(57)【要約】  発光素子の製造に際して、単結晶基板に設けられる縦穴の形成に起因する発光素子層へのダメージをゼロにすること。  発光素子用単結晶基板３０Ａの一方の面３２Ｔ上に、発光素子層４０を形成する。次に、縦穴３４Ａが発光素子用単結晶基板３０Ａの厚み方向において貫通した状態となるまで、発光素子用単結晶基板３０Ａの他方の面３２Ｂを研磨する。次に、縦穴３４Ｂの他方の面３２Ｂの開口部３６Ｂ側から、縦穴３４Ｂ内に導電性材料を充填することにより、発光素子層４０側から他方の面３２Ｂの開口部３６Ｂまで連続する導電部５０を形成する工程を経て、発光素子８０を製造する発光素子の製造方法およびこれを用いて製造された発光素子。
2012160880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板の、前記一方の面上に、発光素子層を形成する発光素子層形成工程と、
該発光素子層形成工程を少なくとも経た後に、前記縦穴が前記発光素子用単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、前記発光素子用単結晶基板の他方の面を研磨する研磨工程と、
前記研磨工程を少なくとも経た後に、前記縦穴の前記他方の面の開口部側から、前記縦穴内に導電性材料を充填することにより、前記発光素子層側から前記他方の面の前記開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、
を少なくとも経て、発光素子を製造することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２】
一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板と、当該発光素子用単結晶基板の前記一方の面に設けられ、少なくともＧａＮ系材料からなる層を含む１つ以上の層からなる膜と、を有する膜付き発光素子用単結晶基板を用いて、
前記発光素子用単結晶基板の他方の面を、前記縦穴が前記発光素子用単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、研磨する研磨工程と、
前記研磨工程を少なくとも経た後に、前記縦穴の前記他方の面の開口部側から、前記縦穴内に導電性材料を充填することにより、前記膜側から前記他方の面の前記開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、
を少なくとも経て、発光素子を製造することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の発光素子の製造方法において、
前記発光素子用単結晶基板が、
単結晶基板の一方の面の表面近傍に焦点を合わせて、前記単結晶基板の一方の面側からレーザを照射することにより、前記一方の面に対して軸方向中心線が交差する略柱状の変質層を形成する変質層形成工程と、
該変質層形成工程を少なくとも経た後に、少なくとも前記一方の面をエッチング溶液と接触させることにより、前記変質層を選択的に溶解・除去して、前記一方の面のみに開口部を有する縦穴を形成する縦穴形成工程と、
を少なくとも経て、作製されることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の発光素子の製造方法において、
前記レーザの照射が、下記ＡおよびＢから選択されるいずれか１つに記載の照射条件を満たすように実施されることを特徴とする発光素子の製造方法。
＜照射条件Ａ＞
・レーザ波長：２００ｎｍ〜３５０ｎｍ
・パルス幅：ナノ秒オーダー
＜照射条件Ｂ＞
・レーザ波長：３５０ｎｍ〜２０００ｎｍ
・パルス幅：フェムト秒オーダー〜ピコ秒オーダー
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法において、
前記縦穴の内壁面がエッチング面からなり、
前記縦穴の深さ方向に対する前記縦穴の内径が、前記一方の面の開口部側から、前記他方の面の開口部側へと行くに従い、略１次関数的に減少することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項６】
一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板の、前記一方の面上に、発光素子層を形成する発光素子層形成工程と、
該発光素子層形成工程を少なくとも経た後に、前記縦穴が前記単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、前記発光素子用単結晶基板の他方の面を研磨する研磨工程と、
前記研磨工程を少なくとも経た後に、前記縦穴の前記他方の面の開口部側から、前記縦穴内に導電性材料を充填することにより、前記発光素子層側から前記他方の面の前記開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、
を少なくとも経て製造されたことを特徴とする発光素子。
【請求項７】
一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板と、当該発光素子用単結晶基板の前記一方の面に設けられ、少なくともＧａＮ系材料からなる層を含む１つ以上の層からなる膜と、を有する膜付き発光素子用単結晶基板に対して、
前記発光素子用単結晶基板の他方の面を、前記縦穴が前記発光素子用単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、研磨する研磨工程と、
前記研磨工程を少なくとも経た後に、前記縦穴の前記他方の面の開口部側から、前記縦穴内に導電性材料を充填することにより、前記膜側から前記他方の面の前記開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、
を少なくとも経て製造されたことを特徴とする発光素子。
【請求項８】
請求項６または７に記載の発光素子において、
前記発光素子用単結晶基板が、
単結晶基板の一方の面の表面近傍に焦点を合わせて、前記単結晶基板の一方の面側からレーザを照射することにより、前記一方の面に対して軸方向中心線が交差する略柱状の変質層を形成する変質層形成工程と、
該変質層形成工程を少なくとも経た後に、少なくとも前記一方の面をエッチング溶液と接触させることにより、前記変質層を選択的に溶解・除去して、前記一方の面のみに開口部を有する縦穴を形成する縦穴形成工程と、
を少なくとも経て、作製されることを特徴とする発光素子。
【請求項９】
一方の面から他方の面へと貫通すると共に、両面の開口部の形状が略円形状を成す縦穴を有する発光素子用単結晶基板と、
前記一方の面上に設けられた発光素子層と、
該発光素子層の前記発光素子用単結晶基板が設けられた側と反対側の面上に設けられた第一電極と、
前記他方の面に設けられた第二電極と、
前記縦穴内に充填された導電性材料からなり、かつ、前記第二電極および前記発光素子層を電気的に接続する導電部と、を有し、
前記縦穴の内壁面がエッチング面からなり、
前記縦穴の深さ方向に対する前記縦穴の内径が、前記一方の面の開口部側から、前記他方の面の開口部側へと行くに従い、略１次関数的に減少することを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子の製造方法および発光素子に関するものである。  
【背景技術】
【０００２】
発光素子としては、サファイア基板等の単結晶基板上に、１層以上の半導体層等が積層された発光素子としての機能を有する層（発光素子層）を設けた素子が広く知られている。このような層構成を有する発光素子では、一対の電極は、素子の厚み方向に対して、第一の電極、発光素子層、絶縁性の単結晶基板、第二の電極の順に配置される。【０００３】
発光素子の一種であるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）の製造方法として、サファイア基板上に発光素子層としてＬＥＤを作製した後に、レーザを用いてサファイア基板を剥離する、レーザリフトオフ技術がある。レーザリフトオフ技術を用いると大電流を流すことができる縦型ＬＥＤを作製できるが、レーザによってサファイア基板を完全に剥離することが難しく、またレーザによるＬＥＤへのダメージも発生するため、収率が悪かった。【０００４】
そこで、発光素子層と第二の電極とを電気的に接続するために、単結晶基板に、厚み方向に亘って単結晶基板を貫通する縦穴を設け、その縦穴内に導電性材料を充填または層状に形成することで、発光素子層と第二の電極との間の導通を確保する製造方法が開示されている（特許文献１〜４参照）。また、発光素子層と単結晶基板との間にバッファ層をさらに設ける場合には、単結晶基板およびバッファ層の厚み方向を貫通する縦穴を設け、この縦穴内に導電性材料を充填する（特許文献１、３、４参照）。このような製造方法を用いると、単結晶基板を発光素子層から完全に剥離する必要が無いため、収率が向上する。【０００５】
これら特許文献１〜４に記載の技術では、単結晶基板上に設けられるバッファ層や発光素子層を構成する各層のうち少なくとも一部の層を形成した後に、ドライエッチングやレーザアブレーションなどの各種のエッチング方法を利用して縦穴が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−８３９２９号公報
【特許文献２】特開平１０−１７３２３５号公報
【特許文献３】特開平１０−８４１６７号公報
【特許文献４】特開平１１−４５８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜４に例示されるプロセスを利用して発光素子を製造する場合、縦穴形成時のエッチング量が過剰となった際には、発光素子層にダメージを与える可能性がある。この場合、発光素子の発光特性等に悪影響を与えることになる。一方、過剰なエッチングを回避するために、エッチング量が不足すれば発光素子層と、単結晶基板の発光素子層が設けられた側と反対側に設けられる電極（第二の電極）との間の導通経路が確保できない。すなわち、この場合は、発光素子自体が製造できない。【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発光素子の製造に際して、単結晶基板に設けられる縦穴の形成に起因する発光素子層へのダメージをゼロにできる発光素子の製造方法、および、当該発光素子の製造方法により製造された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】
【０００９】
上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、
第一の本発明の発光素子の製造方法は、一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板の、一方の面上に、発光素子層を形成する発光素子層形成工程と、該発光素子層形成工程を少なくとも経た後に、縦穴が発光素子用単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、発光素子用単結晶基板の他方の面を研磨する研磨工程と、研磨工程を少なくとも経た後に、縦穴の他方の面の開口部側から、縦穴内に導電性材料を充填することにより、発光素子層側から他方の面の開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、を少なくとも経て、発光素子を製造することを特徴とする。【００１０】
第二の本発明の発光素子の製造方法は、一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板と、当該発光素子用単結晶基板の一方の面に設けられ、少なくともＧａＮ系材料からなる層を含む１つ以上の層からなる膜と、を有する膜付き発光素子用単結晶基板を用いて、発光素子用単結晶基板の他方の面を、縦穴が発光素子用単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、研磨する研磨工程と、研磨工程を少なくとも経た後に、縦穴の他方の面の開口部側から、縦穴内に導電性材料を充填することにより、膜側から他方の面の開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、を少なくとも経て、発光素子を製造することを特徴とする。【００１１】
第一の本発明の発光素子の製造方法および第二の本発明の発光素子の製造方法の一実施態様は、発光素子用単結晶基板が、単結晶基板の一方の面の表面近傍に焦点を合わせて、単結晶基板の一方の面側からレーザを照射することにより、一方の面に対して軸方向中心線が交差する略柱状の変質層を形成する変質層形成工程と、該変質層形成工程を少なくとも経た後に、少なくとも一方の面をエッチング溶液と接触させることにより、変質層を選択的に溶解・除去して、一方の面のみに開口部を有する縦穴を形成する縦穴形成工程と、を少なくとも経て、作製されることが好ましい。【００１２】
第一の本発明の発光素子の製造方法および第二の本発明の発光素子の製造方法の他の実施態様は、レーザの照射が、下記ＡおよびＢから選択されるいずれか１つに記載の照射条件を満たすように実施されることが好ましい。
＜照射条件Ａ＞
・レーザ波長：２００ｎｍ〜３５０ｎｍ
・パルス幅：ナノ秒オーダー
＜照射条件Ｂ＞
・レーザ波長：３５０ｎｍ〜２０００ｎｍ
・パルス幅：フェムト秒オーダー〜ピコ秒オーダー【００１３】
第一の本発明の発光素子の製造方法および第二の本発明の発光素子の製造方法の他の実施態様は、縦穴の内壁面がエッチング面からなり、縦穴の深さ方向に対する縦穴の内径が、一方の面の開口部側から、他方の面の開口部側へと行くに従い、略１次関数的に減少することが好ましい。【００１４】
第一の本発明の発光素子は、一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板の、一方の面上に、発光素子層を形成する発光素子層形成工程と、該発光素子層形成工程を少なくとも経た後に、縦穴が単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、発光素子用単結晶基板の他方の面を研磨する研磨工程と、研磨工程を少なくとも経た後に、縦穴の他方の面の開口部側から、縦穴内に導電性材料を充填することにより、発光素子層側から他方の面の開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、を少なくとも経て製造されたことを特徴とする。【００１５】
第二の本発明の発光素子は、一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板と、当該発光素子用単結晶基板の一方の面に設けられ、少なくともＧａＮ系材料からなる層を含む１つ以上の層からなる膜と、を有する膜付き発光素子用単結晶基板に対して、発光素子用単結晶基板の他方の面を、縦穴が発光素子用単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、研磨する研磨工程と、研磨工程を少なくとも経た後に、縦穴の他方の面の開口部側から、縦穴内に導電性材料を充填することにより、膜側から他方の面の開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、を少なくとも経て製造されたことを特徴とする。【００１６】
第一の本発明の発光素子および第二の本発明の発光素子の一実施態様は、発光素子用単結晶基板が、単結晶基板の一方の面の表面近傍に焦点を合わせて、単結晶基板の一方の面側からレーザを照射することにより、一方の面に対して軸方向中心線が交差する略柱状の変質層を形成する変質層形成工程と、該変質層形成工程を少なくとも経た後に、少なくとも一方の面をエッチング溶液と接触させることにより、変質層を選択的に溶解・除去して、一方の面のみに開口部を有する縦穴を形成する縦穴形成工程と、を少なくとも経て、作製されるものであることが好ましい。【００１７】
第三の本発明の発光素子は、一方の面から他方の面へと貫通すると共に、両面の開口部の形状が略円形状を成す縦穴を有する発光素子用単結晶基板と、一方の面上に設けられた発光素子層と、該発光素子層の発光素子用単結晶基板が設けられた側と反対側の面上に設けられた第一電極と、他方の面に設けられた第二電極と、縦穴内に充填された導電性材料からなり、かつ、第二電極および発光素子層を電気的に接続する導電部と、を有し、縦穴の内壁面がエッチング面からなり、縦穴の深さ方向に対する縦穴の内径が、一方の面の開口部側から、他方の面の開口部側へと行くに従い、略１次関数的に減少することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、発光素子の製造に際して、単結晶基板に設けられる縦穴の形成に起因する発光素子層へのダメージをゼロにできる発光素子の製造方法、当該発光素子の製造方法により製造された発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一の本実施形態の発光素子の製造に用いる発光素子用単結晶基板の一例を示す模式断面図である。
【図２】第一の本実施形態の発光素子の製造方法の一例を説明する模式断面図である。ここで、図２（Ａ）は、発光素子層形成工程を説明する図であり、図２（Ｂ）は、研磨工程を説明する図であり、図２（Ｃ）は、導電部形成工程を説明する図である。
【図３】第二の本実施形態の発光素子の製造方法に用いる膜付き発光素子用単結晶基板の一例を示す模式断面図である。
【図４】発光素子用単結晶基板の製造方法の他の例を説明する模式断面図である。ここで、図４（Ａ）は、レーザ照射中の単結晶基板の一例を示す断面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すレーザ照射処理を終えた単結晶基板の一例を示す断面図である。
【図５】縦穴の具体的な断面形状の一例を示す模式断面図である。
【図６】製造例のサンプルの縦穴の断面形状の光学顕微鏡写真である。
【図７】製造例のサンプルの変質層形成状態を示す平面図であり、格子ラインに沿って単結晶基板の面内にレーザが照射された単結晶基板の平面図である。
【図８】製造例における図７のＳＡ部分の拡大図である。
【図９】製造例における図７に示す単結晶基板を、Ｅ−Ｅ部分で切断したときの、単結晶基板の断面図である。
【図１０】図９のＳＢ部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
第一の本実施形態の発光素子の製造方法は、一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板の、一方の面上に、発光素子層を形成する発光素子層形成工程と、発光素子層形成工程を少なくとも経た後に、縦穴が単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、発光素子用単結晶基板の他方の面を研磨する研磨工程と、研磨工程を少なくとも経た後に、縦穴の他方の面の開口部側から、縦穴内に導電性材料を充填することにより、発光素子層側から他方の面の開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、を少なくとも経て、発光素子を製造することを特徴とする。
【００２１】
ここで、発光素子の製造に用いる発光素子用単結晶基板は、片面のみに開口部を有する縦穴が設けられたものである。図１は、第一の本実施形態の発光素子の製造に用いる発光素子用単結晶基板の一例を示す模式断面図である。
【００２２】
図１に示す発光素子用単結晶基板３０Ａ（３０）は、一方の面（第一面３２Ｔ）に開口部３６Ｔを有する縦穴３４Ａ（３４）が設けられている。ここで、縦穴３４Ａの数や、第一面３２Ｔの面内における配置位置等は適宜選択できる。また、縦穴３４Ａの開口部３６Ｔの形状も円形、楕円形、帯状等、適宜選択できる。なお、以下の説明においては、開口部３６Ｔの形状は略円形であることを前提として説明する。ここで、縦穴３４Ａの深さＹは、適宜選択できるが、発光素子用単結晶基板３０Ａの他方の面（第二面３２Ｂ）を研磨する研磨工程（いわゆるバックラップ処理）において、研磨量をできるだけ小さくする観点からは、深さＹは大きい方が好ましい。この場合、後述する各種の縦穴形成方法により実現容易なエッチング深さも考慮すると、深さＹは３０μｍ〜１００μｍ程度の範囲内が好ましい。また、縦穴３４Ａの開口部３６Ｔにおける内径Ｘとしては、特に限定されないが、１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることが好ましい。縦穴３４Ａの開口部における内径Ｘを５μｍ以下とした場合、発光素子の製造に際して、第一面３２Ｔ上に発光素子層を形成する際に、ＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒ  Ｇｒｏｗｔｈ）法を利用すれば、発光素子層を構成する材料で縦穴３４Ａ内を埋め込むことなく、発光素子層を形成できる。また、内径Ｘの下限値は特に限定されないが、発光素子の製造に際して、縦穴３４Ａ内に金属等の導電性材料を確実に充填させることができるように、内径Ｘは２μｍ以上であることが好ましい。また、内径Ｘに対する深さＹの比率（Ｙ／Ｘ）は特に限定されるものではないが、３以上とすることが好ましく、８以上とすることがより好ましい。この場合、縦長の縦穴３４Ａを形成することができる。
【００２３】
縦穴３４Ａの形成方法としては、公知のエッチング法が適宜利用でき、たとえば、以下のエッチング法が挙げられる。まず、単結晶基板の片面に、耐エッチング膜を形成した後に、この耐エッチング膜をパターニングして開口部を設ける。その後、ドライエッチングあるいはウエットエッチングにより開口部内に露出する単結晶基板表面をエッチングすることで縦穴３４Ａを形成することができる。
【００２４】
なお、上述した方法は、エッチングされる領域を限定するために、マスク（開口部が設けられた耐エッチング膜）が必要であるが、レーザ照射を利用すれば、マスクレスプロセスで縦穴３４Ａを形成することもできる。たとえば、単結晶基板表面の一部の領域に、レーザを照射して、単結晶基板を構成する材料を蒸発させることで、縦穴３４Ａを形成することができる。この場合、このレーザ処理の後に、必要に応じてドライエッチングあるいはウエットエッチングを実施してもよい。また、レーザ照射により、単結晶基板表面の一部の領域に変質層を形成した後、この変質層をウエットエッチングあるいはドライエッチングにより選択的に除去することで縦穴３４Ａを形成することもできる。なお、以上に説明したこれら各種の縦穴３４Ａの形成方法の中でも、短時間で縦穴３４Ａを効率的に形成できる観点からは、レーザ照射により変質層を形成した後、ウエットエッチングを行う方法が好ましい。
【００２５】
次に、発光素子層形成工程、研磨工程、および、導電部形成工程について説明する。図２は、第一の本実施形態の発光素子の製造方法の一例を説明する模式断面図である。ここで、図２（Ａ）は、発光素子層形成工程を説明する図であり、図２（Ｂ）は、研磨工程（バックラップ処理）を説明する図であり、図２（Ｃ）は、導電部形成工程を説明する図である。
【００２６】
まず、発光素子層形成工程では、図２（Ａ）に示すように、発光素子用単結晶基板３０Ａの一方の面（第一面３２Ｔ）上に、発光素子層４０を形成する。なお、発光素子層形成工程では、発光素子層４０の成膜前に、第一面３２Ｔ上に、必要に応じてバッファ層を形成してもよい。図２（Ａ）に示す例では、開口部３６Ｔは略円形状を成し、かつ、その内径は、２μｍ〜５μｍ程度のＥＬＯＧ法による成膜に適した大きさとされている。そして、発光素子層４０は、ＥＬＯＧ法を利用して形成されている。このため、図２（Ａ）に示す例では、発光素子層４０を構成する材料が、縦穴３４Ａ内には実質的に存在しない。
【００２７】
ここで、この発光素子層４０は、窒化ガリウム等からなる少なくとも１層以上の半導体層を含み、かつ、通電した際に発光する機能を有するものであれば、公知の発光素子の層構成を適宜選択することができる。すなわち、発光素子層４０の層構成、ならびに、発光素子層４０を構成する各層の膜厚、材料および結晶性／非結晶性は、発光素子に要求される発光特性、発光素子の製造プロセス等に応じて適宜選択される。
【００２８】
しかしながら、発光素子層４０を構成する少なくともいずれか１層が、結晶性の層であることが好ましい。また、発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔに露出する結晶面を利用してエキタピシャル成長させることができるという観点からは、発光素子層４０を構成する各層のうち、少なくとも発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔに直接接触する層が結晶性の層であることが好ましく、発光素子層４０を構成する全ての層が結晶性の層であってもよい。なお、エキタピシャル成長とは、同一組成または混晶を含むホモエキタピシャル成長、ヘテロエキタピシャル成長を含む。また、発光素子層４０を構成する各層の材料も、作製する素子に応じて適宜選択されるが、発光素子用単結晶基板３０Ａがサファイア等の単結晶材料から構成される場合を考慮すると、各層を構成する材料も、金属材料、金属酸化物材料、無機半導体材料などの無機材料とすることが好ましく、全ての層がこれらの無機材料から構成されることが望ましい。ただし、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を成膜法として用いた場合、層の無機材料中に有機金属由来の有機物を含有することがある。
【００２９】
発光素子層４０を構成する各層の具体例としては、たとえば、面発光レーザなどに用いる発光素子、光センサや太陽電池などに用いる受光素子、電子回路などに用いる半導体素子などの各種の窒化物半導体を利用した素子の製造に適したものとして、ＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系などの窒化物半導体結晶層を挙げることができる。たとえば、窒化物半導体を利用した発光素子を作製するのであれば、発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔ上に、まず、ＧａＮより成るバッファ層を形成する。その後、このバッファ層上に、ｎ型ＧａＮより成るｎ型コンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮより成るｎ型クラッド層、ｎ型ＩｎＧａＮより成る活性層、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層、ｐ型ＧａＮより成るｐ型コンタクト層をこの順に積層した層構成からなる発光素子層４０を形成することができる。
【００３０】
発光素子層４０および必要に応じて設けられるバッファ層の成膜方法としては特に限定されず、公知の成膜方法が利用でき、各層毎に異なる成膜方法および／または成膜条件を採用して成膜することもできる。成膜法としてはメッキ法などの液相成膜法も挙げられるが、スパッタリング法やＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの気相成膜法を用いることが好ましい。なお、発光素子などの作製を目的として窒化物半導体結晶層などの半導体結晶層を成膜する場合、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ  ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）などの気相成膜法を利用することがより好ましい。なお、発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔは、鏡面状態（表面粗さＲａで１ｎｍ以下程度）であることが特に好ましい。第一面３２Ｔを鏡面状態とするためには、発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔに対して鏡面研磨を実施することができる。あるいは、発光素子用単結晶基板３０Ａの作製に用いる単結晶基板の縦穴３４Ａを形成しようとする面に対して鏡面研磨を実施した後、この単結晶基板を用いて発光素子用単結晶基板３０Ａを作製してもよい。このようなプロセスを経て作製された発光素子用単結晶基板３０Ａも、第一面３２Ｔが鏡面状態となる。
【００３１】
図２（Ａ）に示す発光素子層形成工程を少なくとも経た後は、縦穴３４Ａが発光素子用単結晶基板３０Ａの厚み方向において貫通した状態となるまで、発光素子用単結晶基板３０Ａの他方の面（第二面３２Ｂ）を研磨する研磨工程（いわゆるバックラップ処理）を実施する（図２（Ｂ）)。そして、このバックラップ処理を終えた段階では、第二面３２Ｂにも開口部３６Ｂを有する貫通穴（縦穴３４Ｂ（３４））が形成されることなる。なお、バックラップ処理に際しては、図２（Ａ）に示す発光素子層４０の表面を、平坦な基板に貼り付けて固定した状態で、第二面３２Ｂを研磨する。なお、バックラップ処理後の発光素子用単結晶基板３０Ｂ（３０）の厚みは、バックラップ処理前の縦穴３４Ａの深さＹに依存するものの、３０μｍ〜１００μｍ程度の範囲内とすることができる。
【００３２】
一方、特許文献１〜４等に例示される発光素子層および必要に応じて設けられるバッファ層の少なくとも一部を形成後に、縦穴を形成する従来の発光素子の製造方法では、縦穴形成時のエッチング量が過剰となった場合は、これらの層にダメージを与え、さらには発光素子の発光特性にも悪影響を与える可能性がある。また、縦穴形成時のエッチング量が不足した場合は、単結晶基板を挟んで発光素子層の反対側に設けられる電極との導通が確保できなくなる。したがって、縦穴の形成に際してはエッチング量を極めて正確に制御する必要がある。これに加えて、エッチング量の制御性を向上させるためには、エッチングレートをあまり大きくすることができない。しかしながら、第一の本実施形態の発光素子の製造方法では、既に縦穴３４Ａが形成された状態の発光素子用単結晶基板３０Ａに対して発光素子層４０を形成するため、上述したような問題を考慮する必要が全く無い。
【００３３】
次に、研磨工程を少なくとも経た後に、縦穴３４Ｂの他方の面（第二面３２Ｂ）に新たに形成された開口部３６Ｂ側から、縦穴３４Ｂ内に導電性材料を充填することにより、発光素子層４０側から他方の面（第二面３２Ｂ）の開口部３６Ｂまで連続する導電部５０を形成する導電部形成工程を実施する（図２（Ｃ）)。この場合、通常、導電部５０を形成すると共に、第二面３２Ｂの表面を覆う電極６０を形成する。導電部５０および電極６０を構成する材料としては、たとえば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕ等、あるいは、これらの合金からなる金属材料、ならびに、リン等のドーパントが添加された導電性ポリシリコンなどが挙げられる。ここで、成膜法としては、金属材料を用いる場合は、真空蒸着法等が利用でき、導電性ポリシリコンを用いる場合はＣＶＤ法等が利用できる。
【００３４】
また、通常、発光素子層４０が形成された後、任意のタイミングで、発光素子層４０の発光素子用単結晶基板３０Ｂが設けられた側と反対側の面に、電極６０と同様にして薄膜状の電極７０が形成される。なお、電極６０、７０の形成に際しては、パターニングにより、発光素子層４０の表面や、第二面３２Ｂの所定の領域内のみに電極６０、７０を設けてもよい。これにより、図２（Ｃ）に示す発光素子８０を得ることができる。ここで、発光素子層４０と電極７０との間には、導電性材料からなるその他の層を必要に応じて設けてもよい。また、発光素子８０は、通常、複数のチップが採取可能なウエハー状を成すため、発光素子８０を切断してチップ化する。
【００３５】
以上に説明した図２に例示するプロセスを経て作製された第一の本実施形態の発光素子８０は、以下のような構造を有することになる。すなわち、この発光素子８０は、図２（Ｃ）に例示するように、一方の面（第一面３２Ｔ）から他方の面（第二面３２Ｂ)へと貫通すると共に、両面の開口部３６Ｔ、３６Ｂの形状が略円形状を成す縦穴３４Ｂを有する発光素子用単結晶基板３０Ｂと、発光素子用単結晶基板３０Ｂの一方の面（第一面３２Ｔ）上に設けられた発光素子層４０と、発光素子層４０の発光素子用単結晶基板３０Ｂが設けられた側と反対側の面上に設けられた電極７０（第一電極）と、発光素子用単結晶基板３０Ｂの他方の面（第二面３２Ｂ）に設けられた電極６０（第二電極）と、縦穴３４Ｂ内に充填された導電性材料からなり、かつ、電極６０および発光素子層４０を電気的に接続する導電部５０と、を有する。
【００３６】
なお、発光素子８０の製造に用いる発光素子用単結晶基板３０Ａを構成する材料としては、サファイア等の単結晶材料であれば特に限定されないが、通常はサファイアであることが特に好ましい。
【００３７】
次に、第二の本実施形態の発光素子の製造方法について説明する。第二の本実施形態の発光素子の製造方法では、一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板と、当該発光素子用単結晶基板の一方の面に設けられ、少なくともＧａＮ系材料からなる層を含む１つ以上の層からなる膜と、を有する膜付き発光素子用単結晶基板を用いる。そして、（膜付き発光素子用単結晶基板を構成する）発光素子用単結晶基板の他方の面を、縦穴が発光素子用単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、研磨する研磨工程と、研磨工程を少なくとも経た後に、縦穴の他方の面の開口部側から、縦穴内に導電性材料を充填することにより、膜側から他方の面の開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、を少なくとも経ることで、発光素子を製造する。
【００３８】
図３は、第二の本実施形態の発光素子の製造方法に用いる膜付き発光素子用単結晶基板の一例を示す模式断面図である。図３に示す膜付き発光素子用単結晶基板１００は、図１に例示した発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔに、少なくともＧａＮ系材料からなる層を含む１つ以上の層からなる膜４２が設けられる。すなわち、膜４２は、ＧａＮ系材料からなる層を含むのであれば、多層膜あるいは単層膜のいずれであってもよい。ここで、膜４２は、発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔ上に公知の成膜方法により形成されるものである。そして、膜４２は、ＧａＮ系材料からなる層を含む前記発光素子層４０を構成する各層のうち少なくとも１層を有する。すなわち、膜４２は、前記発光素子層４０を構成する全ての層を含み、前記発光素子層４０としての機能を有する膜であってもよく、前記発光素子層４０を構成する一部の層のみを含み、前記発光素子層４０としての機能を有さない膜であってもよい。なお、膜４２が前記発光素子層４０としての機能を有さない膜である場合には、研磨工程開始前または研磨工程以降の任意のタイミングで、膜４２上にさらに必要な層を積層することで、前記発光素子層４０を完成させる。このため、第二の本実施形態の発光素子の製造方法では、従来の発光素子の製造方法のように、縦穴形成時のエッチング量が過剰となった場合に、発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔ上に設けられた層にダメージを与える恐れが全く無い。
【００３９】
なお、第二の本実施形態の発光素子の製造方法における研磨工程および導電部形成工程は、研磨工程に用いる基板として、図２（Ａ）に示す発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔ上に発光素子層４０が設けられた基板の代わりに、図３に示す膜付き発光素子用単結晶基板１００を用いる点を除けば、図２に例示した第一の本実施形態の発光素子の製造方法と実質同様である。
【００４０】
以上に説明した第一の本実施形態の発光素子の製造方法に用いる発光素子用単結晶基板３０Ａ、および、第二の本実施形態の発光素子の製造方法に用いる膜付き発光素子用単結晶基板１００を構成する発光素子用単結晶基板３０Ａに設けられる縦穴３４Ａは、既述したように各種のエッチング方法を適宜利用して形成できる。しかしながら、縦穴３４Ａは、レーザ照射による変質層の形成およびこの変質層のウエットエッチングを利用して形成されることが特に好ましい。
【００４１】
この場合、発光素子用単結晶基板３０Ａは、単結晶基板の一方の面の表面近傍に焦点を合わせて、単結晶基板の一方の面からレーザを照射することにより、一方の面に対して軸方向中心線が交差する略柱状の変質層を形成する変質層形成工程と、該変質層形成工程を少なくとも経た後に、少なくとも一方の面をエッチング溶液と接触させることにより、変質層を選択的に溶解・除去して、少なくとも一方の面に開口部を有する縦穴を形成する縦穴形成工程と、を少なくとも経て、製造することができる。ここで、発光素子用単結晶基板３０Ａの製造に用いる単結晶基板としては、公知の単結晶基板を用いることができるが、通常は、サファイア基板を用いることが特に好ましい。
【００４２】
この製造方法では、縦穴３４Ａの形成に際して、レーザ照射により、単結晶基板の一方の面に対して軸方向中心線が交差する略柱状の変質層を形成する。このようなレーザ照射処理は、単結晶基板を構成する材料の蒸発（アブレーション）による穴形成を目的としたレーザ照射処理と比べて、レーザ照射により単位時間・単位面積当たりに投入するエネルギー量が少なくて済む。このため、レーザ照射処理に要する時間を大幅に短くすることが容易である。
【００４３】
ここで、エッチング溶液に対するエッチングレートは、変質層の周囲のマトリックスと比べて、変質層の方が非常に大きくなる。この理由の詳細は不明であるが、レーザ照射によって、レーザ照射されたマトリックスの結晶性が低下（非晶質化）した為であると推定される。このため、上述した変質層のエッチングレートと、変質層の周囲のマトリックスのエッチングレートとの大きな差を利用すれば、変質層と変質層の周囲のマトリックスとを同時にエッチング溶液に接触させても、実質的に、変質層のみが選択的に溶解・除去されることになる。このため、上述した発光素子用単結晶基板３０Ａの製造方法では、単結晶基板表面に耐エッチングマスクを設けてウエットエッチングあるいはドライエッチングにより縦穴３４Ａを形成する一般的な技術と比べて、耐エッチングマスクを用いずに縦穴３４Ａが形成できる。すなわち、縦穴３４Ａの形成に際して、マスクレスプロセスを実現できる。このため、上述した変質層を形成後、この変質層をウエットエッチングする方法では、ドライエッチングまたはウエットエッチングの前後で実施される各種工程、すなわち、耐エッチング膜の成膜工程、耐エッチング膜のパターニング工程、エッチング処理後の耐エッチングマスクの除去工程、および、これら工程に付随して実施される洗浄工程等のその他の工程、の実施が不要である。
【００４４】
一方、ドライエッチングと比べて、ウエットエッチングは、一般的にエッチング溶液の組成・液温等を調整することで、容易に高いエッチングレートを得ることができる。しかし、単結晶基板、特にサファイア材からなる単結晶基板は、ドライエッチングおよびウエットエッチングのいずれにおいてもエッチングされ難い材料である。このため、ウエットエッチングにより縦穴３４Ａを形成する一般的な技術においても、縦穴３４Ａの形成にはある程度の時間を要することになる。しかしながら、変質層を形成後、この変質層をウエットエッチングする方法では、サファイア材料等の単結晶材料そのものをウエットエッチングして縦穴３４Ａを形成するのではなく、単結晶材料をレーザ照射により変質させたことによりウエットエッチングされ易い材料（変質層を構成する材料）をウエットエッチングして縦穴を形成する。このため、本実施形態の発光素子用単結晶基板の製造方法では、ウエットエッチングに必要な時間も大幅に短縮できる。
【００４５】
以上に説明したように、変質層を形成後、この変質層をウエットエッチングする方法では、縦穴３４Ａの形成に際して、レーザ照射を利用した変質層形成工程およびウエットエッチングを利用した縦穴形成工程の２つの工程の実施が必要であるが、いずれの工程も非常に短時間で実施可能である。このため、変質層を形成後、この変質層をウエットエッチングする方法では、レーザエッチング、ウエットエッチング、ドライエッチング、あるいは、特許文献２、４等に例示される２種類のエッチング方法を組み合わせた複合的エッチングのいずれのエッチングプロセスと比較しても、より短時間で縦穴３４Ａを形成できる。すなわち、縦穴形成の生産性が非常に高い。
【００４６】
これに加えて、変質層を形成後、この変質層をウエットエッチングする方法におけるウエットエッチングは、通常の等方的なウエットエッチングと異なり、実質的に変質層のみを選択的に溶解・除去する異方的なウエットエッチングである。このため、変質層を形成後、この変質層をウエットエッチングする方法では、縦穴３４Ａの形成に際して、異方性のあるエッチングが可能なドライエッチングあるいはアブレーションを利用したレーザエッチングと同程度の形状制御も可能である。
【００４７】
また、ウエットエッチングする場合、エッチング溶液の液温は、２００℃〜３００℃程度の範囲内に設定することが好ましい。
【００４８】
また、縦穴３４Ａとなり得る変質層は、レーザ照射によって形成される。そして、変質層の形成を目的としたレーザ照射は、極めて短時間のうちに、単結晶基板表面の複数の位置に対して実施できる。たとえば、直径２インチの単結晶基板の面内に、深さ４０μｍ程度の変質層を４０５万個程度形成するのに要する時間は約５分である。このため、変質層を形成後、この変質層をウエットエッチングする方法では、面内に多数の縦穴３４Ａを有する発光素子用単結晶基板３０Ａを容易に製造することができる。
【００４９】
次に、変質層形成工程および縦穴形成工程の各々についてより詳細に説明する。まず、変質層形成工程では、図４に示すように、単結晶基板の一方の面の表面近傍に焦点を合わせて、レーザを照射することにより、一方の面に対して軸方向中心線が交差する略柱状の変質層を形成する。図４は、発光素子用単結晶基板３０Ａの製造方法の他の例を説明する模式断面図であり、具体的には変質層形成工程の実施態様について説明する断面図である。ここで、図４（Ａ）は、レーザ照射中の単結晶基板の一例を示す断面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すレーザ照射処理を終えた単結晶基板の一例を示す断面図である。
【００５０】
図４に示す実施態様では、レーザＬＢが第一面１２Ｔ側から照射される。ここで、レーザＬＢの焦点位置は、第一面１２Ｔの表面近傍に固定され、具体的には、単結晶基板１０Ａの厚み方向に対して、第一面１２Ｔを基準（深さ０）とした際に深さＤの位置に固定される。そして、この状態で、レーザＬＢを照射し続けると、第一面１２Ｔに対して軸方向中心線Ａが交差する変質層１４が、深さＤの位置から第一面１２Ｔ側へと伸びるように形成される。これにより、図４（Ｂ）に例示する変質層１４が形成された単結晶基板１０Ｄ（１０）を得ることができる。
【００５１】
ここで、変質層１４の深さおよび幅は、レーザ波長、レーザパワー、スポットサイズ、照射時間等のレーザ照射条件を適宜選択することで制御できる。なお、レーザＬＢは、通常、第一面１２Ｔ（および第二面１２Ｂ）に対して９０度の角度を成す方向（直交する方向）から照射されることが好ましいが、必要に応じて９０度未満の角度を成す方向から照射してもよい。なお、レーザＬＢを第一面１２Ｔに対して直交する方向から照射した場合、変質層１４の軸方向中心線Ａも第一面１２Ｔに対して直交することになる。また、変質層１４の深さは、通常、単結晶基板１０Ｄの厚みよりも十分に小さくなるように設定される。しかし、単結晶基板１０の厚みや、レーザ照射条件にもよるが、変質層１４を第一面１２Ｔ側から第二面１２Ｂに達するように形成し、変質層１４の深さを、単結晶基板１０Ｄの厚みと同等としてもよい。
【００５２】
図４に示す例では、レーザＬＢを照射中において、レーザＬＢの焦点位置は、第一面１２Ｔから深さＤの位置に固定される。しかし、レーザＬＢを照射中において、レーザＬＢの焦点位置を、深さＤの位置から第一面１２Ｔ側へと移動させてもよい。また、深さＤについては適宜選択することができるが、通常、３０μｍ〜１００μｍの範囲内に設定することが好ましい。なお、以上に説明したレーザ照射の態様・条件は、単結晶基板１０がサファイア基板である場合に特に好適である。
【００５３】
レーザ照射条件については、所望の深さおよび幅を有する変質層１４が形成できるのであれば、如何様な照射条件で実施してもよい。しかしながら、一般には、短い時間幅の中でエネルギーを集中させることが出来るため、高いピーク出力が得ることができるという点で、断続的にレーザ光を出すパルスレーザを用いた、下記（１）および（２）に示すレーザ照射条件が好ましい。
（１）レーザ波長：２００ｎｍ〜５０００ｎｍ
（２）パルス幅：フェムト秒オーダー〜ナノ秒オーダー（１ｆｓ〜１０００ｎｓ）
【００５４】
なお、上述した照射条件の範囲内において、さらに下記ＡまたはＢに示す照射条件を選択することがより好ましい。
＜照射条件Ａ＞
・レーザ波長：２００ｎｍ〜３５０ｎｍ
・パルス幅：ナノ秒オーダー（１ｎｓ〜１０００ｎｓ）。なお、より好ましくは、１０ｎｓ〜１５ｎｓ。
＜照射条件Ｂ＞
・レーザ波長：３５０ｎｍ〜２０００ｎｍ
・パルス幅：フェムト秒オーダー〜ピコ秒オーダー（１ｆｓ〜１０００ｐｓ）。なお、より好ましくは、２００ｆｓ〜８００ｆｓ。
【００５５】
なお、照射条件Ａは、照射条件Ｂよりも、レーザ波長がより短波長域のレーザを利用する。このため、レーザ波長およびパルス幅以外のその他の条件を同一として、レーザ照射を実施した場合、照射条件Ｂよりも、照射条件Ａの方が、同程度の深さおよび幅を有する変質層１４を形成するために必要なレーザ加工時間を短縮できる。
【００５６】
また、実用性や量産性等の観点から、レーザ波長およびパルス幅以外のその他のレーザ照射条件は以下に示す範囲内で選択することが好ましい。
・繰り返し周波数：５０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ
・レーザパワー：０．０５Ｗ〜０．８Ｗ
・レーザのスポットサイズ：０．５μｍ〜４．０μｍ（より好ましくは２μｍ〜３μｍ前後）
・試料ステージの走査速度：１００ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓ
【００５７】
続いて、図４（Ｂ）に示す変質層が形成された単結晶基板１０Ｄをエッチング溶液と接触させることにより、実質的に変質層１４のみを選択的に溶解・除去する。なお、ウエットエッチングは、通常、単結晶基板１０Ｄを、エッチング槽に満たしたエッチング溶液中に浸漬して行なわれるが、たとえば、第一面１２Ｔ側のみをエッチング溶液に接触させる態様で実施してもよい。このウエットエッチング処理によって、図１に示すように、第一面３２Ｔに開口部３６Ｔを有する縦穴３４Ａ（３４）を有する発光素子用単結晶基板３０Ａを得ることができる。なお、この発光素子用単結晶基板３０Ａにおいて、第一面３２Ｔ、第二面３２Ｂおよび縦穴３４Ａは、各々、図４（Ｂ）に示す単結晶基板１０Ｄの第一面１２Ｔ、第二面１２Ｂおよび変質層１４に対応する。
【００５８】
ここで、単結晶基板１０がサファイア基板である場合、縦穴形成工程に用いられるエッチング溶液としては、リン酸塩を主成分として含むエッチング溶液が用いられる。このエッチング溶液には、リン酸塩以外にも必要に応じて、その他の成分が添加されていてもよい。なお、その他の成分としては、たとえば、ｐＨの調整等を目的として、硫酸、塩酸等のリン酸塩以外の酸類を用いたり、エッチング溶液の浸透性の向上等を目的として、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等の界面活性剤を用いたりすることができる。ここで、リン酸塩を主成分として含むエッチング溶液は、サファイア材料そのものに対しては、徐々に侵食・溶解する能力を有するが、サファイアをレーザ照射により変質させた変質材料、すなわち、変質層１４を構成する材料に対しては、著しく侵食・溶解する能力を有する。このため、このエッチング溶液を利用すれば、実質的に変質材料のみを選択的に溶解・除去することができる。なお、エッチング溶液中に含まれるリン酸塩等の各成分の濃度や、エッチング溶液の温度は、適宜選択することができる。エッチング溶液の液温は、２００℃〜３００℃程度の範囲内に設定することが好ましい。
【００５９】
なお、図１に示した例では、説明の都合上、深さ方向に対して一定の内径を有する縦穴３４Ａを示している。しかしながら、変質層１４がウエットエッチングされて縦穴３４Ａが形成される過程においては、縦穴３４Ａの内壁面の開口部３６Ｔ近傍側がより長時間に渡ってエッチング溶液の侵食を受けることになる。このため、変質層１４を形成後、この変質層１４をウエットエッチングする方法では、縦穴３４Ａの内径Ｘは、深さ方向に対して徐々に狭くなる傾向にある。図５は、図１に示す縦穴３４Ａの具体的な断面形状の一例を示す模式断面図である。すなわち、縦穴３４Ａの内径が、深さ方向に対して徐々に狭くなる場合、言い換えれば、第一面３２Ｔを深さ０としたときの深さ距離に略比例して内径Ｘが小さくなる場合について示す図である。ここで、図５に示す例では、一方の面（第一面３２Ｔ）のみに開口部３６Ｔを有し、開口部３６Ｔの形状が略円形状である縦穴３４Ａを有し、縦穴３４Ａの内壁面３４ＷＢ、３４ＷＢが、ウエットエッチングにより形成されたエッチング面からなる。そして、縦穴３４Ａの深さ方向に対する縦穴３４Ａの内径Ｘが、開口部３６Ｔ側から、縦穴３４Ａの底部３４Ｄ側へと行くに従い、略１次関数的に減少している。このように、縦穴３４Ａの深さ方向に対して内径が略１次関数的に減少する理由の詳細は不明であるが、たとえば、変質層１４のウエットエッチングに際して、エッチング溶液が常に開口部３６Ｔ側から供給されるためであると考えられる。すなわち、縦穴３４Ａの形成に際して、縦穴３４Ａの深さ方向に対するエッチング溶液の滞留時間が、開口部３６Ｔ側から底部３４Ｄ側へと行くに従い略１次関数的に減少するためであると考えられる。
【００６０】
なお、図５に示す縦穴３４Ａにおいては、開口部３６Ｔ近傍の縦穴３４Ａの内壁面３４ＷＴが、第一面３２Ｔに対して、たとえば、約３０度〜約６０度程度の角度を成す緩やかな傾斜面を成し、開口部３６Ｔ近傍よりもより第二面３２Ｂ側（図５中、不図示）の縦穴３４Ａの内壁面３４ＷＢが、第一面３２Ｔに対して、たとえば、約８０度以上９０度未満程度の角度を成す急峻な傾斜面を成している。
【００６１】
ここで、図５に示すような断面形状を有する縦穴３４Ａにおける最大内径Ｘｍａｘは、第一面３２Ｔに対して急峻な傾斜面を成すように形成された縦穴３４Ａの内壁部分の内径のうち、最も内径Ｘが最大となる値を意味する。また、図５に示すように縦穴３４Ａが、開口部３６Ｔの近傍において、第一面３２Ｔに対して緩やかな傾斜面からなる内壁面３４ＷＴと、開口部３６Ｔ近傍よりもより第二面３２Ｂ側において、第一面３２Ｔに対して急峻な傾斜面からなる内壁面３４ＷＢと、を有する場合には、縦穴３４Ａの深さ方向に対する縦穴３４Ａの内径の略１次関数的な減少は、少なくとも、開口部３６Ｔの近傍を除いた領域、言い換えれば、内壁面３４ＷＢにおいて生じていればよい。また、図５に示す例では、縦穴３４Ａの底部３４Ｄの断面形状は、錐状に尖っているが、半円状、あるいは、台形状であってもよい。
【００６２】
なお、ドライエッチング後にさらにウエットエッチングを実施する場合には、ドライエッチングによって形成された縦穴３４Ａ内に一気にエッチング溶液が流れ込むことになる。このため、図５に示す縦穴３４Ａの形成時のように、縦穴３４Ａの深さ方向において、エッチング溶液の滞留時間に差が生じることが無い。それゆえ、縦穴３４Ａの深さ方向に対するエッチング溶液の滞留時間の差に起因して、縦穴３４Ａの深さ方向に対して内径Ｘが減少することも無い。また、レーザ照射によって、サファイア材料を蒸発させて縦穴３４Ａを形成する場合も、レーザ光の指向性の高さ故に、ドライエッチングを利用した場合と同様の縦穴３４Ａが形成される。
【００６３】
次に、発光素子用単結晶基板３０Ａの具体的な製造例を説明する。
【００６４】
（製造例）
【００６５】
図４に例示した実施態様にて変質層形成工程を実施した後、縦穴形成工程を実施することにより、図１に例示した断面構造を有する発光素子用単結晶基板３０Ａを、以下に説明する手順で作製した。まず、単結晶基板１０Ａとして、直径２インチ（５０．８ｍｍ）、厚み０．４３ｍｍのオリフラ面付きの円形状の単結晶基板を準備した。なお、この単結晶基板１０Ａは、第一面１２Ｔが、表面粗さＲａが１ｎｍ程度となるように予め鏡面研磨されたものである。
【００６６】
次に、平坦な試料ステージ上に、第二面１２Ｂを下面側として、真空吸着により単結晶基板１０Ａを固定した。この状態で単結晶基板１０Ａの第一面１２Ｔ側からレーザＬＢを照射した。なお、レーザＬＢを照射中の焦点位置は、第一面１２Ｔの表面からの深さＤが４０μｍとなる位置に設定し、第一面１２Ｔと直交する方向からレーザＬＢを照射した。レーザＬＢの照射条件の詳細を以下に示す。
−レーザ照射条件−
・レーザ波長：１０４５ｎｍ
・パルス幅：５００ｆｓ
・繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
・スポットサイズ：１．６〜３．５  μｍ
・レーザパワー：３００ｍＷ
・試料ステージ走査速度：１０００ｍｍ／ｓ
【００６７】
以上に説明したレーザ照射条件に基づき、図７に点線で示す格子ラインに沿ってレーザＬＢを照射し、前記単結晶基板１０Ａの面内に図８に示すように加工ライン間（即ち、格子ライン間）の加工ピッチＰを１００μｍ、各加工ライン上における変質層どうしの間隔Ｓを１０μｍとして変質層１４を形成し、単結晶基板１０Ｃを得た。なお、この単結晶基板１０Ｃの切断面を光学顕微鏡により観察したところ、変質層１４は、第一面１２Ｔから深さが約２０μｍの位置から第二面１２Ｂ側へと伸びるように柱状に形成されていることが確認された。この際のレーザ加工に要した時間は約５分であった。図９に単結晶基板１０Ｄの断面図を示す。更に図１０に示すように、柱状の変質層１４の内径Ｘは２μｍ、深さＹは４０μｍであった。
【００６８】
続いて、変質層１４が形成された単結晶基板１０Ｃを、液温２５０℃のエッチング溶液（リン酸８５％濃度）中に１５分間浸漬してウエットエッチングを行った後、リンスのために水中に浸漬し、さらに、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）中に浸漬し、その後、乾燥させた。これにより面内に４０５万個の縦穴３４Ａが形成された発光素子用単結晶基板３０Ａを得た。
【００６９】
なお、レーザ加工およびこれに前後して実施する単結晶基板１０Ａの真空吸着固定等のその他の処理に要した時間は約５分であり、ウエットエッチング処理およびこれに伴うリンス処理等のその他の処理に要した時間は、約１５分であった。すなわち、単結晶基板１０Ａに対して、縦穴３４Ａを形成するために要した時間は、２０分であった。
【００７０】
（評価）
製造例において作製したサンプルについては、切断ラインが開口部３６Ｔの中心点を通過するようにサンプルを切断した後、サンプルの断面を走査型電子顕微鏡で観察し、縦穴３４Ａの断面形状、最大内径Ｘｍａｘ、深さＹ、比率（Ｙ／Ｘｍａｘ）について評価した。結果を表１に示す。なお、参考までに、製造例のサンプルの縦穴の断面形状の光学顕微鏡写真を図６に示す。
【００７１】
【表１】
2012160880.tif 000003
【００７２】
ドライエッチングのエッチングレートは、たとえば、特許文献２に開示される例では、最大でも約２．３μｍ／ｈｒである。また、製造例と同一のウエットエッチング条件にて、サファイアそのものをエッチングした場合のエッチングレートは約９μｍ／ｈｒである。そして、ドライエッチングまたはウエットエッチングの実施に際して必要な耐エッチングマスクの形成および除去に要する一連の作業（たとえば、成膜、露光、現像等）には、使用する設備等にも依存するものの、通常、約３０分〜９０分程度が必要である。したがって、これらのエッチング方法を利用して、製造例と同程度の深さＹを持つ縦穴を有する発光素子用単結晶基板を製造しようとした場合、ドライエッチングでは約７時間〜８時間程度が必要であり、ウエットエッチングでは約５時間〜６時間程度が必要であると言える。すなわち、単純なドライエッチングあるいはウエットエッチングを利用して製造例と同程度の深さＹを持つ縦穴を有する発光素子用単結晶基板の製造した場合、製造例と比べて遥かに時間を要することが判った。
【００７３】
（レーザエッチングにおける縦穴形成）
レーザエッチングにより、製造例と同程度の深さＹを有する縦穴３４Ａをスポット的に形成するため、製造例のレーザ照射条件をベースにして検討したところ、以下の条件を見出した。このレーザ照射条件は、サファイア材料の変質ではなく、蒸発（アブレーション）を可能とするために、製造例のレーザ照射条件に対して主にレーザパワーを大幅に増大させた点に特徴がある。
−レーザ照射条件−
・レーザ波長：２６６ｎｍ
・パルス幅：１０〜２０ｎｓ
・繰り返し周波数：１０ｋＨｚ
・スポットサイズ：２〜５μｍ
・レーザパワー：１．３Ｗ
【００７４】
ここで、上記のレーザ照射条件において、製造例と同様の深さを有する１つの縦穴の形成に要する時間は、約３．０ｍ秒であった。このことから、単結晶基板表面に対してレーザを走査することで、製造例のサンプルと同数の縦穴を形成するには、最短でも約３時間が必要であることが判った。すなわち、単純なレーザエッチングを利用して製造例と同程度の深さＹを持つ縦穴を有する発光素子用単結晶基板の製造した場合、製造例と比べて遥かに時間を要することが判った。
【００７５】
なお、以上に説明した、変質層１４をレーザ照射により形成し、この変質層１４をエッチングする方法やこの方法を利用して作製される発光素子用単結晶基板３０Ａは、第一の本実施形態の発光素子の製造方法および第二の本実施形態の発光素子の製造方法以外のその他の発光素子の製造方法にも利用でき、また、発光素子以外の単結晶基板を用いた各種素子の製造にも利用することもできる。
【符号の説明】
【００７６】
１０、１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄ  単結晶基板
１２Ｔ  第一面（一方の面）
１２Ｂ  第二面（他方の面）   
１４  変質層
３０、３０Ａ、３０Ｂ  発光素子用単結晶基板
３２Ｔ  第一面（一方の面）
３２Ｂ  第二面（他方の面）
３４、３４Ａ、３４Ｂ  縦穴
３４Ｄ  底部
３４ＷＴ、３４ＷＢ  内壁面
３６Ｔ、３６Ｂ  開口部
４０  発光素子層
４２  膜
５０  導電部
６０、７０  電極
８０  発光素子
１００  膜付き発光素子用単結晶基板
【図１】
2012160880.tif 000004
【図２】
2012160880.tif 000005
【図３】
2012160880.tif 000006
【図４】
2012160880.tif 000007
【図５】
2012160880.tif 000008
【図７】
2012160880.tif 000009
【図８】
2012160880.tif 000010
【図９】
2012160880.tif 000011
【図１０】
2012160880.tif 000012
【図６】
2012160880.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成25年12月11日(2013.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板の、前記一方の面上に、発光素子層を形成する発光素子層形成工程と、
該発光素子層形成工程を少なくとも経た後に、前記縦穴が前記発光素子用単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、前記発光素子用単結晶基板の他方の面を研磨する研磨工程と、
前記研磨工程を少なくとも経た後に、前記縦穴の前記他方の面の開口部側から、前記縦穴内に導電性材料を充填することにより、前記発光素子層側から前記他方の面の前記開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、
を少なくとも経て製造されたことを特徴とする発光素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
第一の本発明の発光素子は、一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板の、一方の面上に、発光素子層を形成する発光素子層形成工程と、該発光素子層形成工程を少なくとも経た後に、縦穴が発光素子用単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、発光素子用単結晶基板の他方の面を研磨する研磨工程と、研磨工程を少なくとも経た後に、縦穴の他方の面の開口部側から、縦穴内に導電性材料を充填することにより、発光素子層側から他方の面の開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、を少なくとも経て製造されたことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
第一の本実施形態の発光素子の製造方法は、一方の面のみに開口部を有する縦穴が設けられた発光素子用単結晶基板の、一方の面上に、発光素子層を形成する発光素子層形成工程と、発光素子層形成工程を少なくとも経た後に、縦穴が発光素子用単結晶基板の厚み方向において貫通した状態となるまで、発光素子用単結晶基板の他方の面を研磨する研磨工程と、研磨工程を少なくとも経た後に、縦穴の他方の面の開口部側から、縦穴内に導電性材料を充填することにより、発光素子層側から他方の面の開口部まで連続する導電部を形成する導電部形成工程と、を少なくとも経て、発光素子を製造することを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
しかしながら、発光素子層４０を構成する少なくともいずれか１層が、結晶性の層であることが好ましい。また、発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔに露出する結晶面を利用してエピタキシャル成長させることができるという観点からは、発光素子層４０を構成する各層のうち、少なくとも発光素子用単結晶基板３０Ａの第一面３２Ｔに直接接触する層が結晶性の層であることが好ましく、発光素子層４０を構成する全ての層が結晶性の層であってもよい。なお、エピタキシャル成長とは、同一組成または混晶を含むホモエキタピシャル成長、ヘテロエピタキシャル成長を含む。また、発光素子層４０を構成する各層の材料も、作製する素子に応じて適宜選択されるが、発光素子用単結晶基板３０Ａがサファイア等の単結晶材料から構成される場合を考慮すると、各層を構成する材料も、金属材料、金属酸化物材料、無機半導体材料などの無機材料とすることが好ましく、全ての層がこれらの無機材料から構成されることが望ましい。ただし、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を成膜法として用いた場合、層の無機材料中に有機金属由来の有機物を含有することがある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
この場合、発光素子用単結晶基板３０Ａは、単結晶基板の一方の面の表面近傍に焦点を合わせて、単結晶基板の一方の面側からレーザを照射することにより、一方の面に対して軸方向中心線が交差する略柱状の変質層を形成する変質層形成工程と、該変質層形成工程を少なくとも経た後に、少なくとも一方の面をエッチング溶液と接触させることにより、変質層を選択的に溶解・除去して、少なくとも一方の面に開口部を有する縦穴を形成する縦穴形成工程と、を少なくとも経て、製造することができる。ここで、発光素子用単結晶基板３０Ａの製造に用いる単結晶基板としては、公知の単結晶基板を用いることができるが、通常は、サファイア基板を用いることが特に好ましい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
ここで、変質層１４の深さおよび幅は、レーザ波長、レーザパワー、スポットサイズ、照射時間等のレーザ照射条件を適宜選択することで制御できる。なお、レーザＬＢは、通常、第一面１２Ｔ（あるいは第二面１２Ｂ）に対して９０度の角度を成す方向（直交する方向）から照射されることが好ましいが、必要に応じて９０度未満の角度を成す方向から照射してもよい。なお、レーザＬＢを第一面１２Ｔに対して直交する方向から照射した場合、変質層１４の軸方向中心線Ａも第一面１２Ｔに対して直交することになる。また、変質層１４の深さは、通常、単結晶基板１０Ｄの厚みよりも十分に小さくなるように設定される。しかし、単結晶基板１０Ｄの厚みや、レーザ照射条件にもよるが、変質層１４を第一面１２Ｔ側から第二面１２Ｂに達するように形成し、変質層１４の深さを、単結晶基板１０Ｄの厚みと同等としてもよい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
なお、図１に示した例では、説明の都合上、深さ方向に対して一定の内径を有する縦穴３４Ａを示している。しかしながら、変質層１４がウエットエッチングされて縦穴３４Ａが形成される過程においては、縦穴３４Ａの内壁面の開口部３６Ｔ近傍側がより長時間に渡ってエッチング溶液の侵食を受けることになる。このため、変質層１４を形成後、この変質層１４をウエットエッチングする方法では、縦穴３４Ａの内径Ｘは、深さ方向に対して徐々に狭くなる傾向にある。図５は、図１に示す縦穴３４Ａの具体的な断面形状の一例を示す模式断面図である。すなわち、縦穴３４Ａの内径が、深さ方向に対して徐々に狭くなる場合、言い換えれば、第一面３２Ｔを深さ０としたときの深さ距離に略比例して内径Ｘが小さくなる場合について示す図である。ここで、図５に示す例では、一方の面（第一面３２Ｔ）のみに開口部３６Ｔを有し、開口部３６Ｔの形状が略円形状である縦穴３４Ａを有し、縦穴３４Ａの内壁面３４ＷＢ、３４ＷＴが、ウエットエッチングにより形成されたエッチング面からなる。そして、縦穴３４Ａの深さ方向に対する縦穴３４Ａの内径Ｘが、開口部３６Ｔ側から、縦穴３４Ａの底部３４Ｄ側へと行くに従い、略１次関数的に減少している。このように、縦穴３４Ａの深さ方向に対して内径が略１次関数的に減少する理由の詳細は不明であるが、たとえば、変質層１４のウエットエッチングに際して、エッチング溶液が常に開口部３６Ｔ側から供給されるためであると考えられる。すなわち、縦穴３４Ａの形成に際して、縦穴３４Ａの深さ方向に対するエッチング溶液の滞留時間が、開口部３６Ｔ側から底部３４Ｄ側へと行くに従い略１次関数的に減少するためであると考えられる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
以上に説明したレーザ照射条件に基づき、図７に点線で示す格子ラインに沿ってレーザＬＢを照射し、前記単結晶基板１０Ａの面内に図８に示すように加工ライン間（即ち、格子ライン間）の加工ピッチＰを１００μｍ、各加工ライン上における変質層どうしの間隔Ｓを１０μｍとして変質層１４を形成し、単結晶基板１０Ｃを得た。なお、この単結晶基板１０Ｃの切断面を光学顕微鏡により観察したところ、変質層１４は、第一面１２Ｔから深さが約４０μｍの位置から第一面１２Ｔ側へと伸びるように柱状に形成されていることが確認された。この際のレーザ加工に要した時間は約５分であった。図９に単結晶基板１０Ｃの断面図を示す。更に図１０に示すように、柱状の変質層１４の内径Ｘは２μｍ、深さＹは４０μｍであった。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
【表１】
2012160880.tif 000014
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2012160880.tif 000015
【国際調査報告】
2012160880.tif 000016
2012160880.tif 000017
2012160880.tif 000018
2012160880.tif 000019