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特開2024-163828フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法、及び照明装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024163828
(43)【公開日】2024-11-22
(54)【発明の名称】フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法、及び照明装置
(51)【国際特許分類】
H01L 33/32 20100101AFI20241115BHJP
H01L 33/22 20100101ALI20241115BHJP
F21V 9/35 20180101ALI20241115BHJP
【ＦＩ】
H01L33/32
H01L33/22
F21V9/35
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023112958
(22)【出願日】2023-07-10
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-07-11
(31)【優先権主張番号】P 2023079463
(32)【優先日】2023-05-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】500221563
【氏名又は名称】ナイトライド・セミコンダクター株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000004112
【氏名又は名称】株式会社ニコン
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】村本 宜彦
(72)【発明者】
【氏名】西根 達郎
【テーマコード（参考）】
5F241
【Ｆターム（参考）】
5F241AA06
5F241CA04
5F241CA05
5F241CA14
5F241CA22
5F241CA40
5F241CA65
5F241CA74
5F241CA75
5F241CA76
5F241CA88
5F241CB15
5F241CB36
5F241FF11
(57)【要約】
【課題】発光素子を構成するＧａＮ層に対してフォトニック結晶を効率的に形成することで、フォトニック結晶ＧａＮ発光素子を得る。
【解決手段】本方法は、サファイア基板１０上に順次、ｎ型ＧａＮ層１２、ＭＱＷ層１４、ｐ型ＧａＮ層１６をエピタキシャル成長させてエピタキシャル構造を形成するステップと、ｐ型ＧａＮ層１６上にｐ型電極、金属基板及び支持基板を形成するステップと、エピタキシャル構造の上下を反転させるステップと、サファイア基板１０を剥離してｎ型ＧａＮ層１２を表面に露出させるステップと、表面に露出したｎ型ＧａＮ層１２の表面に、電子ビーム描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いてフォトニック結晶を形成するステップと、ｎ電極２４を形成するステップを備える。
【選択図】図１Ｊ
【解決手段】本方法は、サファイア基板１０上に順次、ｎ型ＧａＮ層１２、ＭＱＷ層１４、ｐ型ＧａＮ層１６をエピタキシャル成長させてエピタキシャル構造を形成するステップと、ｐ型ＧａＮ層１６上にｐ型電極、金属基板及び支持基板を形成するステップと、エピタキシャル構造の上下を反転させるステップと、サファイア基板１０を剥離してｎ型ＧａＮ層１２を表面に露出させるステップと、表面に露出したｎ型ＧａＮ層１２の表面に、電子ビーム描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いてフォトニック結晶を形成するステップと、ｎ電極２４を形成するステップを備える。
【選択図】図１Ｊ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
サファイア基板上に順次、ｎ型窒化ガリウム層、多重量子井戸層、ｐ型窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させてエピタキシャル構造を形成するステップと、
前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成するステップと、
前記ｐ型電極上に金属基板及び支持基板を形成するステップと、
前記支持基板が下に、前記サファイア基板が上になるように前記エピタキシャル構造の上下を反転させるステップと、
前記反転のステップにより最上部に位置する前記サファイア基板を剥離して前記ｎ型窒化ガリウム層を表面に露出させるステップと、
表面に露出した前記ｎ型窒化ガリウム層をエッチングして膜厚を調整するステップと、
エッチングされた前記ｎ型窒化ガリウム層の表面に、電子ビーム描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いてフォトニック結晶を形成するステップと、
前記ｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップと、
前記支持基板を剥離するステップと、
を備える、フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。
前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成するステップと、
前記ｐ型電極上に金属基板及び支持基板を形成するステップと、
前記支持基板が下に、前記サファイア基板が上になるように前記エピタキシャル構造の上下を反転させるステップと、
前記反転のステップにより最上部に位置する前記サファイア基板を剥離して前記ｎ型窒化ガリウム層を表面に露出させるステップと、
表面に露出した前記ｎ型窒化ガリウム層をエッチングして膜厚を調整するステップと、
エッチングされた前記ｎ型窒化ガリウム層の表面に、電子ビーム描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いてフォトニック結晶を形成するステップと、
前記ｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップと、
前記支持基板を剥離するステップと、
を備える、フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。
【請求項2】
前記フォトニック結晶を形成するステップは、
前記ｎ型窒化ガリウム層の表面に疎水化処理を行うステップと、
前記ｎ型窒化ガリウム層の表面にレジストを塗布するステップと、
電子ビームを前記レジストに照射して描画するステップと、
誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングにより塩素ガスで前記レジストを除去するステップと、
を備える、請求項１に記載のフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。
前記ｎ型窒化ガリウム層の表面に疎水化処理を行うステップと、
前記ｎ型窒化ガリウム層の表面にレジストを塗布するステップと、
電子ビームを前記レジストに照射して描画するステップと、
誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングにより塩素ガスで前記レジストを除去するステップと、
を備える、請求項１に記載のフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。
【請求項3】
前記サファイア基板上に前記ｎ型窒化ガリウム層を成長させる前に、前記サファイア基板上に、順次バッファ層、アンドープ窒化ガリウム層を成長させるステップ
を備える、請求項１に記載のフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。
を備える、請求項１に記載のフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。
【請求項4】
前記フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の発光波長は、３８０ｎｍ～３９０ｎｍである、請求項１～３のいずれかに記載のフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。
【請求項5】
請求項１～３のいずれか一項に記載の製造方法で製造されたフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子と、
前記フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子からの光を対象物に照射する照射光学系と、
を備える照明装置。
前記フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子からの光を対象物に照射する照射光学系と、
を備える照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた発光素子（ＬＥＤ）チップから出た光の指向角を狭める場合、ＬＥＤデバイスにレンズを搭載して集光し、指向角を絞ることが検討されている。
【0003】
しかし、レンズの場合、指向性を少しでも変更する場合には金型を変える必要があり、コストが増大してしまう。また紫外線や深紫外線の場合、レンズの吸収を考慮して石英レンズが用いられることから、レンズも高額となってしまう。
【0004】
そこで、ＬＥＤデバイスにレンズを搭載せずに集光して指向性を狭める方法として、ＬＥＤチップ表面へ数１００ｎｍオーダのホールを数１００ｎｍピッチでフォトニック結晶を形成することが検討されている。
【0005】
特許文献１には、窒化ガリウム系フォトニック結晶及びその製造方法に関する発明が記載されている。すなわち、エピタキシャル成長において広い領域で転位密度が低減され結晶性が良好な窒化物半導体を得て、高性能の窒化ガリウム系半導体素子、窒化ガリウム系半導体基板、窒化ガリウム系フォトニック結晶を高い歩留まりで提供することを課題として、基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層の上に窒化ガリウム系半導体の素子を形成する工程を具備することが記載されている。
【0006】
また、特許文献２には、長期に亘って劣化しにくく、エネルギー効率及び発光効率の高いフォトニック結晶発光ダイオードを提供することを課題として、第１半導体層、活性層、第２半導体層の３層がこの順に積層され、第１電極が第１半導体層に、第２電極が第２半導体層に、それぞれ電気的に接続された構造を有する発光ダイオードにおいて、３層のうち少なくとも第１半導体層と活性層を貫通する空孔が、フォトニック結晶構造を形成するように２次元周期的に配置されると共に、第１電極が、第１半導体層の、空孔と空孔を囲う第１非電流注入領域とを除いた領域を覆っているフォトニック結晶発光ダイオードが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２００４－１１１７６６号公報
【特許文献2】特開２０１１－５４８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、ＬＥＤ等の発光素子を窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成する場合において、ＧａＮ層へのフォトニック結晶を形成する技術は未だ確立されていない。
【0009】
本発明の目的は、発光素子を構成するＧａＮ層に対してフォトニック結晶を効率的に形成することで、フォトニック結晶ＧａＮ発光素子を得る方法、及び照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、サファイア基板上に順次、ｎ型窒化ガリウム層、多重量子井戸層、ｐ型窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させてエピタキシャル構造を形成するステップと、前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成するステップと、前記ｐ型電極上に金属基板及び支持基板を形成するステップと、前記支持基板が下に、前記サファイア基板が上になるように前記エピタキシャル構造の上下を反転させるステップと、前記反転のステップにより最上部に位置する前記サファイア基板を剥離して前記ｎ型窒化ガリウム層を表面に露出させるステップと、表面に露出した前記ｎ型窒化ガリウム層をエッチングして膜厚を調整するステップと、エッチングされた前記ｎ型窒化ガリウム層の表面に、電子ビーム描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いてフォトニック結晶を形成するステップと、前記ｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップと、前記支持基板を剥離するステップと、を備える、フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法である。
【0011】
本発明の１つの実施形態では、前記フォトニック結晶を形成するステップは、前記ｎ型窒化ガリウム層の表面に疎水化処理を行うステップと、前記ｎ型窒化ガリウム層の表面にレジストを塗布するステップと、電子ビームを前記レジストに照射して描画するステップと、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングにより塩素ガスで前記レジストを除去するステップと、を備える。
【0012】
本発明の他の実施形態では、前記サファイア基板上に前記ｎ型窒化ガリウム層を成長させる前に、前記サファイア基板上に、順次バッファ層、アンドープ窒化ガリウム層を成長させるステップを備える。
【0013】
本発明のさらに他の実施形態では、前記フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の発光波長は、３８０ｎｍ～３９０ｎｍである。
【0014】
また、本発明は、上記の製造方法で製造されたフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子と、前記フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子からの光を対象物に照射する照射光学系とを備える照明装置である。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、窒化ガリウム（ＧａＮ）発光素子を構成するＧａＮ層にフォトニック結晶を確実に形成することができる。これにより、発光素子から射出する光の指向性を狭めることができる。また、窒化ガリウム発光素子の発光効率を増大させ得る。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1A】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その１）である。
【図1B】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その２）である。
【図1C】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その３）である。
【図1D】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その４）である。
【図1E】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その５）である。
【図1F】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その６）である。
【図1G】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その７）である。
【図1H】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その８）である。
【図1I】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その９）である。
【図1J】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その１０）である。
【図2】実施形態の照明装置及び露光装置の構成を示す図である。
【図3】光源ユニットの構成を示す図である。
【図4】実施形態の電子ビーム描画後のＳＥＭ画像である。
【図5】実施形態の誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによるエッチング後のＳＥＭ画像であり、（ａ）はホール内側の径のＳＥＭ画像であり、（ｂ）はホール外側の径のＳＥＭ画像である。
【図6】実施形態のホールの断面ＳＥＭ画像である。
【図7】実施形態のＧａＮウェハの斜視図である。
【図9】リファレンスチップのプローブ測定結果を示す図である。
【図10】実施形態のＬＥＤチップ（ＰｈＣ形成チップ）のプローブ測定結果を示す図である。
【図11】リファレンスとＰｈＣ形成チップの積分球測定結果を示す図である。
【図12】リファレンスとＰｈＣ形成チップの発光スペクトル図である。
【図13】リファレンスとＰｈＣ形成チップのＩ－Ｖ特性図である。
【図14】リファレンスとＰｈＣ形成チップのＩ－Ｌ特性図である。
【図15】リファレンスの指向特性測定結果を示す図である。
【図16】ＰｈＣ形成チップの指向特性測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【0018】
本実施形態の基本原理は、ＧａＮ発光素子を構成するＧａＮ層にフォトニック結晶を形成する際に、電子ビーム（ＥＢ）描画し、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングしたＧａＮ層のエッチングレートが基板、ＧａＮ層の構造や結晶性の違いにより大きく異なることを考慮し、Ｓｉ基板等にＧａＮ層を成長させるのではなく、サファイア基板上にＧａＮ層を成長させ、このようにして成長させたＧａＮ層を対象として電子ビーム（ＥＢ）描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによりフォトニック結晶を形成させるものである。
【0019】
本願発明者等は、Ｓｉ基板上に成長させたＧａＮ層に比べ、サファイア基板上に成長させたＧａＮ層の方が、電子ビーム（ＥＢ）描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによるエッチングレートが顕著に大きく、極めて効率的にＧａＮ層の表面に所望間隔及び所望の径でホールを形成し、フォトニック結晶を形成できることを見出した。
【0020】
【0021】
図１Ａに示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてサファイア基板１０上に低温バッファ層（不図示）及びアンドープＧａＮ（ｕ－ＧａＮ）層（不図示）を積層し、その上にｎ－ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層）１２、多重量子井戸（ＭＱＷ）層１４、及びｐ－ＧａＮ層（Ｐ型ＧａＮ層）１６を順次積層して、３８５ｎｍ（３８０～３９０ｎｍ）で発光するエピタキシャル構造を成長させる。
【0022】
ここで、ｎ－ＧａＮ層１２は、より詳細には（ＡｌＩｎＧａＮ）／（ＩｎＧａＮ；Ｓｉ）ｎ―ＳＬＳ（超格子構造）層及び（ＧａＮ；Ｓｉ）コンタクト層から構成される。ここで、例えば（ＧａＮ；Ｓｉ）は、ＳｉがドープされたＧａＮであることを示す。
【0023】
また、多重量子井戸（ＭＱＷ）層１４は、（ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ）のＭＱＷ層から構成される。
【0024】
また、ｐ－ＧａＮ層１６は、より詳細にはｐ－ＧａＮ（ＧａＮ；Ｍｇ）コンタクト層及び（ＡｌＧａＮ；Ｍｇ／ＧａＮ；Ｍｇ）ｐ－ＳＬＳ（超格子構造）層から構成される。
【0025】
本実施形態における「ＧａＮ層」は、必ずしもＧａＮの組成の単層を意味するものではなく、ＧａＮを含むＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の組成の単層あるいは複数層を意味するものである。要するに、ＧａＮを主成分とする単層あるいは複数層を意味する。
【0026】
なお、本実施形態のエピタキシャル層の発光波長は３８５ｎｍであるが、それより長い波長とする場合、基本的なエピタキシャル構造は同じであるが、バンドギャップエネルギの関係から３８５ｎｍの方がそれより長い波長に比べて（ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ）ＭＱＷ発光層１４のＡｌ含有量を多く、Ｉｎ含有量を少なくする。
【0027】
次に、図１Ｂに示すように、３８５ｎｍで発光するエピタキシャル構造層の上にｐ－電極（ｐ型電極：ＩＴＯ等）及び金属反射膜（Ａｇ等）を蒸着する。図１Ｂでは、ｐ－電極と金属反射膜をまとめてｐ－電極及び反射膜１８として示す。
【0028】
次に、図１Ｃに示すように、ｐ－電極及び金属反射膜１８の上に金属基板（ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等）２０をボンディングする。
【0029】
次に、図１Ｄに示すように、金属基板２０の上に支持基板（サファイア、Ｓｉ基板等）２２をボンディングする。図１Ｄに示す積層構造は、下から順に、
サファイア基板１０／ｎ―ＧａＮ層１２／ＭＱＷ層１４／ｐ－ＧａＮ層１６／ｐ－電極及び反射膜１８／金属基板２０／支持基板２２
である。
サファイア基板１０／ｎ―ＧａＮ層１２／ＭＱＷ層１４／ｐ－ＧａＮ層１６／ｐ－電極及び反射膜１８／金属基板２０／支持基板２２
である。
【0030】
次に、図１Ｅに示すように、図１Ｄのエピタキシャル構造を上下に１８０°反転させ、
サファイア基板１０が最上部に位置するように配置して、サファイア基板１０をレーザで剥がし（リフトオフ）、ｎ－ＧａＮ層１２を表面に露出させる。すなわち、図１Ｄのエピタキシャル構造を上下に１８０°反転させた積層構造は、下から順に、
支持基板２２／金属基板２０／ｐ－電極及び反射膜１８／ｐ－ＧａＮ層１６／ＭＱＷ層１４／ｎ－ＧａＮ層１２／サファイア基板１０
であり、このうち一番上のサファイア基板１０（及びバッファ層）を剥がす（リフトオフ）ことでｎ－ＧａＮ層１２を一番上の表面に露出させる。
サファイア基板１０が最上部に位置するように配置して、サファイア基板１０をレーザで剥がし（リフトオフ）、ｎ－ＧａＮ層１２を表面に露出させる。すなわち、図１Ｄのエピタキシャル構造を上下に１８０°反転させた積層構造は、下から順に、
支持基板２２／金属基板２０／ｐ－電極及び反射膜１８／ｐ－ＧａＮ層１６／ＭＱＷ層１４／ｎ－ＧａＮ層１２／サファイア基板１０
であり、このうち一番上のサファイア基板１０（及びバッファ層）を剥がす（リフトオフ）ことでｎ－ＧａＮ層１２を一番上の表面に露出させる。
【0031】
次に、図１Ｆに示すように、表面のｎ－ＧａＮ層１２のエッチングを行う。具体的には、エピタキシャル構造の合計膜厚が１０５０ｕｍになるようにドライエッチングにて調整する。なお、エピタキシャル構造の合計膜厚はこれに限定されるものではなく、発光波長により最適化され得る。
【0032】
次に、図１Ｇの一点鎖線領域で示すように、ドライエッチングで膜厚調整されたｎ－ＧａＮ層１２の表面にフォトニック結晶（ＰｈＣ）を形成する。これについては、さらに後述する。
【0033】
次に、図１Ｈに示すように、ｎ－ＧａＮ層１２の表面から金属基板２０に達するまでトレンチを形成してエピタキシャル構造を分離する。
【0034】
次に、図１Ｉに示すように、分離したそれぞれの領域のｎ－ＧａＮ層１２の上にｎ－電極（ｎ型電極）２４を形成する。
【0035】
最後に、図１Ｊに示すように、支持基板２２を剥がし、ダイシングしてＬＥＤチップ（Ｖチップ構造ＬＥＤチップ：電極を垂直構造で配置した垂直型ＬＥＤチップ）が製造される。
【0036】
ここで、図１Ｇに示されるフォトニック結晶の製造方法について、より詳細に説明する。
【0037】
フォトニック結晶（ＰｈＣ）は、電子ビーム（ＥＢ）描画によりレジストにパターンを現像し、その後、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによりエッチングすることで形成される。従って、フォトニック結晶を形成するに先立って、ＥＢ描画条件と誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによるエッチング条件を設定する必要がある。
【0038】
＜エッチング条件＞
Ｓｉ基板やサファイア基板等に積層される基板の違い、ＧａＮの構造や結晶性の違いによりエッチングレートが異なり得る。
Ｓｉ基板やサファイア基板等に積層される基板の違い、ＧａＮの構造や結晶性の違いによりエッチングレートが異なり得る。
【0039】
そこで、サファイア基板上に成長させた発光波長３８５ｎｍのＧａＮウェハをリンス洗浄後、１２０℃で２分乾燥させた。その後、ＧａＮウェハ表面を疎水性にするための処理（ＨＭＤＳ処理）を行い、スピンコータでＵＶレジストを９５０ｎｍ塗布し、その後、９０℃で９０ｓｅｃプリベークを行った。
【0040】
次に、高速マスクレス露光装置で１００ｕｍ×１００ｕｍのパターンを１５０ｍＪ／ｃｍ２で形成し、ポストベークを１１０℃×９０ｓｅｃ行い、現像した。
【0041】
ＵＶレジストを形成したＧａＮウェハを用い、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置にて塩素ガス（３０ｓｃｃｍ）で１０ｍｉｎエッチングを行った。ＵＶ触針式段差計で深さを計測した結果、深さ７８９．０５ｎｍが確認された。エッチングレートは７８．９ｎｍ／ｍｉｎであった。
【0042】
他方で、Ｓｉ基板上に成長させた発光波長３８５ｎｍのＧａＮウェハを用い、同様の方法でエッチングレートを確認した結果、エッチングレートは１６ｎｍ／ｍｉｎであった。すなわち、
サファイア基板上に成長したＧａＮ層：エッチングレート＝７８．９ｎｍ／ｍｉｎ
Ｓｉ基板上に成長したＧａＮ層：エッチングレート＝１６ｎｍ／ｍｉｎ
であり、Ｓｉ基板を用いたＧａＮ層ではフォトニック結晶を形成することは相対的に困難であるが、サファイア基板上に成長させたＧａＮ層、つまり、本実施形態のように、まずサファイア基板１０上にＧａＮ層を成長させ、その後上下を反転させてサファイア基板１０を取り除き、金属基板２０上のＧａＮ層を処理対象として誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによりエッチングすることで、顕著に高いエッチングレートで効率的にＧａＮ層にフォトニック結晶が形成され得ることが確認された。
サファイア基板上に成長したＧａＮ層：エッチングレート＝７８．９ｎｍ／ｍｉｎ
Ｓｉ基板上に成長したＧａＮ層：エッチングレート＝１６ｎｍ／ｍｉｎ
であり、Ｓｉ基板を用いたＧａＮ層ではフォトニック結晶を形成することは相対的に困難であるが、サファイア基板上に成長させたＧａＮ層、つまり、本実施形態のように、まずサファイア基板１０上にＧａＮ層を成長させ、その後上下を反転させてサファイア基板１０を取り除き、金属基板２０上のＧａＮ層を処理対象として誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによりエッチングすることで、顕著に高いエッチングレートで効率的にＧａＮ層にフォトニック結晶が形成され得ることが確認された。
【0043】
【0044】
図２は、上述の実施形態にかかる製造方法で製造されたＧａＮ発光素子を光源とした照明装置ＩＵを備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。図３（Ａ）は、照明装置ＩＵに露光光を供給する光源ユニット１２０の構成を概略的に示す平面図であり、図３（Ｂ）は光源ユニット１２０及び出力光学系１３０の内部構成を概略的に示す図である。
【0045】
図２において、照明装置ＩＵは、出力光学系１３０を介した光源ユニット１２０からの露光光を集光する第１集光光学系１４０と、第１集光光学系１４０からの露光光が入射するフライアイレンズＦＥＬと、フライアイレンズＦＥＬからの露光光を集光して被照射面としてのレチクルＲＥＩを照明する第２集光光学系１６０とを備える。
【0046】
また、露光装置は、照明装置ＩＵと、照明装置ＩＵによって照明されたレチクル上パターン像を被露光基板としてのウェハに形成する投影光学系ＰＯとを備えている。
【0047】
次に、図３を参照して、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０について説明する。
【0048】
図３（Ａ）において、光源ユニット１２０は、例えば基板１２１上に配列された複数（図３（Ａ）では、５×５）のＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップ１２３を備える。これらのＬＥＤチップは、上述した実施形態の製造方法で製造されたＧａＮ発光素子である。なお、ＬＥＤチップ１２３の個数は必要に応じて適宜変更してもよい。複数のＬＥＤチップ１２３のそれぞれは、発光部２３１を有し、この発光部２３１から射出される光のピーク波長は３８０～３９０ｎｍの範囲内にある。すなわち、発光部２３１は、紫外線ＬＥＤ（ＵＶＬＥＤ）である。発光部２３１から射出され光のピーク波長は３８５ｎｍであることがより好ましい。発光部２３１の発光面は正方形であってもよく、長方形や六角形等の多角形であってもよい。なお、ＬＥＤチップ１２３は、基板上ではなく、例えばヒートシンク上に配列されていてもよい。
【0049】
図３（Ｂ）を参照して、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０の構成について説明する。図３（Ｂ）において、ＬＥＤチップ１２３が配列された２方向を、Ｘ方向及びＹ方向とする。Ｘ方向とＹ方向とは直交している。また、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。Ｚ方向は、発光部２３１から射出される光の進行方向とほぼ一致している。なお、図３（Ｂ）では、図面の明瞭化のために、Ｙ方向に沿って一列に並んだ４つのＬＥＤチップ１２３だけを示している。
【0050】
図３（Ｂ）に示すように、出力光学系１３０は、各ＬＥＤチップ１２３の発光部２３１の拡大像をそれぞれ形成するための複数の拡大光学系を備えている。それぞれの拡大光学系は、ＬＥＤチップ１２３の配列と対応するように配列されており、発光部２３１を、拡大倍率のもとで拡大投影する両側テレセントリックな光学系である。なお、図３（ｂ）では、出力光学系１３０の各拡大光学系を２枚の正レンズで図示しているが、拡大光学系を構成するレンズ枚数は２枚に限定されない。また、拡大光学系を反射系又は反射屈折系で構成してもよい。そして、出力光学系１３０は、拡大光学系に代えて、或いは加えて、等倍光学系、縮小光学系を備えていてもよい。
【0051】
図２及び図３に示す実施形態では、出力光学系１３０の各拡大光学系は、出力光学系１３０の最終光学部材の近傍に、発光部２３１の拡大像を形成する。これにより、出力光学系１３０の最終光学部材の近傍には、密に配列された複数の光源像が位置する。
【0052】
図２に戻って、照明装置ＩＵの各構成要件について説明する。
【0053】
第１集光光学系１４０は、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０によって形成される光源像の位置またはその近傍に前側焦点が位置するように配置され、フライアイレンズＦＥＬの入射面をケーラー照明する。
【0054】
フライアイレンズＦＥＬは、たとえば正の屈折力を有する複数のレンズエレメントをその光軸が基準光軸ＡＸと平行になるように縦横に且つ稠密に配列することによって構成されている。フライアイレンズＦＥＬを構成する各レンズエレメントは、レチクルＲＥＩ上において形成すべき照野の形状（ひいてはウェハＷ上において形成すべき露光領域の形状）と相似な矩形状の断面を有する。
【0055】
したがって、フライアイレンズＦＥＬに入射した光束は複数のレンズエレメントにより波面分割され、各レンズエレメントの後側焦点面（射出面）またはその近傍には１つの光源像がそれぞれ形成される。すなわち、フライアイレンズＦＥＬの後側焦点面（射出面）またはその近傍には、複数の光源像からなる実質的な面光源すなわち二次光源が形成される。
【0056】
ここで、フライアイレンズＦＥＬの１つのレンズエレメントに着目すると、この１つのレンズエレメントの後側焦点面（射出面）またはその近傍には、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０によって形成された複数の光源像の像が形成され、これら複数の光源像の像は、複数のＬＥＤチップ１２３が配列されている領域と相似形状の領域に分布する。このため、複数のＬＥＤチップ１２３が配列されている領域とフライアイレンズＦＥＬの各レンズエレメントの断面とは互いに相似形状であってもよい。
【0057】
さて、フライアイレンズＦＥＬの後側焦点面（射出面）またはその近傍に形成された二次光源からの光束は、その近傍に配置された開口絞り１５０に入射する。なお、本実施形態においてフライアイレンズＦＥＬの後側焦点面（射出面）と、光源ユニット１２０のＬＥＤチップ配列面とは、光学的に共役である。
【0058】
開口絞り１５０は、投影光学系ＰＯの入射瞳面と光学的にほぼ共役な位置に配置され、二次光源の照明に寄与する範囲を規定するための可変開口部を有する。開口絞り１５０を介した二次光源からの露光光は、第２集光光学系１６０の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたレチクルＲＥＩを重畳的に照明する。
【0059】
そして、照明装置ＩＵによって照明されたレチクルＲＥＩからの露光光（レチクルＲＥＩ上の照野内に位置するパターンを介した露光光）は、投影光学系ＰＯに入射し、被露光基板としてウェハＷ上にレチクルＲＥＩのパターン像を形成する。これにより、ウェハＷの露光領域にはレチクルＲＥＩのパターンが露光される。なお、投影光学系ＰＯの投影倍率は、縮小倍率であっても拡大倍率であっても等倍であってもよい。また、投影光学系ＰＯは、屈折光学系であっても反射光学系であっても反射屈折光学系であってもよい。
【実施例0060】
発光波長３８５ｎｍのＧａＮウェハをリンス洗浄後、１２０℃で２ｍｉｎ乾燥させた。その後、ウェハ表面を疎水性にするための処理（ＨＭＤＳ処理）を行い、スピンコータでＥＢレジストを５００ｎｍ塗布し、その後、１８０℃３ｍｉｎでプリベークを行った。
【0061】
次に高速高精度電子ビーム描画装置を用い、露光量（Ｄｏｓｅ量（μＣ／ｃｍ２））を変えて９条件で露光した。９条件のＤｏｓｅ量（μＣ／ｃｍ２）は、それぞれ１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０であった。
【0062】
現像後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にてホール径を確認した。その結果、露光量（Ｄｏｓｅ量）とホール径との対応関係は、
Ｄｏｓｅ量：１５０→２９３．３ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：１６０→２９６．００ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：１７０→３０９．３３ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：１８０→３１４．６７ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：１９０→３２０．００ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：２００→３２５．３３ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：２１０→３３０．６７ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：２２０→３３８．６７ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：２３０→３５２．００ｎｍ
であった。露光量とホール径との間に正の相関があることが確認された。
Ｄｏｓｅ量：１５０→２９３．３ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：１６０→２９６．００ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：１７０→３０９．３３ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：１８０→３１４．６７ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：１９０→３２０．００ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：２００→３２５．３３ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：２１０→３３０．６７ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：２２０→３３８．６７ｎｍ
Ｄｏｓｅ量：２３０→３５２．００ｎｍ
であった。露光量とホール径との間に正の相関があることが確認された。
【0063】
以上のＥＢ描画条件出しの結果から、高速高精度電子ビーム描画装置を用い１４０μＣ／ｃｍ２で露光し、現像後にＳＥＭにてホール径を確認した。
【0064】
図４は、現像後のＳＥＭ画像を示す。ホール径が２８６－２９２ｎｍの範囲で形成できている事が確認された。
【0065】
次に、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置にて塩素ガス（３０ｓｃｃｍ）でエッチングを行い、ＥＢレジスト剥離後にＳＥＭにてホール径を確認した。その結果、外側の径が２６２～２６９ｎｍ、内側の径が２１３～２２０ｎｍであり、テーパ角が７０度～８０度と十分に抑制されていることが確認された。
【0066】
図５は、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置でエッチング後のＳＥＭ画像を示す。図５（ａ）は内側の径のＳＥＭ画像であり、図５（ｂ）は外側の径のＳＥＭ画像である。ＧａＮウェハの表面に数１００ｎｍオーダのホールが数１００ｎｍピッチで形成され、フォトニック結晶が形成されていることが確認された。
【0067】
図６は、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置でエッチング後のＧａＮウェハの断面のＳＥＭ画像を示す。フォトニック結晶を構成するホールのテーパ角は７０度～８０度である。ＬＥＤチップから射出される光の指向角を狭めるためにはフォトニック結晶を構成するホールのテーパがない、すなわちテーパ角が９０度であることが望ましいところ、本実施形態ではテーパ角が７０度～８０度と良好な結果が得られた。
【0068】
図７は、フォトニック結晶が形成されたＧａＮウェハの外観斜視図を示す。また、図８は、その一部拡大図を示す。フォトニック結晶が形成された部位に、ＧａＮウェハを照らす照明光（部屋の蛍光灯及び顕微鏡のハロゲン光）が閉じ込められて他の部位に比べて光っていることが確認された。
【0069】
図９及び図１０は、それぞれリファレンスチップと本実施形態のＬＥＤチップ（ＰｈＣ形成チップ）のプローバーによる電気特性測定結果を示す。ここで、図９に示すリファレンスチップは、ＧａＮ層にフォトニック結晶が形成されていないＬＥＤチップであり、互いにウェハ上の位置が異なるＡ１～Ａ１０の合計１０個のＬＥＤチップである。また、図１０に示す本実施形態のＬＥＤチップは、ＧａＮ層にフォトニック結晶（ＰｈＣ）が形成されたＬＥＤチップであり、互いにウェハ上の位置が異なるＢ１～Ｂ１１の合計１１個のＬＥＤチップである。リファレンスチップ及びＰｈＣ形成チップともに良好な電気特性が得られているが、例えばリファレンスチップＡ１とＰｈＣチップの半値幅（ＷＨ）及び光出力（Ｐｏ）を比較すると、
＜リファレンスチップＡ１＞
半値幅ＷＨ＝１６．８７（ｎｍ）
光出力Ｐｏ＝１６６．８６（ｍＷ）
＜ＰｈＣ形成チップＢ１＞
半値幅ＷＨ＝１１．５５（ｎｍ）
光出力Ｐｏ＝４４５．７０（ｍＷ）
であり、本実施形態のＬＥＤチップはリファレンスチップと比較して半値幅が大幅に減少するとともに光出力が大幅に増大しており、平均して半値幅ＷＨは約５．９ｎｍ減少し、光出力Ｐｏは約２．６８倍増大していた。
＜リファレンスチップＡ１＞
半値幅ＷＨ＝１６．８７（ｎｍ）
光出力Ｐｏ＝１６６．８６（ｍＷ）
＜ＰｈＣ形成チップＢ１＞
半値幅ＷＨ＝１１．５５（ｎｍ）
光出力Ｐｏ＝４４５．７０（ｍＷ）
であり、本実施形態のＬＥＤチップはリファレンスチップと比較して半値幅が大幅に減少するとともに光出力が大幅に増大しており、平均して半値幅ＷＨは約５．９ｎｍ減少し、光出力Ｐｏは約２．６８倍増大していた。
【0070】
図１１は、リファレンスチップと本実施形態のＬＥＤチップ（ＰｈＣ形成チップ）の積分球測定結果を示す。それぞれのチップをアルミ基板に実装して積分球にて特性を測定した結果である。図１１（Ａ）は順方向電流ＩＦ＝５００ｍＡでの測定結果であり、図１１（Ｂ）はＩＦ＝７００ｍＡでの測定結果である。
【0071】
リファレンスチップ（Ａ１～Ａ３）とＰｈＣ形成チップ（Ｂ４～Ｂ６）を比較すると、本実施形態のＬＥＤチップはリファレンスチップと比較して、図９、図１０に示すプローバーによる測定結果と同様の結果が得られた。
【0072】
図１２、図１３、及び図１４は、それぞれリファレンスチップ（Ａ１～Ａ３）とＰｈＣ形成チップ（Ｂ４～Ｂ６）の発光スペクトル、Ｉ－Ｖ特性、及びＩ－Ｌ特性を示す。図１２（Ａ）は、リファレンスチップ（Ａ１～Ａ３）の発光スペクトルを示し、図１２（Ｂ）はＰｈＣ形成チップ（Ｂ４～Ｂ６）の発光スペクトルを示す。図１３、図１４も同様である。なお、図１４のＩ－Ｌ特性では、ＩＦ（１００ｍＡ）の強度を１としてグラフ化している。
図１２に示すように、発光スペクトルはリファレンス及びＰｈＣ形成チップでほぼ同様である。また、図１３に示すように、Ｉ－Ｖ特性はリファレンス及びＰｈＣ形成チップともに良好な特性である。
図１２に示すように、発光スペクトルはリファレンス及びＰｈＣ形成チップでほぼ同様である。また、図１３に示すように、Ｉ－Ｖ特性はリファレンス及びＰｈＣ形成チップともに良好な特性である。
【0073】
他方で、図１４に示すように、Ｉ－Ｌ特性はリファレンスと比較してＰｈＣ形成チップでは電流増加時の出力低下が抑制されていた。これは、外部量子効率（ＥＱＥ）の向上により発熱が小さいためと考えられる。
【0074】
図１５及び図１６は、それぞれリファレンスチップ（Ａ１～Ａ３）及びＰｈＣ形成チップ（Ｂ４～Ｂ６）の指向特性測定結果を示す。指向特性を持たせる事を確認し、本実施形態では、ＰｈＣ形成チップでは４方向に分散して強度が増大する傾向が観測された。
【0075】
以上説明したように、本実施形態によれば、サファイア基板上に成長させたＧａＮ層の表面に数１００ｎｍオーダのホールを数１００ｎｍピッチで形成することでフォトニック結晶を製造することができる。これにより、レンズを使用せずにＬＥＤチップ単体で指向性を持たせる事が可能となり、金型を作る必要がなくコストを削減できる。また、ＬＥＤチップの発光効率をフォトニック結晶を形成しない場合と比べて２倍以上に増大させ得るとともに、電流増加時の出力低下を抑制することができ、仕様変更にも柔軟に対応し得る。
【符号の説明】
【0076】
１０ サファイア基板、１２ ｎ－ＧａＮ層、１４ ＭＱＷ層、１６ ｐ－ＧａＮ層、
１８ ｐ－電極及び反射膜、２０ 金属基板、２２ 支持基板、２４ ｎ－電極。
１８ ｐ－電極及び反射膜、２０ 金属基板、２２ 支持基板、２４ ｎ－電極。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図1H】
【図1I】
【図1J】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
