(57)【要約】  【課題】  素子にクラックなどを生じさせること無く、放熱性が良く、しかも活性層で発光した光を効率よく外部へ取り出すことのできる薄膜発光素子およびその製造方法を提供すること。  【解決手段】  一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層104の上面に、窒化物半導体からなる活性層105および逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層106を順次積層してなる半導体層を備え、該半導体層の厚みが10μｍ以下の薄膜発光素子とすることにより、半導体層にクラックのない発光効率の良好な薄膜発光素子を提供できる。【選択図】  図１
2005210066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層、窒化物半導体からなる活性層および逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層を順次積層した半導体層を備え、該半導体層の厚みが１０μｍ以下であることを特徴とする薄膜発光素子。
【請求項２】
前記下部クラッド層の下面に光反射層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の薄膜発光素子。
【請求項３】
二硼化物からなる単結晶基板の上に、一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層、窒化物半導体からなる活性層および逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層を順次積層した後に、前記単結晶基板を除去して、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層を順次積層した半導体層を備えた薄膜発光素子を得ることを特徴とする薄膜発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記単結晶基板は、ＸＢ２(ただし、ＸはＺｒ、ＴｉおよびＨｆから選択される１種以上の元素)で表されることを特徴とする請求項３に記載の薄膜発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記単結晶基板はエッチングにより除去することを特徴とする請求項３に記載の薄膜発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記単結晶基板を除去した領域に光反射層を形成することを特徴とする請求項３に記載の薄膜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、窒化物半導体を備えた薄膜発光素子およびその製造方法に関し、特に薄膜成長用基板のないシート状の薄膜発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体は、直接遷移型の化合物半導体であり、また広いバンド・ギャップ(ワイド・バンド・ギャップ)を持つため、青色光、青紫色光または紫色光の発光ダイオードやレーザーダイオードなどの発光素子、フォトディテクタや火炎センサなどの受光素子として利用されている。
【０００３】
また、電界効果トランジスタ(ＦＥＴ：Field Effect Transistor)、ＭＥＳＦＥＴ(Metal-Semiconductor ＦＥＴ)、ＭＩＳＦＥＴ(Metal-Insulator-Semiconductor ＦＥＴ)、高電子移動度トランジスタ (ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor)などの電子デバイスでは、窒化物半導体はＧａＡｓに近いキャリア輸送特性を有し、ワイド・バンドギャップを持ち、破壊電位が高いことから、高周波・高出力トランジスタの材料として有望視されている。
【０００４】
従来の窒化物半導体を用いた紫色発光素子を図５に示す。図５に示すように、サファイアの基板500上にＡｌＮからなるバッファ層501、が形成され、このバッファ層501の上に、ｎ型ＧａＮのｎ型クラッド層504、ＩｎＧａＮ（＝ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（ただし、０≦ｘ≦１）、以下、ＩｎＧａＮと表記する）とＧａＮとの周期積層構造を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ層構造の量子井戸活性層505、ｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層506、およびｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層507が順次積層された、多層構造の窒化物半導体の成長層が形成されている。
【０００５】
ここで、成長層はｐ型コンタクト層507からｎ型クラッド層504の上部領域までがエッチングされ、最上層のｐ型コンタクト層507の上面にｐ型電極508が形成され、エッチングにより露出したｎ型コンタクト層504の上面にｎ型電極509が形成されている。
【０００６】
また、窒化物半導体と格子整合する基板がないため、サファイア基板や窒化珪素（６Ｈ−ＳｉＣ）基板などの異種材料の単結晶基板を用いて、窒化物半導体を成長させている。例えば、サファイア基板とＧａＮでは格子不整合の度合が13.8％、熱膨張係数の差が3.2×10−６／Ｋであり、６Ｈ−ＳｉＣ基板とＧａＮでは格子不整合の度合が3.4％、熱膨張係数の差が1.7×10−６／Ｋである。これらの格子不整合から起因する問題として、サファイア基板とＧａＮ膜の界面に生じた結晶欠陥に伴い、ＧａＮ膜に10８〜1010ｃｍ−２の転位が生じる。
【０００７】
さらに、サファイアは熱伝導率が低いため素子の放熱性が悪く、素子の安定動作に支障をきたす。そこで、素子作製後のサファイア基板を薄板化することにより、素子の放熱性の改善が試みられている。
【０００８】
しかしながら、サファイアは堅牢な物質であり化学的にも安定であるため、薬品を用いたウェトエッチングや反応性ガスを用いたドライエッチングなどは困難である。そこで、機械的な研削，研磨などにより薄板化しているが、前述の格子不整合や熱膨張係数の差から生じる応力により、基板を薄板化する際に素子に反りやクラックなどが生じる。したがって、反りやクラックが生じない厚さとして60μｍ程度の厚さにまでしか薄板化できなかった。
【０００９】
このような問題に対処するために、近年ではエキシマレーザーやＹＡＧレーザーなどを用いて、サファイア基板とＧａＮ膜の界面をレーザー光の局所照射により昇華させ、塩酸により浸蝕させて、サファイア基板とＧａＮ膜を分離する方法(レーザー・リフトオフ法)が提案されている。
【００１０】
しかしながら、この方法では照射面積が小さくて局所的な界面のみが分離し、局所的に付着している部分に応力が集中してクラックを生じさせる。また、照射面積が小さいため処理時間が長くなるなどの問題がある。
【００１１】
近年、低転位の窒化物半導体の成長方法として、サファイア基板上に成長した窒化物半導体層にＳｉＯ２のスリットラインや窒化物半導体層に段差溝構造を作製することにより、窒化物半導体を横方向成長させ、転位密度を低減させるＥＬＯ成長(エピタキシャル横成長)方法が提案されている。
【００１２】
上記のＥＬＯ成長方法を用いた窒化物半導体発光素子として、図６および図７に紫外発光素子を示す。
【００１３】
サファイアの基板600にＡｌＮの低温バッファ層601、ＧａＮの下地層602を成長させた後、＜１１−２０＞方向（左記ミラー指数による表記で「−」の記号は反転を意味し、「−２」は２の反転である「２バー」を意味し、以下同様とする。）と平行にＳｉＯ２のスリットライン611を作製する。その後、基板600上に、ｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層604、ＧａＮの活性層605、ｐ型ＡｌＧａＮ（＝ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（ただし、０≦ｘ≦１）、以下、ＡｌＧａＮと表記する）のｐ型クラッド層606、ｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層607を順次成長させ、発光素子が作製される。なお、図６におけるｐ型電極608およびｎ型電極609は、図５におけるｐ型電極508およびｎ型電極509と同一構成である。
【００１４】
同様にして、図７に示す発光素子ではＧａＮの下地層701の＜１１−２０＞方向と平行に凹凸の段差溝加工を施した後、ＡｌＮの低温中間層703を成長させ、ｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層704、ＧａＮの活性層705、ｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層706およびｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層707を順次成長させて発光素子が作製される。
【００１５】
このように、ＥＬＯ成長では、基板とクラッド層の間に、バンドギャップが活性層と同じかもしくは活性層より小さい半導体層であるＧａＮ層が存在する。したがって、活性層で発光した光が吸収され、効率よく外部に光が取り出すことができない。
【特許文献１】特開2003−258302号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述したように、放熱性の改善のためサファイア基板を薄板化しようとすると、格子不整合や熱膨張係数の差から生じる応力により、基板を薄板化する際に素子に反りやクラックなどが生じていた。
【００１７】
また、レーザー・リフトオフ法により、サファイア基板とＧａＮ膜を分離しようとすると、レーザーの照射面積が小さいので局所的な界面のみが分離し、局所的に付着している部分に応力が集中してクラックを生じさせていた。また、レーザーの照射面積が小さいことにより処理時間が長くなり製造に時間を要していた。
【００１８】
さらに、ＥＬＯ成長を用いて作製した発光素子では、基板とクラッド層の間に、活性層よりバンドギャップの小さい半導体層であるＧａＮ層が存在し、活性層で発光した光が吸収されて効率よく外部に光を取り出すことができなかった。
【００１９】
そこで本発明は、以上の問題に鑑み提案されたものであり、その目的は、素子にクラックなどを生じさせることが無く、素子の放熱性が良子で、これにより活性層で発光した光を効率よく外部へ取り出すことのできる、生産性および特性の優れた薄膜発光素子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】
【００２０】
本発明の薄膜発光素子は、１）一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層、窒化物半導体からなる活性層および逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層を順次積層してなる半導体層を備え、該半導体層の厚みが10μｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】
また、２）上記１）の薄膜発光素子において、前記下部クラッド層の下面に（特に、良熱伝導性の）光反射層を設けたことを特徴とする。なお、下部クラッド層と光反射層との間に、バッファ層などの層が介在していてもよい。
【００２２】
本発明の薄膜発光素子の製造方法は、３）二硼化物からなる単結晶基板の上に、一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層、窒化物半導体からなる活性層および逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層を順次積層した後に、前記単結晶基板を除去して、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層を順次積層してなる半導体層を備えた薄膜発光素子を得ることを特徴とする。
【００２３】
また、４）上記３）において、前記単結晶基板は、ＸＢ２(ただし、Ｘはジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）およびハフニウム（Ｈｆ）のうち１種以上の元素)で表される単結晶からなることを特徴とする請求項３に記載の薄膜発光素子の製造方法。
【００２４】
また、５）上記３）において、前記単結晶基板はエッチングにより除去することを特徴とする。
【００２５】
すなわち、５ａ）上記３）において、前記単結晶基板は、特にＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４およびＨＮＯ３のうち1種以上の酸とＨＦおよびＮＨ４ＨＦ２のうち1種以上の酸を混合した水溶液によるウェトエッチング工程により除去することを特徴とする。
【００２６】
また、５ｂ）上記３）において、前記単結晶基板は、特にＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ｃ−Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ１２、ＣＨＦ３、ＣＢｒＦ３、ＣＣｌ３Ｆ、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＣｌＦ３、ＳＦ６、ＮＦ３およびＦ２ガスのうち1種以上のガスを用いたドライエッチング工程により除去することを特徴とする。
【００２７】
さらに、６）上記３）において、前記単結晶基板を除去した領域に、（特に良熱伝導性の）光反射層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の薄膜発光素子は、一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層、窒化物半導体からなる活性層および逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層を順次積層してなる半導体層を備え、この半導体層の厚みが10μｍ以下であるので、半導体層に反りやクラックが発生することがなく、発光効率が良好で信頼性の高い薄膜発光素子を提供できる。
【００２９】
また、下部クラッド層の下面に良熱伝導性の光反射層を設けることにより、素子の放熱性が良く、活性層で発光した光を効率よく外部へ取り出すことのできる優れた薄膜発光素子を提供できる。
【００３０】
本発明の薄膜発光素子の製造方法は、二硼化物からなる単結晶基板の上に、一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層、窒化物半導体からなる活性層および逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層を順次積層した後に、前記単結晶基板を除去して、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層を順次積層してなる半導体層を備えた薄膜発光素子を得るので、極めて薄い薄膜発光素子を簡便に生産性よく得ることができる。
【００３１】
また、前記単結晶基板は、ＸＢ２(ただし、ＸはＺｒ、ＴｉおよびＨｆのうち１種以上の元素)で表される単結晶からなるので、窒化物半導体との格子定数の整合性が良く、転位や格子欠陥が低減した良質な結晶性の窒化物半導体層を得ることができる。
【００３２】
また、前記単結晶基板は、例えばＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４およびＨＮＯ３のうち1種以上の酸とＨＦおよびＮＨ４ＨＦ２のうち1種以上の酸を混合した水溶液によるウェトエッチング工程により、窒化物半導体層と単結晶基板と選択的にエッチングし、単結晶基板のみを簡単にきれいに除去することができる。
【００３３】
また、前記単結晶基板は、例えばＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ｃ−Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ１２、ＣＨＦ３、ＣＢｒＦ３、ＣＣｌ３Ｆ、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＣｌＦ３、ＳＦ６、ＮＦ３およびＦ２ガスのうち1種以上のガスを用いたドライエッチング工程により、窒化物半導体層と単結晶基板と選択的にエッチングし、単結晶基板のみを簡単にきれいに除去することができる。
【００３４】
さらに、前記単結晶基板を除去した領域に、良熱伝導性の光反射層を形成するので、素子の放熱性が良く、効率よく発光した光を効率よく取り出すことができる優れた薄膜発光素子を容易に生産性よく作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の薄膜発光素子について模式的に示した図面を参照にしつつ詳細に説明する。なお、図面において同一部材には同一符号を付すものとする。
【００３６】
本発明の薄膜発光素子は、図１（ｃ）に断面図にて示すように、一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層のｎ型クラッド層104と、窒化物半導体からなる活性層105と、逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層のｐ型クラッド層106とを順次積層した半導体層を少なくとも備えたものであり、この半導体層の厚みが10μｍ以下であることを特徴とする。さらに光を効率よく外部へ取り出すために、下部クラッド層のｎ型クラッド層104の下面に光反射層110を設けている。なお、図１（ｃ）の薄膜発光素子では、ｎ型クラッド層104と光反射層110との間にバッファ層101が介在している。
【００３７】
このように構成された薄膜発光素子は、例えば、以下のようにして製造される。まず、本発明の薄膜発光素子には、厚みが150〜400μｍ程度で、結晶構造が六方晶からなる導電性の単結晶基板を半導体層の育成用の基板として用いる。ここで特に、上記単結晶基板をＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ、ＴｉおよびＨｆの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶基板の場合、（０００１）面を主面とした基板（断面図の図１（ａ）における100）にするのが好ましい。なぜなら、例えばＺｒＢ２の格子定数ａ＝3.170Åはウルツアイト構造のＧａＮと格子定数はａ＝3.189Åとの格子不整合がそれぞれ0.60％であり、熱膨張係数の差も2.7×10−６／Ｋであり、極めて整合性の高い組み合わせとなり、格子欠陥が少なく、基板100と窒化物半導体層との応力が少ない良質な窒化物半導体層が得られるからである。
【００３８】
結晶成長には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法，有機金属化合物気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などを利用するとよい。最初にバッファ層（図１（ａ）の101）を400〜800℃の温度で結晶成長を行なわせ厚さ20〜50ｎｍとする。ここで、特にＸＢ２（ただし、ＸはＺｒまたはＴｉの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶基板を用いた場合は、基板の格子定数との整合性の理由により、バッファ層101は格子定数の近いＡｌＸＧａ１−ＸＮ（ただし、０≦ｘ≦１）にするのが好ましい。
【００３９】
このとき、ヒーター等により加熱されたサセプターから熱接触により、熱が単結晶基板へ熱伝導し基板が加熱される。また、熱接触以外にサセプター表面から熱輻射(赤外光)として放出される。このとき、導電性基板が半金属や金属からなる場合には、サセプターからの熱輻射は単結晶基板に吸収され加熱される。
【００４０】
次に、成長温度を1000〜1200℃に昇温し、バッファ層101上に、下部クラッド層であるｎ型クラッド層（図１（ａ）の104）、活性層（図１（ａ）の105）、および上部クラッド層であるｐ型クラッド層（図１（ａ）の106）を順次成長させ、これらの層を合計した半導体層の厚さを10μｍ以下とし、さらに、この半導体層の上に厚さが５μｍ以下の金属層であるｐ型コンタクト層（図１（ａ）の107）を成長させる。ここで、ｎ型クラッド層104はシリコン（Ｓｉ）などのｎ型不純物を含有するものとし、厚さを１〜３μｍ程度とする。なぜなら、１μｍより薄くすると活性層105にキャリアを効率よく注入することができず、３μｍより厚くすると素子の駆動電圧を急激に高くするからである。また、活性層105は半導体不純物を含有しないもの、もしくはＳｉなどの不純物を含有するものとし、厚さを30〜100ｎｍ程度とする。なぜなら、30ｎｍより薄くするとキャリアがｎ型クラッド層104にオーバーフローして効率よく発光しなくなるからであり、100ｎｍより厚くすると注入したキャリアは活性層内で均一に分布しなくなるからである。また、ｐ型クラッド層106，ｐ型コンタクト層107はマグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型不純物を含有するものとし、厚さを50〜100ｎｍ程度とする。なぜなら、50ｎｍより薄くすると活性層105にキャリアを効率よく注入することができず、100ｎｍより厚くすると素子の駆動電圧を急激に高くするからである。
【００４１】
次に、結晶成長後の基板に、フォトリソグラフィー技術を用いてマスク処理をし、蒸着法、スパッタリング法などによりニッケル（Ｎｉ）などを厚さ1000〜2000Å程度に成膜し、リフトオフ工程を経てメタルマスクを作製する。
【００４２】
そして、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いて、ｎ型クラッド層の上部領域が露出するまでエッチングを行なった後に、硝酸（ＨＮＯ３），塩酸（ＨＣｌ），硫酸（Ｈ２ＳＯ４）などで前記メタルマスクを除去する。
【００４３】
その後、フォトリソグラフィー技術を用いてマスク処理を施し、蒸着法，スパッタリング法などにより厚さが５μｍ以下のｐ型電極材料を成膜した後に、リフトオフ工程にてフォトレジストを剥離し、アニール工程を経ることにより厚さが５μｍ以下の金属層であるｐ型電極（図１（ａ）の108）を形成する。ここで、ｐ型電極108の材料は金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）などからなるものとしてもよいが、Ｎｉ／Ａｕ（ただし、下層／上層）とするのが、良好なオーミック接触を得る点で望ましい。
【００４４】
同様に、フォトリソグラフィー技術を用いてマスク処理をし、蒸着法、スパッタリング法などにより厚さが５μｍ以下のｎ型電極（図１（ａ）の109）の材料を成膜した後に、リフトオフ工程にてフォトレジストを剥離し、アニール工程を経ることにより厚さが５μｍ以下の金属層であるｎ型電極109を形成する。ｎ型電極109の材料はＡｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、ＰｄまたはＰｔなどからなるものとしてもよいが、Ｔｉ／Ａｌ（ただし、下層／上層）とするのが、良好なオーミック接触を得る点で望ましい。
【００４５】
上述した製造工程は、多数の素子を生産性よく作製するために、１枚の基板100上に、窒化物半導体層，電極層等からなる素子領域を多数形成するようにしてもよい。
【００４６】
次に、図１（ｂ）に示すように、窒化物半導体層側に保護層112を介して支持基板113を貼り合わせる。まず、300℃以下の低温で硬化したり紫外光などの光で硬化するような保護材料、例えば樹脂や半田などの保護材料を、窒化物半導体層側にコーティングして保護層112を形成する。このとき、保護層112はその表面が平坦になるような厚さにコーティングを行なう。
【００４７】
その後、基板100と支持基板板113とを、それら基板の両側（上下）主面に対して加圧しながら900〜1200℃の温度で熱圧着させて、基板110に支持基板113を貼り合わせる。ここで、このような素子領域を１枚の基板110上に多数作製するために、後工程で各素子領域の分断を可能にするべく、予め切断部をある素子領域とその隣の素子領域との間に、窒化物半導体層が分離されている箇所を形成しておく。そして、上記保護層112を各窒化物半導体層上に形成して、その保護層112上に支持基板113を貼り合わせてもよい。
【００４８】
なお、支持基板113の材料としてはサファイアが好適に使用可能であるが、放熱性の高いものであれば、例えばＳｉＣ等の材料も使用可能である。
【００４９】
次に、素子を作製した単結晶基板のみをエッチングにより除去する。単結晶基板の除去には、ウェットエッチング工程を用いる場合、素子を作製した基板の表面に、耐酸性のレジン系ワックスなど塗布する。エッチングにはＨＣｌ，Ｈ２ＳＯ４，ＨＮＯ３のうち少なくとも１種とＨＦ，ＮＨ４ＨＦ２のうち少なくとも１種を混合した溶液を用いる。このような酸を使用する理由は、窒化物半導体層と単結晶基板とのエッチングに選択性があり、単結晶基板を選択的にエッチングできるからである。また、ドライエッチング工程を用いる場合は、ＣＦ４，Ｃ２Ｆ６，Ｃ３Ｆ８，ｃ−Ｃ４Ｆ８，Ｃ５Ｆ１２，ＣＨＦ３，ＣＢｒＦ３，ＣＣｌ３Ｆ，ＣＣｌ２Ｆ２，ＣＣｌＦ３，ＳＦ６，ＮＦ３，Ｆ２ガスの少なくとも１種類を含んだガスを用い、ドライエッチングを行なう。このようなガスを用いる理由は、窒化物半導体層と単結晶基板とのエッチングに選択性があり、単結晶基板を選択的にエッチングするからである。
【００５０】
エッチング溶液として、フッ酸と硝酸との混合溶液（フッ酸に対する硝酸の容積比が５〜90％であり、水の希釈が3.5倍以下の水溶液）を使用する場合には、上記保護層112はこの溶液には容易に溶解せず、300℃で10分程度の条件で融解しない材料で構成するのが望ましい。ここで、前記条件の混合溶液を用いる理由は、数百μｍの厚さの二硼化物基板を数分以内の短時間で、窒化物半導体層と支持基板とにダメージを与えることなく除去することが可能だからである。
【００５１】
次に、図１（ｃ）に示すように、基板100を除去した箇所に、蒸着法、スパッタリング法などにより熱良導性の光反射層110を設ける。すなわち、この光反射層110は特に紫外光に対する反射率が極めて高い金属層、ＺｒＯ２，ＴｉＯ２，ＳｉＯ２，ＭｇＯなどの誘電体多層層から構成される分布Ｂｒａｇｇ反射鏡などを用いるとよい。ここで、Ａｌ等の金属材料を光反射層110に用いることが素子の放熱性と反射率の点で望ましい。また、光反射層110はそれに接触させる層とオーミックコンタクトがとれる材料を、接する側の面の層として選択するのが望ましく、例えば、光反射層110と接触させる層がｎ型の層であればＴｉ等とするのがよく、ｐ型の層であればＮｉ等とするのが好ましい。また、光反射層110の反射用金属層としてＡｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｒｈ等の金属を１層以上積層するようにしてもよい。
【００５２】
次に、光反射層110の上に第２の基板として銅−タングステン合金やシリコンからなるものを用い、これを金−錫半田により接合してもよい。
【００５３】
第２の基板を接合しない場合は、保護層112と支持基板113とをフッ硝酸等により除去する。上述したように、第２の基板を光反射層110の上に接合する場合には、第２の基板を接合した後に、保護層112と支持基板113とをアセトンやＩＰＡ（イソプロピルアルコール）などの有機溶剤により除去する。
【００５４】
次に、多数の素子領域が形成されている場合には、ダイシングにより切断して各素子領域に分離する。
【００５５】
以上のようにして、一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層の上面に、窒化物半導体からなる活性層および逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層を順次積層してなる半導体層を備え、該半導体層の厚みが10μｍ以下の薄膜発光素子を作製することができる。また、前記下部クラッド層の下面に良熱伝導性の光反射層を設けた薄膜発光素子を得ることができる。
【００５６】
また、この薄膜発光素子は、応力による歪みエネルギーの蓄積が小さいために、半導体層の厚みが10μｍ以下であれば、倍率10倍以上の光学顕微鏡で確認されるクラックなどのない良質の薄膜発光素子が得られる。
【００５７】
さらに、下部クラッド層の下面に良熱伝導性の光反射層を設けることにより、素子の放熱性が良好で、活性層で発光した光を効率よく外部へ取り出すことができる優れた薄膜発光素子が得られる。
【００５８】
この実施形態によれば、素子を構成する個々の半導体層、金属層、および誘電体層の厚さがそれぞれ５μｍ以内であり、素子全体の厚さが10μｍ以下で構成される。これにより、反りやクラックなどのない良質の半導体層からなる薄膜発光素子を提供することができる。また、上記構造の薄膜発光素子の作製において、窒化物半導体層の成長を行なわせる単結晶基板を除去することによって、きわめて簡便に特性の優れた薄膜発光素子を生産性よく提供できる。
【００５９】
また、格子不整合や熱膨張係数の差から生じる応力により、基板を薄板化するにつれ、素子に反りやクラックなどがなく、素子の放熱性が良く、しかも活性層で発光した光を効率よく外部へ取り出すことのできる良質の窒化物半導体層からなる薄膜発光素子を簡便に生産性よく提供することができる。
【００６０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種の変更や改良等はなんら差し支えない。例えば、単結晶基板としては、ＺｒＢ２で表記される二硼化物単結晶基板を用いたが、成長する窒化物半導体との格子整合の理由から、この材料にかえてＴｉＢ２、ＨｆＢ２またはＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ、ＴｉおよびＨｆから選択された複数種を含む)で表記される二硼化物単結晶基板でも同様な作用・効果が期待できる。
【００６１】
以上説明したように、本発明の薄膜発光素子は、一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層の上面に、窒化物半導体からなる活性層および逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層を順次積層してなる半導体層を備え、この半導体層の厚みが10μｍ以下であるので、半導体層に反りやクラックが発生することがなく、発光効率が良好で信頼性の高い薄膜発光素子を提供できる。特に、下部クラッド層の下面側に良熱伝導性の光反射層を設けることにより、素子の放熱性が良く、活性層で発光した光を効率よく外部へ取り出すことのできる優れた薄膜発光素子を提供できる。
【００６２】
また、本発明の薄膜発光素子の製造方法は、二硼化物からなる単結晶基板の上に、一導電型の窒化物半導体からなる下部クラッド層、窒化物半導体からなる活性層および逆導電型の窒化物半導体からなる上部クラッド層を順次積層した後に、前記単結晶基板を除去して、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層を順次積層してなる半導体層を備えた薄膜発光素子を得るので、極めて薄い薄膜発光素子を簡便に生産性よく提供できる。
【００６３】
また、前記単結晶基板は、ＸＢ２(ただし、ＸはＺｒ、ＴｉおよびＨｆのうち１種以上の元素)で表される単結晶からなるので、窒化物半導体との格子定数の整合性が良く、転位や格子欠陥が少ない良質の窒化物半導体層を得ることができる。
【００６４】
また、前記単結晶基板は、例えばＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４およびＨＮＯ３のうち1種以上の酸とＨＦおよびＮＨ４ＨＦ２のうち1種以上の酸を混合した水溶液によるウェトエッチング工程により、窒化物半導体層と単結晶基板と選択的にエッチングし、単結晶基板のみを簡単にきれいに除去することができる。
【００６５】
また、前記単結晶基板は、例えばＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ｃ−Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ１２、ＣＨＦ３、ＣＢｒＦ３、ＣＣｌ３Ｆ、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＣｌＦ３、ＳＦ６、ＮＦ３およびＦ２ガスのうち1種以上のガスを用いたドライエッチング工程により、窒化物半導体層と単結晶基板と選択的にエッチングし、単結晶基板のみを簡単にきれいに除去することができる。
【００６６】
さらに、前記単結晶基板を除去した領域に、良熱伝導性の光反射層を形成するので、素子の放熱性が良く、効率よく発光した光を効率よく取り出すことができる優れた薄膜発光素子を容易に生産性よく作製することができる。
【００６７】
以下に、本発明をより具体化した実施例について説明する。
【実施例１】
【００６８】
この実施例により作製した窒化物半導体を用いた紫色発光素子を図１に例示する。
【００６９】
本実施例では導電性の六方晶からなる単結晶基板としてＺｒＢ２、基板の除去にウェットエッチングを採用した。
【００７０】
ＭＯＶＰＥ成長炉にＺｒＢ２の（０００１）面の基板100をセットし、基板100の温度を、800℃まで昇温して結晶成長を開始した。その後、温度を450℃まで降温してバッファ層101の成長を行なった。バッファ層101はＡｌＧａＮからなり、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニアガスを原料とし、20ｎｍの厚さまで成長させた。
【００７１】
次に、基板の温度を1050℃まで上昇し、この成長温度にて下部クラッド層であるｎ型クラッド層104、活性層105、上部クラッド層であるｐ型クラッド層106、ｎ型コンタクト層107を順次成長させた。
【００７２】
ｎ型クラッド層104は、ｎ型不純物としてＳｉを含有するＧａＮからなり、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、ｎ型不純物原料としてシランガス（ＳｉＨ４）を用い、４μｍの厚さまで成長させた。
【００７３】
活性層105はＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造からなり、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、50ｎｍの厚さまで成長させた。
【００７４】
ｐ型クラッド層106はｐ型不純物としてＭｇを含有するＡｌＧａＮからなり、ＴＭＡ、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、ｐ型不純物原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用い、200ｎｍの厚さまで成長させた。
【００７５】
ｐ型コンタクト層107は半導体不純物としてＭｇを含有するＧａＮからなり、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、ｐ型不純物原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用い、20ｎｍの厚さまで成長させた。
【００７６】
結晶成長後の基板を、アニール炉にて575℃のアニール処理することにより、ｐ型不純物の活性化を行なった。
【００７７】
フォトグラフィー工程にてレジストマスク処理を作製した後に、蒸着機にてＮｉを1000Å蒸着し、リフトオフ工程を経てメタルマスクを作製した。
【００７８】
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置でＣｌ２ガスを用いてドライエッチングを行ない、ｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層104の表面領域が露出するまでエッチングした後に、希硝酸にてＮｉメタルマスクを除去した。
【００７９】
そして、フォトグラフィー工程にてレジストマスク処理を作製した後に、蒸着機にてｐ型ＧａＮのコンタクト層107にＮｉ（厚さ50Å）およびＡｕ（厚さ50Å）を順次蒸着し、リフトオフ工程を経て、熱拡散炉にて550℃のアニール処理を行なうことによりｐ型電極108を作製した。
【００８０】
同様に、フォトグラフィー工程にてレジストマスク処理を作製した後に、蒸着機にてｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層104にＴｉ（厚さ300Å）、Ａｌ（厚さ1000Å）、Ｔｉ（厚さ200Å）およびＡｕ（厚さ1000Å）を蒸着し、リフトオフ工程を経て、熱拡散炉にて500℃のアニール処理を行なうことによりｎ型電極109を作製した。
【００８１】
このように作製した基板（以下、素子基板と呼ぶ）を図１（ａ）に示す。
【００８２】
次に、図１（ｂ）に示すように、素子基板の表面にレジン系ワックスの保護層112を塗布し、素子基板の表面をサファイアからなる支持基板113に貼り合わせた。
【００８３】
その後、貼り合わせを行なった基板をＨＦ：ＨＮＯ３＝１：２のエッチング液にてエッチングを行ない、素子基板の裏面からＺｒＢ２基板100を除去した。
【００８４】
蒸着機にてｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層104にＡｌ（厚さ300Å）を蒸着し、Ａｌ反射層の光反射層110を作製した。
【００８５】
最後に、レジン系ワックスで溶解させ、素子を支持基板113から剥離した。
【００８６】
このように作製した素子を図１（ｃ）に示す。また、本実施例で作製した紫色発光素子は350μｍ×350μｍの大きさである。この発光素子の鳥瞰ＳＥＭ像（日立製作所製の電界放出形走査電子顕微鏡Ｓ−4500、加速電圧10ｋＶ、倍率250倍）を図２に示す。この図から明らかなように、発光素子全体の膜厚は６μｍであり、半導体層全体の膜厚は10μｍ以下であり、半導体層および素子にクラックの発生は認められなかった。また、アジレント・テクノロジー社の半導体パラメーターアナライザー4155Bを用いて、ＺｒＢ２基板の除去前後の100ｍＡ通電における発光像を図３に示す。図３から明らかなように、ＺｒＢ２基板の除去後はＺｒＢ２基板の除去前に比べて、よく発光していることがわかる。
【００８７】
かくして、実施例１においては半導体層の厚みが10μｍ以下であるので半導体層や素子にクラックなどを生じさせること無く、簡便な製造により、素子の放熱性が良く、光を効率よく外部へ取り出すことができることを確認できた。
【実施例２】
【００８８】
この実施例により作製した窒化物半導体を用いた紫外発光素子を図４に例示する。
【００８９】
本実施例では導電性の六方晶からなる単結晶基板としてＺｒＢ２基板を用い、この基板の除去にウェットエッチングを用いた。
【００９０】
ＭＯＶＰＥ成長炉にＺｒＢ２の（０００１）面の基板400をセットし、基板400の温度を、800℃まで昇温して結晶成長を開始した。その後、温度を450℃まで降温してバッファ層401の成長を行なった。バッファ層401はＡｌＧａＮからなり、ＴＭＡ、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、20ｎｍの厚さまで成長させた。
【００９１】
次に成長温度を1050℃まで上昇し、この成長温度にて下地層402を成長させた。
【００９２】
下地層402はＧａＮからなり、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、3.5μｍの厚さまで成長させた。
【００９３】
成長を行なった基板をＭＯＶＰＥ成長炉から取り出し、ＧａＮの下地層402表面に、フォトグラフィー工程にてレジストマスク処理を作製した後に、蒸着機にてＮｉを1000Å蒸着し、リフトオフ工程を経てストライプ状のパターンを有するメタルマスクを作製する。ここで、ストライプ状のパターンは下地層402の＜１１−２０＞方向と平行に作製した。
【００９４】
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置にて、Ｃｌ２ガスを用いてドライエッチングを行ない、下地層402にストライプ状の段差溝を作製し、希硝酸にてＮｉメタルマスクを除去した。
【００９５】
その後、ＭＯＶＰＥ成長炉にて段差溝を作製した基板を再成長させた。温度を450℃まで降温して中間層403の成長を行なった。中間層403はＡｌＮからなり、ＴＭＡ、アンモニアガスを原料とし、20ｎｍの厚さまで成長させた。
【００９６】
次に成長温度を1050℃まで上昇し、下部クラッド層であるｎ型クラッド層404、活性層405、上部クラッド層であるｐ型クラッド層406、ｎ型コンタクト層407を順次成長させた。
【００９７】
ｎ型クラッド層404はｎ型不純物としてＳｉを含有するＡｌＧａＮからなり、ＴＭＡ、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、ｎ型不純物原料としてシランガス（ＳｉＨ４）を用い、３μｍの厚さまで成長させた。ｎ型クラッド層404の成長では、段差溝を作製した下地層402の溝内部での縦方向と横方向の成長速度が異なり、横方向の成長速度が速い。このため、結晶転位は横方向に湾曲され、成長層の上部で低転位領域が得られた。
【００９８】
活性層405はＧａＮからなり、ＴＭＡ，ＴＭＧ，アンモニアガスを原料とし、50ｎｍの厚さまで成長させた。
【００９９】
ｐ型クラッド層406はｐ型不純物としてＭｇを含有するＡｌＧａＮからなり、ＴＭＡ、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、ｐ型不純物原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用い、200ｎｍの厚さまで成長させた。
【０１００】
ｐ型コンタクト層407は半導体不純物としてＭｇを含有するＧａＮからなり、ＴＭＧとアンモニアガスを原料とし、ｐ型不純物原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用い、20ｎｍの厚さまで成長させた。
【０１０１】
そして、結晶成長後の基板を熱拡散にて575℃のアニール処理することにより、ｐ型不純物の活性化を行なった。
【０１０２】
フォトグラフィー工程にてレジストマスク処理を作製した後に、蒸着機にてＮｉを1000Åの厚さに蒸着し、リフトオフ工程を経てメタルマスクを作製した。
【０１０３】
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置でＣｌ２ガスを用いてドライエッチングを行ない、ｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層404の表面領域が露出するまでエッチングした後に、希硝酸にてＮｉメタルマスクを除去した。
【０１０４】
その後、フォトグラフィー工程にてレジストマスク処理を作製した後に、蒸着機にてｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層407にＮｉ（厚さ50Å）およびＡｕ（厚さ50Å）を順次蒸着し、リフトオフ工程を経て、熱拡散炉にて550℃のアニール処理を行なうことによりｐ型電極408を作製した。
【０１０５】
同様に、フォトグラフィー工程にてレジストマスク処理を作製した後に、蒸着機にてｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層にＴｉ（厚さ300Å）、Ａｌ（厚さ1000Å）、Ｔｉ（厚さ200Å）およびＡｕ（厚さ1000Å）を蒸着し、リフトオフ工程を経て、熱拡散炉にて500℃のアニール処理を行なうことによりｎ型電極409を作製した。
【０１０６】
このように作製した基板（以下、素子基板と呼ぶ）を図４（ａ）に示す。
【０１０７】
次に、図４（ｂ）に示すように、素子基板の表面にレジン系ワックスを塗布して保護層412を形成し、素子基板の表面をサファイアの支持基板413に貼り合わせた。
【０１０８】
その後、貼り合わせを行なった基板をＨＦ：ＨＮＯ３＝１：２のエッチング液にてエッチングを行ない、素子基板の裏面から基板400を除去した。
【０１０９】
貼り合わせた基板をＲＩＥ装置にてドライエッチングを行ない、ＡｌＧａＮのバッファ層401、ＧａＮの下地層402、ＡｌＮの中間層403を除去し、図４(ｃ)に示すようにｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層404を露出させた。
【０１１０】
蒸着機にてｎ型クラッド層404にＡｌ（厚さ300Å）を蒸着し、Ａｌ反射層の光反射層410を形成した。
【０１１１】
最後に、レジン系ワックスで溶解させ、素子をサファイア基板から剥離した。このように作製した素子を図４（ｄ）に示す。
【０１１２】
かくして、この実施例においても、半導体層全体の厚みが10μｍ以下であるので、素子にクラックなどを生じさせることが無く、簡便な製造により、素子の放熱性が良く、光を効率よく外部へ取り出すことが確認できた。
【０１１３】
なお、上述した実施例１，２は単結晶基板としてＺｒＢ２基板を用い、基板の除去に水溶液を使用するウェットエッチングを用いたが、例えば単結晶基板としてＴｉＢ２基板やＨｆＢ２基板等を用い、基板の除去にガスを使用するドライエッチングを用いても同様な作用・効果が期待でき、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更や改良等はなんら差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の薄膜発光素子の製造工程の一例を模式的に説明する断面図である。
【図２】本発明の薄膜発光素子の鳥瞰ＳＥＭ像を示す図である。
【図３】本発明の薄膜発光素子のＺｒＢ２基板を除去する前後の平面発光像を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の薄膜発光素子の製造工程の他の例を模式的に説明する断面図である。
【図５】従来の窒化物半導体発光素子の一例を示す断面図である。
【図６】従来の窒化物半導体発光素子の他の例を示す断面図である。
【図７】従来の窒化物半導体発光素子のさらに他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
100，400：基板
101，401：バッファ層
104，404：ｎ型クラッド層（下部クラッド層）
105，405：活性層
106，406：ｐ型クラッド層（上部クラッド層）
107，407：ｐ型コンタクト層
108，408：ｐ型電極
109，409：ｎ型電極
110，：光反射層
112，412：保護層
113，413：支持基板
402：下地層
403：中間層
【図１】
2005210066.tif 000003
【図２】
2005210066.tif 000004
【図３】
2005210066.tif 000005
【図４】
2005210066.tif 000006
【図５】
2005210066.tif 000007
【図６】
2005210066.tif 000008
【図７】
2005210066.tif 000009