(57)【要約】【課題】クラックの発生が抑制された高品質のバッファ層を異種基板上に形成することが可能な窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】この窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体とは異なる材料から構成される異種基板１０と、異種基板１０の主面１０ａ上に形成され、窒化物半導体から構成されるスパッタ膜２０と、スパッタ膜２０上に形成され、窒化物半導体から構成される発光素子部とを備えている。異種基板１０は、主面１０ａ部分に形成される凹部１５を含み、凹部１５は、傾斜面１６を有するとともに、断面的に見て、略Ｖ字状に形成されている。また、傾斜面１６は、凹部１５の底側の傾斜角度が主面１０ａ側の傾斜角度以下とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体とは異なる材料から構成される異種基板と、
前記異種基板の主面上に形成され、窒化物半導体から構成されるスパッタ膜と、
前記スパッタ膜上に形成され、窒化物半導体から構成される発光素子部とを備え、
前記異種基板は、前記主面部分に形成される凹部を含み、
前記凹部は、傾斜面を有するとともに、断面的に見て、略Ｖ字状に形成されており、
前記傾斜面は、前記凹部の底側の傾斜角度が前記主面側の傾斜角度以下であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記スパッタ膜はＡｌＮから構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記凹部はその開口幅が深さより大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記傾斜面において、
前記凹部の底側の領域と前記主面の法線とのなす角度をθ１とし、前記主面側の領域と前記主面の法線とのなす角度をθ２としたときに、
θ１とθ２とがθ２≦θ１の関係を満たし、かつ、θ１が４５度より大きく９０度より小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記角度θ１は６０度より大きく８０度より小さいことを特徴とする、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記角度θ１は６５度より大きく７５度より小さいことを特徴とする、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記角度θ１は、前記角度θ２より大きいことを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記凹部の傾斜面は、断面的に見て、下に凸の放物線状に形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記異種基板の主面上には、ＡｌＮからなるスパッタ膜が形成されており、
前記発光素子部は、前記スパッタ膜上に接して形成されるＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる窒化物半導体層を含み、
前記窒化物半導体層は、そのＡｌ組成比ｘが０．８５以上１．００以下であり、かつ、ｘ＞ｚ＞ｙの関係を満たすことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記異種基板の主面上には、ＡｌＮからなるスパッタ膜が形成されており、
前記発光素子部は、前記スパッタ膜上に接して形成されるＡｌxＧａ1-xＮからなる窒化物半導体層を含み、
前記窒化物半導体層のＡｌ組成比ｘが０．８５以上１．００以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記窒化物半導体層はＡｌＮからなることを特徴とする、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記異種基板が、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板、グラファイト基板のいずれかからなることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記異種基板が、サファイア基板であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記異種基板が、Ｓｉ基板であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記発光素子部は、量子井戸構造を有する活性層を含み、
前記活性層は、Ａｌを含み窒化物半導体からなる井戸層を有し、
前記井戸層のＡｌ組成比が０．３０以上０．７５以下であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
窒化物半導体とは異なる材料から構成される異種基板を準備する工程と、
前記異種基板の主面部分に凹部を形成する工程と、
前記異種基板の主面上に、窒化物半導体からなる発光素子部を形成する工程とを備え、
前記凹部を形成する工程は、ポイントスクライバを用いたスクライブ工程を含むことを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記凹部を形成する工程は、
前記スクライブ工程に先立って前記異種基板の主面上に保護膜を形成する工程と、
前記スクライブ工程の後に前記保護膜を除去する工程とを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記保護膜を形成する工程は、スパッタ法を用いてＡｌＮから前記保護膜を形成する工程を有することを特徴とする、請求項１７に記載の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およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体やＡｌＧａＩｎＰ系半導体に比べてバンドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移型の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に及ぶ波長領域における発光が可能な半導体レーザ素子や、紫外線から赤色までの広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオード素子などの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、プロジェクターやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。
【０００３】
また、近年、窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、その発光波長を短波長化することにより、殺菌・浄水、各種医療分野、公害物質の高速分解処理などの非常に幅広い分野での応用が期待される、紫外領域で発光する半導体発光素子の研究開発が各研究機関で精力的に行われている。
【０００４】
窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、一般的に、基板としてサファイア基板が用いられている。また、その成長面には、極性面であるｃ面（（０００１）面）が利用されている。そして、このｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層が積層されることによって窒化物半導体発光素子が形成されている。
【０００５】
しかしながら、上記のような半導体発光素子においては、これまでのところ、ＡｌＮやＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ結晶の高品質化を図るのが困難であるという不都合があった。このため、発光素子の発光効率を向上させることが困難であるという問題があった。
【０００６】
ここで、窒化物半導体発光素子の基板として、サファイア基板などの窒化物半導体とは異なる材料からなる異種基板を用いた場合、基板との格子不整合などに起因して、その上に形成される窒化物半導体層の結晶品質が低下するという不都合がある。そのため、結晶品質の低下を抑制するために、異種基板の主面上に窒化物半導体からなるバッファ層を形成した後、そのバッファ層上に窒化物半導体層を形成する手法が一般的に用いられている。
【０００７】
そして、発光素子の発光効率を向上させるためには、異種基板上(例えばサファイア基板など)に形成される窒化物半導体からなるバッファ層の品質を向上させることが重要となる。
【０００８】
バッファ層の品質を向上させる手法として、たとえば特許文献１には、異種基板の主面上にスパッタ法を用いてＡｌＮバッファ層を形成した後、このＡｌＮバッファ層上に結晶成長法を用いて窒化物半導体層を形成する手法が開示されている。特許文献１に開示の発光素子は、青色領域で発光する窒化物半導体発光素子であるため、スパッタ法により形成されたＡｌＮバッファ層上に、このＡｌＮバッファ層に接するようにＧａＮ下地層が形成されている。そして、このＧａＮ下地層上に窒化物半導体からなる積層構造が形成されている。
【０００９】
また、深紫外領域で発光する窒化物半導体発光素子においては、サファイア基板上にＡｌＮ層が結晶成長されたテンプレート基板を用いる手法が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。
【００１０】
上記非特許文献１には、テンプレート基板のＡｌＮ層に凹部を形成し、このテンプレート基板上にＡｌＮバッファ層を再成長する手法が開示されている。この非特許文献１では、テンプレート基板のＡｌＮ層に凹部が形成されているため、その上に成長されるＡｌＮバッファ層にボイドが形成される。そして、このボイドによってＡｌＮバッファ層の歪みが緩和されるので、バッファ層の品質が向上する。なお、非特許文献１では、上記凹部はエッチングにより形成されており、その形状は断面的に見て略矩形状となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−２０５２６７号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔｕｓ  Ｓｏｌｉｄｉ  Ｃ６，Ｎｏ．５２，（２００９）  ５３５６−５３５９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本願発明者らは、深紫外領域で発光する高効率発光素子の実現に向けて、異種基板の主面上に結晶成長法ではない手法（たとえばスパッタ法など）を用いてＡｌＮバッファ層（スパッタ膜）を成膜し、このスパッタ膜に隣接する（接する）ように結晶成長法によりバッファ層を形成する手法を用いて結晶品質の向上の検討を進めていた。そして、スパッタ法により形成されたＡｌＮ層上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてＡｌ組成比の高いＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、Ａｌ組成比ｘがたとえば０．８５以上１．００以下）を直接成長させた場合に、クラックが多発するという課題があることを見出した。また、Ａｌ組成比を増加させていくとクラックも増加する傾向にあり、特にＡｌＮ膜を、結晶成長法を用いて成長させたときにクラック発生が非常に顕著であった。
【００１４】
なお、スパッタ法により形成されたＡｌＮバッファ層（スパッタ膜）上にＧａＮ層（下地層）を成長させる場合、このような現象は見られない（特許文献１参照）。
【００１５】
一般的に、バッファ層上に半導体層を形成する場合、その半導体層の組成がバッファ層の組成と近い程、格子不整合差等が小さくなるためクラックが発生し難くなる。しかしながら、スパッタ法により形成されたＡｌＮバッファ層（スパッタ膜）上に、結晶成長法により窒化物半導体層を形成する場合は、通常とは逆の結果が生じる。スパッタ膜とは製法が異なるものの、スパッタ膜上に形成される窒化物半導体層をスパッタ膜と同一材料に近づけるほど、換言すると、Ａｌ組成比を増やしてＡｌＮに近づけるほどクラックが多発するという現象は非常に特異な現象である。これは、ＡｌＮスパッタ膜上に高いＡｌ組成比を有する窒化物半導体層を結晶成長した場合に生じる特有の課題である。
【００１６】
ここで、クラックの発生を抑制するために、上記非特許文献１のようにＡｌＮ層に凹部を形成する手法を用いることも考えられる。この場合には、基板上に形成されるＡｌＮバッファ層にボイドが形成されるため、このボイドによりクラックの発生が抑制されることが期待される。
【００１７】
しかしながら、この場合にはＡｌＮバッファ層中に比較的大きなボイドが形成されるため、ＡｌＮバッファ層の表面に凹凸ができ易くなる。すなわち、ＡｌＮバッファ層の表面を平坦化するのが困難になるという不都合がある。ＡｌＮバッファ層の厚みを大きくすることによって、層表面を平坦化することは可能であるものの、この場合には、原料効率が低下するという不都合が生じる。加えて、スループットも低下する。さらに、ＡｌＮバッファ層の厚みが大き過ぎるとクラックが発生するおそれもある。したがって、非特許文献１に開示の手法を用いた場合でも、バッファ層の品質を効果的に改善することは困難となる。
【００１８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、クラックの発生が抑制された高品質のバッファ層を異種基板上に形成することが可能な窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【００１９】
この発明のもう１つの目的は、発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子およびそ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】
【００２０】
上記目的を達成するために、本願発明者らが鋭意検討した結果、異種基板の主面部分に凹部を形成するとともに、その凹部の形状（断面形状）を変えることによって、クラックの発生を抑制しながら、スパッタ膜上に成長される窒化物半導体層（バッファ層）の層表面を容易に平坦化できることを見出した。
【００２１】
すなわち、この発明の第１の局面による窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体とは異なる材料から構成される異種基板と、異種基板の主面上に形成され、窒化物半導体から構成されるスパッタ膜と、スパッタ膜上に形成され、窒化物半導体から構成される発光素子部とを備えている。また、異種基板の主面部分には凹部が形成されている。この凹部は、傾斜面を有するとともに、断面的に見て、略Ｖ字状に形成されている。また、凹部の傾斜面は、凹部の底側の傾斜角度が主面側の傾斜角度以下とされている。
【００２２】
この第１の局面による窒化物半導体発光素子では、上記のように、異種基板に形成される凹部の形状を、断面的に見て、略Ｖ字状（Ｖ字に近い形状）にするとともに、その傾斜面を、凹部の底側の傾斜角度が主面側の傾斜角度以下となるようにしている。このため、異種基板の主面上にスパッタ膜を形成し、このスパッタ膜上に窒化物半導体層（バッファ層）を成長させた場合でも、バッファ層の表面を平坦化することができる。すなわち、凹部を上記のように形成することによって、バッファ層を成長させた際に、凹部が比較的埋まり易くなるため、バッファ層の厚みを大きくすることなく層表面を平坦化することができる。なお、凹部は、作製誤差により生じる場合を除き、その底部分に平坦部分をほとんど含まない形状とされているのが好ましい。
【００２３】
また、異種基板の凹部を上記のような形状（断面形状）とすることによって、バッファ層に微小な空孔（ボイド）を形成することができるので、スパッタ膜上にＡｌ組成比の高い窒化物半導体層をバッファ層として成長させた場合でも、この微小な空孔によってバッファ層にクラックが発生するのを抑制することができる。
【００２４】
なお、異種基板の凹部を上記形状とした場合、凹部が埋め込まれ易くなるため層表面を平坦化し易くなる一方、凹部が埋め込まれ易くなることによって、空孔が非常に小さくなる、もしくは、完全に消滅した状態となる場合がある。
【００２５】
一般的に、クラックの抑制効果は空孔（ボイド）による応力緩和によってもたらされているものと考えられる。このため、上記のように、空孔が非常に小さくなる、もしくは、完全に消滅した状態となる場合は、クラックの抑制効果が低下してクラックが多発するものと考えられる。
【００２６】
しかしながら、本願発明者らが種々検討した結果、スパッタ膜上にバッファ層として窒化物半導体層を成長させる場合には、空孔が非常に小さい場合や空孔が形成されない場合でもクラックの発生が抑制されることが分かった。
【００２７】
このように、第１の局面では、上記形状を有する凹部を異種基板に形成することによって、スパッタ膜上にＡｌ組成比の高い窒化物半導体層を成長させることで発生するクラックを抑制することができる。加えて、窒化物半導体層（バッファ層）の層表面を平坦化することができる。これにより、Ａｌ組成比の高い高品質の窒化物半導体層をバッファ層として異種基板上に形成することができる。
【００２８】
また、スパッタ膜上にバッファ層としての窒化物半導体層を結晶成長させた場合には、バッファ層の結晶品質が良好となる。バッファ層は、層厚が大きくなると結晶品質が向上するものの、上記のように、スパッタ膜上にバッファ層を成長させることによって、同程度の品質のバッファ層を小さい厚みで形成することができる。そして、バッファ層の厚みを小さくした場合でも、上記のように、層表面に凹凸が生じるのを抑制して表面を平坦化することができる。また、バッファ層の厚みを小さくすることによって、バッファ層の厚みが大きくなり過ぎることに起因するクラックの発生を抑制することもできる。さらに、バッファ層の厚みを小さくすることによって、原料効率を向上させることができるとともに、スループットを向上させることができる。したがって、上記のように構成することによって、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。なお、バッファ層の厚みを大きくすれば、結晶品質をより良好にすることができる。
【００２９】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、スパッタ膜はＡｌＮから構成されているのが好ましい。このように構成すれば、Ａｌ組成比の高い窒化物半導体からなるバッファ層の品質を容易に向上させることができる。
【００３０】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、上記凹部はその開口幅が深さより大きくなるように形成されているのが好ましい。すなわち、上記凹部は深さが浅く形成されているのが好ましい。このように構成すれば、容易に、凹部を埋め込まれ易くすることができるので、容易に、バッファ層表面を平坦化することができる。
【００３１】
また、上記傾斜面において、凹部の底側の領域と主面の法線とのなす角度をθ１とし、主面側の領域と主面の法線とのなす角度をθ２としたときに、θ１とθ２とがθ２≦θ１の関係を満たし、かつ、θ１が４５度より大きく９０度より小さくなるように構成されているのが好ましい。このように構成すれば、異種基板上に、たとえば、ＡｌＮスパッタ膜を形成し、その上にＡｌ組成比が高い窒化物半導体からなるバッファ層（たとえば、ＡｌＮ層）を成長させた際に発生するクラックを容易に抑制することができる。また、凹部の形状が略矩形状の場合には、凹部が埋まりにくいが、上記角度を有する凹部を形成することによって、凹部を埋まりやすくすることができる。このため、より平坦な表面を有するバッファ層を形成し易くすることができる。
【００３２】
この場合において、上記角度θ１は６０度より大きく８０度より小さい角度とされているのが好ましい。また、上記角度θ１は６５度より大きく７５度より小さい角度とされていればより好ましい。
【００３３】
また、この場合において、角度θ１は、角度θ２より大きい角度であるのが好ましい。このように構成すれば、より容易に、クラックの発生が抑制された高品質のバッファ層を異種基板上に形成することができる。
【００３４】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、凹部の傾斜面は、断面的に見て、下に凸の放物線状に形成されているのが好ましい。また、凹部の傾斜面は、下に凸の放物線に似た形状（たとえば、多角形状など）であってもよいし、直線に近い形状であってもよい。
【００３５】
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、異種基板の主面上には、ＡｌＮからなるスパッタ膜が形成されており、発光素子部は、スパッタ膜上に接して形成されるＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる窒化物半導体層を含み、窒化物半導体層は、そのＡｌ組成比ｘが０．８５以上１．００以下であり、かつ、Ａｌ組成比ｘ＞Ｇａ組成比ｚ＞Ｉｎ組成比ｙの関係を満たしているのが好ましい。
【００３６】
また、上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、異種基板の主面上には、ＡｌＮからなるスパッタ膜が形成されており、発光素子部はスパッタ膜上に接して形成される、ＡｌxＧａ1-xＮからなる窒化物半導体層を含み、窒化物半導体層のＡｌ組成比ｘが０．８５以上１．００以下とされていてもよい。
【００３７】
上記窒化物半導体層は、Ａｌ組成比が０．８５以上１．００以下のＡｌＧａＮから構成されているのが好ましく、Ａｌ組成比が０．９０以上１．００以下のＡｌＧａＮから構成されていればより好ましい。また、上記窒化物半導体層は、ＡｌＮから構成されていればさらに好ましい。
【００３８】
また、異種基板としては、たとえば、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板、グラファイト基板などを用いることができる。基板材料が、窒化物半導体との熱膨張係数や格子定数の差が大きいほど、上記形状を有する凹部を形成することにより得られる効果が顕著となる。そのため、異種基板として、サファイア基板やＳｉ基板を用いるのが好ましい。
【００３９】
なお、上記第１の局面による窒化物半導体発光素子は、高いＡｌ組成比を有する窒化物半導体から構成される深紫外発光素子への適応が好適である。そのため、上記第１の局面による窒化物半導体発光素子においては、発光素子部は、量子井戸構造を有する活性層を含み、活性層は、Ａｌを含み窒化物半導体からなる井戸層を有し、井戸層のＡｌ組成比が０．３０以上０．７５以下に構成されているのが好ましい。また、井戸層のＡｌ組成比が０．４０以上０．６５以下であればより好ましい。
【００４０】
この発明の第２の局面による窒化物半導体発光素子の製造方法は、窒化物半導体とは異なる材料から構成される異種基板を準備する工程と、異種基板の主面部分に凹部を形成する工程と、異種基板の主面上に、窒化物半導体からなる発光素子部を形成する工程とを備えている。そして、凹部を形成する工程は、ポイントスクライバを用いたスクライブ工程を含む。
【００４１】
この第２の局面による窒化物半導体発光素子の製造方法では、上記のように、ポイントスクライバを用いたスクライブ工程により、上記第１の局面による形状の凹部を容易に形成することができる。すなわち、ポイントスクライバを用いて異種基板の主面をスクライブすることにより、上記形状を有する凹部を容易に形成することができる。ポイントスクライバとしては、たとえば、ダイヤモンドなどの硬度の高い材料を用いたものが好ましい。
【００４２】
また、基板をスクライブする前に、異種基板の主面上に保護膜を形成しておくのが好ましい。保護膜としては、レジストやＳｉＯ2などの誘電体膜を用いることができる。スクライブ工程後は保護膜を除去する。このように、スクライブ前に保護膜を形成しておくことで、基板をスクライブすることで発生する残渣（デブリ）の悪影響を除去することができる。
【００４３】
また、上記保護膜として、スパッタ法により形成されたスパッタ膜を用いることもできる。この場合、スパッタ膜はＡｌＮスパッタ膜とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００４４】
以上のように、本発明によれば、クラックの発生が抑制された高品質のバッファ層を異種基板上に形成することが可能な窒化物半導体発光素子およびその製造方法を容易に得ることができる。
【００４５】
また、本発明によれば、発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子およびその製造方法を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に用いる異種基板の断面図（図３のＡ１−Ａ１線に沿った断面に対応する図）である。
【図２】本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に用いる異種基板の断面図（図３のＡ１−Ａ１線に沿った断面に対応する図）である。
【図３】本発明の第１実施形態による異種基板の平面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による異種基板上にバッファ層を形成した状態を示した断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図６】本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子の製造方法を説明するための図（ポイントスクライバを示した斜視図）である。
【図７】本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子の製造方法を説明するための図（図６のポイントスクライバをＢ方向から見た図）である。
【図８】本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子の製造方法を説明するための図（図６のポイントスクライバをＰ方向から見た他の例の図）である。
【図９】本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】第１実施形態による窒化物半導体素子の他の製造方法（凹部の他の形成方法）を説明するための断面図である。
【図１３】第１実施形態による窒化物半導体素子の他の製造方法（凹部の他の形成方法）を説明するための断面図である。
【図１４】サンプルＡの透過観察像を示した図である。
【図１５】サンプルＡの透過観察像に見られたクラックを示した図（図１４のクラックをトレースした図）である。
【図１６】サンプルＢの透過観察像を示した図である。
【図１７】第１実施形態による異種基板に設けられた凹部の断面顕微鏡写真である。
【図１８】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。
【図１９】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の活性層の構成を模式的に示した断面図である。
【図２０】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子を搭載した半導体光学装置の模式的断面図である。
【図２１】本発明の第３実施形態による異種基板の断面図（図２２のＡ２−Ａ２線に沿った断面に対応する図）である。
【図２２】本発明の第３実施形態による異種基板の一部を示した平面図である。
【図２３】本発明の第３実施形態による異種基板の斜視図である。
【図２４】本発明の第３実施形態の異種基板の平面図（凹部の配列の一例を示した図）である。
【図２５】本発明の第３実施形態の異種基板の平面図（凹部の配列の他の例を示した図）である。
【図２６】本発明の第１変形例による異種基板を示した断面図（凹部の他の形状を示した図）である。
【図２７】本発明の第２変形例による異種基板を示した断面図（凹部の他の形状を示した図）である。
【図２８】本発明の第３変形例による異種基板を示した断面図（凹部の他の形状を示した図）である。
【図２９】第１実施形態の変形例による異種基板を示した平面図（溝状の凹部の他の形成例を示した図）である。
【図３０】第１実施形態の変形例による異種基板を示した平面図（溝状の凹部の他の形成例を示した図）である。
【図３１】第１実施形態の変形例による異種基板を示した平面図（溝状の凹部の他の形成例を示した図）である。
【図３２】従来の窒化物半導体素子の構成を概略的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本願発明者らが種々検討を行うことによって得た知見について説明する。
【００４８】
本願発明者らは、窒化物半導体とは異なる材料からなる異種基板を用いた場合に、その異種基板上に形成されるバッファ層の品質を向上させるために種々検討を行った。その際、異種基板上にスパッタ膜を形成し、このスパッタ膜上に窒化物半導体層を成長させる方法を試みた。
【００４９】
具体的には、まず、異種基板の主面（上面）上にマグネトロンスパッタリング法などを用いてＡｌＮからなるスパッタ膜を形成した。ＡｌＮスパッタ膜の厚みは５０ｎｍ程度である。このＡｌＮスパッタ膜上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてＡｌ組成比の高いＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる窒化物半導体層（Ａｌ組成比ｘはたとえば０．７０以上１．００以下）を１μｍ程度の厚みで直接成長させた。成長させた窒化物半導体層を観察したところ、その厚みが１μｍ程度と小さいにもかかわらず、窒化物半導体層にクラックが多発するという現象が認められた。また、クラックの発生はＡｌ組成比が高い程増加する傾向にあり、特にＡｌＮ層を成長させたときにクラックの発生が非常に顕著であった。
【００５０】
なお、スパッタ膜上にＡｌ組成比の高い窒化物半導体層を成長させた場合、上記のようにクラックが多発するものの、クラックが発生していない領域では高い結晶品質が得られた。
【００５１】
このように、スパッタ膜上にＡｌ組成比の高い窒化物半導体層をバッファ層として成長させた場合、窒化物半導体層の結晶品質は向上するもののクラックが多発するという問題があることを本願発明者らは見出した。
【００５２】
そこで、本願発明者らが鋭意検討したところ、異種基板の主面部分に凹部を形成し、この凹部の断面形状を矩形状とは異なる形状とすることで、クラックの発生が抑制された高品質のバッファ層が得られることを見出した。
【００５３】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００５４】
（第１実施形態）
図１および図２は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に用いる異種基板の断面図である。図３は、本発明の第１実施形態による異種基板の平面図である。図４は、本発明の第１実施形態による異種基板上にバッファ層を形成した状態を示した断面図である。まず、図１〜図４を参照して、本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に用いられる異種基板について説明する。
【００５５】
第１実施形態による異種基板１０は、たとえばサファイア基板から構成されており、図１および図２に示すように、その主面１０ａ部分（上面部分）に凹部１５が形成されている。この凹部１５は、断面的に見て、矩形状とは異なる略Ｖ字状（Ｖ字に近い形状）に形成されている。
【００５６】
また、図１に示すように、上記凹部１５は傾斜面１６と底部１７とを有しており、その傾斜面１６は底部１７側（底側）の傾斜角度が主面１０ａ側の傾斜角度以下とされている。
【００５７】
この場合、凹部１５の傾斜面１６において、凹部１５の底側の領域１６ａ（底に近い斜面）と主面１０ａの法線Ｐ（基板表面に垂直方向）とのなす角度をθ１とし、主面１０ａ側の領域１６ｂ（平坦部（主面１０ａ）に近い斜面）と法線Ｐとのなす角度をθ２としたときに、角度θ１と角度θ２とがθ２≦θ１の関係を満たし、かつ、角度θ１が４５°より大きく９０°より小さい構成とされているのが好ましい。
【００５８】
また、上記角度θ１は６０度より大きく８０度より小さい角度とされていればより好ましく、６５度より大きく７５度より小さい角度とされていればさらに好ましい。
【００５９】
なお、異種基板１０の凹部１５は、作製誤差により生じる場合を除き、その底部１７に平坦部分をほとんど含まない形状とされているのが好ましい。
【００６０】
また、凹部１５の傾斜面１６は、その傾斜角度が比較的小さい（角度θ１、角度θ２が大きい）角度とされているのが好ましい。また、角度θ１と角度θ２との差を小さくすることにより、傾斜面１６が直線に近い形状となるように凹部１５が形成されていてもよい。さらに、角度θ１を角度θ２より大きくすることにより、傾斜面１６が下に凸の放物線に似た形状となるように凹部１５が形成されていてもよい。傾斜面１６の形状は、上記のように、直線状であってもよいが、角度θ１＞角度θ２とすることにより下に凸の放物線上とされているのが好ましい。
【００６１】
また、凹部１５の深さＨは０．１μｍ以上１．０μｍ以下であるのが好ましい。凹部１５の深さＨは０．７μｍ以下であればより好ましく、０．２μｍ以上０．５μｍ以下であればさらに好ましい。凹部１５の幅Ｗ（開口幅）は、深さＨと角度θ１、θ２によりＷ〜２Hｔａｎθ１の関係がある。その関係を満たすなかで、凹部１５の幅Ｗは０．２μｍ以上１０．０μｍ以下が好ましい。凹部１５の幅Ｗは７．０μｍ以下であればより好ましく、５．０μｍ以下であればさらに好ましい。また、上記凹部１５は、その幅Ｗが深さＨより大きくなるように形成されているのが好ましい。すなわち、上記凹部１５は深さＨが浅く、幅Ｗが広い形状に形成されているのが好ましい。
【００６２】
上記凹部１５は、図３に示すように、所定方向に延びる溝状とすることができる。溝状の凹部１５は、ストライプ状に形成されるとよい。すなわち、異種基板１０の主面１０ａ部分に、互いに平行に延びる複数の凹部１５が形成された構成とされているとよい。この場合、凹部１５の間隔Ｒ（図２参照）は、たとえば１００μｍ〜５００μｍ程度とすることができる。この範囲では、平坦性が良好な膜が得られるので好ましい。また、間隔Ｒが小さいほど、後述するクラック防止効果が顕著になるため、１００μｍ以下であればより好ましい。さらに好ましい値は、２０μｍ以下である。間隔Ｒを２０μｍ以下にすることで、品質向上の効果がより顕著になる。さらに好ましくは１０μｍ以下である。また、凹部１５の間隔Ｒは、凹部１５の幅Ｗより大きい構成にするとよい。なお、凹部１５の間隔Ｒは、一定でもよいが、素子（たとえば発光素子）の設計によって好ましい場合は、間隔Ｒを不均一に形成することも可能である。
【００６３】
このように、第１実施形態では、異種基板１０の主面１０ａ部分に凹部１５が形成されているとともに、その凹部１５が深さの浅い略Ｖ字状の断面形状とされている。このため、略矩形状に形成される場合とは異なり、凹部１５はその体積が小さく、かつ、凹部１５内において原料原子（Ａｌ原子）が動き易くなっている。そのため、上記凹部１５は、窒化物半導体によって比較的埋め込まれ易い形状であるといえる。
【００６４】
また、第１実施形態では、図４に示すように、異種基板１０の主面１０ａ上（上面上）にスパッタ膜２０が形成される。このスパッタ膜２０は、たとえばＡｌＮから構成されており、約２０ｎｍ〜約１００ｎｍ（たとえば、約５０ｎｍ）の厚みを有している。そして、このスパッタ膜２０上に、Ａｌ組成比の高いＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる窒化物半導体層（Ａｌ組成比ｘがたとえば０．７０以上１．００以下）がバッファ層３０として形成される。
【００６５】
スパッタ膜２０上に直接成長される上記バッファ層３０は、そのＡｌ組成比ｘが０．８５以上１．００以下であって、かつ、Ａｌ組成比ｘ＞Ｇａ組成比ｚ＞Ｉｎ組成比ｙとなるように構成されているのが好ましい。
【００６６】
なお、上記バッファ層３０は、Ａｌ組成比ｘが０．８５以上１．００以下のＡｌxＧａ1-xＮから構成されているとより好ましい。バッファ層中にＩｎを含まないことにより、バッファ層表面の平坦性がより改善される。また、上記バッファ層３０は、Ａｌ組成比ｘが０．９０以上１．００以下のＡｌxＧａ1-xＮから構成されているとさらに好ましい。この場合、バッファ層３０がＡｌＮから構成されているとよりいっそう好ましい。
【００６７】
バッファ層３０の厚みとしては、０．５μｍ以上が好ましい。バッファ層３０は、厚みが大きいと結晶品質が向上する。そのため、バッファ層３０の厚みは０．８μｍ以上とされているとより好ましく、１．８μｍ以上とされているとさらに好ましい。なお、後述するように、バッファ層３０の厚みは、品質向上効果と原料消費等を考えた費用対効果の観点から、１０μｍ以下が好ましい。
【００６８】
図３２は、従来の窒化物半導体素子の構成を概略的に示した断面図である。次に、図３２をも参照して、第１実施形態の構成を従来構成と比較しつつより詳細に説明する。
【００６９】
図３２に示すように、従来の窒化物半導体素子（たとえば、非特許文献１参照）は、サファイア基板１０００上にＡｌＮ層１０２０が成長されたテンプレート基板１０１０を基板として用いている。テンプレート基板１０１０（ＡｌＮ層１０２０）の主面部分には、断面的に見て、矩形状の凹部１０１５が形成されている。そして、凹部１０１５が形成されたテンプレート基板１０１０上に、ＭＯＣＶＤ法などを用いて、ＡｌＮからなるバッファ層１０３０が形成されている。また、テンプレート基板１０１０の主面部分に矩形状の凹部１０１５が形成されているため、テンプレート基板１０１０上に形成されるバッファ層１０３０には比較的大きな空孔（ボイド）１０４０が形成されている。
【００７０】
バッファ層１０３０にボイド１０４０が形成されるとクラック抑制効果が得られるものの、大きなボイド１０４０が形成されると、それを内在させた層にするためにはバッファ層１０３０の厚みを大きくする必要がある。また、バッファ層１０３０のＡｌ組成比が高いほど、層中にボイド１０４０を埋め込みにくくなる。たとえばバッファ層１０３０がＡｌＮから構成されている場合、バッファ層１０３０を１０μｍ以上積層する必要がある。このため、原料効率が低下しコスト面で課題がある。また、比較的大きなボイド１０４０が形成される場合、バッファ層１０３０の厚みを大きくした場合でも、層表面の平坦性を確保することが困難になる。そのため、平坦性にも課題がある。
【００７１】
これに対し、第１実施形態では、図１〜図４に示したように、異種基板１０の凹部１５を上記形状（断面形状）とすることにより、凹部１５内が窒化物半導体で埋め込まれ易くなっている。そのため、バッファ層３０中に形成されるボイドを小さくすることが可能となる。したがって、ボイドを内在させた層とする場合でも、バッファ層３０の厚みを大きくする必要がない。また、上記凹部１５内が窒化物半導体で埋め込まれ易く、形成されるボイドも微小であるため、バッファ層３０の厚みを小さくした場合でも、層表面の平坦性が良好となる。
【００７２】
また、第１実施形態では、上記形状を有する凹部１５を形成することによって、バッファ層３０に微小な空孔が形成されるので、スパッタ膜２０上にＡｌ組成比の高い窒化物半導体層をバッファ層３０として成長させた場合でも、この微小な空孔によってバッファ層３０にクラックが発生するのを抑制することができる。
【００７３】
さらに、第１実施形態では、成長方向の成長速度を遅くして面内の成長を促進することで、ボイドを非常に小さくする、もしくは、ボイドを完全に消失させることも可能である。そして、このように構成することにより、バッファ層３０の層表面の平坦性を容易に良好とすることが可能となる。
【００７４】
ここで、クラックの抑制効果は空孔（ボイド）による応力緩和によってもたらされているものと考えられる。このため、上記のように、ボイドが非常に小さくなる、もしくは、完全に消滅した状態となる場合には、クラックの抑制効果が低下してクラックが多発することが容易に考えられる。そのため、クラックを抑制するために凹部１５を設ける場合、従来構造のように凹部内が埋め込まれないような形状（たとえば矩形状）とするのが通常である。
【００７５】
しかしながら、本願発明者らが鋭意検討した結果、上記形状を有する凹部１５を設けることによって、バッファ層３０中に微小なボイドが形成される場合はもとより、ボイドが完全に消滅した状態でもクラックの発生が抑制されることが分かった。これは非常に特異な現象である。詳細は明らかではないが、異種基板１０上にスパッタ膜２０を形成し、その上に高いＡｌ組成比を有する窒化物半導体を成長した場合に、平坦表面を有する基板上に比べ、上記形状を有する凹部１５を設けることによって、応力の緩和が起こり、結果としてクラックの抑制が可能になっているものと推測される。
【００７６】
このように、第１実施形態では、異種基板１０の主面１０ａ部分に形成される凹部１５を上記形状とすることによって、異種基板１０上にＡｌＮスパッタ膜２０を形成し、その上に高いＡｌ組成比を有する窒化物半導体層（バッファ層３０）を成長させた場合でも、クラックの発生が抑制された高品質のバッファ層３０を形成することが可能となる。
【００７７】
図５〜図１１は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子の製造方法を説明するための図である。次に、図１および図５〜図１１を参照して、本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に用いられる異種基板に上記形状を有する凹部を形成する方法について説明する。
【００７８】
図１に示した形状の凹部１５は、たとえば、ダイヤモンドなど硬度の高い材料をスクライブ針（ポイントスクライバ）として用いたスクライブ（スクライブ工程）により形成される。具体的には、図５に示すように、異種基板１０としてたとえばサファイア基板を準備し、図６に示すようなスクライバ４００（たとえばダイヤモンドスクライバ）を用いて異種基板１０の主面１０ａを所定方向にスクライブする。これにより、図１に示すような、断面的に見て、略Ｖ字状の凹部１５が形成される。
【００７９】
なお、スクライバ４００（図６参照）の先端形状やスクライブ時にスクライバ４００（図６参照）に加える荷重圧力などを調整することで、凹部１５の形状（たとえば傾斜面１６の傾斜角度等）を適切な形状とすることが可能である。また、スクライバ４００については特に制限されるものではないが、たとえば、図７に示すように、先端部分のカットポイント数が３ポイントのポイントスクライバや、図８に示すように、先端部分のカットポイント数が４ポイントのポイントスクライバを用いることができる。これ以外に、たとえば、８ポイントのポイントスクライバを用いることもできる。また、ポイントスクライバに加える荷重圧力は、たとえば０．１Ｎ〜０．４Ｎ程度とすることができる。
【００８０】
上記スクライブは異種基板１０の主面１０ａに直接行うことも可能である。ただし、この場合、基板をスクライブすることによって基板表面に残渣（デブリ）が発生する場合がある。このような場合には、スクライブ工程の前に、異種基板１０の表面に保護膜を形成しておくのが好ましい。
【００８１】
具体的には、図９に示すように、異種基板１０の主面１０ａ上に保護膜５００を形成する。保護膜５００はレジスト膜やＳｉＯ2などの誘電体膜などを用いることができる。次に、図１０に示すように、形成された保護膜５００の上から異種基板１０をスクライブする。このとき、保護膜５００を貫通して異種基板１０の主面１０ａ部分に凹部１５が形成されるように、ポイントスクライバに加える荷重圧力を調節する。その後、図１１に示すように、保護膜５００を除去する。これにより、スクライブによる残渣の発生が抑制される。
【００８２】
また、上記保護膜５００は、スパッタ法により形成されたスパッタ膜を用いるとより好ましい。スパッタ膜を保護膜５００とすることで、スクライブによって懸念される加工面の凹凸（凹部１５と平坦部分（主面１０ａ）の境界となるエッジ部分（破線Ｍで囲んだ部分）にできる加工による屑やアレなど）の悪影響を抑制することが可能となる。保護膜５００を構成するスパッタ膜は、ＡｌＮスパッタ膜が好ましい。このように、保護膜５００にスパッタ膜（特にＡｌＮスパッタ膜）を用いることによって有利な効果が得られる。この効果が得られる理由については明らかになっていないが、保護膜５００と基板１０との密着性や膜自体の応力、基板１０と保護膜５００の応力が影響しているものと考えられる。
【００８３】
保護膜５００としてスパッタ膜を形成した場合も、上記と同様、スクライブ工程の後に保護膜を除去する工程を行う。スクライブ工程後のＡｌＮスパッタ膜の除去には、たとえば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液や水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などを用いることができる。
【００８４】
また、上記形状を有する凹部１５の形成は、スクライブ工程以外に、たとえば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて凹部１５を形成することも可能である。
【００８５】
図１２および図１３は、第１実施形態による窒化物半導体素子の他の製造方法を説明するための断面図である。次に、図１２および図１３を参照して、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、上記形状を有する凹部１５を形成する方法について説明する。
【００８６】
まず、図１２に示すように、異種基板１０の主面１０ａ上にフォトレジストなどによって保護膜５１０を形成する。次に、凹部に対応する部分に、断面的に見て、略Ｖ字状の溝５１１をパターニングする。そして、ウエットエッチングやドライエッチングなどのエッチング技術を用いてエッチングを行うことにより、図１３に示すように、異種基板１０の主面１０ａ部分を選択的に除去する。その後、保護膜５１０を除去する。これにより、異種基板１０の主面１０ａ部分に上記した形状を有する凹部１５が形成される。
【００８７】
第１実施形態では、上記のように、異種基板１０に形成される凹部１５の形状を、断面的に見て、略Ｖ字状（Ｖ字に近い形状）にするとともに、その傾斜面１６を、凹部１５の底側の傾斜角度が主面１０ａ側の傾斜角度以下となるようにしている。このため、異種基板１０の主面１０ａ上にスパッタ膜２０を形成し、このスパッタ膜２０上に窒化物半導体層（バッファ層３０）を成長させた場合でも、バッファ層３０の表面を平坦化することができる。すなわち、凹部１５を上記のように形成することによって、バッファ層３０を成長させた際に、凹部１５が埋まり易くなるため、バッファ層３０の厚みを大きくすることなくバッファ層３０の表面を平坦化することができる。
【００８８】
また、異種基板１０の凹部１５を上記のような形状とすることによって、バッファ層３０に微小な空孔（ボイド）を形成することができるので、スパッタ膜２０上にＡｌ組成比の高い窒化物半導体層をバッファ層３０として成長させた場合でも、この微小な空孔によってバッファ層３０にクラックが発生するのを抑制することができる。
【００８９】
なお、異種基板１０の凹部１５を上記形状とすることによって、空孔を非常に小さくする、もしくは、完全に消滅させることもできる。これにより、平坦な膜を容易に形成することが可能となる。上述したように、このように構成した場合でもクラックの発生を抑制することができる。
【００９０】
このように、第１実施形態では、上記形状を有する凹部１５を異種基板１０に形成することによって、スパッタ膜２０上にＡｌ組成比の高い窒化物半導体層を成長させることで発生するクラックを抑制することができる。加えて、窒化物半導体層（バッファ層３０）の層表面を平坦化することができる。これにより、Ａｌ組成比の高い高品質の窒化物半導体層をバッファ層３０として異種基板１０上に形成することができる。
【００９１】
また、スパッタ膜２０上にバッファ層としての窒化物半導体層を結晶成長させた場合には、バッファ層３０の結晶品質が良好となる。バッファ層３０は、層厚が大きくなると結晶品質が向上するものの、上記のように、スパッタ膜２０上にバッファ層３０を成長させることによって、同程度の品質のバッファ層を小さい厚みで形成することができる。そして、バッファ層３０の厚みを小さくした場合でも、上記のように、層表面に凹凸が生じるのを抑制して表面を平坦化することができる。また、バッファ層３０の厚みを小さくすることによって、バッファ層３０の厚みが大きくなり過ぎることに起因するクラックの発生を抑制することもできる。さらに、バッファ層３０の厚みを小さくすることによって、原料効率を向上させることができるとともに、スループットを向上させることができる。
【００９２】
上記のように、バッファ層３０の厚みを大きくすることにより、バッファ層３０の結晶品質をより良好にすることができる。また、バッファ層３０の厚みを０．８μｍ以上とすることにより、クラック防止効果を顕著に得ることができる。さらに、バッファ層３０の厚みを１．８μｍ以上とすることにより、クラック防止効果をより顕著に得ることができる。なお、バッファ層３０の厚みを大きくすれば結晶品質が向上するものの、厚みを大きくし過ぎると原料効率、スループット、クラック等の問題が生じる。そのため、品質向上効果と原料消費等を考えた費用対効果の観点から、バッファ層３０の厚みは１０μｍ以下とするのが好ましい。
【００９３】
なお、スパッタ膜２０は上記のようにＡｌＮから構成されているのが好ましい。このように構成すれば、Ａｌ組成比の高い窒化物半導体からなるバッファ層の品質を容易に向上させることができる。
【００９４】
また、第１実施形態では、上記凹部１５をその幅Ｗが深さＨより大きくなるように形成することによって、容易に、凹部１５を埋め込まれ易くすることができるので、容易に、バッファ層表面を平坦化することができる。
【００９５】
また、図１に示した角度θ１を４５度より大きく９０度より小さくなるように構成することによって、異種基板１０上に、たとえば、ＡｌＮスパッタ膜２０を形成し、その上にＡｌ組成比が高い窒化物半導体からなるバッファ層３０（たとえば、ＡｌＮ層）を成長させた際に発生するクラックを容易に抑制することができる。また、凹部１５の形状が略矩形状の場合には、凹部１５が埋まりにくくなるが、上記角度を有する凹部１５を形成することによって、凹部１５を埋まりやすくすることができる。このため、より平坦な表面を有するバッファ層３０を形成し易くすることができる。
【００９６】
また、上記角度θ１を６０度より大きく８０度より小さい角度とすることによって、異種基板１０上にＡｌ組成比が高いＡｌxＩｎyＧａzＮ（Ａｌ組成比０．７０以上１．００以下、たとえばＡｌＮなど）からなるバッファ層３０を形成する場合、Ａｌ原子のマイグレーション長は短いため、従来の矩形に近い形状の凹部を形成すると凹部内が埋まりにくいが、上記の角度を有する凹部１５を形成すると、凹部１５がより埋まり易くなる。このため、より平坦なバッファ層３０を形成することが可能となる。また、形成されたバッファ層３０の組成均一性を向上させることができる。
【００９７】
さらに、上記角度θ１を６５度より大きく７５度より小さい角度とすることによって、クラック防止効果に加えて異種基板１０上に形成されたにＡｌ組成比ｘが高いバッファ層３０の結晶品質を良好とすることができる。この品質向上効果としては、上記のような角度を有する凹部１５を形成すると、平坦面（主面１０ａ）の成長モードと凹部１５の傾斜面１６の成長モードが存在することになる。これらの成長モードが効果的に融合することで、結晶欠陥を消失させることができているものと考えられる。
【００９８】
また、第１実施形態において、上記角度θ１を角度θ２より大きい角度とすれば、より容易に、クラックの発生が抑制された高品質のバッファ層３０を異種基板１０上に形成することができる。
【００９９】
また、第１実施形態では、上記形状を有する凹部１５を設けることによって、この凹部１５は、原子のマイグレーションが小さい材料において、効果的にクラックを防止することができる。基板に到達した吸着原子のうちＡｌ原子が原子のマイグレーションが小さく、次に、Ｇａ原子、Ｉｎ原子の順番で、原子半径が大きくなるに従い、原子のマイグレーションが大きくなる傾向にあると考えられる。このことからも分かるように、Ａｌ組成比の高いバッファ層を成長させる場合、凹部１５を形成した異種基板１０に対し、たとえばＧａＮ層を成長する場合とはまったく異なるものとして扱う必要がある。すなわち、ＡｌxＩｎyＧａzＮのＡｌ組成比は０．８５以上１．００以下と高く構成されるとよく、かつＡｌ組成比ｘ＞Ｇａ組成比ｚ＞Ｉｎ組成比ｙにより構成されるとよい。
【０１００】
なお、第１実施形態において、上記バッファ層３０は、Ａｌ組成比ｘが０．８５以上１．００以下のＡｌxＧａ1-xＮから構成されているのが好ましい。このように構成されていれば、バッファ層３０にＩｎが含まれないことにより、より平坦性が改善する。
【０１０１】
また、Ａｌ組成比が高いほど、クラック防止の効果が顕著にあらわれるため、バッファ層３０のＡｌ組成比は高いほど好ましい。そのため、バッファ層３０は、Ａｌ組成比が０．９０以上１．００以下のＡｌxＧａ1-xＮから構成されていればより好ましく、ＡｌＮから構成されていればさらに好ましい。
【０１０２】
また、異種基板１０としては、サファイア基板以外に、たとえば、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板、グラファイト基板などを用いることができる。基板材料が、窒化物半導体との熱膨張係数や格子定数の差が大きいほど、上記形状を有する凹部１５を形成することにより得られる効果が顕著となる。そのため、異種基板としては、サファイア基板やＳｉ基板を用いるのが好ましい。
【実施例１】
【０１０３】
ｃ面サファイア基板上にＡｌＮ膜をマグネトロンスパッタ法により５０ｎｍ程度の厚みで成膜したサンプルＡと、何も成膜していないｃ面サファイア基板からなるサンプルＢとを準備した。次に、サンプルＡおよびサンプルＢを用いて、同一条件でＭＯＣＶＤ法によりＡｌＮ膜を１．０μｍ程度（０．９μｍ）の厚みで成膜した。そして、ＡｌＮ膜を成膜したサンプルＡおよびサンプルＢについて、顕微鏡による透過像観察を行った。
【０１０４】
図１４は、サンプルＡの透過観察像を示した図であり、図１５は、サンプルＡの透過観察像に見られたクラックを示した図（図１４のクラックをトレースした図）である。図１６は、サンプルＢの透過観察像を示した図である。図１４および図１５に示すように、ＡｌＮスパッタ膜上にＡｌＮ膜を成長させたサンプルＡでは、クラックが多発した。これに対し、ＡｌＮスパッタ膜を成膜していないサンプルＢでは、図１６に示すように、クラックの発生は見られなかった。このように、異種基板上にスパッタ膜を成膜した後、このスパッタ膜上にＡｌ組成比の高い窒化物半導体層を成長させた場合に、クラックが多発することを確認した。
【０１０５】
次に、ｃ面サファイア基板に上記第１実施形態で示した形状を有する凹部が形成されたサンプルＣ（実施例）を準備した。凹部の形成は以下のようにして行った。
【０１０６】
まず、サファイア基板上に保護膜としてＳｉＯ2膜をスパッタ法により２００ｎｍ程度の厚みで形成した。次に、保護膜の上からスクライブにより溝加工（凹部加工）を施した。そして、スクライブ工程後に保護膜としてのＳｉＯ2膜をバッファードフッ酸により除去した。
【０１０７】
なお、凹部の形成には、ダイヤモンド材質のスクライブ針（並木精密宝石株式会社製ダイヤモンドスクライバ３ＰＡ）を用いた。このスクライバをスクライブ装置に取り付け、荷重圧力０．２Ｎ程度でスクライブすることにより、ストライプ状に複数の溝（凹部）を形成した。このときの凹部の間隔（溝間隔）は約２０μｍである。凹部の深さは０．３５μｍ程度、凹部の幅は２．８５０μｍであった。また、傾斜面の角度θ１は約７５度、角度θ２も約７５度であった。形成した凹部の断面顕微鏡写真を図１７に示す。
【０１０８】
次に、凹部を形成したサファイア基板にＡｌＮ膜をマグネトロンスパッタ法により５０ｎｍ程度の厚みで成膜した。そして、この基板をサンプルＣとして供した。
【０１０９】
続いて、サンプルＣに、上記サンプルＡおよびＢと同様の条件でＭＯＣＶＤ法によりＡｌＮ膜を成長させたところ、クラックが抑制されたＡｌＮ膜が得られた。
【０１１０】
サンプルＢおよびサンプルＣを用いて、結晶成長させたＡｌＮ膜を、ＸＲＣスペクトル半値幅で評価したところ、（０００２）面のＸＲＣスペクトル半値幅は、サンプルＣでは１８３秒、サンプルＢでは７４２秒であった。すなわち、サンプルＣの方が、サンプルＢに比べて、結晶成長させたＡｌＮ膜の結晶品質が良好であることが確認された。これより、ｃ面サファイア基板に凹部を形成し、かつ、ＡｌＮスパッタ膜を有することで、クラックフリーでかつ、高品質な膜を得ることができた。なお、（１０−１２）面のＸＲＣスペクトル半値幅はサンプルＣでは、１０１７秒、サンプルＢでは１２８０秒であった。
【０１１１】
サンプルＣでは、ＡｌＮ膜（成長膜）を０．９μｍの厚みで形成したが、ＡｌＮ膜の厚みを２．０μｍにしたサンプルＤ（実施例）を作成したところ、このサンプルＤにおいてもクラックの発生が認められなかった。なお、サンプルＢと同様のサファイア基板（凹部、スパッタ膜の形成なし）に、同条件でＡｌＮ膜を２．０μｍの厚みで成長させたところクラックの発生が認められた。これより、上記形状を有する凹部が形成された基板にスパッタ膜を成膜したサンプルでは、その上に形成されるＡｌＮ成長膜の厚みを大きくした場合でも、クラックの発生が抑制されることが確認された。
【０１１２】
また、（０００２）面のＸＲＣスペクトル半値幅はサンプルＤでは２２４秒、（１０−１２）面のＸＲＣスペクトル半値幅はサンプルＤでは７１５秒となった。（１０−１２）面のＸＲＣスペクトル半値幅の値は、刃状転位の数が多いと大きくなる。厚みを大きくすることで、刃状転位が低減されるため、（１０−１２）面のＸＲＣスペクトル半値幅が低減したものと考えられる。
【０１１３】
厚膜化の阻害要因はクラックの発生であるが、サファイア基板上に上記第１実施形態で示した凹部（溝）を形成し、ＡｌＮスパッタ膜を形成した上に、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＮ膜を成長させることで、クラックの発生を抑制することができる。このため、さらなる高品質化も期待される。
【０１１４】
（第２実施形態）
図１８は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子を示した断面図である。図１９は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の活性層の構成を模式的に示した断面図である。次に、図１、図１８および図１９を参照して、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子２００について説明する。なお、各図において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１１５】
第２実施形態による窒化物半導体発光素子２００は、深紫外領域で発光する発光ダイオード素子（深紫外発光素子）からなる。また、第２実施形態による窒化物半導体発光素子２００は、上記第１実施形態で示した異種基板１０を用いて形成されている。深紫外領域で発光する発光素子は、高いＡｌ組成比を有する窒化物半導体層を含んで構成されるため、上記第１実施形態による異種基板は深紫外発光素子での適応が好適である。
【０１１６】
異種基板１０は、たとえばサファイア基板などから構成されており、図１８に示すように、その主面１０ａ部分には、上記第１実施形態と同様の凹部１５（図１参照）が形成されている。異種基板１０の主面１０ａ上には、ＡｌＮ膜２１が形成されている。このＡｌＮ膜２１は、スパッタ法を用いて形成されたスパッタ膜からなる。
【０１１７】
ＡｌＮ膜２１上には、このＡｌＮ膜２１と接するように、Ａｌ組成比が高い窒化物半導体層（ＡｌxＩｎyＧａzＮ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなるバッファ層３０が形成されている。バッファ層３０のＡｌ組成比ｘは、たとえば０．８５以上１．００以下（たとえばＡｌＮなど）とされている。なお、バッファ層３０は、本発明の「窒化物半導体層」の一例である。
【０１１８】
バッファ層３０上には、活性層５０を含む素子構造１００が形成されている。この素子構造１００は、複数の半導体層が積層されることによって構成されており、ｎ側窒化物半導体層１１０およびｐ側窒化物半導体層１２０を含んでいる。ｎ側窒化物半導体層１１０およびｐ側窒化物半導体層１２０は、上記活性層５０を挟むように形成されている。なお、ＡｌＮ膜２１上に形成される、バッファ層３０および素子構造１００とによって、発光素子部が構成されている。ただし、発光素子部はバッファ層３０を含まない構成であってもよい。すなわち、バッファ層３０上に発光素子部が形成された構成であってもよい。
【０１１９】
第２実施形態の具体的な構造は、上記したように、凹部１５が設けられた異種基板１０（たとえばサファイア基板）上に、スパッタ法などによりＡｌＮ膜２１が形成されている。ＡｌＮ膜２１上には、結晶成長法によってバッファ層３０が形成されている。バッファ層３０上には、約１．８μｍ〜約３．５μｍの厚みを有するｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０（１１０）が形成されている。ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０上には、上記活性層５０が形成されている。
【０１２０】
活性層５０上には、約１５ｎｍの厚みを有するｐ型ＡｌＩｎＧａＮからなるキャリアブロック層６０が形成されている。キャリアブロック層６０上には、約１０ｎｍの厚みを有するｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層７０が形成されている。ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層７０上には、約５０ｎｍの厚みを有するｐ型ＡｌＩｎＧａＮからなるｐ型コンタクト層８０が形成されている。なお、ｐ型コンタクト層８０は、ＡｌＧａＮまたはＧａＮから構成されていてもよい。
【０１２１】
上記活性層５０は、図１９に示すように、障壁層５１と量子井戸層５２とが交互に積層された量子井戸構造を有している。活性層５０を構成する量子井戸層５２は、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）の組成式で表される半導体層から構成されている。また、障壁層５１は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）の組成式で表される半導体層から構成されており、そのＡｌ組成比ｘ２は、量子井戸層５２のＡｌ組成比ｘ１よりも大きい。
【０１２２】
上記量子井戸層５２のＡｌ組成比ｘ１は、０．１５≦ｘ１≦０．９０の範囲にあるのが好ましく、０．３０≦ｘ１≦０．７５の範囲にあればより好ましい。０．４０≦ｘ１≦０．６５の範囲にあればさらに好ましい。また、Ｉｎ組成比ｙ１は、０．００≦ｙ１≦０．１２の範囲にあるのが好ましい。
【０１２３】
障壁層５１のＡｌ組成比ｘ２は、０．２０≦ｘ２≦１．００の範囲にあるのが好ましい。また、障壁層５１のＡｌ組成比ｘ２は、０．３０≦ｘ２≦１．００の範囲にあればより好ましい。０．５０≦ｘ２≦１．００の範囲にあればさらに好ましい。Ｉｎ組成比ｙ２は、０．００≦ｙ２≦０．０８の範囲にあるのが好ましい。
【０１２４】
また、量子井戸層５２は、Ｉｎを含むＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよいし、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮから構成されていてもよい。同様に、障壁層５１も、Ｉｎを含むＡｌＩｎＧａＮから構成されていてもよいし、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮから構成されていてもよい。障壁層５１がＩｎを含む場合、そのＩｎ組成比ｙ２は、量子井戸層５２のＩｎ組成比ｙ１より小さくなるように構成されているのが好ましい。
【０１２５】
なお、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０のＡｌ組成比およびＩｎ組成比は、障壁層５１と同じに設定されていてもよい。ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０と障壁層５１との組成比は異なっていてもよいが、上記のように同じに設定されていると、界面での格子不整合差がなくなるため好ましい。また、組成が異なる場合は、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０のバンドギャップが障壁層５１のバンドギャップよりも大きくなるように構成されているとよい。このように構成されていると、キャリアを活性層５０に効果的に閉じ込めることが可能となる。
【０１２６】
また、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層７０のＡｌ組成比およびＩｎ組成比は、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０と同様、障壁層５１と同じに設定されていてもよい。ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層７０と障壁層５１との組成比は異なっていてもよい。
【０１２７】
また、第２実施形態では、図１８に示すように、窒化物半導体発光素子２００が、いわゆる横型構造の発光ダイオード素子に構成されている。このため、異種基板１０（たとえばサファイア基板）上に形成された素子構造１００の一部が、ドライエッチングなどによって、ｐ型コンタクト層８０からｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０の途中の深さまで掘り込まれている。そして、掘り込まれた部分の底面（ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０）に、ｎ側電極１４０が形成されている。このｎ側電極１４０は、たとえば、Ａｌ電極、または、基板側からＡｇ層、Ｃｕ層が順次積層された多層構造のＡｇ／Ｃｕ電極からなる。一方、ｐ型コンタクト層８０上には、ｐ側電極１３０が形成されている。このｐ側電極１３０は、たとえば、ｐ型コンタクト層８０側からＮｉ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）が順に積層された多層構造のＮｉ／Ａｕ電極からなる。これにより、第２実施形態では、異種基板１０（窒化物半導体層２０）の上面側（成長主面１０ａ側）に、ｐ側電極１３０とｎ側電極１４０とが形成された状態となっている。
【０１２８】
上記のように構成された窒化物半導体発光素子２００は、たとえば、図２０に示すように、キャンタイプのパッケージ３００ａに搭載されて、半導体光学装置３００に構成される。
【０１２９】
次に、図１８および図１９を参照して、本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子２００の製造方法について説明する。
【０１３０】
まず、サファイア基板などの異種基板１０を準備する。次に、この異種基板１０の主面１０ａ部分に、上記第１実施形態と同様の方法を用いて同様の形状を有する凹部１５を形成する。
【０１３１】
次に、図１８に示したように、異種基板１０の主面１０ａ上に、結晶成長法以外の手法を用いて、ＡｌＮ膜２１を形成する。このＡｌＮ膜２１は、スパッタ法を用いたスパッタ膜とするのが好ましい。ＡｌＮ膜２１の厚みは、たとえば約２０ｎｍ〜約１００ｎｍ（たとえば、約５０ｎｍ）とすることができる。
【０１３２】
続いて、ＡｌＮ膜２１上に、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて、複数の窒化物半導体層を積層する。
【０１３３】
具体的には、まず、ＡｌＮ膜２１上に、Ａｌ組成比が高い窒化物半導体層（ＡｌxＩｎyＧａzＮ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなるバッファ層３０を形成する。このバッファ層３０のＡｌ組成比ｘは、たとえば０．８５以上１．００以下（たとえばＡｌＮなど）とするのが好ましい。また、バッファ層３０の組成は、Ａｌ組成比ｘ＞Ｇａ組成比ｚ＞Ｉｎ組成比ｙとするのが好ましい。さらに、バッファ層３０の厚みは、たとえば、０．５μｍ以上１０μｍ以下とするのが好ましい。なお、バッファ層３０は厚みが大きいほど結晶品質が向上するため、バッファ層３０の厚みは大きい方が好ましい。
【０１３４】
次に、バッファ層３０上に、約１．８μｍ〜約３．５μｍの厚みを有するｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０、活性層５０、約１５ｎｍの厚みを有するｐ型ＡｌＩｎＧａＮからなるキャリアブロック層６０、約１０ｎｍの厚みを有するｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層７０、約５０ｎｍの厚みを有するｐ型ＡｌＩｎＧａＮからなるｐ型コンタクト層８０を順次成長させる。なお、ｐ型コンタクト層８０は、ＡｌＧａＮまたはＧａＮから構成してもよい。
【０１３５】
また、活性層５０は、図１９に示したように、障壁層５１と量子井戸層５２とを交互に積層することにより、量子井戸構造に構成する。
【０１３６】
そして、図１８に示しように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術などを用いて、素子構造１００の一部を、ｐ型コンタクト層８０からｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０の途中の深さまで選択的に除去する。これにより、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０の一部が露出される。
【０１３７】
その後、真空蒸着法などを用いて、露出されたｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層４０の表面上に、ｎ側電極１４０を形成するとともに、ｐ型コンタクト層８０上にｐ側電極１３０を形成する。最後に、基板をダイシングすることにより、個々の発光素子に個片化する。このようにして、第２実施形態による窒化物半導体発光素子２００が形成される。
【０１３８】
第２実施形態では、上記のように、第１実施形態で示した異種基板１０（凹部１５が設けられた基板）を用いて発光素子を形成することにより、クラックが抑制された高品質のバッファ層３０上に素子構造１００（発光素子部）を形成することができる。これにより、発光効率の高い深紫外発光素子を得ることができる。
【０１３９】
また、第２実施形態では、層表面が平坦化された高品質のバッファ層３０をその厚みを大きくすることなく形成することができるので、原料効率およびスループットを向上させることもできる。
【実施例２】
【０１４０】
実施例２では、異種基板としてサファイア基板を用い、このサファイア基板にスクライブ法によって溝状の凹部を形成した。その際、サファイア基板の加工前に、保護膜として、ＡｌＮ膜をマグネトロンスパッタ法により７０ｎｍ程度の厚みで成膜した。その後、加重圧力０．４Ｎ程度でスクライブを行うことで、上記第１実施形態と同様の断面形状を有する凹部を形成した。凹部は、実施例１と同様、ストライプ状に複数形成した。このときの凹部の間隔（溝間隔）は約２０μｍである。凹部の深さは０．５０μｍ程度であり、凹部の幅は２．３６０μｍであった。また、傾斜面の角度θ１は約７０度、角度θ２も約７０度であった。凹部（溝）の形成後、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液により保護膜としてのＡｌＮ膜を除去した。
【０１４１】
次に、凹部（溝）を形成したサファイア基板に、再度、ＡｌＮ膜をマグネトロンスパッタ法により４０ｎｍ程度成膜した。そして、凹部とＡｌＮスパッタ膜とを有するサファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＮバッファ層（バッファ層）を成長させた。
【０１４２】
続いて、ＡｌＮバッファ層（バッファ層）上に、ＭＯＣＶＤ法により、約２．０μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ層（ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層）、活性層、約１５ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.80Ｇａ0.20Ｎからなるキャリアブロック層、約１０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）、約５０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎからなるｐ型コンタクト層を順次成長させた。
【０１４３】
また、活性層は、障壁層と量子井戸層とを交互に積層することによって量子井戸構造に構成した。量子井戸層の層数は５層とした。なお、実施例２では、量子井戸層をＡｌ0.45Ｇａ0.55Ｎとし、障壁層をＡｌ0.65Ｇａ0.35Ｎとした。
【０１４４】
上記実施例２の構成において、凹部（溝）とＡｌＮスパッタ膜を有するサファイア基板上に、層厚１．５μｍのＡｌＮバッファ層を成長させたサンプルＥ（実施例）と、層厚３．５μｍのＡｌＮバッファ層を成長させたサンプルＦ（実施例）とを作製した。ＡｌＮバッファ層より上の構造は、サンプルＥおよびサンプルＦで同じとした。
【０１４５】
また、比較例として、凹部（溝）が設けられていないサファイア基板上に、ＡｌＮバッファ層を１．５μｍの厚みで形成したサンプルＧと、ＡｌＮバッファ層を３．５μｍの厚みで形成したサンプルＨとを準備した。なお、サンプルＧおよびサンプルＨでは、ＡｌＮスパッタ膜を形成せずに、サファイア基板上に、直接、ＡｌＮバッファ層を形成した。
【０１４６】
さらに、上記の方法で形成した凹部（溝）を有するサファイア基板にＡｌＮバッファ層を３．５μｍの厚みで形成したサンプルＩも準備した。なお、サンプルＩは、スパッタ膜を有しない。すなわち、サンプルＩでは、サファイア基板上に、直接、ＡｌＮバッファ層を形成した。
【０１４７】
サンプルＥ〜Ｉは、ｎ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ層より上の構造は同じである。
【０１４８】
サンプルＥ〜Ｉを用いて、顕微鏡観察を行ったところ、サンプルＥ、Ｆは、共にクラックが観測されなかった。また、平坦性も良好であった。
【０１４９】
凹部を有さないサファイア基板上にスパッタ膜を介さずにＡｌＮバッファ層を形成したサンプルＧおよびＨにおいては、ＡｌＮバッファ層の厚みが比較的小さいサンプルＧでは、クラックが観察されなかったものの、ＡｌＮバッファ層の厚みが大きいサンプルＨではクラックが多発した。また、凹部（溝）を形成したサンプルＩでは、クラックが観察されなかった。
【０１５０】
これより、上記した形状を有する凹部を基板に設けることによるクラック抑制効果が確認された。
【０１５１】
続いて、クラックの発生が認められなかったサンプル（サンプルＥ、Ｆ、Ｇ、Ｉ）を用いて、光出力の比較を行った。
【０１５２】
その結果、２０ｍＡ電流注入動作時の光出力は、凹部（溝）およびＡｌＮスパッタ膜を有さないサンプルＧでは０．８ｍＷであったの対し、凹部（溝）およびＡｌＮスパッタ膜を有するサンプルＥでは１．３ｍＷと約１．６倍に増加した。また、ＡｌＮバッファ層の厚みを大きくしたサンプルＦでは、その光出力が１．３ｍＷから１．９ｍＷであった。比較用サンプルＧでは０．８ｍＷであったので、サンプルＥにおいても、比較用サンプルＧと比べて増加する結果が得られた。
【０１５３】
なお、凹部（溝）を有し、ＡｌＮバッファ層の厚みを大きくしたサンプルＩでは、その光出力は１．２ｍＷとサンプルＥと同程度であった。光出力０．８ｍＷのサンプルＧと比較すると、サンプルＩでも光出力が増加する結果となった。これより、ＡｌＮバッファ層の厚みを大きくすることにより、光出力が増加することが確認された。
【０１５４】
また、サンプルＥとサンプルＩとで光出力が同程度であることから、ＡｌＮスパッタ膜を有することで、同程度の光出力を得る場合にＡｌＮバッファ層の厚みを小さくできることが確認された。
【０１５５】
以上より、上記した断面形状を有する凹部を異種基板に設けることで、クラックの発生が抑制され、かつ、スパッタ膜を形成することで、同程度の品質のバッファ層を小さい厚みで形成できることが確認された。
【０１５６】
（第３実施形態）
図２１は、本発明の第３実施形態による異種基板の断面図である。図２２は、本発明の第３実施形態による異種基板の一部を示した平面図である。図２３は、本発明の第３実施形態による異種基板の斜視図である。図２４および図２５は、本発明の第３実施形態の異種基板の平面図である。次に、図１２、図１３および図２１〜図２５を参照して、本発明の第３実施形態による異種基板について説明する。なお、各図において、対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明は適宜省略する。
【０１５７】
この第３実施形態による異種基板１０では、図２１〜図２３に示すように、凹部１５（１５ａ）が穴状に形成されている。すなわち、この第３実施形態では、上記凹部１５が穴状に形成されている点で、上記凹部が所定方向に延びる溝状に形成されて第１および第２実施形態とは異なる。
【０１５８】
穴状の凹部１５は、略逆円錐状のくぼみからなる。そのため、穴状の凹部１５は、平面的に見て、円形状に形成されている。また、その断面形状は、図２１に示すように、上記した第１実施形態と同様の形状（略Ｖ字状（Ｖ字に近い形状））とされている。
【０１５９】
なお、第３実施形態においても、異種基板１０の凹部１５は、作製誤差により生じる場合を除き、その底部１７に平坦部分をほとんど含まない形状とされているのが好ましい。
【０１６０】
また、図２３〜図２５に示すように、異種基板１０の主面１０ａ部分には、複数の穴状の凹部１５が周期的に設けられているのが好ましい。この場合、隣り合う凹部１５の間隔が一定の周期構造とされているのが好ましい。なお、凹部１５の配列は、図２４および図２５に示したような格子状とすることができる。ただし、凹部１５の配列は、図２４および図２５に示した配列以外の配列であってもよい。
【０１６１】
凹部１５の深さＨ（図２１参照）は、上記第１実施形態と同様、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であるのが好ましい。凹部１５の深さＨは０．７μｍ以下であればより好ましく、０．２μｍ以上０．５μｍ以下であればさらに好ましい。
【０１６２】
凹部１５の直径Ｄ（Ｗ）（図２１参照）は、深さＨと角度θ１、θ２によりＤ〜２Hｔａｎθ１の関係がある。その関係を満たすなかで、凹部１５の直径Ｄは０．２μｍ以上１０．０μｍ以下が好ましい。凹部１５の直径Ｄは７．０μｍ以下であればより好ましく、５．０μｍ以下であればさらに好ましい。また、上記凹部１５は、その直径Ｄが深さＨより大きくなるように形成されているのが好ましい。すなわち、上記凹部１５は深さＨが浅く、直径Ｄが広い形状に形成されているのが好ましい。
【０１６３】
また、図２４および図２５に示すように、凹部１５の間隔Ｒ（Ｒ１、Ｒ２）は、たとえば１０μｍ〜５０μｍ程度にすることができる。この範囲では、平坦性が良好な膜が得られるので好ましい。また、間隔Ｒが小さいほど、クラック防止効果が顕著になるため、より好ましくは、２０μｍ以下がよい。さらに好ましい値は、１０μｍ以下である。間隔Ｒを１０μｍ以下にすることで、品質向上の効果がより顕著になる。さらに、間隔Ｒを３０μｍ以下にすると、散乱による光取り出し効率向上の効果があらわれるため好ましい。
【０１６４】
なお、このような穴状の凹部１５は、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて形成することができる。具体的には、図１２および図１３に示したように、異種基板１０上にフォトレジストなどの保護膜５１０を形成し、この保護膜５１０をマスクとしてドライエッチングなどを施す。その後、保護膜５１０を除去することで、上記した穴状の凹部１５を周期的に形成することが可能となる。
【０１６５】
第３実施形態のその他の構成は、上記第１および第２実施形態と同様である。
【０１６６】
また、異種基板１０の主面１０ａ部分に、凹部１５を穴状に形成した場合でも、上記第１実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。
【実施例３】
【０１６７】
実施例３では、図１２および図１３に示したように、サファイア基板からなる異種基板１０の主面１０ａ部分に、ドライエッチング法を用いて周期的な穴（凹部１５）を形成した。
【０１６８】
具体的には、図１２に示したように、異種基板１０の主面１０ａ上に保護膜５１０としてフォトレジストを形成した。このフォトレジストには、ダウケミカルカンパニー社製Ｓ１８３０を用いた。次に、図１３に示したように、保護膜５１０をマスクとしてドライエッチングを行った後、保護膜５１０を除去した。このようにして、図２１に示したような断面形状を有する凹部１５を形成した。このときの、凹部（穴）の直径は１．８５０μｍであり、凹部（穴）の深さは０．４０μｍ程度であった。また、傾斜面の角度θ１は約６８度、角度θ２は約６７度であった。凹部（穴）の間隔は１０μｍとした。
【０１６９】
比較用サンプルとして、第１実施形態（実施例１）と同様の溝状の凹部を形成した基板（サファイア基板）を準備した。溝状の凹部の幅は１．８５０μｍ、深さは０．４０μｍ程度である。溝（凹部）の間隔は１０μｍとした。
【０１７０】
実施例３によるサンプルと比較用サンプルとを用いて、その主面上に実施例２と同様のＡｌＮスパッタ膜を製膜した。そして、実施例２と同様のＡｌＮバッファ層およびその上の構造をＭＯＣＶＤ法により成長させた。その後、エッチングによって素子構造の一部を除去した後、電極を形成することで発光ダイオード素子を作製した。なお、ＡｌＮバッファ層の厚みはいずれも約４．８μｍとした。
【０１７１】
これらのサンプルを顕微鏡観察したところ、いずれのサンプルにおいても、クラックは観察されなかった。また、層表面の平坦性もいずれも良好であった。
【０１７２】
次に、これらのサンプルを用いて、２０ｍＡ電流注入動作時の光出力を比較した。その結果、比較用サンプル（溝状の凹部を形成したサンプル）では、光出力は、１．８ｍＷであった。これに対し、周期的な穴状の凹部を形成したサンプル（実施例３）では、光出力は２．２ｍＷであり、比較用サンプルに比べて光出力が増加した。これは、穴状の凹部の周期構造により、光と取り出し効率が向上したためであると考えられる。
【０１７３】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【０１７４】
たとえば、上記第１〜第３実施形態では、異種基板上にＡｌＮからなるスパッタ膜（ＡｌＮスパッタ膜）を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記スパッタ膜はＡｌＮスパッタ膜以外であってもよい。ＡｌＮ以外のスパッタ膜としては、たとえば、ＡｌＯＮ、ＧａＮ、ＧａＯＮ、ＧａＯ、ＡｌＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯなどのスパッタ膜などが挙げられる。
【０１７５】
また、上記第１〜第３実施形態では、異種基板上に、スパッタ法を用いてスパッタ膜を形成し、そのスパッタ膜上に結晶成長法によりバッファ層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、異種基板上にスパッタ法以外の方法を用いて膜（たとえばＡｌＮ膜）を形成し、その膜上にバッファ層を形成するようにしてもよい。すなわち、その上に結晶成長させた窒化物半導体層の配向性が保たれる膜であれば、その膜の形成方法はスパッタ法以外の方法であってもよい。スパッタ法以外の方法としては、たとえば、分子ビーム成長（ＭＢＥ）法、電子ビーム蒸着法、プラズマＣＶＤ法などが挙げられる。スパッタ法以外の方法を用いる場合は、スパッタ法により形成される膜（たとえばＡｌＮ膜）と同等の膜質と効果が得られる方法であればよい。また、スパッタ膜を形成することなく、異種基板上に直接、バッファ層を結晶成長させてもよい。
【０１７６】
また、上記第１〜第３実施形態では、凹部の断面形状を略Ｖ字状とした例を示したが、本発明はこれに限らず、凹部の断面形状は略Ｖ字状以外であってもよい。この場合、凹部の断面形状は、凹部内が埋め込まれやすい形状であるのが好ましい。たとえば、図２６に示すように、凹部１５の断面形状は、略Ｖ字状よりややＵ字状に近い形状であってもよい。また、図２７に示すように、凹部１５の断面形状は、その傾斜面が傾斜角度の異なる複数の面から構成された多角形状となる形状であってもよい。さらに、図２８に示すように、凹部１５の断面形状は、略弧状であってもよい。なお、凹部１５の断面形状は、これら以外の形状であってもよい。
【０１７７】
また、上記第１〜第３実施形態では、結晶成長法としてＭＯＣＶＤ法を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、結晶成長法は、ＭＯＣＶＤ法以外のたとえばＭＢＥ法やＣＢＥ法などであってもよい。
【０１７８】
また、上記第１〜第３実施形態では、スパッタ膜上に、Ａｌ組成比の高い窒化物半導体からなるバッファ層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、バッファ層のＡｌ組成比は比較的低い範囲を含めて適宜設定することができる。たとえば、バッファ層のＡｌ組成比は、０．７より低い値であってもよい。ただし、バッファ層を、高いＡｌ組成比を有する窒化物半導体から構成することにより、有利な効果が得られるため、バッファ層のＡｌ組成比は０．７以上であるのが好ましい。
【０１７９】
また、上記実施形態において、基板のオフ角度（主面のオフ角度）は特に限定されない。平坦性が向上するなどの特別なオフ角度があれば、その角度にすることも可能である。
【０１８０】
上記第１および第２実施形態において、溝状の凹部は、溝（凹部）を形成する際に、故意ではなく、作製誤差として現れる揺らぎをも含めた形状を意味する。
【０１８１】
また、上記第１および第２実施形態において、溝（凹部）の形状はストライプ状に限定されるものではない。たとえば、図２９および図３０に示すように、凹部１５を格子状に形成してもよい。また、図３１に示すように、凹部１５は波状などであってもよい。さらに、これらを組み合わせた形状であってもよい。
【０１８２】
また、上記第２実施形態では、窒化物半導体発光素子の一例である発光ダイオード素子に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、発光ダイオード素子以外の窒化物半導体発光素子に本発明を適用することもできる。たとえば、窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用することもできる。また、電子デバイスなどの半導体素子にも本発明を適用することができる。
【０１８３】
また、上記実施形態において、基板上に形成される素子構造（窒化物半導体各層）については、その厚みや組成等は、所望の特性に合うものに適宜組み合わせたり、変更したりすることが可能である。たとえば、半導体層を追加または削除したり、半導体層の順序を一部入れ替えたりしてもよい。また、電極材料等についても、一例にすぎず、上記の例に限定されない。
【０１８４】
また、上記第２実施形態では、発光ダイオード素子の一例として、紫外波長領域（深紫外波長領域）で発光する発光ダイオード素子について説明したが、本発明はこれに限らず、紫外（深紫外）以外の波長領域で発光する発光素子とすることもできる。
【０１８５】
また、上記第２実施形態では、キャンタイプのパッケージに窒化物半導体発光素子を搭載した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記実施形態で示したパッケージ以外のパッケージに窒化物半導体発光素子を搭載することもできる。
【０１８６】
また、上記第２実施形態では、窒化物半導体発光素子を横型構造に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、窒化物半導体発光素子を縦型構造に構成することも可能である。たとえば、導電性を有する基板を用いた場合は、窒化物半導体発光素子を縦型構造とすることができる。もちろん、横型構造とすることもできる。また、導電性を有しない基板を用いた場合は、上記実施形態で示したように、窒化物半導体発光素子を横型構造に構成することができる。
【０１８７】
また、上記第３実施形態では、凹部を、平面的に見て、円形状に形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、凹部の平面形状は円形状以外の形状であってもよい。たとえば、三角形状、四角形状、または、五角以上の多角形状であってもよい。なお、第３実施形態では、穴状の凹部を、逆円錐状のくぼみ状に形成した例を示したが、逆三角錐状や逆四角錐状、または、五角以上の逆多角錐状としてもよい。
【０１８８】
また、上記第３実施形態では、穴状の凹部を、エッチングにより形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、エッチング以外の手法を用いて形成することもできる。たとえば、ポイントスクライバのような針状の部材を基板表面に押しつけることにより、穴状の凹部を形成することができる。また、たとえば、穴状の凹部に対応した凸部が複数設けられた金型を用い、インプリントのような手法をもちいることも可能である。この場合、一度に複数の凹部を容易に形成することができる。
【０１８９】
なお、上記で開示された技術（構成）を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１９０】
１０                                異種基板
１０ａ                              主面
１５                                凹部
１６                                傾斜面
１６ａ                              領域
１６ｂ                              領域
１７                                底部
２０                                スパッタ膜
２１                                ＡｌＮ膜
３０                                バッファ層（窒化物半導体層）
４０                                ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層層
５０                                活性層
５１                                障壁層
５２                                量子井戸層
６０                                キャリアブロック層
７０                                ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層層
８０                                ｐ型コンタクト層
１００                              素子構造
１１０                              ｎ側窒化物半導体層
１２０                              ｐ側窒化物半導体層
１３０                              ｐ側電極
１４０                              ｎ側電極
２００                              窒化物半導体発光素子
３００                              半導体光学装置
４００                              ポイントスクライバ
５００、５１０                      保護膜
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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