(57)【要約】【課題】転位欠陥密度の低いＧａＮ系半導体結晶がＰＳＳ上に成長た構造が得られるエピタキシャル成長用基板を提供すること。【解決手段】エピタキシャル成長用基板は、光拡散可能かつＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するｃ面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクとを含み、該凹凸面は該成長マスクに覆われた第１凹凸面とサファイアが露出した第２凹凸面とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光拡散可能かつＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するｃ面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクとを含み、該凹凸面が該成長マスクに覆われた第１凹凸面とサファイアが露出した第２凹凸面とを有する、エピタキシャル成長用基板。
【請求項２】
上記凹凸面に含まれる凸部は、サファイアｃ面に平行な面で切断したときにできる断面の面積が、基部から上部に向かうにつれて小さくなっている、請求項１に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項３】
上記凹凸面に含まれる凸部は、側壁の傾斜角が２０度以上６０度以下である部分を有している、請求項２に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項４】
上記凹凸面は凹部と凸部の高低差が０．５μｍ以上２．５μｍ以下である、請求項３に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項５】
上記凹凸面をサファイアｃ軸方向から見たときに、サファイアｃ面が占める面積の比率が５％以上である、請求項４に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項６】
上記成長マスクが上記第１凹凸面に対してコンフォーマルに形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のエピタキシャル成長用基板。
【請求項７】
上記凹凸面をサファイアｃ軸方向から見たときに、上記第１凹凸面および上記第２凹凸面の面積の和に対する上記第２凹凸面の面積比が５％以上７０％以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のエピタキシャル成長用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル成長用基板、ＧａＮ系半導体結晶の成長方法、半導体構造およびＧａＮ系ＬＥＤ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系半導体は、一般式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化物系半導体などとも呼ばれる。ｎ型導電性層とｐ型導電性層とこれらの層の間に挟まれた発光層とからなる発光構造を、ＧａＮ系半導体を用いて形成してなるＧａＮ系発光ダイオード素子（ＧａＮ系ＬＥＤ素子）は、近紫外〜緑色の波長の光を発生させることができる。ＧａＮ系ＬＥＤ素子と蛍光体とを組み合わせて構成した白色発光ダイオードは、液晶ディスプレイのバックライトユニット用光源や、白色照明用の光源として実用化されている。
【０００３】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子は、サファイア基板上にＭＯＶＰＥ法などの気相成長法によりＧａＮ系半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程を経て製造される。従って、ＧａＮ系ＬＥＤ素子は通常その構造中にサファイア基板を含んでおり、該基板の上にＧａＮ系半導体からなる発光構造を有している。最近では、そのサファイア基板として、表面をエッチングにより加工して凹凸面としたパターン化サファイア基板（Patterned Sapphire Substrate；以下では「ＰＳＳ」と略称する場合がある）がしばしば使用されている。
【０００４】
ＰＳＳの利用は、光取出し効率の改善と、発光構造を構成するＧａＮ系半導体結晶の品質改善の、少なくともいずれかを通して、ＧａＮ系ＬＥＤ素子の出力向上に寄与する（特許文献１、非特許文献１）。非特許文献１には、熱リン酸ベースの溶液中でエッチングされた三角ピラミッドを凸部とするパターン化表面を備えたＰＳＳを用いた、ＧａＮ系ＬＥＤ素子の作製例が報告されている。報告されているところによれば、ピラミッド側壁の傾斜を緩やかにする（傾斜角５７．４度から３１．６度まで）につれて、パターン化表面に占めるｃ面の面積比が小さくなり、同時にＧａＮ系ＬＥＤ素子の出力が高くなる。このＰＳＳ上ではＧａＮ結晶の成長が主にｃ面から開始されるために、ｃ面の面積比を小さくするとラテラル成長に基づき形成される転位欠陥密度の低い結晶の面積が増加すると考えられている。また、シミュレーションによって、ピラミッド側壁の傾斜角を８０度から３０度まで小さくすると、光取出し効率が増加することが判明しているとのことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００２／０７５８２１号公報
【特許文献２】米国特許第６２２５６５０号公報
【特許文献３】米国特許第号公報
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００９／０２００３３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ji-Hao Cheng et al., Applied Physics Letters, 96, 051109 (2010)
【非特許文献２】H. Gao et al., Journal of Applied Physics, 103, 014314 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＬＥＤ素子の光取出し効率を最大化することを目的とした、ＰＳＳの凹凸面パターンの最適化は、非特許文献１に開示されたＧａＮ系ＬＥＤ素子において、かなりのところまで達成されているように思われる。しかし、ＰＳＳ上に成長するＧａＮ系半導体結晶の品質については、なお改善の余地が残されている。つまり、より転位欠陥密度の低いＧａＮ系半導体結晶がＰＳＳ上に成長した構造を形成することができれば、ＧａＮ系ＬＥＤ素子の出力は更に改善されるものと期待される。
【０００８】
そこで、本発明は、転位欠陥密度の低いＧａＮ系半導体結晶がＰＳＳ上に成長した構造が得られるエピタキシャル成長用基板、ならびに、転位欠陥密度の低いＧａＮ系半導体結晶をＰＳＳ上に成長させるための方法、を提供することをその主な目的とする。更に、本発明は、転位欠陥密度が低減されたＧａＮ系半導体結晶をＰＳＳ上に有する半導体構造、ならびに、ＰＳＳ上に転位欠陥密度が低減されたＧａＮ系半導体結晶を介して発光層を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子を提供することを、その目的に含む。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第一の発明によれば、光拡散可能かつＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するｃ面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクとを含み、該凹凸面が該成長マスクに覆われた第１凹凸面とサファイアが露出した第２凹凸面とを有する、エピタキシャル成長用基板が提供される。
ここでいう光拡散可能な凹凸面とは、多数の凸部および／または凹部を備えることにより、近紫外〜緑色波長域（典型的なＧａＮ系ＬＥＤ素子の発光波長域であり、３５０〜５５０ｎｍの範囲を含む）内の波長を有する光に対して、散乱、回折、屈折、乱反射などを通して拡散効果を及ぼし得る面のことである。ｃ面サファイア基板の表面をこのような凹凸面とした場合であっても、該凹凸面が凹部底面または凸部頂面の少なくともいずれかとしてサファイアｃ面を含むようにすれば、その凹凸面上にＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能となる。
【００１０】
成長マスクは、従来よりＧａＮ系半導体結晶のＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）を発生させるために用いられているものであり、サファイア基板上でＧａＮ系半導体結晶のエピタキシャル成長が開始される条件の下でも、その表面ではＧａＮ系半導体結晶の成長が開始されない薄膜である。成長マスクを用いたＧａＮ系半導体結晶のＥＬＯについて記した多数の公知文献が存在するが、そのごく一例として、特許文献２および特許文献３が挙げられる。
【００１１】
本発明に係る上記エピタキシャル成長基板では、ｃ面サファイア基板の凹凸面が、成長マスクに覆われた第１凹凸面と、サファイアが露出した第２凹凸面と、を有している。このエピタキシャル成長用基板を用いたＧａＮ系半導体結晶の気相エピタキシャル成長においては、第２凹凸面上で結晶成長が開始される。この第２凹凸面上で生じる初期の結晶成長は、ラテラル成長を含むことが好ましいが、限定されるものではない。第２凹凸面上での結晶成長に続いて、第１凹凸面の上部で生じるラテラル成長により、転位欠陥密度の低いＧａＮ系半導体結晶が形成される。このラテラル成長は、第２凹凸面上に成長する結晶を種結晶として生じるものである。
【００１２】
第二の発明によれば、光拡散可能かつＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するｃ面サファイア基板を準備するステップと、成長マスクを部分的に形成することにより、該凹凸面に該成長マスクに覆われた第１凹凸面とサファイアが露出した第２凹凸面とを設けるステップと、気相エピタキシャル成長法を用いて該第２凹凸面の上部から該第１凹凸面の上部に向かってＧａＮ系半導体結晶をラテラル成長させるステップと、を含むＧａＮ系半導体結晶の成長方法が提供される。
【００１３】
第三の発明によれば、光拡散可能かつＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するｃ面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクと、該成長マスクを挟んで該凹凸面を覆うように成長したＧａＮ系半導体層とを含み、該凹凸面は該成長マスクに覆われた第１凹凸面と該成長マスクに覆われていない第２凹凸面とを有しており、該ＧａＮ系半導体層は該第２凹凸面の上部から該第１凹凸面の上部に向かってラテラル成長したＧａＮ系半導体結晶を含む、半導体構造が提供される。
【００１４】
第四の発明によれば、光拡散可能かつＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するｃ面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクと、該成長マスクを挟んで該凹凸面を覆うように成長した第１のＧａＮ系半導体層と、該第１のＧａＮ系半導体層の上に順次成長したそれぞれがＧａＮ系半導体からなるｎ型導電性層、発光層およびｐ型導電性層と、を含み、上記凹凸面は成長マスクに覆われた第１凹凸面と該成長マスクに覆われていない第２凹凸面とを有しており、上記第１のＧａＮ系半導体層は該第２凹凸面の上部から該第１凹凸面の上部に向かってラテラル成長したＧａＮ系半導体結晶を含む、ＧａＮ系ＬＥＤ素子が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、転位欠陥密度の低いＧａＮ系半導体結晶がＰＳＳ上に成長した構造が得られるエピタキシャル成長用基板、転位欠陥密度の低いＧａＮ系半導体結晶をＰＳＳ上に成長させるための方法、転位欠陥密度が低減されたＧａＮ系半導体結晶をＰＳＳ上に有する半導体構造、ならびに、ＰＳＳ上に転位欠陥密度が低減されたＧａＮ系半導体結晶を介して発光層を有するＧａＮ系ＬＥＤ素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す平面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す平面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す平面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す平面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す平面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を示す平面図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板上におけるＧａＮ系半導体結晶の成長態様を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
１．エピタキシャル成長用基板
図１および図２に、本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を模式的に示す。図１は平面図、図２は図１のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。エピタキシャル成長用基板１０は、上面がエッチングにより凹凸面とされたｃ面サファイア基板１１と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスク１２とから構成されている。
【００１８】
図１中および図２中の各部分拡大図に示すように、ｃ面サファイア基板１１の上面は全面が凹凸面となっている。凸部は三角ピラミッドであり、凹凸面は三角ピラミッドが均等に配置された繰り返しパターンを呈している。図１中の部分拡大図においてハッチングを施した三角形領域は凹部底面であり、それぞれが３つの三角ピラミッドに取り囲まれている。凹部底面はサファイアｃ面であり、その表面からはＧａＮ系半導体結晶のエピタキシャル成長が開始可能である。なお、この凹部底面がサファイアｃ面と厳密に一致していることは必須でない。ＧａＮ系半導体結晶は、サファイアｃ面に対して僅かに傾斜した面からでもエピタキシャル成長し得るからである。
【００１９】
ｃ面サファイア基板１１に設ける凹凸面パターンは、図２に示すものに限定されない。例えば、三角ピラミッドの底面は丸みを帯びた形状（膨らんだ正三角形）であってもよい。その場合、凹部底面の面積はより小さいものとなる。あるいは、三角ピラミッド同士の間を完全に離間させることもできる。凸部を三角ピラミッドに代えて、４角ピラミッド、６角ピラミッドなどとしてもよく、あるいは、円錐としてもよい。
【００２０】
一実施形態では、図３に断面図を示すように、ｃ面サファイア基板１１に設けられる凹凸面が、断面台形状の凸部を有するものであってもよい。断面がこのような形状を呈す凸部には、角錐台、円錐台、頂面を有するリッジなどがある。このような凸部は頂面をサファイアｃ面としてもよく、その場合、該頂面からもＧａＮ系半導体結晶のエピタキシャル成長が可能となる。
【００２１】
一実施形態では、図４に断面図を示すように、ｃ面サファイア基板１１に設けられる凹凸面が、断面半円状の凸部を有するものであってもよい。断面がこのような形状を呈す凸部には、半球、表面が丸味を帯びたリッジなどがある。
一実施形態では、図５に断面図を示すように、ｃ面サファイア基板１１に設けられる凹凸面が、断面Ｖ字型の凹部を有するものであってもよい。断面がこのような形状を呈す凹部には、三角錐、四角錐、六角錐、円錐などの形状を有するピット、あるいはＶ溝がある。この場合には、凸部の頂面からＧａＮ系半導体結晶のエピタキシャル成長が開始可能となるよう、該頂面がサファイアｃ面とされる。
【００２２】
以上に例示した凹凸面パターンの共通点は、凹凸面に含まれる凸部の断面積が、基部から上部に向かうにつれて小さくなっているという点である。ここでいう断面積とは、サファイアｃ面に平行な面で切断したときにできる断面の面積である。かかる凸部を有する凹凸面は傾斜面を多く含むので、ＧａＮ系ＬＥＤ素子の光取出し効率を向上させる効果に優れている。非特許文献１の教示を参照すれば、この効果が特に強く現れるのは、凸部側壁の傾斜角が３０度に近いときである。従って、凹凸面における凸部側壁の傾斜角は、好ましくは２０度以上６０度以下、より好ましくは２５度以上４５度以下である。半球のように、側壁が丸みを帯びている凸部の場合には、傾斜角がこの好ましい範囲内に含まれる部分をできるだけ多くすればよい。
【００２３】
また、基部から上部に向かうにつれて断面積が小さくなる凸部を有する凹凸面上では、ＧａＮ系半導体結晶のエピタキシャル成長時に凹部の底部に原料が拡散し易い。そのために、凹凸面とその上部に成長するＧａＮ系半導体結晶との間に、隙間が形成され難い。こ
のことは、ＬＥＤ素子内部の熱伝導性の低下を防ぐうえで極めて好ましい。この観点から見た凹凸面における凸部側壁の最も好ましい傾斜角は、２０度以上４５度以下である。
【００２４】
ｃ面サファイア基板１１に設けられる凹凸面が光拡散性を示すためには、凹部と凸部の高低差、すなわち、凹部の最深部から凸部の最上部までの高さが、少なくとも、当該基板を用いた発光素子が放出する光のＧａＮ系半導体内部における波長と同じであればよい。発光ピーク波長４６０ｎｍの青色発光素子を例にすると、屈折率２．４のＧａＮ中では、この素子が放出する光の波長は１９２ｎｍとなるので、上記の高低差は少なくとも０．２μｍとすればよい。発光素子の発光波長が３５０〜５５０ｎｍの範囲内であれば、凹凸面による光拡散効果を十分に大きなものとするためには、上記の高低差は０．５μｍ以上とすることが好ましく、１μｍ以上とすることがより好ましい。一方で、この高低差を大きくし過ぎると、凹凸面上にＧａＮ系半導体結晶を表面が平坦となるように成長させて、高品質な発光素子構造を形成することが難しくなる。従って、この高低差は好ましくは２．５μｍ以下であり、より好ましくは２．０μｍ以下である。
【００２５】
ｃ面サファイア基板１１に設けられる凹凸面の光拡散性を高くするには、凸部の側壁の傾斜角が上記の好ましい範囲内とし、かつ、凹部と凸部の高低差を上記の好ましい範囲内としたうえで、更に、凸部または凹部をできるだけ高密度で形成することが望ましい。従って、ピラミッド、円錐、円錐台、半球のようなドット状の凸部を有する凹凸面にあっては、凸部が均等に配置された繰り返しパターンを採用することが好ましい。凸部が均等に配置された繰り返しパターンとは、凹凸面をサファイアｃ軸方向から見たとき、多数の凸部のそれぞれが三角格子の格子位置に配置されたパターンである。いかなる繰り返しパターンを採用する場合にあっても、ＧａＮ系半導体結晶の成長が開始される面であるサファイアｃ面の面積が小さくなり過ぎない範囲内で、繰り返しパターンのピッチをできるだけ小さくする。サファイアｃ面が占める面積の比率は、凹凸面をサファイアｃ軸方向から見たときに、５％を下回らないことが望ましい。ドット状の凹部（ピット）を有する凹凸面における、凹部の配置パターンや、繰り返しパターンにおけるピッチの設定についても、同様のことがいえる。リッジ（凸部）と溝（凹部）を交互に配置した繰り返しパターンを採用した凹凸面におけるピッチの設定についても同様である。
【００２６】
一実施形態では、ｃ面サファイア基板１１に設けられる凹凸面を、多数の凹部または凸部が不規則に配置された凹凸面とすることもできる。
成長マスク１２は、ｃ面サファイア基板１１の凹凸面を部分的に覆うようにパターニングされている。換言すれば、この凹凸面には、成長マスク１２に覆われた第１凹凸面１１ａと、サファイアが露出した第２凹凸面１１ｂとが含まれているといえる。エピタキシャル成長用基板１０上へのＧａＮ系半導体結晶の気相エピタキシャル成長時には、第２凹凸面１１ｂ上で結晶成長が開始される。
【００２７】
成長マスク１２の材料には、ＧａＮ系半導体結晶のＥＬＯを発生させることが可能であり、かつ、近紫外〜緑色波長域（３５０〜５５０ｎｍの範囲を含む）における光吸収が弱いものが用いられる。好適例は、各種金属の酸化物、窒化物または酸窒化物であり、とりわけ、絶縁性を有するものである。特に好ましいのは、Ｓｉ、Ｔｉ、ＴａまたはＺｒの酸化物、窒化物または酸窒化物、とりわけ、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮ１−ｘ、ＴｉＯ２およびＺｎＯ２である。
【００２８】
成長マスク１２の厚さは、その効果が生じる範囲内で設定すればよく、通常は０．０１〜１μｍの範囲内である。好ましくは、図２、図３および図４のそれぞれの部分拡大図に示すように、成長マスク１２はｃ面サファイア基板１１の第１凹凸面１１ａに対してコンフォーマルに形成する。そうすることにより、成長マスク１２の上部にラテラル成長するＧａＮ系半導体結晶の下面が、第１凹凸面１１ａの形状を反映した凹凸面となるため、エ
ピタキシャル成長基板１０を用いて形成されるＧａＮ系ＬＥＤ素子の光取出し効率が高くなる。この理由から、成長マスク１２の厚さは、第１凹凸面１１ａにおける凹部と凸部の高低差よりも小さくすべきであり、好ましくは該高低差の２分の１以下、より好ましくは４分の１以下である。
【００２９】
図１に示すエピタキシャル成長用基板１０では、成長マスク１２に、複数の円形開口部が均等に配置された繰り返しパターンをなすように形成されている。この開口部には、ｃ面サファイア基板１１の第２凹凸面１１ｂが露出している。この開口部の直径は、第２凹凸面１１ｂにサファイアｃ面が確実に含まれるように、凹凸パターンの繰り返し周期の好ましくは１．５倍以上、より好ましくは２倍以上に設定される。ＧａＮ系半導体結晶のラテラル成長が生じる領域が小さくなり過ぎないよう、第１凹凸面１１ａおよび第２凹凸面１１ｂの面積の和に対する第２凹凸面１１ｂの面積比は、好ましくは７０％以下、より好ましくは５０％以下であり、３０％以下であってもよい。一方で、第２凹凸面１１ｂの面積を小さくし過ぎると、エピタキシャル成長時にラテラル成長するＧａＮ系半導体結晶が第１凹凸面１１ａ上の領域を完全に覆うまでに要する時間が長くなり、製造効率が低下する可能性がある。よって、上記の面積比は好ましくは５％以上であり、より好ましくは１０％以上である。
【００３０】
成長マスク１２に設ける開口部の形状は円形に限定されるものではない。一例では、図６に示す例のように正三角形であってもよいし、図７に示す例のように平行四辺形であってもよいし、図８に示す例のように正六角形であってもよい。これら各図に示す例のいずれにおいても、成長マスク１２には、同一のサイズおよび形状を有する開口部が、繰り返しパターンをなすように設けている。その理由は、ＧａＮ系半導体結晶のラテラル成長が生じる領域、すなわち、第１凹凸面１１ａ上の領域を、エピタキシャル成長用基板１０の結晶成長面内に一様に分布させるためである。（図６、図７および図８では、第２凹凸面が呈する凹凸パターンの図示を省略している。図９および図１０においても同様である）
更に、成長マスク１２に設ける開口部の形状は、図９に示す例のようにストライプとすることもできる。また、図１、図６、図７および図８に示す例において、成長マスクがなすパターンと開口部がなすパターンとを入れ替えることも可能である。図１０はその一例であり、図１に示す例において成長マスクがなすパターンと開口部がなすパターンとが入れ替わっており、成長マスク１２の方が円形を呈している。
【００３１】
成長マスク１２に設ける開口部の形状を多角形とする場合の、その多角形の各辺はサファイアのＭ軸に直交するようにすることが好ましい。また、この開口部の形状をストライプとする場合の、ストライプの長手方向についても同様である。それによって、第２凹凸面１１ｂの上部から第１凹凸面１１ａの上部に向かって生じるＧａＮ系半導体結晶のラテラル成長の速度が大きくなるからである。この現象は、サファイアｃ面上にエピタキシャル成長するＧａＮ系半導体結晶のＡ軸が、サファイアのＭ軸と平行となることと関係している。
【００３２】
次に、エピタキシャル成長用基板１０の製造方法を説明する。
まず、出発材料として、通常のｃ面サファイア基板、つまり、ＧａＮ系半導体結晶のエピタキシャル成長に利用可能な、鏡面仕上げされた平坦な表面を有するｃ面サファイア基板を準備する。このｃ面サファイア基板にはオフ角が付与されていてもよい。
次に、準備したｃ面サファイア基板の平坦な表面をエッチングにより加工して凹凸面とする。ウェットエッチング技法では、厚さ１００〜５００ｎｍ程度のＳｉＯ２膜をエッチングマスクに、また、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）とリン酸（Ｈ３ＰＯ４）を混合した溶液をエッチャントとして用いる。混合比は体積比で３：１（Ｈ２ＳＯ４：Ｈ３ＰＯ４＝３：１）とすることが好ましい。ＳｉＯ２マスクの成膜およびパターニングは、周知の薄膜形成技法およびフォトリソグラフィ技法を用いて行えばよい。
【００３３】
国際公開ＷＯ２００９／０２００３３号公報（特許文献４）に開示されているように、円形のＳｉＯ２マスクで保護したサファイアｃ面を上記の混酸でウェットエッチングすると、保護された部位には、底面が略三角形で上面が略円形の略三角錐台形の凸部が形成される。非特許文献２に開示されているように、ＳｉＯ２マスクを除去した後で、追加のウェットエッチング処理を行うことにより、この凸部を三角ピラミッド形とすることができる。従って、三角ピラミッドが密に配置された凹凸面を形成するには、サファイアｃ面上に形成するＳｉＯ２マスクを、円形パターンを均等に配置した繰り返しパターンに形成すればよい。三角ピラミッドの高さ、側壁の傾斜角、凹部底面の面積については、ＳｉＯ２マスクの除去後に行う追加のウェットエッチング処理の時間などにより調節することができる。
【００３４】
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）、プラズマエッチングなどのドライエッチング技法を用いる場合には、エッチングマスクのパターンに応じた凹凸パターンをｃ面サファイア基板に形成することが可能となる。従って、凹凸パターンの設計の自由度がより高くなる。凸部の側壁の傾斜は、エッチングマスクとサファイアのエッチングレート比に基づいて制御可能である。エッチングマスクのエッチングレートが比較的高い場合、サファイアエッチングが進むにつれて、エッチングマスクが周辺部から消失して面積が縮小していくので、形成される凸部の側壁の傾斜が緩やかとなる。中央部に比べて周縁部の膜厚を小さくしたエッチングマスク（端面をテーパ状にしたエッチングマスク）を用いると、この効果はより顕著に現れる。エッチングマスクの材料は例えばフォトレジストである。フォトレジスト膜はパターニング後のポストベーキングによって端面をテーパ状にすることが可能である。
【００３５】
ドライエッチングとウェットエッチングを併用することも可能である。例えば、ドライエッチングによって凸部側壁の傾斜角の大きな凹凸面をまず形成し、その後で、ウェットエッチングにより凸部側壁に傾斜角の小さな結晶面を露出させる方法である。この方法では、必要に応じて、ウェットエッチング工程の前に、ドライエッチング工程で形成されたサファイアｃ面からなる凹部底面をＳｉＯ２マスクで保護してもよい。
【００３６】
凹凸面の形成後、その凹凸面上に成長マスクを部分的に形成する。成長マスクの形成方法に限定はなく、その材料に応じて周知の薄膜形成方法から適宜選択すればよい。金属の酸化物、窒化物または酸窒化物で成長マスクを形成する場合であれば、プラズマＣＶＤ法、真空蒸着法またはスパッタリング法を好ましく用いることができる。
成長マスクのパターニングは、リフトオフ法を用いて行うことができる。また、成長マスクを凹凸面全体を覆うように形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチングの技法を用いて不要部分を除去することにより、パターニングすることも可能である。
【００３７】
以上説明した方法により、エピタキシャル成長基板１０を製造することができる。
２．ＧａＮ系半導体結晶のエピタキシャル成長
エピタキシャル成長用基板１０の上にＧａＮ系半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法、スパッタリング法、反応性スパッタ法、その他、ＧａＮ系半導体結晶のエピタキシャル成長に使用可能なことが知られている任意の方法を用いることができる。最も好ましい方法はＭＯＶＰＥ法である。
【００３８】
通常行われているように、サファイアとＧａＮ系半導体結晶との界面にはバッファ層を設けることが望ましい。このバッファ層は、公知の低温バッファ層であってもよい。低温バッファ層とは、ＭＯＶＰＥ法を用いて、単結晶薄膜を成長させる際よりも低い温度、例えば４００〜６００℃で形成される、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮなどのＧａＮ系半導体材料からなるバッファ層である。バッファ層としては、スパッタ法、反応性スパッタ法で
形成されるＧａＮ系半導体薄膜も使用可能である。
【００３９】
本発明に係るエピタキシャル成長用基板上におけるＧａＮ系半導体結晶の成長態様は、概ね、図１１に示すようなものとなる。図１１（ａ）は、本発明に係るエピタキシャル成長用基板をサファイアのｃ軸に直交する方向から見た断面図である。エピタキシャル成長用基板１０は、上面全体が凹凸面とされたｃ面サファイア基板１１（凹凸の図示は省略している）と、該凹凸面上に形成された成長マスク１２とから構成されている。成長マスク１２が部分的に形成されることによって、該凹凸面は、成長マスクに覆われた第１凹凸面１１ａと、サファイアが露出した第２凹凸面１１ｂとに分けられている。
【００４０】
エピタキシャル成長用基板１０上に、バッファ層を介してＧａＮ系半導体層２１を成長させる過程では、まず、図１１（ｂ）に示すように、ｃ面サファイア基板１１の第２凹凸面１１ｂから結晶成長が開始される。結晶の高さが成長マスク１２の厚さを超えると、図１１（ｃ）に示すように、第２凹凸面１１ｂ上に成長した結晶を種とするラテラル成長が、第２凹凸面１１ｂ上から第１凹凸面１１ａ上に向かって生じる。更に成長を続けると、図１１（ｄ）に示すように、ラテラル成長した結晶同士が融合し、ｃ面サファイア基板１１上でＧａＮ系半導体結晶がひとつの層をなすに至る。つまり、ＧａＮ系半導体層２１が成長マスク１２を挟んでｃ面サファイア基板１１の上面全体を覆った半導体構造２０が形成される。
【００４１】
３．ＧａＮ系ＬＥＤ素子
図１２に、本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤ素子の断面構造を示す。ＧａＮ系ＬＥＤ素子３０は、上面全体が光拡散可能な凹凸面（凹凸の図示は省略している）とされたｃ面サファイア基板１１と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスク１２と、成長マスク１２を挟んで該凹凸面を覆うように成長したＧａＮ系半導体層２１と、からなる半導体構造を含んでいる。成長マスク１２が部分的に形成されていることによって、ｃ面サファイア基板１１の上面は、成長マスク１２に覆われた第１凹凸面１１ａと、成長マスク１２に覆われていない第２凹凸面１１ｂとに分けられている。ＧａＮ系半導体層２１は、第２凹凸面１１ｂの上部から第１凹凸面１１ａの上部に向かってラテラル成長したＧａＮ系半導体結晶を含んでいる。
【００４２】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子３０は、更に、ＧａＮ系半導体層２１上に更にＧａＮ系半導体結晶をエピタキシャル成長させることによって順次形成された、ｎ型コンタクト層３２、発光層３３およびｐ型コンタクト層３４を有している。ｎ型コンタクト層３２の部分的に露出された表面にはｎ電極Ｅ１が形成されている。また、ｐ型コンタクト層３３の上面にはｐ電極Ｅ２が形成されており、ｐ電極Ｅ２上の一部には電極パッドＥ３が形成されている。
【００４３】
ＧａＮ系半導体層２１は、アンドープＧａＮまたはＳｉが添加されたｎ型ＧａＮで形成されている。ｎ型コンタクト層３２は、Ｓｉが１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加されたｎ型ＧａＮで形成されている。ＧａＮ系半導体層２１にＳｉをこのような濃度で添加することによって、ＧａＮ系半導体層２１とｎ型コンタクト層３１とを一体化した構成とすることが可能である。発光層３２は、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体からなる井戸層と、井戸層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する障壁層とが、交互に積層されてなる多重量子井戸層である。ｐ型コンタクト層３３は、Ｍｇが５×１０１９〜５×１０２０の濃度で添加されたｐ型ＧａＮで形成されている。
【００４４】
ｎ型コンタクト層３１と発光層３２との間には、ＡｌＧａＮ層を含むｎ型クラッド層（キャリアブロック層）を設けてもよい。また、発光層３２とｐ型コンタクト層３３との間には、ＡｌＧａＮ層を含むｐ型クラッド層（キャリアブロック層）を設けてもよい。これらのキャリアブロック層は超格子層であってもよい。その他、発光層３２の上下には歪緩
和機能を有する層などを適宜設けることができる。
【００４５】
ｎ電極Ｅ１はオーミック電極と電極パッドを兼用しており、ｎ型コンタクト層と接する部分に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒの単体または合金、ＴＣＯ（透明導電性酸化物）などからなるオーミック接触層を有している。ｎ電極Ｅ１の最表層は好ましくはＡｕ層である。
ｐ電極Ｅ２はＴＣＯからなる透光性電極である。ＩＴＯなどの酸化インジウムベースのＴＣＯや、酸化亜鉛ベースのＴＣＯを、ｐ電極Ｅ２の材料として好ましく用いることができる。電極パッドＥ３はｐ電極Ｅ２と接する部分がＴＣＯとの密着性が良好な金属で形成され、最表層は好ましくはＡｕで形成される。
【００４６】
ＧａＮ系ＬＥＤ素子３０を製造する場合、まず、上面を加工して凹凸面としたｃ面サファイア基板１１の該凹凸面上に部分的に成長マスク１２を形成してなるエピタキシャル成長用基板を準備する。次に、該エピタキシャル成長用基板上に、バッファ層を介して、ＧａＮ系半導体層２１、ｎ型コンタクト層３１、発光層３２、ｐ型コンタクト層３３を順次エピタキシャル成長させて、半導体ウェハを作製する。この工程では気相エピタキシャル成長法として、ＭＯＶＰＥ法や反応性スパッタ法を好ましく用いることができる。その後、該半導体ウェハ中の個々の素子に対応する部位にｎ電極Ｅ１、ｐ電極Ｅ２および電極パッドＥ３をそれぞれ形成したうえで、半導体ウェハを個々の素子に分断する。
【００４７】
好ましくは、半導体ウェハを個々の素子に分断する工程に先立って、レーザ加工技術を用いてｃ面サファイア基板１１の内部に分断ラインに沿った改質領域を形成し、分断工程ではこの改質領域を起点として半導体ウェハを破断する。上記改質領域を形成する工程では、ｃ面サファイア基板１１に設けられた凹凸面により加工用のレーザ光の一部が散乱される可能性があるが、散乱されたレーザ光が電極（Ｅ１、Ｅ２またはＥ３）に吸収されると、発熱が生じて電極とＧａＮ系半導体のいずれかまたは両方が劣化する。これを防止するためには、レーザ加工によりｃ面サファイア基板内部に改質領域を形成する工程の後に、電極を形成する工程を行うことが望ましい。
【００４８】
４．好ましい実施形態
本発明の好ましい実施形態を以下に記す。
（１）光拡散可能かつＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するｃ面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクとを含み、該凹凸面が該成長マスクに覆われた第１凹凸面とサファイアが露出した第２凹凸面とを有する、エピタキシャル成長用基板。
（２）上記凹凸面に含まれる凸部は、サファイアｃ面に平行な面で切断したときにできる断面の面積が、基部から上部に向かうにつれて小さくなっている、上記（１）に記載のエピタキシャル成長用基板。
（３）上記凹凸面に含まれる凸部は、側壁の傾斜角が２０度以上６０度以下である部分を有している、上記（２）に記載のエピタキシャル成長用基板。
（４）上記凹凸面は凹部と凸部の高低差が０．５μｍ以上２．５μｍ以下である、上記（３）に記載のエピタキシャル成長用基板。
（５）上記凹凸面をサファイアｃ軸方向から見たときに、サファイアｃ面が占める面積の比率が５％以上である、上記（４）に記載のエピタキシャル成長用基板。
（６）上記成長マスクが上記第１凹凸面に対してコンフォーマルに形成されている、上記（１）〜（５）のいずれかに記載のエピタキシャル成長用基板。
（７）上記凹凸面をサファイアｃ軸方向から見たときに、上記第１凹凸面および上記第２凹凸面の面積の和に対する上記第２凹凸面の面積比が５％以上７０％以下である、上記（１）〜（６）のいずれかに記載のエピタキシャル成長用基板。
（８）光拡散可能かつＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するｃ面サファイア基板を準備するステップと、成長マスクを部分的に形成することにより、該
凹凸面に該成長マスクに覆われた第１凹凸面とサファイアが露出した第２凹凸面とを設けるステップと、気相エピタキシャル成長法を用いて該第２凹凸面の上部から該第１凹凸面の上部に向かってＧａＮ系半導体結晶をラテラル成長させるステップと、を含むＧａＮ系半導体結晶の成長方法。
（９）光拡散可能かつＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するｃ面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクと、該成長マスクを挟んで該凹凸面を覆うように成長したＧａＮ系半導体層とを含み、該凹凸面は該成長マスクに覆われた第１凹凸面と該成長マスクに覆われていない第２凹凸面とを有しており、該ＧａＮ系半導体層は該第２凹凸面の上部から該第１凹凸面の上部に向かってラテラル成長したＧａＮ系半導体結晶を含む、半導体構造。
（１０）光拡散可能かつＧａＮ系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するｃ面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクと、該成長マスクを挟んで該凹凸面を覆うように成長した第１のＧａＮ系半導体層と、該第１のＧａＮ系半導体層の上に順次成長したそれぞれがＧａＮ系半導体からなるｎ型導電性層、発光層およびｐ型導電性層と、を含み、上記凹凸面は成長マスクに覆われた第１凹凸面と該成長マスクに覆われていない第２凹凸面とを有しており、上記第１のＧａＮ系半導体層は該第２凹凸面の上部から該第１凹凸面の上部に向かってラテラル成長したＧａＮ系半導体結晶を含む、ＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１１）上記凹凸面に含まれる凸部は、サファイアｃ面に平行な面で切断したときにできる断面の面積が、基部から上部に向かうにつれて小さくなっている、上記（１０）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１２）上記凹凸面に含まれる凸部は、側壁の傾斜角が２０度以上６０度以下である部分を有している、上記（１１）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１３）上記凹凸面は凹部と凸部の高低差が０．５μｍ以上２．５μｍ以下である、上記（１２）に記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１４）上記成長マスクが上記第１凹凸面に対してコンフォーマルに形成されている、上記（１０）〜（１３）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１５）上記凹凸面をサファイアｃ軸方向から見たときに、上記第１凹凸面および上記第２凹凸面の面積の和に対する上記第２凹凸面の面積比が５％以上７０％以下である、上記（１０）〜（１５）のいずれかに記載のＧａＮ系ＬＥＤ素子。
（１６）光拡散可能な凹凸面を有するサファイア基板と、該サファイア基板上に形成され発光構造を備えたＧａＮ系半導体とを含む半導体ウェハを準備するウェハ準備工程と、上記半導体ウェハ中の個々の素子に対応する部位に電極を形成する電極形成工程と、上記電極形成工程の後に上記半導体ウェハを個々の素子に分断する分断工程と、上記電極形成工程に先立ってレーザ加工技術を用いて上記半導体ウェハに含まれるサファイア基板の内部に分断ラインに沿った改質領域を形成する工程と、を有し、上記分断工程では上記改質領域を起点として上記半導体ウェハを破断する、ＧａＮ系ＬＥＤ素子の製造方法。
本発明は明細書および図面に明示的に記載された実施形態または実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  エピタキシャル成長用基板
１１  ｃ面サファイア基板
１１ａ  第１凹凸面
１１ｂ  第２凹凸面
１２  成長マスク
２０  半導体構造
２１  ＧａＮ系半導体層
３０  ＧａＮ系ＬＥＤ素子
３１  ｎ型コンタクト層
３２  発光層
３３  ｐ型コンタクト層
Ｅ１  ｎ電極２６
Ｅ２  ｐ電極２７
Ｅ３  電極パッド
【図１】
2011238884.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年8月6日(2010.8.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００２／０７５８２１号公報
【特許文献２】米国特許第６２２５６５０号公報
【特許文献３】米国特許第６２５２２６１号公報
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００９／０２００３３号公報