特許 6231810 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】6231810

(24)【登録日】2017年10月27日

(45)【発行日】2017年11月15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 20100101AFI20171106BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20171106BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/22

   H01L33/32

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-166465(P2013-166465)

(22)【出願日】2013年8月9日

(65)【公開番号】特開2015-35539(P2015-35539A)

(43)【公開日】2015年2月19日

【審査請求日】2016年7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】赤木 孝信

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 竜舞

【審査官】 高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１８６３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０４９８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５１５１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０１０２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２１４２６７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５，２１／３１，２１／３６５，２１／４６９，

２１／８６，３３／００−３３／６４

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｃ２３Ｆ １／００−４／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体構造層を含む半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体構造層の表面に、前記半導体構造層の前記表面の結晶方向に基づいて配置されたエッチング容易部を形成する工程と、
前記半導体構造層の前記表面にウェットエッチングを行い、前記半導体構造層の前記表面に、前記半導体構造層の結晶構造に由来する複数の突起からなる凹凸構造面を形成する工程と、を含み、
前記半導体構造層は六方晶系の結晶構造を有し、前記半導体構造層の前記表面はＣ^-面であり、
前記エッチング容易部は、前記半導体構造層の前記表面の結晶方向のうち、［１１−２０］方向に平行に且つ等間隔で配列された複数の直線からなる第１の直線群と、［２−１−１０］方向に平行に且つ前記第１の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第２の直線群と、［１−２１０］方向に平行に且つ前記第１及び第２の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第３の直線群とによって前記表面を正三角形の格子からなるメッシュ状に区画したとき、前記正三角形の前記格子の中心の各々上に形成されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

【請求項2】

半導体構造層を含む半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体構造層の表面に、前記半導体構造層の前記表面の結晶方向に基づいて配置されたエッチング容易部を形成する工程と、
前記半導体構造層の前記表面にウェットエッチングを行い、前記半導体構造層の前記表面に、前記半導体構造層の結晶構造に由来する複数の突起からなる凹凸構造面を形成する工程と、を含み、
前記半導体構造層は六方晶系の結晶構造を有し、前記半導体構造層の前記表面はＣ^-面であり、
前記エッチング容易部は、前記半導体構造層の前記表面の結晶方向のうち、［１−１００］方向に平行に且つ等間隔で配列された複数の直線からなる第１の直線群と、［１０−１０］方向に平行に且つ前記第１の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第２の直線群と、［０−１１０］方向に平行に且つ前記第１及び第２の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第３の直線群によって前記表面を正三角形の格子からなるメッシュ状に区画したとき、前記正三角形の前記格子の中心の各々上に形成されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

【請求項3】

前記エッチング容易部は、前記エッチング容易部と隣接する前記エッチング容易部の各々とを直線で結んだハニカム形状のパターンを有するように形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子の製造方法。

【請求項4】

前記エッチング容易部を形成する工程は、
前記半導体構造層の前記表面に、前記エッチング容易部の形成位置に対応するマスク部を有するマスク層を形成する工程と、
前記マスク層から露出した前記半導体構造層の前記表面に、不活性ガスによるプラズマ照射を行う工程と、
前記マスク層を除去する工程と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子の製造方法。

【請求項5】

前記エッチング容易部を形成する工程は、
前記半導体構造層の前記表面に、前記エッチング容易部の形成位置に対応する開口部を有する金属膜、絶縁膜又は樹脂膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つ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、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

発光ダイオードなどの半導体発光素子は、通常、成長用基板上に、ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層を成長し、それぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層に電圧を印加するｎ電極及びｐ電極を形成して作製される。

【0003】

上記の構造における放熱性能の向上を図る半導体発光素子として、ｐ型半導体層上にｐ電極を形成した後、接合層を介して素子を支持基板に貼り合わせ、成長用基板を除去した構造を有するいわゆる貼り合わせ構造の半導体発光素子が知られている。

【0004】

また、発光層から放出された光を多く外部へ取出すことを図る技術として、特許文献１には、成長用基板の除去後に表出したｎ型半導体層の表面にアルカリ溶液を用いたウェットエッチングを行い、半導体の結晶構造に由来した複数の突起を形成する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開2012-186335号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＧａＮ系半導体は、ウルツ鉱型の結晶構造を有している。ＧａＮ系半導体からなる半導体層のＣマイナス面（Ｃ^-面）にアルカリ溶液を用いたウェットエッチングを行うと、ウルツ鉱型の結晶構造に由来する六角錐状の突起からなる凹凸構造が形成される。光取出し面であるｎ型半導体層の表面にこの凹凸構造を形成すると、発光層から放出された光が凹凸構造を通過する確率が高い。従って、多くの光を外部へ取出すことができる。なお、この結晶構造に由来した突起は、マイクロコーンと称される。

【0007】

特許文献１に記載の技術の要点は、成長用基板を除去することによって表出したｎ型半導体層のＣ^-面に、その半導体材料の結晶軸に沿って配列された複数の凹部を形成し、その後、ｎ型半導体層にアルカリ溶液を用いたウェットエッチングを行うというものである。

【0008】

ｎ型半導体層の表面に設けられた凹部は、後工程のウェットエッチングにおいて、ｎ型半導体層の他の表面部分よりもエッチングレートが低いエッチングの制御点として機能する。エッチングの制御点（エッチングの律速点）として凹部が機能するためには、凹部内にＣ^-面以外の様々な結晶面（微細なファセット）が表出していること、例えば、凹部は、すり鉢状、円錐状又は半球状の形状を有していることが好ましいことが記載されている。

【0009】

Ｃ^-面が多く表出した凹部の場合、凹部はエッチング制御点として機能しない。例えば、円柱形状を有する凹部が形成された場合、その底部もＣ^-面となるため他の表面部分とエッチングレートが同じになり、エッチング制御点（エッチング律速点）として機能しない。

【0010】

特許文献１には、凹部が反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いて形成されることが記載されている。しかし、本願の発明者は、ドライエッチングを用いる場合、上記制御点としての凹部の形状及び深さを制御することが困難であることに着目した。すなわち、ドライエッチングを用いると、円柱状、多角柱状などの様々な形状の凹部が形成される。従って、均一かつ規則正しく配列され、かつ大きさの揃ったマイクロコーンを形成することが困難であった。

【0011】

また、凹部以外の大部分のｎ型半導体層の表面部分におけるエッチング速度についてはランダムなままであり、これがエッチングの際のマイクロコーンの形成過程を不安定なものにするという問題があった。

【0012】

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、規則正しく配列され、かつ大きさの揃った均一な突起を有して光取り出し効率の高い高輝度な半導体発光素子であって、高信頼性な半導体発光素子及びそ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】

【0013】

本発明による半導体発光素子の製造方法は、半導体構造層を含む半導体発光素子の製造方法であって、半導体構造層の表面に、半導体構造層の表面の結晶方向に基づいて配置されたエッチング容易部を形成する工程と、半導体構造層の表面にウェットエッチングを行い、半導体構造層の表面に、半導体構造層の結晶構造に由来する複数の突起からなる凹凸構造面を形成する工程と、を含み、半導体構造層は六方晶系の結晶構造を有し、半導体構造層の表面はＣ^-面であり、エッチング容易部は、半導体構造層の表面の結晶方向のうち、［１１−２０］方向に平行に且つ等間隔で配列された複数の直線からなる第１の直線群と、［２−１−１０］方向に平行に且つ第１の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第２の直線群と、［１−２１０］方向に平行に且つ第１及び第２の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第３の直線群とによって表面を正三角形の格子からなるメッシュ状に区画したとき、正三角形の格子の中心の各々上に形成されることを特徴としている。

【0014】

また、本発明による半導体発光素子の製造方法は、半導体構造層を含む半導体発光素子の製造方法であって、半導体構造層の表面に、半導体構造層の表面の結晶方向に基づいて配置されたエッチング容易部を形成する工程と、半導体構造層の表面にウェットエッチングを行い、半導体構造層の表面に、半導体構造層の結晶構造に由来する複数の突起からなる凹凸構造面を形成する工程と、を含み、半導体構造層は六方晶系の結晶構造を有し、半導体構造層の表面はＣ^-面であり、エッチング容易部は、半導体構造層の表面の結晶方向のうち、［１−１００］方向に平行に且つ等間隔で配列された複数の直線からなる第１の直線群と、［１０−１０］方向に平行に且つ第１の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第２の直線群と、［０−１１０］方向に平行に且つ第１及び第２の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第３の直線群によって表面を正三角形の格子からなるメッシュ状に区画したとき、正三角形の格子の中心の各々上に形成されることを特徴としている。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】（ａ）〜（ｄ）は、実施例１の半導体発光素子の製造方法における各工程を説明する断面図である。

【図2】（ａ）及び（ｂ）は、実施例１において形成するマスク層のマスク部の配置形態を説明する図である。

【図3】（ａ）〜（ｄ）は、実施例１のウェットエッチング工程における突起形成過程を説明する断面図である。

【図4】（ａ）〜（ｃ）は、実施例１のウェットエッチング工程におけるｎ型半導体層の表面を示す図である。

【図5】実施例１の変形例におけるｎ型半導体層の表面及びマスク層を示す図である。

【図6】（ａ）〜（ｃ）は、実施例１の変形例のウェットエッチング工程におけるｎ型半導体層の表面を示す図である。

【図7】（ａ）及び（ｂ）は、実施例において形成される突起の詳細を説明する図である。

【図8】実施例２のエッチング容易部を形成する工程を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の実施例に係る半導体発光素子の製造方法は、例えば六方晶系の結晶構造を有するＧａＮのＣ^-面すなわちＮ極性側の面（Ｎ極性面）に、相対的にエッチング速度が小さいエッチング困難部と相対的にエッチング速度が大きいエッチング容易部とを形成し、その後ウェットエッチングを行うことを特徴としている。以下に、その詳細について説明する。

【実施例1】

【0017】

図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例１に係る半導体発光素子の製造方法を説明する断面図である。なお、説明及び理解の容易さのため、半導体ウェハの隣接する２つの半導体発光素子１０の部分について説明する。

【0018】

図１（ａ）は、貼り合わせ構造を有するＧａＮ系の半導体発光素子を作製する工程を説明する断面図である。まず、結晶成長に用いられる成長用基板（図示せず）上に、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成を有するｎ型半導体層（第１の半導体層）１１、活性層１２及びｐ型半導体層（第２の半導体層）１３を順次成長する。ｎ型半導体層１１、活性層１２及びｐ型半導体層１３の全体を半導体構造層１４と称する。半導体構造層１４の成長には、有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ法）を用いた。

【0019】

本実施例においては、結晶の成長面がＣマイナス（Ｃ^-）面であるサファイア基板上に、バッファ層（図示せず）、ｎ−ＧａＮ層１１、ＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層からなる量子井戸活性層１２、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層（図示せず）及びｐ−ＧａＮ層１３を順次成長した。

【0020】

次に、ｐ型半導体層１３上にｐ電極１５を形成する。ｐ電極１５の形成には、例えばスパッタ法及び電子ビーム蒸着法を用いることができる。本実施例においては、ｐ型半導体層１３上に、パターニングを施したマスク（図示せず）を形成し、Ｎｉ層、Ａｇ層及びＮｉ層を電子ビーム蒸着法により順次形成した後、リフトオフ法によりマスクを除去することによってｐ電極１５を形成した。

【0021】

続いて、ｐ電極１５の全体を覆うように金属層１６を形成する。金属層１６は、ｐ電極１５の材料のマイグレーションを防止するキャップ層（図示せず）及び後述する支持基板との貼り合わせに用いる接合層（図示せず）を含む。金属層１６の材料としては、Ｔｉ、ＴｉＷ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｕＳｎ、Ｃｕなどの金属材料を用いることができる。金属層１６の形成には、例えば、スパッタ法及び電子ビーム蒸着法を用いることができる。本実施例においては、ｐ電極１５の全体を覆うように、Ｔｉ層、Ｐｔ層及びＡｕＳｎ層を形成した。

【0022】

次に、半導体構造層１４を素子毎に分離した後、半導体構造層１４の側部に保護膜１７を形成する。保護膜１７の形成には、スパッタ法を用いた。保護膜１７の材料としては、絶縁材料、例えばＳｉＯ₂又はＳｉＮを用いることができる。本実施例においては、ＳｉＯ₂膜を半導体構造層１４の側部に形成した。

【0023】

続いて、支持基板１８を別個に準備し、金属層１５を介して半導体構造層１４に貼り合わせる。支持基板１８の材料としては、例えば、表面にＡｕＳｎ又はＡｕなどの金属層（図示せず）が形成されたＳｉ基板又はメッキが施されたＣｕ合金などの既知の材料を用いることができる。半導体構造層１４と支持基板１８との貼りあわせには、熱圧着を用いた。本実施例においては、ＡｕＳｎ層が形成されたＳｉ基板１８と、半導体構造層１４側に形成された金属層１５とを加熱及び圧着することによって接合した。

【0024】

続いて、半導体構造層１４の成長に用いた成長用基板を半導体構造層１４から除去する。成長用基板の除去にはレーザーリフトオフを用いた。本実施例においては、ＫｒＦエキシマレーザを用いて、サファイア基板を照射し、ｎ−ＧａＮ層１１からサファイア基板を剥離した。サファイア基板が除去されたことによってｎ−ＧａＮ層１１のＣ^-面すなわち、ＧａＮのＮ極性面が表出する。

【0025】

次に、図１（ｂ）に示すように、ｎ型半導体層１１の表面に、エッチング容易部を形成する。具体的には、まず、ｎ型半導体層１１上に、その表面の結晶方向に基づいて配列された複数のマスク部１９Ａからなるマスク層１９を形成する。マスク層１９の材料としては、例えばフォトレジストを用いることができる。本実施例においては、直径３００ｎｍの円形のマスク部１９Ａを有するマスク層１９をｎ−ＧａＮ層１１の表面に形成した。具体的には、まず、レジスト層をｎ−ＧａＮ層１１の全面に塗布し、ホットプレートを用いてプリベークを行った。次に、ＵＶ光を用いてフォトレジストに上記のパターンを露光した。次いで、現像液にウェハを浸漬し、パターンの現像処理を行った。

【0026】

続いて、マスク層１９から露出したｎ型半導体層１１の表面１１Ａに、不活性ガスによるプラズマ照射を行った。不活性ガスの材料としては、例えばＡｒガスを用いることができる。プラズマ照射には、例えばスパッタ装置及びドライエッチング装置などを用いることができる。本実施例においては、Ａｒガスのプラズマを、スパッタ装置の逆スパッタ機能を用いて、約５分間ｎ−ＧａＮ層１１の露出した部分１１Ａに照射した。なお、本実施例においてはＡｒガスのプラズマを用いたが、他の不活性ガス、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎのガスのプラズマを用いても同様の効果を得ることができる。

【0027】

プラズマが照射された部分（以下、プラズマ照射部と称する）、すなわちｎ−ＧａＮ層１１の表面におけるマスク層１９から露出した部分１１Ａにおいては、後工程であるエッチング速度が相対的に小さい。一方、プラズマが照射されていない部分（以下、非プラズマ照射部と称する）、すなわちｎ−ＧａＮ層１１の表面におけるマスク層１９のマスク部１９Ａの形成位置に対応した部分においては、エッチング速度が相対的に大きい。換言すれば、非プラズマ照射部はエッチング容易部となり、プラズマ照射部はエッチング困難部となる。ｎ型半導体層の表面及びマスク層の詳細については図２を用いて後述する。

【0028】

次に、図１（ｃ）に示すように、有機溶媒を用いてマスク層１９を除去した後、アルカリ溶液を用いてｎ型半導体層１１の表面にウェットエッチングを行った。具体的には、例えば、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニア溶液）及びＫＯＨ（水酸化カリウム溶液）などのアルカリ溶液中に半導体ウェハを浸漬した。本実施例においては、ウェハを約７０℃のＴＭＡＨに浸漬した。この際、ｎ型半導体層１１の表面には、マスク層１９のマスク部１９Ａ（エッチング容易部）の配置形態に従って配列され、かつｎ型半導体層の結晶構造に由来する六角錐状の突起すなわちマイクロコーン２０が複数個形成された。このようにして、ｎ型半導体層１１の表面に複数の突起２０からなる凹凸構造面２１を形成する。

【0029】

続いて、図１（ｄ）に示すように、ｎ型半導体層１１の表面上に、保護層２２を形成した。保護層２２の材料としては、絶縁材料、例えば、ＳｉＯ₂及びＳｉＮを用いることができる。保護層２２の形成には、スパッタ法を用いた。なお、後述するｎ電極２３を形成する部分に保護層２２を形成する必要はない。

【0030】

次に、ｎ型半導体層１１の表面にｎ電極２３を形成する。ｎ電極２３の形成には、例えばスパッタ法及び電子ビーム蒸着法を用いることができる。本実施例においては、ｎ型半導体層１１の表面上に保護層２２が形成されない部分を設けた上で、ｎ型半導体層１１上に、パターニングを施したマスク（図示せず）を形成し、Ｔｉ層、Ａｌ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層及びＡｕ層を電子ビーム蒸着法により順次形成した後、リフトオフ法によりマスクを除去することによってｎ電極２３を形成した。その後、素子毎に支持基板１８を分割して、半導体発光素子１０を得る。

【0031】

図２（ａ）及び（ｂ）を参照して、エッチング容易部及びエッチング困難部を形成するためのマスク層の詳細について説明する。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、ｎ型半導体層１１（半導体構造層１４）の上面図であり、図中の破線はｎ型半導体層１１の表面における結晶方向に平行な直線を示している。

【0032】

本実施例においては、マスク層１９のマスク部１９Ａは、図２（ａ）に示すようなドット状の配置形態をなすように形成した。すなわち、マスク部１９Ａの各々は、ｎ型半導体層１１の表面の結晶方向のうち、［１１−２０］方向に平行に且つ等間隔で配列された複数の直線からなる第１の区画線群（第１の直線群）Ｌ１と、［２−１−１０］方向に平行に且つ第１の区画線群Ｌ１と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第２の区画線群（第２の直線群）Ｌ２と、［１−２１０］方向に平行に且つ第１及び第２の区画線群Ｌ１及びＬ２と同じ間隔で配列された第３の区画線群（第３の直線群）Ｌ３とによってｎ型半導体層１１の表面を正三角形の単位格子（単位グリッド又は単位セル、以下、単に格子と称する）ＧＤからなるメッシュ状に区画したとき、その正三角形の格子ＧＤの中心の各々上に形成される。

【0033】

具体的には、まず、ｎ型半導体層１１の表面において、ｎ型半導体層１１の表面の結晶方向のうち、［１１−２０］方向に平行に且つ等間隔で配列された直線を複数本決定し、これら直線の全体を第１の直線群Ｌ１とする。同様に、［２−１−１０］方向及び［１−２１０］方向にそれぞれ平行に且つ第１の直線群Ｌ１と同じ間隔で配列された直線を複数本決定し、これら直線の全体をそれぞれ第２の直線群Ｌ２及び第３の直線群Ｌ３とする。この際、各直線群から１つの直線を選択したとき、その３つの直線が１点で（交点ＩＳで）交わるように直線を決定する。これによって、ｎ型半導体層１１の表面が各直線群における各交点ＩＳを頂点とする複数の正三角形の格子ＧＤによってメッシュ状に区画される。また、ｎ型半導体層１１の表面は、同一形状を有する正三角形の単位格子ＧＤによってメッシュ状に区画される。

【0034】

マスク部１９Ａは、この複数の正三角形の格子ＧＤの中心の各々上に形成する。エッチング容易部は、マスク部１９の形成位置に対応したプラズマが照射されない部分となる。本実施例においては、各直線群において直線間の間隔を約０．７〜約１．５μｍの範囲内とし、これによってマスク部の配置場所を決定した。

【0035】

換言すれば、マスク層１９のマスク部１９Ａの各々は、第１の直線群Ｌ１と、第２の直線群Ｌ２と、第３の直線群Ｌ３とによってｎ型半導体層１１の表面を正三角形の格子ＧＤからなるメッシュ状に区画したとき、当該格子ＧＤの頂点（すなわち各直線群の交点ＩＳ）の各々を中心とする正六角形の頂点部分を構成するように形成される。

【0036】

なお、マスク層１０のマスク部１９Ａは、図２（ｂ）に示すように、ｎ型半導体層１１の表面の結晶方向のうち、［１−１００］方向に平行に且つ等間隔で配列された複数の直線からなる第１の直線群Ｌ１Ａと、［１０−１０］方向に平行に且つ第１の直線群Ｌ１Ａと同じ間隔で配列された複数の直線からなる第２の直線群Ｌ２Ａと、［０−１１０］方向に平行に且つ第１の直線群Ｌ１Ａ及び第２の直線群Ｌ２Ａと同じ間隔で配列された複数の直線からなる第３の直線群Ｌ３Ａとによってｎ型半導体層１１の表面をメッシュ状に区画して設けられた単位格子の中心の各々上に形成されてもよい。

【0037】

なお、半導体構造層１４（ｎ型半導体層１１）の表面の結晶方向は、例えば、成長用基板に通常形成されている結晶方向を示すオリエンテーションフラット（ＯＦ）と称される切り欠き部に基づいて把握することができる。また、図２（ｂ）に示すマスク部の配置形態は、図２（ａ）のマスク部の配置形態を９０度回転させた場合に相当する。

【0038】

図３（ａ）〜（ｄ）及び図４（ａ）〜（ｃ）は、図１（ｃ）のウェットエッチング工程において突起２０を形成し、凹凸構造面２１を形成する過程を説明する図である。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、図２（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った断面図における突起２０の形成過程を示している。また、図４（ａ）〜（ｃ）は、マイクロコーンの形成過程におけるｎ型半導体層１１の表面を模式的に示す上面図である。図４（ａ）〜（ｃ）のＶ−Ｖ線は図２（ａ）のＶ−Ｖ線に対応する。以下においては、エッチング困難部であるプラズマが照射されたｎ型半導体層１１の表面部分をプラズマ照射部２０Ａと称し、エッチング容易部であるマスク部１９Ａの下の部分に対応するプラズマが照射されていないｎ型半導体層１１の表面部分を非プラズマ照射部２０Ｂと称する。

【0039】

図３（ａ）は、プラズマ照射工程後、マスク層１９を除去したｎ型半導体層１１の表面の断面を拡大した図である。プラズマ照射部２０Ａは、他の表面部分すなわち非プラズマ照射部２０Ｂに比べて窪んでいる。当該窪みの底部は、Ｃ^-面である他の表面部分に平行な平坦面となっている。また、この窪みはごく浅く、例えば５０ｎｍ未満、好ましくは３０〜４０ｎｍの深さを有している。なお、プラズマ照射部は、エッチング困難部として形成されれば、窪んでいる必要はない。

【0040】

ウェットエッチングを開始すると、図３（ｂ）に示すように、非プラズマ照射部２０Ｂの表面に小さなファセットが形成されていく。この時点では、プラズマ照射部２０Ａにはエッチングが進まない。この状態のｎ型半導体層１１の表面を素子の上面から見たときの模式図を図４（ａ）に示す。

【0041】

さらにエッチングを進めると、図３（ｃ）に示すように、非プラズマ照射部２０Ｂについては継続的にエッチングが進む。さらに、非プラズマ照射部２０Ｂからプラズマ照射部２０Ａの下にエッチング液が進入し、プラズマ照射部２０Ａの下に潜り込むように、エッチング（サイドエッチとも称する）が進む。この状態のｎ型半導体層１１の表面を素子の上面から見たときの模式図を図４（ｂ）に示す。

【0042】

さらにエッチングを進めると、図３（ｄ）に示すように、各直線群の交点部分ＩＳすなわちプラズマ照射部２０Ａから最も離れた部分を頂点２０Ｃとする六角錐状の突起２０が形成される。また、形成された突起２０の底面は、非プラズマ照射部２０Ｂに対応する部分を頂点２０Ｄとする正六角形の形状を有している。突起２０は、均一な形状を有し、ｎ型半導体層１１の表面に最密充填配列をなして形成される。この状態のｎ型半導体層１１の表面すなわち凹凸構造面２１を素子の上面から見たときの模式図を図４（ｃ）に示す。このようにして、半導体構造層の表面には六角錐状の突起２０からなる凹凸構造面２１が形成される。なお、最密充填配列とは、図４（ｃ）に示すように、平面上に正六角形の底面を有する複数のマイクロコーンが隙間なく並んだ配列のことをいい、いわゆるハニカム状の配列のことをいう。

【0043】

本実施例においては、ｎ型半導体層の表面にドット状のエッチング容易部を形成し、他のｎ型半導体層の表面部分には相対的にエッチングが進みにくいエッチング困難部を形成し、その後エッチングを行う。従って、エッチングの際に安定してｎ型半導体層のＣ^-面に突起を形成することができる。従って、均一な形状を有し、最密充填配列をなしている突起からなる凹凸構造面を高い信頼性で形成することができる。これによってｎ型半導体層の表面すなわち光取り出し面から多くの光を取り出すことが可能となり、高輝度、高信頼性かつ高光取り出し効率な半導体発光素子を提供することができる。

【0044】

図５は、本実施例の変形例に係る半導体発光素子の製造方法におけるエッチング容易部の形成工程について説明する図である。図５は、本変形例におけるエッチング容易部を形成するためのマスク層が形成された状態のｎ型半導体層１１の上面図を示している。理解の容易さのため、マスク層のマスク部にはハッチングを施してある。

【0045】

本変形例の半導体発光素子の製造方法は、エッチング容易部の形成工程を除いては、実施例１の半導体発光素子の製造方法と同様の工程を有している。本変形例においては、エッチング容易部を形成する工程におけるマスク層１９のマスク部１９Ｂの形状、マスク部１９Ｂから露出したｎ型半導体層１１の表面部分１１Ｂ及び形成されるエッチング容易部のパターンが異なる。

【0046】

図５に示すように、本変形例におけるマスク層１９のマスク部１９Ｂは、ハニカム状のパターンを有している。具体的には、マスク部１９Ｂは、半導体構造層１４の表面の結晶方向のうち、［１１−２０］方向に平行に且つ等間隔で配列された複数の直線からなる第１の直線群と、［２−１−１０］方向に平行に且つ第１の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第２の直線群と、［１−２１０］方向に平行に且つ第１及び第２の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第３の直線群とによって表面を正三角形の格子からなるメッシュ状に区画したとき、その格子の頂点の各々を中心とする正六角形の辺部分を構成してハニカム状のパターンを有するように形成される。

【0047】

本変形例のマスク部１９Ｂは、実施例１のマスク部１９Ａを隣接する（最も近い距離の）３つのマスク部１９Ａにそれぞれ直線で結んだ状態に相当する。すなわち、本変形例のマスク部１９Ｂ（エッチング容易部）は、実施例１のマスク部１９Ａと最隣接するマスク部１９Ａの各々とを直線で結んだハニカム状のパターンを有している。

【0048】

なお、本実施例と同様に、本変形例においても、半導体構造層１４の表面を、半導体構造層１４の表面の結晶方向のうち、［１−１００］方向に平行に且つ等間隔で配列された複数の直線からなる第１の直線群と、［１０−１０］方向に平行に且つ第１の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第２の直線群と、［０−１１０］方向に平行に且つ第１及び第２の直線群と同じ間隔で配列された複数の直線からなる第３の直線群とによって表面を正三角形の格子からなるメッシュ状に区画し、これによってマスク部１９Ｂを形成してもよい。

【0049】

図６（ａ）〜（ｃ）は、本変形例のエッチング工程におけるマイクロコーンの形成過程を説明する図である。図６（ａ）〜（ｃ）は、エッチング工程におけるｎ型半導体層１１の表面を時系列に従って模式的に示した上面図である。

【0050】

本変形例においては、エッチングを開始すると、図６（ａ）に示すように、マスク部１９Ｂに対応する非プラズマ照射部（エッチング容易部）２０Ｅからエッチング困難部すなわちプラズマ照射部２０Ｆの下に潜り込むようにエッチングが進む。非プラズマ照射部２０Ｅはハニカム状に形成されているため、非プラズマ照射部２０Ｅの屈曲部分すなわち隣接する非プラズマ照射部２０Ｅとの交点部分から放射状にエッチングが進むとともに、非プラズマ照射部２０Ｅの直線部分から線状にエッチングが進む。従って、本変形例においては、エッチングは非プラズマ照射部２０Ｅから略円形状をなして進んでいく。

【0051】

エッチングが進むと、図６（ｂ）に示すように、マイクロコーンの側面部分２０ＧすなわちＣ^-面以外の結晶面（ファセット）が形成されていく。なお、エッチングによってＣ^-面が存在しなくなると、エッチングが極端に進まなくなる。従って、エッチングが進んで一旦側面部分２０Ｇが形成されると、それ以上エッチングが進むことはなくなる。

【0052】

最終的には、図６（ｃ）に示すように、非プラズマ照射部２０Ｅを辺とする正六角形の形状を有する底面を有し、プラズマ照射部２０Ｆの各中心部分である各直線群の交点部分を頭頂点２０Ｈとする六角錐状の突起２０が形成される。このようにして、半導体構造層の表面には六角錐状の突起２０からなる凹凸構造面が形成される。

【0053】

本変形例においては、エッチング容易部がハニカム状に形成される。本変形例におけるエッチング容易部は、実施例１のドット状のエッチング容易部に比べて大きな面積を有している。従って、短いエッチング時間で突起すなわち凹凸構造面を形成することができる。

【0054】

図７（ａ）及び（ｂ）は、本実施例の半導体発光素子の製造方法によって作製された半導体発光素子の光取り出し面（すなわち半導体構造層１４のＣ^-面）に形成された突起２０の詳細形状を説明する図である。図７（ａ）は、突起２０の上面視における拡大図である。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＷ−Ｗ線に沿った断面図である。

【0055】

前述したように、半導体構造層１４の表面は、六角錐の形状を有する突起２０からなる凹凸面構造を有している。また、突起２０は、半導体構造層の表面を、各直線群Ｌ１〜Ｌ３によって正三角形の単位格子からなるメッシュ状に区画したとき、当該単位格子の頂点を中心とする正六角形の底辺を有する六角錐の形状を有している。具体的には、図７（ａ）に示すように、当該六角錐形状の突起２０の頭頂点２０Ｃの位置は、上面視において各直線群の交点の位置、すなわち各単位格子ＧＤの頂点の位置に対応する。また、突起２０の底面はエッチング容易部に対応する部分を頂点２０Ｄとする正六角形の形状を有している。

【0056】

図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、突起２０の側辺部分（側稜部分）２０Ｋは、凹部構造（谷構造）を有している。また、突起２０の６つ側面部分（すなわち六角錐の角錐面部分）２０Ｊは、二等辺三角形の形状を有しており、その頂点部分は共に突起２０の頂点２０Ｃとなる。突起２０の側面部分２０Ｊの等辺は、凹部構造を有する側辺部分２０Ｋを介して、隣接する側面部分２０Ｊの等辺に接している。また、図７（ｂ）に示すように、突起２０の側辺部分２０Ｋは、谷部（凹部）２０Ｌが山部（凸部）２０Ｍ及び２０Ｎに挟まれた構造を有している。

【実施例2】

【0057】

図８は、実施例２の半導体発光素子の製造方法におけるエッチング容易部を形成する工程を説明する図である。実施例２の半導体発光素子の製造方法は、エッチング容易部を形成する工程を除いては、実施例１の半導体発光素子の製造方法と同様の工程を有している。図８は、実施例１におけるエッチング容易部形成工程後を示す図である図３（ａ）に対応した本実施例のエッチング容易部形成工程後のｎ型半導体層の表面を示す断面図である。

【0058】

本実施例においては、エッチング容易部を形成する工程において、ｎ型半導体層１１の表面（Ｃ^-面）に複数の開口部３０Ｂからなる開口パターンを有する金属膜３０を形成することを特徴としている。本実施例においては、金属膜３０の材料として、Ａｇを使用した。また、金属膜３０の形成にはスパッタ法を用いた。金属膜３０の開口部３０Ｂは、実施例１における非プラズマ照射部２０Ｂと同様の配置形態となるように、例えばフォトリソグラフィを用いて形成した。

【0059】

本実施例においては、エッチング困難部は金属膜３０における金属材料が形成された部分３０Ａとなり、エッチング容易部は金属膜３０の開口部である露出したｎ型半導体層１１の部分３０Ｂとなる。また、エッチング容易部はドット状のパターンを有するように形成される。

【0060】

本実施例においては、エッチング困難部の形成に金属材料を使用する。この場合、エッチング困難部においてはエッチングがほぼ完全に進まない。従って、本実施例においては、エッチング工程の際にはエッチング容易部（ｎ型半導体層の露出した部分）のみからエッチングが進む。従って、実施例１に比べてエッチングの時間は長くなるが、安定した突起の形成という課題は実施例１と同様に解決することが可能である。

【0061】

なお、本実施例においては金属膜３０の材料にＡｇを用いる場合について説明したが、金属膜３０の材料はＡｇを用いる場合に限定されるものではない。例えば、Ａｇの代わりにＰｔ、Ｔｉ、Ａｕなどの材料を金属膜の材料に使用してもよい。また、金属膜の形成にスパッタ法を用いる場合について説明したが、例えば、金属膜の形成に電子ビーム蒸着などの形成方法を用いても良い。

【0062】

また、本実施例においては金属材料を用いてエッチング困難部を形成する場合について説明したが、金属材料を用いることに限定されない。例えば、金属膜３０の代わりに、ＳｉＯ₂、ＳｉＮなどの絶縁材料からなる絶縁膜、又はポリイミドなどの樹脂膜を形成することによってエッチング困難部を形成してもよい。

【0063】

また、本実施例においては、ドット状の開口部（すなわちエッチング容易部）を有する金属膜を形成する場合について説明したが、実施例１の変形例と同様に、ハニカム状のパターンを有する金属膜を形成してもよい。

【0064】

上記した実施例においては、円形のエッチング容易部をドット状のパターンで形成する場合について説明したが、ドット状のエッチング容易部の形状は円形でなくてもよい。例えば、エッチング容易部は多角形状又は楕円形状を有していても良い。

【0065】

また、ドット状のエッチング容易部の直径が３００ｎｍである場合について説明したが、エッチング容易部の直径は３００ｎｍに限定されるものではない。エッチング容易部は、マイクロコーンの形状及び大きさの制御性を考慮すると、５０〜１０００ｎｍの直径を有していることが好ましい。例えば、エッチング容易部の直径が５０ｎｍよりも小さい場合、エッチング速度が大幅に小さくなり、１０００ｎｍよりも大きい場合、マイクロコーンの形成が不安定になる可能性があるからである。

【0066】

また、上記実施例では、六方晶系の結晶構造を有するＧａＮ系の半導体発光素子の場合について説明したが、他の結晶系の半導体発光素子の製造方法にも同様に適用可能である。

【0067】

上記したように、本実施例に係る半導体発光素子の製造方法は、半導体構造層の表面に、半導体構造層の表面の結晶方向に基づいて配置されたエッチング容易部を形成する工程と、半導体構造層の表面にウェットエッチングを行い、半導体構造層の表面に、半導体構造層の結晶構造に由来する複数の突起からなる凹凸構造面を形成する工程と、を含む。

【0068】

従って、規則正しく配列され、かつ大きさの揃った突起を均一かつ安定して形成し、光取り出し効率の高い高輝度な半導体発光素子を提供することができる。また、過度にエッチングが進むことやリーク電流の発生などによる信頼性の低下を防止し、高信頼性な半導体発光素子を提供することができる。

【符号の説明】

【0069】

１０ 半導体発光素子
１４ 半導体構造層
２０Ｂ、３０Ｂ エッチング容易部
２０ 突起
２１ 凹凸構造面
Ｌ１、Ｌ１Ａ 第１の直線群
Ｌ２、Ｌ２Ａ 第２の直線群
Ｌ３、Ｌ３Ａ 第３の直線群
ＧＤ 単位格子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】