(57)【要約】  【課題】  光取り出し効率を向上させた発光素子を提供する。  【解決手段】  本発明の発光素子は、底面13ａ、該底面13ａを挟んで第１側面13ｂおよび該第１側面13ｂと対向する第２側面13ｃを有する溝13が形成された単結晶基板12と、単結晶基板12の溝13上に設けられた光半導体層とを備えた発光素子であって、単結晶基板12の溝13は、第１側面13ｂの上端から底面13ａにかけて設けられた、第１側面13ｂから第２側面13ｃ側に向かって突出する凸部16を有している。凸部16を有する溝13が単結晶基板12に設けられていることから、外部への光取り出し効率を向上させることができる発光素子を提供することができる。【選択図】  図３
2012015258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面、該底面を挟んで第１側面および該第１側面と対向する第２側面を有する溝が形成された単結晶基板と、前記溝上に設けられた光半導体層とを備えた発光素子であって、
前記溝は、前記第１側面の上端から前記底面にかけて設けられた、前記第１側面から前記第２側面側に向かって突出している凸部を有している発光素子。
【請求項２】
前記溝は、前記第２側面の上端から前記底面にかけて設けられた、前記第２側面から前記第１側面側に向かって突出している第２凸部を有しており、該第２凸部は、前記溝の長手方向から透視して、前記凸部と接する部分または重なる部分を有する請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記単結晶基板がサファイアからなり、前記凸部は、平面視したときの形状が三角形状または四角形状であるとともに、側面の少なくとも１つが前記サファイアのａ面からなる請求項１または２に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を用いた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外光、青色光あるいは緑色光等を発光する発光素子として、単結晶基板上に光半導体層を積層させたものが種々提案されている。中でも、光半導体層として窒化物半導体を用いた発光素子の開発においては、発光素子の外部での発光強度を向上させることが必要となっている。
【０００３】
発光素子の外部での発光強度を向上させる技術として、例えば、単結晶基板の一方主面に複数の溝を設けて、単結晶基板上に形成される光半導体層の結晶性を向上させることによって光半導体層で電気から光に変換される内部変換効率を向上させて、発光素子の外部での発光強度を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2002−164296号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された発光素子によれば、光半導体層で発光した光が単結晶基板に形成された溝の長手方向に沿って溝の底面に入射した場合に、かかる溝の底面で全反射されることがあった。そのため、特許文献１に記載された発光素子では、光半導体層で発光した光を単結晶基板側から取り出す場合に、発光素子の外部での光取り出し効率の低下を引き起こすおそれがあった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発光素子の外部での光取り出し効率を向上させることが可能な発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発光素子は、底面、該底面を挟んで第１側面および該第１側面と対向する第２側面を有する溝が形成された単結晶基板と、前記溝上に設けられた光半導体層とを備えた発光素子であって、前記溝は、前記第１側面の上端から前記底面にかけて設けられた、前記第１側面から前記第２側面側に向かって突出している凸部を有している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の発光素子によれば、上記の凸部を有する溝が単結晶基板に設けられていることから、光半導体層で発光した光を光半導体層と単結晶基板との界面で光半導体層側に全反射されにくくすることができるので、外部での光取り出し効率を向上させることができる発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の発光素子を用いた発光装置の実施形態の一例を示す図であり、図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線で切断したときの断面図である。
【図２】本発明の発光素子の実施形態の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明の発光素子に用いられる単結晶基板の実施形態の一例を示す図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面図である。
【図４】本発明の発光素子に用いられる単結晶基板の実施形態の一例において、単結晶基板の一部を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の発光素子に用いられる単結晶基板の実施形態の一例において、単結晶基板の一部を示す拡大断面図であり、図３（ａ）のＣ−Ｃ’線で切断したときの断面に相当する。
【図６】本発明の発光素子の実施形態の一例を示す断面図であり、図３（ａ）のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面に相当する。
【図７】本発明の発光素子の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図であり、図３（ａ）のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面に相当する。
【図８】本発明の発光素子の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図９】本発明の発光素子の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の発光素子に用いられる単結晶基板の変形例の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態の例について図を参照しながら説明する。
【００１１】
本発明は以下の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。
【００１２】
＜発光装置＞
図１（ａ）は本発明の実施の形態の一例の発光素子１を実装した発光装置２の斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す発光装置２の断面図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【００１３】
発光装置２は、図１（ｂ）に示すように、配線導体３が設けられた実装基体４と、実装基体４上に実装された発光素子１とを有している。
【００１４】
実装基体４は、例えばセラミックから成る第１シート４ａおよび第２シート４ｂを積層した積層体によって形成することができる。実装基体４は、具体的には、凹部５を形成するための貫通孔を有する第１シート４ａと、発光素子１の搭載面６から引き出し面７まで電気的な導通をさせる配線導体３を有する第２シート４ｂとを張り合わせることによって形成することができる。
【００１５】
第１シート４ａおよび第２シート４ｂとして例えばセラミック材料を用いた場合は、配線導体３はタングステン、モリブデン、銅および銀などの金属をメタライズ配線によって形成することができる。そして、このような第１シート４ａおよび第２シート４ｂを高温で焼成することにより、実装基体４が形成される。
【００１６】
発光素子１は、接合電極８を介して搭載面６上の配線導体３に実装されている。本例においては、発光素子１が配線導体３にフリップチップ接続の配置で実装されていることから、発光素子１で発生した熱を効率よく実装基体４側に放熱させることができる。接合電極８は、配線導体３と、発光素子１の第１電極層９および第２電極層10と配線導体３との間に介在し、それぞれが電気的に接合するように配置されている。
【００１７】
モールド樹脂11は、実装基体４に実装された発光素子１を被覆するように、実装基体４
の凹部５に充填されている。モールド樹脂11としては、絶縁材料を用いることができる。このように発光素子１をモールド樹脂11によって被覆することで、発光素子１を電気的に周囲と絶縁させることができ、信頼性を向上させることができる。
【００１８】
＜発光素子＞
発光装置２に実装される発光素子１を、図を参照しつつ以下に詳細に説明する。
【００１９】
図２に、本発明の実施の形態の一例である発光素子１の斜視図を示す。図３（ａ）は本発明の発光素子に用いられる単結晶基板12の実施の形態の一例を示す平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面図である。また、図４は、図３（ｂ）に示す単結晶基板12の一部を拡大した拡大断面図である。さらに、図５は、単結晶基板12の一部を拡大した拡大断面図であり、図３（ａ）のＣ−Ｃ’線で切断したときの断面に相当する。さらに、図６は図２に示す発光素子１の断面図であり、図２および３のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【００２０】
発光素子１は、図２に示すように、単結晶基板12と、単結晶基板12上に成長させた光半導体層13とを有する。
【００２１】
単結晶基板12は、図３に示すように、一方主面12Ａに溝13を有している。このような単結晶基板12の厚みは、例えば２μｍ以上1000μｍ以下に設定することができる。ここで、単結晶基板12の厚みとは、単結晶基板12の第１主面12Ａから第２主面12Ｂまでの厚みを指す。
【００２２】
単結晶基板12は、光半導体層14を結晶成長させることが可能な材料を用いることができ、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛などの結晶性材料を用いることができる。なお、単結晶基板12は、平面視形状が多角形状や円形状に設定されている。
【００２３】
単結晶基板12に設けられる溝13は、図３および図４に示すように、底面13ａ、第１側面13ｂ、および第１側面13ｂと対向する第２側面13ｃを有している。ここでいう溝13は、図３中に二点鎖線で示す溝領域15を意味しており、平面視して、四角形状に設けられている。本例においては、平面視して四角形状である複数の溝13が、それぞれの溝13が略平行であるストライプ状となるように一方主面12Ａに設けられている。このような溝13は、隣接する溝13との間に例えば１μｍ以上20μｍ以下の間隔を有するようにストライプ状に設けられている。
【００２４】
溝13は、単結晶基板12の一方端から他方端まで切り欠くように設けることができ、溝13の長手方向の幅は例えば１μｍ以上1000μｍ以下に、溝13の短手方向の幅は例えば３μｍ以上20μｍ以下に、それぞれ設定することができる。ここで、以下の説明において、溝13の長手方向を第１方向Ｒｙ、溝13の長手方向に直交する方向を第２方向Ｒｘと適宜称する。
【００２５】
また、溝13は、第２方向Ｒｘと平行に切断した断面において、底面13ａの辺、第１側面13ｂの辺および第２側面13ｃの辺によって囲まれる領域の形状が四角形状となるように形成されている。また、このような領域の形状としては、底面13ａの辺を上底および溝13の開口側を下底とし、上底の幅が下底の幅よりも大きい台形状に形成してもよい。このように台形状に形成した場合は、光半導体層14で発光した光を溝13の第１側面13ｂおよび第２側面13ｃに入射させやすくなり、光半導体層14と単結晶基板12との界面でさらに全反射されにくくすることができる。
【００２６】
溝13の第２方向Ｒｘに断面視した際の形状を四角形状または台形状にする方法としては、例えば底面13ａの辺と第１側面13ｂの辺とのなす内角Ｒｔ、または底面13ａの辺と第２側面13ｃの辺とのなす内角Ｒｔをそれぞれ調整する方法を用いることができる。溝13の内角Ｒｔを90°以上180°以下とした場合には、光半導体層14で発光した光を溝13の側面に入射させやすくすることができ、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００２７】
単結晶基板12の溝13は、第１側面13ｂから第２側面13ｃ側に向かって突出する凸部16を複数有している。凸部16は、本例では平面視して四角形状に設けられているが、例えば三角形状などの多角形状に設けることもできる。
【００２８】
このような凸部16は、平面視して、第１側面13ｂから第２方向Ｒｘに最も遠い距離に位置する凸部16の先端部が、第２側面13ｃと接しないように形成されている。換言すると、凸部16の先端部が、第２側面16ｃと間隔を隔てて形成されている。そのため、凸部16の第１側面13ｂから先端部までの幅Ｈｂ１は、第１側面13ｂから第２側面13ｃまでの距離よりも小さくなるように設けられていればよく、例えば0.5μｍ以上５μｍ以下に設定することができる。
【００２９】
凸部16は、高さが例えば１μｍ以上５μｍ以下となるように形成されている。したがって、溝13の深さも単結晶基板12の第１主面12Ａから例えば１μｍ以上５μｍ以下に形成されている。なお、凸部16の高さとは、溝13の底面13ａから単結晶基板12の第１主面12Ａまでの高さを示している。
【００３０】
また、凸部16の第１方向Ｒｙの長さは、溝13の第１方向Ｒｙの長さよりも短く形成されていればよく、例えば0.5μｍ以上10μｍ以下に設定することができる。中でも、凸部16の第１方向Ｒｙの長さを0.7μｍ以上３μｍ以下として形成した場合には、凸部16の上面である単結晶基板12の第１主面12Ａ上に、光半導体層14のファセットを持つ結晶体を形成しやすくすることができる。
【００３１】
さらに、本例での凸部16は、隣接するもの同士の間に一定の間隔を有するように、溝13の第１方向Ｒｙに複数設けられている。溝13に複数設けられた凸部16は、隣接する凸部16同士の間に例えば0.5μｍ以上10μｍ以下の間隔を有している。また、隣接する凸部16同士の間隔を0.7μｍ以上3.5μｍ以下で形成した場合には、光半導体層14のファセットを単結晶基板12の一方主面12Ａ上に形成する際に、溝13の第２方向Ｒｘにファセットを持つ結晶体を形成するとともに、第１方向Ｒｙ方向にもファセットを持つ結晶体を形成しやすくすることができる。
【００３２】
さらに、凸部16は、第１側面13ｂの上端から底面13ａにかけて設けられている。また、図５に示すように、本例では第２方向Ｒｘと平行に切断したときに、第１側面13ｂの辺、凸部16の上辺、凸部16の底辺および凸部16の側辺で囲まれる領域からなる凸部16の断面形状が四角形状となるように設けられている。
【００３３】
単結晶基板12上には、図６に示すように、光半導体層14が設けられている。光半導体層14は、第１半導体層14ａ、発光層14ｂおよび第２半導体層14ｃを順次積層することにより構成されている。なお、光半導体層14は、全体の厚みが例えば0.1μｍ以上10μｍ以下として形成することができる。また、光半導体層14の各層の屈折率は、窒化ガリウムを用いた場合には例えば1.80以上2.70以下に設定される。
【００３４】
光半導体層14としては、III−Ｖ族半導体を用いることができる。III−Ｖ族半導体としては、III族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。III族窒化物半導体としては、ボロン、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムのう
ち少なくとも１つの窒化物からなる混晶を用いることができ、例えば窒化ガリウムを用いることができる。
【００３５】
第１半導体層14ａは、単結晶基板12の第１主面12Ａ上に設けられている。なお、本例においては、溝13にも第１半導体層14ａが設けられている。
【００３６】
発光層14ｂは、第１半導体層14ａ上に設けられている。発光層14ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層からなる量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）を用いることができる。障壁層および井戸層としては、インジウムとガリウムとの窒化物からなる混晶においてインジウムとガリウムとの組成比を調整したものを用いることができる。このように構成された発光層14ｂは、例えば350ｎｍ以上600ｎｍ以下の波長の光を発光することができる。
【００３７】
第２半導体層14ｃは、発光層14ｂ上に設けられている。第２半導体層14ｃは、電子または正孔のどちらかを多数キャリアとすることにより、第１半導体層14ａとは逆導電型を示すように設定されている。半導体層に導電型を付与する方法としては、例えばマグネシウムやシリコンを不純物として混ぜる方法を用いることができる。
【００３８】
第１電極層９は第１半導体層14ａ上に、第２電極層10は第２半導体層14ｃ上に、それぞれ設けられている。このような２つの電極層９・10によって、光半導体層14に電圧が印加される。かかる２つの電極層９・10の材料としては、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、タンタルまたは白金などの金属や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物や、銀−アルミニウム合金、金−亜鉛合金または金−ベリリウム合金などの合金膜を好適に用いることができる。また、このような２つの電極層９・10は、それぞれ上記材質の中から選択した層を複数回積層して設けても構わない。
【００３９】
本例においては、光半導体層14で発光した光を単結晶基板12側から取り出すことから、光半導体層14で発光した光を単結晶基板12側に反射するために、第２電極層10として反射性電極材料が好適に用いられる。
【００４０】
また、本例においては、単結晶基板12の一方主面12Ａに、溝13が形成されるとともに、溝13の第１側面13ｂに凸部16が設けられている。このように溝13の一部に凸部16が設けられていることから、光半導体層14で発光して溝13に入射し、溝13の底面13ａで全反射されていた光を、第１半導体層14ａと凸部16との臨界角以下の角度で凸部16に入射しやすくすることができる。そのため、光半導体層14の発光層14ｂで発光した、単結晶基板12側に進む光のうち第１方向Ｒｙに向かう成分を有する光を凸部16の側面に入射しやすくすることができ、光半導体層14で発光した光を光半導体層14と単結晶基板12との間で全反射されにくくすることができる。そのため、図６中に光路17を示すように、光半導体層14の発光層14ｂで発光した光を、凸部16の側面から単結晶基板12に入射させやすくすることができ、光取り出し効率を向上させることができる。
【００４１】
一方、凸部が形成されていない溝を一方主面に設けていた場合には、光半導体層の発光層で発光した光のうち溝の長手方向に沿って進む光が、溝の底面で反射されやすくなる。その結果、発光素子の光取り出し効率の低下を招くおそれがある。
【００４２】
さらに、本例においては、第２側面13ｃに第２凸部16’が設けられている。このような第２凸部16’は、第２側面13ｃの上端から底面13ａにかけて設けられ、第２側面13ｃから第１側面13ｂ側に向かって突出している。第２凸部16’の平面視形状は、本例では凸部16と同様に四角形状に設けられているが、例えば三角形状に設けることもできる。
【００４３】
このような第２凸部16’は、平面視して、溝13の第２側面13ｃから第２方向Ｒｘに最も遠い距離に位置する第２凸部16’の先端部が、溝13の第１側面13ｂに接しないように形成されている。すなわち、第２凸部16’の先端部が、溝13の第１側面13ｂと間隔を隔てて形成されている。そのため、第２凸部16’の第２側面13ｃから先端部までの幅Ｈｂ２は、第２側面13ｃから第１側面13ｂまでの距離よりも小さくなるように設けられていればよく、例えば0.5μｍ以上５μｍ以下に設定することができる。
【００４４】
第２凸部16’の高さは、凸部16と同じ高さとなるように形成されており、例えば１μｍ以上５μｍ以下となるように形成されている。なお、第２凸部16’の高さとは、溝13の底面13ａから単結晶基板12の第１主面12Ａまでの高さを示している。また、第２凸部16’の第１方向Ｒｙの長さは、凸部16の第１方向Ｒｙの長さと同じ長さとなるように形成されており、例えば0.5μｍ以上10μｍ以下に設定することができる。さらに、第２凸部16’の第１方向Ｒｙの長さを0.7μｍ以上３μｍ以下で形成した場合には、第２凸部16’の上面である単結晶基板12の第１主面12Ａ上に、光半導体層14のファセットを持つ結晶体を形成しやすくすることができる。
【００４５】
また、第２凸部16’は、第１方向Ｒｙに沿って透視した際に、凸部16と接する部分（互いの先端同士が一致して見える部分）または重なる部分（互いの先端同士が重なって見える部分）を有するように設けられている。なお、第２凸部16’と凸部16とが重なる部分には、第１方向Ｒｙに沿って透視した際に、凸部16の端部と第２凸部16’の端部とが重なる部分も含む。
【００４６】
このように、第２凸部16’が、第１方向Ｒｙに沿って透視した際に凸部16と接する部分または重なる部分を有するように設けられていることから、溝13の第１方向Ｒｙに進む、光半導体層14で発光して溝13に入射し、溝13の底面13ａで全反射されていた光を、凸部16の側面または凸部16’の側面のいずれか一方に入射させることができる。そのため、光半導体層14と単結晶基板12との界面で全反射される光を少なくすることができ、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００４７】
さらに、本例での第２凸部16’は、隣接するもの同士の間に一定の間隔を有するように、溝13の第１方向Ｒｙに複数設けられている。溝13に複数設けられた第２凸部16’は、隣接する第２凸部16’同士の間に例えば0.5μｍ以上10μｍ以下の間隔を有している。隣接する第２凸部16’同士の間隔を0.7μｍ以上3.5μｍ以下として形成した場合には、光半導体層14のファセットを持つ結晶体を単結晶基板12の一方主面12Ａ上に形成する際に、溝13の第２方向Ｒｘにファセットを持つ結晶体を形成するとともに、第１方向Ｒｙ方向にもファセットを持つ結晶体を形成しやすくすることができる。
【００４８】
また、複数の第２凸部16’は、一定の間隔を有するように設けられた複数の凸部16のうち、隣接する凸部16の間に、溝13の第１方向Ｒｙに沿って凸部16と第２凸部16’とが交互に位置するように形成されている。このように第２凸部16’と凸部16とが溝13の第１方向Ｒｙに沿って交互に形成されていることから、溝13の第１方向Ｒｙに進む光を、凸部16または第２凸部16’のいずれか一方の側面に入射させやすくなる。その結果、光半導体層14と単結晶基板12との界面で全反射されにくくすることができ、光取り出し効率を向上させることができる。なお、凸部16と第２凸部16’との間隔は、例えば0.5μｍ以上５μｍ以下に設定することができる。
【００４９】
さらに、凸部16と第２凸部16´とが第１方向Ｒｙに沿って交互に形成されていることから、単結晶基板12の第１主面12Ａ上に光半導体層14のファセットを持つ結晶体を形成した場合に、第２凸部16’上に形成したファセットを持つ結晶体と、凸部16上に形成したファ
セットを持つ結晶体とを結合させることができ、光半導体層14の厚み方向に延びる転位を減らすことができる。その結果、光半導体層14の結晶品質を向上させることができ、光半導体層14の発光効率を向上させることができる。
【００５０】
さらに、本例においては、単結晶基板12としてサファイアを用いた場合に、溝13の第１方向Ｒｙに沿った凸部16の側面が、単結晶基板12のａ面すなわち結晶面が｛11−20｝となるように設けられている。そのため、凸部16上すなわち単結晶基板12の一方主面12Ａに、一方主面12Ａに対して傾斜した結晶面を有する窒化物半導体を成長させる際に、｛11−22｝と比較して｛1−101｝の表面エネルギーが小さいため、安定的かつ平坦性に優れた結晶を得ることができる。このように｛1−101｝の表面エネルギーが、｛11−22｝の表面エネルギーより小さくなるのは、｛11−22｝と比較して｛1−101｝のダングリングボンド密度が小さいからである。その結果、横方向成長を行なう際に、結晶が横方向に成長しやすくなるため、隣接するファセットを持つ結晶体から延びる転位と結合しやすくなり、光半導体層14の厚み方向に延びる転位を少なくすることができ、光半導体層14の結晶品質を向上させることができる。
【００５１】
凸部16の側面のうち、すべての側面を単結晶基板12のａ面すなわち結晶面が｛11−20｝となるように形成した場合は、単結晶基板12の一方主面12Ａに対して傾斜した結晶面を有する窒化物半導体を成長させる際に、凸部16のすべての側面方向に対して、安定的かつ平坦性に優れた結晶を得ることができる。その結果、光半導体層14の結晶品質をさらに向上させることができる。なお、このように凸部16の側面のすべてを単結晶基板12のａ面となるようにした場合は、凸部16の平面視形状は、第１側面13ｂ側を下底（幅の広い側）とする台形状となるように形成すればよい。
【００５２】
なお、本例においては、溝13に凸部16が複数設けられている場合について説明したが、凸部16は１つ以上設けられていればよい。溝13に凸部16が少なくとも１つ形成されていることによって、溝13の底面13ａで全反射されていた光を、第１半導体層14ａと凸部16との臨界角以下の角度で凸部16に入射させやすくすることができる。そのため、光半導体層14の発光層14ｂで発光した、単結晶基板12側に進む光のうち第１方向Ｒｙに向かう成分を有する光を凸部16の側面に入射させやすくすることができ、光半導体層14で発光した光を光半導体層14と単結晶基板12との間で全反射されにくくすることができる。
【００５３】
＜発光素子の製造方法＞
次に、発光素子１の製造方法の例を説明する。図７から図10は、それぞれ発光素子１の製造方法を説明するための断面図であり、図２に示す発光素子１の単結晶基板12について図３のＢ−Ｂ’線における断面に相当する部分を示している。
【００５４】
（単結晶基板の製造工程）
図７に示すように、単結晶基板12上に、単結晶基板12の一部を露出させた露出領域を有するマスクパターン18を形成する。マスクパターン18は、凸部16および第２凸部16’が形成される範囲が被覆されるとともに、溝13が形成される領域が露出するように設けられている。
【００５５】
マスクパターン18としては、後に容易に除去することができる材料を選択することができ、例えば酸化シリコンなどの酸化物やチタンなどの金属を用いることができる。また、マスクパターン18の膜厚は、エッチングにより単結晶基板12の一部を除去する場合であれば、単結晶基板14のエッチングレートとマスクパターン18のエッチングレートとの選択比によって適宜選択することができ、例えば400ｎｍ以上1500ｎｍ以下に設定することができる。
【００５６】
マスクパターン18は、マスク材料をスパッタリング法または蒸着法などの真空積層法を用いることによって単結晶基板12上に積層膜を積層し、単結晶基板12の一部を露出させるための露出領域をパターニングすることによって形成することができる。この際、単結晶基板12としてサファイアを用いてドライエッチングを行なう場合、サファイアと反応しやすい塩素系ガスを反応ガスとして好適に用いることができるが、この場合、マスク材料としては、チタン、ニッケルまたはクロムなどの金属や酸化シリコンなどの耐塩素性の無機材料を用いることが望ましい。
【００５７】
ここで、凸部16および第２凸部16’の平面視形状を四角形状または三角形状など多角形状に設ける方法としては、マスクパターン18の単結晶基板12の一部を露出させた露出領域の形状を調整する方法を用いることができる。具体的には、マスクパターン18を、平面透視して、凸部16が形成される形成領域および第２凸部16’が形成される形成領域と重なる領域に配置して、形成領域がエッチングされないようにすればよい。
【００５８】
さらに、単結晶基板12の上面を露出させた露出領域からエッチング法などで、単結晶基板12の一部を厚み方向へ除去した後、マスクパターン18を除去することによって、図８に示すような、単結晶基板12の一方主面12Ａに溝13、凸部16および第２凸部16’を一体的に設けることができる。
【００５９】
単結晶基板12の一部を除去する方法としては、ウエットエッチングまたはドライエッチングなどのエッチング法を用いることができる。単結晶基板12としてサファイアを用いた場合に、ドライエッチングにより単結晶基板12の一部を除去する際には、サファイアと反応しやすい塩素系ガス雰囲気中でドライエッチングを行なうことによって、生産性を向上させることができる。
【００６０】
また、溝13の内角Ｒｔを変化させる方法としては、マスクパターン18の膜厚などを調整して、単結晶基板12のエッチング量を調整する方法を用いることができる。一方、単結晶基板12の一部をウエットエッチングで除去する場合には、ウエットエッチングのサイドエッチなどを用いることにより、底面13ａと第１側面13ｂとのなす内角Ｒｔ、および底面13ａと第２側面13ｃとのなす内角Ｒｔを調整することができる。
【００６１】
（発光素子の製造工程）
次に、図９に示すように光半導体層14を、単結晶基板12上に横方向成長を用いて形成する。本例においては、単結晶基板12が、溝13を複数有しているため、光半導体層14を気相成長させて設ける場合に横方向成長が抑えられ、Ｃ軸方向の成長を促進する働きとなり、特定の結晶面すなわちファセットが形成されやすくなる。その後、光半導体層14をさらに結晶成長させることにより、溝13上でファセットを持つ結晶体同士をつなげて、平坦化することができる。
【００６２】
光半導体層14を単結晶基板12上に、傾斜した結晶面を有する半導体構造を成長させる条件、横方向成長させる気相成長の条件としては、それぞれの層において組成比、成長温度および成長圧力などの成長条件を調整すればよい。このように成長条件を調整することにより、形成される結晶面および各結晶面の成長速度を制御することができる。
【００６３】
第１半導体層14ａは、このような溝13を利用することにより、単結晶基板12の第１主面14Ａに第１半導体層14ａのファセットを持つ結晶体を形成して、横方向成長させることによって設けられる。具体的には、第１半導体層14ａは、溝13が両端に設けられた第１主面12Ａ上に、外部との界面が特定の結晶面すなわちファセットとなるように結晶成長させた後、第１主面12Ａに対して第２方向Ｒｘの成長を光半導体層14の厚み方向に対して成長速度を早くすることによって設けられる。このように第１半導体層14ａを横方向成長させて
設けることから、転位が横方向成長に伴い第２方向Ｒｘに湾曲しやすくなる。
【００６４】
第１半導体層14ａとして窒化ガリウムを用いた場合において、単結晶基板12の第１主面12Ａ上に、第１主面12Ａに対して傾斜したファセットを形成する方法としては、例えば20ｋＰａ以上90ｋＰａ以下の圧力および700℃以上1150℃以下の温度で結晶成長させればよい。その後、ファセット形成時の温度以上に設定した高温状態およびファセット形成時の圧力以下に設定した低圧力状態にして結晶成長させることにより、第１半導体層14ａを横方向成長させることができる。
【００６５】
本例においては、凸部16の第１方向Ｒｙと平行な側面および第２凸部16’の第１方向Ｒｙと平行な側面が単結晶基板12のａ面となるように設けられていることから、第１半導体層14ａを、傾斜した特定の結晶面すなわちファセット面｛1−101｝を安定的に成長時の結晶面を維持しつつ、早い速度で横方向成長させることができる。そのため、横方向成長が進むにつれて、転位を第２方向Ｒｘに湾曲させることができる。凸部16上の結晶から第２方向Ｒｘに延びる転位と、第２凸部16’上の結晶から第２方向Ｒｘに延びる転位とを結合させやすくすることができる。その結果、光半導体層14の厚み方向に延びる転位を少なくすることができる。
【００６６】
その後、第１半導体層14ａ上に発光層14ｂおよび第２半導体層14ｃを積層することにより、光半導体層14が単結晶基板12上に形成される。
【００６７】
このような光半導体層14すなわち第１半導体層14ａ、発光層14ｂおよび第２半導体層14ｃを成長させる方法としては、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、ハイドライド気相成長法またはパルスレーザデポジション法などを用いることができる。
【００６８】
（電極形成工程）
次に、光半導体層14に電圧を印加するための一対の電極層を形成する。このような一対の電極層は、第１半導体層14ａに接続する第１電極層９と、第２半導体層14ｃに接続する第２電極層10とにより構成されている。
【００６９】
一対の電極層の材料としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛またはベリリウムなどの金属や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物を好適に用いることができる。また、一対の電極層は、それぞれ上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。
【００７０】
（変形例）
次に、上述した本発明の発光素子１の実施の形態の一例に対する変形例について説明する。上述の発光素子１と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００７１】
図10に示す発光素子19は、発光素子１と比較して、凸部16および第２凸部16’が、平面視して、それぞれ三角形状に設けられている。このように凸部16および第２凸部16’が、平面視して、三角形状に設けられていることにより、凸部16の側辺と第２凸部16’の側辺が向かい合うようになる。そのため、凸部16上のファセットを持つ結晶体と、第２凸部16’上のファセットを持つ結晶体とを、凸部16の側辺と凸部16’の側辺との向かい合った領域で結合させることができる。このようにファセット同士を側辺同士が向かい合った領域で結合させることができるため、それぞれの結晶体から延びる転位同士を結合させやすくすることができ、光半導体層14の厚み方向に延びる転位の数を減らすことができる。
【００７２】
さらに、凸部16のすべての側面および第２凸部16’のすべての側面をいずれも単結晶基
板12であるサファイアのａ面とすることが好ましい。このような凸部16上および第２凸部16’上のそれぞれにファセットを成長させた場合には、表面エネルギーが小さい結晶面である、ａ面に対して傾斜した結晶面｛1-100｝を安定的に成長しやすくすることができる。
【００７３】
その結果、凸部16上に形成された結晶体のファセットと第２凸部16’上に形成された結晶体のファセットとを、凸部16の側辺と第２凸部16’の側辺が向かい合った領域で、規則的に結合させることができる。そのため、それぞれの結晶体から延びる転位をさらに結合させやすくすることができ、光半導体層14の厚さ方向に延びる転位の数を減らすことができる。なお、凸部16および第２凸部16’の側面をすべてａ面で形成した場合には、凸部16の先端部の内角20および第２凸部16’の先端部の内角20は、60°に設定すればよい。
【符号の説明】
【００７４】
１  発光素子
２  発光装置
３  配線導体
４  実装基体
４ａ  第１シート
４ｂ  第２シート
５  凹部
６  搭載面
７  引き出し面
８  接合電極
９  第１電極層
10  第２電極層
11  モールド樹脂
12  単結晶基板
13  溝
14  光半導体層
14ａ  第１半導体層
14ｂ  発光層
14ｃ  第２半導体層
15  溝領域
16  凸部
16’  第２凸部
17  光路
18  マスクパターン
Ｒｘ  第１方向
Ｒｙ  第２方向
【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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