(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体結晶を含み（０００１）面内に引張り応力を受けて格子長が材料固有の格子定数よりも長くなった第１導電形の第１半導体層と、
窒化物半導体結晶を含む第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、窒化物半導体結晶を含み、平均の格子定数が前記第１半導体層の格子定数よりも大きい発光層と、
前記第２半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記第１半導体層、前記発光層及び前記第２半導体層を支持する導電性の金属層と、
前記第２半導体層と前記発光層との間に設けられ、前記金属層から前記第２半導体層に印加される引張り応力を緩和する第１応力印加層と、
を備え、
前記第１半導体層は、ＧａＮを含み、
前記第２半導体層は、ＧａＮを含み、
前記発光層は、ＩｎＧａＮを含み、
前記第１応力印加層は、ＡｌＧａＮを含む半導体発光素子。
【請求項２】
窒化物半導体結晶を含み（０００１）面内に格子間隔が材料固有の格子定数よりも伸びた引張りひずみを有する第１導電形の第１半導体層と、
窒化物半導体結晶を含む第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、窒化物半導体結晶を含み、平均の格子定数が前記第１半導体層の格子定数よりも大きい発光層と、
前記第２半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記第１半導体層、前記発光層及び前記第２半導体層を支持する導電性の金属層と、
前記第２半導体層と前記発光層との間に設けられ、窒化物半導体結晶を含み、格子定数が前記第１半導体層の格子定数よりも小さい第１応力印加層と、
を備え、
前記第１半導体層は、ＧａＮを含み、
前記第２半導体層は、ＧａＮを含み、
前記発光層は、ＩｎＧａＮを含み、
前記第１応力印加層は、ＡｌＧａＮを含む半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１半導体層は、前記第１半導体層の格子定数よりも等価的格子長さが大きい基板の上に形成された請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１半導体層は、前記第１半導体層の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する基板の上に形成された請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板は、シリコン基板である請求項３または４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１半導体層のラマンスペクトルのピークの波数は、応力が印加されていない前記第１半導体層におけるラマンスペクトルのピークの波数よりも小さい請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
窒化物半導体結晶を含みシリコン基板の上に形成されて（０００１）面内に引張り応力を受けた第１導電形の第１半導体層と、
窒化物半導体結晶を含む第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、窒化物半導体結晶を含み、平均の格子定数が前記第１半導体層の格子定数よりも大きい発光層と、
前記第２半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記第１半導体層、前記発光層及び前記第２半導体層を支持する導電性の金属層と、
前記第２半導体層と前記発光層との間に設けられ、前記金属層から前記第２半導体層に印加される引張り応力を緩和する第１応力印加層と、
を備え、
前記第１半導体層は、ＧａＮを含み、
前記第２半導体層は、ＧａＮを含み、
前記発光層は、ＩｎＧａＮを含み、
前記第１応力印加層は、ＡｌＧａＮを含む半導体発光素子。
【請求項８】
窒化物半導体結晶を含みシリコン基板の上に形成されて（０００１）面内に引張りひずみを有する第１導電形の第１半導体層と、
窒化物半導体結晶を含む第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、窒化物半導体結晶を含み、平均の格子定数が前記第１半導体層の格子定数よりも大きい発光層と、
前記第２半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、前記第１半導体層、前記発光層及び前記第２半導体層を支持する導電性の金属層と、
前記第２半導体層と前記発光層との間に設けられ、窒化物半導体結晶を含み、格子定数が前記第１半導体層の格子定数よりも小さい第１応力印加層と、
を備え、
前記第１半導体層は、ＧａＮを含み、
前記第２半導体層は、ＧａＮを含み、
前記発光層は、ＩｎＧａＮを含み、
前記第１応力印加層は、ＡｌＧａＮを含む半導体発光素子。
【請求項９】
前記発光層の平均の格子定数は、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向けて大きくなる請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記発光層は、
複数の障壁層と、
それぞれが前記複数の障壁層同士の間に設けられた複数の井戸層と、
を含み、
前記複数の井戸層の厚さは、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向けて大きくなる請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第１応力印加層は、格子定数が互いに異なる複数の層を含み、
前記複数の層の格子定数は、前記第２半導体層から前記発光層に向けて大きくなる請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第１半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、前記第１半導体層に圧縮応力を印加する第２応力印加層をさらに備え、
前記第２応力印加層は、ＡｌＧａＮおよびＡｌＮの少なくともいずれかを含む請求項７〜１１のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第２応力印加層の格子定数は、前記第１応力印加層の格子定数よりも小さい請求項１２記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記第１半導体層におけるラマンスペクトルのピークの波数は、５６７．８〜５６６ｃｍ−１である請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記第２半導体層におけるラマンスペクトルのピークの波数は、５６７．８〜５６６ｃｍ−１である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記金属層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくともいずれか２つ以上を含む合金を含む請求項１〜１５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、半導体発光素子に利用され、高性能な素子が実用化されつつある。
【０００３】
しかし、サファイア基板よりも安価で、かつ製造工程が効率的なシリコン基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長して半導体発光素子を形成すると、エピタキシャル結晶層の内部に含まれる引張り応力に起因して、クラックや欠陥などが発生する場合がある。  
高電流密度での素子動作が要求される場合には、素子の温度が高くなり、熱膨張に起因した応力によるクラックや欠陥などの発生の問題が生ずる。このようなクラックや欠陥は、素子特性を劣化させたりするほか、場合によっては素子が動作しなくなる場合がある。結晶層内部に含まれる引張り応力あるいは高温動作時に発生する応力に起因するクラックの発生あるいは欠陥の導入に伴う素子特性の劣化および動作不良を抑制し、発光効率の高い半導体発光素子の実現が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−４３９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、クラックの発生あるいは欠陥の導入に伴う素子特性の劣化を抑制し発光出力の高い半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、発光層と、導電性の金属層と、第１応力印加層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記第１半導体層は、窒化物半導体結晶を含み（０００１）面内に引張り応力を受けている。前記第１半導体層の格子長は、材料固有の格子定数よりも長くなっている。前記第２半導体層は、窒化物半導体結晶を含む。前記発光層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、窒化物半導体結晶を含む。前記発光層の平均の格子定数は、前記第１半導体層の格子定数よりも大きい。前記金属層は、前記第２半導体層の前記発光層とは反対側に設けられている。前記金属層は、窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する。前記金属層は、前記第１半導体層、前記発光層及び前記第２半導体層を支持する。前記第１応力印加層は、前記第２半導体層と前記発光層との間に設けられている。前記第１応力印加層は、前記金属層から前記第２半導体層に印加される引張り応力を緩和する。前記第１半導体層は、ＧａＮを含む。前記第２半導体層は、ＧａＮを含む。前記発光層は、ＩｎＧａＮを含む。前記第１応力印加層は、ＡｌＧａＮを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態にかかる半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は、積層構造に発生する応力を示す模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、支持基板を含む積層構造に発生する応力を示す模式的断面図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、窒化ガリウム結晶のラマンスペクトルを示すグラフ図である。
【図５】実施形態にかかる半導体発光素子を作製する際の結晶積層構造の例を示す模式的断面図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、支持基板を含む他の積層構造に発生する応力を示す模式図である。
【図７】さらに他の積層構造に発生する応力を示す模式的断面図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｃ）は、図５に表した半導体発光素子構造を作製するプロセスを示す模式的断面図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｄ）は、図５に表した半導体発光素子構造を作製するプロセスを示す模式的断面図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、図５に表した半導体発光素子構造を作製するプロセスを示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
図１は、実施形態にかかる半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、実施形態にかかる半導体発光素子１１０は、第１導電形の第１半導体層１０と、第２導電形の第２半導体層２０と、発光層３０と、第１応力印加層２２と、支持基板（金属層）４０と、を備える。半導体発光素子１１０は、例えば、ＬＥＤ素子である。半導体発光素子１１０は、レーザダイオードでも良い。以下では、半導体発光素子１１０が、ＬＥＤである場合として説明する。
【００１０】
第１半導体層１０には、例えばｎ形半導体層が用いられる。第２半導体層２０には、例えばｐ形半導体層が用いられる。ただし、第１半導体層１０がｐ形で、第２半導体層２０はｎ形でも良い。以下では、第１半導体層１０がｎ形で、第２半導体層２０がｐ側である場合として説明する。
【００１１】
第１半導体層１０及び第２半導体層２０は、窒化物半導体結晶を含む。後述するように、第１半導体層１０は、先天的に外部から受けた応力（例えば結晶に加わる静的な力）により面内方向に引張りひずみ（応力を受けた結果生ずる格子間隔の弾性的な伸縮）を有する。すなわち、第１半導体層１０が面内方向に引張り応力を印加されることにより、第１半導体層１０の面内方向の格子長（実際の結晶格子の中での格子間隔）が第１半導体層１０の本来の格子定数（物理定数として決まる値）よりも長くなっている。
【００１２】
第１半導体層１０は、例えばｎ形ＧａＮ層である。第２半導体層２０は、例えば、ｐ形ＧａＮ層である。第１半導体層１０は、例えば、ｉ−ＧａＮ層（以下、「ｎｏｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層」ともいう）と、ｎ形ＧａＮ層と、を含んでも良い。ｉ−ＧａＮ層と第２半導体層２０との間にｎ形ＧａＮ層が配置される。
【００１３】
発光層３０は、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられる。発光層３０は、窒化物半導体結晶を含む。発光層３０は、引張り応力を受けて面内方向に拡張された第１半導体層１０の面内方向の格子長よりもさらに大きな格子定数を有する窒化物半導体結晶を含む。
【００１４】
発光層３０は、例えば、複数の障壁層３４と、障壁層３４どうしの間に設けられた井戸層３２と、を含む。井戸層３２は複数設けられても良い。例えば、発光層３０は、ＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構造を有する。  
井戸層３２及び障壁層３４は、窒化物半導体結晶を含む。
【００１５】
井戸層３２は、引張り応力を受けて面内方向に拡張された第１半導体層１０の面内方向の格子長よりもさらに大きな格子定数を有する窒化物半導体結晶を含む。  
井戸層３２の面内方向の格子は、井戸層３２の格子定数よりも小さい格子長を有する第１半導体層１０の格子から圧縮応力を受ける結果、圧縮ひずみ（格子間隔の弾性的な伸縮）を含み、井戸層３２の本来の面内方向の格子定数よりも小さい格子長を有する。
【００１６】
発光層３０における平均の格子定数は、障壁層３４の格子定数と、井戸層３２の格子定数と、を厚さ配分で重みづけし平均した格子定数である。発光層３０の平均の格子定数は第１半導体層１０の格子定数よりも大きい。さらに、発光層３０の平均の格子定数は、引張り応力を受けて面内方向に拡張された第１半導体層１０の面内方向の格子長よりも大きい。
【００１７】
発光層３０における平均の格子定数は、発光層３０の内部で第１半導体層１０から第２半導体層２０に向けて大きくなることがある。あるいは、ＭＱＷ構造を有する発光層３０における複数の井戸層３２の厚さは、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向けて厚くなることがある。
【００１８】
第１応力印加層２２は、第２半導体層２０と発光層３０との間に設けられる。第１応力印加層２２は、窒化物半導体結晶を含む。第１応力印加層２２の格子定数は、第１半導体層１０の格子定数よりも小さい。第１応力印加層２２は、支持基板４０から印加される引張り応力を緩和する。  
支持基板４０は、第２半導体層２０の発光層３０とは反対側に設けられる。支持基板４０は、導電性の金属層である。支持基板４０には、例えば銅などの金属が用いられる。支持基板４０と第２半導体層２０との間に、反射金属９０および接合金属の少なくともいずれかが挿入されることがある。図１に表した半導体発光素子１１０では、支持基板４０と第２半導体層２０との間に、反射金属９０が挿入されている。
【００１９】
半導体発光素子１１０は、第２応力印加層１６（図５参照）をさらに備えてもよい。第２応力印加層１６は、第１半導体層１０の発光層３０とは反対側に設けられる。例えば、第２応力印加層１６は、第１半導体層１０と接合されている。第２応力印加層１６は、第１半導体層１０に圧縮応力を印加することで、支持基板４０から印加される引張り応力を緩和する。応力については、後述する。
【００２０】
半導体発光素子１１０は、第１電極８１と、第２電極８２と、反射金属９０と、をさらに備える。第２半導体層２０と発光層３０と第１半導体層１０とを含むＬＥＤ積層構造に対して、第２半導体層２０側にＡｇを含む反射金属９０と、ＡｕＳｎを含む接合金属を介して銅などの金属を含む支持基板４０と、が接合されている。
【００２１】
図１に表した矢印３０Ｌのように、発光層３０から放出される光は、第１半導体層１０の側の主面（光取り出し面）から出射する。言い換えれば、発光層３０から放出される光は、第１半導体層１０を介して半導体発光素子１１０の外部に出射する。このように、第１半導体層１０の側の主面は、光取り出し面となっている。光取り出し面には、凹凸加工が施されていることがある。第２半導体層２０と、光取出し面と、の間において、窒化物半導体結晶のＬＥＤ積層構造が形成されている。
【００２２】
第１半導体層１０は、例えば、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶からなる。第１半導体層１０の上には、井戸層３２と障壁層３４との多層膜からなる発光層３０が積層されている。井戸層３２には、例えばＩｎＧａＮが用いられる。障壁層３４には、例えば、ＧａＮが用いられる。発光層３０となる窒化物半導体の量子井戸構造の上に、第２半導体層２０が積層されている。第２半導体層２０は、例えば、ｐ形窒化ガリウム結晶からなる。
【００２３】
本願明細書において「積層」とは、複数の層が互いに接して重ねられる状態の他に、間に別の層が挿入されて重ねられる場合も含む。  
本願明細書において「上に」設けられることは、下側の層に接して上側の層が設けられる場合の他に、下側の層に、別の層を介して、上側の層が設けられる場合も含む。
【００２４】
発光層３０に含まれる井戸層３２（例えばＩｎＧａＮ結晶層）の格子定数は、第１半導体層１０（例えば窒化ガリウム）の格子定数よりも大きい。半導体発光素子１１０は、第１の窒化物半導体結晶（例えば、第１半導体層１０及び第２半導体層２０となるＧａＮ結晶）を母材とし、第１の窒化物半導体結晶の格子定数よりも大きい格子定数を有する第２の窒化物半導体結晶（井戸層３２となるＩｎＧａＮ層）を母材の内部に含む構造を有する。
【００２５】
第１半導体層１０、発光層３０および第２半導体層２０がいずれも六方晶結晶からなり、ｃ軸方向に積層されているとした場合、第１の半導体結晶層の格子のａ軸長（ａ軸方向の格子長）は、ＧａＮ結晶の材料固有のａ軸長（ａ軸方向の格子定数）よりも長い。すなわち、第１の半導体結晶層は、外部からの先天的な引張り応力が印加された結果、ａ軸方向に引張りひずみ（格子間隔の弾性的な伸縮）を有している。発光層３０（例えば、ＩｎＧａＮの井戸層３２とＧａＮの障壁層３４との積層体）の格子の平均的なａ軸方向の格子定数は、第１の半導体結晶の格子のａ軸長よりも長い。発光層３０における格子の平均的なａ軸方向の格子定数は、発光層３０の内部で第１半導体層１０から第２半導体層２０に向けて大きくなることがある。発光層３０における複数の井戸層３２の厚さは、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向けて厚くなることがある。ＧａＮ層に印加されている引張り応力の大きさについては、後述のようにラマン分光法により評価できる。
【００２６】
第２半導体層２０の発光層３０とは反対側に、支持基板４０が設けられる。支持基板４０は、銅あるいは銅を含む金属により形成されることがある。支持基板４０の熱伝導率は、第１半導体層１０と第２半導体層２０と発光層３０とを含む窒化物半導体結晶の熱伝導率よりも高い。支持基板４０の熱膨張係数は、第１半導体層１０と第２半導体層２０と発光層３０とを含む窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい。
【００２７】
図２（ａ）および図２（ｂ）は、積層構造に発生する応力を示す模式的断面図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）は、支持基板を含む積層構造に発生する応力を示す模式的断面図である。
図４（ａ）および図４（ｂ）は、窒化ガリウム結晶のラマンスペクトルを示すグラフ図である。
図２（ａ）および図３（ａ）は、実施形態にかかる半導体発光素子のＬＥＤ積層構造に発生する応力を例示している。図２（ｂ）および図３（ｂ）は、参考例の半導体発光素子のＬＥＤ積層構造に発生する応力を例示している。図４（ａ）は、窒化ガリウム結晶およびシリコン結晶のラマンスペクトルを示すグラフ図である。図４（ｂ）は、シリコン基板上に成長した窒化物半導体結晶のラマンスペクトルとサファイア基板上に成長した窒化物半導体結晶のラマンスペクトルとの比較を示すグラフ図である。図４（ａ）および図４（ｂ）の縦軸は、強度Ｉ（任意単位）を表す。図４（ａ）および図４（ｂ）の横軸は、波数ＲＳ（ｃｍ−１）を表す。
【００２８】
図２（ｂ）に表したように、参考例にかかる半導体発光素子１１９ａでは、（０００１）面を表面とするサファイア基板５５上に、同じく（０００１）面を表面とする窒化ガリウム結晶層が形成され、さらにＩｎＧａＮ薄膜結晶層を含む発光層３０が組み合わされている。（０００１）面を表面とするサファイア基板５５上に形成された参考例の半導体発光素子１１９ａの各半導体結晶は、ｃ軸方向に配向している。
【００２９】
半導体発光素子１１９ａのように、サファイア基板５５上に窒化物半導体結晶層を積層した発光ダイオードは、サファイア基板５５上に、ｎ形ＧａＮ層（第１半導体層１０）と、量子井戸型発光層（発光層３０）と、ｐ形ＧａＮ層（第２半導体層２０）と、を積層した構造を有する。サファイア基板５５は、対象とする青色領域の波長帯に対してほぼ透明である。そのため、例えば、サファイア基板５５の裏面に反射膜５７を形成した上で、表面側のｐ形ＧａＮ層の上部から光を取り出す構造（Ｆａｃｅ−ｕｐ構造）が採用される。
【００３０】
サファイア基板５５上にエピタキシャル成長をした窒化ガリウムを用いたＬＥＤでは、窒化ガリウムの結晶層を成長するための結晶基板となるサファイアの等価的格子長さは、窒化ガリウムの格子定数より小さい。また、窒化ガリウム結晶の熱膨張係数は、下地となるサファイア結晶の熱膨張係数より小さい。そのため、高温での薄膜結晶成長が完了し室温まで温度を下げた際の窒化ガリウム結晶層には、図２（ｂ）に表した矢印Ａ１および矢印Ａ２のように、大きな圧縮応力が印加される。窒化ガリウム結晶層は、圧縮ひずみ（格子間隔の弾性的な伸縮）を有する。すなわち、サファイア基板５５上にエピタキシャル成長をした窒化ガリウム結晶層のａ軸方向の格子長は、窒化ガリウム結晶の本来のａ軸方向の格子定数よりも短い。
【００３１】
発光層３０に含まれるＩｎＧａＮ結晶層の格子定数は、窒化ガリウムの格子定数より大きい。そのため、図２（ｂ）に表した矢印Ａ３および矢印Ａ４のように、サファイア結晶からの圧縮応力が加わった窒化ガリウム結晶層には、ＩｎＧａＮ結晶層から引っ張る方向で応力（引張り応力）が加えられる。一方、図２（ｂ）に表した矢印Ａ５および矢印Ａ６のように、発光層３０には、窒化ガリウム結晶層から圧縮応力を受ける。このような圧縮応力および引張り応力は、（０００１）面内に、言い換えれば例えばａ軸方向に発生する。
【００３２】
このように、窒化ガリウムの格子定数よりも大きい格子定数を有するＩｎＧａＮ結晶層から窒化ガリウム結晶層に加えられる引張り応力は、サファイア結晶から窒化ガリウム結晶層に加えられる圧縮応力と比較的つり合う。このため、ｎ形ＧａＮ層の端面やｐ形ＧａＮ層の端面などから欠陥が発生することは、比較的少ない。
【００３３】
一方、より高い光出力を目指し、電流注入を増大する動作条件下では、発熱に対する対策が行われる。そのために、例えば図３（ｂ）に表したように、窒化物半導体からなるＬＥＤ構造をサファイア基板５５上にエピタキシャル成長した後、ｐ形ＧａＮ層の表面側を熱伝導性の高い支持基板４０に貼り付け、サファイア基板５５を剥離した構造（Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ構造）が採用される。
【００３４】
Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ構造においては、高い電流密度での動作時（高温動作時）の放熱を促進するために、支持基板４０として銅などの金属を用いることがある。この場合、一般に銅などの金属の熱膨張係数は、第１半導体層１０と第２半導体層２０と発光層３０とを含む窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい。具体的には、窒化ガリウムの熱膨張係数は、５．６×１０−６Ｋ−１である。これに対して、銅の熱膨張係数は、１６．８×１０−６Ｋ−１である。すなわち、図３（ｂ）に表した矢印Ａ７および矢印Ａ８のように、銅を支持基板４０とするＴｈｉｎ−ｆｉｌｍ構造のＬＥＤ素子を高温で動作させた場合、支持基板４０が窒化物半導体結晶層よりも大きく膨張する。そのため、窒化物半導体結晶層は、支持基板４０から引張り応力を受ける。
【００３５】
ここで、本発明者の知見によれば、サファイア基板５５から窒化ガリウム結晶層に加えられる圧縮応力に起因した圧縮ひずみは、サファイア基板５５を除去したＴｈｉｎ−ｆｉｌｍ構造においても残留していることが分かっている。すなわち、サファイア基板５５を除去した後においても、窒化ガリウム結晶層のａ軸方向の格子長は、窒化ガリウム結晶の本来のａ軸方向の格子定数よりも短い。すなわち、サファイア基板５５上にＬＥＤ構造の結晶を成長した後、サファイア基板５５を除去したＴｈｉｎ−ｆｉｌｍ構造では、高温動作時に支持基板４０からの引張り応力を受けた場合にも、作成プロセスにおいて内部に残留した圧縮ひずみ（応力を受けた結果生ずる格子間隔の弾性的な伸縮）がバランスする。その結果、耐性は強い。
【００３６】
一方で、サファイア基板よりも安価で、かつ製造工程が効率的になる比較的大きい面積の基板を利用するために、シリコン結晶上への窒化ガリウム結晶の成長が試みられる。
【００３７】
図２（ａ）に表したように、実施形態にかかる半導体発光素子１１０は、（１１１）面を表面とするシリコン結晶上に形成され、ｎ形ＧａＮ層（第１半導体層１０）と、量子井戸型発光層（発光層３０）と、ｐ形ＧａＮ層（第２半導体層２０）と、を積層したＬＥＤ積層構造を有する。また、（１１１）面を表面とするシリコン基板５０上に形成された半導体発光素子１１０の各半導体結晶は、ｃ軸方向に配向している。
【００３８】
窒化ガリウムの結晶層を成長するための結晶基板となる（１１１）面を表面とするシリコン結晶の等価的格子長さは、窒化ガリウムのａ軸方向の格子定数よりも大きい。また、シリコン結晶の熱膨張係数は、窒化ガリウムの熱膨張係数よりも小さい。そのため、結晶成長終了後の窒化ガリウム結晶層には、図２（ａ）に表した矢印Ａ１１および矢印Ａ１２のように、強い引張り応力が印加される。窒化ガリウム結晶層は、引張りひずみ（格子間隔の弾性的な伸縮）を有している。さらに、図２（ａ）に表した矢印Ａ１３および矢印Ａ１４のように、シリコン結晶上に形成した窒化物半導体結晶系では、ＩｎＧａＮ結晶層からさらなる引張り応力を受ける。一方、図２（ａ）に表した矢印Ａ１５および矢印Ａ１６のように、発光層３０は、窒化ガリウム結晶層から圧縮応力を受ける。このような圧縮応力および引張り応力は、（０００１）面内に、言い換えれば例えばａ軸方向に発生する。
【００３９】
このように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、窒化ガリウムの格子定数よりも大きい格子定数を有するＩｎＧａＮ結晶層から窒化ガリウム結晶層に加えられる引張り応力は、シリコン結晶から窒化ガリウム結晶層に加えられる引張り応力と相乗する。このため、シリコン基板５０上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長し、半導体発光素子を形成した場合には、エピタキシャル結晶層の内部に蓄積される引張り応力が弾性的な結晶格子の変形（ひずみ）のみならず、結晶の塑性的変形としてクラックや欠陥などを発生させることがある。そうすると、素子作製プロセスや素子動作時において障害をもたらしたり、素子特性を劣化させる場合がある。
【００４０】
また、シリコン基板５０上に成長した窒化物結晶を母材として半導体発光素子を作製する場合には、シリコン基板が一般的に取り扱う光の波長に対して透明でない。このため、成長層をシリコン基板から剥離するＴｈｉｎ−ｆｉｌｍ構造が用いられる。
【００４１】
前述したように、高い電流密度での動作時（高温動作時）の放熱を促進するために、支持基板４０として銅やアルミニウムなどの金属を用いることがある。この場合、前述のとおり、一般に銅やアルミニウムなど高い熱伝導率を有する金属の熱膨張係数は、窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい。ＬＥＤ素子を高温で動作させた場合、図３（ａ）に表した矢印Ａ１７および矢印Ａ１８のように、支持基板４０が窒化物半導体結晶層よりも大きく膨張する。そのため、窒化物半導体結晶層は、支持基板４０から引張り応力を受ける。
【００４２】
前述したように、ＬＥＤ構造の結晶部から成長用基板を剥離したＴｈｉｎ−ｆｉｌｍ構造において、基板の格子定数と結晶層の格子定数との差あるいは基板の熱膨張係数と結晶層の熱膨張係数との差に起因して成長後に窒化物半導体結晶層の内部に蓄積される応力により生ずる引張りひずみ（格子間隔の弾性的な伸縮）は、成長基板を剥離した後も残存する。高温動作時においては、窒化物半導体結晶層は、作成プロセスにおいて内部に残存した引っ張り応力に加え、支持基板４０の熱膨張係数と結晶層の熱膨張係数との差に起因する引張り応力をさらに受ける。すなわち、Ｓｉ基板５０上に窒化物半導体結晶からなるＬＥＤ構造を成長した場合には、ＧａＮ結晶層に引張りひずみ（格子間隔の弾性的な伸縮）が含まれる。ＧａＮ結晶のａ軸方向の格子長は、ＧａＮ結晶本来のａ軸方向の格子定数よりも大きくなる。そのため、Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ構造において銅などの金属により形成された支持基板４０が用いられた場合、高温動作時において、支持基板４０の熱膨張係数と結晶層の熱膨張係数との差に起因する引張り応力は、結晶層内部に含まれる引張りひずみに対して相乗的に働く。これにより、高温動作時に欠陥やクラックなどの塑性変形を発生させ、特性劣化や、素子動作不良が生ずるリスクはより高まる。
【００４３】
発光層３０のＩｎ組成が高く、発光層３０の平均的な格子長が大きいときには、ＩｎＧａＮ結晶層から窒化ガリウム結晶層に加えられる引張り応力が大きく、動作時において発生する障害が顕著である。また、ＩｎＧａＮ結晶層の厚さが厚い場合においても、動作時において発生する障害が顕著である。
【００４４】
発光層３０の内部の平均的格子定数が第１半導体層１０から第２半導体層２０に向けて大きくなる場合には、より大きな引張り応力が第２半導体層２０に加わる。そのため、支持基板４０から第２半導体層２０に対して引張り応力が加えられる場合には、結晶欠陥・クラック発生のリスクはさらに高まる。具体的には、発光層３０の内部の複数のＩｎＧａＮ井戸層３２の厚さが、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向けて厚くなっている場合には、実効的により大きな引張り応力が第２半導体層２０に印加される。そのため、支持基板４０から印加される引張り応力がより相乗的に働く。
【００４５】
これに対して、実施形態にかかる半導体発光素子１１０においては、図１および図３（ａ）に表したように、第２半導体層２０と発光層３０との間に第１応力印加層２２が設けられる。これにより、第１応力印加層２２は、支持基板４０から印加される引張り応力を緩和する。
【００４６】
第１応力印加層２２は、例えば、ＡｌＧａＮ層を含む。第１応力印加層２２は、一層のＡｌＧａＮ層を含むことに限定されず、複数のＡｌＧａＮ層を含んでいてもよい。
【００４７】
実施形態にかかる半導体発光素子１１０によれば、母材としての第１の半導体結晶または第２半導体結晶に引張りひずみが残存する条件下であっても、第１応力印加層２２が支持基板４０から加えられる引張り応力を緩和することができる。そのため、高温動作時におけるクラックの発生あるいは欠陥の導入を抑制し、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができる。具体的には、Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ構造において銅などの金属により形成された支持基板４０が用いられた場合において、高い電流密度での動作時（高温動作時）に引張り応力が発生しても、クラックの発生あるいは欠陥の導入を抑制し、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
【００４８】
例えば、図２（ａ）に関して前述したように、引張り応力を含む薄膜結晶（第１半導体層１０）中にさらに引張り応力を印加する支持基板４０が含まれる素子構造において、支持基板４０から印加される引張り応力を緩和するための第１応力印加層２２が配置されている。そのため、引張り応力に起因する欠陥の導入に伴う素子特性の劣化を抑制することが可能である。
【００４９】
また、窒化ガリウム結晶層に加えられた応力が圧縮応力であるかあるいは引張り応力であるかについては、ラマンスペクトルから判定することができる。例えば、応力が印加されていない窒化ガリウム結晶におけるラマンスペクトルのピークは、約５６８ｃｍ−１であるが、引張り応力が印加された窒化ガリウム結晶においては、５６８ｃｍ−１よりも小さい波数ＲＳ、例えば約５６７．８〜５６６ｃｍ−１であり、圧縮応力が印加された窒化ガリウム結晶においては、５６８ｃｍ−１よりも大きい波数ＲＳで、約５７５ｃｍ−１までの値となる。図４（ｂ）に表したグラフ図によれば、シリコン基板５０上に成長したＧａＮ結晶層には、０．１〜０．１５％の引張り応力が含まれていることがわかる。
【００５０】
図５は、実施形態にかかる半導体発光素子を作製する際の結晶積層構造の例を示す模式的断面図である。  
図５に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１２０では、シリコン基板５０の上に、ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層とを有するバッファ層１２（後の第２応力印加層となり得る層）が配置されている。バッファ層１２の上には、厚さ３００ナノメートル（ｎｍ）のｎｏｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層１４をはさみ、厚さ１５ｎｍのＡｌＮ層（成長時応力調整層：後の第２応力印加層となり得る層）１６が設けられている。ＡｌＮ層１６の上には、第１半導体層１０が積層されている。第１半導体層１０には、厚さ２マイクロメートル（μｍ）のｎ形ＧａＮ層１８、及び厚さ１μｍのｎｏｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層１７が積層されている。
【００５１】
ｎ形ＧａＮ層１８の上には、厚さ３ｎｍのＧａＮ層と、Ｉｎ組成７％、厚さ１ｎｍのＩｎＧａＮ層と、を３０回繰り返して形成した構造を有するＳＬＳ（Super lattice structure：超格子構造）層６０が配置されている。ＳＬＳ層６０の上には、ＭＱＷ発光層３０が積層されている。ＭＱＷ発光層３０は、ＧａＮからなる厚さ５ｎｍの障壁層３４と、Ｉｎ組成１５％、厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ層からなる井戸層３２と、が８回繰り返されて形成された構造を有する。実施形態の半導体発光素子１２０では、井戸層３２におけるＩｎの組成比は、例えば０．１２以上０．２０以下である。
【００５２】
発光層３０の上には、Ａｌ組成２０％のｐ形ＡｌＧａＮ層（第１応力印加層２２）が配置されている。ｐ形ＡｌＧａＮ層（第１応力印加層２２）の上には、ｐ形ＧａＮ層（第２半導体層２０）が配置されている。ｐ形ＧａＮ層（第２半導体層２０）上には、反射金属９０が配置されている。
【００５３】
反射金属９０の上には、接合金属を挟み銅の支持基板４０が張り合わせられる。後述のプロセスに従い支持基板４０を張り合わせ、ｎ電極形成を施した後に、エピタキシャル成長用のシリコン基板５０を剥離して素子を完成させる。ここでは、図１に表した半導体発光素子１１０と異なり、バッファ層１２と第１半導体層１０（ｎ形ＧａＮ層）との間に第２応力印加層１６が挿入されている。第２応力印加層１６は、成長時応力調整層を除去せずに残存させることにより素子内に取り入れることが可能である。
【００５４】
ここで、前述したように、窒化ガリウムの熱膨張係数は、５．６×１０−６Ｋ−１である。これに対して、銅の熱膨張係数は、１６．８×１０−６Ｋ−１である。高出力のＬＥＤ素子の動作には、通常３５０ｍＡ以上の電流を通電する、このとき、素子内の温度は、１００℃さらには２００℃程度にまで達する可能性もある。動作温度が２００℃である場合、窒化ガリウムの熱膨張率は約０．１１％である。これに対して、支持基板４０である銅の熱膨張率は約０．３３％である。支持基板４０である銅の熱膨張率は、窒化ガリウムの熱膨張率の約３倍である。すなわち、０．２２％の差分に相当する引張り応力が窒化ガリウム結晶層に印加されることになる。
【００５５】
一方、ＧａＮ結晶の面内方向（ａ軸方向）の格子定数は、０．５１８ｎｍである。ＡｌＮ結晶の面内方向（ａ軸方向）の格子定数は、０．４９８ｎｍである。ＧａＮ結晶の面内方向（ａ軸方向）の格子定数と、ＡｌＮ結晶の面内方向（ａ軸方向）の格子定数と、の差は、約４％である。従って、Ａｌ組成５％相当のＡｌＧａＮ結晶（ａ軸方向の格子定数はおよそ０．５１７ｎｍであり、ＧａＮ結晶との不整合率は０．２％である）が第１応力印加層２２として適している。ただし、ＧａＮ結晶層に引張りひずみが最大で０．５〜１．０％程度残存している可能性があることを考慮すると、第１応力印加層２２となるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、３０％程度まで高くてもよい。第１応力印加層２２の厚さは、５〜２０ｎｍの範囲で設定される。
【００５６】
また、第２応力印加層１６に関しては、発光層３０を間に介して、反射金属を含む銅の支持基板４０とｐ形ＧａＮ層２０との接合界面から離れていることから、第１応力印加層２２のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成のＡｌＧａＮ層が適している。すなわち、第２応力印加層１６の格子定数は、第１応力印加層２２の格子定数よりも小さい方がより好ましい。具体的には、ＡｌＮ結晶層がよい。第２応力印加層１６の厚さは、１０〜５０ｎｍに設定される。また、第２応力印加層１６は、ＡｌＮ層と、Ａｌ組成５０％程度以下のＡｌＧａＮ層と、の２層構造を有していてもよい。
【００５７】
図６（ａ）および図６（ｂ）は、他の積層構造に発生する応力を示す模式図である。
図６（ａ）は、他の積層構造の構成を示す模式的断面図である。図６（ｂ）は、積層方向における位置と内部応力との関係の例を示すグラフ図である。本願明細書において「積層方向」とは、第１半導体層１０から第２半導体層２０へ向かう方向あるいは第２半導体層２０から第１半導体層１０へ向かう方向をいう。
【００５８】
半導体発光素子１３０では、ＭＱＷ構造を有する発光層３０における複数の井戸層３２の厚さは、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向けて厚くなる。具体的には、例えば、複数の井戸層３２のうちでｐ形ＧａＮ層に最も近い井戸層３２以外の井戸層３２の厚さは、３ｎｍである。これに対して、複数の井戸層３２のうちでｐ形ＧａＮ層に最も近い井戸層３２の厚さは、５ｎｍである。発光層３０の障壁層３４の厚さは、５ｎｍである。これは、図５に関して前述した半導体発光素子１２０の障壁層３４の厚さと同様である。
【００５９】
図６（ａ）に表した矢印Ａ２３、矢印Ａ２４および図６（ｂ）に表したように、ＩｎＧａＮからなる井戸層３２の幅が広い構造では、井戸層３２からｐ形ＧａＮ層にかかる引張り応力は、より強い。井戸層３２からｐ形ＧａＮ層にかかる引張り応力は、銅の支持基板４０からｐ形ＧａＮ層に印加される引張り応力と重畳する。これにより、高温動作時のクラック発生の頻度は、より高くなる。そのため、ＡｌＧａＮ結晶からなる第１応力印加層２２の効果がより顕著となる。この例のように、発光層３０の中で、ｎ形ＧａＮ層（第１半導体層１０）からｐ形ＧａＮ層（第２半導体層２０）に向けて実効的に平均格子定数が大きくなる場合には、第１応力印加層２２の効果がより大きい。ただし、ｐ形ＧａＮ層の側で平均格子定数が大きくなる場合には、第１応力印加層２２（ＡｌＧａＮ層）の格子定数と井戸層３２の格子定数との差が大きくなり、発光層３０と第１応力印加層２２との界面で欠陥の発生するリスクが向上する。
【００６０】
図７は、さらに他の積層構造に発生する応力を示す模式的断面図である。
半導体発光素子１４０では、図６に関して前述した半導体発光素子１３０と同様に、ＭＱＷ構造を有する発光層３０における複数の井戸層３２の厚さは、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向けて厚くなる。
【００６１】
この場合、図７に表したように、第１応力印加層２２の内部を２層構造とすることが有効な手段の１つである。すなわち、発光層３０に近い側の第１応力印加部２２ａをＡｌ組成の相対的に低いＡｌＧａＮ層とする。ｐ形ＧａＮ層（第２半導体層２０）に近い側の第２応力印加部２２ｂをＡｌ組成の相対的に高いＡｌＧａＮ層とする。具体的には、例えば、発光層３０に近い側の第１応力印加部２２ａを、Ａｌ組成１０％、厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮ層として形成する。その上のｐ形ＧａＮ層に近い側の第２応力印加部２２ｂを、Ａｌ組成２０％、厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮ層として積層する。ここで、第１応力印加層２２の構造は、ＡｌＧａＮ層の２層構造であることに限定されるわけではない。例えば、第１応力印加層２２は、３層以上の多層構造を有していてもよく、さらには連続的に組成が傾斜する構造を有していてもよい。発光層３０からｐ形ＧａＮ層に向けて、格子定数がより小さくなる構造とすることがより好ましい。
【００６２】
次に、図５に関して前述した半導体発光素子１２０の作製プロセスの一例について、説明する。  
図８（ａ）〜図１０（ｆ）は、図５に表した半導体発光素子構造を作製するプロセスを示す模式的断面図である。
【００６３】
まず、薄膜窒化物半導体の結晶成長用基板として（１１１）面を表面とするシリコン基板５０を用意する。シリコン基板５０の結晶の厚さは、例えば約５２５μｍ程度である。
但し、シリコン基板５０の結晶の厚さは、これだけに限定されず、例えば２５０μｍ〜１０００μｍ程度であってもよい。
【００６４】
一般に大気中に置かれているＳｉ基板５０の表面は、自然酸化膜で被覆されている。窒化物半導体結晶層をエピタキシャル成長させるには、この自然酸化膜を除去し、シリコン結晶表面を露出させる必要がある。そこで、比較的低温でシリコン結晶表面を露出させる手法である水素終端処理を施すために、シリコン基板５０に酸処理洗浄を施す。具体的には、基板表面の汚染物を除去する酸洗浄処理を施したのちに、シリコン基板５０を濃度１％程度の希弗酸溶液により約１分程度の処理を行う。この処理により、Ｓｉ層表面は、水素で終端された表面構造となり、はっ水性の表面となる。このシリコン結晶表面を覆う水素原子は、７００℃程度の温度で脱離する。これにより、清浄なシリコン結晶表面を得ることができる。一方、清浄なシリコン結晶表面を得るための他の手法として、薄い自然酸化膜で表面が覆われたシリコン結晶基板を１０００℃以上の高温で熱処理する方法もある。
【００６５】
ここでは、表面が水素終端処理されたＳｉ基板５０を有機金属とアンモニアガスとを原料とする成膜装置（ＭＯＣＶＤ装置）に導入し、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層を成膜温度１２００℃で積層する。なお、ここでは、ＡｌＮ層の成膜にＭＯＣＶＤ装置を用いる例を説明したが、成膜方法の選択は任意である。例えば、ＡｌＮ層の成膜装置として、ＥＣＲプラズマスパッタ装置や、ＭＢＥ装置などを用いてもよい。
【００６６】
Ｓｉ基板５０上のＡｌＮ層の成膜をＭＯＣＶＤ装置以外で行う場合には、ＡｌＮ層の成膜後にＭＯＣＶＤ装置に基板を導入し引き続き以下の成膜工程を続ける。
Ｓｉ基板５０上に１００ｎｍのＡｌＮ層を積層したのち、基板温度を１１００℃に設定しＡｌ組成２５％、厚さ２５０ｎｍのＡｌＧａＮ層を積層する。  
このようにして形成されたＡｌＮ層およびＡｌＧａＮ層は、図５に表したバッファ層１２に相当する。
【００６７】
その後に、ＴＭＧ(トリメチルガリウム)およびＮＨ３（アンモニア）を原料として０．３〜１．０μｍの窒化ガリウム層を形成する。０．３〜１．０μｍの窒化ガリウム層１４を積層したのち、成膜温度を７００℃に下げ、厚さ１５ｎｍのＡｌＮ層１６を成長する。
【００６８】
ＡｌＮ層１６は、成長時の応力調整層として機能する。このとき、ＡｌＮ層１６の上にさらに厚さ５０ｎｍ、Ａｌ組成２５％のＡｌＧａＮ層を積層してもよい。また、ＡｌＮ層１６あるいはＡｌＮ層１６とＡｌＧａＮ層との積層構造は、第２応力印加層として用いられてもよい。さらに、成長時の応力調整層となる厚さ１５ｎｍのＡｌＮ層１６を挿入せず、バッファ層１２となるＡｌＮ層（あるいはＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層の積層構造からなるバッファ層１２）を第２応力印加層として用いることもできる。
【００６９】
続いて、ｎ形ＧａＮ（第１半導体層）１０を積層する。このとき、ｎ形ＧａＮ１０にはＳｉが不純物として１×１０１９ｃｍ−２の濃度で添加されている。ここで、図５に表したように、ＡｌＮ層１６の上にｎ形ＧａＮ１０を直接形成するのではなく、不純物を含まない障壁層（ｎｏｎ−ｄｏｐｅｄ 障壁層）１７を厚さ１〜３μｍ程度で成長した後、ｎ形ＧａＮ層１８を積層してもよい。つまり、第１半導体層１０は、ｎｏｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮ層１７と、ｎ形ＧａＮ層１８と、が積層された構造を有していてもよい。
【００７０】
ｎ形ＧａＮ１０の成長をした後、このｎ形窒化ガリウム結晶層１０の上にＩｎＧａＮとＧａＮの多層膜からなるＳＬＳ層６０及び発光層（ＭＱＷ発光層）３０を積層する。また、発光層３０を光らせるための電流注入をするために、結晶構造の上部側にはｐ形（Ｍｇ）のドーピングをする。このとき、発光層３０の上には、Ａｌ組成２０％、厚さ１５０ｎｍのＡｌＧａＮ層（第１応力印加層２２）と、Ａｌを含まないｐ形ＧａＮ（第２半導体層２０）と、が形成される。
【００７１】
また、ＡｌＧａＮ層にもｐ形（Ｍｇ）のドーピングをしてもよい。Ｍｇのドーピング濃度は、１×１０１９〜１×１０２０ｃｍ−２の範囲の濃度であることがより好ましい。ただし、ＭＯＣＶＤ法によりＭｇドーピング層を形成する場合には、ドーピング濃度は、メモリー効果により変化するので必ずしも均一なドーピングプロファイルにはならない。従って、Ｍｇのドーピング濃度は、上述の範囲を外れることもあるが許容される。
【００７２】
ここでは、ｎ形ＧａＮ結晶層１０、発光層３０、第１応力印加層２２及びｐ形ＧａＮ２０の薄膜結晶成長の手法として有機金属を用いた気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を挙げているが、これだけに限定されるわけではない。ｎ形ＧａＮ結晶層１０、発光層３０、第１応力印加層２２及びｐ形ＧａＮ２０の薄膜結晶成長の手法としては、一般に窒化物半導体結晶成長に用いられている薄膜結晶成長法である分子線エピタキシー法（MBE: Molecular Beam Epitaxy）やＨＶＰＥ法(Hydride Vapor Phase Epitaxy)などいずれの方法を用いてもかまわない。
【００７３】
このようにして、図８（ａ）に表したように、ＬＥＤ構造の薄膜結晶層（結晶成長層）７０をエピタキシャル成長することができる。その後、図８（ｂ）に表したように、第２半導体層２０の表面に反射膜兼コンタクト層としてのＡｇを含む金属膜（反射金属９０）、例えば銀ニッケル層、を積層後、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属材料からなる中間層（図示せず）を挟み、接合金属（例えば金錫合金（図示せず））を介して、銅などの導電性の支持基板４０に貼り合わせる。支持基板４０の厚さは、１００〜２００μｍ程度であることが好ましい。反射金属９０（あるいはさらに積層した接合金属、または支持基板４０）に電極を形成することによりｐ側電極とすることができる。
【００７４】
次に、ｎ側電極の形成について説明する。図８（ｃ）に表したように、薄膜結晶成長用基板であるＳｉ基板５０を除去する。第２半導体層２０側に支持基板４０を貼り付けた後、成長基板を研削することにより成長用Ｓｉ基板５０を除去することが可能である。このとき、Ｓｉ基板５０をおおむね研削により除去した後、最終的にＳＦ６ガスをエッチャントとするドライエッチングでわずかに残ったＳｉを除去することにより、Ｓｉ基板５０上に最初に形成したＡｌＮ層（バッファ層１２）を露出させることができる。
【００７５】
ここで、ＡｌＮ層は、抵抗成分を高くする性質を有する。そのため、例えば図５に関して前述した積層構造を有する半導体発光素子では、ＡｌＮ系バッファ層（例えば、ＡｌＮ層を含むバッファ層１２）およびＡｌＮ系成長時応力調整層を除去しｎ形ＧａＮ層１８を露出させた後に、ｎ側電極を施す例がある。
【００７６】
具体的には、ＡｌＮ系バッファ層あるいはＡｌＮ層は、電極形成を考えた場合には、高いコンタクト抵抗を有する。また、シリーズ抵抗成分が増加する。そのため、一般的なプロセスでは、電極形成部のＡｌＮ系バッファ層及びＡｌＮ系成長時応力調整層を除去しｎ側電極（第１電極８１）を形成する部分においてｎ形ＧａＮ層を露出させる。
【００７７】
一方、以下の例では、バッファ層１２を除去しつつも、ＡｌＮ系成長時応力調整層を第２応力印加層として利用する場合も含めて例を説明する。図９（ａ）に表したように、結晶成長層７０を素子のサイズで窒化物半導体結晶層部７０ａに分割する。このとき、ｐ形電極（第２電極８２）金属よりも下の基板側については、分割しない状態で保持する。続いて、図９（ｂ）に表したように、ｎ側電極（第１電極８１）を形成する部分以外をマスク８７で保護した上で、バッファ層１２から成長時応力調整層をまでをエッチング除去し、第１半導体層１０（ｎ形ＧａＮ）を露出させる。そののち、図９（ｃ）に表したように、ｎ側電極（第１電極８１）を形成する部分のみをマスク８９で保護した上で、ＫＯＨ溶液により窒化物半導体表面（第１半導体層１０）側に深さ約５００ｎｍ程度の凹凸加工を施す。このとき、表面に露出しているＡｌＮおよびＡｌＧａＮ層（バッファ層１２）は、エッチングにより除去される。また、結晶成長層７０（窒化物半導体結晶層部７０ａ）の内部に含まれるＡｌＮ系成長時応力調整層については、窒化物半導体表面の凹凸加工により除去される。ただし、ＡｌＮ系成長時応力調整層を除去せず残し、第２応力印加層として用いることもできる（図９（ｃ）参照）。
最後に、図９（ｄ）に表したように、ｐ形電極およびｎ形電極を形成して完成する。
【００７８】
前述の作成方法では、ｐ形電極およびｎ形電極を窒化物半導体結晶層の両側から形成する手順について説明した。ただし、両方の電極（ｐ形電極およびｎ形電極）を光取出し面の反対側に形成することも可能である。以下、具体的な作成方法を説明する。
【００７９】
（１１１）面を表面とするシリコン基板５０上にＬＥＤ構造を有する窒化物半導体薄膜結晶の積層構造をエピタキシャル成長する工程は、前述と同様であるため省略する。表面にｐ形ＧａＮ結晶層を有するＬＥＤ構造の窒化物半導体薄膜結晶成長層のエピタキシャル成長が終了したのち、最初にｐ形ＧａＮ層の全面に保護膜８５を形成する。その後に、一部を開口しエッチング処理を施す。このエッチング処理により開口部分のｐ形層、第１応力印加層２２および発光層３０をエッチングし、ｎ−ＧａＮ層１０を露出させる（図１０（ａ）参照）。そののち、図１０（ｂ）に表したように、露出させたｎ−ＧａＮ層の部分にＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕなどからなるオーミックコンタクト８３を形成する。
【００８０】
そののち、ｐ形ＧａＮ層を覆う保護膜８５を除去し、ｎ電極形成部に保護膜８４を形成する。さらに、ｐ形ＧａＮ層表面に銀あるいは銀を主成分とする合金からなる反射金属９０を積層する。その上に、例えばＴｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌなどの金属からなる中間層（図示せず）をはさみ、さらに金錫合金からなる接合金属（図示せず）を積層する。そののち、銅などの金属からなる支持基板４０を張り合わせる（図１０（ｃ）参照）。支持基板の厚さは、１００〜２００μｍ程度であることが好ましい。
【００８１】
図１０（ｄ）に表したように、支持基板４０を張り合わせた後に、エピタキシャル成長に用いたＳｉ基板５０を剥離しＡｌＮバッファ層１２を露出させる。ＡｌＮバッファ層が露出された後に、露出面に凹凸加工を施す。このとき、ＡｌＮバッファ層は除去される。さらに、ＡｌＮ系の成長時応力調整層を除去する。あるいは、ＡｌＮ系の成長時応力調整層を除去せず第２応力印加層１６として用いる（図１０（ｅ）参照）。このような素子作成プロセスにおいては、光取出し面にｎ側電極がない。そのため、全面を凹凸加工することが可能である。
【００８２】
凹凸加工終了後に、銅の支持基板４０のｎ電極部分を開口する。続いて、支持基板４０と絶縁をしてｎ引き出し電極を露出させ、ｎ電極の配線を接続する。ｐ側電極については、基板４０を利用することができる（図１０（ｆ）参照）。
【００８３】
ここで、前述したように、ｎ電極をｎ−ＧａＮ層の側から形成する場合には、ＬＥＤ構造の薄膜結晶成長終了直後に平坦なｐ−ＧａＮ層の上に銅の支持基板４０を張り合わせる。これに対して、ｎ電極をｐ−ＧａＮ層の側から形成するプロセスでは、予めｎ電極部を形成したｐ形ＧａＮ層の上に銅の支持基板４０を張り合わせることになる。すなわち、一部に加工の凹凸のある（平坦ではない）表面に、銅の支持基板４０を張り合わせることが必要となる。張り合わせの際には、接合金属層を介することで接合面の凹凸に追従させている。ただし、平坦面への張り合わせに比べると、ボイドなどの発生に伴う接合特性の劣化が生ずることがある。この問題に対応するためには、銅の支持基板４０を前述のとおり板状基板として張り合わせるのではなく、めっき工程で形成する手法も有効な手段の１つである。
【００８４】
具体的には、シリコン基板５０上にＬＥＤ構造の窒化物半導体結晶層のエピタキシャル成長を施した基板に、ｎ電極およびｐ電極の形成準備の加工を施す。そののち、銀あるいは銀を主成分とする反射金属９０、さらにＴｉ、Ｗ、Ｐｔなどの金属からなる中間層を蒸着法やスパッタ法等で積層する。続いて、Ｔｉ、Ｃｕを含むシード層を積層し、最後にメッキ法で１００μｍ程度の厚さの銅を形成する。メッキ法で銅の支持基板４０を形成する場合には、電極形成部の凹凸に対して密着性の高い構造の作成が可能となる。
【００８５】
導電性の支持基板４０の材料は、銅（熱伝導率：３７０−３８０Ｗｍ−１Ｋ−１、熱膨張係数１６．６×１０−６Ｋ−１）の他に、金（熱伝導率：２９５−３２０Ｗｍ−１Ｋ−１、熱膨張係数１４．２×１０−６Ｋ−１）、銀（熱伝導率：４１８Ｗｍ−１Ｋ−１、熱膨張係数１８．９×１０−６Ｋ−１）などでもよい。また、導電性の支持基板４０の材料は、アルミニウム（熱伝導率：２００−２３０Ｗｍ−１Ｋ−１、熱膨張係数２３．１×１０−６Ｋ−１）でもよい。さらに、導電性の支持基板４０の材料は、上記金属同士の合金、あるいは上記金属を母材とする合金などでもよい。導電性の支持基板４０は、合金を含む上記金属層を主たる層として、その他の材料と組み合わせた積層膜構造を有していてもよい。すなわち、実施形態の支持基板４０は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、上記の群から選択された少なくともいずれか２つ以上を含む合金を含む。
【００８６】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【００８７】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる発光層、半導体層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００８８】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００８９】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００９０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１０ 第１半導体層、  １２ バッファ層、  １４ 窒化ガリウム層、  １６ 第２応力印加層、  １７ 窒化ガリウム層（ＧａＮ層）、  １８ ｎ形ＧａＮ層、  ２０ 第２半導体層、  ２２ 第１応力印加層、  ２２ａ 第１応力印加部、  ２２ｂ 第２応力印加部、  ３０ 発光層、  ３２ 井戸層、  ３４ 障壁層、  ４０ 支持基板、  ５０ シリコン基板、  ５５ サファイア基板、  ５７ 反射膜、  ６０ ＳＬＳ層、  ７０ 結晶成長層、  ７０ａ 窒化物半導体結晶層部、  ８１ 第１電極、  ８２ 第２電極、  ８３ オーミックコンタクト、  ８４、８５ 保護膜、  ８７、８９ マスク、  ９０ 反射金属、  １１０、１１９ａ、１２０、１３０、１４０ 半導体発光素子
【要約】
【課題】クラックの発生あるいは欠陥の導入に伴う素子特性の劣化を抑制し発光出力の高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、発光層と、導電性の金属層と、第１応力印加層と、を備えた半導体発光素子が提供される。第１半導体層は、窒化物半導体結晶を含み（０００１）面内に引張り応力を受けている。第２半導体層は、窒化物半導体結晶を含む。発光層の平均の格子定数は、第１半導体層の格子定数よりも大きい。金属層は、窒化物半導体結晶の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する。第１応力印加層は、金属層から第２半導体層に印加される引張り応力を緩和する。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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