(57)【要約】【課題】半導体素子内の貫通転移の密度を低減して、発光層の内部量子効率が高く且つ半導体素子の光取り出し効率が高い半導体素子を実現できるようにする。【解決手段】半導体素子は、主面に周期性を有する凹部又は凸部を設けた基板を用いて形成された半導体超格子層７と、半導体超格子層７の上に形成された活性層５を含む半導体多層膜１０１とを備えている。【選択図】図１
2008053602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に周期性を有する凹部又は凸部を設けた基板を用いて形成され、前記基板の主面に設けられた凹部又は凸部の形状が転写された半導体超格子層と、
前記半導体超格子層の上に形成され、活性層を含む半導体多層膜とを備えていることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記半導体多層膜中の貫通転位密度は、前記半導体超格子層に転写された凹部又は凸部の境界の上方の領域において、他の領域と比べて小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記半導体超格子層は前記基板から剥離されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記活性層は、発光ダイオードの活性層、半導体レーザ素子の活性層、電界効果トランジスタのチャネル層又はバイポーラトランジスタのベース層であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項５】
第１の基板の表面に形成された第１の周期構造が転写された第２の周期構造を有し且つ発光層を含む半導体多層膜を備え、
前記半導体多層膜中の貫通転位の分布は、周期的であり、
前記発光層から放射された光は、前記第２の周期構造により回折され半導体多層膜構造の外部へ放射されることを特徴とする半導体素子。
【請求項６】
前記第１の周期構造及び第２の周期構造は、２次元周期構造であることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記半導体多層膜の一の面の側に形成された反射電極と、
前記反射電極を介在させて前記半導体多層膜と接合された第２の基板とをさらに備え、
前記反射電極の反射率は、前記半導体多層膜を構成する材料と前記第１の基板を構成する材料との界面における光反射率よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記反射電極は、金、白金、銅、銀、ロジウム及びパラジウムのうちの１つ又は２つ以上を含む多層膜からなることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記発光層は、窒化物半導体からなることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記第１の基板及び第２の基板は、シリコン、ガリウムヒ素又はインジウムリンからなることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。
【請求項１１】
基板に周期性を有する凹部又は凸部を設ける工程（ａ）と、
前記基板の上に半導体超格子層を形成する工程（ｂ）と、
前記半導体超格子層の上に活性層を含む半導体多層膜を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（ｃ）よりも後に、前記基板を除去する工程（ｄ）をさらに備えていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（ｃ）において、前記半導体多層膜中の貫通転位密度は、前記凹部又は凸部の境界近傍上にて低減することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及びその製造方法に関し、特に、半導体発光ダイオード、半導体レーザ素子、バイポーラトランジスタ及び電界効果トランジスタ等の半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮに代表される窒化物系化合物半導体を用いることにより、これまで高発光効率が困難であった紫外光から青色、緑色の波長帯において発光ダイオード（ＬＥＤ：Light-Emitting Diode）及び半導体レーザダイオード等の発光素子が精力的に研究開発されている。特にＬＥＤは、半導体レーザダイオードと比べて製造が容易であること及び白熱灯や蛍光灯と比べ長寿命であることから、窒化物系化合物半導体を用いたＬＥＤは照明用光源として期待されている。このように点光源のＬＥＤを多数用い、面光源の照明を実用化するためには、ＬＥＤの低コスト化が不可欠である。しかし、従来の窒化物系化合物半導体ＬＥＤは、高価で小口径のサファイア基板を結晶成長に用いているため、低コスト化が困難であった。
【０００３】
そこで、安価で大口径化可能なシリコン（Ｓｉ）基板上へ窒化物系化合物半導体を結晶成長する技術が注目されている。Ｓｉ基板上に結晶成長した窒化物系化合物半導体によるＬＥＤを実用化するためには、以下の問題を克服することが重要である。Ｓｉ基板は、窒化物系化合物半導体との間の格子定数差が、サファイア基板よりもさらに大きい。このため、サファイア基板の上に発光層を形成した場合には、１０９／ｃｍ２台の密度である貫通転位等の結晶欠陥が、Ｓｉ基板の上に発光層を形成した場合には、１０１１／ｃｍ２台に上昇する。非発光再結合中心として機能する結晶欠陥がこのように高密度で発光層中に存在するため、Ｓｉ基板上に成長した発光層は、内部量子効率が大きく損なわれている。
【０００４】
上記の問題を解決するために開発された技術が、発光層成長前のバッファ層として窒化ガリウム（ＧａＮ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との多層膜を用いるものである（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００５】
ＧａＮとＡｌＮとの多層膜からなるバッファ層を用いた、従来の窒化物系化合物半導体ＬＥＤの一例を図１０に示す。図１０に示すように従来の窒化物系化合物半導体ＬＥＤは、Ｓｉ基板１００１の上に形成されたバッファ層１００５を備えている。バッファ層１００５は、厚さが２．５ｎｍのＡｌＮ層１００２と、厚さが３０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７０Ｎ層１００３と、厚さが５ｎｍのＡｌＮ及び厚さが２５ｎｍのＧａＮが２０対積層された多層膜１００４とからなる。バッファ層１０５の上には、ＬＥＤ構造１０１０が形成されている。ＬＥＤ構造１０１０は、順次形成された厚さが０．２μｍのＧａＮからなるＮ型クラッド層１００６と、１５対の厚さが３ｎｍのアンドープＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなる井戸層及び厚さが５ｎｍのアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる障壁層が１５対積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１００７と、厚さが２０ｎｍのＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなるオーバーフロー抑制層１００８と、厚さが０．２μｍのＧａＮからなるＰ型コンタクト層１００９とを有している。Ｐ型コンタクト層１００９の上には、ニッケル（Ｎｉ）薄膜と金（Ａｕ）薄膜とからなる透明Ｐ電極１０１１と、ＮｉとＡｕとからなるＰボンディング電極１０１２とが順に形成されている。Ｓｉ基板１００１の裏面には、金スズ合金と金とからなるＮ電極１０１３が形成されている。
【非特許文献１】B. Zhang, et al., "Japanese Journal of Applied Physics",  2003年, 42巻, p. L226-L228
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来例のようなバッファ層を用いた場合においても、Ｓｉ基板の上に成長させた発光層は、依然として１０１０／ｃｍ２台の高密度の貫通転移を有している。このため、発光層の内部量子効率はサファイア基板を用いた場合と比べると５０％以下に留まっているという問題がある。
【０００７】
さらに、前記の従来構造においては、ＬＥＤからの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、発光層で発生した光のうちＬＥＤ外部へ放出される効率である。光取り出し効率が低い原因には２つあり、Ｓｉ基板による光の吸収とＬＥＤ表面における全反射である。Ｓｉ基板は赤外光（波長１．１μｍ）よりも短波長の光を吸収するので、発光層１００７で発生し基板へ伝搬する青色及び緑色等の光はＳｉにより吸収されＬＥＤ外部へ取り出すことができない。
【０００８】
ＬＥＤ表面における全反射は、半導体の屈折率が空気の屈折率よりも大きいために生じる。半導体と空気との界面への入射角（垂直入射は０度）が臨界角以上の光は界面において全反射され、ＬＥＤ内部に閉じ込められ、最後は電極又は結晶欠陥等により吸収され熱へと変換されてしまう。例えば、ＧａＮの屈折率は波長４５０ｎｍにおいて２．４５であるので、全反射臨界角は２３度と小さい。この場合、活性層から放出される光のうち全反射されずにＬＥＤ外部へ取り出せる割合は、光出射面当たり約４％だけである。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題を解決し、半導体素子内の貫通転移の密度を低減して、発光層の内部量子効率が高く且つ半導体素子の光取り出し効率が高い半導体素子を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明は半導体素子を、周期性を有する凹部又は凸部を有する基板の上に形成された構成とする。
【００１１】
具体的に、本発明に係る第１の半導体素子は、主面に周期性を有する凹部又は凸部を設けた基板を用いて形成され、基板の主面に設けられた凹部又は凸部の形状が転写された半導体超格子層と、半導体超格子層の上に形成され、活性層を含む半導体多層膜とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体素子によれば、基板の主面に設けられた凹部又は凸部の形状が転写された半導体超格子層の上に形成され、活性層を含む半導体多層膜を備えているため、半導体多層膜は低欠陥領域を有している。従って、半導体多層膜により構成される半導体装置の特性を向上させることができる。
【００１３】
第１の半導体素子において、半導体多層膜中の貫通転位密度は、半導体超格子層に転写された凹部又は凸部の境界の上方の領域において、他の領域よりも小さいことが好ましい。
【００１４】
第１の半導体素子において、半導体超格子層は基板から剥離されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の半導体素子において、活性層は、発光ダイオードの活性層、半導体レーザ素子の活性層、電界効果トランジスタのチャネル層又はバイポーラトランジスタのベース層であることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る第２の半導体素子は、第１の基板の表面に形成された第１の周期構造が転写された第２の周期構造を有し且つ発光層を含む半導体多層膜を備え、半導体多層膜中の貫通転位の分布は、周期的であり、発光層から放射された光は、第２の周期構造により回折され半導体多層膜構造の外部へ放射されることを特徴とする。
【００１７】
第２の半導体素子によれば、第１の基板の表面に形成された第１の周期構造が転写された第２の周期構造を有し且つ発光層を含む半導体多層膜を備えているため、発光層における貫通転移の伝搬が屈曲し、貫通転移の分布が周期的に変化する。さらに、転写する第１の周期構造のサイズや成長条件を最適化することにより、貫通転移の密度が低減し発光層の内部量子効率が向上する。
【００１８】
また、転写された第２の周期構造がフォトニック結晶として機能し、活性層から放出され半導体素子の表面に伝搬した光を回折する。この回折作用によって光の伝搬方向が変わるため、全反射臨界屈折角よりも大きい入射角の光も、全反射を受けずに半導体素子の外部へ取り出すことが可能となる。その結果、半導体素子の光取り出し効率が向上する。
【００１９】
回折を効率的に生じさせるためには、第２の周期構造の周期は前記半導体多層膜構造中での発光波長の１倍以上で且つ２０倍以下であることが望ましい。ちなみに、真空中での発光波長が４５０ｎｍで半導体の屈折率が３の場合、半導体中での波長は１５０ｎｍである。
【００２０】
第２の周期構造の周期が上記の範囲よりも短い場合では回折により伝搬角度の変化が大き過ぎるので、回折後の放射角が結局、臨界屈折角よりも大きくなる。そのため全反射により半導体素子に閉じ込められる光が取り出されないために、光取り出し効率を向上することができない。また、第２の周期構造の周期が上記の望ましい範囲よりも長い場合には、光取り出し効率向上の効果が低下する。これは周期が長過ぎると伝搬角度の変化が小さくなり、また回折効率も低下するためである。
【００２１】
第２の半導体素子において、第１の周期構造及び第２の周期構造は、２次元周期構造であることが好ましい。このような構成とすることにより、第１の周期構造が１次元周期構造では貫通転移が１方向に対してのみ屈曲するのに対し、２次元周期構造の場合には屈曲が全方向に対して生じるため、貫通転移の密度の低減効果がさらに向上する。また、第２の周期構造が１次元周期構造では１方向に対してのみ光を回折するのに対し、２次元周期構造の場合にはどの方向に対しても回折作用を及ぼすため、光取り出し効率の向上効果をさらに高めることができる。
【００２２】
第２の半導体素子において、半導体多層膜の一の面の側に形成された反射電極と、反射電極を介在させて半導体多層膜と接合された第２の基板とをさらに備え、反射電極の反射率は、半導体多層膜を構成する材料と第１の基板を構成する材料との界面における光反射率よりも大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、発光層で発生し基板側へ伝搬する光を吸収する材料により第１の基板が構成されていても、第１の基板は除去され、半導体多層膜が反射電極を介して第２の基板に転写されるため、基板側に伝搬する光も反射電極により半導体素子の光出射面側へ反射することができる。その結果、光取り出し効率をさらに向上することができる。
【００２３】
第２の半導体素子において、反射電極は、金、白金、銅、銀、ロジウム及びパラジウムのうちの１つ又は２つ以上を含む多層膜からなることが好ましい。これらの高反射率金属材料を用いることにより、高反射率の反射電極を実現することができ、光取り出し効率がさらに向上する。
【００２４】
第２の半導体素子において、発光層は、窒化物半導体からなることが好ましい。ＡｌＩｎＧａＮなどの窒化物半導体を発光層に用い組成を調整することにより、半導体素子の発光波長を紫外から赤色までの広い範囲で制御することができる。
【００２５】
第２の半導体素子において、第１の基板及び第２の基板は、シリコン、ガリウムヒ素又はインジウムリンからなることが好ましい。このような材料であれば、第１の基板の除去手段としてプラズマ・ドライエッチングなどの高ダメージプロセスではなくウェットエッチングなどの低ダメージプロセスを用いることができ、さらに、半導体多層膜に対して第１の基板を選択的に除去することが容易である。また、第２の基板にも同様の材料を用いれば、表面が原子レベルで平坦で、且つウェハ反りのない基板が商業的に入手できるため、半導体多層膜を基板全面に均一に接合することが容易となる。さらに、第１の基板と第２の基板とを同じ材料とすることにより、半導体多層膜の接合や第１の基板の除去の際に発生する熱歪みを低減することができるため、半導体素子へのクラック発生を防止することができる。特に安価で大口径化可能なＳｉ基板を用いた場合には基板コストが削減され、ウェハ当たりの半導体素子のチップ数が増加するため、結晶成長や素子製造プロセスのコストを低減することが可能である。
【００２６】
本発明に係る半導体素子の製造方法は、基板に周期性を有する凹部又は凸部を設ける工程（ａ）と、基板の上に半導体超格子層を形成する工程（ｂ）と、半導体超格子層の上に活性層を含む半導体多層膜を形成する工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする。
【００２７】
本発明の半導体素子の製造方法によれば、周期性を有する凹部又は凸部を設けた基板の上に、半導体超格子層を形成する工程と、活性層を含む半導体多層膜を形成する工程とを備えているため、低欠陥領域を有する半導体多層膜を形成することができる。従って、半導体多層膜より構成される半導体装置の特性を向上させることができる。
【００２８】
本発明の半導体素子の製造方法において、工程（ｃ）よりも後に、基板を除去する工程（ｄ）をさらに備えていることが好ましい。
【００２９】
本発明の半導体素子の製造方法において、工程（ｃ）において、半導体多層膜中の貫通転位密度は、凹部又は凸部の境界近傍上にて低減することが好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の半導体素子によれば、発光層内の貫通転移の密度を低減して発光層の内部量子効率を向上させることができ、さらに半導体素子の光取り出し効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は一実施形態に係る半導体素子の断面構成を示している。Ｓｉからなる支持用基板１に対して、ハンダ層２とＰ電極３を介して、ＬＥＤを構成する半導体多層膜１０１が接合されている。ハンダ層２には鉛（Ｐｂ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）又は金（Ａｕ）等の、金属間の融着が容易な材料を用いることが望ましい。本実施の形態では、ＳｎとＡｕの共晶を利用して接合するハンダを用いている。本実施形態のＰ電極３には、ＰｄとＰｔとＡｕとの積層膜を用いている。この場合、ＧａＮ側からＧａＮとＰｄとの界面へ入射する波長４５０ｎｍの光における光反射率は４６％である。ＧａＮとＳｉとの界面における光反射率は１０％（垂直入射の場合）であり、これよりも高い。
【００３２】
半導体多層膜１０１はＰ電極３に近い側から順に、厚さが０．１μｍのマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＧａＮ（ＧａＮ：Ｍｇ）からなるＰ型コンタクト層４と、厚さが２０ｎｍのＡｌＧａＮ：Ｍｇからなるオーバーフロー抑制層（図示せず）と、厚さが３ｎｍのアンドープＩｎＧａＮからなる井戸層及び厚さが５ｎｍのＳｉがドープされたＧａＮ（ＧａＮ：Ｓｉ）からなる障壁層が５対積層されたＭＱＷである発光層５と、厚さが０．２μｍのＧａＮ：ＳｉからなるＮ型クラッド層６と、バッファ層７とが積層されている。バッファ層７は、厚さが５ｎｍのＡｌＮ：Ｓｉ及び厚さが２５ｎｍのＧａＮ：Ｓｉが２０対積層された多層膜と、厚さが３０ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７０Ｎ層（図示せず）と、厚さが４０ｎｍのアンドープＡｌＮ層（図示せず）とからなる。
【００３３】
ＬＥＤの光出射面となるバッファ層７の表面には、２次元周期構造１０２が形成されている。２次元周期構造１０２は、後述する方法により形成され、２次元周期の回折格子であるフォトニック結晶として機能する。Ｎ電極８は低コンタクト抵抗を実現するために、アンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７０Ｎ層とアンドープＡｌＮ層とが除去され多層膜が露出した領域に形成されている。Ｎ電極８は接触抵抗を小さくするため、Ｔｉ又はＡｌ等の低仕事関数の金属を用いることが望ましい。本実施形態においては、ＴｉとＰｔとＡｕの積層膜を用いている。
【００３４】
図２は本実施形態に係る半導体素子の製造プロセスフローの概要を示している。まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉからなる結晶成長用基板９の表面に凹部又は凸部からなる２次元周期構造１０３を形成する。凹部又は凸部は、具体的には基板に形成した孔部又は基板の上に形成した柱状突起部であり、本実施形態においては深さ５０ｎｍの孔部を２次元に配列している。この配列は六回対称であり（孔部が正三角形状に配置されており）、周期はＬＥＤ１素子分の領域内では一定である。但し、周期による半導体素子の特性比較のために、素子領域ごとに０．８μｍ〜１．６μｍの範囲で周期を変化させている。ここでの周期とは、隣接する孔部の中心間の距離を意味する。
【００３５】
次に、図２（ｂ）に示すように、２次元周期構造上にＡｌＩｎＧａＮからなるＬＥＤ構造の半導体多層膜１０１を結晶成長する。半導体多層膜１０１の構成は結晶成長用基板９に近い順に、バッファ層７（アンドープＡｌＮ層、アンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７０Ｎ層、ＡｌＮ：Ｓｉ／ＧａＮ：Ｓｉ多層膜）、発光層５、オーバーフロー抑制層、Ｐ型コンタクト層４である。結晶成長にはＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等を用いることができるが、本実施形態ではＭＯＣＶＤ法を用いている。なお、発光層５からのＰＬ（Photoluminescence）スペクトルの中心波長が４５０ｎｍとなるように、発光層５の成長条件を設定している。
【００３６】
さらに、図２（ｃ）に示すように、半導体多層膜１０１を、Ｐ電極３とハンダ層２を介して支持用基板１へ接合する。次に、図２（ｄ）に示すように、結晶成長用基板９を低ダメージプロセスにより除去する。この工程では同時に、半導体多層膜１０１の表面に２次元周期構造１０２が形成される。低ダメージプロセスとしては、フッ酸（ＨＦ）／硝酸（ＨＮＯ３）水溶液や水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等による酸やアルカリを用いたウェットエッチングや、塩酸（ＨＣｌ）ガスや三フッ化塩素（ＣｌＦ３）ガス等によるノンプラズマドライエッチングなどを用いることができる。本実施形態では、ＣｌＦ３ガスによるノンプラズマドライエッチングを採用した。最後に、図示していないがＮ電極８をバッファ層７上に形成し、ＬＥＤ素子を完成させる。
【００３７】
図１に示す半導体素子の構成及び図２に示す半導体素子の製造方法によれば、２次元周期構造１０２上の結晶成長により貫通転移の伝搬方向が屈曲して、発光層５に到達する貫通転移が周期的に分布し、それにより貫通転移密度の小さい領域が形成される。この貫通転移密度の小さい領域において、発光層の内部量子効率を向上させることができる。以下に本実施形態の半導体素子の特性について具体的に説明する。
【００３８】
２次元周期構造１０３（周期０．８μｍの孔部の配列）を形成した結晶成長用基板９上に結晶成長した、半導体多層膜１０１の透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope、略してＴＥＭという）像を図３に示す。図３（ａ）は結晶成長用基板９も含む全体的像、図３（ｂ）は図３（ａ）中の破線で囲んだ領域を拡大した拡大像である。
【００３９】
図３に示す結果より、バッファ層７が２次元周期構造１０３上で平坦化せずに、２次元周期構造１０３の断面形状を維持しながら成長していることがわかる。すなわち、結晶成長用基板９上の孔部の側面上ではバッファ層７は、結晶成長用基板９の垂直方向に対して傾斜した方向に結晶成長していることがわかる。この傾斜成長により、貫通転位が伝搬方向を屈曲させられる。このため、転位の螺旋向きが異なる貫通転位が互いに衝突し消失するか又はバッファ層７のヘテロ接合界面内を伝搬するうちに消失する等の現象が生じる。その結果、結晶成長用基板９上の孔部の側面上の領域において、発光層５へ到達する貫通転位の密度が大幅に減少する。
【００４０】
なお、本実施形態においては、平坦領域上に成長した発光層５中では２×１０１０／ｃｍ２であった貫通転位の密度が、２次元周期構造１０３上に成長した発光層５においては６×１０９／ｃｍ２となり３０％低減している。２次元周期構造１０３の孔部の直径、側面の傾斜角度及び深さ等の構造や、結晶成長条件等を最適化すれば、さらに貫通転位を低減することが可能である。
【００４１】
本発明の半導体素子に関するカソードルミネッセンス（Cathode-Luminescence、以下ＣＬという）像を図４に示す。ここで検討した観察試料は、上述の手順により発光層５まで形成した段階で結晶成長を停止し、オーバーフロー抑制層、Ｐ型コンタクト層４を成長していないウェハである。図４（ａ）は平坦領域上に、図４（ｂ）は２次元周期構造１０３（周期１．２μｍの孔部の配列）上に、それぞれ形成された発光層５からのＣＬの像である。ＣＬ像における暗部は、貫通転位などの結晶欠陥が非発光再結合中心として機能している領域である。
【００４２】
図４からわかるように、平坦領域上では明部と暗部との分布がランダムであるが、２次元周期構造１０３上では環状の明部が２次元周期的に配列している。環状の明部の配列の周期は、２次元周期構造１０３の周期と同じである。すなわち、孔部の２次元周期構造１０３上に結晶成長した発光層５には、低欠陥領域が孔部の側面を環状に縁取るように形成されていることがわかる。
【００４３】
これらのことから、前述した貫通転位の屈曲と密度低減により、発光層５での発光分布を周期的な分布に変化させることが可能であることがわかる。また、２次元周期構造１０３上の環状の明部は、平坦領域上の明部よりも発光強度が増加していることがわかる。
【００４４】
本実施の形態における半導体素子のＣＬ積分強度の結果を図５に示す。図５に示すように、２次元周期構造１０３上に結晶成長した発光層５の面全体でのＣＬ積分強度は、２次元周期構造の周期が１μｍ以上の範囲において向上している。これは、この範囲において発光層５の内部量子効率が向上することを示している。なお、本発明においても、２次元周期構造１０３の構造や結晶成長条件などを最適化し貫通転位をさらに低減することにより、２次元周期構造の周期が１μｍ以下の範囲も含めて内部量子効率のさらなる向上が可能である。
【００４５】
本実施形態に係る半導体素子における半導体多層膜１０１の表面に形成された２次元周期構造１０２の走査電子顕微鏡ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope、略してＳＥＭという）像を図６に示す。半導体多層膜１０１の基板転写がクラックなしで実現しているとともに、結晶成長用基板９上の孔部（２次元周期構造１０３）のパターンが反転して、半導体多層膜１０１表面に柱状の突起部として転写されていることがわかる。本実施形態ではこのように形成された２次元周期構造１０２は周期が半導体多層膜中の発光波長の１〜２０倍の範囲であるので、回折効果を有するフォトニック結晶として機能する。
【００４６】
本実施形態の、２次元周期構造１０２（周期０．８μｍ）が表面に転写されたＬＥＤにおける、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性と電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を図７（ａ）に示す。２次元周期構造１０２の有無によるＩ−Ｖ特性の差は小さく、２次元周期構造１０２上の結晶成長によってＬＥＤ構造の電気特性は、平坦上に結晶成長した場合と同じであると考えられる。一方、図５で示すように内部量子効率は変化していないにもかかわらず、２次元周期構造１０２を有するＬＥＤの光出力は、平坦表面のＬＥＤと比較し７０％向上している。なお、図７（ｂ）は２次元周期構造１０２を有するＬＥＤに電流注入した際の、光学顕微鏡像である。素子全体が均一に青色発光していることがわかる。
【００４７】
電流注入時のＬＥＤの発光スペクトル（Electroluminescence、略してＥＬという）を、図８に示す。ＬＥＤの表面とＰ型コンタクト層４／Ｐ電極３界面との間での多重反射による干渉により若干変化しているものの、スペクトルの中心波長や半値全幅には、２次元周期構造１０２の有無による差はほとんど見られない。ＣＬとＥＬの結果から、いずれのＬＥＤでも発光層５における発光は、ＬＥＤ全体としてはほぼ同一と考えられる。従って、図７で示された２次元周期構造１０２を有するＬＥＤの光出力の増強は、２次元周期構造１０２の回折によって光取り出し効率が向上した結果であると推定できる。
【００４８】
この考察を支持する結果を図９に示す。この図には、２次元周期構造１０２の回折による光取り出し効率向上効果（光出力増強効果）を、光の伝搬を理論計算した結果が示されている。理論計算には、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-domain）法によるシミュレーションを用いた。理論計算結果は、本実施の形態で作製したＬＥＤでの結果と良好に一致することがわかる。従って、２次元周期構造１０２を有するＬＥＤの光出力の増強は、２次元周期構造１０２によって光取り出し効率が向上された結果であると判断できる。
【００４９】
以上のように本実施形態によって、内部量子効率と光取り出し効率が高い半導体素子を、安価に提供できる。
【００５０】
なお、本実施形態において説明した２次元周期構造１０２及び２次元周期構造１０３は６回対称の配列であるが、孔部又は柱状突起部が正方形状に２次元的に周期的に配列する４回対称等の他の対称性を有していても、同様の効果が得られる。また、２次元周期構造１０２及び２次元周期構造１０３は平面円形状の孔部又は円柱状の突起部だけでなく、平面多角形状の孔部又は平面多角形状の柱状突起部からなる周期構造であってもよい。また突起部については柱状に限らず台状であってもよい。
【００５１】
また、本実施形態では、化学的に安定な材料で、且つ、発光波長に対応して２次元周期構造１０２、１０３の周期が小さくなり微細加工が困難な窒化物系化合物半導体の場合を特に記載しているが、半導体としてＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰを用いた、赤外や赤色の半導体素子に対しても本発明は適用可能である。
【００５２】
また、本実施形態において内部量子効率を向上させることに関しては、ＬＥＤに限らず、半導体レーザダイオードに対しても適用可能である。
【００５３】
なお、本実施形態においてはＬＥＤについて説明したが、ＬＥＤに限らず電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタ、ショットキーダイオード等の半導体素子についても適用可能である。
【００５４】
また、本実施形態においてＳｉ基板上に低欠陥領域を形成できることを説明したが、このＳｉ基板上に形成された低欠陥領域上に半導体素子構造を形成すれば、半導体素子の特性を向上させることができる。例えば、この低欠陥領域上にチャネル層を形成し、さらにソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を形成すれば、良好な特性を有する電界効果トランジスタを得ることができる。また、低欠陥領域上に形成される半導体素子構造としてコレクタ層、ベース層、エミッタ層を形成し、ソース電極、エミッタ電極及びベース電極を形成すれば、良好な特性を有するバイポーラトランジスタを得ることができる。なお、これら電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタとして例えばＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層といったヘテロ接合を有する、いわゆるヘテロ接合電界効果トランジスタやヘテロ接合バイポーラトランジスタであってもよい。
【００５５】
また、低欠陥領域上に形成される半導体素子構造として、例えば単一又は多重量子井戸構造を活性層に有する半導体レーザ素子、又はショットキーダイオードを採用してもよい。これらの半導体素子構造を有するデバイスについては、Ｓｉ基板を除去してもよいし、除去しなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の半導体素子は、特性が良く、且つ低価格の半導体素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体素子を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体素子の製造工程を工程順に示す斜視図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体素子の断面構造を示す電子顕微鏡写真である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体素子のカソードルミネッセンス像を示し、（ａ）は平坦領域の上に形成された発光層のカソードルミネッセンス像であり、（ｂ）は２次元周期構造の上に形成された発光層のカソードルミネッセンス像である。
【図５】本発明の一実施形態に係る半導体素子のカソードルミネッセンス積分強度と２次元周期構造の周期との相関を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る半導体素子における２次元周期構造を示す電子顕微鏡写真である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体素子の素子特性を示し、（ａ）はバイアス電圧と順方向電流との相関を示すグラフであり、（ｂ）は発光状態を示す光学顕微鏡写真である。
【図８】本発明の一実施形態に係る半導体素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態に係る半導体素子の光出力と２次元周期構造の周期との相関を示すグラフである。
【図１０】従来例に係る半導体素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１      支持用基板
２      ハンダ層
３      Ｐ電極
４      Ｐ型コンタクト層
５      発光層
６      Ｎ型クラッド層
７      バッファ層
８      Ｎ電極
９      結晶成長用基板
１０１  半導体多層膜
１０２  ２次元周期構造
１０３  ２次元周期構造
【図１】
2008053602.tif 000003
【図２】
2008053602.tif 000004
【図５】
2008053602.tif 000005
【図８】
2008053602.tif 000006
【図９】
2008053602.tif 000007
【図１０】
2008053602.tif 000008
【図３】
2008053602.tif 000009
【図４】
2008053602.tif 000010
【図６】
2008053602.tif 000011
【図７】
2008053602.tif 000012