JP2005093988A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光効率の向上が図られた半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る発光ダイオード１の製造方法においては、ＧａＮ基板１０は、この上に形成したＡｌＧａＮ層１６，１８，２０から分離されて、ＡｌＧａＮ層１６，１８，２０にはＣｕ−Ｗ合金基板２６が接着された状態となる。このように、ＡｌＧａＮの格子定数と近い格子定数を有するＧａＮ基板１０上に、内部にＡｌＧａＮ発光層１８を含むＡｌＧａＮ層１６，１８，２０を形成することで、サファイア基板を利用する従来の方法に比べて、ＡｌＧａＮ層１６，１８，２０の内部に導入される貫通転位密度が大幅に低減される。すなわち、本発明に係る発光ダイオード１の製造方法によれば、発光効率が向上した発光ダイオード１を作製することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、紫外光などの発光に利用される半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。

従来、この技術の分野における半導体発光素子は、例えば、下記非特許文献１や非特許文献２に開示されている。これらの文献に記載されている半導体発光素子は、Ａｕ−Ｓｎ層が形成されたＣｕ−Ｗ基板上に、ｎ型電極及びｐ型電極に挟まれた、量子井戸構造のＩｎＧａＮ層を活性層とする発光ダイオード（ＬＥＤ）構造が積層された構造を有している。このような半導体発光素子が作製される手順を以下に示す。まずサファイア基板を準備し、ＭＯＶＰＥ法又はＥＬＯ法を用いて、この基板上に順次ＧａＮバッファ層及び上記ＬＥＤ構造を積層する。そしてさらに、そのＬＥＤ構造の上にｐ型電極を金属蒸着により形成し、このように得られた積層体とＣｕ−Ｗ基板とを、ｐ型電極とＣｕ−Ｗ基板とが対面するようにＡｕ−Ｓｎ半田を用いて接着する。その後、サファイア基板を、ＫｒＦレーザを用いたレーザリフトオフ（ＬＬＯ）により除去すると共に、ＧａＮバッファ層を、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって除去する。最後に、ＣＭＰによって研磨された表面にｎ型電極を形成することにより、上述した文献に係る半導体発光素子が求められる。

特開平１１−６８１５７号公報 Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４１（２００２）ｐｐ．Ｌ１４３４−１４３６ 第５０回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集、ｐｐ．４３１

しかしながら、前述した従来の半導体発光素子には、次のような課題が存在している。すなわち、ＬＥＤ構造を作製する際に利用する基板としてサファイア基板を採用しているため、活性層における貫通転位密度が高くなっている。具体的には、上記非特許文献１に係る半導体発光素子では活性層の貫通転位密度は１．０×１０^９／ｃｍ^２であり、貫通転位の発生が抑制された上記非特許文献２に係る半導体発光素子でも活性層の貫通転位密度は１．０×１０^７／ｃｍ^２であった。このように活性層内に導入された貫通転位は、半導体発光素子の発光効率を低減させてしまうという問題があった。

また近年、半導体発光素子の発光波長のさらなる短波長化が求められており、この短波長化にはＡｌＧａＮ活性層が有効であることが知られている。ただし、このＡｌＧａＮ層の発光効率は貫通転位の影響を受けやすいため、活性層に多量の貫通転位が導入される、サファイア基板を利用して作製される従来の半導体発光素子では、十分な発光特性を得ることができなかった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、発光効率の向上が図られた半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、ＧａＮ基板上に、発光層を内部に含むＧａＮ系半導体層を形成するステップと、ＧａＮ系半導体層上に、電極膜を形成するステップと、電極膜の表面に、導電性基板を導電性接着剤を用いて接着するステップと、ＧａＮ基板を、ＧａＮ系半導体層から分離するステップとを有することを特徴とする。

この半導体発光素子の製造方法においては、ＧａＮ基板は、この上に形成したＧａＮ系半導体層から分離され、ＧａＮ系半導体層には導電性基板が接着された状態となる。このように、ＧａＮ系半導体層の格子定数と近い格子定数を有するＧａＮ基板上に、内部に発光層を含むＧａＮ系半導体層を形成することで、サファイア基板を利用する従来の方法に比べて、ＧａＮ系半導体層の内部に導入される貫通転位密度が大幅に低減される。このような貫通転位密度が低い発光層を有する半導体発光素子においては、十分に高い発光効率が得られる。すなわち、本発明に係る半導体発光素子の製造方法によれば、発光効率が有意に向上した半導体発光素子を作製することができ、発光層が発する光は効率よく素子外部に出力される。

また、ＧａＮ基板上にＧａＮ系半導体層を形成する際、ＧａＮ基板上に、ＧａＮのバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギを有する材料で構成される剥離層を積層した後、この剥離層を介してＧａＮ基板上にＧａＮ系半導体層を形成し、ＧａＮ基板をＧａＮ系半導体層から分離する際、剥離層を構成する材料のバンドギャップエネルギよりも大きく、ＧａＮのバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギの光を剥離層に照射して、ＧａＮ基板をＧａＮ系半導体層から剥離させることが好ましい。この場合、剥離層に所定のエネルギの光を照射して基板を除去する、いわゆるレーザリフトオフによって、ＧａＮ基板をＧａＮ系半導体層から分離することができる。

また、剥離層はＩｎを含む窒化物系化合物半導体で構成されていることが好ましい。この場合、剥離層の材料のバンドギャップエネルギを、容易にＧａＮのバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギにすることができる。

また、発光層は、ＧａＮのバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する材料で構成されていることが好ましい。この場合、発光層から出力される光はＧａＮ基板に吸収される光であるため、ＧａＮ系半導体層が積層される基板を導電性基板に換えることで、光取り出し効率を有意に向上させることができる。

また、ＧａＮ系半導体層から分離したＧａＮ基板を、再度ＧａＮ系半導体層を形成するＧａＮ基板として用いることが好ましい。この場合、ＧａＮ基板が何度も再利用されるため、半導体発光素子の製造コストの削減を図ることができる。

本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で構成された半導体基板上に、発光層を内部に含むＧａＮ系半導体層を形成するステップと、ＧａＮ系半導体層上に、電極膜を形成するステップと、電極膜の表面に、導電性基板を導電性接着剤を用いて接着するステップと、半導体基板を、ＧａＮ系半導体層から分離するステップとを有することを特徴とする。

この半導体発光素子の製造方法においては、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で構成された半導体基板は、この上に形成したＧａＮ系半導体層から分離され、ＧａＮ系半導体層には導電性基板が接着された状態となる。このように、ＧａＮ系半導体層の格子定数と近い格子定数を有する半導体基板上に、内部に発光層を含むＧａＮ系半導体層を形成することで、サファイア基板を利用する従来の方法に比べて、ＧａＮ系半導体層の内部に導入される貫通転位密度が大幅に低減される。このような貫通転位密度が低い発光層を有する半導体発光素子においては、十分に高い発光効率が得られる。すなわち、本発明に係る半導体発光素子の製造方法によれば、発光効率が有意に向上した半導体発光素子を作製することができ、発光層が発する光は効率よく素子外部に出力される。

また、半導体基板上にＧａＮ系半導体層を形成する際、半導体基板上に、半導体基板を構成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギを有する材料で構成される剥離層を積層した後、この剥離層を介して半導体基板上にＧａＮ系半導体層を形成し、半導体基板をＧａＮ系半導体層から分離する際、剥離層を構成する材料のバンドギャップエネルギよりも大きく、半導体基板を構成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギの光を剥離層に照射して、半導体基板をＧａＮ系半導体層から剥離させることが好ましい。この場合、剥離層に所定のエネルギの光を照射して基板を除去する、いわゆるレーザリフトオフによって、半導体基板をＧａＮ系半導体層から分離することができる。

また、剥離層はＩｎを含む窒化物系化合物半導体で構成されていることが好ましい。この場合、剥離層の材料のバンドギャップエネルギを、容易に半導体基板を構成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギにすることができる。

また、発光層は、半導体基板を構成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する材料で構成されていることが好ましい。この場合、発光層から出力される光は半導体基板に吸収される光であるため、ＧａＮ系半導体層が積層される基板を導電性基板に換えることで、光取り出し効率を有意に向上させることができる。

また、ＧａＮ系半導体層から分離した半導体基板を、再度ＧａＮ系半導体層を形成する半導体基板として用いることが好ましい。この場合、半導体基板が何度も再利用されるため、半導体発光素子の製造コストの削減を図ることができる。

また、発光層はＡｌを含む窒化物系化合物半導体で構成されていることが好ましい。Ａｌを含む窒化物系化合物半導体は貫通転位が導入されると発光効率が低下するため、この場合、発光効率を有意に向上することができる。

また、導電性基板はＣｕ−Ｗ合金又はＦｅ−Ｎｉ合金で構成されていることが好ましい。この場合、導電性基板の構成材料が熱抵抗の小さい材料であるため、高い電流密度まで高い光出力が得られる半導体層発光素子の作製が可能である。

また、導電性接着剤はＡｕ−Ｓｎ半田又はＰｂ−Ｓｎ半田であることが好ましい。この場合、導電性接着剤の構成材料が、熱抵抗が小さい材料であるため、高い電流密度まで高い光出力が得られる半導体層発光素子の作製が可能である。

また電極膜は、発光層の発光波長における反射率が導電性基板よりも高い材料で構成されていることが好ましい。この場合、発光層から導電性基板側に出射された光は、導電性基板よりも反射率が高い電極膜で反射されるため、高い光取り出し効率を有する半導体発光素子を得ることができる。

本発明に係る半導体発光素子は、貫通転位密度が１．０×１０^７／ｃｍ^２未満である発光層を内部に含むＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体層上に形成された電極膜と、電極膜の表面に導電性接着剤で接着された導電性基板とを備えることを特徴とする。

この半導体発光素子は、貫通転位密度が１．０×１０^７／ｃｍ^２未満である発光層を有している。一般に、半導体発光素子の中でも特に紫外光を発する半導体発光素子においては、発光層に導入された貫通転位が非発光中心として働くことが知られている。従って、このように半導体発光素子の発光層の貫通転位密度が低い場合には、半導体発光素子は高い発光効率を有する。すなわち、発光効率の高い半導体発光素子が実現されている。

また、発光層は、ＧａＮのバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する材料で構成されていることが好ましい。

また、発光層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する材料で構成されていることが好ましい。

また、電極膜は、発光層の発光波長における反射率が導電性基板よりも高い材料で構成されていることが好ましい。この場合、発光層から導電性基板側に出射された光は、導電性基板よりも反射率が高い電極膜で反射されるため、このような半導体発光素子においては高い光取り出し効率が実現される。

また、発光層はＡｌを含む窒化物系化合物半導体で構成されていることが好ましい。この場合、発光層は紫外光を発することができる。

本発明によれば、発光効率の向上が図られた半導体発光素子及びその製造方法が提供される。

以下、添付図面を参照して本発明に係る半導体発光素子及びその製造方法を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子（発光ダイオード（ＬＥＤ））１の作製方法を、図１を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る発光ダイオード１を作製する手順を示した図である。

まず、ＧａＮ単結晶で構成されたＧａＮ基板１０を準備し、このＧａＮ基板１０をＭＯＣＶＤ装置（図示せず）内にセットする。そして、基板温度が１０５０℃程度になるまで装置内を加熱して、ＧａＮ基板１０の表面１０ａの清浄化処理（サーマルクリーニング）をおこなう。このように適当な条件でサーマルクリーニングをおこなうことで、表面１０ａの汚染物質が取り除かれると共に、表面１０ａの平面度が向上する。ＧａＮ基板１０の清浄化処理の後、基板温度を１０５０℃に保持したまま、ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）を含むガス、Ｖ族原料ガスとしてＮＨ_３を含むガス、また、ドーピングガスとしてＳｉＨ_４を含むガスを装置内に導入して、厚さ０．５μｍのＧａＮバッファ層１２をＧａＮ基板１０の表面に積層する（図１（ａ）参照）。

次に、基板温度を８００℃程度にまで降温し、ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＧ及びＴＭＩ（トリメチルインジウム）を含むガス、Ｖ族原料ガスとしてＮＨ_３を含むガスを装置内に導入して、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１５）で構成される厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮ層（剥離層）１４をＧａＮバッファ層１２上に積層する（図１（ｂ）参照）。

また、基板温度を１１００℃程度にまで昇温し、ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＧ及びＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を含むガス、Ｖ族原料ガスとしてＮＨ_３を含むガス、また、ドーピングガスとしてＳｉＨ_４を含むガスを装置内に導入して、ｎ型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｙ＝０．１）で構成される厚さ０．２μｍのｎ−ＡｌＧａＮ層１６をＩｎＧａＮ層１４上に積層する。さらに、基板温度を保持したまま、ＴＭＧ及びＴＭＡを含むガス、ＮＨ_３を含むガス、及びＳｉＨ_４を含むガスを装置内に導入して、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（ｚ＝０．０５）で構成される厚さ０．１μｍのＡｌＧａＮ発光層１８をｎ−ＡｌＧａＮ層１６上に積層する。基板温度を保持したまま、ＴＭＧ及びＴＭＡを含むガス、ＮＨ_３を含むガス、及びドーピングガスとしてＣｐ_２Ｍｇを含むガスを装置内に導入して、ｐ型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｙ＝０．１）で構成される厚さ０．２μｍのｐ−ＡｌＧａＮ層２０をＡｌＧａＮ発光層１８上に積層する。このようにして、ＧａＮ基板１０上に、内部にＡｌＧａＮ発光層１８を含むＡｌＧａＮ層（ＧａＮ系半導体層）１６，１８，２０が、ＧａＮバッファ層１２及びＩｎＧａＮ層１４を介して形成される（図１（ｃ）参照）。

その後、ＧａＮ基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、金属蒸着装置（図示せず）内にセットして、ｐ−ＡｌＧａＮ層２０の表面２０ａにＡｇの蒸着をおこなうと共に、４００℃、５分間の条件で熱処理を施し、ｐ電極膜２２を形成する（図１（ｄ）参照）。そして、ＧａＮ基板１０を金属蒸着装置から取り出し、融点２８０℃のＡｕ−Ｓｎ半田２４を用いて、ｐ電極膜２２の表面２２ａにＣｕ−Ｗ合金基板２６を接着する（図１（ｅ）参照）。それにより、ｐ電極膜２２の表面２２ａとＣｕ−Ｗ合金基板２６の表面２６ａとが対面するように、ｐ電極膜２２が形成された上述の積層体１０，１２，１４，１６，１８，２０とＣｕ−Ｗ合金基板２６とが一体化される。

次に、波長４００ｎｍのレーザ光を、ＧａＮ基板１０側からＩｎＧａＮ層１４に照射する。このレーザ光の照射によって、ＩｎＧａＮ層１４にレーザ光が吸収されＩｎＧａＮ層１４を構成するＩｎＧａＮが変質する。このようなＩｎＧａＮの変質により、ＧａＮ基板１０とＩｎＧａＮ層１４との結合力が低下しＧａＮ基板１０がＩｎＧａＮ層１４から剥離する。そして、剥離により露出したｎ−ＡｌＧａＮ層１６の表面１６ａを研磨した後、この表面１６ａ上に、上述したｐ電極膜２２と同様の方法によりｎ電極膜２８を形成し、本発明の第１実施形態に係る発光ダイオード１の作製が完了する。

上述したとおり、発光ダイオード１の製造方法においては、ＡｌＧａＮ層１６，１８，２０の形成に用いたＧａＮ基板１０は、ＡｌＧａＮ層１６，１８，２０から分離されて、ＡｌＧａＮ層１６，１８，２０にはＣｕ−Ｗ合金基板２６が接着される。このＣｕ−Ｗ合金基板２６を構成するＣｕ−Ｗ合金は熱抵抗が小さいので、発光ダイオード１の光出力は高い電流密度まで飽和傾向を示さない。

発明者らは、発光ダイオード１からの光取り出し効率の向上を図るべく鋭意研究を重ね、その結果、ｐ電極２２における光の反射が、発光ダイオード１の光取り出し効率に多大な影響を及ぼすことを新たに見出した。すなわち、ｐ電極２２が、ＡｌＧａＮ発光層１８から出力される光に対して高い反射率を有すると、発光ダイオード１の光取り出し効率が有意に向上することがわかった。

これは、ＡｌＧａＮ発光層１８から出力される光に対して、ｐ電極２２がＣｕ−Ｗ合金基板２６よりも高い反射率を有する場合、ＡｌＧａＮ発光層１８から出力される光（紫外線光）のうち、Ｃｕ−Ｗ合金基板２６側に向かう光の多くがｐ電極２２において反射されて、発光ダイオード１のｎ電極２８側から出射されることによるものであると考えられる。一方、ＡｌＧａＮ発光層１８から出力される光に対して、ｐ電極２２がＣｕ−Ｗ合金基板２６よりも低い反射率を有する場合には、ＡｌＧａＮ発光層１８から出力される光は、そのほとんどがｐ電極２２に吸収されると考えられる。

従って、ｐ電極２２の材料は、ＡｌＧａＮ発光層１８から出力される光に対してＣｕ−Ｗ合金基板２６よりも高い反射率を有する材料（Ａｇ）であるため、高い光取り出し効率を有する発光ダイオード１を得ることができる。

また、レーザリフトオフに利用するＩｎＧａＮ層１４は、ＧａＮのバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギを有するＩｎＧａＮで構成されている。そして、ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギより大きく、ＧａＮのバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギを有する、波長４００ｎｍのレーザ光をＩｎＧａＮ層１４に照射することで、レーザリフトオフによるＧａＮ基板１０とＡｌＧａＮ層１６，１８，２０との分離をおこなうことができる。さらに、Ｉｎを含む窒化物系化合物半導体は結晶が柔らかいため、ＩｎＧａＮ層１４は歪みを緩和する緩衝層としての機能を有する。すなわち、ＧａＮ基板１０上に、ＧａＮと格子定数が完全には一致しないＡｌＧａＮで構成されたＡｌＧａＮ層１６，１８，２０を厚く積層することが可能であり、発光出力の増大の要因であるキャリア閉じ込め効果を十分に高めることができる。

また、レーザリフトオフによって分離されたＧａＮ基板１０は、適切な研磨処理を施して、再度発光ダイオード１の作製に利用することも可能である。このようなＧａＮ基板１０の再利用により、発光ダイオード１の製造コストが削減される。

以上のような方法で得られた発光ダイオード１について説明する。

発光ダイオード１において発光する活性層はＡｌＧａＮ発光層１８であり、このＡｌＧａＮ発光層１８は、ＩｎＧａＮよりもバンドギャップエネルギの大きいＡｌＧａＮで構成されている。そのため、活性層（発光層）にＩｎＧａＮを用いた従来の発光ダイオードに比べて、短波長の光（例えば、波長３５０ｎｍの紫外線）を得ることができる。ただし、ＡｌＧａＮやＡｌを含む窒化物系化合物半導体に貫通転位が導入された場合には、ＩｎＧａＮに貫通転位が導入された場合よりも、大幅な発光効率の低減を招いてしまう。

そこで発明者らは貫通転位密度の低減に有効な、上述したＧａＮ基板１０を利用した発光ダイオードの製造方法を、鋭意研究の末に見出した。つまり、サファイア基板に比べて、格子定数がＡｌＧａＮの格子定数に近いＧａＮを用いることで、ＡｌＧａＮ発光層１８に導入される貫通転位を低減し、発光ダイオードの発光効率の向上を図った。この方法により作製された発光ダイオード１においては、ＡｌＧａＮ発光層１８に導入されている貫通転位の密度は５×１０^６／ｃｍ^２で１．０×１０^７／ｃｍ^２未満となっている。一般に、発光ダイオードの中でも特に紫外光を発する発光ダイオードにおいては、発光層に導入された貫通転位が非発光中心として働くため、発光層の貫通転位密度が低い場合には、良好な発光効率を有する発光ダイオードが得られることが知られている。実際に、ｐ電極膜２２とｎ電極膜２８との間に電圧を印加し、直流５００ｍＡの電流を流したところ、波長３５０ｎｍで発光出力１００ｍＷの高出力紫外光が得られた。

また、ＩｎＧａＮ層にレーザ光を照射する、いわゆるレーザリフトオフによるＧａＮ基板の除去と、導電性基板の接着とによって、発光ダイオードを作製することにより、ＡｌＧａＮ発光層１８からの光は、基板に吸収されることなく高い光取り出し効率で外部に出力される。

以上で詳細に説明したように、ＡｌＧａＮと格子定数の近い格子定数を有するＧａＮ基板上に、内部にＡｌＧａＮ発光層１８を含むＡｌＧａＮ層１６，１８，２０を形成することで、サファイア基板を利用する従来の方法に比べて、ＡｌＧａＮ層１６，１８，２０の内部に導入される貫通転位密度は大幅に低減される。そのため、発光ダイオード１は高い発光効率を有する。なお上述したように、ＡｌＧａＮやＡｌを含む窒化物系化合物半導体は貫通転位が導入されると発光効率が低下するため、このような材料を発光層材料とする発光ダイオードを、上述した方法で作製することにより、発光ダイオードの発光効率が有意に向上する。また、ｐ電極膜２２とＣｕ−Ｗ合金基板２６との接着に用いるＡｕ−Ｓｕ半田２４は、熱抵抗が小さい材料であるため、高い電流密度まで高い光出力が得られる発光ダイオード１の作製が可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子（ＬＥＤ）１Ａの作製方法を、図２を参照しつつ説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係る発光ダイオード１Ａを作製する手順を示した図である。

まず、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１８）単結晶で構成されたＡｌＧａＮ基板１０Ａを準備し、上述した第１実施形態のＧａＮ基板１０と同様に、このＡｌＧａＮ基板１０ＡをＭＯＣＶＤ装置内にセットして、ＡｌＧａＮ基板１０Ａの表面１０ａの清浄化処理をおこなう。ＡｌＧａＮ基板１０Ａの清浄化処理は、基板温度１０５０℃の温度条件でおこない、この温度条件を保持したまま、ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＡ及びＴＭＧを含むガス、Ｖ族原料ガスとしてＮＨ_３を含むガス、また、ドーピングガスとしてＳｉＨ_４を含むガスを装置内に導入して、ｎ型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１８）で構成される厚さ０．５μｍのＡｌＧａＮバッファ層１２ＡをＡｌＧａＮ基板１０Ａの表面に積層する（図２（ａ）参照）。

次に、基板温度を８００℃程度にまで降温し、ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＧ及びＴＭＩを含むガス、Ｖ族原料ガスとしてＮＨ_３を含むガスを装置内に導入して、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１）で構成される厚さ０．１μｍのＩｎＧａＮ層（剥離層）１４をＡｌＧａＮバッファ層１２Ａ上に積層する（図２（ｂ）参照）。

また、基板温度を１１００℃程度にまで昇温し、ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＧ及びＴＭＡを含むガス、Ｖ族原料ガスとしてＮＨ_３を含むガス、また、ドーピングガスとしてＳｉＨ_４を含むガスを装置内に導入して、ｎ型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１）で構成される厚さ０．２μｍのｎ−ＡｌＧａＮ層１６をＩｎＧａＮ層１４上に積層する。さらに、基板温度を保持したまま、ＴＭＧ及びＴＭＡを含むガス、ＮＨ_３を含むガス、及びＳｉＨ_４を含むガスを装置内に導入して、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．０５）で構成される厚さ０．１μｍのＡｌＧａＮ発光層１８をｎ−ＡｌＧａＮ層１６上に積層する。基板温度を保持したまま、ＴＭＧ及びＴＭＡを含むガス、ＮＨ_３を含むガス、及びドーピングガスとしてＣｐ_２Ｍｇを含むガスを装置内に導入して、ｐ型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１）で構成される厚さ０．２μｍのｐ−ＡｌＧａＮ層２０をＡｌＧａＮ発光層１８上に積層する。このようにして、ＡｌＧａＮ基板１０Ａ上に、内部にＡｌＧａＮ発光層１８を含むＡｌＧａＮ層（ＧａＮ系半導体層）１６，１８，２０が、ＡｌＧａＮバッファ層１２Ａ及びＩｎＧａＮ層１４を介して形成される（図２（ｃ）参照）。

その後、ＡｌＧａＮ基板１０ＡをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、第１実施形態と同様に、金属蒸着装置内にセットし、ｐ−ＡｌＧａＮ層２０の表面２０ａにＡｇの蒸着をおこなうと共に、４００℃、５分間の条件で熱処理を施し、ｐ電極膜２２を形成する（図２（ｄ）参照）。そして、ＡｌＧａＮ基板１０Ａを金属蒸着装置から取り出し、融点２８０℃のＡｕ−Ｓｎ半田２４を用いて、ｐ電極膜２２の表面２２ａにＣｕ−Ｗ合金基板２６を接着する（図２（ｅ）参照）。それにより、ｐ電極膜２２の表面２２ａとＣｕ−Ｗ合金基板２６の表面２６ａとが対面するように、ｐ電極膜２２が形成された上述の積層体１０Ａ，１２Ａ，１４，１６，１８，２０とＣｕ−Ｗ合金基板２６とが一体化される。

次に、波長４００ｎｍのレーザ光を、ＡｌＧａＮ基板１０Ａ側からＩｎＧａＮ層１４に照射して、ＡｌＧａＮ基板１０ＡをＡｌＧａＮ層１６，１８，２０から剥離させる。そして、剥離により露出したｎ−ＡｌＧａＮ層１６の表面１６ａを研磨した後、この表面１６ａ上に、上述したｐ電極膜２２と同様の方法によりｎ電極膜２８を形成し、本発明の第２実施形態に係る発光ダイオード１Ａの作製が完了する。

上述したとおり、発光ダイオード１Ａの製造方法においては、ＡｌＧａＮ層１６，１８，２０の形成に用いたＡｌＧａＮ基板１０Ａは、ＡｌＧａＮ層１６，１８，２０から分離されて、ＡｌＧａＮ層１６，１８，２０にはＣｕ−Ｗ合金基板２６が接着される。このＣｕ−Ｗ合金基板２６を構成するＣｕ−Ｗ合金は熱抵抗が小さいので、発光ダイオード１Ａの光出力は高い電流密度まで飽和傾向を示さない。

また、上述した発光ダイオード１と同様に、発光ダイオード１Ａにおいてもｐ型電極２２には、ＡｌＧａＮ発光層１８から出力される光に対してＣｕ−Ｗ合金基板２６よりも高い反射率を有する材料（Ａｇ）が採用されている。そのため、この発光ダイオード１Ａにおいても、高い光取り出し効率が実現されている。

また、レーザリフトオフに利用するＩｎＧａＮ層１４は、ＧａＮのバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギを有するＩｎＧａＮで構成されている。そして、ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギより大きく、ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギを有する、波長４００ｎｍのレーザ光をＩｎＧａＮ層１４に照射することで、レーザリフトオフによるＡｌＧａＮ基板１０ＡとＡｌＧａＮ層１６，１８，２０との分離をおこなうことができる。

また、レーザリフトオフによって分離されたＡｌＧａＮ基板１０Ａは、適切な研磨処理を施して、再度発光ダイオード１Ａの作製に利用することも可能である。このようなＡｌＧａＮ基板１０Ａの再利用により、発光ダイオード１Ａの製造コストが削減される。

以上のような方法で得られた発光ダイオード１Ａについて説明する。

発光ダイオード１Ａは、上述した発光ダイオード１と同様、ＡｌＧａＮ発光層１８を有する。そのため、活性層（発光層）にＩｎＧａＮを用いた従来の発光ダイオードに比べて、短波長の光を得ることができるものの、貫通転位の影響を受けやすい。そこで、発明者らは貫通転位密度の低減に有効な、上述したＡｌＧａＮ基板１０Ａを利用した発光ダイオードの製造方法を、鋭意研究の末に見出した。つまり、ＡｌＧａＮ発光層１８のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．０５）と格子定数が略一致するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．１８）を基板として用いることで、ＡｌＧａＮ発光層１８に導入される貫通転位を低減し、発光ダイオードの発光効率の向上を図った。この方法により作製された発光ダイオード１Ａにおいては、ＡｌＧａＮ発光層１８に導入されている貫通転位の密度は１．０×１０^６／ｃｍ^２で、１．０×１０^７／ｃｍ^２未満となっている。

一般に、発光ダイオードの中でも特に紫外光を発する発光ダイオードにおいては、発光層に導入された貫通転位が非発光中心として働くため、発光層の貫通転位密度が低い場合には、良好な発光効率を有する発光ダイオードが得られることが知られている。実際に、ｐ電極膜２２とｎ電極膜２８との間に電圧を印加し、直流５００ｍＡの電流を流したところ、波長３５０ｎｍで発光出力１００ｍＷの高出力紫外光が得られた。

また、ＩｎＧａＮ層にレーザ光を照射する、いわゆるレーザリフトオフによるＧａＮ基板の除去と、導電性基板の接着とによって、発光ダイオードを作製することにより、ＡｌＧａＮ発光層１８からの光は、基板に吸収されることなく高い光取り出し効率で外部に出力される。

以上で詳細に説明したように、ＡｌＧａＮ基板１０Ａ上に、内部にＡｌＧａＮ発光層１８を含むＡｌＧａＮ層１６，１８，２０を形成することで、基板１０ＡとＡｌＧａＮ層１６，１８，２０との格子定数が略一致するため、サファイア基板を利用する従来の方法に比べて、ＡｌＧａＮ層１６，１８，２０の内部に導入される貫通転位密度は大幅に低減される。そのため、発光ダイオード１Ａは高い発光効率を有する。なお上述したように、ＡｌＧａＮやＡｌを含む窒化物系化合物半導体は貫通転位が導入されると発光効率が低下するため、このような材料を発光層材料とする発光ダイオードを、上述した方法で作製することにより、発光ダイオードの発光効率が有意に向上する。また、ｐ電極膜２２とＣｕ−Ｗ合金基板２６との接着に用いるＡｕ−Ｓｕ半田２４は、熱抵抗が小さい材料であるため、高い電流密度まで高い光出力が得られる発光ダイオード１Ａの作製が可能である。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、ＧａＮ系半導体層は、ＡｌＧａＮ層に限定されず、ＡｌやＩｎ等を含む混晶からなる半導体層であってもよい。また、導電性基板の材料は、熱抵抗が小さい材料であれば、特にＣｕ−Ｗ合金に限定されず、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金であってもよい。さらに、導電性接着剤は、熱抵抗が小さいものであれば、特にＡｕ−Ｓｎ半田に限定されず、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ半田であってもよい。また、ＡｌＧａＮ基板やＡｌＧａＮ層を構成するＡｌＧａＮの混晶比は、適宜、変更することも可能である。

また、半導体発光素子は、発光ダイオードに限らず、例えば半導体レーザ素子であってもよい。さらに、ＧａＮ基板をＧａＮ系半導体層から分離する方法は、レーザリフトオフに限定されず、例えば、ウェットエッチング等の公知の分離方法を利用することも可能である。また、発光層の発光波長における反射率が導電性基板よりも高い材料は、銀（Ａｇ）に限定されず、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やロジウム（Ｒｈ）等であってもよい。

さらに、本発明に係る半導体素子の製造方法は、ＧａＮ基板上に、発光層を内部に含むＧａＮ系半導体層を形成するステップと、前記ＧａＮ系半導体層上に、電極膜を形成するステップと、前記電極膜の表面に、前記発光層からの光をＧａＮよりも吸収しにくい材料で構成された導電性基板を、導電性接着剤を用いて接着するステップと、前記ＧａＮ基板を、前記ＧａＮ系半導体層から分離するステップとを有することを特徴とするものであってもよい。ここで、発光層からの光をＧａＮよりも吸収しにくい材料としては、例えば、上述したＣｕ−Ｗなどがある。

本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子を作製する手順を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子を作製する手順を示した図である。

符号の説明

１，１Ａ…発光ダイオード、１０…ＧａＮ基板、１０Ａ…ＡｌＧａＮ基板、１２…ＧａＮバッファ層、１２Ａ…ＡｌＧａＮバッファ層、１４…ＩｎＧａＮ層、１６…ｎ−ＡｌＧａＮ層、１８…ＡｌＧａＮ発光層、２０…ｐ−ＡｌＧａＮ層、２２…ｐ電極膜、２４…Ａｕ−Ｓｎ半田、２６…Ｃｕ−Ｗ合金基板、２８…ｎ電極膜。

Claims (19)

1. ＧａＮ基板上に、発光層を内部に含むＧａＮ系半導体層を形成するステップと、
   前記ＧａＮ系半導体層上に、電極膜を形成するステップと、
   前記電極膜の表面に、導電性基板を導電性接着剤を用いて接着するステップと、
   前記ＧａＮ基板を、前記ＧａＮ系半導体層から分離するステップとを有する、半導体発光素子の製造方法。
2. 前記ＧａＮ基板上に前記ＧａＮ系半導体層を形成する際、前記ＧａＮ基板上に、ＧａＮのバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギを有する材料で構成される剥離層を積層した後、この剥離層を介して前記ＧａＮ基板上に前記ＧａＮ系半導体層を形成し、
   前記ＧａＮ基板を前記ＧａＮ系半導体層から分離する際、前記剥離層を構成する材料のバンドギャップエネルギよりも大きく、ＧａＮのバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギの光を前記剥離層に照射して、前記ＧａＮ基板を前記ＧａＮ系半導体層から剥離させる、請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記剥離層はＩｎを含む窒化物系化合物半導体で構成されている、請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記発光層は、ＧａＮのバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する材料で構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 前記ＧａＮ系半導体層から分離した前記ＧａＮ基板を、再度前記ＧａＮ系半導体層を形成する前記ＧａＮ基板として用いる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
6. ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で構成された半導体基板上に、発光層を内部に含むＧａＮ系半導体層を形成するステップと、
   前記ＧａＮ系半導体層上に、電極膜を形成するステップと、
   前記電極膜の表面に、導電性基板を導電性接着剤を用いて接着するステップと、
   前記半導体基板を、前記ＧａＮ系半導体層から分離するステップとを有する、半導体発光素子の製造方法。
7. 前記半導体基板上に前記ＧａＮ系半導体層を形成する際、前記半導体基板上に、前記半導体基板を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギを有する材料で構成される剥離層を積層した後、この剥離層を介して前記半導体基板上に前記ＧａＮ系半導体層を形成し、
   前記半導体基板を前記ＧａＮ系半導体層から分離する際、前記剥離層を構成する材料のバンドギャップエネルギよりも大きく、前記半導体基板を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギの光を前記剥離層に照射して、前記半導体基板を前記ＧａＮ系半導体層から剥離させる、請求項６に記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記剥離層はＩｎを含む窒化物系化合物半導体で構成されている、請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
9. 前記発光層は、前記半導体基板を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する材料で構成されている、請求項６〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
10. 前記ＧａＮ系半導体層から分離した前記半導体基板を、再度前記ＧａＮ系半導体層を形成する前記半導体基板として用いる、請求項６〜９のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
11. 前記発光層はＡｌを含む窒化物系化合物半導体で構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
12. 前記導電性基板はＣｕ−Ｗ合金又はＦｅ−Ｎｉ合金で構成されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
13. 前記導電性接着剤はＡｕ−Ｓｎ半田又はＰｂ−Ｓｎ半田である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
14. 前記電極膜は、前記発光層の発光波長における反射率が前記導電性基板よりも高い材料で構成されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
15. 貫通転位密度が１．０×１０^７／ｃｍ^２未満である発光層を内部に含むＧａＮ系半導体層と、
    前記ＧａＮ系半導体層上に形成された電極膜と、
    前記電極膜の表面に導電性接着剤で接着された導電性基板とを備える、半導体発光素子。
16. 前記発光層は、ＧａＮのバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する材料で構成されている、請求項１５に記載の半導体発光素子。
17. 前記発光層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する材料で構成されている、請求項１５に記載の半導体発光素子。
18. 前記電極膜は、前記発光層の発光波長における反射率が前記導電性基板よりも高い材料で構成されている、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
19. 前記発光層はＡｌを含む窒化物系化合物半導体で構成されている、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の半導体発光素子。

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