(57)【要約】    【課題】  半導体発光素子において高い外部量子効率を安定に確保する。    【解決手段】  基板（１０）の表面部分には活性層（１２）で発生した光を散乱又は回析させる少なくとも１つの凹部（２０）及び／又は凸部（２１）を形成する。凹部及／又は凸部は半導体層（１１、１３）に結晶欠陥を発生させないように、第１の傾斜面（２２）、第２の傾斜面（２３）、又は第１，２の傾斜角θ１、θ２を有する側面形状とする。好ましくは、θ１＞θ２となるような第１，２の傾斜面（２２，２３）もしくは突出した曲面の側面（２６）で構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の凸部を有する基板と、その上に形成される半導体層と、を有する半導体素子であって、
前記凸部は上面と側面とからなり、
前記凸部の側面は、前記基板の底面側に縦方向の溝が形成された傾斜面と、上面側に底面側よりも表面粗さの小さい傾斜面と、を有することを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記凸部の側面は、前記基板の底面側から第1の傾斜面と第２の傾斜面とを有し、
前記第２の傾斜面における前記基板の底面に対する傾斜角θ２が、前記第１の傾斜面における前記基板の底面に対する傾斜角θ１よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記凸部の側面は、１つの凸曲面を有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に凹凸を設けた半導体素子に関し、特に、基板の凹凸によって外部量子効率を上げた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）では基本的には基板上にｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層が順に積層されている。またｐ型半導体層及びｎ型半導体層の上には電極を形成している。ｐ型半導体層から注入される正孔とｎ型半導体層から注入される電子との再結合によって活性層のある発光領域で光が発生すると、その光を電極が形成された面、又は半導体層を成長しない基板面から取り出すようにした構造が採用されている。
【０００３】
かかる構造の発光ダイオードでは積層構造を原子レベルで制御する関係上、基板の平坦性を鏡面レベルに加工しているので、基板上の半導体層、発光領域及び電極は相互に平行な積層構造をなし、しかも半導体層の屈折率が大きく、ｐ型半導体層の表面と基板の表面とによって導波路が構成される。即ち、屈折率の大きな半導体層を屈折率の小さな基板と透光性電極によって挟む構造によって導波路が形成される。この導波路は、ｐ型半導体層−電極界面と基板−電極界面とによって挟まれている。
【０００４】
従って、光が電極表面又は基板表面に対して所定の臨界角以上の角度で入射すると、電極とｐ型半導体層との界面又は基板表面で反射されて半導体層の積層構造内を横方向に伝搬して導波路内に捕捉されてしまい、また横方向の伝播中の損失もあり、所望の外部量子効率が得られない。即ち、臨界角よりも大きな角度で基板又は電極との界面に入射した光は、全反射を繰り返して導波路内を伝播し、その間に吸収される。このため、発光の一部は減衰して、有効に外部に取り出すことができず、外部量子効率が低下してしまう。
【０００５】
そこで、発光ダイオードの表面又は側面を粗面とする方法も提案されているが、半導体層にダメージを与えてしまい、クラック等が発生する。これでは、ｐ−ｎ接合が部分的に破壊され、有効な発光領域が減少してしまう。
【０００６】
他方、基板の表面に凹部又は凸部を形成して発光領域で発生した光を散乱させ、もって外部量子効率を向上させるようにした方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、サファイア基板、ｎ型ＧａＮ、ｐ型ＧａＮ、透明電極を順に積層したＧａＮ系ＬＥＤにおいて、サファイア基板の表面を、機械研磨やエッチングによってランダムに粗面化する。これにより、サファイア基板に入射する光が散乱され、外部量子効率が向上する。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２７４５６８号公報
【特許文献２】特開２００３−３１８４４１号公報
【特許文献３】特開２００１−１６０５３９号公報
【特許文献４】特開２００１−０９４２１６号公報
【特許文献５】特開２００１−１４８３４８号公報
【特許文献６】特開２０００−１０６４５５号公報
【特許文献７】特開２０００−１５６５２４号公報
【特許文献８】特開２００２−２８０６０９号公報
【特許文献９】特開２００２−２８０６１１号公報
【特許文献１０】特開２００１−１６０５３９号公報
【特許文献１１】ＷＯ２００５／０１８００８
【非特許文献１】ＹＡＭＡＤＡ，  Ｍ．  ，  ｅｔ  ａｌ．  ，  ＩｎＧａＮ−Ｂａｓｅｄ  Ｎｅａｒ−Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ａｎｄ  Ｂｌｕｅ−Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ａｎｄ  ａ  ｍｅｓｈ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ．’  Ｉｎ：  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ４１  （２００２）  ｐｐ．  Ｌ  １４３１−Ｌ１４３３
【特許文献１２】ＷＯ２００３／０１０８３１
【特許文献１３】ＷＯ２００２／１０３８１３  図２０、２７Ｃ、３０〜３３
【特許文献１４】ＷＯ０１／４１２２５
【特許文献１５】特表２００４−５０５４３４
【特許文献１６】特表２００４−５１１０８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、基板の表面に形状を制御せずに、例えば微細な構造であるためにその精度が不十分な凹部や凸部を形成すると、形成した凹部や凸部の側面には大きな溝が形成される（図１４）。また凸部を囲む外周の形状は大きな入り込みがあるため、このような基板上にＧａＮを成長させるとピットやボイドが発生する。該ボイドによりＧａＮの再成長時にクラックが発生しやすくなる。このようなクラックが発生すると半導体素子において、ＧａＮの結晶性が低下してしまう。このため、発光効率（＝内部量子効率）が下がり、外部量子効率がかえって低下する。またクラックの発生により半導体素子の信頼性も低下する。また、クラックの発生による半導体の結晶性の低下は発光ダイオードのような発光素子に限らず、他の半導体装置である受光素子や電子デバイスにも同様のことが言える。
【０００９】
また、半導体の成長基板、基板表面に上記凹凸加工を施すと、半導体の成長異常を招き、半導体層表面にピットが発生するなど表面のモホロジが悪化したり、凹凸部で半導体が充填されずに成長してボイドが発生したり、半導体の成長が悪化して半導体層中に貫通転位などの結晶欠陥が発生したり、ウエハ面内で異常成長する領域が発生したり、する問題がある。表面モホロジの悪化、結晶性の悪化は、例えば結晶欠陥、表面のピットなどにより、リーク電流の発生による静電破壊の増加、活性層などの結晶性悪化による発光効率の低下など、半導体素子の素子特性を悪化させる原因となる。凹凸部のボイドは、上記結晶性悪化、ピットの発生原因になる上、基板の凹凸による光取出し作用を低減させる原因となる。また、ウエハ面内で異常成長する領域が発生すると、素子の歩留まりを低下させる。
【００１０】
そこで、本発明の目的はピットやボイドの発生を抑制した半導体素子であって、半導体の結晶性を向上させ、静電耐圧などの信頼性が高く、また結晶性が良く、発光効率に優れ半導体素子を提供することにある。また外部量子効率を安定に確保できるようにし、高い歩留まりを得ることのできる半導体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】
【００１１】
本発明に係る半導体素子は、複数の凸部を有する基板と、その上に形成される半導体層と、を有する半導体素子であって、前記凸部は上面と側面とからなり、前記凸部の側面は、前記基板の底面側に縦方向の溝が形成された傾斜面と、上面側に底面側よりも表面粗さの小さい傾斜面と、を有する。
【００１２】
本発明に係る半導体素子は、前記凸部の側面は、前記基板の底面側から第１の傾斜面と第２の傾斜面とを有し、前記第２の傾斜面における前記基板の底面に対する傾斜角θ２が、前記第１の傾斜面における前記基板の底面に対する傾斜角θ１よりも小さいことが好ましい。
【００１３】
本発明に係る半導体素子は、前記凸部の側面は、１つの凸曲面を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体素子は、光を散乱又は回折させる凹部又は凸部を、半導体層と電極の界面ではなく、半導体層と基板の界面に設けることにより、発光領域（＝活性層）の結晶性を良好にし、出力を増大させる効果がある。本発明では従来の平坦な基板の場合には横方向に伝搬していた光が凹部及び／又は凸部において散乱又は回折され、上方の半導体層又は下方の基板から効率的に取り出される結果、外部量子効率を大幅に向上できる。即ち、第１に、凹凸による光の散乱・回折効果により、基板上方又は下方への光束が多くなり、発光素子の発光面を正面から観察したときの輝度（＝正面輝度）を高めることができる。また、第２に、凹凸による光の散乱・回折効果により、半導体層中を横方向に伝播する光を減らし、伝播中の吸収ロスを低減して発光の総量を高めることができる。
【００１５】
しかも、本発明は基板表面部分に凹部及び／又は凸部の側面を２段階以上の傾斜面、好ましくは突出形状、突出した曲面で形成しており、該凹部及び／又は凸部の傾斜面における溝の発生を抑制するものである（図１２、図１３）。そのため半導体層には凹凸形成により、その凹部、凸部の周囲にボイドが発生せずに高い外部量子効率、つまり高出力を安定に確保できる。尚、本発明において、凹部や凸部を２段階以上に傾斜面を形成することで該凸部や凹部の周囲を完全に半導体層によって埋めることができる。凹部の内側や凸部の周囲にボイドが存在すると、半導体層の結晶性を低下させるだけでなく、散乱又は回折の機能が阻害され、発光効率を低下させるからである。また上記凹部や凸部を円形で形成すれば、ピットを大幅に低減することができる。これにより歩留まりが向上する。
【００１６】
また、本発明の発光素子用基板の製造方法においては、基板の微細な形状、構造の凹部、凸部を効果的に形成すること、特にその側面の形状を２つの傾斜面、傾斜角を有するものとすることが容易に可能となり、またの側面の溝も効率よく取り除くことが可能となる。また、側面全体の傾斜角θｍも低角度化することが可能となり、基板上への半導体結晶の成長において優れた基板となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る半導体素子の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる製造工程を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の光の伝搬を従来構造との対比で模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態における凸部形状の例を示す斜視図（図４Ａ）と、凸部の傾斜面、傾斜角が１つである場合の例を示す斜視図（図４Ｂ，Ｃ）である。
【図５】本発明に係る一実施形態における凸部形状を示す模式断面図（図５Ａ）と、凸部側面の傾斜面、傾斜角が１つである場合の例を示す模式断面図（図５Ｂ）である。
【図６】本発明の一実施形態に係る半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図７】本発明に係る凹部又は凸部の他のパターン例を模式的に示す平面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る発光素子、特にそのｐ側オーミック電極の各形態を示す模式平面図（図８Ａ，Ｂは発光素子、図８Ｃ，Ｄは電極１５，１６）である。
【図９】本発明の一実施形態に係る発光素子、特にそのｐ側オーミック電極の各形態を模式的に示す平面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る発光素子、特にそのｐ側オーミック電極の各形態を模式的に示す平面図である。
【図１１】本発明に係る凹部又は凸部を正六角形とした他の実施形態を説明するための平面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る凸部のＳＥＭ写真である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る凸部のＳＥＭ写真である。
【図１４】本発明に係る凸部のＳＥＭ写真である。
【図１５】本発明の一実施形態に係る凸部断面を説明する模式図である。
【図１６】本発明の一実施形態に係る凸部を説明する斜視図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係る基板の凸部とその上に成長した半導体結晶を説明する断面模式図である。
【図１８】本発明の一実施形態に係る基板の製造工程を説明する断面模式図である。
【図１９】本発明の一実施形態に係る基板上面の凸部のパターンを模式的に説明する上面図である。
【図２０】本発明の一実施例に係る静電破壊特性を表す図である。
【図２１】本発明の一実施例に係る発光素子の明るさを説明する図である。
【図２２】本発明の一実施例に係る発光素子構造を説明する上面図２２Ａと、その積層体を説明する断面図２２Ｂ、積層体の回路図２２Ｃである。
【図２３】本発明の一実施例に係る発光装置を説明する模式図である。
【図２４】本発明の一実施例に係る発光装置を説明する模式断面図である。
【図２５】本発明の一実施例に係る発光素子を説明する上面図２５Ａと、その一部ＡＡ断面を模式的に説明する図２５Ｂである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る半導体素子は、基板表面上に基板とは材質の異なる半導体層を備えており、該基板の表面部分には凹部及び／又は凸部が形成された半導体素子において、上記凹部及び／又は凸部の側面には少なくとも２つ以上の傾斜角の異なる傾斜面を有することを特徴とする。尚、本件発明において「少なくとも２つ以上の傾斜角の異なる傾斜面」とは、凹部や凸部の側面に形成される傾斜面であって、基板の平坦面を基準とした場合に傾斜角が異なる斜面が２面以上あることを示す。図５ａには凸部の断面形状の一例を示すが、このように傾斜面には傾斜角が異なるθ１、θ２が存在する。上記基板における傾斜角はθ１、θ２に限定されずθｎ（ｎ＝整数）まであってもよい。
【００１９】
また、図５Ａ，１５にみるように、凸部側面、凹部内壁側面が、凸部外側、凹部内側に突出して、凸な形状を形成することが好ましい。これは、図１７にみるように、突出した部分まで半導体層を成長し、凸部上面から成長した半導体層と、凹部から成長した層とが、接合する段階において、側面の傾斜が低くなることで、その接合を円滑になる傾向にあり、これによりボイドの発生、成長異常の発生、それによる結晶性悪化、ピット、結晶欠陥の発生を抑制することができるためである。また、このような凹凸部側面が突出する形状としては、図１５にみるように、凸面形状の曲面を有する形状であってもよい。ここで突出する形状とは、図１５の凸部（凹部）の底面端部と上面端部を結ぶ線分より断面が幅広となるように凸な形状を示し、本発明では、その側面の突出部が複数設けられていても良いが、好ましくは図５Ａ、１５に示すように、１つ有することが、基板上への半導体の成長安定性の観点から好ましい。
【００２０】
上述したように、基板の凹凸部は、その光取出し効果を高めるためには、密度を高めて、各凸部、凹部の大きさを小さくして、その間隔を狭くするほどよい。しかし、基板加工精度の制約により、その大きさが小さくなるほど、形状の悪化して、側面の溝などが発生する。上記凹部や凸部の傾斜面における傾斜角が一定であれば、縦方向に伸びる溝は該凸部の上面まで到達する形状となる（図４ｂ、図４ｃ）。このため凸部上面の周囲に入り込み（ｎｏｔｃｈ）が形成されて、具体的には、凸部側面、ここでは第１の傾斜面２２に、内部に凹みを有する切り欠きが設けられ、周囲がギザギザになる。このような溝や、入り込みは基板表面上に形成される凹部や凸部に規則的に発生するのではなく、形状や規模は不規則になる。そのため、半導体層の成長条件等を調整するのみではピット等の発生は抑制することはできない。
【００２１】
これに対して、本発明では図４Ａに示すように、凹部及び／又は凸部の側面には少なくとも２つ以上の傾斜角の異なる傾斜面を形成している。これによって、下側の傾斜面で発生した溝が凸部等の上面まで伝播することがなく、具体的には溝が第１，２の傾斜面２２，２３の内、一方の第１の傾斜面２２に設けられ、第２の傾斜面２３に到達するように伸びて設けられる。そのため、下側の第１の傾斜面２２に形成される溝されても、上側の第２の傾斜面２３には縦方向に伸びる溝はなく、表面粗さは小さくなる（図４ａ）。
【００２２】
このような基板上に半導体層を成長すればピット等のモホロジ異常の発生がなくなる。また、基板に凹凸を形成することによる半導体層中の転位の増加が殆どない。これは本発明の特徴の１つである上側にある傾斜面の表面粗さを小さくし、凸部であればその上面を囲む外周の形状を一定にした点にある。外周の形状を一定にしたとは、該外周には入り込みが存在しないことである。
【００２３】
また、側面が曲面を有する場合には、凹部から成長する半導体において、その基板面内の成長領域の形状変化を小さく、滑らかな変化となるため、成長が好適なものになると考えられる。さらに、曲面形状形成時に、上述した凹凸形成時の側面形状が不安定になることにより形成された溝などの表面凹凸も、曲面部分において低減される。
【００２４】
本発明の半導体素子は、図５に示すように、上記凸部の側面に形成される傾斜面には、基板の底面側から少なくとも第１の傾斜面２２、及び第２の傾斜面２３が備えられており、該第１の傾斜面における底面２０ｂに対する傾斜角θ１と該第２の傾斜面における底面若しくは上面２０ｔに対する傾斜角θ２の関係はθ１＞θ２とすることが好ましい。このような傾斜面とすることで、凸部における溝等の発生は第１の傾斜面で止めることができる。また第１の傾斜面においても上記傾斜面とすることで、従来の傾斜面に比較して溝の深さやサイズが小さくなり、具体的には第２の傾斜面では第１の傾斜面に設けられた溝が少なくなり、その幅、深さが小さくなるため、好ましい。これは凹部の形成時においても同様である。
【００２５】
本発明の半導体素子は、上記凸部の側面には、基板の底面側から少なくとも第１の傾斜面２２と第２の傾斜面２３、若しくは第１の傾斜角θ１と第２の傾斜角θ２を有する側面が備えられており、該第１の傾斜面若しくは底面２０ｂ側における表面粗さＲａ１と該第２の傾斜面若しくは上面２０ｔ側における表面粗さＲａ２の関係はＲａ１＞Ｒａ２とすることが好ましい。第２の傾斜面の表面粗さが小さいことで半導体の成長時に発生するボイド等を大幅に低減することができる。これは基板の表面上に形成された凸部における第２の傾斜面では、半導体の成長速度が大きく変わることがなくなり、半導体同士の接合部も一定となるためボイドが発生せずに半導体層が成長できる。図１４に示すように凸部の側面を１つの傾斜面で形成した場合の粗さＲａ３は上記２つの傾斜面、傾斜角を設けた場合の側面の粗さ、具体的には上記Ｒａ２若しくはＲａ１よりも大きくなってしまう。しかも、この表面粗さが凸部の最上面まで継続されるので半導体の成長条件に関わらずボイドが発生してしまい、出力が低下する。Ｒａ２の具体的な数値は０．１μｍ以下、好ましくは０．０１μｍ以下、最も好ましくは０．００５μｍ以下とすることが好ましい。
【００２６】
本発明に係る一実施形態の半導体素子は、図４Ａ、図１２，１３に示すように、上記第１の傾斜面、若しくは底面側には縦方向に溝が形成されている。この溝が縦方向に伝播して凸部の上面にまで到達すれば、後の工程で成長させる半導体の結晶性を低下させることになる。しかしながら、第１の傾斜面の上方にある第２の傾斜面には溝が形成されずに、この第１の傾斜面にのみ縦方向に伸びる溝があれば、半導体の成長時に応力緩和になる。また溝等が存在することで本来、発生していたボイド等は、第２の傾斜面での半導体の成長時に抑制されることになる。
【００２７】
ここで、上記凹部と凸部とは何れか一方を基板表面部分に形成してもよく、両者を組合せて形成しても同様の作用効果を奏する。但し、凹部よりも凸部を形成する方が、半導体の成長時にボイドの発生を抑え易いため、好ましい。凹部又は凸部の周囲にボイドがあると、半導体の結晶性が低下し、更に凹凸による散乱又は回折機能が阻害され、出力が低下してしまうからである。また、半導体層に欠陥が成長しないようにするには、凹部及び／又は凸部の側面にある上面側の第２の傾斜面を平坦とすることが好ましい。
【００２８】
半導体層に欠陥が成長しないような凹部及び／又は凸部の形状とは、具体的には上記第２の傾斜面を平坦とすることである。
好ましい凹部及び／又は凸部の基板面内形状は、半導体層の成長安定面に対してほぼ平行な面と交叉する直線を構成辺とする形状である。成長安定面に対してほぼ平行な面と交叉する直線とは、より具体的に言えば、基板上面から見て、即ち基板面内において、成長安定面と平行でない直線のこと、別の観点では、基板面と成長安定面との交線に平行でなく、傾斜した基板面内の直線のことである。なお、成長安定面は、成長させる結晶において、一般に、成長の途中に、比較的平滑な面として形成されるファセット面となる。例えば、窒化ガリウム系化合物半導体の場合、Ａ軸に平行な平面（特にＭ面）が成長安定面となる。従って、基板上面から見て、Ａ軸に平行な平面に平行でない直線（＝Ａ軸に平行でない直線）を構成辺とする多角形で凹部又は凸部を形成することが好ましい。ここで、Ａ軸とは、Ａ面に垂直な法線方向を指し、Ａ軸が基板面に傾斜する場合、そのＡ軸方向を基板面に投影した方向が基板面内のＡ軸方向であり、Ａ軸に平行な平面とそれに平行でない直線とは、基板面において、前記Ａ軸方向若しくはその基板面内方向に、平行と成らずに傾斜した方向の直線であり、またＡ軸に平行な平面とは、基板面において、Ａ軸方向若しくはその基板面内方向に平行な直線を、基板面と成す交線とする面である。これは、凹部及び／又は凸部が半導体層の成長安定面に対してほぼ平行な直線を構成辺としていると、半導体層の成膜時にその部位で結晶の欠陥が発生し、これが内部量子効率を低下させ、結果的に外部量子効率を低下させる原因となるからである。
【００２９】
本発明における半導体素子は、基板面内における上記凹部及び／又は凸部の外周の平面形状が、円形、三角形、平行四辺形又は六角形である。上記平面形状は多角形であって、好ましくは三角形、平行四辺形又は六角形である。これらの形状で凹部や凸部を形成するとピット等の発生を抑制することができる。より好ましくは正三角形、菱形又は正六角形とする。また円形も好ましい。円形であればピットを大幅に抑制することができ、第２の傾斜面を容易に形成することができる。また凸部の密度を高くすること、すなわち、単位面積当たりの凸部の数を多く、その側面の長さ、面積を大きくできるため、凸部による光取出し作用を高め、これによって発光素子とした場合にその出力も上昇する。
尚、本件明細書において、凹部又は凸部を多角形や円形にするとは、基板上面から観察した場合の平面形状を多角形や円形にすることを指す。また、凹凸の平面形状は、幾何学的に完全な多角形である必要はなく、加工上の理由等から角が丸みを帯びていても良い。
【００３０】
上記半導体とはＩＩＩ―Ｖ族系半導体やＩＩ―ＶＩ族系半導体が考えられる。ＩＩＩ―Ｖ族系半導体には窒化物半導体がある。例えば、サファイア基板のＣ面上に窒化物半導体を成長させる場合、窒化物半導体のＡ軸を含む平面で囲まれた六角形状で島状に成長が始まり、その島同士が結合して均一な半導体層となる。そこで、窒化物半導体のＡ軸を構成辺とする正六角形を想定し、その正六角形の中心と頂点を結ぶ線分に直交する直線を構成辺とする多角形（例えば、三角形、六角形など）に凹部又は凸部を少なくとも２つ以上の傾斜面、若しくは２つ以上の傾斜角を有する突出した形状、突出した曲面形状を形成する。このように凹凸を形成したサファイア基板の上には、平坦で結晶性に優れた窒化物半導体を成長させることができる。
【００３１】
本発明の半導体素子は、上記基板の凹部及び／又は凸部がその形状を繰り返したパターンに形成されていること、例えば図７に示すような複数の凸部で構成されるパターン、更にそのパターンを繰り返したものとすることが好ましい。凹部及び／又は凸部は１つでもよいが、その形状を繰り返したパターンに形成すると、上述したように少なくとも第１，２の傾斜面２２，２３若しくは第１，２傾斜角θ１，θ２を有すること、またその側面が突出形状であること、さらにはそれが曲面であることで、光の散乱又は回折の効率がアップし、外部量子効率をさらに向上できる。尚、本発明では、凹部及び／又は凸部を基板上に繰り返し設けた場合であっても、凹部又は凸部による局所的な結晶欠陥を抑制するように半導体層を成長させることにより、基板の全面を発光面とすることができる。
【００３２】
本発明は基板表面部分に凹部及び／又は凸部を形成して光を散乱又は回折させるようにした点に特徴があり、半導体素子の基板及び半導体の材料自体はどのような材料であってもよく、上記ＩＩＩ  −Ｖ  族系半導体、具体的にはＧａＮ系半導体を適用することができる。ＧａＮ系の半導体層の成長安定面は、六方晶結晶のＭ面｛１  １−  ００｝（ここで、面指数中の「１−」は、「１」にアッパーバー（上線）を設けたものを指し、以下同様に表記する）である。ここで｛１  １−  ００｝は（  １−  １００）、（０１  １−  ０）、（  １−  ０１０）などを表している。Ｃ軸配向したＧａＮ系半導体結晶では、Ｍ面は、基板面内において上記Ａ軸方向に平行な平面の一つとなる。尚、成長条件によっては、例えば｛１  １−  ０１｝面のファセットのように、基板面内においてＧａＮ系半導体のＡ軸を含む他の平面（＝Ｍ面以外の平面）が成長安定面になる場合もある。
【００３３】
また、基板にはサファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板又はスピネル基板を用いることができる。例えば、上記基板には、Ｃ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用いることができる。この場合、ＧａＮ系の半導体層の成長安定面であるＭ面は、サファイア基板のＡ面｛１１  ２−  ０｝に平行な面である。ここでＡ面｛１１  ２−  ０｝は（１１  ２−  ０）、（１  ２−  １０）、（  ２−  １１０）などを表している。
【００３４】
上記凹部の深さ又は凸部の段差は１００Å以上、好ましくは１０００〜１００００Åとする。少なくとも発光波長（例えば、ＡｌＧａＩｎＮ系の発光層の場合、２０６ｎｍ〜６３２ｎｍ）をλとしたとき、λ／４以上の深さ又は段差がないと、十分に光を散乱又は回折することができない。具体的には、上述したように、基板上の半導体層中を光が伝搬するため、その伝搬する媒質の屈折率をｎとして、λ／（４ｎ）以上の深さと段差を設けることが好ましい。一方、凹部の深さ又は凸部の段差が上記範囲を超える場合には、基板の凹凸を平坦化させるために必要な半導体層、すなわち素子構造の下地層の膜厚を大きくする必要がある。基板の凹凸を平坦化せずに素子構造を積層すると、電流が積層構造内の横方向に流れにくくなり、発光効率が低下する傾向にあるため、凹部，凸部の段差、深さを上記範囲内に抑えることが好ましく、またその段差、深さが上記範囲より低いと、加工精度が不十分で基板面内における凹部、凸部のばらつき、引いては各素子の特性にばらつきが発生する傾向にある。
【００３５】
また、上記凹部及び／又は凸部の大きさ（すなわち、凹部及び／又は凸部の構成辺となる一辺の長さＬａ）、及び相互の間隔は、半導体中における発光波長をλ（３７０ｎｍ〜４６０ｎｍ）としたとき、少なくともλ／４以上の大きさであることが重要である。少なくともλ／４以上の大きさがないと、十分に光を散乱又は回折することができず、ここで、λ／４は、上記と同様に、光が発生して、伝搬する媒質である半導体層の屈折率をｎとして、λ／（４ｎ）以上とする。また凸部の上面における一辺の長さＬｂは１．５μｍ以上とすることが好ましい。この範囲で凹部や凸部を形成すれば半導体を成長させた時にボイドの発生を抑制することができる。更には、上記辺の長さの比、凹部及び／又は凸部の底面側の辺の長さＬａと上面側の辺の長さＬｂが１＜Ｌａ／Ｌｂ＜２、好ましくは１．１＜Ｌａ／Ｌｂ＜１．８とすることでよりボイドの発生を抑制することができ、出力は１０％以上も向上する。また、凸部の底面と上面との長さの比（［上面側長さ］／［底面側長さ］）は、１〜３程度が好ましい。
尚、十分に光を散乱又は回折させるためには、凹部又は凸部の相互の間隔が上記と同様にλ／４以上であることが好ましい。具体的には０．５μｍ以上５μｍ以下である。好ましくは１μｍ以上３μｍ以下である。この範囲であれば、半導体層を効率よく成長させることができ、更には散乱又は回折の効果を高くすることができる。尚、凹凸の相互の間隔とは、隣接する凹部同士又凸部同士における最短の距離をいう。
【００３６】
次に、基板の凹凸の断面形状については、図５ａに示すように、凸部であれば少なくとも２段階以上に傾斜した台形、凹部であれば逆台形であること、図１５に示すように、第１，２傾斜角θ１、θ２を有する曲面の側面を有する台形状とすることが好ましい。このような断面形状とすることにより、光の散乱及び回折効率をより高めることができる。尚、凹凸の断面形状は、幾何学的に完全な台形又は逆台形である必要はなく、加工上等の理由から角が丸みを帯びていても良い。底面側の底面との傾斜角θ１が３０°より大きく、９０°より小さい時に、散乱又は回折による出力が向上する。凹凸の傾斜角θがあまり大き過ぎると、却って散乱又は回折の効率が低下し、また、半導体層のピットが発生し易くなる。そこで、傾斜角θ１は、好ましくは４５°以上８０°以下、より好ましくは５０°以上７０°以下とする。また、上面側の底面との傾斜角θ２は４５°以下、好ましくは１０°以上３０°以下とする。この範囲で基板の表面上に凹部や凸部を形成すればピットの発生を抑制することができる。また図５Ａに示すように、上面側の上面からの傾斜角θ３は９０°以上であることが好ましい。
【００３７】
また、図５Ａ、１５のように、凸部の外側方向に突出し、断面の幅が中央部で広くなるように凸な形状である場合には、その凸部、凹部の底面端部から上面端部に至る傾斜角θｍが、８０°以下、２０°以上の範囲で形成されていることが好ましく、更に好ましくは、３０°以上６０°以下の範囲であることである。なぜなら、傾斜角低下による光の反射面（凸部側面）が基板面内に占める割合が高くなり、光取出し作用を高めることができ、一方、傾斜角が小さすぎると、凹部からの結晶成長した部分４２が、凸部上面から成長した成長部４１との接合する時に、図１７に示すようにその成長部４１の底面下に入り込む領域が多くなり、成長不良、ボイドの発生を招く傾向にあるためである。
【００３８】
［凹凸基板を有する発光素子の構造］
また、本発明の半導体素子は半導体発光素子とすることで光の取出し効率を向上させた発光素子を提供することができる。また半導体発光素子における光取り出し面に形成されるオーミック電極は全面に形成してもよいが、開口部を有する形状とすることが好ましい（図８ａ、図８ｂ）。即ち、本発明のように、凹凸を設けた基板上に、半導体層を形成し、その上に開口部を設けた全面電極を形成すると、両者の相乗的な効果によって光の取出し効率は格段に向上する。特に、電極の開口部に、基板表面の凹凸の段差部が少なくとも１つ含まれるようにすることが好ましい。
【００３９】
通常の透光性電極を全面に設けた構成では、散乱や回折を経て上方に達した光が透光性電極によって一部吸収されてしまい、光の強度が小さくなってしまう。そこで、凹凸を設けた基板上に、半導体層を形成する場合には、透光性電極に開口部を設ける、又は高反射率の開口部を有する非透光性電極を設けて一部半導体層が露出する部分を設けることで、散乱や回折を経て上方に達した光が外部に取り出されやすくなり、光の取出し効率が格段に向上する。
【００４０】
また、上記半導体発光素子の場合、窒化物半導体においてｐ側オーミック電極には、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｇ及びこれらの酸化物、窒化物を用いることができる。その他に、酸化インジウム（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ；ＩＴＯ）、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、またはＳｎＯ２から選択した少なくとも１種を含む合金または多層膜、導電性の金属酸化物（酸化物半導体）を用いることができる。透光性電極としてのｐ側オーミック電極には、特に可視光域においてＩＴＯ膜を用いること、反射性電極としては、Ａｌ，Ａｇ，Ｒｈを用いることが光取出し効率の向上等には好ましい。
【００４１】
本発明に係る発光素子に用いる基板の製造方法としては、図２Ｂ、図１８Ａに示すように、基板上にエッチングマスクとなる保護膜２５を設けてエッチングして、図２Ｃ、図１８Ｂに示すように第１段階の凸部２０を設けた後、図２Ｄに示すように保護膜２５を除去するか、図１８Ｂに示すように、第１の工程においてエッチングにより保護膜２５を除去するなどして、第２の工程において、凸部上面２０ｔの少なくとも一部、例えば図１８Ｂ、好ましくは全部、その側面と凹部とを露出させてエッチングすることで、図２Ｄ、１８Ｃに示すように、２つの傾斜面２２，２３、それぞれの傾斜角を有する第２段階の凸部２０を形成する。このとき図１８Ａの保護膜は、第１の工程の凸部形成時に（図１８Ｂ）、エッチングで除去する方が、保護膜除去工程を省けるため好ましい。また、第１の工程で保護膜を残すこともでき、その場合第２の工程のエッチングにおいて、残された保護膜が、第２傾斜面形成に寄与する一方で、凸部上面２０ｔの保護することができるため好ましい。ここでは、保護膜を第１，２のエッチング工程で除去することについて述べたが、第２の工程でも保護膜を残し、第３の工程のエッチング時に、保護膜を除去することもでき、更に第３の工程でも保護膜を残すこともできる。また、第１〜３の工程において、それぞれの工程で、所望とする凸部，凹部形状、特にその側面の形状を形成するために、それぞれの工程に適した保護膜を形成することもできる。ここで、第２の工程において、図２Ｂ、４Ａ、５Ａ、１８Ｃに示すように、凸部側面が突出した形状となるように形成することが好ましくは、更に好ましくは、第１の傾斜面が凹部底面２０ｂに設けられ、第２の傾斜面が凸部上面２０ｔに設けられることであり、更に好ましくは図に示すとおり、第１，２傾斜面２２，２３が連続することである。
【００４２】
更に、凸部側面２２，２３を凸曲面２６とするために、凸部上面２０ｔの少なくとも一部と側面、凹部が露出した状態でエッチングして、図１８Ｄに示すように、底面側の第１傾斜角θ１、上面側の第２傾斜角θ２を有する曲面を設ける。このとき、図１８Ｄの部分拡大図である図１８Ｇに見るように、第２の工程で形成された凸部底面における端部付近、周縁に設けられた溝も、滑らかな溝となり、平滑化される。このような凸部周縁の溝は、結晶成長時、異常成長の要因となるため、それが平滑化されることで、これを回避できる。更に、図２Ｄ、１８Ｃに見るように、第１の工程における凸部側面の傾斜角θｍ１より、第２の工程の方が、第１，２傾斜面２２，２３形成により、側面全体の傾斜角θｍ２が小さく、θｍ１＞θｍ２、なる。一方で、傾斜角の大きな第１傾斜面の底面部では、図１８Ｃの部分拡大図の図１８Ｆに示すように、その端部近傍、即ち、第２傾斜面が底面２０ｂから設けられる場合は、凸部底面の周縁部、凹部底面２０ｂの外縁部に、比較的鋭い形状のＶ字状溝２７ａが設けられる場合がある。これは、凸部底面の端部付近は、上述したように、図４Ｂ，Ｃ，１４に見られるように、側面に溝などが設けられ、その端部形状は凹凸を有して粗い形状で有ると共に、第２傾斜面２３より第１傾斜面２２の傾斜角が大きいため、第１傾斜面２２よりもその底面が優先的にエッチングされる傾向に有るためである。
【００４３】
上記第１〜３の工程による多段階のエッチングとして、好ましくは、３角形若しくはそれより多くの角を有する多角形、更に好ましくは円形状の凸部の平面形状とすることが好ましい。これは、多段階に及ぶエッチングにより、鋭角を有するような多角形では、エッチングによる形状変化が大きく、製造ばらつき、ウエハ内における凸部間の形状ばらつきが大きくなり、歩留まりが低下するためであり、好ましくは５角形以上の多角形、角を丸めた多角形状とすることであり、更に好ましくは、楕円形状、最も好ましくは円形状である。
【００４４】
また、後述するように、凸部上面２０ｔの成長結晶４１は、窒化物半導体の場合にその平面形状が六角形状であり、図１９Ｄに示すように、角の部分で、成長結晶の隙間が大きくなり、上面内で結晶分布が偏る傾向にあるが、一方で、図１９Ａ，Ｃに示すように、円形状であると、上面２０ｔにおいてその隙間が無く、偏析せずに形成される。このような上面２０ｔにおける結晶分布は、偏り、隙間が大きいと、凹部結晶４２、凸部結晶４１とが接合して、層状の結晶成長する際に、成長異常を起こす原因となる傾向にあり、それにより、結晶表面にピットが発生する傾向が観られる。従って、凸部の平面形状、特に上面形状は、上記と同様に、鋭角を有する多角形よりも、直角、鈍角を有する多角形、例えば四角形、４つ以上の各を有する多角形、好ましくは、円形状である。
【００４５】
上記第１〜３の工程のエッチングにより、第１の工程では、エッチング精度、マスク精度の問題から粗い表面、溝などを有する凸部側面２２ａが形成されても（図４Ｂ，Ｃ）、後に続く第２，３の工程におけるエッチングにより、凸部側面及び上面２０ｔの一部が露出された状態でエッチングに晒されるため、側面の溝部２４、凹凸が滑らかなものとなる。具体的には、第２の工程では、上面側の角部、すなわち上面２０ｔの端部付近と、側面の溝部２４における角などがエッチングに晒された際に、他の場所に比べて優先的にエッチングされるため、その角が取れ、面取りされるような状態となり、図４Ａ、図５Ａのように第２傾斜面２３の形成、第１傾斜面２２の表面粗さの低減がなされる。加えて、図２、１８に見るように、側面全体の傾斜角θｍが第１の工程よりも小さく、θｍ１＞θｍ２、なる。
【００４６】
更に第３の工程では、少なくとも第１，２傾斜面２２，２３が形成され、図２Ｄ、図１８Ｃ、図４Ａ、図５Ａに示すように好ましくは突出した形状の凸部側面において、凸部上面２０ｔの一部とその側面と凹部が露出されて、エッチングされることで、その突出形状を凸状の曲面２６として形成する。その時、その側面の傾斜角が、上面側が底面側より小さいこと、θ１＞θ２、が好ましい。更に、図１８Ｃ、Ｄ、及びその拡大図Ｆ、Ｇに示すように、凸部２０側面全体の傾斜角θｍ３を、第２の工程の傾斜角θｍ２よりも小さく、θｍ２＞θｍ３、することが好ましい。また、上述したように、第２の工程で凸部と凹部の境界に溝２７ａができた場合には、第３の工程により、その溝の幅を広くし、凹部、凸部底面からの傾斜角を小さくして、平滑化した溝若しくは凹部２７ｂことで、その凸部、凹部の周縁部における成長異常を回避することができる。
【００４７】
従って、本発明の発光素子用基板の製造方法において、好ましくは、第１〜３工程の３段階のエッチング工程を経ることで、凸部全体の傾斜角θｍが、θｍ１＞θｍ２＞θｍ３の関係が実現され、第１工程に加えて、第２工程、さらには第３工程を経ることで、結晶成長に有利な側面全体が低角度で、更には上面側の方が底面側より低角度となる凸部側面が形成でき、凹凸基板で問題となるボイドの発生、結晶欠陥の発生、表面ピットの発生を抑止して、素子特性に優れたものとできる。
【００４８】
以上の説明では、側面の角度を挙げたが、上記凸部における上面長さＬｔ、底面長さＬｂについてもその比は、上記側面全体の傾斜角を決定する要因の一つのため、同様な傾向が得られる。具体的には、第１の工程における上面と底面の長さの比、Ｌｂ１／Ｌｔ１、は、第２の工程における長さの比、Ｌｂ２／Ｌｔ２、より小さく、（Ｌｂ１／Ｌｔ１）＜（Ｌｂ２／Ｌｔ２）、成ることが好ましい。また、第２の工程と第３の工程との長さの比の比較についても同様に、（Ｌｂ２／Ｌｔ２）＜（Ｌｂ３／Ｌｔ３）、第２の工程が第３の工程より小さく成ることが好ましい。これは、詳しくは後述するが、凸部において、上記長さの比の条件を満たして第１〜３工程を経ることで、底面の端部と上面の端部が離れてゆく結果となり、そのため、凸部上面間の距離が離れる事になり、凸部上面からの成長結晶が互いに離れるために、凹部からの成長結晶が十分に成長できるようになる。それにより、凹凸基板の結晶成長が優れたものとなる。
【００４９】
本発明の別の形態としては、上記凸部側面などの特徴を有する半導体素子で、図１９に示すように、基板面内に、周期的に配列された凸部の凹部底面内において、最近接の凸部間で、凸部底面の端部に外接する円の第１凹部領域３１と、それより直径が大きく、少なくとも３つ以上に外接すること、好ましくは凹部底面内で最大半径となる、円の第２凹部領域３２とを有して、凸部上面において、最近接する凸部の上面端部に外接する円の第３凸部領域３３が、第２凹部領域３２より直径が大きくなるように、凸部が形成される事である。
【００５０】
図１９に示すように、例えば、図１９Ａでは、２つの凸部間の底面２０ｂ、上面２０ｔを、それぞれ最短距離で結ぶ直径の第１凹部領域３１と第３凸部領域が設けられ、３つの凸部で囲まれた凹部底面２０ｂ内で、その３つの凸部底面の端面に外接して、凹部底面内で最大の直径となる円の第２凹部領域３２が設けられており、第１〜３領域の各直径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が、Ｒ３＞Ｒ２＞Ｒ１の関係を有した構造と成っている。
【００５１】
図１９Ｂは、図１９Ａの基板１０の上に、半導体結晶を、凸部２０の高さより低い厚さまで成長させた様子を示すものであり、凹部からの成長結晶４２と、凸部上面２０ｔからの成長結晶４１とが設けられることが分かる。図から分かるように、凸部上面の結晶４１は、凸部が互いに離間されて配置されるため、膜厚方向への成長の他に、横方向成長などにより、互いに近づく方向に成長して、例えば図１９Ｄの点線で示す成長予測円のように、最終的に基板上に層状の結晶が形成される。一方で、凹部の結晶４２も膜厚方向に成長するが、凸部高さに達する前に、上記上面成長結晶４１が互いに接合すると、その接合部、すなわち、凸部間の最短距離を結ぶ線分上の領域で、凹部結晶４２の膜厚方向の成長がふさがれて、ボイドが発生する原因となる。このため、凸部間は、互いに大きく離間するほど、結晶成長が良好となるが、一方で、上記発光素子における凹凸基板の光取出し作用においては、凸部をできるだけ密に配置する方が、その効果が大きくなるため、密度を高く凸部を配置して、且つその結晶成長不良を発生させないような凹凸の形態が必要となる。
【００５２】
本発明では、上述したような傾斜した側面を有する凸部が設けられることで、図１９Ａから凹部底面から成長した結晶４２が、図１９Ｂに示すように、膜厚が大きくなるほど、その結晶の表面積が大きくなり、且つ、凸部間で挟まれた領域も広くなっており、上記２つの条件（凸部の密度が高いことと凸部間距離が大きいこと）を両立することができる。特に、図１７で示すように、凸部の側面の形状が、上記第１，２傾斜面２２，２３を有するもの（図１７Ａ）、上記凸曲面を有するもの（図１７Ｂ）とにおいて、凸部上面から成長した結晶４１と、凹部の結晶４２とが好適に成長して、且つ、成長異常や上記ボイドの発生を防ぐことができる。ここで、図１７は、基板上に、凸部高さに満たない半導体結晶性を成長させた場合における凸部，凹部と結晶形態との関係を示す模式断面図であり、例えば図１９Ｂの一部の断面を模式的に説明するものである。また、図１９中で、凸部上面の結晶の平面形状を六角形で示しているのは、窒化物半導体において、通常見られる形態として例示するものであり、その他の結晶成長形態、他の材料においても、結晶の形状が異な留場合でも、比較的基板面内に等方的に成長する系となる傾向にあるので、それにも適用でき、またそのような系に特に好適に適用できる。
【００５３】
図１９Ｃは、図１９Ｂにおいて、凸部の周期構造を変えた一実施形態を示すものであり、図１９Ｂの配列方向の軸５１，５２とがほぼ６０°に斜交して、各凸部は、ほぼ等間隔に正三角形の頂点に配置され、周期構造の基本単位となる平行四辺形（図中点線部５３）の配置を上記軸方向５１，５２に周期的に配置されているのに対し、図１９Ｃでは互いに直交する軸５１，５２で、凸部がほぼ等間隔に正方形の頂点に配置され、その基本単位（図中点線部５３）は正方形である。図１９Ｃでは、第１凹部領域３１と第３凹部領域３３は図１９Ｂ（Ａ）と同様に、２つの凸部間の線分を２等分する位置に中心を有する同心円の領域として設けられ、一方図１９Ｂと異なり、第２凹部領域３２は、最大半径の円が４つの凸部底面に外接する円と成っている。ここで、第２凹部領域３２は、最大半径としたが、上記Ｒ２＞Ｒ１の関係を満たすものであれば３つの凸部底面に外接する任意の円領域として考えることもできる。更に、図１９Ｂ（Ａ）と１９Ｃとの共通点としては、最大半径の第２凹部領域３２と、それに外接する凸部２０に隣接する第１凹部領域３１と第３凸部領域とが、その中心が、第１，２領域の中心を通る凸部間の最短距離を結ぶ線分の垂直２等分線上に配置されていることである。また、第２凹部領域とそれに外接する凸部２０に隣接する第３凸部領域が互いに交わることである。このように、互いの領域が重ね合い、また同一線上に中心が通るような周期構造であると、凹部結晶４２の成長に伴って、その結晶表面の面積変化、形状変化が、結晶成長において優位なものとなるため、結晶性に優れた発光素子となる。
【００５４】
一方で、図１９Ｄの凸部２０の周期構造では、凸部の平面形状が三角形であり、各構成辺は隣り合う構成辺に平行で、その辺の間に細長い経路が形成されている。そこに第１凹部領域３１、第３凸部領域３３が設けられ、それに外接する凸部に隣接する第２凹部領域３２から離間されている。ここで、第１，３領域３１，３３は、それが外接する凸部に隣接する複数の第２凹部領域３２、ここでは、三角形の構成辺の両端に第２凹部領域３２が外接して設けられ、その第２領域３２から最も遠くに離れた第１，３領域３１，３３が設けられている。上記図１９Ａ、Ｃでも同様の条件で、第１〜３領域の重なり合いを評価する。すなわち、第１，３領域３１，３３は、第２領域３２が外接する凸部のその構成辺とそれに対向して最近接するの中点を結ぶ線分上に、中心を有する位置となり、その結果、第２領域と第３領域とは重なり合わない構造となっている。また、各領域の直径は、Ｒ２＝Ｒ３、Ｒ２＞Ｒ１の関係と成っている。このように、狭い経路に第１，３領域が設けられる構造で、且つ、第２，３領域が互いに交点を有しないような場合には、第１領域から第３領域まで凹部結晶４２が成長する過程で、その隣接する凸部上面結晶４１が互いに接合して、その上を塞ぐ結果となる傾向にあり、すなわち、図中の点線部４４内にボイドが発生するような構造となる傾向にある。また、第２領域が第３領域より直径が大きくとも、例えば、凸部側面の傾斜角を低くしても、第１，３領域が交差しない場合には、凹部の広い領域である第２領域からの結晶成長が、狭い経路の領域（第１，３領域）より速く成長して、凹部結晶４２の成長が面内で不均一となり、その広い領域から最も離れた部分、上記第１，３領域の中心付近で、結晶成長が追いつかずに、上面結晶４１が上から、第２領域が横から塞ぐ形で成長して、そこにボイドが発生する結果となる。
【００５５】
ここで、図１９Ｄでは、周期構造の軸が５１、５２が約１２０°で斜交し、その基本単位が図中点線部４３の形状となっている。
従って、上記凸部形状、第１，２傾斜面、凸曲面を有する形状、であっても、すなわち、凹部結晶成長が円滑となる側面を凸部が有していても、基板上の半導体の結晶及び素子特性は、基板面内の凸部の配列にも依存しているため、好ましくは、上述したように、図１９Ａ、Ｃのように、狭い経路を有していない凸部平面形状であること、更には、第１〜３領域の直径が上記関係にあり、好ましくは第１，３領域が互いに重なり合うように、高密度で配列された凸部構造であることで、上記凸部形状に加えて、半導体の結晶性に優れた半導体素子を得ることができる。
【００５６】
以下、本発明を図面に示す一例、特に基板に凸部を設ける形態、に基づいて詳細に説明するが、凹部を設ける場合にも同様に適用される。図１は本発明に係る半導体素子の好ましい実施形態を示す。図において、基板１０上にはｎ型半導体層（第１導電型層）１１、活性層１２、ｐ型半導体層（第２導電型層）１３が順に形成されている。基板１０の表面部分には凸部２０が繰り返しパターンで形成されている。図４には凸部２０の立体図を示す。基板の底面側から第１の傾斜面、及び第２の傾斜面が順に備えられている。第１の傾斜面には溝が所々に存在するが、第２の傾斜面にはこのような溝は存在しない。
【００５７】
ここで、凹部２０の高さ又は凸部２０間の凹部から見た凹部の深さは０．１μｍ以上２μｍ以下とする。また、多角形では１辺の大きさａであり、円形であれば直径φが１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、また凹部２０と凹部２０の間隔ｂ、凸部間の間隔はその対応する１辺の間隔が１μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００５８】
上記半導体素子の製造工程を以下に示すが、本発明の製造工程がこれに限定されないことは言うまでもない。まず、基板１０上には図２ａに示されるようにエッチングマスクとなる保護膜２５を成膜する。基板１０はサファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板等である。
【００５９】
次に、図２ｂに示されるように保護膜２５をパターン形成する。この保護膜２５の平面におけるパターン形状を図７ａ乃至図７ｈに示す。図７ａ〜７ｄは基板に凸部を形成するための保護膜のパターン形状である。これに対して図７ｅ〜７ｈは基板に凹部を形成するためのマスクに用いる保護膜のパターン形状の例である。保護膜の１つにおけるパターンは円形や多角形状であるが、このパターンは複数集めて六角パターンとすることがピット低減には好ましい。図２ｂにある保護膜のパターンは、図７ａにあるように基板の表面上に凸部を円形で形成するものである。
【００６０】
次に、図２ｃに示されるように保護膜２５と露出した基板１０の表面をエッチングする。このエッチングにはドライエッチングやウェットエッチングがあり、好ましくはドライエッチングであり、具体的には気相エッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、例えばＲＩＥ、マグネトロンＲＩＥ、ＥＣＲプラズマエッチング、スパッタエッチング、イオンビームエッチング、光エッチングがある。中でもＲＩＥであることが好ましい。また、エッチングガスとしては、Ｃｌ系、Ｆ系ガス、例えばＣｌ２、ＳｉＣｌ４、ＢＣｌ３、ＨＢｒ、ＳＦ６、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８、ＣＦ４、などの他、不活性ガスのＡｒなどがあり、第１，２工程のエッチングでは、マスク材料との選択比が良いもの、例えば、サファイア基板でマスク材料がＳｉＯ２の場合、ＳｉＣｌ４、Ｃｌ２との混合ガスが好ましく、第３工程では、第２工程と選択比が異なり、更に好ましくは選択比が小さいものが好ましく、例えばＣＦ４、ＣＨＦ３、Ａｒなどが用いられる。図２ｄに示されるように基板１０の凸部に傾斜面、傾斜角を２段階以上に形成する方法としては、基板の露出面をエッチングした後、保護膜のみを除去し、さらに基板をエッチングする。その他にはエッチングを継続して保護膜が完全に除去された後もエッチングする。エッチングの速度や装置を途中で変更する等が考えられる。以上より図４ａに示すような２段階で傾斜面、２つの傾斜角を形成した凸部を備えた基板となる。また凹部の形成についてはエッチング速度を変化させる等がある。例えば、基板をある程度エッチングをした後、エッチング速度を遅くして更にエッチングを続ける方法がある。
【００６１】
次に、図２ｅに示されるように凸部２０の規則的なパターンのついた基板１０上にｎ型半導体層１１、その上に活性層１２、その上にｐ型半導体層１３を成長させる。
【００６２】
上記基板１０をサファイア基板、また半導体をＧａＮとすれば、該サファイア基板の格子に対し、ＧａＮの格子は３０度ずれて成長するので、サファイア基板１０につけた凸部２０の繰り返しパターンはＧａＮのＡ面（１１  ２−  ０）、（１  ２−  １０）、（  ２−  １１０）面にほぼ平行の辺を持ち、ＧａＮの成長安定面（１  １−  ００）、（０１  １−  ０）、（  １−  ０１０）に頂点が在り、ＧａＮの成長安定面（１  １−  ００）、（０１  １−  ０）、（  １−  ０１０）、すなわちＭ面に平行な直線のない多角形になる。このような形状に凹凸を形成することにより、平坦で結晶性に優れたＧａＮを成長させることができる。
【００６３】
このような半導体結晶の成長はＧａＮに限られず、基板の表面状態に大きな影響を受けることになる。図５ｂに示すように凸部の傾斜面を１段階で形成すれば、図１４に示すＳＥＭ写真のように傾斜面には大きな溝が縦方向に伸びて存在する。この立体図を図４ｂ、図４ｃに示す。この溝の存在によって半導体を成長させる時にボイドが発生する。これは側面における表面粗さが隣接する凸部同士で異なるだけではなく、１つの凸部内においても表面粗さの高低差が大きいためである。そのため、側面付近での半導体の成長速度が速い箇所と遅い箇所とが混在することになり、成長の遅れていた箇所を成長の速い周辺からの半導体が覆い被さるからである。
【００６４】
そこで、基板上方から見てＧａＮの成長安定面であるＭ面と交叉するように（＝平行にならないように）正三角形の凸部２０の構成辺を形成することが好ましく、さらに好ましくは、基板上方から見てＧａＮの成長安定面であるＡ軸を含む面を構成辺とする正六角形（＝Ａ軸を構成辺とする正六角形）の中心と頂点を結ぶ線に直交するように、正三角形の凸部２０の構成辺を形成する。このように凸部２０を形成することにより、凸部２０の周囲を平坦に埋めて、結晶性の良好なＧａＮを得ることができる。
【００６５】
これは、凸部２０の上面から成長したＧａＮと、凸部２０が形成されていない平坦面から成長したＧａＮとが接合する部分において、ＧａＮの成長速度が高くなるためと推定される。即ち、凸部２０の上面からは、Ａ軸を構成辺とする六角形の形状にＧａＮが成長しているが、凸部２０の上面から成長したＧａＮと平坦面から成長したＧａＮとが接する凸部側面付近において、ＧａＮの成長速度が高くなる。従って、凸部２０の側面付近におけるＧａＮの成長が他の領域に追いつき、平坦なＧａＮが得られる。
【００６６】
その後、デバイスプロセスを行い、電極等を適宜形成し、ＬＥＤチップに仕上げる。
【００６７】
ｎ型半導体層１１及びｐ型半導体層１３から活性層１２に正孔及び電子が注入され、再結合が行われると、光が発生する。この光はサファイア基板１０又はｐ型半導体層１３から取り出される。
【００６８】
従来の平坦な基板を有する半導体発光素子の場合、図３ａに示されるように、活性層１２からの光がｐ型半導体層１３と電極との界面又は基板１０表面に臨界角以上で入射すると、導波路内に捕捉されて横方向に伝搬していた。
【００６９】
また図３ｂや図３ｃに示されるように、ｐ型半導体層１３と電極との界面又は基板１０表面に対して臨界角以上の光は、散乱又は回折され、臨界角よりも小さな角度でもってｐ型半導体層１３と電極との界面又は基板１０表面に対して入射し、取り出すこともできる。しかしながら、このような形状では上記課題があり、光取出し効率の向上は期待できない。そこで本発明は図３ｄに示すように発光した光を効率よく取り出すのみならず半導体の結晶性を向上させた半導体素子を提供するものである。具体的には、上記凸部（凹部）を有する基板上に半導体結晶を成長させると、上述したように結晶性悪化の問題があるが、上記凸部（凹部）を特定の側面形状とすることで、結晶性を向上させて、引いては、半導体素子構造、特にその中の半導体層の結晶性を向上させて、内部量子効率を高めることができる。
【００７０】
ｐ型半導体層１３上のコンタクト電極が透光性電極の場合はＦＵ（フェイスアップ）、反射電極の場合はＦＤ（フェイスダウン）のどちらの場合にも効果がある。尚、反射電極であっても、電極に開口又は切込みが形成されている場合には、ＦＵ（フェイスアップ）に使用される。その場合、特に顕著な効果がある。
【００７１】
また、凹部２０、又は凸部２１を正六角形とする場合、図１１ａ  に示されるサファイア基板１０のオリフラａをＡ面とし、これに対し、図１１ｃ  に示される方向であるか、図１１ｂ  に示される方向に正六角形を配置する。前述の通り、サファイア基板のＣ面上にＧａＮを成長させた場合、サファイア基板のＡ面とＧａＮのＭ面が平行になる。従って、図１１ｂのように凹凸の正六角形を配置することにより、基板上方から見て、凹凸の正六角形の各構成辺が、ＧａＮの成長安定面であるＭ面のいずれかと直交するようになる。これは、別の表現をすれば、基板上方から見て、ＧａＮのＭ面を構成辺とする正六角形（＝Ａ軸を構成辺とする正六角形）の中心と頂点を結ぶ線分に対して、凹凸の正六角形の各構成辺が直交することを意味している。
【００７２】
以上、説明した本発明の実施形態について、その具体的な一実施形態として、以下に第１，２の実施形態として説明する。
【００７３】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態としては、上述したように、図４（ａ）、図５Ａに示すように、基板面からの凸部側面の傾きにおいて、上面側の傾斜角θ２が、底面側の傾斜角θ１より小さくなるものであり、また、基板面からの凹部内壁側面の傾きについては、上面側の内壁傾斜角φ２（図示せず）が底面側の内壁傾斜角φ１（図示せず）よりも大きくなるものである。ここで、凹部の内壁傾斜角φ１、φ２は、凸部の傾斜角θ１、θ２の補角、φｉ＝１８０°−θｉ（ｉ＝１，２）であり、上面が基板面にほぼ並行である場合、凹部の内壁傾斜角φ２は、凸部上面からの傾斜角θ３にほぼ等しい。
【００７４】
好ましくは、第１、２の傾斜面が、それぞれ凸部及び／又は凹部の底面と上面に配置されることであり、これにより、製造が容易で、凸部付近まで成長させた半導体層の成長が好適なものとなり、ピット、ボイドの発生を抑えられる。
【００７５】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態としては、上述したように、凸部側面に、凸曲面を形成することであり、具体的には、凸部側面全体に１つの曲面を形成する場合、上面側に凸曲面を形成し、底面側は上記第１傾斜面のように、それよりも平坦な面としたもの、すなわち、側面の一部が曲面状で、一部が平坦状とすることもでき、更に、曲面部を複数、平坦部を複数設けることもできる。例えば、上記第１の実施形態のように第１，２傾斜面が形成された構造において、第２傾斜面部分を曲面として、第１傾斜面をほぼ平坦な面とした構造とすることもできる。基板材料、エッチング条件、半導体層の材料、などにより、側面の状態は適宜変更できる。
【００７６】
好ましくは、側面全体に、曲面を形成して、図１５に示すように凸部からの傾斜角θ２を、底面からの傾斜角θ１よりも小さくすることが好ましく、こうすることで、基板上への半導体層成長において、その成長部の形状変化、面積変化がなだらかなものとなり、結晶成長異常の発生などを低く抑えて、好適な結晶成長が実現され、一方で、一つの曲面で形成する方が、一部の曲面部を１つ若しくは複数有する場合に比べて、傾斜角θｍを低角度化できる傾向にあり、基板面内に占める側面部の割合を高め、光取出し作用を高めることもできる。
【００７７】
［第３の実施形態（発光素子構造）］
また本発明における半導体発光素子の各構成を以下に詳細を示す。前記基板１０は、窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる基板であればよく、該基板１０の大きさや厚さ等は特に限定されない。この基板としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡ１２Ｏ４）のような絶縁性基板、また炭化珪素（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。また、デバイス加工が出来る程度の厚膜（数十μｍ以上）であればＧａＮやＡｌＮ等の窒化物半導体基板を用いることもできる。異種基板はオフアングルしていてもよく、サファイアＣ面を用いる場合には、０．０１°〜３．０°、好ましくは０．０５°〜０．５°の範囲とする。
【００７８】
また、本発明の発光素子構造は、図６，２５に示すように、基板の同一面側に、各導電型層の電極が設けられた構造とするほかに、導電性基板を用いて、基板の対向する面にそれぞれ第１，２導電型層の電極を設ける構造とすることもできる。
【００７９】
前記半導体を窒化物半導体とすれば、一般式がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）であって、これとＢやＰ、Ａｓとの混晶としてもよい。また、ｎ型の窒化物半導体層、ｐ型の窒化物半導体層は単層、多層を特に限定しない。また、窒化物半導体層にはｎ型不純物、ｐ型不純物を適宜含有させる。ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素を用いることができ、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを、最も好ましくはＳｉを用いる。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。これにより、各導電型の窒化物半導体を形成することができる。前記窒化物半導体層には活性層３を有し、該活性層は単一（ＳＱＷ）又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることが好ましい。以下に窒化物半導体の詳細を示す。
【００８０】
本発明の発光素子では、図６，２５などに示すように、基板１０上に、発光素子構造１０１が形成されて、発光素子構造の各導電型層１１，１３にそれぞれ電極１６，１４が設けられた構造を有する。ここで、本明細書では、素子構造をｐ型層１３、ｎ型層１１として説明するが、これら各導電型層は、その積層順序を限定せず、第１導電型層１１と第２導電型層１３とを少なくとも有した素子構造であること、更に好ましくは第１，２導電型層１１，１３の間に活性層１２を有した素子構造とすることができる。
【００８１】
上述したように、基板１０と第１導電型層のｎ型層１１ｂとの間に、図２５に示すように、素子構造１０１の下地となる下地層１１ａを形成することができる。
【００８２】
前記基板１０上に成長させる窒化物半導体はバッファ層（図示しない。）を介して成長する。バッファ層としては、一般式ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ≦０．８）で表される窒化物半導体、より好ましくは、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ≦０．５）で示される窒化物半導体を用いる。バッファ層の膜厚は、好ましくは０．００２〜０．５μｍ、より好ましくは０．００５〜０．２μｍ、さらに好ましくは０．０１〜０．０２μｍである。ここで、本発明においては、上記基板凸部の高さ、凹部の深さに対して、それよりもバッファ層の膜厚を小さくする方が、バッファ層の膜厚が大きい場合に比べて、基板上に形成される半導体層の結晶性が良く、例えばボイド、ピット、転位などの発生が少なく、好ましい結晶の半導体層が得られる。バッファ層の成長温度は、好ましくは２００〜９００℃、より好ましくは４００〜８００℃である。これにより、窒化物半導体層上の転位やピットを低減させることができる。さらに、前記異種基板上にＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法によりＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）層を成長させてもよい。このＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法とは窒化物半導体を横方向成長させることで貫通転位を曲げて収束させることにより転位を低減させるものである。前記バッファ層は多層構成としてもよく、低温成長バッファ層と、その上に高温成長層を形成してもよい。高温成長層としては、アンドープのＧａＮ又はｎ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができる。高温成長層の膜厚は、１μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上である。また、高温成長層の成長温度は、９００〜１１００℃、好ましくは１０５０℃以上である。
【００８３】
次に、ｎ型の半導体層１１を成長させる。まずｎ型コンタクト層を成長させる。ｎ型コンタクト層としては、活性層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、ＡｌｊＧａ１−ｊＮ（０＜ｊ＜０．３）が好ましい。ｎ型コンタクト層の膜厚は特に限定されるものではないが、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上である。次に、ｎ型クラッド層を成長させる。該ｎ型クラッド層はＡｌを含有しており、ｎ型不純物濃度は特に限定されるものではないが、好ましくは１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３である。また、ｎ型不純物濃度に傾斜をつけても良い。また、Ａｌの組成傾斜をつけることでキャリアの閉じ込めのためのクラッド層としても機能する。
【００８４】
本発明に用いる活性層１２は、少なくとも、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）から成る井戸層と、ＡｌｃＩｎｄＧａ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、ｃ＋ｄ≦１）から成る障壁層と、を含む量子井戸構造を有する。活性層に用いられる窒化物半導体は、ノンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープのいずれでも良いが、好ましくは、ノンドープもしくは、又はｎ型不純物ドープの窒化物半導体を用いることにより発光素子を高出力化することができる。さらに好ましくは、井戸層をアンドープとし、障壁層をｎ型不純物ドープとすることで、発光素子の出力と発光効率を高めることができる。また発光素子に用いる井戸層にＡｌを含ませることで、従来のＩｎＧａＮの井戸層では困難な波長域、具体的には、ＧａＮのバンドギャップエネルギーである波長３６５ｎｍ付近、もしくはそれより短い波長を得ることができる。
【００８５】
井戸層の膜厚は、好ましくは１ｎｍ以上３０ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらに好ましくは３．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。１ｎｍより小さいと井戸層として良好に機能せず、３０ｎｍより大きいとＩｎＡｌＧａＮの４元混晶の結晶性が低下し素子特性が低下するからである。また、２ｎｍ以上では膜厚に大きなむらがなく比較的均一な膜質の層が得られ、２０ｎｍ以下では結晶欠陥の発生を抑制して結晶成長が可能となる。さらに膜厚を３．５ｎｍ以上とすることで出力を向上させることができる。これは井戸層の膜厚を大きくすることで、大電流で駆動させるＬＤのように多数のキャリア注入に対して、高い発光効率及び内部量子効率により発光再結合がなされるものであり、特に多重量子井戸構造において効果を有する。また、単一量子井戸構造では膜厚を５ｎｍ以上とすることで上記と同様に出力を向上させる効果が得られる。また、井戸層の数は特に限定されないが、４以上の場合には井戸層の膜厚を１０ｎｍ以下として活性層の膜厚を低く抑えることが好ましい。活性層を構成する各層の膜厚が厚くなると、活性層全体の膜厚が厚くなりＶｆの上昇を招くからである。多重量子井戸構造の場合、複数の井戸の内、好ましくは上記の１０ｎｍ以下の範囲にある膜厚の井戸層を少なくとも１つ有すること、より好ましくは全ての井戸層を上記の１０ｎｍ以下とすることである。
【００８６】
また、障壁層は、井戸層の場合と同様に、好ましくはｐ型不純物又はｎ型不純物がドープされているか又はアンドープであること、より好ましくはｎ型不純物がドープされているか又はアンドープであることである。例えば、障壁層中にｎ型不純物をドープする場合、その濃度は少なくとも５×１０１６／ｃｍ３以上が必要である。例えば、ＬＥＤでは、５×１０１６／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下が好ましい。また、高出力のＬＥＤやＬＤでは、５×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下である。この場合、井戸層はｎ型不純物を実質的に含有しないか、あるいはアンドープで成長させることが好ましい。また、障壁層にｎ型不純物をドープする場合、活性層内のすべての障壁層にドープしても良く、あるいは、一部をドープとし一部をアンドープとすることもできる。ここで、一部の障壁層にｎ型不純物をドープする場合、活性層内でｎ型層側に配置された障壁層にドープすることが好ましい。例えば、ｎ型層側から数えてｎ番目の障壁層Ｂｎ（ｎは正の整数）にドープすること、好ましくはｎ番目までの障壁層Ｂｎ全てに不純物をドープすることで、電子が効率的に活性層内に注入され、優れた発光効率と内部量子効率を有する発光素子が得られる。また、井戸層についても、ｎ型層側から数えてｍ番目の井戸層Ｗｍ（ｍは正の整数）にドープすることにより上記の障壁層の場合と同様の効果が得られる。また、障壁層と井戸層の両方にドープしても同様の効果が得られる。
【００８７】
次に、前記活性層１２上にｐ型の窒化物半導体層１３として以下の複数層を形成する。まずｐ型クラッド層としては、活性層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、活性層へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、ＡｌｋＧａ１−ｋＮ（０≦ｋ＜１）が用いられ、特にＡｌｋＧａ１−ｋＮ（０＜ｋ＜０．４）が好ましい。ｐ型クラッド層の膜厚は特に限定されないが、好ましくは０．０１〜０．３μｍ、より好ましくは０．０４〜０．２μｍである。ｐ型クラッド層のｐ型不純物濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３、好ましくは１×１０１９〜５×１０２０ｃｍ３である。ｐ型不純物濃度が上記の範囲にあると、結晶性を低下させることなくバルク抵抗を低下させることができる。ｐ型クラッド層は、単一層でも多層膜層（超格子構造）でも良い。多層膜層の場合、上記のＡｌｋＧａ１−ｋＮと、それよりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であれば良い。例えばバンドギャップエネルギーの小さい層としては、ｎ型クラッド層の場合と同様に、ＩｎｌＧａ１−ｌＮ（０≦ｌ＜１）、ＡｌｍＧａ１−ｍＮ（０≦ｍ＜１）が挙げられる。多層膜層を形成する各層の膜厚は、超格子構造の場合は、一層の膜厚が好ましくは１００Å以下、より好ましくは７０Å以下、さらに好ましくは１０〜４０Åとすることができる。また、ｐ型クラッド層がバンドギャップエネルギーの大きい層と、バンドギャップエネルギーの小さい層からなる多層膜層である場合、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の少なくともいずれか一方にｐ型不純物をドープさせても良い。また、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の両方にドープする場合は、ドープ量は同一でも異なっても良い。
【００８８】
次にｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層を形成する。ｐ型コンタクト層は、ＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０≦ｆ＜１）が用いられ、特に、ＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０≦ｆ＜０．３）で構成することによりオーミック電極であるｐ電極１４と良好なオーミックコンタクトが可能となる。ｐ型不純物濃度は１×１０１７／ｃｍ３以上が好ましい。また、ｐ型コンタクト層は、ｐ電極側でｐ型不純物濃度が高く、かつ、Ａｌの混晶比が小さくなる組成勾配を有することが好ましい。この場合、組成勾配は、連続的に組成を変化させても、あるいは、不連続に段階的に組成を変化させても良い。例えば、ｐ型コンタクト層を、オーミック電極と接し、ｐ型不純物濃度が高くＡｌ組成比の低い第１のｐ型コンタクト層と、ｐ型不純物濃度が低くＡｌ組成比の高い第２のｐ型コンタクト層とで構成することもできる。第１のｐ型コンタクト層により良好なオーミック接触が得られ、第２のｐ型コンタクト層により自己吸収を防止することが可能となる。
【００８９】
以上より窒化物半導体を基板１０上に成長させた後、ウエハを反応装置から取り出し、その後、酸素及び／又は窒素を含む雰囲気中などで、例えば４００℃以上温度で熱処理をする。これによりｐ型層に結合している水素が取り除かれ、ｐ型の伝導性を示すｐ型の窒化物半導体層を形成する。
【００９０】
その後、前記ｐ型コンタクト層の表面にオーミック接触が得られるｐ電極１４を形成する。ｐ電極の形成方法はＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法等がある。該ｐ電極には前述した電極を採用することが好ましい。２層以上の多層構成であって総膜厚を５００００Å以下とすることで、同一膜厚の単層構成に比してシート抵抗を低くすることもできる。
【００９１】
ｐ電極は矩形状や縞状、正方形、格子状等がある。その他のｐ電極は、ｐ型半導体層の全面に形成した後、ドット状に空洞を有するもの（図８ａ、図８ｂ）、菱形、平行四辺形、メッシュ形状、ストライプ形状、くし形（図８ｃ、図８ｄ）、１つから複数に分岐した枝状（図９ａ、図１０ａ）、電気的に繋がった複数の枝電極をストライプ形状に有しており、且つ該ｐ電極には空洞を有する形状（図９ｃ、図１０ｂ）、円形状等にパターン形成する。これらのｐ電極構造は上記基板との組み合わせによって、光の取出し効率をさらに向上することができる。
【００９２】
また、上記空洞を有する電極は、ｐ型半導体層の表面まで貫通し、かつ周囲を電極によって囲まれた複数の開口部を有する電極であるが、最外周部で囲まれた部分の面積（＝開口部内を含む電極の全面積）をＳとし、開口部の内周長の総和をＬとすると、Ｌ／Ｓ≧０．０２４μｍ／μｍ２であることが好ましい。これにより、ｐ型半導体層の表面から効率良く光を外部に放出させ、さらにＶｆの低い半導体発光素子とすることができる。
【００９３】
複数の開口部は、各開口部がほぼ同じ形状であることが好ましく、これにより、開口部の形成が容易であるとともに、発光の面内分布が均一となる。また、複数の開口部は、ほぼ同じ面積であることが好ましく、これによっても発光の面内分布が均一となる。
【００９４】
また前記ｎ型コンタクト層の表面にはｎ電極１６を形成する。ｎ電極は前記電極を用いてもよく、その他にはＷ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｗ／Ａｌ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどを用いてもよい。ｎ電極１６の膜厚は０．１〜１．５μｍとする。ｎ電極については、ボンディング用のパッド電極と、ｎ側層とオーミック接触するオーミック用の電極とをほぼ同一の形状として同時に形成することができる。また、オーミック電極とｎパッド電極とを重ねて積層しても良いし、オーミック用のｎ電極をｎパッド電極と異なる形状、異なる工程で積層して形成してもよい。
【００９５】
前記ｐ電極は、ｐ型窒化物半導体層の表面で該ｐ型層とオーミック接触して素子内部に電流を注入するためのオーミック電極である。通常、窒化物半導体素子では、このオーミック用のｐ電極とは別に、例えば、ワイヤーボンディングにより接続するボンティング用のｐパッド電極１５を形成して、そのｐパッド電極をオーミック電極であるｐ電極と電気的に接続する。このｐパッド電極は、ｐ側層の上に設ける形でも良く、メタル配線してｐ側層の外部、例えばｎ側電極形成面に絶縁膜を介して設けることもできる。ｐパッド電極をｐ側層の上に形成する場合には、ｐパッド電極をｐ電極の一部が重なるように形成してもよいし、ｐ電極の上にｐパッド電極を形成してもよい。ｐパッド電極はワイヤ等と実装するための電極であるので、実装時に半導体素子を傷めない程度の膜厚があれば特に限定されない。ｐパッド電極の形成面側から光を取り出す場合には、ｐパッド電極はできるだけ小さく形成することが必要である。
【００９６】
ｐパッド電極の材料は、密着性が高いものを選択する。具体的な材料としては、例えばＣｏ、Ｆｅ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈを用いることができる。好ましくは、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｒｈからなる群から選ばれる少なくとも１種及びこれらの酸化物、窒化物等を用いることであり、更に好ましくはＡｇ、Ａｌ、Ｐｔからなる群から選ばれる少なくとも１種を用いる。ｐパッド電極は単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。
【００９７】
電極を窒化物半導体層の表面に形成した後、熱処理を行うことで、合金化されると共に、半導体層と良好なオーミック接触を得ることができ、また半導体層と電極との接触抵抗を低下させることができる。熱処理温度としては、２００℃〜１２００℃の範囲が好ましく、更に３００℃〜９００℃が好ましく、特に好ましくは４５０℃〜６５０℃の範囲である。上記以外の熱処理の条件としては、雰囲気ガスを酸素、及び／又は窒素を含有する雰囲気とする。また不活性ガス、例えばＡｒを含有する雰囲気や大気条件での熱処理も可能である。
【００９８】
本発明の半導体素子は、窒化物半導体層が積層された素子の側面に連続してＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、またはＶ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の保護膜１７を形成してもよい。この保護膜は絶縁性を有する膜であることが好ましく、信頼性の高い半導体素子が得られる。とくに、この絶縁性を有する膜はｐ型層の表面の電極非形成部に設けることで、電極のマイグレーションの発生を効果的に抑えることができる。
【００９９】
次に、電極を形成した窒化物半導体素子をスクライブ、ダイシングなどでチップ状の半導体素子となる（図６）。
【０１００】
上記半導体素子は窒化物半導体層の電極形成面を光取り出し面としたが、基板側を光取り出し面とすることもできる（図９ｂ）。パッド電極１５を楕円形状で形成する。該パッド電極１５の上に、ワイヤではなく、外部電極等と接続させるためのメタライズ層（バンプ）を形成させて、図２２Ｂに例示するようなフェイスダウン構造とする。このメタライズ層としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等の材料から成る。フェイスダウンで用いる場合、パッド電極に熱が加わるが、その際に、体積が大きくなり、また、圧力が加わることでパッド電極材料が側面方向に流出しやすくなる。しかしながら、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、前記電極を用いることで合金化するために不具合は抑制することができる。また本実施形態の構造であれば、放熱性がよく信頼性が向上する。
【０１０１】
本発明の半導体素子は、例えば窒化ガリウム系（少なくともガリウムと窒素を含む）の半導体発光素子の場合、電極まで形成した発光素子の表面に蛍光体を樹脂と混合させて形成することで、高出力の白色発光素子を得ることがでる。
【０１０２】
本発明の発光素子構造１００は、図８、９Ａ，９Ｂ、１０Ａに示すように、基板の同一面側に第１，２導電型層１１，１３の各電極１４（１５），１６が、それぞれ１つ設けられる素子構造であっても良く、図９Ｃ、１０Ｂ、２２Ａ、２５Ａに示すように、１つの発光素子に、各導電型層１１，１３の電極１４，１６の一方、若しくは両方が複数の電極で構成されていても良い。ここで、発光素子構造の面内構造は、図２５Ｂで説明するように、基板面内で、第１，２導電型層１１，１３、好ましくはその間に活性層１２を有する発光構造部１５１と、第１導電型層が露出され、電極などが設けられる非発光構造部１５２と、を有する構造であり、更に、発光素子の面内構造において、電流が注入されて素子動作する領域の素子動作部１５７と、素子としてほとんど機能せず、例えばチップ周辺部のような領域の非動作部１５８とを有した構造であり、上記素子動作部１５７内には、少なくとも１つの発光構造部１５１と、電極が形成された非発光構造部１５２とを有し、一方で、非動作部１５８は主に非発光構造部１５２で構成される構造を有する。図９Ｃ、１０Ｂ、２５Ａに示すような発光素子では、例えば図２５Ｂにて説明するように、基板面内で、第１，２導電型層１１，１３、好ましくはその間に活性層１２を有する発光構造部１５１、若しくは各導電型層１１，１３の電極１４（１５），１６に挟まれた、若しくは第１導電型層１１の電極１６（延伸電極部１６ｘ）に近接した、発光構造部１５１が複数設けられ、各発光構造部１５１が互いに繋がっており、第１導電型層１１の電極１６、すなわち電極形成部１５２が複数設けられた構造である。一方、図２２Ａに示す発光素子１００では、発光構造部１５１が分離されて、複数設けられ、電極形成部１５２の電極も複数に分離されて設けられた構造を有する。このように、発光素子１００内、素子動作部１５７内で、発光構造部１５１は分離されて複数設けられても良く、第１，２導電型層１１，１３の電極１４（１５），１６において、その電極間、若しくは互いに対向して延伸する電極部１４ｘ（１５ｘ）、１６ｘ間に、又は第１導電型層の電極１６（発光構造部に対して対向して延伸する電極部１６ｘ）に隣接して若しくは対向して、配置された発光構造が、分離、若しくは繋がって複数設けられた構造とすることができる。
【０１０３】
本発明においては、上述したように、素子構造１０１内、特に、発光構造部１５１となる第１導電型層１１と基板１０との間の領域において、伝搬する光を基板１０に設けられた凹凸２０でもって、光の伝搬を抑えて、効率的に光を取り出すことができる。従って、図３に示すように、横方向に光が伝搬する領域となる第１導電型層露出部１１ｓと、基板１０との間の領域を有して、その基板に上記凹凸２０が設けられることで横方向の光を縦方向に変化させて、基板面の垂直な方向に、例えば、素子構造が形成された側、それに対向する基板露出面側、から効率的に光を取り出すことができる。また、上記非動作部においては、素子として機能せず、上記第１導電型層露出部１１ｓより基板側の光伝搬領域が存在することから、この非動作部１５８において、基板に凹凸２０が設けられることで、その光伝搬による損失を低減でき好ましい。また、電極形成面側を発光面側とする発光素子においては、発光構造部１５１には透光性、若しくは開口部などを有した光透過性の電極１４が設けられ、一方、第１導電型層１１の電極１６、各導電型層の電極のパッド電極１５若しくはパッド部１５ｂ、１６ｂが、遮光性の電極である場合には、その電極露出部において光が取り出されるため、露出部において、例えば非発光部１５２で電極から露出された領域において、基板に凹凸が設けられていることが好ましい。ここで、各導電型層の電極は、電極形成面側を光取り出し面側とする場合には、発光構造部１５１上の電極１４が少なくとも透光性、光透過性であることが好ましく、その他の電極、例えば、第１導電型層１１の電極１６を透光性、光透過性としても良く、更に各電極のパッド電極などを光透過性、透光性としても良い。特に、本発明の発光素子において、図９Ｃ、１０Ｂ、２２Ａ、２５Ａにみるような大面積で、発光構造部を複数有するような素子構造において、発光構造部１５１間、例えば電極１６が形成された構造部１５２、発光構造部と別の発光構造部若しくはチップ周縁部の非動作部１５８とにおける光の強度に差ができ、チップ全体で、発光強度の分布に偏りができやすい傾向にあるが、本発明の発光素子では上記凸部２０を有する基板上に素子構造が設けられることで、強度分布を良好なものとできる傾向にある。また、面積が大きくなると、基板と第１導電型層露出部間での光の伝搬と損失が増大する傾向にあるが、これを改善することができる。このため、大面積、複数の発光構造部の発光素子に好適に適用される。
【０１０４】
一方で、図２２Ｂに示すように、基体１０４、若しくは実装面などに、発光素子１００の電極形成面側で接続するような場合には、基板のほぼ全面に凸部２０が設けられることで、光取り出し面の基板露出面において、好適に光取り出しが実現される。
【０１０５】
上記発光素子において、光取り出し、光反射として機能する光機能性の凹凸部６を、素子構造の電極形成面内に有するものであり、具体的には、図２５Ｂに示すように、発光構造部１５１の側面に沿って、若しくは外側に凹凸部６ｘ、６ｙを設けるものである。ここで、図２５Ａの発光素子１００は、図１０Ｂの発光素子構造において、凹凸部６を設けた変形例であり、断面図２５Ｂは、２５Ａの発光素子についてその一部ＡＡの断面を模式的に示すものである。
【０１０６】
凹凸部６ｘは、発光素子内部であって、その発光構造部１５１の外側、より詳しくは、図２５Ｂの断面図に示すように、非電流注入部１５８（非素子動作部）となる領域で、発光素子の面内における外縁、外周部分に設けられている。一方で、凹凸部６ｙは、図２５Ｂの断面図に見るように、素子動作部（電流注入部）１５７内部において、第１導電型層の電極１６と発光構造部１５１との間に設けられ、より具体的には、発光素子（素子動作部１５７）内部において、１つまたは複数設けられた発光構造部１５１の側面に沿って、電極１６と発光構造部１５１との間に設けられる。
【０１０７】
凹凸部６ｘは、主に発光素子外部へ横方向に出射される光、特に発光構造部５１の側面からの横方向に進む光を、反射して、縦方向、即ち、電極形成面にほぼ垂直な方向へ取り出すことができ、発光素子の光の指向性において、電極形成面に垂直な成分を増大させる。一方で、素子動作部１５７内に設けられる凹凸部６ｙは、上記凹凸部６ｘの作用に加えて、そこに隣接して設けられた電極１６などに横方向の光が吸収されたり、隣接する別の発光構造部に取り込まれたりして、発光素子外部への光取出し損失が大きくなっていたものを、その発光素子内の各発光構造部１５１、電極１６と発光構造部１５１との間に凹凸部６ｙが設けられることで、このような損失を低減させて、効率的に光は縦方向に取り出すことができる。
【０１０８】
本発明の発光素子において、上記構造部６が、発光構造部１５１と電極１４との間の領域、すなわち構造部６ｙとして、設けられ、それと重なる基板面に凸部２０が設けられることが好ましい。これは、電極形成部の非発光部１５２には一部に電極１６が設けられ、これが、隣接する発光構造部１５１の活性層のからの光を遮光する場合に、構造部６ｙでもって好適に素子外部、特に、電極形成面に垂直な方向に光を取り出すことができる。さらに、基板側から伝搬する光に対して、電極材料が遮断する傾向にあるが、その電極形成部１５２における電極露出部に構造部６ｙが設けられていることで、基板側からの光を電極の側面、若しくは発光構造部の側面で、吸収、再度素子内部に取り込まれることを防ぎ、好適に光を取り出すことが可能となる。また、上記基板の凸部と同様な製造方法、凸部側面の形状を適用することもでき、この場合、基板とは異なり、凹凸部６では凸部内部の発光素子から伝搬する光を取り出す機能と、凸部６に近接する発光構造部１５１から外部に取り出された光を好適に反射する機能を有するものとできる。この場合、上記基板凸部形状であることで、凸部底面部では、素子内部との接合面積を大きく、幅を広くして、素子内部の多くの光を導き出し、他方、発光構造部１５１からの光を凸部側面、特に上面側の低角度の傾斜面、凸曲面により、好適に、基板面に垂直な方向、すなわち高角度で光を取り出すことができ好ましい。
【０１０９】
また、図９Ｃ、１０Ｂ、２２Ａ、２５Ａに示すように、複数の発光構造部１５を有し、更にその形状、配列が複雑な構造であると、上記光取り出し時の損失も大きくなる傾向にあり、それを光機能性の凹凸部６ｙを有することを改善できる。また、上述したように、光強度の指向角に偏りを有するような発光素子において、発光素子内部１５７と、基板凸部２０とで、それを段階的に改善することから、指向角の偏りを軽減して、好適な指向性の発光素子を得ることができる。このとき好ましくは、図２５Ｂに示すように、発光素子の動作部１５７内部において、発光構造部１５１を囲むようにその周縁部に設けること、また発光構造部１５１に併設された電極１６を囲むようにその周縁部に設けることが好ましく、更に好ましくは、ほぼ全ての周縁部に凹凸部６ｙを設けることである。特に好ましくは、図２６Ａにおいて、ある発光構造部が他の発光構造部で挟まれるような発光素子構造を有する場合において、発光構造部側面が隣接する発光構造部で囲まれ、光が取り込まれる傾向にあるため、それを改善できる。最も好ましくは、図２５Ａ、Ｂに見るように、上記凹凸部６ｘ，ｙで、発光構造部１５１の側面をほぼ全周で囲むように設けることであり、電極１６についても同様に、そのほぼ全周を囲むように設けることである。
【０１１０】
また、ここでは、上述した第１導電型層１１の電極面１１ｓを露出させる際に、発光構造部の一部に電極を設けないで、電流注入用の電極（例えば１４）に接続されずに、発光構造部から分離して、凹凸部６を形成することができ、製造上有利である。この凹凸部６の断面形状、その凸部の長さ、凹部の深さ、凹部の形成位置は、このような電極露出面１１ｓに限定されずに、これは、電極形成面より深い導電型層１１、若しくは上記下地層内を横方向に伝搬する光、基板から反射された光をも取り出す作用によるものである。このとき、導電型層を貫通する深さ、例えば下地層に達する深さで、すなわち、部分的に素子非動作部を設ける深さで、凹凸部６を形成するとさらに良く、更に好ましくは、基板が露出される深さで形成されることでより、これにより、基板上に設けられ、光が横方向に伝搬する経路となる電極面より下の導電型層、及び下地層を分断でき、その伝搬する光を効率的に取り出すことができるためである。このとき、導電型層を一部、若しくは全部除く深さで、凹凸部６を設ける場合には、素子構造部５７内で設けると、電流拡散経路を遮断するため、その電流拡散経路となる領域を電極形成面内で確保する必要がある。具体的には、凹凸部６ｙを、断続的、断片的に複数の領域に分けて設け、該分断された領域を電流拡散経路として残すことで、この問題を回避できる。
【０１１１】
このような凹凸部６の平面形状及びその配列は、上述基板の凸部と同様に様々な形状とでき、図２５Ａでは図１９Ａと同様に円形状で三角配置された構造となっている。好ましくは、面内横方向で様々な方向へ出射する光を遮るように、面内の発光素子側面、発光構造部側面から出射する全方向に対して、凸部が設けられるようにすることであり、具体的には、図２５Ａに見るように、発光構造部側面に沿う方向に列状に周期的に配列された凸部を、２列以上、発光構造部に沿って設けることであり、好ましくは３列以上である。さらに、その凸部の面内形状は、様々な方向からの光に対して好適な反射面となるように、好ましくはほぼ円形、ほぼ楕円形状などであり、他には凸部側面で発光構造部に向いた側面を曲面上とすることである。
【０１１２】
［第４の実施形態（発光装置）］
実施形態４では、上記発光素子１００を、その電極形成面で積層基体１０４に、実装、接合した素子積層体１０３であって、その模式断面図を図２２Ｂに示す。発光素子１００を素子積層体１０３として、他の形態として、上述したように素子側で分離された複数の電極１４，１６、発光構造部１５１を、基体１０４側電極で互いに電気的に接続し、実装、接合されても良い。基体１０４側電極は、発光素子１００側電極１４，１６に対応して、互いに絶縁膜などで絶縁分離されて設けられ、外部接続用の電極が設けられている。基体１０４に素子部１１５を設けても良く、ここでは、図２２Ｂの等価回路図に示すように、電流、静電保護素子（素子構造部１１５）として、ｐ型層（第１導電型層）１１５ａ、ｎ型層（第２導電型層）１１５ｂを設けている。ここでは、素子部１１５を基体１０４に１つだけ設けているが、２つ以上設けて外部（素子１００、実装基体２０１）の電極、基体１０４側配線などで接続される形態などでも良く、また、保護素子は、基体１０４上、発光装置２００内（載置部２２２）に実装して、発光素子にワイヤ接続、配線接続されても良い。
【０１１３】
発光素子１００側電極１４，１６と、基体１０４の電極とは接合部材１１４を介して接合しているが、素子１００側電極の一部と、若しくは基体１０４側電極１１２の一部と、を接合部材の一部としても良く、パッド部１６ｂ、１５ｂに代えて接合層を形成しても良い。
【０１１４】
また、基体１０４は、素子構造１１５を有しないヒートシンクなどのサブマウントでも良い。基体１０４と外部とは、接続用の電極でワイヤ接続、ボンディング接続されても良く、基体１０４の素子構造部の電極、若しくは基体の内部、外部を導通する電極層を、実装面側に形成して、電極、接合層１１４として設けても良い。
【０１１５】
（発光装置２００）
図２３，２４は、本発明において、発光素子１００及びその積層体１０３を実装基体２０１に実装した発光装置２００である。発光装置２００の一例としては、図２４に示すように、装置基体２２０により、リード部２１０が固定され、リード部の一方をマウント・リード２１０として、実装基体２０１として機能し、その収納部（凹部）２０２内に発光素子１００（積層体１０４）が接合層１１４（接着層２０４）を介して実装され、凹部（開口部２２５）側面を反射部２０３とし、且つ、基体２０１は、放熱部２０５として機能させて外部放熱器に接続しても良い。また、装置基体２０２には、光取出し部２２３に開口して（開口部２２５）、テラス部２２２が基体２０１外部に設けられ、保護素子などの他の素子を実装しても良く、凹部２０２、基体２２０開口部には、透光性の封止部材２３０で封止され、また凹部２０２外部にも反射部２０３が設けられている。また、リード電極２１０は、基体２２０内部の内部リード２１１と、それを基体２２０外部に延在させた外部リード２１２により、外部と接続される。発光素子１００（積層体１０３）は、各リード２１０に、ワイヤ２５０接続、電気的接合２０４により電気的に接続される。
【０１１６】
別の発光装置の例として、図２３に示すように、リード２１０と絶縁分離された実装基体２１０に発光素子１００を接着部材２０４により実装した発光装置２００であり、発光素子１００の収納基体２０１には反射部２０３を備え、放熱部２０５として外部放熱体に接続しても良く、発光素子１００は各内部リード２１１にワイヤ２５０接続され、リード２１０は外部に延在して外部に電気的に接続される。このように、実装基体２０１とリード２１０とを分離することで、熱設計に優れた発光装置とできる。また、発光装置には、光透過性の封止部材２３０で凹部２０２、基体２２０の反射部２２１、テラス部２２２を封止して、形成され、該封止部材２３０に光学的に光学レンズ部を接続して、若しくは光学レンズの形状に封止部材２３０を成形して、所望の光学系（レンズ）を設けることで、所望の指向性の発光を得ることができる。
【０１１７】
（光変換部材）
図２３，２４の発光装置に示すように、光変換部材１０６、若しくは発光装置２００内の光変換層２３１は、発光素子１００の光を一部吸収して、異なる波長の光を発光するものであり、蛍光体を含有したものを用いることができる。このような光変換部材１０６、光変換層２３１は、上記のように発光素子１００一部若しくは全体、又はそれに加えて積層基体１０４の一部に被覆して、被覆膜１０５として形成されてもよい。蛍光体のバインダーとしては、少なくともＳｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｐ、Ｂ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｎ、Ｐｂ、あるいはアルカリ土類金属の群から選択される１種以上の元素を含む酸化物及び水酸化物は、少なくともＳｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｐ、Ｂ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｎ、Ｐｂ、あるいはアルカリ土類金属の群から選択される１種以上の元素を含む有機金属化合物（好ましくはさらに酸素を含む）により生成される。ここで、有機金属化合物には、アルキル基，アリール基を含む化合物等が含まれる。このような有機金属化合物として、例えば金属アルコキシド、金属ジケトナート、金属ジケトナート錯体、カルボン酸金属塩等が挙げられる。図２３に示すように、発光装置２００の封止部材２３０の一部として設けられても良く、図に示すように発光素子１００に離間して、封止部材２３０ａ上、若しくは２３０ｂとの間に設けられた層２３１として形成されても良く、封止部材２３０内に分散して光変換部材を含有して、封止部材２３０を光変換層２３１としても良く、装置基体２２０、実装基体２０１、凹部収納部２０２内に沈降層として設けられても良い。また、図２４に示すように、凸部が設けられた基板、及び／又は発光素子構造１００を被覆する膜１０５に光変換部材１０６が設けられる形態でも良い。本発明の発光素子において、基板の素子構造形成面に対向する面、すなわち裏面と、側面に上記被覆膜が設けられる場合、基板側面と基板裏面とで出射する光強度の差が大きいと、変換された光及びそれと発光素子光との混合光が、指向角において色むらが発生する傾向にあるが、上述したように本発明の発光素子に設けられた凸部２０を備えた基板であることで、この問題を抑えることができる。更に、光変換部材に、２種類以上の蛍光体、具体的には、変換光の波長の異なる２種以上の蛍光体を用いる場合に、そのような色むらの問題は深刻化する傾向にあるが、本発明の発光素子では、発光素子の指向性を改善するため、この問題を改善することができる。以上では、チップの被覆膜１０５について述べたが、上記封止部材中における光変換部材の場合でも、また発光素子構造側を光取り出し面側とする場合でも同様な効果が得られる。
【０１１８】
前記蛍光体の一例を以下に示す。緑色系発光蛍光体としては、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｃｅ，Ｔｂ、ＭｇＡｌ１１Ｏ１９：Ｃｅ，Ｔｂ、Ｓｒ７Ａｌ１２Ｏ２５：Ｅｕ、（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうち少なくとも１以上）Ｇａ２Ｓ４：Ｅｕがある。また、青色系発光蛍光体としてはＳｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、（ＳｒＣａＢａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、（ＢａＣａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうち少なくとも１以上）２Ｂ５Ｏ９Ｃｌ：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうち少なくとも１以上）（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ，Ｍｎがある。さらに、赤色系発光蛍光体としてはＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕがある。特にＹＡＧを含有させることで、白色光を発光することができ、照明用光源など用途も格段に広がる。ＹＡＧは、（Ｙ１−ｘＧｄｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｒ（Ｒは、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｈｏから選ばれる少なくとも１以上である。０＜Ｒ＜０．５である。）、例えば、（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｙ３（Ａｌ０．８Ｇａ０．２）５Ｏ１２：Ｃｅである。
【０１１９】
本実施の形態において、赤味を帯びた光を発光する蛍光体として、特に窒化物系蛍光体を使用するが、本発明においては、上述したＹＡＧ系蛍光体と赤色系の光を発光可能な蛍光体とを備える発光装置とすることも可能である。このような赤色系の光を発光可能な蛍光体は、波長が４００〜６００ｎｍの光によって励起されて発光する蛍光体であり、例えば、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＣａＳ：Ｅｕ、ＳｒＳ：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ｍｎ、ＺｎＣｄＳ：Ａｇ，Ａｌ、ＺｎＣｄＳ：Ｃｕ，Ａｌ等が挙げられる。このようにＹＡＧ系蛍光体とともに赤色系の光を発光可能な蛍光体を使用することにより発光装置の演色性を向上させることが可能である。
【０１２０】
以上のようにして形成されるＹＡＧ系蛍光体、および窒化物系蛍光体に代表される赤色系の光を発光可能な蛍光体は、発光素子の側方端面において一層からなる色変換層中に二種類以上存在してもよいし、二層からなる色変換層中にそれぞれ一種類あるいは二種類以上存在してもよい。このような構成にすると、異なる種類の蛍光体からの光の混色による混色光が得られる。
【０１２１】
以上のような蛍光体を選択することで、種々の発光波長を持った光取出し効率の高い発光素子、発光装置を得ることができる。また、本発明の発光素子は、可視光域に限らず、紫外発光で、紫外励起で可視光変換する蛍光体を用いても良く、また様々な波長の光、電磁波に適用できる。
【０１２２】
［実施例］
本発明について、以下に実施例を示すが、本発明はこれに限定されず、上記本発明の技術思想に基づいて、他の態様にも適用できる。
【０１２３】
以下に示す各実施例に例示するような半導体発光素子構造を、次に示す各凸部の形態に適用して、その特性を評価すると図２０，２１のような結果が得られる。
図２０，２１に示す実施例Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ、以下のように形成でき、ここで、各基板は、Ｃ面を主面として、Ａ面をオリフラ面とするサファイア基板を用いる。
【０１２４】
実施例Ａは、実施例３、図１９Ｄのように、基板に、１辺約５μｍ、凸部の間隔、ここでは隣り合う辺の間隔を２μｍとして、正三角形を図１９Ｄに示すように、内角がほぼ６０°、１２０°となる平行四辺形の点線囲み４３を基本単位、すなわち隣接する凸部２０の構成辺が互いにほぼ平行に対向するように配置された構造、として、それを各軸方向５１，５２に等間隔に周期的に配列された構造する。ここで、各構成辺は、基板のＭ面に平行に形成され、図２、１８に示すように、基板上にマスクとなるＳｉＯ２の保護膜２５を形成して、ＲＩＥにて、図２Ｂ、１８Ａのようにフォトリソグラフィー技術により所望のマスク形状とし、続けてＲＩＥによりＣｌ２／ＳｉＣｌ４にて図２Ｃ、１８Ｂに第１工程のエッチングをして、深さ約１μｍでマスクがほぼ除去される程度とする。さらにエッチングを続けて、図２Ｄ、１８Ｃに示すように第２工程のエッチングとし、図５Ａに示すような凸部２０、すなわち第１傾斜面２２，第２傾斜面２３を形成する。続いて、実施例１に見るように、基板上に、下地層のＧａＮを約４μｍ、その上に、ｎ型コンタクト層などのｎ型層と、活性層と、ｐ型層を形成して半導体素子構造とし、更に図１０Ｂに示すように、ｎ型層１１を一部露出させて、そこにｎ型電極と、ｐ型層１３上にほぼ全面に図とは異なりＮｉ／Ａｕの透光性電極を形成して発光素子構造を得る。
【０１２５】
次に、実施例Ｂは、実施例Ａにおいて、基板の凸部の形状を実施例１、図４Ａ、１９Ａ，Ｂに示すように円形状に変更して得られる。ここでは、図１９Ａに示すように、内角が６０°，１２０°となる平行四辺形の点線部で囲まれた領域を基本単位５３として各軸５１，５２に周期的に、直径４μｍ、間隔１．５μｍで配列された構造として形成する。
【０１２６】
実施例Ｃは、実施例Ｂにおいて、基板の製造工程において、第２工程のエッチングに続いて、第３工程として、ＲＩＥにてＣＦ４でエッチングを施し、図１８Ｄ、１５、１６Ａに示すような凸部側面、すなわち凸部から外側に凸となる凸曲面が形成される。
【０１２７】
以上の基板の凹凸形状、パターンの異なる実施例Ａ，Ｂ，Ｃを、その表面観察、素子特性測定、などにより、評価すると以下のような傾向が観られる。
【０１２８】
素子特性については、その静電破壊特性が、図２０に示すように、順方向の静電耐圧が、実施例ＡとＢではほぼ同等で、実施例Ｂの方が、特性ばらつきが小さく、一方実施例Ｃが、Ａ，Ｂに比して、大幅に静電耐圧が向上して、そのばらつきも実施例Ｂと同程度に小さいことが分かる。一方、逆方向の静電耐圧でも、順方向と同様に、実施例Ａ，Ｂが同程度で、それに比して実施例Ｃが大幅に静電耐圧向上し、その特性のばらつきは、実施例Ａの三角形状より、実施例Ｂ，Ｃの円形状の方が好ましいことが分かる。ここで、静電耐圧特性は、２００ｐＦ、０Ωにおいて、各実施例１０個の破壊電圧を測定して、その平均と、最大値、但し２５００Ｖで非破壊のものは２５００Ｖとしているものと、最小値をプロットすると図２０に示すグラフが得られる。
【０１２９】
更に、各実施例の発光素子チップについて、その明るさを測定すると、図２１に示すように、実施例Ａよりも実施例Ｂが僅かに高くなる傾向が観られ、更に実施例Ａ，Ｂよりも実施例Ｃの方が大幅に出力が高くなり、実施例Ａに比して約１４％向上するものが得られる。また、他の素子特性については、Ｖｆは、実施例Ａに比して、実施例Ｂでは０．０２Ｖ、実施例Ｃでは０．０６Ｖ程度、僅かに上がる傾向が観られ、ウエハ内での発光波長のばらつきは同程度のものが得られる。
【０１３０】
さらに、各実施例について、半導体が積層されたウエハの状態で、その上面について光学顕微鏡を用いて表面のピットを観察し、断面についてＴＥＭを用いて貫通転位を観察して、各実施例の結晶性を評価する。表面のピットについて、実施例Ａでは、ピットが多く、高密度で発生して、成長が不十分な領域が大きいものとなるが、実施例Ｂでは実施例Ａに比して、全体的にピットが減少して低密度となり、その成長が不十分な領域も小さくなる傾向にあり、実施例Ｂでは、ピットがほぼ観られなくなり、成長が不十分な領域もさらに小さくなる傾向が観られる。また、実施例Ａの三角形の凸部では、図１９Ｄに示すように、ボイド４４が対向する辺の中央部付近に発生する傾向も観られる。また、断面を観察すると、実施例Ｂよりも実施例Ａの方が、貫通転位が減少して、結晶性が良くなっている傾向が観られる。また、実施例Ａ，Ｂについて凸部の側面全体の角度θｍは、ＳＥＭにて観察したところ、実施例Ｂでは約６５°〜７０°であり、一方実施例Ｃでは、約４５°〜５０°程度のものが得られる。このことから、実施例Ｃでは傾斜角が低くなることで、上記光の取出し効果が高まり発光効率が向上していると考えられ、他方、第３工程により、図１８Ｆに示す凹部の凹凸、溝２７ａの改善など、凸部側面の平滑化（図１６）、曲面２６形成により、半導体層の結晶性も向上し、その結果、ピットの低減、貫通転位の低減、成長不良領域の減少がなされていることが考えられる。そのため、実施例Ａに比してＢが、更に実施例Ｂに比してＣの方が、歩留まりの向上、ばらつきの減少、出力の向上が得られる。
【０１３１】
実施例Ｃにおいて、エッチングガス、条件を変更すると、上記凸部の側面全体の傾斜角θｍ、凸部、凹部、その側面の表面状態を観察すると以下の傾向が観られる。第３工程のエッチング時間を長くすると、傾斜角の低角度化が進む一方で、凸部上面、凹部底面、及びその側面に、エッチング損傷によるクレータ状の凹部が複数観られるようになり、結晶性が悪化する傾向にあるため、適度なエッチング時間を設定すると良い。また第３工程のエッチングガスを変更すると、Ａｒガスでは実施例ＡとＣの中間にあたる凸部形状、静電耐圧特性で、傾斜角は約６０°程度である。エッチングガスをＳｉＣｌ４とすると、傾斜角が第２工程から僅かに低角度化するだけで約７０°程度であり、曲面化は上面側の一部に留まる傾向が観られ、更に実施例Ｃの第３工程の後に、ＳｉＣｌ４ガスのエッチングを追加すると実施例Ｃと同程度で約５０°のものが得られる。第３工程にＳｉＣｌ４／Ｃｌ２ガスを用いると、実施例Ｃよりも傾斜角が大きく約５８°程度となり、側面の曲面の曲率半径が小さくなる傾向が観られる。以上からエッチングガスとしては、第３工程には、ＣＦ４、Ａｒが好ましく用いられる。
【０１３２】
［実施例１］
基板としてＡ面（１１  ２−  ０）にオリフラのあるＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用いる。まずサファイア基板１０上に図２ａに示されるようにエッチングマスクとなるＳｉＯ２膜２５を成膜する。
【０１３３】
次に円形であって、直径φ＝５μｍのフォトマスクを使用し、図２ｂ、２ｃに示されるようにＳｉＯ２から成る保護膜２５とサファイア基板１０をＲＩＥで１μｍエッチングした後、保護膜２５を除去する。さらに、サファイア基板１０の表面部分にエッチングをすることで図２ｄに示される凸部２０（斜線部がエッチングされていない領域）の繰り返しパターンが２段階の傾斜面で形成される。凸部の最上面を直径φ＝３μｍ、凸部と凸部の間隔を１．５μｍとする。また、凸部側面の傾斜角θ１は７０°、傾斜角θ２は２０°である（図１２）。
【０１３４】
次に凸部２０の繰り返しパターンのついたサファイア基板１０の上に、ｎ型半導体層としてＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の低温成長バッファ層を１００Å、ＧａＮを３μｍ、ＳｉドープのＧａＮを４μｍ、ＧａＮを３０００Å積層し、続いて発光領域となる多重量子井戸の活性層として、（井戸層、障壁層）＝（ＩｎＧａＮ、ＳｉドープのＧａＮ）をそれぞれの膜厚を（６０Å、２５０Å）として井戸層が６層、障壁層が７層となるように交互に積層する。この場合、最後に積層する障壁層はアンドープのＧａＮとしてもよい。尚、低温成長バッファ層の上に形成する第１層をアンドープのＧａＮとすることにより、より均一に凸部２０を埋めて、その上に形成する半導体層の結晶性を良好にすることができる。
【０１３５】
多重量子井戸の活性層を積層後、ｐ型半導体層として、ＭｇドープのＡｌＧａＮを２００Å、アンドープのＧａＮを１０００Å、ＭｇドープのＧａＮを２００Å積層する。ｐ型半導体層として形成するアンドープのＧａＮ層は、隣接する層からのＭｇの拡散によりｐ型を示す。
【０１３６】
次にｎ電極を形成するために、ＭｇドープのＧａＮからｐ型半導体層と活性層及びｎ型半導体層の一部までをエッチングし、ＳｉドープのＧａＮ層を露出させる。
【０１３７】
次にｐ型半導体層の表面全面にＮｉ／Ａｕからなる透光性のｐ電極を、さらに透光性のｐ電極上において、ｎ型半導体層の露出面と対向する位置にＷ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐパッド電極を形成する。ｎ型半導体層の露出面にはＷ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ電極を形成する。
【０１３８】
最後にウエハを四角形状にチップ化し、３５０μｍ□の半導体チップを得る。
これを、反射鏡を備えたリードフレームに実装して、砲弾型のＬＥＤを作製する。
【０１３９】
これによって得られるＬＥＤは、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４００ｎｍ、外部への発光出力が１４．０ｍＷとなる。
【０１４０】
［比較例１］
比較例として、サファイア基板の表面に凹凸を１段階で設け、他の構成は実施例１と同様にして砲弾型ＬＥＤを形成したところ、順方向電流２０ｍＡにおいて、外部への発光出力が９．８ｍＷであった。
【０１４１】
［実施例２］
基板としてＡ面（１１−２０）にオリフラのあるＣ面（０００１）を主面とするサファイア基板を用いる。サファイア基板１０に形成する凸部を円形であって、直径φ＝３μｍの保護膜を用いる。凸部の最上面を直径φ＝２μｍ、凸部と凸部の間隔を１．０μｍとする。また、凸部側面の傾斜角θ１は７０°、傾斜角θ２は２０°である。この凸部の配列は図７ｂの形状とする。その他は実施例１と同様にする。以上より得られるＬＥＤは、順方向電流２０ｍＡにおいて、外部への発光出力が１４．０ｍＷとなる。
【０１４２】
［実施例３］
実施例１において、以下の条件で基板に凸部を形成する。１辺５μｍの正三角形のフォトマスクを使用し、正三角形の１辺がオリフラと垂直となるようにフォトマスクをあわせ、正三角形の各辺をサファイアの（１−１００）、（０１−１０）、（−１０１０）、すなわちＭ面にほぼ平行となるようにし、図２ｂ、２ｃに示されるようにＳｉＯ２から成る保護膜２５とサファイア基板１０をＲＩＥで１μｍエッチングした後、保護膜２５を除去する。さらに、サファイア基板１０の表面部分にエッチングをすることで図２ｄに示される凸部２０（斜線部がエッチングされていない領域）の繰り返しパターンが形成される。凸部の一辺の長さａ＝２μｍ、凸部と凸部の間隔ｂ＝１．５μｍとする。また、凸部側面の傾斜角θ１は７０°、傾斜角θ２は２０°とする（図１３）。その他は実施例１と同様にする。以上より得られるＬＥＤは、順方向電流２０ｍＡにおいて、外部への発光出力が１２．０ｍＷとなる。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本発明は半導体素子に於いて、基板に凹凸を設けることで該基板上に成長させる半導体に発生するピットやボイドを抑制した素子に関する。また半導体発光素子に於いて、半導体層での光の導波方向を変えて、外部量子効率を上げるようにした素子に関する。
【符号の説明】
【０１４４】
１０・・・基板
１１・・・ｎ型半導体層（第１導電型層）
１２・・・活性層
１３・・・ｐ型半導体層（第２導電型層）
１４・・・ｐ側オーミック電極
１５・・・ｐ側パッド電極
１７・・・保護膜
２０・・・凸部
【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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【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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