JP2007200929A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デバイス特性を悪化させずに短時間で窒化物半導体層を得ることのできる半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザの製造方法は、基板１の主面１ａ上に第１窒化物半導体層を形成する工程と、基板１１の主面１１ａ上にリフトオフ層１３を形成する工程と、リフトオフ層１３上に発光層１７を含む第２窒化物半導体層を形成する工程と、基板１の主面１ａと基板１１の主面１１ａとが互いに対向した状態で第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とを貼り合わせる貼合わせ工程と、リフトオフ層１３をウエットエッチングすることにより、基板１１と第２窒化物半導体層とを分離する分離工程とを備えている。
【選択図】図８

Description

本発明は、半導体発光素子の製造方法に関し、より特定的には、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む窒化物半導体層を備えた半導体発光素子の製造方法に関する。

近年、青紫レーザが次世代高密度記録光ディスク用光源として注目されており、その製品化の要望が高まっている。青紫レーザに関して、ＧａＮ系半導体は、バンドギャップが１．９ｅＶ〜６．２ｅＶであるので、理論上青紫光のレーザ発振が可能であり、その開発が盛んに行われている。ＧａＮ系半導体発光素子は、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）を用いてＧａＮ系半導体の積層構造をサファイア基板上に形成することにより製造される。

しかし、ＧａＮ半導体層とサファイア基板とは、その格子定数が一般的に１０％程度異なっており、また熱膨張係数が大きく異なっている。このため、サファイア基板上に成長させたＧａＮ系半導体には、格子不整合および熱膨張係数の違いによって転位および熱歪みが生じやすい。また、サファイア基板の熱伝導率は１７Ｗ／ｍＫ程度と小さいので、熱によって半導体発光素子の発光出力が飽和するという問題があった。

そこで、従来においては、ＧａＮ系半導体の積層構造をサファイア基板上に形成した後で、たとえば銅タングステンのような、熱膨張係数がＧａＮ系半導体に近くかつ熱伝導率が高い材料よりなる基板にＧａＮ系半導体を貼り付け、その後サファイア基板を除去する製造方法が採用されていた。

サファイア基板をＧａＮ系半導体から除去する方法として、サファイア基板を研磨により除去する方法が考えられる。

また、たとえば特開２００４−１１２０００号公報（特許文献１）および特開２００４−８７７７５号公報（特許文献２）には、レーザ光を照射することによりＧａＮ系半導体からサファイア基板を除去する方法(レーザリフトオフ法）が開示されている。特許文献１では、リフトオフ層としてのＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層とをサファイア基板上に積層して形成した後で、ＡｌＧａＮ層にレーザ光を照射することによりサファイア基板をＧａＮ系半導体層から分離している。また、特許文献２では、サファイアよりなる基板上にＧａＮよりなる半導体層を形成し、半導体層にレーザ光を照射することにより、基板を半導体層から分離している。レーザリフトオフ法では、レーザ光の光エネルギが熱エネルギに変換されてレーザ光の吸収層に吸収され、吸収層が発熱し、その熱によってリフトオフ層またはＧａＮ層が溶融される。
特開２００４−１１２０００号公報 特開２００４−８７７７５号公報

しかし、サファイアは非常に硬質な材料であるため、サファイア基板を研磨で除去するためには長時間を要するという問題がある。また、レーザリフトオフ法では、熱によりデバイス特性を悪化させるという問題がある。特に、溶融した部分には凹凸が生じるので、ＧａＮ層上に電極などを形成する場合には、表面を均すことが必要になる。これらの問題はＧａＮ層を形成する場合に限らず、発光層を含む窒化物半導体層を形成する場合に共通する問題である。

したがって、本発明の目的は、デバイス特性を悪化させずに短時間で窒化物半導体層を得ることのできる半導体発光素子の製造方法を提供することである。

本発明の一の局面に従う半導体発光素子の製造方法は、基板上にリフトオフ層を形成する工程と、リフトオフ層上に発光層を含む窒化物半導体層を形成する工程と、リフトオフ層をウエットエッチングすることにより、基板と窒化物半導体層とを分離する分離工程とを備えている。

本発明の一の局面に従う半導体発光素子の製造方法によれば、窒化物半導体層に熱によるダメージを与えることなく基板と窒化物半導体層とを分離することができる。これにより、デバイス特性の悪化を防ぐことができる。また、溶融させずに基板と窒化物半導体層とを分離することができるので、分離後の窒化物半導体層の表面に凹凸を生じさせない。さらに、基板を研磨する必要がないので短時間で窒化物半導体層を得ることができる。したがって、デバイス特性を悪化させずに短時間で窒化物半導体層を得ることができる。

本発明の一の局面に従う半導体発光素子の製造方法において好ましくは、分離工程の前に、ウエットエッチングに用いられるエッチング液をリフトオフ層に到達させるための導入部を形成する導入部工程がさらに備えられている。

リフトオフ層は基板と窒化物半導体層とに挟まれているので、導入部がない場合にはリフトオフ層の主表面に直接エッチング液を導入することはできず、エッチング液はリフトオフ層の端面のみから導入される。リフトオフ層の厚みは通常数μｍ以下であるので、エッチング液はリフトオフ層の端面からは導入されにくい。これに対して、導入部を形成することによってリフトオフ層の主表面に直接エッチング液を導入するができ、リフトオフ層のエッチングに要する時間を短縮することができる。

なお、導入部は、少なくとも外部からリフトオフ層へエッチング液を導入可能にするための部分であればよい。

本発明の一の局面に従う半導体発光素子の製造方法において好ましくは、導入部は窒化物半導体層の端面に達するように形成された溝である。これにより、窒化物半導体層の端面からエッチング液を導入することが可能である。

本発明の一の局面に従う半導体発光素子の製造方法において好ましくは、導入部は窒化物半導体層および基板を貫通するよう形成された孔である。これにより、基板の表面からエッチング液を導入することが可能である。また、孔径に応じてエッチング液の流量を制御することができる。

本発明の一の局面に従う半導体発光素子の製造方法において好ましくは、上記導入部工程において、ダイシング、ドライエッチング、またはレーザ照射のいずれかの方法を用いて窒化物半導体層に導入部を形成する。これにより、短時間で容易に導入部を形成することができる。

本発明の一の局面に従う半導体発光素子の製造方法において好ましくは、上記分離工程において、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、重クロム酸、水酸化カリウム、および水酸化ナトリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種を含むエッチング液に電界を印加しながらリフトオフ層をエッチングする。これらの物質を含むエッチング液は、リフトオフ層をエッチングするのに適している。

本発明の一の局面に従う半導体発光素子の製造方法において好ましくは、リフトオフ層はＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、およびＧａＭｎＮ（窒化マンガンガリウム）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む結晶または結晶を含む混晶よりなっている。

これらの物質は、窒化物半導体層との格子定数が近いため、窒化物半導体層に欠陥が生じたり、窒化物半導体層に内部応力が生じたりすることを抑止することができる。

本発明の他の局面に従う半導体発光素子の製造方法は、第１基板の主面上に第１窒化物半導体層を形成する工程と、第２基板の主面上にリフトオフ層を形成する工程と、リフトオフ層上に発光層を含む第２窒化物半導体層を形成する工程と、第１基板の主面と第２基板の主面とが互いに対向した状態で第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とを貼り合わせる貼合わせ工程と、リフトオフ層をウエットエッチングすることにより、第２基板と第２窒化物半導体層とを分離する分離工程とを備えている。

本発明の他の局面に従う半導体発光素子の製造方法によれば、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とを貼合わせることによって、一の窒化物半導体層を得ることができる。また、窒化物半導体層に熱によるダメージを与えることなく第２基板と第２窒化物半導体層とを分離することができる。これにより、デバイス特性の悪化を防ぐことができる。また、溶融させずに第２基板と第２窒化物半導体層とを分離することができるので、分離後の第２窒化物半導体層の表面に凹凸を生じさせない。さらに、第２基板を研磨する必要がないので短時間で窒化物半導体層を得ることができる。したがって、デバイス特性を悪化させずに短時間で窒化物半導体層を得ることができる。

本発明の他の局面に従う半導体発光素子の製造方法において好ましくは、第１窒化物半導体層を形成する工程において第１窒化物半導体層の表面に凸部が形成される。凸部に対応する第２窒化物半導体層の表面に、凸部を収納できる大きさの凹部を形成する工程がさらに備えられている。

これにより、窒化物半導体層を形成する際には表面に凸部が形成されることがある。第１窒化物半導体層の表面に凸部が形成されると、貼合わせ工程において第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層との間に隙間ができ、うまく張り合わないことがある。この凸部を選択的に研磨して窒化物半導体層の表面を平坦化することは非常に困難である。そこで、第２窒化物半導体層の表面に凹部を形成することによって、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とを隙間なく貼り合わせることができる。

なお、凸部に対応する第２窒化物半導体層の表面とは、第１基板の主面と第２基板の主面とを対向させた場合に、凸部と対向する位置にある第２窒化物半導体層の表面を意味している。

本発明の他の局面に従う半導体発光素子の製造方法において好ましくは、分離工程において、ウエットエッチングに用いられるエッチング液を凹部を介してリフトオフ層に到達させる。

これにより、凹部を介してリフトオフ層の主表面に直接エッチング液を導入するができ、リフトオフ層のエッチングに要する時間を短縮することができる。

本発明の他の局面に従う半導体発光素子の製造方法において好ましくは、上記貼合わせ工程は、減圧状態の窒素プラズマ雰囲気に第１基板および第２基板を曝した状態で、圧力を加えながら第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とを貼り合わせる工程を含んでいる。

これにより、窒素プラズマによって第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層が活性化し、圧力を加えるだけで第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とを接合することができる。

本発明の他の局面に従う半導体発光素子の製造方法において好ましくは、上記貼合わせ工程は、８０℃以上第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層が溶融する温度未満の温度に第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層を加熱した状態で行なわれる。８０℃以上に加熱することにより第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層の拡散が促進されるので、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とを接合し易くなる。

本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、デバイス特性を悪化させずに短時間で窒化物半導体層を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体発光素子の構造を示す断面図である。図２は、図１の平面図である。図１および図２を参照して、本実施の形態の半導体発光素子としての面発光半導体レーザは、基板１と、バッファ層２と、ｎ型クラッド層３と、ｎ型ＧａＮ層４および１８と、発光層１７と、キャップ層１６と、ｐ型クラッド層１５と、ｐ型コンタクト層１４と、ｐ型電極３１と、ｎ型電極３２とを備えている。

基板１の主面１ａ上にバッファ層２、ｎ型クラッド層３、ｎ型ＧａＮ層４、ｎ型ＧａＮ層１８、発光層１７、キャップ層１６、ｐ型クラッド層１５、およびｐ型コンタクト層１４がこの順序で積層して形成されている。ｐ型コンタクト層１４、ｐ型クラッド層１５、キャップ層１６、発光層１７、およびｎ型ＧａＮ層１８の各々には、ｎ型ＧａＮ層４に達する溝２０(凹部）が形成されている。溝２０は、特に図２に示すように、平面的に見てマトリクス状に形成されている。つまり、ｐ型コンタクト層１４、ｐ型クラッド層１５、キャップ層１６、発光層１７、およびｎ型ＧａＮ層１８の各々は、溝２０によって島状に分離されている。また、溝２０によって露出されたｎ型ＧａＮ層４の表面には、ピット５（凸部）が形成されている。ピット５は、溝２０の各格子点に相当する位置に形成されており、溝２０に収納されている。ピット５はたとえば六角錐の形状を有している。

また、ｎ型ＧａＮ層４の表面には、図示しない複数の孔が正方格子を形成するように設けられており、複数の孔の各々によって回折格子点が構成されている。各孔は円柱もしくは多角柱形状の空間部として設けられている。これによりｎ型ＧａＮ層４は、ｎ型ガイド層として機能するのに加えてフォトニック結晶層としても機能する。

溝２０によって分離された島状のｐ型コンタクト層１４の各々に接触するように、ｐ型電極３１の各々が形成されている。ｐ型電極３１はたとえば矩形の平面形状で形成されている。また、主面１ａとは反対側の基板１の主面１ｂに接触するようにｎ型電極３２が形成されている。ｎ型電極３２はたとえば主面１ｂの全面を覆うように形成されている。

基板１はたとえばＧａＮよりなっており、バッファ層２はたとえばＬＴ（Low Temperature）−ＧａＮよりなっており、ｎ型クラッド層３はたとえばｎ型ＡｌＧａＮよりなっている。また、発光層１７はたとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸よりなっており、キャップ層１６はたとえばアンドープＧａＮよりなっている。さらに、ｐ型クラッド層１５はたとえばｐ型ＡｌＧａＮよりなっており、ｐ型コンタクト層１４はたとえばｐ型ＧａＮよりなっている。

なお、本実施の形態の面発光半導体レーザは、上記以外の層をさらに備えていてもよい。たとえばバッファ層２とｎ型クラッド層３との間にｎ型ＧａＮ層や、歪み抑制層としてのＩｎＧａＮ層などが形成されていてもよい。また、キャップ層１６とｐ型クラッド層１５との間にブロック層としてのｐ型ＡｌＧａＮ層や、ｐ型ガイド層としてのｐ型ＧａＮ層などが形成されていてもよい。

次に、本実施の形態における面発光半導体レーザの発光方法について説明する。ｐ型電極３１に正電圧を印加すると、ｐ型クラッド層１５から発光層１７へ正孔が注入され、ｎ型クラッド層３から発光層１７へ電子が注入される。発光層１７へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、発光層１７が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。

発光層１７において発生された光は、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層１５によって発光層１７内に閉じ込められるが、一部の光はエバネッセント光としてフォトニック結晶層であるｎ型ＧａＮ層４に到達する。ｎ型ＧａＮ層４に到達したエバネッセント光の波長と、ｎ型ＧａＮ層４が有する所定の周期構造とが一致する場合には、その周期に対応する波長において光は回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。ｎ型ＧａＮ層４によって位相が規定された光は、発光層１７内の光にフィードバックされ、やはり定在波を発生させる。この定在波は、ｎ型ＧａＮ層４において規定される光の波長および位相条件を満足している。

このような現象は、発光層１７およびｎ型ＧａＮ層４が２次元的に広がりをもって形成されているので、ｐ型電極３１を中心にした領域およびその付近において生じうる。十分な量の光がこの状態に蓄積された場合、波長および位相条件の揃った光が、基板１の主面１ａに垂直な方向（図１中上方向）から誘導放出される。

次に、本実施の形態における面発光半導体レーザの製造方法について、図３〜図９を用いて説明する。なお、図４は図３の平面図であり、図７は図６の平面図である。

図３および図４を参照して、始めに、たとえばＧａＮなどよりなる基板１（第１基板）を準備する。ＧａＮよりなる基板１は、たとえばＧａＡｓ基板上にＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ層を形成し、その後ＧａＡｓ基板からＧａＮ層を切り出すことにより得られる。

続いて、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal-organic chemical vapor deposition）法を用いて、バッファ層２、ｎ型クラッド層３、およびｎ型ＧａＮ層４の各々により構成される窒化物半導体層（第１窒化物半導体層）をこの順序で基板１の主面１ａ上にエピタキシャル成長させる。その後、ｎ型ＧａＮ層４の表面に複数の孔６（図４)の各々を開口する。複数の孔６の各々はたとえば正方格子を構成するように形成される。

ここで、特にＧａＮよりなる基板１の中には、エピタキシャル横成長法（Epitaxial lateral over Growth）で作製されたものがある。このような基板１は、ＧａＮとは別の材質よりなる下地基板の上に所定形状のマスク（たとえばＳｉＯｘよりなるマスク）を配置し、マスクの形成されていない下地基板上にＧａＮ層を気相成長法により形成し、ＧａＮ層を薄板状にスライスして研磨することによって作製される。基板１の作製時には、マスクを配置する位置によって基板１の任意の位置に転位を集中させることができる。基板１の作製後、基板１の上に層を形成すると、その層には、基板１の転位集中領域の真上にある部分に窪みが生じ、その周辺にピットが生成する。つまり、下地基板上に形成するマスクを配置する位置によってピットの生成位置を制御することができる。図３においてはｎ型ＧａＮ層４の表面にピット５が生じている。特に図４に示すように、ピット５はたとえば格子点に相当する位置に等間隔で生成し、その高さはたとえば数１０ｎｍである。

図５を参照して、次に、基板１とは別に、たとえばサファイアよりなる基板１１(第２基板、基板）を準備する。そして、たとえばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用いて、バッファ層１２、リフトオフ層１３をこの順序で基板１１の主面１１ａ上にエピタキシャル成長させる。続いてｐ型コンタクト層１４、ｐ型クラッド層１５、キャップ層１６、発光層１７、およびｎ型ＧａＮ層１８の各々により構成される窒化物半導体層（第２窒化物半導体層）をリフトオフ層１３上にこの順序でエピタキシャル成長させる。バッファ層１２は、基板１１と上層に形成される層との格子定数の差を緩和するために形成される。また、リフトオフ層１３は、たとえばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、またはＧａＭｎＮなどの物質の結晶または結晶を含む混晶よりなっている。これらの物質は、窒化物半導体層との格子定数が近いため、窒化物半導体層に欠陥が生じたり、窒化物半導体層の内部応力が生じたりすることを抑止することができる。

図６および図７を参照して、次に、ｎ型ＧａＮ層１８、発光層１７、キャップ層１６、ｐ型クラッド層１５、およびｐ型コンタクト層１４の各々にリフトオフ層１３に達する溝２０（導入部、凹部）を形成する。溝２０は、特に図７に示すように、たとえば平面的に見てマトリクス状に形成され、ｎ型ＧａＮ層１８などの端面Ｓに達するように形成される。なお、溝２０は、後述するようように、ピット５を収納できるようにその位置が規定されている。溝２０はたとえば１００μｍ程度の幅を有している。溝２０は、たとえばダイシング、ドライエッチング、またはレーザ照射などの方法を用いて形成されることが好ましい。これにより、短時間で容易に導入部を形成することができる。

図８を参照して、次に、基板１の主面１ａと基板１１の主面１１ａとが互いに対向した状態でｎ型ＧａＮ層４とｎ型ＧａＮ層１８とを貼り合わせる。ｎ型ＧａＮ層４とｎ型ＧａＮ層１８とを貼り合わせる際には、減圧状態の窒素プラズマ雰囲気に基板１および基板１１を曝した状態で、圧力を加えながらｎ型ＧａＮ層４とｎ型ＧａＮ層１８とを貼り合わせることが好ましい。これにより、窒素プラズマによってｎ型ＧａＮ層４およびｎ型ＧａＮ層１８が活性化する。また、ｎ型ＧａＮ層４とｎ型ＧａＮ層１８とを貼り合わせる際には、８０℃以上ｎ型ＧａＮ層が溶融する温度未満の温度にｎ型ＧａＮ層４およびｎ型ＧａＮ層１８を加熱した状態で貼り合わせてもよい。これにより、ｎ型ＧａＮ層４およびｎ型ＧａＮ層の拡散が促進されるので、ｎ型ＧａＮ層４とｎ型ＧａＮ層１８とを接合し易くなる。さらに、これら２つの貼り合わせ方法を組合わせてもよい。

ここで、基板１の主面１ａと基板１１の主面１１ａとを対向させた場合にピット５と対向する位置に溝２０のマトリクス形状の格子点が来るように（図２参照）、溝２０は形成されている。これにより、ｎ型ＧａＮ層４とｎ型ＧａＮ層１８とを貼り合わせた状態で、ピット５が溝２０に収納されるようになり、ｎ型ＧａＮ層４とｎ型ＧａＮ層１８とを隙間なく貼り合わせることができる。

図９を参照して、次に、リフトオフ層１３をウエットエッチングする。これにより、基板１１およびバッファ層１２と、ｐ型コンタクト層１４とが分離される。リフトオフ層１３のウエットエッチングは、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、重クロム酸、水酸化カリウム、または水酸化ナトリウムなどのエッチング液を用いて、エッチング液に電界を印加しながら行なわれる。

ここで、ウエットエッチングに用いられるエッチング液は、図中矢印で示すように、窒化物半導体層の端面Ｓから溝２０を介してリフトオフ層１３に到達し、リフトオフ層１３をエッチングする。溝２０を形成することによってリフトオフ層１３の主表面に直接エッチング液を導入するができ、リフトオフ層のエッチングに要する時間を短縮することができる。

図１および図２を参照して、その後、島状のｐ型コンタクト層１４の各々にｐ型電極３１を形成し、基板１の主面１ｂにｎ型電極３２を形成する。以上の工程により、本実施の形態の面発光半導体レーザが完成する。

本実施の形態の面発光半導体レーザの製造方法は、基板１１上にリフトオフ層１３を形成する工程と、リフトオフ層１３上に発光層１７を含む窒化物半導体層を形成する工程と、リフトオフ層１３をウエットエッチングすることにより、基板１１と窒化物半導体層とを分離する分離工程とを備えている。

また、本実施の形態の半導体レーザの製造方法は、基板１の主面１ａ上に第１窒化物半導体層を形成する工程と、基板１１の主面１１ａ上にリフトオフ層１３を形成する工程と、リフトオフ層１３上に発光層１７を含む第２窒化物半導体層を形成する工程と、基板１の主面１ａと基板１１の主面１１ａとが互いに対向した状態で第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とを貼り合わせる貼合わせ工程と、リフトオフ層１３をウエットエッチングすることにより、基板１１と第２窒化物半導体層とを分離する分離工程とを備えている。

本実施の形態の半導体レーザの製造方法によれば、窒化物半導体層に熱によるダメージを与えることなく基板１１と窒化物半導体層（第２窒化物半導体層）とを分離することができる。これにより、デバイス特性の悪化を防ぐことができる。また、溶融させずに基板１１と窒化物半導体層（第２窒化物半導体層）とを分離することができるので、分離後の窒化物半導体層（第２窒化物半導体層）の表面に凹凸を生じさせない。さらに、基板１１を研磨する必要がないので短時間で窒化物半導体層を得ることができる。したがって、デバイス特性を悪化させずに短時間で窒化物半導体層を得ることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１においては、本発明の半導体発光素子が面発光半導体レーザである場合について示した。しかし、本発明の半導体発光素子は面発光半導体レーザである場合の他、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）であってもよい。本実施の形態では、本発明の半導体発光素子がＬＥＤである場合について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態２における半導体発光素子の構造を示す断面図である。図１１は、図１０の平面図である。図１０および図１１を参照して、本実施の形態の半導体発光素子としてのＬＥＤは、基板１０１と、バッファ層１０２と、ｎ型ＧａＮ層１０３および１１６と、発光層１１５と、ｐ型コンタクト層１１４と、ｐ型電極１３１と、ｎ型電極１３２とを備えている。

基板１の主面１０１ａ上にバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮ層１０３、ｎ型ＧａＮ層１１６、発光層１１５、およびｐ型コンタクト層１１４がこの順序で積層して形成されている。ｐ型コンタクト層１１４、発光層１１５、およびｎ型ＧａＮ層１１６の各々には、ｎ型ＧａＮ層１０３に達する溝１２０(凹部）が形成されている。溝１２０は、特に図１１に示すように、平面的に見てマトリクス状に形成されている。つまり、ｐ型コンタクト層１１４、発光層１１５、およびｎ型ＧａＮ層１１６の各々は、溝１２０によって島状に分離されている。また、溝１２０によって露出されたｎ型ＧａＮ層１０３の表面には、ピット１０５（凸部）が形成されている。ピット１０５は、溝１２０の各格子点に相当する位置に形成されており、溝１２０に収納されている。ピット１０５はたとえば六角錐の形状を有している。

溝１２０によって分離された島状のｐ型コンタクト層１１４の各々に接触するように、ｐ型電極１３１の各々が形成されている。ｐ型電極１３１はたとえば矩形の平面形状で形成されている。また、主面１０１ａとは反対側の基板１０１の主面１０１ｂに接触するようにｎ型電極１３２が形成されている。ｎ型電極１３２はたとえば主面１０１ｂの全面を覆うように形成されている。

基板１０１はたとえばＧａＮよりなっており、バッファ層１０２はたとえばＬＴ−ＧａＮよりなっており、発光層１１５はたとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸よりなっており、ｐ型コンタクト層１１４はたとえばｐ型ＧａＮよりなっている。

なお、本実施の形態のＬＥＤは、上記以外の層をさらに備えていてもよい。たとえば発光層１１５とｐ型コンタクト層１１４との間にキャップ層としてのアンドープＧａＮ層や、ブロック層としてのｐ型ＡｌＧａＮ層などが形成されていてもよい。

次に、本実施の形態におけるＬＥＤの発光方法について説明する。ｐ型電極３１に正電圧を印加すると、発光層１１５へ正孔および電子（キャリア）が注入され、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、発光層１１５が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。

次に、本実施の形態におけるＬＥＤの製造方法について、図１２〜図１５を用いて説明する。

図１２を参照して、始めに、たとえばＧａＮなどよりなる基板１０１（第１基板）を準備する。そして、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて、バッファ層１０２およびｎ型ＧａＮ層１０３の各々により構成される窒化物半導体層（第１窒化物半導体層）をこの順序で基板１０１の主面１０１ａ上にエピタキシャル成長させる。その結果、ｎ型ＧａＮ層１０３の表面にピット１０５が生じる。ピット１０５は、たとえば格子点に相当する位置に等間隔で生成する。

図１３を参照して、次に、基板１０１とは別に、たとえばサファイアよりなる基板１１１(第２基板、基板）を準備する。そして、たとえばＭＢＥ法を用いて、バッファ層１１２、リフトオフ層１１３をこの順序で基板１１１の主面１１１ａ上にエピタキシャル成長させる。続いてｐ型コンタクト層１１４、発光層１１５、およびｎ型ＧａＮ層１１６の各々により構成される窒化物半導体層（第２窒化物半導体層）をリフトオフ層１１３上にこの順序でエピタキシャル成長させる。

図１４を参照して、次に、ｎ型ＧａＮ層１１６、発光層１１５、およびｐ型コンタクト層１１４の各々にリフトオフ層１１３に達する溝１２０（導入部、凹部）を形成する。溝１２０は、たとえば平面的に見てマトリクス状に形成され、ｎ型ＧａＮ層１１６などの端面に達するように形成される。溝１２０は、ピット５を収納できるようにその位置が規定されている。

図１５を参照して、次に、基板１０１の主面１０１ａと基板１１１の主面１１１ａとが互いに対向した状態でｎ型ＧａＮ層１０３とｎ型ＧａＮ層１１６とを貼り合わせる。ｎ型ＧａＮ層１０３とｎ型ＧａＮ層１１６とを貼り合わせた状態で、ピット１０５が溝１２０に収納される。続いて、リフトオフ層１１３をウエットエッチングし、基板１１１およびバッファ層１１２と、ｐ型コンタクト層１１４とが分離される。

図１０および図１１を参照して、その後、島状のｐ型コンタクト層１１４の各々にｐ型電極１３１を形成し、基板１０１の主面１０１ｂにｎ型電極１３２を形成する。以上の工程により、本実施の形態のＬＥＤが完成する。

本実施の形態におけるＬＥＤの製造方法によれば、実施の形態１の面発光半導体レーザの製造方法と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
実施の形態１および２では、窒化物半導体層にストライプ状の溝２０を形成する場合について示した。しかし、本発明はこのような形状の溝２０を形成する場合に限られるものではなく、少なくとも外部からリフトオフ層へエッチング液を導入可能にするための部分であるか、または凸部を収納できる大きさの凹部が形成されればよい。

図１６は、本発明の実施の形態３における半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。図１７は、図１６の平面図である。図１６および図１７を参照して、本実施の形態におけるＬＥＤの製造方法では、図１２および図１３に示される実施の形態２の製造工程と同様の製造工程を経た後で、ｎ型ＧａＮ層１１６、発光層１１５、ｐ型コンタクト層１１４、リフトオフ層１１３、バッファ層１１２、および基板１１１を貫通するように複数の孔１２１を形成する。複数の孔１２１の各々は、平面的に見てピット５に対応する位置に形成される。その後、図１５に示される実施の形態２の製造工程と同様の製造工程を経て、本実施の形態のＬＥＤが完成する。

本実施の形態におけるＬＥＤの製造方法によれば、実施の形態１の面発光半導体レーザの製造方法と同様の効果を得ることができる。加えて、リフトオフ層１１３をエッチングする際に、基板１１１の主面１１１ｂから孔１２１を介してリフトオフ層１１３へエッチング液を導入することが可能である。また、孔１２１の孔径に応じてエッチング液の流量を制御することができる。

なお、本実施の形態の製造方法をたとえば実施の形態１の製造方法に適宜組み合わせることも可能である。また、導入部を形成する方法としては、窒化物半導体層に溝や孔を形成する場合の他、第２基板上における導入部となる位置にたとえばＳｉＯ₂やＳｉＮ_xなどよりなるマスク層を形成し、第２基板上におけるマスク層のない部分にのみ窒化物半導体層を選択成長させる方法も挙げられる。

本実施例では、実施の形態１と同様の製造方法を用いて半導体レーザを製造した。具体的には以下の方法により半導体レーザを製造した。

直径２インチのＧａＡｓ（１１１）基板を準備した。このＧａＡｓ基板上にＳｉＯ₂膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によりＳｉＯ₂膜に２５０μｍピッチで開口径１０μｍの開口部を形成した。これにより、ＳｉＯ₂よりなるマスク層を形成した。次に、ＭＯＶＰＥ法を用いてＧａＡｓ基板上にＧａＮ層を３ｍｍの厚さで形成し、その後スライサーを用いてＧａＮ層を５００μｍの厚さで切り出し、ＧａＮ層の表面を研磨して鏡面とした。このようにしてＧａＮ（０００１）基板を準備した。次に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ＬＴ−ＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＩｎＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層、およびｎ型ＧａＮ層の各々をこの順序でＧａＮ基板上に形成した。その結果、ｎ型ＧａＮ層の表面には、２５０μｍピッチで深さ２００ｎｍの窪みと、その周囲に高さ５０ｎｍのピットとが形成されていた。次に、１６０ｎｍピッチで開口径９０ｎｍのレジストを用いて、ｎ型ＧａＮ層の表面に１２０ｎｍの深さを有する複数の孔を形成した。

一方、ＧａＮ基板とは別に直径２インチのサファイア基板を準備した。次に、ＭＢＥ法を用いて、ＬＴ−ＧａＮ層、ＧａＭｎＮ層、ｐ型ＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、アンドープＧａＮ層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層、およびｎ型ＧａＮ層の各々をこの順序でサファイア基板上に形成した。そして、２５０μｍピッチで幅３０μｍのストライプ状の開口部を有するレジストマスクを形成してドライエッチングすることにより、ｎ型ＧａＮ層表面からＧａＭｎＮ層にまで達する深さの溝を形成した。

次に、ＧａＮ基板上におけるピットと、サファイア基板上におけるストライプ状の溝の格子点とが対向するように、ＧａＮ基板上のｎ型ＧａＮ層とサファイア基板上のｎ型ＧａＮ層とを重ね合わせた状態で、ＧａＮ基板およびサファイア基板を真空炉へ導入した。そして、真空炉中を窒素雰囲気にし、プラズマを発生させながら６００℃の温度に加熱し、１ｋｇｆ／ｃｍ²（９．８×１０⁴Ｐａ）の圧力を加えて３０分保持した。これにより、ｎ型ＧａＮ層同士を貼り合わせた。貼り合わされているのを確認した後、電界を印加しながら硫酸溶液にＧａＮ基板およびサファイア基板を浸漬した。その結果、ＧａＭｎＮ層が溶解し、サファイア基板が剥離した。その後、ＧａＮ基板およびｐ型ＧａＮ層にそれぞれ電極を形成し、面発光半導体レーザを得た。

こうして得られた面発光半導体レーザに通電したところ、面発光が確認された。

本実施例では、実施の形態２と同様の製造方法を用いてＬＥＤを製造した。具体的には以下の方法によりＬＥＤを製造した。

直径２インチのＧａＡｓ（１１１）基板を準備した。このＧａＡｓ基板上にＳｉＮ_x膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によりＳｉＮ_x膜に４００μｍピッチで開口径６０μｍの開口部を形成した。これにより、ＳｉＮ_xよりなるマスク層を形成した。次に、ＭＯＶＰＥ法を用いてＧａＡｓ基板上にＧａＮ層を３ｍｍの厚さで形成し、その後スライサーを用いてＧａＮ層を３００μｍの厚さで切り出し、ＧａＮ層の表面を研磨して鏡面とした。このようにしてＧａＮ（０００１）基板を準備した。次に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ＬＴ−ＧａＮ層およびｎ型ＧａＮ層の各々をこの順序でＧａＮ基板上に形成した。その結果、ｎ型ＧａＮ層の表面には、４００μｍピッチで深さ３００ｎｍの窪みと、その周囲に高さ５０ｎｍのピットとが形成されていた。

一方、ＧａＮ基板とは別に直径２インチのサファイア基板を準備した。次に、ＭＢＥ法を用いて、ＬＴ−ＧａＮ層、ＧａＭｎＮ層を形成した。さらに、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型ＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、アンドープＧａＮ層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層、およびｎ型ＧａＮ層の各々をこの順序でＧａＭｎＮ層上に形成した。そして、ダイヤモンドブレードを用いて、４００μｍピッチで幅５０μｍのストライプ状の溝をＧａＭｎＮ層にまで達する深さで形成した。

次に、ＧａＮ基板上におけるピットと、サファイア基板上におけるストライプ状の溝の格子点とが対向するように、ＧａＮ基板上のｎ型ＧａＮ層とサファイア基板上のｎ型ＧａＮ層とを重ね合わせた状態で、ＧａＮ基板およびサファイア基板を真空炉へ導入した。そして、真空炉中を窒素雰囲気にし、プラズマを発生させながら４００℃の温度に加熱し、１ｋｇｆ／ｃｍ²（９．８×１０⁴Ｐａ）の圧力を加えて３０分保持した。これにより、ｎ型ＧａＮ層同士を貼り合わせた。貼り合わされているのを確認した後、電界を印加しながら硫酸溶液にＧａＮ基板およびサファイア基板を浸漬した。その結果、ＧａＭｎＮ層が溶解し、サファイア基板が剥離した。その後、ＧａＮ基板およびｐ型ＧａＮ層にそれぞれ電極を形成し、ＬＥＤを得た。

こうして得られたＬＥＤを、ダイヤモンドブレードを用いて溝で分割してチップ形状にし、通電したところ、発光が確認された。

本実施例では、実施の形態３と同様の製造方法を用いてＬＥＤを製造した。具体的には以下の方法によりＬＥＤを製造した。

直径２インチのＧａＡｓ（１１１）基板を準備した。このＧａＡｓ基板上にＳｉＯ_x膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によりＳｉＯ_x膜に４００μｍピッチで開口径６０μｍの開口部を形成した。これにより、ＳｉＯ_xよりなるマスク層を形成した。次に、ＭＯＶＰＥ法を用いてＧａＡｓ基板上にＧａＮ層を３ｍｍの厚さで形成し、その後スライサーを用いてＧａＮ層を４００μｍの厚さで切り出し、ＧａＮ層の表面を研磨して鏡面とした。このようにしてＧａＮ（０００１）基板を準備した。次に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ＬＴ−ＧａＮ層およびｎ型ＧａＮ層の各々をこの順序でＧａＮ基板上に形成した。その結果、ｎ型ＧａＮ層の表面には、４００μｍピッチで深さ３００ｎｍの窪みと、その周囲に高さ５０ｎｍのピットとが形成されていた。

一方、ＧａＮ基板とは別に直径２インチのサファイア基板を準備した。次に、ＭＢＥ法を用いて、ＬＴ−ＧａＮ層、ＧａＭｎＮ層を形成した。さらに、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型ＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、アンドープＧａＮ層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層、およびｎ型ＧａＮ層の各々をこの順序でＧａＭｎＮ層上に形成した。そして、エキシマレーザを用いて、ｎ型ＧａＮ層からサファイア基板まで貫通する複数の孔を４００μｍピッチで形成した。

次に、ＧａＮ基板上におけるピットと、サファイア基板における孔とが対向するように、ＧａＮ基板上のｎ型ＧａＮ層とサファイア基板上のｎ型ＧａＮ層とを重ね合わせた状態で、ＧａＮ基板およびサファイア基板を真空炉へ導入した。そして、真空炉中を窒素雰囲気にし、プラズマを発生させながら７００℃の温度に加熱し、３ｋｇｆ／ｃｍ²（２９．４×１０⁴Ｐａ）の圧力を加えて６０分保持した。これにより、ｎ型ＧａＮ層同士を貼り合わせた。貼り合わされているのを確認した後、電界を印加しながら硫酸溶液にＧａＮ基板およびサファイア基板を浸漬した。その結果、ＧａＭｎＮ層が溶解し、サファイア基板が剥離した。その後、ＧａＮ基板およびｐ型ＧａＮ層にそれぞれ電極を形成し、ＬＥＤを得た。

こうして得られたＬＥＤを、スクライブ装置とブレーカ装置とを用いてチップ形状に分割し、通電したところ、発光が確認された。

以上に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慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、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でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明は、ＧａＮを含む窒化物半導体層を備えた半導体発光素子の製造方法に適している。

本発明の実施の形態１における半導体発光素子の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の構造を示す平面図である。 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造方法の第１工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造方法の第１工程を示す平面図である。 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造方法の第２工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造方法の第３工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造方法の第３工程を示す平面図である。 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造方法の第４工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造方法の第５工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体発光素子の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体発光素子の構造を示す平面図である。 本発明の実施の形態２における半導体発光素子の製造方法の第１工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体発光素子の製造方法の第２工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体発光素子の製造方法の第３工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体発光素子の製造方法の第４工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体発光素子の製造方法を示す平面図である。

符号の説明

１，１１，１０１，１１１ 基板、１ａ，１ｂ，１１ａ，１０１ａ，１０１ｂ，１１１ａ，１１１ｂ 基板の主面、２，１２，１０２，１１２ バッファ層、３ ｎ型クラッド層、４，１８，１０３，１１６ ｎ型ＧａＮ層、５，１０５ ピット、６，１２１ 孔、１３，１１３ リフトオフ層、１４，１１４ ｐ型コンタクト層、１５ ｐ型クラッド層、１６ キャップ層、１７，１１５ 発光層、２０，１２０ 溝、３１，１３１ ｐ型電極、３２，１３２ ｎ型電極。

Claims (12)

1. 基板上にリフトオフ層を形成する工程と、
   前記リフトオフ層上に発光層を含む窒化物半導体層を形成する工程と、
   前記リフトオフ層をウエットエッチングすることにより、前記基板と前記窒化物半導体層とを分離する分離工程とを備える、半導体発光素子の製造方法。
2. 前記分離工程の前に、前記ウエットエッチングに用いられるエッチング液を前記リフトオフ層に到達させるための導入部を形成する導入部工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記導入部は前記窒化物半導体層の端面に達するように形成された溝であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記導入部は前記窒化物半導体層および前記基板を貫通するよう形成された孔であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 前記導入部工程において、ダイシング、ドライエッチング、またはレーザ照射のいずれかの方法を用いて前記窒化物半導体層に前記導入部を形成することを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記分離工程において、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、重クロム酸、水酸化カリウム、および水酸化ナトリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種を含むエッチング液に電界を印加しながら前記リフトオフ層をエッチングすることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
7. 前記リフトオフ層はＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、およびＧａＭｎＮからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む結晶または結晶を含む混晶よりなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 第１基板の主面上に第１窒化物半導体層を形成する工程と、
   第２基板の主面上にリフトオフ層を形成する工程と、
   前記リフトオフ層上に発光層を含む第２窒化物半導体層を形成する工程と、
   前記第１基板の前記主面と前記第２基板の前記主面とが互いに対向した状態で前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層とを貼り合わせる貼合わせ工程と、
   前記リフトオフ層をウエットエッチングすることにより、前記第２基板と前記第２窒化物半導体層とを分離する分離工程とを備える、半導体発光素子の製造方法。
9. 前記第１窒化物半導体層を形成する工程において前記第１窒化物半導体層の表面に凸部が形成され、
   前記凸部に対応する第２窒化物半導体層の表面に、前記凸部を収納できる大きさの凹部を形成する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項８に記載の半導体発光素子の製造方法。
10. 前記分離工程において、前記ウエットエッチングに用いられるエッチング液を前記凹部を介してリフトオフ層に到達させることを特徴とする、請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
11. 前記貼合わせ工程は、減圧状態の窒素プラズマ雰囲気に前記第１基板および前記第２基板を曝した状態で、圧力を加えながら前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層とを貼り合わせる工程を含むことを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
12. 前記貼合わせ工程は、８０℃以上前記第１窒化物半導体層および前記第２窒化物半導体層が溶融する温度未満の温度に前記第１窒化物半導体層および前記第２窒化物半導体層を加熱した状態で行なわれることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。

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