(57)【要約】【課題】ドループ現象を改善し、発光効率を効果的に向上すること。【解決手段】半導体発光素子（１００）は、主面に凹凸構造が形成された半導体発光素子用基板（１０１）と、半導体発光素子用基板の主面側に積層されたアンドープ型半導体層（１５１）と、アンドープ型半導体層上に積層された、２層以上の半導体層と発光層とを積層して構成される積層半導体層（１６０）と、を有する。積層半導体層は、半導体発光素子用基板の上側に設けられた第１導電型の第１半導体層（１５２）と、第１半導体層の上側に設けられた発光層（１５３）と、発光層の上側に設けられた第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層（１５４）と、を有している。アンドープ型半導体層内の半導体発光素子用基板との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、発光層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅとの差が、５×１０８本／ｃｍ２以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面の一部又は全面に凹凸構造が形成された半導体発光素子用基板と、前記半導体発光素子用基板の主面側に積層されたアンドープ型半導体層と、前記アンドープ型半導体層上に積層された、少なくとも２層以上の半導体層と発光層とを積層して構成される積層半導体層と、を有する半導体発光素子であって、
前記積層半導体層は、前記半導体発光素子用基板の上側に設けられた第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層の上側に設けられた発光層と、前記発光層の上側に設けられた前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層と、を有し、
前記アンドープ型半導体層内の前記半導体発光素子用基板との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、前記発光層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅとの差が、５×１０８本／ｃｍ２以上であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記平均貫通転移欠陥数Ｔｅが、４×１０８本／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記平均貫通転移欠陥数Ｔｓが、５×１０８本／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記積層半導体層は、ＩＩＩ族窒化物単結晶層からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記半導体発光素子用基板は、前記アンドープ型半導体層及び前記積層半導体層とは組成が異なることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記アンドープ型半導体層及び前記積層半導体層は、窒化物半導体を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記半導体発光素子用基板は、サファイア、炭化ケイ素、スピネル及びシリコンからなる群から選択された少なくとも１種で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前期半導体発光素子用基板において、前期凸構造は凸部群を含み、前期凸部郡の周囲に、曲率を有する曲面を含む前記凹構造が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板表面に凹凸構造を有する半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体層を利用した半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、従来の蛍光灯や白熱電球などの旧来の発光装置と比較し、小型で電力効率が高く、オンオフ応答性が速いなどの特性を有し、且つ、すべて固体で構成されているため、振動に強く機器寿命が長いなどの多くの利点を有している。
【０００３】
中でも、青色ＬＥＤに代表されるＧａＮ系半導体発光素子は、単結晶基板上にエピタキシャル成長でｎ層、発光層、ｐ層を積層して製造され、基板として一般にサファイア単結晶基板やＳｉＣ単結晶基板が用いられる。しかしながら、例えば、サファイア結晶とＧａＮ系半導体結晶との間には、格子不整合が存在するため、この格子不整合によって結晶転位欠陥が発生する（例えば、特許文献１参照）。この転位欠陥の密度は、１×１０９個／ｃｍ２に達する。この結晶転位欠陥によって、ＬＥＤ内部での内部量子効率が下がり、結果として、ＬＥＤの発光効率が下がってしまう。
【０００４】
上記問題を解決するために、ＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させるサファイア基板表面に、周期的な凹凸構造を設け、ＧａＮ系半導体層を、横方向成長モードを利用しエピタキシャル成長させる技術が報告されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、半導体層のエピタキシャル成長の過程で、Ｃ面平面から成長した半導体層が凹凸構造を埋めるために、結晶転位欠陥（貫通転移欠陥）が減少し、得られる半導体層の結晶品質を向上させることができる。
【０００５】
また、このように得られた半導体層とサファイア基板との界面には凹凸が存在するため、横方向に伝播する光が散乱され、それによって光取り出し効率が向上する（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３５２０８４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２９７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＬＥＤの発光効率を示す外部量子効率ＥＱＥ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｅｙ）を決定する要因として、電子注入効率ＥＩＥ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）、内部量子効率ＩＱＥ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）及び光取り出し効率ＬＥＥ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が挙げられる。このうち、内部量子効率ＩＱＥは、ＧａＮ系半導体結晶の結晶格子不整合に起因する結晶転位欠陥密度に依存する。光取り出し効率ＬＥＥは、基板に設けられた凹凸構造による光散乱により、ＧａＮ系半導体結晶層内部の導波モードを崩すことで改善される。
【０００８】
このため、ＬＥＤの発光効率を向上するためには、ＧａＮ系半導体結晶の結晶格子不整合に起因する結晶転位欠陥密度を減らし、且つ、基板に設けられた凹凸構造による光散乱の度合いを高めることが必要となる。
【０００９】
一方で、ＧａＮ系半導体発光素子においては、発光層にかかる圧縮応力の影響により、駆動電流の増加に伴い発光効率が減少する、いわゆるドループ現象が課題である。上記した技術により、内部量子効率ＩＱＥ及び光取り出し効率ＬＥＥが向上しても、駆動電流の増加により発光効率が低下するため、結果として、大電流における発光効率が向上しないという問題があった。
【００１０】
上記した特許文献１及び特許文献２で開示されている技術においては、いずれも、ドループ現象に対して何ら触れておらず、明確な改善策を提示できていない。このため、大電流における発光効率を含めたＬＥＤの発光効率を十分に向上できていない課題があった。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ドループ現象が改善され、発光効率が効果的に向上した半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様の半導体発光素子は、主面の一部又は全面に凹凸構造が形成された半導体発光素子用基板と、前記半導体発光素子用基板の主面側に積層されたアンドープ型半導体層と、前記アンドープ型半導体層上に積層された、少なくとも２層以上の半導体層と発光層とを積層して構成される積層半導体層と、を有する半導体発光素子であって、前記積層半導体層は、前記半導体発光素子用基板の上側に設けられた第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層の上側に設けられた発光層と、前記発光層の上側に設けられた前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層と、を有し、前記アンドープ型半導体層内の前記半導体発光素子用基板との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、前記発光層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅとの差が、５×１０８本／ｃｍ２以上であることを特徴とする。
【００１３】
この構成により、アンドープ型半導体層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、発光層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅとに差がある。すなわち、アンドープ型半導体層内における半導体発光素子用基板との界面近傍から、発光層に向かって、複数の貫通転移欠陥が会合によりまとめられ、貫通転移欠陥数が減少する。アンドープ型半導体層内で、半導体発光素子用基板側から積層半導体層側に向かって、減少する貫通転移欠陥の体積分、アンドープ型半導体層が収縮するため、発光層内に生じている圧縮応力を減少させることができ、発光層内のピエゾ電界が減って、ドループ現象が抑制される。
【００１４】
また、半導体発光素子用基板の主面に半導体層をエピタキシャル成長させる際に、エピタキシャル成長促進部となる凹構造と、エピタキシャル成長抑制部となる凸構造が、主面内に混在している。凹構造により、エピタキシャル成長促進部を確保することで、半導体層中の結晶欠陥が抑制され、半導体発光素子の内部量子効率ＩＱＥを高めることができる。また、凸構造により、凸構造の面積を確保することで、半導体発光素子において凸構造で光を散乱させることができる。
【００１５】
したがって、半導体層中の結晶欠陥を減らすことにより内部量子効率ＩＱＥが改善され、光散乱により導波モードを解消して光取り出し効率ＬＥＥが高められ、さらに、ドループ現象が改善され、発光効率が向上する。
【００１６】
本発明の一態様の半導体発光素子においては、前記平均貫通転移欠陥数Ｔｅが、４×１０８本／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【００１７】
本発明の一態様の半導体発光素子においては、前記平均貫通転移欠陥数Ｔｓが、５×１０８本／ｃｍ２以上であることが好ましい。
【００１８】
本発明の一態様の半導体発光素子においては、前記積層半導体層は、ＩＩＩ族窒化物単結晶層からなることが好ましい。
【００１９】
本発明の一態様の半導体発光素子においては、前記半導体発光素子用基板は、前記アンドープ型半導体層及び前記積層半導体層とは組成が異なることが好ましい。
【００２０】
本発明の一態様の半導体発光素子においては、前記アンドープ型半導体層及び前記積層半導体層は、窒化物半導体を含むことが好ましい。
【００２１】
本発明の一態様の半導体発光素子においては、前記半導体発光素子用基板は、サファイア、炭化ケイ素、スピネル及びシリコンからなる群から選択された少なくとも１種で構成されることが好ましい。
【００２２】
本発明の一態様の半導体発光素子においては、前期半導体発光素子用基板において、前期凸構造は凸部群を含み、前期凸部郡の周囲に、曲率を有する曲面を含む前記凹構造が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ドループ現象が改善され、発光効率が効果的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面模式図である。
【図２】本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の歯抜け部を説明するための断面模式図である。
【図３】本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の平面模式図である。
【図４】図３中Ｘ−Ｘ断面を示す断面模式図である。
【図５】本実施の形態に係る半導体発光素子用基板上に半導体層が形成される途中過程を示した平面模式図である。
【図６】図５中のＡ−Ａ断面を示す断面模式図である。
【図７】本実施の形態に係る半導体発光素子用基板上に半導体層が形成された状態を示す断面模式図である。
【図８】本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の平面模式図である。
【図９】本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の他の態様を示す平面模式図である。
【図１０】本実施の形態に係る半導体発光素子における凸部群の一例を示す平面模式図である。
【図１１】本実施の形態に係る半導体発光素子における凸部群の一例を示す平面模式図である。
【図１２】本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の他の態様を示す平面模式図である。
【図１３】実施例に係る半導体発光素子用基板を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
【００２６】
以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について詳細に説明する。
【００２７】
（半導体発光素子用基材）
本実施の形態に係る半導体発光素子は、主面の一部又は全面に凹凸構造が形成された半導体発光素子用基板と、半導体発光素子用基板の主面側に積層されたアンドープ型半導体層と、アンドープ型半導体層上に積層された、少なくとも２層以上の半導体層と発光層とを積層して構成される積層半導体層と、を有する。
【００２８】
（積層半導体層）
本実施の形態に係る半導体発光素子の積層半導体層は、半導体発光素子用基板の上側に設けられた第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の上側に設けられた発光層と、発光層の上側に設けられた第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層と、を有している。
【００２９】
（平均貫通転移欠陥数）
本実施の形態に係る半導体発光素子は、アンドープ型半導体層内の半導体発光素子用基板との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、発光層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅとの差が、５×１０８本／ｃｍ２以上であることを特徴とする。
【００３０】
これにより、アンドープ型半導体層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、発光層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅとに差がある。すなわち、アンドープ型半導体層内における半導体発光素子用基板との界面近傍から、発光層に向かって、複数の貫通転移欠陥が会合によりまとめられ、貫通転移欠陥数が減少する。アンドープ型半導体層内で、半導体発光素子用基板側から積層半導体層側に向かって、減少する貫通転移欠陥の体積分、アンドープ型半導体層が収縮するため、発光層内に生じている圧縮応力を減少させることができ、発光層内のピエゾ電界が減って、ドループ現象が抑制される。
【００３１】
また、半導体発光素子用基板の主面に半導体層をエピタキシャル成長させる際に、エピタキシャル成長促進部となる凹構造と、エピタキシャル成長抑制部となる凸構造が、主面内に混在している。凹構造により、エピタキシャル成長促進部を確保することで、半導体層中の結晶欠陥が抑制され、半導体発光素子の内部量子効率ＩＱＥを高めることができる。また、凸構造により、凸構造の面積を確保することで、半導体発光素子において凸構造で光を散乱させることができる。
【００３２】
したがって、半導体層中の結晶欠陥を減らすことにより内部量子効率ＩＱＥが改善され、光散乱により導波モードを解消して光取り出し効率ＬＥＥが高められ、さらに、ドループ現象が改善され、発光効率が向上する。
【００３３】
平均貫通転移欠陥数Ｔｅが、４×１０８本／ｃｍ２以下であることが好ましい。これにより、発光層の貫通転移欠陥が抑えられることにより、電子とホールの発光再結合が維持され、内部量子効率ＩＱＥが低下することを抑制できる。
【００３４】
平均貫通転移欠陥数Ｔｓが、５×１０８本／ｃｍ２以上であることが好ましい。これにより、アンドープ型半導体層内で、半導体発光素子用基板側から積層半導体層側に向かって、貫通転移欠陥を効果的に減少させることができるため、この体積分アンドープ型半導体層が効果的に収縮し、発光層内に生じている圧縮応力を効果的に減少できる。このため、ドループ現象が効果的に抑制される。
【００３５】
（材質）
また、積層半導体層は、ＩＩＩ族窒化物単結晶層からなることが好ましい。これにより、可視光から紫外光の範囲の発光波長を有する半導体発光素子としての、例えば、ＬＥＤが得られる。さらに、一般にＩＩＩ族窒化物単結晶層は、ウルツ鉱構造の分極構造であるため、上記のように圧縮応力を減少し易く、ドループ現象が効果的に抑制でき、発光特性を効果的に向上することができる。積層半導体層には、適宜、種々の元素をドープしたものを適用できる。
【００３６】
半導体発光素子用基板は、アンドープ型半導体層及び積層半導体層とは組成が異なることが好ましい。また、アンドープ型半導体層及び積層半導体層が、窒化物半導体を含むことが好ましく、半導体発光素子用基板は、サファイア、炭化ケイ素、スピネル及びシリコンからなる群から選択された少なくとも１種で構成されることが好ましい。これにより、半導体発光素子用基板と、窒化物半導体を含む半導体層とで、組成を異ならせることができるため、格子定数の差から、アンドープ型半導体層と半導体発光素子用基板との界面の貫通転移欠陥を増やし易い。
【００３７】
（凹凸構造）
また、半導体発光素子用基板において、凸構造は凸部群を含み、凸部郡の周囲に、曲率を有する曲面を含む凹構造が形成されていることが好ましい。これにより、凹構造が曲面で形成されることにより、平均貫通転移欠陥数Ｔｓを大きくできるとともに、凹構造からのエピタキシャル成長が効果的に促進される。また、エピタキシャル成長抑制部となる凸部郡の周囲に凹構造が形成されることで、アンドープ型半導体層内の半導体発光素子用基板との界面に発生した貫通転移欠陥同士の会合が起き易くなる。これにより、複数の貫通転移欠陥が効果的にまとめられ、平均貫通転移欠陥数Ｔｓと平均貫通転移欠陥数Ｔｅとの差を大きくすることが可能となる。
【００３８】
以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子について説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面模式図である。
【００３９】
図１に示すように、半導体発光素子１００においては、半導体発光素子用基板１０１の一主面上に設けられた凹凸構造上に、アンドープ型半導体層１５１、２層のｎ型半導体層１５２、発光半導体層１５３及びｐ型半導体層１５４が順次積層されている。また、ｐ型半導体層１５４上には、透明半導体膜１５５が形成されている。なお、ｎ型半導体層１５２は、少なくとも１層設けられていればよい。
【００４０】
半導体発光素子用基板１０１の主面には、凸構造を構成する複数の凸部１０２と、凸構造の周囲に形成される凹構造とが構成されている。複数の凸部１０２は、凸部群１０４を構成している。凹構造は、凸部１０２が形成されていない歯抜け部１０３となっている。
【００４１】
また、ｎ型半導体層１５２表面に、カソード電極１５７が、透明導電膜１５５表面にアノード電極１５６がそれぞれ形成されている。なお、半導体発光素子用基板１０１上に順次積層されたｎ型半導体層１５２、発光半導体層１５３、ｐ型半導体層１５４を、積層半導体層１６０と称する。なお、カソード電極１５７は、２層のｎ型半導体層１５２の少なくとも一方に設けられていればよい。
【００４２】
ここで、アンドープ型半導体層１５１の積層半導体層１６０側の主面は平坦面であることが好ましい。アンドープ型半導体層１５１の主面が平坦面であることにより、ｎ型半導体層１５２、発光半導体層１５３、ｐ型半導体層１５４の性能を効率化でき、内部量子効率ＩＱＥが向上する。
【００４３】
さらにアンドープ型半導体層１５１と半導体発光素子用基板１０１の界面には、図示しないバッファ層が存在することが好ましい。バッファ層の存在により、アンドープ型半導体層１５１の結晶成長の初期条件である核形成及び核成長が良好となり、積層半導体層１６０の半導体としての性能が向上するため、内部量子効率ＩＱＥが改善する。
【００４４】
バッファ層は、半導体発光素子用基板１０１の凹凸構造の表面全体を覆うように形成してもよいが、凹凸構造の表面に部分的に設けることができる。特に、半導体発光素子用基板１０１の凸部１０２を囲む歯抜け部１０３に優先的にバッファ層を設けることができる。アンドープ型半導体層１５１とバッファ層とを併せて、下地層と定義して記述する。
【００４５】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００においては、半導体発光素子用基板１０１から積層半導体層１６０にかけて貫通転移欠陥１１１が存在する。この貫通転移欠陥１１１は、主に、半導体発光素子用基板１０１と、アンドープ型半導体層１５１あるいは積層半導体層１６０との結晶格子定数の差異に起因している。そして、貫通転移欠陥１１１は、下地層と半導体発光素子用基板１０１との界面で多く、アンドープ型半導体層１５１と積層半導体層１６０との界面にかけて減少する。
【００４６】
（平均貫通転移欠陥数Ｔｓ、Ｔｅ）
本実施に係る半導体発光素子１００において、アンドープ型半導体層１５１内の半導体発光素子用基板１０１との界面近傍の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、発光半導体層１５３内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅとの差は、５×１０８本／ｃｍ２以上であることが好ましい。
【００４７】
ＴｓとＴｅとの差が上記した値であると、駆動電流の増加により発光効率が低下するドループ現象を抑制することができる。ＴｓとＴｅとの差が５×１０８本／ｃｍ２以上であると、ドループ現象を抑制できる詳細なメカニズムは次のように考えられる。
【００４８】
ドループ現象は、次のように説明される。青色ＬＥＤを構成するＧａＮ結晶層は圧電性を有しており、結晶層に応力がかかると、結晶内に分極が生じ、ピエゾ電界が発生する。このピエゾ電界により、発光半導体層１５３内において、電子とホールが空間的に分離されて、発光効率が低下する。
【００４９】
上記結晶層に発生する応力は、２種類ある。一つは、発光半導体層１５３と、ｎ型半導体層１５２、ｐ型半導体層１５４及びアンドープ型半導体層１５１との結晶格子定数の差異に由来する圧縮応力である。青色ＬＥＤの場合、発光半導体層１５３には、Ｉｎが混在し、Ｉｎの結晶格子はＧａＮよりも大きい。さらに、発光半導体層１５３は、ｎ型半導体層１５２、ｐ型半導体層１５４及びアンドープ型半導体層１５１よりも薄い。これらのため、発光半導体層１５３は、他のＧａＮ層（ｎ型半導体層１５２、ｐ型半導体層１５４及びアンドープ型半導体層１５１）から圧縮応力を受ける。
【００５０】
もう一つは、アンドープ型半導体層１５１と半導体発光素子用基板１０１とが、組成が異なる異種基板の場合に、アンドープ型半導体層１５１と半導体発光素子用基板１０１との線膨張係数の差異に由来する応力である。特に、アンドープ型半導体層がＧａＮであり、半導体発光素子用基板１０１がサファイア基板である場合、サファイア基板の線膨張係数がＧａＮよりも大きいため、アンドープ型半導体層１５１及び積層半導体層１６０に大きな圧縮応力が生じる。なんとなれば、サファイア基板上にＧａＮをＣＶＤで形成する温度は１０００℃以上であり、室温との温度差１０００℃は無視できない大きさのため、成膜時にＧａＮと同じ長さであったサファイア基板が室温に戻る際に大きく縮む。この結果、ＧａＮ（アンドープ型半導体層１５１）は、サファイア基板（半導体発光素子用基板１０１）から大きな圧縮応力を受ける。
【００５１】
一般的な青色ＬＥＤでは、半導体層にＧａＮを使用し、半導体発光素子用基板にサファイア基板を使用するため、上記、２種類の圧縮応力が、発光半導体層１５３内に生じ、大きなピエゾ電界を発生させ、ドループ現象となる。
【００５２】
本発明の実施に係る半導体発光素子１００においては、貫通転移欠陥１１１は、下地層と半導体発光素子用基板１０１との界面から、アンドープ型半導体層１５１と積層半導体層１６０との界面にかけて、衝突によりまとめられ減少する。アンドープ型半導体層１５１内の半導体発光素子用基板１０１との界面近傍の平均貫通転移欠陥数Ｔｓが、発光半導体層１５３内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅまで減っていくことにより、減少する貫通転移欠陥の体積分、アンドープ型半導体層１５１は収縮する。このため、上記した２種類の圧縮応力を減少させることになり、半導体発光層１５３内のピエゾ電界が減り、ドループ現象が抑制されると推定される。
【００５３】
ＴｓとＴｅの差は、１０×１０８本／ｃｍ２以上であると、ドループ抑制効果が顕著であり、より好ましい。また、ＴｓとＴｅの差は、２０×１０８本／ｃｍ２以上であると、上記、サファイア基板（半導体発光素子用基板１０１）とＧａＮ層（アンドープ型半導体層１５１）との線膨張係数差に基づく応力だけでなく、発光半導体層１５３とその他のＧａＮ層（ｎ型半導体層１５２、ｐ型半導体層１５４及びアンドープ型半導体層１５１）との結晶格子定数差に基づく圧縮応力を抑制でき、ドループ抑制効果がさらに高まり、さらに好ましい。
【００５４】
半導体発光素子１００において、半導体発光層１５３内における平均貫通転移欠陥数Ｔｅは、４×１０８本／ｃｍ２以下であることが好ましい。半導体発光層１５３に貫通転移欠陥が原因で電子とホールとの発光再結合が抑制されることが防止され、内部量子効率ＩＱＥの低下を防止できる。Ｔｅは、３×１０８本／ｃｍ２以下であるとより好ましく、２×１０８本／ｃｍ２以下であると、貫通転移欠陥による内部量子効率ＩＱＥ低下効果が十分に抑制されるので、さらに好ましい。
【００５５】
また、アンドープ型半導体層１５１内の半導体発光素子用基板１０１との界面近傍の平均貫通転移欠陥数Ｔｓが、５×１０８本／ｃｍ２以上であると、貫通転移欠陥がまとめられてＴｓが減少した際のドループ抑制効果が発現し易く、好ましい。Ｔｓが２０×１０８本／ｃｍ２以上であるとより好ましく、３０×１０８本／ｃｍ２以上であると、上記、サファイア基板（半導体発光素子用基板１０１）とＧａＮ層（アンドープ型半導体層１５１）との線膨張係数差に基づく応力だけでなく、発光半導体層１５３とその他のＧａＮ層（ｎ型半導体層１５２、ｐ型半導体層１５４及びアンドープ型半導体層１５１）との結晶格子定数差に基づく圧縮応力を抑制し易くなり、さらに好ましい。Ｔｓが、４０×１０８本／ｃｍ２以上であると、ドループ抑制効果を一層高めることが可能となるため、さらにより好ましい。
【００５６】
（平均貫通転移欠陥数Ｔｅ、Ｔｓの測定）
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、平均貫通転移欠陥数Ｔｅ、Ｔｓは、次にように測定される。半導体発光素子１００を所定の厚さに切断し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で、貫通転移欠陥を観察する。観察した欠陥数を測定試料の断面積で除して、平均貫通転移欠陥数が求められる。
【００５７】
半導体発光素子１００においては、半導体発光素子用基板１０１の主面の一部には少なくとも凹凸構造が形成されており、凹凸構造表面も含めた断面積は大きくなるが、平均貫通転移欠陥数Ｔｓ、Ｔｅを求める際の断面積は、凹凸構造表面の断面積は考慮せず、観察面の厚さと幅の積から求められる断面積を採用する。
【００５８】
上記観察面の幅は、３０μｍ以上が好ましい。観察面の厚さは、３００ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは４００ｎｍ以上であり、５００ｎｍ以上であると、凹凸構造による貫通転移欠陥数の測定ムラを抑制できるため、さらに好ましい。
【００５９】
（半導体層）
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、アンドープ型半導体層１５１としては、例えば、シリコンやゲルマニウムなどの元素半導体、又は、ＩＩＩ−Ｖ属やＩＩ−ＶＩ族、ＩＶＩ−ＩＶ族等の化合物半導体を適用できる。特に、アンドープ型半導体層１５１は、アンドープ窒化物層であることが好ましい。アンドープ窒化物層としては、例えば、９００℃〜１５００℃の成長温度で、ＮＨ３とＴＭＧａを供給することで成膜できる。
【００６０】
アンドープ型半導体層１５１の膜厚は、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましいが、アンドープ型半導体層１５１に対する残留応力の観点から、１．３μｍ以上１０μｍ以下がより好ましい。
【００６１】
バッファ層には、例えば、ＧａＮ構造、ＡｌＧａＮ構造、ＡｌＮ構造、ＡｌＩｎＮ構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ積層構造、ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ積層構造などを採用することができる。中でも、ＧａＮ構造、ＡｌＧａＮ構造、ＡｌＮ構造が最も好ましい。これにより、アンドープ型半導体層１５１の成長速度のバラツキがより低減するため、貫通転移欠陥１１１の会合点の制御性が向上し、アンドープ型半導体層１５１の表面ラフネスを低減しやすい。
【００６２】
また、バッファ層の成膜については、成膜温度を３５０℃〜６００℃の範囲にできる。また、バッファ層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ、Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又はスパッタリング法により成膜されることが好ましい。
【００６３】
バッファ層の厚さは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下がより好ましい。バッファ層の厚みをこの範囲にすることにより、アンドープ型半導体層１５１の成長速度のバラツキを低減し、貫通転移欠陥１１１の会合点を制御し易い。
【００６４】
ｎ型半導体層１５２としては、半導体発光素子１００に適したｎ型半導体層として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの元素半導体、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、ＩＶ−ＩＶ族などの化合物半導体などに適宜、種々の元素をドープしたものを適用できる。例えば、ＧａＮにｎ型ドーパントをドープしたものを適用できる。また、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層には、適宜、図示しないｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層を設けることができる。
【００６５】
ｎ型半導体層１５２としてのｎ型ＧａＮ層としては、例えば、ＮＨ３を３×１０−２〜４．２×１０−２ｍｏｌ／分、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を０．８×１０−４〜１．８×１０−４ｍｏｌ／分及びＳｉに代表されるｎ型ドーパントを含むシランガスを５．８×１０−９〜６．９×１０−９ｍｏｌ／分供給することで、形成することができる。ｎ型半導体層１５２の膜厚は、活性層への電子注入性の観点から、８００ｎｍ以上であると好ましく、１５００ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００６６】
発光半導体層１５３としては、半導体発光素子として発光特性を有するものであれば、特に限定されない。例えば、発光半導体層１５３として、ＡｓＰ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＡｌＨａＩｎＰ、ＺｎＯなどの半導体層を適用できる。また、発光半導体層１５３には、適宜、特性に応じて種々の元素をドープしてもよい。
【００６７】
また、発光半導体層１５３は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることが好ましい。
【００６８】
例えば、単一量子井戸構造の場合、６００℃〜８５０℃の成長温度で、窒素をキャリアガスとして使い、ＮＨ３、ＴＭＧａ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給することで、ＩＮＧａＮ／ＧａＮからなる活性層を、１００Å〜１２５０Åの厚さに成長させることができる。また、多重量子井戸構造の場合、１つの層を構成するＩｎＧａＮに関し、Ｉｎ元素濃度を変化させることもできる。
【００６９】
また、発光半導体層１５３とｐ型半導体層１５４との間に、電子ブロック層（図示せず）を設けることができる。電子ブロック層は、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮにて構成される。
【００７０】
ｐ型半導体層１５４としては、半導体発光素子に適したｐ型半導体層として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの元素半導体、及び、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、ＩＶ−ＩＶ族などの化合物半導体に適宜、種々の元素をドープしたものを適用できる。例えば、ＧａＮにｐ型ドーパントをドープしたものを適用できる。
【００７１】
ｐ型半導体層１５４としてのｐ型ＧａＮ層は、例えば、成長温度を９００℃以上に上昇させ、ＴＭＧａ及びＣＰ２Ｍｇを供給することで、数百〜数千Åの厚さに成膜することができる。
【００７２】
これらの積層半導体層１６０（ｎ型半導体層１５２、発光半導体層１５３及びｐ型半導体層１５４）は、基板表面に公知の技術により成膜できる。例えば、成膜方法としては、ＭＯＣＶＤ、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などが適用できる。
【００７３】
透明導電膜１５５の材質は、半導体発光素子に適した透明導電膜として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、Ｎｉ／Ａｕ電極などの金属薄膜や、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＺＯ、ＩＧＺＯなどの導電性酸化物膜を適用できる。透明性、導電性の観点から、特に、ＩＴＯが好ましい。
【００７４】
透明導電膜１５５の厚みは、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。透明導電膜１５５の役割は、アノード電極１５６からの電流を拡散させ、ｐ型半導体層１５４に注入することである。透明導電膜１５５の抵抗は厚みが厚いほど小さくなることから、透明導電膜１５５の厚み（Ｔ＿ＴＥ）は、３０ｎｍ以上が好ましく、４０ｎｍ以上がより好ましい。光吸収を抑えることに加えて、薄膜干渉を利用して、臨界角以下の入射角に対する透過率を著しく上げることができ、また、臨界角以下の透過率分布を抑える観点から、透明導電膜１５５の厚み（Ｔ＿ＴＥ）の上限としては、１００ｎｍ以下が好ましく、８０ｎｍ以下がより好ましい。
【００７５】
透明導電膜１５５の厚み（Ｔ＿ＴＥ）は、例えば、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）によって測定することができる。透明導電膜７５５の厚みのＳＴＥＭによる測定は、像のコントラストから、透明導電膜７５５と積層半導体層７６０との境界を明確化することができるため、好ましい。
【００７６】
（反射層）
半導体発光素子１００において、半導体発光素子用基板１０１の積層半導体層１６０が形成されている主面の反対側の面に、図示しない反射層を設けてもよい。
【００７７】
反射層の材質は、発光波長での反射率が高ければ特に限定されない。例えば、金属ではＡｇ、Ａｌ又はこれらの合金が、例えば反射率や半導体発光素子用基板１０１との密着性の観点から選択される。あるいは、より高い反射率とするために、反射層として、誘電体多層膜を形成してもよい。反射率が所望の範囲で有れば、反射層の膜厚及び層数は、特に限定されず、例えば、高屈折率層としてチタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、窒化アルミ、低屈折率層としてシリコン酸化物を用いることができる。また、誘電体多層膜を形成した後、金属を成膜してもよい。また、反射層と半導体発光素子用基板１０１との密着性を改善するために、反射層と半導体発光素子用基板１０１との間に密着層を設けてもよい。密着層は、例えば、シリコン酸化物を用いることができる。
【００７８】
（半導体発光素子用基板）
本実施の形態に係る半導体発光素子１００において、半導体発光素子用基板１０１の積層半導体層１６０が形成される側の主面の一部又は全面に、凹凸構造が形成されている。凸構造の周囲には、凹構造が形成されている。凸構造は、複数の凸部１０２が隣接して形成されており、複数の凸部１０２により凸部群１０４が構成されている。
【００７９】
凹構造は、凸部１０２が形成されていない歯抜け部１０３となっている。歯抜け部１０３は、凸部群１０４の間に規則的に形成されており、歯抜け部１０３は、アンドープ型半導体層１５１を半導体発光素子用基板１０１上に形成する際に、エピタキシャル成長促進部とすることができる。また、凸部群１０４は、アンドープ型半導体層１５１に対して、エピタキシャル成長抑制部とすることができる。
【００８０】
半導体発光素子用基板１０１上に、エピタキシャル成長促進部とエピタキシャル成長抑制部があるために、アンドープ型半導体層１５１を形成する際に、半導体発光素子用基板１０１との界面に発生した貫通転移欠陥１１１同士の衝突による、貫通転移欠陥１１１の減少が起き易くなる。このため、アンドープ型半導体層１５１内の半導体発光素子用基板１０１との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、発光半導体層１５３内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅとの差を大きくすることが可能となる。
【００８１】
半導体発光素子用基板１０１と、アンドープ型半導体層１５１及び積層半導体層１６０とは、組成が異なる異種基板であることが好ましい。さらに、アンドープ型半導体層１５１及び積層半導体層１６０は、窒化物半導体を含むことが好ましく、半導体発光素子用基板１０１は、サファイア、炭化ケイ素、スピネル及びシリコンからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。
【００８２】
半導体発光素子用基板１０１と、アンドープ型半導体層１５１及び積層半導体層１６０とが異種基板であるために、格子定数の差から、アンドープ型半導体層１５１と半導体発光素子用基板１０１との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓを増やし易い。仮に、アンドープ型半導体層１５１がＧａＮである場合に、半導体発光素子用基板１０１もＧａＮであると、格子定数の差に由来する貫通転移欠陥１１１の発生がほとんどなく、アンドープ型半導体層１５１内の半導体発光素子用基板１０１との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、発光半導体層１５３内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅとの差を大きくできない場合がある。この場合、前記したようなアンドープ型半導体層１５１内の貫通転移欠陥数の減少が抑制され、発光半導体層１５３の圧縮応力が減らず、ドループが改善しない。
【００８３】
また、半導体発光素子用基板１０１においては、エピタキシャル成長促進部である歯抜け部１０３には、エピタキシャル成長を阻害しない範囲で、その一部あるいは全面に、半導体発光素子用基板１０１の主面に対して、曲率を有する面が存在することが好ましい。歯抜け部１０３が曲率を有する面であると、アンドープ型半導体層１５１内の半導体発光素子用基板１０１との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓを大きくできるため、好ましい。
【００８４】
ここで、「曲率を有する面」とは、半導体発光素子用基板１０１の主面に対する断面において、曲率が０でない曲面を有する面であり、断面において２つ以上の曲率を有する曲面であってもよい。
【００８５】
次に、図２を参照して、本実施の形態に係る歯抜け部の曲面について説明する。図２は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の歯抜け部を説明するための断面模式図である。図２Ａに示すように、半導体発光素子用基板２０１は、その主面に、複数の凸部２０２が隣接して構成される凸部群２０４が形成されており、凸部群２０４の周囲には、歯抜け部２０３が形成されている。歯抜け部２０３は、半導体発光素子用基板２０１の断面において、曲率を有する曲面で構成されることが好ましい。図２Ａにおいては、歯抜け部２０３は、凹状に湾曲している。
【００８６】
また、図２Ｂに示すように、歯抜け部２０３は、半導体発光素子用基板２０１の断面において、曲率を有する２つの曲面で構成されていてもよい。図２Ｂにおいては、歯抜け部２０３は、凹状に２カ所で湾曲している。
【００８７】
図２Ｃに示すように、歯抜け部２０３は、半導体発光素子用基板２０１の断面において、曲率を有する曲面で構成されていてもよい。図２Ｃにおいては、歯抜け部２０３は、凸状に湾曲している。また、図２Ｄに示すように、歯抜け部２０３は、半導体発光素子用基板２０１の断面において、曲率を有する２つの曲面で構成されていてもよい。図２Ｄにおいては、歯抜け部２０３は、凸状に２カ所で湾曲している。
【００８８】
半導体発光素子用基板２０１においては、図２に示すように、歯抜け部２０３は、半導体発光素子用基板２０１の断面において、曲率を有する曲面だけで構成されていてもよく、少なくとも一部の底面が曲率を有する面となっていれば、歯抜け部１０３は一部に平坦面を有していてもよい。
【００８９】
歯抜け部２０３における曲面の曲率は、曲率半径が７００ｎｍ以上であると、歯抜け部２０３がエピタキシャル成長促進部となるため、好ましい。また、歯抜け部２０３は、曲率半径が１０００ｎｍ以上であると、より好ましく、曲率半径が１３００ｎｍ以上であると、歯抜け部２０３からのエピタキシャル成長がより促進されるため、さらに好ましい。
【００９０】
また、歯抜け部２０３における曲面の曲率は、０を超えており、曲率半径が１２０００ｎｍ以下であると、アンドープ型半導体層１５１（図１参照）内の半導体発光素子用基板２０１との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓが増加するため、好ましい。また、歯抜け部２０３は、曲率半径が４０００ｎｍ以下であると、より好ましく、曲率半径が２５００ｎｍ以下であると、歯抜け部２０３からの貫通転移欠陥数が多くなるため、さらに好ましい。本実施の形態において、歯抜け部２０３における曲面の曲率は、曲面の曲率半径をＲとすると、１／Ｒで定義される。
【００９１】
次に、図３−１４を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板について、詳細に説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の平面模式図である。図４は、図３中Ｘ−Ｘ断面を示す断面模式図である。
【００９２】
図３に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板３０１では、凸部３０２は、互いに等しい最近接距離Ｐ１で互いに隣接して凸部群３０４を構成している。また、凸部群３０４の最外郭を構成する凸部３０２は、互いに離間せず隣接している。凸部群３０４は、その周囲を歯抜け部３０３で囲まれている。歯抜け部３０３は、前記したような、半導体発光素子用基板３０１の断面において２つ以上の曲率を有する曲面で構成されているが、図３、４においては省略している。
【００９３】
本実施の形態において、凸部３０２が互いに離間していないとは、平面視において、少なくとも凸部底部の縁同士が、実際的に間に平坦面を有せずに接している状態である。凸部３０２が互いに隣接しているとは、２つの凸部３０２、３０５間には、他の凸部が存在せず、隣り合っている状態を指す。図３の場合、凸部群３０４を構成するすべての凸部３０２、３０５が、互いに離間せず、互いに等しい最近接距離Ｐ１で隣接している。
【００９４】
本実施の形態における最近接距離Ｐ１は、次のように定義される。即ち、凸部群３０４において、互いに離間せず隣接している２つの凸部３０２、３０５の頂点間の距離のうち、最も短い距離として定義される。さらに、本実施の形態においては、凸部群３０４内の各凸部３０２、３０５間の最近接距離Ｐ１の平均値Ｐ０に対して、各Ｐ１の変動が、±１０％以内である場合、凸部群３０４内は、複数の凸部３０２、３０４が互いに等しい最近接距離Ｐ１で構成されているものとする。
【００９５】
前記した最近接距離Ｐ１の平均値Ｐ０は、凸部群３０４内における凸部３０２、３０５の最近接する頂点間の距離の相加平均として定義される。測定に使用する局所的範囲は、凸部３０２、３０５の平均ピッチＰの５倍〜５０倍程度の範囲として定義する。
【００９６】
ここで、複数の凸部３０２、３０５の平均ピッチとは、次のように定義される。ある凸部の中心とこの凸部に最近接する凸部の中心との間の中心間距離がピッチである。各凸部３０２、３０５間でピッチを測定し、それらの相加平均値を、複数の凸部３０２、３０５の平均ピッチＰと定義する。なお、上記相加平均値を求める際に選択する凸部の数Ｎが１０点以上であることが好ましい。
【００９７】
例えば、平均ピッチＰが７００ｎｍであれば、最近接距離Ｐ１は、３５００ｎｍ〜３５０００ｎｍの測定範囲の中で測定される。このため、例えば７５００ｎｍの視野像を、凸部３０２、３０５を有する領域内の、例えば中央の位置で撮像し、この撮像を使用して相加平均を求める。視野像の撮像には、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いることができる。
【００９８】
（凸部の最近接距離Ｐ１の相加平均）
ある要素（変量）の分布のＮ個の測定値をｘ１、ｘ２・・・、ｘｎとした場合に、相加平均値は、以下の式（１）にて定義される。
【００９９】
【数１】
2019145629.tif 000003
【０１００】
相加平均を算出する際のサンプル点数Ｎは、２０として定義する。２０としたのは、局所的範囲内で任意に個々の凸部３０２、３０５を選んだ際、十分な統計平均を取るためである。
【０１０１】
本実施の形態において、最近接距離Ｐ１は、１００ｎｍ以上３５００ｎｍ以下であると、内部量子効率ＩＱＥと、光取り出し効率ＬＥＥが向上するため好ましい。凸部３０２間の最近接距離Ｐ１が１００ｎｍ以上であると、発光光の半導体発光素子内部の光学波長（波長／屈折率）と同程度以上になり、発光光に対する散乱性が強くなり好ましく、５００ｎｍ以上であるとより好ましく、７００ｎｍ以上であると更に好ましい。また、半導体発光素子用基材３０１の主面に半導体層をエピタキシャル成長させるときに、平坦化しにくくなることを防止する観点から、最近接距離Ｐ１は、３０００ｎｍ以下であると好ましく、２０００ｎｍ以下であるとより好ましい。
【０１０２】
上記の通り、凸部群３０４の周囲は、エピタキシャル成長を阻害しない範囲で、曲率を有する曲面（図２参照）が形成される歯抜け部３０３で囲まれている。本実施の形態における歯抜け部３０３とは、半導体発光素子用基板３０１に供される基板の主面が露出している状態であり、例えば、基板としてＣ面サファイア基板を使用した場合、歯抜け部３０３は曲率を有し、サファイア基板のＣ面と略平行である。歯抜け部３０３の、例えばサファイア基板に対する傾きは、１．０度以下であると、アンドープ型半導体層と半導体発光素子用基板３０１との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓが増え易くなり、好ましい。より好ましくは、０．９度以下であり、０．８度以下であると、歯抜け部３０３からのエピタキシャル成長速度が低下せず、平均貫通転移欠陥数Ｔｓを増加できるため、特に好ましい。
【０１０３】
また、凸部３０２が基板と異なる材料で構成されているヘテロ構造である場合も、歯抜け部３０３は、曲率を有しながら基板の主面と略平行であり、例えば、基板としてＣ面サファイア基板を使用した場合、歯抜け部３０３は、前記と同様、サファイア基板のＣ面と曲率を有しながら略平行となる。
【０１０４】
歯抜け部３０３が基板の主面と曲率を有しながら略平行であるために、半導体発光素子用基板３０１の凹凸構造上に半導体層をエピタキシャル成長させる際に、歯抜け部３０３がエピタキシャル成長促進部となる。一方、凸部３０２で構成された凸部群３０４はエピタキシャル成長抑制部となる。
【０１０５】
ここで、本実施の形態における「歯抜け」とは、実際に形成されていた凸部３０２を後の工程で除去したことを意味するのではなく、周期配列された凸部から、間引かれたような間隔で形成されていること、間引かれたような形状となっていることを意味する。結晶成長面である半導体発光素子用基板３０１の主面内に、エピタキシャル成長促進部となる歯抜け部３０３と、エピタキシャル成長抑制部となる凸部群３０４が混在していることで、歯抜け部３０３により、エピタキシャル成長促進部が確保される。これにより、半導体層中の結晶欠陥が抑制され、半導体発光素子の内部量子効率ＩＱＥを高めることができる。
【０１０６】
歯抜け部３０３は、図３に示すように、連続した歯抜け部３０３としてもよく、凸部群３０４は、その周囲を歯抜け部３０３で囲まれていることが好ましい。
【０１０７】
半導体発光素子３０１においては、凸部群３０４は、少なくとも４個以上の凸部３０２で構成されていることが好ましい。また、外周部の凸部３０２の共通外接線を結んで形成される多角形は、１辺が３個以上の凸部３０２で構成されることが好ましい。図３において、半導体発光素子用基板３０１は、凸部群３０４の共通外接線を結んだ多角形が正六角形であり（破線参照）、この正六角形の１辺の長さは、凸部３０２が３個並んだ共通外接線の長さで示される。
【０１０８】
凸部群３０４が、凸部３０２の共通外接線を結んだ多角形であり、１辺が３個以上の凸部３０２に相当する長さで構成されていると、歯抜け部３０４から半導体層をエピタキシャル成長させた際に、アンドープ型半導体層内の半導体発光素子用基板３０１との界面の貫通転移欠陥が、半導体層の成長と共に、貫通転移欠陥同士で衝突してまとめられる、あるいは凸部群３０４へ衝突することにより、効率的に減少する。これにより、半導体層の結晶品質が高まり、得られる半導体発光素子の内部量子効率ＩＱＥを高めることができる。同時に、半導体発光層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅが減るため、半導体発光層の圧縮応力を減少させることになり、半導体発光層内のピエゾ電界が減り、ドループ現象が抑制される。
【０１０９】
さらに、凸部群３０４の共通外接線を結んだ多角形が正多角形であると、エピタキシャル成長した半導体層の平坦性が向上し、半導体発光素子のリーク電流が減るため、より好ましい。
【０１１０】
また、半導体発光素子用基板３０１において、凸部３０２、３０５で構成された凸部群３０４は、一定の凸部群周期３０６で繰り返し配置されていることが好ましい。一定の凸部群周期３０６を有することで、凸部群３０４間の歯抜け部３０３の面積が略一定となり、エピタキシャル成長促進部が基板面内で均等化されるため、半導体発光素子用基板３０１上に得られる半導体層の平坦性が向上し、好ましい。
【０１１１】
凸部群周期３０６を規定する凸部群３０４間の距離は、歯抜け部３０３を挟んで互いに隣接する２つの凸部群３０４において、各々の凸部群３０４の中心間距離で定義される。凸部群３０４の中心は、凸部群３０４の平面視における重心である。凸部群３０４間の距離が一定の値を有することで、凸部群３０４が一定の凸部群周期３０６で配置される。
【０１１２】
半導体発光素子用基板３０１においては、凸部群周期３０６は、５００ｎｍ以上、１００００ｎｍ以下であると好ましい。５００ｎｍ以上であると、凸部群３０４による発光光に対する光散乱性が増加し好ましく、８００ｎｍ以上であるとより好ましく、１０００ｎｍ以上であると、凸部３０２による光散乱性に重畳して光散乱性が強まり更に好ましい。また、半導体発光素子用基板３０１上に得られる半導体層の平坦化に要する時間を短縮して、スループットの低下を防止し、加えて成膜時の基板の反りを防止する観点から、凸部群周期３０６は、１００００ｎｍ以下が好ましく、９０００ｎｍ以下がより好ましく、８０００ｎｍ以下が更に好ましい。
【０１１３】
また、基板面内における凸部群３０４間の距離の平均に対して、各々の凸部群３０４間の距離の変動が±１０％以内である場合、複数の凸部群３０４は、互いに等しい凸部群周期３０６で構成されているものとする。
【０１１４】
図５は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板上に半導体層が形成される途中過程を示した平面模式図である。また、図６は、図５中のＡ−Ａ断面を示す断面模式図である。図７は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板上に半導体層が形成された状態を示す断面模式図である。
【０１１５】
図５、図６に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板４０１上に半導体層が形成される時、エピタキシャル成長面である歯抜け部４０３から優先的にエピタキシャル結晶が成長する。図５においては、例えば、エピタキシャル結晶層がＧａＮ結晶である場合、六角錘台状の結晶面を伴い成長する途中過程を示している。半導体発光素子用基板４０１は、凸部４０２で構成された凸部群４０４と、凸部群４０４の周囲を囲んだ歯抜け部４０３とで構成されている。歯抜け部４０３は基板主面と略平行であり、半導体発光素子用基板４０１の断面において、曲率を有する曲面を有している（図２参照）。例えば、基板がＣ面サファイア基板である場合、歯抜け部４０３はＣ面に略平行である。この半導体発光素子用基板４０１で半導体層がエピタキシャル成長する際、エピタキシャル成長促進部である歯抜け部４０３に、初期の結晶核が集中するため、ＧａＮ結晶４０７も歯抜け部４０３から結晶成長を開始する。凸部群４０４は結晶成長面であるＣ面が露出していないため、エピタキシャル成長は抑制され、結果として、図５に示したように、凸部群４０４は、ＧａＮ結晶４０７で囲まれるようになる。
【０１１６】
この後、図５中に矢印で示すように、ＧａＮ結晶４０７の成長と共に、凸部群４０４の中心方向に結晶が埋まっていく。そして、図７に示すように、平坦面４５０を有する半導体層４５１となる。この過程において、ＧａＮ結晶４０７内の欠陥は、凸部群４０４の中心方向に曲折された形となり、図７に示す貫通転移欠陥４１１のように互いに会合することで、半導体層４５１内の貫通転移欠陥数が減少する。
【０１１７】
以上のように、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板４０１においては、歯抜け部４０３に多数の欠陥の起点が形成、制御され、さらに、凸部群４０４の中心に集中することで、欠陥密度の面内分布が低減され、アンドープ型半導体層内の半導体発光素子用基板４０１との界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓに対して、半導体発光層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｓを効率的に減少させることができる。さらに、得られる半導体層４５１の表面における表面荒れやピットの形成を抑えながら、均一に結晶成長させることが可能となる。以上の効果により、半導体発光層内の圧縮応力を減少させ、ドループを抑制できる。
【０１１８】
さらに、半導体層４５１内の圧縮応力が減るために、半導体発光素子用基板４０１上に半導体層４５１を形成した後、室温に冷却した際の、半導体発光素子用基板４０１の半導体層４５１側への凸状反りを抑制できる。基板が反ると、ＬＥＤ形成プロセスにおけるフォトリソ工程での製品歩留まりが低下することが問題であったが、本実施の形態に係る半導体発光素子においては、基板の凸状反りを抑制できるため、半導体発光素子の発光効率向上に加えて、ウェハから良品として得られる半導体発光素子の個数を増やすことができ、ウェハあたりのチップ収率を効果的に高くすることが可能となる。
【０１１９】
次に、凸部２０２（図２参照）のパラメータについて詳細に説明する。
【０１２０】
（凸部高さＨ）
凸部高さＨは、凸部２０２の頂部と、歯抜け部２０３との境界部と、の高さの差として定義される（図２参照）。凸部高さＨが高いと、半導体層４５１（図７参照）が平坦化する際に要する膜厚が厚くなり、成膜時に反り易くなる。このため、凸部高さＨは、３０００ｎｍ以下が好ましく、２０００ｎｍ以下がより好ましい。
【０１２１】
（凸部底部径Ｄ）
凸部底部径Ｄは、平面視において、凸部底部の外接円の直径として定義される。例えば、凸部底部が真円の場合は、図３に示すように直径が一意に定まる。しかしながら、実際の凹凸構造では、凸部底部は、真円から歪んだ形状になる。図８は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の平面模式図である。図８に示すように、半導体発光素子用基板５０１において、凸部５０２、５０５で構成される凸部群５０４が、歯抜け部５０３に囲まれている。半導体発光素子用基板５０１で、特に凸部底部径Ｄを太らせるエッチング条件では、凸部５０２、５０５の底部は、円形状から六角形に近づく。この場合、凸部底部の外接円直径を、凸部底部径Ｄとする。
【０１２２】
（デューティ）
デューティとは、凸部底部径Ｄと、凸部３０２、３０５間の最近接距離Ｐ１の平均値Ｐ０（図３参照）との比（Ｄ／Ｐ０）で定義される。凹凸構造の充填度を表す量である。デューティが小さい、即ち凸部底部径Ｄが平均値Ｐ０に比して小さい場合、凸部３０２、３０５間の隙間に平坦面が露出する割合が高くなる。このとき、凸部３０２、３０５間の隙間からも結晶成長が進行し、歯抜け部３０３から選択的に成長させるという、位置選択性が低下する。よって、半導体層の欠陥を抑制し内部量子効率ＩＱＥを向上させるには、半導体発光素子用基板３０１における凸部３０２、３０５間の隙間からの初期結晶成長を抑制することが好ましい。このため、デューティは１．０以上が好ましく、１．０５以上がより好ましく、１．１５以上が更に好ましい。
【０１２３】
本実施の形態に係る半導体発光素子用基板において、前記した最近接距離Ｐ１で隣接した凸部は、平面視において、直線で構成された辺で互いに接していることが好ましい。図８に示す半導体発光素子用基板５０１では、図３と同様の凸部配置で、隣接した凸部５０２、５０５が平面視において、直線で構成された辺で互いに接している状態である。
【０１２４】
このように、直線で構成された辺で互いに接している凸部間形状であると、凸部５０２、５０５間に平坦面が存在しにくくなり、上記したような歯抜け部５０３からのエピタキシャル成長の選択成長性が増加し、より好ましい。
【０１２５】
さらに、図８においては、凸部群５０４は、平面視における底部形状が、直線で構成された辺と、円弧状の曲線と、で構成されている含円弧底部形状である凸部５０２と、平面視における底部形状が、直線で構成された辺のみで構成されている凸部５０５とで構成されている。したがって、複数の凸部５０５の周囲が、含円弧底部形状の、複数の凸部５０２で囲まれた凸部群５０４を構成している。このような凹凸構造であると、前記したような凸部間の隙間からの結晶成長を抑制することができ、より好ましい。
【０１２６】
（凸部群の配列）
本実施の形態に係る半導体発光素子用基板においては、前記したような凸部と凸部で構成された凸部群であれば、得られる半導体発光層における圧縮応力を緩和し、ドループ現象を抑制できる。そして、内部量子効率ＩＱＥと光取り出し効率ＬＥＥを同時に高めることができる。さらに、得られる半導体層の平坦性が高く、半導体層形成後の基板の反りが少ないため、優れた発光効率を有する半導体発光素子を歩留まりよく製造することが可能となる。
【０１２７】
また、半導体発光素子用基板においては、図３と同様の最近接距離Ｐ１を有する凸部で構成された凸部群が、歯抜け部で囲まれるが、凸部群間の距離が、図８の配置よりも狭くてもよい。このため、歯抜け部の面積も減る。
【０１２８】
このような配置であると、歯抜け部からのエピタキシャル成長の選択成長性が増加し、得られる半導体層の結晶性がより向上する。さらに、基板面内の凸部群の存在面積比が増えるため、光取り出し効率ＬＥＥも増加する。一方、歯抜け部の面積が、凸部群に比べて減るため、半導体層の形成は図８と比較して難しくなる。
【０１２９】
また、半導体発光素子用基板においては、図８の凸部配列よりも、凸部群を構成する凸部の数が増えてもよい。
【０１３０】
この配置においても、歯抜け部からのエピタキシャル成長の成長選択性が維持され、得られる半導体層の結晶性が向上する。さらに、凸部群を構成する凸部の斜面部面積が増加するため、光取り出し効率ＬＥＥは増加する。さらに、歯抜け部を起点として成長する半導体層が凸部群を完全に覆うために必要な距離が増加するため、前記したように、半導体層の貫通転移欠陥が互いに会合するまでの距離が伸び、会合する確率が増え、貫通転移欠陥が減少し易くなる。結果として、半導体層の圧縮応力が減少し、ドループ特性が改善する。
【０１３１】
図９は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の他の態様を示す平面模式図である。図９に示す半導体発光素子用基板８０１においては、図８の凸部配列から、凸部群の中心を取り除いた配置となっている。凸部８０２、８０５で構成され、中心の凸部がない凸部群８０４が、歯抜け部８０３で囲まれている。凸部群８０４の中心には、歯抜け部８０６が形成されている。
【０１３２】
この配置においても、歯抜け部８０３からのエピタキシャル成長の選択成長性が維持され、得られる半導体層の結晶性が向上する。さらに、光取り出し効率ＬＥＥも増加する。また、歯抜け部８０６からも半導体層がエピタキシャル成長するため、図８の平面配置よりも、半導体層の形成が容易であり、得られる半導体層の平坦性を高く維持できる。
【０１３３】
図９においては、半導体発光素子用基板８０１の面内における凸部８０２、８０５の平面視面積が減る。これによる光取り出し効率ＬＥＥが高くなる詳細なメカニズムは不明であるが、凸部群８０４が、一定の周期で配置されているために、歯抜け部８０６も周期的に存在し、半導体発光素子からの発光光に対して、回折要素として働き、散乱性を高め、光取り出し効率ＬＥＥを高くできると考えられる。
【０１３４】
図１０は、本実施の形態に係る半導体発光素子における凸部群の一例を示す平面模式図である。本実施の形態に係る半導体発光素子における凸部群は、図９と同様に、所定の凸部配列から、該当する位置の凸部を取り除いた形態であってもよい。例えば、図１０Ａに示すように、複数の凸部９０２で構成された凸部群９０４から取り除かれた凸部に該当する位置が隣接していない配置であってもよい。また、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すように、取り除かれた凸部に該当する位置が隣接している配置であってもよい。図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃにおいては、凸部群９０４は、いずれもその周囲を歯抜け部９０３で囲まれており、図示していない領域で、該当する凸部群９０４が一定の凸部群周期で繰り返し配置されていることが好ましい。
【０１３５】
図１１は、本実施の形態に係る半導体発光素子における凸部群の一例を示す平面模式図である。図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃを用いた説明と同様に、図１１Ａ〜図１１Ｆに例示した凸部群１００４の一例もまた、好ましい。なお、図１１Ａ〜図１１Ｆにおいては、凸部群１００４はいずれも、複数の凸部１００２で構成され、その周囲を歯抜け部１００３で囲まれている。
【０１３６】
図１２は、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の他の態様を示す平面模式図である。図１２に示す半導体発光素子用基板１１０１においては、３方配置の凸部から、凸部を周期的に取り除いた配置である。
【０１３７】
半導体発光素子用基板１１０１は、歯抜け部１１０３と、その周囲を囲む凸部１１０２とで構成され、凸部１１０２は、周期Ｐｎで周期配列されている。更に、歯抜け部１１０３は、歯抜け部１１０３ａとの距離Ｐｅが互いに等しい、最近接する３個の歯抜け部１１０３ｂ、１１０３ｃ、１１０３ｄと、二次元六方格子１１０４を構成する位置で配置されており、二次元六方格子１１０４は周期的に配置されている。図１２において、凸部群１１０５を構成する複数の凸部１１０２の凸部底部径Ｄが周期Ｐｎの１１５％となっており、隣接する凸部１１０２間に平坦面がない構造である。
【０１３８】
本実施の形態において、基板本体の材質は、半導体発光素子用基板として使用できるものであれば特に制限はない。例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＮ，シリコン、スピネル、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン、ＧａＰ、ＧａＡｓの基板を用いることができる。中でも、半導体層との格子マッチングの観点から、サファイア、スピネル、シリコン、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＳｉＣなどの基板を適用することが好ましい。例えば、基板に、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。更に、基板は、基板主面に凹凸構造を形成する凸部と同じ材質であってもよく、凸部と異なる材料で構成されているヘテロ構造としてもまた好ましい。
【０１３９】
本実施の形態に係る半導体発光素子用基板における凸部と凸部で構成された凸部群は、前記したように、エピタキシャル成長抑制部であり、エピタキシャル成長促進部である歯抜け部との半導体結晶成長速度に差がある方が好ましい。結晶成長速度に差があると、結晶成長において凸部群を半導体結晶が覆うときに、貫通転移欠陥同士が会合し易くなり、貫通転移欠陥が減ることで、半導体層内の内部応力を抑制でき、ドループ特性が改善し易くなる。あるいは、凸部が、エピタキシャル成長しやすい基板（例えばＣ面サファイア基板）と異なる材料で構成されることで、凸部群の半導体結晶成長をより抑制することができる。
【０１４０】
（半導体発光素子用基板の製造方法）
続いて、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板の製造方法について説明する。ただし、以下に示す製造方法は一例であって、これに限定されるものではない。
【０１４１】
上記のような半導体発光素子用基板の製造方法としては、特に制限されるものではなく、通常のフォトリソグラフィ法、インプリント法、ナノインプリント法、ナノインプリントリソグラフィ法などが挙げられる。例えば、ナノインプリントリソグラフィ法においては、所定の基板表面に、レジスト層を形成したのち、必要とする転写パターンの反転型を使い、ナノインプリント法によりレジスト層にパターンを転写し、表面に必要とする凹凸パターンが形成されたレジスト層を得る。
【０１４２】
また、あらかじめ必要とする所定の凹凸パターンの凹凸反転構造が形成されたシート表面に、ドライフィルムレジスト層を形成したドライフィルムパターンシートを形成し、ドライフィルムパターンシートを基板表面に転写し、表面に凹凸パターンが形成されたドライフィルムレジスト層を基板の表面に得る、ドライフィルムインプリントリソグラフィ法も利用できる。
【０１４３】
上記のドライフィルムインプリントリソグラフィ法によれば、エッチング耐性の高いドライフィルムレジスト層で凹凸パターンを形成でき、これをマスク層として基板をエッチングして、基板表面に凹凸パターンを容易に形成できる利点があり好ましい。また、ドライフィルムパターンシートを基板に貼合する工程のみでよく、高精度のインプリント装置や露光装置が不要であり、生産効率も高めることができるので、工業生産上有益である。以上から、半導体発光素子用基材の製造方法としては、ドライフィルムインプリントリソグラフィ法を用いることが好適である。
【０１４４】
ここで、サファイア基板を代表して、さらに説明する。サファイア基板を、例えば、硫酸と過酸化水素水の混合液（ＳＰＭ液）にて洗浄し、クリーニングする。一方で、凸部及び凸部群の位置情報を相関係数０．９以上の精度で具備するドライフィルムパターンシートを準備する。例えば、ガラスのマザーロールに対して熱リソグラフィ法を適用してパターンを形成する。このとき、レーザーの照射パルスを制御することで、凸部及び凸部群の位置情報を、ガラスのマザーロールに形成できる。このマザーロールから光ナノインプリント法により、モールドを製造する。さらに、モールドからモールドを転写し、複製してもよい。
【０１４５】
次に、上記のように得られたモールドに対して、無機又は有機無機ハイブリッド組成の第１レジストを充填する。例えば、有機金属や金属酸化物微粒子などを第１レジストに含有できる。この段階での充填状態は、モールドのパターン内に、レジストが完全には満たされておらず、第１レジストにより平坦化されていない状態であり、第１次レジストを塗布した後であっても、パターンの一部が露出している。
【０１４６】
次に、第１レジスト充填モールドに対して、有機レジストである第２レジストを塗布する。ここでは、前段階と異なり、平坦化するように第２レジストを成膜する。第１レジスト及び第２レジストが成膜されたモールドをドライフィルムパターンシートと呼ぶ。ここで、２層として説明しているが、半導体発光素子用基材の製造方法には、第２レジストのみを成膜した単層レジストや、更に第３レジストを有する多層ドライフィルムパターンシートを使用することもできる。有機レジストは、ネガ型でもポジ型でもよく、少なくとも、紫外線にて効果作用が発現するラジカル重合系レジスト、又は、化学増幅系レジストを含むと好ましい。有機レジストは、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、アクリル変性エポキシノボラック、メタクリル変性エポキシノボラック、アダマンタン、フルオレン、カルバゾール、ポリビニルカルバゾール、ポリパラヒドロキシスチレンなどを含むと、基板の加工性が向上するため好ましい。特に、有機レジストを、オリゴマー又はポリマー、モノマー及び重合開始剤を含む混合物とすると、塗布したレジストの薄膜状態を維持する機能が向上するため望ましい。
【０１４７】
このような２層以上の構成のドライフィルムパターンシートであると、後工程のエッチング工程において、前記した第１レジストが第２レジストのマスクとなり、第２レジストを含んだエッチング耐性の高い多層のパターンを基板上に形成することが可能となる。
【０１４８】
ここで、第２レジストに、金属や金属酸化物の微粒子が混入されていると、第２レジストをマスクとして得られる半導体発光素子用基板において、前記したような、その一部あるいは全面に曲率を有する曲面が存在する歯抜け部を形成することができ、好ましい。金属や金属酸化物の微粒子が第２レジストに存在すると、この部分の基板の主面に対して垂直方向のエッチング速度が変わるために、曲率を有する曲面が存在する歯抜け部が得られる。
【０１４９】
このため、第２レジストに混入させる微粒子は、所望とする歯抜け部よりも小さい粒子径であることが好ましい。さらに、第２レジストとのエッチング速度差を適度に有するために、金属や金属酸化物の微粒子であることが好ましい。
【０１５０】
次に、前記したドライフィルムパターンシートを、第２レジストを介してサファイア基板に貼り合わせる。貼り合わせた後に、光や熱によりレジストを安定化させ、その後、モールドを取り除く。または、モールドを取り除いた後に、光や熱によりレジストを安定化させる。
【０１５１】
以上の操作により、サファイア基板の主面上に第２レジスト層と第１レジスト層を転写する。レジストの表面にはモールドの反転構造が転写されており、この反転構造は、位置情報として、凸部及び凸部群の配列を有している。
【０１５２】
最後に、基板表面に形成されたレジスト層をマスクとして、基板をエッチングすることで、基板表面に凸部及び凸部群を形成できる。エッチング方法としては、ウェットエッチング、ドライエッチング、あるいは両者を組み合わせた方法などが適用できる。特に、凸部及び凸部群の制御と、凸部群を囲む歯抜け部の曲率の制御の観点から、ドライエッチング法を用いることが好ましい。ドライエッチング法の中でも、異方性ドライエッチングなどが好ましく、ＩＣＰ−ＲＩＥ、ＥＣＭ−ＲＩＥなどがより好ましい。ドライエッチングに使用する反応ガスとしては、基板の材質と反応すれば、特に限定されるものではないが、ＢＣｌ３、Ｃｌ２、ＣＨＦ３、あるいはこれらの混合ガスが好ましく、適宜、Ａｒ、Ｏ２、Ｎ２などを混合できる。
【０１５３】
上記したドライフィルムインプリントリソグラフィ法とドライエッチング法により、本実施の形態に係る半導体発光素子用基板を形成することができる。
【実施例】
【０１５４】
以下、本発明の効果を明確に行った実施例及び比較例をもとに本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例及び比較例によって何ら限定されるものではない。
【０１５５】
［実施例１］
まず、半導体発光素子用基板を作製した。半導体発光素子用基板のパターンは、ドライフィルムパターンシートを使用して作成した。ドライフィルムパターンシートについては後述する。
【０１５６】
２インチの片面鏡面のｃ面サファイア基板を準備し、洗浄した。続いて、サファイア基板を１２０℃のホットプレート上に配置した。次に、ドライフィルムパターンシートを、１２０℃に加温したラミネートロールを使用して、サファイア基板に貼り合わせた。貼り合わせは、０．５ＭＰａの圧力で、線速５０ｍｍ／秒にて行った。ドライフィルムパターンシートの貼り合わせされたサファイア基板に対して、サファイア基板越しに紫外線を照射した。紫外線は、波長３６５ｎｍのＵＶ−ＬＥＤ光源より照射されたもので、積算光量が１５００ｍＪ／ｃｍ２になるように設定した。
【０１５７】
次に、１２０℃に加熱した２枚の並行平板で、ドライフィルムパターンシートとサファイア基板を挟み込んだ。挟み込みの圧力は０．３ＭＰａとし、時間は１０秒とした。続いて、空冷にて室温まで冷却し、ドライフィルムパターンシートの樹脂モールドをサファイア基板より、５０ｍｍ／秒の速度で剥離した。以上の操作により、サファイア基板の主面上に、２層レジスト層を転写付与した。レジスト層の主面には凹凸構造が設けられていた。この凹凸構造の形状及び配列、２層レジストの層構成、そして以下に記載のドライエッチング条件により、半導体発光素子用基板のパターンを制御した。
【０１５８】
＜ドライフィルムパターンシート＞
ドライフィルムパターンシートは、貼合操作及び剥離操作で、被処理体上に加工マスクを転写付与できる成形体である。ドライフィルムパターンシートは、樹脂製のモールド（樹脂モールド）、第１レジスト層、及び第２レジスト層で構成されている。樹脂モールドは、主面に凹凸構造を有し、当該凹凸構造の凹部の内部に、第１レジスト層が充填される。そして、樹脂モールドの凹凸構造と第１レジスト層と、を平坦化するように第２レジスト層が配置される。
【０１５９】
（樹脂モールド）
まず、樹脂製のモールドを、ロール・ツー・ロールの光ナノインプリント法を使用して、製造した。幅は５００ｍｍ、長さは２００ｍである。樹脂モールドの層構成としては、厚み５０μｍのＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）フィルムの易接着面上に厚み１．５μｍの転写層がある構成であり、転写層の主面に光ナノインプリント法にて転写された凹凸構造が形成されていた。また、樹脂モールドの凹凸構造面に対する水滴の接触角は１４０°〜１５３°の間であった。転写層の材料は、下記混合物とした。
【０１６０】
（転写層）
フッ素含有ウレタン（メタ）アクリレート（ＯＰＴＯＯＬ（登録商標）  ＤＡＣ  ＨＰ（ダイキン工業社製））：トリメチロールプロパン（ＥＯ変性）トリアクリレート（Ｍ３５０（東亞合成社製））：１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（Ｏｍｎｉｒａｄ（登録商標）  １８４（ＩＧＭ  Ｒｅｓｉｎｓ社製））：２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタノン−１（Ｏｍｎｉｒａｄ（登録商標）  ３６９（ＩＧＭ  Ｒｅｓｉｎｓ社製））＝１７．５ｇ：１００ｇ：５．５ｇ：２．０ｇにて混合した。
【０１６１】
次に、樹脂モールドの凹構造に対して、第１レジスト層を、ダイコート法にて成膜した。第１レジスト層の材料としては、下記に示す化合物を混合し、チタン含有有機無機複合レジストを調整した。
【０１６２】
（第１レジスト層）
チタニウムテトラブトキシドモノマ（和光純薬工業社製）：３―アクリロキシプロピルトリメトキシシラン（信越シリコーン社製）：フェニル変性シリコーン（東レ・ダウコーニング社製）：１−ヒドロキシ−シクロヘキシルフェニルケトン（Ｏｍｎｉｒａｄ（登録商標）  １８４（ＩＧＭ  Ｒｅｓｉｎｓ社製））：２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタノン−１（Ｏｍｎｉｒａｄ（登録商標）  ３６９（ＩＧＭ  Ｒｅｓｉｎｓ社製））＝６５．２ｇ：３４．８ｇ：５．０ｇ：１．９ｇ：０．７ｇにて調合し、プロピレングリコールモノメチルエーテルにて希釈してチタン含有有機無機複合レジストを調整した。更に固形分に対して０．０００６２５質量％となるように高分子界面活性剤（ＫＦ−９４５（信越化学工業（株）製）を添加した。ＫＦ−９４５の分子量は約２５００、分子構造は下記化学式（１）であると推定される。
【０１６３】
【化１】
2019145629.tif 000004
【０１６４】
チタン含有有機無機複合レジストは、表面張力が２４．０ｍＮ／ｍ以下の溶剤Ａと、表面張力が２７．０ｍＮ／ｍ以上の溶剤Ｂと、を混合した混合溶剤にて希釈し、これを塗布液とした。ダイコート法にて、塗布液を樹脂モールドの凹構造内に塗布する際に、ダイリップの上流側を減圧した。塗布の速度は１０ｍ／分とし、吐出量を制御することで、第１レジスト層の凹構造内への充填量を制御した。塗布後、１２０℃のエアを吹き付け乾燥させ、その後、樹脂モールドを巻き取り回収した。
【０１６５】
塗布後、第１レジスト層を成膜した樹脂モールドを解析し、第１レジスト層の状態を把握した。解析は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡及びエネルギー分散型Ｘ線分光法を併用した。第１レジスト層は、樹脂モールドの凹凸構造の凹構造の内部に充填されていた。一方で、樹脂モールドの凹凸構造の凸構造の上面には、数ナノメートルオーダーの第１レジスト層の残渣（凝集物）が観察されていた。
【０１６６】
次に、第１レジスト層の充填された樹脂モールドに対して、第２レジスト層を成膜した。成膜方法は、第１レジスト層の場合と同様に行った。第２レジスト層の材料は、下記組成の混合物であり、これを表面張力が２５．０ｍＮ／ｍ以下の溶剤にて希釈して塗布液とした。
【０１６７】
（第２レジスト層）
アクリロイル基変性率が１００％のエポキシノボラック樹脂（ＣＮＥＡ−１００（ケーエスエム社製））：ジペンタエリスリトールポリアクリレート（ＮＫエステル  Ａ−ＤＰＨ（新中村化学工業社製））：２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン（Ｏｍｎｉｒａｄ（登録商標）  ６５１（ＩＧＭ  Ｒｅｓｉｎｓ社製））：ジルコニアナノ粒子分散液（ジルコスター（登録商標）（日本触媒製））＝８０ｇ：２０ｇ：４．５ｇ：２ｇの比率にて混合した。
【０１６８】
乾燥は、１０５℃にて行った。乾燥後、ヘーズ（濁度）が１０％以下のＰＥ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）／ＥＶＡ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ−ｖｉｎｙｌａｃｅｔａｔｅ  ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）保護フィルムを第２レジスト層に貼り合わせ、この状態で樹脂モールドを巻き取り、回収した。ここで、製造したドライフィルムパターンシートを解析し、第１レジスト層及び第２レジスト層の状態を把握した。解析は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡及びエネルギー分散型Ｘ線分光法を併用した。第１レジスト層については、第２レジスト層の成膜前後で変化はなかった。第２レジスト層は、樹脂モールドの凹凸構造及び第１レジスト層を平坦化するように成膜できていた。また、第２レジスト層の成膜厚は、ダイコート成膜の塗布液の吐出量を変化させることで、制御可能であることを確認した。即ち、ダイコート成膜の塗布液の吐出量を制御して、第１レジスト層の充填径及び第２レジスト層の膜厚を変化させた。ドライフィルムパターンシートの第１レジスト層の充填径は６００ｎｍ、第２レジスト層の膜厚は１５００ｎｍとした。
【０１６９】
＜半導体発光素子用基材の作製＞
製造したドライフィルムパターンシートを使用して、既に説明したように、サファイア基板の主面上に、第１レジスト層及び第２レジスト層からなる２層レジスト層を転写付与した。２層レジスト層で構成される凸マスクは、以下の通り形成されていた。
凸マスク直径：０．６２μｍ
凸マスク高さ：１．４７μｍ
凸マスクピッチ（Ｐｎ）：０．７０μｍ
凸マスク間の凹部ピッチ（Ｐｅ）：１．４０μｍ
【０１７０】
次に、レジスト層を加工するエッチングと、サファイア基板を加工するエッチングを同一チャンバー内で連続して行った。エッチングにはＧｉｇａｌａｎｅ社製Ｍａｘｉｓ３００ＬＣＨｐｌｕｓ  ＩＣＰプラズマエッチャーを使用した。レジスト層のエッチングには、酸素ガスを使用した。ここでは、第１レジスト層が第２レジスト層のエッチングマスクとして機能し、第２レジスト層をサファイア基板の主面が部分的に露出するまでエッチングした。エッチング条件は、処理ガス圧２Ｐａ、ＩＣＰ強度１２００Ｗ、ＢＩＡＳ強度２００Ｗ、処理時間２００ｓの条件とした。
【０１７１】
続いて、ＢＣｌ３ガスを使用した反応性イオンエッチングを行い、サファイア基板をエッチングした。ここでは、第２レジスト層をエッチングマスクとして、サファイア基板をエッチングした。処理条件は、処理ガス圧０．４Ｐａ、ＩＣＰ強度１７００Ｗ、ＢＩＡＳ強度３２０Ｗ、処理時間１０００ｓとした。
【０１７２】
エッチング加工したサファイア基板を取り出し、硫酸及び過酸化水素水を２：１の重量比にて混合した溶液にて洗浄した。このとき、処理液の温度は、１００℃以上に制御した。
【０１７３】
製造したサファイア基板の主面には、パターンが形成されていた。形成されたパターンは、図１２と同様の凸パターンであり、ピッチ０．７０μｍの格子定数で、凸部が六方格子に配置され、凸パターンが設けられていない歯抜け部が、１辺１．４０μｍの正六角形の各頂点に位置し、繰り返し配置されている。
【０１７４】
上記操作で得られたサファイア基板表面を電子顕微鏡で観察した。図１３は、実施例に係る半導体発光素子用基板を示す平面図である。図１３Ａは、得られたサファイア基板表面を電子顕微鏡で観察した図である。図１３Ｂは、図１３Ａの一部を示す模式図である。観察条件は以下の通りであった。
（電子顕微鏡）
装置；ＨＩＴＡＣＨＩ  ｓ−５５００
加速電圧；１０ｋＶ
ＭＯＤＥ；Ｎｏｒｍａｌ
【０１７５】
凸部は、以下の通り形成されていた。
凸部直径：０．６６μｍ
凸部高さ：０．３８μｍ
凸部ピッチ（Ｐｎ）：０．７０μｍ
凸部間の歯抜け部ピッチ（Ｐｅ）：１．４０μｍ
【０１７６】
得られたサファイア基板は、凸マスクパターンと同一配置の凸部と歯抜け部を有していた。ただし、凸部間の歯抜け部は、平坦面ではなく、サファイア基板に５０ｎｍの高さの湾曲部を形成していた。
【０１７７】
得られたサファイア基板上に、バッファ層としてＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の低温成長バッファ層を１００Å成膜した。次に、非ドープ第１半導体層として、アンドープのＧａＮを成膜した。その後、得られた基板にドープ第１半導体層として、ＳｉドープのＧａＮを成膜した。続いて歪吸収層を設け、発光半導体層として、多重量子井戸の活性層（井戸層、障壁層＝アンドープの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した。発光半導体層上に、第２半導体層として、エレクトロブロッキング層を含むようにＭｇドープのＡｌＧａＮ、アンドープのＧａＮ、ＭｇドープのＧａＮを積層し、積層半導体層を得た。
【０１７８】
その後、透明導電膜としてＩＴＯを成膜し、電極形成した。その後、実装工程を行った。サファイア基板を厚さ１６０μｍまで研磨して裏面に反射層を設けた。反射層は、Ａｇ−Ｐｄ−Ｃｕ系の合金を成膜した。その後、裁断工程を経て得られた半導体発光素子について、３０００個の半導体発光素子のうち、２０個について実装を行い、平均を求めた。銀メッキＴＯ缶にＡｇペーストで接合し、ワイヤボンディングすることで、ｐ電極パッドとｎ電極パッドの間に電流を流し、発光出力を測定した。なお、チップの大きさは３５０μｍ四方、電流は２０ｍＡとし、発光波長は４５０ｎｍであった。評価はつぎのように行った。
【０１７９】
（平均貫通転移欠陥数）
平均貫通転移欠陥数は、透過型電子顕微鏡を使用し、得られた半導体発光素子の断面観察を実施して、測定した。なお、透過型電子顕微鏡の観察倍率は、５００００倍とし、２５μｍ幅における貫通転移欠陥数を、幅と厚さの積で除し、平均貫通転移欠陥数とした。半導体発光素子において、アンドープ型半導体層の基板界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓ、及び、発光半導体層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅを各々測定した。
【０１８０】
（発光特性）
得られた半導体発光素子について、電流を変えながら光出力を積分球で測定し、発光出力（Ｐｏｕｔ）を得た。発光出力（Ｐｏｕｔ）を、電流値Ｉと出力電圧Ｖの積（Ｉ×Ｖ）で除すと、ウォールプラグ効率（ＷＰＥ）となる。
ＷＰＥ＝Ｐｏｕｔ／（Ｉ×Ｖ）
【０１８１】
さらに、ＷＰＥを、次式で定義される電圧効率（ηｖ）で除し、外部量子効率（ηｅｘ）を得た。
ηｖ＝Ｖｇ／Ｖ  （ここで、Ｖｇは、電流ｖｓ電圧特性の立ち上がり電圧）
ηｅｘ＝ＷＰＥ／ηｖ
【０１８２】
本実施例において、ドループは、電流値が０（ｍＡ／ｍｍ２）から３５０（ｍＡ／ｍｍ２）の範囲において、外部量子効率（ηｅｘ）の最大値（ηｍａｘ）と、電流値３５０（ｍＡ／ｍｍ２）の外部量子効率（η３５０）との差を、ηｍａｘで除したもので評価し、効率ドループ（Ｄｐ）と示す。
Ｄｐ＝｜（ηｍａｘ）−（η３５０）｜／（ηｍａｘ）
【０１８３】
［比較例１］
実施例１と同様の方法で、サファイア基板表面に、実施例１と同様なパターンを形成した。ドライフィルムパターンシートの第１レジスト層の充填径は６００ｎｍ、第２レジスト層の膜厚は１０００ｎｍとした。製造したサファイア基板の主面には、実施例１と同様なパターンが形成されていた。
【０１８４】
凸部は、以下の通り形成されていた。
凸部直径：０．６６μｍ
凸部高さ：０．３８μｍ
凸部ピッチ（Ｐｎ）：０．７０μｍ
凸部間の歯抜け部ピッチ（Ｐｅ）：１．４０μｍ
【０１８５】
ただし、凸部間の歯抜け部は、湾曲形状ではなく、サファイア基板の主面と略平行な平坦面を形成していた。
【０１８６】
次に、得られたサファイア基板上に、実施例１と同様に各半導体層、ＩＴＯ、電極を形成した後、実装工程を経て、半導体発光素子を得た。なお、チップの大きさは３５０μｍ四方、電流は２０ｍＡとし、発光波長は４５０ｎｍであった。実施例１と同様に、半導体発光素子において、アンドープ型半導体層の基板界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓ、及び、発光半導体層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅを各々測定した。
【０１８７】
実施例１、比較例１の半導体発光素子における、アンドープ型半導体層の基板界面の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、発光半導体層内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅ及び効率ドループ（Ｄｐ）を、表１に示す。表１より、実施例１は、比較例１よりも効率ドループ（Ｄｐ）が向上していた。
【０１８８】
【表１】
2019145629.tif 000005
【０１８９】
以上より、本実施の形態の半導体発光素子１００によれば、アンドープ型半導体層１５１内の平均貫通転移欠陥数Ｔｓと、半導体発光層１５３内の平均貫通転移欠陥数Ｔｅとに差がある。すなわち、アンドープ型半導体層１５１内における半導体発光素子用基板１０１との界面近傍から、半導体発光層１５３に向かって、複数の貫通転移欠陥１１１が会合によりまとめられ、貫通転移欠陥数が減少する。アンドープ型半導体層１５１内で、半導体発光素子用基板１０１側から積層半導体層１６０側に向かって、減少する貫通転移欠陥１１１の体積分、アンドープ型半導体層１５１が収縮するため、半導体発光層１５１内に生じている圧縮応力を減少させることができ、半導体発光層１５１内のピエゾ電界が減って、ドループ現象が抑制される。
【０１９０】
また、半導体発光素子用基板１０１の主面に半導体層をエピタキシャル成長させる際に、エピタキシャル成長促進部となる凹構造１０３と、エピタキシャル成長抑制部となる凸構造１０４が、主面内に混在している。凹構造１０３により、エピタキシャル成長促進部を確保することで、半導体層中の結晶欠陥が抑制され、半導体発光素子１００の内部量子効率ＩＱＥを高めることができる。また、凸構造１０４により、凸構造１０４の面積を確保することで、半導体発光素子１００において凸構造１０４で光を散乱させることができる。
【０１９１】
したがって、半導体層中の結晶欠陥を減らすことにより内部量子効率ＩＱＥが改善され、光散乱により導波モードを解消して光取り出し効率ＬＥＥが高められ、さらに、ドループ現象が改善され、発光効率が向上する。
【０１９２】
本発明の実施の形態は上記の各実施の形態、実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
【産業上の利用可能性】
【０１９３】
以上説明したように、本発明は、ドループ現象が改善され、発光効率が効果的に向上するという効果を有し、特にＬＥＤなどの半導体発光素子に好適に使用することができる。本発明の半導体発光素子は、高い発光効率を有するため、電力の有効活用ができ、省エネルギーに大きく貢献できる。
【符号の説明】
【０１９４】
１００  半導体発光素子
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１、１１０１  半導体発光素子用基板
１０２、２０２、３０２、３０５、４０２、５０２、５０５、６０２、６０５、７０２、７０５、８０２、８０５、９０２、１００２、１１０２  凸部
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３、８０３、９０３、１００３、１１０３  歯抜け部
１０４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４、１００４、１１０５  凸部群
１１１、４１１  貫通転移欠陥
１５１  アンドープ型半導体層
１５２  ｎ型半導体層（第１半導体層）
１５３  半導体発光層（発光層）
１５４  ｐ型半導体層（第２半導体層）
１６０  積層半導体層
【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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