(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子の製造方法であって、
基板上に下地層を形成する第１の工程と、
前記下地層上に、多数の微細な開口部を有するマスクを形成する第２の工程と、
前記各開口部での選択成長及び前記マスク上での横方向成長により、前記基板平面に対し傾斜した複数の微小平面により構成される多数の凸部を有する凹凸状の転写層を形成する第３の工程と、
前記凹凸状の転写層上に、前記下地層及び前記転写層より小さいバンドギャップエネルギーを有する光吸収層を形成する第４の工程と、
前記光吸収層上に、成長主面が平坦な平坦化層を形成する第５の工程と、
前記平坦化層上に、少なくとも活性層を有する発光構造層を形成する第６の工程と、
前記光吸収層に到達する光を前記基板の裏面側から照射することにより前記光吸収層を分解させ、前記平坦化層から前記基板と下地層及び転写層を剥離する第７の工程とを具備し、
前記平坦化層を、前記活性層で発生する光を素子外部へ取り出す光取り出し面とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第５の工程において、前記平坦化層をｎ型の窒化物半導体で形成し、
前記第６の工程において、前記発光構造層を、前記平坦化層側からｎ型の窒化物半導体から始まってｐ型の窒化物半導体で終わる多層構造により形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記下地層、前記転写層、前記光吸収層、前記平坦化層及び前記発光構造層は、Ｖ族元素が窒素（Ｎ）からなる窒化物系III-Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記光吸収層は、ＩｎＧａＮであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記基板は、主面が｛０００１｝面であるサファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣのうちの何れかであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記第２の工程において、前記マスクの開口部を、最近接の開口部が前記下地層の〈１−１００〉方向に位置し、全ての開口部の中心が六角回転対称中心となるように形成することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記第２の工程において、前記マスクの開口部を、前記下地層の結晶軸〈１−１００〉又は〈１１−２０〉と平行のストライプ形状に形成することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記光吸収層は、非発光性の再結合中心となる不純物を含む半導体、または間接遷移型の半導体であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記第７の工程において、前記基板の裏面側から照射する光のエネルギーは、前記下地層及び前記転写層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記光吸収層のバンドギャップエネルギーより大きいことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第７の工程において、前記基板の裏面側から照射される光の波長は、３６０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第６の工程と前記第７の工程の間に、前記光構造層側の表面を支持部材に固着する工程を具備することを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第６の工程と前記第７の工程の間に、前記発光構造層側に、個々の半導体発光素子の大きさに区分けする切り溝を形成する工程を具備することを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の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、例えば窒化物半導体等を用いて形成される半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体で形成された緑色から青色の発光ダイオード（ＬＥＤ）が実現されており、白色ＬＥＤへの応用に向けて、近年更に短波長のＬＥＤの開発が進められている。
【０００３】
こうした短波長のＬＥＤを製造する際、一般に、サファイア基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る下地層を積層した後、下地層上に窒化物半導体を結晶成長させることによって活性層等を有する成長層を形成しており、結晶性の良い成長層を形成するためには、サファイア基板上にＧａＮから成る下地層を形成することが必要不可欠となっている。
【０００４】
ところが、窒化ガリウム（ＧａＮ）は波長３６０ｎｍより短波長の光を吸収することから、成長層中の活性層で発生した光が素子外部へ出射する際、下地層で吸収されないようにするため、成長層から下地層が除去されている。
【０００５】
下地層としての窒化ガリウム層を除去する方法として、機械研磨によってサファイア基板と下地層とを成長層から除去したり、サファイア基板をレーザリフトオフによって除去した後、成長層から下地層をエッチング又は機械研磨によって除去する方法が提案されている。
【０００６】
また、商品化されている窒化物半導体の青色ＬＥＤは、活性層で発生した光を、成長層の光取り出し面（ｐ型層）に駆動電流供給用のｐ電極として設けられた平面状の透明電極または半透明電極を透過させて出射させたり、或いは平面状のサファイア基板側から出射させる構造となっている。
【０００７】
しかし、このｐ電極として設けられた平面状の透明電極または半透明電極を透過させて光を出射させる構造の場合、窒化物半導体の屈折率は２．５程度で、例えば透明電極として用いられるＩＴＯの屈折率も高いため、活性層で発生した光の多くが平面状の半導体／樹脂界面で反射されてしまい、光取り出し効率を向上させることが難しい。
【０００８】
また、平面状のサファイア基板側から光を出射させる構造の場合においても、活性層で発生した光の多くが、半導体／サファイア／樹脂界面で反射されてしまい、光取り出し効率を向上させることが難しい。
【０００９】
また、こうした光取り出し効率を向上させる手法として赤色を発光するＧａＰ系ＬＥＤでは、その光取り出し面をウェットエッチングによって粗面化し、活性層で発生した光が粗面化した光取り出し面で反射し難くすることによって、光取り出し効率の向上を図ろうとする提案もなされている（特許文献１、特許文献２を参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−２９９４９４号公報
【特許文献２】
特開平４−３５４３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上述の機械研磨のみ、又はレーザリフトオフとエッチング又は機械研磨を行うことによって、成長層から下地層としての窒化ガリウム層を除去する方法では、大面積の下地層（窒化ガリウム層）全体を適切に除去することが難しいという問題がある。
【００１２】
また、窒化物半導体は化学的に安定であり機械的にも固いため、特開２０００−２９９４９４号公報や特開平４−３５４３８２号公報に開示されているようなウェットエッチングによってＧａＰ系ＬＥＤの光取り出し面を粗面化することは困難を伴い、容易に光取り出し効率を向上させることができない。
【００１３】
また、サファイア基板の加工性は窒化物半導体以上に悪いので、半透明電極や透明電極による光吸収を避けようとして、サファイア基板側から光を取り出すようにした場合、表面を粗面化することで光取り出し効率を向上させることはできない。
【００１４】
本発明は、こうした従来の問題に鑑みてなされたものであり、下地層を成長層から効率よく除去した半導体発光素子及びその半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
また、光取り出し効率を向上させる半導体発光素子及びその半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
また、下地層を成長層から効率よく除去し且つ光取り出し効率を向上させる半導体発光素子及びその半導体発光素子の製造方法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】
【００１７】
請求項１に記載の発明は、半導体発光素子の製造方法であって、基板上に下地層を形成する第１の工程と、前記下地層上に、多数の微細な開口部を有するマスクを形成する第２の工程と、前記各開口部での選択成長及び前記マスク上での横方向成長により、前記基板平面に対し傾斜した複数の微小平面により構成される多数の凸部を有する凹凸状の転写層を形成する第３の工程と、前記凹凸状の転写層上に、前記下地層及び前記転写層より小さいバンドギャップエネルギーを有する光吸収層を形成する第４の工程と、前記光吸収層上に、成長主面が平坦な平坦化層を形成する第５の工程と、前記平坦化層上に、少なくとも活性層を有する発光構造層を形成する第６の工程と、前記光吸収層に到達する光を前記基板の裏面側から照射することにより前記光吸収層を分解させ、前記平坦化層から前記基板と下地層及び転写層を剥離する第７の工程とを具備し、前記平坦化層を、前記活性層で発生する光を素子外部へ取り出す光取り出し面とすることを特徴とする。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法において、前記第５の工程において、前記平坦化層をｎ型の窒化物半導体で形成し、前記第６の工程において、前記発光構造層を、前記平坦化層側からｎ型の窒化物半導体から始まってｐ型の窒化物半導体で終わる多層構造により形成することを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の半導体発光素子の製造方法において、前記下地層、前記転写層、前記光吸収層、前記平坦化層及び前記発光構造層は、Ｖ族元素が窒素（Ｎ）からなる窒化物系III-Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法において、前記光吸収層は、ＩｎＧａＮであることを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法において、前記基板は、主面が｛０００１｝面であるサファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣのうちの何れかであることを特徴とする。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記第２の工程において前記マスクの開口部を、最近接の開口部が前記下地層の〈１−１００〉方向に位置し、全ての開口部の中心が六角回転対称中心となるように形成することを特徴とする。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記第２の工程において、前記マスクの開口部を、前記下地層の結晶軸〈１−１００〉又は〈１１−２０〉と平行のストライプ形状に形成することを特徴とする。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記光吸収層は、非発光性の再結合中心となる不純物を含む半導体、または間接遷移型の半導体であることを特徴とする。
【００２５】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記第７の工程において、前記基板の裏面側から照射する光のエネルギーは、前記下地層及び前記転写層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記光吸収層のバンドギャップエネルギーより大きいことを特徴とする。
【００２６】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記第７の工程において、前記基板の裏面側から照射される光の波長は、３６０ｎｍ以上であることを特徴とする。
【００２７】
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記第６の工程と前記第７の工程の間に、前記光構造層側の表面を支持部材に固着する工程を具備することを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記第６の工程と前記第７の工程の間に、前記発光構造層側に、個々の半導体発光素子の大きさに区分けする切り溝を形成する工程を具備することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、発明を実施するための最良の形態について図１を参照して説明する。
【００２９】
図１（ａ）は、本半導体発光素子の構造を模式的に表した斜視図、図１（ｂ）〜（ｅ）は、本半導体発光素子の製造方法を模式的に表した縦断面図である。
【００３０】
同図（ａ）において、この半導体発光素子１は、表面に電極層３ａが形成された支持基板２と、表面に電極層５、裏面にオーミック電極層３ｂが形成された成長層４とを備え、融着等によって接着された電極層３ａとオーミック電極層３ｂを介して、支持基板２の表面上に成長層４が一体に固着された構造を有している。
【００３１】
成長層４は、コンタクト層とクラッド層と活性層とを有する発光構造層ＤＬＹと、光取り出し面としての平坦化層ＣＬＹとが積層された多層構造を有し、これら発光構造層ＤＬＹと平坦化層ＣＬＹは、Ｖ族元素が窒素（Ｎ）から成る窒化物系III-Ｖ族化合物半導体を積層することによって形成されている。
【００３２】
平坦化層ＣＬＹの表面は、多数の微細な凹部が高密度で形成された構造となっており、より具体的には、多数の微細な逆六角錐形状の凹部が全面に高密度で形成された構造となっている。そして、平坦化層ＣＬＹの上記凹部によって凹凸状となっている表面の一部に、例えば図示するような対角を結ぶクロス形状の電極層５が形成されている。
【００３３】
かかる構造を有する半導体発光素子１において、オーミック電極層３ｂに接合している電極層３ａと、平坦化層ＣＬＹ側に設けられている電極層５との間に外部から駆動電流を供給すると、その駆動電流が平坦化層ＣＬＹを通って発光構造層ＤＬＹ中の活性層に流入し、該活性層から短波長の光が発生する。そして、活性層から発せられた短波長の光が、凹凸状となっている平坦化層ＣＬＹの表面から素子外部へ出射する。すなわち、半導体発光素子１は、面発光型の素子構造を有している。
【００３４】
次に、本半導体発光素子１の製造方法を図１（ｂ）〜（ｅ）を参照して説明する。
【００３５】
まず、図１（ｂ）に示す工程において、サファイア、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣの何れかの材料で形成された基板ＳＳＢ上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る下地層ＡＬＹを積層し、次に、多数の微細な凹凸部を有した窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る転写層ＴＬＹを形成する。より具体的には、傾斜面ｂを有する微細な六角錐形状（好ましくは正六角錐）の凸部ａを面方向に高密度で多数形成することによって、凹凸状の表面を有し窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る転写層ＴＬＹを、下地層ＡＬＹ上に形成する。
【００３６】
更に、転写層ＴＬＹの凹凸状の表面に、ＭＯＣＶＤ法等によって、非発光性の再結合中心となる不純物を含んだＩｎｘＧａ１−ｘＮ（但し、ｘ＞０．５）、又は、下地層ＡＬＹ及び転写層ＴＬＹよりエネルギーギャップが小さく間接遷移型の半導体を積層することによって、転写層ＴＬＹの表面形状に合わせて凹凸状となる光吸収層ＢＬＹを形成する。
【００３７】
引き続き、光吸収層ＢＬＹの表面に、平坦化層ＣＬＹと発光構造層ＤＬＹとから成る上述の成長層４を形成する。すなわち、光吸収層ＢＬＹの表面に、窒化物系III-Ｖ族化合物半導体（具体的には、ｎ型ＡｌＧａＮ）から成る平坦化層ＣＬＹを積層した後、平坦化層ＣＬＹの平坦な表面上に、所定の組成の窒化物系III-Ｖ族化合物半導体を結晶成長させることによって、活性層とクラッド層とコンタクト層とを有する多層構造の発光構造層ＤＬＹを積層する。
【００３８】
この発光構造層ＤＬＹを積層する際、平坦化層ＣＬＹ側をｎ型の層にして積層を開始しｐ型のコンタクト層で積層を完了することで、発光構造層ＤＬＹの各層を形成する。
【００３９】
次に、発光構造層ＤＬＹ上の全面にオーミック電極層３ｂを形成することによって、基板ＳＳＢ上に下地層ＡＬＹと転写層ＴＬＹ、光吸収層ＢＬＹ、平坦化層ＣＬＹ、発光構造層ＤＬＹ及びオーミック電極層３ｂを有した中間生成体１００を作製する。
【００４０】
また、上述の中間生成体１００とは別個に、支持基板２の表面全体に駆動電流供給用の電極層３ａを形成した中間生成体２００を作製しておき、この中間生成体２００の電極層３ａと中間生成体１００のオーミック電極層３ｂとを融着等によって接着させることにより、図１（ｂ）に示すように中間生成体１００，２００を一体に固着させる。
【００４１】
次に、図１（ｃ）に示す工程において、下地層ＡＬＹと転写層ＴＬＹの夫々のバンドギャップエネルギーよりも小さく、光吸収層ＢＬＹのバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーの光を、基板ＳＳＢの裏面側から光吸収層ＢＬＹに向けて照射する。例えば、基板ＳＳＢをサファイア基板とし、光吸収層ＢＬＹをＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎで形成した場合、ＹＡＧレーザの２倍波（波長５３２ｎｍ）のレーザ光等を基板ＳＳＢの裏面側から照射する。
【００４２】
かかるエネルギーの光を照射すると、その光は基板ＳＳＢと下地層ＡＬＹ及び転写層ＴＬＹを透過し、光吸収層ＢＬＹで吸収されて熱に変換され、その熱によって光吸収層ＢＬＹがガスに分解する。なお、光吸収層ＢＬＹは、非発光性の再結合中心を含んでいるか、又は間接遷移型の半導体で構成すると、吸収した光がいっそう速やかに熱に変換されるので、より好ましい。
【００４３】
次に、基板ＳＳＢを剥離することによって、基板ＳＳＢと共に下地層ＡＬＹと転写層ＴＬＹとを、ガス化した光吸収層ＢＬＹの部分で剥離して、平坦化層ＣＬＹを露出させる。
【００４４】
次に、図１（ｄ）に示す工程において、平坦化層ＣＬＹ上に残存している光吸収層ＢＬＹの残滓をエッチングによって除去することにより、平坦化層ＣＬＹの表面を露出させる。
【００４５】
ここで、光吸収層ＢＬＹと平坦化層ＣＬＹの界面は、上述した多数の微細な六角錐形状の凸部ａによって凹凸状となっていたため、露出した平坦化層ＣＬＹの表面は、上述の多数の微細な六角錐形状の凸部ａとは逆の形状、すなわち多数の微細な逆六角錐形状の凹部ｃを有する凹凸状に形成される。
【００４６】
次に、図１（ｅ）に示す工程において、平坦化層ＣＬＹの凹凸状の表面の一部に、駆動電流を供給するための電極層５を積層することにより、本半導体発光素子１を完成する。例えば図１（ａ）に示したように、光取り出し面となる平坦化層ＣＬＹの表面の対角を結ぶクロス形状となるように電極層５を積層し、本半導体発光素子１を完成する。
【００４７】
なお、説明の便宜上、１個の半導体発光素子１を製造する工程を代表して説明したが、実際には、図１（ｂ）〜（ｅ）を参照して説明した第１〜第３の製造工程において、基板（サファイア基板）ＳＳＢ上に複数個の半導体発光素子１を製造するための処理を一括して行った後、支持基板２を裏面側からスクライビングして所定の大きさにチップ分割することにより、複数個の半導体発光素子１を一括形成している。
【００４８】
このように、かかる構造を有する半導体発光素子１によると、光取り出し面となる平坦化層ＣＬＹの表面は、平坦ではなく、多数の微細な逆六角錐の凹部ｃが高密度で形成された凹凸状となっていることから、発光構造層ＤＬＹ中の活性層で発生した光が該表面で反射して再び素子内部へ戻る割合を減少させることができ、光取り出し効率の向上を実現することが可能である。
【００４９】
また、本半導体発光素子１は、図１（ａ）に示したように、ｎ型の窒化物系III-Ｖ族化合物半導体（具体的には、ｎ型ＡｌＧａＮ）で形成された平坦化層ＣＬＹを光取り出し面とした構造となっていることから、平坦化層ＣＬＹの一部に電極層５を形成してその電極層５に駆動電流を供給しても、その駆動電流は平坦化層ＣＬＹのほぼ全体を流れて、発光構造層ＤＬＹ中の活性層のほぼ全領域に流入する。このため、活性層のほぼ全領域で光が発生し、その発生した光が平坦化層ＣＬＹのほぼ全領域（光取り出し面の全領域）から素子外部へ出射することとなり、光取り出し効率の向上が可能である。
【００５０】
つまり、ｎ型の窒化物系III-Ｖ族化合物半導体は抵抗率が１０−３Ωｃｍ程度と低抵抗であり、ｐ型の窒化物半導体に較べて極めて低抵抗率である。このため、ｎ型の窒化物系III-Ｖ族化合物半導体（具体的には、ｎ型ＡｌＧａＮ）から成る低抵抗率の平坦化層ＣＬＹの一部に形成された電極層５に駆動電流を供給すると、その駆動電流は、電極層５直下の平坦化層ＣＬＹの一部のみを流れるのではなく、平坦化層ＣＬＹのほぼ全体を流れて活性層のほぼ全領域に流入することから、活性層のほぼ全領域で光が発生し、その発生した光が平坦化層ＣＬＹのほぼ全領域（光取り出し面の全領域）から素子外部へ出射することとなり、光取り出し効率が向上する。
【００５１】
ちなみに、光取り出し面がｐ型の窒化物半導体によって形成されていた従来のＧａＮ系ＬＥＤでは、ｐ型の窒化物半導体が高抵抗であることから、駆動電流の活性層への注入拡散効率を向上させるための効果的な技法として、光取り出し面のほぼ全面に、金属薄膜の半透明電極あるいはＩＴＯなどの透明電極を形成することが一般的に行われていたが、本半導体発光素子１によれば、こうした従来の技法に拘泥することなく、形状や材質を選択して電極層５を形成することが可能となるため、設計の自由度を向上させることができるという効果も得られる。
【００５２】
また、本実施形態の製造方法によれば、光取り出し面となる平坦化層ＣＬＹを容易にｎ型の窒化物系III-Ｖ族化合物半導体によって形成することができる。
【００５３】
すなわち、図１（ｂ）を参照して説明したように、基板ＳＳＢ側に先に形成した光吸収層ＢＬＹの上面に、ｎ型の窒化物系III-Ｖ族化合物半導体（具体的には、ｎ型ＡｌＧａＮ）から成る平坦化層ＣＬＹを形成し、次に発光構造層ＤＬＹを形成しているので、図１（ｃ）（ｄ）に示したように基板ＳＳＢを剥離して光吸収層ＢＬＹを除去するだけで、容易に平坦化層ＣＬＹを露出させて光取り出し面とすることができる。この結果、上述の光取り出し効率の向上、設計の自由度の向上等の効果が得られる他、量産性の向上を図ることができる。
【００５４】
また、本実施形態の製造方法とは異なった方法で、平坦化層ＣＬＹの表面を凹凸状に形成することも検討したが、歩止まりの低下を招く等の問題があり、本実施形態の製造方法の優位性が確認された。
【００５５】
検討事例として、図１（ｂ）に示した転写層ＴＬＹと光吸収層ＢＬＹを凹凸状に形成せず、単に平坦に形成しておき、図１（ｃ）に示した基板ＳＳＢの裏面側から光を照射する際、その照射する光の強度を二次元平面内の各所で変化させて、光吸収層ＢＬＹと平坦化層ＣＬＹとの界面部分における各所の半導体の分解量及びその形状を調整し、基板ＳＳＢを剥離することによって平坦化層ＣＬＹの表面を凹凸状に加工するという製造方法を検討した。
【００５６】
しかしながら、このような製造方法では、光取り出し面の表面形状を常に均一な凹凸形状にすることが困難であるため、均一な放射分布、安定した光取り出し効率を有するいわゆる品質の揃った半導体発光素子を量産することが困難である。
【００５７】
これに対し、本実施形態の製造方法では、上述の多数の微細な凸部ａを予め決められた配列に従って転写層ＴＬＹに形成しておき、それら多数の凸部ａを平坦化層ＣＬＹの表面に正確に転写させることができるため、所望の放射分布、安定した光取り出し効率を得ることが可能ないわゆる品質の揃った半導体発光素子を量産することが可能であり、更に光取り出し効率の向上を実現することができる。
【実施例１】
【００５８】
次に、図１に示した半導体発光素子１のより具体的な実施例を図２〜図５を参照して説明する。なお、図２〜図５において、図１と同一又は相当する部分を同一符号で示している。
【００５９】
本実施例の半導体発光素子１は、図１（ａ）に示したのと同様の外観構造を有し、図２〜図５に示す製造工程によって作製されている。
【００６０】
図２〜図５を参照して、半導体発光素子１の製造工程と構造を説明すると、まず、｛０００１｝面を主面とするサファイア基板ＳＢＢを用いて中間生成体１００が作製されている。
【００６１】
すなわち、図２（ａ）の斜視図に示されているように、サファイア基板ＳＳＢ上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る下地層ＡＬＹを積層した後、図２（ｂ）の斜視図に示されているように、下地層ＡＬＹ上に、スパッタリングによって、微細な多数の円形の開口部ＯＰＮを有するＳｉＯ２のマスクＭＳＫを形成する。
【００６２】
ここで、上述の多数の開口部ＯＰＮは、図２（ｄ）及び図２（ｅ）に示されているように、並進ベクトルが下地層ＡＬＹの結晶軸〈１−１００〉と平行である六角対称配置となるように形成し、夫々の円形の開口部ＯＰＮにおいて下地層ＡＬＹを露出させる。
【００６３】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮをマスクＭＳＫの開口部ＯＰＮにおける下地層ＡＬＹ上に選択成長させると共に、マスクＭＳＫ上において横方向へも成長させる。
【００６４】
このようにＧａＮを成長させると、図２（ｃ）の斜視図に示されているように、ＧａＮ｛１−１０１｝面群で構成される六角錐形状の凸部ａが、各円形開口部ＯＰＮを中心として形成される。
【００６５】
更に、ＧａＮの成長を進めると、この六角錐形状を維持した状態で各凸部ａのサイズが大きくなる。
【００６６】
そして、互いに隣接した六角錐形状の凸部ａの裾野が接触した状態で成長を停止させて、図２（ｄ）に示すように、ＧａＮ｛１−１０１｝面群で構成された多数の六角錐形状の凸部ａによって表面が凹凸状となる転写層ＴＬＹを形成する。
【００６７】
次に、図３（ａ）の縦断面図に模式的に示されているように、上述の凹凸状を有する転写層ＴＬＹの表面に、ＭＯＣＶＤ法によって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（但し、ｘ＞０．５）を積層することにより、上述の凹凸状に合わせられた凹凸状の光吸収層ＢＬＹを積層する。
【００６８】
更に、光吸収層ＢＬＹは、後述の波長３６０ｎｍ以上の光、好ましくはＹＡＧレーザの２倍波（波長５３２ｎｍ）の光が照射される際、その光を吸収して熱に変換する材質とすべく、光吸収層ＢＬＹ中に非発光性の再結合中心となる不純物、例えばカーボン（Ｃ）や鉄（Ｆｅ）をドーピングすると、より好ましい。
【００６９】
次に、図３（ｂ）の縦断面図にて示されているように、ＭＯＣＶＤ法によって、光吸収層ＢＬＹ上に、ＳｉをドーピングしたＡｌＧａＮを成長させて、その成長主面が平坦となる平坦化層ＣＬＹを形成する。
【００７０】
次に、図３（ｃ）の縦断面図にて示されているように、ＭＯＣＶＤ法によって、平坦化層ＣＬＹ上に、Ｉｎｘ（ＡｌｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる活性層ＤＬＹａと、ＭｇをドーピングしたＡｌＧａＮから成るクラッド層ＤＬＹｂと、ＭｇをドーピングしたＡｌＧａＮから成るコンタクト層ＤＬＹｃを順次に積層することによって、図１（ａ）〜（ｅ）に示した発光構造層ＤＬＹを形成する。すなわち、各層ＤＬＹａ，ＤＬＹｂ，ＤＬＹｃと平坦化層ＣＬＹとによって成長層４を形成する。
【００７１】
更に、コンタクト層ＤＬＹｃの表面に、Ｐｄ／Ａｕのオーミック電極層３ｂを蒸着によって形成することにより、中間生成体１００を作製する。
【００７２】
次に、図４（ａ）の断面図にて示されているように、予めＡｕＳｎの電極層３ａが形成されている支持基板２のその電極層３ａとオーミック電極層３ｂとを融着させることにより、中間生成体１００と支持基板２とを一体に固着する。
【００７３】
更に、サファイア基板ＳＳＢの裏面側から光吸収層ＢＬＹに向けて、波長３６０ｎｍ以上の光、より具体的にはＹＡＧレーザの２倍波（波長５３２ｎｍ）の光を照射する。
【００７４】
かかる光を照射すると、その光はサファイア基板ＳＳＢを透過し、更に下地層ＡＬＹとマスクＭＳＫと転写層ＴＬＹを通って光吸収層ＢＬＹに到達し、光吸収層ＢＬＹが光を熱に変換して加熱されることにより、分解する。
【００７５】
次に、図４（ｂ）の断面図にて示されているように、サファイア基板ＳＳＢを剥離し、サファイア基板ＳＳＢに付随させて下地層ＡＬＹとマスクＭＳＫ及び転写層ＴＬＹを、ガス化した光吸収層ＢＬＹの部分で剥離する。
【００７６】
次に、図５（ａ）の断面図にて示されているように、上述のサファイア基板ＳＳＢを剥離した際、残存することとなった光吸収層ＢＬＹの残滓に対し、アルカリエッチャントを用いたウェットエッチングを施すことによって除去し、平坦化層ＣＬＹの表面を露出させる。
【００７７】
これにより、平坦化層ＣＬＹには、転写層ＴＬＹ及び光吸収層ＢＬＹの凹凸状が転写されたような凹凸状の表面が形成される。
【００７８】
つまり、露出された平坦化層ＣＬＹの表面には、ＡｌＧａＮの｛１−１０１｝面群で構成される微細な逆六角錐形状から成る多数の凹部ｃが形成されることにより、平坦化層ＣＬＹの表面が凹凸状となる。
【００７９】
次に、図５（ｂ）の断面図にて示すように、凹凸状の平坦化層ＣＬＹの表面の一部に、電極層５を積層する。例えば、半導体発光素子の対角を結ぶクロス形状となるように電極層５を形成し、図１（ａ）に示したのと同様の半導体発光素子１を完成する。
【００８０】
ここで、成長層４への電流注入の均一性を向上させるために、平坦化層ＣＬＹの表面全体にＩＴＯなどの透明電極を電極層５として形成してもよい。
【００８１】
なお、説明の便宜上、１個の半導体発光素子１を作製する工程を代表して説明したが、実際には、図２〜図５を参照して説明した製造工程において、サファイア基板ＳＳＢ上に複数個の半導体発光素子１を作製するための処理を行った後、支持基板２を裏面側からスクライビングして所定の大きさに分割することによって、予め決められた大きさの半導体発光素子１を複数個形成する。
【００８２】
そして、電極層３ａ，５間に駆動電流を供給すると、成長層４内の活性層ＤＬＹａから短波長の光が発生し、上述の凹凸状の平坦化面ＣＬＹの表面から素子外部へ光が出射される。
【００８３】
このように、かかる構造を有する本実施例の半導体発光素子１によると、光取り出し面となる平坦化層ＣＬＹの表面は、平坦ではなく、多数の微細な逆六角錐形状の凹部ｃが形成された凹凸状となるために、活性層ＤＬＹａで発生した光が該表面で反射して再び発光素子内部へ戻る割合が減少し、光取り出し効率を向上させることができる。
【００８４】
また、本実施例の製造方法によれば、多数の微細な六角錐形状の凸部ａを予め決められた配列に従って転写層ＴＬＹに形成しておき、それら多数の凸部ａを平坦化層ＣＬＹの表面に転写させて、平坦化層ＣＬＹの表面に多数の微細な逆六角錐形状の凹部ｃを形成するので、所望の放射分布、安定した光取り出し効率を得ることが可能ないわゆる品質の揃った半導体発光素子を量産することが可能であり、更に光取り出し効率の向上を実現することができる。
【００８５】
また、本実施例の半導体発光素子１は、光取り出し面としての平坦化層ＣＬＹをｐ型の窒化物半導体で形成する構造ではなく、抵抗率が１０−３（Ωｃｍ）程度の低抵抗のｎ型の窒化物半導体で形成する構造となっているため、平坦化層ＣＬＹの全面に金属薄膜の半透明電極層やＩＴＯなどの透明電極によって電極層５を形成する必要がない。このため、光取り出し効率の良い半導体発光素子１を提供することができる。
【００８６】
また、本実施例の製造方法によれば、上述の基板ＳＳＢを剥離すると、短波長の光を吸収する窒化ガリウム（ＧａＮ）の下地層ＡＬＹの除去と、平坦化層ＣＬＹの表面を凹凸状に加工するという両者の処理を一括して行うことができるため、量産性の向上を図ることが可能である。
【実施例２】
【００８７】
次に、図６を参照して、他の実施例を説明する。なお、図６において、図２〜図５と同一又は相当する部分を同一符号で示している。
【００８８】
第１実施例の半導体発光素子１では、図５（ｂ）を参照して説明したように、平坦化層ＣＬＹの表面に多数の微細な逆六角錐形状の凹部ｃが形成されることで、光取り出し面としての平坦化層ＣＬＹの表面が凹凸状となっている。
【００８９】
これに対し、本実施例（第２実施例）の平坦化層ＣＬＹの表面は、ストライプ状の微細な凹部が多数形成された構造を有している。
【００９０】
本実施例の半導体発光素子１の製造方法及び構造を説明すると、まず、図６（ａ）の斜視図に示すように、｛０００１｝面を主面とするサファイア基板ＳＳＢ上に、ＭＯＣＶＤ法によって、窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る下地層ＡＬＹを形成した後、下地層ＡＬＹの表面に、ＧａＮ〈１−１００〉又はＧａＮ〈１１−２０〉の方向に延びる多数のスリット状の開口部ＯＰＮを有するマスクＭＳＫを形成する。より具体的には、スパッタリングによって、ＳｉＯ２のマスクＭＳＫを形成する。
【００９１】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、窒化ガリウム（ＧａＮ）をマスクＭＳＫの開口部ＯＰＮにおける下地層ＡＬＹ上に選択成長させると共に、マスクＭＳＫ上において横方向へも成長させる。
【００９２】
このように、窒化ガリウム（ＧａＮ）を成長させると、ＧａＮの成長面は図６（ｂ）に示すように｛１１−２２｝面となり、各開口部ＯＰＮの長手方向に沿った三角柱状の多数の凸条部ａが形成される。
【００９３】
更にＧａＮの成長を進めると、この三角柱の状態を維持したまま凸条部ａのサイズが大きくなり、互いに隣接した凸条部ａの裾野が接触した状態で成長を停止させる。
【００９４】
これにより、図６（ｃ）に示すように、ＧａＮ｛１１−２２｝面群で構成された三角柱状の凸条部ａによって表面が凹凸状となる転写層ＴＬＹを形成する。
【００９５】
次に、転写層ＴＬＹの表面に、ＭＯＣＶＤ法によって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（但し、ｘ＞０．５）を積層することにより、転写層ＴＬＹの表面形状に合わせられた凹凸状の光吸収層ＢＬＹを積層する。更に、光吸収層ＢＬＹは、後述のＹＡＧレーザの２倍波（波長５３２ｎｍ）の光が照射される際、その光を吸収して熱に変換する材料とすべく、光吸収層ＢＬＹ中に非発光性の再結合中心となる不純物、例えばカーボン（Ｃ）や鉄（Ｆｅ）をドーピングすると、より好ましい。
【００９６】
次に、図３（ｂ）を参照して説明した第１実施例と同様に、光吸収層ＢＬＹ上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ＳｉをドーピングしたＡｌＧａＮを積層し、表面が平坦な平坦化層ＣＬＹを形成する。
【００９７】
次に、図３（ｃ）を参照して説明したのと同様に、ＭＯＣＶＤ法によって、平坦化層ＣＬＹ上に、Ｉｎｘ（ＡｌｙＧａ１−ｙ）１−ｘＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる活性層ＤＬＹａと、ＭｇをドーピングしたＡｌＧａＮから成るクラッド層ＤＬＹｂと、ＭｇをドーピングしたＡｌＧａＮから成るコンタクト層ＤＬＹｃを順次に積層することにより、これら各層ＤＬＹａ，ＤＬＹｂ，ＤＬＹｃと平坦化層ＣＬＹとで構成される成長層４を形成する。
【００９８】
更に、コンタクト層ＤＬＹｃの表面に、Ｐｄ／Ａｕのオーミック電極３ｂを蒸着によって形成することにより、中間生成体１００を作製する。
【００９９】
次に、図４（ａ）に示したのと同様に、予めＡｕＳｎの電極層３ａが形成されている支持基板２のその電極層３ａとオーミック電極層３ｂとを融着させることにより、中間生成体１００と支持基板２とを一体に固着させ、次に、サファイア基板ＳＳＢの裏面側から光吸収層ＢＬＹに向けて、ＹＡＧレーザの２倍波（波長５３２ｎｍ）の光を照射する。
【０１００】
かかる光を照射すると、その光はサファイア基板ＳＳＢを透過し、更に下地層ＡＬＹと転写層ＴＬＹとマスクＭＳＫを通って光吸収層ＢＬＹに到達し、光吸収層ＢＬＹが光を熱に変換して加熱されることにより、分解される。
【０１０１】
次に、図４（ｂ）に示したのと同様に、サファイア基板ＳＳＢと共に、マスクＭＳＫとＧａＮの下地層ＡＬＹ及び転写層ＴＬＹを、ガス化した光吸収層ＢＬＹの部分で剥離する。
【０１０２】
次に、図５（ａ）に示したのと同様に、上述のサファイア基板ＳＳＢを剥離した際、残存することとなった光吸収層ＢＬＹの残滓に対し、アルカリエッチャントを用いたウェットエッチングを施すことによって除去し、平坦化層ＣＬＹの表面を露出させる。
【０１０３】
これによって平坦化層ＣＬＹの表面には、ＡｌＧａＮの｛１１−２２｝面群で構成される多数のストライプ状の凹部ｃが形成され、凹凸状の表面となる。すなわち、転写層ＴＬＹに形成されていた多数の凸条部ａに応じて、平坦化層ＣＬＹの表面には多数のストライプ状の凹部ｃが形成されるため、平坦化層ＣＬＹの表面が凹凸状となる。
【０１０４】
次に、図５（ｂ）に示したのと同様に、凹凸状の平坦化層ＣＬＹの表面（露出面）の一部に、電極層５を積層する。例えば、半導体発光素子の対角を結ぶクロス形状となるように電極層５を形成し、図１（ａ）に示したのと同様の外観構造を有する半導体発光素子１を完成する。
【０１０５】
ここで、成長層４への電流注入の均一性を向上させるために、平坦化層ＣＬＹの表面全体にＩＴＯなどの透明電極を電極層５として形成してもよい。
【０１０６】
なお、説明の便宜上、１個の半導体発光素子１を作製する工程を代表して説明したが、実際には、サファイア基板ＳＳＢ上に複数個の半導体発光素子１を作製するための処理を行った後、支持基板２を裏面側からスクライビングして所定の大きさに分割することによって、予め決められた大きさの半導体発光素子１を複数個形成する。
【０１０７】
そして、電極層３ａ，５間に駆動電流を供給すると、成長層４内の活性層ＤＬＹａから短波長の光が発生し、多数のストライプ状の凹部ｃによって凹凸状となっている平坦化層ＣＬＹの表面から素子外部へその光が出射される。
【０１０８】
このように、かかる構造を有する本実施例の半導体発光素子１によると、光取り出し面となる平坦化層ＣＬＹの表面は、平坦ではなく、多数のストライプ状の凹部ｃが形成された凹凸状となるために、活性層ＤＬＹａで発生した光が該表面で反射して再び発光素子内部へ戻る割合が減少し、光取り出し効率を向上させることができる。
【０１０９】
また、本実施例の製造方法によれば、多数の三角柱状の凸条部ａを予め決められた配列に従って転写層ＴＬＹに形成しておき、それら多数の凸条部ａを平坦化層ＣＬＹの表面に転写させて、平坦化層ＣＬＹの表面に多数のストライプ状の凹部ｃを形成するので、所望の放射分布、安定した光取り出し効率を得ることが可能ないわゆる品質の揃った半導体発光素子を量産することが可能であり、更に光取り出し効率の向上を実現することができる。
【０１１０】
また、本実施例の半導体発光素子１は、光取り出し面としての平坦化層ＣＬＹをｐ型の窒化物半導体で形成する構造ではなく、抵抗率が１０−３（Ωｃｍ）程度の低抵抗のｎ型の窒化物半導体で形成する構造となっているため、平坦化層ＣＬＹの全面に金属薄膜の半透明電極層やＩＴＯなどの透明電極によって電極層５を形成する必要がない。このため、光取り出し効率の良い半導体発光素子１を提供することができる。
【０１１１】
また、本実施例の製造方法によれば、上述の基板ＳＳＢを剥離すると、短波長の光を吸収する窒化ガリウム（ＧａＮ）の下地層ＡＬＹの除去と、平坦化層ＣＬＹの表面を凹凸状に加工するという両者の処理を一括して行うことができるため、量産性の向上を図ることが可能である。
【実施例３】
【０１１２】
次に、更に他の実施例を図７を参照して説明する。
【０１１３】
本実施例は、上述の第１実施例と第２実施例において、図４（ａ）（ｂ）に示したようにサファイア基板ＳＳＢを剥離する際、活性層ＤＬＹａとクラッド層ＤＬＹｂ及びコンタクト層ＤＬＹｃを有する成長層４と、平坦化層ＣＬＹとに過大な機械的応力がかかるのを未然に防止するための製造方法に関する。
【０１１４】
すなわち、図３（ｃ）に示したのと同様に、中間生成体１００を作製する際、光吸収層ＢＬＹ上に成長層４とオーミック電極３ｂを形成した後、図７の斜視図にて模式的に示すように、ダイシング等によって、個々の半導体発光素子１と同じ大きさの部分ずつに、オーミック電極３ｂ側から、光吸収層ＢＬＹよりも深い切り溝ＣＵＴを形成する。
【０１１５】
そして、図４（ａ）に示したのと同様に、支持基板２に形成されている電極３ａと、切り溝ＣＵＴが形成されている中間生成体１００のオーミック電極３ｂとを融着させることにより一体化させ、引き続いて、図４（ａ）（ｂ）及び図５（ａ）（ｂ）を参照して説明した工程に従って処理を行った後、上述の切り溝ＣＵＴに合わせて、支持基板２を裏面側からスクライビングして所定の大きさにチップ分割することにより、予め決められた大きさの半導体発光素子１を複数個形成する。
【０１１６】
このように、本実施例の製造方法によれば、中間生成体１００側に上述の切り溝ＣＵＴを予め形成しておくので、図４（ｂ）に示すように基板ＳＳＢを剥離する際、平坦化層ＣＬＹと成長層４に過大な機械的応力がかかるのを未然に防止することができ、成長層４に与えるダメージを低減することができる。
【０１１７】
更に、基板ＳＳＢ上の成長層４が、切り溝ＣＵＴによって予め個々の半導体発光素子１の大きさに合わせて分割されているため、上述の支持基板２の裏面側からスクライビングすると、極めて容易に個々の半導体発光素子１にチップ分割することができ、量産性の向上を図ることができる。
【０１１８】
なお、以上の第１〜第３実施例においては、光取り出し面としての平坦化層ＣＬＹの表面を、逆六角錐形状の凹部ｃを有する凹凸状、又は、ストライプ状の凹部ｃを有する凹凸状に形成することとしているが、必ずしもこうした凹凸状に限るものではない。例えば、上述のストライプ状の凹部ｃの代わりに、平坦化層ＣＬＹの表面に、縦横方向に延びるいわゆる網目状や格子状の凹部、又は縦横方向に延びるいわゆる網目状や格子状の凸部を形成することで、光取り出し面を凹凸状にしてもよい。
【０１１９】
また、上述したように、第１〜第３実施例において、平坦化層ＣＬＹの凹凸状の表面に、電極層５として透明電極又は半透明電極層を形成する場合、これらの電極層を平坦化層ＣＬＹの表面の一部に形成してもよいが、平坦化層ＣＬＹの表面のほぼ全面に形成してもよい。
【０１２０】
このように、透明電極又は半透明電極層を平坦化層ＣＬＹの表面のほぼ全面に形成する構造とした場合には、それらの電極層において光吸収が生じることとなるが、平坦化層ＣＬＹが低抵抗率のｎ型半導体であることに加えて、それら電極層により電流を広げることができるので、より大きなサイズのチップであっても、単一のワイヤボンディングで均一に発光させることができることとなり、透明電極又は半透明電極層における光吸収に勝る、優れた光取り出し効率が得られる。
【０１２１】
また、上述の最良の実施形態並びに第１〜第３の実施例では、窒化物半導体を用いた半導体発光素子及びその製造方法について述べたが、これら実施形態及び実施例は、他の半導体材料を用いた半導体発光素子及びその製造方法にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明を実施するための最良の形態としての半導体発光素子の構造及び製造方法を表した図である。
【図２】第１の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を表した図である。
【図３】図２に示した製造方法に続く、第１の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を表した図である。
【図４】図３に示した製造方法に続く、第１の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を表した図である。
【図５】図４に示した製造方法に続く、第１の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を表した図である。
【図６】第２の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を表した図である。
【図７】第３の実施例に係る半導体発光素子の製造方法を表した図である。
【符号の説明】
１…半導体発光素子
２…支持基板
４…成長層
ＳＳＢ…基板
ＡＬＹ…下地層
ＴＬＹ…転写層
ＢＬＹ…光吸収層
ＣＬＹ…平坦化層
ＤＬＹ…発光構造層
ＭＳＫ…マスク
ＯＰＮ…開口部
ＣＵＴ…切り溝
【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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【図７】
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