JP5597933B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体層貼り合わせ基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスに好適に用いられるフォトニック結晶構造層を含むＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板およびその製造方法に関する。
ＩＩＩ族窒化物半導体基板の一つであるＧａＮ基板は、現在の主流である青色発光デバイスの発光層と化学組成が近く結晶の格子定数の差が小さいため、ＧａＮ基板上に発光層を形成する際のＧａＮ基板と発光層との間の応力の発生が抑制されることにより、結晶品質の良い発光層が形成される。しかし、ＧａＮ基板などのＩＩＩ族窒化物半導体基板は、ＩＩＩ族窒化物半導体がその結晶成長速度が低く結晶成長に多くの時間がかかることから、非常に高価となっている。このため、発光層の結晶品質は若干低下するが、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体デバイスには安価なサファイア基板などが多く使用されている。
上記の問題に対して結晶品質の良い発光層を形成するための基板を安価に提供するために、特開２００６−２１０６６０号公報（特許文献１）は、シリコン（Ｓｉ）基板などにＧａＮ膜などの窒化物半導体膜を形成するための半導体基板の製造方法を開示する。
一方、ＩＩＩ族窒化物半導体の一つであるＧａＮは、屈折率が約２．５であり、空気（屈折率が１．０）に比べて屈折率が大きく、全反射角が小さくなり、発光層から発した光が半導体デバイスの外に取り出しにくい問題がある。すなわち、半導体デバイスの表面で反射した光は、全反射を繰り返しながら半導体デバイスの側面から出射するが、その多くは、全反射を繰り返すうちに、半導体デバイスの電極および半導体層内での吸収により減衰してしまう。
上記の問題に対して、半導体デバイスからの光の取り出し効率を向上させるために、J. J. Wierer, 他４名,“InGaN/GaN quantum-well heterostructure light-emitting diodes employing photonic crystal structure”, Applied Physics Letters, 84, 19, May 10, 2004, pp3885-3887（非特許文献１）は、半導体デバイスの表面にフォトニック結晶構造を形成することを開示する。
しかし、非特許文献１においては、フォトニック結晶構造の形成は、エピタキシャル半導体層の表面側から表面をドライエッチングなどの方法により加工をするため、エピタキシャル半導体層内の発光層にダメージが生じてしまう。また、半導体デバイスにおいては、ｐ−ＧａＮなどのｐ−半導体層の比抵抗が大きいため、ｐ−電極として、ＩＴＯ（インジウム−錫−酸化物）、極めて薄い金属層などの透明電極が半導体の表面に広く形成されることが多い。しかし、半導体層の表面にフォトニック結晶構造が形成されていると、その凹凸構造のために、電極の連続性が低下し、また、上記のエピタキシャル層の表面の加工ダメージにより電極とｐ−ＧａＮ層（ｐ型半導体層）とのオーミック接合が悪化する場合がある。
このため、上記非特許文献１の半導体デバイスにおいては、トンネルジャンクション層を入れて比抵抗の小さいｎ−ＧａＮ層を表面層にするなど複雑な構造を採用する必要がある。
J. J. Wierer, 他４名, "InGaN/GaN quantum-well heterostructure light-emitting diodes employing photonic crystal structures", Applied Physics Letters, May 10, 2004, 84, 19, pp3885-3887
本発明は、半導体デバイスの製造の際に、複雑な構造が不要で、かつ、発光層にダメージを与えることなく、光の取り出し効率が高い半導体デバイスが得られる安価なＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体層と、ＩＩＩ族窒化物半導体層と化学組成が異なる基礎基板と、が貼り合わせられた基板であって、ＩＩＩ族窒化物半導体層は、基礎基板と接合する主面を有しその主面に平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層を含み、ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは、１００ｎｍ以上１００μｍ以下であり、フォトニック結晶構造層の厚さより大きく、フォトニック結晶構造層はＩＩＩ族窒化物半導体層において上記主面側に形成され、フォトニック結晶構造層は高屈折率部分と低屈折率部分とを含み、高屈折率部分はＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、低屈折率部分はＩＩＩ族窒化物半導体の除去部分で構成され、上記主面に平行な面内において、低屈折率部分は高屈折率部分中の正三角格子点上または正方格子点上に配置され、低屈折率部分の直径は５０ｎｍ以上８μｍ以下であり、低屈折率部分のピッチは８０ｎｍ以上１０μｍ以下であり、フォトニック結晶構造層の厚さは５０ｎｍ以上１０μｍ以下であるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板である。本発明によれば、構造が複雑でなくかつ発光層にダメージがなく光の取り出し効率および光の指向性の高い半導体デバイスの製造が可能なＩＩＩ族窒化物層貼り合わせ基板が得られる。
本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板において、基礎基板が、透明な基板であることにより、たとえば、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、スピネル、二酸化ケイ素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、セレン化亜鉛、炭素およびダイヤモンドからなる群から選ばれる少なくともいずれかの材料を含むことにより、半導体デバイスにおいて貼り合わせ基板側からの光の取出しが可能になる。また、基礎基板が、シリコン、モリブデンおよびタングステンからなる群から選ばれる少なくともいずれかの材料を含むことにより、半導体デバイスにおいて貼り合わせ基板側からの放熱が容易になる。ここで、基礎基板が、シリコンを含み、ＩＩＩ族窒化物半導体層に接合する主面を有する酸化シリコン層を含むことにより、基礎基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との貼り合わせによる接合強度が高くなる。また、ＩＩＩ族窒化物半導体層が窒化ガリウム層であることにより、貼り合わせ基板は半導体デバイスの基板としての汎用性が高くなる。
また、本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板に、ＩＩＩ族窒化物半導体基板の一方の主面を有しその主面に平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層を形成する第１工程と、上記主面にＩＩＩ族窒化物半導体基板と化学組成が異なる基礎基板を貼り合わせる第２工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板をフォトニック結晶構造層が形成されていない部分において上記主面に平行な面で分離することにより、上記主面を有するフォトニック結晶構造層を含むＩＩＩ族窒化物半導体層が基礎基板に貼り合わされたＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板を得る第３工程と、を備え、ＩＩＩ族窒化物半導体貼り合わせ基板は、ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さが１００ｎｍ以上１００μｍ以下でありフォトニック結晶構造層の厚さより大きく、フォトニック結晶構造層がＩＩＩ族窒化物半導体層において基礎基板に接する主面側に形成され、フォトニック結晶構造層が高屈折率部分と低屈折率部分とを含み、高屈折率部分がＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、低屈折率部分がＩＩＩ族窒化物半導体の除去部分で構成され、基礎基板に接する主面に平行な面内において、低屈折率部分は高屈折率部分中の正三角格子点上または正方格子点上に配置され、低屈折率部分の直径が５０ｎｍ以上８μｍ以下であり、低屈折率部分のピッチが８０ｎｍ以上１０μｍ以下であり、フォトニック結晶構造層の厚さが５０ｎｍ以上１０μｍ以下であるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の製造方法である。本発明によれば、構造が複雑でなくかつ発光層にダメージがなく光の取り出し効率および光の指向性の高い半導体デバイスの製造が可能なＩＩＩ族窒化物層貼り合わせ基板が効率よく得られる。
本発明によれば、半導体デバイスの製造の際に、複雑な構造が不要で、かつ、発光層にダメージを与えることなく、光の取り出し効率が高い半導体デバイスが得られる安価なＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板およびその製造方法が提供される。
［実施形態１］
図１を参照して、本発明の一実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａと、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａと化学組成が異なる基礎基板１０と、が貼り合わせられた基板であって、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａは、基礎基板１０と接合する主面２０ｎを有し主面２０ｎに平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層２０ｐを含む。ここで、フォトニック結晶構造とは、１次元、２次元および３次元の方向を問わず屈折率の異なる材料が周期的に並んだ構造をいう。
図１を参照して、本発明の一実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａと、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａと化学組成が異なる基礎基板１０と、が貼り合わせられた基板であって、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａは、基礎基板１０と接合する主面２０ｎを有し主面２０ｎに平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層２０ｐを含む。ここで、フォトニック結晶構造とは、１次元、２次元および３次元の方向を問わず屈折率の異なる材料が周期的に並んだ構造をいう。
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１においては、フォトニック結晶構造層２０ｐは、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａにおいて基礎基板１０に接する主面２０ｎを有して、その主面２０ｎ側に形成されているため、ＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層をその上に形成させる主面２０ｍ（この主面２０ｍはＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａにおいて主面２０ｎと反対側の主面２０ｍである。）は、容易に平坦化できる。このため、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１は、そのＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａの主面２０ｍ上に結晶品質のよいＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層を形成することができ、また、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａとＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層との物理的接触も良好である。
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１においては、フォトニック結晶構造層２０ｐは、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａにおいて基礎基板１０に接する主面２０ｎに平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化する。ここで、図１（Ａ）を参照して、主面２０ｎに平行な２次元方向とは、主面２０ｎに平行な任意に特定されるある方向Ｄ１および主面２０ｎに平行であってかつ方向Ｄ１とは平行でないように任意に特定される他の方向Ｄ２を意味する。このため、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａに入射した光を、フォトニック結晶構造層２０ｐにおいて屈折および／または回折させることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１からの光の取り出し効率を高めるとともに、主面２０ｎに垂直な方向への光の指向性を高める。
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａに含まれるフォトニック結晶構造層２０ｐは、主面２０ｎに平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化する構造を有している限り、特に制限はなく、たとえば、高屈折率部分２０ｔと低屈折率部分２０ｓとを含み、主面２０ｎに平行な面内において、低屈折率部分２０ｓが高屈折率部分２０ｔ中の正三角格子点上（図１（Ａ）を参照）または正方格子点上に配置されることにより形成される。かかる場合において、上記の光の取り出し効率および光の指向性を高める観点から、低屈折率部分２０ｓの直径Ｄは５０ｎｍ以上８μｍ以下が好ましく、低屈折率部分２０ｓのピッチＰは８０ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましく、フォトニック結晶構造層２０ｐの厚さＰD（この厚さは高屈折率部分２０ｔおよび低屈折率部分２０ｓの厚さと同じである）は、５０ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。
ここで、フォトニック結晶構造層２０ｐにおいて、高屈折率部分２０ｔおよび低屈折率部分２０ｓを構成する材料は、特に制限はないが、ＩＩＩ族窒化物半導体の屈折率が高いことから、高屈折率部分２０ｔは、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成されていることが好ましい。また、低屈折率部分２０ｓは、高屈性率部分２０ｔに比べて屈折率が低い材料で構成されていれば特に制限はなく、また、ＩＩＩ族窒化物半導体の除去部分で構成される空気、窒素ガス、その他の気体または真空の空間であってもよい。
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａの厚さは、結晶品質の高いＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層をその上に形成させるために主面２０ｍが平坦な面であることが好ましい観点から、フォトニック結晶構造層２０ｐの厚さより大きいことが好ましい。さらに、かかるフォトニック結晶構造層２０ｐを含むＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａを容易に製造する観点から、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａの厚さは、１００ｎｍ以上１００μｍ以下が好ましい。
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１の基礎基板１０は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａと化学組成が異なる基板であれば特に制限はなく、ＩＩＩ族窒化物半導体以外の基礎基板の他、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａと化学組成の異なるＩＩＩ族窒化物半導体の基礎基板を含む。
ここで、基礎基板１０は、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１を含む半導体デバイスにおいてＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１側から光の取出しが可能になる観点から、透明な基板であることが好ましい。かかる観点から、基礎基板１０は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3：屈折率１．６程度（サファイア））、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3：屈折率１．９６程度）、スピネル（ＭｇＡｌＯ3：屈折率１．７３程度）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2：屈折率１．４５程度（石英））、酸化亜鉛（ＺｎＯ：屈折率１．９５程度）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ：屈折率２．１程度）、炭化ケイ素（ＳｉＣ：屈折率２．６３程度）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ：屈折率２．４程度）、炭素（Ｃ：屈折率２程度）およびダイヤモンド（屈折率２．４２程度）からなる群から選ばれる少なくともいずれかの材料を含むことが好ましく、サファイア基板（Ａｌ2Ｏ3基板）、Ｇａ2Ｏ3基板、スピネル基板（ＭｇＡｌＯ3基板）、石英基板（ＳｉＯ2基板）、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＳｅ基板、炭素基板、ダイヤモンド基板などがより好ましい。なお、基礎基板がＡｌＮ基板になり得る場合は、当然の前提として、ＩＩＩ族窒化物半導体層がＡｌＮ層以外のＩＩＩ族窒化物半導体層であることが必要である。
また、基礎基板１０は、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１を含む半導体デバイスにおいてＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１側からの放熱が容易になる観点から、熱伝導性の高い基板であることが好ましい。かかる観点から、基礎基板１０は、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）からなる群から選ばれる少なくともいずれかの材料を含むことが好ましく、Ｓｉ基板、Ｍｏ基板、Ｗ基板、Ｓｉ、ＭｏおよびＷの少なくとも２種以上の合金基板などがより好ましい。
ここで、基礎基板１０は、それがシリコン（Ｓｉ）を含む場合、基礎基板１０とＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａとの貼り合わせによる接合強度を高める観点から、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａに接合する主面１０ｍを有する酸化シリコン層１０ａを含むことが好ましい。かかる基礎基板１０は、たとえば、図１（Ｂ）を参照して、下地基板１０ｂであるＳｉ基板と酸化シリコン層１０ａとで構成される。
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａは、ＩＩＩ族窒化物半導体で形成されていれば特に制限はないが、半導体デバイスの基板としての汎用性の高さから、窒化ガリウム（ＧａＮ）層（屈折率２．５程度）であることが好ましい。
［実施形態２］
図２および３を参照して、本発明の他の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０に、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主面２０ｎを有し主面２０ｎに平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層２０ｐを形成する第１工程と、主面２０ｎにＩＩＩ族窒化物半導体基板２０と化学組成が異なる基礎基板１０を貼り合わせる第２工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０をフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない部分２０ｑにおいて主面２０ｎに平行な面で分離することにより、主面２０ｎを有するフォトニック結晶構造層２０ｐを含むＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａが基礎基板１０に貼り合わされたＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１を得る第３工程と、を備える。かかる工程により、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１が効率よく得られる。
図２および３を参照して、本発明の他の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０に、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主面２０ｎを有し主面２０ｎに平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層２０ｐを形成する第１工程と、主面２０ｎにＩＩＩ族窒化物半導体基板２０と化学組成が異なる基礎基板１０を貼り合わせる第２工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０をフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない部分２０ｑにおいて主面２０ｎに平行な面で分離することにより、主面２０ｎを有するフォトニック結晶構造層２０ｐを含むＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａが基礎基板１０に貼り合わされたＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１を得る第３工程と、を備える。かかる工程により、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１が効率よく得られる。
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の製造方法は、上記工程を備える限り特に制限はなく、より具体的には、以下の製造方法が用いられる。
（実施形態２Ａ）
図２を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１の製造方法の一例は、以下のとおりである。まず、図２（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主面２０ｎを有し、主面２０ｎに平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層２０ｐを形成する（第１工程）。
図２を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１の製造方法の一例は、以下のとおりである。まず、図２（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主面２０ｎを有し、主面２０ｎに平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層２０ｐを形成する（第１工程）。
ここで、本実施形態の主面２０ｎに平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層２０ｐとは、実施形態１で説明したフォトニック結晶構造層と同様であり、たとえば、高屈折率部分２０ｔと低屈折率部分２０ｓとを含み、主面２０ｎに平行な面内において、低屈折率部分２０ｓが高屈折率部分２０ｔ中の正三角格子点上（図１（Ａ）を参照）または正方格子点上に配置されることにより形成される。
本実施形態のフォトニック結晶構造層２０ｐは、具体的には、以下のようにして形成される。まず、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主面２０ｎ上において、フォトリソグラフィ技術またはナノインプリント技術を用いて直径Ｄの開口部がピッチＰで正三角格子点上または正方格子点上に配置されたレジストパターンを形成する（図示せず）。次に、ドライエッチング法によりＨＣｌガス、Ｃｌ2ガスなどの塩素含有ガスを用いて、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の上記レジストパターンの開口部に露出している部分を深さＰDの円柱状に除去して空間を形成する。このようにして、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０を形成するＩＩＩ族窒化物半導体で構成される高屈折率部分２０ｔと、ＩＩＩ族窒化物半導体の除去部分で構成される低屈折率部分２０ｓとを含み、主面２０ｎに平行な面内において、低屈折率部分２０ｓが高屈折率部分２０ｔ中の正三角格子点上または正方格子点上に配置されるフォトニック結晶構造層２０ｐが得られる。
ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１を含む半導体デバイスの光の取り出し効率および光の指向性を高める観点から、低屈折率部分２０ｓの直径Ｄは５０ｎｍ以上８μｍ以下が好ましく、低屈折率部分２０ｓのピッチＰは８０ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましく、フォトニック結晶構造層２０ｐの厚さＰD（この厚さは高屈折率部分２０ｔおよび低屈折率部分２０ｓの厚さと同じである）は、５０ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。
本実施形態の第１工程においては、低屈折率部分２０ｓは、ＩＩＩ族窒化物半導体の除去部分に形成される空間によって構成されるが、かかる空間は高屈折率部分２０ｔに比べて屈折率の低い材料で満たされていてもよい。
次に、図２（Ｂ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０においてフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されている主面２０ｎに、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０と化学組成が異なる基礎基板１０を貼り合わせる（第２工程）。
本実施形態の第２工程を空気中で行うと空気の空間で構成される低屈折率部分が得られ、特定のガス中で行うとそのガスの空間で構成される低屈折率部分が得られ、真空中で行うと真空の空間で構成される低屈折率部分が得られる。
本実施形態の第２工程において、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０のフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されている主面２０ｎに基礎基板１０の一方の主面１０ｍを貼り合わせる方法は、特に制限はないが、貼り合わせる面の表面を洗浄して直接貼り合わせ、貼り合わせ後６００℃〜１２００℃に昇温して接合することによる直接接合法、プラズマやイオンなどで貼り合わせ面を活性化させ接合することによる表面活性化法などが好ましく用いられる。
次に、図２（Ｃ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０をフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない部分２０ｑにおいて主面２０ｎに平行でかつ主面２０ｎから距離Ｔの位置にある面で分離することにより、主面２０ｎを有する厚さＰDのフォトニック結晶構造層２０ｐを含む厚さＴのＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａが基礎基板１０に貼り合わされた実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１が得られる（第３工程）。
こうして得られるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａにおいてフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されている主面２０ｎが基礎基板１０の一方の主面１０ｍが接合しており、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａにおける主面２０ｍおよび基礎基板１０における主面１０ｎを有する。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１に含まれるフォトニック結晶構造層２０ｐの存在によりＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１を含む半導体デバイスの光の取り出し効率および光の指向性を高めることができるとともに、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａにおいてフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない平坦な主面２０ｍが得られ、かかる主面２０ｍ上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層の結晶品質が高くなるため特性の高い半導体デバイスが得られる。
本実施形態の第３工程において、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０をフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない部分２０ｑにおいて主面２０ｎに平行でかつ主面２０ｎから距離Ｔの位置にある面で分離する方法には、特に制限はなく、内周刃、外周刃、ワイヤーソー、レーザ照射などにより機械的に切断することができる。このような機械的な切断方法は、基礎基板１０上のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａの厚さＴを１０μｍ以下にすることは容易ではないため、通常、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａの厚さが１０μｍよりも大きいＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１を製造するのに適した方法である。かかる工程により、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０は、基礎基板１０に貼り合わされているＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａと残部ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０ｂとに分離される。こうして、基礎基板１０に主面２０ｎを有する厚さＰDのフォトニック結晶構造層２０ｐを含む厚さＴのＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａが貼り合わせられているＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１が得られる。
（実施形態２Ｂ）
図３を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１の製造方法の他の例は、以下のとおりである。まず、図３（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主面２０ｎから所定の深さＴDの領域に水素、ヘリウム、窒素、酸素、アルゴンなどのイオンＩを注入する（イオン注入工程）。かかるイオンを注入する工程により、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０において基礎基板１０と貼り合わせる一方の主表面２０ｍからの深さＴDの領域に水素、ヘリウム、窒素、酸素、アルゴンなどのイオンＩが注入され、かかる領域（イオン注入領域２０ｉ）が脆化する。
図３を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１の製造方法の他の例は、以下のとおりである。まず、図３（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主面２０ｎから所定の深さＴDの領域に水素、ヘリウム、窒素、酸素、アルゴンなどのイオンＩを注入する（イオン注入工程）。かかるイオンを注入する工程により、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０において基礎基板１０と貼り合わせる一方の主表面２０ｍからの深さＴDの領域に水素、ヘリウム、窒素、酸素、アルゴンなどのイオンＩが注入され、かかる領域（イオン注入領域２０ｉ）が脆化する。
イオンＩを注入する深さＴDは、特に制限はないが、１００ｎｍ以上１００μｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以上５０μｍ以下がより好ましく、１００ｎｍ以上１０μｍ以下がさらに好ましい。イオンＩを注入する深さＤが、０．０５μｍより小さいと基板を分離する際に割れやすくなると共に表面を平坦化することが困難となり、１００μｍより大きいとイオンの分布が広くなり分離深さを制御することが困難となる。
イオン注入領域２０ｉは、分離に寄与するドーズ量以上のイオンが注入された領域をいい、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主面２０ｎに平行でかつ主面２０ｎから深さＴDを中心として深さ±ΔＴDの広がりを有する。すなわち、詳細には、イオン注入領域２０ｉは、分離に寄与するドーズ量以上のイオンが存在する主面２０ｎから深さＴD−ΔＴD〜深さＴD＋ΔＴDの領域であり（図示せず）、主面２０ｎから深さＴDの領域においてイオンのドーズ量が最大となる。ここで、深さΔＴDは、イオンの種類および注入方法により異なり、深さ０．０５ＴD〜深さ０．５ＴD程度である。
また、注入するイオンＩは、特に制限はなく、水素、ヘリウム、窒素、酸素、アルゴンなどのイオンが挙げられるが、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の結晶性の低下を抑制する観点から、質量の小さい水素およびヘリウムの少なくともいずれかのイオンが好ましい。これらのイオンの注入方法は、特に制限はないが、イオン注入装置あるいはプラズマ注入装置を用いることが好ましい。
次に、図３（Ｂ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主面２０ｎを有し、主面２０ｎに平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層２０ｐを形成する（第１工程）。本実施形態のフォトニック結晶構造層を形成する第１工程は、実施形態２Ａのフォトニック結晶構造層を形成する第１工程と同様である。
ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体層の主面２０ｍが平坦なＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１を製造する観点から、実施形態の第１工程において形成されるフォトニック結晶構造層２０ｐの厚さＰDの値は、イオン注入領域２０ｉの主面２０ｎからの深さＴDの値よりも小さいことが必要である。
次に、図３（Ｃ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０においてフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されている主面２０ｎに、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０と化学組成が異なる基礎基板１０を貼り合わせる（第２工程）。本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体基板２０のフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されている主面２０ｎに基礎基板１０を貼り合わせる第２工程は、実施形態２Ａのフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されている主面２０ｎに基礎基板１０を貼り合わせる第２工程と同様である。
次に、図３（Ｄ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０をフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない部分２０ｑにおいて主面２０ｎに平行な面で分離することにより、主面２０ｎを有する厚さＰDのフォトニック結晶構造層２０ｐを含む厚さＴのＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａが基礎基板１０に貼り合わされた実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１が得られる（第３工程）。
こうして得られるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１は、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１に含まれるフォトニック結晶構造層２０ｐの存在によりＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１を含む半導体デバイスの光の取り出し効率および光の指向性を高めることができるとともに、ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａにおいてフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない平坦な主面２０ｍが得られ、かかる主面２０ｍ上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層の結晶品質が高くなるため特性の高い半導体デバイスが得られる。
本実施形態の第３工程において、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０をフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない部分２０ｑにおいて主面２０ｎに平行な面で分離する方法には、特に制限はなく、上記のイオンＩが注入されて脆化したイオン注入領域２０ｉに何らかのエネルギーを与えることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０は、主面２０ｎに平行に形成されているイオン注入領域２０ｉにおいて、基礎基板１０に貼り合わされているＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａと残部ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０ｂとに分離される。こうして、基礎基板１０に主面２０ｎを有する厚さＰDのフォトニック結晶構造層２０ｐを含む厚さＴのＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａが貼り合わせられているＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１が得られる。
ここで、イオン注入領域２０ｉに何らかのエネルギーを与える方法には、特に制限はなく、イオン注入領域２０ｉに応力を加える方法であっても、イオン注入領域２０ｉに熱を加える方法であってもよい。また、イオンが注入された領域に、光を照射する方法、または、超音波を印加する方法であってもよい。イオン注入領域２０ｉは、脆化しているため、応力、熱、光、または超音波などによるエネルギーを受けることにより、容易に分離する。
上記のイオン注入領域２０ｉは、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主表面２０ｎに平行でかつ主面２０ｎから深さＴD−ΔＴD〜深さＴD＋ΔＴDの広がりを有するが、主表面２０ｎから深さＴDの領域（面領域）においてイオンのドーズ量が最大となり最も脆くなりやすい。したがって、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０は、通常、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０の一方の主面２０ｎに平行でかつ主面２０ｎから深さＴDの面領域またはその付近において分離する。したがって、イオンが注入された深さＴDとＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さＴはほぼ同じである。このようなイオン注入領域２０ｉになんらかのエネルギーを加えて分離する方法は、イオンの注入深さＴDを小さくするほどイオン注入深さの精度を高くする（すなわち±ΔＴDを小さくする）ことが容易なため、厚さＴの小さいたとえば２００ｎｍ〜１０μｍ程度のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａを有するＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１を製造するのに適した方法である。
［実施形態３］
図４および５を参照して、本発明のその他の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１と、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０と、を含む。
図４および５を参照して、本発明のその他の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１と、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０と、を含む。
本実施形態の半導体デバイスは、半導体デバイスに含まれる実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａに含まれるフォトニック結晶構造層２０ｐの存在により、光の取り出し効率および光の指向性が高い。また、本実施形態の半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａのフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない平坦な主面２０ｍ上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０の結晶品質が高いため、特性が高い。
（実施形態３Ａ）
図４を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの一例は、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１と、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０として、ｎ−ＧａＮクラッド層３２、３層のＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層３４ｂとそれらの各層の間に１層ずつ介在するＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層３４ｗとで構成される発光層３４、ｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６およびｐ+−ＧａＮコンタクト層３８と、を含む。ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０の形成方法は、特に制限はないが、製造に適したエピタキシャル層の形成速度が得られる観点から、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法などの気相法が好ましい。
図４を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの一例は、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１と、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０として、ｎ−ＧａＮクラッド層３２、３層のＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層３４ｂとそれらの各層の間に１層ずつ介在するＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層３４ｗとで構成される発光層３４、ｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６およびｐ+−ＧａＮコンタクト層３８と、を含む。ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０の形成方法は、特に制限はないが、製造に適したエピタキシャル層の形成速度が得られる観点から、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法などの気相法が好ましい。
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ｐ+−ＧａＮコンタクト層３８、ｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６、発光層３４およびｎ−ＧａＮクラッド層３２の一部がメサエッチングされて、ｎ−ＧａＮクラッド層の一部が露出している。
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ｐ+−ＧａＮコンタクト層３８上に形成されているｐ−電極４２と、露出したｎ−ＧａＮクラッド層３２上に形成されているｎ−電極４４と、を含む。ここで、ｐ−およびｎ−電極４２，４４の形成方法は、特に制限はないが、真空中で清浄な表面に電極を形成できる観点から、スパッタ法、蒸着法（たとえば、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法）などが好ましい。
（実施形態３Ｂ）
図５を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの他の例は、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１と、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０として、ｎ−ＧａＮクラッド層３２、３層のＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層３４ｂとそれらの各層の間に１層ずつ介在するＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層３４ｗとで構成される発光層３４、ｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６およびｐ+−ＧａＮコンタクト層３８と、を含む。
図５を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの他の例は、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１と、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１のＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ上に形成されている少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０として、ｎ−ＧａＮクラッド層３２、３層のＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層３４ｂとそれらの各層の間に１層ずつ介在するＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層３４ｗとで構成される発光層３４、ｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６およびｐ+−ＧａＮコンタクト層３８と、を含む。
また、本実施形態の半導体デバイスは、ｐ+−ＧａＮコンタクト層３８上に形成されているｐ−電極４２と、ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１の基礎基板１０の主面１０ｎ上に形成されているｎ−電極４４とを含む。ここで、本実施形態の半導体デバイスにおけるＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０およびｐ−およびｎ−電極４２，４４の形成方法は、実施形態３Ａの半導体デバイスの場合と同様である。
（実施例１）
１．ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の作製
まず、図２（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０であるＧａＮ基板の一方の主面２０ｎである窒素原子表面上に、フォトリソグラフィ技術を用いて、直径Ｄが０．８μｍの開口部が１．２μｍのピッチＰで正方格子点上に配置されたレジストパターンを形成する（図示せず）。次いで、ドライエッチング法により、Ｃｌ2ガスを用いて、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）の上記レジストパターンの開口部に露出している部分を３００ｎｍの深さＰDの円柱状に除去して空間を形成する。このようにして、ＧａＮ結晶（ＩＩＩ族窒化物半導体）で構成される高屈折率部分２０ｔと、ＧａＮ結晶の除去部分で構成される低屈折率部分２０ｓとを含み、主面２０ｎに平行な面内において、直径Ｄが０．８μｍの低屈折率部分２０ｓが高屈折率部分２０ｔ中の１．２μｍのピッチＰで正方格子点上に配置されているフォトニック結晶構造層２０ｐが得られる。
１．ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の作製
まず、図２（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０であるＧａＮ基板の一方の主面２０ｎである窒素原子表面上に、フォトリソグラフィ技術を用いて、直径Ｄが０．８μｍの開口部が１．２μｍのピッチＰで正方格子点上に配置されたレジストパターンを形成する（図示せず）。次いで、ドライエッチング法により、Ｃｌ2ガスを用いて、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）の上記レジストパターンの開口部に露出している部分を３００ｎｍの深さＰDの円柱状に除去して空間を形成する。このようにして、ＧａＮ結晶（ＩＩＩ族窒化物半導体）で構成される高屈折率部分２０ｔと、ＧａＮ結晶の除去部分で構成される低屈折率部分２０ｓとを含み、主面２０ｎに平行な面内において、直径Ｄが０．８μｍの低屈折率部分２０ｓが高屈折率部分２０ｔ中の１．２μｍのピッチＰで正方格子点上に配置されているフォトニック結晶構造層２０ｐが得られる。
次に、図２（Ｂ）を参照して、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）においてフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されている窒素原子表面（主面２０ｎ）に、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）と化学組成が異なる厚さが３５０μｍのサファイア基板（基礎基板１０）とを、減圧（大気圧より低い圧力）下の希ガスプラズマ中で表面活性方法を用いて貼り合わせる。
次に、図２（Ｃ）を参照して、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）を、フォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない部分２０ｑにおいて主面２０ｎに平行でかつ主面２０ｎから距離Ｔが５μｍの位置にある面で、内周刃により切断して分離する。このようにして、主面２０ｎを有する厚さＰDが３００ｎｍのフォトニック結晶構造層２０ｐを含む厚さＴが５μｍのＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）がサファイア基板（基礎基板１０）に貼り合わされたＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）が得られる。
さらに、分離により形成されるＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）の主面２０ｍをＣＭＰ（化学機械的研磨）により主面か２０ｍから３μｍの深さまで除去して平坦化して、切断およびＣＭＰにより形成された加工変質層をさらにドライエッチング法により除去する。こうして、厚さＰDが３００ｎｍのフォトニック結晶構造層２０ｐを含む厚さＴが約２μｍのＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）が厚さ３５０μｍのサファイア基板に貼り合わされた厚さが約３５２μｍのＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）が得られる。
２．半導体デバイスの作製
図４を参照して、まず、ＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）のフォトニック結晶構造層２０ｐを含むＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）の主面２０ｍ上に、ＭＯＣＶＤ法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０として、Ｓｉがドーピングされた厚さ２．５μｍのｎ−ＧａＮクラッド層３２、３層の厚さ６ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層３４ｂとそれらの各層の間に１層ずつ介在する厚さ３ｎｍのＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層３４ｗとで構成される発光層３４、Ｍｇがドーピングされた厚さ２０ｎｍのｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６およびＭｇがドーピングされた厚さ５０ｎｍのｐ+−ＧａＮコンタクト層３８を順次成長させる。
図４を参照して、まず、ＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）のフォトニック結晶構造層２０ｐを含むＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）の主面２０ｍ上に、ＭＯＣＶＤ法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０として、Ｓｉがドーピングされた厚さ２．５μｍのｎ−ＧａＮクラッド層３２、３層の厚さ６ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層３４ｂとそれらの各層の間に１層ずつ介在する厚さ３ｎｍのＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層３４ｗとで構成される発光層３４、Ｍｇがドーピングされた厚さ２０ｎｍのｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６およびＭｇがドーピングされた厚さ５０ｎｍのｐ+−ＧａＮコンタクト層３８を順次成長させる。
次に、ドライエッチング法により、ｐ+−ＧａＮコンタクト層３８、ｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６。発光層３４およびｎ−ＧａＮクラッド層３２の一部分をメサエッチングにより除去して、ｎ−ＧａＮクラッド層３２の一部分を露出させる。
次に、ｐ+−ＧａＮコンタクト層３８上に、ｐ−電極４２として、スパッタ法によるＩＴＯ電極（ｐ−透明電極４２ａ）と電子ビーム蒸着法によるＡｕ電極（ｐ−端子電極４２ｂ）を形成する。次いで、露出したｎ−ＧａＮクラッド層３２上に、ｎ−電極４４として、電子ビーム蒸着法によりＴｉ／Ａｕ電極を形成する。このようにして、光の取り出し効率が高くまた半導体デバイスの主面に垂直な方向への光の指向性が高い半導体デバイスが得られる。
（実施例２）
１．ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の作製
まず、図３（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０であるＧａＮ基板の一方の主面２０ｎである窒素原子表面から５００ｎｍの深さＴDの領域（かかるイオン注入領域２０ｉは主面２０ｎに平行である）に水素イオンを注入する。
１．ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の作製
まず、図３（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０であるＧａＮ基板の一方の主面２０ｎである窒素原子表面から５００ｎｍの深さＴDの領域（かかるイオン注入領域２０ｉは主面２０ｎに平行である）に水素イオンを注入する。
次に、図３（Ｂ）を参照して、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）の窒素原子表面（主面２０ｎ）上に、フォトリソグラフィ技術を用いて、直径Ｄが１．０μｍの開口部が１．６μｍのピッチＰで正三角格子点上に配置されたレジストパターンを形成する（図示せず）。次いで、ドライエッチング法により、Ｃｌ2ガスを用いて、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）の上記レジストパターンの開口部に露出している部分を２００ｎｍの深さＰDの円柱状に除去して空間を形成する。このようにして、ＧａＮ結晶（ＩＩＩ族窒化物半導体）で構成される高屈折率部分２０ｔと、ＧａＮ結晶の除去部分で構成される低屈折率部分２０ｓとを含み、主面２０ｎに平行な面内において、直径Ｄが１．０μｍの低屈折率部分２０ｓが高屈折率部分２０ｔ中の１．６μｍのピッチＰで正三角格子点上に配置されているフォトニック結晶構造層２０ｐが得られる。
次に、図３（Ｃ）を参照して、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）においてフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されている窒素原子表面（主面２０ｎ）に、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）と化学組成が異なる厚さが４００μｍの導電性のβ−Ｇａ2Ｏ3基板（基礎基板１０）とを、Ａｒプラズマ中で表面活性方法を用いて貼り合わせる。
次に、図３（Ｄ）を参照して、貼り合わせたＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）と導電性のβ−Ｇａ2Ｏ3基板（基礎基板１０）とを貼り合わせた基板を、Ｎ2ガス雰囲気中３００℃で２時間熱処理することにより、ＧａＮ基板のフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない部分２０ｑにおいて主面２０ｎに平行でかつ主面２０ｎから距離ＴDが５００ｎｍの位置にあるイオン流入領域２０ｉ（面領域）で、分離する。このようにして、主面２０ｎを有する厚さＰDが２００ｎｍのフォトニック結晶構造層２０ｐを含む厚さＴが５００ｎｍのＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）が導電性のＧａ2Ｏ3基板（基礎基板１０）に貼り合わされたＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）が得られる。
さらに、分離により形成されるＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）の主面２０ｍを、ドライエッチング法により平坦化する。このようにして、主面２０ｎを有する厚さＰDが２００ｎｍのフォトニック結晶構造層２０ｐを含む厚さＴが約５００ｎｍのＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）が導電性のＧａ2Ｏ3基板（基礎基板１０）に貼り合わされた厚さ約４００μｍのＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）が得られる。
２．半導体デバイスの作製
図５を参照して、まず、ＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）のフォトニック結晶構造層２０ｐを含むＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）の主面２０ｍ上に、ＭＯＣＶＤ法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０として、Ｓｉがドーピングされた厚さ２．５μｍのｎ−ＧａＮクラッド層３２、３層の厚さ６ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層３４ｂとそれらの各層の間に１層ずつ介在する厚さ３ｎｍのＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層３４ｗとで構成される発光層３４、Ｍｇがドーピングされた厚さ２０ｎｍのｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６およびＭｇがドーピングされた厚さ５０ｎｍのｐ+−ＧａＮコンタクト層３８を順次成長させる。
図５を参照して、まず、ＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）のフォトニック結晶構造層２０ｐを含むＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）の主面２０ｍ上に、ＭＯＣＶＤ法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０として、Ｓｉがドーピングされた厚さ２．５μｍのｎ−ＧａＮクラッド層３２、３層の厚さ６ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層３４ｂとそれらの各層の間に１層ずつ介在する厚さ３ｎｍのＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層３４ｗとで構成される発光層３４、Ｍｇがドーピングされた厚さ２０ｎｍのｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６およびＭｇがドーピングされた厚さ５０ｎｍのｐ+−ＧａＮコンタクト層３８を順次成長させる。
次に、ｐ+−ＧａＮコンタクト層３８上に、ｐ電極４２として、スパッタ法によるＩＴＯ電極（ｐ−透明電極４２ａ）と抵抗加熱蒸着法によるＡｕ電極（ｐ−端子電極４２ｂ）を形成する。次いで、導電性のβ−Ｇａ2Ｏ3基板の主面１０ｎ上に、ｎ−電極４４として、抵抗加熱蒸着法によりＡｕ電極を形成する。このようにして、光の取り出し効率が高くまた半導体デバイスの主面に垂直な方向への光の指向性が高い半導体デバイスが得られる。
（実施例３）
１．ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の作製
まず、図２（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０であるＧａＮ基板の一方の主面２０ｎである窒素原子表面上に、ナノインプリント技術を用いて、直径Ｄが０．１μｍの開口部が０．２μｍのピッチＰで正三角格子点上に配置されたレジストパターンを形成する（図示せず）。次いで、ドライエッチング法により、Ｃｌ2ガスを用いて、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）の上記レジストパターンの開口部に露出している部分を２５００ｎｍの深さＰDの円柱状に除去して空間を形成する。このようにして、ＧａＮ結晶（ＩＩＩ族窒化物半導体）で構成される高屈折率部分２０ｔと、ＧａＮ結晶の除去部分で構成される低屈折率部分２０ｓとを含み、主面２０ｎに平行な面内において、直径Ｄが０．１μｍの低屈折率部分２０ｓが高屈折率部分２０ｔ中の０．２μｍのピッチＰで正三角格子点上に配置されているフォトニック結晶構造層２０ｐが得られる。
１．ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の作製
まず、図２（Ａ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０であるＧａＮ基板の一方の主面２０ｎである窒素原子表面上に、ナノインプリント技術を用いて、直径Ｄが０．１μｍの開口部が０．２μｍのピッチＰで正三角格子点上に配置されたレジストパターンを形成する（図示せず）。次いで、ドライエッチング法により、Ｃｌ2ガスを用いて、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）の上記レジストパターンの開口部に露出している部分を２５００ｎｍの深さＰDの円柱状に除去して空間を形成する。このようにして、ＧａＮ結晶（ＩＩＩ族窒化物半導体）で構成される高屈折率部分２０ｔと、ＧａＮ結晶の除去部分で構成される低屈折率部分２０ｓとを含み、主面２０ｎに平行な面内において、直径Ｄが０．１μｍの低屈折率部分２０ｓが高屈折率部分２０ｔ中の０．２μｍのピッチＰで正三角格子点上に配置されているフォトニック結晶構造層２０ｐが得られる。
次に、図２（Ｂ）を参照して、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）においてフォトニック結晶構造層２０ｐが形成されている窒素原子表面（主面２０ｎ）に、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）と化学組成が異なる主面１０ｍに厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2層（酸化シリコン層１０ａ）が形成されている厚さ３００μｍのＳｉＯ2／Ｓｉ基板（基礎基板１０）の主面１０ｍを、Ｈｅプラズマ中で表面活性方法を用いて貼り合わせる。
次に、図２（Ｃ）を参照して、ＧａＮ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体基板２０）を、フォトニック結晶構造層２０ｐが形成されていない部分２０ｑにおいて主面２０ｎに平行でかつ主面２０ｎから距離Ｔが５μｍの位置にある面で、ダイヤモンドワイヤーソーにより切断して分離する。このようにして、主面２０ｎを有する厚さＰDが２５０ｎｍのフォトニック結晶構造層２０ｐを含む厚さＴが１０μｍのＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）がＳｉＯ2／Ｓｉ基板（基礎基板１０）に貼り合わされたＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）が得られる。
さらに、分離により形成されるＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）の主面２０ｍを機械研磨およびＣＭＰ（化学機械的研磨）により主面２０ｍから５μｍの深さまで除去して平坦化して、切断およびＣＭＰにより形成された加工変質層をさらにドライエッチング法により除去する。こうして、厚さＰDが２５０ｎｍのフォトニック結晶構造層２０ｐを含む厚さＴが約５μｍのＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）が厚さ３００μｍのＳｉＯ2／Ｓｉ基板に貼り合わされた厚さが約３０５μｍのＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）が得られる。
２．半導体デバイスの作製
図４を参照して、まず、実施例１と同様にして、ＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）のフォトニック結晶構造層２０ｐを含むＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）の主面２０ｍ上に、ＭＯＣＶＤ法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０として、Ｓｉがドーピングされた厚さ２．５μｍのｎ−ＧａＮクラッド層３２、３層の厚さ６ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層３４ｂとそれらの各層の間に１層ずつ介在する厚さ３ｎｍのＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層３４ｗとで構成される発光層３４、Ｍｇがドーピングされた厚さ２０ｎｍのｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６およびＭｇがドーピングされた厚さ５０ｎｍのｐ+−ＧａＮコンタクト層３８を順次成長させる。
図４を参照して、まず、実施例１と同様にして、ＧａＮ層貼り合わせ基板（ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板１）のフォトニック結晶構造層２０ｐを含むＧａＮ層（ＩＩＩ族窒化物半導体層２０ａ）の主面２０ｍ上に、ＭＯＣＶＤ法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層３０として、Ｓｉがドーピングされた厚さ２．５μｍのｎ−ＧａＮクラッド層３２、３層の厚さ６ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層３４ｂとそれらの各層の間に１層ずつ介在する厚さ３ｎｍのＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層３４ｗとで構成される発光層３４、Ｍｇがドーピングされた厚さ２０ｎｍのｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６およびＭｇがドーピングされた厚さ５０ｎｍのｐ+−ＧａＮコンタクト層３８を順次成長させる。
次に、ドライエッチング法により、ｐ+−ＧａＮコンタクト層３８、ｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層３６。発光層３４およびｎ−ＧａＮクラッド層３２の一部分をメサエッチングにより除去して、ｎ−ＧａＮクラッド層３２の一部分を露出させる。
次に、ｐ+−ＧａＮコンタクト層３８上に、ｐ電極４２として、スパッタ法によるＩＴＯ電極（ｐ−透明電極４２ａ）と抵抗加熱蒸着法によるＡｕ電極（ｐ−端子電極４２ｂ）を形成する。次いで、露出したｎ−ＧａＮクラッド層３２上に、ｎ−電極４４として、抵抗加熱蒸着法によりＴｉ／Ａｌ電極を形成する。このようにして、光の取り出し効率が高くまた半導体デバイスの主面に垂直な方向への光の指向性が高い半導体デバイスが得られる。
今回開示された実施の形態および実施例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、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
１ ＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板、１０ 基礎基板、１０ａ 酸化シリコン層、１０ｂ 下地基板、１０ｍ，１０ｎ，２０ｍ，２０ｎ 主面、２０ ＩＩＩ族窒化物半導体基板、２０ａ ＩＩＩ族窒化物半導体層、２０ｂ 残部ＩＩＩ族窒化物半導体基板、２０ｉ イオン注入領域、２０ｐ フォトニック結晶構造層、２０ｑ フォトニック結晶構造層が形成されていない部分、２０ｓ 低屈折率部分、２０ｔ 高屈折率部分、３０ ＩＩＩ族窒化物半導体エピタキシャル層、３２ ｎ−ＧａＮクラッド層、３４ 発光層、３４ｂ Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層、３４ｗ Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ井戸層、３６ ｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ電子ブロック層、３８ ｐ+−ＧａＮコンタクト層、４２ ｐ−電極、４２ａ ｐ−透明電極、４２ｂ ｐ−端子電極、４４ ｎ−電極。
Claims (7)
- ＩＩＩ族窒化物半導体層と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層と化学組成が異なる基礎基板と、が貼り合わせられた基板であって、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、前記基礎基板と接合する主面を有し前記主面に平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層を含み、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さは、１００ｎｍ以上１００μｍ以下であり、前記フォトニック結晶構造層の厚さより大きく、
前記フォトニック結晶構造層は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層において前記主面側に形成され、
前記フォトニック結晶構造層は、高屈折率部分と低屈折率部分とを含み、
前記高屈折率部分は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、
前記低屈折率部分は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体の除去部分で構成され、
前記主面に平行な面内において、前記低屈折率部分は前記高屈折率部分中の正三角格子点上または正方格子点上に配置され、
前記低屈折率部分の直径は５０ｎｍ以上８μｍ以下であり、
前記低屈折率部分のピッチは８０ｎｍ以上１０μｍ以下であり、
前記フォトニック結晶構造層の厚さは５０ｎｍ以上１０μｍ以下であるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板。 - 前記基礎基板は、透明な基板である請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板。
- 前記基礎基板は、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、スピネル、二酸化ケイ素、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、セレン化亜鉛、炭素およびダイヤモンドからなる群から選ばれる少なくともいずれかの材料を含む請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板。
- 前記基礎基板は、シリコン、モリブデンおよびタングステンからなる群から選ばれる少なくともいずれかの材料を含む請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板。
- 前記基礎基板は、シリコンを含み、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層に接合する主面を有する酸化シリコン層を含む請求項４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板。
- 前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、窒化ガリウム層である請求項１から請求項５までのいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板。
- ＩＩＩ族窒化物半導体基板に、前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板の一方の主面を有し前記主面に平行な２次元方向に屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶構造層を形成する第１工程と、
前記主面に、前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板と化学組成が異なる基礎基板を貼り合わせる第２工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板を前記フォトニック結晶構造層が形成されていない部分において前記主面に平行な面で分離することにより、前記主面を有する前記フォトニック結晶構造層を含むＩＩＩ族窒化物半導体層が前記基礎基板に貼り合わされたＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板を得る第３工程と、を備え、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体貼り合わせ基板は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さが１００ｎｍ以上１００μｍ以下であり前記フォトニック結晶構造層の厚さより大きく、前記フォトニック結晶構造層が前記ＩＩＩ族窒化物半導体層において前記基礎基板に接する主面側に形成され、前記フォトニック結晶構造層が高屈折率部分と低屈折率部分とを含み、前記高屈折率部分が前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、前記低屈折率部分が前記ＩＩＩ族窒化物半導体の除去部分で構成され、前記基礎基板に接する主面に平行な面内において、前記低屈折率部分は前記高屈折率部分中の正三角格子点上または正方格子点上に配置され、前記低屈折率部分の直径が５０ｎｍ以上８μｍ以下であり、前記低屈折率部分のピッチが８０ｎｍ以上１０μｍ以下であり、前記フォトニック結晶構造層の厚さが５０ｎｍ以上１０μｍ以下であるＩＩＩ族窒化物半導体層貼り合わせ基板の製造方法。
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