(57)【要約】【課題】  窒化物半導体発光素子におけるクラックの発生を防止し、かつ窒化物半導体発光素子におけるｎ型電極の取り付け工程を簡易化しつつ、そのチップ面積を削減する。【解決手段】  窒化物半導体発光素子の基板として、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板と、前記ＧａＮ下部基板の一方主面の上に設けられた、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）とを有するＡｌＧａＮ系複合基板を用いる。【選択図】  図１
2005277015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板と、
前記ＧａＮ下部基板の一方主面の上に設けられた、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）と
を有することを特徴とするＡｌＧａＮ系複合基板。
【請求項２】
厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板と、前記ＧａＮ下部基板の一方主面の上に設けられた、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）とを有するＡｌＧａＮ系複合基板と、
前記ＡｌＧａＮ上部基板の上に設けられた、窒化物半導体からなる発光層と、
前記発光層の上に設けられた、窒化物半導体からなるコンタクト層と、
前記コンタクト層に接して設けられたｐ型電極と、
前記ＧａＮ下部基板の一方主面と反対側の他方主面に接して設けられたｎ型電極と
を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
ＧａＮ下部基板の一方主面の上に、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）を形成する工程と、
前記ＡｌＧａＮ上部基板の上に窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、
前記発光層の上に窒化物半導体からなるコンタクト層を形成する、コンタクト層形成工程と、
前記コンタクト層形成工程後に、前記ＧａＮ下部基板の他方主面を研削し、当該下部基板の厚さを０．１μｍ以上５μｍ以下に調整する基板研削工程と、
前記コンタクト層に接してｐ型電極を形成する工程と、
前記ＧａＮ下部基板に接してｎ型電極を形成する工程と
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４】
厚さが０．１μｍ以上５μｍ以下であるＧａＮ下部基板の一方主面の上に、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）を形成する工程と、
前記ＡｌＧａＮ上部基板の上に窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、
前記発光層の上に窒化物半導体からなるコンタクト層を形成する、コンタクト層形成工程と、
前記コンタクト層に接してｐ型電極を形成する工程と、
前記ＧａＮ下部基板に接してｎ型電極を形成する工程と
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５】
ＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）の一方主面の上に、窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、
前記発光層の上に窒化物半導体からなるコンタクト層を形成する、コンタクト層形成工程と、
前記コンタクト層形成工程後に、前記ＡｌＧａＮ上部基板の一方主面と反対側の他方主面を研削し、当該上部基板の厚さを３００μｍ以上４００μｍ以下に調整する基板研削工程と、
前記研削された基板の他方主面の上に、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板を形成する工程と、
前記コンタクト層に接してｐ型電極を形成する工程と、
前記ＧａＮ下部基板に接してｎ型電極を形成する工程と
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】
厚さが３００μｍ以上４００μｍ以下であるＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）の一方主面の上に、窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、
前記発光層の上に窒化物半導体からなるコンタクト層を形成する、コンタクト層形成工程と、
前記コンタクト層形成工程の後に、前記ＡｌＧａＮ基板の一方主面と反対側の他方主面の上に、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板を形成する工程と、
前記コンタクト層に接してｐ型電極を形成する工程と、
前記ＧａＮ下部基板に接してｎ型電極を形成する工程と
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。
【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用のＡｌＧａＮ系複合基板、この基板を備えた窒化物半導体発光素子およびこの素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系レーザ素子等の窒化物半導体発光素子では、その基板として一般に、サファイア基板等の絶縁性基板が使用されている。
【０００３】
窒化物半導体発光素子を発光させるには、両者の間が導通するようにして、素子に各対極電極（ｐ型電極、ｎ型電極）を取り付ける必要がある。ところが、このような絶縁性の基板では、各対極電極の間に一定の距離を設けつつ、それぞれを素子の表面に取り付ける必要があるため、チップ面積が無用に増加してしまうという問題がある。
【０００４】
さらに、基板が絶縁性である窒化物半導体発光素子にｎ型電極を取り付けるためには、反応性イオンエッチング等を用いて素子表面の一部を基板付近まで掘り下げ、ｎ型層を露出させる工程が必要となる。このため、素子へのｎ型電極の取り付け工程が複雑化してしまうという問題もある。
【０００５】
ここで、上記問題を解決することを目的として、ＧａＮからなる導電性の基板を用いる技術が知られている（例えば、特許文献１または２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−９００３（第２頁）
【特許文献２】特開２００２−１４１６１３（第２頁）
【０００７】
しかしながら、現在の技術では、歪みや反りのない単結晶のＧａＮ基板を製造することが非常に難しく、上記特許文献１または２に記載の技術を用いた窒化物半導体発光素子では、ＧａＮ基板上に積層された窒化物半導体層にも、基板の歪みまたは反りによる歪みが生じるため、素子にクラックが発生してしまうことがある。それゆえ、この種の窒化物半導体素子においては、未だ十分な長期使用性能や作製歩留まりが得られていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、窒化物半導体発光素子におけるクラックの発生を防止することを第１の目的とする。また、窒化物半導体発光素子におけるｎ型電極の取り付け工程を簡易化しつつそのチップ面積を削減することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様にかかる窒化物半導体発光素子用のＡｌＧａＮ系複合基板は、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板と、前記ＧａＮ下部基板の一方主面の上に設けられた、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）とを有することを特徴とする。
【００１０】
格子定数が互いに異なるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体層を積層すると、積層させた半導体層に内部歪みが発生することが知られている。ここで、上記構成の複合基板では、ＧａＮ下部基板の一方主面の上にＡｌＧａＮ上部基板が設けられており、ＡｌＧａＮからなる半導体層はＧａＮからなる半導体層よりも格子定数（ａ軸格子定数）が小さいことから、本来的には、ＡｌＧａＮ上部基板が引っ張り応力を受けた状態となる。なお、この引っ張り応力は、ＡｌＧａＮ上部基板の厚みと伴に増大する。
【００１１】
他方、上述したように、ＧａＮ下部基板自体には歪みや反りが存在しているが、これらはＧａＮ下部基板に圧縮応力を与えているものと考えられる。
【００１２】
上記構成のＡｌＧａＮ系複合基板であると、ＡｌＧａＮ上部基板の厚みを３００μｍ以上４００μｍ以下とすることにより、ＧａＮ下部基板における圧縮応力がＡｌＧａＮ上部基板における引っ張り応力によって相殺され、ＡｌＧａＮ上部基板面の表面平坦性が高くなる。すなわち、基板表面に歪みのない窒化物半導体基板が得られるため、窒化物半導体発光素子のクラックの発生を防止する基板が提供される。
【００１３】
さらに、ＡｌＧａＮからなる基板面はコンタクト抵抗が高いため、ｎ型電極を直接取り付けることが困難であるが、上記構成のＡｌＧａＮ系複合基板であると、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板を有しているため、このＧａＮ下部基板をコンタクト層として機能させ、このＧａＮからなる基板面にｎ型電極を直接取り付けることができる。これにより、基板裏面にｎ型電極を簡単に形成することができる窒化物半導体発光素子用の基板が提供される。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の第２の態様にかかる窒化物半導体発光素子は、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板と、前記ＧａＮ下部基板の一方主面の上に設けられた、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）とを有するＡｌＧａＮ系複合基板と、前記ＡｌＧａＮ上部基板の上に設けられた、窒化物半導体からなる発光層と、前記発光層の上に設けられた、窒化物半導体からなるコンタクト層と、前記コンタクト層に接して設けられたｐ型電極と、前記ＧａＮ下部基板の一方主面と反対側の他方主面に接して設けられたｎ型電極とを有することを特徴とする。
【００１５】
上記構成の窒化物半導体発光素子であると、上記本発明の第１の態様にかかる複合基板を備えているため、窒化物半導体素子におけるクラックの発生が防止される。また、窒化物半導体発光素子の基板裏面にｎ型電極を取り付けることができるため、そのチップ面積を削減することができる。
【００１６】
また、上記課題を解決するために、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、ＧａＮ下部基板の一方主面の上に、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）を形成する工程と、前記ＡｌＧａＮ上部基板の上に窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、前記発光層の上に窒化物半導体からなるコンタクト層を形成する、コンタクト層形成工程と、前記コンタクト層形成工程後に、前記ＧａＮ下部基板の他方主面を研削し、当該下部基板の厚さを０．１μｍ以上５μｍ以下に調整する基板研削工程と、前記コンタクト層に接してｐ型電極を形成する工程と、前記ＧａＮ下部基板に接してｎ型電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１７】
この構成の製造方法であると、その厚さが５μｍよりも厚いＧａＮ層を下部基板とするため、結晶装置内へ最初に設置する基板の厚さを比較的厚くすることができる。これにより、結晶成長時における基板自身の割れが発生しにくくなるため、窒化物半導体発光素子の結晶成長時の初期不良が防止される。
【００１８】
さらに、上記構成の製造方法であると、上部基板面の表面平坦性が高い、上記実施の形態１にかかるＡｌＧａＮ系複合基板を形成する工程と、当該複合基板のＡｌＧａＮからなる上部基板面の上に、発光層を含む窒化物半導体層を積層する工程とを備えているため、クラックの発生が防止された窒化物半導体発光素子が提供される。
【００１９】
また、上記構成の製造方法であると、ＧａＮ下部基板の厚みを０．１μｍ以上５μｍ以下に調整する基板研削工程を備えているため、ＧａＮ下部基板をコンタクト層として機能させることができる。これにより、ＧａＮからなる基板面にｎ型電極を直接取り付けて裏面電極とすることができるため、窒化物半導体発光素子におけるｎ型電極の取り付け工程を簡易化しつつそのチップ面積を削減することができる。
【００２０】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、厚さが０．１μｍ以上５μｍ以下であるＧａＮ下部基板の一方主面の上に、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）を形成する工程と、前記ＡｌＧａＮ上部基板の上に窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、前記発光層の上に窒化物半導体からなるコンタクト層を形成する、コンタクト層形成工程と、前記コンタクト層に接してｐ型電極を形成する工程と、前記ＧａＮ下部基板に接してｎ型電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２１】
この構成の製造方法であると、結晶成長装置内に最初に設置するＧａＮ下部基板の厚さを０．１μｍ以上５μｍ以下と薄くすることにより、結晶成長時における基板の割れが発生しやすくなるものの、ＧａＮ下部基板自体の歪みや反りを抑制することができる。すなわち、ＡｌＧａＮ上部基板が緩和すべきＧａＮ下部基板の歪みや反りが少なくなるため、ＡｌＧａＮ上部基板面の表面平坦性が一層高いＡｌＧａＮ系複合基板が形成され、これにより、クラックの発生が一層防止された窒化物半導体発光素子が提供できる。
【００２２】
また、基板の研削工程を必要とせず、かつＧａＮ下部基板をコンタクト層として機能させられるため、ＧａＮからなる基板面にｎ型電極を直接取り付けて裏面電極とすることができる。これにより、窒化物半導体発光素子におけるｎ型電極の取り付け工程を簡易化しつつそのチップ面積を削減することができる。
【００２３】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、ＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）の一方主面の上に、窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、前記発光層の上に窒化物半導体からなるコンタクト層を形成する、コンタクト層形成工程と、前記コンタクト層形成工程後に、前記ＡｌＧａＮ上部基板の一方主面と反対側の他方主面を研削し、当該上部基板の厚さを３００μｍ以上４００μｍ以下に調整する基板研削工程と、前記研削された基板の他方主面の上に、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板を形成する工程と、前記コンタクト層に接してｐ型電極を形成する工程と、前記ＧａＮ下部基板に接してｎ型電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２４】
ＡｌＧａＮからなる三元混晶の窒化物半導体基板は、単結晶のＧａＮ基板と異なり、基板に歪みや反りが発生しにくく、高い表面平坦性を得ることができる。ここで、上記構成の製造方法であると、結晶装置内へ最初に設置する基板がＡｌＧａＮ上部基板であるため、その高い表面平坦性によって、当該ＡｌＧａＮ上部基板の上に積層する発光層を含む窒化物半導体層には歪みが発生しない。これにより、クラックの発生が一層防止された窒化物半導体発光素子が提供できる。
【００２５】
また、その厚さが４００μｍよりも厚いＧａＮ層を下部基板とするため、結晶装置内へ最初に設置する基板の厚さを比較的厚くすることができる。これにより、結晶成長時における基板自身の割れが発生しにくくなるため、窒化物半導体発光素子の結晶成長時の初期不良が防止できる。
【００２６】
さらに、ＡｌＧａＮからなる基板面はそのコンタクト抵抗が高いため、ｎ型電極を直接取り付けることが困難であるが、上記構成の製造方法であると、ＡｌＧａＮ上部基板の下に、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板を形成する工程を備えることにより、このＧａＮ下部基板をコンタクト層として機能させ、ＧａＮからなる基板面にｎ型電極を直接取り付けて裏面電極を形成することができる。
【００２７】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、厚さが３００μｍ以上４００μｍ以下であるＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）の一方主面の上に、窒化物半導体からなる発光層を形成する工程と、前記発光層の上に窒化物半導体からなるコンタクト層を形成する、コンタクト層形成工程と、前記コンタクト層形成工程の後に、前記ＡｌＧａＮ基板の一方主面と反対側の他方主面の上に、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板を形成する工程と、前記コンタクト層に接してｐ型電極を形成する工程と、前記ＧａＮ下部基板に接してｎ型電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２８】
この構成の製造方法であると、高い表面平坦性を有するＡｌＧａＮ上部基板の上に、発光層を含む窒化物半導体層を積層するため、クラックの発生が一層防止された窒化物半導体発光素子が提供される。
【００２９】
また、ＧａＮからなる基板面にｎ型電極を直接取り付けて裏面電極を形成するため、窒化物半導体発光素子におけるｎ型電極の取り付け工程を簡易化しつつ、そのチップ面積を削減することができる。
【００３０】
さらに、ＡｌＧａＮ上部基板の厚さを３００μｍ以上４００μｍ以下と薄くすることにより、上部基板の研削工程を必要としないため、窒化物半導体発光素子におけるｎ型電極の取り付け工程を一層簡易化することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によると、一方主面の表面平坦性が高く、かつ一方主面と反対側の他方主面にｎ型電極を直接形成することができるＡｌＧａＮ系複合基板が提供される。また、この複合基板を備えた窒化物半導体素子およびその製造方法が提供される。これにより、窒化物半導体発光素子におけるクラックの発生を防止し、かつ窒化物半導体発光素子におけるｎ型電極の取り付け工程を簡易化しつつ、そのチップ面積を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明の第１の態様にかかる窒化物半導体発光素子用のＡｌＧａＮ系複合基板について、実施の形態１として以下に説明する。また、本発明の第２の態様にかかる当該ＡｌＧａＮ系複合基板を備えた窒化物半導体発光素子については、実施の形態２として後述する。
【００３３】
〔実施の形態１〕
本実施の形態１にかかる窒化物半導体発光素子用のＡｌＧａＮ系複合基板は、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板と、前記ＧａＮ下部基板の一方主面の上に設けられた、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）とを有する。
【００３４】
ここで、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のｎ型ＧａＮ下部基板と、このＧａＮ下部基板の一方主面に接して設けられた、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ上部基板を有するＡｌＧａＮ系複合基板を例として、本実施の形態１にかかる複合基板の作製方法について説明し、当該複合基板およびそれぞれの作製方法の利点を説明する。
【００３５】
この複合基板は、例えば以下に示す、第１〜第４の作製方法により作製することができる。なお、本明細書中で示す原料ガスの混合割合は、１０１３２４．７２Ｐａ、２５℃の条件で換算したものである。
【００３６】
［第１の作製方法］
厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のｎ型ＧａＮ下部基板を、洗浄した後、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置などの、基板加熱機構を備えた反応炉内に有機金属原料を含む原料ガスを供給する公知の方法にかかる結晶成長装置内に設置した。その後、このＧａＮ下部基板の温度を１１００℃に調温し、水素雰囲気中で約１０分間保持した。
【００３７】
次に、このＧａＮ下部基板の温度を１０５０℃以上に調熱し、約５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と約１０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と約１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎのモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを反応炉内へ供給し、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ上部基板を、ＧａＮ下部基板１０１の一方主面に接して成長させ、ＡｌＧａＮ系複合基板を完成させた。
【００３８】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて、このＡｌＧａＮ系複合基板におけるＡｌＧａＮ上部基板の表面形状を観察したところ、従来の技術にかかるＧａＮからなる単結晶基板と比べて、その表面平坦性が顕著に向上していることが確認された。
【００３９】
この表面平坦性が向上した理由としては、以下のように考えられる。
【００４０】
まず、格子定数が互いに異なるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体層を積層すると、半導体層に内部歪みが発生することが知られている。
【００４１】
ＡｌＧａＮからなる半導体層はＧａＮからなる半導体層よりも格子定数（ａ軸格子定数）が小さいため、本第１の作製方法にかかる複合基板では、本来的には、ＡｌＧａＮ上部基板が引っ張り応力を受けた状態となるが、ＡｌＧａＮ上部基板の厚みを３００μｍ以上４００μｍ以下とすることにより、ＧａＮ下部基板に存在する歪みや反りに起因した圧縮応力が、ＡｌＧａＮ上部基板における引っ張り応力により相殺され、ＡｌＧａＮ上部基板面の表面平坦性が向上したと考えられる。
【００４２】
また、本第１の作製方法では、ＧａＮ下部基板の厚さを０．１μｍ以上５μｍ以下と薄くすることにより、ＧａＮ下部基板自体の歪みや反りが比較的抑制される。これにより、ＡｌＧａＮ上部基板が緩和すべきＧａＮ下部基板の歪みや反りが少なくなり、ＡｌＧａＮ上部基板面の表面平坦性が一層高くなる。
【００４３】
［第２の作製方法］
この第２の作製方法は、５μｍよりも厚い、好ましくは数ｍｍの厚さのＧａＮ下部基板を用い、このＧａＮ下部基板の一方主面の上に上記ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ上部基板を積層させた後、当該ＧａＮ下部基板を研削して、その厚みを０．１μｍ以上５μｍ以下に調節したこと以外は、上記第１の作製方法と同様である。
【００４４】
本第２の作製方法では、その厚さが５μｍよりも厚いＧａＮ層を下部基板とすることにより、結晶装置内へ最初に設置する基板の厚さが比較的厚くなる。これにより、結晶成長時における基板自体の割れが発生しにくくなるため、窒化物半導体発光素子の結晶成長時の初期不良が防止される。
【００４５】
なお、上記基板の研削には、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法等の公知の裏面研削方法を用いることができる。
【００４６】
このＡｌＧａＮ系複合基板におけるＡｌＧａＮ上部基板の表面形状をＡＦＭにより観察したところ、上記第１の作製方法の場合と同様に、従来の技術にかかる基板と比べて、その表面平坦性が顕著に向上していることが確認された。なお、表面平坦性が向上した理由は、上記第１の作製方法にかかる理由と同様と考えられる。
【００４７】
［第３の作製方法］
この第３の作製方法は、上記ＧａＮ下部基板に代えてＡｌＧａＮ上部基板を結晶成長装置内に設置し、当該ＡｌＧａＮ上部基板の一方主面の上に、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板を成長させたこと以外は、上記第１の作製方法と同様である。
【００４８】
具体的には、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ上部基板を、洗浄した後、結晶成長装置内に設置した。その後、このＡｌＧａＮ上部基板の温度を１１００℃に調温し、水素雰囲気中で約１０分間保持した。
【００４９】
次に、このＡｌＧａＮ上部基板の温度を１０５０℃以上に調熱し、約５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と約１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎのモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを反応炉内へ供給し、厚さ０．１μｍ以上５μｍのｎ型ＧａＮ下部基板を、ＡｌＧａＮ上部基板の一方主面に接して成長させ、ＡｌＧａＮ系複合基板を完成させた。
【００５０】
このＡｌＧａＮ系複合基板におけるＡｌＧａＮ上部基板の表面形状をＡＦＭにより観察したところ、上記第１の作製方法の場合と同様に、従来の技術にかかる基板と比べて、その表面平坦性が顕著に向上していることが確認された。
【００５１】
本第３の作製方法において表面平坦性が向上した理由としては、ＡｌＧａＮからなる三元混晶の窒化物半導体基板では、単結晶のＧａＮ基板と異なり、本来的に基板に歪みや反りが発生しにくく、その表面平坦性が高くなることがあげられる。
【００５２】
なお、本第３の作製方法では、ＡｌＧａＮ上部基板の厚さを３００μｍ以上４００μｍ以下と薄くすることにより、後述する第４の作製方法と異なり、上部基板を研削する工程を必要としないため、窒化物半導体発光素子におけるｎ型電極の取り付け工程を一層簡易化することができる。
【００５３】
［第４の作製方法］
この第４の作製方法は、４００μｍよりも厚い、好ましくは数ｍｍの厚さのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ上部基板を結晶成長装置内に設置し、当該ＡｌＧａＮ上部基板１０２の一方主面の上にｎ型ＧａＮ下部基板を積層させた後、当該ＡｌＧａＮ上部基板を研削して、その厚みを３００μｍ以上４００μｍ以下に調節したこと以外は、上記第３の作製方法と同様である。
【００５４】
本第４の作製方法では、その厚さが４００μｍよりも厚いＧａＮ層を下部基板とすることにより、結晶装置内へ最初に設置する基板の厚さが比較的厚くなる。これにより、結晶成長時における基板自体の割れが発生しにくくなるため、窒化物半導体発光素子の結晶成長時の初期不良が防止される。
【００５５】
なお、上記基板の研削には、上記第２の作製方法と同様に、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法等の公知の裏面研削方法を用いることができる。
【００５６】
このＡｌＧａＮ系複合基板におけるＡｌＧａＮ上部基板の表面形状をＡＦＭで観察したところ、上記第１の作製方法の場合と同様に、従来の技術にかかる基板と比べて、その表面平坦性が顕著に向上していることが確認された。なお、この表面平坦性が向上した理由は、上記第３の作製方法にかかる理由と同様と考えられる。
【００５７】
以上説明したように、上記第１〜第４の作製方法にかかるＡｌＧａＮ系複合基板であると、ＡｌＧａＮ上部基板面の表面平坦性が高くなる。これにより、基板表面に歪みのない窒化物半導体基板を得ることができるため、窒化物半導体発光素子のクラックの発生を防止できる基板が提供される。
【００５８】
さらに、ＡｌＧａＮからなる基板面はコンタクト抵抗が高いためｎ型電極を直接取り付けることが困難であるが、上記第１〜第４の作製方法にかかるＡｌＧａＮ系複合基板であると、ＧａＮ下部基板の厚みを０．１μｍ以上５μｍ以下とするため、このＧａＮ下部基板をコンタクト層として機能させることができる。これにより、ＧａＮからなる基板面にｎ型電極を直接取り付けることができるため、基板裏面にｎ型電極を簡単に形成することができる窒化物半導体発光素子用の基板が提供される。
【００５９】
なお、本発明の第１の態様にかかるＡｌＧａＮ系複合基板は、本実施の形態１で示すようにＧａＮ下部基板と、ＡｌzＧａyＮ上部基板との間が接している構造とすることが好ましい。ただし、当該上部基板と下部基板との間に接して別の窒化物半導体層が設けられている構造を排除するものではないが、当該別の窒化物半導体層は、ＡｌzＧａyＮ上部基板よりもバンドギャップが小さく、かつＧａＮ下部基板よりも薄くする必要がある。
【００６０】
次に、実施の形態２として、本発明の第２の態様にかかる上記ＡｌＧａＮ系複合基板を備えた窒化物半導体発光素子について以下に説明する。
【００６１】
〔実施の形態２〕
本実施の形態２にかかる窒化物半導体発光素子は、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板と、前記ＧａＮ下部基板の一方主面に接して設けられた、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌzＧａyＮ上部基板（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）とを有するＡｌＧａＮ系複合基板と、前記ＡｌＧａＮ上部基板の上に設けられた、窒化物半導体からなる発光層と、前記発光層の上に設けられた、窒化物半導体からなるコンタクト層と、前記コンタクト層に接して設けられたｐ型電極と、前記ＧａＮ下部基板の一方主面と反対側の他方主面に接して設けられたｎ型電極とを有する。
【００６２】
ところで、上記構成の窒化物半導体発光素子は、半導体レーザ素子または発光ダイオード素子として機能させることができるが、本実施の形態２にかかる窒化物半導体発光素子について、半導体レーザ素子として機能させる場合を例として説明する。なお、当該構成の製造方法については後述する。
【００６３】
この窒化物半導体発光素子は、例えば図１の矢状断面図に示すように、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板１０１と、このＧａＮ下部基板１０１の一方主面に接して設けられた、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ上部基板１０２（但し、式中のｚおよびｙは、ｙ＋ｚ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１を満たす）とを有するＡｌＧａＮ系複合基板と、前記ＡｌＧａＮ上部基板１０２に接して設けられた厚さ約０．１μｍのｎ型ＧａＮ層１０３と、このｎ型ＧａＮ層１０３に接して設けられた発光層１０４（その詳しい構成は後述する）と、この発光層１０４に接して設けられた厚さ約３０μｍのＡｌＧａＮ層１０５と、このＡｌＧａＮ層１０５に接して設けられた厚さ約０．１μｍのｐ型ＧａＮ層１０６と、このｐ型ＧａＮ層１０６に接して設けられた厚さ約０．１μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１０７と、このｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１０７に接して設けられた厚さ約０．５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０８と、このｐ型ＧａＮコンタクト層１０８に接して島状に設けられた絶縁膜１０９と、この絶縁膜１０９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８に接して設けられたｐ型電極１１０ａと、上記ＧａＮ下部基板の一方主面と反対側の他方主面に接して設けられたｎ型電極１１０ｂとを備える。
【００６４】
また、上記発光層１０４は、厚さ約５ｎｍの障壁層（Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層）と厚さ約３ｎｍの井戸層（Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層）とを有する量子井戸構造である。
【００６５】
上記実施の形態２の窒化物半導体発光素子を、例えば以下で示す第１〜第４の方法により作製した。なお、それぞれの作製方法による利点については、上記実施の形態１のＡｌＧａＮ系複合基板にかかる第１〜第４の作製方法と同様であるためその説明を省略する。
【００６６】
［第１の作製方法］
厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のＧａＮ下部基板１０１を、洗浄した後、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置などの、基板加熱機構を備えた反応炉内に有機金属原料を含む原料ガスを供給する公知の方法にかかる結晶成長装置内に設置した。その後、下部基板の温度を１１００℃に調温し、水素雰囲気中で約１０分間保持した。
【００６７】
次に下部基板の温度を１０５０℃以上に調熱し、約５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と約１０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と約１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎのモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを反応炉内へ供給し、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ上部基板１０２を、ＧａＮ下部基板１０１の一方主面に接して成長させ、ＡｌＧａＮ系複合基板を完成させた。
【００６８】
なお、本明細書中で示す原料ガスの混合割合は、１０１３２４．７２Ｐａ、２５℃の条件で換算したものである。
【００６９】
ＡｌＧａＮ系複合基板を完成させた後、反応炉内へのＴＭＡの供給を停止し、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ上部基板１０２に接して、厚さ約０．１μｍのＧａＮ層１０３を成長させた。その後、反応炉内へのＳｉＨ4およびＴＭＧの供給を停止し、基板の温度を約８５０℃〜約７００℃に調温した。
【００７０】
基板温度が安定した後、ＧａＮ層１０３に接して発光層１０４を成長させた。なお、上述したように、この発光層１０４は量子井戸構造であり、障壁層の成長時には１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧおよび１０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を反応炉内へ供給し、井戸層の成長時には１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧおよび５０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＩを供給した。
【００７１】
障壁層または井戸層の成長時には、１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎのＳｉＨ4を同時に反応炉内へ供給してもよい。また、発光層の成長を中断する場合には、図２のダイヤグラムで示すように、障壁層または井戸層を成長させた後にＴＭＧおよびＴＭＩの供給を停止しつつ、キャリアガスおよびＮＨ3ガスを供給し続ければよく、この場合には、その成長を１秒〜６０分間中断させることもできる。また、井戸層の層数は２〜１０層とすることができるが、その層数を２層〜５層とすると、素子の発光効率が特に優れることを確認している。
【００７２】
なお、発光層の成長温度は素子の発光波長を決定するパラメータの一つであり、成長温度が低温であるほど発光波長が長くなる傾向を示す。上記成長温度（約８５０℃〜約７００℃）では紫〜緑色帯域の発光波長となるが、成長温度（基板温度）をさらに低く設定すれば、緑色帯域よりも長波長側の発光波長を得ることもできる。
【００７３】
発光層１０４の成長後、１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧと５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡとＣｐ2Ｍｇとを反応炉内に供給し、この発光層１０４に接して、厚さ約３０ｎｍのＡｌＧａＮ層１０５を成長させた。なお、このＡｌＧａＮ層１０５は蒸発防止層として機能させることができ、発光層からのインジウム（Ｉｎ）原子の昇華が防止される。
【００７４】
ＡｌＧａＮ層１０５の成長後、反応炉内へのＴＭＧ、ＴＭＡおよびＣｐ2Ｍｇの供給を停止し、基板温度を１０５０℃に調温した。その後、５０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧおよびＣｐ2Ｍｇを反応炉内に供給し、ＡｌＧａＮ層１０５に接して、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ層１０６を成長させた。
【００７５】
次に、反応炉内へ１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡをさらに供給し、ｐ型ＧａＮ層１０６に接して、厚さ約０．１μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１０７を成長させた。その後、反応炉内へのＴＭＡの供給を停止し、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１０７に接して、厚さ約０．５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を成長させた。
【００７６】
その後、反応炉内へのＴＭＧとＣｐ2Ｍｇの供給および基板の加熱を停止し、基板温度を室温（２５℃）に調熱した。調熱後、基板を結晶成長装置内から取りだし、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８に接して島状の絶縁膜１０９を形成した。
【００７７】
最後に、この絶縁膜１０９およびｐ型ＧａＮ層１０８に接してｐ型電極１１０ａを、上記ＧａＮ下部基板１０１の一方主面と反対側の他方主面（裏面側）に接してｎ型電極１１０ｂを蒸着法またはスパッタリング法により形成し、窒化物半導体発光素子の成長ウエハを完成させた。
【００７８】
［第２の作製方法］
この第２の作製方法は、５μｍよりも厚い、好ましくは数ｍｍの厚さのＧａＮ下部基板１０１を用い、このＧａＮ下部基板の一方主面の上に、上記ＡｌＧａＮ上部基板１０２からｐ型ＧａＮ層１０８までを積層させた後、ｎ型電極の形成前に当該ＧａＮ下部基板を研削して、その厚みを０．１μｍ以上５μｍ以下に調節したこと以外は、上記第１の作製方法と同様である。
【００７９】
なお、上記基板の研削には、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法等の公知の裏面研削方法を用いることができる。
【００８０】
［第３の作製方法］
この第３の作製方法は、厚さ３００μｍ以上４００μｍ以下のＡｌＧａＮ上部基板１０２を上記ＧａＮ下部基板１０１に代えて結晶成長装置内に設置し、当該ＡｌＧａＮ上部基板１０２の一方主面の上に上記ｎ型ＧａＮ層１０３からｐ型ＧａＮ層１０８までを積層させた後に、蒸着法またはＭＯＣＶＤ法を用いて、結晶成長装置外でＡｌＧａＮ上部基板１０２の一方主面と反対側の他方主面（裏面）に接して、厚さ０．１μｍ以上５μｍ以下のｎ型ＧａＮコンタクト層（ＧａＮ下部基板）１０１を形成したこと以外は、上記第１の作製方法と同様である。
【００８１】
［第４の作製方法］
この第４の作製方法は、４００μｍよりも厚い、好ましくは数ｍｍの厚さのＡｌＧａＮ上部基板１０２を結晶成長装置内に設置し、当該ＡｌＧａＮ上部基板１０２の一方主面の上に上記ｎ型ＧａＮ層１０３からｐ型ＧａＮ層１０８までを積層させた後、上記ｎ型ＧａＮコンタクト層（ＧａＮ下部基板）１０１を形成する前に、当該ＡｌＧａＮ上部基板を研削して、その厚みを３００μｍ以上４００μｍ以下に調節したこと以外は、上記第３の作製方法と同様である。
【００８２】
上記第１〜第４の作製方法にかかる窒化物半導体発光素子であると、上記本発明の第１の態様にかかる、表面平坦性の高いＡｌＧａＮ系複合基板を備えているため、窒化物半導体素子におけるクラックの発生が防止される。また、窒化物半導体発光素子の基板裏面にｎ型電極を取り付けることができるため、そのチップ面積を削減することができる。
【００８３】
なお、上述したように、本実施の形態２の窒化物半導体発光素子は、半導体レーザ素子として機能させることができる。この場合、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１０２およびｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１０７は光閉じ込め層として、ｎ型ＧａＮ層１０３およびｐ型ＧａＮ層１０６は光ガイド層として機能する。また、ＡｌＧａＮ層１０５は発光層１０４に対する蒸発防止層として機能する。
【００８４】
他方、本実施の形態２にかかる窒化物半導体発光素子は、発光ダイオード素子としても機能させることができるが、この場合には、上記ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層２０５（光閉じ込め層）、上記ＧａＮ層２０６（光ガイド層）、上記ｐ型ＧａＮ層２０９（光ガイド層）および上記ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層２１０（光閉じ込め層）は不要であり、ｎ型ＧａＮ層２０４上に接して発光層２０７を設け、ＡｌＧａＮ層２０８上に接してｐ型ＧａＮコンタクト層２１１を設けた構造としてもよい。また、半導体レーザ素子では、劈開によって端面を形成させる必要があるが、発光ダイオード素子では端面を形成させずに、ｐ型電極側またはｎ型電極側から光を透過させて使用できるのは勿論である。
【００８５】
〔その他の事項〕
（１）本発明にかかる窒化物半導体発光素子において、上記ＡｌＧａＮ層１０５は必須ではないが、上記発光層１０４を構成するＩｎＧａＮ層の昇華を防止して、その結晶性の低下を抑制できるため、発光層の上に接して設けられていることが好ましい。
（２）ＡｌＧａＮ系複合基板の上に積層される窒化物半導体とは、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される窒化物系化合物を意味するものであり、さらにリン原子（Ｐ）またはヒ素原子（Ａｓ）が含有した化合物とすることもできる。
【００８６】
（３）本発明にかかる窒化物半導体発光素子の製造方法は、上述の製造方法に限らず、例えば、あらかじめ作製したＡｌＧａＮ系複合基板を用意し、当該複合基板のＡｌＧａＮ面の上に発光層を含む窒化物半導体層を積層させた後、ｐ型電極およびｎ型電極を取り付ける製造方法とすることや、ＧａＮ下部基板１０１からコンタクト層１０８までが積層された窒化物半導体素子の前駆体を用意し、ＧａＮ下部基板に接してｎ型電極を取り付け、コンタクト層に接してｐ型電極を取り付ける製造方法とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上説明したように、本発明によると、一方主面の表面平坦性が高く、かつ他方主面にｎ型電極を直接形成することができる複合基板が提供される。また、この複合基板を備えた窒化物半導体素子およびその製造方法が提供される。これにより、窒化物半導体発光素子におけるクラックの発生が防止され、かつ窒化物半導体発光素子におけるｎ型電極の取り付け工程が簡易化されつつ、そのチップ面積が削減されるため、その産業上の利用可能性は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１は、本発明にかかる窒化物半導体発光素子の矢状断面を模式的に示す図である。
【図２】図２は、本発明にかかる窒化物半導体発光素子における発光層近傍の層構造を成長する場合の各原料の相対的な供給量および成長温度の変化を示す概念図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０１    ｎ型ＧａＮ下部基板
１０２    ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ上部基板
１０３    ｎ型ＧａＮガイド層
１０４    ＩｎＧａＮ発光層
１０５    ＡｌＧａＮ蒸発防止層
１０６    ｐ型ＧａＮガイド層
１０７    ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層
１０８    ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９    絶縁膜
１１０ａ  ｐ型電極
１１０ｂ  ｎ型電極
２０１    成長中断期間
２０２    障壁層の成長期間
２０３    井戸層の成長期間
２０４    ｎ型ＧａＮ層の成長期間
２０５    ｐ型ＧａＮ層の成長期間
２０６    昇華防止層の成長期間
【図１】
2005277015.tif 000003
【図２】
2005277015.tif 000004