(57)【要約】【課題】光取り出し効率を改善し得、さらには、放熱性を改善することも可能なＧａＮ系発光素子の構造、およびその製造方法を提供すること。【解決手段】基礎基板Ａの主面Ａｘに凹凸加工を施し、段差で区画された凹部底面Ａ１と凸部上面Ａ２とを有する凹凸面とし、前記の凹部底面Ａ１と凸部上面Ａ２とから別個に単位結晶１ａ、１ｂを成長させ、それらを互いに合体させてＧａＮ系結晶層１とし、さらにその上に、発光層２を含む積層体Ｓを形成し、基礎基板を裏面側から部分的に除去し、基礎基板のうちの凸部だけを、または凸部と凹部底面から厚さλ／４以下の部分とを、発光素子中に残す。λは、発光層から発せられた光が基礎基板を通過する際の該光の波長である。これによって、その残存部分を光散乱に利用する。【選択図】図１
2006196543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体結晶が成長し得る基礎基板の一方の主面が凹凸加工によって凹凸面とされ、該凹凸面は段差部で区画された凹部底面と凸部上面とを有し、
前記凹凸面上には、凹部底面および凸部上面のそれぞれから成長した単位結晶が合体して凹凸面を埋め込んでいる窒化物半導体結晶層と、その上に成長した他の窒化物半導体結晶層とを有してなる積層体が成長しており、該積層体には、発光素子構造として、ｎ型層、発光層、ｐ型層が含まれており、
基礎基板が他方の主面である裏面の側から部分的に除去され、
（あ）基礎基板のうちの凸部のみが、または、
（い）発光層から発せられた光が基礎基板を通過する際の該光の波長をλとして、凸部と、凹部底面から厚さλ／４以下の部分とからなる部分が、
素子中に残されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
基礎基板の屈折率が、凹凸面を埋め込んでいる窒化物半導体結晶層の屈折率よりも小さいものである、請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
基礎基板がサファイア基板である、請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
さらに、上記積層体上に接合された支持基板を有するものである、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
（ｉ）窒化物半導体結晶が成長し得る基礎基板の一方の主面に凹凸加工を施し、該主面を、段差部で区画された凹部底面と凸部上面とを有する凹凸面とする凹凸加工工程と、
（ii）前記凹凸面の凹部底面と凸部上面とから別個に窒化物半導体の単位結晶を成長させそれらを互いに合体させて、凹凸面を埋め込む窒化物半導体結晶層とし、さらにその上に、他の窒化物半導体結晶層を成長させ、発光素子構造としてのｎ型層、発光層、ｐ型層を含む積層体を形成する結晶成長工程と、
（iii）基礎基板の他方の主面である裏面の側から、基礎基板を部分的に除去する加工を施して、
（あ）基礎基板のうちの凸部のみを、または、
（い）発光層から発せられた光が基礎基板を通過する際の該光の波長をλとして、凸部と、凹部底面から厚さλ／４以下の部分とからなる部分を、
素子中に残す基礎基板除去工程とを、
有することを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
上記基礎基板除去工程に先立って、さらに、上記積層体上に支持基板を接合する工程を有する、請求項５記載の製造方法。
【請求項７】
上記基礎基板除去工程における基礎基板の部分的除去方法が、化学的エッチング、機械的研摩、または、基礎基板の裏面側から凹凸面へのレーザ照射によるレーザリフトオフである、請求項５または６記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体発光素子は、少なくとも発光層に窒化物半導体が用いられたものであって、その組成の選択によって、青色から紫外域にかけての短波長領域の発光が可能となっている。
窒化物半導体は、一般式ＩｎｘＡｌｙＧａｚＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体である。前記式中の組成比ｘ、ｙ、ｚを選択することによって、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、任意の組成の混晶が得られる。ここで、３族元素の一部を、Ｂ（ホウ素）、Ｔｌ（タリウム）等で置換したものや、Ｎ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）等で置換したものも、窒化物半導体に含まれる。
以下、窒化物半導体を「ＧａＮ系」とも略し、必要に応じて、ＧａＮ系結晶、ＧａＮ系発光素子、ＧａＮ系ＬＥＤなどのように用いて、従来技術および本発明の説明を行う。
【０００３】
ＧａＮ系発光素子(特に、ＧａＮ系ＬＥＤ）には、光取り出し効率が低いという問題がある。光取り出し効率とは、発光層で生じた光の総量のうち、どの程度の量の光が素子外へ取り出されているかを示す割合である。ＧａＮ系ＬＥＤの光取出し効率が低い原因は、次に述べるように、ＧａＮ系結晶の高い屈折率にある。
先ず、ＧａＮ系発光素子の素子構造は、基板上にＧａＮ系結晶層を成長させてなるものであるが、最も好ましい基板材料として汎用されるサファイアは、ＧａＮ系結晶よりも屈折率が低い。一方、素子の上側（基板から遠い側）では、素子を取り巻く材料や媒質〔例えば、パッシベーション膜（二酸化ケイ素など）、封止樹脂（エポキシ樹脂など）、空気（樹脂封止しない場合）など〕とＧａＮ系結晶層が接することになるが、これらの材料や媒質も、殆どの場合、ＧａＮ系結晶より低い屈折率を有する。また、ｐ側の電極として酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明導電膜材料からなる電極を用いる場合には、電極の屈折率がＧａＮ系結晶よりも低くなる。
【０００４】
このように、発光構造の本体部分であるＧａＮ系結晶層が、それよりも屈折率の低い物質によって上下から挟まれるために、発光層から発せられた光の一部は、ＧａＮ系結晶層を挟む両側の界面（例えば、〔基板とＧａＮ系結晶層との界面〕と〔ＧａＮ系結晶層と空気との界面〕）で全反射され、多重反射によって素子内部に閉じ込められる。この光は、素子内部を伝播する間に内部吸収により減衰する。
また、フリップチップボンディング実装されるＧａＮ系ＬＥＤでは、ｐ側の電極がＧａＮ系結晶層の一方の面に全面的に形成されるが（ＩＴＯ等の透明導電膜を介して形成される場合もある）、この電極が光反射性とされるために、多重反射の問題が生じる。
【０００５】
前記多重反射の問題を解決し、ＬＥＤの光取り出し効率を向上させる方法として、基板表面に凹凸構造を設けることで発光層からの光を散乱させる手法が開示されている（例えば、特許文献１）。
また別の方法として、ＬＥＤの光取り出し面に凹凸加工を施すことで発光層からの光を散乱させ光取り出し効率を高める方法が開示されている（特許文献２）。さらに、基板裏面が光取り出し面とは反対側の面であっても、該基板裏面に凹凸加工を施すことで、発光層からの光を散乱させて反射し、光取り出し効率を高める方法が知られている。
【０００６】
しかしながら、本発明者等は、たとえ素子表面や基板の成長面に凹凸を設けても、光がＧａＮ系結晶側から凹凸面を通過する場合には、ある程度の量の光については全反射して素子外へ取り出すことができていない点に着目し、これを解決すべき第一の問題とした。
【特許文献１】特開２００４−１９３６１９号公報
【特許文献２】特開２００３−２１８３９４号公報
【特許文献３】特開２０００−１０６４５５号公報
【特許文献４】特開２０００−３３１９４７号公報
【特許文献５】特開２００１−２１０５９８号公報
【特許文献６】特開２００２−１６４２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、光取り出し効率を改善し得、さらには、放熱性を改善することも可能なＧａＮ系発光素子の構造、およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、次の特徴を有するものである。
（１）窒化物半導体結晶が成長し得る基礎基板の一方の主面が凹凸加工によって凹凸面とされ、該凹凸面は段差部で区画された凹部底面と凸部上面とを有し、
前記凹凸面上には、凹部底面および凸部上面のそれぞれから成長した単位結晶が合体して凹凸面を埋め込んでいる窒化物半導体結晶層と、その上に成長した他の窒化物半導体結晶層とを有してなる積層体が成長しており、該積層体には、発光素子構造として、ｎ型層、発光層、ｐ型層が含まれており、
基礎基板が他方の主面である裏面の側から部分的に除去され、
（あ）基礎基板のうちの凸部のみが、または、
（い）発光層から発せられた光が基礎基板を通過する際の該光の波長をλとして、凸部と、凹部底面から厚さλ／４以下の部分とからなる部分が、
素子中に残されていることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
（２）基礎基板の屈折率が、凹凸面を埋め込んでいる窒化物半導体結晶層の屈折率よりも小さいものである、上記（１）記載の窒化物半導体発光素子。
（３）基礎基板がサファイア基板である、上記（１）または（２）記載の窒化物半導体発光素子。
（４）さらに、上記積層体上に接合された支持基板を有するものである、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
（５）窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
（ｉ）窒化物半導体結晶が成長し得る基礎基板の一方の主面に凹凸加工を施し、該主面を、段差部で区画された凹部底面と凸部上面とを有する凹凸面とする凹凸加工工程と、
（ii）前記凹凸面の凹部底面と凸部上面とから別個に窒化物半導体の単位結晶を成長させそれらを互いに合体させて、凹凸面を埋め込む窒化物半導体結晶層とし、さらにその上に、他の窒化物半導体結晶層を成長させ、発光素子構造としてのｎ型層、発光層、ｐ型層を含む積層体を形成する結晶成長工程と、
（iii）基礎基板の他方の主面である裏面の側から、基礎基板を部分的に除去する加工を施して、
（あ）基礎基板のうちの凸部のみを、または、
（い）発光層から発せられた光が基礎基板を通過する際の該光の波長をλとして、凸部と、凹部底面から厚さλ／４以下の部分とからなる部分を、
素子中に残す基礎基板除去工程とを、
有することを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法。
（６）上記基礎基板除去工程に先立って、さらに、上記積層体上に支持基板を接合する工程を有する、上記（５）記載の製造方法。
（７）上記基礎基板除去工程における基礎基板の部分的除去方法が、化学的エッチング、機械的研摩、または、基礎基板の裏面側から凹凸面へのレーザ照射によるレーザリフトオフである、上記（５）または（６）記載の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、先ず、基礎基板の一方の主面（以下、上面）を凹凸面とし、結晶成長法として後述のファセットＬＥＰＳ法を適用することによって、基礎基板上に高品質な結晶層からなる発光素子構造を形成する。素子の取り扱いや機械的強度の点から、さらに支持基板を素子最上面に積層しておくのが好ましい態様である。
次に、基礎基板の他方の主面である裏面の側から、基礎基板を特定の厚さだけ除去し、図１に示すように、基板上面の凹凸部分だけを素子内に残し、その部分を光取り出し面または光反射面として利用している。
このような製造手順、素子構造とすることで、素子内に残した基礎基板の凹凸部分が光散乱層として働く。この光散乱層は、もとの基礎基板の側から光を取り出す場合には、光を散乱させながらより多くの光を取り出し得る面となり、もとの上方側から光を取り出す場合には、光を散乱させながらより多くの光を反射し得る面となり、それぞれの場合に光散乱用の新たな凹凸を形成することなく、光取り出し効率を向上させることが出来る。
また、基礎基板がサファイア基板である場合、サファイア基板は熱伝導率が悪く、発光素子に熱がこもり易いという問題がある。しかし、本発明では、基板を薄くし凹凸部分だけを残す構成としているので、「光取り出し効率」を向上させながら、「放熱性」をも向上させることが可能となっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明では、「凹部底面」、「凸部上面」、「凹凸面上」など、上下方向を示唆する文言を用いているが、これらは、次に説明するように、基礎基板を最下層と位置付けて規定したものであって、素子構造中における基板や各層の位置関係を明確に説明することを目的とするものである。即ち、本発明では、基礎基板の大部分を除去することが必須となっており、最上層に設けた支持基板を下にして基礎基板除去面を新たな素子上面とする場合や、最上層に設けた支持基板をそのまま上側にしてフリップチップ実装する場合があり、素子の上下方向が分かりにくい。そこで、製造工程の最初に用いる基礎基板を最下層として位置付け、〔その上にＧａＮ系結晶層が積層されていく〕と規定して、素子の積層構造に上下の方向を与えて説明を明確にした。この上下方向は、最終製品の形状から受ける上下のイメージや、実装姿勢とは関係が無い。
【００１１】
以下、本発明による製造方法を説明しながら、それに沿って、本発明によるＧａＮ系発光素子の構造をも同時に説明する。
図１は、本発明による製造方法の各工程における加工状態を示した模式図である。
本発明による製造方法は、（ｉ）の凹凸加工工程と、（ii）の結晶成長工程と、（iii）の基礎基板除去工程とを、少なくとも有する。
【００１２】
（ｉ）の凹凸加工工程では、図１（ａ）に示すように、窒化物半導体結晶が成長するための基礎基板の上面Ａｘに凹凸加工を施し凹凸面とする。
該凹凸面は、段差部によって区画された凹部底面Ａ１と凸部上面Ａ２とを有し、後述するファセットＬＥＰＳ法（該凹凸面上にＧａＮ系結晶層を気相成長させるための公知の手法）が適用可能な凹凸であればよい。この凹凸の形状や寸法仕様についても後述する。
【００１３】
基礎基板は、ＧａＮ系結晶がエピタキシャル成長し得るものであればよく、例えば、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＮＧＯ、ＬＧＯなどが挙げられる。また、これらの材料からなる結晶層を表層として有する基板であってもよい。
好ましいファセットＬＥＰＳ法を実施する点からは、成長するＧａＮ系結晶が基礎基板の主面に垂直にｃ軸配向して成長し得る基板が好ましい。
サファイア基板は、ＧａＮ系結晶を成長させるための基礎基板として最も汎用であり好ましいが、背景技術の説明において問題点を述べたとおり、ＧａＮ系結晶よりも屈折率が低いために光を閉じ込め、また放熱性も低いという問題を有している。従って、基礎基板としてサファイア基板を用いた場合に、本発明の作用効果〔光取り出し効率の改善、放熱性の改善〕は最も顕著となる。
【００１４】
基礎基板の上面への凹凸加工法、凹凸の仕様について説明する。
凹凸面を上から見た時の凹凸が描くパターンは、後述のファセットＬＥＰＳ法が実施され得るパターンであればよく、従来公知の凹凸基板のパターンを参照してよい。好ましい態様としては、構成辺の全てが基板の結晶方位との関係において等価な方向に配向した多角形状の凸部（または凹部）が、規則的に配列されたパターン、直線状または曲線状の凹溝（または凸尾根）が一定間隔で配列されたストライプ状パターンなどが挙げられる。
これらのパターンの中でも、直線状の凹溝（または凸尾根）が一定間隔で配列されたストライプ状パターンは、加工が容易であるため、好ましいパターンである。
【００１５】
凹凸のパターンをストライプ状とする場合のストライプの長手方向や、凸部または凹部を多角形状とする場合の、該多角形の構成辺の方向は、その上に成長するＧａＮ系結晶にとって＜１１−２０＞方向、＜１−１００＞方向などとすることが好ましい。これらの方向は、公知のファセットＬＥＰＳ法を参照して、ファセットＬＥＰＳ法に特有の結晶成長態様が発生し易い成長条件（成長雰囲気、成長温度、雰囲気圧力など）と適宜組合わせればよい。
【００１６】
凹凸をストライプ状パターンとする場合、図３（ａ）に示す凹部底面の帯幅（凹溝幅）Ｗ１、凸部上面の帯幅（凸稜幅）Ｗ２は、共に１μｍ〜１０μｍ、特に２μｍ〜６μｍが好ましい。この帯幅が１μｍ以上であれば、エッチングマスクのパターニングに際して、レジストマスクの露光を安価なコンタクト露光装置で行うことができる。より高精度の露光が可能な、ステッパ等の露光装置を用いる場合には、更に狭い帯幅としてもよい。この帯幅が１０μｍを越えると、基板上の凹凸の密度が低くなるために、凹凸を利用するファセットＬＥＰＳ法の効果が小さくなる。
Ｗ１：Ｗ２は、２：３〜３：２、特に１：１とすることが好ましい。
これらの値は、凹凸を多角形状とする場合の、多角形の高さや、隣接する多角形の構成辺間の間隔として適用してよい。
【００１７】
凹凸の段差ｈは、凹部底面から結晶単位が成長し得、かつ凸部上面から成長した結晶単位と合体し得るように、またさらに、基礎基板除去工程の後に凹凸が光散乱の作用を充分に示すように、０．１μｍ〜５μｍ、特に０．５μｍ〜２μｍとすることが好ましい。これによって、凹凸形状を精度よく成長させることが容易となり、光の散乱効果を最も効率よく得ることができるようになる。
【００１８】
基板の主面に凹凸を加工する方法としては、フォトレジスト膜をエッチングマスクとして、ドライエッチングにより凹部を形成する方法が挙げられる。フォトレジスト膜に、目的の凹部形状に合わせた開口パターンを形成するには、フォトリソグラフィの技法を用いればよい。
ドライエッチングの際に用いるエッチングマスクはフォトレジストに限定されず、無機材料や金属材料からなるマスクも使用することができる。樹脂製のフォトレジスト膜は製膜、パターニング、除去の各操作を簡便に行うことができ、特に基板表面に大きなダメージを与えることなく除去できることから、最も好ましいマスクである。ただし、樹脂材料からなるために、ドライエッチングによる加工時間が過度に長くなると基板表面への焼き付きが生じ、良好なＧａＮ系結晶の成長を阻害する。
【００１９】
ドライエッチングには、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）があり、いずれも好ましく用いることができる。これらのドライエッチングに用いるエッチングガスは、使用する基板の材料に合わせて、従来公知のガスから選択することができる。
【００２０】
凹凸の断面形状は、図１（ａ）、図３（ａ）に示すように、凹部底面Ａ１と凸部上面Ａ２とを確保する点から、基本的に矩形（台形を含む）波状が好ましい。
図３（ａ）に示すように、主面Ａｘと段差面Ａ３とのなす角度θは、１０°≦θ≦９０°が好ましく、４５°≦θ≦９０°が特に好ましい範囲である。
【００２１】
（ii）の結晶成長工程では、先ず、図１（ｂ）に示すように、基礎基板Ａの凹凸面に対してファセットＬＥＰＳ法を適用し、その凹部底面Ａ１と凸部上面Ａ２とから別個に窒化物半導体の単位結晶１ａ、１ｂを気相成長させ、それらを互いに合体させて上面を平坦化させて、凹凸面を埋め込むＧａＮ系結晶層（以下、埋め込み層）１とする。
さらに該埋め込み層の上に、図１（ｃ）に示すように、他のＧａＮ系結晶層を成長させ、発光素子構造としてのｎ型層、発光層、ｐ型層を含んだ、ＧａＮ系結晶からなる積層体Ｓを形成する。
【００２２】
積層体Ｓの各層の導電型の上下関係は、ｎ型層、ｐ型層のどちらを下側にするかは限定されないが、埋め込み層１は、最終的な素子構造では必ず電流経路となるので、積層体の下側の層の導電型と同じ導電型とすべきである。
図１の例では、埋め込み層１と、クラッド層２とは、キャリア濃度や結晶の組成が互いに異なる別の層としたが、１つの層で兼用してもよい。
【００２３】
また、埋め込み層として好ましいＧａＮ系材料は、ファセットを形成した材料と同じ材料であるＧａＮであり、キャリア濃度は１×１０１７〜１×１０２１ｃｍ−３が好ましい範囲である。
【００２４】
ファセットＬＥＰＳ法の基礎技術であるＬＥＰＳ法(Lateral Epitaxy on a Patterned Substrate)は、基板の主面に凹凸加工を施し、その凹凸上にＧａＮ系結晶を成長させる方法である。ＬＥＰＳ法は、基板の主面への加工を完了させた後に、前述の基板表面処理（バッファ層の形成、窒化処理等）を含めたＧａＮ系結晶の成長を行う方法であり、また、ＳｉＯ２などからなる選択成長マスクは用いない。これらの点から、ＬＥＰＳ法は、結晶の横方向成長を意図的に発生させる方法の中でも、最も製造工程が簡素化でき、かつ、ＧａＮ系結晶の汚染や変質を最小限に抑えられる方法である。
【００２５】
ＬＥＰＳ法の中でもファセットＬＥＰＳ法は、平坦化後の結晶層表面における転位密度（貫通転移の密度）が一様に低くなる優れた結晶成長法である（例えば、特許文献３〜６）。ファセットＬＥＰＳ法によって高品質な結晶層を成長させることによって、活性層における発光効率の向上、ｐｎ接合部の耐圧特性の向上や、素子の動作電圧低減に係わる、コンタクト層の導電率の向上、コンタクト層と電極との接触抵抗の低減等の、好ましい効果が期待できる。
【００２６】
ファセットＬＥＰＳ法は、凹凸の仕様と成長条件との組合わせが重要である。凹凸面は、図１（ａ）に示すように、ＧａＮ系結晶がｃ軸配向し得る主面（その主面上にＧａＮ系結晶を成長させた場合にその結晶のｃ軸が該主面に対し垂直となるような板面）Ａｘに凹凸加工を施すことによって形成する。
この主面上に、ｃ軸方向の成長速度が高く、ｃ軸に直交する方向の成長速度が低くなる成長条件（比較的低い温度、比較的高い水素ガス濃度、比較的高い圧力）を用いて、ＧａＮ系結晶の成長を行う。これによって、結晶成長の過程で、凹部底面Ａ１および凸部上面Ａ２のそれぞれに、｛１−１０１｝ファセット、｛１１−２２｝ファセットのような、主面に対して斜めに配向したファセット（以下「斜めファセット」という）１ｆを側壁面とする独立した結晶単位が発生する。これがファセット成長である。
【００２７】
上記のように、ファセット成長では、その成長の初期に、斜めファセットを側壁面として有する微小な結晶が多数形成される。この微小な結晶同士が合体を繰り返して大きくなる過程で、転位の伝播方向が曲がり、逆方向の転位がループを形成して消滅していくことにより、転位密度の低減が生じる。
また、ファセット成長から平坦化へと移行するとき、凹部底面および凸部上面に発生した結晶体の側壁面から横方向成長が発生し、転位の伝播方向が曲げられるために、上方に伝播する転位の密度が低減する。
後者の効果を最大とするために、ファセット成長工程で発生させる結晶体は、側壁面となる斜めファセットの面積が最大となる形状とすることが好ましい。その形状は、多角形状の凹部または凸部から成長する結晶体の場合には、該多角形を底面とする角錐状であり、ストライプ状の凹部または凸部から成長する結晶体の場合には、ストライプの長手方向に伸びる、断面三角形の屋根形である。
【００２８】
ファセット成長によって、凹部底面と凸部上面のそれぞれに独立した結晶単位が発生した後も成長を継続すると、各結晶単位は横方向にも徐々に伸張して行く。やがて、隣り合った結晶単位同士が接すると、より速い横方向成長が発生して、隣り合う結晶単位の側壁面（斜めファセット）の間が埋め込まれて行き、表面が平坦化する。
【００２９】
平坦化の工程を早く開始させるには、それぞれの凹部底面と凸部上面に独立した結晶単位が形成されたところで、成長条件を変化させ、二次元成長が優勢となる成長条件（より高い温度、より低い雰囲気中水素ガス濃度、より低い圧力）に切り替える。このような成長条件の切り替えを行うと、基板表面が短時間でＧａＮ系結晶に覆い尽くされ、また、その後の、隣り合う結晶単位の側壁面の間の埋め込みも短時間で進み、表面平坦化がより早く達成される。
【００３０】
凹凸基板上にＧａＮ系結晶を成長させる方法は特に限定されるものではなく、ＭＯＶＰＥ法の他、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、分子ビーム蒸着（ＭＢＥ）法等、従来公知の方法を適宜使用することができる。
また、製造効率の点からは、基礎基板上に積層されるＧａＮ系半導体層の成長を、全てＭＯＶＰＥ法により、ひとつの成長炉内で一貫して行うことが好ましい。
【００３１】
埋め込み層上に順次成長させるＧａＮ系結晶層は、発光素子構造に応じて適宜設計してよい。図１（ｃ）の例では、埋め込み層１がｎ型クラッド層を兼ねたｎ型コンタクト層となっており、ＧａＮ系発光層２、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ｐ型ＧａＮコンタクト層４を有する素子構造となっている。発光層は、多重量子井戸構造など、さらに多層に細分化してもよい。
また、必要に応じて、ブラッグ反射層などの必要な機能層を、適宜設けてよい。
最上層であるｐ型層は、必ずしも上面が平坦な層である必要はなく、テトラエチルシラン、シラン、ジシラン、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、Ｓｉなどのサーファクタント処理を施すことによって、下地であるＧａＮ系結晶層上面にドット状に成長させた３次元結晶体であってもよい。
【００３２】
本発明では基礎基板の大部分が除去されるために、素子を製品として取り扱うには、図１（ｃ）に示すように、積層体Ｓの最上層に支持基板を設けることが好ましい。支持基板を付与することによって、たとえ基礎基板の大部分が除去されても、最終的な製品では充分な機械的強度が確保され、また、素子の取り扱い性も向上する。
支持基板の厚さは限定されないが、発光素子の反りを防止する点からは、９０μｍ〜１０００μｍ、特に１００μｍ〜５００μｍが好ましい寸法である。
【００３３】
支持基板の材料は、限定はされないが、好ましいものとしては、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＣｕＷ、ＧａＰ、ＩｎＰ，ＺｎＯ，ＺｎＳｅなどが挙げられる。
積層体の最上層への支持基板の接合方法は、その支持基板の材料によっても異なるが、導電性材料を介しての接着が好ましい。接合に介在させ得る導電性材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｉｎ、はんだ、Ａｇペーストなどが例示される。
支持基板の材料としてｎ型ＧａＡｓ、ｐ型ＧａＡｓなどの導電性材料を用いると、図２（ｂ）に示すように、支持基板に電極を形成することが可能となり、ｎ電極Ｅ２とｐ電極Ｅ１とを平行平板状に対向配置し、これら電極によって素子構造部分を上下から挟んだ構造とすることもできる。
【００３４】
（iii）の基礎基板除去工程では、図１（ｄ）に示すように基礎基板Ａを裏面側から部分的に除去し、凹凸部分を素子内に残す。素子内に残す部分は、次の（あ）または（い）に示す部分である。
（あ）図３（ｂ）に示すように、凹凸のうちの凸部Ａ１０だけの部分。
（い）図３（ｃ）に示すように、凸部Ａ１０と、凹部底面Ａ１から厚さｔまでの部分Ａ１１とからなる部分。ただし、ｔは、発光層から発せられた光が該基礎基板を通過する際の該光の波長をλとして、０＜ｔ≦λ／４である。
上記（あ）または（い）の部分を素子内に残すことによって、ファセットＬＥＰＳ法に用いた凹凸が、光散乱用として利用される。
【００３５】
素子内に残す部分は、光散乱による光取り出し効率を改善する点からは、上記（あ）に示すように、凸部Ａ１０だけとすること、または可及的に凸部Ａ１０だけに近いことが好ましい。
０＜ｔ≦λ／４であるならば、たとえ、基礎基板と埋め込み層のＧａＮ系結晶との屈折率が互いに異なっても、発光層からの光に対して透明領域となるので、全反射などの屈折が生じることがなく、基礎基板は上記（い）の態様として素子内に残存させてよい。
しかしながら、理論上１／４λ以下で結晶成長させた場合であっても、場所によっては１／４λ以上の基板が残留してしまう可能性も考えられる。したがって、１／４λ以上残留した場合には、その界面における反射により光取出し効率が低下するのを防止するため、凸部Ａ１０のみ、またはそれ以下が残留する形態が好ましい。
【００３６】
基礎基板除去工程における基礎基板の除去方法としては、化学的エッチング（例えば、湿式エッチング、乾式エッチング（酸性、アルカリ性溶液）など）、機械的研摩、下面側から凹凸面へレーザ照射することよるレーザリフトオフなどが挙げられる。
これら基礎基板の除去方法のなかでも、残存部分の総厚（ｈ、またはｈ＋ｔ）を好ましい精度でコントロールできる点からは、機械的研磨が好ましい除去方法である。
【００３７】
図２は、本発明による製造方法によって得られるＧａＮ系発光素子（ＧａＮ系ＬＥＤ）の素子構造を模式的に示した断面図である。同図では、従来公知の発光素子の構造と比較し易いように、図１の例に対して積層方向の上下を逆転させ、新たに加えられた支持基板Ｂを図の下側にして描いている。
図２（ａ）の発光素子では、上記製造方法の説明で述べたとおり、凹凸加工された基礎基板（除去され、残存部分Ａ１０だけが残っている）に埋め込み層（ｎ型コンタクト兼クラッド層）１が形成され、下方へ順に、発光層２、ｐ型クラッド層３、ｐ型コンタクト層４、支持基板Ｂが形成されている。残存部分Ａ１０は、基礎基板のうちの凸部上面Ａ２から厚さ０．１μｍ〜５μｍまでの部分が素子中に残されている。
基礎基板除去面にはｎ型側電極Ｅ１が形成されている。
【００３８】
図２（ａ）の発光素子では、絶縁性の支持基板が用いられており、支持基板にはｐ型側の電極を形成することができない。よって、従来のサファイア基板を用いたＧａＮ系ＬＥＤと同様、積層体Ｓの一部が基礎基板除去面からｐ型ＧａＮコンタクト層４が露出する深さまでドライエッチング法により除去され、これにより露出されたｐ型ＧａＮコンタクト層４上に、ｐ型側電極Ｅ２が形成されている。
一方、図２（ｂ）の発光素子では、導電性の支持基板が用いられており、支持基板にｐ型側の電極Ｅ２が形成されており、ｎ型側の電極Ｅ１と平行平板状に対向し、それらの間に発光層２を挟んでいる。
【００３９】
電極の形成方法自体は従来の方法を用いてよいが、導通を確保するため少なくともｎ型ＧａＮ層を電極に接触させる必要がある。具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ等のｎ型ドーパントをドープして成長させたＧａＮ系結晶層表面、またはノンドープのＧａＮ系結晶層表面に、蒸着、スパッタ等の技術により、アルミニウム単体もしくは、チタンとアルミニウムよりなる合金膜を形成する。
なお、電極を形成すべき面に非導電性のサファイア基板が残留している場合、すなわち、サファイア基板が１／４λ残留している場合には、基板除去工程の後、少なくとも電極形成部分にエッチング処理を行い、ＧａＮ系結晶層を露出させて電極を形成する。
また、基板上のＧａＮ系結晶層がノンドープの場合には、該ＧａＮ系結晶層を除去し、コンタクト層となり得る一定以上のキャリア濃度とされたＧａＮ系結晶層を露出させ、該層に電極を形成する方が、通電状態が良好になる点で好ましい。
また、電極の種類としては開口電極、くし型電極、透明電極が挙げられる。例えば、透明電極（例えばＩＴＯ）を用いる場合、ｎ層表面全面にＩＴＯを形成しても良いし、残存サファイア上に選択的に電流拡散体を設けその上に全面にわたってＩＴＯ膜を形成しても良い。
【００４０】
本発明は、ＬＥＤだけでなく全てのＧａＮ系半導体発光素子（ＬＥＤ以外の発光素子）、受光素子、電子デバイスなどの製造方法として有用である。素子の構造や、その製造のために必要となる技術（ＧａＮ系半導体の積層構造の形成技術、パターニング技術、電極材料技術、素子分離技術など）については、公知の技術を参照してよい。
【実施例】
【００４１】
実施例１
本実施例では、図２（ａ）に示す構造（即ち、絶縁性の支持基板を接合し、基礎基盤のうち凸部だけを残す態様）のＧａＮ系ＬＥＤを製作し、性能を評価した。
〔凹凸加工工程〕
先ず、基礎基板として直径２インチのｃ面サファイア基板（円板状ウエハ）用いた。
フォトリソグラフィの方法を用いて、基礎基板の主面上に幅３μｍの帯状のエッチングマスクを３μｍの間隔をおいて平行ストライプ状に配列した。ストライプの長手方向は、サファイアの＜１−１００＞方向に平行とした。
次に、基礎基板の主面のうちエッチングマスクによって覆われていない部分（主面が露出している部分）に、ドライエッチングを施し、深さ１μｍの断面略矩形波状の溝を形成した。その後、エッチングマスクを除去し、有機洗浄および酸洗浄を行ない、凹凸面を得た。
図３（ａ）における凹凸面の各部の寸法は、凹部底面の幅Ｗ１＝凸部上面の幅Ｗ２＝３μｍ、凹凸の段差ｈ＝１μｍである。
【００４２】
〔サーマルクリーニングと、低温バッファ層の形成〕
凹凸加工を施したサファイア基板を、ＭＯＶＰＥ装置内（ヒータ加熱されるサセプタ上）に配置し、常圧、水素ガスが２５Ｌ／分の流量で導入される雰囲気中で、基板温度を１１００℃まで上昇させ、約１０分間の気相エッチング（サーマルクリーニング）を行なった。これによって、サファイア基板表面の自然酸化膜を除去した。
この後、基板温度を４００℃まで降温し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニアを導入し、凹部底面および凸部上面にＧａＮからなる低温バッファ層を形成した。
【００４３】
〔ファセットＬＥＰＳ法による埋め込み層の形成〕
続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡの供給を停止し、アンモニアのみを流したまま、基板温度を１０００℃まで昇温した。その後、キャリアガスとして水素ガスおよび窒素ガス、原料としてアンモニアとＴＭＧを供給し、ファセットＬＥＰＳ法を実施することによってファセット成長の後に平坦化を行い、アンドープＧａＮ埋め込み層を成長させた。アンドープＧａＮ埋め込み層の厚さは、サファイア基板の表面の凸部上面から約２μｍとした。
アンドープＧａＮ埋め込み層の成長初期過程では、先ず基板面に対して傾斜したファセット面を表面とする三次元形状のＧａＮ結晶体が、基板面の凹凸の凸部上と凹部底のそれぞれにおいて別個に成長した。このような過程を経てアンドープＧａＮ埋め込み層を成長させると、基板面の凹凸の凹部は、殆ど空洞を残すことなくアンドープＧａＮ埋め込み層によって埋め込まれる。
アンドープＧａＮ埋め込み層の成長後、成長槽内にシランを導入し、これによって厚さ約４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層を形成した。
【００４４】
〔発光層としての多重量子井戸構造の形成〕
埋め込み層の成長後、ＴＭＧ及びシランの供給を停止し、基板温度を７００℃まで降下させ、キャリアガスを窒素ガスのみに切替え、アンモニアとＴＭＧを導入して、ＧａＮからなるバリア層（障壁層）を成長させた。
次に、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を導入し、ＩｎＧａＮからなる井戸層を成長させた。ＴＭＧとＴＭＩの供給量は、ＬＥＤの設計発光波長に合わせて、ＩｎＧａＮのＩｎＮ混晶比が適当な値となるように調節される。本実施例では、中心発光波長が４０５ｎｍとなるように、混晶比を設定した。
バリア層と井戸層とを所定の回数だけ交互に成長させ、多重量子井戸構造を得た。
【００４５】
〔ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層の形成〕
槽内温度を１０００℃に上昇させ、キャリアガスを水素ガスと窒素ガスに切替え、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を導入し、厚さ５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５を成長させた。
続いて、ＴＭＡの供給を停止すると共に、Ｃｐ２Ｍｇの流量を増加して、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層（高キャリア濃度層）を成長させた。
【００４６】
〔支持基板の接合〕
上記積層体を有するウエハをＭＯＶＰＥ装置から取り出し、最上層のｐ型ＧａＮコンタクト層上に、厚さ１００μｍのＧａＡｓからなる支持基板を導電性材料を接着剤として接合した。
【００４７】
〔基礎基板除去工程〕
基礎基板を裏面側から機械的研磨により厚さが減少するように除去して行き、該基礎基板の凸部上面を基準として裏面側へ１μｍの部分だけが残る状態とした。
除去面には、サファイアからなる帯状領域と、埋め込み層のｎ型ＧａＮからなる帯状領域とによるストライプが現れた。
【００４８】
〔電極形成とチップ化〕
このウエハに対して、基礎基板除去面側からさらに部分的に（分断後に個々の素子のｐ型電極を形成すべき領域が露出するように）ｐ型ＧａＮコンタクト層が露出する深さまでドライエッチングを施し、露出したｐ型ＧａＮコンタクト層上に、Ｎｉ（結晶とオーミック接触する側）／Ａｕ（被覆側）からなるｐ型側電極を形成した。
また、ドライエッチングを施さなかった基礎基板除去面には、Ａｌからなるｎ型側電極を形成した。
以上のようにして得られたウエハーに対して、スクライブ・ブレーキング法を用い、一辺０．３５ｍｍの正方形のベアチップへと分断した。
【００４９】
〔評価〕
得られたチップをＴｏ缶上に実装し、２０ｍＡ駆動で発光させたところ、出力は１５ｍＷであり、発光層から発せられた光が残存部によって散乱し、光取り出し効率が向上していることがわかった。
また、出力の向上とともに、基板を除去したことで放熱性が向上し、電流注入による熱の影響を回避でき、ＬＥＤの素子寿命が増加することもわかった。
【００５０】
実施例２
本実施例では、図２（ｂ）に示す構造のＧａＮ系ＬＥＤを製作し、性能を評価した。
ｐ型ＧａＡｓからなる導電性の支持基板を用いたこと、それによって支持基板上にｐ型側電極を形成したこと以外は、上記実施例１と同様の素子構造、形成工程にて、ＧａＮ系ＬＥＤを作製した。
得られたチップを上記実施例１と同様に評価したところ、出力は１８ｍＷであり、実施例１の場合と同様に、発光層から発せられた光が残存部によって散乱し、光取り出し効率が向上しており、また、放熱性が向上し、電流注入による熱の影響を回避でき、ＬＥＤの素子寿命が増加していることもわかった。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によって、ＧａＮ系発光素子（特にＧａＮ系ＬＥＤ）の光取り出し効率が改善された。また、基礎基板としてサファイア基板を用いる際には、該サファイア基板の大部分を除去するので、放熱性が改善された。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明による製造方法の各工程における加工状態を示した模式図である。同図（ａ）、（ｂ）では、凹凸部分を拡大して示している。
【図２】本発明による製造方法によって得られるＧａＮ系発光素子（ＧａＮ系ＬＥＤ）の素子構造を模式的に示した断面図である。
【図３】主面に加工された凹凸、および、基礎基板除去後の残存部分を拡大して示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ      基礎基板
Ａ１    凹部底面
Ａ２    凸部上面
Ａ３    段差面
Ａ１０  残存部分
１      埋め込み層
２〜４  ＧａＮ系結晶層
Ｓ      ＧａＮ系結晶からなる積層体
Ｂ      支持基板
【図１】
2006196543.tif 000003
【図２】
2006196543.tif 000004
【図３】
2006196543.tif 000005