(57)【要約】【課題】従来よりも外部量子効率が高いGaN系発光素子を製造することができるサファイア基板を提供する。【解決手段】サファイア基板１０と、サファイア基板１０の表面上において0.2μm〜4μm離間して配置された、屈折率が1.70〜2.25の物質からなる複数の凸部２０であって、底部の径が1.0μm〜4.0μm、高さが1.0μm〜4.0μmであり、表面に平行な断面の面積が該表面から遠ざかるにつれて小さくなる形状を有する凸部２０と、を備える。【選択図】図１
2016012648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) サファイア基板と、
b) 前記サファイア基板の表面上において0.2μm〜4.0μm離間して配置された、屈折率が1.70〜2.25の物質からなる複数の凸部であって、底部の径が1.0μm〜4.0μm、高さが1.0μm〜4.0μmであり、前記表面に平行な断面の面積が該表面から遠ざかるにつれて小さくなる形状を有する凸部と、
を備えることを特徴とするGaN系発光素子用基板。
【請求項２】
前記複数の凸部が一般式SiOxNy(0≦x≦2、0＜y≦1）で表される物質からなることを特徴とする請求項１に記載のGaN系発光素子用基板。
【請求項３】
前記凸部の高さが1.25μm〜2.00μmであることを特徴とする請求項１または２に記載のGaN系発光素子用基板。
【請求項４】
前記凸部の離間間隔が0.2μm〜1.0μmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のGaN系発光素子用基板。
【請求項５】
前記凸部がSiNからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のGaN系発光素子用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般式InxGayAl1-x-yNで表されるGaN系発光素子を製造するために用いられるサファイア基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系発光素子は、例えば、サファイア基板上に、n-GaNからなるn型半導体層、InGaN/GaNの多重量子井戸構造（MQW:Multi Quantum Wells）を有する活性層（発光層）、及びp-GaNからなるp型半導体層を順に積層することにより製造され、p型半導体層から供給される正孔とn型半導体層から供給される電子が活性層において結合して発光する。
【０００３】
発光素子の性能を評価する指標の一つに、外部量子効率（EQE:External Quantum Efficiency）がある。外部量子効率は、発光素子の発光効率を評価する指標であり、内部量子効率（IQE:Internal Quantum Efficiency）と光取り出し効率（LEE:Light Extraction Efficiency）の積で表される。従って、内部量子効率及び光取り出し効率のいずれかが大きくなれば、外部量子効率が大きくなり、発光素子の性能が向上する。
【０００４】
従来、光取り出し効率を向上させる方法として、サファイア基板の表面に周期的な凹凸構造を形成する方法が採用されてきた。光取り出し効率は、発光層から放出される光子数に対する発光素子外部に取り出される光子数の比で表される。サファイア基板の表面が平坦なGaN系発光素子では、発光層から該サファイア基板の表面またはp型半導体層の表面に臨界角よりも大きな角度で入射した光は全反射を繰り返すため、素子外部に取り出すことができない。これに対して、サファイア基板の表面に凹凸構造を形成して非平坦にすると、こうした光の進行方向が該表面で変化するため素子外部に取り出すことができ、光取り出し効率が向上する。
【０００５】
サファイア基板の表面に凹凸構造を形成する方法の一つに、該サファイア基板の表面をエッチング加工する方法がある。ところが、この方法で得られた基板（PSS:Patterned Sapphire Substrate）の表面にn型GaN層を結晶成長させると、サファイア基板表面の高さが異なる位置から同時にGaN層の結晶成長が始まるため、n型GaN層の内部に結晶欠陥が生じやすくなる。結晶欠陥では、電子・正孔対の結合による発光が生じないため、このような結晶欠陥が増えると発光層に注入される電子と正孔の対の数に対する発光層から放出される光子数の比で表される内部量子効率が低下する。
【０００６】
一方、サファイア基板の表面にGaNの結晶成長が起こり難い酸化シリコン等からなる周期的な凸部を配置することによって、上記同様に基板表面を非平坦にする方法が提案されている（例えば特許文献１〜３）。このようなサファイア基板を用いると、サファイア基板の表面のうち凸部が形成されていない部分のみからGaN層の結晶成長が始まるため、n型GaN層の内部に欠陥が生じにくい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−５４８９８号公報
【特許文献２】特開２００８−１０８０９号公報
【特許文献３】特開２０１１−６０９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、光取り出し効率や内部量子効率を大きくすることにより外部量子効率を向上させる方法が提案されているが、それらにより達成される外部量子効率は未だ不十分であり、さらに外部量子効率が高い発光素子を製造することができる基板が必要とされている。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、従来よりも外部量子効率が高いGaN系発光素子を製造することができるサファイア基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明に係るGaN系発光素子用基板は、
a) サファイア基板と、
b) 前記サファイア基板の表面上において0.2μm〜4.0μm離間して配置された、屈折率が1.70〜2.25の物質からなる複数の凸部であって、底部の径が1.0μm〜4.0μm、高さが1.0μm〜4.0μmであり、前記表面に平行な断面の面積が該表面から遠ざかるにつれて小さくなる形状を有する凸部と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記の底部の径は、凸部の底面の周縁部上の2点を結ぶ最長の線分の長さをいう。例えば、底面が円形の場合にはその直径、矩形の場合には対角線が、底部の径に相当する。
【００１２】
本発明者は、サファイア基板と凸部の屈折率の違いや凸部の形状及び配置間隔によって、発光層から該サファイア基板の表面またはp型半導体層の表面に臨界角よりも大きな角度で入射する光の進行方向を変化させる作用の大きさが異なること等に着目して本発明に想到した。
【００１３】
本発明者は、まず、サファイア基板表面での臨界角に影響を及ぼす、凸部の材料の屈折率を検討した。その結果、凸部の屈折率を1.70〜2.25にすると、PSSよりも外部量子効率が高くなることを確認した。また、凸部をSiN(屈折率2.06)にすると、外部量子効率が特に高くなることを確認した。
【００１４】
続いて凸部の形状と配置間隔を検討した。凸部の形状や配置が異なる複数の条件で、サファイア基板の表面にSiNからなる凸部を配置した基板とPSSを作成して光取り出し効率を比較した。その結果、凸部の配置間隔、底部の径、及び高さを上記範囲内とすることにより、PSSよりも外部量子効率が高くなることを確認した。
【００１５】
前記凸部の形状は、円錐状、角錐状等、種々の形状とすることができる。また、円錐や角錐の上部を切り取って平坦化した形状等としてもよい。さらに、複数の凸部の形状や大きさは、上記要件を満たす限りにおいて、均一であっても、あるいはそれぞれ異なっていてもよい。
前記複数の凸部は、典型的にはサファイア表面上に周期的に配置するが、上記の要件を満たす限りにおいてランダムに配置してもよい。
前記凸部には、SiOxNy(0≦x≦2、0＜y≦1)を好適に用いることができる。これらの物質の硬度はサファイアよりも低いため、サファイア基板の表面にエッチング加工を施す従来の基板よりも容易に作製することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るGaN系発光素子用基板を用いることにより、従来よりも外部量子効率が高いGaN系発光素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るGaN系発光素子用基板の一実施例の概略図。
【図２】本実施例のGaN系発光素子用基板を用いて製造されるGaN系発光素子の概略図。
【図３】本実施例のGaN系発光素子用基板における凸部の物質と特性と、プラズマCVD法において用いる材料ガスの種類。
【図４】凸部の屈折率が異なるGaN系発光素子用の外部量子効率をPSSと比較した結果。
【図５】本実施例におけるシミュレーションで用いたモデル構造。
【図６】凸部の径と光取り出し効率の関係をシミュレーションした結果を示すグラフ。
【図７】凸部の高さと光取り出し効率の関係をシミュレーションした結果を示すグラフ。
【図８】凸部の高さと光取り出し効率の関係をシミュレーションした別の結果を示すグラフ。
【図９】凸部の高さと光取り出し効率の関係をシミュレーションした、さらに別の結果を示すグラフ。
【図１０】凸部の離間間隔と光取り出し効率の関係をシミュレーションした結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係るGaN系発光素子用基板の実施形態について、以下、図面を参照して説明する。本実施例のGaN系発光素子用基板（以下、単に「基板」ともいう。）は、図１に示すように、サファイア基板１０の表面に、一般式SiOxNy(0≦x≦2, 0＜y≦1）で表される物質からなる凸部２０を複数、配置したものである。そして、この基板の表面に、例えばu-GaN層（不純物を添加していないGaN層）、n-GaN層、SLS層（Strained Layer Superlattice、超格子歪緩和層）、InGaN/GaNの多重量子井戸構造層、p-AlGaN層、p-GaN層、及びITO層（Indium Tin Oxide）を順に積層することによって、GaN発光素子が製造される（図２参照）。
【００１９】
まず、プラズマCVD（PECVD:plasma-enhanced chemical vapor deposition）法を用いて、サファイア基板上に一般式SiOxNyで表される5種類の物質をそれぞれ成膜し、これをエッチングして円錐状の凸部（高さ1.6μm、底部の直径3.6μm）を6μm間隔で配置した、5種類の基板を作製した。また、比較のために、同様の表面形状を有するPSSも作製した。5種類の物質の屈折率は、それぞれ1.46(SiO2)、1.55、1.70、1.85(SiON)、2.06(SiN)である。各物質の屈折率、波長450nmの光の透過率、及びプラズマCVD成膜において用いる材料ガスの種類を図３に示す。
【００２０】
上記6種類の基板（SiO2、3種類のSiON、SiNのそれぞれからなる凸部を配置した、計5種類の基板、及びPSS）、及び平坦な表面を有するサファイア基板を用いて、図１に示した積層構造を有する計7種類のGaN系発光素子を作製し、それぞれの外部量子効率を求めた。外部量子効率は、積分球の内部に配置した発光素子に20mAの電流を注入したときの、該発光素子からの発光量を測定することにより求めた。
【００２１】
7種類の発光素子の外部量子効率を図４に示す。図中に「flat」と記載しているのは、表面が平坦なサファイア基板を用いて作成した発光素子である。各発光素子の外部量子効率の値から、サファイア基板上に配置する複数の凸部の屈折率を2.25以下にすると、PSSよりも外部量子効率が高くなることが分かる。なお、凸部の屈折率がサファイアの屈折率よりも小さい場合でもPSSより高い外部量子効率が得られるが、これはSiOxNy膜を用いたことで凸部の表面からGaNが結晶成長せずにGaNがELO（Epitaxially Lateral Overgrowth）成長したことでGaN層の転移密度が低減して内部量子効率が向上したことが要因と考えられる。ただし、SiOxNy膜の組成によっては光取り出し効率が十分に向上しなかったので、本実施例の基板では、凸部の屈折率を1.70（外部量子効率がPSSの場合と同じになったSiOxNyの屈折率）よりも大きくしている。
【００２２】
以上のとおり、サファイア基板上に配置する複数の凸部の屈折率を1.70〜2.25の範囲内とすることにより、従来のPSSよりも外部量子効率が高いGaN系発光素子を製造できる。特にSiNからなる凸部を配置すると、外部量子効率が最も高くなる（PSSの1.24倍）ことが分かる。
【００２３】
続いて、凸部の径（底面の円形の直径）、高さ、及び配置間隔を変化させた基板を作成し、同一形状及び間隔の表面構造を有するPSSとの間で光取り出し効率を比較した。凸部の形状は円錐形とし、凸部の物質はSiNとした。凸部の形状を円錐形としたのは、基板上にGaN層を成長させると、サファイア基板の表面のうち凸部が配置されていない部分からGaNの成長が始まり、徐々に凸部を埋めるように成長していくことを踏まえ、該GaN層の内部に結晶欠陥を生じにくくするためである。
【００２４】
光取り出し効率の比較は、厚さ80μmの本実施例の基板（又はPSS）上に、厚さ8.5μmのn-GaN層、厚さ0.10μmのp-GaN層、及び厚さ0.15μmのITO層を順に積層した構造モデル（図５参照）を用いたシミュレーションにより行った。また、活性層はp-GaN直下のn-GaN中に点光源として配置している。
【００２５】
凸部の底面の径（円の直径）を1.0μm、1.5μm、2.0μm、2.5μm、3.0μm、4.0μm、5.0μmとした7種類の基板（屈折率を2.00とした）と、表面にそれらと同形状の凹凸構造を有する7種類のPSS（屈折率を1.77とした）について、光取り出し効率をシミュレーションした。いずれの基板でも、凸部の高さは1.0μm、凸部間の離間間隔は1.0μmとした。図６に示すシミュレーションの結果から、底部の径を1.5μm〜2.5μmにすると、PSSよりも高い光取り出し効率が得られることが確認された。また、底部の径を2.0μmとすると光取り出し効率を最も高くなることが確認された。なお、表面が平坦なサファイア基板についても同様にシミュレーションしたところ、光取り出し効率は33.7%であった。なお、光取り出し効率に内部量子効率を掛けることで外部量子効率が得られる。
【００２６】
次に、凸部の高さを1.00μm、1.25μm、1.50μm、1.75μm、2.00μm、3.00μm、4.00μmとした7種類の基板と、表面にそれらと同形状の凹凸構造を有する7種類のPSSについて、光取り出し効率をシミュレーションした。いずれの基板でも、凸部の底部の径は2.0μm、凸部間の離間間隔は0.2μmとした。図７に示すシミュレーションの結果から、凸部の高さが1.00μm〜4.00μmの範囲内であれば、PSSよりも高い光取り出し効率が得られることが確認された。また、凸部の高さを1.25μmとすると光取り出し効率を最も高くなることが確認された。
【００２７】
また、上記シミュレーションの条件のうち、各基板の凸部間の離間間隔を0.2μmから1.0μmに変更した結果を図８に、各基板の凸部間の離間間隔を0.2μmから2.0μmに変更した結果を図９に、それぞれ示す。これらのシミュレーション結果からも同様に、凸部の高さが1.00μm〜4.00μmの範囲内であれば、PSSよりも高い光取り出し効率が得られることが確認された。なお、図７、図８、及び図９に示す3つのシミュレーション結果から、凸部の高さを1.25μm〜2.00μmにすると、凸部の離間間隔が0.2μm、1.0μm、2.0μmのいずれの場合でも高い光取り出し効率が得られることが分かる。
【００２８】
最後に、凸部の離間間隔を0.2μm、0.5μm、1.0μm、2.0μm、3.0μm、4.0μmとした6種類の基板と、表面にそれらと同形状の凹凸構造を有する6種類のPSSについて、光取り出し効率をシミュレーションした。いずれの基板でも、凸部の底部の径は2.0μm、凸部の高さは1.0μmとした。図１０に示すシミュレーションの結果から、凸部の高さが0.2μm〜4.0μmの範囲内であれば、PSSよりも高い光取り出し効率が得られることが確認された。また、凸部の離間間隔を1.0μm以下、特に0.2μmとすると光取り出し効率を最も高くなることが確認された。
【００２９】
上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。例えば、上記実施例では、凸部の形状を円錐形としたが、この形状は角錐状や、円錐や角錐の上部を切り取って平坦化した形状等としてもよい。また、上記のシミュレーションは、サファイア基板上に、均一な形状の凸部を周期的に配置したモデル構造により行ったが、凸部の形状を不均一にしたり、凸部をランダムに配置したりすることもできる。
【符号の説明】
【００３０】
１０…サファイア基板
２０…凸部
【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１】
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