JP2011176093A - 発光素子用基板および発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】基礎基板からの半導体層の剥離といった問題の発生を抑制すると共に、十分な光の取り出し効率を得ることが可能な発光素子用基板および発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子用基板は、発光層６を含む半導体層（ｎ型半導体層５、発光層６、ｐ型半導体層７、基板４）と、半導体層と中間層３５を介して接合された基礎基板２とを備える。半導体層と基礎基板２との接合部にフォトニック結晶構造層３が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、発光素子用基板および発光素子に関し、より特定的には、２次元回折格子を備える発光素子用基板および発光素子に関する。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（たとえばＧａＮなど）は、発光素子の材料として近年応用が進んでいる。たとえば、当該発光素子を構成する基板としてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板（たとえばＧａＮ基板）を用いれば、当該基板の主表面上にＩＩＩ−Ｖ族化合物からなる発光層を形成することにより、発光層と基板との間の応力の発生を抑制することができる。この結果、結晶品質の良い発光層を形成できる。しかし、ＧａＮ基板などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板は、一般的にシリコン基板などに比べて非常に高価となっている。このため、発光層の結晶品質は若干低下するが、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子には安価なサファイア基板などが多く使用されている。

上記の問題に対して結晶品質の良い発光層を形成するための基板を安価に提供するために、特開２００６−２１０６６０号公報（特許文献１）は、シリコン（Ｓｉ）基板などにＧａＮ膜などの窒化物半導体膜を形成するため、Ｓｉ基板の表面にＧａＮ膜を接合する半導体基板の製造方法を開示する。また、J.W.Chung, 他２名, ”N-Face GaN/AlGaN HEMTs Fabricated Through Layer Transfer Technology”, IEEE Electron Device Letters, 30, 2, 2009（非特許文献１）は、中間接着層を介してＳｉ基板の表面にＧａＮ膜を接合する半導体基板の製造方法を開示する。

上述のように適用が進められている、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一つであるＧａＮは、屈折率が約２．５であり、空気（屈折率が１．０）に比べて屈折率が高いため、全反射角が小さくなる。このため、発光層から発した光が発光素子の外に出射しにくい、すなわち光取り出し効率が低いという問題がある。これは、発光素子の表面で一度全反射した光は、その後も全反射を繰り返しながら発光素子の内部を伝搬するが、その光の多くは伝搬するに従い、外部に出射するよりも先に発光素子の電極および半導体層内で吸収されてしまうためである。

上記の問題に対して、発光素子からの光の取り出し効率を向上させるとともに、発光素子から出射する光の指向性を変更するために、J. J. Wierer, 他４名,“InGaN/GaN quantum-well heterostructure light-emitting diodes employing photonic crystal structures”, Applied Physics Letters, 84, 19, May 10, 2004, pp3885-3887（非特許文献２）や、K. McGroddy, 他８名, “Directional emission control and increased light extraction in GaN photonic crystal light emitting diodes”, Applied Physics Letters, 93, 103502, 2008（非特許文献３）は、半導体デバイスの表面にフォトニック結晶構造を形成することを開示する。

特開２００６−２１０６６０号公報

J.W.Chung,他２名，"N-Face GaN/AlGaN HEMTs Fabricated Through Layer Transfer Technology", IEEE Electron Device Letters, 30, 2, 2009 J. J. Wierer, 他４名, "InGaN/GaN quantum-well heterostructure light-emitting diodes employing photonic crystal structures", Applied Physics Letters, May 10, 2004, 84, 19, pp3885-3887 K. McGroddy, 他８名, "Directional emission control and increased light extraction in GaN photonic crystal light emitting diodes", Applied Physics Letters, 93, 103502, 2008

しかし、特許文献１に開示されるように、シリコン基板などの異種材料からなる基礎基板に窒化物半導体膜を接合する場合、基礎基板と窒化物半導体膜との接合界面における接合強度が不十分で基礎基板から窒化物半導体膜が剥離するといった問題が発生する場合があった。このような剥離が発生すると、発光素子が正常に動作しなくなるという問題が起きる。

また，非特許文献１では，中間層に水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）を前駆体とした酸化シリコン層が用いられている。このように、窒化物半導体膜に対して酸化シリコンの平坦層が形成されると、酸化シリコンは屈折率が１．５以下と低いため，光はやはりこの界面（窒化物半導体膜と酸化シリコンとの界面）で全反射してしまう。非特許文献１では，その用途がパワーデバイス向けなので問題とはなっていないが、本発明のように窒化物半導体膜を光学素子として用いる場合には、上述のような全反射は光取り出し効率の低下を招くため、問題となる。

また、非特許文献２、３に開示されるように、発光素子の表面に２次元回折格子（フォトニック結晶構造）を形成する場合、デバイスの表面には電極などの他の構造も形成する必要があり、２次元回折格子のためのスペースを十分確保できない場合もあった。このような場合、２次元回折格子による光の取り出し効率の向上効果を十分に得られない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、基礎基板からの半導体層の剥離といった問題の発生を抑制すると共に、十分な光取り出し効率を得ることが可能な発光素子用基板および発光素子を提供することである。

この発明に従った発光素子用基板は、発光層を含む半導体層と、半導体層と中間層を介して接合された基礎基板とを備える。半導体層と基礎基板との接合部に２次元回折格子が形成されている。

このようにすれば、中間層として半導体層と基礎基板との接合性に優れた材料からなる層を形成することで、半導体層と基礎基板との剥離を防止することができる。さらに、２次元回折格子が半導体層と基礎基板との接合部に形成されているので、電極などの他の構造と干渉することなく、十分なサイズの２次元回折格子を形成することができる。この結果、２次元回折格子により光の取り出し効率を改善する効果を高めることができる。

さらに，中間層は（酸化シリコンよりも）高屈折率の透明酸化膜で構成されてもよい。これにより、全反射条件が緩和されより多くの光が２次元回折格子と相互作用できるようになる。その結果，光取り出し効率をより一層高めることが出来る。

また、中間層として、酸化シリコンなどの屈折率は低いが接着力に優れた材料を使ってもよい。この場合、上記２次元回折格子は半導体層に直接接するように、中間層の半導体層寄りの位置（たとえば中間層において半導体層と接する表面層）、もしくは中間層を貫通する形態で設けられることが好ましい。これにより、半導体層から到来する光はたとえ半導体層と中間層との界面で全反射しても２次元回折格子の寄与を受ける（２次元回折格子と相互作用する）ことができる。その結果、基板と半導体層の接着性を保持しつつ、光取り出し効率をより一層高めることが出来る。

この発明に従った発光素子は、上記発光素子用基板を用いたものである。このようにすれば、半導体層が基礎基板から剥離する可能性を低減できるとともに、十分な広さの２次元回折格子を形成し、かつ、素子に本来閉じ込められたまま吸収されて失われていた光を効率よく回折格子と作用させることができるので、信頼性が高く、光の取り出し効率の高い発光素子を実現できる。

このように、本発明によれば、基礎基板からの半導体層の剥離といった問題の発生を抑制すると共に、十分な光の取り出し効率を得ることができる。

本発明に従った発光素子の実施の形態１を示す断面模式図である。 図１に示した発光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 図２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 図２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 図２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 図２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 図２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 図２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 本発明による発光素子の実施の形態２を示す断面模式図である。 図１０に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 図１０に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 図１０に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 図１０に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 本発明による発光素子の実施の形態３を示す断面模式図である。 図１５に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１を参照して、本発明による発光素子の実施の形態１を説明する。

図１を参照して、発光素子１は、基礎基板２と、基礎基板２上に配置された中間層３５と、中間層３５上に配置された半導体からなる基板４と、基板４上に形成されたｎ型半導体層５と、発光層６と、ｐ型半導体層７と、ｎ電極８と、ｐ電極９とを備える。中間層３５は、基礎基板２の主表面上に接続されている。基板４は、中間層３５上に配置されている。つまり、基礎基板２と基板４とは中間層３５を介して接合されている。基板４と基礎基板２との接合部には２次元回折格子としてのフォトニック結晶構造層３が形成されている。具体的には、このフォトニック結晶構造層３は、基礎基板２において中間層３５と接触する表面を含む表面層に形成されている。このフォトニック結晶構造層３は、２次元方向に屈折率が周期的に変化する構造であり、基礎基板２の上部表面（中間層３５と接合された表面）に、開口部３ｂが周期的に（たとえばマトリックス状に）複数形成されている。フォトニック結晶構造層３においては、内部が真空もしくは空気により充填された状態の開口部３ｂと、この開口部３ｂの間に位置し、基礎基板２の表面層の一部からなるベース部３ａとにおいて、屈折率が異なることにより、フォトニック結晶構造が構成されている。フォトニック結晶構造層３の開口部３ｂの形状やサイズ、ピッチや配置などは、光の取り出し効率など求める特性に応じて任意に決定することができる。

基板４の上部表面（中間層３５と接合された表面とは反対側に位置する表面）上にはｎ型半導体層５が形成されている。ｎ型半導体層上には発光層６が形成されている。発光層６上にはｐ型半導体層７が形成されている。発光素子１の端部においては、ｐ型半導体層７、発光層６およびｎ型半導体層５の一部を除去することにより段差部１０が形成されている。この段差部１０内において露出しているｎ型半導体層５上にｎ電極８が形成されている。また、ｐ型半導体層７の上部表面上には透明性の導電体からなるｐ電極９が形成されている。

発光素子１は、たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたＬＥＤである。この場合、基礎基板２としては、たとえばサファイア基板を用いることができる。なお、基礎基板２としてはたとえば透明性の材料からなる基板を用いてもよいが、他の材料、たとえば金属からなる基板を用いてもよい。たとえば、基礎基板２としてスピネル製の基板、ＧａＮ製の基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）製の基板、あるいは石英製の基板を用いることができる。なお、基礎基板２としては表面を平滑に仕上げておくことが好ましい。

また、中間層３５としては、たとえばインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）を用いることができる。この中間層３５の厚みは、たとえば３００ｎｍとすることができる。

また、基板４としてはＧａＮ基板を用いることができる。また、ｎ型半導体層５としては、ｎ型のＧａＮエピタキシャル層を用いることができる。発光層６としては、たとえば多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する発光層を用いることができる。具体的には、たとえばＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との組合せを６組積重ねた積層構造を発光層６として用いることができる。

また、ｐ型半導体層７としては、たとえばｐ型のＧａＮエピタキシャル層を用いることができる。ｐ型半導体層７の厚みｄは、たとえば９０ｎｍとすることができる。このような発光素子１においては、中間層３５として半導体層としての基板４と基礎基板２との接合性に優れた酸化物材料からなる、たとえばＩＺＯなどの層を形成することで、基板４と基礎基板２との剥離を防止することができる。さらに、フォトニック結晶構造層３が基板４と基礎基板２との接合部（より具体的には基礎基板２において中間層３５と接する表面層）に形成されているので、電極などの他の構造と干渉することなく、十分なサイズのフォトニック結晶構造層３を形成することができる。この結果、フォトニック結晶構造層３により光の取り出し効率を改善する効果を高めることができる。

中間層として半導体層と基礎基板との接合性に優れた材料からなる層を形成することで、半導体層と基礎基板との剥離を防止することができる。さらに、２次元回折格子が半導体層と基礎基板との接合部に形成されているので、電極などの他の構造と干渉することなく、十分なサイズの２次元回折格子を形成することができる。加えて、中間層３５として屈折率の高い材料を選択し、屈折率比が大きくなるように真空もしくは空気からなる回折格子を形成し回折効率を高めている。この結果、２次元回折格子により光の取り出し効率を改善する効果を高めることができる。また、中間層３５として酸化シリコンより屈折率の高い材料を用いているので、基板４と中間層３５との界面での全反射角度を大きくできる。このため、フォトニック結晶構造層３に到達できる光量を多くできるので、結果的に光の取り出し効率をより高めることができる。

次に、図２〜図９を参照して、図１に示した発光素子の製造方法を説明する。
図２を参照して、図１に示した発光素子の製造方法においては、まず成膜工程（Ｓ２１）を実施する。具体的には、基板４の上部表面上に、ｎ型半導体層５、発光層６、ｐ型半導体層７を順次たとえばエピタキシャル成長法などを用いて形成する。たとえば、発光素子としてＧａＮを用いた青色ＬＥＤを形成する場合、基板４としてＧａＮ基板（あるいは、サファイア基板）を用いてもよい。

次に、図２に示すように、デバイス加工工程（Ｓ２２）を実施する。具体的には、図４に示すように、フォトリソグラフィ法で形成したマスクを用いてｐ型半導体層７、発光層６およびｎ型半導体層５の一部をエッチングにより除去することにより、段差部１０を形成する。そして、ｐ型半導体層７の上部表面上および段差部１０において露出したｎ型半導体層５の表面上にそれぞれｐ電極９およびｎ電極８を形成する。これらのｐ電極９およびｎ電極８の形成方法としては、従来周知の任意の方法を用いることができる。たとえば、まずフォトリソグラフィ法により電極が形成されるべき領域に開口部を有するマスクを形成する。当該マスク上および開口部の内部に電極を構成する金属膜を真空加熱蒸着法などの物理蒸着法により形成する。その後、マスク層を除去する（リフトオフ）ことにより、ｐ電極９およびｎ電極８を形成する。

次に、図２に示す支持基板貼付け工程（Ｓ２３）を実施する。具体的には、図５に示すように、ｐ電極９が形成された側の基板表面上に接着剤２６を介して支持基板２５を貼付ける。支持基板２５としてはたとえばシリコン基板を用いることができる。

次に、図２に示すように裏面研磨工程（Ｓ２４）を実施する。具体的には、図５に示すように、基板４の裏面２７を研磨する。この結果、基板４の厚みを所定の厚み（たとえば８０μｍ程度）とすることができる。研磨方法としてはいわゆる機械研磨やＣＭＰ(化学的機械研磨)に加えて，ウェットエッチングや反応性イオンエッチングまで含めた任意の方法を用いることができる。また、研磨後の基板４の裏面２７については鏡面仕上げを行なう。そして、当該研磨加工によるダメージ層を除去するため、たとえば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングによって、裏面２７の表面層を所定の厚さ（たとえば２００ｎｍ程度）だけ除去する。その結果、上述した研磨工程により発生していたダメージ層を除去することができる。また、研磨後に必要とする膜厚によっては、基板４を除去しても良い。研磨後の基板４と基板５を合わせた厚みが薄いほど、後述するフォトニック結晶構造層３と発光層６とを近接させられるので、フォトニック結晶構造による光の回折効果を大きくすることができる。

さらに、裏面２７に、スパッタ法を用いて中間層３５となるべきＩＺＯ膜を形成する。このＩＺＯ膜の厚みはたとえば２５０ｎｍとすることができる。このようにして、図６に示す中間層３５を形成する。

次に、図２に示すように、２次元回折格子を形成する工程（Ｓ２５）を実施する。具体的には、図７に示すように、たとえばサファイア単結晶からなる基礎基板２を準備し、当該基礎基板２において中間層３５（図１参照）の裏面と接続される表面上に所定のパターンを有するレジスト膜２８を形成する。具体的には、基礎基板２の表面上にフォトニック結晶構造層３の開口部３ｂの平面形状と同様の開口パターンを有するレジスト膜２８を、ｉ線ステッパを用いて形成する。なお、開口パターンの形成には、電子線描画法やナノインプリント法を用いてもよい。

次に、たとえば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、当該レジスト膜２８をマスクとして用いて基礎基板２の表面の一部をエッチングにより除去することにより、図８に示すように開口部３ｂを形成する。開口部３ｂの深さはたとえば２５０ｎｍとすることができる。この後レジスト膜２８を除去し、さらに基礎基板２の表面をアセトンで洗浄する。この結果、開口部３ｂと、この開口部３ｂの間に位置し、基礎基板２と同じ材質からなるベース部３ａ（図１参照）とによって構成されるフォトニック結晶構造層３が得られる。このようにして、２次元回折格子を形成する工程（Ｓ２５）が実施される。なお、フォトニック結晶構造層３の開口部３ｂの平面パターンは、任意の構成とすることができるが、たとえば三角格子状とすることができる。このとき、開口部３ｂの格子ピッチはたとえば１．６０μｍとする。また、開口部３ｂの平面形状は円形状とし、当該開口部３ｂの直径は１．０６μｍとする。

次に、図２に示すように、基礎基板との貼り合せ工程（Ｓ２６）を実施する。具体的には、図９に示すように、フォトニック結晶構造層３が形成された基礎基板２を、中間層３５を介して基板４と接合する。基板４と基礎基板２との接合方法は、任意の方法を用いることができが、たとえばＧａＮからなる基板４の中間層３５が形成された面と基礎基板２とを高真空中で貼り合わせ、加圧接合する、といった方法を用いることができる。このように基礎基板２を基板４の中間層３５が形成された側に貼り合せることにより、内部に空気が充填された開口部３ｂと、ベース部３ａとからなるフォトニック結晶構造層３が基礎基板２と基板４との境界部（具体的には中間層３５と接する基礎基板２の表面層）に形成される。

次に、図２に示すように、支持基板除去工程（Ｓ２７）を実施する。具体的には、基礎基板２が貼り付けられた貼り合せ基板をホットプレートなどで加熱することで、接着剤２６（図９参照）を軟化させる。その状態で、支持基板２５を基板４の主表面に沿った方向にスライドさせて当該支持基板２５を貼り合せ基板から除去する（スライドオフ）。その後、貼り合せ基板の表面に残存する接着剤２６を薬液（リムーバ）などで溶解・除去する。このようにして、図１に示すような構造のエピタキシャル層からなるＬＥＤ構造を有する貼り合せ基板を得ることができる。

この後、図２に示すように、後処理工程（Ｓ２８）を実施する。具体的には、上述した貼り合せ基板を発光素子となるべき領域ごとにダイヤモンドソーなどを用いてダイシングする、あるいはスクライブすることによりチップ化する。そして、得られたチップ(発光素子）をステムなどの上に固定し必要な配線を形成することで、発光装置を形成することができる。たとえば、ｐ型半導体層７が上に向くように、基礎基板２を銀ペーストによりステムに貼り付ける。そして、発光素子のｐ電極９およびｎ電極８にそれぞれ金ワイヤを接続することで、発光装置（ＬＥＤ）を形成できる。

（実施の形態２）
図１０を参照して、本発明による発光素子の実施の形態２を説明する。

図１０を参照して、発光素子１は基本的には図１に示した発光素子１と同様の構造を備えるが、フォトニック結晶構造層３の構造が異なる。具体的には、フォトニック結晶構造層３を構成する開口部３ｂが、中間層３５を貫通することなく、中間層３５の厚さ方向の途中まで延在するとともに、基礎基板２の表面層にも延在している。このような構造の発光素子１によっても、図１に示した発光素子１と同様の効果を得ることができる。

図１１〜図１４を参照して、図１０に示した発光素子の製造方法を説明する。
まず、図２に示した成膜工程（Ｓ２１）〜裏面研磨工程（Ｓ２４）までを実施の形態１における発光素子の製造方法と同様に実施する。具体的には、図３〜図６で説明した工程と同様の工程を実施する。この結果、図６に示すような、基板４の裏面２７上にＩＺＯからなる中間層３５が形成された構造が得られる。なお、基板４側に形成された中間層３５の厚みはたとえば１５０ｎｍとすることができる。

さらに、その後図２に示した２次元回折格子を形成する工程（Ｓ２５）として、図１１〜図１３で説明する工程を実施する。具体的には、まず、図１１に示すように、たとえばサファイアからなる基礎基板２を準備し、当該基礎基板２において基板４（図１０参照）の裏面側に面する表面上に中間層３５を形成した。中間層３５としては、スパッタ法を用いてＩＺＯ膜を形成した。このＩＺＯ膜の厚みはたとえば３００ｎｍとすることができる。

次に、図１２に示すように、中間層３５上に所定のパターンを有するレジスト膜２８を形成する。レジスト膜２８における開口パターンは、実施の形態１において図７に示したレジスト膜２８における開口パターンと同様である。

次に、当該レジスト膜２８をマスクとして用いて中間層３５および基礎基板２の表面の一部をエッチングにより除去することにより、図１３に示すように開口部３ｂを形成する。具体的には、まず塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングによりレジスト膜２８のパターンをＩＺＯからなる中間層３５に転写し、さらに残存するレジスト膜２８を利用して、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより基礎基板２を部分的に除去した。この結果、開口部３ｂと、この開口部３ｂの間に位置し、中間層３５および基礎基板２と同じ材質からなるベース部３ａ（図１０参照）とによって構成されるフォトニック結晶構造層３が得られる。このようにして、２次元回折格子を形成する工程（Ｓ２５）が実施される。この後、レジスト膜２８を除去し、基礎基板２表面をアセトンで洗浄した。ここで、フォトニック結晶構造層３を構成する開口部３の深さは、中間層３５の部分では３００ｎｍ、基礎基板２の部分では１００ｎｍとすることができる。

その後、ＩＺＯからなる基礎基板２側の（フォトニック結晶構造層３を構成する）中間層３５の表面を５０ｎｍだけ研磨する。これにより中間層３５表面に残ったレジスト膜２８の残渣などを除去出来る。

その後、図２に示すように、基礎基板との貼り合せ工程（Ｓ２６）を実施する。具体的には、図１４に示すように、フォトニック結晶構造層３が形成された基礎基板２を、基板４の裏面２７側に接合する。基板４と基礎基板２との接合方法は、たとえば高真空中で貼り合わせて加圧接合するといった方法や、他の任意の方法を用いることができる。

この後、図２に示した支持基板除去工程（Ｓ２７）および後処理工程（Ｓ２８）を実施することにより、図１０に示した発光素子を得ることができる。

（実施の形態３）
図１５を参照して、本発明による発光素子の実施の形態３を説明する。

図１５に示す発光素子１は、基本的には図１に示した発光素子と同様の構造を備えるが、フォトニック結晶構造層３の配置が異なっている。すなわち、図１５に示した発光素子１においては、フォトニック結晶構造層３が基礎基板２の上部表面（中間層３５との接合面）を含む基礎基板２の表面層と中間層３５とに形成された開口部３ｂ（図１５参照）と、当該開口部３ｂの周囲に位置する基礎基板２および中間層３５の部分とにより構成される。異なる観点から言えば、図１５に示した発光素子におけるフォトニック結晶構造層３は、空気が内部に充填された開口部３ｂと、開口部３ｂの間において、基礎基板２および中間層３５と同じ材質からなるベース部３ａ（図１５参照）とからなっている。開口部３ｂの配置は、図１に示した発光素子１のフォトニック結晶構造層３と同様である。このような構造の発光素子によっても、図１に示した発光素子と同様の効果を得ることができる。また、中間層３５自体がフォトニック結晶構造層３５となっていることから、光の取り出し効率をより高めることができる。

図１６を参照して、図１５に示した発光素子の製造方法を説明する。
まず、図２に示した成膜工程（Ｓ２１）〜裏面研磨工程（Ｓ２４）までを実施の形態１における発光素子の製造方法と同様に実施する。その後、図２に示した２次元回折格子を形成する工程（Ｓ２５）として、図１１〜図１３で説明した工程と同様の工程を実施する。その後、レジスト膜２８を除去し、基礎基板２表面をアセトンで洗浄した。

次に、図２に示すように、基礎基板との貼り合せ工程（Ｓ２６）を実施する。具体的には、図１６に示すように、中間層３５および基礎基板２の表面層により構成されるフォトニック結晶構造層３が形成された基礎基板２を、基板４の裏面２７に接合する。基板４と基礎基板２との接合方法は、実施の形態１における貼り合せ工程（Ｓ２６）と同様の方法を用いることができるが、他の任意の方法を用いてもよい。

この後、図２に示した支持基板除去工程（Ｓ２７）および後処理工程（Ｓ２８）を実施することにより、図１５に示した発光素子を得ることができる。

以下、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。

この発明に従った発光素子用基板は、発光層６を含む半導体層（ｎ型半導体層５、発光層６、ｐ型半導体層７、基板４）と、半導体層（ｎ型半導体層５、発光層６、ｐ型半導体層７、基板４）と中間層３５を介して接合された基礎基板２とを備える。半導体層（ｎ型半導体層５、発光層６、ｐ型半導体層７、基板４）と基礎基板２との接合部に２次元回折格子（フォトニック結晶構造層３）が形成されている。

このようにすれば、中間層３５として基板４と基礎基板２との接合性に優れた材料からなる層を形成することで、基板４と基礎基板２との剥離を防止することができる。さらに、フォトニック結晶構造層３が基板４と基礎基板２との接合部に形成されているので、電極などの他の構造と干渉することなく、十分なサイズのフォトニック結晶構造層３を形成することができる。この結果、フォトニック結晶構造層３により光の取り出し効率を改善する効果を高めることができる。

さらに，中間層３５は（酸化シリコンよりも）高屈折率の透明酸化膜で構成されてもよい。これにより、全反射条件が緩和されより多くの光が２次元回折格子としてのフォトニック結晶構造層３と相互作用できるようになる。その結果，光取り出し効率をより一層高めることが出来る。

また、中間層３５として、酸化シリコンなどの屈折率は低いが接着力に優れた材料を使ってもよい。この場合、上記２次元回折格子は半導体層（ｎ型半導体層５、発光層６、ｐ型半導体層７、基板４のうちの基礎基板２側の層、たとえば基板４）に直接接するように、中間層３５の半導体層寄りの位置（たとえば中間層３５において半導体層と接する表面層）、もしくは中間層３５を貫通する形態で設けられることが好ましい。これにより、半導体層から到来する光はたとえ半導体層と中間層３５との界面で全反射しても２次元回折格子の寄与を受ける（２次元回折格子と相互作用する）ことができる。その結果、基礎基板２と半導体層の接着性を保持しつつ、光取り出し効率をより一層高めることが出来る。なお、基礎基板２の材料としては、半導体層と同じ材料を用いてもよいし、半導体層と異なる材料を用いてもよい。

上記発光素子用基板において、フォトニック結晶構造層３は、中間層３５と接触する基礎基板２の表面層に形成された基礎基板側空孔群（図１の開口部３ｂ）と、基礎基板側空孔群の周囲の表面層の部分とを含んでいてもよい。中間層３５は酸化シリコンの屈折率より高い屈折率を有する材料（たとえばＩＺＯ）により構成されていてもよい。この場合、中間層３５の屈折率が酸化シリコンより高くなっているので、酸化シリコンを中間層３５として用いた場合より基板４と中間層３５との界面での全反射角を大きくすることができる。この結果、発光層６から出射した光のうちより多くの割合の光が中間層３５を介して基礎基板２側へ到達できる。このため、基礎基板２側に形成されたフォトニック結晶構造層３により光の取り出し効率を容易に高めることができる。

上記発光素子用基板において、フォトニック結晶構造層３は、中間層３５に周期的に形成された空孔群（開口部３ｂ）と、開口部３ｂの周囲の中間層３５の部分とを含んでいてもよい。この場合、中間層３５に開口部３ｂを周期的に形成することで、フォトニック結晶構造層３を容易に形成することができる。また、中間層３５自体を２次元回折格子（フォトニック結晶構造層３）として利用するので、基礎基板２表面に到達しない光もフォトニック結晶構造層３により素子の外部へ取り出すことが可能になる。

上記発光素子用基板において、フォトニック結晶構造層３は、図１０や図１５に示すように、中間層３５に形成された空孔群の各空孔とそれぞれと連なるように基礎基板２の表面層に形成された基礎基板側空孔群と、基礎基板側空孔群の周囲の表面層の部分とをさらに含んでいてもよい。この場合、中間層３５および基礎基板２の表面層に開口部３ｂを周期的に形成することで、フォトニック結晶構造層３を容易に形成することができる。また、中間層３５として屈折率の相対的に高い材料（たとえば酸化シリコンより屈折率の高い材料）を用いることで、開口部３ｂとその周囲の部分との屈折率比が大きくなるようにしてもよい。この場合、より高い回折効率を得ることができる。

上記発光素子用基板において、図１５に示すような構造において中間層３５を構成する材料は酸化シリコンであってもよい。酸化シリコンは屈折率が１．５以下と酸化物中では比較的低い値を示すが，図１５の場合はフォトニック結晶構造層３が基板４と直接接触しているため，フォトニック結晶による回折効果を十分に期待できる。加えて，酸化シリコンのもつ高い接着性を利用し基礎基板２と基板４との接合強度を確実に高めることができる。

上記発光素子用基板において、中間層３５は酸化物からなっていてもよい。この場合、基板４と基礎基板２との接着性の高い酸化物（酸化シリコンなど）を用いることで、基板４と基礎基板２との剥離を確実に防止できる。

上記発光素子用基板において、中間層３５を構成する材料は、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、チタニア（ＴｉＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ)、スピネル（ＭｇＡｌＯ_３）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる群から選択される少なくとも１種の材料を含んでいてもよい。これらの材料は、いずれも酸化シリコンより高い屈折率を示すため、酸化シリコンを中間層として用いた場合より基板４と中間層３５との界面での全反射角を大きくすることができる。この結果、発光層６から出射した光がより中間層３５を介して基礎基板２側へ到達できる。このため、基礎基板２側にフォトニック結晶構造層３が形成されたような場合にも、光の取り出し効率を容易に高めることができる。

上記発光素子用基板において、半導体層（ｎ型半導体層５、発光層６、ｐ型半導体層７、基板４）は窒化ガリウムを含んでいてもよい。これにより、紫外から可視（たとえば緑色）の波長域で十分な光の取り出し効率を得ることが可能な発光素子用基板および発光素子を提供できる。また、半導体層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含んでいてもよい。

上記発光素子用基板において、基礎基板２は透明基板であってもよい。この場合、基礎基板２側からも光を取り出すことが可能になる。なお、ここで透明基板とは、当該基板の単位厚さ（たとえば１ｍｍ）当たりでの可視光の透過率が６０％以上の基板を言う。

上記発光素子用基板において、基礎基板２を構成する材料は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３：サファイア）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、スピネル（ＭｇＡｌＯ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、カーボン、ダイヤモンド、ガラス（たとえば合成石英、ソーダガラス、低アルカリガラスなど）からなる群から選択される１種からなっていてもよい。これらの材料は基板４などの半導体層を構成する材料（たとえばＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）より安価であり、発光素子用の貼り合せ基板の全体を当該半導体で形成する場合より貼り合せ基板の製造コストを低減できる。

この発明に従った発光素子１は、図１、図１０、図１５に示すように、上記発光素子用基板を用いたものである。このようにすれば、基板４が基礎基板２から剥離する可能性を低減できるとともに、十分な広さのフォトニック結晶構造層３を形成できるので、信頼性が高く、光の取り出し効率の高い発光素子１を実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、２次元回折格子を備える発光素子用基板および発光素子に有利に適用される。

１ 発光素子、２ 基礎基板、３ フォトニック結晶構造層、３ａ ベース部、３ｂ 開口部、４ 基板、５ ｎ型半導体層、６ 発光層、７ ｐ型半導体層、８ ｎ電極、９ ｐ電極、１０ 段差部、２５ 支持基板、２６ 接着剤、２７ 裏面、２８ レジスト膜、３５ 中間層。

Claims (17)

1. 発光層を含む半導体層と、
   前記半導体層と中間層を介して接合された基礎基板とを備え、
   前記半導体層と前記基礎基板との接合部に２次元回折格子が形成されている、発光素子用基板。
2. 前記２次元回折格子は、前記中間層と接触する前記基礎基板の表面層に形成された基礎基板側空孔群と、前記基礎基板側空孔群の周囲の前記表面層の部分とを含み、
   前記中間層は酸化シリコンの屈折率より高い屈折率を有する材料により構成されている、請求項１に記載の発光素子用基板。
3. 前記中間層は酸化物からなる、請求項２に記載の発光素子用基板。
4. 前記中間層を構成する材料は、酸窒化シリコン、インジウムスズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物、チタニア、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化スズ、スピネル、酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも１種の材料を含む、請求項２または３に記載の発光素子用基板。
5. 前記半導体層は窒化ガリウムを含む、請求項２〜４のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
6. 前記基礎基板は透明基板である、請求項２〜５のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
7. 前記基礎基板を構成する材料は、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、スピネル、窒化アルミニウム、炭化シリコン、窒化ガリウム、セレン化亜鉛、酸化亜鉛、カーボン、ダイヤモンド、ガラスからなる群から選択される１種からなる、請求項２〜６のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子用基板を用いた、発光素子。
9. 前記２次元回折格子は、前記中間層に周期的に形成された空孔群と、前記空孔群の周囲の前記中間層の部分とを含む、請求項１に記載の発光素子用基板。
10. 前記２次元回折格子は、前記中間層に形成された前記空孔群の各空孔とそれぞれ連なるように前記基礎基板の表面層に形成された基礎基板側空孔群と、前記基礎基板側空孔群の周囲の前記表面層の部分とをさらに含む、請求項９に記載の発光素子用基板。
11. 前記中間層は酸化物からなる、請求項９または１０に記載の発光素子用基板。
12. 前記中間層を構成する材料は、酸窒化シリコン、インジウムスズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物、チタニア、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化スズ、スピネル、酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも１種の材料を含む、請求項９または１０に記載の発光素子用基板。
13. 前記中間層を構成する材料が酸化シリコンである、請求項９または１０に記載の発光素子用基板。
14. 前記半導体層は窒化ガリウムを含む、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
15. 前記基礎基板は透明基板である、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
16. 前記基礎基板を構成する材料は、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、スピネル、窒化アルミニウム、炭化シリコン、窒化ガリウム、セレン化亜鉛、酸化亜鉛、カーボン、ダイヤモンド、ガラスからなる群から選択される１種からなる、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
17. 請求項９〜１６のいずれか１項に記載の発光素子用基板を用いた、発光素子。

Images