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技術 発光素子

出願人 日亜化学工業株式会社
発明者 阿部真東谷圭介東直樹木内章喜
出願日 2015年12月17日 (3年7ヶ月経過) 出願番号 2015-246747
公開日 2016年8月25日 (2年11ヶ月経過) 公開番号 2016-154216
状態 特許登録済
技術分野 LED素子(パッケージ以外) 半導体の電極
主要キーワード サブユニット単位 凸部群 菱形領域 ユニットパターン 中央領 凹部構造 常温雰囲気 コア長
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年8月25日)のものです。
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図面 (20)

課題

転位密度をより低減することができると共に、結晶配向の良い半導体層を有する発光素子を提供することを課題とする。

解決手段

発光素子は、c面を主面とするサファイア基板と、前記サファイア基板の主面側に設けられた半導体層と、を備える発光素子であって、前記サファイア基板は、主面側からみて、仮想的な正六角形菱形に3等分する、第1のm軸及び第2のm軸に平行な辺を有する第1領域、第2のm軸及び第3のm軸に平行な辺を有する第2領域、及び第1のm軸及び第3のm軸に平行な辺を有する第3領域からなる第1ユニットと、前記第1ユニットの各辺に合わせて配置され、前記第1ユニットに対して鏡面対称である複数の第2ユニットと、から構成され、ユニット中央の領域を空けて配置される構成とした。

概要

背景

一般に、窒化物半導体等の半導体からなる発光素子発光ダイオードLED)は通常、サファイア基板上にn型半導体層、活性層p型半導体層を順に積層することにより構成される。従来、発光素子の光取り出し効率を向上させるために、サファイア基板上に予め長尺状の凹部構造や、長尺状の凹部と凸部の複合構造を設ける技術が提案されている(特許文献1〜3参照)。

概要

転位密度をより低減することができると共に、結晶配向の良い半導体層を有する発光素子を提供することを課題とする。発光素子は、c面を主面とするサファイア基板と、前記サファイア基板の主面側に設けられた半導体層と、を備える発光素子であって、前記サファイア基板は、主面側からみて、仮想的な正六角形菱形に3等分する、第1のm軸及び第2のm軸に平行な辺を有する第1領域、第2のm軸及び第3のm軸に平行な辺を有する第2領域、及び第1のm軸及び第3のm軸に平行な辺を有する第3領域からなる第1ユニットと、前記第1ユニットの各辺に合わせて配置され、前記第1ユニットに対して鏡面対称である複数の第2ユニットと、から構成され、ユニット中央の領域を空けて配置される構成とした。

目的

特開2008−53385号公報
特開2008−91942号公報
特開2012−114204号公報






本開示の実施形態は、転位密度をより低減することができると共に、結晶配向の良い半導体層を有する発光素子を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

c面を主面に有するサファイア基板と、前記サファイア基板の主面側に設けられた半導体層と、を備える発光素子であって、前記サファイア基板は、主面側からみて正六角形菱形に3等分するように、第1のm軸及び第2のm軸に平行な辺で区画される第1領域と、第2のm軸及び第3のm軸に平行な辺で区画される第2領域と、第1のm軸及び第3のm軸に平行な辺で区画される第3領域とからなる第1ユニットと、前記第1ユニットの各辺に合わせて配置され、かつ前記第1ユニットの頂角を通るa軸に対して前記第1ユニットと鏡面対称の関係にある複数の第2ユニットと、から構成され、前記第1ユニットは、前記第1領域内において、前記第1のm軸に平行な辺を外縁に有する複数の第1凸部が配列され、前記第2領域内において、前記第2のm軸に平行な辺を外縁に有する複数の第2凸部が配列され、前記第3領域内において、前記第3のm軸に平行な辺を外縁に有する複数の第3凸部が配列されており、前記正六角形の中心に最も近い前記第1凸部は、前記中心に最も近い前記第2凸部における前記中心側の端部に接する前記第3のm軸と平行をなす接線と交わらないように配置され、前記正六角形の中心に最も近い前記第2凸部は、前記中心に最も近い前記第3凸部における前記中心側の端部に接する前記第1のm軸と平行をなす接線と交わらないように配置されることを特徴とする発光素子。

請求項2

前記第1凸部は、前記第2のm軸に平行な同一線上に複数の前記第1凸部の端部が揃って当該第1凸部同士が同一のピッチで配置され、前記第2凸部は、前記第3のm軸に平行な同一線上に複数の前記第2凸部の端部が揃って当該第2凸部同士が同一のピッチで配置され、前記第3凸部は、前記第1のm軸に平行な同一線上に複数の前記第3凸部の端部が揃って当該第3凸部同士が同一のピッチで配置されている請求項1に記載の発光素子。

請求項3

前記第1凸部は、前記第1領域内において、前記第2領域側に所定の間隔となる第1間隔を空けて整列され、前記第2凸部は、前記第2領域内において、前記第3領域側に所定の間隔となる第2間隔を空けて整列され、前記第3凸部は、前記第3領域内において、前記第1領域側に所定の間隔となる第3間隔を空けて整列され、前記第1間隔、前記第2間隔及び前記第3間隔が同じ間隔である請求項1又は請求項2に記載の発光素子。

請求項4

前記六角形の中心から最も遠い第1凸部は、前記六角形の前記第1のm軸に平行な外形線から所定の間隔となる第4間隔を空けて配置され、前記六角形の中心から最も遠い第2凸部は、前記六角形の前記第2のm軸に平行な外形線から所定の間隔となる第5間隔を空けて配置され、前記六角形の中心から最も遠い第3凸部は、前記六角形の前記第3のm軸に平行な外形線から所定の間隔となる第6間隔を空けて配置され、前記第4間隔、前記第5間隔及び前記第6間隔が同じ間隔である請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発光素子。

請求項5

前記第1凸部、前記第2凸部及び前記第3凸部は、三回転対称となるように配置されている請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発光素子。

請求項6

前記第1凸部、前記第2凸部及び前記第3凸部は、複数として3から5つの範囲で同数が、前記第1領域、前記第2領域及び前記第3領域にそれぞれ配置されている請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の発光素子。

請求項7

前記第1凸部、前記第2凸部及び前記第3凸部は、それぞれ前記第1のm軸に平行な方向の長さが前記第1のm軸に垂直な方向の長さの2倍以上である請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発光素子。

請求項8

前記第1凸部、前記第2凸部及び前記第3凸部は、それぞれ前記第1のm軸に垂直な方向における断面の上部がっている形状である請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の発光素子。

請求項9

前記第1凸部、前記第2凸部及び前記第3凸部は、それぞれ前記第1のm軸に平行な方向の先端が平面視で半円形である請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の発光素子。

技術分野

0001

本開示は、発光素子に関する。

背景技術

0002

一般に、窒化物半導体等の半導体からなる発光素子(発光ダイオードLED)は通常、サファイア基板上にn型半導体層、活性層p型半導体層を順に積層することにより構成される。従来、発光素子の光取り出し効率を向上させるために、サファイア基板上に予め長尺状の凹部構造や、長尺状の凹部と凸部の複合構造を設ける技術が提案されている(特許文献1〜3参照)。

先行技術

0003

特開2008−53385号公報
特開2008−91942号公報
特開2012−114204号公報

発明が解決しようとする課題

0004

本開示の実施形態は、転位密度をより低減することができると共に、結晶配向の良い半導体層を有する発光素子を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0005

前記課題を解決するために本開示の実施形態に係る発光素子は、c面を主面に有するサファイア基板と、前記サファイア基板の主面側に設けられた半導体層と、を備える発光素子であって、前記サファイア基板は、主面側からみて正六角形菱形に3等分するように、第1のm軸及び第2のm軸に平行な辺で区画される第1領域と、第2のm軸及び第3のm軸に平行な辺で区画される第2領域と、第1のm軸及び第3のm軸に平行な辺で区画される第3領域とからなる第1ユニットと、前記第1ユニットの各辺に合わせて配置され、かつ前記第1ユニットの頂角を通るa軸に対して前記第1ユニットと鏡面対称の関係にある複数の第2ユニットと、から構成され、前記第1ユニットは、前記第1領域内において、前記第1のm軸に平行な辺を外縁に有する複数の第1凸部が配列され、前記第2領域内において、前記第2のm軸に平行な辺を外縁に有する複数の第2凸部が配列され、前記第3領域内において、前記第3のm軸に平行な辺を外縁に有する複数の第3凸部が配列されており、前記正六角形の中心に最も近い前記第1凸部は、前記中心に最も近い前記第2凸部における前記中心側の端部に接する前記第3のm軸と平行をなす接線と交わらないように配置され、前記正六角形の中心に最も近い前記第2凸部は、前記中心に最も近い前記第3凸部における前記中心側の端部に接する前記第1のm軸と平行をなす接線と交わらないように配置される構成とした。

0006

また、前記課題を解決するために本開示の実施形態に係る発光素子は、サファイア基板と、前記サファイア基板の主面側に設けられた半導体層と、を備える発光素子であって、前記サファイア基板は、その主面側に、それぞれが正六角形領域を有する複数の第1ユニットおよび複数の第2ユニットを有し、前記第1ユニットは、前記正六角形領域を3等分する菱形領域それぞれにおいて設けられた複数の凸部であって、1つの菱形領域において、一対の対辺に平行に延伸すると共に他の一対の対辺に沿って配置され、かつ、その延伸方向が隣接する他の2つの菱形領域に設けられた前記凸部の延伸方向と60度をなす複数の第1凸部を有し、前記第2ユニットは、前記第1ユニットの正六角形領域を構成する1辺の垂直二等分線に平行をなす直線を基準としたときに前記第1ユニットと鏡面対称の関係にあり、1つの第1ユニットに対して6つの第2ユニットが前記第1ユニットの正六角形領域を構成する6辺それぞれと前記6つの第2ユニットの正六角形領域それぞれを構成する1辺と一致するように配置される構成としてもよい。

発明の効果

0007

本開示の実施形態に係る発光素子は、転位密度をより低減することができると共に、結晶配向の良い半導体層を有することができる。

図面の簡単な説明

0008

第1実施形態に係る発光素子の全体構成を模式的に示す断面図である。
サファイア基板におけるサファイア結晶面方位を模式的に示すユニットセル図である。
サファイア基板におけるサファイア結晶の面方位を模式的に示すサファイア結晶構造の平面図である。
第1実施形態に係る発光素子のサファイア基板の一部を拡大して模式的に示す平面図である。
第1実施形態に係る発光素子の基板に形成された凸部を拡大して模式的に示す平面図である。
第1実施形態に係る発光素子のサファイア基板に形成された凸部の集合を表す第1ユニット及び第2ユニットを説明するために拡大して模式的に示す平面図である。
第1実施形態に係る発光素子の基板に形成された凸部であって図4BのX1−X1断面図である。
第1実施形態に係る発光素子の基板に形成された凸部であって図4BのX2−X2断面図である。
第1実施形態に係る発光素子の基板に形成された凸部であって図4BのX3−X3断面図である。
第1実施形態に係る発光素子の基板に形成された凸部の間隔及び第1ユニットと第2ユニットとの関係を説明する平面図である。
第1実施形態に係る発光素子の基板に形成された凸部の第1ユニットと第2ユニットとの間隔及びサブユニット間の間隔を説明する平面図である。
第1実施形態に係る発光素子において窒化物半導体の結晶成長の方向と転位収束についての結果の状態を模式的に断面状態で示す説明図である。
第1実施形態に係る発光素子において窒化物半導体の結晶成長の方向と転位の収束についての途中の状態を模式的に断面状態で示す説明図である。
第1実施形態に係る発光素子のサファイア基板に凸部を形成するために、マスク形成工程の状態を基板の一部を省略して断面にして模式的に示す断面図である。
第1実施形態に係る発光素子のサファイア基板に凸部を形成するために、エッチング工程の途中経過を基板の一部を省略して断面にして模式的に示す断面図である。
第1実施形態に係る発光素子のサファイア基板に凸部を形成するために、エッチング工程においてドライエッチングが終了した状態を基板の一部を省略して断面にして模式的に示す断面図である。
第1実施形態に係る発光素子の製造方法を模式的に示す図であって、バッファ層形成工程でバッファ層を形成した状態を基板の一部を省略して模式的に示す断面図である。
第1実施形態に係る発光素子の製造方法を模式的に示す図であって、半導体成長工程における途中経過を基板の一部を省略して断面にして模式的に示す断面図である。
第1実施形態に係る発光素子の製造方法を模式的に示す図であって、半導体成長工程における途中経過を基板の一部を省略して断面にして模式的に示す断面図である。
第1実施形態に係る発光素子の製造方法を模式的に示す図であって、半導体層成長工程で半導体層を設けた状態を基板の一部を省略して断面にして模式的に示す断面図である。
第1実施形態に係る発光素子の製造方法を模式的に示す図であって、半導体層成長工程の後に電極を形成した発光素子の一例を示す平面図である。
第1実施形態に係る発光素子の製造方法を模式的に示す図であって、半導体層成長工程の後に電極を形成した発光素子の一例を示す断面図であって、図9HのX4−X4断面図である。
第1実施形態の比較例となる構成におけるサファイア基板に形成した凸部の配置状態を模式的に示す平面図である。
第1実施形態の比較例となる構成におけるサファイア基板に窒化物半導体層を2μm結晶成長させた状態を平面から見て模式的に示す平面図である。
第1実施形態の比較例となる構成におけるサファイア基板に窒化物半導体層を3.5μm結晶成長させた状態を平面から見て模式的に示す平面図である。
第1実施形態の比較例となる構成におけるサファイア基板に窒化物半導体層を4.5μm結晶成長させた状態を平面から見て模式的に示す平面図である。
第1実施形態に係るサファイア基板に形成した凸部の配置状態を模式的に示す平面図である。
第1実施形態に係るサファイア基板に窒化物半導体層を2μm結晶成長させた状態を平面から見て模式的に示す平面図である。
第1実施形態に係るサファイア基板に窒化物半導体層を3.5μm結晶成長させた状態を平面から見て模式的に示す平面図である。
第1実施形態に係るサファイア基板に窒化物半導体層を4.5μm結晶成長させた状態を平面から見て模式的に示す平面図である。
第2実施形態に係る発光素子のサファイア基板に形成した凸部を拡大して模式的に示す平面図である。
第3実施形態に係る発光素子のサファイア基板に形成した凸部を拡大して模式的に示す平面図である。
第4実施形態に係る発光素子のサファイア基板に形成した凸部を拡大して模式的に示す平面図である。
第1実施形態〜第4実施形態の変形例1を示す発光素子のサファイア基板に形成された凸部を拡大して模式的に示す平面図である。
第1実施形態〜第4実施形態の変形例2を示す発光素子のサファイア基板に形成された凸部を拡大して模式的に示す平面図である。
第1実施形態〜第4実施形態の変形例3を示す発光素子のサファイア基板に形成された凸部を拡大して模式的に示す平面図である。

実施例

0009

以下、各実施形態に係る発光素子及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、各実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係等が誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略することとする。

0010

<第1実施形態>
[発光素子の構成]
第1実施形態に係る発光素子は、一例として窒化物半導体素子の構成として、図1図7を参照しながら説明する。発光素子1は、サファイア基板10と、バッファ層20と、窒化物半導体層30とが積層された構造を備えている。

0011

図1及び図3に示すように、サファイア基板10は、窒化物半導体層30を支持するとともに窒化物半導体(例えばGaN)を成長させるためのものである。サファイア基板10は、その主面側となるc面側の上面に平面視で長尺形状の凸部11が複数形成されている。また、サファイア基板10は、前記した凸部11(第1凸部11A、第2凸部11B、第3凸部11C)を含めて、全体として例えば50μm〜300μmの範囲の厚さを有している。なお、第1凸部11A〜第3凸部11Cは、まとめて説明する場合は凸部11として説明する。

0012

凸部11は、サファイア基板10上に窒化物半導体を結晶成長させる際に、平坦性を改善させる結果、転位密度を低減させると共に結晶配向の良い窒化物半導体層30を形成することができるものである。ここで、図2A及び図2Bに示すように、サファイア基板10は、六方晶結晶構造を有するサファイア結晶SCで構成されており、c面((0001)面)を主面としている。なお、本明細書におけるc面とは、c面に対してやや傾斜したオフ角が付されたものであってもよい。オフ角の角度は例えば3°以下程度である。前記した凸部11は、この主面であるc面側の表面に形成されている。また、サファイア結晶SCは、c面の他にも、ユニットセル図における六角柱の側面である6つのm面と、a1軸、a2軸、a3軸にそれぞれ直交する3つのa面、すなわち、第1のa面、第2のa面、第3のa面を有している。さらに、m面に直交する方向がm軸方向であり、m軸方向は、a1軸、a2軸、a3軸とそれぞれ30度異なる方向に延びる3つの方向がある。また、m軸は、それぞれ第1のa面〜第3のa面に平行となるように位置しており、ここでは、それぞれ、第1のm軸Sa1、第2のm軸Sa2、第3のm軸Sa3として説明する。

0013

図3及び図4Aに示すように、凸部11は、それぞれ同一形状で第1のm軸Sa1、第2のm軸Sa2及び第3のm軸Sa3に沿って所定数(例えば、3〜5本:図3では4本)が所定間隔で平行に配列するように形成されている。凸部11(第1凸部11A〜第3凸部11C)は、例えば、その間隔(最短距離)が、長手方向及び短手方向ともに0.3μm〜4μmの範囲内とすることが好ましい。また、凸部11の長手方向の長さ(コア全長L1)及び短手方向の長さ(コア径Da)は、例えば、それぞれ5μm〜25μm及び1μm〜5μmの範囲内とすることが好ましい。そして、凸部11の高さは、例えば0.5μm〜2.5μmの範囲内とすることが好ましい。
また、凸部11は、平面視で長尺形状の長手方向の長さ(各m軸Sa1〜Sa3のそれぞれに平行な方向の長さ)が短手方向の長さ(各m軸Sa1〜Sa3のそれぞれに垂直な方向の長さ)の3倍以上であることが好ましい(6倍〜15倍、あるいは、5倍〜12倍であることが更に好ましい)。そして、凸部11は、長手方向の両端のそれぞれが略同一形状に形成されており、ここでは、平面視でそれぞれ直線状の端部に半円形状に形成されている。なお、凸部11の長手方向における直線部分をコア長さL2とし、凸部11の一端から他端までをコア全長L1とする。そして、ここでは、凸部11は、一例として、コア長さL2と、コア全長L1との比を1対1.05〜1.6の範囲としている。
凸部11は、それぞれのm軸Sa1〜Sa3に平行な直線部分を辺11a〜11cとして外縁にそれぞれ有している。例えば、第1凸部11Aは、平面視において、第1のm軸Sa1に平行な直線状の辺11aを対向して有し、その辺11aの両端部に円弧状の外縁となるような形状に形成されている。そして、第1凸部11Aは、第2凸部11B及び第3凸部11Cの延伸方向に対して60度をなす角度に形成されている。なお、第2凸部11B及び第3凸部11Cについても同様の構成を備えることとなり、詳細は後記する。

0014

また、図5A図5Cに示すように、凸部11は、短手方向(各m軸Sa1〜Sa3のそれぞれに垂直な方向)における断面の上部が平面ではなくっている形状を呈している。つまり、凸部11は、短手方向の断面形状において、高さの所定位置から頂部に向かって三角形頂部となるように形成されている。これは、サファイア基板10の上面に垂直な軸であるc軸に対して傾斜した側面を有するドーム形状の凸部11が形成されていることを示している。
さらに、凸部11の全体の個数は、サファイア基板10の面積に応じて、前記した凸部11のそれぞれの間隔及び長さを考慮して決定される。例えば、凸部11は、サファイア基板10の全面にわたって均等に配置されている。

0015

図3及び図4Aに示すように、第1実施形態では、凸部11として、第1のm軸Sa1に沿って配置した第1凸部11Aと、第2のm軸Sa2に沿って配置した第2凸部11Bと、第3のm軸Sa3に沿って配置した第3凸部11Cとを備えている。ここでは、第1凸部11Aの集まり(第1凸部群)を第1サブユニットSU1とし、第2凸部11Bの集まり(第2凸部群)を第2サブユニットSU2とし、第3凸部11Cの集まり(第3凸部群)を第3サブユニットSU3としている。

0016

さらに、第1凸部11Aは、仮想的な正六角形を三等分する仮想的な菱形の区域となる第1領域Ar1に配置され、第2凸部11Bは、前記した菱形の他の区域となる第2領域Ar2に配置され、第3凸部11Cは、前記した菱形の他の区域となる第3領域Ar3に配置されている。そして、第1凸部11Aが形成された第1領域Ar1と、第2凸部11Bが形成された第2領域Ar2と、第3凸部11Cが形成された第3領域Ar3とを合せた仮想的な六角形を形成する領域を第1ユニットKUとしている。つまり、第1ユニットKUを三等分する各領域が第1領域Ar1〜第3領域Ar3となる。また、第1凸部11A〜第3凸部11Cのそれぞれは、第1ユニットKUにおいて、三回転対称となるように配置されている。

0017

なお、第1領域Ar1は、第1のm軸Sa1及び第2のm軸Sa2に平行な辺を有する正六角形の第1ユニットKUにおける菱形の領域として、ここでは設定されている。また、第2領域Ar2は、第2のm軸Sa2及び第3のm軸Sa3に平行な辺を有する正六角形の第1ユニットKUにおける菱形の領域として、ここでは設定されている。さらに、第3領域Ar3は、第1のm軸Sa1及び第3のm軸Sa3に平行な辺を有する正六角形の第1ユニットKUにおける菱形の領域として、ここでは設定されている。

0018

さらに、図3及び図4Bに示すように、サファイア基板10では、第1ユニットKUと、この第1ユニットKUの鏡面対称となる第2ユニットTUとによりユニットパターンを形成するように構成されている。このユニットパターンは、仮想的な正六角形とする第1ユニットKUの第1領域Ar1、第2領域Ar2及び第3領域Ar3の配置が、鏡面対称となり仮想的な正六角形とする第2ユニットTUとの組み合わせにより形成されている。そして、ここでは、第1ユニットKUと第2ユニットTUの組み合わせとして、第1ユニットKUの仮想的な正六角形の各辺に、第2ユニットTUの仮想的な正六角形の1つの辺を合せて配置されるようにユニットパターンが形成されている。

0019

なお、第1ユニットKU及び第2ユニットTUとして仮想的に区画される正六角形は、第1凸部11A〜第3凸部11Cを配置するときの仮想的な基準線であり、実際の基板には形成されることはない。また、第1領域Ar1〜第3領域Ar3、あるいは、第1サブユニットSU1〜第3サブユニットSU3として仮想的に区画される菱形は、仮想的な基準線であり、実際の基板には形成されることはない。

0020

また、第1ユニットKUと第2ユニットTUとが鏡面(鏡像対称である関係とは、図4Bに示すように、対称軸MGを挟んで一方側に仮想的な正六角形の第1ユニットKUが位置したときの第1領域Ar1〜第3領域Ar3の配置が、対称軸MGの他側に鏡像として写されたときに鏡面対称の位置となる第1領域Ar1〜第3領域Ar3の配置となる仮想的な正六角形の第2ユニットTUである関係をいう。そして、頂角を起点にした第2ユニットTUを平行移動させて第1ユニットKUの各辺に合せるように配置している。例えば、図3に示すように、第1ユニットKUの辺Ha1に第2ユニットTUの辺Hb6を合せ、同様に、辺Ha2に辺Hb5に合せ、辺Ha3に辺Hb4に合せ、辺Ha4に辺Hb3に合せ、辺Ha5に辺Hb2、辺Ha6に辺Hb1を合せるようにしている。

0021

ここでは、第1ユニットKUの頂角が起点となって鏡面対称とし、平行に移動させることで各辺に合せるようにしているが、第1ユニットKUの一辺を対称軸MGに平行にした状態での鏡面対称となる第2ユニットTUでも同様である。つまり、第2ユニットTUは、第1ユニットKUの第1領域Ar1〜第3領域Ar3の配置の関係が鏡面対称となっていればよい。なお、第1ユニットKUの一辺を対称軸MGに平行にした場合の第2ユニットTUは、30度角度を変更して平行移動することで、前記したように、第1ユニットUKの各辺Ha1〜Ha6に、辺Hb1〜Hb6を合せてユニットパターンを形成することになる。また、図4Bに示すように、第2ユニットTUでは、第1凸部11Aは、鏡面対称としているので、傾斜方向が図面上では、第2のm軸に沿った傾斜角度となっている。さらに、第2ユニットTUでは、第2凸部11Bは、鏡面対称となっているので、傾斜方向が図面上では、第1のm軸に沿った傾斜角度となっている。
言い換えると、第2ユニットTUは、第1ユニットKUの正六角形領域を構成する1辺の垂直二等分線に平行をなす直線を基準としたときに、第1ユニットKUと鏡面対称の関係にある(基準となる直線に対して180度回転させた凸部11の配置)。さらに、第2ユニットTUは、1つの第1ユニットKUの正六角形領域を構成する6つの辺Ha1〜Ha6それぞれと、6つの第2ユニットTUの正六角形領域それぞれを構成する辺Hb1〜Hb6のうちの1辺と一致するように、1つの第1ユニットKUに対して6つが配置される。
また、図4Bに示すように、第2ユニットTUでは、第1凸部11Aは、鏡面対称としているので、傾斜方向が図面上では、第2のm軸に沿った傾斜角度となっている。さらに、第2ユニットTUでは、第2凸部11Bは、鏡面対称となっているので、傾斜方向が図面上では、第1のm軸に沿った傾斜角度となっている。

0022

図3及び図4Aに示すように、複数の第1凸部11Aは、第1のm軸Sa1に沿ってそれぞれが形成され、同じ形状となるように構成されている。第1ユニットKUの第1凸部11Aは、仮想的に形成した正六角形を三等分する菱形の第1領域Ar1内において、第1のm軸Sa1に沿って延伸させて長尺形状に形成して配置されている。そして、第1凸部11Aは、4本のそれぞれの一端部及び他端部が第2のm軸Sa2に沿って揃うように等間隔で並列して配置されている。
つまり、複数の第1凸部11Aは、第1領域Ar1となる菱形領域の一対の対辺に平行に延伸すると共に他の一対の対辺に沿って等間隔に配置されている。そして、第1領域Ar1内に配置された複数の第1凸部11Aは、その延伸方向が、隣接する他の2つの菱形領域となる第2領域Ar2及び第3領域Ar3に設けられた凸部11B,11Cの延伸方向と60度をなすように配置されている。
第1凸部11Aは、4本の集合を第1サブユニットSU1として、第1領域Ar1に第1間隔da1を空けると共に、第4間隔ds1を空けて配置されている。第1サブユニットSU1では、第1凸部11Aが、その一側の端部を正六角形状の一辺に接するように揃え、その他側の端部を第2領域Ar2側から所定間隔となる第1間隔da1を空けて同一の第2のm軸Sa2に揃うように配置されている。なお、第4間隔ds1は、第1領域Ar1において、仮想的な正六角形の中心点側から一番遠くに位置する第1凸部11Aと、前記正六角形の一辺との間の間隔であり、ここでは、第1凸部11A同士間の間隔と略同等となるように設定されている。

0023

したがって、図4Aに示すように、第1凸部11Aの他側の端部から第2領域Ar2までの間となる第1間隔da1は、第1凸部11Aが4本とも均等となるように構成されている。そして、第2のm軸Sa2に沿って第1間隔da1の略範囲のままで連続することができる領域は、第3領域Ar3において正六角形の中心に最も近い第3凸部11Cを越えて当該中心に2番目に近い第3凸部11Cに到達するまで形成されている。特に、第1領域Ar1において正六角形の中心に最も近い第1凸部11Aの位置が、当該中心に最も近い第2凸部11Bの端部から、第3のm軸Sa3に平行で第1領域Ar1に向かう接線Ya2に交わらないように離間して配置されている。そのため、ユニット中央において、第2のm軸Sa2に沿って連続する領域は、第1間隔da1の間隔のまま第1領域Ar1から第3領域Ar3に亘って形成することができる。なお、接線Ya2は、第2凸部11Bの端部に接する第3のm軸Sa3と平行をなす仮想的な線である。

0024

また、第1ユニットKUの第2凸部11Bは、仮想的に形成した正六角形を三等分する菱形の第2領域Ar2内において、第2のm軸Sa2に沿って延伸させて長尺形状に形成して配置されている。そして、第2凸部11Bは、4本のそれぞれの一端部及び他端部が第3のm軸Sa3に沿って揃うように等間隔で並列して配置されている。
つまり、複数の第2凸部11Bは、第2領域Ar2となる菱形領域の一対の対辺に平行に延伸すると共に他の一対の対辺に沿って等間隔に配置されている。そして、第2領域Ar2内に配置された複数の第2凸部11Bは、その延伸方向が、隣接する他の2つの菱形領域となる第1領域Ar1及び第3領域Ar3に設けられた凸部11A,11Cの延伸方向と60度をなすように配置されている。
第2凸部11Bは、4本の集合を第2サブユニットSU2として、第2領域Ar2に第2間隔da2を空けると共に、第5間隔ds2を空けて配置されている。第2サブユニットSU2では、第2凸部11Bが、その一側の端部を正六角形状の一辺に接するように揃え、その他側の端部を第3領域Ar3側から所定間隔を空けて同一の第3のm軸Sa3に揃うように配置されている。なお、第5間隔ds2は、第2領域Ar2において、仮想的な正六角形の中心点側から一番遠くに位置する第2凸部11Bと、前記正六角形の一辺との間の間隔であり、ここでは、第2凸部11B同士間の間隔と略同等となるように設定されている。

0025

したがって、図4Aに示すように、第2凸部11Bの他側の端部から第3領域Ar3までの間となる第2間隔da2は、第2凸部11Bが4本とも均等となるように構成されている。そして、第3のm軸Sa3に沿って第2間隔da2の略範囲のままで連続することができる領域は、第2領域Ar2において正六角形の中心に最も近い第1凸部11Aを越えて当該中心に2番目に近い第1凸部11Aに到達するまで形成されている。特に、第2領域Ar2において正六角形の中心に最も近い第2凸部11Bの位置が、当該中心に最も近い第3凸部11Cの端部から、第1のm軸Sa1に平行で第2領域Ar2に向かう接線Ya3に交わらないように離間して配置されている。そのため、ユニット中央において、第3のm軸Sa3に沿って連続する領域は、第2間隔da2の間隔のまま第2領域Ar2から第1領域Ar1に亘って形成することができる。なお、接線Ya3は、第3凸部11Cの端部に接する第1のm軸Sa1と平行をなす仮想的な線である。

0026

さらに、第1ユニットKUの第3凸部11Cは、仮想的に形成した正六角形を三等分する菱形の第3領域Ar3内において、第3のm軸Sa3に沿って延伸させて長尺形状に形成して配置されている。そして、第3凸部11Cは、4本のそれぞれの一端部及び他端部が第1のm軸Sa1に沿って揃うように等間隔で並列して配置されている。
つまり、複数の第3凸部11Cは、第3領域Ar3となる菱形領域の一対の対辺に平行に延伸すると共に他の一対の対辺に沿って等間隔に配置されている。そして、第3領域Ar3内に配置された第3凸部11Cは、その延伸方向が、隣接する他の2つの菱形領域となる第1領域Ar1及び第2領域Ar2に設けられた凸部11A,11Bの延伸方向と60度をなすように配置されている。
第3凸部11Cは、4本の集合を第3サブユニットSU3として、第3領域Ar3に第3間隔da3を空けると共に、第6間隔ds3を空けて配置されている。第3サブユニットSU3では、第3凸部11Cが、その一側の端部を正六角形状の一辺に接するように揃え、その他側の端部を第1領域Ar1側から所定間隔を空けて同一の第1のm軸Sa1に揃うように配置されている。なお、第6間隔ds3は、第3領域Ar3において、仮想的な正六角形の中心点側から一番遠くに位置する第3凸部11Cと、前記正六角形の一辺との間の間隔であり、ここでは、第3凸部11C同士間の間隔と略同等となるように構成されている。

0027

したがって、図4Aに示すように、第3凸部11Cの他側の端部から第1領域Ar1までの間となる第3間隔da3は、4本とも均等となるように構成されている。そして、第1のm軸Sa1に沿って第3間隔da3の略範囲のままで連続することができる領域は、第2領域Ar2において正六角形の中心に最も近い第2凸部11Bを越えて当該中心に2番目に近い第2凸部11Bに到達するまで形成されている。特に、第3領域Ar3において正六角形の中心に最も近い第3凸部11Cの位置が、当該中心に最も近い第1凸部11Aの端部から、第2のm軸Sa2に平行で第3領域Ar3に向かう接線Ya1に交わらないように離間して配置されている。そのため、ユニット中央において、第1のm軸Sa1に沿って連続する領域は、第3間隔da3の間隔のまま第3領域Ar3から第2領域Ar2に亘って形成することができる。なお、接線Ya1は、第1凸部11Aの端部に接する第2のm軸Sa2と平行をなす仮想的な線である。

0028

なお、第1ユニットKU及び第2ユニットTUでは、仮想的な正六角形の中心に最も近い第1凸部11A、第2凸部11B及び第3凸部11Cのうちの少なくとも2つが、対応する接線Ya1、接線Ya2、接線Ya3のいずれかと交わることがないように離間して配置されていればよい。例えば、第1凸部11Aが第1間隔da1を狭くするように接線Ya2に当接するように配置されていても、第2凸部11B及び第3凸部11Cが接線Ya1あるいは接線Ya3から離間して配置されていればよい。第2凸部11B及び第3凸部11Cについても同様である。
つまり、第1ユニットKU及び第2ユニットTUでは、正六角形の中心に最も近い第1凸部11Aは、前記中心に最も近い第2凸部11Bにおける前記中心側の端部に接する第3のm軸Sa3と平行をなす接線Ya2と交わらないように配置されることになる。また、第1ユニットKU及び第2ユニットTUでは、正六角形の中心に最も近い第2凸部11Bは、前記中心に最も近い第3凸部11Cにおける前記中心側の端部に接する第1のm軸Sa1と平行をなす接線Ya3と交わらないように配置されている。

0029

また、図6及び図7に示すように、第1ユニットKU及び第2ユニットTUは、第1凸部11Aを、第1領域Ar1に第1間隔da1及び第4間隔ds1を空けて配置させ、第2凸部11Bを、第2領域Ar2に第2間隔da2及び第5間隔ds2を空けて配置させ、さらに、第3凸部11Cを、第3領域Ar3に第3間隔da3及び第6間隔ds3を空けて配置させている。そのため、第1凸部11A〜第3凸部11Cの設置間隔がユニットパターンにおいて互いに略均等となるように配置されることになる。

0030

図7に示すように、第1ユニットKU及び第2ユニットTUは、凸部11同士の間隔において、仮想的な正六角形の中央の領域CE1,CE2及び、仮想的な正六角形の頂角同士の各領域SEにおいても、他の領域との関係で極端に間隔が異なる部分が改善され略均等になるように構成される。
したがって、第1ユニットKU及び第2ユニットTUは、このようなユニットパターンを備えることで、従来の構成と比較して、窒化物半導体、例えば、GaNの結晶成長において成長速度がサファイア基板10の面内で整う(言い換えると、成長過程における窒化物半導体層30の転位密度が低減できる傾向にあると共に、窒化物半導体層30の結晶配光も良くなる)。

0031

なお、凸部11の配置パターンでは、第1ユニットKU及び第2ユニットTUの対向する頂角部分が6箇所形成されることになる。そして、ユニット同士の対向する6箇所の頂角部分では、前記したサブユニット単位あるいは領域単位であると、仮想的な菱形の頂角を4カ所対向させた部分と、仮想的な菱形の頂角を5カ所対向させた部分とが形成される。また、ユニット中央において、仮想的な菱形の頂角を3つ対向させた部分が形成されることになる(従来の構成は例えば図10A参照:図10Aでは、頂角は6つと3つの2種類のみの配置)。つまり、第1ユニットKU及び第2ユニットTUによるユニットパターンとすることで、仮想的な頂角の位置において、サブユニット単位あるいは領域単位で、頂角の数の異なる部分が設定され、凸部11の間隔を調整しやすい配置にすることができる。

0032

また、図5A図5Cに示すように、第1凸部11A〜第3凸部11Cは、短手方向における断面の上部が平面ではなく尖っている形状を呈しているため、窒化物半導体の表面に現れる貫通転位の数を減少させることができる。なお、仮に、凸部11の断面形状が図示しない台形状等の上平面のある形状である場合では、その上平面(c面)からも窒化物半導体が成長することになる。そして、この上面から成長する窒化物半導体は横方向にほとんど成長しないため、成長方向に発生した複数の転位が収束せず、窒化物半導体表面の転位密度が増大することになる。一方、前記したように凸部11の断面形状に上平面が存在しない場合、凸部11の上部からの成長が抑制されて窒化物半導体が横方向に成長する。そのため、この凸部11は、成長方向に発生した複数の転位が収束し、転位密度が低減されることになる。

0033

さらに、結晶成長においては比較的安定な結晶面がファセット面として現れる傾向があり、六方晶の窒化物半導体(例えばGaN)は、窒化物半導体のm面からやや傾斜した面をファセット面として結晶成長する。よって、凸部11の長手方向の先端が平面視で半円形状であれば、各ファセット面をほぼ均等な幅で成長させることができ、窒化物半導体を当該半円中心付近に向かって接合させることができる。窒化物半導体の結晶成長の際に、窒化物半導体がサファイア基板10のc面(凸部11が形成されていない平坦面)から主に成長するため、凸部11上で合わさるように横方向にも均等に成長させることができる(図8A及び図8Bにおいて、転位の詳細な説明は後記する)。

0034

図1に戻って発光素子1の構成について説明を続ける。バッファ層20は、サファイア基板10と当該サファイア基板10上に成長させる窒化物半導体との格子定数差緩衝させるためのものである。バッファ層20は、サファイア基板10と窒化物半導体層30との間に形成されている。このバッファ層20は例えばAlNやAlGaNで構成される。バッファ層20は、後記するように、製造方法のバッファ層形成工程において、例えば所定条件下でスパッタリングを行うことで形成することができる。バッファ層20は、例えば図1に示すようなサファイア基板10を被覆する層状であるが、一部でサファイア基板10が露出していてもよい。

0035

窒化物半導体層30は、発光素子1の発光部を構成するものであり、例えば、InXAlYGa1−X−YN(0≦X,0≦Y,X+Y≦1))等の窒化物半導体が用いられる。窒化物半導体層30は、図1に示すように、サファイア基板10のc面(主面)上にバッファ層20を介して形成されており、n型半導体層31、活性層32及びp型半導体層33が下からこの順に積層された構造を有している。活性層32は、例えば井戸層発光層)と障壁層とを有する量子井戸構造である。

0036

ここで、図8A及び図8Bを参照して、結晶成長と転位についての説明をする。凸部11が形成されていない平坦なサファイア基板10を用いる場合は窒化物半導体が横方向に成長することができないが、前記したようにサファイア基板10上に凸部11が形成されている場合、窒化物半導体の成長時において、窒化物半導体が横方向にも成長することができる。基本的に転位は結晶の成長方向に進行するため、図8A及び図8Bに示すように、窒化物半導体が凸部11上に向かって横方向に成長することで、窒化物半導体中の転位も凸部11上に向かって横方向に進行する。そして、凸部11上において窒化物半導体が接合されることで転位も接合され、閉ループを作る等して最終的な窒化物半導体の表面に転位が現れにくくなる。なお、図8A及び図8Bでは、時間的には図8Bの状態から図8Aの状態に成長するように図示している。

0037

このように、窒化物半導体がファセット面を露出した状態を維持しながら徐々に接合されていくことで、転位の数が減少し、窒化物半導体層30の転位密度が低くなる。このとき、図8Bから図8Aの状態として示すように、窒化物半導体がファセット面を露出した状態の時間が長い(ファセット面を露出した状態で成長した膜厚が厚い)方が、転位が収束されやすく、転位の数を減少させやすい。なお、凸部11のユニットパターンを前記したように構成することで、従来に比較して短時間で転位を収束してサファイア基板10から近い位置において平坦な面となるように結晶成長することができる。また、図8A及び図8Bでは、横方向成長中の転位の進行方向が一方向であるが、転位の進行方向は途中で変化することがある。例えば、初期は上方向に進行し、途中から横方向または斜め上方向に進行することがある。

0038

凸部11を、その長手方向に延びる外縁がサファイア基板10の第1のm軸Sa1〜第3のm軸Sa3に沿った角度となる方向に延びる形状とすることで、窒化物半導体が凸部11上で合わさるまで成長速度が整えられ短い時間で平坦面にすることができる。これについて、以下、窒化物半導体の代表的な1つであるGaNを例にして説明する。

0039

六方晶系のGaNは、上方向をc軸方向として結晶成長する。そして、横方向においてはa軸方向よりもm軸方向のほうが成長しにくいため、平面視でGaNのm面(サファイア基板10のc面と垂直に交わる面)に等価な面とサファイア基板10のc面の交線底辺とするファセット面を維持して成長する傾向がある。このとき、GaNのm面は、サファイア基板10のa面と同一平面に沿って位置している。つまり、GaNは、平面視でサファイア基板10のa面と一致する線を底辺とするファセット面を維持して成長する傾向にある。そこで、サファイア基板10の表面に、サファイア基板10のm面と異なる面(典型的にはa面)に沿って、長手方向に外縁が延びる長尺状の凸部11を配置する。これにより、凸部11の長手方向に延びる外縁がGaNのa面と一致しなくなり、ファセット面の底辺が凸部11の長手方向に延びる外縁と平行になる。

0040

その結果、凸部11の長手方向に延びる外縁がGaNのa面と一致する場合、つまりファセット面の底辺が凸部11の長手方向に延びる外縁と非平行である場合と比べて、凸部11の短手方向におけるGaNの成長速度が遅くなる。従って、上方向成長よりも凸部11上において横方向成長をする時間が長くなり、転位が収束しやすいので、転位密度を低減することができる。また、窒化物半導体が成長しやすい方向(GaNのa軸方向)が凸部11の短手方向と一致していると、凸部11の短手方向の両側から成長した窒化物半導体が広範囲で接合するため、接合する際に新たな転位が発生するおそれがある。そこで、凸部11の短手方向を、窒化物半導体が成長しやすいGaNのa軸方向からずらして配置する(ここではサファイア基板10の凸部11の長手方向を、サファイア基板10の各m軸に沿って配置する)ことにより、凸部11の長手方向の両側から成長した窒化物半導体が接合することになるため、新たな転位の発生を抑制することができると考えられる。

0041

また、発光素子1は、前記したように窒化物半導体のファセット面が凸部11の長手方向に延びる外縁と一致しているので、先端部付近から徐々に窒化物半導体が成長し、凸部11の中心付近に収束する。そのため、平面視で、凸部11の上方となる位置において、凸部11の長手方向における中央に転位が残る範囲が小さく(狭く)、さらに転位密度も小さくなる傾向にある。一方、例えば、凸部11の長手方向に延びる外縁がサファイア基板10の各m軸に対して±10°の範囲を越える方向である場合(例えば第1のm軸Sa1方向と直交する方向に長手方向が一致する場合)、凸部11の長手方向に延びる外縁が窒化物半導体のファセット面と一致しないので、凸部11の長手方向の中心線付近でほぼ同時に窒化物半導体が合わさり、それ以上は横方向に成長することができない。

0042

さらに、第1ユニットKU及び第2ユニットTUのユニットパターンとすることで、第1ユニットKU及び第2ユニットTUと隣り合う位置での凸部11の間隔が狭い場合と比較して、サファイア基板10の面内において窒化物半導体の成長速度の差を小さく(成長過程における窒化物半導体の平坦性を改善)することができることにより、窒化物半導体層30の転位密度をより小さくすることができる傾向にある。それと共に、窒化物半導体層30の結晶成長も良くすることができる。なお、例えば、ユニット同士の間隔が確保されても、ユニット中央の間隔の調整ができていない場合、結晶成長においてさらなる平坦性の確保ができない。そこで、第1ユニットKUと鏡面対称となる第2ユニットTUを配置してユニット中央の配置を広くした状態(サファイア基板の±m軸方向にスペースが有る)のユニットパターンとすることで更なる平坦性を確保することができる。

0043

以上のような構成を備える第1実施形態に係る発光素子1は、長尺形状の凸部11を備えるサファイア基板10から成長した、転位密度が低い窒化物半導体層30を備えているため、温度特性を向上することができる。ここでいう温度特性の向上とは、雰囲気温度を上昇させたときの出力の変化度合が小さいことを指す。例えば常温雰囲気(例えば25℃)で駆動させたときの発光素子1の光出力を1とすると、高温雰囲気(例えば100℃)で駆動させたときの発光素子1の光出力は1よりも低くなるが、その低下度合が小さいことを指す。

0044

このような温度特性の向上は、転位密度の低減により、転位に起因する電子トラップが減少したことによると推測される。より詳細に言えば、窒化物半導体層30のうち特に活性層32の転位密度が低いことで温度特性が向上すると考えられる。活性層32の転位密度は、その下地となるn型半導体層31の表面に現れる転位の密度で決定することができるため、特にn型半導体層31の表面の転位密度を小さくすることが好ましい。
また、通常、発光素子において、転位密度を下げると温度特性が改善される一方で、Vfは上昇し、光出力は低下する(つまり、順方向電圧(Vf)及び光出力(Po)が悪化する)傾向にある。しかしながら、本開示のような構成とする発光素子1では、結晶配向も改善されることによって、温度特性を維持又は改善しつつ、順方向電圧(Vf)を低下させ、光出力(Po)は向上させることができる。これに伴って、発光素子1は、発光効率も良くなる。

0045

[発光素子の製造方法]
次に、第1実施形態に係る発光素子1の製造方法について、図9A図9Iを参照しながら説明する。なお、以下では、発光素子1が外部接続電極を有する発光素子2である場合の製造方法を説明する。なお、基板断面は、第1ユニットKUの中心点に最も近い第3凸部の中心を長手方向に沿って切断した状態での断面を示している。

0046

まず、サファイア基板の主面に凸部11を形成する方法について説明する。サファイア基板の凸部11は、図9Aに示すマスク形成工程と、図9B図9Cに示すエッチング工程と、をこの順で行うことで形成される。
マスク形成工程は、サファイア基板10上にマスクMを設ける工程である。マスク形成工程では、具体的には図9Aに示すように、サファイア基板10のc面側の表面に例えばSiO2やレジスト成膜し、パターニングすることで、凸部11を形成する領域を被覆する複数の長尺形状のマスクMを形成する。

0047

エッチング工程は、サファイア基板10をエッチングする工程である。エッチング工程では、具体的には図9B図9Cに示すように、マスクMが配置されたサファイア基板10をドライエッチングすることで、当該サファイア基板10のc面側の表面に、第1のm軸Sa1、第2のm軸Sa2及び第3のm軸Sa3に沿って長尺形状であり、仮想的な正六角形となる第1ユニットKU及び第2ユニットTUの内側に凸部11が複数形成される。

0048

本実施形態ではマスクMとして基板よりも遅くエッチングされる材料を用いることで、この第1エッチング工程において、サファイア基板10上のマスクMもエッチングされ、マスクMが上面だけでなく側面からも徐々にエッチングされ、マスクMの径が小さくなるため、サファイア基板10上に凸部11の上部が正面視で上端が尖った半球状等のドーム状にエッチングされる。なお、凸部11が上面(c面)のある形状であると、上面から窒化物半導体が成長してしまうため、半球状等の上面のない上端が尖った形状であることが好ましい。

0049

ドライエッチングの具体的な手法としては、例えば気相エッチングプラズマエッチング反応性イオンエッチング等を用いることができ、その際のエッチングガスとしては、例えばCl2,SiCl4,BCl3,HBr,SF6,CH4,CH2F2,CHF3,C4F8,CF4、不活性ガスのAr等が挙げられる。

0050

次に発光素子1の製造方法について説明する。
発光素子1の製造方法は、前記したサファイア基板10の凸部11(第1凸部11A〜第3凸部11C)を形成した後に、さらに、図9Dに示すバッファ層形成工程と、図9E及び図9Fに示す半導体層成長工程と、をこの順で行う。

0051

バッファ層形成工程は、サファイア基板10上にバッファ層20を形成する工程である。バッファ層形成工程では、具体的には図9Dに示すように、凸部11が形成されたサファイア基板10上に、例えばスパッタリングによってバッファ層20を形成する。バッファ層形成工程は省略することもできるが、行うことが好ましい。バッファ層20は、例えば図9Dに示すようにサファイア基板10を被覆する層状であるが、完全に層状に被覆される必要はなく層厚さを薄くすることで斑状に一部でサファイア基板10が露出していてもよい。

0052

半導体層成長工程は、サファイア基板10の凸部11が形成された側の面上に窒化物半導体層30を成長させ、発光素子構造を形成する工程である。半導体層成長工程では、具体的には図9E図9Fに示すように、凸部11が形成されたサファイア基板10のc面側の表面に、バッファ層20を介してn型半導体層31を結晶成長させる。その際、n型半導体層31は、各凸部11の間の領域から上方向及び横方向に成長し、凸部11を覆うように成長する。凸部11を完全に覆うまでは、n型半導体層31を構成する窒化物半導体はサファイア基板10の表面に対して斜めの成長面(ファセット面)を維持しながら成長する。なお、n型半導体層31が成長する場合に、図8A及び図8Bを参照して既に説明したように転位が収束して転位を従来の構成よりも減少させることができる。

0053

続いて、図9Gに示すように、n型半導体層31の上に活性層32を成長させ、さらにp型半導体層33を成長させ、活性層32を含む発光素子構造を形成する。なお、凸部11上で接合するまでは意図的に不純物を添加しないアンドープの窒化物半導体層を成長させ、その後、n型不純物を添加してn型の窒化物半導体層を成長させてもよい。また、少なくとも凸部11上で接合するまでは、GaNからなる窒化物半導体を成長させることがさらに好ましい。

0054

以上の工程を経ることで、図9Gに示すような電極を設けていない状態の発光素子1を製造することができる。
次に、発光素子1に外部接続電極を設けた発光素子2の製造方法の具体例を、図9H及び図9Iに示す。図9H及び図9Iに示す発光素子2は、凸部11を有するサファイア基板10と、その上に設けられたn型半導体層31、活性層32、p型半導体層33を有しており、部分的にn型半導体層31が露出されてn側電極40が設けられ、p型半導体層33の表面に透光性電極(例えばITO)50及びp側電極60が設けられている。前記した半導体層成長工程の後に電極形成工程を行うことで、発光素子1に、これらの電極を備えた発光素子2を製造することもできる。

0055

すなわち、まずドライエッチング等によってp型半導体層33及び活性層32の一部領域を除去してn型半導体層31の一部を露出させる。次に、露出させたn型半導体層31上にn側電極40を形成し、p型半導体層33上に透光性電極50を形成し、透光性電極50上にp側電極60を形成することで、図9H及び図9Iに示すような発光素子2を製造することができる。なお、前記した半導体層成長工程の後に、前記した発光素子構造及びサファイア基板10を分割し、素子個片化する個片化工程を含んでよい。このとき、電極形成工程は、半導体層成長工程の後であって個片化工程の前に行われる。

0056

このように、発光素子1の製造方法は、サファイア基板10上に形成された凸部11が、頂部が平坦でない構成であり、各m軸に沿って延伸して形成され仮想的な正六角形である第1ユニットKU及び第2ユニットTUの範囲に配置されると共に、各ユニット内で所定の間隔となるように整列している。したがって、発光素子1の製造方法において、サファイア基板10の面内において窒化物半導体の成長速度の差を小さく(成長過程における窒化物半導体の平坦性を改善)することができることにより、窒化物半導体層30の転位密度をより小さくすることができる傾向にある。それと共に、窒化物半導体層30の結晶成長も良くすることができる。そのため、本開示のような構成とする発光素子1では、結晶配向も改善されることによって、温度特性を維持又は改善しつつ、順方向電圧(Vf)を低下させ、光出力(Po)は向上させることができる。これに伴って、発光素子1は、発光効率も良くなる。

0057

次に、基板の特徴について説明する。図10A図10Dに示すように、第1ユニットKUのみでユニット中央の凸部11の配置を狭くした状態のユニットパターンと、図11A図11Dに示すように、第1ユニットKUと鏡面対称となる第2ユニットTUを配置してユニット中央の配置を広くした状態のユニットパターンと、の場合において、結晶成長の過程における平坦度を比較して説明する。なお、図10A図10Dでは、PBの領域で中央の凸部1011の端部の間隔が狭く、各m軸方向に連続する領域が小さくなった状態(接線Ya1〜Ya3を凸部11の端部が越えている状態)としている。そして、図10A図10Dでは、比較例として、凸部1011を設けたサファイア基板上にGaNを成長させた例として、走査型電子顕微鏡(SEM写真を元に作成した模式図を参照して説明する。また、図11A図11Dは、実施形態1として、長尺状の凸部11を設けたサファイア基板上にGaNを成長させた例として、走査型電子顕微鏡(SEM)写真を参考に作成した模式図を参照して説明する。

0058

凸部11及び凸部1011はそれぞれ、長手方向の長さが約10μmであり、短手方向の長さが約2.6μmであり、高さが約1.4μmである。凸部11及び凸部1011は、長手方向に延びる外縁がサファイア基板の第1のm軸Sa1、第2のm軸Sa2、第3のm軸Sa3の方向に沿って延伸して形成されており、GaNの膜厚は、図10B及び図11Bにおいて約2μmであり、図10C及び図11Cにおいて約3.5μmであり
図10D及び図11Dにおいて約4.5μmである。なお、GaNは、ガリウム原料ガスであるTMGを供給する流量を、例えば、膜厚が2μm程度になるまで20sccm、それ以降を60sccmにして成膜する。他のプロセス条件としては、GaNの膜厚が2μm程度になるまで、圧力を1気圧、V/III比は2000程度とし、それ以降は、圧力を1気圧、V/III比を1500程度とする。また、+c面を主面とするサファイア基板を用いており、このサフィイア基板の主面に、バッファ層としてAlGaNを膜厚が20nm程度となるように成膜した後、GaNを成膜する。

0059

図中のPAで示す位置と、PBで示す位置との状態を比較すると、次のようなことが分かる。すなわち、図10B図10Dでは、第1ユニットKUのみで、かつ、ユニット中央で凸部1011が密集した状態であるため、GaNの結晶成長による膜厚が4.5μmの状態が、PA及びPBの位置において異なっている。つまり、図10Dに示すように、PAの位置では、結晶成長が早く既に平坦になっているが、PBの位置では成長し易いGaNの±a軸方向(サファイア基板の±m軸方向)にスペースが無いために、結晶成長がPAの位置よりも遅いことでまだ凹状である。

0060

一方、図11Aでは、ユニット中央の凸部11の端部同士が間隔を空けている状態(接線Ya1〜Ya3を凸部11の端部が越えていない状態)で、第1ユニットKU及び第2ユニットTUによるユニットパターンであるため、図11B図11Dに示すように、GaNの成長膜厚が4.5μmの位置では、PA及びPBの位置において、ほぼ平坦な状態に整っている。つまり、ユニット中央において、GaNの±a軸方向(サファイア基板の±m軸方向)にスペースが有ることと、第1ユニット及び第2ユニットのユニットパターンを用いていることにより、基板全体の成長速度が略同じ状態となり、GaNを凹凸状態がより少なくなるように成長させた平坦な構成にできる。

0061

次に、比較例として、図10AのPBに示される配置の凸部11が形成されたサファイア基板に、窒化物半導体層を成長させたウェハを準備する。さらに、実施例として、図11AのPBに示される配置の凸部1011が形成されたサファイア基板に窒化物半導体層を成長させたウェハを準備する。準備した比較例のウェハと実施例のウェハのそれぞれ中央領域において、(002)面のXRC半値幅と、貫通転位に起因したピット数とを測定し、それらの値を表1に示す。

0062

また、比較例及び実施例のいずれにおいても、(002)面のXRC半値幅を測定する場合は、図10C又は図11C上に、さらにn型半導体層、活性層、p型半導体層を順に成長させた窒化物半導体層を測定している。
そして、貫通転位に起因したピット数を測定する場合は、図10C又は図11C上にn型半導体層を成長させた窒化物半導体層に、さらに測定のためのGaNを成長させた状態で、窒化物半導体層の上面から10μm×10μmの範囲を測定している。なお、このピット数の測定において、n型半導体層上にさらに成長させたGaNは、転位密度を簡易的に測定するために、わざと横方向成長が遅くなる条件で成長させ、転位を起点としたピットを生じさせることによって、窒化物半導体層の上面から当該転位をピットとして目視できるようにしたものである。

0063

0064

表1に示すように、図10Aで示す凸部1011の構成を備える比較例よりも、図11Aで示す凸部11の構成を備える実施例の方が、(002)面のXRC半値幅の値が小さく、さらに貫通転位に起因のピット数から転位密度も少ないことが分かる。

0065

次に、比較例として図10Aで示す凸部1011の構成を有するサファイア基板、及び、実施例として図11Aで示す凸部11の構成を有するサファイア基板に、それぞれGaNを成長させてn型半導体層、活性層、p型半導体層を順に積層したウェハを個片化して、発光素子を採取する。採取した比較例と実施例のそれぞれの発光素子において、順方向電圧(Vf)と、光出力(Po)と、電力変換効率(WPE)と、温度特性とを測定し、それらの値を表2に示す。なお、表2に示される値は、比較例及び実施例のいずれも、ウェハの中央領域から採取した発光素子に電極を形成したサンプルを測定した値である。
また、温度特性は、発光素子に65mAの電流を流して雰囲気温度を100℃としたときの光出力(Po)と、25℃としたときの光出力(Po)とから、以下の数式1により算出する。この温度特性の値が高いほど温度変化に対する光出力の低下が少ない(温度特性がよい)ことになる。

0066

0067

0068

表2に示すように、図10Aで示す凸部1011を有する比較例の発光素子よりも、図11Aで示す凸部11を有する実施例の発光素子の構成の方が、順方向電圧(Vf)の値が小さく、光出力(Po)の値が大きく、電力変換効率(WPE)の値も高く、かつ、温度特性の値が大きいことが分かる。つまり、本開示のような構成とする発光素子1では、結晶配向も改善されることによって、温度特性を維持又は改善しつつ、順方向電圧(Vf)を低下させ、光出力(Po)は向上させることができる。これに伴って、発光素子1は、発光効率も良くなる構成であるといえる。

0069

以上のように、第1実施形態に係る発光素子1及びその製造方法について、具体的に説明したが、本開示の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
以下では、第2〜第4実施形態及び変形例1〜3について図12図17を参照して図面で説明する。なお、図12図16は、凸部の配置の構成について、第1実施形態と異なる部分を主に説明する。また、以下で説明する第2〜第4実施形態に係る発光素子は、サファイア基板の凸部以外の構成及び製造方法については第1実施形態に係る発光素子1と同様であるため、それらの説明は省略する。

0070

<第2実施形態>
図12に示すように、第2実施形態で示す発光素子の第1凸部11A〜第3凸部11Cでは、第1間隔da1〜第3間隔da3及び第4間隔ds1〜第6間隔ds3を、図3で示す構成よりも大きくとり、かつ、第1凸部11A〜第3凸部11Cのそれぞれの間隔も広くしている。このように構成された発光素子は、サファイア基板10Aの第1凸部11A〜第3凸部11Cが、第1ユニットKU及び第2ユニットTUのユニットパターンで、かつ、図3で示す構成よりも各間隔が20〜40%の範囲で広く構成されているので、半導体層が成長したときに平坦性をより確保し易くなる。なお、図3で示す凸部11の間隔が、例えば、3μmを基準とした場合であれば、図12に示す凸部11の間隔は、3.6〜4.2μmである。なお、各間隔が20〜40%の範囲で広くとは、許容範囲内において、平均的な値を基準値とした場合、その基準値の20〜40%広くしたことをいう。つまり、各間隔は、基準値に対して許容範囲内の上限側に設定されていることが好ましい。

0071

以上のような構成を備える第2実施形態に係る発光素子は、サファイア基板10A上に配置された凸部11の長手方向の外縁が、サファイア基板10Aの各m軸に沿って延伸して配置され設置間隔も基準値となるものよりも20〜40%広く形成されているため、窒化物半導体の結晶成長の際に窒化物半導体が横方向に成長する時間が長くなる。これにより、窒化物半導体の結晶成長時に発生した転位が狭い範囲に収束しやすくなり、窒化物半導体層30の転位密度が低くなる。さらに、第2実施形態に係る発光素子は、結晶配向も改善され、温度特性を維持又は改善しつつ、順方向電圧(Vf)を低下させ、光出力(Po)は向上させることができ、これに伴って、発光効率も良くなる。

0072

<第3実施形態>
図13に示すように、第3実施形態に係る発光素子のサファイア基板10Bを平面視すると、サファイア基板10Bのc面側の表面において、仮想的に示す菱形の各領域には凸部111が長手方向の外縁を各m軸に沿って延伸させて3本ずつ配置されている。凸部111は、具体的には、長尺形状の長手方向の外縁が第1のm軸Sa1に沿って延伸して配置される第1凸部111Aと、長尺形状の長手方向の外縁が第2のm軸Sa2に沿って延伸して配置される第2凸部111Bと、長尺形状の長手方向の外縁が第3のm軸Sa3に沿って延伸して配置される第3凸部111Cと、から構成される。

0073

ここで、第1凸部111A〜第3凸部111Cでは、各凸部間の間隔が当該凸部のコア径と同等か、それ以上となるように設定されている。なお、凸部111のピッチ(凸部のコア径中心に凸部長手方向に沿って中心線を引いたときに、隣の凸部の当該中心線までの距離)Pcは、コア径Daを越えるように設定されている。第1凸部111A〜第3凸部111Cでは、凸部間の間隔及びピッチPcが広く、また、第1間隔da1〜第3間隔da3及び第4間隔ds1〜第6間隔ds3の間隔も凸部間の間隔に合せて広く設定されている。第1凸部111A〜第3凸部111Cは、一例として、コア径Daとコア全長L1との比が1対5〜6となるようにここでは設定されている。また、コア径DaとピッチPcとの関係は、一例として、1対2となるように設定されている。

0074

以上のような構成を備える第3実施形態に係る発光素子は、サファイア基板10B上に形成された凸部111と凸部111が形成されていない平坦部分との間隔がより適切であるので、結晶成長の際に窒化物半導体が横方向に成長する時間が長くなり、結晶成長時に発生した転位が狭い範囲に収束しやすくなり、窒化物半導体層30の転位密度が低くなる。さらに、第3実施形態に係る発光素子は、結晶配向も改善され、温度特性を維持又は改善しつつ、順方向電圧(Vf)を低下させ、光出力(Po)は向上させることができ、これに伴って、発光効率も良くなる。

0075

<第4実施形態>
図14に示すように、第4実施形態に係る発光素子のサファイア基板10Cを平面視すると、サファイア基板10Cのc面側の表面において、仮想的に示す菱形の領域内には各m軸にそれぞれ延伸して所定間隔で5本の凸部211が配置されている。第1ユニットの凸部211は、具体的には、長尺形状の長手方向の外縁が第1のm軸Sa1に沿って延伸する第1凸部211Aと、長尺形状の長手方向の外縁が第2のm軸Sa2に沿って延伸する第2凸部211Bと、長尺形状の長手方向の外縁が第3のm軸Sa3に沿って延伸する第3凸部211Cと、から構成される。第1凸部211A〜第3凸部211Cは、コア径Daとコア全長L1との比が1対11.5となっており、コア径DaとピッチPcとの比は1対2.5となるように設定されている。

0076

このように、凸部211は、コア径Daとコア全長L1との比が図3で示す構成よりも小さくなっても、第1ユニットKUと第2ユニットTUとによるユニットパターン、及び、ユニット中央部分の間隔を空ける構成としている。そのため、前記したものと同様に、発光素子において、結晶配向も改善され、温度特性を維持又は改善しつつ、Vfを低下させ、光出力は向上させることができ、これに伴って、発光効率も良くなる。
なお、第2実施形態〜第4実施形態では、仮想的に示す菱形の各領域内において、凸部の数を3〜5本とした構成について説明したが、6本あるいは7本以上であってもよい。

0077

また、前記した第1実施形態〜第4実施形態に係る窒化物半導体素子のサファイア基板10〜10Cは、長尺形状の凸部11、111,211の両端が揃った配列として説明したが、例えば、図15図17に示すように、その一部あるいは全部の両端の位置が異なるように第1領域Ar1〜第3領域Ar3の内部において配置されていてもよい。ここでは、図3のサファイア基板10の凸部11の構成を代表して説明するが他の実施形態でも同様の作用効果が生じる。また、ここでは、第3凸部11Cの第1ユニットKUにおいて中心に最も近い凸部の位置を変更した例として説明するが、第3凸部11Cの他のもの、あるいは、第1凸部11A又は第2凸部11Bの一部であってもよい。

0078

<変形例1>
図15に示すように、第1ユニットKUの第1凸部11A〜第3凸部11Cは、その一部として、例えば、第3凸部11Cの1つの端部が他のものと異なるように配置する凸部11d(ハッチングを施した凸部)を備える構成としてもよい。そして、この凸部11dは、第1ユニットKUのみに形成され、第2ユニットTUには形成されないように構成されている。つまり、第2ユニットTUは、第1領域Ar1〜第3領域Ar3の配置が鏡面対称となることが必要で、その領域内に配置される凸部11dを含む第1凸部11A〜第3凸部11Cの配置を鏡面対称としていない。

0079

そして、図15で示すように、凸部11dを含む第1凸部11A〜第3凸部11Cの配置の第1ユニットKUと、凸部11dを含まない第1凸部11A〜第3凸部11Cの配置の第2ユニットTUと、からなるユニットパターンであっても、全体的に見れば、第1ユニットKUを中心とする単位で同一なパターンを繰り返す状態となる。また、凸部11dは、第1ユニットKUの中心に最も近い第3凸部11Cの位置を他の第3凸部11Cから異ならせたものであり、接線Ya1に当接して交わるように配置されている。ただし、第2間隔da2が第2領域Ar2から第1領域Ar1に連続しているので、第1ユニットKUの中央における領域は広く確保されることになる。したがって、前記したように、このようなサファイア基板10の凸部11dを含む凸部11であっても、第1ユニットKU及び第2ユニットTUのユニットパターンと、ユニット中央部分での領域の構成を備えることで、前記したものと同様に、従来の構成と比較して、発光素子において、結晶配向も改善され、温度特性を維持又は改善しつつ、順方向電圧(Vf)を低下させ、光出力(Po)は向上させることができ、これに伴って、発光効率も良くなる。

0080

<変形例2>
また、図16に示すように、第1ユニットKU及び第2ユニットTUにおいて、第3凸部11Cの1つを凸部11e(ハッチングを施した凸部)として、端部が他の第3凸部11Cと異なるように配置した構成としても構わない。ここでは、凸部11eの配置を含めて、第1ユニットKUの鏡面対称に第2ユニットTUが構成されている。このように、第1ユニットKU及び第2ユニットTUにおいて端部の位置が他のものと異なるような凸部11eが存在しても、全体的に見れば、第1ユニットKUの各辺に第2ユニットTUの辺が合わさるユニットパターンの単位毎においては、均等な配置となる。したがって、前記したように、このようなサファイア基板10の凸部11eを含む凸部11であっても、第1ユニットKU及び第2ユニットTUのユニットパターンと、ユニット中央部分での領域の構成を備えることで、前記したものと同様に、従来の構成と比較して、発光素子において、結晶配向も改善され、温度特性を維持又は改善しつつ、順方向電圧(Vf)を低下させ、光出力(Po)は向上させることができ、これに伴って、発光効率も良くなる。

0081

<変形例3>
さらに、図17に示すように、第1ユニットKUは、第1領域Ar1の領域内において配置される第1凸部11Aと、第2領域の領域内において配置される第2凸部11Bと、第3領域Ar3の領域内において配置される第3凸部11Cとが、領域ごとに異なる配置となるように構成しても構わない。なお、図17において、第1間隔da1〜第3間隔da3は、最大の間隔の幅を示している。また、ユニットパターンとしては、第1ユニットKUの第1凸部11A〜第3凸部11Cの配置が鏡面対称となる第2ユニットTUの一辺を、第1ユニットKUの各辺に合せて配置する構成としてもよい。さらに、第1ユニットの第1凸部11A〜第3凸部11Cの配置とは異なる、例えば、図3に示す構成の第2ユニットTUを図17の第1ユニットKUの各辺に配置するように構成しても構わない。

0082

図17に示すように、第1ユニットKUの第1凸部11A〜第3凸部11Cのそれぞれの端部が異なるように構成されていても、第1ユニットKU及びその第1ユニットKUを中心として配置される第2ユニットTUのユニット単位毎においては、同じ凸部11の配置の繰り返しとなる。したがって、前記したように、このようなサファイア基板10の凸部11の配置であっても、第1ユニットKU及び第2ユニットTUのユニットパターンと、ユニット中央部分での領域の構成を備えることで、前記したものと同様に、従来の構成と比較して、発光素子において、結晶配向も改善され、温度特性を維持又は改善しつつ、、順方向電圧(Vf)を低下させ、光出力(Po)は向上させることができ、これに伴って、発光効率も良くなる。

0083

以上説明した各実施形態における発光素子では以下のような構成としてもよい。すなわち、サファイア基板では、凸部は、第1領域Ar1〜第3領域Ar3に各m軸に沿って配置することができれば、図3図12図17で示したように、凸部の端部が揃っていても、一部あるいは全く揃っていなくても構わない。つまり、第1ユニットKUは、正六角形の中心に最も近い3つの凸部の内の2つが、対向する接線Ya1〜Ya3のいずれかに交わり合うことなく離間して配置されて、かつ、他の凸部は第1間隔da1〜第3間隔da3を形成するように配置されていれば構わない。そして、第1ユニットKU及びその鏡面対称となる第2ユニットTUのユニットパターンを用いていれば既に説明したような、発光素子において、順方向電圧(Vf)の値が低くなり、温度特性が向上し、電力変換効率(WPE)も向上させることができる。
また、第1ユニットと第2ユニットとによるユニットパターンは、第2ユニットの正六角形の各辺に第1ユニットの正六角形の辺を合せて配置させた構成としてもよい。

0084

なお、サファイア基板において、各m軸に沿って各ユニット単位で配置した凸部11としているので、長手方向の延長線上に別の凸部11が配置されることになり、光の横漏れを抑制し、ランバーシアンに近い配光特性を得ることができる。
なお、図3図12図17では、凸部11,111,211において、両端が半円形で略同一形状に形成されているが、凸部11,111,211の形状はこれに限定されない。
さらに、凸部11,111,211は、c面から上方向に突出して、高さ方向の所定位置から稜線に対して角度θとなるように傾斜面を介して尖って形成される構成であってもよい。これにより、前記した凸部11,111,211と同様に、窒化物半導体の結晶成長の際に凸部12の上部からの成長が抑制されて窒化物半導体が横方向に成長するため、成長方向に発生した複数の転位が収束し、転位の数が減少することになる。
なお、傾斜面を形成する場合には、ドライエッチングの次にウェットエッチングすることで、凸部11,111,211の頂部に向かって傾斜する傾斜面を形成することができる。

0085

なお、発光素子1、2では、第1ユニットKU及び第2ユニットTUで、第1領域Ar1とは別の他の2つの菱形領域(第2領域Ar2及び第3領域Ar3)のうち一方の菱形領域において、第1凸部11A(111A,211A)の延伸方向に沿って端部を揃えて配置される複数の第3凸部11Cを有し、正六角形領域(第1ユニットKU及び第2ユニットTU)の中心に最も近い第3凸部11C(111C,211C)が、中心に最も近い第1凸部11A(111A,211A)における中心側の端部に接すると共に第1凸部11A(111A,211A)が配置される方向に平行をなす接線Ya3と、交わらないように配置されていることとしてもよい。

0086

さらに、前記した他の2つの菱形領域(第2領域Ar2及び第3領域Ar3)のうちの他方の菱形領域において、第3凸部11C(111C,211C)の延伸方向に沿って端部を揃えて配置される複数の第2凸部11B(111B,211B)を有し、正六角形領域(第1ユニットKU及び第2ユニットTU)の中心に最も近い第2凸部11B(111B,211B)は、前記中心に最も近い第3凸部11C(111C,211C)における中心側の端部に接すると共に第3凸部11C(111C,211C)が配置される方向に平行をなす接線と、交わらないように配置されているように前記した発光素子1、2を構成してもよい。
また、空間と間隔とは、使用される位置が異なることで、用語を分けることがあるが実質的に同意である。

0087

1,2発光素子
10,10A,10B,10C,10Dサファイア基板(窒化物半導体素子用基板)
11,111,211 凸部
11A,111A,211A 第1凸部
11B,111B,211B 第2凸部
11C,111C,211C 第3凸部
20バッファ層
30窒化物半導体層(半導体層)
31n型半導体層
32活性層
33p型半導体層
40 n側電極
50透光性電極
60 p側電極
Mマスク
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