JP5234454B2 - 光半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子の製造方法に関し、特に、光取り出し効率を向上させるために光放出面に凹凸加工を施した光半導体素子の製造方法に関する。

一般に光半導体素子は、これを封止する樹脂または空気よりも屈折率が高いため、光半導体素子の内部（活性層）で発生した光を外部に放出する光放出面には全反射となる臨界角が存在する。臨界角以上で光放出面に達した光は、光放出面で全反射され、半導体層内で内部反射を繰り返し、金属電極や活性層で吸収される。そこで、光放出面の光取り出し効率を向上させるために、光放出面に凹凸加工を施すことが知られている。光放出面に凹凸加工を施すことにより、光放出面に臨界角より小さい角度で進入する光が増加し、これらの光を外部に放出させることができる。これにより、半導体層内部で吸収される光が減少するため、光取り出し効率が向上する。

凹凸加工を施す方法として、例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のドライエッチング、アルカリ性溶液を用いたウエットエッチングなどがよく知られている。特に、窒化物半導体では、Ｃマイナス面をＫＯＨ溶液により異方性エッチングする方法が知られており、比較的容易に六角錐状の突起を形成することができる。具体的には、光半導体素子をＫＯＨ溶液に浸す方法が非特許文献１および２に記載されている。また、ＫＯＨに浸した上で光を照射する光強化化学エッチング（PEC）が特許文献１に記載されている。

特表２００７−５２１６４１号公報 Fujii et al, Appl. Phys.Lett., Vol. 84, No. 6, (2004), pp.855-857 Hock M. Ng et al, J. Appl. Phys., Vol. 94, No. 1, (2003), pp.650-653

光放出面の光取り出し効率を向上させるためには、突起をできるだけ密に形成し、平坦な部分を減らすことが望ましい。しかしながら、上述の従来の光半導体素子をＫＯＨ溶液に浸す方法では、六角錐状突起が形成されない平坦な領域が生じてしまい、密な凹凸形状を得ることが困難であった。

また、光放出面の六角錐状突起は、サイズが発光波長よりも大きくなければ光の取り出し効率の向上に寄与することができない。しかしながら、従来のＫＯＨ溶液に浸す方法で形成される六角錐状突起は大きさにばらつきがあり、発光波長よりも大きい突起は、形成される六角錐状突起のごく一部にしか過ぎなかった。また、形成される突起の形状にもばらつきがあり、例えば、頂点がつぶれている突起や、底面と側面のなす角が効率的に光を取り出すことが出来る５２〜６４°から外れたものが多かった。このため、光の取り出し効率の向上に寄与し得る突起が少なく、従来の突起形成方法で光の取り出し効率を大幅に向上させることは困難であった。

成長基板の裏面を光放出面として利用する構造の光半導体素子の場合、成長基板による光吸収を最小限に抑えるために、通常、研削・研磨を用いて該成長基板を所定の厚さ（5〜200μｍ程度）まで薄片化する。しかしながら、研削・研磨により基板の表面に傷が形成されるため、研磨傷およびその周辺ではその他の領域とは異なる結晶面が表出する。異なる結晶面ではＫＯＨ等のアルカリ性溶液に対するエッチングレートが周囲とは異なる。その結果、傷周辺とそれ以外の領域では形成される六角錐状突起の密度、大きさ、形状等が異なり、基板面内で均一に凹凸加工を施すことが困難であった。このため、ウエットエッチングにより光の取り出し効率を大幅に向上させることは困難であった。また、六角錐状突起の密度、大きさ、形状等が傷によって影響を受けることは、歩留まりの低下へとつながり、さらにはコスト上昇の原因となるという問題もある。

また、成長基板の薄片化を行わずにそのままアルカリ性溶液によるウエットエッチングを行う場合も、通常の成長基板は出荷前に研削・研磨等の表面処理が行われているため、成長基板表面には傷が残っており、同様の不具合が起こる。

さらに、上述の成長基板の研削・研磨時の条件の違い、成長基板の入手先の違い等により、同種の成長基板でも個々に成長基板に残っている傷の数や分布が異なるため、ウエットエッチング後の状態も成長基板個々に異なり、再現性が良くないという問題もある。

また、光放出面が窒化物半導体である場合、化学的安定性に優れているため、ＫＯＨ溶液などの比較的強いアルカリ性溶液に浸してもなかなかウエットエッチングが進行しないという問題があった。例えば、研削研磨後のＧａＮ基板の裏面（Ｃマイナス面）を５０℃、５mol／LのＫＯＨ溶液で１２０minウエットエッチングした場合でも、光取り出しに有効な大きさではない微小な六角錐状突起が多く存在し、またエッチングされずに残る平坦面も多い。底面と側面のなす角が効率的に光を取り出すことが出来る５２〜６４°から外れたものも多く形成される。

本発明の目的は、光の取り出し効率の向上に寄与する突起を、光放出面に一様に形成することのできる光半導体素子の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば以下のような光半導体素子の製造方法が提供される。すなわち、光放出面に凹凸加工を有する光半導体素子の製造方法であって、光放出面に複数の突起を形成する前処理工程と、光放出面を異方性エッチングする加工工程とを有する製造方法である。前処理工程により突起を形成しておくことにより、加工工程ではこの突起を異方性エッチングにより加工することができるため、光の取り出し効率の向上に寄与し得る形状の突起を、光放出面に一様に形成することが可能になる。

前処理工程で形成する突起は、径が光半導体素子の発光波長よりも大きいことが好ましい。これにより、異方性エッチングにより加工される突起の径を発光波長以上にすることができるため、光の取り出し効率の向上に寄与し得る大きさの突起を形成することができる。

前処理工程では、ドーム形状の突起を形成することができる。ドーム形状の突起はドライエッチングにより形成することができる。ドライエッチングは、光放出面に傷等が存在していてもその影響を受けにくいため、一様に突起を形成することができる。ドライエッチングとしては、光放出面をＳｉを含むプラズマに曝す方法を用いることができる。Ｓｉが付着した位置でエッチングレートが変化するため、Ｓｉが光放出面に一様に分散して付着することにより、突起を一様に形成することができる。例えば、Ｓｉを含むプラズマを用いた反応性イオンエッチングによりドーム形状の突起を形成することができる。

前処理工程により、例えば、１０^７個／ｃｍ^２以上１０^９個／ｃｍ^２以下の密度で突起を形成することが望ましい。

加工工程は、例えば、アルカリ溶液を用いたウエットエッチングにより、前処理工程で形成した突起を六角錐形状に加工する工程とすることができる。加工工程で形成される突起は、底面と側面とのなす角が５２°以上６４°以下である場合、光の取り出し効率に寄与し得るため望ましい。

光放出面は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体で形成されているものを用いることができる。

本発明の光半導体素子の製造方法によれば、光放出面の異方性エッチングによる加工の前に、光放出面の状態に影響を受けにくい方法であらかじめ突起を形成しておくことにより、異方性エッチング工程では、この突起を所定形状に加工することができる。よって、光放出面の傷等が存在しても、一様に所定形状の突起を形成することができ、光の取り出し効率を向上させることができる。

本発明の一実施の形態の光半導体素子を図面を用いて説明する。

本発明では、アルカリ性溶液による光放出面のウエットエッチング処理の前に、予め前処理工程を導入したことにより従来の問題点を解決し、光の取り出し効率の向上に寄与する突起を一様に形成する。前処理工程により、光放出面に、ドライエッチング等、光放出面の傷等の影響を受けにくい所定の方法により、突起をほぼ一様に形成しておくものである。この突起は、後のウエットエッチング工程で所定形状に加工されるため、どのような形状であってもよく、例えばドーム形状に形成することができる。ウエットエッチング工程では、前処理工程で形成した突起を異方性エッチングにより光の取り出し効率に寄与しうる所定形状の突起に加工すればよい。これにより、光の取り出し効率の向上に寄与し得る形状の突起を、光放出面に一様に形成することができる。

また、ウエットエッチング処理にかかる時間を短縮することにより、全工程に要する時間短縮を実現する。

まず、本発明の実施形態の製造方法で製造される光半導体素子の構造について図１を用いて説明する。この光半導体素子は、導電性の基板１０と、基板１０の一方の面に搭載された半導体積層膜２０と、基板１０の他方の面１１に搭載されたｎ型電極７１と、半導体積層膜２０に搭載されたｐ型電極７２とを備えて構成される。半導体積層膜２０は、基板１０側から順に積層されたｎ型半導体層２１、活性層２２、ｐ型半導体層２３を含んでいる。

基板１０の面１１は、光放出面であり、微小な突起が一様に形成されている。一様に形成された微小な突起は、六角錐状突起であり、光放出面の光取り出し効率を向上させている。六角錐状突起の大きさは、光取り出し効率を向上させるために光の波長以上であることが好ましく、より好ましくは１μｍ以上である。しかし、大きすぎるとｎ型電極７１の密着力低下の原因となり得るため、この観点では六角錐状突起の大きさは３μｍ以下の範囲であることが好ましい。ただし、ｎ型電極７１の密着性向上を下地層を配置する等の他の手段によって解決することも可能である。その場合には、六角錐状突起の大きさを３μｍ以下に限定する必要はない。

六角錐状突起は、底面に対する側面の角度が効率よく光を取り出すことができる５２°以上６４°以下の範囲であることが望ましい。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＮ基板を用いることができ、この場合半導体積層膜２０が搭載されている面がＣプラス面（Ｇａ面）、裏面側の光放出面１１をＣマイナス面とする。ｎ型半導体層２１、活性層２２およびｐ型半導体層２３の各層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体からなり、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、ｐ型ドーパントとしてＭｇ等が添加されている。ｎ型電極７１およびｐ型電極７２は、単層又は多層の金属層により構成する。なお、半導体積層膜２０の構成は、上記構成に限られるものではなく、発光効率を向上させるために電流拡散層、クラッド層、コンタクト層などを任意に挿入することも可能である。活性層２２を多層膜（多重量子井戸構造）で構成することも可能である。

基板１０としては、ｎ型ＧａＮ基板に限定されるものではなく、成長基板の光吸収による光半導体素子の出力低減を阻止する目的で、低濃度ドープ（ｎ型）ＧａＮ基板やノンドープＧａＮ基板を用いることも可能である。

つぎに、本実施形態の光半導体素子の製造方法について図２（ａ）、図３−１（ａ）〜（ｃ）、図３−２（ｄ）〜（ｆ）および図４を用いて説明する。

（１）半導体層の成長工程２０１（図２）
まず、図２の半導体成長工程２０１として、図３−１（ａ）のように基板１０の上に半導体積層膜２０を形成する。例えば、基板１０として、ｎ型ＧａＮ単結晶基板を用い、そのＣプラス面に、ＭＯＣＶＤ法等の公知の成長方法により、ｎ型半導体層２１、活性層２２およびｐ型半導体層２３の各層を順次エピタキシャル成長させる。このとき、基板１０は、次工程で薄片化するので、厚い基板を用いることができる。

成長方法および成長基板の種類は、半導体積層膜２０をエピタキシャル成長できるものであればよく、公知の技術および材料を用いることができる。例えば成長方法としては、ＭＯＣＶＤの他、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ等を用いることができる。

（２）薄片化工程（研削・研磨）２０２
次に、研削や研磨により、基板１０を所定の厚みまで薄片化する。例えば、図３−１（ｂ）のように半導体積層膜の上面側をサンプルホルダー３０にワックス４０等の固定手段により固定し、基板１０の裏面（Ｃマイナス面）を研削・研磨する。例えば１００μｍまで研削により薄片化した後、研磨により鏡面とする。

基板１０を薄片化する方法としては、研削・研磨等による機械加工の他にドライエッチングやウエットエッチングによる手法を用いることができる。ドライエッチングやウエットエッチングは、薄片化する材料の化学的な性質により設定すべき条件がそれぞれ異なる。

なお、薄片化後の基板１０の厚みは、目的に応じて任意でよく、必要のない場合は薄片化工程２０２を省略することも可能である。成長基板１０の光吸収および機械的強度を考慮した場合、半導体積層膜２０と基板１０の合計厚みが５０〜２００μｍであることが望ましい。さらには、１ｃｍ^−１以下の吸光係数を有する低濃度ドープ（ノンドープ）ＧａＮ成長基板を用い、成長基板の厚みを１００ｕｍ以下まで薄片化すると、凹凸加工して得られる光半導体素子の発光出力および発光効率の向上の面で最も好ましい。

（３）前処理工程２０３
薄片化工程２０２が終了した基板１０の裏面（研削・研磨をおこなった面）は、本実施形態の光半導体素子の光放出面１１となる。前処理工程２０３では、図３−１（ｃ）のように、光放出面１１に対してドライエッチング、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行う。このとき、ＲＩＥのプラズマ雰囲気６０にＳｉを添加することにより、図４（ａ）のように光放出面１１にドーム状突起４０１を一様に形成することができる。その理由は、Ｓｉ原子が分散して光放出面１１に付着し、Ｓｉ原子は、付着した部分の基板１０と反応ガスとの反応を妨げ、エッチングレートを低下させるためである。これにより、Ｓｉ原子の付着部分が周囲よりも残存し、ドーム状突起４０１となる。ガス中のＳｉ原子の濃度等のドライエッチング条件を調節することにより、光放出面１１に一様にドーム状突起４０１を形成することができる。

雰囲気中にＳｉを添加する方法としては、反応ガス中にＳｉを含むガスを添加する方法のみならず、ＲＩＥの処理対象である基板１０の周辺にＳｉを含む材料を配置する方法も有効である。例えば、図３−１（ｃ）のように半導体積層膜２０付き基板１０を固定する保持基板５０として、Ｓｉ基板やＳｉＣ基板を用いることによりプラズマ処理中の雰囲気にＳｉを添加することが可能である。なお、前処理工程２０３において基板１０を固定する保持基板５０は、薄片化工程２０２で基板１０を固定したサンプルホルダー３０をそのまま用いることが可能である。この場合、サンプルホルダー３０としてＳｉ基板やＳｉＣ基板を用いることにより、Ｓｉをプラズマ処理雰囲気に添加できる。

この前処理工程２０３のドライエッチングは、物理的エッチングを含んでいるため、薄片化工程２０２の研削・研磨によって光放出面１１に生じた傷の影響を受けにくい。このため、ドーム状突起４０１は、基板１０の面内で、ほぼ均一な大きさ、形状、密度のドーム状突起で形成される。

プラズマ処理（ＲＩＥ）の条件は、形成されるドーム状突起４０１の基部（主平面内）の径Ｒが、光半導体素子の発光波長λ以上、好ましくは発光波長の２倍以上となるように設定することが望ましい。

このように設定する理由は以下の通りである。ドーム状突起４０１は、図４（ａ）〜（ｃ）に示したように、この後のウエットエッチング工程２０４により六角錐状突起に加工されるため、ドーム状突起４０１と六角錐状突起とはほぼ一対一で対応することが発明者らの研究により明らかになっている。このため、ドーム状突起４０１の径Ｒは、この後のウエットエッチング工程２０４で形成される六角錐状突起４０３の基部の径にほぼ対応する。基板１０がＧａＮ単結晶である場合、六角錐状突起４０３の側面の稜と底面のなす角はＧａＮ単結晶の結晶異方性により５８．４°と定まる。実際には、結晶異方性以外の影響も受けるため５８．４°を中心とした分布を持った角度となる。したがって、ドーム状突起４０１の径Ｒが、光半導体素子の発光波長以上、好ましくは１μｍ以上であり、高さＨが発光波長λ以上であって、好ましくはＨ≧（λ／２）・ｔａｎα（ただし５２°≦α≦６４°）、さらに好ましくは、Ｈ≧（Ｒ／２）・ｔａｎα（ただし５２°≦α≦６４°）となるように形成することにより、光の取り出し効率に寄与しうる光の波長以上の径を有し、かつ、側面の角度が効率よく光を取り出すことができる５２〜６４°の範囲の六角錐状突起を高い確率で形成することが可能になる。

具体的にはドーム状突起４０１は、光半導体素子の発光波長が４５０ｎｍである場合、基部の径が０．４５μｍ以上であり、好ましくは１μｍ以上である。

また、ドーム状突起４０１の密度は、１０^７個／ｃｍ^２以上１０^９個／ｃｍ^２以下であることが好ましく、より好ましくは２×１０^８個／ｃｍ^２程度である。

前処理工程２０３で形成されたドーム状突起４０１の径Ｒおよび密度は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による観察により確認することができる。

プラズマ処理（ＲＩＥ）条件としては、例えば、反応ガスとして、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、ＣＦ_４、ＣＣｌ_４のいずれか、またはこれらの混合ガスを用い、プロセス圧力０．１Ｐａ以上３Ｐａ以下（好ましくは０．５Ｐａ以上１Ｐａ以下）、アンテナ出力１００Ｗ、バイアス出力５０Ｗ、Ｃ１_２ガス流量２０ｓｃｃｍ、処理時間２４０ｓｅｃに設定する。この条件により、基部の主平面方向の径Ｒが１μm前後のドーム状突起４０１を１０^７〜１０^９個／ｃｍ^２程度の密度で光放出面１１に形成することが可能である。

（４）ウエットエッチングによる凹凸加工工程２０４
前処理によりドーム状突起４０１が形成された基板１０をウエットエッチングし、光放出面１１に六角錐状突起を均一かつ密に形成する。例えば、ウエットエッチング溶液３としてアルカリ性溶液を用い、図３−２（ｄ）のように半導体積層膜２０付き基板１０を浸すことにより本工程２０４を行う。

本工程２０４では、前記工程２０３で形成したドーム状突起４０１（図４（ａ））を起点にアルカリ性溶液による異方性エッチングが行われる。異方性エッチングは図４（ｂ）のようにエッチャント（アルカリ性溶液）に対して安定な面４０４（ＡｌＩｎＧａＮでは｛１０−１−１｝面）が順々に表出することで進行し、隣のドーム状突起４０１の安定な面４０４とぶつかるとエッチングの進行が極度に遅くなる。これにより、図４（ｃ）および図５（ａ）、（ｂ）のように、ドーム状突起４０１ごとに六角錐状突起４０３が形成され、面４０４が六角錐状突起の側面となる。このとき、ドーム状突起４０１は光放出面上に均一かつ１０^７〜１０^９個／ｃｍ^２と密に分布しているため、ドーム状突起４０１の基部の径Ｒと六角錐状突起４０３の基部の径Ｒ’はほぼ対応する。また、六角錐状突起４０３の高さＨ’は、六角錐状突起４０３ごとに多少のばらつきはあるが、結晶構造に依存して決定する高さ（Ｒ’／２）ｔａｎ５８．４°を中心に分布する。

アルカリ性溶液としては、例えばＫＯＨ溶液を用いるが、これに限らずＮａＯＨ溶液等を用いることも可能である。

ウエットエッチング条件は、光の取り出し効率に寄与しうる大きさの六角錐状突起４０１が形成される条件に設定する。ＫＯＨ溶液を用いる場合、エッチングレートは、ＫＯＨ溶液の濃度、温度に依存する。濃度が高いほどエッチングレートも早いが、濃度を所定の値以上にしてもある程度以上エッチングレートは大きくならない傾向がある。例えば、５０℃の場合、約５ｍｏｌ／Ｌでエッチングレートは最高となる。最終的に形成される六角錐状突起４０３の大きさや形状は、エッチング時の温度や時間によっても異なる。

具体的には、例えばウエットエッチング条件を５０℃、５ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ溶液中に１２０ｍｉｎ、半導体積層膜２０付き基板１０を浸すという条件に設定することができる。これにより、同程度の大きさ、形状を有する六角錐状突起４０３を光放出面１１内で均一かつ密に形成することができる。また、この条件でエッチングした場合、光取り出し効率を向上させ得る、光の波長以上であって、１μｍ以上の六角錐状突起４０３であって、ｎ型電極７１の密着性を低下させにくい３μｍ以下の六角錐状突起４０３を形成することができる。

ＫＯＨ溶液によるウエットエッチングは、ＧａＮ結晶のＣマイナス面にのみ作用するため、最表面がＣプラス面を有する半導体積層膜２０の表面には影響を与えない。しかし、半導体層の結晶性が悪く一部Ｃマイナス面が表出していたり、本工程よりも前にアルカリ性溶液に侵食されやすい電極を半導体積層膜２０上に形成する場合は、基板１０の裏面（光放出面１１）を除いて耐アルカリ性保護膜で被覆することができる。

（５）素子化工程２０５
つぎに、半導体積層膜２０付き基板１０をアルカリ性溶液から取り出し、素子化を行う。具体的には、図３−２（ｅ）のように、半導体積層膜２０の表面にｐ型電極７２を形成し、基板１０の光放出面１１にｎ型電極７１を形成する。その後、図３−２（ｆ）のように半導体積層膜２０付き基板１０を細分化し、個々の光半導体素子を完成させる。

電極７１、７２の構成および成膜、ならびに、細分化手法は、公知の技術を適用できる。例えば、各電極材料は各種金属や導電性透明酸化物膜（透明電極）等を使用してもよい。透明電極を用いる場合は、その上にワイヤボンド用のボンディングパットを形成するのが好ましい。また、光を効率的に反射する材料を電極材料に用い、反射電極としてもよい。電極形成は、蒸着やスパッタ等の成膜方法を用いることができる。細分化手法としては、ダイシングやスクライブ／ブレイク等各種、公知の技術を適用できる。

上述してきたように、本実施の形態によれば、ウエットエッチング工程２０４の前処理工程２０３を導入することにより、あらかじめドーム状突起４０１を一様かつ密に形成することができる。これにより、ウエットエッチング工程では、ドーム状突起４０１を六角錐状突起４０３に加工することにより、光の取り出し効率に寄与しうる大きさの六角錐状突起４０３を密度高く形成することができる。よって、光の取り出し効率の高め、発光出力の大きい光半導体素子を提供することができる。

また、六角錐状突起４０３の分布を光放出面１１の面内で、再現性よく、均一に形成できるため、製造歩留まりを向上させることができる。

さらに、予めドーム状突起４０１を形成しておくため、ウエットエッチングにかかる時間を短縮することができ、結果として、全体の製造時間を短縮でき、製造効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、基板１０として、ＧａＮ基板を用い、薄片化した基板１０のＣマイナス面を光放出面１１として、六角錐状突起４０３を形成したが、基板１０としては、サファイア、ＳｉＣ等のように半導体積層膜２０をエピタキシャル成長させることができる他の基板を用いることも可能である。サファイアやＳｉＣ等の基板１０として用いた場合、前処理工程２０３によってドーム状突起４０１を形成することができないため、薄片化工程２０２に代えて、基板１０を剥離または除去する工程を行う。例えば、レーザーリフトオフ、研削、ウエットエッチング、ドライエッチング等の手法を用いて基板１０を剥離または除去する。これにより、半導体積層膜２０のｎ型半導体層２１のＣマイナス面が表出するので、この面に対して前処理工程２０３を行ってドーム状突起４０１を形成する。なお、基板１０を剥離または除去する場合は、剥離・除去後の半導体積層膜２０の機械的強度を保つために、半導体積層膜２０を金属等の接着層を介してＳｉ基板等の支持基板に接着するメタルボンディング技術を適用することができる。

基板１０として、低濃度ドープＧａＮ基板等の絶縁性基板を用いることも可能である。この場合は、基板１０にｎ型電極７１を搭載することができないので、ドライエッチング等の手法を用い半導体積層膜２０の表面に、ｎ型半導体層２１まで達する凹部を設ける。該凹部から露出するｎ型半導体層２１上にｎ型電極７１およびｎパット等を形成する。これにより、半導体積層膜２０にｎ型電極７１およびｐ型電極７２を備えた横型もしくはフリップチップ型の光半導体素子の構成とすることができる。

本実施の形態の製造方法は、光半導体素子全般、特に窒化物系光半導体素子に適用することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例で製造した光半導体素子の構成および製造方法は、上述した本実施の形態の図１の光半導体素子構成および図２（ａ）の各製造工程と同様である。

まず、基板１０として、ｎ型ＧａＮ単結晶基板を用い、そのＣプラス面に、ＭＯＣＶＤ法等の公知の成長方法により、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体からなり、ｎ型ドーパントとしてＳｉ等が添加されているｎ型半導体層２１、活性層２２およびｐ型ドーパントとしてＭｇ等が添加されているｐ型半導体層２３を順次エピタキシャル成長させた（図２の工程２０１）。図３−１（ａ）のように層２１、層２２、層２３の３層からなる半導体積層膜２０が搭載された基板１０を光半導体エピウエハと呼ぶ。

光半導体エピウエハの半導体積層膜２０の上面を図３−１（ｂ）のようにサンプルホルダー３０にワックス４０等により固定し、成長基板１０の裏面（Ｃマイナス面）を研削して１００μｍまで薄片化し、研磨により鏡面とした（薄片化工程２０２）。

次に、サンプルホルダー３０を外し、Ｓｉ基板を保持基板５０として固定した。成長基板１０の裏面（Ｃマイナス面）をＲＩＥでプラズマ処理した（前処理工程２０３）。保持基板５０としてＳｉ基板を用いているため、ＲＩＥ中に保持基板５０からＳｉ原子が雰囲気中に放出され、Ｓｉを含む雰囲気中でＲＩＥを行うことができた。ＲＩＥの条件は、反応ガス種Ｃｌ_２、Ｃ１_２ガス流量２０ｓｃｃｍ、プロセス圧力０．１〜３Ｐａ（好ましくは０．５〜１Ｐａ）、アンテナ出力１００Ｗ、バイアス出力５０Ｗ、処理時間２４０ｓｅｃとした。

これにより、基板１０の裏面にはドーム状突起が形成された。得られた試料のＳＥＭ写真を図６（ａ−１）に示す。図６（ａ−１）の試料は、上記ＲＩＥ条件によりプラズマ処理したものである。

また、保持基板５０にＡｌ基板を用い、雰囲気中にＳｉを添加せずに前処理工程２０３を行った試料の写真を図６（ｂ−１）に示す。

本実施例の図６（ａ−１）に示した試料は、成長基板１０の裏面（Ｃマイナス面）にドーム状突起４０１が形成されていた。その大きさ、形状、密度は、主平面内でほぼ均一であり、研削・研磨による傷の影響はみられなかった。具体的には、径が１μｍ前後のドーム状突起４０１が、１０^７〜１０^９個／ｃｍ^２程度の密度で形成されており、後の凹凸加工２０４により、光の放出効率の向上に寄与しうる六角錐状突起に加工するに適した形状となっていた。

発明者らの実験によれば、ドーム状突起４０１の大きさが幅０．５〜１．５μｍ、高さ０．３〜０．６μｍ、密度が２×１０^８個／ｃｍ^２程度で形成された状態が後の凹凸加工工程２０４を行うのに好ましい。

一方、Ｓｉを添加することなく前処理工程２０３を行った図６（ｂ−１）の試料は、突起は形成されたものの、形成された突起の基部の径が小さく、図６（ａ−１）の試料と比較して針状に近い形状であった。

次に、図６（ａ−１）、（ｂ−１）の光半導体エピウエハをアルカリ性溶液に浸し、ウエットエッチングすることにより、成長基板１０の裏面（Ｃマイナス面）に凹凸加工工程２０４を行った。具体的には５０℃、５ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ溶液中に１２０ｍｉｎ、光半導体エピウエハを浸した。得られた試料のＳＥＭ写真を図６（ａ−２）、（ｂ−２）にそれぞれ示す。

前処理工程２０３でＳｉを添加した図６（ａ−１）の試料は、図６（ａ−２）からわかるように、成長基板１０の裏面（Ｃマイナス面）にほぼ同じ大きさ、形状を有する六角錐状突起が、面内で均一かつ密に形成されていた。その大きさは、基部の径が０．５〜１．５μｍであり、発光波長（４５０ｎｍ）よりも大きかった。また、形成された六角錐状構造物の形状については、側面と底面の成す角４５〜６５°の範囲で分布し、約５８°を有するものが最も多かった。このため、六角錐状突起のほとんどは、側面と底面のなす角が光の取り出し効率に寄与しうる５２〜６４°の範囲に収まっていた。よって、六角錐状突起のほとんどが、光の取り出し効率を向上させ得る形状であった。

一方、Ｓｉを添加せずに前処理工程２０３を行った図６（ｂ−２）の試料は、前処理工程２０３で形成された突起の径が小さかったために、形成された六角錐状突起も小さいものが多かった。また、図６（ａ−２）の試料と比較して、発光波長よりも十分に大きな六角錐状突起は少なかった。

これらのことから、凹凸加工工程２０４でウエットエッチングにより発光波長よりも十分に大きい六角錐状突起を均一に分布させるには、前処理工程２０３のプラズマ処理時にＳｉを含む雰囲気中で行うことが好適であることが明らかになった。

この後、半導体エピウエハをアルカリ性溶液から取り出し、素子化を行った（工程２０５）。具体的には、半導体積層膜２０表面および凹凸加工された成長基板１０の裏面にそれぞれｐ型電極７２、ｎ型電極７１を形成後、スクライブ／ブレイク等の既存の手法を用いて個々の光半導体素子に細分化した。

（比較例）
比較例として、図２（ｂ）に示したように前処理工程２０３を行わず、他の工程２０１、２０２、２０４、２０５は、実施例と同様にして比較例の試料を作製した。凹凸加工工程２０４終了後の成長基板１０の裏面のＳＥＭ写真を図７に示す。六角錐状突起が形成されていない平坦な領域が存在し、一様に六角錐状突起を形成することができなかった。また、六角錐状突起の大きさにばらつきがあり、頂点がつぶれているなど形状にもばらつきがあった。さらに、六角錐状突起の底面と側面のなす角が３０°から４０°であるものがほとんどであり、光の取り出し効率向上に寄与することができないものが多かった。

本実施の形態の製造方法で製造する光半導体素子の断面図。 （ａ）本実施の形態の製造方法の工程を示す説明図。（ｂ）比較例の製造方法の工程を示す説明図。 （ａ）〜（ｃ）本実施の形態の半導体成長工程、薄片化工程および前処理工程をそれぞれ説明する説明図。 （ｄ）〜（ｆ）本実施の形態の凹凸加工工程、素子化工程（電極形成工程およびチップ細分化工程をそれぞれ説明する説明図。 （ａ）本実施の形態の製造方法において、前処理工程で形成されるドーム状突起４０１を示す説明図、（ｂ）および（ｃ）凹凸加工工程でドーム状突起４０１がウエットエッチングにより六角錐状突起４０３に加工される状態を示す説明図。 本実施の形態の凹凸加工工程で形成される六角錐状突起４０３の（ａ）上面図、（ｂ）断面図。 （ａ−１）本実施例でＳｉを添加した雰囲気でＲＩＥ（前処理）工程を行った試料のＳＥＭ写真、（ｂ−１）本実施例でＳｉを添加しない雰囲気でＲＩＥ（前処理）工程を行った試料のＳＥＭ写真、（ａ−２）および（ｂ−２）上記（ａ−１）および（ｂ−１）の試料をウエットエッチング（凹凸加工工程）した試料のＳＥＭ写真。 比較例の凹凸加工工程後の試料のＳＥＭ写真。

符号の説明

１０…基板、１１…光放出面、２０…半導体積層膜、２１…ｎ型半導体層、２２…活性層、２３…ｐ型半導体層、７１…ｎ型電極、７２…ｐ型電極、３０…サンプルホルダー、４０…ワックス、６０…プラズマ雰囲気、４０１…ドーム状突起、４０３…六角錐状突起、４０４…エッチング面。

Claims (3)

1. Ａｌ _ｘ Ｉｎ _ｙ Ｇａ _{１−ｘ−ｙ} Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体のＣマイナス面から成る光放出面に凹凸を有する光半導体素子の製造方法であって、
   前記光放出面を、Ｓｉを含む雰囲気中でドライエッチングすることにより、径が前記光半導体素子の発光波長よりも大きい複数のドーム状突起を形成する前処理工程と、
   前記前処理工程にて形成されたドーム状突起を、アルカリ溶液を用いた異方性エッチングにより前記ドーム状突起に対応した径を有する六角錐状突起に加工する加工工程とを有することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の光半導体素子の製造方法において、前記前処理工程は、１０^７個／ｃｍ^２以上１０^９個／ｃｍ^２以下の密度で前記ドーム状突起を形成することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の光半導体素子の製造方法において、前記加工工程で形成される突起は、底面と側面とのなす角が５２°以上６４°以下であることを特徴とする光半導体素子の製造方法。