(57)【要約】  【課題】  半導体の結晶性を向上させることが可能な半導体基板の製造方法を提供する。  【解決手段】  本発明の半導体基板の製造方法は、単結晶基板２の上に単結晶基板２を覆うように半導体層を結晶成長させた半導体基板の製造方法であって、平坦な上面４Ａを有する複数の突起４が第１主面２Ａに設けられた単結晶基板２を準備する工程と、複数の突起４のうち、上面４Ａから半導体層３を結晶成長させるものを第１突起４ａとし、第１突起４ａ同士の間に位置する、上面４Ａに半導体層３を結晶成長させないものを第２突起４ｂとして、第２突起４ｂの上面４Ａを被覆するように実質的に半導体層３が結晶成長しないマスク層５を形成する工程と、第１突起４ａの上面４Ａからそれぞれ第２突起４ｂの上面４Ａのマスク層５を越えて単結晶基板２を覆うように半導体層３を結晶成長させる工程とを有する。そのため、単結晶基板２上に成長させる半導体層３の単結晶基板２に対する平坦性を向上させることができ、半導体層３の結晶性を向上させることができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板の上に該単結晶基板を覆うように半導体層を結晶成長させた半導体基板の製造方法であって、
平坦な上面を有する複数の突起が主面に設けられた前記単結晶基板を準備する工程と、
複数の前記突起のうち、前記上面から前記半導体層を結晶成長させるものを第１突起とし、該第１突起同士の間に位置する、前記上面に前記半導体層を結晶成長させないものを第２突起として、該第２突起の前記上面を被覆するように実質的に前記半導体層が結晶成長しないマスク層を形成する工程と、
前記第１突起の前記上面からそれぞれ前記第２突起の前記上面の前記マスク層を越えて前記単結晶基板を覆うように前記半導体層を結晶成長させる工程と
を有する半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記半導体層を結晶成長させる工程の前に、前記第１突起の前記上面に、頂部から前記上面に対して傾斜した結晶面を有する結晶体を成長させる工程を含む請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記結晶体を成長させる工程において、前記結晶体の前記頂部を前記第２突起の前記上面の前記マスク層よりも高くなるように成長させる請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記マスク層を形成する工程において、前記マスク層を、前記第２突起の前記上面から前記第２突起の側面にかけて被覆するように前記マスク層を形成する請求項１−３のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。
【請求項５】
平坦な上面を有する複数の突起を主面に有する単結晶基板と、
複数の前記突起の一部の前記上面に選択的に設けられた、前記単結晶基板よりも高い屈折率を有するマスク層と、
前記単結晶基板上に、複数の前記突起および前記マスク層を覆うように設けられた、前記マスク層よりも高い屈折率を有する光半導体層と
を有する発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の製造方法および発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体層を基板上に積層させる方法が種々提案されている。特に、発光素子や受光素子に用いられる半導体層を基板上に結晶成長させる場合には、半導体層の結晶品質を向上させる必要があった。
【０００３】
そこで、基板上に半導体層を結晶成長させる技術として、例えば、基板上に凹凸を設けることによって、基板上に成長させる半導体層の結晶性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に開示された半導体層を成長させる技術によれば、基板の主面に設けられた凸部の間隔が広くなるほど、凸部上に成長させる半導体層の平坦性を維持することが難しかった。そのため、基板上に成長させる半導体層の結晶軸の配向性が低下し、半導体層の結晶性を向上させることが困難であるという問題があった。
【０００６】
一方、特許文献１に開示された方法によって製造された発光素子の技術によれば、基板と光半導体層との屈折率差が大きかったため、光半導体層で発光した光が光半導体層と基板との界面で、光半導体層側に反射されやすく、光取出し効率を向上させることが困難であるという問題があった。
【０００７】
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、基板上に半導体層を成長させる際に、成長させる半導体層の平坦性を向上させることが可能な半導体基板の製造方法を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、光半導体層と基板との界面における反射を抑制す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】
【０００９】
本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法は、単結晶基板の上に該単結晶基板を覆うように半導体層を結晶成長させた半導体基板の製造方法であって、平坦な上面を有する複数の突起が主面に設けられた前記単結晶基板を準備する工程と、複数の前記突起のうち、前記上面から前記半導体層を結晶成長させるものを第１突起とし、該第１突起同士の間に位置する、前記上面に前記半導体層を結晶成長させないものを第２突起として、該第２突起の前記上面を被覆するように実質的に前記半導体層が結晶成長しないマスク層を形成する工程と、前記第１突起の前記上面からそれぞれ前記第２突起の前記上面の前記マスク層を越えて前記単結晶基板を覆うように前記半導体層を結晶成長させる工程とを有する。
【００１０】
また、本発明の一実施形態にかかる発光素子は、平坦な上面を有する複数の突起を主面
に有する単結晶基板と、複数の前記突起の一部の前記上面に選択的に設けられた、前記単結晶基板よりも高い屈折率を有するマスク層と、前記単結晶基板上に、複数の前記突起および前記マスク層を覆うように設けられた、前記マスク層よりも高い屈折率を有する光半導体層とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法によれば、上述のように、第１突起の上面から第２突起の上面のマスク層を越えて半導体層を結晶成長させる工程を有することから、成長させる半導体層の平坦性を向上させることができ、良好な結晶品質の半導体層を成長させることができる。
【００１２】
本発明の一実施形態にかかる発光素子によれば、上述のように、単結晶基板の突起と光半導体層との間にマスク層を有するため、光半導体層で発光した光が、光半導体層と基板との界面において、光半導体層側に反射されるのを抑制することができる。その結果、光半導体層で発光した光を基板に入射しやすくすることができ、発光素子の光取出し効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる発光素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる発光素子に用いられた単結晶基板の一例を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる発光素子の一例を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図４】本発明の一実施形態にかかる発光素子に用いられた単結晶基板のその他の例を示す平面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる発光素子の変形例を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図６】本発明の一実施形態にかかる半導体基板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１のＡ−Ａ’で切断したときの断面に相当する。
【図７】本発明の一実施形態にかかる半導体基板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８】本発明の一実施形態にかかる半導体基板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】本発明の一実施形態にかかる半導体基板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】本発明の一実施形態にかかる半導体基板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１１】本発明の一実施形態にかかる半導体基板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１２】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態の一例の単結晶基板の変形例を示す平面図である。
【図１３】本発明の一実施形態にかかる半導体基板の製造方法の実施形態の変形例の一工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
＜発光素子＞
図１は本発明の実施の形態の一例の発光素子１の斜視図、図２は、単結晶基板２を平面視したときの平面図、図３は図１に示す発光素子１の断面図であり、図１および図２のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【００１７】
発光素子１は、図１および図３に示すように、単結晶基板２と、単結晶基板２上に成長させた半導体層である光半導体層３とを有する。
【００１８】
単結晶基板２は、光半導体層３を成長させることが可能な材料から構成されている。単結晶基板２としては、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウムなどを用いることができる。単結晶基板２の厚みとしては、例えば１μｍ以上1500μｍ以下程度である。単結晶基板２の厚みは、単結晶基板２の第１主面２Ａから第２主面２Ｂまでの厚みを指す。
【００１９】
光半導体層３で発光した光を光半導体層３の単結晶基板２側から取り出す場合には、単結晶基板２として光半導体層３で発光した光を透過しやすい透光性の基材が用いられる。透光性の基材としては、光半導体層３で発光した光の波長に対して、例えば60％以上の透過率を有するものを用いればよい。単結晶基板２の透過率を求める方法としては、例えばＪＩＳ  Ｋ0115に準拠した吸光光度分析法などを用いることができる。
【００２０】
単結晶基板２として用いられる透光性の基材としては、具体的に、後述する発光層３ｂの構成を用いた場合、サファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛または二ホウ化ジルコニウムなどを単結晶基板２として用いることができる。
【００２１】
本例において、単結晶基板２は光半導体層３で発光した光を透過しやすい透光性の材料であるサファイアにより形成されている。単結晶基板２としてサファイアを用いた場合には、結晶を成長させる結晶成長面として、例えばＡ面、Ｃ面またはＲ面などを用いることができる。
【００２２】
単結晶基板２は、第１主面２Ａに複数の突起４を有している。突起４は、平坦な上面４Ａを有するように設けられている。なお、単結晶基板２の第１主面２Ａは、単結晶基板２の突起４が設けられていない主面の領域を指す。
【００２３】
突起４は、例えば単結晶基板２を加工することにより、単結晶基板２と一体的に設けられている。突起４の上面４Ａは、単結晶基板２の第１主面２Ａからの距離が最も遠い位置にある面を指す。突起４は、単結晶基板２の第１主面２Ａから上面４Ａまでの高さが、例えば0.2μｍ以上５μｍ以下に設定されている。突起４の幅は、例えば0.5μｍ以上50μｍ以下に設定されている。
【００２４】
突起４の上面４Ａは、単結晶基板２の結晶成長面となるように設定されている。突起４の上面４Ａの平坦性は、表面粗さが例えば10ｎｍ以下に設定されている。なお、突起４の上面４Ａの表面粗さとしては、ＪＩＳ  Ｂ0601−2001に準拠した最大高さ粗さＲｚを用いればよい。突起４の上面４Ａは、単結晶基板２の第１主面２Ａから傾斜していてもよく、突起４の上面４Ａの傾斜角は単結晶基板２の第１主面２Ａに対して、単結晶基板２のオフ角である例えば０°以上２°以下の角度に設定される。
【００２５】
突起４としては、上面４Ａを有する形状であればよく、例えば、四角柱状または六角柱状などの多角柱状または円柱状などのものを用いることができる。本例において突起４は、円柱状となるように設けられている。
【００２６】
突起４として、側面が単結晶基板２の第１主面２Ａに対して傾斜した形状であってもよい。第１主面２Ａに対して傾斜した側面を持つ突起４としては、例えば四角錘台状または六角錘台状などの多角錘台状または円錐台状などのものを用いることができる。この場合、光半導体層３で発光した光を、光半導体層３と突起４の側面との界面で光半導体層２側に反射されにくくすることができるため、単結晶基板２に入射しやすくすることができる。その結果、発光素子１の光取出し効率を向上させることができる。
【００２７】
複数の突起４のうち一部の突起４の上面４Ａには、マスク層５が選択的に設けられている。マスク層５は、第２突起４ｂの上面４Ａを覆うように設けられている。すなわち、マスク層５は、第２突起４ｂの上面４Ａが露出しないように設けられる。マスク層５の厚みは、例えば0.02μｍ以上２μｍ以下に設定されている。
【００２８】
このようなマスク層５は、実質的に光半導体層３が結晶成長しないものであるので、マスク層５が設けられた突起４（第２突起４ｂ）の上面４Ａから光半導体層３は成長しにくく、マスク層５が設けられていない突起４の上面４Ａから光半導体層３が成長しやすくなる。以後の説明において、光半導体層３を結晶成長させる突起４を第１突起４ａと称し、マスク層５が設けられた突起４を第２突起４ｂと称する。
【００２９】
第２突起４ｂは、複数の突起４のうち、一部の突起４にマスク層５が選択的に形成されて設けられる。すなわち、複数の突起４のうちいずれかの突起４の上面４Ａに、第２突起４ｂとしてマスク層５が設けられていればよい。第２突起４ｂは、全体の突起４の数に対して、例えば10％以上90％以下の数となるように設けられる。
【００３０】
マスク層５は、実質的に光半導体層３が結晶成長しないものであるとともに、単結晶基板２よりも高い屈折率の材料などを用いることができる。具体的には、マスク層５としては、例えばチタン、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、トリウム、スカンジウム、ネオジウム、ニオブまたはナトリウムからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも１種類を含む材料から選択することができる。
【００３１】
単結晶基板２上には、図３に示すように、複数の突起４およびマスク層５を覆うように光半導体層３が設けられている。光半導体層３は、第１半導体層３ａ、発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃを順次積層することにより構成されている。光半導体層３は、全体の厚みを例えば0.1μｍ以上10μｍ以下として形成することができる。
【００３２】
光半導体層３は、屈折率が単結晶基板２のマスク層５の屈折率よりも高くなるように設けられている。このような光半導体層３としては、例えばIII−Ｖ族半導体を用いることができる。
【００３３】
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。
【００３４】
光半導体層３は、単結晶基板２上に結晶成長させることによって設けられている。そのため、光半導体層３は、単結晶基板２から厚み方向に延在する転位８を有している。本例においては、光半導体層３として窒化ガリウムを用いている。光半導体層３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1.8以上2.7以下に設定される。
【００３５】
転位８は、成長させる半導体層の結晶面に、意図しない結晶面や原子ステップが発生す
ることにより生じやすくなり、例えば刃状転位またはらせん状転位などの種類がある。このような転位８は、第１半導体層３ａの格子定数と単結晶基板２の格子定数とが異なるため、単結晶基板２と第１半導体層３ａとの界面で発生しやすくなっている。
【００３６】
第１突起４ａ上には、光半導体層３が結晶成長しやすくなっていることから、第１突起４ａの上面４Ａから厚み方向に転位８が存在しやすくなっている。一方、第２突起４ｂ上には、光半導体層３が結晶成長しにくくなっていることから、第２突起４ａの上面４Ａおよびマスク層５から厚み方向に転位８が存在しにくくなっている。そのため、光半導体層３を平面透視して、第１突起４ａと重なる領域に転位８が存在しやすくなっているとともに、第２突起４ｂと重なる領域に転位８が存在しにくくなっている。
【００３７】
第１半導体層３ａは、単結晶基板２上に設けられている。第１半導体層３ａは、厚みが１μｍ以上10μｍ以下に設定されている。第１半導体層３ａは、単結晶基板２上に有する突起４の上面４Ａに設けられている。
【００３８】
発光層３ｂは、第１半導体層３ａ上に設けられている。発光層３ｂ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３ｂ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。
【００３９】
このように本例の発光素子20で発光した光の波長が、例えば350ｎｍ以上600ｎｍ以下である場合、光半導体層３の屈折率が約1.75以上2.35以下で、サファイアの屈折率が約1.65以上1.80以下になる。そのため、マスク層５としては、例えば、酸化マグネシウム（屈折率  約1.68以上1.80以下）、二酸化ジルコニウム（屈折率  約1.78以上2.00以下）、フッ化カルシウム（屈折率  約1.50以上2.10以下）、酸化ハフニウム（屈折率  約1.90以上2.10以下）、酸化イットリウム（屈折率  約1.80以上1.90以下）などを用いることができる。
【００４０】
第２半導体層３ｃは、発光層３ｂ上に設けられている。第２半導体層３ｃ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３ａ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またはシリコンを不純物として添加する方法を用いることができる。
【００４１】
第１電極層６は第１半導体層３ａ上に、第２電極層７は第２半導体層３ｃ上に、それぞれ設けられている。第１電極層６および第２電極層７によって、光半導体層３に電圧が印加される。
【００４２】
第１電極層６および第２電極層７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、または酸化錫、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、もしくは銀−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。
【００４３】
第１電極層６および第２電極層７は、例えばスパッタリング法または蒸着法などの積層方法などを用いて形成することができる。また、第１電極層６および第２電極層７として、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よい。
【００４４】
本例においては、光半導体層３で発光した光を単結晶基板２側から取り出すことから、
第２電極層７として反射性電極材料を用いてもよい。第２電極層７として反射性電極材料を用いた場合には、光半導体層３で発光した光を単結晶基板２側に反射しやすくすることができ、光取出し効率を向上させることができる。
【００４５】
本例においては、光半導体層３を平面透視して、マスク層５が設けられていない単結晶基板２の突起４から光半導体層３の厚み方向に転位８が延在しやすくなっている、一方、マスク層５と重なる領域の光半導体層３には転位８が少なくなっている。そのため、マスク層５と重なる領域の光半導体層３では、マスク層５が設けられていない突起４と重なる領域の光半導体層３と比較して、光半導体層３に延在する転位８の数が少ないため、良好な結晶性を有している。すなわち、マスク層５と重なる領域の光半導体層３では、効率良く発光するようになっている。
【００４６】
さらに、マスク層５の屈折率が、単結晶基板２の屈折率と光半導体層３の屈折率との間に設定されていることから、マスク層５によって光半導体層３と単結晶基板２との屈折率差を緩和することができ、マスク層５と重なる領域の光半導体層３で発光した光を、光半導体層３と単結晶基板２との界面で反射されにくくすることができる。
【００４７】
その結果、光半導体層３を平面透視して、マスク層５と重なる光半導体層の領域から効率良く発光させることができるとともに、マスク層５によって光半導体層５と単結晶基板２との界面で反射されにくくすることができるため、発光素子１の光取出し効率を向上させることができる。
【００４８】
仮に、単結晶基板上に光半導体層のみを成長させた構成では、単結晶基板と光半導体層との屈折率差を緩和することができず、単結晶基板と光半導体層との界面で光半導体層側に反射されやすくなり、光取出し効率の低下を招くおそれがある。
【００４９】
第２突起４ｂの突起４を、図４に示すように、第１突起４ａの幅より大きく設けてもよい。このように第２突起４ｂの幅を、第１突起４ｂの直径より大きく設けることにより、第１突起４ａの上面４Ａから延びる転位８の数を抑制した状態で、平面透視して光半導体層３のマスク層５と重なる領域を広げることができるとともに、単結晶基板２と光半導体層３との界面で反射されにくくした領域を広げることができる。その結果、発光素子１の光取出し効率をさらに向上させることができる。
【００５０】
マスク層５は、図５に示すように、第１突起４ａの上面４Ａを除く単結晶基板２の光半導体層３を成長させる面の表面を覆うように設けてもよい。すなわち、マスク層５を第１突起４ａの上面４Ａを露出させるとともに、第２突起４ｂの上面４Ａおよび側面、第１突起４ａの側面および単結晶基板２の主面２Ａを覆うように設けてもよい。
【００５１】
このようにマスク層５を単結晶基板２上に設けた場合、光半導体層３を平面透視して、第１突起４ａと重ならない領域にマスク層５が設けられているため、光半導体層３と単結晶基板２との屈折率差を緩和することができ、光取出し効率をさらに向上させることができる。
【００５２】
また、第１突起４ａと重ならない領域がマスク層５で覆われているため、マスク層５で覆われている単結晶基板２の表面から結晶成長しにくくすることができることから、突起４ａの上面４Ａ以外の単結晶基板２から延びる転位８をさらに少なくすることができ、平面透視して第１突起４ａと重ならない領域における光半導体層３の発光効率を向上させることができる。
【００５３】
＜半導体基板の製造方法＞
図６−図13は、それぞれ半導体基板９の製造工程を示す断面図であり、いずれも図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。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。
【００５４】
図11に示すように、本実施の形態の半導体基板９の製造方法により製造される半導体基板９は、単結晶基板２と、マスク層５と、半導体層３とから主に製造される。なお、本例においては、半導体層３として光半導体層３を成長させる場合について説明する。
【００５５】
このように製造される半導体基板９は、例えば発光素子、半導体レーザ、受光素子またはトランジスタなどの電子部品に用いられる。
【００５６】
続いて、本発明の実施の形態の半導体基板９の製造方法を説明する。
【００５７】
（単結晶基板を準備する工程）
単結晶基板２の第１主面２Ａに、突起４を形成する方法を、図６を参考にしつつ説明する。
【００５８】
単結晶基板２としては、半導体を成長させることが可能な材料を用いられる。第１基板２は、例えばサファイア、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化シリコン、窒化インジウムまたはシリコンカーバイドなどを用いることができる。本例において、単結晶基板２は、サファイアを用いている。
【００５９】
単結晶基板２は、平面視形状が例えば四角形状などの多角形状または円形状などに設定されている。単結晶基板２は、厚みが例えば２μｍ以上2000μｍ以下に設定されている。単結晶基板２として、単結晶基板２の上面２Ａ’が平坦なものを用いることができる。単結晶基板２の上面２Ａ’の平坦性は、表面粗さが例えば10ｎｍ以下に設定されている。なお、単結晶基板２の上面２Ａ’の表面粗さとしては、ＪＩＳ  Ｂ0601−2001に準拠した最大高さ粗さＲｚを用いればよい。
【００６０】
単結晶基板２の上面２Ａ’としては、例えば単結晶基板２の結晶面が揃っているものを用いることができる。単結晶基板２がサファイアの場合、単結晶基板２の結晶面としては、例えばサファイアのＡ面、Ｃ面またはＲ面などを用いることができる。
【００６１】
図６に示すように、単結晶基板２の上面２Ａ’上に、単結晶基板２の上面２Ａ’の一部が露出する露出領域10を有するマスクパターン11を形成する。マスクパターン11の露出領域10は、平面視形状が例えば単結晶基板２の第１主面２Ａ上に形成する突起４の底面形状に設定される。そのため、露出領域10の幅は、突起４の底面の寸法に設定すればよく、例えば0.5μｍ以上50μｍ以下に設定される。
【００６２】
マスクパターン11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またはチタンなどの金属を用いることができる。マスクパターン11の膜厚は、エッチングにより単結晶基板２の一部を除去する場合であれば、単結晶基板２のエッチングレートとマスクパターン11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200ｎｍ以上3500ｎｍ以下に設定することができる。
【００６３】
マスクパターン11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２上に積層膜を積層し、露出領域10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２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。
【００６４】
次に、図７に示すように、単結晶基板２の上面２Ａ’の一部を露出させた露出領域10からエッチング法などで、単結晶基板２の一部を厚み方向へ除去する。単結晶基板２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。ここで、単結晶基板２の上面２Ａ’に、結晶が揃った平坦な結晶面を用いた場合、突起４の上面４Ａがマスクパターン11で覆われていることから、単結晶基板２の一部を除去する工程の際に、平坦性を維持することができる。
【００６５】
単結晶基板２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２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。
【００６６】
その後、図８に示すように、マスクパターン11を単結晶基板２から剥離することによって、単結晶基板２の第１主面２Ａに複数の突起４を単結晶基板２と一体的に設けることができる。
【００６７】
本例において、上面４Ａ’が平坦な単結晶基板２を用いた場合について説明したが、平坦性の低い単結晶基板２を用いた場合、突起４を設けてマスクパターン11を剥離した後、突起４の上面４Ａを研磨する工程を設けてもよい。このようにマスクパターン11を剥離した後に、突起４の上面４Ａを研磨することにより、突起４の上面４Ａに残留した、例えばマスクパターン11の一部または剥離剤などの付着物を除去するとともに、平坦化することができる。
【００６８】
さらに、マスクパターン11を剥離する工程に代えて、マスクパターン11の上方から突起４の上面４Ａまで研磨してもよい。この場合、マスクパターン11を除去する工程と突起４の上面４Ａを平坦化する工程とを続けて行うことができ、生産性を向上することができる。
【００６９】
（マスク層を形成する工程）
次に、単結晶基板２の第１主面２Ａに設けた複数の突起４のうち、一部の突起４上にマスク層５を形成する。ここで、複数の突起４のうち、上面４Ａから光半導体層３を結晶成長させるものを第１突起４ａとし、第１突起４ａ同士の間に位置する、上面４Ａに光半導体層３を結晶成長させないものを第２突起４ｂとしている。
【００７０】
マスク層５は、非晶質の材料などを用いることができる。マスク層５としては、例えばチタン、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、トリウム、スカンジウム、ネオジウム、ニオブまたはナトリウムからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも１種類を含む材料から選択することができる。
【００７１】
マスク層５は、例えばスパッタリング法、蒸着法またはスピンコート法などを用いて積層した後、パターニングすることにより形成される。具体的には、第１主面２Ａに突起４を有する単結晶基板２上に、図９に示すように、マスク層５となる材料をスパッタリング法により積層した積層膜12を形成する。
【００７２】
その後、積層膜12は、図10に示すように、エッチング法またはフォトリソグラフィ法を用いて、第１突起４ａの上面４Ａが露出するとともに、第２突起４ｂの上面４Ａを覆うマスク層５となるようにパターニングされる。積層膜12の厚みは、マスク層５と同程度の厚
みであり、例えば0.02μｍ以上５μｍ以下に設定される。
【００７３】
本例において、第２突起４ｂは、図２に示すように、第１突起４ａ同士の間に位置するように設けられている。具体的に、第２突起４ｂは、第１突起４ａ同士を通る仮想直線と重なる部分を有するように設けられている。すなわち、第１突起４ａと第２突起４ｂとが一直線上に位置するように設けられている。第２突起４ｂは、全体の突起４の数に対して、例えば10％以上90％以下の数となるように設けられる。
【００７４】
（光半導体層を成長させる工程）
次に、図11に示すように、単結晶基板２上に光半導体層３を成長させる。
【００７５】
光半導体層３としては、例えばIII−Ｖ族半導体を用いることができる。本例においては、光半導体層３は窒化ガリウムが用いられている。単結晶基板２の上面２Ａに光半導体層３を成長させる方法としては、分子線エピタキシャル法、有機金属エピタキシャル法、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。
【００７６】
光半導体層３を成長させる方法としては、例えば、光半導体層３を、第１主面２に対して垂直である垂直方向より第１主面２Ａと平行な平面方向に成長しやすくした横方向成長を用いることができる。具体的には、光半導体層３の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ることにより、光半導体層３を横方向成長させることができる。
【００７７】
単結晶基板２上に光半導体層３として窒化ガリウムをエピタキシャル成長させるには、窒化ガリウムの組成比、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。成長温度としては、例えば350℃以上1500℃以下に設定することができる。単結晶基板２上に窒化ガリウムからなる第１半導体層３ａの低温バッファ層を設ける場合には、成長温度として例えば350℃以上800℃以下に設定することができる。
【００７８】
光半導体層３は、第１突起４ａの上面４Ａからそれぞれ第２突起４ｂの上面４Ａのマスク層５を越えて単結晶基板２を覆うように結晶成長される。
【００７９】
本例において、単結晶基板２は、上面４Ａから光半導体層３を結晶成長させる第１突起４ａと、上面４Ａから光半導体層３を結晶成長させないようにマスク層５が形成された第２突起４ｂを有している。マスク層５は、非晶質からなる材料で構成されているため、実質的に光半導体層３が結晶成長しないようになっている。なお、「実質的に光半導体層３が結晶成長しない」とは、第１突起４ａの上面４Ａと比較して、マスク層５の表面に結晶の核が生成されにくく、結晶が成長しにくくなっている状態を指す。
【００８０】
このように単結晶基板２に光半導体層３を結晶成長させた場合、光半導体層３は、第１突起４ａの上面４Ａから結晶成長するとともに、第２突起４ｂの上面４ｂから結晶成長しにくくなっている。そのため、第１突起４ａの上面４Ａから結晶成長させた光半導体層３がマスク層５を越えて単結晶基板２を覆うようになる。
【００８１】
このように光半導体層３を単結晶基板２上に結晶成長させることができることから、単結晶基板２を覆う際に、第１突起４ａから横方向に成長した光半導体層３の平坦性を向上させることができる。ここで、光半導体層３の平坦性は、単結晶基板２の第１主面２Ａに対する平坦性または原子オーダーである２ｎｍ以下の平坦性を指す。
【００８２】
このように第１突起４ａの上面４Ａに成長させる光半導体層３の平坦性を向上させることができ、さらには成長させた光半導体層３の結晶軸の配向性を向上させることができる
。具体的には、光半導体層３を成長させる際に、単結晶基板２の第１主面２Ａに対する光半導体層３の平坦性を向上させることができるため、成長する光半導体層３にひずみなどを内在しにくくすることができる。そのため、単結晶基板２の第１突起４ａの上面４Ａの結晶軸の配向性を維持した状態で光半導体層３を成長させることができ、光半導体層３の結晶性を向上させることができる。
【００８３】
本例の発光素子20における光半導体層３は、単結晶基板２上に、第１半導体層３ａ、発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃから構成されている。そのため、第１半導体層３ａの平坦性を維持した状態で発光層３ｂおよび第２半導体層３ｃを成長させることができ、発光層３ｂで発光する光の波長分散性を改善することができる。
【００８４】
一方、単結晶基板上に複数の突起を設けて光半導体層を成長させた構成の発光素子の場合、原子オーダーでの光半導体層の平坦性が低下しやすくなる。その結果、光半導体層の一部が局所的にひずみやすくなり、発光層で発光する光に所望の波長以外の光が混ざりやすくなるため、波長分散性の低下を招くおそれがあった。
【００８５】
上述した「第１突起４ａ同士の間」には、図12に示すように、隣接する第１突起４ａ同士を通る仮想直線と重ならない場合も含むものである。すなわち、第２突起４ｂが第１突起４ａと一直線上にない場合である。このように第２突起４ｂを配置した場合でも、第１突起４ａから結晶成長させた光半導体層３における、平坦性を向上させることができる。
【００８６】
光半導体層３を結晶成長させる工程の前に、図13に示すように、第１突起４ａの上面４Ａに、頂部13ａから上面４Ａに対して傾斜した結晶面13ｂを有する結晶体13を成長させる工程を有してもよい。
【００８７】
このような結晶体13は、光半導体層３として窒化ガリウムを用いた場合、頂部13ａから突起４の上面４Ａに対して傾斜した結晶面13ｂを有する結晶体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。このような条件で結晶成長させることにより、図13（ａ）に示すように、単結晶基板２の第１突起４ａの上面４Ａに結晶体13を成長させることができる。このような結晶体13の結晶面13ｂは、サファイアからなる単結晶基板３の第１突起４ａの上面４Ａがｃ面である場合、例えば｛1−101｝面とすることができる。
【００８８】
その後、図13（ｂ）に示すように、結晶体13を横方向に成長させて、隣接する結晶体13と結合させる。このように結晶体13を横方向に成長させて、隣接する結晶体13と結合させることにより、それぞれの第１突起４ａの上面４Ａから延びる転位８同士を結合させて、光半導体層３の厚み方向に延びる転位８の数を少なくすることができる。
【００８９】
このように光半導体層３の厚み方向に延びる転位８の数を少なくすることにより、光半導体層３の結晶品質を向上させることができ、光半導体層３の発光効率を向上させることができる。また、光半導体層３の第１半導体層３ａにおいて、転位８を結合させた場合には、発光層３ｂに延在する転位８を少なくすることができるため、発光層３ｂで発光する領域を広げることができる。
【００９０】
さらに、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、光半導体層３を横方向成長させることができる。
【００９１】
また、結晶体13を成長させる工程において、結晶体13の頂部13ａを、第２突起４ｂの上面４Ａのマスク層５よりも高くなるように成長させてもよい。このように結晶体13の頂部
13ａを、マスク層５よりも高くなるように成長させた場合には、結晶体13の結晶面13ｂを横方向に成長させて、隣接する結晶体13同士を結合させやすくすることができる。隣接する結晶体13同士を結合させやすくすることができるため、結晶性を向上させるとともに、生産性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１  発光素子
２  単結晶基板
３  光半導体層（半導体層）
３  第１半導体層
３ｂ  発光層
３ｃ  第２半導体層
４  突起
４ａ  第１突起
４ｂ  第２突起
５  マスク層
６  第１電極層
７  第２電極層
８  転位
９  半導体基板
10  露出領域
11  マスクパターン
12  積層膜
13  結晶体
13ａ  頂部
13ｂ  結晶面
【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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