(57)【要約】【課題】コストが低く、特性が良好な半導体発光装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体発光装置は、支持基板と、窒化物半導体からなる発光層と、窒化物多層膜と、を備える。前記窒化物多層膜は、アルミニウムを含む第１の窒化物半導体からなる第１層と、第２の窒化物半導体からなる第２層と、前記第１の窒化物半導体からなる第３層と、を有する。【選択図】図１
2014049566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンからなる結晶成長用基板上に窒化物多層膜をエピタキシャル成長させる工程と、
前記窒化物多層膜上に窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、
前記結晶成長用基板、前記窒化物多層膜及び前記発光層を含む積層体の前記発光層側の面に支持基板を被着させる工程と、
前記結晶成長用基板を除去することにより、前記窒化物多層膜を露出させる工程と、
を備え、
前記窒化物多層膜をエピタキシャル成長させる工程は、
アルミニウム窒化物からなる第１層を形成する工程と、
ガリウム窒化物からなる第２層を形成する工程と、
アルミニウム窒化物からなる第３層を形成する工程と、
を有し、
前記窒化物多層膜をエピタキシャル成長させる工程においては、前記第１層を形成する工程及び前記第２層を形成する工程を交互にｋ回（ｋは１以上の整数）ずつ繰り返し、その後、前記第３層を形成する工程を実施し、
前記第１層の厚さをｔ１とし、前記第２層の厚さをｔ２とし、前記第３層の厚さをｔ３とし、前記発光層から出射される光の波長をλとし、前記第１の窒化物半導体の屈折率をｎ１とし、前記第２の窒化物半導体の屈折率をｎ２とするとき、下記数式を満たす半導体発光装置の製造方法。
2014049566.tif 000008
2014049566.tif 000009
2014049566.tif 000010
【請求項２】
シリコン又はシリコン窒化物からなる結晶成長用基板上に窒化物多層膜をエピタキシャル成長させる工程と、
前記窒化物多層膜上に窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、
前記結晶成長用基板、前記窒化物多層膜及び前記発光層を含む積層体の前記発光層側の面に支持基板を被着させる工程と、
前記結晶成長用基板を除去することにより、前記窒化物多層膜を露出させる工程と、
を備え、
前記窒化物多層膜をエピタキシャル成長させる工程は、
アルミニウムを含む第１の窒化物半導体からなる第１層を形成する工程と、
屈折率が前記第１の窒化物半導体の屈折率とは異なる第２の窒化物半導体からなる第２層を形成する工程と、
前記第１の窒化物半導体からなる第３層を形成する工程と、
を有し、
前記窒化物多層膜をエピタキシャル成長させる工程においては、前記第１層を形成する工程及び前記第２層を形成する工程を交互にｋ回（ｋは１以上の整数）ずつ繰り返し、その後、前記第３層を形成する工程を実施するか、又は、前記第３層を形成する工程を実施した後、前記第２層を形成する工程及び前記第１層を形成する工程を交互にｋ回ずつ繰り返す半導体発光装置の製造方法。
【請求項３】
隣り合う前記第１層及び前記第２層からなる対の厚さをｔとし、前記第３層の厚さをｔ３とし、前記発光層から出射される光の波長をλとし、前記第１の窒化物半導体の屈折率をｎ１とし、前記第２の窒化物半導体の屈折率をｎ２とするとき、下記数式を満たす請求項２記載の半導体発光装置の製造方法。
2014049566.tif 000011
2014049566.tif 000012
【請求項４】
前記第１層の厚さをｔ１とし、前記第２層の厚さをｔ２とするとき、下記数式を満たす請求項３記載の半導体発光装置の製造方法。
2014049566.tif 000013
2014049566.tif 000014
【請求項５】
前記第１の窒化物半導体は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ≧０．５）であり、前記第２の窒化物半導体はガリウム窒化物である請求項２〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置の製造方法。
【請求項６】
支持基板と、
前記支持基板上に設けられ、窒化物半導体からなる発光層と、
前記発光層上に設けられた窒化物多層膜と、
を備え、
前記窒化物多層膜は、
アルミニウムを含む第１の窒化物半導体からなる第１層と、
屈折率が前記第１の窒化物半導体の屈折率とは異なる第２の窒化物半導体からなる第２層と、
前記第１の窒化物半導体からなる第３層と、
を有し、
前記窒化物多層膜においては、前記第１層及び前記第２層からなる対がｋ対（ｋは１以上の整数）積層されており、前記積層された積層体における前記第２層の露出面上に１層の前記第３層が積層されている半導体発光装置。
【請求項７】
前記対の厚さをｔとし、前記第３層の厚さをｔ３とし、前記発光層から出射される光の波長をλとし、前記第１の窒化物半導体の屈折率をｎ１とし、前記第２の窒化物半導体の屈折率をｎ２とするとき、下記数式を満たす請求項６記載の半導体発光装置。
2014049566.tif 000015
2014049566.tif 000016
【請求項８】
前記第１層の厚さをｔ１とし、前記第２層の厚さをｔ２とするとき、下記数式を満たす請求項７記載の半導体発光装置。
2014049566.tif 000017
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【請求項９】
前記第１の窒化物半導体はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ≧０．５）であり、前記第２の窒化物半導体はガリウム窒化物である請求項６〜８のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項１０】
前記発光層と前記窒化物多層膜との間に配置され、ガリウム窒化物からなる層をさらに備え、
前記第１の窒化物半導体はアルミニウム窒化物であり、
前記第１層の厚さは、１０〜５２ｎｍである請求項６記載の半導体発光装置。
【請求項１１】
前記窒化物多層膜は、エピタキシャル成長したものである請求項６〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩｎＡｌＧａＮ系等の窒化物半導体を用いた半導体発光装置が開発されている。窒化物半導体は、光学遷移が直接遷移型であるため、発光再結合の効率が高く、輝度が高い発光素子を実現可能である。また、遷移エネルギーが２〜６．２ｅＶと広いため、様々な用途に適用可能である。例えば、ＩｎｙＧａ１−ｙＮは、インジウムの組成ｙの値を選択することにより、バンドギャップエネルギーをＧａＮの３．４ｅＶからＩｎＮの２ｅＶまで変化させることができるため、ＩｎＧａＮ層を発光層とした発光素子を蛍光体と組み合わせることにより、白色光源を実現することができる。このような白色光源は、液晶パネルのバックライトや照明用光源として用いることができる。
【０００３】
窒化物半導体を用いた半導体発光装置の一種として、薄膜型ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）が知られている。薄膜型ＬＥＤは、結晶成長用基板上に窒化物半導体からなる発光層を成長させ、その上に支持基板を貼り合わせた後、結晶成長用基板を除去することにより、作製される。結晶成長用基板には、結晶成長の観点からは、発光層と同じ性質を持つ窒化物半導体基板を用いることが好ましい。しかし、窒化物半導体基板としてＧａＮ基板は実在するものの、高価であり、工業的に用いることは困難である。サファイア基板は、結晶成長雰囲気中で安定であり、小口径のウェーハは比較的低コストで入手できるため、現在多く用いられている。しかし、サファイア基板は、窒化物半導体層との間で結晶格子の不整合性が大きく、熱膨張係数の差も大きいため、サファイア基板上に成長した窒化物半導体層には多くの結晶欠陥が生じてしまう。また、大口径のサファイア基板はコストが高いため、半導体発光装置の低コスト化にも限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２４６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
コストが低く、特性が良好な半導体発光装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係る半導体発光装置の製造方法は、シリコン又はシリコン窒化物からなる結晶成長用基板上に窒化物多層膜をエピタキシャル成長させる工程と、前記窒化物多層膜上に窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、前記結晶成長用基板、前記窒化物多層膜及び前記発光層を含む積層体の前記発光層側の面に支持基板を被着させる工程と、前記結晶成長用基板を除去することにより、前記窒化物多層膜を露出させる工程と、を備える。前記窒化物多層膜をエピタキシャル成長させる工程は、アルミニウムを含む第１の窒化物半導体からなる第１層を形成する工程と、屈折率が前記第１の窒化物半導体の屈折率とは異なる第２の窒化物半導体からなる第２層を形成する工程と、前記第１の窒化物半導体からなる第３層を形成する工程と、を有する。前記窒化物多層膜をエピタキシャル成長させる工程においては、前記第１層を形成する工程及び前記第２層を形成する工程を交互にｋ回（ｋは１以上の整数）ずつ繰り返し、その後、前記第３層を形成する工程を実施するか、又は、前記第３層を形成する工程を実施した後、前記第２層を形成する工程及び前記第１層を形成する工程を交互にｋ回ずつ繰り返す。
【０００７】
実施形態に係る半導体発光装置は、支持基板と、前記支持基板上に設けられ、窒化物半導体からなる発光層と、前記発光層上に設けられた窒化物多層膜と、を備える。前記窒化物多層膜は、アルミニウムを含む第１の窒化物半導体からなる第１層と、屈折率が前記第１の窒化物半導体の屈折率とは異なる第２の窒化物半導体からなる第２層と、前記第１の窒化物半導体からなる第３層と、を有する。前記窒化物多層膜においては、前記第１層及び前記第２層からなる対がｋ対（ｋは１以上の整数）積層されており、前記積層された積層体における前記第２層の露出面上に１層の前記第３層が積層されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を例示する工程断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す窒化物多層膜を例示する断面図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体発光装置を例示する断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す窒化物多層膜を例示する断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る半導体発光装置の窒化物多層膜を例示する断面図である。
【図４】第２の実施形態の試験例において用いるサンプルを例示する断面図である。
【図５】横軸にバッファＡｌＮ層の厚さをとり、縦軸にアンドープＧａＮ層のＸ線回折曲線のうち、結晶Ｃ軸の回折（（０００２）回折）のピークの半値幅をとって、バッファＡｌＮ層の厚さがアンドープＧａＮ層の結晶品質に及ぼす影響を例示するグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を例示する工程断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す窒化物多層膜を例示する断面図であり、
図２（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光装置を例示する断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す窒化物多層膜を例示する断面図である。
なお、図１（ａ）及び（ｂ）と、図２（ａ）及び（ｂ）とは、図示の上下が逆になっている。
【００１０】
先ず、本実施形態に係る半導体発光装置の製造方法について説明する。
以下、製造方法の説明においては、便宜上、後に形成される層が、先に形成される層よりも「上」にあるものとして説明する。
先ず、図１（ａ）に示すように、結晶成長用基板として、シリコンウェーハ１０を用意する。
【００１１】
次に、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により、シリコンウェーハ１０上に、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）からなるバッファＡｌＮ層１１ａをエピタキシャル成長させる。このとき、原料ガスとして、最初に、ＴＭＡ（Trimethyl Aluminium：トリメチルアルミニウム：Ａｌ［ＣＨ３］３）を供給することにより、シリコンウェーハ１０の上面に単原子層のアルミニウム層（図示せず）を形成する。これにより、以後の成膜において原料ガスとして使用するアンモニア（ＮＨ３）がシリコンウェーハ１０を分解することを抑制できる。また、シリコンの拡散を抑制できる。
【００１２】
次に、原料ガスとしてアンモニアを供給することにより、単原子層の窒素層（図示せず）を形成する。次に、アンモニアを連続的に供給しつつＴＭＡを断続的に供給し、その後、アンモニア及びＴＭＡを同時に連続的に供給することにより、ＡｌＮ層を成長させていく。このようにして、バッファＡｌＮ層１１ａが形成される。バッファＡｌＮ層１１ａの厚さは、例えば５２ｎｍとする。
【００１３】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、不純物が導入されていないガリウム窒化物（ＧａＮ）からなるアンドープＧａＮ層１１ｂをエピタキシャル成長させる。アンドープＧａＮ層１１ｂの厚さは、例えば４６ｎｍとする。
次に、ＭＯＣＶＤ法により、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）からなるＡｌＮ層１１ｃをエピタキシャル成長させる。ＡｌＮ層１１ｃの厚さは、例えば５２ｎｍとする。
【００１４】
これにより、バッファＡｌＮ層１１ａ、アンドープＧａＮ層１１ｂ及びＡｌＮ層１１ｃがこの順に積層された窒化物多層膜１１が形成される。窒化物多層膜１１は、全体が連続的にエピタキシャル成長された層であり、以後に形成される窒化物半導体からなる積層体の下地膜となる。
【００１５】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープＧａＮ層１２、中間層１３、ｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層１４、発光層１５、ｐ形ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー防止兼クラッド層１６及びｐ形ＧａＮコンタクト層１７を形成する。このうち、ｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層１４、発光層１５、ｐ形ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー防止兼クラッド層１６及びｐ形ＧａＮコンタクト層１７により、窒化物半導体からなるＬＥＤ膜１８が構成される。発光層１５としては、例えば、ＩｎＧａＡｌＮ層を形成する。また、窒化物多層膜１１、アンドープＧａＮ層１２及び中間層１３は、シリコンウェーハ１０とＬＥＤ膜１８との間の格子歪みを制御する緩和層である。特に、中間層１３は、シリコンウェーハ１０との不整合性によりアンドープＧａＮ層１２に生じた欠陥が、ＬＥＤ膜１８に伝播することを抑制する。中間層１３としては、例えば、ＧａＮ及びＩｎＧａＮからなる超格子層を形成する。
【００１６】
次に、ｐ形ＧａＮコンタクト層１７上に、例えば金（Ａｕ）からなる接合用金属層１９ａを形成する。これにより、シリコンウェーハ１０上に、窒化物多層膜１１、アンドープＧａＮ層１２、中間層１３、ｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層１４、発光層１５、ｐ形ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー防止兼クラッド層１６、ｐ形ＧａＮコンタクト層１７及び接合用金属層１９ａがこの順に積層された中間積層体３１が作製される。
【００１７】
一方、図２（ａ）に示すように、例えば銅（Ｃｕ）からなる支持基板２０上に、例えば金（Ａｕ）からなる接合用金属層１９ｂを形成する。これにより、支持基板２０上に接合用金属層１９ｂが形成された中間積層体３２が形成される。
【００１８】
そして、中間積層体３１と中間積層体３２とを、接合用金属層１９ａと接合用金属層１９ｂとが相互に当接するように重ね合わせる。次に、例えば加熱処理を行うことにより、接合用金属層１９ａと接合用金属層１９ｂとを相互に接合させる。これにより、中間積層体３１のＬＥＤ膜１８側の面に支持基板２０が被着される。このとき、接合用金属層１９ａ及び１９ｂが一体化し、接合層１９となる。
【００１９】
次に、例えば、ウェットエッチングにより、結晶成長用基板としてのシリコンウェーハ１０を除去する。これにより、窒化物多層膜１１のバッファＡｌＮ層１１ａが露出する。
次に、例えば、ドライエッチングにより、窒化物多層膜１１、アンドープＧａＮ層１２、中間層１３及びｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層１４を選択的に除去する。このとき、ｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層１４については、厚さ方向の途中までエッチングする。
【００２０】
次に、支持基板２０の露出面上に、ｐ側電極２１を形成する。また、ｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層１４の露出面上に、ｎ側電極２２を形成する。その後、ｐ側電極２１から窒化物多層膜１１までの積層体をダイシングして個片化する。これにより、半導体発光装置１が製造される。
【００２１】
次に、完成後の本実施形態に係る半導体発光装置１の構造について説明する。
以後、構造の説明においては、発光層１５が支持基板２０よりも「上」にあるものとして説明する。この方向の記載は、前述の製造方法の説明に対して逆転している。
【００２２】
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体発光装置１においては、例えば銅からなる支持基板２０が設けられている。支持基板２０の下面上の全面には、ｐ側電極２１が設けられている。支持基板２０上には、接合層１９、ｐ形ＧａＮコンタクト層１７、ｐ形ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー防止兼クラッド層１６、発光層１５、ｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層１４、中間層１３、アンドープＧａＮ層１２及び窒化物多層膜１１が支持基板２０側からこの順に積層されている。接合層１９は例えば金からなり、発光層１５は窒化物半導体、例えばＩｎＧａＡｌＮからなり、中間層１３は例えばＧａＮ及びＩｎＧａＮからなる超格子層である。
【００２３】
窒化物多層膜１１においては、厚さが例えば５２ｎｍのＡｌＮ層１１ｃ、厚さが例えば４６ｎｍのアンドープＧａＮ層１１ｂ、厚さが例えば５２ｎｍのバッファＡｌＮ層１１ａが下層側からこの順に積層されており、バッファＡｌＮ層１１ａが半導体発光装置１の最上面に露出している。バッファＡｌＮ層１１ａの露出面が半導体発光装置１の光取出面である。
【００２４】
また、ｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層１４の上層部分、中間層１３、アンドープＧａＮ層１２及び窒化物多層膜１１は選択的に除去されており、ｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層１４の露出面、すなわち、ｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層１４の下層部分の上面上には、ｎ側電極２２が設けられている。
【００２５】
以下、窒化物多層膜１１の各層の厚さについて説明する。
バッファＡｌＮ層１１ａの厚さをｔ１とし、アンドープＧａＮ層１１ｂの厚さをｔ２とし、ＡｌＮ層１１ｃの厚さをｔ３とし、発光層１５から出射される光の波長をλとし、バッファＡｌＮ層１１ａ及びＡｌＮ層１１ｃの材料であるアルミニウム窒化物（ＡｌＮ）の屈折率をｎ１とし、アンドープＧａＮ層１１ｂの材料であるガリウム窒化物（ＧａＮ）の屈折率をｎ２とするとき、厚さｔ１、ｔ２、ｔ３は、下記数式１〜３を満たす。
【００２６】
【数１】
2014049566.tif 000003
【００２７】
【数２】
2014049566.tif 000004
【００２８】
【数３】
2014049566.tif 000005
【００２９】
また、バッファＡｌＮ層１１ａ及びアンドープＧａＮ層１１ｂからなる対の厚さをｔとするとき、下記数式４及び５を満たす。
【００３０】
【数４】
2014049566.tif 000006
【００３１】
【数５】
2014049566.tif 000007
【００３２】
以下、各パラメータの値の一例を挙げると、ＡｌＮの屈折率ｎ１は２．１７であり、ＧａＮの屈折率ｎ２は２．４７であり、発光層１５が出射する青色光の波長λは４５０ｎｍである。このため、バッファＡｌＮ層１１ａの厚さｔ１、及び、ＡｌＮ層１１ｃの厚さｔ３は、ｔ１＝ｔ３＝４５０／（４×２．１７）＝５２ｎｍであり、アンドープＧａＮ層１１ｂの厚さｔ２は、ｔ２＝４５０／（４×２．４７）＝４６ｎｍである。
【００３３】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態においては、結晶成長用基板として、シリコンウェーハ１０を用いている。シリコン基板は、サファイア基板と同様に、窒化物半導体層との間の結晶格子の不整合性及び熱膨張係数差が大きいものの、大口径のウェーハを低コストで入手可能である。これにより、半導体発光装置１の製造コストを低減することができる。
【００３４】
また、半導体発光装置１を製造する過程においては、窒化物多層膜１１は、アンドープＧａＮ層１２以降の積層体の下地膜となる。具体的には、窒化物多層膜１１のバッファＡｌＮ層１１ａは、シリコンウェーハ１０に含まれるシリコンがアンドープＧａＮ層１２側に拡散することを抑制する。また、窒化物多層膜１１は窒化物半導体であるＡｌＮ及びＧａＮにより形成されているため、窒化物半導体からなるＬＥＤ膜１８との整合性が高い。このため、窒化物多層膜１１上に形成されるアンドープＧａＮ層１２以降の積層体は、結晶性が良好である。このように、窒化物多層膜１１は、シリコンの拡散を抑制すると共に、シリコンウェーハ１０の格子定数に起因するアンドープＧａＮ層１２以降の積層体の格子歪みを制御する成長初期構造として機能する。
【００３５】
更に、本実施形態においては、シリコンウェーハ１０上にバッファＡｌＮ層１１ａを形成している。シリコンはＡｌＮに対して、高い選択比でエッチングすることができるため、シリコンウェーハ１０を除去する工程において、バッファＡｌＮ層１１ａをストッパ層として用いることができる。このため、シリコンウェーハ１０を容易に除去することができると共に、バッファＡｌＮ層１１ａを、ほとんどダメージを加えることなく、残留させることができる。
【００３６】
更にまた、窒化物多層膜１１は、完成後の半導体発光装置１の最上層に配置される。そして、窒化物多層膜１１の各層の厚さが上記数式１〜３を満たすことにより、窒化物多層膜１１は反射防止膜として機能する。これにより、発光層１５から出射された光が、半導体発光装置１の上面により内面反射されて半導体発光装置１の内部に戻ることを抑制し、発光層１５から出射された光を半導体発光装置１の外部に効率的に取り出すことができる。この結果、光の取出効率が高い半導体発光装置を実現することができる。一例では、窒化物多層膜１１を設けることにより、窒化物多層膜１１を設けない場合と比較して、光の取出効率を１．２倍程度に向上させることができた。
【００３７】
更にまた、窒化物多層膜１１は、シリコンウェーハ上にエピタキシャル成長しているため、結晶性が良好である。また、上述の如く、窒化物多層膜１１は、シリコンウェーハ１０を除去する工程においてほとんどダメージを受けないため、平坦性が高い。このため、窒化物多層膜１１は光学的特性が良好であり、反射防止性能が高いと共に、光が窒化物多層膜１１内を通過する際の損失が少ない。
【００３８】
このように、本実施形態によれば、半導体発光装置１の製造時においては、窒化物多層膜１１を成長初期構造として使用することにより、低コストで大口径化が容易なシリコンウェーハを結晶成長用基板として用いて、窒化物半導体からなるＬＥＤ膜１８を形成することができる。また、完成後の半導体発光装置１においては、シリコンウェーハ１０を除去して窒化物多層膜１１を露出させることにより、窒化物多層膜１１を反射防止膜として使用することができる。この結果、特性が良好な半導体発光装置を低コストで製造することができる。
【００３９】
これに対して、結晶成長用基板としてサファイア基板又はＧａＮ基板を用いると、結晶成長用基板の調達コストが増加すると共に、結晶成長用基板を窒化物多層膜１１に対して選択的に除去することが困難になる。このため、窒化物多層膜１１がダメージを受け、光学的特性が低下する。
【００４０】
なお、光の内面反射を抑え、取出効率を高めるためには、半導体発光装置の最上層に凹凸を形成することも考えられる。しかしながら、この場合は、凹凸の高さを発光層１５から出射される光の波長と同程度とする必要があるため、厚さが数百ｎｍの加工用膜を形成する必要がある。また、この加工用膜に凹凸を形成するために、マスク形成及びエッチング処理が必要となる。従って、凹凸を形成しようとすると、工程数が増加し、製造コストが増加してしまう。また、凹凸構造を、シリコンウェーハと窒化物半導体層との間の格子不整合及び熱膨張係数差を緩和する成長初期構造と両立させることが困難である。
【００４１】
これに対して、本実施形態によれば、製造時に必要とされる成長初期構造をそのまま反射防止膜に転用できるため、工程数が増加することがなく、従って、製造コストの増加を抑制することができる。
【００４２】
なお、本実施形態においては、窒化物多層膜１１を、バッファＡｌＮ層１１ａ、アンドープＧａＮ層１１ｂ、ＡｌＮ層１１ｃからなる３層膜とする例を示したが、これには限定されない。バッファＡｌＮ層１１ａ及びアンドープＧａＮ層１１ｂからなる対は、複数対積層させてもよい。
【００４３】
また、本実施形態においては、バッファＡｌＮ層１１ａ及びＡｌＮ層１１ｃをアルミニウム窒化物（ＡｌＮ）によって形成し、アンドープＧａＮ層１１ｂをガリウム窒化物（ＧａＮ）によって形成する例を示したが、これには限定されない。これらの層は、窒化物半導体によって形成されていれば、シリコンウェーハ１０と窒化物半導体からなるＬＥＤ膜１８との間の格子歪み及び熱膨張係数差を緩和し、ＬＥＤ膜１８の結晶性を高めることができる。
【００４４】
但し、シリコンウェーハ１０中のシリコン（Ｓｉ）の拡散を防止するためには、バッファＡｌＮ層１１ａはアルミニウム（Ａｌ）を含むことが好ましい。従って、バッファＡｌＮ層１１ａはアルミニウムを含む窒化物半導体によって形成されている。また、窒化物多層膜１１を反射防止膜として機能させるためには、隣り合う層の屈折率は相互に異なっている必要がある。従って、アンドープＧａＮ層１１ｂは、屈折率がバッファＡｌＮ層１１ａの屈折率とは異なる窒化物半導体によって形成されている必要がある。これらの理由から、バッファＡｌＮ層１１ａ及びＡｌＮ層１１ｃの材料は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ≧０．５）であることが好ましく、ＡｌＮであることがより好ましい。ＡｌＮはＩｎＧａＡｌＮ系半導体の中で屈折率が最も低いからである。また、アンドープＧａＮ層１１ｂの材料は、バッファＡｌＮ層１１ａとの間の屈折率差を大きくするために、ＧａＮであることが好ましい。
【００４５】
次に、第２の実施形態について説明する。
図３は、本実施形態に係る半導体発光装置の窒化物多層膜を例示する断面図である。
図３に示すように、本実施形態においても、前述の第１の実施形態と同様に、窒化物多層膜１１は、バッファＡｌＮ層１１ａ、アンドープＧａＮ層１１ｂ、ＡｌＮ層１１ｃがこの順に積層されて形成されている。そして、バッファＡｌＮ層１１ａが、製造過程においては、シリコンウェーハ１０（図１（ａ）参照）上に最初に形成され、シリコンウェーハ１０を除去した後の半導体発光装置においては、光取出面（最上面）を構成する。
【００４６】
但し、本実施形態においては、前述の第１の実施形態とは異なり、バッファＡｌＮ層１１ａの厚さｔ１及びアンドープＧａＮ層１１ｂの厚さｔ２は、それぞれ、上記数式１及び２を満たしていない。但し、厚さｔ１及びｔ２も、上記数式４及び５は満たしている。すなわち、バッファＡｌＮ層１１ａ及びアンドープＧａＮ層１１ｂからなる対の光学的厚さは、波長λの半分である。また、ＡｌＮ層１１ｃの厚さｔ３は上記数式３を満たしており、例えば、５２ｎｍである。
【００４７】
本実施形態によれば、バッファＡｌＮ層１１ａ及びアンドープＧａＮ層１１ｂのうちの一方の厚さを、ある程度選択することができる。この場合、他方の厚さは、上記数式４及び５を満たすように調整する。本実施形態においては、バッファＡｌＮ層１１ａの厚さｔ１を、アンドープＧａＮ層１２の結晶品質を最適にするように選択する。以下、この場合について説明する。
【００４８】
図４は、本実施形態の試験例において用いるサンプルを示す断面図であり、
図５は、横軸にバッファＡｌＮ層の厚さｔ１をとり、縦軸にアンドープＧａＮ層のＸ線回折曲線のうち、結晶Ｃ軸の回折（（０００２）回折）のピークの半値幅をとって、バッファＡｌＮ層の厚さｔ１がアンドープＧａＮ層の結晶品質に及ぼす影響を例示するグラフ図である。
図５は、図４に示すサンプルに対して、Ｘ線回折を行った結果を示している。図５の縦軸に示す半値幅が小さいほど、結晶Ｃ軸の回折ピークが鋭く、アンドープＧａＮ層１２の配向性が強く、結晶品質が良好である。
【００４９】
図４に示すように、本試験例において用いるサンプル５０においては、シリコン基板４０上に、バッファＡｌＮ層４１がエピタキシャル成長によって形成されており、その上に厚さが１μｍのアンドープＧａＮ層４２が設けられている。
本試験例においては、バッファＡｌＮ層４１の厚さｔ１が相互に異なる複数のサンプル５０を作製し、これらのサンプル５０についてＸ線回折を行い、アンドープＧａＮ層４２の結晶Ｃ軸の回折、すなわち、（０００２）回折のピークの半値幅を測定した。
【００５０】
図５に示すように、アンドープＧａＮ層４２の結晶品質はバッファＡｌＮ層４１の厚さｔ１に依存し、厚さｔ１には最適値が存在する。図５に示す実験結果においては、厚さｔ１の最適値は２５ｎｍである。この場合、上記数式４及び５を満たすために、アンドープＧａＮ層４１の厚さｔ２は７３ｎｍとする。但し、図５に示すように、厚さｔ１を１０ｎｍ以上５２ｎｍ未満とすれば、厚さｔ１を（λ／４ｎ１）を満たす５２ｎｍとした場合に対して、アンドープＧａＮ層４２の結晶品質を改善する効果が得られる。
【００５１】
本実施形態においては、バッファＡｌＮ層１１ａ及びアンドープＧａＮ層１１ｂの光学的厚さはそれぞれ（λ／４）からずれているが、バッファＡｌＮ層１１ａ及びアンドープＧａＮ層１１ｂからなる対の光学的厚さが（λ／２）であり、また、ＡｌＮ層１１ｃの光学的厚さは（λ／４）であるため、窒化物多層膜１１は反射防止膜としての機能をある程度実現することができる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、前述の第１の実施形態と比較して、アンドープＧａＮ層１２及びそれより上方に積層される積層体の結晶品質が改善するため、これにより、光取出効率が向上する。
【００５３】
本実施形態に係る半導体発光装置においては、窒化物多層膜１１を設けない場合と比較して、光取出効率が１．２倍となり、前述の第１の実施形態に係る半導体発光装置と同程度であった。これは、第１の実施形態に対して、バッファＡｌＮ層１１ａ及びアンドープＧａＮ層１１ｂの光学的厚さがそれぞれ（λ／４）からずれることによる影響と、アンドープＧａＮ層１２及びそれより上方の積層体の結晶品質が向上することによる効果とが、相殺したものと考えられる。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００５４】
なお、本実施形態においては、バッファＡｌＮ層１１ａ及びアンドープＧａＮ層１１ｂからなる対が１対である例を示したが、これには限定されず、この対は２対以上積層させてもよい。
【００５５】
また、本実施形態においては、ＡｌＮ層１１ｃをアンドープＧａＮ層１２側に配置する例を示したが、これには限定されない。すなわち、アンドープＧａＮ層１２側から順に、バッファＡｌＮ層１１ａ、アンドープＧａＮ層１１ｂ、ＡｌＮ層１１ｃと積層させてもよく、バッファＡｌＮ層１１ａ、アンドープＧａＮ層１１ｂ、バッファＡｌＮ層１１ａ、アンドープＧａＮ層１１ｂ、・・・バッファＡｌＮ層１１ａ、アンドープＧａＮ層１１ｂ、ＡｌＮ層１１ｃと積層させてもよい。
【００５６】
従って、前述の第１及び第２の実施形態における窒化物多層膜１１の構成を一般的に表現すると以下のようになる。すなわち、窒化物多層膜１１においては、バッファＡｌＮ層１１ａ及びアンドープＧａＮ層１１ｂからなる対がｋ対（ｋは１以上の整数）積層されており、このように積層された積層体におけるアンドープＧａＮ層１１ｂの露出面上に、１層のＡｌＮ層１１ｃが積層されており、これらの層の厚さｔ１、ｔ２、ｔ３は、上記数式３〜５を満たしている。
【００５７】
また、このような窒化物多層膜１１を形成する際には、バッファＡｌＮ層１１ａを形成する工程及びアンドープＧａＮ層１１ｂを形成する工程を交互にｋ回ずつ繰り返し、その後、ＡｌＮ層１１ｃを形成する工程を実施するか、又は、ＡｌＮ層１１ｃを形成する工程を実施した後、アンドープＧａＮ層１１ｂを形成する工程及びバッファＡｌＮ層１１ａを形成する工程を交互にｋ回ずつ繰り返す。
【００５８】
但し、これらの場合においても、シリコンウェーハ１０に接する層の成長初期の成膜条件は、前述の第１の実施形態において説明した方法とすることが好ましい。すなわち、ＭＯＣＶＤの原料ガスとして、最初にＴＭＡを供給することにより、シリコンウェーハ１０の上面に単原子層のアルミニウム層を形成し、次にアンモニアを供給することにより、単原子層の窒素層を形成し、次に、アンモニアを連続的に供給しつつＴＭＡを断続的に供給し、その後、アンモニア及びＴＭＡを同時に連続的に供給することにより、ＡｌＮ層を成長させていくことが好ましい。
【００５９】
なお、前述の各実施形態においては、発光層１５が波長が４５０ｎｍの青色光を出射する例を示したが、これには限定されず、発光層１５が出射する光の波長λと窒化物多層膜１１の各層の厚さが上記数式３〜５を満たしていればよく、上記数式１及び２も満たすことがより好ましい。但し、上記数式１〜４は、数学的に厳密なものではなく、±１０％程度のずれは許容できる。すなわち、上記数式１〜４に対する厚さｔ１、ｔ２、ｔ３のずれ量が±１０％以下であれば、一定の効果を得ることができる。
【００６０】
また、前述の各実施形態においては、結晶成長用基板としてシリコンウェーハを使用する例を示したが、結晶成長用基板としてシリコン炭化物（ＳｉＣ）ウェーハを使用してもよい。
【００６１】
以上説明した実施形態によれば、コストが低く、特性が良好な半導体発光装置及びその製造方法を実現することができる。
【００６２】
以上、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及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１：半導体発光装置、１０：シリコンウェーハ、１１：窒化物多層膜、１１ａ：バッファＡｌＮ層、１１ｂ：アンドープＧａＮ層、１１ｃ：ＡｌＮ層、１２：アンドープＧａＮ層、１３：中間層、１４：ｎ形ＧａＮコンタクト兼クラッド層、１５：発光層、１６：ｐ形ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー防止兼クラッド層、１７：ｐ形ＧａＮコンタクト層、１８：ＬＥＤ膜、１９：接合層、１９ａ、１９ｂ：接合用金属層、２０：支持基板、２１：ｐ側電極、２２：ｎ側電極、３１、３２：中間積層体、４０：シリコン基板、４１：バッファＡｌＮ層、４２：アンドープＧａＮ層、５０：サンプル
【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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