(57)【要約】【課題】薄膜半導体素子の分割の起点、分割溝、その端面のナノ周期構造を同時に形成する薄膜半導体素子の製造方法、及びその端面にナノ周期構造を有する薄膜半導体素子を提供する。【解決手段】基板上に薄膜半導体層が形成された薄膜半導体素子に超短パルスレーザを照射するステップを備え、超短パルスレーザの焦点が、薄膜半導体層と基板との界面から基板内部に位置し、薄膜半導体層の表面近傍における超短パルスレーザの空間プロファイルが、薄膜半導体層のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含み、かつ、薄膜半導体層と基板との界面から基板内部における超短パルスレーザの空間プロファイルが、基板のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含む、ことを特徴とする薄膜半導体素子の製造方法、及び薄膜半導体層の側面にナノ周期構造を有する薄膜半導体素子を提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に薄膜半導体層が形成された薄膜半導体素子に、前記薄膜半導体層側から超短パルスレーザを照射するステップを備え、
前記超短パルスレーザの焦点が、前記薄膜半導体層と前記基板との界面から前記基板内部に位置し、
前記薄膜半導体層の表面における前記超短パルスレーザの空間プロファイルが、前記薄膜半導体層のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含み、かつ、前記薄膜半導体層と前記基板との界面から前記基板内部における前記超短パルスレーザの空間プロファイルが、前記基板のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含む、ことを特徴とする薄膜半導体素子の製造方法。ここで、前記空間プロファイルは、前記超短パルスレーザの進行方向に垂直な断面内であって前記超短パルスレーザの中心を通る直線に沿った前記超短パルスレーザ強度の空間プロファイルである。
【請求項２】
前記超短パルスレーザがフェムト秒レーザである、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記薄膜半導体層がＧａＮ膜であり、前記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又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
基板上に薄膜半導体層が形成された薄膜半導体素子に、前記薄膜半導体層側から超短パルスレーザを照射するステップを備え、
前記超短パルスレーザの焦点が、前記基板内部に位置し、
前記薄膜半導体層の表面における前記超短パルスレーザの空間プロファイルが、前記薄膜半導体層のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含み、かつ、前記薄膜半導体層と前記基板との界面における前記超短パルスレーザの空間プロファイルが、前記基板のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含まず、かつ、前記焦点における前記超短パルスレーザの空間プロファイルが、前記基板のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含む、ことを特徴とする薄膜半導体素子の製造方法。ここで、前記空間プロファイルは、前記超短パルスレーザの進行方向に垂直な断面内であって前記超短パルスレーザの中心を通る直線に沿った前記超短パルスレーザ強度の空間プロファイルである。
【請求項５】
基板と薄膜半導体層とを備え、
前記薄膜半導体層の側面に周期構造が形成されている、ことを特徴とする薄膜半導体素子。
【請求項６】
前記薄膜半導体層がＧａＮ膜であり、前記基板がサファイア基板である、ことを特徴とする請求項５に記載の薄膜半導体素子。
【請求項７】
前記薄膜半導体層が、
ｐ−窒化物半導体層と、
前記ｐ−窒化物半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されたｎ−窒化物半導体層とを含み、
前記ｐ−窒化物半導体層、活性層及びｎ−窒化物半導体層の側面に周期構造が形成されている、ことを特徴とする請求項５に記載の薄膜半導体素子。
【請求項８】
前記ｐ−窒化物半導体層の前記活性層と反対の面に周期構造が形成され、
前記ｎ−窒化物半導体層の前記活性層と反対の面に周期構造が形成されている、ことを特徴とする請求項７に記載の薄膜半導体素子。
【請求項９】
前記基板の前記薄膜半導体層と反対の面に周期構造が形成されている、ことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の薄膜半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体のアブレーション閾値以上の強度を有する超短パルスレーザを固体に照射することで、照射部位の物質をアブレーションにより除去することができる。超短パルスレーザを用いると、熱拡散の影響をほとんど無視することができる。そのため、熱影響による材料特性の劣化が現れやすい小型デバイスや、薄膜デバイスに有利に適用することができる。
【０００３】
超短パルスレーザ強度の空間プロファイルは、当業者ならば理解されるように、回折光学素子や出力調整手段等を用いて制御することができる。例えば、超短パルスレーザの進行方向に垂直な断面内であって超短パルスレーザの中心を通る直線（以下、単に「Ｘ軸」と称する。）に沿った超短パルスレーザ強度（任意単位）の空間プロファイル（以下、単に「空間プロファイル」と称する。）が、所定の強度及び空間幅を有するガウス関数や台形形状をとるように制御可能である。
【０００４】
超短パルスレーザの伝播ロスが無い場合、超短パルスレーザの焦点とそれ以外の点において、空間プロファイルの面積は同じである。一方、図１に示されるように、固体物質内部では光の散乱や吸収の影響により超短パルスレーザの伝播ロスが発生するため、空間プロファイルの面積は、焦点とそれ以外の点で同じとならない場合がある。
【０００５】
図１は、超短パルスレーザ１０１の焦点Ｂが固体物質１０３内部に位置し、超短パルスレーザが空気中１０２から固体物質内部１０３へ伝播した場合であって、焦点Ｂにおけるガウス関数型の空間プロファイル１０４Ａと、固体物質表面近傍Ａにおけるガウス関数型の空間プロファイル１０４Ｂの例を示す図である。超短パルスレーザの焦点Ｂにおける空間プロファイル１０４Ｂの面積Ｓｂは、固体物質内部１０３における光の散乱及び吸収の影響により、固体物質表面近傍Ａにおける空間プロファイル１０４Ａの面積Ｓａに比べ小さくなることがある。
【０００６】
特許文献１は、ＧａＮ等の半導体膜が形成されたサファイア基板をレーザリフトオフにより除去する際に生じるクラックや剥離を防ぐために、反応性イオンエッチングを用いて、ガス放出経路としての素子分割溝（ストリート）を形成する技術を開示する。特許文献２は、窒化物系半導体発光素子において、発光効率を向上させるために、フォトリソグラフィ工程や電子線リソグラフィ工程等を用いて微細パターンを形成後、ドライエッチングなどを用いて表面に周期的な凹凸構造を形成する技術を開示する。
【０００７】
特許文献３は、レーザフルエンスがアブレーション閾値近傍にある超短パルスレーザを物質表面に照射することにより、自己組織的に偏光方向に応じた周期構造を形成する技術を開示する。なお、特許文献３にて提案されている技術は、超短パルスレーザを用いた素子分割技術に関係するものでは無い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１１９３８３号公報
【特許文献２】特開２００７−２２７９３８号公報
【特許文献３】国際公開番号 ＷＯ ２００４／０３５２５５ Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１では、ドライエッチングを用いて、素子分割溝を形成しているため、素子分割溝の端面が非常に平滑である。そのため、発光素子内部に発生した光が素子分割溝の端面にて反射されてしまい、光取出し効率が低下する問題がある。また、特許文献２においては、フォトリソグラフィ工程等の表面プロセスを用いており、素子の端面に凹凸構造を形成することが難しい。そのため、端面の配光制御が困難であり、この端面の影響により光取り出し効率が低下する問題がある。
【００１０】
さらに、特許文献２では、周期的な凹凸構造を形成するためのフォトリソグラフィ工程等が必要となるため、工程が複雑になるという問題がある。
【００１１】
このように、従来、薄膜半導体素子を製造・加工する上で、種々の問題を有していた。本発明は、これらの問題点が改善された薄膜半導体素子及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様は、基板上に薄膜半導体層が形成された薄膜半導体素子に、薄膜半導体層側から超短パルスレーザを照射するステップを備える製造方法であって、超短パルスレーザの焦点が、薄膜半導体層と基板との界面から基板内部に位置し、薄膜半導体層の表面近傍における超短パルスレーザの空間プロファイルが、薄膜半導体層のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含み、かつ、薄膜半導体層と基板との界面から基板内部における超短パルスレーザの空間プロファイルが、基板のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含む、ことを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の態様は、薄膜半導体素子であって、基板と、側面に周期構造が形成された薄膜半導体層とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルを制御することで、スクライブ、ストリート、及びストリート端面のナノ周期構造を同時に形成することができる。そのため、本発明に係る製造方法は、精密加工の特徴を維持しつつも、従来に比べ、製造時間の短縮及び製造工程数の削減を実現でき、ひいては製造コストを低減する。また、本発明に係る半導体薄膜素子は、ストリート端面にナノ周期構造を有するため、従来のものに比べ向上した光取出し効率特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】超短パルスレーザ強度の空間プロファイルと物質との関係を表す図である。
【図２Ａ】スクライブ、ストリート、ナノ周期構造とが形成された物質の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルとの関係を示す模式図である。
【図２Ｂ】スクライブ、ストリート、ナノ周期構造とが形成された物質の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルとの関係を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る光学系の概略構成図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る超短パルスレーザが照射されている薄膜半導体素子の状態を表す模式図である。
【図５】図４の超短パルスレーザが照射されている薄膜半導体素子を上から見た場合の超短パルスレーザが照射されている様子を表す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法のフローチャートを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法における薄膜半導体素子の断面の様子を表す模式図である。
【図８】本発明の一実施例に係る薄膜半導体素子のＳＥＭ画像である。
【図９】本発明の一実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法における薄膜半導体素子の断面の様子を表す模式図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法における薄膜半導体素子の断面の様子を表す模式図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る薄膜半導体素子の断面を表す模式図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る、スクライブ、ストリート、ナノ周期構造とが形成された物質の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルとの関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための例示的な実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態で説明する寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は任意であり、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更できる。また、特別な記載がない限り、本発明の範囲は、以下に説明される実施形態で具体的に記載された形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００１７】
本発明では、「薄膜半導体素子」は、少なくとも「薄膜半導体層」と「基板」を含む。「薄膜半導体層」は、単層であってもよく、複数層であってもよい。「薄膜半導体層」としての物質は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＣ等の発光デバイスに使用される半導体物質およびこれらを基本とした多元混晶であって、超短パルスレーザ照射によってアブレーション加工が可能な半導体物質や他のいかなる半導体物質であってもよく、発明の詳細な説明に具体的に記載された物質に何ら限定されるものではない。また、「基板」としての物質は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ガラス、サファイア、ＳｉＣ、ダイアモンド、ＧａＮ等、超短パルスレーザ照射によってアブレーション加工が可能ないかなる物質であってもよく、発明の詳細な説明に具体的に記載された物質に何ら限定されるものではない。
【００１８】
（本発明の基本的概念）
固体物質のアブレーション閾値以上の強度を有する光が固体物質に照射されると、アブレーションにより固体物質が除去される。本発明は、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルと固体のアブレーション閾値との関係に着目し、スクライブ、ストリート、及びストリート端面のナノ周期構造を同時に形成する製造方法、並びに、ストリート端面にナノ周期構造を有する薄膜半導体素子を提供する。
【００１９】
図２Ａは、物質２２の上に物質２１が形成された固体物質２０に物質２１側から超短パルスレーザが照射され、物質２２にスクライブ２０５、物質２１にストリート２０６、及びストリート２０６の端面に超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質２１からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造２０７が形成された固体物質２０の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイル２３との関係を例示する図である。
【００２０】
超短パルスレーザは、加工対象材料にて非線形吸収（多光子吸収）されてアブレーション現象を生じるレーザである。例えば、フェムト秒レーザ、パルス幅が２０ｐｓ以下のピコ秒レーザである（以下同じ。）。超短パルスレーザの焦点は、物質２２内部のＦで示す部分に位置する。物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２は、物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１よりも大きいとする。
【００２１】
なお、本発明においては、超短パルスレーザの焦点は、物質２１と物質２２との界面から物質２２の内部に位置されていればよい。そのため、焦点の位置合わせに伴う困難を低減する。
【００２２】
物質２１の表面近傍における空間プロファイル２０１は、Ｘ軸のｘ１〜ｘ４の範囲で物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１よりも大きい強度を有し、その他の範囲ではアブレーション閾値Ａｂｒ２１より小さい強度を有する。そのため、ｘ１〜ｘ４の範囲にある物質２１がアブレーションにより除去されるが、その他の範囲では物質２１は除去されない。
【００２３】
同様に、物質２１と物質２２との界面近傍における空間プロファイル２０２は、ｘ２〜ｘ３の範囲で物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２よりも大きい強度を有し、その他の範囲ではアブレーション閾値Ａｂｒ２２より小さい強度を有する。そのため、ｘ２〜ｘ３の範囲にある物質２２がアブレーションにより除去されるが、その他の範囲では物質２２は除去されない。そして、焦点Ｆにおける空間プロファイル２０３は、最も急峻な形状をとり、アブレーション閾値Ａｂｒ２２より大きい強度を有する範囲の物質２２がアブレーションにより除去される。
【００２４】
その結果、物質２２がアブレーションにより除去された部分にスクライブ２０５が生じ、物質２１がアブレーションにより除去された部分にストリート２０６が生じる。ストリート２０６の端面では、物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１近傍の強度を有する超短パルスレーザが照射される。そのため、ストリート２０６の端面に、超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質２１からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造２０７が同時に形成される。
【００２５】
すなわち、本発明において、スクライブ、ストリート及びストリート端面のナノ周期構造を同時に形成するためには、物質２１の表面近傍における空間プロファイル２０１が、物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１より大きい強度を有する範囲（ｘ１〜ｘ４）を含み、かつ、物質２１と物質２２との界面から物質２２の内部における空間プロファイル２０２が、物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２より大きい強度を有する範囲（ｘ２〜ｘ３）を含むように、空間プロファイルを制御することが必要である。
【００２６】
空間プロファイルを制御する際、物質２１の表面近傍における空間プロファイル２０１が物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１より大きい強度を有する範囲を含んでいる場合であっても、物質２１内部での光の散乱や吸収の影響により、物質２１と物質２２との界面から物質２２の内部における空間プロファイル２０２が物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２より大きい強度を有する範囲を含まないことも考えられる。そのため、空間プロファイルを制御する際にはその点も考慮に入れる必要がある。
【００２７】
なお、物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２が、物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１と同じ若しくは小さい場合であっても同様である。すなわち、超短パルスレーザの焦点が物質２１と物質２２との界面から物質２２の内部に位置し、物質２１の表面近傍における空間プロファイルがアブレーション閾値Ａｂｒ２１より大きい強度を有する範囲を含み、かつ、物質２１と物質２２との界面から物質２２の内部における空間プロファイルが物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２より大きい強度を有する範囲を含むように、空間プロファイルを制御することが必要である。
【００２８】
図２Ａでは物質２１と物質２２との界面においてスクライブ２０５とストリート２０６が連続的につながるように形成されている固体物質２０の断面が例示されている。しかしながら、超短パルスレーザが照射される物質のアブレーション閾値と超短パルスレーザ強度の空間プロファイルとの関係によっては、図２Ｂに示されるように、物質２１０と物質２２０との界面においてスクライブ２０５０とストリート２０６０が連続的につながるように形成されない場合がある。
【００２９】
図２Ｂは、物質２２０の上に物質２１０が形成された固体物質２００に物質２１０側から超短パルスレーザが照射され、物質２２０にスクライブ２０５０、物質２１０にストリート２０６０、及びストリート２０６０の端面に超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質２１０からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造２０７０が形成された固体物質２００の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイル２３０との関係を例示する図である。
【００３０】
物質２１０の表面近傍における空間プロファイル２０１０は、Ｘ軸のｘ１〜ｘ６の範囲で物質２１０のアブレーション閾値Ａｂｒ２１０よりも大きい強度を有し、その他の範囲ではアブレーション閾値Ａｂｒ２１０より小さい強度を有する。そのため、ｘ１〜ｘ６の範囲にある物質２１０がアブレーションにより除去されるが、その他の範囲では物質２１０は除去されない。
【００３１】
物質２１０と物質２２０との界面近傍における空間プロファイル２０２０は、ｘ２〜ｘ３及びｘ４〜ｘ５の範囲では物質２２０のアブレーション閾値Ａｂｒ２２０より大きい強度を有する範囲を含まないが、ｘ３〜ｘ４の範囲で質２２０のアブレーション閾値Ａｂｒ２２０よりも大きい強度を有する範囲を含む。そのため、物質２１０と物質２２０との界面近傍において、ｘ３〜ｘ４の範囲にある物質２２０が除去されるが、その他の範囲では物質２２０は除去されない。そして、焦点Ｆにおける空間プロファイル２０３０は、最も急峻な形状をとり、アブレーション閾値Ａｂｒ２２０より大きい強度を有する範囲の物質２２０がアブレーションにより除去される。
【００３２】
その結果、物質２２０がアブレーションにより除去された部分にスクライブ２０５０が生じ、物質２１０がアブレーションにより除去された部分にストリート２０６０が生じる。ストリート２０６０の端面では、物質２１０のアブレーション閾値Ａｂｒ２１０近傍の強度を有する超短パルスレーザが照射される。そのため、ストリート２０６０の端面に、超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質２１０からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造２０７０が同時に形成される。図２Ｂに例示されるように、スクライブ２０５０とストリート２０６０は、物質２１０と物質２２０との界面において、連続的につながるように形成されない。このように、スクライブ２０５０とストリート２０６０を同時に形成しつつも、必要以上に物質２２０を除去すること無くスクライブ２０５０を形成できる利点がある。
【００３３】
従って、本発明は、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルを制御することにより、所望の形状及び所望の位置にスクライブ及びストリートを形成することができ、同時に、ストリートの端面に、超短パルスレーザの所望の偏光方向に応じた複数の凹凸構造を有するナノ周期構造を形成することができる。
【００３４】
［第１実施形態］
図３は、本発明の第１実施形態に係る薄膜半導体素子を製造するために使用される光学系３００の概略構成図である。光学系３００において、超短パルスレーザ発生装置３０１から出力された超短パルスレーザ３０７は、ミラー３０２で反射され、半波長板等の偏光方向調整部３０３でその偏光方向が調整され、ＮＤフィルタや光回折素子等からなる空間プロファイル調整部３０４でその空間プロファイルが調整され、ミラー３０５で反射され、レンズ３０６で集光され、そして、基板３０９上に形成された薄膜半導体層３０８側から薄膜半導体素子３１０へ照射される。
【００３５】
光学系３００は、空気中、不活性ガス中又は真空中に配置されてもよい。ミラー３０２、３０５の数は、任意に変更してもよい。偏光方向調整部３０３により超短パルスレーザ３０７の偏光方向が任意に調整され、その結果、ナノ周期構造を構成する複数の凹凸構造の方向が任意に調整される。空間プロファイル調整部３０４は、所定の条件に従って、超短パルスレーザ３０７の空間プロファイルを任意の形状に調整することができる。
【００３６】
レンズ３０６は、超短パルスレーザ３０７の焦点位置やスポットサイズを調整することができる。移動ステージ３１１は、薄膜半導体素子３１０を３次元的に移動させ、超短パルスレーザ３０７が所定のパターンに沿って薄膜半導体素子３１０に照射されることを可能にする。なお、超短パルスレーザ３０７の照射位置を調節する手段を別に設けて、該手段が超短パルスレーザ３０７の照射位置を所定のパターンに沿って動かすようにしてもよい。
【００３７】
図４は、本実施形態に係る薄膜半導体素子の製造工程において、超短パルスレーザが照射されている薄膜半導体素子の状態を表す模式図である。超短パルスレーザ３０７の焦点を基板３０９の内部に位置させ、超短パルスレーザ３０７がレンズ３０６を介して所定のライン４０４に沿って薄膜半導体素子３１０へ照射される。レンズ３０６から照射された超短パルスレーザ３０７は、薄膜半導体層３０８および基板３０９の双方に非線形吸収される。
【００３８】
そして、超短パルスレーザ３０７が照射された部分の薄膜半導体層３０８及び基板３０９の物質がアブレーションにより除去される。その結果、基板３０９にスクライブ４０１が形成され、薄膜半導体層３０８にストリート４０２が形成される。同時に、ストリート４０２の端面には、超短パルスレーザ３０７の偏光方向に応じた方向に薄膜半導体層３０８の物質からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造４０３が形成される。
【００３９】
図５は、本実施形態に係る薄膜半導体素子の製造工程において、図４に記載の半導体薄膜素子を上から見た場合の、超短パルスレーザが照射されている様子を表す模式図である。超短パルスレーザは、１つの照射スポットに対してワンショットずつ照射され、半導体薄膜層３０８の表面における超短パルスレーザの照射スポット５０１−１〜５０１−ｉが互いに密に重なりあい、かつ、焦点位置における照射スポット（図示せず）が互いに密に重なり合うように照射される。その結果、所定のライン４０４に沿って、連続的に、スクライブ、ストリート、及びストリート端面のナノ周期構造が形成される。
【００４０】
図６は、本実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法のフローチャートを示す図である。本実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法では、基板３０９上に薄膜半導体層３０８が形成された薄膜半導体素子３１０を準備する（工程Ｓ６０１）。レンズ３０６の位置や種類を調整することにより超短パルスレーザの焦点を薄膜半導体層３０８と基板３０９の界面から基板３０９内部に位置するように調整する（工程Ｓ６０２）。偏光方向調整部３０３を調整することにより超短パルスレーザの偏光方向を所定の方向に調整する（工程Ｓ６０３）。空間プロファイル調整部３０４を調整することにより超短パルスレーザ強度の空間プロファイルを所定の形状に調整する（工程Ｓ６０４）。
【００４１】
その後、超短パルスレーザが所定のライン４０４に沿って薄膜半導体層３０８側から薄膜半導体素子３１０に照射され、照射された部分の物質がアブレーションにより除去されることによって、基板３０９にスクライブ４０１が形成され、薄膜半導体層３０８にストリート４０２が形成され、同時に、ストリート４０２の端面には、所定の偏光方向に応じた方向に薄膜半導体層３０８の物質からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造４０３が形成される（工程Ｓ６０５）。
【００４２】
そして、ブレーカーブレード工程やエキスパンド工程等を用いてスクライブ４０１を起点として薄膜半導体素子３１０を分割する（工程Ｓ６０６）。なお、工程Ｓ６０１〜Ｓ６０４の順序を適宜変更してもよい。
【００４３】
上記のように、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルは、薄膜半導体層３０８のアブレーション閾値と基板３０９のアブレーション閾値３０９に基づき調整される。一般的に、物質のアブレーション閾値は、超短パルスレーザのパルス形状（時間波形、空間波形）と物質によって決まると考えられている。但し、厳密には、同じ物質であっても微少な不純物の濃度や表面の状態などによって、アブレーション閾値が大きく変化することがある。そのため、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルは、経験的に求めた条件に基づき調整してよい。
【００４４】
一例として、同一の条件で作製した複数の薄膜半導体素子（即ち、薄膜半導体素子を構成する物質の不純物の濃度や表面の状態は互いに同一である薄膜半導体素子）を準備し、焦点の位置、超短パルスレーザ発生装置の条件、超短パルスレーザの偏光方向等が同一である光学系を用いて、空間プロファイル調整部の条件だけを変更する。例えば、アブレーション閾値よりも極めて小さい強度を有する超短パルスレーザを照射しても何らスクライブ等は形成されない条件は使用しない。一方、結果的にスクライブ、ストリート、及びストリート端面のナノ周期構造が同時に形成される条件を用いて空間プロファイルの調整を行う。このような実験的に得られた空間プロファイルを調整するための条件を、ユーザが所望するあらゆる物質、光学系に対して集め、それをデータベース化しておくとよい。
【００４５】
図７は、本実施形態に係る薄膜半導体素子３１０の製造方法の工程Ｓ６０５〜Ｓ６０６における、薄膜半導体素子３１０の断面の様子を表す模式図である。参照符号７Ａから参照符号７Ｅの順に製造工程が進行する。
【００４６】
参照符号７Ａは、ＣＶＤ（化学気相堆積）法等により基板３０９上に薄膜半導体層３０８を堆積させることにより準備された薄膜半導体素子３１０の断面を示す。参照符号７Ｂは、焦点が基板３０９内部に位置するレンズ３０６により集められた超短パルスレーザ３０７が、第１の所定のラインに沿って、薄膜半導体層３０８側から薄膜半導体素子３１０に照射されている状態の薄膜半導体素子３１０の断面を示す。そして、第１の所定のラインに沿って超短パルスレーザ３０７が照射されることにより、第１の所定のラインに沿って、薄膜半導体素子３１０にスクライブ４０１及びストリート４０２が形成され、同時にストリート４０２の端面にナノ周期構造４０３が形成される。
【００４７】
参照符号７Ｃは、超短パルスレーザ３０７が、第２の所定のラインに沿って、薄膜半導体層３０８側から薄膜半導体素子３１０に照射されている状態の薄膜半導体素子３１０の断面を示す。そして、第２の所定のラインに沿って超短パルスレーザ３０７が照射されることにより、第２の所定のラインに沿って、薄膜半導体素子３１０にスクライブ４０１及びストリート４０２が形成され、同時にストリート４０２の端面にナノ周期構造４０３が形成される。なお、複数の超短パルスレーザを用いて、参照符号７Ｂ及び７Ｃで示される、超短パルスレーザの照射を一度に行なってもよい。参照符号７Ｄは、第１及び第２の所定のラインに沿って、スクライブ４０１、ストリート４０２及びストリート４０２の端面にナノ周期構造４０３が形成された薄膜半導体素子３１０の断面を示す。
【００４８】
参照符号７Ｄの矢印Ａで示す部分にブレーカーブレードがあてられ、薄膜半導体素子３１０は分割される。参照符号７Ｅは、分割後の薄膜半導体素子３１０の断面を示す。本実施形態において製造された薄膜半導体素子３１０は、ストリート４０２の端面にナノ周期構造４０３を有する。
【００４９】
（実施例１）
本発明の実施例１では薄膜半導体素子３１０を製造するための光学系３００において、超短パルスレーザ３０７としてフェムト秒レーザ（波長１．０５μｍ、繰返し１００ｋＨｚ、出力２００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）を用い、基板３０９が厚さ３００μｍのサファイア基板であり薄膜半導体層３０８が厚さ３μｍのＧａＮ膜である薄膜半導体素子３１０を用い、開口数ＮＡ＝０．６５の対物レンズ３０６を用い、偏光方向調整部３０３として半波長板を用い、空間プロファイル調整部３０４として出力減衰器を用い、そして、超短パルスレーザ３０７の照射スポットが互いに密に重なり合うように１００ｍｍ／ｓで薄膜半導体素子３１０を移動させる移動ステージ３１１を用いた。レンズ３０６の焦点は、薄膜半導体層３０８と基板３０９との界面近傍であって基板３０９内部に位置した。空間プロファイルの調整は、この光学系３００において、該薄膜半導体素子３１０に対する経験的に求めた条件を使用して調整した。
【００５０】
図８の参照符号８Ａは、第１実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法を用いて製造した分割後の薄膜半導体素子３１０のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）画像を示す。参照符号８Ａは、図７内の参照符号７Ｅの矢印Ｂの方向から見た画像を示す。この画像において、比較的黒色の部分が薄膜半導体層３０８のＧａＮ膜であり、比較的白色の部分が基板３０９のサファイア基板である。それらの間には、ＧａＮ物質からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造４０３が形成されている。
【００５１】
参照符号８Ｂは、参照符号８Ａで示された画像の破線円で囲まれた部分を拡大し、より明瞭に表示した画像を示す。この画像から明らかなように、参照符号８Ｃで描かれているような、紙面横方向に長手方向を有し紙面縦方向に等間隔に並んだ複数の凹凸構造からなるナノ周期構造４０３が形成された。ナノ周期構造４０３の各凹凸構造は、長手方向に概ね３〜４μｍの長さを有し、凹凸構造間の間隔は、概ね４００ｎｍであった。
【００５２】
このように、本実施例は、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルを制御することで、薄膜半導体素子３１０に対してスクライブ４０１、ストリート４０２、及びストリート端面のナノ周期構造４０３を同時に形成した。本実施例により製造した半導体薄膜素子３１０は、ストリート４０２の端面にナノ周期構造４０３を有しており、従来に比べ向上した光取出し効率特性を有する。
【００５３】
［第２実施形態］
図９は、本発明の第２実施形態に係る、サファイア基板上片面コンタクト構造を有する薄膜半導体素子９１２の製造工程における、薄膜半導体素子９１２の断面の様子を表す模式図である。参照符号９Ａから参照符号９Ｄの順に製造工程が進行する。薄膜半導体素子９１２の製造のために、上記光学系３００を用いることができる。なお、本実施形態の説明において、上記事項と重複する部分については適宜説明を省略してある。
【００５４】
参照符号９Ａは、サファイア基板９０１上に、順に、バッファ層９０２、ｎ−窒化物半導体層９０３、活性層９０４、ｐ−窒化物半導体層９０５、透明電極９０６、ｐ型電極９０７が形成された薄膜半導体素子９１２の断面を示す。その後、フォトリソグラフィー法等により、ｐ型電極９０７がパターンニングされ、ホールの中にｎ型電極９０８が形成される。
【００５５】
参照符号９Ｂは、焦点がサファイア基板９０１内部に位置するレンズ３０６により集められた超短パルスレーザ３０７が、ｐ型電極９０７及びｎ型電極９０８が形成された薄膜半導体素子９１２に対して、第１及び第２の所定のラインに沿って、ｐ型電極９０７側から照射されている状態の薄膜半導体素子９１２の断面を示す。なお、超短パルスレーザ３０７の偏光方向及び空間プロファイルは、所定の条件に従い調整される。そして、第１及び第２の所定のラインに沿って、スクライブ９０９、ストリート９１０及びストリート９１０の端面にナノ周期構造９１１が同時に形成される。ここで、参照符号９Ｂでは、２本の超短パルスレーザ３０７で照射されている状態が描かれているが、上記のように、超短パルスレーザ３０７の照射は、複数の超短パルスレーザを用いて第１及び第２の所定のラインに沿って同時に行われてもよく、又は、１つの超短パルスレーザを用いて第１及び第２の所定のラインそれぞれ別々に行われてもよい。
【００５６】
参照符号９Ｃは、第１及び第２の所定のラインに沿って、スクライブ９０９、ストリート９１０及びストリート９１０の端面にナノ周期構造９１１が形成された薄膜半導体素子９１２の断面を示す。そして、参照符号９Ｃの矢印Ａの部分にブレーカーブレードがあてられ、薄膜半導体素子９１２は分割される。参照符号９Ｄは、分割後の薄膜半導体素子９１２であって、サファイア基板上片面コンタクト構造を有する薄膜半導体素子９１２の断面を示す。
【００５７】
従来の製造方法では結晶成長層側面へのナノ周期構造の形成は非常に困難であった。しかしながら、本実施形態において製造された薄膜半導体素子９１２は、結晶成長層（要素９０２〜９０６を含む層）側面に形成されたナノ周期構造９１１を有する。このため、本実施形態に係る薄膜半導体素子９１２は、従来に比べ向上した光取出し効率特性を有する。
【００５８】
［第３実施形態］
図１０は、本発明の第３実施形態に係る、基板転写構造を有する薄膜半導体素子１０１４の製造工程における、該素子１０１４の断面の様子を表す模式図である。参照符号１０Ａから参照符号１０Ｅの順に製造工程が進行する。本実施形態に係る薄膜半導体素子１０１４の製造のために、上記光学系３００を用いることができる。なお、本実施形態の説明において、上記事項と重複する部分については適宜説明を省略してある。
【００５９】
ＣＶＤ法等により、サファイア基板１００１上に、順に、犠牲層１００２、ｎ−窒化物半導体層１００３、活性層１００４、ｐ−窒化物半導体層１００５を堆積させることにより薄膜半導体素子１０１４を準備する。参照符号１０Ａは、準備された薄膜半導体素子１０１４のｐ−窒化物半導体層１００５の表面全体（又は一部）に超短パルスレーザ３０７が照射され、該表面に第１のナノ周期構造１００６が形成されている状態の薄膜半導体素子１０１４の断面を示す。この中で、ｐ−窒化物半導体層１００５の表面にレンズ３０６の焦点が置かれ、焦点における超短パルスレーザ３０７の空間プロファイルがｐ−窒化物半導体層１００５のアブレーション閾値近傍に最大強度を有するように調整される。そして、超短パルスレーザ３０７の照射スポットが密に重なり合うように、ｐ−窒化物半導体層１００５の表面に超短パルスレーザ３０７が走査される。その結果、ｐ−窒化物半導体層１００５の表面の超短パルスレーザ３０７で照射された部分に第１のナノ周期構造１００６が形成される。
【００６０】
ｐ−窒化物半導体層１００５の表面全体（又は一部）に第１のナノ周期構造１００６が形成された後、その上に、真空蒸着法またはスパッタ法等を用いｐ型電極１００７が堆積され、ｐ型電極１００７がフォトリソグラフィ法等によりパターニングされる。そして、パターニングされたｐ型電極１００７の上にはんだ等により転写基板１０１０が接着される。転写基板１０１０は、Ｓｉ基板やＧｅ基板、ＳｉＣ基板等であってよい。
【００６１】
参照符号１０Ｂは、サファイア基板１００１側からエキシマーレーザ１００８が照射されている状態の薄膜半導体素子１０１４の断面を示す。サファイア基板１００１は、エキシマーレーザ１００８のエネルギーより大きいバンドギャップを有するためエキシマーレーザ１００８を吸収しない。一方、犠牲層１００２は、エキシマーレーザ１００８をよく吸収する物質からなる。そのため、犠牲層１００２は、エキシマーレーザ１００８のエネルギーを吸収することで溶融する。その結果、サファイア基板１００１が半導体薄膜素子１０１４からリフトオフされる。
【００６２】
参照符号１０Ｃは、サファイア基板１００１がリフトオフされた半導体薄膜素子１０１４のｎ−窒化物半導体層１００３の表面全体（又は一部）に超短パルスレーザ３０７が照射され、該表面に第２のナノ周期構造１００９が形成されている状態の薄膜半導体素子１０１４の断面を示す。この中で、ｎ−窒化物半導体層１００３の表面にレンズ３０６の焦点が置かれ、焦点における超短パルスレーザ３０７の空間プロファイルがｎ−窒化物半導体層１００３のアブレーション閾値近傍に最大強度を有するように調整される。そして、超短パルスレーザ３０７の照射スポットが密に重なり合うように、ｎ−窒化物半導体層１００３の表面に沿って超短パルスレーザ３０７が走査される。その結果、ｎ−窒化物半導体層１００３の表面の超短パルスレーザ３０７で照射された部分に第２のナノ周期構造１００９が形成される。
【００６３】
第２のナノ周期構造１００９上に、真空蒸着法またはスパッタ法等により透明電極１０１１及びｎ型電極１０１２が堆積され、フォトリソグラフィ法等によりパターニングされる。参照符号１０Ｄは、焦点が転写基板１０１０内部に位置するレンズ３０６により集められた超短パルスレーザ３０７が、薄膜半導体素子１０１４に対して、第１及び第２の所定のラインに沿って、ｎ型電極１０１２側から照射されている状態の薄膜半導体素子１０１４の断面を示す。なお、超短パルスレーザ３０７の偏光方向及び空間プロファイルは、所定の条件に従い調整される。
【００６４】
そして、第１及び第２の所定のラインに沿って、スクライブ（図示せず）、ストリート（図示せず）、及びストリートの端面に第３のナノ周期構造１０１３が同時に形成される。ここで、参照符号１０Ｄでは、２本の超短パルスレーザ３０７で照射されている状態が描かれているが、上記のように、超短パルスレーザ３０７の照射は、複数の超短パルスレーザを用いて第１及び第２の所定のラインに沿って同時に行われてもよく、又は、１つの超短パルスレーザを用いて第１及び第２の所定のラインに沿ってそれぞれ別々に行われてもよい。
【００６５】
その後、スクライブを起点としてブレーカーブレード等により半導体薄膜素子１０１４が分割される。参照符号１０Ｅは、分割後の薄膜半導体素子１０１４であって、サファイア基板上片面コンタクト構造を有する薄膜半導体素子９１２の断面を示す。
【００６６】
本実施形態において製造された薄膜半導体素子１０１４は、発光部（要素１００３〜１００６及び１００９を含む部分）全面にナノ周期構造１００６、１００９、１０１３が形成されているため、最も向上した光取出し効率特性を有する。また、本実施形態に係る製造方法では、従来のようにＫＯＨを用いた表面テクスチャの形成が不要である。さらに、本実施形態に係る薄膜半導体素子１０１４は、第１及び第２のナノ周期構造１００６、１００９により、電極と窒化物半導体層界面での接触面積が増加するため、該界面において低減した接触抵抗特性を有する。
【００６７】
［第４実施形態］
図１１は、本発明の第４実施形態に係る、ＳｉＣ基板上に窒化物半導体発光層が形成された薄膜半導体素子１１１２の模式図である。本実施形態に係る薄膜半導体素子１１１２は、ＳｉＣ基板１１０１、バッファ層１１０２、ｎ−窒化物半導体層１１０３、活性層１１０４、第１のナノ周期構造１１０５、ｐ−窒化物半導体層１１０６、第２のナノ周期構造１１０７、ｐ型電極１１０８、第３のナノ周期構造１１０９、透明電極１１１０、そして、ｎ型電極１１１１を含む。なお、本実施形態に係る薄膜半導体素子１１１２の製造方法は、第１乃至第３の実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法と略同一であり、詳細な説明は省略する。
【００６８】
本実施形態において製造された薄膜半導体素子１１１２は、発光部（要素１１０２〜１１０７を含む部分）の３面に第１及び第２のナノ周期構造１１０５、１１０７が形成されているため、向上した光取出し効率特性を有する。本実施形態に係る製造方法では、従来のようにＫＯＨを用いた表面テクスチャの形成が不要である。本実施形態に係る薄膜半導体素子１１１２は、第２のナノ周期構造１１０７により、ｐ型電極１１０８とｐ−窒化物半導体層１１０６との界面での接触面積が増加し、該界面において低減した接触抵抗特性を有する。
【００６９】
さらに、本実施形態に係る薄膜半導体素子１１１２は、ＳｉＣ基板１１０１の表面に第３のナノ周期構造１１０９を有する。そのため、ＳｉＣ基板１１０１のＣ（炭素）面の一部が取り除かれ、ＳｉＣ基板１１０１のＳｉ面がＳｉＣ基板１１０１の表面に比較的多く露出している状態にある。このような半金属製の中間生成物が形成される結果、該表面における接触抵抗が低減する。加えて、後の工程においてＣ面電極の高温加熱処理工程が不要となるため、ＳｉＣ基板１１０１上へのＣの析出が抑制され、ＳｉＣ基板１１０１の表面と後の工程で形成される電極との密着性が向上する。
【００７０】
［第５実施形態］
図１２は、物質１２０２の上に物質１２０１が形成された固体物質１２０３に物質１２０１側から超短パルスレーザが照射され、物質１２０２の内部に分割の起点（即ち、スクライブ）として作用する内部加工痕１２０８、物質１２０１にストリート１２０９、及びストリート１２０９の端面に超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質１２０１からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造１２１０が形成された固体物質１２０３の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイル１２０７との関係を例示する図である。
【００７１】
物質１２０１の表面近傍における空間プロファイル１２０６は、Ｘ軸のｘ１〜ｘ６の範囲で物質１２０１のアブレーション閾値Ａｂｒ１２０１よりも大きい強度を有し、その他の範囲ではアブレーション閾値Ａｂｒ１２０１より小さい強度を有する。そのため、ｘ１〜ｘ６の範囲にある物質１２０１がアブレーションにより除去されるが、その他の範囲では物質１２０１は除去されない。
【００７２】
物質１２０１と物質１２０２との界面近傍における空間プロファイル１２０５は、全ｘの範囲で物質１２０２のアブレーション閾値Ａｂｒ１２０２よりも大きい強度を有する範囲を含まない。そのため、物質１２０１と物質１２０２との界面近傍において、物質１２０２は除去されない。そして、焦点Ｆ近傍における空間プロファイル１２０４のみが、ｘ３〜ｘ４の範囲で、物質１２０２のアブレーション閾値Ａｂｒ１２０２より大きい強度を有する。そのため、物質１２０２の内部でのみ物質１２０２がアブレーションされ、その部分のみに分割の起点として作用する内部加工痕１２０８が形成される。
【００７３】
その結果、物質１２０２がアブレーションされた部分に内部加工痕１２０８が生じ、物質１２０１がアブレーションにより除去された部分にストリート１２０９が生じる。ストリート１２０９の端面では、物質１２０１のアブレーション閾値Ａｂｒ１２０１近傍の強度を有する超短パルスレーザが照射される。そのため、ストリート１２０９の端面に、超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質１２０１からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造１２１０が同時に形成される。このように、本実施形態では、内部加工痕１２０８（即ち、スクライブ）が物質１２０２の内部に形成されるため、必要以上に物質１２０２が除去されない。
【００７４】
（その他の実施形態）
本発明による薄膜半導体素子は、サファイア基板上にＧａＮ層を形成した素子、ＳｉＣ基板上にＧａＮ層を形成した素子、ＧａＮ基板上にＧａＮ層を形成した素子、支持基板転写型の素子等であっても良い。
【符号の説明】
【００７５】
３００：光学系、３０１：超短パルスレーザ発生装置、３０２：ミラー、３０３：偏光方向調整部、３０４：空間プロファイル調整部、３０５：ミラー、３０６：レンズ、３０７：超短パルスレーザ、３０８：薄膜半導体層、３０９：基板、３１０：薄膜半導体素子、３１１：移動ステージ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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