JP2015153826A - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】バンドギャップエネルギーを高めつつ、厚膜化しても従来よりもクラックの発現を抑制することのできるｎ型窒化物半導体層を有する半導体発光素子及びその製造方法を実現する。【解決手段】 成長基板上にＧａＮ層を形成する工程（ａ）、ＧａＮ層の上層にＩｎを含む窒化物半導体の第一層と、窒化物半導体で構成される第二層とを含む多層膜を形成する工程（ｂ）、多層膜上に窒化物半導体で構成される保護層を形成する工程（ｃ）、保護層上に工程（ｂ）及び工程（ｃ）よりも高い成長温度でｎ型窒化物半導体層を形成する工程（ｄ）、ｎ型窒化物半導体層上に活性層及びｐ型窒化物半導体層を形成する工程（ｅ）、及び多層膜を構成する窒化物半導体のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの波長を有する光を照射して成長基板を剥離する工程（ｆ）を有し、工程（ｄ）において多層膜を熱分解して内部にボイドを形成させる。【選択図】 図１
Description
本発明は窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
現在、半導体発光素子の発光波長の短波長化が進められている。下記特許文献１では、発光層にＡｌＧａＮを用いることで短波長の光を放出できる半導体発光素子の技術が開示されている。
S.R.Lee, et.al, "In situ measurements of the critical thickness for strain relaxation in AlGaN / GaN heterostructures", December 2004, Applied Physics Letters, Vol. 85, No. 25, 20
ＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物半導体は、ウルツ鉱型結晶構造（六方晶構造）を有している。ウルツ鉱型結晶構造の面は、４指数表記（六方晶指数）にて、ａ１、ａ２、ａ３及びｃで示される基本ベクトルを用いて結晶面や方位が表される。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面は「ｃ面」又は「（０００１）面」と呼ばれる。
従来、窒化物半導体を用いて半導体発光素子を作製する場合、窒化物半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板を主面に有する基板が使用される。実際にはこの基板上にアンドープのＧａＮ層を成長させ、更にその上層にｎ型の窒化物半導体層を成長させる。
図９は、従来の半導体発光素子９０の構造を示す概略断面図である。なお、以下の図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。
半導体発光素子９０は、サファイア基板で構成される成長基板６１の上層に、例えば３μｍの膜厚で形成したアンドープのＧａＮ層３６と、ＧａＮ層３６の上層に、例えばｎ型ＡｌＧａＮ層を１μｍ未満の所定の膜厚で形成したｎ型窒化物半導体層９５を有する。また、半導体発光素子９０は、ｎ型窒化物半導体層９５の上層に、ＩｎＧａＮからなる発光層とＡｌＧａＮからなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-quantum Well）を示す活性層３３を有する。
更に、半導体発光素子９０は、活性層３３の上層に、例えばｐ型ＡｌＧａＮ層を１５０ｎｍの膜厚で形成したｐ型窒化物半導体層３１を有する。そして、ｐ型窒化物半導体層３１の上層には、必要に応じてｐ型不純物濃度がｐ型窒化物半導体層３１よりも高濃度のＧａＮ層で形成されたｐ型コンタクト層が形成される。
ところで、活性層３３から放出される光の取り出し効率を高めるためには、光取り出し面が形成される活性層３３の上層として、放出される光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する構成にする必要がある。図９に示す半導体発光素子９０において、活性層３３を挟んで鉛直方向に対向する位置にｎ側電極とｐ側電極を配置する場合、ｐ型半導体層３１の上層にｐ側電極となる電極層を形成し、更にその上層に基板を貼り合わせた後、ＧａＮ層３６及び成長基板６１を剥離し、ｎ型窒化物半導体層９５を上側に、基板を下側に配置する。そして、ｎ型窒化物半導体層９５の上層にｎ側電極を形成する。このとき、ｎ側電極が配置される側が光取り出し面となり、活性層３３から放出された光はｎ型窒化物半導体層９５内を通過して半導体発光素子９０の外部に取り出される。
ここで、半導体発光素子９０の光取り出し効率を高める観点からは、活性層３３から放出された光はできる限りｎ型窒化物半導体層９５内で吸収されずに、当該ｎ型窒化物半導体層９５内を透過するのが好ましい。特に、活性層３３から近紫外の波長帯の光が放出される場合には、ｎ型窒化物半導体層９５をｎ型ＡｌＧａＮで構成すると共に、ＡｌＧａＮ中のＡｌ組成を高くしてバンドギャップエネルギーを大きくする方法が考えられる。
しかし、図９に示すように、ｎ型窒化物半導体層９５はＧａＮ層３６の上層にエピタキシャル成長によって形成される。ＡｌＧａＮの格子定数はＧａＮの格子定数よりも小さく、この格子定数差（ミスマッチ）はＡｌの組成を高めるほど大きくなる。この結果、ｎ型窒化物半導体層９５を高いＡｌ組成のＡｌＧａＮで構成した場合、ＧａＮ層３６からｎ型窒化物半導体層９５に対する引張応力８１が上昇する。この引張応力８１は、ｎ型窒化物半導体層９５の膜厚の増大と共に増大し、ある閾値を超えると表面荒れやクラック、結晶欠陥に伴うミスフィット転位が生じて発光効率の低下を招く。
このような理由により、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、形成するＡｌＧａＮ層の膜厚によって制限される。例えば、上記非特許文献１にはＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と臨界膜厚の関係が記載されているが、１μｍ以上のデータは開示されておらず、ＡｌＧａＮ層の臨界膜厚が数ｎｍ〜数百ｎｍの範囲内に留まっていることが示されている。また、本発明者も、経験上Ａｌの組成を５％として従来の方法でＡｌＧａＮ層を形成した場合、膜厚を２μｍとするとほぼ１００％に近い確率でＡｌＧａＮ層内にクラックが生じることを確認している。
一方、ｎ型窒化物半導体層９５の膜厚を薄くし過ぎた場合、ｐ側電極とｎ側電極の間に電圧を印加すると、活性層３３内において、両電極が鉛直方向に対向する箇所に電流が集中的に流れてしまい、発光領域が少なくなって結果的に発光効率の低下を招く。更に、活性層３３の一部に電流が流れるために局所的な電流集中が起こり、活性層３３内でのキャリアの不均一性が生じて高い発光強度を得ることができない。上記特許文献１においても、ｎ型窒化物半導体層９５としてｎ型ＡｌＧａＮ層を膜厚０．２μｍで形成しており、ｎ型窒化物半導体層９５内で基板面に平行な方向に電流を十分に拡げることができない。
本発明は上記の課題に鑑み、バンドギャップエネルギーを高めつつ、厚膜化しても従来よりもクラックの発現を抑制することのできるｎ型窒化物半導体層を有する半導体発光素子及びその製造方法を実現することを目的とする。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、
ＧａＮ基板又はサファイア基板で構成された成長基板上にＧａＮ層を形成する工程（ａ）、
前記ＧａＮ層の上層に、Ｉｎを含む窒化物半導体で構成される第一層と、前記第一層と異なる組成の窒化物半導体で構成される第二層とを含む多層膜を形成する工程（ｂ）、
前記多層膜上に、窒化物半導体で構成される保護層を形成する工程（ｃ）、
前記保護層上に、前記工程（ｂ）及び前記工程（ｃ）よりも高い成長温度でｎ型窒化物半導体層を形成する工程（ｄ）、
前記ｎ型窒化物半導体層上に、活性層及びｐ型窒化物半導体層を形成する工程（ｅ）、
及び、前記多層膜を構成する窒化物半導体のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの波長を有する光を照射して前記成長基板を剥離する工程（ｆ）を有し、
前記工程（ｄ）において、前記多層膜を熱分解して内部にボイドを形成させることを特徴とする。
ＧａＮ基板又はサファイア基板で構成された成長基板上にＧａＮ層を形成する工程（ａ）、
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前記工程（ｄ）において、前記多層膜を熱分解して内部にボイドを形成させることを特徴とする。
上記方法によれば、多層膜の上層に窒化物半導体で構成される保護層を形成した後、温度を上昇させてｎ型窒化物半導体層を形成している。ＩｎはＡｌやＧａと比べて熱力学的に低い温度でしか結晶内に取り込まれないため、工程（ｄ）の実行時に温度が高められる結果、Ｉｎを含む第一層が結晶として耐えられずに熱分解を起こし、Ｉｎ等の金属が析出する。この結果、窒化物半導体の結晶構造から金属構造へと状態を変化したことで体積が収縮し、その内部にボイドが形成される。
ｎ型窒化物半導体層の形成過程において上記のボイドが生成されると、ＧａＮ層とｎ型窒化物半導体層との間の格子ミスマッチに起因する応力を当該ボイドに逃がすことができる。これにより、クラックフリーでｎ型窒化物半導体層を形成できる膜厚（臨界膜厚）を、従来よりも厚くできる。
工程（ｃ）において、工程（ｄ）よりも低温で多層膜の上層に保護層を形成している。この結果、保護層が形成された段階では、まだＩｎを含む第一層の熱分解が発現しておらず良好な結晶性が維持されている。このため、工程（ｄ）において高い温度条件下でｎ型窒化物半導体層を形成する際、Ｉｎを含む第一層の熱分解が生じて結晶性が破壊されても、保護層の良好な結晶性を引き継いだ状態でｎ型窒化物半導体層を成長させることができるので、結晶性の良いｎ型窒化物半導体層が形成できる。
工程（ｂ）において、単にＩｎを含む窒化物半導体で構成される層（第一層）のみを形成するのではなく、上記第一層と、第一層と異なる組成の窒化物半導体で構成される第二層との多層膜を形成している。Ｉｎを含む窒化物半導体層で構成される第一層を単独で厚膜化して形成した場合、この第一層と工程（ａ）において形成されるＧａＮ層の格子ミスマッチに起因して第一層内にミスフィット転位が発現する。この転位はエピタキシャル成長の過程で上の層へと引き継がれてしまうため、ｎ型窒化物半導体層において良好な結晶性を実現することができなくなる。
一方で、Ｉｎを含む第一層の膜厚が極めて薄い場合には、工程（ｄ）において形成されるボイドの体積が極めて小さくなるため、ｎ型窒化物半導体層に生じる応力を十分に吸収することができない可能性がある。また、工程（ｆ）において光を照射させてもＩｎを含む層が少ないことで当該層において光が十分に吸収されない結果、成長基板を剥離できない可能性もある。そこで、工程（ｂ）で形成する膜を、Ｉｎを含む第一層とこの第一層とは異なる組成の第二層の多層膜とし、例えば第一層を複数回形成することによって、転位密度を低く抑えながらも第一層の総膜厚を確保することが可能である。これにより、クラックフリーでｎ型窒化物半導体層を厚膜にて形成することができる。
なお、上記方法によれば、工程（ｄ）において多層膜が熱分解されることで、多層膜が形成されていた箇所にＩｎ等の金属が析出する可能性がある。このように金属が析出した層を有する状態では、活性層からの光が当該金属によって吸収されてしまい、光の取り出し効率は極めて低下してしまう。そこで、工程（ｆ）において、多層膜を構成する窒化物半導体のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの波長を有する光を用いて成長基板を剥離することで、ｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層の積層体から、成長基板と共に金属が析出した層を脱離させている。工程（ａ）−（ｆ）を経て形成される発光素子には、金属が析出した層を存在しなくできるため、前述のように光が金属によって吸収されるという問題は生じない。
工程（ｆ）の後、保護層の表面を王水等の酸で洗浄することで、表面に付着した前記金属を完全に除去する工程を実行しても構わない。
前記多層膜はＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．１≦ｘ≦０．２）／ＧａＮの多層膜で構成することができる。
Ｉｎ組成を１０％以上２０％以下としたＩｎＧａＮで多層膜の第一層を構成することで、第一層内に高い密度でミスフィット転位を生じさせることなく、ｎ型窒化物半導体層に生じる応力を吸収できる程度のボイドを内部に形成させることが可能となる。
前記ｎ型窒化物半導体層は、膜厚が２μｍ以上のｎ型ＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０≦ｎ≦１）を含んで構成することができる。
「発明が解決しようとする課題」の項で上述したように、ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を形成した場合、格子定数の違いによってＡｌＧａＮ層に引張応力が発生するため、クラックフリーでＡｌＧａＮ層を厚膜で形成することができないという課題があった。しかし、上記の方法によれば、多層膜が熱分解することで形成したボイドによって前記応力を吸収できるため、２μｍ以上という極めて厚膜のＡｌＧａＮ層であっても、クラックフリーで形成することが可能となる。この結果、近紫外光を放射する活性層を備えた半導体発光素子においても、ｎ型窒化物半導体層内において基板面に平行な方向に電流を拡げることができ、光の取り出し効率を向上させることが可能となる。
前記保護層は、前記ｎ型窒化物半導体層と同一の材料で構成されるものとしても構わない。
前記工程（ｂ）における成長温度をＴｂ、前記工程（ｃ）における成長温度をＴｃとすると、
Ｔｂ＜Ｔｃ＜Ｔｂ＋１５０ （℃）
を満たすものとしても構わない。
Ｔｂ＜Ｔｃ＜Ｔｂ＋１５０ （℃）
を満たすものとしても構わない。
上記温度条件で工程（ｃ）を実行することにより、工程（ｂ）で成膜した多層膜に対する熱分解を生じさせることなく、良好な結晶性を維持した状態で保護層を成膜することができる。
前記活性層の発光波長が３６２ｎｍ以上３８５ｎｍ以下であるものとしても構わない。
本発明の方法によれば、活性層の発光波長がこのような短波長帯であっても、その上層に形成されるｎ型窒化物半導体層をＡｌ比率の高いＡｌＧａＮで厚膜にて構成できるため、高い光取り出し効率を示す素子が製造できる。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、上記工程（ａ）〜（ｆ）に加えて、
前記工程（ｆ）の後、前記保護層をエッチングして前記ｎ型窒化物半導体層を露出させる工程（ｇ）と、
露出した前記ｎ型窒化物半導体層の上面にｎ側電極を形成する工程（ｈ）とを有するものとしても構わない。
前記工程（ｆ）の後、前記保護層をエッチングして前記ｎ型窒化物半導体層を露出させる工程（ｇ）と、
露出した前記ｎ型窒化物半導体層の上面にｎ側電極を形成する工程（ｈ）とを有するものとしても構わない。
上記方法によれば、保護層がアンドープの窒化物半導体で構成される場合であっても、電極とｎ型窒化物半導体層のオーミック接触を形成することができる。
ここで、工程（ｇ）において、保護層の全体をエッチングしても構わないし、少なくともｎ側電極を形成する領域に位置する保護層をエッチングしても構わない。
なお、保護層がｎ型の窒化物半導体で構成される場合（前記ｎ型窒化物半導体層と同一の材料で構成される場合を含む）には、保護層にドープされるｎ型不純物の濃度が高い場合には、当該保護層の表面に直接電極を形成することでオーミック接触が形成できる。また、不純物濃度が低い場合には、保護層がアンドープの窒化物半導体で構成される場合と同様に、上記工程（ｇ）及び（ｈ）を実行して電極を形成するものとしても構わない。
また、本発明は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間に活性層が挟持されてなる半導体発光素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層は、膜厚が２μｍより大きいＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０．０５≦ｎ≦０．０８）を含んで構成されることを特徴とする。
前記ｎ型窒化物半導体層は、膜厚が２μｍより大きいＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０．０５≦ｎ≦０．０８）を含んで構成されることを特徴とする。
更には、前記ｎ型窒化物半導体層が、膜厚が３μｍ以上のＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０．０５≦ｎ≦０．０７）を含んで構成されるものとしても構わない。
かかる構成によれば、ｎ型窒化物半導体層として厚膜のＡｌＧａＮで構成されるため、基板面に平行な方向への電流拡がりが確保され、光取り出し効率の高い発光素子が実現される。また、上記の方法によって製造することで、このような厚膜のＡｌＧａＮであってをクラックフリーで形成できるので、欠陥の存在に起因した発光効率の低下という従来の課題は大幅に抑制される。
本発明によれば、高いバンドギャップエネルギーを有する材料によってｎ型窒化物半導体層を構成した場合であっても、欠陥密度を低くしながら厚膜で形成できる。これにより、近紫外領域といった短波長帯の光であっても、高い取り出し効率を有する発光素子が実現できる。
まず、本発明の半導体発光素子の構造の一実施形態につき、図面を参照して説明した後、その製造方法につき詳細に説明する。
なお、以下の各図面において、図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。また、「ＡｌＧａＮ」という記述は、ＡｌｍＧａ１−ｍＮ（０＜ｍ＜１）という記述と同義であり、ＡｌとＧａの組成比の記述を単に省略して記載したものであって、ＡｌとＧａの組成比が１：１である場合に限定する趣旨ではない。「ＩｎＧａＮ」という記述についても同様である。
＜第一実施形態＞
以下、本発明の半導体発光素子の第一実施形態について説明する。
以下、本発明の半導体発光素子の第一実施形態について説明する。
［構造］
図１は、本発明の半導体発光素子の第一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。半導体発光素子１は、ｎ型窒化物半導体層３５とｐ型窒化物半導体層３１の間に活性層３３が挟持されて構成される。なお、図９に示す従来の半導体発光素子９０と同一の構成要素については同一の符号を付している。
図１は、本発明の半導体発光素子の第一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。半導体発光素子１は、ｎ型窒化物半導体層３５とｐ型窒化物半導体層３１の間に活性層３３が挟持されて構成される。なお、図９に示す従来の半導体発光素子９０と同一の構成要素については同一の符号を付している。
図１に示す形態の半導体発光素子１は、基板１１上に導電層２０が形成され、導電層２０の上層に半導体層３０が形成され、半導体層３０の上層にｎ側電極４２が形成されている。半導体層３０は、ｐ型窒化物半導体層３１、活性層３３、ｎ型窒化物半導体層３５、及び保護層６を有している。なお、本実施形態では、この保護層６はｎ型窒化物半導体層３５と同一の材料（すなわち、ｎ型窒化物半導体）で構成されているものとして説明する。製造方法の説明の際に後述されるが、保護層６とｎ型窒化物半導体層３５とは成長温度が異なる。
ｎ型窒化物半導体層３５は、図９に示す従来の半導体発光素子９０が備えるｎ型窒化物半導体層９５と異なり、膜厚が２μｍより大きいＡｌＧａＮ層によって形成されており、より好ましくは膜厚が３μｍ以上のＡｌＧａＮ層によって形成されている。後述する製造方法によれば、ｎ型窒化物半導体層３５を上記のように厚膜で形成してもクラックを有しない又はほとんど有しない高精度の半導体層として形成することができる。なお、本明細書において「クラックフリー」とは、半導体層内にクラックを完全に有しない場合はもちろんのこと、半導体層内にクラックをほとんど有しない状態（例えば１ｃｍ角の半導体層に含まれるクラックの数が１個以下の状態）も含むものとする。
以下、図１に示す窒化物半導体層１が備える各構成要素につき説明する。
（基板１１）
基板１１は、例えばＣｕＷ、Ｗ、Ｍｏなどの導電性基板、又はＳｉなどの半導体基板で構成される。
基板１１は、例えばＣｕＷ、Ｗ、Ｍｏなどの導電性基板、又はＳｉなどの半導体基板で構成される。
（導電層２０）
基板１１の上層には、多層構造からなる導電層２０が形成されている。この導電層２０は、本実施形態では、ハンダ拡散防止層１３、ハンダ層１５、ハンダ拡散防止層１７及び金属電極２５を含む。
基板１１の上層には、多層構造からなる導電層２０が形成されている。この導電層２０は、本実施形態では、ハンダ拡散防止層１３、ハンダ層１５、ハンダ拡散防止層１７及び金属電極２５を含む。
ハンダ層１５は、例えばＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎ、Ｓｎ等で構成される。このハンダ層１５は、基板１１と別の基板（後述する成長基板６１）とを貼り合わせる際、両者の密着性を確保するための層として機能している。
ハンダ拡散防止層１７は、例えばＰｔ系の金属（ＴｉとＰｔの合金）、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ等で構成される。後述するように、ハンダ層１５を介した貼り合わせの際、ハンダ層１５を構成する材料が金属電極２５側に拡散して、金属電極２５における反射率が落ちることによる発光効率の低下を防止する機能を果たしている。また、ハンダ拡散防止層１３についても、ハンダ層１５を構成する材料が基板１１側へと拡散するのを防止する目的で形成されており、例えばハンダ拡散防止層１７と同一の材料で構成される。なお、金属電極２５側へのハンダ層１５の材料の拡散を防止するという観点に立てば、ハンダ拡散防止層１３については備えない構成としても構わない。
金属電極２５は、例えばＡｇ（Ａｇ合金を含む）、Ａｌ、Ｒｈなどで構成される。半導体発光素子１は、半導体層３０の活性層３３から放出された光を図１の上方向（ｎ側電極４２側）に取り出すことを想定している。金属電極２５は、活性層３３から下向きに放出された光を上向きに反射させる反射電極としての役割を有し、発光効率を高める機能を果たしている。
導電層２０は、一部において半導体層３０と接触しており、基板１１とｎ側電極４２の間に電圧が印加されると、基板１１、導電層２０、半導体層３０及びｎ側電極４２を介する電流経路が形成される。
（絶縁層１９）
絶縁層１９は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｚｒ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３などで構成される。この絶縁層１９は、上面が半導体層３０、より詳細にはｐ型窒化物半導体層３１の底面と接触している。なお、この絶縁層１９は、後述するように素子分離時（後述するステップＳ１２）におけるエッチングストッパー層としての機能を有すると共に、基板１１の面に平行な方向に電流を拡げる機能も有する。
絶縁層１９は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｚｒ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３などで構成される。この絶縁層１９は、上面が半導体層３０、より詳細にはｐ型窒化物半導体層３１の底面と接触している。なお、この絶縁層１９は、後述するように素子分離時（後述するステップＳ１２）におけるエッチングストッパー層としての機能を有すると共に、基板１１の面に平行な方向に電流を拡げる機能も有する。
（半導体層３０）
上述したように、半導体層３０は、ｐ型窒化物半導体層３１、活性層３３、ｎ型窒化物半導体層３５、及び保護層６を含んで構成される。
上述したように、半導体層３０は、ｐ型窒化物半導体層３１、活性層３３、ｎ型窒化物半導体層３５、及び保護層６を含んで構成される。
ｐ型窒化物半導体層３１は、例えばＧａＮ又はＡｌＧａＮで構成され、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、又はＣなどのｐ型不純物がドープされている。
活性層３３は、例えばＩｎＧａＮからなる発光層とＡｌＧａＮからなる障壁層が繰り返されてなる構造を有する半導体層で形成される。これらの層はアンドープでもｐ型又はｎ型にドープされていても構わない。
ｎ型窒化物半導体層３５は、上述したように膜厚が２μｍより大きいｎ型ＡｌＧａＮ層によって構成され、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ、又はＴｅなどのｎ型不純物がドープされている。
本実施形態において、保護層６はｎ型窒化物半導体層３５と同様にｎ型ＡｌＧａＮ層によって構成され、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ、又はＴｅなどのｎ型不純物がドープされている。保護層６の膜厚は例えば３０ｎｍ程度とすることができる。
（ｎ側電極４２）
本実施形態において、ｎ側電極４２は、保護層６の一部領域の上面に形成されており、例えばＣｒ−Ａｕで構成される。図１の構造では、ｎ側電極４２は絶縁層１９の鉛直上方の位置に形成されている。これにより、ｎ側電極４２の下方に導電性の低い絶縁層１９が形成されるため、活性層３３内を流れる電流を水平方向に拡げる効果が得られる。
本実施形態において、ｎ側電極４２は、保護層６の一部領域の上面に形成されており、例えばＣｒ−Ａｕで構成される。図１の構造では、ｎ側電極４２は絶縁層１９の鉛直上方の位置に形成されている。これにより、ｎ側電極４２の下方に導電性の低い絶縁層１９が形成されるため、活性層３３内を流れる電流を水平方向に拡げる効果が得られる。
なお、ｎ側電極４２には、例えばＡｕ、Ｃｕなどで構成されるボンディングワイヤ（不図示）が連絡され、このワイヤの他方は例えば基板１１上の給電パターン（不図示）等に接続される。
［製造方法］
引き続き、図１に示す半導体発光素子１の製造方法の一例につき、図２Ａ〜図２Ｌを参照して説明する。なお、以下で説明する製造条件や膜厚等の寸法はあくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。
引き続き、図１に示す半導体発光素子１の製造方法の一例につき、図２Ａ〜図２Ｌを参照して説明する。なお、以下で説明する製造条件や膜厚等の寸法はあくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。
以下に説明する方法で製造することにより、ｎ型窒化物半導体層３５を膜厚が２μｍより大きいＡｌＧａＮ層、より好ましくは３μｍ以上のＡｌＧａＮ層に構成しても、クラックを有しない又はほとんど有しない高精度の半導体層として実現できる。
（ステップＳ１）
図２Ａに示すように、成長基板６１上にアンドープのＧａＮ層３６をエピタキシャル成長によって形成する。
図２Ａに示すように、成長基板６１上にアンドープのＧａＮ層３６をエピタキシャル成長によって形成する。
成長基板６１としてｃ面サファイア基板を準備し、これに対してクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内に成長基板６１（ｃ面サファイア基板）を配置し、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。
その後、成長基板６１の表面に、ＧａＮよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にＧａＮよりなる下地層を形成することで、ＧａＮ層３６を形成する。より具体的なＧａＮ層３６の形成方法は以下の通りである。
まず、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給する。これにより、成長基板６１の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成する。
次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１０５０℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６０分間供給する。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが約３μｍのＧａＮよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層によってＧａＮ層３６が形成される。
なお、成長基板６１としてはＧａＮ基板を用いることも可能である。この場合もサファイア基板のときと同様に、ＭＯＣＶＤ装置内において表面のクリーニングを実行後、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１０５０℃として、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１０分間供給する。これにより、ＧａＮ基板の表面に、厚みが約５００ｎｍのＧａＮ層３６が形成される。
このステップＳ１が工程（ａ）に対応する。
（ステップＳ２）
図２Ｂに示すように、ＧａＮ層３６上に多層膜５を形成する。ここでは、多層膜５は、図２Ｃに示すように、膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮ層５ａと膜厚２．５ｎｍのＧａＮ層５ｂを８周期積層した構成としている。ここでは、ＩｎＧａＮ層５ａとして、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを形成している。
図２Ｂに示すように、ＧａＮ層３６上に多層膜５を形成する。ここでは、多層膜５は、図２Ｃに示すように、膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮ層５ａと膜厚２．５ｎｍのＧａＮ層５ｂを８周期積層した構成としている。ここでは、ＩｎＧａＮ層５ａとして、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを形成している。
多層膜５を構成するＩｎＧａＮ層５ａ及びＧａＮ層５ｂの周期数は８に限定されない。また、この多層膜５を、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子層で構成しても構わない。
より詳細には、以下の方法で形成される。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を７５０℃程度に低下させる。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６０秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に７２秒間供給するステップを行う。以下、これらの２つのステップを繰り返すことにより、厚みが２．５ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ及び厚みが３ｎｍのＧａＮを８周期有する多層膜５がＧａＮ層３６上に形成される。
Ｉｎは、ＧａやＡｌと比べて低温でなければ結晶内に取り込むことができないため、ステップＳ２においてステップＳ１よりも成長温度を低く設定している。また、ＩｎＧａＮとＧａＮとの間には格子定数に差が存在するため、ＩｎＧａＮ層５ａを単独で厚膜として形成すると、臨界膜厚を超えてＩｎＧａＮ層５ａ内に欠陥が発生してしまう。この欠陥は、その上昇に形成される各半導体層に引き継がれるため、発光効率を低下させる要因となり好ましくない。
後述するが、このステップＳ２で形成される多層膜５がその後のステップＳ４の実行中に熱分解されることで、ＩｎやＧａの金属が当該領域に析出する。このとき、結晶が破壊されて金属が析出することに伴って体積が収縮するため、当該領域にボイド（孔部）が形成される。ｎ型窒化物半導体層３５を厚膜、且つクラックフリーで形成するためには、このボイドが所定の量以上形成されることが必要となる。つまり、ＩｎＧａＮ層５ａを単独で且つ薄い膜厚で形成したとしても、ステップＳ４において十分な量のボイドが形成されないことから、ｎ型窒化物半導体層３５を厚膜で形成したときにクラックが発生する可能性がある。
以上に鑑み、ステップＳ４において十分な量のボイドを発生させることができ、且つクラックフリーでＩｎＧａＮ層５ａを形成することができるよう、ＩｎＧａＮ層５ａの膜厚と、多層膜の周期数が適宜設定される。また、本ステップＳ２において、多層膜５は、少なくともＩｎを含む窒化物半導体層と別の窒化物半導体層とを有する構成であればよい。Ｉｎを含む窒化物半導体層としてはＡｌＧａＩｎＮ層を採用することもできる。この場合、ＡｌＧａＩｎＮ層のＡｌ組成は５％以内とするのが好ましい。これは以下の理由による。
すなわち、仮に多層膜５を構成する一つの層としてのＡｌＧａＩｎＮ層のＡｌ組成を高くした場合、ステップＳ４においてこの多層膜５内に十分な量のボイドを発生させるためには、Ｉｎ組成を高める必要が生じる。しかし、ＡｌＮに比べてＩｎＮはａ軸の格子定数がＧａＮに対して離れているため、ＡｌＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を高めると、当該層内にクラックが形成されやすくなる。つまり、ステップＳ４において十分な量のボイドを発生させることのできるＡｌＧａＩｎＮ層をクラックフリーで成膜することが困難になるためである。
このステップＳ２が工程（ｂ）に対応する。なお、ＩｎＧａＮ層５ａは「第一層」に対応し、ＧａＮ層５ｂは「第二層」に対応する。
（ステップＳ３）
図２Ｄに示すように、多層膜５の上層に保護層６を形成する。
図２Ｄに示すように、多層膜５の上層に保護層６を形成する。
具体的には、炉内温度を、ステップＳ２よりは高温で、且つ次のステップＳ４においてｎ型窒化物半導体層３５を形成する際の温度よりは低温の９００℃程度とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．００３μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に１２分間供給する。
これにより、例えばＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が５×１０１９／ｃｍ３で、厚みが３０ｎｍの保護層６が多層膜５の上層に形成される。
本ステップＳ３では、保護層６として形成したＡｌＧａＮの膜厚が３０ｎｍ程度と薄いため、ＡｌＧａＮ層に対する引張応力はそれほど大きくなく、クラックは生じない。また、下層のＩｎＧａＮ／ＧａＮで構成された多層膜５の結晶性を引き継いで結晶成長することができるため、保護層６も良好な結晶性を有した状態で形成される。
本ステップＳ３で形成される保護層６はＡｌＧａＮに限定されず、ＧａＮで構成されていても構わない。
ステップＳ３は工程（ｃ）に対応する。
（ステップＳ４）
図２Ｅに示すように、ステップＳ３において形成された保護層６の上層に、膜厚が２μｍより大きいｎ型ＡｌＧａＮ層によって構成されたｎ型窒化物半導体層３５を形成する。
図２Ｅに示すように、ステップＳ３において形成された保護層６の上層に、膜厚が２μｍより大きいｎ型ＡｌＧａＮ層によって構成されたｎ型窒化物半導体層３５を形成する。
より詳細には、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を、ステップＳ３よりも高温の１０５０℃程度に上昇させ、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．０３μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に６０分間供給する。
これにより、例えばＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が５×１０１９／ｃｍ３で、厚みが３μｍのｎ型窒化物半導体層３５が保護層６の上層に形成される。
本ステップＳ４においてｎ型窒化物半導体層３５を形成する際、炉内温度が１０５０℃程度の高温下に置かれる。このとき、ステップＳ２において形成された多層膜５が熱分解されて結晶性が破壊され（図２Ｅにおける層５ｘ）、ＩｎＧａＮを構成していたＩｎやＧａが析出する。このとき、体積が収縮する結果、もともと多層膜５が形成されていた箇所にボイド（孔部）が生じる。
図３は、本ステップＳ４の実行後における素子表面の状態を示す写真であり、図２Ｅに示すｎ型窒化物半導体層３５の上方から、微分干渉顕微鏡（ＤＩＣ：Differential interference contrast microscope）によって撮影した写真である。画像中黒っぽく現れているのが、ＩｎやＧａの金属成分であり、結晶性が破壊されて金属が析出した層５ｘが形成されていることが分かる。
ここで、仮にステップＳ３を行わず、すなわち保護層６を形成せず、多層膜５の上層に直接ｎ型窒化物半導体層３５を形成する場合を想定する。多層膜５を形成した後、ｎ型窒化物半導体層３５を形成するために炉内温度を１０５０℃程度に昇温し、原料ガスを供給すると、多層膜５がかかる高温下に置かれることで、上述したように多層膜５が熱分解を起こし、結晶性が破壊される。すると、下層の結晶性を引き継いでｎ型窒化物半導体層３５を成長させることができない。特に、ｎ型窒化物半導体層３５を厚膜で構成するためには、上記高温環境下に一定時間以上晒すことが要求されるため、多層膜５の結晶性の破壊
は余儀なくされ、その後良好な結晶性を有した層を成長させることは困難となる。
は余儀なくされ、その後良好な結晶性を有した層を成長させることは困難となる。
しかし、この製造方法によれば、ステップＳ４の直前にステップＳ３において保護層６を形成している。このため、ｎ型窒化物半導体層３５を形成すべく炉内温度を高温とし、これに伴って多層膜５の結晶性が破壊されても、保護層６の結晶性を引き継いでｎ型窒化物半導体層３５を成長させることができる。従って、多層膜５の結晶性が破壊されたことに起因してｎ型窒化物半導体層３５の結晶性能が劣化するということはない。
そして、高温下に置かれることで多層膜５が熱分解して形成された層５ｘからは、上述したようにＩｎやＧａの金属が析出すると共に、熱分解に起因した収縮に伴ってボイドが形成される。図４は、多層膜５が形成されていた領域の近傍、すなわち層５ｘの形成領域の近傍における素子の断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）で撮影した写真である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の領域７１を拡大した写真である。
図４（ｂ）によれば、層５ｘの形成箇所に多数のボイド７３が形成されていることが分かる。よって、図３及び図４からも、多層膜５が熱分解されることで金属が析出し、またこの過程で体積が収縮することでボイド７３が形成されることが分かる。
本ステップＳ４が工程（ｄ）に対応する。
（ステップＳ５）
図２Ｆに示すように、ｎ型窒化物半導体層３５の上層に活性層３３を形成し、活性層３３の上層にｐ型窒化物半導体層３１を形成する。具体的な方法の一例としては、以下の通りである。
図２Ｆに示すように、ｎ型窒化物半導体層３５の上層に活性層３３を形成し、活性層３３の上層にｐ型窒化物半導体層３１を形成する。具体的な方法の一例としては、以下の通りである。
まずＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＩ及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に４８秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１２０秒間供給するステップを行う。以下、これらの２つのステップを繰り返すことにより、厚みが２ｎｍのＩｎＧａＮよりなる発光層及び厚みが７ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮよりなる障壁層による１５周期の多重量子井戸構造を有する活性層３３が、ｎ型窒化物半導体層３５の上層に形成される。
引き続きＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０２５℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及びｐ型不純物をドープするための流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を処理炉内に６０秒間供給する。これにより、活性層３３の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、ＴＭＡの流量を４μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりｐ型窒化物半導体層３１が形成される。このｐ型窒化物半導体層３１のｐ型不純物濃度は、例えば３×１０１９／ｃｍ３程度である。
なお、その後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、Ｃｐ２Ｍｇの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給することにより、厚みが５ｎｍ程度で、ｐ型不純物濃度が１×１０２０／ｃｍ３程度のｐ型コンタクト層を形成してもよい。この場合、ｐ型窒化物半導体層３１にはこのｐ型コンタクト層も含まれる。
本ステップＳ５が工程（ｅ）に対応する。
（ステップＳ６）
ステップＳ５までの工程で形成されたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中６５０℃で１５分間の活性化処理を行う。
ステップＳ５までの工程で形成されたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中６５０℃で１５分間の活性化処理を行う。
（ステップＳ７）
図２Ｇに示すように、ｐ型窒化物半導体層３１の上面の所定箇所に絶縁層１９を形成する。
図２Ｇに示すように、ｐ型窒化物半導体層３１の上面の所定箇所に絶縁層１９を形成する。
より詳細には、隣接する素子との境界となる領域内におけるｐ型窒化物半導体層３１の上面に、ＳｉＯ２をスパッタリング法によって膜厚２００ｎｍ程度成膜することで絶縁層１９を形成する。なお成膜する材料は絶縁性材料であればよく、例えばＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３でも良い。このとき、絶縁層１９を形成しない領域をマスクしておくものとしてよい。
（ステップＳ８）
図２Ｈに示すように、ｐ型窒化物半導体層３１及び絶縁層１９の上面を覆うように金属電極２５を形成する。更に、金属電極２５の上面にハンダ拡散防止層１７を形成し、ハンダ拡散防止層１７の上面にハンダ層１５を形成する。具体的な方法は、以下の通りである。
図２Ｈに示すように、ｐ型窒化物半導体層３１及び絶縁層１９の上面を覆うように金属電極２５を形成する。更に、金属電極２５の上面にハンダ拡散防止層１７を形成し、ハンダ拡散防止層１７の上面にハンダ層１５を形成する。具体的な方法は、以下の通りである。
まず、スパッタ装置にてｐ型窒化物半導体層３１及び絶縁層１９の上面を覆うように、膜厚０．７ｎｍのＮｉ及び膜厚１２０ｎｍのＡｇを全面に成膜して、金属電極２５を形成する。次に、ＲＴＡ装置を用いてドライエアー又は不活性ガス雰囲気中で４００℃、２分間のコンタクトアニールを行う。
次に、電子線蒸着装置（ＥＢ装置）にて金属電極２５の上面（Ａｇ表面）に、膜厚１００ｎｍのＴｉと膜厚２００ｎｍのＰｔを３周期成膜することで、ハンダ拡散防止層１７を形成する。更にその後、ハンダ拡散防止層１７の上面（Ｐｔ表面）に、膜厚１０ｎｍのＴｉを蒸着させた後、Ａｕ８０％Ｓｎ２０％で構成されるＡｕ−Ｓｎハンダを膜厚３μｍ蒸着させることで、ハンダ層１５を形成する。
（ステップＳ９）
図２Ｉに示すように、成長基板６１とは別に準備された基板１１に、上記ハンダ拡散防止層１７と同様の方法でハンダ拡散防止層１３を形成する。基板１１としては、上述したようにＣｕＷ、Ｗ、Ｍｏ等の導電性基板、又はＳｉ等の半導体基板を利用することができる。
図２Ｉに示すように、成長基板６１とは別に準備された基板１１に、上記ハンダ拡散防止層１７と同様の方法でハンダ拡散防止層１３を形成する。基板１１としては、上述したようにＣｕＷ、Ｗ、Ｍｏ等の導電性基板、又はＳｉ等の半導体基板を利用することができる。
（ステップＳ１０）
図２Ｊに示すように、成長基板６１と基板１１とを貼り合わせる。一例としては、２８０℃の温度、０．２ＭＰａの圧力下で、成長基板６１上に形成されたハンダ層１５と、基板１１の上層に形成されたハンダ拡散防止層１７とを貼り合わせる。
図２Ｊに示すように、成長基板６１と基板１１とを貼り合わせる。一例としては、２８０℃の温度、０．２ＭＰａの圧力下で、成長基板６１上に形成されたハンダ層１５と、基板１１の上層に形成されたハンダ拡散防止層１７とを貼り合わせる。
なお、基板１１において、ハンダ拡散防止層１３の上層にもハンダ層１５を形成しておき、基板１１上のハンダ層１５と成長基板６１上のハンダ層１５を貼り合わせるものとしても構わない。
（ステップＳ１１）
図２Ｋに示すように、成長基板６１側からレーザ光を照射させて成長基板６１を剥離させる。具体的には、成長基板６１を上に、基板１１を下に向けた状態で、成長基板６１側からＹＡＧレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）の２倍波のレーザ（波長５３２ｎｍ）を照射させる。
図２Ｋに示すように、成長基板６１側からレーザ光を照射させて成長基板６１を剥離させる。具体的には、成長基板６１を上に、基板１１を下に向けた状態で、成長基板６１側からＹＡＧレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）の２倍波のレーザ（波長５３２ｎｍ）を照射させる。
このときに照射させるレーザ光としては、層５ｘすなわち多層膜５を構成する窒化物半導体のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの波長を有する光とする。ステップＳ４を経て多層膜５が熱分解したことでＩｎなどの金属が析出した層５ｘが形成されたことにより、このように小さいエネルギーの波長を有する光であっても、層５ｘ内の金属によって当該光が吸収され、成長基板６１を剥離することができる。更に、上記レーザ光を、成長基板６１を構成する材料及びＧａＮ層３６のバンドギャップよりも小さいエネルギーの波長を有する光とするのが好適である。この結果、レーザ光は成長基板６１及びＧａＮ層３６を透過して層５ｘ内において吸収され、層５ｘと保護層６の界面が高温化する。これにより、層５ｘが分解されることで層５ｘが保護層６から離脱し、成長基板６１が基板１１から剥離される。
その後、必要に応じて、保護層６の表面を王水等の酸で洗浄し、表面に残存する層５ｘの構成材料（ＩｎやＧａ等の金属材料）を除去する。
本ステップＳ１１が工程（ｆ）に対応する。
（ステップＳ１２）
図２Ｌに示すように、隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ＩＣＰ装置を用いて絶縁層１９の上面が露出するまで半導体層３０をエッチングする。このとき、上述したように絶縁層１９はエッチングストッパーとして機能する。
図２Ｌに示すように、隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ＩＣＰ装置を用いて絶縁層１９の上面が露出するまで半導体層３０をエッチングする。このとき、上述したように絶縁層１９はエッチングストッパーとして機能する。
（ステップＳ１３）
図１に示すように、保護層６の上面の所定の領域、より詳細には、絶縁層１９の鉛直上方の領域の一部にｎ側電極４２を形成する。ｎ側電極４２の形成方法の一例としては、膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚３μｍのＡｕを蒸着した後、窒素雰囲気中で２５０℃、１分間程度のアニール処理を行う。
図１に示すように、保護層６の上面の所定の領域、より詳細には、絶縁層１９の鉛直上方の領域の一部にｎ側電極４２を形成する。ｎ側電極４２の形成方法の一例としては、膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚３μｍのＡｕを蒸着した後、窒素雰囲気中で２５０℃、１分間程度のアニール処理を行う。
（ステップＳ１４）
そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、基板１１の裏面を例えばＡｇペーストにてパッケージと接合する。更に、ｎ側電極４２の一部領域にボンディングワイヤを接続する。例えば、５０ｇの荷重でΦ１００μｍのボンディング領域にＡｕからなるボンディングワイヤを連結させる。
そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、基板１１の裏面を例えばＡｇペーストにてパッケージと接合する。更に、ｎ側電極４２の一部領域にボンディングワイヤを接続する。例えば、５０ｇの荷重でΦ１００μｍのボンディング領域にＡｕからなるボンディングワイヤを連結させる。
［検証］
次に、上述した製造方法によれば、ｎ型窒化物半導体層３５を厚膜で形成してもクラックフリーで実現することができる点につき、検証する。
次に、上述した製造方法によれば、ｎ型窒化物半導体層３５を厚膜で形成してもクラックフリーで実現することができる点につき、検証する。
図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ検証用素子の構成を模式的に示す断面図である。図５Ａに示す検証用素子５１は、上述したステップＳ１〜Ｓ４を経て製造された素子を想定しており、図２Ｅに示したステップＳ４の実行後の状態の素子に対応する。
検証用素子５１の形成方法について説明する。まず、サファイアで構成された成長基板６１上に膜厚３μｍのＧａＮ層３６を形成し、その後ＧａＮ層３６の上層に厚みが２．５ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ及び厚みが３ｎｍのＧａＮを８周期有する多層膜５を形成した。次に、多層膜５の上層に膜厚３０ｎｍのＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎで構成された保護層６を９００℃程度の温度条件で成長させた。次に、保護層６の上層に厚みが３．５μｍのｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎで構成されるｎ型窒化物半導体層３５を１０５０℃程度の温度条件で成長させた。ｎ型窒化物半導体層３５の形成過程において、多層膜５は熱分解されて多層膜５が形成されていた領域に層５ｘが形成された。検証用素子５１は実施例に対応する。
検証用素子５２は従来の方法で成長基板６１上にｎ型窒化物半導体層３５を形成した素子である。検証用素子５２の製造方法を説明する。まず、サファイアで構成された成長基板６１上に膜厚３μｍのＧａＮ層３６を形成し、その後ＧａＮ層３６の上層に厚みが３．５μｍのｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎで構成されるｎ型窒化物半導体層３５を１０５０℃程度の温度条件で成長させた。検証用素子５２は比較例に対応する。
図６Ａは検証用素子５１の上面をＤＩＣ（Differential interference contrast microscope：微分干渉顕微鏡）にて撮影した写真である。また、図６Ｂは検証用素子５２の上面をＤＩＣにて撮影した写真である。両写真によれば、検証用素子５２には多数のクラック７５が確認されるのに対し、検証用素子５１にはクラックが確認されなかった。
「発明が解決しようとする課題」の項で上述したように、ＧａＮとＡｌＧａＮには格子定数に有意の差があるため、ＧａＮ層の上層に厚膜でＡｌＧａＮ層を積層した場合、ＡｌＧａＮ層内に大きな引張応力が発生し、これに起因したクラックが生じる。図６Ｂに示す写真は、このことを如実に表している。
一方、検証用素子５１によれば、ＧａＮ層３６の上層に３．５μｍもの厚膜でｎ型窒化物半導体層３５を形成しても、クラックが確認されていない。この理由としては、図４を参照して説明したように、多層膜５が熱分解して形成された層５ｘ内に多数のボイド７３が形成されたことで、このボイド７３によって一部の応力が吸収され、ｎ型窒化物半導体層３５の臨界膜厚が上昇したことに由来すると考えられる。
なお、上述したステップＳ２ではＩｎＧａＮ層５ａ及びＧａＮ層５ｂを８周期積層して多層膜５を形成した。これは、ｎ型窒化物半導体層３５に対して生じる応力を吸収し得るボイド７３を形成させる目的と共に、ステップＳ１１において照射させるレーザ光を十分に吸収させる目的も兼ねている。すなわち、多層膜５のうちのＩｎＧａＮ層５ａの総膜厚が不十分である場合、ステップＳ１１において多層膜５（層５ｘ）に含まれるＩｎが十分にレーザエネルギーを吸収できず、保護層６の界面における分解が不十分となり、成長基板６１を剥離させることができないおそれがある。よって、多層膜５を形成する際には、クラックが生じない範囲内の膜厚で、且つクラックが生じない範囲内の周期数でＩｎＧａＮ層５ａとＧａＮ層５ｂを積層させるのが好ましい。
また、上記実施形態では、ステップＳ２で形成した多層膜５を構成するＩｎＧａＮ層５ａをＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎとしたが、ＩｎＧａＮ層５ａのＩｎ組成は適宜選択される。ただし、ＩｎＧａＮ層５ａのＩｎ組成を極めて高く（例えば０．３より大きく）すると臨界膜厚が低くなるため、クラックフリーで多層膜５を形成する場合にはＩｎＧａＮ層５ａの総膜厚が薄くなる結果、ステップＳ１１において多層膜５（層５ｘ）で吸収されるエネルギー量が低くなる。この結果、層５ｘを保護層６から完全に離脱させることができなくなるおそれがある。
他方、ＩｎＧａＮ層５ａのＩｎ組成を極めて低く（例えば０．０５未満）すると、ＩｎＧａＮ層５ａの臨界膜厚は上昇するものの、ステップＳ４において高温条件下でｎ型窒化物半導体層３５を形成する際に多層膜５が熱分解されてなる層５ｘ内に析出する金属の量が少なくなり、このことは体積の収縮に伴うボイド７３の量が低下することを意味する。この結果、ボイド７３の量がｎ型窒化物半導体層３５に生じる応力を吸収するには不十分になる可能性がある。
よって、ＩｎＧａＮ層５ａのＩｎ組成は０．０５以上、０．３以下とするのが好ましく、０．１以上０．２以下とするのがより好ましい。
また、ステップＳ３において、ステップＳ２よりは高温で保護層６を形成したが、この温度があまりに高すぎると保護層６の形成過程で多層膜５が熱分解してしまう。このため、ステップＳ３における成長温度は、ステップＳ２よりも高温で、且つ多層膜５が熱分解しない範囲内の温度とするのが好ましい。より詳細には、ステップＳ２における成長温度をＴｂ、ステップＳ３における成長温度をＴｃとすると、Ｔｂ＜Ｔｃ＜Ｔｂ＋１５０（℃）とするのが好ましい。
＜第二実施形態＞
以下、本発明の半導体発光素子の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と共通の部分についてはその旨を記載して説明を割愛する。
以下、本発明の半導体発光素子の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と共通の部分についてはその旨を記載して説明を割愛する。
［構造］
図７は、本発明の半導体発光素子の第二実施形態の構造を模式的に示す断面図である。図７に示す半導体発光素子１ａは、第一実施形態の半導体発光素子１と比べて、保護層６を有さずに、ｎ型窒化物半導体層３５の上面にｎ側電極４２が形成されている。他の点については第一実施形態の半導体発光素子１と共通である。
図７は、本発明の半導体発光素子の第二実施形態の構造を模式的に示す断面図である。図７に示す半導体発光素子１ａは、第一実施形態の半導体発光素子１と比べて、保護層６を有さずに、ｎ型窒化物半導体層３５の上面にｎ側電極４２が形成されている。他の点については第一実施形態の半導体発光素子１と共通である。
［製造方法］
以下、図７に示す半導体発光素子１ａの製造方法につき、第一実施形態と異なる箇所のみを説明する。
以下、図７に示す半導体発光素子１ａの製造方法につき、第一実施形態と異なる箇所のみを説明する。
第一実施形態と同様にステップＳ１〜Ｓ１１を実行する（図２Ａ〜図２Ｋ参照）。なお、本実施形態では、ステップＳ３において形成する保護層６をアンドープの窒化物半導体層で構成しても構わない。
（ステップＳ１１Ａ）
図８Ａに示すように、酸を用いたウェットエッチング、又はＩＣＰ装置を用いたドライエッチングによって保護層６を除去し、ｎ型窒化物半導体層３５の上面を露出させる。このステップＳ１１Ａが工程（ｇ）に対応する。
図８Ａに示すように、酸を用いたウェットエッチング、又はＩＣＰ装置を用いたドライエッチングによって保護層６を除去し、ｎ型窒化物半導体層３５の上面を露出させる。このステップＳ１１Ａが工程（ｇ）に対応する。
（ステップＳ１２〜Ｓ１４）
以下は第一実施形態と同様にステップＳ１２〜Ｓ１４を実行する。まず、図８Ｂに示すように、第一実施形態と同様の方法で隣接する素子同士を分離する。その後、第一実施形態と同様の方法で、ｎ型窒化物半導体層２５の上面にｎ側電極４２を形成する（工程（ｈ）に対応）。その後、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、基板１１の裏面を例えばＡｇペーストにてパッケージと接合する。更に、ｎ側電極４２の一部領域にボンディングワイヤを接続する。
以下は第一実施形態と同様にステップＳ１２〜Ｓ１４を実行する。まず、図８Ｂに示すように、第一実施形態と同様の方法で隣接する素子同士を分離する。その後、第一実施形態と同様の方法で、ｎ型窒化物半導体層２５の上面にｎ側電極４２を形成する（工程（ｈ）に対応）。その後、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、基板１１の裏面を例えばＡｇペーストにてパッケージと接合する。更に、ｎ側電極４２の一部領域にボンディングワイヤを接続する。
本実施形態によれば、ｎ側電極４２をｎ型窒化物半導体層２５と接触させることができるため、保護層６とｎ側電極４２の間のオーミック接触を形成する必要がない。このため、保護層６をアンドープの半導体窒化物層で構成することができる。また、保護層６をｎ型半導体窒化物層で構成した場合においても、本実施形態の方法を採用することもできる。
なお、図８Ａでは、上記ステップＳ１１Ａにおいて保護層６を完全に除去するものとしたが、ステップＳ１３においてｎ側電極４２を形成する予定の領域を含む一部の領域の保護層６のみを除去するものとしても構わない。
＜別実施形態＞
以下、別実施形態について説明する。
以下、別実施形態について説明する。
〈１〉 絶縁層１９に代えて導電性酸化膜層を形成しても構わない。導電性酸化膜層を備える構成とした場合、絶縁層１９よりは導電率が高いため、半導体層３０内を電流が垂直方向に流れやすくなるが、通常の導電材料（金属など）と比較すると導電率は大幅に低いので、水平方向に電流を拡げる効果が実現される。導電性酸化膜層としては、例えばＩＴＯ、ＩＺＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯｘ）などを利用することができる。
なお、この絶縁層１９や導電性酸化膜層は、電流を水平方向に拡げるという意味においては、ｎ側電極４２に対して鉛直方向（基板１１の面に直交する方向）の下方位置に形成されることが好ましいが、本発明はこの絶縁層１９や導電性酸化膜層を有しない構成の素子を権利範囲から排除する趣旨ではない。
〈２〉 上述した構造及び製造方法は、あくまで実施形態の一例であって、これらの構成やプロセスの全てを備えなければならないというものではない。例えばハンダ層１７は、成長基板６１と基板１１の貼り合わせを効率的に行うべく形成されたものであり、これら２基板の貼り合わせが実現できるのであれば半導体発光素子１の機能を実現する上で必ずしも必要なものではない。
また、金属電極２５は、活性層３３から基板１１側に向けて放出される光をｎ側電極４２側へと反射させることで、光の取り出し効率を向上させる意味においては備えるのが好適であるが、必ずしも備えなければならないというものではない。
１，１ａ ： 本発明の半導体発光素子の一実施形態
５ ： 多層膜
５ａ ： ＩｎＧａＮ層
５ｂ ： ＧａＮ層
５ｘ ： 多層膜が熱分解した層
６ ： 保護層
１１ ： 基板
１３ ： ハンダ拡散防止層
１５ ： ハンダ層
１７ ： ハンダ拡散防止層
１９ ： 絶縁層
２０ ： 導電層
２５ ： 金属電極
３１ ： ｐ型窒化物半導体層
３３ ： 活性層
３５ ： ｎ型窒化物半導体層
３６ ： ＧａＮ層
４２ ： ｎ側電極
５１ ： 検証用素子（実施例）
５２ ： 検証用素子（比較例）
６１ ： 成長基板
７１ ： ボイド周辺領域
７３ ： ボイド
７５ ： クラック
８１ ： 引張応力
９０ ： 従来の半導体発光素子
９５ ： ｎ型窒化物半導体層
５ ： 多層膜
５ａ ： ＩｎＧａＮ層
５ｂ ： ＧａＮ層
５ｘ ： 多層膜が熱分解した層
６ ： 保護層
１１ ： 基板
１３ ： ハンダ拡散防止層
１５ ： ハンダ層
１７ ： ハンダ拡散防止層
１９ ： 絶縁層
２０ ： 導電層
２５ ： 金属電極
３１ ： ｐ型窒化物半導体層
３３ ： 活性層
３５ ： ｎ型窒化物半導体層
３６ ： ＧａＮ層
４２ ： ｎ側電極
５１ ： 検証用素子（実施例）
５２ ： 検証用素子（比較例）
６１ ： 成長基板
７１ ： ボイド周辺領域
７３ ： ボイド
７５ ： クラック
８１ ： 引張応力
９０ ： 従来の半導体発光素子
９５ ： ｎ型窒化物半導体層
Claims (9)
- ＧａＮ基板又はサファイア基板で構成された成長基板上にＧａＮ層を形成する工程（ａ）、
前記ＧａＮ層の上層に、Ｉｎを含む窒化物半導体で構成される第一層と、前記第一層と異なる組成の窒化物半導体で構成される第二層とを含む多層膜を形成する工程（ｂ）、
前記多層膜上に、窒化物半導体で構成される保護層を形成する工程（ｃ）、
前記保護層上に、前記工程（ｂ）及び前記工程（ｃ）よりも高い成長温度でｎ型窒化物半導体層を形成する工程（ｄ）、
前記ｎ型窒化物半導体層上に、活性層及びｐ型窒化物半導体層を形成する工程（ｅ）、
及び、前記多層膜を構成する窒化物半導体のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの波長を有する光を照射して前記成長基板を剥離する工程（ｆ）を有し、
前記工程（ｄ）において、前記多層膜を熱分解して内部にボイドを形成させることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記多層膜は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．１≦ｘ≦０．２）／ＧａＮの多層膜で構成され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。
- 前記ｎ型窒化物半導体層は、膜厚が２μｍ以上のｎ型ＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０≦ｎ≦１）を含んで構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記保護層は、前記ｎ型窒化物半導体層と同一の材料で構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記工程（ｂ）における成長温度をＴｂ、前記工程（ｃ）における成長温度をＴｃとすると、
Ｔｂ＜Ｔｃ＜Ｔｂ＋１５０ （℃）
を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記活性層の発光波長が３６２ｎｍ以上３８５ｎｍ以下であ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。
- 前記工程（ｆ）の後、前記保護層をエッチングして前記ｎ型窒化物半導体層を露出させる工程（ｇ）と、
露出した前記ｎ型窒化物半導体層の上面にｎ側電極を形成する工程（ｈ）とを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。 - ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間に活性層が挟持されてなる半導体発光素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層は、膜厚が２μｍより大きいＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０．０５≦ｎ≦０．０８）を含んで構成されることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記ｎ型窒化物半導体層は、膜厚が３μｍ以上のＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０．０５≦ｎ≦０．０７）を含んで構成されることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
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