JP2007214500A - 半導体部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の向上に有利な半導体部材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体部材の製造方法は、凸部１０ａを有する下地基板１０の凸部１０ａの上に複数の半導体層２１、２２、２３、２４を含む積層構造体２０を形成する積層工程と、積層構造体２０から下地基板１０を除去する除去工程とを含み、積層工程は、凸部１０ａの上に断面において末広がりに第１半導体を２１成長させる工程を含む。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、半導体部材及びその製造方法に関する。

最近、３波長型白色発光ダイオード（ＬＥＤ）用光源や、空気又は水の清浄化及び殺菌用として紫外ＬＥＤへの関心が高まっている。現在では、ＩｎＧａＮ活性層を有する青〜近紫外ＬＥＤの発光効率は、４０％を超えるまでとなった。しかしながら、それより短波長のＬＥＤは、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮのようなＡｌ含有ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されており、３５０ｎｍ付近を境に急激に発光効率が低下する。ＬＥＤの発光効率とは、外部量子効率であり、内部量子効率と光取り出し効率の積で表され、それぞれの効率向上が要望されている。

現在、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの多くは、サファイア基板又は炭化珪素基板等の下地上へのＩＩＩ族窒化物半導体のヘテロエピタキシャル成長により実現されている。しかし、ＩＩＩ族窒化物結晶と下地基板との間の大きな格子定数差、熱膨張係数差により、基板界面に非常に高密度の転位が発生する。特に、短波長ＬＥＤの場合には、貫通転位が非発光中心として働くため、内部量子効率を低下させる。

一方、発光層で発生した光は、半導体ＬＥＤベアチップとそれを覆うパッケージ用の樹脂封止材料界面で反射され、大部分は半導体層に吸収されて熱に変換される。したがって、ＬＥＤから外部に有効に光を取り出せないばかりか、温度上昇によりＬＥＤの出力が飽和したり、特性が劣化したりする。

転位密度の低減の手段として、基板にマスク層を形成し、マスク開口部から基板面に沿った横方向成長を利用して、結晶欠陥の少ないＩＩＩ族窒化物半導体を作製できることが、非特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４に開示されている。しかしながら、紫外ＬＥＤは、Ａｌ含有ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されており、非特許文献２に示されているように、ＡｌＧａＮは、上記のようなマスクを用いた選択成長をさせようとすると、マスク上に多結晶が堆積してしまうので、きれいな横方向成長ができないという問題がある。また、非特許文献３によると、マスクレスペンデオエピタキシーにおいても、サファイア基板上に多結晶が堆積し、横方向成長が阻害されることが示されている。ＩＩＩ族窒化物半導体において、Ａｌ組成が高くなると、このような問題が顕在化する。

Ａｌ含有ＩＩＩ族窒化物半導体の横方向成長方法として、特許文献５、特許文献６、特許文献７には、凹凸基板の凸部の上方からＡｌ含有ＩＩＩ族窒化物半導体を専ら横方向成長させることで平坦化する方法が開示されている。凹部への原料供給が抑制されるため、凹部では殆ど半導体が成長しない。更に、これらの方法は、マスクレスであるため、Ａｌを含んだ窒化物半導体の作製が可能である。同様な方法による高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ横方向成長が非特許文献４に報告されている。

光取り出し効率の向上に関しては、光取り出し面の粗面化が有効である。ＩＩＩ族窒化物半導体は化学的に安定であり、通常は酸による粗面化が困難である。フェイスアップ実装でのＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いた粗面化が特許文献８に開示されている。特許文献９には、ｐ型コンタクト層上に開口部を有するマスク層を形成し、ファセット成長する方法が開示されている。

特許文献１０には、ＧａＮ基板上にＡｌ含有ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させた後に、レーザーリフトオフにより基板を剥離する方法が開示されている。この方法では、分離層としてＧａＮよりもバンドギャップの小さいＩｎＧａＮ層を基板とＡｌ含有ＩＩＩ族窒化物半導体との間に形成し、４００ｎｍの波長のレーザー光を照射してＩｎＧａＮ層を変質させ、基板を剥離する。しかしながら、平坦な基板表面へ成長しており、いくら分離層を挟んでいてもＧａＮ基板上へのＩＩＩ族窒化物半導体のリフトオフは容易ではない。
Ｙ．Ｈｏｎｄａ ｅｔ ａｌ．， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ４０ （２００１） Ｌ３０９ Ｔ． Ｄｅｔｃｈｐｒｏｈｍ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｓｔａｔ． Ｓｏｌ． Ａ １８８ （２００１） ７９９ Ｔ． Ｍ． Ｋａｔｏｎａ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ８４ （２００４） ５０２５ Ｓ．Ｈｅｉｋｍａｎ ｅｔ ａｌ．， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ４４ （２００５） Ｌ４０５ Ｔ．Ｆｕｊｉｉ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ８４ （２００４） ８５５ Ｈ．Ｋａｓｕｇａｉ ｅｔ ａｌ．， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ４４ （２００５） ７４１４ 特開２００２−１７０７７８号公報 特開２００３−７７８４７号公報 特開２００３−１２４１２４号公報 特許第３４４１４１５号公報 特許第３４７１７００号公報 特開２００４−６９３１号公報 特開２００５−２５９９７０号公報 特開２００５−２７７３７４号公報 特開２００５−９３９８８号公報 特許第３６５９２０１号公報 特開２００３−３１８４４３号公報

特許文献１１には、ＲＩＥ、フッ酸エッチャント、研磨によって表面に凹凸を形成したサファイア基板にＧａＮを成長させる。このとき、凹凸の谷部には空隙が形成される。このようにしてＧａＮ層が形成されたＧａＮ層からサファイア基板を分離すると、凹凸表面を有するＧａＮ層が得られる。しかしながら、サファイア基板の凹凸形状は制御されたものではないため、得られるＧａＮ表面の凹凸の形状、大きさ、密度も制御されず、光取り出し効率に斑ができる。また、ＧａＮは横方向成長しやすいので、十分な空隙が形成されず、サファイア基板を分離した際に得られるＧａＮ表面は、凸部平坦面の面積が凹部の面積よりも大きい。また、ＧａＮは、末広がりには成長しないので、光取り出し効率向上に必要な先鋭な突起形状は得られない。

特許文献１２には、シリコン基板にストライプ状の開口部を持つマスク層を形成し、マスク層の開口部をフッ酸でエッチングすることで三角形の断面を有した溝を形成し、この上にＧａＮを成長させ、基板を分離することによってプリズム状の光取り出し面を得る方法が開示されている。しかしながら、この方法は、マスクを用いた横方向成長であるので、ＡｌＧａＮには適用できない。

その他、非特許文献５には、光の波長程度の大きさの鋭角の突起を有する光取り出し面をエッチングによって形成する方法が開示されている。この方法では、サファイア基板上に成長させたＧａＮ積層構造にシリコン基板を貼り付けた後、サファイア基板をレーザーリフトオフで剥離し、露出したＮ面をフォトエレクトロケミカルエッチングして、六角錐状の鋭い細かい突起を得る。また、非特許文献６には、光取り出し面である炭化シリコン基板裏面に薄く金を堆積し、アニールすることで島状のマスク層を形成し、反応性イオンエッチングによって鋭く細かい突起から成る凹凸面を得る。これらは平坦面にエッチングによって凹凸を形成する方法であり、成長工程の後に凹凸形成のための別の粗面化工程が必要である。更に、これらの方法でえられる突起は、大きさが均一でないので、均一な光取り出し効率を得ることができない。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、例えば、発光効率の向上に有利な半導体部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、半導体部材の製造方法に係り、前記製造方法は、凸部を有する下地基板の前記凸部の上に複数の半導体層を含む積層構造体を形成する積層工程と、前記積層構造体から前記下地基板を除去する除去工程とを含み、前記積層工程は、前記凸部の上に断面において末広がりに第１半導体を成長させる工程を含む。

本発明の好適な実施形態によれば、前記除去工程では、断面において表面から離れる方向に向かって末細りになった突起を有する前記第１半導体が露出するように、前記積層構造体から前記下地基板を除去することが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記除去工程は、前記積層構造体から前記下地基板を剥離する剥離工程を含みうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記製造方法は、前記除去工程の後に前記突起の上部に残っている前記下地基板の残留物を除去する残留物除去工程を更に含むことが好ましい。前記残留物除去工程は、例えば、研磨工程、又は、エッチング工程を含みうる。

或いは、本発明の好適な実施形態によれば、前記除去工程は、前記下地基板を研磨によって除去する研磨工程を含みうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記製造方法は、前記除去工程の後に前記突起を尖らせる突起処理工程を更に含むことが好ましい。前記突起処理工程は、前記突起の上部に凹凸を形成する工程を含むことが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記下地基板の凸部は、０．１〜１０μｍの範囲内の幅を有することが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記下地基板の凸部は、島状、ストライプ状、又は、格子状に配列されうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記下地基板の凸部は、規則的に配列されていることが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記積層構造体は、発光デバイスの全部又は一部を構成しうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記第１半導体は、ＡｌＧａＮを含みうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記下地基板は、少なくとも前記凸部の表面がＧａＮを含みうる。

本発明の第２の側面は、断面において表面から離れる方向に向かって末細りになった複数の突起が配列された半導体層を含む半導体部材に係り、前記突起の上部に、露出した平坦部を有する。

本発明の好適な実施形態によれば、前記突起は、頂点を取り去った錐形状、或いは、円錐台形状を有することが好ましい。

或いは、本発明の好適な実施形態によれば、前記突起は、表面に沿ってストライプ状又は格子状に形成されていることが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記平坦部は、０．１〜１０μｍの範囲内の幅を有することが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記突起と前記突起との間に断面においてＶ字形状の谷が形成されていることが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記半導体部材は、発光デバイスが造り込まれ、前記半導体層が前記発光デバイスの一部をなしうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記表面から光が取り出されることが好ましい。

本発明の好適な実施形態によれば、前記半導体層は、ＡｌＧａＮを含みうる。

本発明によれば、例えば、発光効率の向上に有利な半導体部材及びその製造方法が提供される。

本発明は、特許請求の範囲に記載されている範囲においてあらゆる半導体部材及びその製造方法に適用可能であるが、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体、特にＡｌ含有窒化物半導体を含む半導体部材及びその製造方法に好適である。

本明細書において、「Ａ層の上に形成されたＢ層」または「Ａの上に形成されたＢ層」という表現は、Ａ層またはＡの上面にＢ層の底面が接するようにＢ層が形成されている場合と、Ａ層またはＡの上面に１以上の層が形成され、さらにその層の上にＢ層が形成されている場合の両方を含むものである。また、Ａ層またはＡの上面とＢ層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではＡ層またはＡとＢ層の間に１以上の層が存在している場合も、上記表現に含まれる。また、「〜」は、その前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を意味する。

本発明の好適な実施形態の半導体部材の製造方法は、凸部を有する下地基板の該凸部の上に積層構造体を形成する積層工程と、該積層構造体から該下地基板を除去する除去工程とを含む。該積層構造体は、複数の半導体層を含み、該積層工程は、該凸部の上に断面において末広がりに第１半導体を成長させる工程を含む。凸部に上に末広がりに第１半導体を成長させ、該第１半導体を含む積層構造体から下地基板を除去することにより、断面において表面から離れる方向に向かって末細りになった突起を得ることができる。このような突起は、半導体部材からの光の取り出し効率、そして発光効率を向上させることに寄与する。

除去工程は、例えば、積層構造体から下地基板を剥離する剥離工程を含みうる。剥離工程は、例えば、レーザーリフトオフ法を適用した工程が好適である。

除去工程の後に突起の上部に残っている下地基板の残留物は、残留物除去工程によって除去されうる。残留物除去工程は、例えば、研磨工程（例えば、ＣＭＰ工程）、及び／又は、エッチング工程（例えば、ＲＩＥ等のドライエッチング、ウエットエッチング）を含みうる。

前記除去工程は、或いは、下地基板を研磨によって除去する研磨工程を含みうる。

除去工程の後に、突起を尖らせる突起処理工程を更に実施されることが好ましい。突起処理工程は、突起の上部に凹凸を形成する工程を含みうる。突起の上部への凹凸の形成は、例えば、突起の上部をエッチングすることによってなされうる。突起がＡｌＧａＮで形成されている場合、エッチングは、ＫＯＨを使用してなされることが好ましい。

下地基板の凸部は、０．１〜１０μｍの範囲内の幅を有することが好ましい。下地基板の凸部は、例えば、島状、又は、ストライプ状、又は、格子状に配列されることが好ましい。また、下地基板の凸部は、規則的に配列されていることが好ましい。規則的に配列された凸部は、その上への規則的な第１半導体或いは突起の形成を可能にする。

積層構造体は、発光デバイスの全部又は一部として有用である。突起を有する面、すなわち、第１半導体で構成される層は、ｎ型半導体層であることが好ましい。本発明の好適な実施形態にしたがって発光デバイスを製造すると、積層工程における第１半導体の成長によって突起が形成されるので、成長工程後に粗面化工程を実施することなく、発光デバイスからの光の取り出し効率、そして発光効率を向上させることができる。

好適な実施形態において、第１半導体は、ＡｌＧａＮを含みうる。また、好適な実施形態において、下地基板は、少なくとも凸部の表面がＧａＮを含むことが好ましい。ＧａＮからなる下地基板の凸部にＡｌＧａＮを成長させる場合、ＡｌＧａＮのＡｌ組成が０．２以上であっても、良質のＡｌＧａＮを成長させることができる。なお、マスクを使用する選択成長では、０．２以上のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮを形成することは困難である。

本発明の好適な実施形態の半導体部材は、断面において表面から離れる方向に向かって末細りになった複数の突起が配列された半導体層を含み、前記突起の上部に、露出した平坦部を有する。このような半導体部材は、前述の製造方法によって製造されうる。

突起は、頂点を取り去った錐形状、或いは、円錐台形状を有しうる。或いは、突起は、表面に沿ってストライプ状又は格子状に形成されうる。突起の上部の平坦部は、０．１〜１０μｍの範囲内の幅を有することが好ましい。突起と突起との間には、断面においてＶ字形状の谷が形成されていること、又は、突起と突起との間に平坦な底部が形成されていないことが好ましい。突起の側面は、突起の底面に対して６０度以上の角度をなすことが好ましく、７０度以上の角度をなすことが更に好ましい。突起の高さは、０．２〜１０μｍが好ましく、０．３〜５μｍがより好ましい。

半導体部材には、発光デバイスが造り込まれ、半導体層が発光デバイスの一部を構成しうる。そのような発光デバイスにおいて、半導体部材の表面から光が取り出されうる。

本発明の好適な実施形態において、半導体層は、ＡｌＧａＮを含みうる。

本発明の好適な実施形態によれば、成長工程後に粗面化工程を実施することなく、均一かつ高い光取り出し効率（発光効率）を得ることができる。更に、下地基板の凹凸パターンや第１半導体の成長条件により光取り出し面の粗度を制御することも可能である。下地基板の凸部の密度を増せば粗度を上げることができる。また、第１半導体が横方向成長しにくい成長条件、例えば成長温度を下げることで、突起を鋭角化することができる。もちろん、ＡｌＧａＮのＡｌ組成を上げることでも鋭角化することができ、突起の形成途中でＡｌＧａＮのＡｌ組成を変更して、突起形状をコントロールすることもできる。本発明の好適な実施形態によれば、発光デバイスの発光波長や使用される条件を考慮して最適な粗度を得ることができる。

本発明の好適な実施形態に係る発光デバイスは、例えば、支持基板上にｐ型半導体層が配置され、その上に発光層とｎ型半導体層が配置された構造を有しうる。該ｎ型半導体層の表面は、エピタキシャル成長中に形成された複数の突起を含む凹凸を有しうる。

ｐ型、ｎ型半導体層及び発光層は、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、支持基板は、導電性の異種基板で構成されうる
光取り出し面をｎ型半導体層側とすることにより、ｐ型側電極の面積を大きくすることができ、通過抵抗が低減するために発熱が抑えられる。また、発生した熱は、ｐ型側電極に接した熱伝導の良好な導電性異種基板（支持基板）に放熱されるため、発光デバイスの温度特性の改善、及び特性の劣化が防止できる。

本発明の好適な実施形態によれば、ＧａＮ基板にＡｌＧａＮ層を含む積層構造を形成した後に積層構造からＧａＮ基板を機械研磨やレーザーリフトオフ等の方法によって除去する。これにより、紫外光を吸収するＧａＮが取り除かれるので、このような積層構造を用いて紫外線ＬＥＤを製造した場合には、発光効率を改善することができる。また、紫外線以外には透明であるため、紫外線のみに反応する紫外線検知器等も作製することができる。

下地基板としては、例えば、サファイア、シリコン、砒化ガリウム、炭化珪素、酸化亜鉛若しくはスピネルからなる基板、又は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体基板、又は、これらの基板上に１又は複数のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させた基板を使用することができる。下地基板上には、バッファー層を介してＡｌ含有ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることができる。なお、下地基板の面方位は、特に限定されず、更に、ジャスト基板でもよいし、オフ角を付与した基板であってもよい。

前述のバッファー層は、気相成長において、低温又は高温の成長温度で基板上に成長した微結晶又はアモルファス窒化物半導体であって、燐や砒素を含んでいても構わない。また、レーザーリフトオフを利用して下地基板とその上に形成された半導体積層構造とを分離して、その半導体積層構造を自立基板とすることも可能である。或いは、バッファー層は、酸を含む液体（エッチング液）中に浸されることで溶解され、これにより半導体積層構造と下地基板とが分離されるように金属窒化物とすることもできる。

半導体又は半導体層は、単層であってもよいし、組成又はキャリア濃度が異なる多層構造であってもいし、超格子構造であってもよい。組成又はキャリア濃度は、厚さ方向にグラジュアル又は階段状に変化させうる。 半導体又は半導体層は、不純物を添加することによりｎ型又はｐ型とすることができる。ｐ型の不純物としては、例えば、マグネシウム、亜鉛、カルシウム等が挙げることができ、ｎ型不純物としては、例えば、シリコン、硫黄、セレン、テルル、ゲルマニウム等を挙げることができる。 以下、添付図面を参照しながら本発明の代表的な実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１Ａ〜図１Ｅは、本発明の第１実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。ここでは、一例として、発光波長が２８０〜３００ｎｍの紫外ＬＥＤの製造方法について説明する。

まず、図１Ａに示す工程では、表面に凸部を有する下地基板１０を準備する。下地基板１０は、凸部１０ａを有し、凸部１０ａと凸部１０ａとの間に凹部１０ｂを有する。下地基板１０としては、例えば、サファイア、シリコン、砒化ガリウム、炭化珪素、酸化亜鉛、スピネル、ＩＩＩ族窒化物半導体、又は、これらの積層構造からなる基板を使用可能であるが、転位密度低減のためにはＩＩＩ族窒化物半導体基板（ここでは、一例としてＧａＮ基板とする）を使用することが望ましい。

凸部１０ａは、島状、ストライプ状、又は、格子状に形成されうる。好ましくは、凸部１０ａは、規則的に、均一な密度で形成される。凸部１０ａは、例えば、フォトリソグラフィーによって材料基板上にマスクを形成した後に、マスクの開口部をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置によってドライエッチングすることによって形成することができる。ＲＩＥ装置としては、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）−ＲＩＥ装置が好適である。

凸部１０ａが島状に形成される場合、凸部１０ａは、例えば、円柱形、円錐形、多角柱形、多角錐形等の形状を有するように形成されうる。凸部１０ａの幅ｗは、例えば、０．１〜１０μｍの範囲内であることが好ましい。凸部１０ａの配列ピッチは、形成すべき突起の大きさに応じて、例えば、０．２〜２０μｍの範囲内であることが好ましい。

凸部１０ａの高さ（凹部１０ｂの深さ）は、高すぎると形成に長時間を要し、低すぎると後続の工程で凹部１０ｂに化合物半導体が成長しやすくなるので、０．２〜２０μｍの範囲内であることが好ましい。

次いで、図１Ｂに示す工程では、下地基板１０の凸部１０ａの上に積層構造体２０を形成する。この例では、積層構造体２０は、複数の半導体層２１〜２４と、電極３１とを含んで構成される。

まず、下地基板（ＧａＮ基板）１０に必要に応じて酸又はアルカリ、有機溶剤で前処理を施した後、ＭＯＣＶＤ装置に投入し、水素、窒素、アンモニアガス雰囲気中で１０００〜１２００℃に加熱し、１〜１０分間保持し下地基板１０の表面を清浄化する。

引き続き、同じ基板温度で、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、更にドーピングガスとしてＳｉＨ_４をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、下地基板１０表面に厚さ５．０μｍのｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層（第１半導体）２１を断面において末広がりに成長させる。例えば、凸部１０ａが円形である場合には、ｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ（第１半導体）２１を逆円錐形に成長させる。凸部１０ａの上に成長したｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ（第１半導体）２１は、やがて隣接する凸部１０ａの上に成長したｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ（第１半導体）２１と会合し平坦面を形成する。下地基板１０の凹部１０ｂ上には空隙が形成される。

Ａｌ_０．６ＧａＮのように高Ａｌ組成のＡｌ含有ＩＩＩ族窒化物半導体層は、横方向成長しにくいので、低転位密度を得るための横方向成長促進条件においても、末広がりの断面形状を形成する。しかし、青〜近紫外ＬＥＤ材料であるＡｌを含まないＩＩＩ族窒化物半導体層、又はＡｌ組成が低いＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる場合には、横方向成長を抑えた成長条件を採用することにより、又は、初期段階では縦方向成長を促進し、途中で横方向成長を促進した成長を採用することにより、末広がりの断面形状が得られる。

或いは、高Ａｌ組成のＡｌ含有ＩＩＩ族窒化物半導体層を横方向成長条件で成長させ、隣接する半導体層と会合した後、又は、光取り出し効率を向上するために十分な末広がり形状を得た後、Ａｌ組成を低下させた又はＡｌを含まないＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させても等価な形状が得られる。

更に、高Ａｌ組成のｎ型Ａｌ含有ＩＩＩ族窒化物半導体クラッド層上に、直接ＩｎＧａＮ活性層を成長させることも可能である。

次に、厚さ３．０ｎｍのアンドープＡｌ_０．４ＧａＮ井戸層と厚さ７．０ｎｍのアンドープＡｌ_０．５ＧａＮ障壁層とを積層して構成される５ＱＷ発光層２２を成長させる。障壁層は、Ｓｉをドープしてｎ型としてもよい。活性層をＡｌＩｎＧａＮ井戸層、障壁層をＡｌＩｎＧａＮ障壁層としてもよく、この場合は、基板温度は８００〜９００℃に下げる。或いは、厚さ０．０５〜０．５μｍのバルク活性層を採用してもよい。

次に、基板温度を５０〜１００℃下げて、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、更にドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を導入し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層２３を成長させ、更にその上に厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２４を成長させる。Ａｌ組成が高くなると高抵抗化しやすいので、ｐ型ＡｌＧａＮ層を超格子構造とすることや、δドーピングが有効である。

次いで、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｐ型半導体層２３に導入したＭｇを活性化させるため、該基板をラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）炉に投入し、窒素雰囲気中において８００〜１０００℃で１〜１０分間アニールを実施する。

次に、電子ビーム蒸着装置によって、ｐ型半導体２４の表面に高反射率のＡｇ、Ａｌ又はＲｈ等の電極材料を蒸着し、４００〜６００℃で５〜２０分間のアニールを施し、ｐ型側電極３１を形成する。電極材料としては、高い反射率が得られるＡｇを用いることが好ましい。

次に、図１Ｃに示す工程では、ｐ型側電極３１に対して、Ａｕ−Ｓｎ等の半田（図示せず）を用いて、支持基板４０としてのＣｕ−Ｗ合金基板を結合させる。支持基板４０は、導電性であれば何でも構わないが、熱伝導性の良好なものを選ぶことが望ましい。

図１Ｄに示す工程では、積層構造体２０から下地基板１０を除去して、ｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層（第１半導体層）２１を露出させる。露出したｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層（第１半導体層）２１は、断面において表面から離れる方向に向かって末細りになった突起２１ａを有する。

下地基板１０の除去工程の後に、突起を尖らせる突起処理工程が更に実施してもよい。突起処理工程は、突起２１ａの上部に凹凸を形成する工程を含みうる。突起２１ａの上部への凹凸の形成は、例えば、突起２１ａの上部をエッチングすることによってなされうる。突起がＡｌＧａＮで形成されている場合、エッチングは、ＫＯＨを使用してなされることが好ましい。

次に、図１Ｅに示す工程では、電子ビーム蒸着装置によって、突起２１ａを有するｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層（第１半導体層）２１の表面にＴｉ／Ａｌを蒸着し、４００〜６００℃で５〜２０分間のアニールを施して、ｎ型側電極３２を形成する。ｎ型側電極３２は、透光性電極としてもよい。

次に、カッター等の刃を用いた機械的又は物理的スクライブや、ＹＡＧレーザーやエキシマレーザーなどを用いた光学的又は熱的スクライブにより素子分離を行う。これによって、発光デバイス（ＬＥＤ）が完成する。

［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。第２実施形態は、積層構造体２０に支持基板４０を結合する工程までは第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。なお、下地基板１０は、積層構造体２０への支持基板４０の結合後であれば、どの段階で除去されてもよい。

積層構造体２０に支持基板（例えば、Ｃｕ−Ｗ基板）４０を結合させた後、図２に示す工程において、支持基板４０の露出面側にフォトリソグラフィーによってマスクを形成し、ｎ型側電極３２’を形成する領域を含む除去対象領域の支持基板４０を酸処理等によって除去する。

次に、フォトリソグラフィーとＩＣＰ−ＲＩＥ装置等のＲＩＥ装置を用いたドライエッチングとにより、ｎ型側電極３２’を形成する領域を含む除去対象領域内のｐ型側電極３１から５ＱＷ発光層２２までを順にエッチングし、光取り出し面とは逆の面のｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層２１を露出させる。

次に、ドライエッチングにより露出させたｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層２１の露出面に、電子ビーム蒸着装置によって、Ｔｉ／Ａｌを蒸着し４００〜６００℃で５〜２０分間のアニールを施しｎ型側電極１３１を形成する。

次に、カッター等の刃を用いた機械的又は物理的スクライブや、ＹＡＧレーザーやエキシマレーザーなどを用いた光学的又は熱的スクライブにより素子分離を行う。これによって、発光デバイス（ＬＥＤ）が完成する。第２実施形態によれば、第１実施形態に比べて、光の取り出し面積を大きく取ることができ、ｎ型側電極による光の吸収も抑えられるので発光効率の点で優れている。

[第３実施形態]
図３Ａ〜図３Ｄは、本発明の第３実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。ここでは、一例として、発光波長が２８０〜３００ｎｍの紫外ＬＥＤの製造方法について説明する。

第１実施形態と同様の下地基板（ここでは、一例としてＧａＮ基板とする）１０を準備し、図３Ａに示す工程において、下地基板１０の凸部１０ａの上に積層構造体２０’を形成する。この例では、積層構造体２０’は、分離層１２と、複数の半導体層２１〜４と、電極３１とを含んで構成される。

まず、下地基板１０に必要に応じて酸又はアルカリ、有機溶剤で前処理を施した後、ＭＯＣＶＤ装置に投入し、水素、窒素、アンモニアガス雰囲気中で１０００〜１２００℃に加熱し、１〜１０分間保持し下地基板１０の表面を清浄化する。

次に、基板温度を７００〜９００℃に下げて、ＭＯＣＶＤ装置にトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を導入し、厚さ０．０５〜０．５μｍのＩｎＧａＮ層（分離層）１２を成長させる。ＩｎＧａＮ層１２は、下地基板（ＧａＮ基板）１０を後にレーザーリフトオフにより分離するための層であるので、ＳｉＨ_４を導入してｎ型としてもよいし、アンドープでも構わない。

次に、基板温度を１０００〜１２００℃に上げて、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、更にドーピングガスとしてＳｉＨ_４を導入し、ＩｎＧａＮ層１２の上に厚さ５．０μｍのｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層２１を断面において末広がりに成長させる。例えば、凸部１０ａが円形である場合には、ｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ（第１半導体）２１を逆円錐形に成長させる。凸部１０ａの上にＩｎＧａＮ層１２を介して成長したｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ（第１半導体）２１は、やがて隣接する凸部１０ａの上にＩｎＧａＮ層１２を介して成長したｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ（第１半導体）２１と会合し平坦面を形成する。下地基板１０の凹部１０ｂ上には空隙が形成される。

次に、厚さ３．０ｎｍのアンドープＡｌ_０．４ＧａＮ井戸層と厚さ７．０ｎｍのアンドープＡｌ_０．５ＧａＮ障壁層とを積層して構成される５ＱＷ発光層２２を成長させる。障壁層は、Ｓｉをドープしてｎ型としてもよい。活性層をＡｌＩｎＧａＮ井戸層、障壁層をＡｌＩｎＧａＮ障壁層としてもよく、この場合は、基板温度は８００〜９００℃に下げる。或いは、厚さ０．０５〜０．５μｍのバルク活性層を採用してもよい。

次に、基板温度を５０〜１００℃下げて、ＴＭＡとＴＭＧ、更にドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を導入し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層２３を成長させ、更にその上に厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２４を成長させる。Ａｌ組成が高くなると高抵抗化しやすいので、ｐ型ＡｌＧａＮ層を超格子構造とすることや、δドーピングが有効である。

次いで、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｐ型半導体層２３に導入したＭｇを活性化させるため、ＲＴＡ炉に投入し、窒素雰囲気中において８００〜１０００℃で１〜１０分間アニールを実施する。

次に、電子ビーム蒸着装置によって、ｐ型半導体２４の表面にＡｇ、Ａｌ又はＲｈ等の電極材料を蒸着し、４００〜６００℃で５〜２０分間のアニールを施し、ｐ型側電極３１を形成する。電極材料としては、高い反射率が得られるＡｇを用いることが好ましい。

次に、図３Ｂに示す工程では、ｐ型側電極３１に対して、Ａｕ−Ｓｎ等の半田（図示せず）を用いて、支持基板４０としてＣｕ−Ｗ合金基板を結合する。支持基板４０は、導電性であれば何でも構わないが、熱伝導性の良好なものを選ぶことが望ましい。

次に、図３Ｃに示す工程では、積層構造体２０’から下地基板１０を剥離して除去する。具体的には、下地基板１０を構成するＧａＮのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）に相当する光の波長より長く、かつ分離層１２を構成するＩｎＧａＮのＥｇに相当する光の波長より短い波長のレーザー光を、下地基板（ＧａＮ基板）１０の裏面（成長面の反対側の面）から照射して、レーザーリフトオフにより下地基板１０とｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層２１とを分離する。この実施形態では、表面に凹凸を有する下地基板を用いており、凹部１０ｂ上には空隙が形成され、凸部１０ａのみでエピタキシャル成長層（ｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層２１）と接しているため、容易にリフトオフが可能である。

レーザーリフトオフに利用する分離層としてのＩｎＧａＮ層は、Ｉｎ組成が高いと、ＧａＮとのバンドギャップの差が大きくなり、レーザーリフトオフが容易になる。しかし、Ｉｎ組成が高いとエピタキシャル成長層の品質が低下するだけでなく、引き続き成長させる高Ａｌ組成のＡｌＧａＮとの格子不整合が大きくなり、ＡｌＧａＮ層に転位が発生する。よって、ＩｎＧａＮのＩｎ組成は、０．１〜０．２の範囲内が好ましい。

積層構造体２０’から下地基板１０を剥離すると、断面において表面から離れる方向に向かって末細りになった突起２０ａを有するｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層（第１半導体層）２１が現れる。ここで、突起２０ａの上部に残っている下地基板１０の残留物１２ｂは、残留物除去工程によって除去されうる。残留物除去工程は、例えば、研磨工程（例えば、ＣＭＰ工程）、及び／又は、エッチング工程（例えば、ＲＩＥ等のドライエッチング、ウエットエッチング）を含みうる。

下地基板１０の除去工程の後に、突起を尖らせる突起処理工程が更に実施してもよい。突起処理工程は、突起２１ａの上部に凹凸を形成する工程を含みうる。突起２１ａの上部への凹凸の形成は、例えば、突起２１ａの上部をエッチングすることによってなされうる。突起がＡｌＧａＮで形成されている場合、エッチングは、ＫＯＨを使用してなされることが好ましい。

次に、図３Ｄに示す工程では、電子ビーム蒸着装置によって、突起２１ａを有するｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層（第１半導体層）２１の表面にＴｉ／Ａｌを蒸着し、４００〜６００℃で５〜２０分間のアニールを施して、ｎ型側電極３２を形成する。ｎ型側電極３２は、透光性電極としてもよい。

次に、カッター等の刃を用いた機械的又は物理的スクライブや、ＹＡＧレーザーやエキシマレーザーなどを用いた光学的又は熱的スクライブにより素子分離を行う。これによって、発光デバイス（ＬＥＤ）が完成する。

ｎ型側電極３２は、第２実施形態と同様に、ｎ型Ａｌ_０．６ＧａＮ層２１の光取り出し面とは逆の面に形成されてもよい。

以上、本発明を発明の実施の形態に基づいて例示的に詳細に説明したが、本発明は上記発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲であらゆる変更や変形が可能である。

上記の実施形態は、本発明をＬＥＤの製造に適用した例であるが、本発明は、レーザーダイオード（ＬＤ）の製造にも好適である。例えば、上記の実施形態によれば、低転位密度の高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層が得られるので、このＡｌＧａＮ層の上にレーザーダイオード（ＬＤ）構造を形成し、高品質の紫外線ＬＤを作製することもができる。また、下地基板としてのＧａＮ基板を分離することにより、紫外線のみを検知する紫外線検知器も作製可能である。

本発明の好適な実施形態によれば、転位密度を低減したＡｌＧａＮが得られるため、非発光中心密度が低減され、紫外ＬＥＤの内部量子効率が改善される。また、本発明の好適な実施形態によれば、エピタキシャル成長工程後に光取り出し面の粗面化処理を実施することなく、活性層で発生した光の取り出し効率を向上させることができる。よって、本発明の好適な実施形態によれば、高効率発光の紫外ＬＥＤを得ることができる。更に、ｐ型側電極の面積を大きくすれば、通過抵抗を低減することができる。また、Ｃｕ−Ｗ基板のように熱伝導の良い支持基板を使用することにより、素子の温度上昇を抑えて素子の出力の熱飽和を抑制し、劣化も防ぐことが可能である。

本発明の第１実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。 本発明の第２実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施形態の半導体部材及び発光デバイスの製造方法を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０ 下地基板（ＧａＮ基板）
１０ａ 凸部
１０ｂ 凹部
１２ 分離層（ＩｎＧａＮ層）
１２ｂ 分離層の残留物
２１ 第１半導体（ｎ型ＡｌＧａＮ層）
２１ａ 突起
２２ 発光層
２３ ｐ型ＡｌＧａＮ層
２４ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３１ ｐ型側電極
３２、３２’ ｎ型側電極

Claims (25)

1. 凸部を有する下地基板の前記凸部の上に複数の半導体層を含む積層構造体を形成する積層工程と、
   前記積層構造体から前記下地基板を除去する除去工程とを含み、
   前記積層工程は、前記凸部の上に断面において末広がりに第１半導体を成長させる工程を含むことを特徴とする半導体部材の製造方法。
2. 前記除去工程では、断面において表面から離れる方向に向かって末細りになった突起を有する前記第１半導体が露出するように、前記積層構造体から前記下地基板を除去することを特徴とする請求項１に記載の半導体部材の製造方法。
3. 前記除去工程は、前記積層構造体から前記下地基板を剥離する剥離工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体部材の製造方法。
4. 前記除去工程の後に前記突起の上部に残っている前記下地基板の残留物を除去する残留物除去工程を更に含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体部材の製造方法。
5. 前記残留物除去工程は、研磨工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体部材の製造方法。
6. 前記残留物除去工程は、エッチング工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体部材の製造方法。
7. 前記除去工程は、前記下地基板を研磨によって除去する研磨工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体部材の製造方法。
8. 前記除去工程の後に前記突起を尖らせる突起処理工程を更に含むことを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の半導体部材の製造方法。
9. 前記突起処理工程は、前記突起の上部に凹凸を形成する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体部材の製造方法。
10. 前記下地基板の凸部は、０．１〜１０μｍの範囲内の幅を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体部材の製造方法。
11. 前記下地基板の凸部は、島状に配列されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の半導体部材の製造方法。
12. 前記下地基板の凸部は、ストライプ状又は格子状に配列されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の半導体部材の製造方法。
13. 前記下地基板の凸部は、規則的に配列されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の半導体部材の製造方法。
14. 前記積層構造体は、発光デバイスの全部又は一部を構成することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の半導体部材の製造方法。
15. 前記第１半導体は、ＡｌＧａＮを含むことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の半導体部材の製造方法。
16. 前記下地基板は、少なくとも前記凸部の表面がＧａＮを含むことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の半導体部材の製造方法。
17. 断面において表面から離れる方向に向かって末細りになった複数の突起が配列された半導体層を含む半導体部材であって、前記突起の上部に、露出した平坦部を有することを特徴とする半導体部材。
18. 前記突起は、頂点を取り去った錐形状を有することを特徴とする請求項１７に記載の半導体部材。
19. 前記突起は、円錐台形状を有することを特徴とする請求項１７に記載の半導体部材。
20. 前記突起は、表面に沿ってストライプ状又は格子状に形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の半導体部材。
21. 前記平坦部は、０．１〜１０μｍの範囲内の幅を有することを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の半導体部材。
22. 前記突起と前記突起との間に断面においてＶ字形状の谷が形成されていることを特徴とする請求項１７乃至２１のいずれか１項に記載の半導体部材。
23. 発光デバイスが造り込まれ、前記半導体層が前記発光デバイスの一部をなすことを特徴とする請求項１７乃至２２のいずれか１項に記載の半導体部材。
24. 前記表面から光が取り出されることを特徴とする請求項２３に記載の半導体部材。
25. 前記半導体層がＡｌＧａＮを含むことを特徴とする請求項１７乃至２４のいずれか１項に記載の半導体部材。

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