）面を主面とするｎ型層１０５の表面に凹凸パターンを設けることができ、さらにエッチピット１０９による微小な凹凸を設けることができるので、光取り出し効率を向上させることができる。
【００６５】
なお、実施例１は、凹凸パターンを形成したａ面サファイア基板を成長基板として用いてｍ面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる発光素子を製造する方法であり、実施例２は、凹凸パターンを形成したｒ面サファイア基板を成長基板として用いて（１１−２２）面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる発光素子を製造する方法であったが、本発明はこれに限るものではない。凹凸パターンを形成したサファイア基板を成長基板として用いて、他の内部電界が０となる面、たとえばａ面などのｃ面に対して９０°を成す面や、ｃ面に対して約６０°を成す面を主面とするIII 族窒化物半導体からなる発光素子を製造する方法に対して適用することができる。これらｍ面、ａ面、（１１−２２）面などの内部電界が０となる面に対し、５°以内の角度を成す面であってもよい。さらに、必ずしも内部電界０となる面である必要はなく、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体の内部電界の強度に対し、１０％以下の強度の内部電界が存在する面であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明によるIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置、表示装置、バックライトなどに用いることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０：支持基板
１１：金属層
１２：ｐ電極
１３、１０３：ｐ型層
１４、１０４：発光層
１５、１０５：ｎ型層
１６：ｎ電極
１０７：凹部
１０８：凸部
１０９：エッチピット
２０、１２０：サファイア基板
【図１】
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【図２．Ａ】
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【図２．Ｂ】
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【図２．Ｃ】
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【図２．Ｄ】
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【図２．Ｅ】
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【図２．Ｆ】
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【図３】
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【図４．Ａ】
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【図４．Ｂ】
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【図４．Ｃ】
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【図４．Ｄ】
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【図４．Ｅ】
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【図４．Ｆ】
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