(57)【要約】【課題】ＧａＮ単結晶の非極性面または半極性面を表面に有する基板の製造コストを抑えることができ、且つ、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板といった透明導電性基板の上に窒化物系化合物半導体層が設けられた発光素子を実現できる貼り合わせ基板、貼り合わせ基板の製造方法、及び発光素子を提供する。【解決手段】貼り合わせ基板１０Ａは、窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなり、主面１４ａを有し、可視光に対して透明な導電性の支持基板１４と、支持基板１４の主面１４ａと貼り合わされ、ＧａＮ結晶のＣ面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成された表面１２ａを有するＧａＮ薄層１２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなり、主面を有し、可視光に対して透明な導電性の支持基板と、
前記支持基板の前記主面と貼り合わされ、窒化ガリウム結晶のＣ面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成された表面を有する窒化ガリウム薄層と
を備えることを特徴とする、貼り合わせ基板。
【請求項２】
前記支持基板が酸化ガリウム基板または酸化亜鉛基板であることを特徴とする、請求項１に記載の貼り合わせ基板。
【請求項３】
前記支持基板の結晶状態が多結晶または単結晶であることを特徴とする、請求項１または２に記載の貼り合わせ基板。
【請求項４】
前記支持基板の比抵抗が３×１０−３［Ωｃｍ］以上１［Ωｃｍ］以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
【請求項５】
前記窒化ガリウム薄層の平均転位密度が２×１０８［ｃｍ−２］以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
【請求項６】
前記窒化ガリウム薄層の前記表面が、窒化ガリウム結晶のＣ面に対し６０°以上９５°以下の傾斜角をもって形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
【請求項７】
前記窒化ガリウム薄層の前記表面が、窒化ガリウム結晶のＣ面に対し７０°以上８０°以下の傾斜角をもって形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の貼り合わせ基板。
【請求項８】
前記窒化ガリウム薄層の前記表面の傾斜方向がＡ軸方向またはＭ軸方向であることを特徴とする、請求項６または７に記載の貼り合わせ基板。
【請求項９】
前記窒化ガリウム薄層の前記表面が、窒化ガリウム結晶の｛２０−２１｝面であるか、または｛２０−２１｝面に対して±３°以内の傾斜角をもって形成されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の貼り合わせ基板。
【請求項１０】
前記窒化ガリウム薄層の前記表面が、窒化ガリウム結晶のＭ面であるか、またはＭ面に対して±５°以内の傾斜角をもって形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
【請求項１１】
前記窒化ガリウム薄層の前記表面が、窒化ガリウム結晶のＡ面であるか、またはＡ面に対して±５°以内の傾斜角をもって形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
【請求項１２】
前記窒化ガリウム薄層の前記表面上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層を更に備えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
【請求項１３】
前記窒化ガリウム薄層の前記表面上に設けられた窒化物系化合物半導体積層部を更に備え、
前記窒化物系化合物半導体積層部は、
前記窒化ガリウム薄層の前記表面上にエピタキシャル成長された第１導電型の第１窒化物系化合物半導体層と、
前記第１窒化物系化合物半導体層上にエピタキシャル成長された、インジウムを含む窒化物系化合物半導体からなる発光層と、
前記発光層上にエピタキシャル成長された第２導電型の第２窒化物系化合物半導体層と
を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
【請求項１４】
前記支持基板が酸化ガリウム基板であり、
前記支持基板の前記主面の面方位が、｛１００｝面、｛０１０｝面、｛００１｝面、（１００）面から［００−１］方向へ１３．７°傾いた面、及び（００１）面から［−１００］方向へ１３．７°傾いた面のうちいずれかであることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
【請求項１５】
前記窒化ガリウム薄層の劈開方向と前記支持基板の劈開方向とが揃っていることを特徴とする、請求項１４に記載の貼り合わせ基板。
【請求項１６】
前記支持基板が酸化亜鉛基板であり、
前記支持基板の前記主面の面方位が｛０００１｝面であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の貼り合わせ基板。
【請求項１７】
前記窒化ガリウム薄層の＜１−１００＞方向が前記支持基板の＜１−１００＞方向に沿っていることにより、前記窒化ガリウム薄層の劈開方向と前記支持基板の劈開方向とが揃っていることを特徴とする、請求項１６に記載の貼り合わせ基板。
【請求項１８】
前記窒化ガリウム薄層の＜１１−２０＞方向が前記支持基板の＜１１−２０＞方向に沿っていることにより、前記窒化ガリウム薄層の劈開方向と前記支持基板の劈開方向とが揃っていることを特徴とする、請求項１６に記載の貼り合わせ基板。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載された貼り合わせ基板を製造する方法であって、
窒化ガリウム結晶の（０００−１）面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成された表面を有する窒化ガリウム基板の前記表面にイオン注入を行う工程と、
前記窒化ガリウム基板の前記表面と前記支持基板の前記主面とを互いに貼り合わせる工程と、
前記窒化ガリウム基板のうち前記表面を含む部分を層状に残して他の部分を除去することにより、前記窒化ガリウム薄層を前記支持基板上に形成する工程と
を備えることを特徴とする、貼り合わせ基板の製造方法。
【請求項２０】
前記窒化ガリウム薄層に接する窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる工程を更に備え、
前記窒化物系化合物半導体層の成長温度を９００℃以上１１５０℃以下とすることを特徴とする、請求項１９に記載の貼り合わせ基板の製造方法。
【請求項２１】
窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなり、主面を有し、可視光に対して透明な第１導電型の支持基板と、
前記支持基板の前記主面と貼り合わされ、窒化ガリウム結晶のＣ面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成された表面を有する窒化ガリウム薄層と、
前記窒化ガリウム薄層の前記表面上にエピタキシャル成長された第１導電型の第１窒化物系化合物半導体層と、
前記第１窒化物系化合物半導体層上にエピタキシャル成長された、インジウムを含む発光層と、
前記発光層上にエピタキシャル成長された第２導電型の第２窒化物系化合物半導体層と
を備えることを特徴とする、発光素子。
【請求項２２】
前記窒化ガリウム薄層の劈開方向と前記支持基板の劈開方向とが揃っており、
前記窒化ガリウム薄層及び前記支持基板の劈開方向に対して垂直に延びる、レーザ発振のための光導波路が設けられていることを特徴とする、請求項２１に記載の発光素子。
【請求項２３】
前記支持基板が酸化ガリウム基板または酸化亜鉛基板であり、当該発光素子がＬＥＤであることを特徴とする、請求項２１に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガリウム基板、酸化亜鉛基板などの透明導電性基板の上に、窒化ガリウム結晶のＣ面から傾斜した半極性面または非極性面を表面に有する窒化ガリウム薄層が貼り合わされて成る、貼り合わせ基板及びその製造方法、並びに該貼り合わせ基板上に発光層が設けられて成る発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、窒化物半導体膜を異種基板上に有する半導体基板の作製方法が開示されている。この文献に記載された方法は、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板の表面近傍に上方からイオンを注入してイオン注入層を形成し、そのＧａＮ基板の表面と単結晶シリコン基板とを重ね合わせた状態で熱処理を施すことによりそれらを貼り合わせ、イオン注入層を除くＧａＮ基板の主な部分を単結晶シリコン基板から引き剥がすことにより、ＧａＮ薄膜をシリコン基板上に有する半導体基板を作製している。そして、この半導体基板のＧａＮ薄膜上に種々の窒化物半導体層を成長させることで、ＬＥＤやトランジスタを作製している。
【０００３】
また、特許文献２には、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）単結晶基板を備える発光素子が記載されている。この発光素子は、Ｇａ２Ｏ３単結晶基板上に形成されたｐｎ接合部を含んでおり、このｐｎ接合部は、ｎ型のＧａＮ系化合物半導体薄膜と、このｎ型のＧａＮ系化合物半導体薄膜上に形成されたｐ型のＧａＮ系化合物半導体薄膜とによって構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２１０６６０号公報
【特許文献２】特開２００４−５６０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＧａＮなどの窒化物系化合物半導体は、バンドギャップが比較的大きいIII−Ｖ族化合物半導体であり、青紫色レーザ素子といった、発光波長が比較的短い発光素子に利用されている。このような短波長の発光素子は、ＧａＮ基板上に窒化物系化合物半導体層を成長させて作製される。特に、光共振構造を備えるレーザ素子においては、窒化物系化合物半導体層に導入される転位欠陥が素子の寿命に大きく影響するが、ＧａＮ基板上に窒化物系化合物半導体層を成長させることにより、転位欠陥を導入されにくくすることができる。
【０００６】
また、近年、窒化物系化合物半導体からなる発光層のＩｎ組成比を高めることにより、青色光より長波長の緑色光等を出力することが期待されている。しかし、窒化物系化合物半導体はｃ軸方向に分極しているので、発光層のＩｎ組成比を高めると、その上下の窒化物系化合物半導体層との格子定数差に起因する歪みが増大し、分極の影響が更に大きくなってしまう。そして、この分極の影響により、発光層内の正孔の分布と電子の分布とに偏りが生じ、再結合確率が低下し、発光効率が抑制されてしまう。
【０００７】
この問題点を解決し、青色光より長波長の光を出力する発光素子の高効率化を図るため、Ｉｎを含む発光層及びその上下の窒化物系化合物半導体層を、ＧａＮ単結晶の非極性面（無極性面）や半極性面上に成長させることが試みられている。ＧａＮ単結晶の非極性面や半極性面の上に窒化物系化合物半導体層を成長させることにより、分極の影響が低減され、発光効率を向上させることができるからである。なお、ＧａＮ単結晶の非極性面とは、例えば｛１−１００｝面（すなわちＭ面）や｛１１−２０｝面（すなわちＡ面）であり、半極性面とは、ＧａＮ単結晶のＣ面からの傾斜角が９０°より小さい（或いは大きい）面である。
【０００８】
しかしながら、ＧａＮ単結晶の非極性面や半極性面を表面に有する基板を作製する場合、次のような問題がある。すなわち、サファイア基板などの異種基板上にＧａＮ単結晶を成長させると、エピタキシャル配向の関係により、成長面を非極性面や半極性面とすることは困難である。また、ＧａＮ単結晶からなるインゴットを任意の面方位で切断することにより、非極性面や半極性面を主面とするＧａＮ基板を作製する方法もある。しかし、一般的に、ＧａＮ単結晶インゴットは、ＧａＮとは異なる基板上にＧａＮ単結晶を成長させ、該基板をＧａＮ単結晶から分離させることによって得られる。その際、例えばＨＶＰＥと呼ばれる気相成長法によってＧａＮ単結晶を成長させるが、気相成長法でのＧａＮ単結晶の成長速度が遅いことから、ＧａＮ基板一枚当たりの製造コストが高価になってしまう。
【０００９】
ところで、上述した引用文献２に記載されているように、酸化ガリウム（β−Ｇａ２Ｏ３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）といった、比較的高温に耐えうる透明な導電性基板がある。ＺｎＯの結晶構造は六方晶系の一つであるウルツ鉱型であり、Ｉｎなどを添加することによりｎ型の導電性を与えることが可能である。一方、β−Ｇａ２Ｏ３の結晶構造は単斜晶系であり、ＧａＮとは５％以上の格子定数差がある。しかし、β−Ｇａ２Ｏ３のバンドギャップは４．８［ｅＶ］と大きく、２６０［ｎｍ］程度の波長域までの光に対し透明である。また、β−Ｇａ２Ｏ３は、不純物の添加によって導電性を有することができるとともに、融点が１７２０℃であり化学的にも安定である。これらのことから、ＺｎＯ及びβ−Ｇａ２Ｏ３は、発光素子の基板として有用であると考えられる。
【００１０】
しかしながら、ＧａＮ等の窒化物系化合物半導体を成長させる際には、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が用いられ、基板温度が１０００℃以上といった高温になり、且つ、基板が水素還元雰囲気や高濃度のアンモニアガスに曝される。ＺｎＯ及びβ−Ｇａ２Ｏ３は、ＧａＮ系半導体の成長時におけるこのような高温下での水素還元雰囲気且つ高濃度のアンモニアガス中においては、決して安定ではない。したがって、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板の上にＧａＮ系半導体を成長させようとすると、基板の表面に損傷が生じ、窒化物系化合物半導体の結晶品質が劣化してしまう。
【００１１】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、ＧａＮ単結晶の非極性面または半極性面を表面に有する基板の製造コストを抑えることができ、且つ、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板といった透明導電性基板の上に窒化物系化合物半導体層が設けられた発光素子を実現できる貼り合わせ基板、貼り合わせ基板の製造方法、及び発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記した課題を解決するために、本発明による貼り合わせ基板は、窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなり、主面を有し、可視光に対して透明な導電性の支持基板と、支持基板の主面と貼り合わされ、ＧａＮ結晶のＣ面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成された表面を有するＧａＮ薄層とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この貼り合わせ基板においては、窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなる支持基板の主面に、ＧａＮ薄層が貼り合わされている。これにより、基板一枚あたりのＧａＮの厚さを低減できるので、一つのＧａＮ単結晶インゴットからより多くの基板を作製することができ、基板の製造コストを抑えることができる。また、ＧａＮ薄層が、ＧａＮ結晶のＣ面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成された表面を有することにより、ＧａＮ結晶の非極性面または半極性面を表面に有する基板を提供できる。更に、支持基板は可視光に対して透明で且つ導電性を有しているが、この支持基板の主面はＧａＮ薄層によって保護されているため、その上に窒化物系化合物半導体を高温で成長させたとしても支持基板を安定に保つことができる。したがって、窒化物系化合物半導体の結晶品質を良好にできる。すなわち、上記貼り合わせ基板によれば、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板といった透明導電性基板の上に窒化物系化合物半導体層が設けられた発光素子を好適に実現できる。
【００１４】
また、上記貼り合わせ基板は、支持基板がβ−Ｇａ２Ｏ３基板またはＺｎＯ基板であることを特徴としてもよい。これにより、可視光に対して透明な導電性の支持基板を好適に実現できる。
【００１５】
また、上記貼り合わせ基板は、支持基板の結晶状態が多結晶または単結晶であることを特徴としてもよい。この貼り合わせ基板ではＧａＮ薄層上に結晶成長を行うので、支持基板の結晶構造は単結晶及び多結晶のいずれであってもよい。
【００１６】
また、上記貼り合わせ基板は、支持基板の比抵抗が３×１０−３［Ωｃｍ］以上１［Ωｃｍ］以下であることを特徴としてもよい。これにより、十分な導電性を確保して高い電流効率の発光素子を作製できる。
【００１７】
また、上記貼り合わせ基板は、ＧａＮ薄層の平均転位密度が２×１０８［ｃｍ−２］以下であることを特徴としてもよい。これにより、ＧａＮ薄層上に成長する窒化物系化合物半導体層の結晶品質を高め、発光効率を向上させることができる。
【００１８】
また、上記貼り合わせ基板は、ＧａＮ薄層の表面が、ＧａＮ結晶のＣ面に対し６０°以上９５°以下の傾斜角をもって形成されていることを特徴としてもよい。これにより、Ｉｎを含む発光層において生じるピエゾ分極を効果的に低減でき、発光効率をより高めることができる。この場合、ＧａＮ薄層の表面が、ＧａＮ結晶のＣ面に対し７０°以上８０°以下の傾斜角をもって形成されていると尚好ましい。
【００１９】
また、上記貼り合わせ基板は、ＧａＮ薄層の表面の傾斜方向がＡ軸方向またはＭ軸方向であることを特徴としてもよい。傾斜方向がＡ軸方向（またはＭ軸方向）である場合、Ｍ面（またはＡ面）は表面に対して常に垂直となるので、この貼り合わせ基板をＭ面（またはＡ面）で劈開し、例えばレーザ素子の光共振端面として利用することが可能となる。
【００２０】
ＧａＮ薄層の表面は、ＧａＮ結晶の｛２０−２１｝面であってもよく、または｛２０−２１｝面に対して±３°以内の傾斜角をもって形成されていてもよい。或いは、ＧａＮ薄層の表面は、ＧａＮ結晶のＭ面またはＡ面であってもよく、Ｍ面またはＡ面に対して±５°以内の傾斜角をもって形成されていてもよい。
【００２１】
また、上記貼り合わせ基板は、ＧａＮ薄層の表面上にエピタキシャル成長された窒化物系化合物半導体層を更に備えることを特徴としてもよい。或いは、上記貼り合わせ基板は、ＧａＮ薄層の表面上に設けられた窒化物系化合物半導体積層部を更に備え、窒化物系化合物半導体積層部は、ＧａＮ薄層の表面上にエピタキシャル成長された第１導電型の第１窒化物系化合物半導体層と、第１窒化物系化合物半導体層上にエピタキシャル成長された、インジウム（Ｉｎ）を含む窒化物系化合物半導体からなる発光層と、発光層上にエピタキシャル成長された第２導電型の第２窒化物系化合物半導体層とを含むことを特徴としてもよい。これらの貼り合わせ基板によれば、発光素子の製造に好適に用いられる基板を提供できる。
【００２２】
また、上記貼り合わせ基板は、支持基板がβ−Ｇａ２Ｏ３基板であり、支持基板の主面の面方位が、｛１００｝面、｛０１０｝面、｛００１｝面、（００１）面から［００−１］方向へ１３．７°傾いた面、及び（００１）面から［−１００］方向へ１３．７°傾いた面のうちいずれかであることを特徴としてもよい。この場合、ＧａＮ薄層の劈開方向と支持基板の劈開方向とが揃っていることが好ましい。
【００２３】
また、上記貼り合わせ基板は、支持基板がＺｎＯ基板であり、支持基板の主面の面方位が｛０００１｝面であることを特徴としてもよい。この場合、窒化ガリウム薄層の＜１−１００＞方向が支持基板の＜１−１００＞方向に沿っていることにより、窒化ガリウム薄層の劈開方向と支持基板の劈開方向とが揃っていることが好ましい。或いは、窒化ガリウム薄層の＜１１−２０＞方向が支持基板の＜１１−２０＞方向に沿っていることにより、窒化ガリウム薄層の劈開方向と支持基板の劈開方向とが揃っていることが好ましい。
【００２４】
また、本発明による貼り合わせ基板の製造方法は、上述した貼り合わせ基板を製造する方法であって、ＧａＮ結晶の−Ｃ面、即ち（０００−１）面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成された表面を有するＧａＮ基板の表面にイオン注入を行う工程と、そのＧａＮ基板の表面と支持基板の主面とを互いに貼り合わせる工程と、ＧａＮ基板のうち表面を含む部分を層状に残して他の部分を除去することにより、ＧａＮ薄層を支持基板上に形成する工程とを備えることを特徴とする。この時、支持基板に貼り合わせたＧａＮ薄層は、イオン注入した側とは反対側の面が上にある。この製造方法によれば、上述した貼り合わせ基板を好適に製造できる。
【００２５】
また、貼り合わせ基板の製造方法は、ＧａＮ薄層に接する窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる工程を更に備え、窒化物系化合物半導体層の成長温度を９００℃以上１１５０℃以下とすることを特徴としてもよい。このように、ＧａＮ薄層の直上に窒化物系化合物半導体を高温で成長させた場合であっても、上記貼り合わせ基板によれば、透明導電性の支持基板を安定に保持できる。
【００２６】
また、本発明による発光素子は、窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなり、主面を有し、可視光に対して透明な第１導電型の支持基板と、支持基板の主面と貼り合わされ、ＧａＮ結晶のＣ面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成された表面を有するＧａＮ薄層と、ＧａＮ薄層の表面上にエピタキシャル成長した第１導電型の第１窒化物系化合物半導体層と、第１窒化物系化合物半導体層上にエピタキシャル成長した、Ｉｎを含む発光層と、発光層上にエピタキシャル成長した第２導電型の第２窒化物系化合物半導体層とを備えることを特徴とする。
【００２７】
この発光素子によれば、上述した貼り合わせ基板と同一の構造を含むので、基板の製造コストを抑えることができる。また、第１窒化物系化合物半導体層、発光層および第２窒化物系化合物半導体層を支持基板上に高温で成長させたとしても、支持基板を安定に保つことができ、これらの半導体層の結晶品質を良好にできる。すなわち、上記発光素子によれば、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板といった透明導電性基板の上に窒化物系化合物半導体層が設けられた発光素子を好適に実現できる。また、ＧａＮ結晶のＣ面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成されたＧａＮ薄層の表面、すなわちＧａＮ結晶の非極性面または半極性面上に第１窒化物系化合物半導体層、発光層および第２窒化物系化合物半導体層がエピタキシャル成長しているので、Ｉｎを含む発光層におけるピエゾ分極の影響を低減し、発光効率を高めることができる。
【００２８】
また、上記発光素子は、ＧａＮ薄層の劈開方向と支持基板の劈開方向とが揃っており、ＧａＮ薄層及び支持基板の劈開方向に対して垂直に延びる、レーザ発振のための光導波路が設けられていることを特徴としてもよい。上記発光素子がこのような構造を備えることにより、光導波路の光反射端面を劈開面によって好適に形成し、高効率且つ安価なレーザ素子を実現できる。
【００２９】
また、上記発光素子は、支持基板がβ−Ｇａ２Ｏ３基板またはＺｎＯ基板であり、当該発光素子がＬＥＤであることを特徴としてもよい。上記発光素子によれば、高効率且つ安価なＬＥＤを実現できる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明による貼り合わせ基板、貼り合わせ基板の製造方法、及び発光素子によれば、ＧａＮ単結晶の非極性面または半極性面を表面に有する基板の製造コストを抑えることができ、且つ、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板といった透明導電性基板の上に窒化物系化合物半導体層が設けられた発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る貼り合わせ基板１０Ａの構成を示す断面図である。
【図２】図２は、ＺｎＯの結晶構造を示す図である。
【図３】図３は、β−Ｇａ２Ｏ３の結晶構造を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る貼り合わせ基板１０Ｂの構成を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明に係る発光素子に関する第３実施形態として、半導体レーザ素子３０の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明に係る発光素子に関する第４実施形態として、発光ダイオード（ＬＥＤ）４０の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付図面を参照しながら本発明による貼り合わせ基板、貼り合わせ基板の製造方法、及び発光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る貼り合わせ基板１０Ａの構成を示す断面図である。本実施形態の貼り合わせ基板１０Ａは、ＧａＮ単結晶からなるＧａＮ薄層１２を、支持基板１４の主面１４ａに貼り合わせた構成を備える。支持基板１４は、窒化物系化合物半導体とは異なる材料であって、可視光に対して透明であり且つ導電性を有する材料、例えばβ−Ｇａ２Ｏ３あるいはＺｎＯに不純物がドープされることによって得られる。β−Ｇａ２Ｏ３は、２６０［ｎｍ］以上の波長域の光に対して透明であり、ＺｎＯは、３６５［ｎｍ］以上の波長域の光に対して透明である。不純物は、例えばＳｉである。この貼り合わせ基板１０ＡではＧａＮ薄層１２上に発光層等が結晶成長されるので、支持基板１４の結晶状態は、単結晶であってもよく、多結晶であってもよい。また、十分な導電性を確保して高い電流効率の発光素子を作製するために、支持基板１４の比抵抗は、３×１０−３［Ωｃｍ］以上１［Ωｃｍ］以下であることが好ましい。
【００３４】
ＧａＮ薄層１２は、その平均転位密度が１×１０７［ｃｍ−２］以下といった極めて結晶性の良いＧａＮ単結晶からなる層である。ＧａＮ薄層１２の表面１２ａは、ＧａＮ単結晶のＣ面に対して傾斜しており、ＧａＮ結晶における非極性面（無極性面）または半極性面となっている。ＧａＮ薄層１２の表面１２ａは、ＧａＮ単結晶のＣ面に対してＭ軸又はＡ軸の方向に傾斜していることが好ましい。ＧａＮ薄層１２の表面１２ａの傾斜角は、表面１２ａの法線軸Ｎｘを示す法線ベクトルＮＶと、ＧａＮ結晶のＣ軸方向を示すＣ軸ベクトルＶＣとの成す角度αによって規定される。この角度αは、ＧａＮ結晶のＣ軸に直交する基準平面Ｒｘ（すなわち｛０００１｝面又は｛０００−１｝面）に対して５０°以上１１０°以下の範囲内にあることができ、より好ましくは６０°以上９５°以下の範囲内にあることができる。角度αが５０°以下または１１０°以上である場合、表面１２ａ上に成長すべき発光層がＩｎを含む場合にピエゾ分極による影響が大きくなり、また発光層にＩｎを十分に取り込めないおそれもあるので、青色領域からの十分な長波長化と高輝度化とを同時に達成するには、角度αが上記範囲内にあることが好ましい。特に、６０°以上９５°以下の範囲内であることにより、Ｉｎを含む発光層において生じるピエゾ分極を効果的に低減でき、発光効率をより高めることができる。
【００３５】
更に、この角度αは、７０°以上８０°以下の範囲内、換言すれば７５°±５°の範囲内にあることが好適である。表面１２ａが半極性面となるこの角度範囲によれば、５００［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下といった長波長の光を発生するための発光層に好適なインジウム組成のＩｎＧａＮ層を提供でき、ピエゾ分極をより効果的に低減できる。
【００３６】
更に好適には、ＧａＮ薄層１２の表面１２ａは、ＧａＮ単結晶の｛２０−２１｝面（すなわち、ＧａＮ単結晶のＣ面からＭ軸方向に７５°傾斜した面）であるか、または｛２０−２１｝面に対して±３°以内の傾斜角をもって形成されると良い。或いは、表面１２ａは、ＧａＮ単結晶のＭ面であるか、またはＭ面に対して±５°以内の傾斜角をもって形成されると良い。或いは、表面１２ａは、ＧａＮ単結晶のＡ面であるか、またはＡ面に対して±５°以内の傾斜角をもって形成されると良い。
【００３７】
続いて、本実施形態に係る貼り合わせ基板１０Ａの製造方法の一例について説明する。まず、支持基板１４として、β−Ｇａ２Ｏ３基板を作製する。β−Ｇａ２Ｏ３単結晶は、例えばチョクラルスキー法や、ＥＦＧ（Edge-definedFilm-fed Growth）法、ＦＺ（Floating Zone）法といった各種の溶融成長法によって作製される。チョクラルスキー法の場合、次のようにしてβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶を作製する。坩堝内にＧａ２Ｏ３原料を投入し、融点である１７２５℃以上の温度で加熱して溶融させる。次に、坩堝の上方に配置した種結晶に接触させて冷却し、凝固による結晶成長を促す。そして、坩堝を回転させながら種結晶を上方に引き上げることにより、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴットが得られる。この結晶成長の際の雰囲気は、金属製坩堝が酸化しないように、且つ、β−Ｇａ２Ｏ３が還元しないように、例えば酸素及び水素の混合雰囲気であることが好ましい。また、坩堝内にＳｉ、Ｓｎなどのドーパントを添加することにより、導電性を有するβ−Ｇａ２Ｏ３結晶が得られる。こうして作製されるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶インゴットをスライスし、研磨加工を施すことにより、支持基板１４としてのβ−Ｇａ２Ｏ３基板が得られる。
【００３８】
また、上記工程とは別に、ＧａＮ薄層１２の元となるＧａＮ基板を準備する。このＧａＮ基板の表面は、ＧａＮ結晶のＣ面に対する主面の傾斜角が５０°以上且つ１１０°以下である非極性面または半極性面となっている。このＧａＮ基板の表面に、イオン注入装置を用いて水素イオンを打ち込む。なお、打ち込むイオンとしては、水素イオンに限らず様々なものを使用できる。水素イオンを例えば１×１０１７［ｃｍ−２］程度の密度になるまで注入すると、ＧａＮ基板の表面から深さ数百ナノメートルの領域に、ダメージ層が生じる。このダメージ層付近は、水素イオンの濃度が極めて高くなっている。
【００３９】
続いて、イオン注入したＧａＮ基板の表面とβ−Ｇａ２Ｏ３基板の主面とを互いに貼り合わせる。その貼り合わせ方法としては、様々な方法がある。例えば、超高真空中で両基板を押圧して貼り合わせてもよく、或いは、低真空のプラズマ雰囲気の中で、２００℃程度の加熱を行って貼り合わせても良い。そして、貼り合わせた後に、更に高い温度（例えば３００℃〜５００℃）で加熱することにより、ＧａＮ基板のダメージ層付近の領域から剥離を生じさせる。これにより、ＧａＮ基板のうちβ−Ｇａ２Ｏ３基板と接する表面を含む部分を層状に残して、ＧａＮ基板の他の部分を分離させ、除去する。その結果、β−Ｇａ２Ｏ３基板（支持基板１４）の上に、ＧａＮ薄層１２がイオン注入した側と反対側の面を表面にして張り付いた貼り合わせ基板１０Ａが得られる。この時、イオン注入した基板表面の面指数が（Ｈ  Ｋ  Ｌ  −Ｍ）面であれば（ここでＨ，Ｋ，Ｌ，Ｍは自然数）、貼り合わせ基板のＧａＮ薄層の表面は（Ｈ  Ｋ  Ｌ  Ｍ）面となる。
【００４０】
以上に説明した、本実施形態に係る貼り合わせ基板１０Ａ及びその製造方法によって得られる作用効果について説明する。この貼り合わせ基板１０Ａにおいては、窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなる支持基板１４の主面１４ａに、ＧａＮ薄層１２が貼り合わされている。これにより、基板一枚あたりのＧａＮの厚さを低減できるので、ＧａＮ結晶から成る表面を有する基板を一つのＧａＮ単結晶インゴットからより多く作製することができ、基板の製造コストを抑えることができる。特に、本実施形態の場合、ＧａＮ単結晶の非極性面または半極性面を貼り合わせ基板１０Ａの表面に有するが、このような面を有するＧａＮ基板を作製しようとすると、Ｃ面を主面とするＧａＮ基板と比較して一つのＧａＮ単結晶インゴットから取り出せる枚数が少なくなる。したがって、本実施形態に係る貼り合わせ基板１０Ａのコスト低減効果は、ＧａＮ単結晶の非極性面または半極性面を表面に有する場合に、より効果的である。
【００４１】
また、ＧａＮ薄層１２が、ＧａＮ結晶のＣ面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成された表面１２ａを有することにより、ＧａＮ結晶の非極性面または半極性面を表面に有する基板を提供できる。発光層といった窒化物系化合物半導体層は、ＧａＮ薄層１２の結晶方位を引き継いで成長するので、ＧａＮ薄層１２の表面１２ａが非極性面または半極性面であることにより、発光層にＩｎが含まれる場合であってもピエゾ分極が抑えられ、例えば青色や緑色といった波長の光を効率よく出力することができる。
【００４２】
更に、支持基板１４は可視光に対して透明で且つ導電性を有するβ−Ｇａ２Ｏ３やＺｎＯによって構成されているが、この支持基板１４の主面１４ａはＧａＮ薄層１２によって保護されているため、その上に窒化物系化合物半導体を高温で成長させたとしても支持基板１４を安定に保つことができる。したがって、基板上に成長する窒化物系化合物半導体の結晶品質を良好にできる。すなわち、本実施形態の貼り合わせ基板１０Ａによれば、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板といった透明導電性基板の上に窒化物系化合物半導体層が設けられた発光素子を好適に実現できる。これにより、透明基板である支持基板１４を介して光を効率的に取り出すことができる。更に、支持基板１４が導電性であることにより、貼り合わせ基板１０Ａの表面側と裏面側とにそれぞれ電極を形成することができるので、素子の縦方向に電流を流すことが可能となる。これにより、電極の総面積を小さくすることができ、発光素子の低コスト化を図ることができる。
【００４３】
また、本実施形態のように、支持基板１４はβ−Ｇａ２Ｏ３基板またはＺｎＯ基板であることが好ましい。これにより、可視光に対して透明な導電性の支持基板１４を好適に実現できる。
【００４４】
また、本実施形態のように、ＧａＮ薄層１２の平均転位密度は１×１０７［ｃｍ−２］以下であることが好ましい。これにより、ＧａＮ薄層１２上に成長する窒化物系化合物半導体層の結晶品質を高め、発光効率を向上させることができる。このようなＧａＮ薄層１２は、主面の平均転位密度が１×１０７［ｃｍ−２］以下である低転位ＧａＮ基板を貼り合わせ基板１０Ａの作製に用いることにより実現できる。なお、このような低転位のＧａＮ基板は極めて高価であるが、ＧａＮ薄層１２としてその僅かな部分を用いて貼り合わせ基板１０Ａを作製することにより、一枚当たりの製造コストを効果的に低減できる。
【００４５】
また、上述したように、ＧａＮ薄層１２の表面１２ａの傾斜方向は、Ａ軸方向またはＭ軸方向であることが好ましい。傾斜方向がＡ軸方向である場合、Ｍ面は表面に対して常に垂直となるので、この貼り合わせ基板１０ＡをＭ面で劈開し、例えばレーザ素子の光共振端面として利用することが可能となる。同様に、傾斜方向がＭ軸方向である場合、Ａ面は表面に対して常に垂直となるので、この貼り合わせ基板１０ＡをＡ面で劈開し、光共振端面として利用することが可能となる。
【００４６】
このような貼り合わせ基板１０Ａの劈開の観点から、貼り合わせ基板１０Ａにも好適な面方位が存在する。ここで、図２は、ＺｎＯの結晶構造を示す図であり、図３は、β−Ｇａ２Ｏ３の結晶構造を示す図である。
【００４７】
図２に示すように、ＺｎＯは、六方晶系のウルツ鉱型の結晶構造を有している。六方晶における六角形の中心から頂点に向かう軸をＡ軸＜１１−２０＞、これに垂直な軸をＭ軸＜１−１００＞とし、Ａ面（１１−２０）及びＭ面（１−１００）は、それぞれＡ軸及びＭ軸に垂直であり、Ａ軸及びＭ軸の双方に垂直な軸をＣ軸、Ｃ軸＜０００１＞に垂直な面をＣ面（０００１）とする。なお、六方晶のＭ軸（Ａ軸）は１２０度ごとに３方向に存在する。なお、このような六方晶系のウルツ鉱構造を有するＺｎＯの格子定数は、Ａ軸が０．３２５［ｎｍ］、Ｃ軸が０．５２１［ｎｍ］である。
【００４８】
また、図３に示すように、β−Ｇａ２Ｏ３は、単斜晶系の結晶構造を有している。単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子のａ軸、ｂ軸及びｃ軸の格子定数は、それぞれ、１．２２［ｎｍ］、０．３０［ｎｍ］及び０．５８［ｎｍ］である。ベクトルＶａ、Ｖｂ及びＶｃは、それぞれ、ａ軸、ｂ軸及びｃ軸の方向を示す。ベクトルＶａ及びＶｂは（００１）面を規定し、ベクトルＶｂ、Ｖｃは（１００）面を規定し、ベクトルＶｃ及びＶａは（０１０）面を規定する。ベクトルＶａ及びＶｂの成す角度γ及びベクトルＶｂ及びＶｃの成す角度αは９０度であり、ベクトルＶｃ及びＶａの成す角度βは１０３．７度である。
【００４９】
本実施形態において、支持基板１４がＺｎＯ基板である場合、支持基板１４の主面１４ａの面方位は｛０００１｝面であることが好ましい。この場合、劈開面である｛１−１００｝面（すなわちＭ面）及び｛１１−２０｝面（すなわちＡ面）がそれぞれ主面１４ａと垂直になるので、主面１４ａと垂直な面でもって支持基板１４を精度よく劈開することができ、例えばレーザ素子の共振端面を精度よく形成できる。
【００５０】
また、支持基板１４がβ−Ｇａ２Ｏ３基板である場合、支持基板１４の主面１４ａの面方位は、｛１００｝面、｛０１０｝面、｛００１｝面、（１００）面から［００−１］方向へ１３．７°傾いた面、及び（００１）面から［−１００］方向へ１３．７°傾いた面のうちいずれかであることが好ましい。主面１４ａが｛１００｝面である場合、劈開面である｛００１｝面が主面１４ａと垂直になる。主面１４ａが｛０１０｝面である場合、劈開面である｛１００｝面及び｛００１｝面が主面１４ａと垂直になる。主面１４ａが｛１００｝面である場合、劈開面である｛００１｝面が主面１４ａと垂直になる。主面１４ａが（１００）面から［００−１］方向へ１３．７°傾いた面である場合、劈開面である｛００１｝面及び｛０１０｝面の双方が主面１４ａと垂直になる。また、主面１４ａが（００１）面から［−１００］方向へ１３．７°傾いた面である場合、劈開面である｛１００｝面及び｛０１０｝面の双方が主面１４ａと垂直になる。したがって、主面１４ａと垂直な面でもって支持基板１４を精度よく劈開することができ、例えばレーザ素子の共振端面を精度よく形成できる。
【００５１】
また、上記のように支持基板１４の劈開面が主面１４ａと垂直である場合には、ＧａＮ薄層１２の劈開方向と、支持基板１４の劈開方向とが互いに揃っている（実質的に平行である）ことが尚好ましい。ＧａＮ薄層１２の劈開方向と、支持基板１４の劈開方向とを互いに合致させておくことにより、レーザ素子を作製する際に、良好な劈開面による共振端面を作製することができ、高品質のレーザ素子を作製できるからである。また、たとえＧａＮ薄層１２の共振器面が良好な劈開面が得易い面と異なっていても、支持基板１４の劈開面に従って比較的良好な共振器面を得ることができる。
【００５２】
具体的には、支持基板１４がＺｎＯ基板であり、支持基板１４の主面１４ａの面方位が｛０００１｝面である場合、ＧａＮ薄層１２の＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向と、ＺｎＯ結晶の＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向とが互いに並行であることが好ましい。例えば、表面１２ａがＡ軸方向に傾斜したＧａＮ薄層１２の＜１−１００＞方向が支持基板１４のＺｎＯ結晶の＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向と並行であることにより、ＧａＮ薄層１２の劈開方向と支持基板１４の劈開方向とが揃うことができる。或いは、表面１２ａがＭ軸方向に傾斜したＧａＮ薄層１２の＜１１−２０＞方向が支持基板１４のＺｎＯ結晶の＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞と並行であることにより、ＧａＮ薄層１２の劈開方向と支持基板１４の劈開方向とが揃うことができる。
【００５３】
また、支持基板１４がβ−Ｇａ２Ｏ３基板であり、支持基板１４の主面１４ａの面方位が｛０１０｝面である場合、ＧａＮ薄層１２の＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向と、β−Ｇａ２Ｏ３結晶の｛１００｝面または｛００１｝面の面方向とが互いに並行であることが好ましい。また、支持基板１４の主面１４ａの面方位が（１００）面から［００−１］方向へ１３．７°傾いた面である場合、ＧａＮ薄層１２の＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向と、β−Ｇａ２Ｏ３結晶の｛００１｝面の面方向とが互いに並行であることが好ましい。また、支持基板１４の主面１４ａの面方位が（００１）面から［−１００］方向へ１３．７°傾いた面である場合、ＧａＮ薄層１２の＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向と、β−Ｇａ２Ｏ３結晶の｛１００｝面の面方向とが互いに並行であることが好ましい。
【００５４】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る貼り合わせ基板１０Ｂの構成を示す断面図である。本実施形態の貼り合わせ基板１０Ｂは、第１実施形態のＧａＮ薄層１２上に、窒化物系化合物半導体積層部１６が設けられた構成を備える。窒化物系化合物半導体積層部１６は、ＧａＮ薄層１２の表面１２ａ上にエピタキシャル成長されたｎ型（第１導電型）半導体層１８と、ｎ型半導体層１８上にエピタキシャル成長された発光層２０と、発光層２０上にエピタキシャル成長されたｐ型（第２導電型）半導体層２２とを含む。なお、ｎ型半導体層１８は、本実施形態における第１窒化物系化合物半導体層であり、ｐ型半導体層２２は、本実施形態における第２窒化物系化合物半導体層である。
【００５５】
ｎ型半導体層１８は、例えばｎ型のＧａＮ系半導体、典型的にはｎ型ＧａＮからなることができる。ｎ型半導体層１８は、例えば下部クラッド層として機能する。ｐ型半導体層２２は、例えばｐ型のＧａＮ系半導体、典型的にはｐ型ＧａＮからなることができる。ｐ型半導体層２２は、例えば上部クラッド層として機能する。
【００５６】
また、発光層２０は、Ｉｎを含む単一層からなることができ、或いは量子井戸構造を有することができる。必要な場合には、量子井戸構造は、交互に配列された井戸層及び障壁層を含むことができる。井戸層はＩｎを含む窒化物系化合物半導体、例えばＩｎＧａＮ等からなることができ、障壁層は井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎＧａＮ又はＧａＮ等からなることができる。発光層２０の発光波長は、井戸層のバンドギャップやＩｎ組成、その厚さ等によって制御される。本実施形態のＧａＮ薄層１２の表面１２ａが非極性面または半極性面であることにより、発光層２０は、波長５００［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下の範囲のピーク波長を有する緑色光を発生するようなＩｎ組成とされることができる。
【００５７】
本実施形態の貼り合わせ基板１０Ｂによれば、ＧａＮ単結晶の非極性面または半極性面を表面に有する基板の製造コストを抑えることができ、且つ、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板といった透明導電性基板の上に窒化物系化合物半導体層が設けられた構造を備える発光素子の製造に適した基板を提供できる。
【００５８】
なお、本実施形態に係る貼り合わせ基板１０Ｂを作製する際には、第１実施形態において説明した貼り合わせ基板１０Ａを作製したのち、そのＧａＮ薄層１２の表面１２ａ上に、ｎ型半導体層１８、発光層２０、及びｐ型半導体層２２を順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。その際、ｎ型半導体層１８とＧａＮ薄層１２とが接するように、ｎ型半導体層１８をＧａＮ薄層１２の直上に成長させることができる。また、ｎ型半導体層１８、発光層２０、及びｐ型半導体層２２を、水素還元雰囲気や高濃度のアンモニアガス雰囲気において、９００℃以上１１５０℃以下という高い成長温度で成長させることができる。このように、ＧａＮ薄層１２の直上に窒化物系化合物半導体を高温で成長させた場合であっても、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板といった支持基板１４がＧａＮ薄層１２に保護され、支持基板１４を安定に保持できる。したがって、ｎ型半導体層１８、発光層２０、及びｐ型半導体層２２の結晶性を良好にできる。
【００５９】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明に係る発光素子に関する第３実施形態として、半導体レーザ素子３０の構成を示す断面図である。図５を参照すると、半導体レーザ素子３０は、第１実施形態の貼り合わせ基板１０Ａがチップ状に切断されて成る基板３１を備えている。基板３１は、ＧａＮ薄層１２及び支持基板１４からなる貼り合わせ基板である。
【００６０】
半導体レーザ素子３０は、レーザ発振のための光導波路６０を有する。また、半導体レーザ素子３０は、ＧａＮ薄層１２の表面１２ａ上に設けられたｎ型クラッド層５５と、ｎ型クラッド層５５上に設けられた発光層５７と、発光層５７上に設けられたｐ型クラッド層５９とを有する。
【００６１】
ｎ型クラッド層５５は、光導波路６０の一部を構成する第１窒化物系化合物半導体層である。ｎ型クラッド層５５はｎ型のＧａＮ系半導体からなり、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。ｎ型クラッド層５５は、９００℃以上１１５０℃以下という高い成長温度でＧａＮ薄層１２の直上にエピタキシャル成長された層である。ｐ型クラッド層５９は、光導波路６０の一部を構成する第２窒化物系化合物半導体層である。ｐ型クラッド層５９はｐ型のＧａＮ系半導体からなり、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。なお、発光層５７の構成は第２実施形態の発光層２０と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【００６２】
また、半導体レーザ素子３０は、ｎ型クラッド層５５と発光層５７との間に、第１光ガイド層６１を更に備える。半導体レーザ素子３０は、発光層５７とｐ型クラッド層５９との間に、第２光ガイド層６３を更に備える。第１光ガイド層６１及び第２光ガイド層６３は、基板３１に光を逃がすことなく発光層５７付近に光を閉じ込め、しきい値電流を低減する為に設けられる。
【００６３】
第１光ガイド層６１は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなる第１の層７１と、ＩｎＧａＮからなる第２の層７３とを含むことができる。第１の層７１はｎ型クラッド層５５上に設けられ、第２の層７３は第１の層７１と発光層５７との間に設けられる。なお、第２の層７３のＩｎ組成は、第１の層７１のＩｎ組成より大きく、発光層５７内のＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成より小さい。一実施例では、第１の層７１はｎ型ＧａＮからなり、第２の層７３はアンドープＩｎＧａＮからなることができる。
【００６４】
第２光ガイド層６３は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなる第１の層７５と、ＩｎＧａＮからなる第２の層７７とを含むことができる。第１の層７５は発光層５７上に設けられ、第２の層７７は発光層５７と第１の層７５との間に設けられる。なお、第２の層７７のＩｎ組成は、第１の層７５のＩｎ組成より大きく、発光層５７内のＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成より小さい。一実施例では、第１の層７５はｐ型ＧａＮからなり、第２の層７７はアンドープＩｎＧａＮからなる。
【００６５】
半導体レーザ素子３０は、電子ブロック層６７を更に備える。本実施形態では、電子ブロック層６７は第１の層７５と第２の層７７との間に設けられている。電子ブロック層６７は例えばｐ型ＡｌＧａＮからなることができる。
【００６６】
半導体レーザ素子３０は、ｐ型クラッド層５９上に設けられたｐ型コンタクト層８１を更に備える。ｐ型コンタクト層８１は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなることができる。ｐ型クラッド層５９の一部、及びｐ型コンタクト層８１は所定の光導波方向に延びるリッジ形状をしており、該リッジ形状の側面およびｐ型クラッド層５９の表面は絶縁膜８７によって覆われている。このリッジの延伸方向、すなわち光導波路６０の光導波方向は、ＧａＮ薄層１２及び支持基板１４の劈開方向に対して垂直に延びている。
【００６７】
具体的には、ＧａＮ薄層１２の表面１２ａがＧａＮ単結晶のＭ軸方向に傾斜している場合、光導波路６０はＧａＮ薄層１２の＜１１−２０＞方向に沿って設けられる。そして、支持基板１４がβ−Ｇａ２Ｏ３基板であるときには、ＧａＮ薄層１２の＜１１−２０＞方向がβ−Ｇａ２Ｏ３結晶の｛１００｝面もしくは｛００１｝面と垂直に交差するように、基板３１が作製される。これにより、光導波路６０の光導波方向とＧａＮ薄層１２及び支持基板１４の劈開面とが垂直に交差し、良好な共振端面を得ることができる。
【００６８】
半導体レーザ素子３０は、アノード電極８５を更に備える。アノード電極８５は光導波路６０のリッジ上に設けられており、絶縁膜８７の開口を介してｐ型コンタクト層８１に接触している。また、半導体レーザ素子３０は、カソード電極９９を更に備える。カソード電極９９は、支持基板１４の裏面１４ｂ上に設けられる。
【００６９】
本実施形態に係る半導体レーザ素子３０によれば、第１実施形態に係る貼り合わせ基板１０Ａと同一の構造（ＧａＮ薄層１２および支持基板１４）を含むので、基板３１の製造コストを抑えることができる。また、ｎ型クラッド層５５、発光層５７およびｐ型クラッド層５９等を支持基板１４上に高温で成長させたとしても、ＧａＮ薄層１２によって支持基板１４を保護するので、支持基板１４を安定に保つことができ、これらの半導体層の結晶品質を良好にできる。すなわち、本実施形態の半導体レーザ素子３０によれば、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板といった透明導電性基板の上に窒化物系化合物半導体層が設けられた半導体レーザ素子を好適に実現できる。
【００７０】
また、第１実施形態において説明したように、ＧａＮ結晶のＣ面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成されたＧａＮ薄層１２の表面１２ａ、すなわちＧａＮ結晶の非極性面または半極性面上にｎ型クラッド層５５、発光層５７およびｐ型クラッド層５９がエピタキシャル成長しているので、Ｉｎを含む発光層５７におけるピエゾ分極の影響を低減し、発光効率を高めることができる。
【００７１】
（第４の実施の形態）
図６は、本発明に係る発光素子に関する第４実施形態として、発光ダイオード（ＬＥＤ）４０の構成を示す断面図である。図６を参照すると、発光ダイオード４０は、第１実施形態の貼り合わせ基板１０Ａがチップ状に切断されて成る基板４１を備えている。基板４１は、ＧａＮ薄層１２及び支持基板１４からなる貼り合わせ基板である。
【００７２】
また、発光ダイオード４０は、ＧａＮ薄層１２の表面１２ａ上に順に積層されたｎ型ＧａＮ層４２及びｎ型ＡｌＧａＮ層４３といった第１導電型の窒化物系化合物半導体層を備えている。ｎ型ＧａＮ層４２は、９００℃以上１１５０℃以下という高い成長温度でＧａＮ薄層１２の直上に成長された層である。また、発光ダイオード４０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層４３上に設けられた発光層４４を備えている。また、発光ダイオード４０は、発光層４４上に順に積層されたｐ型ＡｌＧａＮ層４５及びｐ型ＧａＮ層４６といった第２導電型の窒化物系化合物半導体層を備えている。なお、発光層４４の構成は、第２実施形態の発光層２０と同様であるため詳細な説明を省略する。
【００７３】
発光ダイオード４０は、アノード電極４７及びカソード電極４８を更に備えている。アノード電極４７は、ｐ型ＧａＮ層４６上に設けられている。アノード電極４７は例えばＮｉ／Ａｕ／Ａｌ／Ａｕといった金属を順次積層してなり、アノード電極４７とｐ型ＧａＮ層４６との間でオーミック接触が実現されている。カソード電極４８は、導電性の支持基板１４の裏面１４ｂ上に設けられている。カソード電極４８は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ａｕといった金属を順次積層してなり、カソード電極４８と支持基板１４との間でオーミック接触が実現されている。
【００７４】
本実施形態に係る発光ダイオード４０は、上述した第３実施形態と同様に、貼り合わせ基板１０Ａと同一の構造（ＧａＮ薄層１２および支持基板１４）を含むので、基板３１の製造コストを抑えることができる。また、ｎ型ＧａＮ層４２、発光層４４およびｐ型ＧａＮ層４６等を支持基板１４上に高温で成長させたとしても、ＧａＮ薄層１２によって支持基板１４を保護するので、支持基板１４を安定に保つことができ、これらの半導体層の結晶品質を良好にできる。すなわち、本実施形態の発光ダイオード４０によれば、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板といった透明導電性基板の上に窒化物系化合物半導体層が設けられた発光ダイオードを好適に実現できる。
【００７５】
また、本実施形態においても、ＧａＮ結晶のＣ面に対し５０°以上１１０°以下の傾斜角をもって形成されたＧａＮ薄層１２の表面１２ａ、すなわちＧａＮ結晶の非極性面または半極性面上にｎ型ＧａＮ層４２、発光層４４およびｐ型ＧａＮ層４６がエピタキシャル成長しているので、Ｉｎを含む発光層４４におけるピエゾ分極の影響を低減し、発光効率を高めることができる。
【００７６】
（実施例１）
ＨＶＰＥにより気相合成された、（０００１）面を主面とするＧａＮ基板を種結晶として、その上に、ＨＶＰＥによりＧａＮ結晶を厚く成長した。そして、１５［ｍｍ］程度の厚さのＧａＮ単結晶インゴットを得た。そのＧａＮ単結晶インゴットに対し種々の面方位でスライス加工を行い、半極性面を有する複数のＧａＮ基板を得た。その後、これらのＧａＮ基板の−Ｃ面すなわち（０００−１）面に近い側の面を主面として研磨加工し、更に洗浄を施した。こうして得られたＧａＮ基板の主面の面方位は、−Ｃ面すなわち（０００−１）面に対するＭ軸方向への傾斜角が３０°、６０°、７０°、７５°、８０°、及び８５°であった。
【００７７】
これらのＧａＮ基板をイオン注入装置にセットし、主面に対してイオン注入を行った。具体的には、水素イオンを加速電圧５０［ＫｅＶ］でもってＧａＮ基板の主面すなわち窒素面側に注入した。イオン注入中、ＧａＮ基板の基板温度を２００℃程度に昇温した。これにより、水素イオンのドーズ量を７×１０１７［ｃｍ−２］として、ＧａＮ基板の主面から深さ約２００［ｎｍ］程度の位置にドーズ量のピークが見られた。このドーズ量のピーク付近が、イオン注入によるダメージ層である。イオン注入後、ＧａＮ基板の主面を洗浄した。そして、ＧａＮ基板をドライエッチング装置にセットして、Ｎ２ガス雰囲気中で放電により生成したプラズマに曝し、ＧａＮ基板の主面を清浄面とした。なお、このときのドライエッチング条件は、ＲＦパワーが１００［Ｗ］、Ｎ２ガス流量が５０［ｓｃｃｍ（１分当たりの標準立方センチメートル）］、Ｎ２ガス分圧が１３．３［Ｐａ］であった。
【００７８】
また、支持基板として、ＺｎＯ基板及びβ−Ｇａ２Ｏ３基板の両方を用意した。ＺｎＯ基板は、ＺｎＯ結晶のＣ面を主面とするｎ導電型の基板であり、比抵抗は１×１０−２［Ωｃｍ］であった。また、β−Ｇａ２Ｏ３基板は、β−Ｇａ２Ｏ３結晶の（００１）面を主面とする基板であり、比抵抗は１×１０−２［Ωｃｍ］であった。これら支持基板の主面を十分に洗浄した後、Ｏ２ガス雰囲気中で放電により生成したプラズマに曝し、支持基板の主面を清浄面とした。なお、このときのドライエッチング条件は、ＲＦパワーが１００［Ｗ］、Ｏ２ガス流量が５０［ｓｃｃｍ］、Ｏ２ガス分圧が６．７［Ｐａ］であった。
【００７９】
その後、ＧａＮ基板の主面と、ＺｎＯ基板及びβ−Ｇａ２Ｏ３基板の主面とを、表面活性化法により貼り合わせた。なお、このとき、一旦大気中にて貼り合わせた後に、室温から２００℃〜３００℃に昇温加熱して、接着強度を増加させた。
【００８０】
次に、これらの基板を貼り合わせた状態で５００℃まで昇温し、ＧａＮ基板とＺｎＯ基板またはβ−Ｇａ２Ｏ３基板との接合物に対して斜め方向から荷重を加えることにより、ＧａＮ基板と、ＺｎＯ基板及びβ−Ｇａ２Ｏ３基板とを分離させた。その際、ＧａＮ基板のうちダメージ層より主面側に位置する層状部分がＧａＮ基板から分離され、ＺｎＯ基板上およびβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ薄層として転写された。その結果、ＺｎＯ基板およびβ−Ｇａ２Ｏ３基板の各主面上に、厚さ約２００［ｎｍ］程度のＧａＮ薄層が形成された。なお、ＧａＮ薄層が分離した残りのＧａＮ基板は、再び貼り合わせ基板の材料として使用可能である。
【００８１】
こうして、ＺｎＯ基板のＣ面上に、ＧａＮ結晶のＣ面に対してＭ軸方向に０°、１０°、３０°、６０°、７０°、７５°、８０°、及び８５°それぞれ表面が傾斜したＧａＮ薄層を有する貼り合わせ基板が得られた。すなわち、研磨してイオン注入した主面の裏側の面が貼り合わせ基板の表面側に存在している。同様に、β−Ｇａ２Ｏ３基板の（００１）面上に、ＧａＮ結晶のＣ面に対してＭ軸方向に０°、１０°、３０°、６０°、７０°、７５°、８０°、及び８５°それぞれ表面が傾斜したＧａＮ薄層を有する貼り合わせ基板が得られた。これも、研磨してイオン注入した主面の裏側の面が貼り合わせ基板の表面側に存在している。なお、ＺｎＯ基板及びβ−Ｇａ２Ｏ３基板において、その面方位を他のものに変えても、同様にＧａＮ薄層を貼り合わせることができた。
【００８２】
（実施例２）
本実施例では、実施例１において得られた貼り合わせ基板上に、ＧａＮ薄膜をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた。
【００８３】
具体的には、実施例１において作製した貼り合わせ基板をＭＯＣＶＤ成長炉にセットし、Ｖ族原料としてＮＨ３ガスをＨ２キャリアガス中に流すとともに、III族原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）を水素ガスで希釈して貼り合わせ基板に吹き付けるように流し、基板温度を１０３０℃に保って、ＧａＮ薄膜のエピタキシャル成長を行った。なお、このＧａＮ薄膜の成長時に、Ｓｉドーピングのためのシラン（ＳｉＨ４）を水素ガスで希釈して流し、ＧａＮ薄膜中へのｎ型ドーピングを行った。通常、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板の直上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ薄膜をエピタキシャル成長させると、水素キャリアガスの還元雰囲気やＮＨ３ガスの反応性によって基板表面がダメージを受け、その上に成長するＧａＮ薄膜は、剥がれや品質の劣化を伴うこととなる。しかしながら、本実施例では、ＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板のダメージは全く認められず、良好な結晶品質を有する厚さ２［μｍ］のＧａＮエピタキシャル薄膜を成長させることができた。これは、比較的低温でもって予めＧａＮ薄層がＺｎＯ基板やβ−Ｇａ２Ｏ３基板に貼り付けられていたために、このＧａＮ薄層が保護層として働き、雰囲気ガスによる基板の損傷を抑止したものと考えられる。
【００８４】
続いて、このＧａＮ薄膜上に、発光素子を構成する各半導体層を同じＭＯＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長させた。まず、既に成長されたｎ型のＧａＮ薄膜上に、ｎ型Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎｚ１Ｎ層（但し、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、ｘ１≧０、ｙ１≧０、ｚ１≧０）を成長させた。その際、Ａｌ原料として有機金属ＴＭＡを水素ガスに希釈して流し、Ｉｎ原料として有機金属ＴＭＩを水素ガスに希釈して流した。次に、ｎ型Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎｚ１Ｎ層上に、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎｚ２Ｎ（但し、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１、ｘ２≧０、ｙ２≧０、ｚ２≧０）からなる井戸層と、井戸層よりバンドギャップの大きいＡｌｘ３Ｇａｙ３Ｉｎｚ３Ｎ（但し、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１、ｘ３≧０、ｙ３≧０、ｚ３≧０）からなるバリヤ層とを交互に成長させて、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造を有する発光層を形成した。さらに、発光層上にｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させ、その上に高濃度のｐ型ＧａＮ層を成長させた。
【００８５】
こうして、発光素子としての積層構造を有するエピタキシャルウェハを作製した。Ｃ面に対する傾斜角を変化させた何れの貼り合わせ基板においても、このエピタキシャルウェハでのＺｎＯ基板及びβ−Ｇａ２Ｏ３基板のダメージは見られなかった。また、半導体層の表面にダメージは観察されず、良好な結晶品質を有していた。なお、半導体層の表面状態は、ＧａＮ薄層表面のＣ面に対する傾斜角によって差が見られた。Ｃ面に対して７５°傾斜させたＧａＮ薄層表面を有する貼り合わせ基板を用いたエピタキシャルウェハが、最も表面状態が良好で且つ平坦であった。
【００８６】
（実施例３）
更に、実施例２において作製したエピタキシャルウェハの表面側にｐ型電極を形成し、裏面側にｎ型電極を形成して、ＬＥＤを作成した。このとき、ウェハをダイシングにより切断して、３００［μｍ］角のチップ形状とした。これらのチップのｐ型電極とｎ型電極との間に電流を流したところ、発光層において緑色の発光が見られた。下の表１は、本実施例における、ＧａＮ薄層のＣ面に対する傾斜角と、ブルーシフト量および発光輝度との関係を示す表である。表１に示すように、ブルーシフト量は、ＧａＮ薄層のＣ面に対する傾斜角に依存していた。なお、表１に示す結果から、ＧａＮ薄層のＣ面に対する傾斜角は７５°近辺が最も望ましいことがわかる。
【表１】
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【００８７】
本発明による貼り合わせ基板、貼り合わせ基板の製造方法、及び発光素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態および実施例では、可視光に対して透明な導電性の支持基板としてＺｎＯ基板及びβ−Ｇａ２Ｏ３基板を例示したが、本発明の支持基板はこれらに限られず、窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなるものであれば他の様々な基板を使用できる。
【符号の説明】
【００８８】
１０Ａ，１０Ｂ…貼り合わせ基板、１２…ＧａＮ薄層、１２ａ…表面、１４…支持基板、１４ａ…主面、１４ｂ…裏面、１６…窒化物系化合物半導体積層部、１８…ｎ型半導体層、２０，４４，５７…発光層、２２…ｐ型半導体層、３０…半導体レーザ素子、３１，４１…基板、４０…発光ダイオード、４２…ｎ型ＧａＮ層、４３…ｎ型ＡｌＧａＮ層、４５…ｐ型ＡｌＧａＮ層、４６…ｐ型ＧａＮ層、４７，８５…アノード電極、４８，９９…カソード電極、５５…ｎ型クラッド層、５９…ｐ型クラッド層、６０…光導波路、６１…第１光ガイド層、６３…第２光ガイド層、６７…電子ブロック層、８１…ｐ型コンタクト層、８７…絶縁膜。
【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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