CN101926013A - 氮化物半导体发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氮化物半导体发光装置，其具有：含有硅的基板(101)；形成在基板(101)的主面上且具有至少一个开口部(102a)的含有氧化硅的掩膜(102)；在基板(101)的开口部(102a)上选择性形成的含有GaN的种层(104)；形成在种层(104)的侧面的LEG层(105)；形成在LEG层(105)上且包含活性层(107)的n型GaN层(106)及p型GaN层(108)。这里，LEG层(105)通过使用了有机氮原料作为氮源的结晶生长而形成。

Description

氮化物半导体发光装置
技术领域
本发明涉及包含氮化镓(GaN)系化合物半导体、且包含发光二极管元件或半导体激光元件等的氮化物半导体发光装置。
背景技术
发光二极管元件的消耗功率低、寿命长且小型，因此，大多数用于电子设备的显示部。近年来，也多用于便携式电话机的按钮照明等随身设备。发光二极管元件在用途上存在最初发光强度微弱或发光波长比绿色的波长长等制限。近年来，随着使用了氮化物半导体的发光二极管元件的实用化、亮度高的各种发光二极管元件的批量生产化，发光二极管元件被应用于室外显示装置、机动车的头灯及室内照明的光源等。
氮化物半导体是以氮化镓(GaN)为基质的材料系，特别地，通过在GaN中添加铟(In)，能够控制发光波长，从而为高亮度蓝色发光二极管元件的实用化发挥着一部分作用。这种氮化物发光二极管元件通常使用蓝宝石(单晶Al2O3)或碳化硅(SiC)等作为氮化物半导体的生长用基板。前者是氮化物半导体的结晶生长中最常使用的基板。蓝宝石对于发出光为透明，因此，具有也能够从元件的背面取出发出光这一优点。然而，由于蓝宝石为绝缘体，因此电极必须设置在上表面(氮化物半导体侧)，另外，由于蓝宝石非常硬，因此存在加工困难这一问题。另一方面，SiC与GaN的晶格常数接近，因此具有能够促进高品质的氮化物半导体结晶生长这一优点。然而，SiC基板价格高，因此芯片单价必然会变高。
另外，近年来，作为氮化物半导体的生长用基板，位错密度足够低的氮化镓(GaN)自立基板开始被实用化。使用这种基板，不仅能够实现蓝宝石基板及SiC基板的异质外延生长，还能够实现同质外延生长，因此能够实现低位错的结晶生长。因此，多使用于用作次世代光盘装置的光源的蓝紫色氮化物半导体激光元件。另一方面，虽然使用了GaN自立基板的氮化物发光二极管元件的批量生产化也逐步发展，但由于GaN自立基板非常昂贵，因此芯片单价比SiC基板的芯片单价高。
近年来，进而进行了使用硅(Si)作为氮化物半导体的生长用基板的尝试(例如，参照非专利文献1)。Si基板可以以廉价从直径大约到30.5cm(＝12英寸)为止的大口径晶片获取，因此，能够将芯片单价抑制得尤为便宜。另外，在硅基板上实现了半导体激光元件的情况与现有技术相比，也能够将芯片单价抑制一位以上。
【非专利文献1】T.Egawa et al.″Improved CharacterIstIcs of Blue andGreen InGaN-Based Light-Emitting Diodes on Si Grown by MetalorganicChemical Vapor Deposition″，Jpn.J.Appl.PhySics Vol.41(2002)pp.L663-L664
【专利文献1】日本特开2007-235100号公报。
然而，硅(Si)与氮化镓(GaN)的晶格常数也存在20％的不同，因此，在Si基板上生长出的氮化物半导体层的位错密度非常高，与使用了蓝宝石基板、SiC基板或GaN自立基板的情况相比，存在活性层的发光效率低的问题。为了解决上述问题，尝试了基于选择生长法的低缺陷化等，但在氮源仅使用氨(NH3)的选择生长法中，生长出的氮化物半导体层的膜厚较大，因此具有在该氮化物半导体层的表面产生裂纹这类的问题。这是因为，Si与GaN的热膨胀系数之差大，因此在结晶生长后的降温过程中向氮化物半导体层的拉伸应变增大。
发明内容
本发明解决上述现有问题，其目的在于即使氮化物半导体的生长用基板使用了硅，也能够实现缺陷少且无裂纹、具有高亮度且高可靠性的氮化物半导体发光装置。
为了达成上述目的，本发明使氮化物半导体发光装置构成为：从结晶生长用基板上选择性生长出的第一氮化物半导体层(种层)的侧面，进一步使第二氮化物半导体(LEG：Lateral Epitaxial Growth)层选择生长，在选择生长出的第二氮化物半导体层上使包含发光层(活性层)的第三氮化物半导体层生长。
本申请发明人们发现：通过使用二甲基肼(DMHy)等有机氮原料，能够使氮化物半导体层(LEG层)仅从种层的侧面结晶生长。进而实验性地发现：在LEG层上结晶生长出的、包含活性层的氮化物半导体层无位错且无裂纹，活性层的发光效率大幅增大。这是因为，在LEG层，能够有效地使位错等朝向横向(与基板的主面平行的方向)，并且，能够减小氮化物半导体层的总膜厚。
本发明基于上述见解，具体采用以下结构。
本发明所涉及的氮化物半导体发光装置的特征在于，具备：基板；形成在所述基板的主面上且具有至少一个开口部的掩膜；选择性形成在基板的开口部上的第一氮化物半导体层；在第一氮化物半导体层中除与所述基板的主面平行的面之外的侧面形成的第二氮化物半导体层；形成在第二氮化物半导体层上且包含发光层的第三氮化物半导体层。
根据本发明的氮化物半导体发光装置，构成种层的第一氮化物半导体层从掩膜的开口部选择性形成，在形成的第一氮化物半导体层的侧面形成有第二氮化物半导体层。这里，在第二氮化物半导体层通过氮源使用有机氮原料的结晶生长而形成的情况下，该第二氮化物半导体层从第一氮化物半导体层的侧面与基板面大致平行地生长，此时位错等也与基板面平行地加剧。从而，在形成于第二氮化物半导体层上的包含发光层的第三氮化物半导体层中，位错等的发生极其少，且能够减小从第一氮化物半导体层到第三氮化物半导体层的总膜厚。其结果，能够实现亮度及可靠性高的氮化物半导体发光装置。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，第二氮化物半导体层与第一氮化物半导体层及第三氮化物半导体层相比，氢浓度低或碳浓度高。
这样，由于第二氮化物半导体层的氢浓度比第三氮化物半导体层的氢浓度低，因此，能够抑制氢从第二氮化物半导体层向第三氮化物半导体层的发光层扩散，从而在稳定的工作电压下进行发光工作。另外，通过在第二氮化物半导体层中特意混入碳，能够增大晶格常数。即，也能够增大在第二氮化物半导体层上形成的第三氮化物半导体层的晶格常数。由此，在发光层中添加铟(In)的情况下，能够增大其铟组成。即，能够在不降低通常比GaN层的生长温度低的InGan层的生长温度的情况下使发光波长长波长化，因此，能够得到亮度及可靠性高的氮化物半导体发光装置。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，第一氮化物半导体层的侧面的上部相对于下部向开口部的内侧倾斜。
从形成在基板上的掩膜的开口部选择生长而形成的第一氮化物半导体层属于六方晶系，其侧面中上部相对于下部向开口部的内侧倾斜。从而，从掩膜的开口部选择生长出第一氮化物半导体层。
优选本发明的氮化物半导体发光装置还具备在掩膜上以覆盖开口部的方式形成、以铝为主成分的第四氮化物半导体层，第一氮化物半导体层在开口部形成在第四氮化物半导体层上。
这样，由于以铝为主成分的氮化物半导体具有高强度，因此，能够高效地抑制在形成于第四氮化物半导体层上的各半导体层产生的裂纹。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，第一氮化物半导体层与第二氮化物半导体层的界面及第二氮化物半导体层与第三氮化物半导体层的界面中的至少一个不含氧。
这样，第一氮化物半导体层与第二氮化物半导体层或第二氮化物半导体层与第三氮化物半导体层连续地(不用从生长炉中取出)通过结晶生长而形成，即，各半导体层彼此的界面在理想的状态下形成。此外，能够防止杂质所引起的缺陷的产生或非预期的扩散。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，掩膜具有对于发光层所发出的光50％以上的反射率。
这样，能够将从发光层向基板侧放射的发出光向第三氮化物半导体层侧反射，因此，能够高效地将发出光向外部取出。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，掩膜具有导电性，且与第三氮化物半导体层电连接。
这样，通常能够将形成于第三氮化物半导体层上的电极及配线埋入位于第三氮化物半导体层的下侧的掩膜中，电极及配线不会构成发出光的光影，从而能够实现高亮度化。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，在掩膜形成有多个开口部，在相互相邻的一个开口部形成的一方的第二氮化物半导体层及第三氮化物半导体层、与在相互相邻的另一个开口部形成的另一方的第二氮化物半导体层及第三氮化物半导体层彼此空开间隔形成。
这样，在各开口部形成的一第二氮化物半导体层及第三氮化物半导体层不会从与其相邻的另一第二氮化物半导体层及第三氮化物半导体层受到例如结晶生长后的降温时的热应力等的影响。因此，能够进一步抑制在各第二氮化物半导体层及各第三氮化物半导体层产生的裂纹。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，在掩膜形成有空隙部。
这样，当在掩膜形成有裂纹等空隙部时，基板与从第一到第三各氮化物半导体层的连接部实际上仅为掩膜的开口部分。由此，能够进一步减小从基板向各氮化物半导体层施加的应力，从而能够进一步抑制在各氮化物半导体层产生的裂纹。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，第三氮化物半导体层也形成在第一氮化物半导体层上，来自发光层中第二氮化物半导体层的上侧部分的发光波长比来自发光层中第一氮化物半导体层的上侧部分的发光波长长。
在该结构中，意味着发光层中第二氮化物半导体层的上侧部分与发光层中第一氮化物半导体层的上侧部分相比禁带宽度(带隙能)小。从而，在向第三氮化物半导体层注入载体的情况下，载体通过位于位错密度低的第二氮化物半导体层的上侧部分的发光层大量流动，因此能够实现亮度及可靠性的提高。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，发光层在其组成中含有铟，发光层中第二氮化物半导体层的上侧部分的铟组成比发光层中第一氮化物半导体层的上侧部分的铟组成大。
该结构也意味着，发光层中第二氮化物半导体层的上侧部分与发光层中第一氮化物半导体层的上侧部分相比禁带宽度小。从而，在向第三氮化物半导体层注入载体的情况下，载体通过位于位错密度低的第二氮化物半导体层的上侧部分的发光层大量流动，因此能够实现亮度及可靠性的提高。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，基板含有硅。
这样，当第一氮化物半导体层的生长用基板使用硅(Si)时，能够以低成本获得高亮度及高可靠性的氮化物半导体发光装置。
优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，基板中与掩膜相接的上部含有至少50％的硅。
这样，不仅可以使用块状的硅基板，还可以使用至少上部被碳化的碳化硅(SiC)基板。
另外，优选在本发明的氮化物半导体发光装置中，掩膜的上部为第一氮化物半导体层不生长的组成。
这样，能够可靠地将第一氮化物半导体层仅从掩膜的开口部形成。
这种情况下，优选掩膜的上部含有氧化硅。
发明效果
根据本发明的氮化物半导体发光装置，即使在氮化物半导体的生长用基板使用了硅的情况下，也能够实现缺陷少且无裂纹、具有高亮度且高可靠性的氮化物半导体发光装置。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的氮化物半导体发光装置的剖视图。
图2(a)～图2(d)是表示本发明的第一实施方式的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的剖视图。
图3(a)～图3(c)是表示本发明的第一实施方式的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的剖视图。
图4(a)是表示本发明的第一实施方式的氮化物半导体发光装置中结晶生长出第一半导体层(种层)后的X射线衍射结果的图表。
图4(b)是表示本发明的第一实施方式的氮化物半导体发光装置中结晶生长出第二半导体层(LEG层)后的X射线衍射结果的图表。
图5是本发明的第一实施方式的氮化物半导体发光装置中结晶生长出第三半导体层(活性层)后的透射型电子显微镜像。
图6是表示本发明的第一实施方式的氮化物半导体发光装置中结晶生长出第三半导体层(活性层)后的X射线衍射结果的图表。
图7是表示本发明的第一实施方式的氮化物半导体发光装置中结晶生长出第三半导体层(活性层)后的广域的X射线衍射结果的图表。
图8(a)～图8(c)表示本发明的第一实施方式的氮化物半导体发光装置中结晶生长出第三半导体层(活性层)后的观察结果，图8(a)是扫描型电子显微镜像，图8(b)是全波长域的阴极发光像，图8(c)是波长测绘像。
图9是表示本发明的第一实施方式的氮化物半导体发光装置中结晶生长出第三半导体层(活性层)后的光致发光测定的结果及比较例的光致发光测定的结果的图表。
图10是表示本发明的第二实施方式的氮化物半导体发光装置的剖视图。
图11(a)～图11(d)是表示本发明的第二实施方式的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的剖视图。
图12(a)～图12(d)是表示本发明的第二实施方式的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的剖视图。
图13是表示本发明的第二实施方式的一变形例的氮化物半导体发光装置的剖视图。
图14(a)～图14(d)是表示本发明的第二实施方式的一变形例的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的剖视图。
图15是本发明的第三实施方式，是表示由在生长于硅基板上的氮化物半导体产生的裂纹分割出的小片的尺寸与分布的关系的图表。
图16是表示本发明的第三实施方式的氮化物半导体发光装置的立体图。
图17(a)～图17(e)是表示本发明的第三实施方式的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的立体图。
图18(a)～图18(c)是表示本发明的第三实施方式的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的立体图。
图19是表示本发明的第四实施方式的氮化物半导体发光装置的剖视图。
图20(a)～图20(c)是表示本发明的第四实施方式的氮化物半导体发光装置的制造方法的工序顺序的剖视图。
【符号说明】
101基板
102掩膜
102a开口部
103缓冲层
104种层
105LEG层
106n型GaN层
107活性层
108p型GaN层
109半透明电极
110n侧电极
111p侧电极
201基板
201a硅化钛层
202第一绝缘膜
203导电膜
204第二绝缘膜
205掩膜
205a开口部
301反射膜
A元件
B元件
400SOI基板
401Si基板
402绝缘层
403Si薄膜层
403a第一图案
403b第二图案
403c第三图案
404掩膜
404a开口部
405缓冲层
406种层
407LEG层
408n型GaN层
409活性层
410p型GaN层
411p侧电极
412绝缘膜
413n侧电极
501基板
502掩膜
502a开口部
503缓冲层
504种层
505LEG层
506n型GaN层
507活性层
508p型GaN层
509n侧电极
510p侧电极
具体实施方式
(第一实施方式)
参照附图说明本发明的第一实施方式。
图1表示本发明的第一实施方式的作为氮化物半导体发光装置的氮化物发光二极管元件的截面结构。
图1所示的发光二极管元件是使用了六方晶GaN系半导体且发光波长为450nm的蓝色氮化物发光二极管元件。在图1中，在主面的面方位为(111)面的含有硅(Si)的基板101的主面上形成有具有开口部102a的例如厚度为50nm的含有氧化硅(SiO2)的掩膜102。这里，开口部102a的平面形状如后所述地形成为附图的前后方向长的长方形状。另外，与由属于立方晶系的包含Si的基板101的截面(与附图)垂直的方向的面方位为{1-10}面，另外，与截面平行的方向的面方位为{11-2}面。此外，附注于面方位的密勒指数的负号简便地表示跟着该负号的一个指数的倒数。
在掩膜102上，在包含开口部102a的整个面上形成有例如膜厚为40nm的包含氮化铝(AlN)的缓冲层103。从缓冲层103中的开口部102a的底面上通过结晶生长选择性形成有膜厚为100nm的包含氮化镓(GaN)的作为第一氮化物半导体层的种层104。这里，缓冲层103及种层104的面方位中，与基板101的主面平行的方向的面方位与(0001)面对应，与基板101的截面(与附图)垂直的方向的面方位与{1-100}面对应，另外，与截面平行的方向的面方位与{11-20}面对应。此外，种层104中的各侧面是上方相对于基板101的主面的法线向开口部102a的内侧倾斜的斜面，其面方位为{11-22}面。以上所说明的Si及GaN系半导体的各面方位在以下的实施方式中也同样。
在掩膜102上从种层104的各侧面横向(与基板面平行的方向)选择生长出作为第二氮化物半导体层的LEG层105。
在种层104及LEG层105上通过结晶生长顺次形成有作为第三氮化物半导体层的厚度为200nm的n型GaN层106、包含InGaN的具有多重量子井结构的活性层(发光层)107及厚度为200nm的p型GaN层108。
在种层104的上侧的p型GaN层108及活性层107设有使n型GaN层106露出的凹部，在该凹部的底面上形成有由钛(Ti)与金(Au)的层叠膜构成的n侧电极110。另外，在除凹部之外的p型GaN层108上形成有总膜厚为10nm以下的包含镍(Ni)与金(Au)的层叠膜的半透明电极109，在半透明电极109上凹部的外侧区域形成有与n侧电极110结构相同的p侧电极111。此外，n侧电极110并不局限于Ti/Au的层叠膜，可以使用能够与n型GaN层106欧姆接合的金属。另外，p侧电极111形成在包含Ni/Au的半透明电极109上形成，因此，可以使用与n侧电极110相同组成的金属。
以下，参照附图对如上所述构成的氮化物发光二极管元件的制造方法进行说明。
图2(a)～图2(d)及图3(a)～图3(c)表示本发明的第一实施方式的氮化物发光二极管元件的制造方法的工序顺序的截面结构。
首先，如图2(a)所示，在主面的面方位为(111)面的包含Si的基板101的主面上形成厚度为50nm的掩膜102。这里，掩膜102是例如通过氧氛围中的热氧化法得到的热氧化膜。此外，图中的基板101的Si的面方位及后述的各氮化物半导体层的面方位与图1相同。接着，在掩膜102上涂敷抗蚀剂(未图示)，之后利用光曝光(光刻)法形成图案后，浸到缓冲氟酸水溶液来进行蚀刻，由此，在掩膜102形成开口部102a。之后，利用有机溶剂除去抗蚀剂，从而得到图2(a)所示的基底基板。
接下来，如图2(b)所示，在通过例如有机金属气相生长(MetalorganicChemical Vapor Deposition：MOCVD)法准备好的基底基板上，即在掩膜102上包括其开口部102a在内的整个面上生长膜厚为40nm的包含AlN的缓冲层103。接着，在缓冲层103中开口部102a的上侧部分选择生长膜厚为100nm的包含GaN的种层104。这里的结晶生长分别使用三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)及氨(NH3)作为镓(Ga)、铝(Al)及氮(N)的各原料，其生长温度为大约1000℃。这样，含有AlN的缓冲层103覆盖基底基板的整个面。这是因为AlN的迁移距离短，无论有无开口部102a，缓冲层103都在基底基板的整个面上生长。另一方面，缓冲层103上的种层104仅在基底基板的开口部102a生长。
对上述情况如下进行说明。包含AlN的缓冲层103将基底基板在整个面上覆盖，但仅缓冲层103中开口部102a的上侧部分承袭了基板101中Si的结晶性。相对于此，在缓冲层103中掩膜102的上侧部分AlN的结晶性低劣。GaN生长时的迁移距离比AlN生长时的迁移距离大，镓原料到达缓冲层103的表面后，没有立刻固接，在直到失去动能的期间在表面上到处移动。之后，在结晶性良好的开口部102a上的缓冲层103上最终稳定。通过这种机构，包含GaN的种层104在缓冲层103中主要形成于开口部102a的上侧的区域生长。这里，种层104的侧面成为其面方位为{11-22}面的斜面而露出。相对于此，缓冲层103及种层104保持基板101中Si的结晶信息及位错方向的同时，向与基板101的主面大致垂直的方向结晶生长，因此，缓冲层103及种层104的位错成为主要与基板101的主面垂直的方向。
接下来，如图2(c)所示，接着种层104的生长，使用二甲基肼(DMHy)代替氨(NH3)作为氮原料，从种层104的各侧面选择生长包含GaN的LEG层105。此时的结晶生长温度为大约800℃，氨的供给停止。具体而言，基于DMHy的GaN的生长与使用氨的情况相比能够实现特殊的生长模式，GaN仅从种层104的侧面仅向横向新生长。将该仅向横向生长的半导体层称作横向外延生长(LEG)层105，这里，通过将DMHy的流量设定得多，即使以大约10μm/h的高速的结晶生长速度，也能够维持高品质的结晶性。LEG层105的结晶面方位与种层104相同。这样，LEG层105仅向横向生长，因此，LEG层105与种层104的界面上的位错全部朝向横向(与基板面平行的方向)。
另外，如上所述，作为包含GaN的LEG层105的生长条件，通过将DMHy的流量设定得多，由此能够将DMHy所含有碳(C)特意地(积极地)取入LEG层105中。被积极地取入LEG层105中的碳起到使该LEG层105的晶格常数变大的作用，进而也具有增大后续工序中形成的活性层107的铟组成的作用。这里，LEG层105中的碳浓度为例如从1×1019cm-3到5×1020cm-3左右。
进而，通过使用DMHy作为LEG层105的氮原料，能够降低LEG层105中的氢(H)浓度。这是由于，DMHy的热分解过程中不稳定的甲基(CH3)游离，该游离的甲基(CH3)与作为甲烷(CH4)稳定化而处于表面的氢高效地结合。其结果，LEG层105中的氢浓度与n型GaN层106等其他氮化物半导体层的氢浓度相比进一步低下。由此，能够高效地抑制氢向活性层107的扩散，进而有助于本发光二极管元件的工作电压的稳定化。
这里，对本申请发明人们得出的详细的实验结果进行说明。
图4(a)及图4(b)分别表示基于DMHy的LEG层105的生长前后的X射线衍射结果。衍射峰值与构成种层104的GaN(0002)对应。横轴为2θ-ω轴，与晶格常数的倒数对应。另一方面，纵轴为ω轴，表示从中心的结晶的倾斜度。从图4(a)可以确认单峰性的GaN(0002)峰值。另一方面，从图4(b)所示的使用了DMHy的LEG层105的生长后的X射线衍射结果可知，在比GaN(0002)峰值低的低角侧存在两个尖锐的峰值。上述两个峰值是LEG层105的结晶信息，从半值宽度的清晰度可知结晶性良好。另外，从位于2θ-ω轴上的低角侧可知晶格常数变大。这是因为上述的碳(C)的特意取入的效果。另外，由于相对于ω轴也有±0.3度左右的偏离。因此意味着，各LEG层105的上表面的法线相对于基板101的开口部102a上的法线分别向外侧倾斜。
接下来，如图2(d)所示，在图2(c)所示的外延结构上继续进行结晶生长。在开始结晶生长前，停止DMHy的供给的同时开始氨的供给。将结晶生长温度上升到最适于n型GaN层106以后的外延层生长的温度即大约1000℃，之后，进行MOCVD生长。这里的生长使用三甲基铟(TMI)作为添加到活性层107中的铟(In)原料。另外，n型的掺杂原料及p型的掺杂原料分别使用硅烷(SiH4)气体及环戊二烯镁(Cp2MG)。其他原料与到LEG层105为止的外延层所使用的原料相同。
具体而言，在种层104及LEG层105上，厚度为200nm的n型GaN层106以上表面平坦地方式生长。接着，在n型GaN层106上生长包含InGaN的具有多重量子井结构(3QW)的活性层107。这里，为了使活性层107中的井层的发光波长变成450nm，严格控制其层厚及铟组成。接着，在活性层107上生长厚度为200nm的p型GaN层108。之后，在氨流动的同时降低温度，完成一系列的结晶生长作业。此时，由于从图2(a)所示的基底基板连贯进行结晶生长，因此在各结晶生长层的界面不存在氧等污染物质。因此，在各结晶生长层的界面中不会产生不必要的缺陷或位错。另外，由于在没有降温到常温的情况下连贯进行结晶生长，因此，不会对各结晶生长层附加不必要的热应力，能够保持良好的结晶性。在第一实施方式中，在包含AlN的缓冲层103中掩膜102的上侧部分没有独立生长出LEG层105及n型GaN层106等结晶生长层。各结晶生长层仅从种层104生长。其原因如前述，掩膜102的上侧部分的AlN的结晶性低。
进行了这样一系列的结晶生长的外延层的透射型电子显微镜(Transmission Electron Microscope：TEM)照片如图5所示。这里，为了进行活性层107及基底结构的评价，没有生长p型GaN层108，仅将生长到活性层107为止就停止了的试料用于评价。另外，总生长膜厚为大约1.5μm。图5中，黑色的筋状部分为位错。另外，明确可知，图5中白色虚线表示各部的交界，分别表示包含硅的基板、包含SiO2的掩膜、基于氨的第一生长部(Seed-GaN)、基于DMHy的第二生长部(LEG-GaN)及基于氨的第三生长部3QW/GaN。
从图5可知，Seed-GaN从基底基板的硅生长而成，因此，位错向与基板面垂直的方向延伸。可知第二生长部LEG-GaN是基于DMHy的LEG结构，位错以与Seed-GaN的界面为起点，仅向横向延伸。另外可知，第三生长部3QW/GaN在Seed-GaN的正上方位错连续向上方生长。相对于此，第三生长部3QW/GaN在第二生长部LEG-GaN上几乎看不到位错。这种情况如下考虑，因为LEG-GaN从基于DMHy的侧面选择生长，因此位错在上下方向不存在，其结果，在LEG-GaN上生长出的3QW/GaN也变得无位错。因此，在LEG-GaN上生长出的活性层中几乎没有位错，能够实现高发光效率。另一方面，预料到在Seed-GaN上生长出的活性层的贯通位错多、发光效率也低这一情况。
着眼于图5的右端部，在包含SiO2的掩膜的右端部观察到向斜上方延伸的白色筋(空隙部)。这是由于，结晶生长后降温时的各结晶生长层的热收缩量比基底基板的硅的热收缩量大，例如由于LEG-GaN的拉拽而导致裂纹进入强度最弱的掩膜处。这里虽然是选择生长，但图2(c)所示的掩膜102上的缓冲层103与其上的LEG层105的密接性非常高是导致上述情况的原因。由于从基板101向各结晶生长层施加不均匀的力，因此缓冲层103不存在于掩膜102与LEG层105之间、而与掩膜102和LEG层105直接相接的情况是在各结晶生长层引起裂纹的主要原因。即，如图2(c)所示，通过将包含AlN的缓冲层103形成在掩膜102上，能够向掩膜102特意导入裂纹，由此，能够成功抑制在各结晶生长层产生的裂纹。另外，由于能够减小各结晶生长层的残留形变，因此，能够减轻活性层107中量子井层内的分极而导致的载体分离。从而，能够进一步增大发光效率。
图6表示图5中的生长到第三生长部3QW/GaN后的X射线衍射结果。这里，放大表示GaN(0002)峰值的附近。纵轴及横轴与图4(a)及图4(b)同样。在图6中，在图4(b)中观察到的两个小的峰值消失。可知取而代之地是，一体化为纵向长的椭圆状的单峰性峰值。这是因为，通过第三生长部拉伸基于DMHy的LEG层105。另外可知，由于拉伸力非常强，裂纹进入掩膜102由此降低结晶生长层的整体的残留形变。然而，如前所述，使LEG层105中特意含有大量的碳，因此，与GaN峰值相比晶格常数稍变大。因此，峰值呈纵轴方向长的弓形。进而可知，峰值相对于ω轴方向的半值宽度变得尤为广，因此，n型GaN层106的表面在LEG层105的上微倾斜。
图7表示生长到第三生长部3QW/GaN为止的试料的广域X射线衍射结果。图7中，最大峰值与GaN(0002)对应，从该最大峰值向纵轴方向延伸的理由如前所述。在图7中，因GaN产生的强峰值的左右存在些许峰值。特别在2θ-ω轴的原点位置，在比GaN(0002)峰值低0.5度的低角侧观察到峰值，但该峰值与包含InGaN的量子井层的0次衍射峰值对应，由此可以求出铟组成为大约8％。另一方面，随着ω轴从原点偏离，量子井层的0次衍射峰值向低角侧移动。例如，±0.5°处的从GaN(0002)峰值的移动量为大约-0.7度，这与铟组成大约10％相当。如前所述，LEG层105上的n型GaN层106的表面微倾斜，因此，考虑到这是由于铟的取入效率增大所导致的。即意味着，虽然处于与n型GaN层106相同的生长温度下，也能够实现铟组成高的量子井层结构。另外，若考虑到铟的取入效率具有随着生长温度上升而减少的倾向，则在比较高温下仍能够制作高铟组成的InGaN量子井层结构，能够结晶成长出具有更高结晶性的活性层107。
图8(a)表示制作出的试料的基于扫描型电子显微镜(ScanningElectron Microscope：SEM)的上表面观察像。使用的试料与TEM观察中使用的试料相同。图8(a)中，浓灰色部分表示掩膜102，比较淡的灰色部分表示再生长出的活性层107。从图8(a)可知，在SEM观察程度下，活性层107的表面完全平坦。另外，在各结晶生长层的接合部也完全观察不到高低差等。通常，不使用掩膜而在包含硅的基板上结晶生长氮化物半导体时，开始产生大约0.5μm的厚度的裂纹。在本发明中，尽管总膜厚为大约1.5μm，但在结晶生长层的表面完全观察不到裂纹。这是由于，对于包含硅的基板101而言，仅通过掩膜102的开口部102a支承，因此，对裂纹的抵抗性提高。另外，如TEM观察中所看到的那样，裂纹优先进入掩膜102中也是原因之一。
接下来，在图8(b)中示出利用阴极发光(Cathode Luminescence：CL)法测定图8(a)的试料的相同区域的结果。从图8(b)可知，与活性层107中种层104的上侧部分相比，LEG层105的上侧部分在整个面发光。另外，在种层104的上侧部分能够确认多个暗点。这也如从图5的TEM观察的结果确认的那样，考虑是由于向试料的表面延伸的贯通位错所导致的。另一方面，由于在活性层107中LEG层105的上侧部分存在贯通位错，因此考虑有，在基于CL法的观察结果中也观察不到暗点，整个面发光。
接下来，为了研究铟(In)向活性层107的取入效率，在图8(c)中示出CL发光峰值波长的测绘结果。试料的测定区域与图8(a)及图8(b)相同。从图8(c)可知，活性层107中种层104的上侧部分的CL峰值波长为大约390nm。相对于此，活性层107中LEG层105的上侧部分的CL峰值波长变成比种层104的上侧部分的CL峰值波长长20nm～30nm左右的长波长。这是由于，如前所述，通过碳的取入而引起的晶格常数的增大与n型GaN层106的表面的微倾斜，铟的取入增大。铟组成增大2％时，可知发光波长向长波长侧移动大约20nm左右，X射线衍射的结果与CL结果匹配。另外，活性层107中LEG层105的上侧部分的CL峰值波长随着离开种层104而进一步向长波长侧移动。原因考虑有，在n型GaN层106的外侧部分，形变进一步缓和且晶格常数进一步变大，与内侧相比表面成为更容易取入铟的倾斜面。
接下来，对于来自活性层107的发光强度，在图9中示出基于光致发光(Photo Luminescence：PL)测定的测定结果。也同时示出作为比较例的、在没有使用掩膜的包含硅的基板上结晶生长出的量子井层活性层的PL测定结果。这里，比较例的量子井层的生长条件与本发明的试料的生长条件相同。从图9可知，本发明的试料与比较例相比PL发光强度提高了数倍。这是由于，在活性层107中LEG层105的上侧部分位错显著减少，载体经由位错的漏泄大幅减少。另外考虑有，由于量子井层结构的活性层107的铟组成大，因此，有效发挥并层中载体的封入效果。如CL测定的结果中所述的那样，本发明的试料的PL发光峰值波长与比较例相比大幅向430nm附近移动。认为这种情况如前所述是由于碳的取入所引起的晶格常数的增大和n型GaN层106的表面的微倾斜所导致的。在CL测定中，活性层107中掩膜102的开口部102a上的区域也以390nm附近的波长发光，但发光强度微弱，因此，隐藏在活性层107中LEG层105上的区域的发光峰值中而无法分离。另外，活性层107中LEG层105上的禁带宽度比种层104上的禁带宽度窄，因此认为，载体向LEG层105的上侧移流而有助于发光。
这样，根据验证了第一实施方式的氮化物半导体层的生长技术的结果，本申请发明人们得到以下四点见解。
(1)通过导入LEG生长，能够将活性层以无位错的方式形成。
(2)通过向LEG生长部特意取入碳且对LEG生长部上的GaN层附加微倾斜，能够增大活性层的铟组成。
(3)通过在掩膜上堆积AlN，能够特意使裂纹进入掩膜，能够实现活性层的形变缓和与裂纹的抑制。
(4)在掩膜的多个开口部上分别形成的多个氮化物半导体层相互分离而使厚膜化变得容易，从而飞跃性提高对裂纹的抵抗性(详细后述)。
如以上说明的那样，对图2(d)所示的优良的发光效率及无裂纹的外延结构顺次进行处理，能够得到所期望的氮化物发光二极管元件。
具体而言，如图3(a)所示，通过真空蒸镀法或溅射法在p型GaN层108上形成厚度为10nm以下的包含Ni/Au的半透明电极109。
接下来，如图3(b)所示，使用以氯气(Cl2)作为蚀刻气体的感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma：ICP)蚀刻装置，将保护膜图案(未图示)作为掩膜，对种层104的上侧部分的半透明电极109、p型GaN层108及活性层107进行顺次蚀刻而形成使n型GaN层106露出的凹部。之后，为了恢复氯气所引起的蚀刻损伤，在氮(N2)气氛中实施退火处理。
接下来，图3(c)所示，通过保护膜涂敷、光曝光及显影形成具有使相对于半透明电极109上凹部的外侧区域和凹部的底面露出的开口图案的保护膜(未图示)。之后，通过真空蒸镀法或溅射法在保护膜上形成包含Ti/Au的层叠膜，利用提离法除去保护膜在半透明电极109上形成p侧电极111、且在n型GaN层106上从凹部露出的露出部分形成n侧电极110。
经过以上的处理，能够实现高亮度且可靠性高的氮化物发光二极管元件。
此外，在第一实施方式中，在活性层107与种层104及LEG层105之间形成有单层的n型GaN层106，但也可以取代该单层的n型GaN层106而形成具有短周期超晶格结构的氮化物半导体层。
另外，p型GaN层108也可以是具有短周期超晶格结构的氮化物半导体层。这样，能够进一步抑制在氮化物半导体层产生的裂纹，能够实现进一步的厚膜的生长。此外，若p型GaN层108使用短周期超晶格结构，则也能够起到提高接受体的活性率。
(第二实施方式)
以下，参照附图说明本发明的第二实施方式。
图10表示本发明的第二实施方式的氮化物半导体发光装置，表示氮化物发光二极管元件的截面结构。对图10中与图1所示的结构部件相同的结构部件标注相同的符号而省略说明。
图10所示的氮化物发光二极管元件是使用了六方晶GaN系半导体、发光波长为450nm的蓝色氮化物发光二极管元件。
如图10所示，在主面的面方位为(111)面的包含N型硅(Si)的基板201的主面上具有开口部205a，形成有由第一绝缘膜202、导电膜203及第二绝缘膜204构成的掩膜205。这样，第二实施方式的掩膜205构成为在第一绝缘膜202及第二绝缘膜204之间夹有导电膜203的层叠结构。这里，例如第一绝缘膜202包含膜厚为100nm的SiO2，导电膜203包含膜厚为100nm的n型多晶硅，第二绝缘膜204包含膜厚为300nm的SiO2。
如图10所示，第二实施方式的氮化物发光二极管元件中，在掩膜205的内部形成有导电膜203。从而，通过将半透明电极109的端部与掩膜205的导电膜203电连接，从而能够将p侧电极111形成在掩膜205上。因此，没有必要在p型GaN层108上设置p侧电极111，从而在不牺牲p型GaN层108的发出光的透射面积的情况下得到相对于电极焊盘的形成位置高的自由度。
进而，在第二实施方式中，n侧电极110也贯通种层104及缓冲层103中掩膜205的开口部205a，而与基板201电连接。此外，这里，在n侧电极110中与基板201接合的部分形成有硅化钛层201a，在p侧电极111中与导电膜203接合的部分形成有硅化镍层203a。
以下，参照附图对如上所述构成的氮化物发光二极管元件的制造方法进行说明。
图11(a)～图11(d)及图12(a)～图12(d)表示本发明的第二实施方式的氮化物发光二极管元件的制造方法的工序顺序的截面结构。
首先，如图11(a)所示，在主面的面方位为(111)面的包含N型硅的基板201的主面通过热氧化法形成厚度为100nm的包含SiO2膜的第一绝缘膜202。接着，通过使用了硅烷气体的化学气相生长法在第一绝缘膜202上形成包含添加了磷(P)作为N型杂质的N型多晶硅的导电膜203。接着，通过等离子体气相生长(p-CVD)法在导电膜203上形成厚度为100nm的包含SiO2膜的第二绝缘膜204。
接下来，虽未图示，在第二绝缘膜204上进行抗蚀剂的涂敷、光曝光及显影而形成抗蚀剂图案，使用形成的抗蚀剂图案在第二绝缘膜204、导电膜203及第一绝缘膜202形成如图11(b)所示的具有开口部205a的掩膜205。具体而言，首先，通过使用了CF4系气体(以CF4为主成分的蚀刻气体)的反应性离子蚀刻法，在第二绝缘膜204转印开口图案，接着，通过使用了氯气系气体干式蚀刻法，在导电膜203也转印开口图案。接着，使用王水在导电膜203中从开口部205a的侧壁露出的露出部分形成宽度(进深)为40nm以上的底切。这是为了防止在后续工序中构成缓冲层103的氮化铝(A1N)从由导电膜203的开口部205a露出的露出面即(111)面异常生长而对从基板201生长出的缓冲层103造成恶劣影响。接着，再次通过CF4系反应性离子蚀刻法在第一绝缘膜202转印开口图案，之后利用有机溶剂除去抗蚀剂图案。这样，使用干式蚀刻法及湿式蚀刻法能够形成具有再现性优越的开口部205a的掩膜205。图12(d)表示图11(b)中导电膜203的平面结构，该图11(b)与图12(d)的XIb-XIb线处的截面相当。如图12(d)所示，各平面长方形状的区域为基底层即基板201的露出部分，在附图的右侧，假想剥离第二绝缘膜204来表示形成有底切的导电膜203。如图12(d)所示，以平面长方形状露出的基板201与导电膜203之间通过底切除去导电膜203，成为仅第一绝缘膜202及第二绝缘膜204。此外，从图12(d)可知，导电膜203在基板201上的整个面连续形成。这是为了如后述那样使用该导电膜203作为配线等进行导电。
接下来，如图11(c)所示，与第一实施方式同样地利用MOCVD法在包括开口部205a的掩膜205上通过结晶生长顺次形成包含AlN的缓冲层103、包含N型GaN的种层104、基于DMHy的LEG层105、n型GaN层106、包含InGaN的活性层107及p型GaN层108。此外，在第二实施方式中，考虑到在后续工序中形成的n侧电极110，种层104中预先掺杂有硅，导电特性成为n型。另外，在LEG层105中，也与第一实施方式同样地，在该LEG层105上生长出的活性层107中几乎不产生位错，且在由氮化物半导体构成的各结晶生长层的整个面上不存在裂纹。
接下来，如图11(d)所示，通过保护膜涂敷、光曝光及显影在缓冲层103上p型GaN层108的两侧部分形成具有开口图案的保护膜(未图示)。接着，将形成的保护膜作为掩膜，通过ICP干式蚀刻法挖入缓冲层103及第二绝缘膜204，使其下的导电膜203露出。
接下来，如图12(a)所示，除去保护膜后，通过蒸镀形成包含Ni/Au的半透明电极109，并实施规定的退火处理。由此，降低p型GaN108与半透明电极109的电阻抗，并且，在构成掩膜205的导电膜203与半透明电极109之间形成硅化镍层203a。其结果，也能够降低导电膜203与半透明电极109的接合部处的电阻抗。
接下来，如图12(b)所示，通过保护膜涂敷、光曝光及显影在半透明电极109上种层104的上侧部分形成具有开口图案的保护膜(未图示)。接着，将保护膜作为掩膜，通过ICP干式蚀刻法对p型GaN层108及活性层107中因位错而导致发光效率低的种层104的上侧部分进行蚀刻。进而，蚀刻n型GaN层106及种层104直到基板201露出为止。
接下来，如图12(c)所示，通过提离法分别形成包含Ti/Au的n侧电极110及p侧电极111。这里也与第一实施方式同样地，即使p侧电极111与n侧电极110采用相同的材料，也能够减小半透明电极109与p侧电极111之间的阻抗，因此，从处理的简便性出发使材料相同。之后，对形成的n侧电极110及p侧电极111进行退火，将n侧电极110与基板201的接合部制成硅化钛201a，从而将基板201用作n侧电极110的电极焊盘。
这样，在第二实施方式中，p侧电极111没有在位于活性层107的上侧的p型GaN层108上形成。其结果，与p侧电极111在p型GaN层108上形成的情况相比，能够增加来自活性层107的发出光的能够发光的面积。
另外，由于将包含n型多晶硅的导电膜203设置在掩膜205的内部的整体，因此能够将p型电极111的配置位置的自由度设定得高。从而，在不会因p侧电极111牺牲能够发光的面积的情况下，能够得到p侧电极焊盘的形成位置的高自由度。由此，能够实现具有高亮度且高可靠性的氮化物发光二极管元件。
此外，在第二实施方式中，通过气相生长法形成包含装入掩膜205中的N型多晶硅的导电膜203，但也可以使用SOI(Silicon on insulator)基板，不会有损本发明的效果。
另外，n侧电极110与包含n型硅的基板201相接，但与第一实施方式同样地，从n型GaN层106的表面取出也能够充分发挥本发明的效果。
(第二实施方式的一变形例)
以下，参照附图对本发明的第二实施方式的一变形例进行说明。
图13是本发明的第二实施方式的一变形例的氮化物半导体发光装置，表示氮化物发光二极管元件的截面结构。对图13中与图10所示结构部件相同的结构部件标注相同的符号而省略说明。
如图13所示，其特征在于，在掩膜205中，在包含N型多晶硅的导电膜203与包含SiO2的第二绝缘膜204之间设有厚度为50nm的包含铑(Rh)的反射膜301。
铑具有相对于蓝色光大约75％的反射率，与硅的反射率的46％相比高大约6成左右。另外，铑的熔点在2000℃以上，与硅都不会发生反应，因此是最佳的金属材料。这里，包含n型多晶硅的导电膜203抑制热处理中反射膜301的变形，并且用于改善与第一绝缘膜202的密接性而导入。
另外，在p型GaN层108的外侧的区域，包含Ti/Au的半透明电极109与包含Rh的反射膜301相接而形成p侧电极111的焊盘区域。从而，在本变形例中，在焊盘区域没有形成硅化物层。
以下，参照附图对如上构成的氮化物发光二极管元件的制造方法进行说明。
图14(a)～图14(d)表示本发明的第二实施方式的一变形例的氮化物发光二极管元件的制造方法的工序顺序的截面结构。
首先，如图14(a)所示，在主面的面方位为(111)面的包含n型硅的基板201的主面通过热氧化法形成厚度为100nm的包含SiO2膜的第一绝缘膜202，接着，在第一绝缘膜202上形成包含n型多晶硅的导电膜203。
接下来，如图14(b)所示，通过抗蚀剂涂敷、光曝光及显影在导电膜203上形成具有覆盖开口部205a的掩膜图案的抗蚀剂膜(未图示)。接着，通过真空蒸镀法在包括抗蚀剂膜的导电膜203的整个面上蒸镀厚度为50nm的铑膜，之后通过除去抗蚀剂膜的提离法从铑膜形成具有开口图案的反射膜301。接着，通过等离子体气相生长法在具有开口图案的反射膜301上形成厚度为100nm的由SiO2膜构成的第二绝缘膜204。
接下来，图14(c)所示，与第二实施方式同样地，使用反应性离子蚀刻法及湿式蚀刻法在反射膜301的开口图案的中央部分形成具有开口部205a的掩膜205。
接下来，如图14(d)所示，与第二实施方式同样地，利用MOCVD法在含有开口部205a的掩膜205上通过结晶生长顺次形成包含AlN的缓冲层103、包含n型GaN的种层104、基于DMHy的LEG层105、n型GaN层106、包含InGaN的活性层107及p型GaN层108。此时，由于构成反射膜301的铑化学上非常稳定，因此，在结晶的生长中，也不会被氨等侵袭。
接着，在p型GaN层108的外侧部分连接半透明电极109与反射膜301而形成p侧电极111。之后，从位于掩膜205的开口部205a的上侧的p型GaN层108贯通缓冲层103而露出基板201，电连接n型GaN层106与基板201的露出部分而形成n侧电极110。
如以上说明的那样，在本变形例中，在掩膜205设有由具有高反射率的铑构成的反射膜301，因此，活性层107中向基板201方向发出的光被反射膜301向基板201的上方反射。反射膜301使用金属的优点可以列举若干。首先，可以举出使用如铑(Rh)这样的贵金属的情况不会发生时效劣化的优点。另外，也可以举出由于具有导电性，因此能够代替由N型多晶硅构成的导电膜203而使电流流动的优点。由于金属与多晶硅相比导电率高，因此能够降低驱动电压，并且也能够抑制产生热。
另外，在将掩膜205构成为层叠有多个介电体膜而成的介电体多层反射膜的情况下，若光的入射方向从介电体多层反射膜的设计角度偏离，则无法显现出设计那样的反射率。因此，将相对于光的入射方向的反射率全部平均化时，现实情况就是无法获得非常高反射率。相对于此，在由金属构成反射膜301的情况下不存在入射角度相对于反射率的依存性，例如为铑的情况能够相对于全方位得到大约75％的反射率。进而，这种情况下，即使取相对于全部入射方向的平均值，反射率还是为大约75％，与介电体多层反射膜相比能够综合上实现高反射率。
这样，通过在掩膜205的内部形成由金属构成的反射膜301，能够提高光取出效率，因此，能够得到具有高亮度且高可靠性的氮化物发光二极管元件。
此外，在本变形例中，将反射膜301设置在除开口部205a之外的整个面上，但反射膜301未必需要设置在掩膜205的整个面上，即，只要设置在活性层107的至少下侧的区域，也能够发挥本发明的效果。另外，若设置在整个面，则也具有能够降低构成反射膜301的金属所引起的热应力这一效果。
另外，在本变形例中，虽然反射膜301使用了铑(Rh)，但取代铑而使用钯化银(AgPd)合金也具有效。银单体对蓝色光具有90％以上的高反射率，但存在熔点低的问题。相对于此，若制成含有钯50％左右的合金，则能够将熔点提高至1300℃左右，成为耐受氮化物半导体的结晶生长的反射材料。此外，钯对蓝色光的反射率为大约64％，因此合金的反射率与银单体的反射率相比降低，成为70％左右。该反射率的值与铑的反射率大致相同。另外，钯化银合金能够通过王水等进行蚀刻，因此也具有如下优点：在形成开口图案的形成方法中，除提离法外，还多了湿式蚀刻法等选择。
(第三实施方式)
以下，说明本发明的第三实施方式。
首先，基于本申请发明人们所进行的实验结果说明含有硅(Si)的基板与在该基板上生长的氮化物半导体层中产生的裂纹的关系。
以下情况如前所述：在硅基板上结晶生长出氮化物半导体时，若比较厚地生长则会有裂纹进入。特别当厚度为0.5μm左右时为阈值，若超过该阈值则急剧地产生裂纹。本申请发明人们对在硅基板上生长出厚度为1.2μm的氮化镓(GaN)而成的试料的表面产生的裂纹进行了详细研究。
若在生长出试料的表面产生裂纹，则试料的表面被分割成多个小片。小片通过裂纹平面形状取得正三角形、平行四边形或梯形等形状。另外，氮化物半导体在面方位的(0001)面上具有6次对称性，因此各顶点所成的角度成为接近60°或120°的值。这里，测定了各小片中最长的边的长度a和与其相邻边的长度b。从而，a＝b的情况意味着正三角形、a＞b的情况意味着平行四边形或梯形。对于平行四边形而言，与面积及外周的长度相等的梯形等价，而一并考虑。
图15是小片相对于边a及边b的分布。在图15中，容易可知，也同时记述了调换a与b的情况(相对于直线a＝b镜像)的分布。从图15可知，a＝b的正三角形非常多，多数分布在其短边(近辺)的尺寸。另一方面，可知也存在长边非常长的小片，也存在达到几百μm的小片。
这里，如图15的插图所描述的那样，求解从梯形的周围切掉边缘d时的内侧的面积A时，单纯的几何学的计算的结果、面积A使用a、b及d由下式[公式1]表示。
A = 3 4 ( b - 2 3 d ) ( 2 a - b - 8 3 3 d ) (公式1)
这里，若将面积A和边缘d视为参数，则能够从上式看出a与b的关系。相对于图15所得到的分布，以覆盖[公式1]中分散分布的A与d的值的最大值的方式求出a与b的关系，得到图15中虚线所示的曲线。此时的A及d分别为8000μm2及6.5μm。这样，可以通过[公式1]所赋予的几何学的关系求解小片的分布的最大值。另外，一个边的长度在13μm以下时，面积A变成负值。这种情况意味着裂纹不会产生。特别在图15中，散见有非常细长的小片的情况的原因考虑也在于此。
对上述情况的物理解释如下所述。
首先，边缘d表示与裂纹相邻的区域。因此考虑有，在硅与氮化物半导体之间存在的残留形变通过裂纹大体上被解放。即，边缘d相当于在裂纹的作用下使残留形变消失的区域。另一方面，减去边缘d的区域的面积A的部分为边的内侧，因此维持着残留形变。另外，通过剩余的面积A的区域限制小片的最大尺寸这一事实意味着用于小片存在的残留形变能具有极限值。另外，由于具有生长膜厚越大、面积A的值呈大致反比例变小的倾向，因此，结果上导致小面积的小片增多。另一方面，对于边缘d而言，即使生长膜厚增大也不怎么变化。
如以上所述，相对于生长膜厚具有用于小片存在的极限值。另外，在硅基板上使氮化物半导体以岛状生长、在呈岛状生长出的氮化物半导体制作发光设备的情况需要制成不超过面积A那样的尺寸。然而，从操作作业的容易性出发，通常的发光设备的芯片尺寸的最小值为200μm×200μm左右。这种情况的芯片面积为40000μm2，无裂纹的膜厚仅允许到几百nm。若为在硅基板上制作蓝紫色激光元件的情况，则为了光束形状的稳定性及基底基板的干涉，需要更厚的膜厚。这种情况在发光二极管元件(LED)中也同样，若考虑在挖入至位于活性层下的n型GaN层为止而形成n侧电极，则需要一定程度的厚度。然而，如前所述，通过面积A限制小片的最大尺寸，因此需要采用在一个芯片上形成有多个发光元件的设备结构。
基于以上的有关于裂纹的实验结果及考察，参照附图以本发明的作为氮化物半导体发光装置的发光二极管元件为例进行说明。
特别，本实施方式与第二实施方式同样地向形成在基板上的掩膜附加功能，除此之外，使用SOI(Silicon on Insulator)基板对高效连接多个发光元件的方法进行说明。
图16所示的氮化物发光二极管元件是使用了六方晶GaN系半导体、发光波长为450nm的蓝色氮化物发光二极管元件，例如包括两对元件A与元件B成一对的元件。
第三实施方式的发光二极管元件使用包括：基底层的Si基板401、绝缘层402、含有高掺杂的N型硅的面方位为(111)面的Si薄膜层403的SOI基板400。
这里，Si薄膜层403如后所述形成为有图案：成为GaN所构成的种层406的种结晶的第一图案；与p侧电极411连接的第二图案；夹着绝缘膜412而与n侧电极413连接的第三图案来形成图案。
以元件A为例，在Si薄膜层403上形成有具有使Si薄膜层403的第一图案露出的开口部的含有SiO2的掩膜404，在包括该开口部的掩膜404上通过结晶生长顺次形成有包含AlN的缓冲层405、包含GaN的种层406、该种层406的侧面的LEG层407、以及种层406及LEG层407上的n型GaN层408、活性层409及p型GaN层410。
在p型GaN层410的上表面中除绝缘膜412之外的部分，包含Ni/Au的p侧电极411在p型GaN层410的外侧的区域以与Si薄膜层403的第二图案电连接的方式形成。另外，n侧电极413贯通绝缘膜412、p型GaN层410及活性层409，而与该活性层409的下侧的n型GaN层408电连接，并且，被一对元件A及B彼此共有。
以下，参照附图说明如上构成的氮化物发光二极管元件的制造方法。
图17(a)～图17(c)及图18(a)～图18(c)表示本发明的第三实施方式的氮化物发光二极管元件的制造方法的工序顺序的结构。
首先，如图17(a)所示，通过使用了光曝光法及CF4的干式蚀刻法将Si基板401、包含SiO2的绝缘层402及由Si薄膜层403构成的SOI基板400中的Si薄膜层403形成图案。这里，形成为如下图案：成为包含GaN的种层的种结晶的第一图案403a；与p侧电极连接的第二图案403b；与n侧电极连接的第三图案403c来构成图案。
首先，如图17(b)所示，通过等离子体气相生长法在形成有图案的Si薄膜层403上堆积包含SiO2的掩膜404。接着，通过光曝光法及基于CF4的干式蚀刻法在掩膜404分别形成使Si薄膜层403的各第一图案403a露出的开口部404a。
接下来，如图17(c)所示，通过MOCVD法在包括开口部404a的掩膜404上顺次结晶生长包含AlN的缓冲层405、包含GaN的种层406、基于DMHy的LEG层407、n型GaN层408、活性层409及p型GaN层410。这里，种层406也仅从缓冲层405中开口部404a的上侧部分生长，LEG层407从种层406的各侧面仅向横向生长。另外，此时，构成元件A及B的、分别从掩膜404的各开口部404a结晶生长出的氮化物半导体层在相互隔开间隔的状态下形成。
接下来，如图18(a)所示，通过光曝光法及蚀刻法在缓冲层405中元件A与元件B的对置区域，对Si薄膜层403中第三图案403c的上侧部分进行蚀刻，使第三图案403c选择露出。另外，同时在缓冲层405中各元件A、B的外侧的区域，对Si薄膜层403中第二图案403b的上侧部分进行蚀刻，而使第二图案403b选择露出。进而，在各元件A、B中夹着第三图案403c的露出部分的区域，贯通p型GaN层410及活性层409而使其下侧的n型GaN层408选择露出。这里，在各氮化物半导体层的蚀刻中进行使用了氯气系气体干式蚀刻，在包含SiO2的掩膜404的蚀刻中进行使用了氟酸系的蚀刻剂的湿式蚀刻。
接下来，如图18(b)所示，通过热气相生长法在SOI基板400上的整个面堆积包含SiO2的绝缘膜412。通过这样的绝缘膜412来覆盖各氮化物半导体层的整个面，由此能够降低电极彼此之间的漏泄电流。
接下来，如图18(c)所示，对堆积的绝缘膜412选择性进行蚀刻，除去绝缘膜412中元件A与元件B的对置区域的相反侧的区域而使p型GaN层410露出。此时，使n型GaN层408的露出区域及Si薄膜层403的第二图案403b和第三图案403c进一步露出。此外，这里在对掩膜404进行的蚀刻中，为了避免等离子体所引起的损坏，仍使用氟酸系的湿式蚀刻。
接下来，通过真空蒸镀法及提离法，以从露出的p型GaN层410上跨至Si薄膜层403的第二图案403b的露出区域的方式形成包含Ni/Au的p侧电极411，另外，以从露出的n型GaN层408上跨至Si薄膜层403的第三图案403c的露出区域的方式形成包含Ti/Au的n侧电极413。在第三实施方式中，为了通过p侧电极411而取出出射光，将形成p侧电极411的Ni及Au分别极薄地蒸镀为几nm。由此，得到图16所示的氮化物发光二极管元件。
第三实施方式的特征在于，通过蒸镀而形成的p侧电极411彼此被元件A彼此共有，n侧电极413彼此被元件A与B共有。即，p侧电极411与从Si薄膜层403的第二图案403b的开口区域露出的露出部分和p型GaN层410以比较大的面积连接。相对于此，n侧电极413与从Si薄膜层403的第三图案403c的开口区域露出的露出部分和n型GaN层408中从绝缘膜412露出的露出部分连接。
进而，全部的元件A及B通过同样的结构与Si薄膜层403连接。因此，即使在SOI基板400上形成有多个发光元件，配线仅覆盖发光元件的小部分，能够将全部的配线通过位于氮化物半导体层的下侧的Si薄膜层403的第二图案403b及第三图案403c分别引回，因此，能够在将发出光的发光效率维持得较高的状态下将配线部件向外部引出。
另外，各元件A及B形成为从SOI基板400向上方凸的凸结构，因此与整个面平坦的膜结构相比光取出效率自然而然地变高，能够以更高效率发光。
另外，在第三实施方式中，p侧电极411及n侧电极413经由多个开口部连接，因此，也具有对断线等的抵抗性高这一优点。
另外，在第三实施方式中，使用了SOI基板400，但如第一及第二实施方式所示的、在通常的硅基板堆积SiO2层及n型多晶硅层而成的结构也能够发挥本发明的效力。这种情况下，需要种结晶为基底的硅基板的表面部分。
另外，SOI基板400的最上部通过Si薄膜层403构成，但将Si薄膜层403碳化而仅使其表面变成碳化硅(SiC)的情况也能够得到同样的效果。SiC与Si相比难以与III族元素合金化，因此在SiC化后的情况下，结晶生长变得更加容易。
另外，也可以在SOI基板400中基底的Si基板401具有导电性的情况下，Si基板401与第二图案403b及第三图案403c中的任一方电连接。这样，由于能够从Si基板401的背面取出连接的任一方的电极，因此，发光二极管元件的安装变得容易。
(第四实施方式)
以下，参照附图说明本发明的第四实施方式。
图19是本发明的第四实施方式的氮化物半导体发光装置，表示蓝紫色半导体激光元件的截面结构。
图19所示的半导体激光元件是使用了六方晶GaN系半导体、发光波长为405nm的蓝紫色氮化物半导体激光元件。
如图19所示，在主面的面方位为(111)面的含有n型Si的基板501的主面上具有开口部502a的例如厚度为50nm的含有SiO2的掩膜502。在掩膜502上，在包括开口部502a的整个面上形成有例如膜厚为40nm的包含AlN的缓冲层503。从缓冲层503中开口部502a的底面上通过结晶生长选择形成有膜厚为100nm的包含n型GaN的作为第一氮化物半导体层的种层504。
在掩膜502上从种层504的各侧面横向(与基板面平行的方向)选择生长出作为第二氮化物半导体层的LEG层505。
在包括种层504的LEG层505上通过结晶生长顺次形成有作为第三氮化物半导体层的n型GaN层506、包含InGaN的具有多重量子井结构的活性层(发光层)507及p型GaN层508。
p型GaN层508及活性层507仅在形成于种层504的两侧面上的两个LEG层505中的一个面上形成，进而，p型GaN层508中，形成有向结晶轴的<1-100>方向延伸的条状的脊部。
在p型GaN层508中脊部的上表面形成有例如包含Ni/Pt/Au等的p侧电极510。另外，以跨n型GaN层506中除去了活性层507的区域和基板501中从掩膜502露出的露出部分的方式形成有包含Ti/Au的n侧电极509。这里，在基板501中从掩膜502露出的露出部分(焊盘区域)形成有硅化钛层501a。
以下，参照附图说明如上构成的氮化物半导体激光元件的制造方法。
图20(a)～图20(c)表示本发明的第四实施方式的氮化物半导体激光元件的制造方法的工序顺序的截面结构。
首先，如图20(a)所示，与第一实施方式同样地，在主面的面方位为(111)面的包含n型Si的基板501的主面上形成具有开口部502a的包含SiO2的掩膜502，接着，通过MOCVD法在包括开口部502a的掩膜502上顺次结晶生长包含AlN的缓冲层503、包含n型GaN的种层504、基于DMHy的LEG层505、n型GaN层506、活性层507及p型GaN层508。这里，种层504也仅从缓冲层503中开口部502a的上侧部分生长，LEG层505从种层504的各侧面仅向横向生长。
接下来，如图20(b)所示，通过ICP干式蚀刻法在p型GaN层508中一个LEG层505上形成条状的脊部。进而，在脊部的侧方部分，对p型GaN层508、活性层507及n型GaN层506中种层504与另一个LEG层505的上侧部分进行蚀刻，而使n型GaN层506露出。此时，在缓冲层503及掩膜502中另一个LEG层505的外侧部分形成电极焊盘形成用的开口部。
接下来，通过提离法形成n侧电极509及p侧电极510。接着，通过实施退火处理，在基板501中从掩膜502露出的露出部分与n侧电极509的接合面形成硅化钛层501a。之后，通过蒸镀等在基板501的背面也形成采用欧姆接合的电极，用于将向n侧电极509的电流注入从基板501的背面取出。
接下来，如图20(c)所示，将处于晶片状态的基板501劈开成芯片状，由此形成激光端面。这里，由形成于包含n型硅的基板501上的氮化物半导体构成的结晶生长层的劈开面与基板501的劈开面相互平行地形成。即，硅的{1-10}面与氮化物半导体的{1-100}面一致，因此，通过劈开基板501而将其上生长出的氮化物半导体层也劈开。其结果，能够实现激光结构。
此外，在第四实施方式中，n型GaN层506及p型GaN层508均为单层，即使其内部形成为短周期超晶格结构等异质结构，也不会破坏本发明的效果。特别是，在将n型GaN层506制成短周期超晶格结构的情况下，能够实现结晶生长层的厚膜化。从而，从活性层507射出的激光不易受到基板501所引起的反射的影响，因此，能够进一步使放射角稳定化。
另外，在第四实施方式中，形成有硅化钛层501a，但不一定需要从基板501的表面侧向n侧电极509注入电流。在从基板501的表面侧注入电流的情况下，当然也可以省略向基板501的背面蒸镀金属。
【产业上的可利用性】
本发明的氮化物半导体发光装置即使在氮化物半导体的生长用基板使用了硅的情况下，也能够实现缺陷少且无裂纹、具有高亮度且高可靠性的氮化物半导体发光装置。对白色照明的光源及液晶后灯、进而室外显示装置等来说是有用的，另外，通过适用于半导体激光元件，能够大幅降低芯片单价。

Claims (15)

1.一种氮化物半导体发光装置，其具备：
基板；
形成在所述基板的主面上且具有至少一个开口部的掩膜；
选择性形成在所述基板的所述开口部上的第一氮化物半导体层；
在所述第一氮化物半导体层中除与所述基板的主面平行的面之外的侧面形成的第二氮化物半导体层；
形成在所述第二氮化物半导体层上且包含发光层的第三氮化物半导体层。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述第二氮化物半导体层与所述第一氮化物半导体层及第三氮化物半导体层相比，氢浓度低或碳浓度高。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述第一氮化物半导体层的侧面的上部相对于下部向所述开口部的内侧倾斜。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的氮化物半导体发光装置，其中，
还具备在所述掩膜上以覆盖所述开口部的方式形成且以铝为主成分的第四氮化物半导体层，
所述第一氮化物半导体层在所述开口部形成在所述第四氮化物半导体层上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述第一氮化物半导体层与所述第二氮化物半导体层的界面及所述第二氮化物半导体层与所述第三氮化物半导体层的界面中的至少一个不含氧。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述掩膜具有对于所述发光层所发出的光50％以上的反射率。
7.根据权利要求1或6所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述掩膜具有导电性，且与所述第三氮化物半导体层电连接。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的氮化物半导体发光装置，其中，
在所述掩膜形成有多个所述开口部，
在相互相邻的一个开口部形成的一方的所述第二氮化物半导体层及第三氮化物半导体层、与在相互相邻的另一个开口部形成的另一方的所述第二氮化物半导体层及第三氮化物半导体层彼此空开间隔形成。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的氮化物半导体发光装置，其中，
在所述掩膜形成有空隙部。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述第三氮化物半导体层也形成在所述第一氮化物半导体层上，
来自所述发光层中所述第二氮化物半导体层的上侧部分的发光波长比来自所述发光层中所述第一氮化物半导体层的上侧部分的发光波长长。
11.根据权利要求10所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述发光层在其组成中含有铟，
所述发光层中所述第二氮化物半导体层的上侧部分的铟组成比所述发光层中所述第一氮化物半导体层的上侧部分的铟组成大。
12.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述基板含有硅。
13.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述基板中与所述掩膜相接的上部至少含有50％的硅。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述掩膜的上部为所述第一氮化物半导体层不生长的组成。
15.根据权利要求14所述的氮化物半导体发光装置，其中，
所述掩膜的上部含有氧化硅。
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