JP2006066442A - 半導体素子用単結晶サファイア基板とその製造方法及び半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】サファイア基板の主面に効率良く量産に適した方法で凹部を形成した半導体発光素子用サファイア基板およびその製造方法を提供し、また、同時にこの方法で作成されたサファイア基板を用いて作製された半導体発光素子を提供する。
【解決手段】鏡面研磨を行った主面に乾式または湿式のブラスト加工を施した後、熱リン酸または熱リン酸と熱硫酸の混酸または熱溶融水酸化カリウム中に浸漬し、エッチピットを有する半導体発光素子に適した単結晶サファイア基板を作製する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子用単結晶サファイア基板とその製造方法及び半導体発光素子に関する物であり、特にその半導体発光素子が青色ＬＥＤ、紫外ＬＥＤ、白色ＬＥＤ等のＬＥＤ素子を含むＧａＮ系半導体結晶からなるものに関する。

ＬＥＤにおいては、発光層で生じた光をどれだけ効率良く外界に取り出せるか（所謂、光取り出し効率）は重要な問題である。そのために従来は、発光層から上方に向かった光については、外界へ障害物とならないよう、上部電極を透明電極としたり、発光層から下方に向かった光については、反射層を設けて上方に返すなど、種々の工夫が施されている。

発光層から上下の方向に発せられた光については、上記のように電極の透明化や反射層を設けることによって、外界への光取り出し効率を向上させることが可能であるが、発光層から横方向に向かって生じた光の内、屈折率差で規定される全反射角以内で側壁に達する光は外部に放射され得るが、その他の多くの光は、例えば側壁で反射を繰り返すなどして、素子内で吸収され減衰し消滅するのみである。このような横方向の光は、上下のクラッド層あるいは基板（サファイア基板）と上側のクラッド層、あるいは基板と上部電極（更には素子外部のコーティング物質など）によって閉じ込められ、横方向に伝播する光である。該横方向に伝播する光は、発光層で生じる全光量のうちの多くを占めており、全体の６０％に達する場合もある。

この様な横方向に伝搬する光を効率良く外界に取り出す手段として、半導体層を成長させるための第一の結晶層表面に凹凸が加工され、その上に、前記結晶層とは異なる屈折率を有する半導体材料からなる第二の結晶層が、バッファ層を介してまたは直接的に、該凹凸を埋め込んで成長しており、その上に、発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造とする半導体発光素子が提案されている（特許文献１、非特許文献１参照）。

同様の目的のために、発光領域層から基板に入射する光を散乱させる光散乱層を設け、発光領域層から基板に入射する光が全反射する割合を減少させる半導体発光素子も提案されている（特許文献２参照）。

あるいは、同様の目的の為に、鏡面研磨を行ったサファイア基板の主面上にブラスト加工によって複数の凹部を形成し、当該基板上に半導体発光素子を形成する方法も提案されている（特許文献３参照）。
特開２００２−２８０６１１ 特開２００３−６０２２７ 特開２００３−２７７１９４ 日経エレクトロニクス２００３年３月３１日号ｐ１２８〜Ｐ１３３

前記凹凸の形成方法の一つは、サファイア基板の主面にフォトレジストを形成し、フォトリソグラフィによってフォトレジストに開口を形成し、フォトレジストをマスクとしてその下側のサファイア基板本体を選択的にエッチングして凹凸を形成した後、フォトレジストを除去する方法であり、このエッチングはイオンビームエッチングあるいは、反応性イオンエッチングのようなドライエッチングによる方法が主であった。

しかし、イオンビームエッチングあるいは、反応性イオンエッチングは加工速度が非常に遅く、さらに一度に処理できる枚数にも限りがあるという問題があり量産には適さなかった。また、マスクを使ってドライエッチングを行うため、エッチング中にマスク自体もエッチングされるため、マスクの端部が不規則に波打ち、ドライエツチングによって形成された凹凸の端部も波打つ結果となり、その後の窒化物半導体のエピ成長に悪影響を与えるという問題が有った。

また、凹凸を形成する別の方法として、鏡面研磨を行ったサファイア基板の主面上にブラスト加工を行う方法もあるが、この方法によって作成された基板は、凹部の周辺に微細なクラックが発生しやすく、その後の窒化物半導体のエピ成長に悪影響を与えるという問題が有った。また、ブラスト加工を行ったサファイア基板の主面には加工歪みが発生し、基板の反りが起きるので、この加工歪みを除去する為の熱処理が必要であり、工程が複雑になると言う問題も有った。

本発明の課題は、上記問題を解決するため、サファイア基板の主面に効率良く量産に適した方法で、微細なクラックの発生が無く、窒化物半導体のエピ成長に適した形状の凹部を持つ半導体発光素子用サファイア基板およびその製造方法を提供することである。

上記問題に鑑みて本発明は、鏡面研磨を行った主面上に複数のエッチピットを有する半導体素子用単結晶サファイア基板であることを特徴とする。

また、前記エッチピットの一辺の長さが３００μｍ、より好ましくは３０μｍ以下であることを特徴とする。

また、前記エッチピットが角錐状であることを特徴とする。

また、前記エッチピットの密度が１０^３個／ｃｍ^２以上、１０^１０個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする。

また、前記エッチピットが角錐状であり主面に垂直な方向から見た時の底辺の少なくとも一辺が、サファイアのＡ軸に平行であるかまたはＡ軸に垂直であるか、もしくはサファイアのＭ軸に平行であるかまたはＭ軸に垂直であることを特徴とする。

また、前記主面は、サファイアのＣ面±２°以内、Ａ面±２°以内、Ｒ面±２°以内、Ｍ面±２°以内またはＭ面から３０°±２°以内のいずれかを満たすことを特徴とする。

また、本発明の半導体素子用単結晶サファイア基板の製造方法は、サファイア基板に鏡面研磨を行った主面に、乾式または湿式のブラスト加工法によりほぼ均一にブラスト材を噴射した後、熱リン酸または熱リン酸と熱硫酸の混酸または熱溶融水酸化カリウム中に浸漬し、前記エッチピットを形成することを特徴とする。

また、前記単結晶サファイア基板をＥＦＧ法、Ｃｚ法、カイロポーラス法のいずれかの方法で作製することを特徴とする。

また、本発明の半導体発光素子は、前記単結晶サファイア基板のエッチピットを有する主面上に、単結晶サファイア基板とは異なる屈折率を有する半導体材料からなる第二の結晶層が成長しており、その中に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有することを特徴とする。

また、前記第二の結晶層がＡｌ_ＸＧａ_ＹＮを含むＧａＮ系のバッファ層と、その上のＧａＮ系の半導体結晶層からなることを特徴とする。あるいは、前記第二の結晶層がＡｌ_ＸＧａ_ＹＮを含むＡｌＮ系のバッファ層と、その上のＧａＮ系の半導体結晶層からなることを特徴とする。

また、前記単結晶サファイア基板のエッチピットを有する主面から、第二の結晶層が実質的にファセット構造を形成しながら成長したものであることを特徴とする。

また、前記発光層から発せられる光の波長における、単結晶サファイア基板の屈折率と第二の結晶層の屈折率との差が、０．０５以上であることを特徴とする。

また、前記単結晶サファイア基板の主面上に、第一のＧａＮ系半導体結晶がエッチピットを覆って凹凸をなすように成長し、該凹凸の少なくとも一部を覆って、第一のＧａＮ系半導体結晶とは異なる屈折率を有する第二のＧａＮ系半導体結晶が成長し、さらに第三のＧａＮ系半導体結晶が前記凹凸を平坦化するまで成長し、その上に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有することを特徴とする。

また、前記単結晶サファイア基板の主面上に、第一のＧａＮ系半導体結晶がエッチピットを覆って凹凸をなすように成長し、該凹凸の少なくとも凸部を膜状に覆って第二のＧａＮ系半導体結晶が成長し、さらにこれを覆って第三のＧａＮ系半導体結晶が前記凹凸を平坦化するまで成長し、その上に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有し、前記第二のＧａＮ系半導体結晶が多層膜構造を有することを特徴とする。

以上のように本発明による、ブラスト加工後にウェットエッチングを行う方法によれば、従来のフォトリソグラフィーを用いてサファイアをエッチングする方法と比較して端面が波打ったりする不具合が無い、複数の凹部を形成した半導体発光素子用サファイア基板を作成することが出来ると言う効果があり、更にフォトリソグラフィー法より量産性に優れると言う効果がある。また、従来のブラスト加工のみを用いて凹部を形成する方法と比較して、凹部の周囲にクラックが発生すると言った不具合の無い、複数の凹部を形成した半導体発光素子用サファイア基板を作成することができる。

さらに、この基板を用いてＬＥＤ等の半導体発光素子を作製することにより、エッチピットによって基板側に向かう光を散乱させ、光取り出し効率の高い半導体発光素子を作製することができる。

以下、ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤ（ＧａＮ系ＬＥＤ）を例として挙げ、本発明の実施の形態を説明する。

図1に示すように、本発明の単結晶サファイア基板１は主面1a上に、角錐状のエッチピット１bを複数形成したものである。この単結晶サファイア基板１を作製する為に、初めにＥＦＧ法によって面方位、軸方位の定まったサファイア素材を引き上げる。なお、サファイアの製造方法としてはＥＦＧ法の他にＣｚ法やカイロポーラス法などによっても構わない。次にこの素材を適宜切断した後、砥石を用いて円板状、あるいは四角形に研削加工を行い、次にコロイダルシリカを用いた化学的研磨により、ＧａＮ系半導体層を成長させるのに適した平滑な面とする。

鏡面研磨の程度は、後のＧａＮ系半導体を成膜させるのに十分な程度に平坦に研磨を行い、表面粗さは少なくともＲａで１０Å以下であることが必要である。なお、最終的にエッチング後の表面粗さはエッチピット1bの部分を除く平坦部分は鏡面研磨直後の表面粗さと変わらず、少なくともＲａで１０Å以下である平坦な表面に複数のエッチピット1bが点在したものとなる。なお、エッチピット1bの１辺の大きさは３００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下であり、その密度は１０^３個／ｃｍ^２以上、１０^１０個／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

このように、鏡面研磨した面はブラスト、エッチング後に表面粗さは変化しない。また、鏡面研磨した面は後のＧａＮ系半導体を成膜させる為の平坦な面として用いられ、エッチピット1bのある部分は、後に半導体発光素子を形成する際にＧａＮ系半導体材料で埋め、光を効率よく取り出す為の光学的な機能を果たす為に用いられる。

次に図２に示すブラスト加工装置を用いて、サファイア基板１の主面1a上にブラスト材を噴射し、サファイア基板１の主面1aの全面にほぼ均一に機械的なダメージを与える。この時、サファイア基板１の主面1aには必ずしも明確な窪みを形成する必要は無く、外観上は殆どダメージが入っていないように見える程度でも構わない。また、照射するブラスト材としては、ガラスビーズ、アルミナ砥粒、炭化珪素、炭化硼素等を使うことが出来る。

引き続き、当該基板を２００℃〜４００℃の熱リン酸中でウェットエッチング処理を行うことにより、上記ダメージを起点としてエッチピット１bが形成される。このエッチング処理は、適切な治具を用いることにより、一度に多数枚を処理できるため、非常に生産性が高く、量産に適している。次に洗浄を施しＧａＮ系半導体層を成膜するための基板を作製する。

従来のエッチング方法では、マスクを使ってドライエッチングを行うため、生産性が悪いだけでなく、エッチング中にマスク自体もエッチングされるため、マスクの端部が不規則に波打ち、ドライエツチングによって形成された凹凸の端部も波打つ結果となり、その後の窒化物半導体のエピ成長に悪影響を与えるという問題が有った。これに対して、本発明のエッチピット１bは、ウェットエッチングにより結晶本来の性質によって出来る凹部であり、このエッチピット１bを利用することで、ドライエッチングに依る場合のように端面が波打つという不具合が無い。また、ウェットエッチングを行う前に、ブラスト加工法によって予め機械的なダメージを入れることによって、エッチピットの起点を作製することが出来るので、エッチピットの密度を任意にコントロールすることが出来る。また、機械的なダメージを入れることにより、エッチピットの起点を作製することが出来るので、通常エッチピットが出来にくいＡ面などにもエッチピットを任意に作製することが出来る。

また、ブラスト加工によって必要以上に機械的なダメージが入り、基板の反りなどの不具合が起きることが予想されるが、これは熱リン酸などでエッチングをする際に、エッチピットの形成と同時に機械的なダメージもエッチングにより除去されるので、この様な不具合は起こらない。また、エッチングによってエッチピット部以外のサファイア基板の表面が荒れるなどの不具合も起こらず、ＧａＮ系半導体の成膜に問題は起きない。

この様にして出来るエッチピット１bの形状は、角錐状であることが特徴であり、条件によって変わるが、通常は三角錐である。この角錐状の形状は、この単結晶サファイア基板１を利用して作製するＬＥＤ等の発光素子の光取り出し効率を高めるために有効である。

このエッチピット１bの大きさは一辺が３００μｍ以下となるように温度と時間の条件を調整することが好ましい。これは、ＬＥＤ素子の大きさが通常３００μｍ×３００μｍ程度であり、横方向の光を効率よく取り出すためにはエッチピットの大きさが少なくともこのサイズ以下に成るようにコントロールする必要が有るためである。また、ＬＥＤの光取り出し効率はエッチピットの密度に比例するので、必然的にエッチピットの大きさも小さい方がより好ましく、現実的には３０μｍ以下、更に光の波長に近いサイズである０．３μｍ〜３μｍであればより好ましい。ここでエッチピットの深さの好ましい範囲は、幾何学的な考察から２５０μｍ以下が好ましく、また、ＬＥＤの製造工程で、一般的にダイシング工程の前に基板をバックグラインドを行い、厚みを薄くすることからもエッチピットの深さは２５０μｍ以下が好ましいが、上記と同じ理由で現実的には３０μｍ以下、更に光の波長に近いサイズである０．３μｍ〜３μｍであればより好ましい。

また、エッチピット１bの数も同様に横方向の光を効率よく取り出すために、１０^３個／ｃｍ^２以上、１０^１０個／ｃｍ^２以下であることが好ましい。なお、エッチピットの数をコントロールするために、単結晶サファイア基板１に熱や圧力を加えて故意に結晶欠陥を導入した後、エッチング処理を行っても良い。例えば、１２００℃〜１４００℃で２０気圧を加えた後、更に熱処理を行う等の処理を行っても良い。

また、エッチピット１bを主面１aに垂直な方向から見た時の底辺の少なくとも１辺がサファイアのＡ軸に平行または垂直であるか、もしくはＭ軸に平行または垂直であることにより、当該基板の上に成長させるＧａＮなどの欠陥の低減に有効である。これはサファイア基板１を適切な条件でエッチングを行うことにより達成できる。

エッチピット１bの数と大きさは熱リン酸等の温度と処理時間に依って決まる。また、エッチピット１bの向きは単結晶サファイア基板１の結晶方位と軸方位とによって決まる。このエッチピット１bの向きと形状を一定にするために前記主面１aはＣ面±２°以内、Ａ面±２°以内、Ｒ面±２°以内、Ｍ面±２°以内またはＭ面から３０°±２°以内のいずれかを満たす必要がある。

また、以上の説明ではウェットエッチングに熱リン酸を用いたが、エッチング液はこれに限定されず、熱リン酸と熱硫酸の混酸でも良く、また、熱溶融水酸化カリウムなどその他の薬品を用いても良い。

なお、熱リン酸によるサファイアのエッチングレートは各温度で図３のようになった。本発明に於いて、熱リン酸または熱リン酸と熱硫酸の混酸または熱溶融水酸化カリウムを用いるのは、例えば図３の様にエッチングレートが温度によって正確にコントロールできるため、エッチピット１bの作製に最も適しているためである。

また、本発明にＥＦＧ法によって作製したサファイア基板１を用いるのは、ＥＦＧ法はサファイアの製造方法の内、最も成長スピードを速くすることが出来るため、エッチピットを有効に利用するのに適した条件を作り出すことが可能であるためである。

以上のように本発明の製造方法によれば、サファイア基板に特別なマスクの形成を必要とせず、ブラスト加工後に２００℃〜４００℃の熱リン酸等でウェットエッチングを行うという比較的簡単な工程でエッチピット１ｂを備えたサファイア基板１を比較的安価に量産することが出来る。即ち、適切な治具を用いることにより、一度に多数枚を処理できるため、従来の反応性イオンエッチングによる方法に比べて非常に生産性が高く、量産に適している。

次に本発明のエッチピット１ｂを備えたサファイア基板１を用いた半導体発光素子について説明する。

上記サファイア基板1の主面1aに窒化物半導体をエピタキシャル成長させると、窒化物半導体の縦方向の成長と横方向の成長が合体して平坦な表面を有する窒化物半導体膜が形成される。この窒化物半導体を成膜した基板を用いて発光素子を作製する。この時、角錐状のエッチピット１ｂは窒化物半導体で完全に埋まっていても良く、あるいはエッチピットと窒化物半導体の間に空洞が有っても構わないが、好ましくは完全に埋まっている方が良い。

このようにして作製された半導体発光素子であるＬＥＤの例を図４に示す。

単結晶サファイア基板1のエッチピット１ｂを形成した主面１ａ上に、ＡｌＧａＮ低温バッファ層を介してｎ型ＧａＮコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ＧａＮ系半導体発光層（ＭＱＷ構造）４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｐ型ＧａＮコンタクト層６を形成し、この上に上部電極（通常はｐ型電極）７を、上記ｎ型ＧａＮコンタクト層２上に下部電極（通常はｎ型電極）８を形成したものである。

上記エッチピット１bを有する主面１aは光散乱層を成し、これにより、ＧａＮ系半導体発光層４から出た光の内、下方に向かう光は主面１aの光散乱層で散乱され、横方向に光を取り出すことが出来る。これにより、ＧａＮ系半導体発光層４から出た光はＧａＮ層内で反射を繰り返して減衰することが無く、ＬＥＤ全体の光取り出し効率の改善が出来る。

なお、前記単結晶サファイア基板１の主面１ｂから、第二の結晶層であるｎ型ＧａＮコンタクト層２等が実質的にファセット構造を形成しながら成長していることが好ましい。

また、前記ＧａＮ系半導体発光層４から発せられる光の波長における、単結晶サファイア基板１の屈折率と第二の結晶層であるｎ型ＧａＮコンタクト層２等の屈折率との差が０．０５以上であることが好ましい。

なお、上記バッファ層としてはＡｌ_ＸＧａ_ＹＮを含むＧａＮ系またはＡｌＮ系のいずれを用いてもよく、その上に形成する半導体結晶層としてはＧａＮ系を用いる。

さらに他の実施形態として、図示していないが、前記単結晶サファイア基板１の主面１ａ上に、第一のＧａＮ系半導体結晶がエッチピット１ｂを覆って凹凸をなすように成長し、該凹凸の少なくとも一部を覆って、第一のＧａＮ系半導体結晶とは異なる屈折率を有する第二のＧａＮ系半導体結晶が成長し、さらに第三のＧａＮ系半導体結晶が前記凹凸を平坦化するまで成長し、その上に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造とすることもできる。

あるいは、単結晶サファイア基板１の主面１ａ上に、第一のＧａＮ系半導体結晶がエッチピット１ｂを覆って凹凸をなすように成長し、該凹凸の少なくとも凸部を膜状に覆って第二のＧａＮ系半導体結晶が成長し、さらにこれを覆って第三のＧａＮ系半導体結晶が前記凹凸を平坦化するまで成長し、その上に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有し、前記第二のＧａＮ系半導体結晶が多層膜構造を有するようにしても良い。

なお、通常はこの半導体発光素子は上記エッチピット１bを有するサファイア基板１上に作製され、サファイア基板１と共にダイシングなどの切断を行い、パッケージングを行い半導体発光素子としての機能を果たす。しかし、場合によっては半導体発光素子部分をサファイア基板1から剥離してさらに高効率のＬＥＤとする方法も提案されている。その様な場合にも当該エッチピット１bを有するサファイア基板1は、エッチピット１bと窒化物半導体膜との間に空洞を有する構造とすることにより、半導体発光素子をサファイア基板から剥離することが容易であるという効果を有する。

さらに、本発明のエッチピット１bを有するサファイア基板１は、半導体発光素子の製造以外の用途として、当該エッチピット１bを有するサファイア基板１上に低転転位の窒化物半導体層を形成した後、サファイア基板から低転位の窒化物半導体を剥離して独立した窒化物半導体基板を作製する場合にも剥離が容易であるという効果も有する。

さらに、本発明のエッチピット１bを有するサファイア基板１は、半導体発光素子用の基板としてだけでなく、窒化物半導体を用いた電子デバイス用の基板として用いることも出来る。

本実施例では半導体素子用のエッチピットを有するサファイア基板の製造方法を説明する。

初めにＥＦＧ法によって面方位をＣ面とするサファイア素材を引き上げた。次に、この素材を適宜切断し、研削加工、研磨加工、洗浄を施し、窒化物半導体を成膜するための基板１を作製した。この基板１に対し図２のように湿式ブラスト加工を行った。この際の砥粒濃度としては約１０％とし、湿式タンク９に水に希釈して投入した。また、砥粒径（５０％粒径）は３０μｍとし、ブロッキー（角部の無い丸みをおびた）形状で統一されたものを使用した。

また、基板全面にブラスト加工を施すため単結晶サファイア基板１を基板ホルダー１０にて保持し、主面１aをブラスト加工面として、ノズル１１よりブラスト材としてアルミナ砥粒を単結晶サファイア基板主面１aに対して垂直となるように照射し、単結晶サファイア基板１を基板ホルダー１０で保持させ、ブラスト照射させながら単結晶サファイア基板１を回転運動させた。

この際、ノズル径、基板の回転数、ノズル１１と主面１ａとの距離、ブラスト衝射時間、ブラスト砥粒衝射圧力に依存するため適切な条件の設定が必要である。なお、本実施例においてはノズル径φ8.0ｍｍ、基板の回転数１０ｒｐｍ、ノズル１１と主面１aとの距離８０ｍｍ、ブラスト衝射時間３０秒、ブラスト砥粒衝射圧力０．３MPaとしてブラスト加工を行った。

引き続き、当該基板を熱リン酸中３００℃で３０分間エッチング処理を行ったところ、当該基板の主面１aに多数のエッチピット１ｂが形成された。この時、サファイア基板１の主面1a上に形成されたエッチピット１ｂの形状は三角錐であった。また、当該エッチピットを主面に垂直な方向から見た時の底辺の１辺はＡ軸に平行であった。また、エッチピットの大きさは１辺が約３μｍであり、密度は約５×１０^４個／ｃｍ^２であった。

本実施例では、図４に示すように、ファセット成長法によってサファイア基板１のエッチピット１bを埋め込んで凹凸状の光散乱面とし、ＧａＮ系ＬＥＤを製作した。

先ず、実施例１の工程により、Ｃ面サファイア基板上にエッチピットを形成した。当該基板を洗浄後、ＭＯＶＰＥ装置に基板を装着し、窒素ガス主成分雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルクリーニングを行った。温度を５００℃まで下げ、周期率表第３族原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）を、Ｎ原料としてアンモニアを流し、厚さ３０ｎｍのＡｌＧａＮ低温バッファ層を成長させた。

続いて温度を１０００℃に昇温し原料としてＴＭＧ、アンモニアを、ドーパントとしてシランを流しｎ型ＧａＮ層（コンタクト層）２を成長させた。このときのＧａＮ層の成長は、凸部の上面、凹部の底面から、断面山形でファセット面を含む尾根状の結晶として発生した後、凹部内に空洞を形成することなく、全体を埋め込む成長であった。

ファセット構造成長において、ＧａＮ結晶のＣ面が完全に消滅し頂部が尖った凸状となった時点で、成長条件を横方向成長が優勢になる条件（成長温度を上昇させるなど）に切り替え、サファイア基板の上面から厚さ５μｍまでＧａＮ結晶を成長させた。上面が平坦な埋め込み層を得るためには５μｍの厚膜成長が必要であった。

続いて、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｐ型ＧａＮコンタクト層６を順に形成し、発光波長３７０ｎｍの紫外線ＬＥＤ用エピ基板とし、さらに、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工、電極（７，８）形成、素子分離を行い、ＬＥＤ素子とした。

（ａ）は本発明の単結晶サファイア基板の斜視図、（ｂ）は（ａ）中のＡ部の拡大図、（ｃ）はＡ部の断面図である。 本発明の単結晶サファイア基板の製造方法におけるブラスト加工を説明する為の図である。 単結晶サファイアのエッチングレートの温度依存性を示すグラフである。 本発明の半導体発光素子の構成を示す断面図である。

符号の説明

１：サファイア基板
１ａ：主面
１ｂ：エッチピット
２：ｎ型GaNコンタクト層
３：ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４：GaN系半導体発光層（ＭＱＷ構造）
５：ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
６：ｐ型ＧａＮコンタクト層
７：上部電極
８：下部電極
９：湿式タンク
１０：基板ホルダー
１１：ノズル

Claims (16)

1. 鏡面研磨を行った主面上に複数のエッチピットを有することを特徴とする半導体素子用単結晶サファイア基板。
2. 前記エッチピットの一辺の長さが３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
3. 前記エッチピットの一辺の長さが３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
4. 前記エッチピットが角錐状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半導体素子用単結晶サファイア基板。
5. 前記エッチピットの密度が１０^３個／ｃｍ^２以上、１０^１０個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
6. 前記エッチピットが角錐状であり、主面に垂直な方向から見た時の底辺の少なくとも一辺が、サファイアのＡ軸に平行であるかまたはＡ軸に垂直であるか、もしくはサファイアのＭ軸に平行であるかまたはＭ軸に垂直であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
7. 前記主面は、サファイアのＣ面±２°以内、Ａ面±２°以内、Ｒ面±２°以内、Ｍ面±２°以内またはＭ面から３０°±２°以内のいずれかを満たすことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
8. 鏡面研磨を行った主面に、乾式または湿式のブラスト加工を施した後、熱リン酸または熱リン酸と熱硫酸の混酸または熱溶融水酸化カリウム中に浸漬し、前記エッチピットを形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板の製造方法。
9. 前記単結晶サファイア基板をＥＦＧ法、Ｃｚ法、カイロポーラス法のいずれかの方法で作製することを特徴とする請求項８記載の半導体素子用単結晶サファイア基板の製造方法。
10. 請求項１〜７のいずれかに記載の単結晶サファイア基板のエッチピットを有する主面上に、単結晶サファイア基板とは異なる屈折率を有する半導体材料からなる第二の結晶層が成長しており、その中に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
11. 前記第二の結晶層がＡｌ_ＸＧａ_ＹＮを含むＧａＮ系のバッファ層と、その上のＧａＮ系の半導体結晶層からなることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子。
12. 前記第二の結晶層がＡｌ_ＸＧａ_ＹＮを含むＡｌＮ系のバッファ層と、その上のＧａＮ系の半導体結晶層からなることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子。
13. 前記単結晶サファイア基板のエッチピットを有する主面から、第二の結晶層が実質的にファセット構造を形成して成長していることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の半導体発光素子。
14. 前記発光層から発せられる光の波長における、単結晶サファイア基板の屈折率と第二の結晶層の屈折率との差が、０．０５以上であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の半導体発光素子。
15. 前記単結晶サファイア基板の主面上に、第一のＧａＮ系半導体結晶がエッチピットを覆って凹凸をなすように成長し、該凹凸の少なくとも一部を覆って、第一のＧａＮ系半導体結晶とは異なる屈折率を有する第二のＧａＮ系半導体結晶が成長し、さらに第三のＧａＮ系半導体結晶が前記凹凸を平坦化するまで成長し、その上に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
16. 前記単結晶サファイア基板の主面上に、第一のＧａＮ系半導体結晶がエッチピットを覆って凹凸をなすように成長し、該凹凸の少なくとも凸部を膜状に覆って第二のＧａＮ系半導体結晶が成長し、さらにこれを覆って第三のＧａＮ系半導体結晶が前記凹凸を平坦化するまで成長し、その上に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有し、前記第二のＧａＮ系半導体結晶が多層膜構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。

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