JPWO2015194243A1 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

発光素子は、ＧａＮ基板１１、ＧａＮ基板１１上に形成された、選択成長用マスク層４４として機能する第１光反射層４１、第１光反射層上に形成された第１化合物半導体層２１、活性層２３及び第２化合物半導体層２２、第２化合物半導体層２２上に形成された第２電極３２及び第２光反射層４２を少なくとも備えており、ＧａＮ基板１１表面の面方位のオフ角は０．４度以内であり、ＧａＮ基板１１の面積をＳ0としたとき、第１光反射層４１の面積は０．８Ｓ0以下であり、第１光反射層の最下層４１Ａとして熱膨張緩和膜４４がＧａＮ基板１１上に形成されている。

Description

本開示は、発光素子（具体的には、垂直共振器レーザ、ＶＣＳＥＬとも呼ばれる面発光レーザ素子）及びその製造方法に関する。
面発光レーザ素子においては、一般に、２つの光反射層（Distributed Bragg Reflector 層、ＤＢＲ層）の間で光を共振させることによりレーザ発振が生じる。従って、ＤＢＲ層を形成するための半導体表面をサブ・ナノメートルオーダーで平滑にする必要がある。適切な平滑度が得られないと各ＤＢＲ層の光反射率が低下し、特性（発振閾値等）のバラツキが大きくなり、しいては、レーザ発振を得ることすら困難となる。
選択成長法を用いた窒化物面発光レーザを製造する方法が、特開平１０−３０８５５８から周知である。即ち、この特許公開公報に開示された窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、
基板表面に誘電体から成る多層膜を選択的に形成する工程と、
多層膜上部に窒化物半導体層を成長させる工程と、
多層膜上部に形成された窒化物半導体層上部に活性層を含む窒化物半導体層を成長させる工程と、
多層膜を活性層の発光の少なくとも一方の反射鏡とする工程、
とを含む。
特開平１０−３０８５５８
ところで、上記の特許公開公報に開示された窒化物半導体レーザ素子の製造方法にあっては、窒化物半導体と異なる基板を用いる。しかしながら、このような基板を用いると、具体的には、例えばサファイア基板を用いると、ＧａＮ系化合物半導体層とサファイア基板の格子不整合に起因する転位が多数発生し、発光素子の信頼性に大きな悪影響を及ぼす。また、サファイア基板は通常の半導体基板に比べ熱伝導性が悪く、発光素子の熱抵抗が非常に大きくなってしまい、発振閾値電流の増加、光出力の低下、素子寿命の悪化等の要因となる。加えて、サファイア基板は電気伝導性を有していないため、ｎ側電極を基板裏面に設けることができず、ｐ側電極と同じ側にｎ側電極を設ける必要があるため、素子面積が増大し、生産性に乏しいといった問題もある。更には、基板の線熱膨張係数と多層膜（選択成長用マスク層）の線熱膨張係数の差に起因した基板からの多層膜（選択成長用マスク層）の剥がれといった問題、活性層を含む窒化物半導体層を成長させたときの窒化物半導体層の表面の粗さに起因した特性バラツキ（例えば、光反射率のバラツキ）といった問題は、上記の特許公開公報には、何ら言及されていない。
従って、本開示の目的は、特性バラツキが生じ難く、高い信頼性を有し、基板の線熱膨張係数と選択成長用マスク層の線熱膨張係数の差に起因した基板からの選択成長用マスク層の剥がれといった問題の発生を回避することができる発光素子及びその製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本開示の第１の態様あるいは第２の態様に係る発光素子の製造方法は、
ＧａＮ基板上に選択成長用マスク層を形成した後、
選択成長用マスク層で覆われていないＧａＮ基板表面から、第１化合物半導体層を選択成長させて、ＧａＮ基板及び選択成長用マスク層を第１化合物半導体層で被覆し、次いで、
第１化合物半導体層上に活性層、第２化合物半導体層、第２電極、第２光反射層を順次形成する、
各工程を少なくとも有する発光素子の製造方法であって、
選択成長用マスク層は、第１光反射層として機能し、
ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角は０．４度以内であり、
ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、選択成長用マスク層の面積は０．８Ｓ0以下である。尚、第１化合物半導体層で、選択成長用マスク層を全て被覆してもよいし、選択成長用マスク層の一部を被覆してもよい。また、選択成長用マスク層を被覆した第１化合物半導体層の頂面は、平坦であってもよいし、一部に凹部を有していてもよい。
そして、本開示の第１の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、選択成長用マスク層の最下層として、ＧａＮ基板上に熱膨張緩和膜を形成する。また、本開示の第２の態様に係る発光素子の製造方法にあっては、ＧａＮ基板と接する選択成長用マスク層の最下層の線熱膨張係数ＣＴＥは、
１×１０-6／Ｋ≦ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
好ましくは、
１×１０-6／Ｋ＜ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
を満足する。
上記の目的を達成するための本開示の第１の態様あるいは第２の態様に係る発光素子は、
ＧａＮ基板、
ＧａＮ基板上に形成された、選択成長用マスク層として機能する第１光反射層、
第１光反射層上に形成された第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第２化合物半導体層上に形成された第２電極及び第２光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角は０．４度以内であり、
ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、第１光反射層の面積は０．８Ｓ0以下である。
そして、本開示の第１の態様に係る発光素子にあっては、第１光反射層の最下層として熱膨張緩和膜がＧａＮ基板上に形成されている。また、本開示の第２の態様に係る発光素子にあっては、ＧａＮ基板と接する第１光反射層の最下層の線熱膨張係数ＣＴＥは、
１×１０-6／Ｋ≦ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
好ましくは、
１×１０-6／Ｋ＜ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
を満足する。
本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子及びその製造方法にあっては、ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角、及び、選択成長用マスク層（第１光反射層）の面積割合が規定されているので、第２化合物半導体層の表面粗さを小さくすることができる。即ち、優れた表面モホロジーを有する第２化合物半導体層を形成することができる。それ故、平滑性に優れた第２光反射層を得ることができ、即ち、所望の光反射率を得ることができ、特性バラツキが生じ難い。しかも、熱膨張緩和膜が形成され、あるいは又、ＣＴＥの値が規定されているので、ＧａＮ基板の線熱膨張係数と選択成長用マスク層の線熱膨張係数の差に起因してＧａＮ基板から選択成長用マスク層が剥がれるといった問題の発生を回避することができ、高い信頼性を有する発光素子を提供することができる。更には、ＧａＮ基板を用いるので、化合物半導体層に転位が発生し難いし、発光素子の熱抵抗が大きくなるといった問題を回避することができ、高い信頼性を発光素子に付与することができるし、ＧａＮ基板を基準としてｐ側電極と異なる側にｎ側電極を設けることができる。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また、付加的な効果があってもよい。
図１Ａ及び図１Ｂは、実施例１の発光素子及び変形例の模式的な一部断面図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、実施例１の発光素子の別の変形例の模式的な一部断面図である。 図３は、実施例１の発光素子の更に別の変形例の模式的な一部断面図である。 図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、実施例１の発光素子の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。 図５は、実施例２の発光素子の模式的な一部断面図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、実施例３の発光素子及び変形例の模式的な一部断面図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、実施例３の発光素子の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、実施例１の発光素子の更に別の変形例の模式的な一部断面図である。 図９は、選択成長用マスク層の模式的な平面図である。
以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子、及び、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子の製造方法、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子、及び、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子の製造方法）
３．実施例２（実施例１の変形）
４．実施例３（実施例１の別の変形）、その他
［本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子、及び、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子の製造方法、全般に関する説明］
本開示の第１の態様に係る発光素子、あるいは、本開示の第１の態様に係る発光素子の製造方法によって得られる発光素子を、以下、総称して、『本開示の第１の態様に係る発光素子等』と呼ぶ場合がある。また、本開示の第２の態様に係る発光素子、あるいは、本開示の第２の態様に係る発光素子の製造方法によって得られる発光素子を、以下、総称して、『本開示の第２の態様に係る発光素子等』と呼ぶ場合がある。活性層と対向する第１化合物半導体層の面を第１化合物半導体層の第２面と呼び、第１化合物半導体層の第２面と対向する第１化合物半導体層の面を第１化合物半導体層の第１面と呼ぶ場合がある。活性層と対向する第２化合物半導体層の面を第２化合物半導体層の第１面と呼び、第２化合物半導体層の第１面と対向する第２化合物半導体層の面を第２化合物半導体層の第２面と呼ぶ場合がある。
ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角とは、ＧａＮ基板表面の結晶面の面方位と、巨視的に見たＧａＮ基板表面の法線との成す角度を指す。また、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子の製造方法において、ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、選択成長用マスク層の面積は０．８Ｓ0以下であると規定され、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子において、ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、第１光反射層の面積は０．８Ｓ0以下であると規定されているが、「ＧａＮ基板の面積Ｓ0」とは、最終的に発光素子が得られたときに残されたＧａＮ基板の面積を指す。選択成長用マスク層の最下層あるいは第１光反射層の最下層は、光反射層としての機能は有していない。
本開示の第１の態様に係る発光素子等において、熱膨張緩和膜は、窒化ケイ素（ＳｉＮX）、酸化アルミニウム（ＡｌＯX）、酸化ニオブ（ＮｂＯX）、酸化タンタル（ＴａＯX）、酸化チタン（ＴｉＯX）、酸化マグネシウム（ＭｇＯX）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯX）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮX）から成る群から選択された少なくとも１種類の材料から成る形態とすることができる。尚、各物質の化学式に付した添え字「Ｘ」あるいは後述する添え字「Ｙ」、添え字「Ｚ」の値は、各物質における化学量論に基づく値だけでなく、化学量論に基づく値から外れた値も包含する。以下においても同様である。そして、このような好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る発光素子等において、熱膨張緩和膜の厚さをｔ1、発光素子の発光波長をλ0、熱膨張緩和膜の屈折率をｎ1としたとき、
ｔ1＝λ0／（４ｎ1）
好ましくは、
ｔ1＝λ0／（２ｎ1）
を満足することが望ましい。但し、熱膨張緩和膜の厚さｔ1の値は本質的に任意とすることができ、例えば、１×１０-7ｍ以下とすることができる。
本開示の第２の態様に係る発光素子等において、選択成長用マスク層（第１光反射層）の最下層は、窒化ケイ素（ＳｉＮX）、酸化アルミニウム（ＡｌＯX）、酸化ニオブ（ＮｂＯX）、酸化タンタル（ＴａＯX）、酸化チタン（ＴｉＯX）、酸化マグネシウム（ＭｇＯX）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯX）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮX）から成る群から選択された少なくとも１種類の材料から成る形態とすることができる。そして、このような好ましい形態を含む本開示の第２の態様に係る発光素子等において、選択成長用マスク層（第１光反射層）の最下層の厚さをｔ1、発光素子の発光波長をλ0、選択成長用マスク層（第１光反射層）の最下層の屈折率をｎ1としたとき、
ｔ1＝λ0／（４ｎ1）
好ましくは、
ｔ1＝λ0／（２ｎ1）
を満足することが望ましい。但し、選択成長用マスク層（第１光反射層）の最下層の厚さｔ1の値は本質的に任意とすることができ、例えば、１×１０-7ｍ以下とすることができる。
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子の製造方法においては、ＧａＮ基板を残したままとしてもよいし、第１化合物半導体層上に活性層、第２化合物半導体層、第２電極、第２光反射層を順次形成した後、第１光反射層をストッパ層として、ＧａＮ基板を除去してもよい。具体的には、第１化合物半導体層上に活性層、第２化合物半導体層、第２電極、第２光反射層を順次形成し、次いで、第２光反射層を支持基板に固定した後、第１光反射層をストッパ層としてＧａＮ基板を除去して、第１化合物半導体層（第１化合物半導体層の第１面）及び第１光反射層を露出させればよい。更には、第１化合物半導体層（第１化合物半導体層の第１面）の上に第１電極を形成すればよい。
ＧａＮ基板の除去は、化学的／機械的研磨法（ＣＭＰ法）に基づき行う形態とすることができる。尚、先ず、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液等のアルカリ水溶液、アンモニア溶液＋過酸化水素水、硫酸溶液＋過酸化水素水、塩酸溶液＋過酸化水素水、リン酸溶液＋過酸化水素水等を用いたウェットエッチング法や、ドライエッチング法、レーザを用いたリフトオフ法、機械研磨法等によって、あるいは、これらの組合せによって、ＧａＮ基板の一部の除去を行い、あるいは、ＧａＮ基板の厚さを薄くし、次いで、化学的／機械的研磨法を実行することで、第１化合物半導体層（第１化合物半導体層の第１面）及び第１光反射層を露出させればよい。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子等において、第２化合物半導体層（第２化合物半導体層の第２面）の表面粗さＲａは、１．０ｎｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ−６１０：２００１に規定されており、具体的には、ＡＦＭや断面ＴＥＭに基づく観察に基づき測定することができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子等において、選択成長用マスク層（あるいは第１光反射層）の平面形状は、正六角形を含む各種の多角形、円形、楕円形、格子状（矩形）、島状形状又はストライプ状である形態とすることができる。選択成長用マスク層（あるいは第１光反射層）の断面形状は、矩形とすることもできるが、台形であることが、即ち、選択成長用マスク層（あるいは第１光反射層）の側面は順テーパー状であることが、より好ましい。選択成長用マスク層の形成方法として、スパッタリング法等の物理的気相成長法（ＰＶＤ法）や化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、塗布法と、リソグラフィ技術やエッチング技術との組合せを挙げることができる。
第１光反射層の最上層（第１化合物半導体層と接する層）の厚さをｔ2、第１光反射層の最上層の屈折率をｎ2としたとき、
ｔ2＝λ0／（４ｎ2）
を満足することが好ましく、更には、
ｔ2＝λ0／（２ｎ2）
を満足することで、第１光反射層の最上層は、波長λ0の光に対して不在層となる。第１光反射層の最上層（第１化合物半導体層と接する層）を窒化シリコン膜から構成する形態とすることができる。
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様若しくは第２の態様に係る発光素子等において、第１光反射層から第２光反射層まで距離は、０．１５μｍ以上、５０μｍ以下であることが好ましい。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様若しくは第２の態様に係る発光素子等にあっては、第１光反射層の面積重心点を通る第１光反射層に対する法線上に、第２光反射層の面積重心点は存在しない形態とすることができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様若しくは第２の態様に係る発光素子等にあっては、第１光反射層の面積重心点を通る第１光反射層に対する法線上に、活性層の面積重心点は存在しない形態とすることができる。
選択成長用マスク層が形成されたＧａＮ基板上に、第１化合物半導体層を、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法等の横方向にエピタキシャル成長させる方法を用いて、横方向成長により形成したとき、選択成長用マスク層の縁部から選択成長用マスク層の中心部に向かってエピタキシャル成長する第１化合物半導体層が会合すると、会合部分に結晶欠陥が多く発生する場合がある。この結晶欠陥が多く存在する会合部分が素子領域（後述する）の中心部に位置すると、発光素子の特性に悪影響が生じる虞がある。上記のとおり、第１光反射層の面積重心点を通る第１光反射層に対する法線上に第２光反射層の面積重心点が存在しない形態、第１光反射層の面積重心点を通る第１光反射層に対する法線上に活性層の面積重心点が存在しない形態とすることで、発光素子の特性への悪影響の発生を確実に抑制することができる。
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様若しくは第２の態様に係る発光素子等にあっては、活性層において生成した光は、第２光反射層を介して外部に出射される形態（以下、便宜上、『第２光反射層出射タイプの発光素子』と呼ぶ）とすることができるし、第１光反射層を介して外部に出射される形態（以下、便宜上、『第１光反射層出射タイプの発光素子』と呼ぶ）とすることもできる。尚、第１光反射層出射タイプの発光素子にあっては、場合によっては、前述したとおり、ＧａＮ基板を除去してもよい。
そして、第１化合物半導体層の第１面と接する第１光反射層の部分（第２光反射層と対向する第１光反射層の部分）の面積をＳ1、第２化合物半導体層の第２面に対向する第２光反射層の部分（第１光反射層と対向する第２光反射層の部分）の面積をＳ2としたとき、第１光反射層出射タイプの発光素子の場合、
Ｓ1＞Ｓ2
を満足することが望ましいし、第２光反射層出射タイプの発光素子の場合、
Ｓ1＜Ｓ2
を満足することが望ましいが、これに限定するものではない。
また、第１光反射層の面積重心点を通る第１光反射層に対する法線上に第２光反射層の面積重心点が存在しない形態、第１光反射層の面積重心点を通る第１光反射層に対する法線上に活性層の面積重心点が存在しない形態において、第１化合物半導体層の第１面と接する第１光反射層の部分（第２光反射層と対向する第１光反射層の部分）であって、素子領域（後述する）を構成する部分の面積をＳ3、第２化合物半導体層の第２面に対向する第２光反射層の部分（第１光反射層と対向する第２光反射層の部分）であって、素子領域を構成する部分の面積をＳ4としたとき、第１光反射層出射タイプの発光素子の場合、
Ｓ3＞Ｓ4
を満足することが望ましいし、第２光反射層出射タイプの発光素子の場合、
Ｓ3＜Ｓ4
を満足することが望ましいが、これに限定するものではない。
第１光反射層出射タイプの発光素子において、ＧａＮ基板を除去する場合、第２光反射層は支持基板に固定されている形態とすることができる。第１光反射層出射タイプの発光素子において、ＧａＮ基板を除去する場合、第１化合物半導体層の第１面における第１光反射層と第１電極の配置状態として、第１光反射層と第１電極とが接している状態を挙げることができるし、あるいは又、第１光反射層と第１電極とが離間している状態を挙げることができるし、場合によっては、第１光反射層の縁部の上にまで第１電極が形成されている状態、第１電極の縁部の上にまで第１光反射層が形成されている状態を挙げることもできる。ここで、第１電極の縁部の上にまで第１光反射層が形成されている状態とする場合、第１電極は、レーザ発振の基本モード光を出来る限り吸収しないように、或る程度の大きさの開口部を有する必要がある。開口部の大きさは、基本モードの波長や横方向（第１化合物半導体層の面内方向）の光閉じ込め構造によって変化するので、限定するものではないが、おおよそ発光波長λ0の数倍のオーダーであることが好ましい。あるいは又、第１光反射層と第１電極とは離間しており、即ち、オフセットを有しており、離間距離は１ｍｍ以内である構成とすることができる。
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様若しくは第２の態様に係る発光素子等において、第１電極は金属又は合金から成る形態とすることができるし、第２電極は透明導電性材料から成る形態とすることができる。第２電極を透明導電性材料から構成することで、電流を横方向（第２化合物半導体層の面内方向）に広げることができ、効率良く、素子領域（次に述べる）に電流を供給することができる。
「素子領域」とは、狭窄された電流が注入される領域、あるいは又、屈折率差等により光が閉じ込められる領域、あるいは又、第１光反射層と第２光反射層で挟まれた領域の内、レーザ発振が生じる領域、あるいは又、第１光反射層と第２光反射層で挟まれた領域の内、実際にレーザ発振に寄与する領域を指す。
発光素子は、上述したとおり、第１化合物半導体層の頂面から第１光反射層を介して光を出射する面発光レーザ素子（垂直共振器レーザ、ＶＣＳＥＬ）から成る構成とすることができるし、あるいは又、第２化合物半導体層の頂面から第２光反射層を介して光を出射する面発光レーザ素子から成る構成とすることもできる。
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る発光素子等において、第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層から成る積層構造体は、具体的には、ＧａＮ系化合物半導体から成る構成とすることができる。ここで、ＧａＮ系化合物半導体として、より具体的には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮを挙げることができる。更には、これらの化合物半導体に、所望に応じて、ホウ素（Ｂ）原子やタリウム（Ｔｌ）原子、ヒ素（Ａｓ）原子、リン（Ｐ）原子、アンチモン（Ｓｂ）原子が含まれていてもよい。活性層は、量子井戸構造を有することが望ましい。具体的には、単一量子井戸構造（ＱＷ構造）を有していてもよいし、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有していてもよい。量子井戸構造を有する活性層は、井戸層及び障壁層が、少なくとも１層、積層された構造を有するが、（井戸層を構成する化合物半導体，障壁層を構成する化合物半導体）の組合せとして、（ＩｎyＧａ(1-y)Ｎ，ＧａＮ）、（ＩｎyＧａ(1-y)Ｎ，ＩｎzＧａ(1-z)Ｎ）［但し、ｙ＞ｚ］、（ＩｎyＧａ(1-y)Ｎ，ＡｌＧａＮ）を例示することができる。第１化合物半導体層を第１導電型（例えば、ｎ型）の化合物半導体から構成し、第２化合物半導体層を第１導電型とは異なる第２導電型（例えば、ｐ型）の化合物半導体から構成することができる。第１化合物半導体層、第２化合物半導体層は、第１クラッド層、第２クラッド層とも呼ばれる。第２電極と第２化合物半導体層との間に、電流狭窄構造が形成されていることが好ましい。第１化合物半導体層、第２化合物半導体層は、単一構造の層であってもよいし、多層構造の層であってもよいし、超格子構造の層であってもよい。更には、組成傾斜層、濃度傾斜層を備えた層とすることもできる。
電流狭窄構造を得るためには、第２電極と第２化合物半導体層との間に絶縁材料（例えば、ＳｉＯXやＳｉＮX、ＡｌＯX）から成る電流狭窄層を形成してもよいし、あるいは又、第２化合物半導体層をＲＩＥ法等によりエッチングしてメサ構造を形成してもよいし、あるいは又、積層された第２化合物半導体層の一部の層を横方向から部分的に酸化して電流狭窄領域を形成してもよいし、第２化合物半導体層に不純物をイオン注入して導電性が低下した領域を形成してもよいし、あるいは、これらを、適宜、組み合わせてもよい。但し、第２電極は、電流狭窄により電流が流れる第２化合物半導体層の部分と電気的に接続されている必要がある。
ＧａＮ基板は成長面によって、極性／無極性／半極性と特性が変わることが知られているが、ＧａＮ基板のいずれの主面も化合物半導体層の形成に使用することができる。また、ＧａＮ基板の主面に関して、結晶構造（例えば、立方晶型や六方晶型等）によっては、所謂Ａ面、Ｂ面、Ｃ面、Ｒ面、Ｍ面、Ｎ面、Ｓ面等の名称で呼ばれる結晶面の面方位を特定方向にオフさせた面（オフ角が０度の場合を含む）を用いる。発光素子を構成する各種の化合物半導体層の形成方法として、有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法，ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法等を挙げることができる。
ここで、ＭＯＣＶＤ法における有機ガリウム源として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンを挙げることができる。ｎ型の導電型を有するＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）としてケイ素（Ｓｉ）を添加すればよいし、ｐ型の導電型を有するＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加すればよい。ＧａＮ系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム（Ａｌ）あるいはインジウム（Ｉｎ）が含まれる場合、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いればよいし、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いればよい。更には、Ｓｉ源としてモノシランガス（ＳｉＨ4ガス）を用いればよいし、Ｍｇ源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムやメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いればよい。尚、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）として、Ｓｉ以外に、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｃ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ、Ｐｄ、Ｐｏを挙げることができるし、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）として、Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ、Ｃ、Ｈｇ、Ｓｒを挙げることができる。
支持基板は、例えば、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板、アルミナ基板、ＺｎＳ基板、ＺｎＯ基板、ＬｉＭｇＯ基板、ＬｉＧａＯ2基板、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板、ＩｎＰ基板といった各種の基板から構成すればよいし、あるいは又、ＡｌＮ等から成る絶縁性基板、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ等から成る半導体基板、金属製基板や合金製基板から構成することもできるが、導電性を有する基板を用いることが好ましく、あるいは又、機械的特性、弾性変形、塑性変形性、放熱性等の観点から金属製基板や合金製基板を用いることが好ましい。支持基板の厚さとして、例えば、０．０５ｍｍ乃至０．５ｍｍを例示することができる。第２光反射層の支持基板への固定方法として、半田接合法、常温接合法、粘着テープを用いた接合法、ワックス接合を用いた接合法等、既知の方法を用いることができるが、導電性の確保という観点からは半田接合法あるいは常温接合法を採用することが望ましい。例えば導電性基板であるシリコン半導体基板を支持基板として使用する場合、熱膨張係数の違いによる反りを抑制するために、４００゜Ｃ以下の低温で接合可能な方法を採用することが望ましい。支持基板としてＧａＮ基板を使用する場合、接合温度が４００゜Ｃ以上であってもよい。
第１電極は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｔｉ（チタン）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、錫（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属（合金を含む）を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、具体的には、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｐｄ／Ｐｔ、Ａｇ／Ｐｄを例示することができる。尚、多層構成における「／」の前の層ほど、より活性層側に位置する。以下の説明においても同様である。第１電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のＰＶＤ法にて成膜することができる。
第２電極を構成する透明導電性材料として、インジウム−錫酸化物（ＩＴＯ，Indium Tin Oxide，ＳｎドープのＩｎ2Ｏ3、結晶性ＩＴＯ及びアモルファスＩＴＯを含む）、インジウム−亜鉛酸化物（ＩＺＯ，Indium Zinc Oxide）、ＩＦＯ（ＦドープのＩｎ2Ｏ3）、酸化錫（ＳｎＯ2）、ＡＴＯ（ＳｂドープのＳｎＯ2）、ＦＴＯ（ＦドープのＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、ＡｌドープのＺｎＯやＢドープのＺｎＯを含む）を例示することができる。あるいは又、第２電極として、ガリウム酸化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、ニッケル酸化物等を母層とする透明導電膜を挙げることができる。但し、第２電極を構成する材料として、第２光反射層と第２電極との配置状態に依存するが、透明導電性材料に限定するものではなく、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）等の金属を用いることもできる。第２電極は、これらの材料の少なくとも１種類から構成すればよい。第２電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のＰＶＤ法にて成膜することができる。
第１電極や第２電極上に、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するために、パッド電極を設けてもよい。パッド電極は、Ｔｉ（チタン）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｄ（パラジウム）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましい。あるいは又、パッド電極を、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｃｒ／Ａｕの多層構成に例示される多層構成とすることもできる。第１電極をＡｇ層あるいはＡｇ／Ｐｄ層から構成する場合、第１電極の表面に、例えば、Ｎｉ／ＴｉＷ／Ｐｄ／ＴｉＷ／Ｎｉから成るカバーメタル層を形成し、カバーメタル層の上に、例えば、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層構成あるいはＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｃｒ／Ａｕの多層構成から成るパッド電極を形成することが好ましい。
光反射層（分布ブラッグ反射鏡層、Distributed Bragg Reflector 層、ＤＢＲ層）は、例えば、半導体多層膜や誘電体多層膜から構成される。誘電体材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ等の酸化物、窒化物（例えば、ＳｉＮX、ＡｌＮX、ＡｌＧａＮ、ＧａＮX、ＢＮX等）、又は、フッ化物等を挙げることができる。具体的には、ＳｉＯX、ＴｉＯX、ＮｂＯX、ＺｒＯX、ＴａＯX、ＺｎＯX、ＡｌＯX、ＨｆＯX、ＳｉＮX、ＡｌＮX等を例示することができる。そして、これらの誘電体材料の内、屈折率が異なる誘電体材料から成る２種類以上の誘電体膜を交互に積層することにより、光反射層を得ることができる。例えば、ＳｉＯX／ＳｉＮY、ＳｉＯX／ＮｂＯY、ＳｉＯX／ＺｒＯY、ＳｉＯX／ＡｌＮY等の多層膜が好ましい。所望の光反射率を得るために、各誘電体膜を構成する材料、膜厚、積層数等を、適宜、選択すればよい。各誘電体膜の厚さは、用いる材料等により、適宜、調整することができ、発光波長λ0、用いる材料の発光波長λ0での屈折率ｎによって決定される。具体的には、λ0／（４ｎ）の奇数倍とすることが好ましい。例えば、発光波長λ0が４１０ｎｍの発光素子において、光反射層をＳｉＯX／ＮｂＯYから構成する場合、４０ｎｍ乃至７０ｎｍ程度を例示することができる。積層数は、２以上、好ましくは５乃至２０程度を例示することができる。光反射層全体の厚さとして、例えば、０．６μｍ乃至１．７μｍ程度を例示することができる。
あるいは又、第１光反射層は、少なくともＮ（窒素）原子を含んだ誘電体膜を備えていることが望ましく、更には、このＮ原子を含んだ誘電体膜は、誘電体多層膜の最上層であることが一層望ましい。あるいは又、第１光反射層は、少なくともＮ（窒素）原子を含んだ誘電体材料層によって被覆されていることが望ましい。あるいは又、第１光反射層の表面に対して窒化処理を施すことで、第１光反射層の表面を、少なくともＮ（窒素）原子を含んだ層（以下、便宜上、『表面層』と呼ぶ）とすることが望ましい。少なくともＮ原子を含んだ誘電体膜あるいは誘電体材料層、表面層の厚さは、λ0／（４ｎ）の奇数倍とすることが好ましい。少なくともＮ原子を含んだ誘電体膜あるいは誘電体材料層を構成する材料として、具体的には、ＳｉＮX、ＳｉＯXＮZを挙げることができる。このように、少なくともＮ原子を含んだ誘電体膜あるいは誘電体材料層、表面層を形成することで、第１光反射層を覆う化合物半導体層を形成したとき、第１光反射層を覆う化合物半導体層の結晶軸とＧａＮ基板の結晶軸のずれを改善することが可能となり、共振器となる積層構造体の品質を高めることが可能となる。
光反射層は、周知の方法に基づき形成することができ、具体的には、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、反応性スパッタリング法、ＥＣＲプラズマスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法等のＰＶＤ法；各種ＣＶＤ法；スプレー法、スピンコート法、ディップ法等の塗布法；これらの方法の２種以上を組み合わせる方法；これらの方法と、全体又は部分的な前処理、不活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ等）又はプラズマの照射、酸素ガスやオゾンガス、プラズマの照射、酸化処理（熱処理）、露光処理のいずれか１種以上とを組み合わせる方法等を挙げることができる。
また、積層構造体の側面や露出面を絶縁膜で被覆してもよい。絶縁膜の形成は、周知の方法に基づき行うことができる。絶縁膜を構成する材料の屈折率は、積層構造体を構成する材料の屈折率よりも小さいことが好ましい。絶縁膜を構成する材料として、ＳｉＯ2を含むＳｉＯX系材料、ＳｉＮX系材料、ＳｉＯXＮZ系材料、ＴａＯX、ＺｒＯX、ＡｌＮX、ＡｌＯX、ＧａＯXを例示することができるし、あるいは又、ポリイミド樹脂等の有機材料を挙げることもできる。絶縁膜の形成方法として、例えば真空蒸着法やスパッタリング法といったＰＶＤ法、あるいは、ＣＶＤ法を挙げることができるし、塗布法に基づき形成することもできる。
実施例１は、本開示の第１の態様及び第２の態様に係る発光素子及びその製造方法に関する。
模式的な一部端面図を図１Ａに示すように、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３の発光素子は、具体的には、面発光レーザ素子（垂直共振器レーザ、ＶＣＳＥＬ）であり、
ＧａＮ基板１１、
ＧａＮ基板１１の上に形成された、選択成長用マスク層４３として機能する第１光反射層４１、
第１光反射層４１上に形成された第１化合物半導体層２１、活性層２３及び第２化合物半導体層２２から成る積層構造体２０、並びに、
第２化合物半導体層２２上に形成された第２電極３２及び第２光反射層４２、
を少なくとも備えている。
そして、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３の発光素子において、あるいは、発光素子の製造方法にあっては、ＧａＮ基板１１の表面１１ａの結晶面の面方位のオフ角は０．４度以内、好ましくは０．４０度以内であり、ＧａＮ基板１１の面積をＳ0としたとき、第１光反射層４１の面積は０．８Ｓ0以下である。尚、限定するものではないが、第１光反射層４１の面積の下限値として０．００４×Ｓ0を例示することができる。ここで、ＧａＮ基板１１の表面１１ａの結晶面の面方位を［０００１］とした。即ち、ＧａＮ基板１１の（０００１）面（Ｃ面）上に、第１光反射層４１や積層構造体２０を形成する。尚、第１光反射層４１の最下層４１Ａとして熱膨張緩和膜４４がＧａＮ基板１１の上に形成されているし、ＧａＮ基板１１と接する第１光反射層４１の最下層４１Ａ（熱膨張緩和膜４４が該当する）の線熱膨張係数ＣＴＥは、
１×１０-6／Ｋ≦ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
好ましくは、
１×１０-6／Ｋ＜ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
を満足する。
具体的には、熱膨張緩和膜４４（選択成長用マスク層４３の最下層）は、例えば、
ｔ1＝λ0／（２ｎ1）
を満足する窒化ケイ素（ＳｉＮX）から成る。尚、このような膜厚を有する熱膨張緩和膜４４（選択成長用マスク層４３の最下層）は、波長λ0の光に対して透明であり、光反射層としての機能は有していない。また、選択成長用マスク層４３（あるいは第１光反射層４１）の平面形状は、正六角形である。正六角形は、化合物半導体層が［１１−２０］方向若しくはこれと結晶学的に等価な方向に横方向にエピタキシャル成長するように、配置あるいは配列されている。窒化ケイ素（ＳｉＮX）及びＧａＮ基板１１のＣＴＥの値は以下の表１のとおりである。ＣＴＥの値は２５゜Ｃにおける値である。
［表１］
ＧａＮ基板 ：５．５９×１０-6／Ｋ
窒化ケイ素（ＳｉＮX）：２．６〜３．５×１０-6／Ｋ
尚、積層構造体２０は、第１化合物半導体層２１、活性層２３及び第２化合物半導体層２２から成るが、より具体的には、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１面２１ａ、及び、第１面２１ａと対向する第２面２１ｂを有する第１化合物半導体層２１、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１化合物半導体層２１の第２面２１ｂと接する活性層（発光層）２３、及び、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１面２２ａ、及び、第１面２２ａと対向する第２面２２ｂを有し、第１面２２ａが活性層２３と接する第２化合物半導体層２２、
が積層されて成る。そして、第２化合物半導体層２２の第２面２２ｂ上には、第２電極３２及び多層膜から成る第２光反射層４２が形成されており、積層構造体２０が形成されたＧａＮ基板１１の表面１１ａと対向するＧａＮ基板１１の他方の面１１ｂに第１電極３１が形成されている。多層膜から成る第１光反射層４１は、ＧａＮ基板１１の表面１１ａに形成されているし、第１化合物半導体層２１の第１面２１ａと接して形成されている。
ここで、実施例１にあっては、第２化合物半導体層２２の第２面２２ｂから第２光反射層４２を介して光を出射する、第２光反射層出射タイプの発光素子である。ＧａＮ基板１１は残されたままである。
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３の発光素子においては、第２電極３２と第２化合物半導体層２２との間に、ＳｉＯX、ＳｉＮX、ＡｌＯXといった絶縁材料から成る電流狭窄層２４が形成されている。電流狭窄層２４には開口２４Ａが形成されており、この開口２４Ａの底部に第２化合物半導体層２２が露出している。第２電極３２は、第２化合物半導体層２２の第２面２２ｂ上から電流狭窄層２４上に亙り形成されており、第２光反射層４２は第２電極３２上に形成されている。更には、第２電極３２の縁部の上には、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するためのパッド電極３３が接続されている。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３の発光素子において、素子領域の平面形状は正六角形であり、第１光反射層４１、第２光反射層４２、電流狭窄層２４に設けられた開口２４Ａの平面形状は円形である。尚、第１光反射層４１及び第２光反射層４２は多層構造を有するが、図面の簡素化のため、１層で表している。尚、電流狭窄層２４の形成は、必須ではない。
そして、実施例１の発光素子において、第１光反射層４１から第２光反射層４２まで距離は、０．１５μｍ以上、５０μｍ以下であり、具体的には、例えば、１０μｍである。
第１化合物半導体層２１は厚さ５μｍのｎ型ＧａＮ層から成り、総厚さ１８０ｎｍの活性層２３はＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ層（障壁層）とＩｎ0.16Ｇａ0.84Ｎ層（井戸層）とが積層された５重の多重量子井戸構造から成り、第２化合物半導体層２２は、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（厚さ１０ｎｍ）及びｐ型ＧａＮ層の２層構成を有する。尚、電子障壁層が活性層側に位置する。第１電極３１はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成り、第２電極３２は、透明導電性材料、具体的には、ＩＴＯから成り、パッド電極３３はＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成り、第１光反射層４１及び第２光反射層４２は、ＳｉＮX層とＳｉＯY層の積層構造（誘電体膜の積層総数：２０層）から成る。各層の厚さは、λ0／（４ｎ）である。
以下、積層構造体等の模式的な一部端面図である図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃを参照して、実施例１の発光素子の製造方法を説明する。
［工程−１００］
先ず、ＧａＮ基板１１上に選択成長用マスク層４３を形成する。具体的には、ＧａＮ基板１１上に、選択成長用マスク層４３の最下層を構成する熱膨張緩和膜４４を形成し、更に、熱膨張緩和膜４４上に、多層膜から成る選択成長用マスク層４３の残部（第１光反射層４１として機能する）を形成する。そして、選択成長用マスク層４３をパターニングする。こうして、図４Ａに示す構造を得ることができる。図９に模式的な平面図を示すように、熱膨張緩和膜４４を含む選択成長用マスク層４３の形状は正六角形である。但し、選択成長用マスク層４３の形状はこれに限定するものではなく、例えば、円形、格子状又はストライプ状とすることもできる。尚、図９において、選択成長用マスク層４３を明確に表示するために、選択成長用マスク層４３に斜線を付した。選択成長用マスク層４３と選択成長用マスク層４３との間には、ＧａＮ基板１１が露出している。
［工程−１１０］
次に、選択成長用マスク層４３で覆われていないＧａＮ基板１１の表面から、第１化合物半導体層２１を選択成長させて、ＧａＮ基板１１及び選択成長用マスク層４３を第１化合物半導体層２１で被覆する。具体的には、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、アンモニアガスを供給しながらＧａＮ基板１１を１０００゜Ｃまで加熱し、次いで、ＴＭＧガス及びＳｉＨ4ガスを用いたＭＯＣＶＤ法に基づくＥＬＯ法等の横方向にエピタキシャル成長させる方法を用いて、第１化合物半導体層２１を横方向に成長させる。
［工程−１２０］
引き続き、ＧａＮ基板１１の温度を８００゜Ｃとして、第１化合物半導体層２１上に活性層２３、第２化合物半導体層２２、第２電極３２、第２光反射層４２を順次形成する。具体的には、エピタキシャル成長法に基づき、第１化合物半導体層２１の上に、ＴＭＧガス及びＴＭＩガスを用いて活性層２３を形成した後、ＧａＮ基板１１の温度を９５０゜Ｃとして、ＴＭＧガス、ＴＭＡガス、Ｃｐ2Ｍｇガスを用いて電子障壁層を形成し、ＴＭＧガス、Ｃｐ2Ｍｇガスを用いてｐ型ＧａＮ層を形成することで、第２化合物半導体層２２を得る。以上の工程によって積層構造体２０を得ることができる。即ち、選択成長用マスク層４３を含むＧａＮ基板１１上に、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１面２１ａ、及び、第１面２１ａと対向する第２面２１ｂを有する第１化合物半導体層２１、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１化合物半導体層２１の第２面２１ｂと接する活性層２３、及び、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１面２２ａ、及び、第１面２２ａと対向する第２面２２ｂを有し、第１面２２ａが活性層２３と接する第２化合物半導体層２２、
が積層されて成る積層構造体２０をエピタキシャル成長させる。次いで、第２化合物半導体層２２の第２面２２ｂ上に、周知の方法に基づき、厚さ０．２μｍの絶縁材料から成り、開口２４Ａを有する電流狭窄層２４を形成する。こうして、図４Ｂに示す構造を得ることができる。
その後、第２化合物半導体層２２の第２面２２ｂ上に第２電極３２及び多層膜から成る第２光反射層４２を形成する。具体的には、例えば、リフトオフ法に基づき、第２化合物半導体層２２の第２面２２ｂの上から電流狭窄層２４の上に亙り、厚さ５０ｎｍのＩＴＯから成る第２電極３２を形成し、更に、第２電極３２の上から電流狭窄層２４の上に亙り、周知の方法に基づきパッド電極３３を形成する。こうして、図４Ｃに示す構造を得ることができる。その後、第２電極３２の上からパッド電極３３の上に亙り、周知の方法に基づき第２光反射層４２を形成する。一方、ＧａＮ基板１１の他方の面１１ｂに、周知の方法に基づき第１電極３１を形成する。こうして、図１Ａに示す構造を得ることができる。
［工程−１３０］
その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体の側面や露出面を、例えば、ＳｉＯXから成る絶縁膜で被覆する。そして、第１電極３１やパッド電極３３を外部の回路等に接続するために端子等を周知の方法に基づき形成し、パッケージや封止することで、実施例１の発光素子を完成させる。
実施例１において、オフ角と第２化合物半導体層２２の表面粗さＲａとの関係を調べた。その結果を、以下の表２に示す。表２から、オフ角が０．４度を超えると、第２化合物半導体層２２の表面粗さＲａの値が大きくなることが判る。即ち、オフ角を０．４度以下、好ましくは０．４０度以内とすることで、化合物半導体層の成長中のステップバンチングを抑制することができ、第２化合物半導体層２２の表面粗さＲａの値を小さくすることができる結果、平滑性に優れた第２光反射層４２を得ることができ、光反射率等の特性バラツキが生じ難い。
［表２］
オフ角（度） 表面粗さＲａ（ｎｍ）
０．３５ ０．８７
０．３８ ０．９５
０．４３ １．３２
０．４５ １．５５
０．５０ ２．３０
また、ＧａＮ基板１１の面積Ｓ0と、第１光反射層４１の面積と、第２化合物半導体層２２の表面粗さＲａとの関係を調べた。その結果を、以下の表３に示す。表３から、第１光反射層４１の面積を０．８Ｓ0以下にすることで、第２化合物半導体層２２の表面粗さＲａの値を小さくすることができることが判った。
［表３］
第１光反射層４１の面積割合 表面粗さＲａ（ｎｍ）
０．８８Ｓ0 １．１２
０．８３Ｓ0 １．０５
０．７５Ｓ0 ０．９７
０．６９Ｓ0 ０．９１
０．６３Ｓ0 ０．８５
以上の結果から、第２化合物半導体層２２（第２化合物半導体層２２の第２面）の表面粗さＲａは、１．０ｎｍ以下であることが好ましいことが判る。
更には、熱膨張緩和膜４４を形成せずに、選択成長用マスク層４３の最下層をＳｉＯX（ＣＴＥ：０．５１〜０．５８×１０-6／Ｋ）から構成し、その他は、実施例１と同様の構成、構造を有する発光素子を製造したところ、積層構造体の成膜中に選択成長用マスク層４３がＧａＮ基板１１から剥離してしまった。一方、実施例１にあっては、積層構造体の成膜中に選択成長用マスク層４３がＧａＮ基板１１から剥離することがなかった。
以上のとおり、実施例１の発光素子及びその製造方法にあっては、ＧａＮ基板表面の結晶面の面方位のオフ角、及び、選択成長用マスク層（第１光反射層）の面積割合が規定されているので、第２化合物半導体層の表面粗さを小さくすることができる。即ち、優れた表面モホロジーを有する第２化合物半導体層を形成することができる。その結果、平滑性に優れた第２光反射層を得ることができるので、所望の光反射率を得ることができ、発光素子の特性にバラツキが生じ難い。しかも、熱膨張緩和膜が形成され、あるいは又、ＣＴＥの値が規定されているので、ＧａＮ基板の線熱膨張係数と選択成長用マスク層の線熱膨張係数の差に起因してＧａＮ基板から選択成長用マスク層が剥がれるといった問題の発生を回避することができ、高い信頼性を有する発光素子を提供することができる。更には、ＧａＮ基板を用いるので、化合物半導体層に転位が発生し難いし、発光素子の熱抵抗が大きくなるといった問題を回避することができるので、高い信頼性を発光素子に付与することができるし、ＧａＮ基板を基準としてｐ側電極と異なる側にｎ側電極を設けることができる。
図１Ａに示した例においては、選択成長用マスク層４３（あるいは第１光反射層４１）の断面形状を矩形としたが、これに限定するものではなく、図１Ｂに示すように、台形とすることもできる。また、図１Ａに示した例では、選択成長用マスク層４３（あるいは第１光反射層４１）を第１化合物半導体層２１で完全に覆ったが、選択成長用マスク層４３（あるいは第１光反射層４１）の一部が露出した状態としてもよいし（図２Ａ参照）、選択成長用マスク層４３（あるいは第１光反射層４１）上の第１化合物半導体層２１が完全に平坦になっていない状態としてもよい（図２Ｂ参照）。尚、図２Ａ及び図２Ｂにおいては、電流狭窄層２４、第２電極３２、パッド電極３３、第２光反射層４２、第１電極３１の図示を省略している。発光素子を、選択成長用マスク層４３（あるいは第１光反射層４１）の露出した領域や、第１化合物半導体層２１が完全に平坦になっていない領域を外して作製すればよい。具体的には、次に述べる実施例２を適用することが好ましい。更には、図３に示すように、第１光反射層４１の最上層（第１化合物半導体層２１と接する層）４１Ｂを窒化シリコン膜から構成してもよい。そして、この場合、第１光反射層４１の最上層４１Ｂの厚さをｔ2、第１光反射層４１の最上層４１Ｂの屈折率をｎ2としたとき、
ｔ2＝λ0／（４ｎ2）
を満足することが好ましく、更には、
ｔ2＝λ0／（２ｎ2）
を満足すれば、第１光反射層４１の最上層４１Ｂは、波長λ0の光に対して不在層となる。
前述したとおり、選択成長用マスク層４３（あるいは第１光反射層４１）が形成されたＧａＮ基板１１の上に、第１化合物半導体層２１を、ＥＬＯ法等の横方向にエピタキシャル成長させる方法を用いて、横方向成長により形成したとき、選択成長用マスク層４３の縁部から選択成長用マスク層４３の中心部に向かってエピタキシャル成長する第１化合物半導体層２１が会合すると、会合部分に結晶欠陥が多く発生する場合がある。
実施例２の発光素子にあっては、また、実施例２の発光素子の製造方法にあっては、図１Ａに示した実施例１の発光素子の変形例を図５に示すように、第１光反射層４１の面積重心点を通る第１光反射層４１に対する法線ＬＮ1上に、第２光反射層４２の面積重心点は存在しない。あるいは又、第１光反射層４１の面積重心点を通る第１光反射層４１に対する法線ＬＮ1上に、活性層２３の面積重心点は存在しない。第２光反射層４２の面積重心点を通る第２光反射層４２に対する法線と、活性層２３の面積重心点を通る活性層２３に対する法線とは一致しており、この法線を「ＬＮ2」で示す。尚、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３に示した発光素子に対して、実施例２の発光素子の構成、構造を適用することができることは云うまでもない。以上の点を除き、実施例２の発光素子の構成、構造は、実施例１の発光素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
実施例２にあっては、結晶欠陥が多く存在する会合部分（具体的には、法線ＬＮ1上あるいはその近傍に位置する）が素子領域の中心部に位置することが無くなり、発光素子の特性に悪影響が生じることが無くなり、あるいは又、発光素子の特性への悪影響が少なくなる。
実施例３は、実施例１〜実施例２の変形である。模式的な一部断面図を図６Ａに示すように、実施例３の発光素子にあっては、具体的には、活性層２３において生成した光は、第１化合物半導体層２１の頂面から第１光反射層４１を介して外部に出射される。即ち、面発光レーザ素子（垂直共振器レーザ、ＶＣＳＥＬ）から成る実施例３の発光素子は、第１光反射層出射タイプの発光素子である。そして、実施例３の発光素子において、第２光反射層４２は、金（Ａｕ）層あるいは錫（Ｓｎ）を含む半田層から成る接合層２５を介して、シリコン半導体基板から構成された支持基板２６に半田接合法に基づき固定されている。
実施例３にあっては、第１化合物半導体層２１上に活性層２３、第２化合物半導体層２２、第２電極３２、第２光反射層４２を順次形成した後、第１光反射層４１をストッパ層として、ＧａＮ基板１１を除去する。具体的には、第１化合物半導体層２１上に活性層２３、第２化合物半導体層２２、第２電極３２、第２光反射層４２を順次形成し、次いで、第２光反射層４２を支持基板２６に固定した後、第１光反射層４１をストッパ層としてＧａＮ基板１１を除去して、第１化合物半導体層２１（第１化合物半導体層２１の第１面）及び第１光反射層４１を露出させる。そして、第１化合物半導体層２１（第１化合物半導体層２１の第１面）の上に第１電極３１を形成する。
第１光反射層４１から第２光反射層４２まで距離は、０．１５μｍ以上、５０μｍ以下であり、具体的には、例えば、１０μｍである。実施例３の発光素子にあっては、第１光反射層４１と第１電極３１とは離間しており、即ち、オフセットを有しており、離間距離は１ｍｍ以内、具体的には、例えば、平均０．０５ｍｍである。
以下、積層構造体等の模式的な一部端面図である図７Ａ及び図７Ｂを参照して、実施例３の発光素子の製造方法を説明する。
［工程−３００］
先ず、実施例１の［工程−１００］〜［工程−１２０］と同様の工程を実行することで、図１Ａに示した構造を得る。但し、第１電極３１は形成しない。
［工程−３１０］
その後、第２光反射層４２を、接合層２５を介して支持基板２６に固定する。こうして、図７Ａに示す構造を得ることができる。
［工程−３２０］
次いで、ＧａＮ基板１１を除去して、第１化合物半導体層２１の第１面２１ａ及び第１光反射層４１を露出させる。具体的には、先ず、機械研磨法に基づき、ＧａＮ基板１１の厚さを薄くし、次いで、ＣＭＰ法に基づき、ＧａＮ基板１１の残部を除去する。こうして、第１化合物半導体層２１の第１面２１ａ及び第１光反射層４１を露出させ、図７Ｂに示す構造を得ることができる。
［工程−３３０］
その後、第１化合物半導体層２１の第１面２１ａ上に、周知の方法に基づき第１電極３１を形成する。こうして、図６Ａに示す構造を有する実施例３の発光素子を得ることができる。
［工程−３４０］
その後、所謂素子分離を行うことで発光素子を分離し、積層構造体の側面や露出面を、例えば、ＳｉＯXから成る絶縁膜で被覆する。そして、第１電極３１やパッド電極３３を外部の回路等に接続するために端子等を周知の方法に基づき形成し、パッケージや封止することで、実施例３の発光素子を完成させる。
実施例３の発光素子の製造方法にあっては、第１光反射層が形成されている状態でＧａＮ基板を除去する。それ故、第１光反射層が、ＧａＮ基板の除去時に一種のストッパーとして機能する結果、ＧａＮ基板面内におけるＧａＮ基板の除去バラツキ、更には、第１化合物半導体層の厚さバラツキの発生を抑制することができ、共振器の長さの均一化を図ることができる結果、得られる発光素子の特性の安定化を達成することができる。しかも、第１光反射層と第１化合物半導体層との界面における第１化合物半導体層の面（平坦面）は平坦であるが故に、平坦面での光の散乱を最小限に抑えることができる。
図６Ａに示した発光素子の例では、第１電極３１の端部は第１光反射層４１から離間している。一方、図６Ｂに示す発光素子の例では、第１電極３１の端部は第１光反射層４１の外縁まで延在している。あるいは又、第１電極の端部が第１光反射層と接するように、第１電極を形成してもよい。
以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において説明した発光素子の構成、構造は例示であり、適宜、変更することができるし、実施例の発光素子の製造方法も、適宜、変更することができる。図８Ａに実施例１の発光素子の変形例の模式的な一部断面図を示すように、選択成長用マスク層の最下層あるいは第１光反射層の最下層は、最下層よりも上の層よりも大きな平面形状を有していてもよい。また、実施例においては、１つの発光素子に１つの選択成長用マスク層４３（第１光反射層４１）を設ける例を説明したが、このような構成に限定するものではなく、図８Ｂに実施例１の発光素子の変形例の模式的な一部断面図を示すように、１つの発光素子に複数の選択成長用マスク層４３を設け、その内の１つを第１光反射層４１として機能させる構成とすることもできる。
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［Ａ０１］《発光素子の製造方法：第１の態様》
ＧａＮ基板上に選択成長用マスク層を形成した後、
選択成長用マスク層で覆われていないＧａＮ基板表面から、第１化合物半導体層を選択成長させて、ＧａＮ基板及び選択成長用マスク層を第１化合物半導体層で被覆し、次いで、
第１化合物半導体層上に活性層、第２化合物半導体層、第２電極、第２光反射層を順次形成する、
各工程を少なくとも有する発光素子の製造方法であって、
選択成長用マスク層は、第１光反射層として機能し、
ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角は０．４度以内、好ましくは０．４０度以内であり、
ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、選択成長用マスク層の面積は０．８Ｓ0以下であり、
選択成長用マスク層の最下層として、ＧａＮ基板上に熱膨張緩和膜を形成する発光素子の製造方法。
［Ａ０２］熱膨張緩和膜は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも１種類の材料から成る［Ａ０１］に記載の発光素子の製造方法。
［Ａ０３］熱膨張緩和膜の厚さをｔ1、発光素子の発光波長をλ0、熱膨張緩和膜の屈折率をｎ1としたとき、
ｔ1＝λ0／（２ｎ1）
を満足する［Ａ０１］又は［Ａ０２］に記載の発光素子の製造方法。
［Ａ０４］《発光素子の製造方法：第２の態様》
ＧａＮ基板上に選択成長用マスク層を形成した後、
選択成長用マスク層で覆われていないＧａＮ基板表面から、第１化合物半導体層を選択成長させて、ＧａＮ基板及び選択成長用マスク層を第１化合物半導体層で被覆し、次いで、
第１化合物半導体層上に活性層、第２化合物半導体層、第２電極、第２光反射層を順次形成する、
各工程を少なくとも有する発光素子の製造方法であって、
選択成長用マスク層は、第１光反射層として機能し、
ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角は０．４度以内、好ましくは０．４０度以内であり、
ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、選択成長用マスク層の面積は０．８Ｓ0以下であり、
ＧａＮ基板と接する選択成長用マスク層の最下層の線熱膨張係数ＣＴＥは、
１×１０-6／Ｋ≦ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
好ましくは、
１×１０-6／Ｋ＜ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
を満足する発光素子の製造方法。
［Ａ０５］選択成長用マスク層の最下層は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも１種類の材料から成る［Ａ０４］に記載の発光素子の製造方法。
［Ａ０６］選択成長用マスク層の最下層の厚さをｔ1、発光素子の発光波長をλ0、選択成長用マスク層の最下層の屈折率をｎ1としたとき、
ｔ1＝λ0／（２ｎ1）
を満足する［Ａ０４］又は［Ａ０５］に記載の発光素子の製造方法。
［Ａ０７］第１化合物半導体層上に活性層、第２化合物半導体層、第２電極、第２光反射層を順次形成した後、第１光反射層をストッパ層として、ＧａＮ基板を除去する［Ａ０１］乃至［Ａ０６］のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
［Ａ０８］第２化合物半導体層の表面粗さＲａは、１．０ｎｍ以下である［Ａ０１］乃至［Ａ０７］のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
［Ａ０９］選択成長用マスク層の平面形状は、正六角形、円形、格子状又はストライプ状である［Ａ０１］乃至［Ａ０８］のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
［Ｂ０１］《発光素子：第１の態様》
ＧａＮ基板、
ＧａＮ基板上に形成された、選択成長用マスク層として機能する第１光反射層、
第１光反射層上に形成された第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第２化合物半導体層上に形成された第２電極及び第２光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角は０．４度以内、好ましくは０．４０度以内であり、
ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、第１光反射層の面積は０．８Ｓ0以下であり、
第１光反射層の最下層として熱膨張緩和膜がＧａＮ基板上に形成されている発光素子。
［Ｂ０２］熱膨張緩和膜は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも１種類の材料から成る［Ｂ０１］に記載の発光素子。
［Ｂ０３］熱膨張緩和膜の厚さをｔ1、発光素子の発光波長をλ0、熱膨張緩和膜の屈折率をｎ1としたとき、
ｔ1＝λ0／（２ｎ1）
を満足する［Ｂ０１］又は［Ｂ０２］に記載の発光素子。
［Ｂ０４］《発光素子：第２の態様》
ＧａＮ基板、
ＧａＮ基板上に形成された、選択成長用マスク層として機能する第１光反射層、
第１光反射層上に形成された第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
第２化合物半導体層上に形成された第２電極及び第２光反射層、
を少なくとも備えた発光素子であって、
ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角は０．４度以内、好ましくは０．４０度以内であり、
ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、第１光反射層の面積は０．８Ｓ0以下であり、
ＧａＮ基板と接する第１光反射層の最下層の線熱膨張係数ＣＴＥは、
１×１０-6／Ｋ≦ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
好ましくは、
１×１０-6／Ｋ＜ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
を満足する発光素子。
［Ｂ０５］第１光反射層の最下層は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも１種類の材料から成る［Ｂ０４］に記載の発光素子。
［Ｂ０６］第１光反射層の最下層の厚さをｔ1、発光素子の発光波長をλ0、第１光反射層の最下層の屈折率をｎ1としたとき、
ｔ1＝λ0／（２ｎ1）
を満足する［Ｂ０４］又は［Ｂ０５］に記載の発光素子。
［Ｂ０７］第２化合物半導体層の表面粗さＲａは、１．０ｎｍ以下である［Ｂ０１］乃至［Ｂ０６］のいずれか１項に記載の発光素子。
［Ｂ０８］第１光反射層の平面形状は、正六角形、円形、格子状又はストライプ状である［Ｂ０１］乃至［Ｂ０７］のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
１１・・・ＧａＮ基板、２０・・・積層構造体、２１・・・第１化合物半導体層、２１ａ・・・第１化合物半導体層の第１面、２１ｂ・・・第１化合物半導体層の第２面、２２・・・第２化合物半導体層、２２ａ・・・第２化合物半導体層の第１面、２２ｂ・・・第２化合物半導体層の第２面、２３・・・活性層（発光層）、２４・・・電流狭窄層、２４Ａ・・・電流狭窄層に設けられた開口、２５・・・接合層、２６・・・支持基板、３１・・・第１電極、３２・・・第２電極、３３・・・パッド電極、４１・・・第１光反射層、４１Ａ・・・第１光反射層の最下層、４２・・・第２光反射層、４３・・・選択成長用マスク層、４４・・・熱膨張緩和膜

Claims (11)

  1. ＧａＮ基板上に選択成長用マスク層を形成した後、
    選択成長用マスク層で覆われていないＧａＮ基板表面から、第１化合物半導体層を選択成長させて、ＧａＮ基板及び選択成長用マスク層を第１化合物半導体層で被覆し、次いで、
    第１化合物半導体層上に活性層、第２化合物半導体層、第２電極、第２光反射層を順次形成する、
    各工程を少なくとも有する発光素子の製造方法であって、
    選択成長用マスク層は、第１光反射層として機能し、
    ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角は０．４度以内であり、
    ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、選択成長用マスク層の面積は０．８Ｓ0以下であり、
    選択成長用マスク層の最下層として、ＧａＮ基板上に熱膨張緩和膜を形成する発光素子の製造方法。
  2. 熱膨張緩和膜は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも１種類の材料から成る請求項１に記載の発光素子の製造方法。
  3. 熱膨張緩和膜の厚さをｔ1、発光素子の発光波長をλ0、熱膨張緩和膜の屈折率をｎ1としたとき、
    ｔ1＝λ0／（２ｎ1）
    を満足する請求項１に記載の発光素子の製造方法。
  4. ＧａＮ基板上に選択成長用マスク層を形成した後、
    選択成長用マスク層で覆われていないＧａＮ基板表面から、第１化合物半導体層を選択成長させて、ＧａＮ基板及び選択成長用マスク層を第１化合物半導体層で被覆し、次いで、
    第１化合物半導体層上に活性層、第２化合物半導体層、第２電極、第２光反射層を順次形成する、
    各工程を少なくとも有する発光素子の製造方法であって、
    選択成長用マスク層は、第１光反射層として機能し、
    ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角は０．４度以内であり、
    ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、選択成長用マスク層の面積は０．８Ｓ0以下であり、
    ＧａＮ基板と接する選択成長用マスク層の最下層の線熱膨張係数ＣＴＥは、
    １×１０-6／Ｋ≦ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
    を満足する発光素子の製造方法。
  5. 選択成長用マスク層の最下層は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム及び窒化アルミニウムから成る群から選択された少なくとも１種類の材料から成る請求項４に記載の発光素子の製造方法。
  6. 選択成長用マスク層の最下層の厚さをｔ1、発光素子の発光波長をλ0、選択成長用マスク層の最下層の屈折率をｎ1としたとき、
    ｔ1＝λ0／（２ｎ1）
    を満足する請求項４に記載の発光素子の製造方法。
  7. 第１化合物半導体層上に活性層、第２化合物半導体層、第２電極、第２光反射層を順次形成した後、第１光反射層をストッパ層として、ＧａＮ基板を除去する請求項１又は請求項４に記載の発光素子の製造方法。
  8. 第２化合物半導体層の表面粗さＲａは、１．０ｂｎｍ以下である請求項１又は請求項４に記載の発光素子の製造方法。
  9. 選択成長用マスク層の平面形状は、正六角形、円形、格子状又はストライプ状である請求項１又は請求項４に記載の発光素子の製造方法。
  10. ＧａＮ基板、
    ＧａＮ基板上に形成された、選択成長用マスク層として機能する第１光反射層、
    第１光反射層上に形成された第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
    第２化合物半導体層上に形成された第２電極及び第２光反射層、
    を少なくとも備えた発光素子であって、
    ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角は０．４度以内であり、
    ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、第１光反射層の面積は０．８Ｓ0以下であり、
    第１光反射層の最下層として熱膨張緩和膜がＧａＮ基板上に形成されている発光素子。
  11. ＧａＮ基板、
    ＧａＮ基板上に形成された、選択成長用マスク層として機能する第１光反射層、
    第１光反射層上に形成された第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層から成る積層構造体、並びに、
    第２化合物半導体層上に形成された第２電極及び第２光反射層、
    を少なくとも備えた発光素子であって、
    ＧａＮ基板表面の面方位のオフ角は０．４度以内であり、
    ＧａＮ基板の面積をＳ0としたとき、第１光反射層の面積は０．８Ｓ0以下であり、
    ＧａＮ基板と接する第１光反射層の最下層の線熱 膨張係数ＣＴＥは、
    １×１０-6／Ｋ≦ＣＴＥ≦１×１０-5／Ｋ
    を満足する発光素子。
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