(57)【要約】【課題】少ないステップ数で、光取り出し効率の高い発光素子を製造することができる発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】透明結晶基板３上に半導体層１を形成する第１の工程と、透明結晶基板３が形成された面とは反対側の前記半導体層の面に、半導体層１から放出される光を８５％以上の反射率で反射する支持層２を取り付ける第２の工程と、透明結晶基板３側から半導体層１に光を照射して透明結晶基板３を剥離する第３の工程と含む。【選択図】図２
2007243047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明結晶基板上に半導体層を形成する第１の工程と、
前記透明結晶基板が形成された面とは反対側の前記半導体層の面に、前記半導体層から放出される光を８５％以上の反射率で反射する支持層を取り付ける第２の工程と、
前記透明結晶基板側から光を照射して前記透明結晶基板を剥離する第３の工程とを備えることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第３の工程により透明結晶基板が剥離された半導体層の面に、前記半導体層から放出される光の前記半導体層内での波長に対して、１／４以上、１０倍以下のピッチを有する凹凸構造を形成する第４の工程を更に備えることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記第２の工程は、金属系の材料からなる支持層を取り付けることを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記第２の工程は、光学多層反射膜からなる支持層を取り付けることを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記第２の工程は、導電性有機材料からなる支持層を取り付けることを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子の製造方法。
【請求項６】
空間的に周期的な強度分布を有する光を照射することで、前記第３の工程と、前記第４の工程とを同時に行うことを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記第３の工程は、前記透明結晶基板を剥離する波長の光を照射し、
前記第４の工程は、前記凹凸構造を形成する波長の光を照射することを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記透明結晶基板を剥離する波長の光と、前記凹凸構造を形成する波長の光とを同時に照射することで、前記第３の工程と前記第４の工程とを同時に行うことを特徴とする請求項２記載の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、レーザダイオードや発光ダイオード等の半導体からなる発光素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物系等の半導体発光素子では、一般的にサファイア等の透明結晶基板が発光層を含む半導体層の成長基板として用いられる。この透明結晶基板は、半導体層を成長させると不要になる。そのため、近年では紫外領域の波長をもつレーザ光を照射することにより透明結晶基板を半導体層から剥離すること（レーザリフトオフ）が盛んに行なわれている。レーザ光を照射して半導体層から透明結晶基板を剥離する場合、レーザ光の照射によって窒素ガスが生じ、その衝撃で半導体層が破壊される虞がある。そこで、この破壊を防止することを目的として、透明結晶基板上に成長された半導体層に、支持層を貼り合わせ（ボンディング）、レーザリフトオフを実施する技術が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、光学的に透明な基体（透明結晶基板）が取り付けられた半導体膜（半導体層）の面とは逆側の半導体膜の面に支持基体（有機溶剤で容易に溶融する層）を取り付け、レーザ照射により透明な基体を剥離した後、透明な基体が剥離された半導体層の面にしなやかな支持層（金属ベースの層）を張り合わせ、有機溶剤系に浸透し、支持基体を取り除く手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−７６５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の手法は、レーザ照射時の応力を緩和し、半導体膜の破壊を防止するというメリットを有しているが、透明な基体を半導体膜から剥離した後に、しなやかな支持層を取り付け、有機溶剤を浸透させて、支持基体を取り除くという工程が行われているため、製造工程が煩雑になるという問題がある。
【０００５】
また、しなやかな支持層がレーザダイオードまたはレーザダイオードアレイに取り付けられているが、このしなやかな支持層は、レーザダイオード又はレーザダイオードアレイの機械的剛性を与えることを目的とするものであり、半導体層の光取り出し効率を向上させることができるか否かに関しては明確な記載がなされておらず、この点改良の余地がある。
【０００６】
本発明の目的は、少ない製造工程数で、光取り出し効率の高い発光素子を製造することができる発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による発光素子の製造方法は、透明結晶基板上に半導体層を形成する第１の工程と、前記透明結晶基板が形成された面とは反対側の前記半導体層の面に、前記半導体層から放出される光を８５％以上の反射率で反射する支持層を取り付ける第２の工程と、前記透明結晶基板側から光を照射して前記透明結晶基板を剥離する第３の工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、第１の工程により透明結晶基板上に半導体層が形成され、第２の工程により半導体層に支持層が取り付けられ、第３の工程により透明結晶基板が剥離される。ここで、本発明者は、８５％以上の反射率を有する支持層を、半導体層の光取り出し面とは反対側の面に取り付けることで、発光素子の光取り出し効率が向上することを実験により見出した。そのため、光取り出し効率（透過率）の高い発光素子を製造することができる。
【０００９】
また、特許文献１のように、透明な基体（透明結晶基板）が剥離された後に、しなやかな支持層を貼り合わせ、有機溶剤を浸透させ、支持層を取り除くという工程が行われていないため、少ないステップ数で、光取り出し効率の高い発光素子を製造することができる。
【００１０】
更に、透明結晶基板が半導体層から剥離されているため、半導体層に電気接点やヒートシンクを取り付けることが可能となり、素子の小型化や放熱性の向上を図ることも可能となる。
【００１１】
また、上記構成において、前記第３の工程により透明結晶基板が剥離された半導体層の面に、前記半導体層から放出される光の前記半導体層内での波長に対して、１／４以上、１０倍以下のピッチを有する凹凸構造を形成する第４の工程を更に備えることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、半導体層の光取り出し面に半導体層から放出される光学波長の１／４以上、１０倍以下のピッチを有する凹凸構造が形成されるため、光取り出し効率を更に向上させることができる。すなわち、本発明者は、半導体層の光取り出し面とは反対側の面に８５％以上の反射率を有する支持層を取り付けると共に、光取り出し面に光学波長の１／４以上、１０倍以下のピッチの凹凸構造を形成すると、両者の相乗効果により光取り出し効率が大幅に向上することを実験により見出した。そして、本発明では、第２の工程において、反射率が８５％以上の支持層が取り付けられ、第４の工程において、光取り出し面に凹凸構造が形成されているため、光取り出し効率の高い発光素子を製造することが可能となる。
【００１３】
また、上記構成において、前記第２の工程は、合金系材料の支持層を取り付けることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、金属系の材料からなる支持層が取り付けられているため、支持層は８５％以上の高反射率を維持することができる。ここで、金属系の材料として合金系の材料を採用すれば、支持層が酸化され難くなると共に、剛性の高い発光素子を製造することが可能となる。また、金属は一般的に熱伝導性が高いため、放熱性に優れた発光素子を製造することが可能となる。
【００１５】
また、上記構成において、前記第２の工程は、光学多層反射膜からなる支持層を取り付けることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、支持層として光学多層反射膜が採用されているため、理論上１００％の反射率を有する支持層を取り付けることが可能となり、光取り出し効率が非常に高い発光素子を製造することができる。
【００１７】
また、上記構成において、前記第２の工程は、導電性有機材料からなる支持層を取り付けることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、導電性有機材料は高温・高圧環境にしなくとも、溶媒を蒸発させるだけで容易に支持層を貼り付ける（ボンディングする）ことが可能である。しかも、高硬度であり、接着力も大きい。そのため、非常に簡便な手法で発光素子を製造することが可能となる。
【００１９】
また、上記構成において、空間的に周期的な強度分布を有する光を照射することで、前記第３の工程と、前記第４の工程とを同時に行うことが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、透明結晶基板を剥離する工程と、凹凸構造を形成する工程とを同時に行うことが可能となり、より少ない製造工程数で、発光素子を製造することが可能となる。すなわち、透明結晶基板は、光が照射されると、透明結晶基板と半導体層との界面において半導体層が分解されることで半導体層から剥離されるが、この半導体層が分解される量は光の強度に依存する。そのため、半導体層は、照射される光の強度によって厚みが異なることとなる。従って、空間的に周期的な強度分布を有する回折光を半導体層に照射することにより、凹凸構造の形成と透明結晶基板の剥離とを同時に行うことが可能となる。
【００２１】
また、上記構成において、前記第３の工程は、前記透明結晶基板を剥離する波長の光を照射し、前記第４の工程は、前記凹凸構造を形成する波長の光を照射することが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、第３の工程では、透明結晶基板を剥離する波長の光が照射され、第４の工程では、凹凸構造形成する波長の光が照射されているため、透明結晶基板の剥離と凹凸構造の形成とを精度よく行うことができ、光取り出し効率の高い発光素子を製造することができる。
【００２３】
また、上記構成において、前記透明結晶基板を剥離する波長の光と、前記凹凸構造を形成する波長の光とを同時に照射することで、前記第３の工程と前記第４の工程とを同時に行うことが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、透明結晶基板の剥離と凹凸構造の形成とが同時に行われているため、製造工程数を減少させ、より簡便に発光素子を製造することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、第１の工程により透明結晶基板上に半導体層が形成され、第２の工程により半導体層に高反射率の支持層が取り付けられ、第３の工程により透明結晶基板が剥離されているため、少ない製造工程数でありながら、光取り出し効率の高い発光素子を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による発光素子の製造方法により製造された発光素子の構造を示す断面図である。図１は、１チップ分の断面であり、１チップのサイズは、例えば、０．３〜１ｍｍ角である。
【００２７】
図１に示すように発光素子は、ＩＩＩ属窒化物半導体から構成された半導体層１と、半導体層１の下面に形成された支持層２とを備える。半導体層１は、支持層２の上面に形成されたｐ型半導体層１３と、ｐ型半導体層１３の上面に形成された発光層１２と、発光層１２の上面に形成されたｎ型半導体層１１とを備えている。このように構成された発光素子によれば、発光層１２からｎ型半導体層１１側に放出された光は、光取り出し面Ｓ１を透過することにより外部に取り出されると共に、ｐ型半導体層１３側に放出された光は、支持層２にて反射されて、光取り出し面Ｓ１へと導かれ外部に取り出される。
【００２８】
図２は、図１に示す発光素子の製造方法を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）に向かって製造工程が進んでいく。まず、図２（ａ）に示す第１の工程において、透明結晶基板３上に、ＩＩＩ属窒化物半導体からなる半導体層１がエキピシタル成長されて積層される。ここで、透明結晶基板３としては、サファイアを採用することができる。また、ＩＩＩ属窒化物半導体としては、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＢｕＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＝１）系の材料を主に採用することができ、特に、実施の形態１ではＧａＮ系の材料が採用されている。なお、０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｕ≦１である。
【００２９】
次に、図２（ｂ）に示す第２の工程において、光の反射率が８５％以上の材料からなる支持層２が、半導体層１の上面に貼り付けられる。ここで、支持層２としては、導電性があり、かつ発光層１２から放出される光を８５％以上の反射率で反射する材料、又は構造体が採用され、蒸着等の工程を経て半導体層１の上面に貼り付けられる。
【００３０】
次に、図２（ｃ）に示す第３の工程において、透明結晶基板３の上面側に紫外波長のレーザ光ＬＢが照射される。紫外波長のレーザ光ＬＢは、透明結晶基板３を透過するため、透明結晶基板３には作用を及ぼさないが、大きなフォトンエネルギーによって、半導体層１と透明結晶基板３との界面（光取り出し面Ｓ１）をＧａとＮ２とに分解させる（アブレーション）。これにより、図２（ｄ）に示すように半導体層１から透明結晶基板３が剥離される。この技術はレーザリフトオフと呼ばれる。なお、本実施の形態では、レーザ光ＬＢとして、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を採用することができる。
【００３１】
しかしながら、半導体層１と透明結晶基板３とからなる部材に対して、レーザリフトオフを施すと、Ｎ２の発生に起因して半導体層１にせん断応力が加わり、光取り出し面Ｓ１において亀裂（クラック）が発生する。このクラックは、発光層１２の性能劣化を引き起こすため、レーザリフトオフに起因して生じるクラックをいかに低減させるかが大きな課題となっている。
【００３２】
そこで、実施の形態１では、半導体層１の光取り出し面Ｓ１とは反対側の面に支持層２が取り付けられているため、光取り出し面Ｓ１におけるクラックの発生が抑制されている。そして、実施の形態１では、支持層２として、８５％以上の反射率を有する材料が採用されている。ここで、本発明者は、支持層２として、８５％以上の反射率を有する材料を採用した場合、光取り出し効率が増大することを実験により見出した。従って、実施の形態１による製造方法によれば、光取り出し効率の高い発光素子を製造することができる。
【００３３】
なお、レーザリフトオフにより透明結晶基板３を半導体層１から剥離するのは以下の理由による。すなわち、透明結晶基板３として用いられるサファイアは、熱及び電気伝導率が悪く、更に劈開性も悪いという性質を有している。従って、透明結晶基板３が存在すれば、発光素子に電極を形成する工程やダイシング工程といった後工程に支障をきたすと共に、放熱設計工程にも支障をきたしてしまう。そのため、透明結晶基板３は半導体層１を形成した後は剥離することが好ましい。
【００３４】
以上、説明したように実施の形態１による発光素子の製造方法によれば、８５％以上の反射率を有する支持層２を貼り付けているため、光取り出し効率の高い発光素子を製造することができる。また、特許文献１のように、支持層を有機溶剤で取り外した後、しなやかな支持層を取り付ける工程が行われていないため、少ないステップ数で光取り出し効率の高い発光素子を提供することができる。
【００３５】
なお、実施の形態１では、レーザ光ＬＢとしては、ＫｒＦエキシマレーザを用いたが、これに限定されず、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）、Ｆ２エキシマレーザ（１５７ｎｍ）、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザ（３５５ｎｍ）、４倍波ＹＡＧレーザ（波長２６６ｎｍ）、５倍波ＹＡＧレーザ（波長２１３ｎｍ）等を用途に応じて適宜採用してもよい。
【００３６】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２による発光素子の製造方法について説明する。図３は実施の形態２による発光素子の製造方法により製造された発光素子の光取り出し面Ｓ１付近の断面図を示している。実施の形態２による発光素子の製造方法は、実施の形態１の発光素子の製造方法に対して、更に光取り出し面Ｓ１に凹凸構造１４を形成する第４の工程を含むことを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一のものは同一の符号を付し説明を省略する。
【００３７】
凹凸構造１４は、間隔Ａで配列された断面三角形状の凸部１４１から構成されている。半導体層１の屈折率は光が取り出される外部である大気の屈折率に比べて大きいため（例えば、ＧａＮでは、ｎ＝２．５程度）、凹凸構造１４が形成されていない場合、光取り出し面Ｓ１に全反射角θ１が生じ、光取り出し面Ｓ１の法線方向を基準として全反射角θ１以上の角度で光取り出し面Ｓ１に入射した光は、光取り出し面Ｓ１において全反射される。この全反射された光は、半導体層１の内部において多重反射し、外部に取り出されることなくやがて減衰する。そのため、凹凸構造１４が形成されていない発光素子の光取り出し効率が低下する。
【００３８】
また、全反射角θ１以下の角度で光取り出し面Ｓ１に入射した光であっても、一部の光は、フレネルロスにより光取り出し面Ｓ１において反射されるため、凹凸構造１４の形成されていない発光素子では、更に光取出し効率が低減する。そこで、実施の形態２では、光取り出し面Ｓ１に、凹凸構造１４を形成することによって、外部への光取り出し効率を向上させている。なお、凹凸構造１４は、光取り出し面Ｓ１上にレジストを塗布し、凹凸構造１４を有するモールドをレジストの上に載置し、異方性ドライエッチング等によりエッチングすることで容易に形成することができる。
【００３９】
ここで、凸部１４１の間隔Ａとしては、半導体層１内における発光層１２から放出される光の波長（以下、「光学波長」と呼ぶ）をλ´（＝λ／ｎ）とすると、１／４λ´以上、１０λ´以下が好ましい。但し、λは、発光層１２から放出される光の波長を示し、ｎは半導体層１の屈折率を示し、ＧａＮの場合、ｎ＝２．５である。また、凸部１４１は、それぞれ、１／４λ´以上、１０λ´以下の高さを有する六角推、四角錐、三角錐等の形状を有している。
【００４０】
ここで、間隔Ａを５λ´以上、１０λ´以下とした場合、幾何光学的な効果、つまり、全反射角θ１より大きな角度で光取り出し面Ｓ１に入射した光が、凹凸構造１４の界面により反射され、光取り出し面Ｓ１に対して正反射以外の角度で反射されることになる（角度変換作用）。その結果、全反射角θ１より大きな角度で入射した光は、多重反射により最終的に全反射角θ１以下の角度で光取り出し面Ｓ１に入射し、外部へと取り出され、光取り出し効率が向上する。
【００４１】
また、間隔Ａをλ´以上、５λ´以下とした場合、回折作用によって光の取り出し効率が上昇する。また、間隔Ａを１／４λ´以上、λ´以下とした場合、波長が間隔Ａに近づき、光取り出し面Ｓ１に向かう光は、徐々に屈折率が低下しているものとして凹凸構造１４を捉える。具体的には、半導体層１の屈折率をｎ２とし、外部の屈折率をｎ１とすると、図３に示す凹凸構造１４の表面の点ＰでのＴＥ波の有効屈折率ｎＥは、式（１）により表され、ＴＭ波の有効屈折率ｎＭは、式（２）により表される。
【００４２】
【数１】
2007243047.tif 000003
【００４３】
但し、ａは、点Ｐから凸部１４１の頂点ＰＰまでの距離を示し、ｂは、点Ｐから光取り出し面Ｓ１までの距離を示す。
【００４４】
このように、間隔Ａを１／４λ´以上、λ´以下とした場合、凹凸構造１４上で有効屈折率がなだらかに変化するため、半導体層１の上面に、凹凸構造１４上の各点の屈折率を平均した屈折率を有する薄膜層が存在することと同等となり、フレネルロスが低減され、光取り出し効率が向上する。
【００４５】
次に、光取り出し面Ｓ１に凹凸構造１４を形成すると共に、光取り出し面Ｓ１とは反対側の半導体層１の面に反射率が８５％以上の支持層２を貼り付けたことによる効果について説明する。図４は、凹凸構造１４と支持層２とを組み合わせたことによる光取り出し効率の実験結果を示すグラフである。図４に示すグラフにおいて、縦軸は光取り出し効率を示し、横軸は支持層２の反射率を示している。
【００４６】
グラフＣ１に示すように、支持層２の反射率が０〜８５％までは、光取り出し効率が緩やかに増大しているが、支持層２の反射率が８５％以上になると、光取り出し効率が急激に増大していることが分かる。特に、支持層２の反射率が９０％以上の領域では、支持層２の反射率が５％増大すると、光取り出し効率が約２０％も上昇していることが分かる。以上のことから、支持層２の反射率は、８５％以上、１００％以下が好ましく、より好ましくは９０％以上、１００％以下、更に好ましくは９５％以上１００％以下であることが分かる。従って、実施の形態２により製造された発光素子では、凹凸構造１４と支持層２とを組み合わせることによる相乗効果により、光取り出し効率が大幅に向上されていることが分かる。
【００４７】
以上、説明したように、実施の形態２による発光素子の製造方法によれば、半導体層１の上面に凹凸構造１４が形成されていると共に、反射率が８５％以上の支持層が貼り付けられているため、光取り出し効率の高い発光素子を製造することができる。
【００４８】
（実施の形態３）
実施の形態３による発光素子の製造方法は、実施の形態１に示す第２の工程において、反射率が８５％以上、１００％以下、より好ましくは９０％以上、１００％以下、更に好ましくは９５以上、１００％以下の金属を支持層２として採用することを特徴とする。以下、本実施の形態において実施の形態１、２と同一のものは同一の符号を付し、説明を省略する。金属は一般的に電気伝導性に優れているため、絶縁体である透明結晶基板を剥離した後、縦方向（光取り出し面Ｓ１の法線方向）に電流を流す場合に良好な材料である。また、熱伝導性に優れているため、ヒートシンクとして使用することも可能である。
【００４９】
更に、発光層１２から放出される光に対して高い反射率を持つ金属を使用することで、光取り出し効率を大幅に改善することが可能である。具体的には、発光層１２に青〜紫色のＩｎＧａＮを用いた場合、８５％以上の反射率を達成する金属（ミラー材料）としては銀（Ａｇ）、銀を主成分とする合金（銀合金）、又はアルミニウム（Ａｌ）を採用することができる。
【００５０】
更に、支持層２とｐ型半導体層１３とのコンタクト（オーミック性）の向上を図るために、ミラー材料とｐ型半導体層１３との間に透明導電膜を含ませてもよい。この場合、透明導電膜としては、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）を採用することができる。
【００５１】
更に、支持層２としてミラー材料のみ、又は透明導電膜及びミラー材料のみから構成した場合、強度不足により支持層２としての役割を十分果たすことができないこともある。この場合、支持層２に支持体を含ませ、この支持体をミラー材料に金属接合により貼り付ければ良い。
【００５２】
金属接合として、例えばＰｄＩｎ３薄膜合金接着法を採用することができる。図５は、ＰｄＩｎ３薄膜合金接着法を示す図である。まず、図５（ａ）に示すように、半導体層１に蒸着されたミラー材料２１に、膜厚がそれぞれ５ｎｍ／１００ｎｍ／１０００ｎｍのＴｉ／Ｐｄ／Ｉｎの３層からなる多層膜２２を蒸着する。一方、支持体２３に膜厚が５００ｎｍのＰｄを蒸着する。ここで、支持体２３としては、シリコンや銅（Ｃｕ）を採用することができる。
【００５３】
次に、図５（ｂ）に示すように、Ｐｄが蒸着された支持体２３に、多層膜２２を載置し、例えば圧力３ＭＰａ、温度２００度の条件で３０分間置くことで圧着させる。すると、図５（ｃ）に示すように、面Ｓ３においてＰｄとＩｎが反応し、ＰｄＩｎ３合金層２４が生成する。ここで、Ｔｉ膜２５は、ミラー材料２１とＰｄＩｎ３合金層２４との密着性を向上させるために蒸着されている。このＰｄＩｎ３合金層２４の密着力によってレーザリフトオフ加工時の衝撃が緩和され、半導体層１へのクラックの発生が抑制される。なお、金属接合は上述したものに限定されず、例えば、Ａｕ−Ａｕ接合や、Ａｕ−Ｓｎ共晶接合等を採用してもよい。いずれの手法を採用するにせよ、支持層２のうち半導体層１からもっとも近い層に８５％以上の反射率を有するミラー材を採用すればよい。
【００５４】
以上説明したように、実施の形態３による発光素子の製造方法によれば、支持層２として金属材料を採用したため、反射率及び硬度の高い支持層２を実現することができる。また、金属は、熱伝導性に優れているため、支持層２をヒートシンクとして機能させることもできる。
【００５５】
（実施の形態４）
実施の形態４による発光素子の製造方法は、実施の形態１の第２の工程において、支持層２として光学多層反射膜を用いたことを特徴とする。以下、実施の形態４において実施の形態１〜３と同一のものは同一の符号を付し説明を省略する。図６は、実施の形態４による発光素子の製造方法により製造された発光素子の断面図を示している。図６に示すように、８５％以上の反射率を達成することが可能な光学多層反射膜２６を半導体層１の光取り出し面Ｓ１と逆側の面Ｓ２に取り付けられている。光学多層反射膜２６としては、分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector : ＤＢＲ）を採用することができる。ＤＢＲは、光学波長の１／４の厚み（膜厚）をもつ屈折率の異なる層を積み重ねて構成される反射鏡であり、光の干渉効果によるブラッグ反射により各層での反射波が強め合い積層枚数を増すことによって高い反射率（ほぼ１００％）を得ることができる。
【００５６】
ＤＢＲの材料としては、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ−ＤＢＲ構造を有するＤＢＲを採用することができる。このＤＢＲは赤外波長域の面発光レーザで実用化されている構造であるが、膜厚を変化させることにより、青〜紫色領域の光に対しても高い反射率を実現することが可能である。具体的には、発光層１２から放出される光の波長をλ、半導体層１の屈折率をｎとした場合、各層の膜厚ＤがＤ＝λ／４ｎになるよう設定すればよい。
【００５７】
ここで、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓの屈折率はそれぞれ３．４６、２．９２である。発光層１２から放出される光の中心発光波長を４７０ｎｍとすれば、ＧａＡｓの層厚が約３４．０ｎｍ（＝４７０／（４×３．４６））、ＡｌＡｓの層厚が約４０．２ｎｍ（＝４７０／（４×２．９２）となるようにＤＢＲを設計すればよい。
【００５８】
このような構造は、ＧａＡｓ基板にＧａＡｓ及びＡｌＡｓをＭＢＥ（分子線結晶成長法）等でエピタキシャル成長させることにより、容易に製造することができる。本実施の形態では、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの２層を１ペアとし、この１ペアを３０層積層した。これにより、λ＝４７０ｎｍの光を照射した結果、ほぼ１００％の反射率が得られた。なお、ＤＢＲに導電性をもたせるため、Ｍｇ等のｐ型ドーパントをドープしてもよい。
【００５９】
以上のように製造されたＤＢＲからなる光学多層反射膜２６を、透明結晶基板３上に成長された半導体層１の面Ｓ２にウエハボンディングする。このボンディングは、面Ｓ２と、面Ｓ２に対向する光学多層反射膜２６の面とを洗浄し、両面にＯＨ基をつけて高圧下（例えば、１０ＭＰａ）、所定温度（例えば１５０度）で、約５時間加熱する方法を採用することができる。このボンディングの方法により、ＯＨ基を介して接着された両面からＯＨ基が除去され、両面間の空間が最小化する。具体的には、両面間の接合距離の−４乗に比例するファンデルワールス力によって両面が密着する。以上のプロセスによって、ＤＢＲを備えた支持層２が半導体層１にボンディングされる。
【００６０】
なお、ＤＢＲに用いる材料や作製方法、ボンディング方法などは上記の例に限定されず、他の手法を適宜採用することができる。例えば、ＭｇなどをドープしたＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲ構造のＤＢＲを面Ｓ２上に成長させてもよい。この場合、実施の形態３で示したような金属間結合等を用いて、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲ構造のＤＢＲにシリコン基板等をボンディングすることが望ましい。
【００６１】
以上説明したように、実施の形態３による発光素子の製造方法によれば、支持層２としてＤＢＲを用いたため、支持層２の反射率がほぼ１００％ととなり、光取り出し効率が大幅に向上された発光素子を製造することができる。
【００６２】
（実施の形態５）
実施の形態５による発光素子の製造方法は、実施の形態１の第２の工程において、支持層２として、導電性の有機材料を用いたことを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態１〜４と同一のものは同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６３】
一般的に、有機材料（樹脂）は、特有の熱硬化性などを活かして容易にボンディングすることが可能である。本実施の形態においては、導電性があり、かつ発光層から発する光に対して８５％〜１００％、好ましくは９０〜１００％、より好ましくは９５％〜１００％の反射率を有する有機材料を支持層２として採用する。
【００６４】
このような条件を満たすものとして、例えばＡｇフィラーを混入したエポキシ樹脂を支持層２として採用することができる。図７は、実施の形態５による発光素子の製造方法により製造された発光素子の断面図を示している。図７に示すように、半導体層１の面Ｓ２とシリコン基板３０の面Ｓ３との間にエポキシ樹脂層２９を塗布して、半導体層１とシリコン基板３０とを接着し、１２０度の恒温炉に６０分間放置してエポキシ樹脂層２９を硬化させることで、半導体層１にエポキシ樹脂層２９をボンディングする。
【００６５】
この結果、密着性よく半導体層１とシリコン基板３０とが接合し、レーザリフトオフ加工により透明結晶基板３を半導体層１から剥離させる際に生じる半導体層１へのクラックの発生を防止することができる。なお、半導体層１に直接、エポキシ樹脂層２９を密着させるとオーミック性が確保できないため、図８に示すようにエポキシ樹脂層２９と半導体層１との中間にＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜２８を蒸着してもよい。
【００６６】
以上説明したように実施の形態５による発光素子の製造方法によれば、Ａｇフィラーが混入された有機材料により支持層２が構成されているため、高反射率を実現することができる。更に、エポキシ樹脂層２９と半導体層１との間にＩＴＯ膜２８を蒸着したためオーミック性を確保することが可能である。
【００６７】
（実施の形態６）
実施の形態６による発光素子の製造方法は、透明結晶基板３に空間的に周期的な強度分布を有する光を照射することで、透明結晶基板を剥離する工程である実施の形態１に示す第３の工程と、光取り出し面Ｓ１に凹凸構造１４を形成する実施の形態２に示す第４の工程とを同時に行うことを特徴としている。なお、実施の形態１と同一のものは同一の符号を付し、説明を省略する。図９は、実施の形態６による発光素子の製造方法を説明する図である。
【００６８】
透明結晶基板３を剥離する際、透明結晶基板３と半導体層１の界面Ｓ４において、ＧａＮが分解されて発生されるＧａ層１５の厚みは、照射される光の強度に依存する。すなわち、照射される光の強度が強くなるほど、Ｇａ層１５の厚みは厚くなる。従って、空間的に周期的な強度分布を有する光ＬＣを照射することで、Ｇａ層１５の厚みに空間的分布を持たせることが可能となる。そして、塩酸等によりＧａ層１５を除去すれば、界面Ｓ４に凹凸構造１４を形成することが可能となる。このように周期的な凹凸構造１４を界面Ｓ４に形成すると、実施の形態２で述べたように光取り出し効率を大幅に向上させることができる。本実施の形態では、３６００ｎｍ、高さが２２００ｎｍの凹凸構造１４を形成することにより、凹凸構造１４を形成しない発光素子に比べて約１．５倍の光取出し効率を実現することが可能となった。
【００６９】
このような、強度が周期的な空間分布を有する光ＬＣとして、回折光を挙げることができる。図１０は、回折光を透明結晶基板３に照射した際の発光素子の製造方法を説明する図である。図１０において、実線Ｗ１は光波の山を示し、点線Ｗ２は光波の谷を示している。図１０に示すようにグレーティング幅が１０μm以下の回折格子６を透明結晶基板３の上側に配設すると、回折格子６を透過した光は回折され、透明結晶基板３の表面に干渉縞が発生する。これにより、透明結晶基板３を剥離すると同時に、透明結晶基板３の表面に凹凸構造１４を形成することができる。
【００７０】
ここで、回折格子６の形状としては、図１０に示すような正弦曲線の形状が望ましいが、これに限定されず、ステップ形状を有する回折格子６を用いても、凹凸構造１４を形成することができる。また、回折格子６と同等の役割を果たさせるように、回折格子６を配設することに代えて、透明結晶基板３に、照射する光に周期的な強度分布ができるように金属等をパターニングしてもよい。この他にも、透明結晶基板３の表面に、ダイシング、ドライエッチング、又はマイクロブラスト加工等で周期的な凹凸構造を形成した後、光を照射することで、回折格子６を配設しなくとも、空間的に周期的な強度分布を有する光を照射することができる。更に、この方法以外にも、２分岐された光を同時に照射し、両光を干渉させて、空間的に周期的な強度分布を有する光を照射することができる。
【００７１】
以上説明したように、実施の形態６による発光素子の製造方法によれば、空間的に周期的な強度分布を有する光を照射しているため、透明結晶基板３を剥離する工程と、凹凸構造を形成する工程とを同時に実行することができ、発光素子の製造工程数をより少なくすることができる。
【００７２】
（実施の形態７）
実施の形態７による発光素子の製造方法は、２種類の波長の光を用い、一方の波長の光を用いて、透明結晶基板３を剥離し、もう一方の波長の光を用いて光取り出し面Ｓ１に凹凸構造１４を形成することを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態１〜６と同一のものは同一の符号を付し説明を省略する。図１１は、半導体層１から透明結晶基板３を剥離させる際に使用される製造装置１００を示す図である。図１１に示す製造装置１００は、台座１０１、アッテネータ１０２、結像マスク１０３、固定ミラー１０４、固定集光レンズ１０５、及び４軸加工テーブル１０６を備えている。
【００７３】
台座１０１は、水平に配設され、光路の上流側から順にアッテネータ１０２及び結像マスク１０３が立設されている。アッテネータ１０２は、図略の光源から放出されたＫｒＦエキシマレーザ光ＬＥの強度を、レーザ加工に好適な強度に減衰させる。結像マスク１０３は、アッテネータ１０２により減衰されたＫｒＦエキシマレーザ光ＬＥの断面において、中心部に対して低い強度の周囲の光を遮光し、中心部分の光のみを透過させる。これにより、レーザ光の強度分布がほぼ均一なＫｒＦエキシマレーザ光ＬＥを固定ミラー１０４に導くことができる。
【００７４】
固定ミラー１０４は、結像マスク１０３からのレーザ光を偏向させて、固定集光レンズ１０５へと導く。４軸加工テーブル１０６は、加工対象となる発光素子が載置されるテーブル１０７と、上面にテーブル１０７が取り付けられた台座１０８と、台座１０８の左右方向（ｘ方向）の移動を案内するレール１０９と、台座１０８の前後方向（ｙ方向）の移動を案内するレール１１０とを備えている。なお、テーブル１０７は台座１０８に対してθ方向に回転可能に取り付けられている。
【００７５】
製造装置１００を用いて、ＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２４８ｎｍ）ＬＥを照射すると、このＫｒＦエキシマレーザ光ＬＥは透明結晶基板３に対して透明で、かつ半導体層１に対して透明でないため、透明結晶基板３と半導体層１との界面で吸収される。その結果、透明結晶基板３が半導体層１から剥離される（リフトオフ加工）。ＫｒＦエキシマレーザ光ＬＥの場合、透明結晶基板３をリフトオフさせるエネルギー密度は約５００ｍＪ／ｃｍ２である。従って、製造装置１００は、５００ｍＪ／ｃｍ２のＫｒＦエキシマレーザ光ＬＥを照射する。但し、この値は透明結晶基板３の研磨状態などによっても大きく変化し、一概には規定できないため、研磨状態に応じて適宜変更することが好ましい。なお、ＫｒＦエキシマレーザ光ＬＥは結像マスク１０３を用いて結像してもよいが、シリンドリカルレンズを用いて直線状にビーム変形してもよい。
【００７６】
一方、台座１０８は、ＫｒＦエキシマレーザ光ＬＥが、発光素子の全面を照射するように、左右方向及び前後方向にスライドする。これにより、ＫｒＦエキシマレーザ光ＬＥが発光素子の全面に照射され、透明結晶基板３が半導体層１から剥離される。
【００７７】
次に、透明結晶基板３を剥離した後、剥離により半導体層１の表面に生じたＧａ層（Ｇａドロップレット）を、ＨＣＬ等を用いて除去する。
【００７８】
次に、ＫｒＦエキシマレーザとは波長の異なるレーザ光を半導体層１に照射し、光取り出し面Ｓ１に凹凸構造１４を形成する。ここで、凹凸構造１４を形成するために照射するレーザ光として様々なものが挙げられるが、本実施の形態では、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザ（λ＝３５５ｎｍ）を用いる。この場合、高ＮＡの対物レンズを用いて、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザを集光すれば、数μmオーダの加工が可能である。
【００７９】
そして、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザを、ガルバノミラーユニットを用いて光取出し面Ｓ１の全面に所定速度で走査すれば、半導体層１の光取り出し面Ｓ１に凹凸構造１４を形成することができる。本発明の実施例では、ＮＡ＝０．９の対物レンズを使用し、光照射密度５０ｍＪ／ｍｍ２、周波数１０ｋＨｚ、パルス幅３０ｎｓ、走査速度５０ｍｍ／ｓでＴＨＧ−ＹＡＧレーザを走査させた。その結果、光取り出し面Ｓ１の全面に間隔Ａが５μｍ、凸部１４１の高さ（深さ）１．５μmの凹凸構造１４が形成された。
【００８０】
なお、上述した、ＫｒＦエキシマレーザやＴＨＧ−ＹＡＧレーザは一例であり、これらに代えて、ＸｅＣｌ、ＡｒＦ、Ｆ２等のエキシマレーザやフェムト秒レーザなどを用途に応じて適宜採用してもよい。
【００８１】
以上説明したように、実施の形態７による発光素子の製造方法によれば、透明結晶基板３を剥離するためにＫｒＦエキシマレーザ光ＬＥを採用すると共に、凹凸構造１４を形成するためにＴＨＧ−ＹＡＧレーザを採用しため、透明結晶基板３の剥離と、凹凸構造１４の形成とを精度良く行うことができる。
【００８２】
（実施の形態８）
実施の形態８による発光素子の製造方法は、波長の異なる２種類のレーザ光を照射して、実施の形態１の第３の工程に示す透明結晶基板３を剥離する工程と、実施の形態２の第４の工程に示す凹凸構造を形成する工程とを同時に行うことを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態１〜７と同一のものは同一の符号を用いて、説明を省略する。
【００８３】
半導体層１は、照射されるレーザ光の波長に応じて、レーザ光の吸収率が異なる。ここで、レーザ光は、吸収率が大きいほど、半導体層１への透過率が低くなる。そのため、透過率が低いほどレーザ光が半導体層１に浸透する深さが小さくなる結果、剥離によって生じるＧａ層の厚さが小さくなる。
【００８４】
そのため、照射されるレーザ光の波長が長くなるにつれて半導体層１は高くなる。従って、半導体層１から透明結晶基板３を剥離する際に、波長が異なる２種類のレーザ光を同時に照射すると、この波長の差を利用して凹凸構造１４を形成することが可能となる。特に紫外波長のレーザを２種類同時に照射することで、レーザリフトオフと凹凸形成とを同時に行うことができる。
【００８５】
図１２は、実施の形態８による発光素子の製造方法を示す図であり、（ａ）は側面視の図を示し、（ｂ）は斜め上方視の図を示す。図１２に示すように、波長が３５５ｎｍのＴＨＧ（Third Harmonic Generation）−ＹＡＧレーザと波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザとが同時に照射されている。そして、ＫｒＦエキシマレーザは波長が２４８ｎｍであり、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザよりも波長が短いため、ＫｒＦエキシマレーザが照射される領域Ｄ１は、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザが照射される領域Ｄ２に比べて、レーザ光を多く吸収する結果、Ｇａ層の厚さが小さくなり、凸部１４１となる。一方、領域Ｄ２は、領域Ｄ１に比べてレーザ光の吸収が小さいため、Ｇａ層の厚さが大きくなり凹部となる。具体的には、領域Ｄ１の深さは３０ｎｍ程度、領域Ｄ２の深さは、１μｍ程度である。
【００８６】
このように、領域Ｄ１に対して、ＫｒＦエキシマレーザを照射し、領域Ｄ２に対してＴＨＧ−ＹＡＧレーザを照射するためには、図１１に示す製造装置１００において、ＫｒＦエキシマレーザの光路とＴＨＧ−ＹＡＧレーザの光路との２つの光路を設け、この光路が領域Ｄ１と領域Ｄ２とを照射するように、光学系を配置すると共に、台座１０８を左右方向及び前後方向をスライドすることで実現することができる。
【００８７】
なお、上記説明では、ＫｒＦエキシマレーザとＴＨＧ−ＹＡＧレーザを採用したがこれに限定されず、ＸｅＣｌ、ＡｒＦ、Ｆ２エキシマレーザやフェムト秒レーザなどを用途に応じて適宜組み合わせてよい。
【００８８】
以上説明したように、実施の形態８による発光素子の製造方法によれば、波長の異なる２種類のレーザ光を同時に照射しているため、透明結晶基板３の剥離と凹凸構造１４の形成とを同時に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の実施の形態１による発光素子の製造方法により製造された発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す発光素子の製造方法を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）に向かって製造工程が進んでいく。
【図３】実施の形態２による発光素子の製造方法により製造された発光素子の光取り出し面Ｓ１の断面図を示している。
【図４】、凹凸構造１４と支持層２とを組み合わせたことによる光取り出し効率の実験結果を示すグラフである。
【図５】ＰｄＩｎ３薄膜合金接着法を示す図である。
【図６】実施の形態４による発光素子の製造方法により製造された発光素子の断面図を示している。
【図７】実施の形態５による発光素子の製造方法により製造された発光素子の断面図を示している。
【図８】エポキシ樹脂層２９と半導体層１との中間にＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜２８を蒸着した場合の発光素子の図である。
【図９】実施の形態６による発光素子の製造方法を説明する図である。
【図１０】回折光を透明結晶基板３に照射した際の発光素子の製造方法を説明する図である。
【図１１】透明結晶基板３を剥離させる製造装置１００を示す図である。
【図１２】、実施の形態８による発光素子の製造方法を示す図であり、（ａ）は側面視の図を示し、（ｂ）は斜め上方視の図を示す。
【符号の説明】
【００９０】
１  半導体層
２  支持層
３  透明結晶基板
６  回折格子
１１  ｎ型半導体層
１２  発光層
１３  ｐ型半導体層
１４  凹凸構造
１５  Ｇａ層
２１  ミラー材料
２２  多層膜
２３  支持体
２４  ＰｄＩ３合金層
２５  Ｔｉ膜
２６  光学多層反射膜
２８  ＩＴＯ膜
２９  エポキシ樹脂層
３０  シリコン基板
１００  製造装置
１０１  台座
１０２  アッテネータ
１０３  結像マスク
１０４  固定ミラー
１０５  固定集光レンズ
１０６  ４軸加工テーブル
１０７  テーブル
１０８  台座
１０９  レール
１１０  レール
１４１  凸部
【図１】
2007243047.tif 000004
【図２】
2007243047.tif 000005
【図３】
2007243047.tif 000006
【図４】
2007243047.tif 000007
【図５】
2007243047.tif 000008
【図６】
2007243047.tif 000009
【図７】
2007243047.tif 000010
【図８】
2007243047.tif 000011
【図９】
2007243047.tif 000012
【図１０】
2007243047.tif 000013
【図１１】
2007243047.tif 000014
【図１２】
2007243047.tif 000015