特許 6013897 半導体発光素子及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6013897

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】半導体発光素子及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/22 20100101AFI20161011BHJP

   H01L 33/42 20100101ALI20161011BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/22

   H01L33/42

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-274436(P2012-274436)

(22)【出願日】2012年12月17日

(65)【公開番号】特開2014-120599(P2014-120599A)

(43)【公開日】2014年6月30日

【審査請求日】2015年11月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】特許業務法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 静一郎

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１０１５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３１１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２１８３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１７８４５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の導電型を有する第１の半導体層と、第２の導電型を有する第２の半導体層と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層間に設けられた発光層と、からなる半導体構造層を少なくとも含む発光構造体を有し、前記第２の半導体層側の前記発光構造体の表面を光取出し面とする半導体発光素子であって、
前記光取出し面は、その表面上に頂部から底部に向かって延びる溝を備えた錐状又は柱状の突起からなる凹凸構造を有していることを特徴とする半導体発光素子。

【請求項2】

前記光取出し面は前記第２の半導体層の表面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】

前記発光構造体は前記第２の半導体層上に形成された透光性の導電体層を含み、
前記光取出し面は前記導電体層の表面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4】

第１の導電型を有する第１の半導体層と、第２の導電型を有する第２の半導体層と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層間に設けられた発光層と、からなる半導体構造層を少なくとも含む発光構造体を有し、前記第２の半導体層側の前記発光構造体の表面を光取出し面とする半導体発光素子の製造方法であって、
前記第１の半導体層、前記発光層、及び前記第２の半導体層を順次積層する工程と、
前記光取出し面上に所定形状の複数のマスクを形成する工程と、
前記マスク上から前記光取出し面にドライエッチングを行って、前記光取出し面上に頂部から底部に向かって延びる溝を備えた錐状又は柱状の突起からなる凹凸構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

【請求項5】

前記ドライエッチングを行う工程は、前記マスクの側面に凹部を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。

【請求項6】

前記マスクを形成する工程は、前記マスクの側面に凹部を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。

【請求項7】

前記マスクの前記凹部は熱変形によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば発光ダイオードなどの半導体発光素子は、通常、成長基板上に、ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層からなる半導体構造層を成長し、半導体構造層に電極を形成して作製される。発光層から発せられた光をより多く取出すことを図る半導体発光素子として、ｐ型半導体層上に透明導電体層及び金属層を形成し、支持基板に貼り付けた後、成長基板を除去した構成を有するいわゆるシンフィルム構造の半導体発光素子が知られている（特許文献１など）。

【0003】

特許文献２には、光取出し面であるｎ型半導体層の表面に凹凸構造を形成し、外部への光取出し効率を向上させた半導体発光素子が開示されている。また、特許文献３には、光取出し面の表面に凹凸構造を有し、当該凹凸構造によって発光層から放出された光が光取出し面において回折するように構成された半導体発光素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開2008-98336号公報

【特許文献2】特開2009-252860号公報

【特許文献3】特開2006-49855号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

半導体発光素子の光取出し面に凹凸構造を形成する手法の１つは、エッチングによって光取出し面を加工することである。エッチングは、液体を使用するウェットエッチングとプラズマ等を使用するドライエッチングとに大きく分類される。

【0006】

ウェットエッチングを用いる場合、例えば、ＧａＮ系半導体からなる半導体構造層の場合はＫＯＨ溶液などのアルカリ溶液、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる半導体構造層の場合はＨＣｌ溶液などの酸溶液を使用して、半導体構造層の表面に錐形状の凹凸構造を形成することができる。ウェットエッチングの特徴として、エッチング用のマスクを作製することなくエッチングのみで素子表面を粗面化することができる点が挙げられる。

【0007】

しかし、ウェットエッチングは半導体構造層の結晶性の影響を受けるため、半導体の面方位によっては効果的な粗面を得ることができない場合がある。従って、必ずしも取出し効率を向上させるような凹凸構造を形成することができるとは限らない。また、形成された構造物の大きさ及び密度には大きなばらつきがあり、同一品質を有する表面が繰り返し得られる可能性も低い。従って、理想的な凹凸構造を有する表面を得ることは困難である。

【0008】

一方、ドライエッチングを用いる場合、予めＳｉＯ_２やレジストなどを所望のパターンに形成し、これをマスクとして、例えば塩素ガスを用いてエッチングを行う。ドライエッチングの特徴としては、フォトリソグラフィを用いたマスクを使用することによって、凹凸構造を均一かつ規則的に形成することができる点が挙げられる。

【0009】

半導体発光素子の光取出し効率を向上させるという用途を考慮すると、凹凸構造の構造物のサイズは、光学波長（発光波長を半導体構造層の屈折率で割ったもの、すなわち半導体構造層内における波長）の数倍程度であることが望ましい。可視光の波長は１μｍよりも小さいため、例えば円錐状の突起からなる凹凸を形成する場合、当該円錐のサイズはサブミクロンサイズであることが求められる。

【0010】

ドライエッチングを使用してこのようなサブミクロンサイズの凹凸を形成する方法として、同じサイズのパターンのマスクを準備することが挙げられる。しかし、このためには、特許文献３に開示されているような高価なステッパや電子ビームによる描画装置などを用いる必要がある。

【0011】

他の方法として、塗布したレジストに凹凸形状を有するモールドを押し当てることによってモールドの凹凸構造を転写するナノインプリント技術を用いてもサブミクロンサイズの凹凸を形成することができる。しかし、このためにも、高価なナノインプリント装置および金型を準備する必要がある。さらに、既に電極等が形成されておりかつ段差を有した表面にパターンを転写することは困難である。

【0012】

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、光取出し効率が改善された凹凸形状を有し、高輝度かつ高発光効率な半導体発光素子を提供することを目的としている。

【0013】

また、高価な装置を用いずかつ簡便な方法により、光取出し効率の高い凹凸構造を形成する工程を含む半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明による半導体発光素子は、第１の導電型を有する第１の半導体層と、第２の導電型を有する第２の半導体層と、第１の半導体層及び第２の半導体層との間に設けられた発光層と、からなる半導体構造層を少なくとも含む発光構造体を有し、第２の半導体層側の発光構造体の表面を光取出し面とし、光取出し面は、その表面上に頂部から底部に向かって延びる溝を備えた錐状又は柱状の突起からなる凹凸構造を有していることを特徴としている。

【0015】

また、本発明による半導体発光素子の製造方法は、第１の導電型を有する第１の半導体層と、第２の導電型を有する第２の半導体層と、第１の半導体層及び第２の半導体層との間に設けられた発光層と、からなる半導体構造層を少なくとも含む発光構造体を有し、第２の半導体層側の発光構造体の表面を光取出し面とする半導体発光素子の製造方法であって、第１の半導体層、発光層、及び第２の半導体層を順次積層する工程と、光取出し面上に複数の所定形状のマスクを形成する工程と、マスク上から光取出し面にドライエッチングを行って、光取出し面上に頂部から底部に向かって延びる溝を備えた錐状又は柱状の突起からなる凹凸構造を形成する工程と、を含むことを特徴としている。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施例１の半導体発光素子の構造を示す断面図である。

【図2】実施例１における発光構造体の構造を説明する断面図である。

【図3】実施例１における支持体の構造を説明する断面図である。

【図4】実施例１における接合体を説明する断面図である。

【図5】（ａ）及び（ｂ）は、実施例１の半導体発光素子における光取出し面の凹凸構造を示す図である。

【図6】比較例の半導体発光素子における光取出し面の凹凸構造を示す図である。

【図7】実施例１、比較例及び光取出し面が平坦面構造を有する半導体発光素子の光取出し効率を示す図である。

【図8】実施例１における光取出し面に凹凸構造を形成する工程を説明する図である。

【図9】図８における凹部を有するマスクの上面図である。

【図10】図８における凹部を有するマスクの上面を示す図である。

【図11】実施例２の半導体発光素子の構造を説明する断面図である。

【図12】実施例２における光取出し面に凹凸構造を形成する工程を説明する図である。

【図13】図１２における凹部を有するマスクの上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

【実施例1】

【0018】

図１は、本発明による実施例１の半導体発光素子の構造を示す断面図である。半導体発光素子５は、発光構造体１０、支持体３０、複合接合層４０、凹凸構造５０、及び表面電極６０を含む。より詳細には、半導体発光素子５は、発光構造体１０と支持体３０とが複合接合層４０によって接合されたいわゆるシンフィルム構造又は貼り合わせ構造を有している。

【0019】

以下においては、図２〜図４及び図１を参照して半導体発光素子５の構造を具体的に説明する。図２は、発光構造体１０の構造を説明する断面図である。発光構造体１０は、成長基板１９上に、ｎ型半導体層１８、発光層１７、及びｐ型半導体層１６がこの順で形成された構造を有している。以下においては、ｎ型半導体層１８、発光層１７、及びｐ型半導体層１６の全体を半導体構造層１５と称する。ｎ型半導体層１８、発光層１７、及びｐ型半導体層１６は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて成長基板１９に格子整合するようにエピタキシャル成長される。

【0020】

本実施例においては、成長基板１９の形成には３００μｍの層厚を有するｎ型ＧａＡｓを用いた。ｎ型半導体層１８の組成はＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐとし、層厚は３μｍとした。発光層１７は多重量子井戸構造を有しており、井戸層の組成は（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐとし、層厚は０．５μｍとした。ｐ型半導体層１６の組成は（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐとし、層厚は１μｍとした。

【0021】

なお、ｎ型半導体層１８、発光層１７、及びｐ型半導体層１６が上記のような組成を有している場合について説明したが、他の組成を有していても良い。好ましくは、ｎ型半導体層１８及びｐ型半導体層１６は、それぞれ（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（０．４≦ｚ≦１．０）の組成を有し、発光層１７の井戸層は（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（０≦ｚ≦０．４）の組成を有している。また、発光層１７が多重量子井戸構造を有する場合について説明したが、発光層１７は単一量子井戸構造を有していても良く、又は単層構造を有していても良い。

【0022】

発光構造体１０のｐ型半導体層１６上には、ｐ型電流拡散層１４、絶縁層１３、反射金属層１２、バリア層１１、及び接着層（第１の接着層）２０が順に形成されている。反射金属層１２及び絶縁層１３によって反射層が形成される。絶縁層１３は、例えばプラズマＣＶＤ法やスパッタ法などによってｐ型電流拡散層１４上にＳｉＯ_２を成膜した後、エッチングなどを用いてｐ型電流拡散層１４に達する開口部を設けることによって形成される。反射金属層１２は、ｐ型電流拡散層１４にオーミック接合可能な金属を用いて、抵抗加熱蒸着法やＥＢ蒸着法などによって形成される。バリア層１１及び接着層２０は、スパッタ法又はＥＢ蒸着法によって形成される。

【0023】

本実施例においては、ｐ型電流拡散層１４はＧａＩｎＰからなり、その層厚は１０μｍとした。絶縁層１３の形成にはＳｉＯ_２を用い、その層厚は９０ｎｍとした。反射金属層１２はスパッタ法によってＡｕＺｎを形成し、その層厚は３００ｎｍとした。バリア層１１の形成にはスパッタ法を用いてＴａＮ、ＴｉＷ、ＴａＮを順に積層し、その層厚はそれぞれ１００ｎｍとした。バリア層１１の形成後、約５００℃の窒素雰囲気の下で熱処理を行った。接着層２０はＥＢ蒸着法を用いて形成されたＮｉ及びＡｕからなり、その層厚はそれぞれ３００ｎｍ及び３０ｎｍとした。

【0024】

なお、絶縁層１３の形成にＳｉＯ_２を用いる場合について説明したが、絶縁層１３をＡｌ_２Ｏ_３などの透明な誘電性材料から形成してもよい。反射金属層１２の材料としてＡｕＺｎを用いたが、例えばＡｇ、Ｒｄなどの高反射性金属を用いても良い。バリア層１１は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗなどの高融点の金属及びその窒化物からなる単層又は多層構造を有していても良い。

【0025】

図３は、支持体３０の構造を説明する断面図である。支持体３０は支持基板３１を有し、支持基板３１の両主面上には、オーミック金属層３２Ａ及び３２Ｂが形成されている。オーミック金属層３２Ａ及び３２Ｂは、例えば抵抗加熱、ＥＢ蒸着法、又はスパッタ法などを用いて形成される。

【0026】

本実施例においては、ｐ型不純物を高濃度に添加したＳｉ基板を支持基板３１として形成し、Ｓｉ基板の主面の両方にオーミック金属層３２Ａ及び３２Ｂとしてそれぞれ２００ｎｍの層厚を有するＰｔを形成した。

【0027】

なお、支持基板３１をＳｉ基板から構成する場合について説明したが、支持基板３１は、例えばＡｌ、Ｃｕなどの導電性でありかつ熱伝導率の高い材料から構成されても良い。また、オーミック金属層３２Ａ及び３２ＢにＰｔを用いた場合について説明したが、オーミック金属層３２Ａ及び３２Ｂは、Ａｕ、Ｎｉ、ＴｉなどのＳｉ基板とのオーミック接合を形成することが可能な金属から構成されても良い。オーミック金属層３２Ａ及び３２Ｂの各々が２００ｎｍの層厚を有する場合について説明したが、オーミック金属層３２Ａ及び３２Ｂはそれぞれ１００〜３００ｎｍの層厚を有していることが好ましい。

【0028】

支持体３０のオーミック金属層３２Ｂ上には、密着層３３、接着層（第２の接着層）３４、及び共晶接合層３５が順に積層されている。密着層３３、接着層３４、及び共晶接合層３５は、例えば抵抗加熱、ＥＢ蒸着法、又はスパッタ法などを用いて形成される。

【0029】

本実施例においては、密着層３３及び接着層３４をそれぞれＴｉ（層厚１５０ｎｍ）及びＮｉ（層厚１００ｎｍ）から形成した。共晶接合層３５の形成にはＡｕＳｎを用い、その組成は、Ａｕ：Ｓｎ＝約８０ｗｔ％：約２０ｗｔ％（約７０ａｔ％：約３０ａｔ％）であり、その層厚は６００ｎｍとした。

【0030】

なお、密着層３３及び接着層３４はそれぞれ１００〜２００ｎｍ及び５０〜１５０ｎｍの層厚を有していることが好ましい。接着層３４はＮｉの代替としてＮｉＶ、Ｐｔなどを用いて形成されても良い。また、共晶接合層３５はその主成分がＡｕＳｎであればよく、添加物が加えられていても良い。共晶接合層３５の好ましい層厚は３００〜３０００ｎｍである。

【0031】

図４は、発光構造体１０と支持体３０とが接合され、成長基板１９が発光構造体１０から除去された後の接合体の構造を説明する断面図である。発光構造体１０と支持体３０とは熱圧着によって接合される。熱圧着によって、発光構造体１０の接着層２０と支持体３０の共晶接合層３５及び接着層３４とが複合接合層４０を形成する。

【0032】

本実施例においては、窒素雰囲気、約１ＭＰａの圧力、及び３３０℃の温度条件の下で、発光構造体１０の接着層（ＮｉＡｕ層）２０と支持体３０の共晶接合層（ＡｕＳｎ層）３５とを密着させ、１０分間保持することによって熱圧着を行った。その結果、複合接合層（ＡｕＳｎＮｉ層）４０が形成された。

【0033】

なお、熱圧着における各条件は、使用する共晶材料が溶融し、その特性に変化（例えば酸化などによる接合強度の劣化）を及ぼさず、かつ発光構造体と支持体とを接合することができれば、上記の材料、雰囲気、温度、及び時間などの条件に限定されない。

【0034】

発光構造体１０と支持体３０とが接合された後に発光構造体１０から成長基板１９が除去され、図４に示されている接合体が形成される。本実施例においては、アンモニアと過酸化水素とを混合したエッチャントを用いたウェットエッチングを行い、発光構造体１０から成長基板１９を除去した。なお、成長基板の除去にウェットエッチングを用いる場合について説明したが、当該除去はドライエッチング、機械研磨法、化学機械研磨（ＣＭＰ）法、又はこれらの組合せによって行なわれてもよい。

【0035】

続いて、図１を参照して、ｎ型半導体層１８の表面に凹凸構造５０が形成され、ｎ型半導体層１８の表面に表面電極６０が形成された半導体発光素子５の構造を説明する。凹凸構造５０はドライエッチングを用いてｎ型半導体層１８の表面に形成される。

【0036】

本実施例においては、まずｎ型半導体層１８の表面に、フォトリソグラフィによってレジストのパターンを形成した。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングを行った。エッチング中において、通常はエッチングステージの基板をＨｅによって冷却する。しかし、本実施例においては基板を冷却せずにエッチングを行った。この凹凸構造５０及びその形成工程については、図５及び図８を用いてより詳細に後述する。なお、エッチング前において、表面電極６０が形成される領域に、例えばＳｉＯ_２を用いて保護マスクを設けても良い。

【0037】

表面電極６０は、ｎ型半導体層１８とオーミック接合を形成するように、ｎ型半導体層１８の表面に形成される。表面電極６０は、例えばリフトオフ法を用いて形成され、その蒸着方法としては、抵抗加熱蒸着法、ＥＢ蒸着法、スパッタ法を用いることができる。

【0038】

本実施例においては、ｎ型半導体とのオーミック接合を形成することができる材料として知られているＡｕＧｅＮｉを用いて表面電極６０を形成した。また、ｎ型半導体層１８と表面電極６０との間に良好なオーミック接合を形成するために、窒素雰囲気、約４００℃の温度条件において熱処理することによって合金化を行った。なお、表面電極６０の材料にＡｕＧｅＮｉを用いる場合について説明したが、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｎＮｉなどを用いて表面電極６０を形成しても良い。

【0039】

図５（ａ）及び（ｂ）は、半導体発光素子５の半導体構造層１５内におけるｎ型半導体層１８の表面（すなわち光取出し面）に形成された凹凸構造５０の電子顕微鏡観察画像（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ像）である。図５（ａ）に示されているように、ｎ型半導体層１８の表面には、錐台形状の突起が、均一かつ規則的に、そして密に形成されている。また、突起の各々の表面（すなわち錐台形の側面）には、錐台形の上面（頂面）から底面に向かって放射状に延びた溝が複数個形成されている。

【0040】

凹凸構造５０は、この放射状の溝を備えた多数の突起から形成されている。発光層１７からこの突起へ入射した光は、放射状の溝を備えた表面によって外部に取出される確率が高くなり、光取出し効率が向上する。従って、発光層１７から凹凸構造５０内に入射した光が外部へ取出される確率が高くなり、高発光効率かつ安定した発光強度の半導体発光素子を提供することができる。

【0041】

また、改変例として、凹凸構造５０の形成時におけるプロセス条件を変更することによって、図５（ｂ）に示されているような錐形状に近い形状を有する突起からなる凹凸構造５０を形成することもできる。突起の各々は、その表面（側面）に放射状の溝を有していることに加え、ほぼ錐形状に近い形状を有している。さらに、プロセス条件の調整により、完全な錐形状の突起を形成することもできる。この場合、錐形状の側面において、錐形状の頂点から底面に向かって放射状に延びた溝が形成される。なお、上記の錐形状及び錐台形状の突起をまとめて錐状の突起と称する。

【0042】

同様に、プロセス条件を調整することによっては、柱状の突起を形成することもできる。柱状の突起においても、その側面には柱形状の上面端部から底面端部に向かって延びる溝が設けられる。

【0043】

錐状及び柱状の突起のいずれを形成する場合あっても、その上面（又は頂点）から底面に向かって延びる溝を有していることによって、発光層１６から発せられた光が光取出し面から外部へ取出される確率がさらに高くなる。従って、より高い光取出し効率を実現することができる。

【0044】

図６は、本実施例の半導体発光素子５の比較例として、ｎ型半導体層上に設けられた放射状の溝を備えていない円錐台形状の突起の電子顕微鏡観察画像（ＳＥＭ像）を示している。本比較例における凹凸構造は、図１を用いて説明した凹凸構造５０を形成する際のドライエッチング中において、エッチングステージの温度を２０℃に設定し、かつ基板の裏面をヘリウムによって冷却しつつドライエッチングを行うことによって作製した。

【0045】

図６に示されているように、この円錐台形状を有する突起の各々の側面部分は、半導体発光素子５の凹凸構造５０の突起とは異なり、放射状の溝を有しないほぼ完全な曲面形状を有している。発光層からこの円錐台形状の突起内へ進入した光は、突起の表面において臨界角内の成分が大きくなり、臨界角外の光においても光取出し方向である突起の頂部（上面）の方向に向かって進んだ後に、外部へ取出される。従って、突起を有しない平坦な光取出し面と比べると、光取出し効率は向上する。しかし、発光層からこの円錐台形状の突起内へ進入した光は、突起の側面（表面）部分によって複数回反射され、光取出し方向とは反対の発光層の方向に戻ってしまうことがある。

【0046】

図７は、本実施例の半導体発光素子５と、その比較例（図６）の半導体発光素子と、凹凸構造を有しない平坦面の光取出し面を有する半導体発光素子と、における光取出し効率を示している。図７のグラフは、平坦面の光取出し面を有する半導体発光素子の光取出し効率を１に規格化した場合の本実施例及びその比較例の規格化光取出し効率を示している。

【0047】

図７に示されているように、本実施例の半導体発光素子５の光取出し効率は、平坦面の光取出し面を有する半導体発光素子の光取出し効率に比べて、５０％以上改善されている。また、比較例と比べても約１０％高い光取出し効率を有している。

【0048】

なお、上記においては、半導体発光素子がＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる場合について説明したが、半導体発光素子は、他の結晶系半導体、例えばＧａＮ系半導体から形成されていても良い。また、半導体発光素子がシンフィルム構造を有している場合について説明したが、半導体発光素子は、分布ブラッグ反射層（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）構造、透明基板を貼り合わせた構造、又は単純な成長基板上に半導体構造層を積層した構造を有していても良い。

【0049】

上記したように、本発明による半導体発光素子においては、その光取出し面上に頂部から底部に向かって延びる溝を備えた錐状又は柱状の突起からなる凹凸構造が設けられている。かかる構造によって、光取出し効率が大幅に向上した高発光効率、高輝度かつ安定した発光強度の半導体発光素子を提供することができる。

【0050】

図８は、図１を用いて説明した光取出し面に凹凸構造５０を形成する工程について、より具体的に説明する図である。

【0051】

まず、ｎ型半導体層１８の表面（光取出し面）にレジストを塗布し、フォトリソグラフィを用いて所定のパターンのマスク５５を形成する。例えば、円錐形状又は円柱形状の突起を形成する場合は円形状の複数のレジストマスクを光取出し面に形成する。また、多角錐形状又は多角柱形状の突起を形成する場合は多角形状の複数のレジストマスクを光取出し面に形成する。

【0052】

本実施例においては、直径３μｍの円形状のパターンを４μｍ間隔で細密充填配置することによって光取出し面上にレジストのマスク５５を形成した。レジストとしては、例えばＡＺ６１３０やＯＦＰＲ８００などの一般的なポジ型レジスト等を用いる事ができ、さらには耐ドライエッチング性が良いことが好ましい。

【0053】

次に、光取出し面において、レジストのマスク５５上から、マスク５５を変形させつつドライエッチングを行う。

【0054】

本実施例においては、レジストのマスク５５上から、１５ｓｃｃｍの塩素雰囲気、１０ｍＴｏｒｒ（＝約１．３３Ｐａ）の圧力、５００Ｗの出力条件の下、２分間エッチングを行った。ドライエッチング中においては、Ｈｅによる基板冷却を行わず、エッチング中のステージ温度を約４０℃に設定した。ステージ温度の制御は、チラーにより温度制御された溶媒をステージ下部において循環させることによって行った。この条件の下でエッチングを行うと、レジストのマスク５５が熱によって収縮及び変形する。

【0055】

図９は、収縮及び変形後のマスク５５を模式的に示している。具体的には、マスク５５の材料であるレジストがマスク５５のパターン形状（本実施例においては円形状）の中央部に向かって収縮及び変形する。その際、パターン形状の中央部が最もマスク層厚の大きい部分となり、パターン形状の中央部から側部に向かって徐々に層厚が小さくなる。さらに、パターン形状の側面においてはマスク層厚の大きい部分と小さい部分とが交互に形成される。

【0056】

その後、エッチングを進めると、マスク５５のパターン形状の側面における当該マスク層厚の薄い部分がエッチングによって除去され、当該部分には凹部５５Ａが形成される。後述する突起５１の溝５１Ａは、この凹部５５Ａに対応した位置に形成される。マスク５５及び凹部５５Ａを上面から見た電子顕微鏡観察画像（ＳＥＭ像）を図１０に示す。

【0057】

さらにエッチングを進めると、徐々にマスク５５の層厚の小さい部分、すなわち凹部５５Ａに対応する部分からエッチングによってマスク５５の除去が進む。従って、マスク５５の凹部５５Ａがマスク５５のパターン形状の中央部に向かって伸びていく。ｎ型半導体層１８の表面（光取出し面）は、マスク５５が除去されるのに伴って徐々に加工されていく。突起５１の溝５１Ａは、突起５１の頂部から底部に向かって徐々に形成されていく。

【0058】

このようにして、ｎ型半導体層１８の表面には錐台形状の突起５１が形成される。突起５１の表面（側面）には、凹部５５Ａを有するマスク５５によってその頂部から底面に向かって延びた放射状の溝５１Ａが形成される。

【0059】

なお、上記したように、ここでのプロセス条件を調整することによって、錐状（錐形状及び錐台形状）又は柱状の様々な突起を形成することができるが、その表面（側面）には上面（頂点）から底面に向かって延びる溝が形成される。

【0060】

その後、マスク５５を除去することによって、その頂部から底面に向かって延びる溝を備えた側面を有する錐状又は柱状の突起からなる凹凸構造５０を有する光取出し面を形成することができる。上記工程に高価な装置は不要であり、複雑な工程及びパラメータも不要である。さらに、本来必要とされるサブミクロンサイズではなく、数μｍのサイズを有する突起を形成したにもかかわらず、光取出し効率は向上した。

【0061】

なお、エッチングガスとして塩素（Ｃｌ_２）を用いる場合について説明したが、塩素（Ｃｌ_２）に対して塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）、塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）又はアルゴン（Ａｒ）などを加えたものがエッチングに用いられても良い。また、ステージ温度を４０℃に設定する場合について説明したが、Ｈｅによる基板冷却を行わない条件下において、ステージ温度が２０〜６０℃の範囲内であれば同様の凹凸構造を形成することができた。また、エッチングガスの種類、圧力、パワー、エッチング時間などのエッチング条件を適宜調整する事によって、上記温度条件やエッチング量は変化する。

【0062】

なお、本実施例においては、基板を冷却せずにドライエッチングを行い、熱変形によって側面に凹部を有するマスクを形成する場合について説明したが、これに限らない。例えば、側面に凹部を有するマスクを、フォトリソグラフィ、電子ビームによる直描などによって形成してもよい。この場合、マスクに凹部を形成する工程は、ドライエッチング中ではなく、マスク形成中に行われる。

【0063】

上記したように、本発明による半導体発光素子の製造方法においては、第１の半導体層、発光層、及び第２の半導体層を順次積層する工程と、光取出し面上に所定形状の複数のマスクを形成する工程と、マスク上から光取出し面にドライエッチングを行って、光取出し面上に頂部から底部に向かって延びる溝を備えた錐状又は柱状の突起からなる凹凸構造を形成する工程とを含む。かかる工程によって、高価な装置を用いずかつ簡便な方法により、光取出し効率の高い凹凸構造を光取出し面に形成することができる。

【実施例2】

【0064】

図１１は、本発明による実施例２の半導体発光素子７の構造を説明する断面図である。半導体発光素子７は、ｎ型半導体層の表面に透光性の導電体層が設けられる点を除き、半導体発光素子５と同様の構造を有している。半導体発光素子７は、発光構造体７０、支持体３０、複合接合層４０、凹凸構造７０、及び表面電極９０を含み、発光構造体７０と支持体３０とが複合接合層４０によって接合されたいわゆるシンフィルム構造又は貼り合わせ構造を有している。

【0065】

半導体発光素子５とは異なり、ｎ型半導体層の表面には透光性の導電体層が設けられている。半導体発光素子７の発光構造体７０は、半導体構造層７５の表面すなわちｎ型半導体層７８上に透光性の導電体層７９を有している。透光性の導電体層７９は、例えばＩＴＯなどの透明導電体からなる。以下においては、導電体層が透明導電体層７９である場合について説明する。

【0066】

半導体発光素子７は、透明導電体層７９の形成、凹凸構造８０の形成、及び表面電極９０の形成を除き、半導体発光素子５と同様の工程によって製造される。透明導電体層７９は、成長基板（図示せず）を除去した後にｎ型半導体層７８の表面に形成される。凹凸構造８０及び表面電極９０は、透明導電体層７９の表面に形成される。

【0067】

本実施例においては、バリア層７１、反射金属層７２、絶縁層７３、ｐ型電流拡散層７４、ｐ型半導体層７６、発光層７７、ｎ型半導体層７８、及び表面電極９０は、それぞれ、実施例１におけるバリア層１１、反射金属層１２、絶縁層１３、ｐ型電流拡散層１４、ｐ型半導体層１６、発光層１７、ｎ型半導体層１８、及び表面電極６０と同様の材料を用いて形成した。凹凸構造８０は、凹凸構造５０と同様の構造を有している。半導体発光素子７の他の構成要素及びその詳細については、半導体発光素子５と同様であるため、同一の参照番号とし、説明は省略する。

【0068】

図１１に示されているように、凹凸構造８０は、透明導電体層７９の表面に形成されている。本実施例においては、光取出し面は透明導電体層７９の表面である。凹凸構造８０は、凹凸構造５０と同様に、透明導電体層７９の表面上に、頂部から底部に向かって延びた溝を備えた錐状又は柱状の突起からなる。半導体発光素子７は、ｎ型半導体層７８上に透明導電体層７９が設けられた構成を有する発光構造体７０を含む。従って、透明導電体層７９内における電流拡散が促進され、高輝度、高発光効率、かつ均一な光を放出する半導体発光素子を提供することができる。

【0069】

図１２は、半導体発光素子７の光取出し面（透明導電体層７９の表面）に凹凸構造８０を形成する工程を説明する図である。上記したように、本実施例においては、光取出し面は透明導電体層７９の表面である。

【0070】

まず、透明導電体層７９の表面に所定形状の複数のマスク８５を形成する。マスク８５の形状は、例えば円形状（円錐形状又は円柱形状の突起を形成する場合）及び多角形状（多角錐形状又は多角柱形状の突起を形成する場合）を含む。本実施例において、マスク８５はレジストを用いて形成した。

【0071】

次に、マスク８５上から、光取出し面（透明導電体層７９の表面）にドライエッチングを行う。実施例１と同様に、基板の裏面をＨｅによって冷却することなくエッチングを行い、マスク８５のパターン形状の側面に凹部８５Ａを形成した。図１３に、凹部８５Ａが形成されたマスク８５の上面図を示す。

【0072】

さらにドライエッチングを行い、光取出し面に、頂部から底部に向かって延びた溝８１Ａを備えた錐状の突起８１を複数個形成する。その後、マスク８５を除去する。このようにして、頂部から底部に向かって延びる放射状の溝８１Ａを備えた錐状の突起８１からなる凹凸構造８０が光取出し面に形成される。

【0073】

本実施例においては、実施例１における凹凸構造５０を形成する際のプロセス条件（エッチングガス、時間、温度など）を調節することのみで凹凸構造８０を形成することができた。

【0074】

なお、本実施例においても、プロセス条件を適宜調節することによって、錐状又は柱状の突起を作製することができる。また、マスクに凹部を形成する工程がエッチング時に行われる場合について説明したが、マスクを形成する工程においてフォトリソグラフィや電子ビームによる直描などによってマスクに凹部が形成されてもよい。透明導電体層は、発光層からの光に対して透光性であればよい。

【符号の説明】

【0075】

５、７ 半導体発光素子
１０、７０ 発光構造体
１５、７５ 半導体構造層
１８ ｎ型半導体層
７９ 透明導電体層
５０、８０ 凹凸構造
５１、８１ 突起
５１Ａ、８１Ａ 溝
５５、８５ マスク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図7】

【図8】

【図9】

【図11】

【図12】

【図13】

【図5】

【図6】

【図10】