半導体層接合基板の製造方法および発光素子
【課題】 光取り出し効率を向上させた発光素子を提供する。
【解決手段】 本発明の半導体層接合基板の製造方法は、第１基板２の上面２Ａに、第１基板２と異なる熱膨張係数を有する第１半導体層３を成長させる準備工程と、第１半導体層３の上面３Ａに、第１基板２よりも第１半導体層３に近い熱膨張係数を有する第２基板４を接合した後、第１基板２を除去して第２基板４および第１半導体層３が接合された接合体６を形成する接合体形成工程と、第１基板２が除去された側の第１半導体層３の露出面７に、第１半導体層３と同じ組成系の第２半導体層５をさらに成長させる成長工程とを有している。そのため、第１半導体層３上に第２半導体層５を成長させる際に、第２基板４と第１半導体層３の界面において、第１半導体層３に発生するクラックを抑制することができる。
【解決手段】 本発明の半導体層接合基板の製造方法は、第１基板２の上面２Ａに、第１基板２と異なる熱膨張係数を有する第１半導体層３を成長させる準備工程と、第１半導体層３の上面３Ａに、第１基板２よりも第１半導体層３に近い熱膨張係数を有する第２基板４を接合した後、第１基板２を除去して第２基板４および第１半導体層３が接合された接合体６を形成する接合体形成工程と、第１基板２が除去された側の第１半導体層３の露出面７に、第１半導体層３と同じ組成系の第２半導体層５をさらに成長させる成長工程とを有している。そのため、第１半導体層３上に第２半導体層５を成長させる際に、第２基板４と第１半導体層３の界面において、第１半導体層３に発生するクラックを抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体層接合基板の製造方法および半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体層を基板上に積層させる方法が種々提案されている。その場合、コストや入手しやすさの観点から、積層させる半導体層と基板とを異種材料にせざるを得ないことも多い。しかしながら、基板と基板上に結晶成長させる半導体層との熱膨張係数または格子定数などの物性値が大きく異なる材料を用いた場合には、転位または応力が半導体層に発生しやすくなるため、半導体層の結晶性を向上させることが困難であるという問題点があった。
【０００３】
そこで、半導体層とは物性値が異なる材料からなる異種基板を用いて良好に半導体層の結晶成長を行なう技術として、例えば、異種基板の一方主面に複数の溝を設けることによって、異種基板上に成長させる半導体層の結晶性を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2002−164296号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された半導体層成長の技術によれば、異種基板上に成長させる半導体層が厚くなればなるほど、異種基板と半導体層との熱膨張係数が異なることから、半導体層にクラックが入りやすくなってしまうおそれがあった。そのため、特許文献１に開示された半導体層成長の技術では、異種基板上に結晶性の良好な半導体層を厚く積層することは困難であるという問題点があった。
【０００６】
また、異種基板上に光半導体層を積層した発光素子においては、異種基板と光半導体層との熱膨張係数に大きな差がある場合が多い。そのため、光半導体層で発光した際に発生する熱に応じた応力が異種基板と光半導体層とで大きく異なることとなり、光半導体層が異種基板からはがれるおそれがあった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体層を成長させる際にクラックの発生を抑制することが可能な半導体層接合基板の製造方法を提供することにある。また本発明の他の目的は、光半導体層と基板との界面におけるはがれの発生を抑制することが可能な発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法は、第１基板の上面に、該第１基板と異なる熱膨張係数を有する第１半導体層を成長させる準備工程と、前記第１半導体層の上面に、前記第１基板よりも前記第１半導体層に近い熱膨張係数を有する第２基板を接合した後、前記第１基板を除去して前記第２基板および前記第１半導体層が接合された接合体を形成する接合体形成工程と、前記第１基板が除去された側の前記第１半導体層の露出面に、前記第１半導体層と同じ組成系の第２半導体層をさらに成長させる成長工程とを備えている。
【０００９】
また、本発明の一実施形態にかかる発光素子は、基板上に緩衝層および光半導体層が順次積層された積層体からなる発光素子であって、前記基板、前記緩衝層および前記光半導体層は同じ組成系の材料から構成されているとともに、前記緩衝層は、前記基板と接する面側におけるロッキングカーブの半値幅が前記光半導体層と接する面側におけるロッキングカーブの半値幅よりも小さくなっている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法によれば、上述のように、第１半導体層に、第１基板より第１半導体層と近い熱膨張係数を有する第２基板を接合した接合体を形成した後、第１基板が除去された第１半導体層の露出領域に、第２半導体層を積層させることにより、第１基板上に半導体層を成長させた場合と比較して、第２基板が第１半導体層と熱膨張係数が近いため、第１半導体層と第２基板との界面で発生するクラックを抑制することができる。
【００１１】
また、本発明の一実施形態にかかる発光素子によれば、上述のように、基板上に緩衝層および光半導体層が順次積層された積層体からなり、緩衝層のロッキングカーブの半値幅が光半導体層側より基板側の方が小さくなっているため、緩衝層と基板との間で発生するはがれを抑制することが可能な発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法によって製造された半導体層複合基板の実施形態の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の半導体層接合基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図３】本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる発光素子を示す斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる発光素子を示す断面図であり、図６のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面に相当する。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態の例について図を参照しながら説明する。
【００１４】
本発明は以下の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。
【００１５】
＜半導体層接合基板の製造方法＞
図１は、本発明の実施の形態の一例の半導体層接合基板１の斜視図である。図２−５は、半導体層接合基板１の製造工程を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態の半導体層接合基板１の製造方法により製造される半導体層接合基板１は、製造工程の途中で除去される第１基板２と、第１半導体層３、第２基板４および第２半導体層５とから主に製造される。
【００１７】
このように製造される半導体層接合基板１は、例えば発光素子、半導体レーザまたはト
ランジスタなどの電子部品に用いられる。
【００１８】
続いて、本発明の実施の形態の半導体層接合基板１の製造方法を説明する。
【００１９】
（準備工程）
図２に示すように、第１基板２の上面２Ａに、第１基板２と異なる熱膨張係数を有する第１半導体層３を成長させる。それぞれの構成について、以下に具体的に説明する。
【００２０】
第１基板２としては、第１半導体層３を成長させることが可能な材料を用いられる。第１基板２は、例えばサファイア（熱膨張係数5.0×10−6１／Ｋ以上6.0×10−6１／Ｋ以下）、窒化アルミニウム（熱膨張係数4.0×10−6１／Ｋ以上5.5×10−6１／Ｋ以下）、窒化ガリウム（熱膨張係数3.0×10−6１／Ｋ以上6.0×10−6１／Ｋ以下）、窒化シリコン（熱膨張係数2.0×10−6１／Ｋ以上3.5×10−6１／Ｋ以下）、窒化インジウム（熱膨張係数3.0×10−6１／Ｋ以上4.5×10−6１／Ｋ以下）またはシリコンカーバイド（熱膨張係数5.0×10−6１／Ｋ以上4.2×10−6１／Ｋ以下）などを用いることができる。なお、本明細書に記載している熱膨張係数値は、室温時における値を例示しており、この熱膨張係数はＪＩＳ Ｒ1618−1994に記載された測定方法を用いることができる。
【００２１】
また、第１基板２は、平面視形状が例えば四角形状などの多角形状または円形状などに設定することができる。なお、第１基板２の厚みは、例えば２μｍ以上2000μｍ以下に設定することができる。本例において、第１基板２はサファイアから形成されている。
【００２２】
第１半導体層３は、第１基板２と異なる熱膨張係数を有していればよく、例えば窒化ガリウム、窒化アルミニウム、アルミニウムとインジウムの窒化物の混晶（熱膨張係数1.0×10−6１／Ｋ以上8.0×10−6１／Ｋ以下）またはシリコンカーバイドなどを用いることができる。本例において、第１半導体層３は窒化アルミニウムから形成されている。
【００２３】
第１半導体層３の厚みとしては、例えば0.05μｍ以上1500μｍ以下に設定することができる。第１半導体層３の厚さが厚くなるにつれて、基板からの転位が減少するなどして結晶性を向上させることができる。そのため、第１半導体層３の厚みを、例えば１μｍ以上1500μｍ以下に設定することにより、第１半導体層３の第１基板２側と比較して、第１半導体層３の上面３Ａ側の結晶性を向上させることができる。
【００２４】
第１基板２の上面２Ａに第１半導体層３を成長させる方法としては、分子線エピタキシャル法、有機金属エピタキシャル法、ハイドライド気相成長法またはパルスレーザデポジション法などを用いることができる。
【００２５】
第１基板２上に第１半導体層３として窒化アルミニウムをエピタキシャル成長させる場合には、窒化アルミニウムの組成比、成長温度および成長圧力などの成長条件を調整すればよい。成長温度としては、例えば150℃以上1500℃以下に設定することができる。第１基板２上に第１半導体層３として窒化アルミニウムの低温バッファ層を設ける場合には、成長温度として例えば150℃以上800℃以下に設定することができる。
【００２６】
第１基板２上に第１半導体層３を成長させる際に、第１基板２上に凹凸等を形成して、第１半導体層３を横方向成長させてもよい。第１半導体層３を第１基板２上に横方向成長させた場合には、第１半導体層３の厚み方向に延びる転位を少なくすることができるため、第１半導体層３の上面３Ａ側の結晶性をさらに向上させることができる。
【００２７】
（接合体形成工程）
次に、図３に示すように、第１半導体層３の上面３Ａに、第１基板２よりも第１半導体
層３に近い熱膨張係数を有する第２基板４を接合する。それぞれの構成について、以下に具体的に説明する。
【００２８】
第２基板４としては、第１基板２よりも第１半導体層３に近い熱膨張係数を有する材料を用いればよく、例えば窒化ガリウム、窒化アルミニウム、アルミニウムとガリウムとの窒化物の混晶またはシリコンカーバイドなどの中から選択される。第２基板４としては、第１半導体層３と異なる組成系の材料を用いてもよいし、第１半導体層３と同じ組成系の材料を用いてもよい。このように第２基板４は第１半導体層３と接合するため、第２基板４として単結晶材料や多結晶材料などから自由に選択することができる。
【００２９】
第２基板４として、第１半導体層３と同じ組成系の材料を用いた場合には、第２基板４と第１半導体層３との熱膨張係数の差をより小さくすることができるため、第２基板４と第１半導体層３との密着性をさらに向上させることができる。
【００３０】
ここで、「同じ組成系」の材料とは、ある物質を構成している成分のうち大部分を占める50％以上含まれている化合物の組成からなる材料をいう。窒化アルミニウムを例示すると、窒化アルミニウムと同じ組成系の材料としては、シリコンを数％添加した窒化アルミニウム、マグネシウムを数％添加した窒化アルミニウム、またはインジウムを含む窒化アルミニウムの混晶のうち窒化アルミニウムを50％以上有するものなどがある。
【００３１】
具体的には、第１基板２としてサファイアを、第１半導体層３として窒化アルミニウムをそれぞれ用いた場合には、第２基板４として第１半導体層３と同じ組成系の材料である窒化アルミニウムの焼成体または窒化アルミニウムの結晶体などを用いることができる。窒化アルミニウムの焼結体を用いる場合には、窒化アルミニウムを焼結する際に用いる焼結助剤、焼結条件、添加剤または結晶の配向性等を変化させることによって、窒化アルミニウムの多結晶の状態を変化させて窒化アルミニウムの焼結体の熱膨張係数を調整することができる。なお、第２基板４の厚みは、第１半導体層を支持することができる厚みであればよく、例えば50μｍ以上1000μｍ以下に設定される。
【００３２】
第１半導体層３と第２基板４とを接合する方法としては、表面活性化接合法、熱圧着接合法、拡散接合法または陽極接合法などを用いることができる。なお、このような接合をする際に、例えば1.3Ｐａ以上1.3×10−5Ｐａ以下の真空状態で行なうことにより、第１半導体層３と第２基板４との間におけるボイドの発生を抑制することができる。
【００３３】
中でも、表面活性化接合法を用いた場合には、接合面を活性化させて接合するため、例えば通常600℃以上800℃以下の温度で接合するのと比べて、例えば10℃以上550℃以下の比較的低い温度で接合することができる。そのため、第１半導体層３と第２基板４との熱膨張係数の差が大きい場合であっても、第１半導体層３と第２基板４とを接合する際に、第１半導体層３と第２基板４との界面において第１半導体層３と第２基板４とにかかる応力の差を小さくすることができるため、接合強度を維持しつつ接合することができる。
【００３４】
また、第１半導体層３と第２基板４とを接合する方法として表面活性化接合法を用いる場合には、第１半導体層３の上面３Ａおよび第２基板４の接合される主面を活性化する方法として、例えば熱処理、原子ビームまたはプラズマを用いた活性化処理法などを用いることができる。
【００３５】
その後、図４に示すように、第１基板２を除去して、第２基板４および第１半導体層３が接合された接合体６を形成する。
【００３６】
第１基板２は、第１基板２の第１半導体層３が形成されていない主面側から除去される
。第１基板２を第１半導体層３から除去する方法としては、例えばウエットエッチングやドライエッチングなどのエッチング法、化学機械研磨などの研磨法またはレーザを用いたレーザリフトオフ法などを用いることができる。第１基板２として、第１半導体層３とエッチングスピードが異なる材料を用いた場合には、第１基板２をエッチング法で除去する際に第１基板２を効率よく除去することができる。そのため、第１基板２を除去する工程の生産性を向上させることができる。
【００３７】
このように第１基板２を第１半導体層３から除去して、第１半導体層３の上面３Ａとは反対の主面を露出させることにより、第２基板４と第１半導体層３とが接合した接合体６を形成することができる。
【００３８】
（成長工程）
次に、図５に示すように、第１基板２が除去された側の第１半導体層３の露出面７に、第１半導体層３と同じ組成系の第２半導体層５をさらに成長させる。それぞれの構成について、以下に具体的に説明する。
【００３９】
ここで第２半導体層５の同じ組成系として、第１半導体層３と同じ材料を用いることができる。第２半導体層５の厚みとしては、例えば0.5μｍ以上1500μｍ以下に設定することができる。本例において、第２半導体層５は第１半導体層３と同じ組成系の材料である窒化アルミニウムから形成されている。
【００４０】
また、第２半導体層５として、複数の組成が異なる層を設ける場合には、最下層が第１半導体層３と同じ組成系の材料であればよい。具体的には、特定の光を発光する光半導体層を第１半導体層３に積層する場合であれば、第１半導体層３と同じ組成系の材料からなる第２半導体層５は、複数の半導体層からなる光半導体層の最下層として用いればよい。
【００４１】
光半導体層は、具体的に、本例のように、第１半導体層３として窒化アルミニウムを用いた場合であれば、ボロン、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムのうち少なくとも１つの窒化物からなる混晶のうち主成分の組成が窒化アルミニウムであるものを用いればよい。このような光半導体層は、第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体層との間に発光層を挟むようにして構成されている。
【００４２】
本例においては、除去された第１基板２よりも第１半導体層３と近い熱膨張係数を有する第２基板４を第１半導体層３と接合した接合体６を形成した後、第１半導体層３の露出面７に第２半導体層５を成長させている。このように第２基板４および第１半導体層３が近い熱膨張係数を有することから、第１半導体層３上に第２半導体層５を成長させる際に、第２基板４および第１半導体層３の界面において第１半導体層３に発生するクラックを抑制することができる。そのため、第１半導体層３上に形成される第２半導体層５の結晶性を向上させることができる。
【００４３】
また、接合体形成工程において、第１半導体層３の上面３Ａに第２基板４を接合する前に、第１半導体層３の上面３Ａを研磨することができる。このように第１半導体層３の上面３Ａを研磨した後、この研磨した第１半導体層３の上面３Ａに第２基板４を接合することにより、第１半導体層３と第２基板４の密着性を向上させることができる。第１半導体層３と第２基板４との密着性を向上させることができることから、第１半導体層３と第２基板４との接合強度を向上させることができ、第１半導体層３上に第２半導体層５を成長させる際に第１半導体層３に発生するクラックをさらに抑制することができる。
【００４４】
このように第１半導体層３の上面３Ａを研磨する際に、第１半導体層３の上面３Ａの平坦度を例えば４μｍ以上１５μｍ以下に、または第１半導体層３の上面３Ａの表面粗さを
例えば0.005μｍ以上0.050μｍ以下にすることにより、第１半導体層３の上面３Ａと第２基板４との接合強度を向上させることができる。なお、第１半導体層３の上面３Ａの表面粗さとしては、JIS B0601-2001に準拠した最大高さ粗さＲｚを用いる。
【００４５】
さらに、第１半導体層３の上面３Ａを研磨する際に、第１半導体層３を厚み方向に一部除去することができる。第１半導体層３の第１基板２側には、第１基板２の上面２Ａから厚み方向に延びる転位が多く存在しやすいため、第１基板２を除去して露出させた第１半導体層３の主面から厚み方向に一部除去することにより、第１半導体層３の露出面７の表面状態を向上させることができる。
【００４６】
第１半導体層３の表面状態を向上させた露出面７と第２基板４とを接合することにより、第１半導体層３の露出面７上に成長させる第２半導体層５の第１半導体層３から延びる転位の数を少なくすることができる。そのため、例えば第２半導体層５の厚み方向に延びる貫通転位を少なくすることができる。このように第１半導体層３の露出面７の表面状態を向上させることにより、第１半導体層３の露出面７上に成長させる第２半導体層５の結晶性を向上させることができる。
【００４７】
第１基板２を第１半導体層３から除去する際に、第１基板２を除去した後、続いて第１半導体層３を厚み方向に一部除去することにより、工程数の増加を抑制しつつ、第１半導体層３の一部を除去することができる。
【００４８】
さらに、第１基板２および第１半導体層３を除去する方法として研磨法を用いた場合には、第１基板２から第１半導体層３の一部まで、第１基板２および第１半導体層３の積層方向に研磨しながら削除していくことにより、第１基板２および第１半導体層３を削除するとともに、第１半導体層３の露出面７の表面状態を向上させることができる。このように第１基板２および第１半導体層３を除去する方法として研磨法を用いることにより、工程数の増加を抑制しつつ、生産性を向上させることができる。
【００４９】
また、成長工程において、第２基板４の基板温度を1100℃以上にした状態で、第２半導体層５を成長させることができる。本例のように、第２基板４として熱膨張係数が第１半導体層３と近い材料を用いることから、基板温度を高くした状態で第２半導体層５を成長したとしても、第２基板４と第１半導体層３との界面で第１半導体層３に発生するクラックを抑制することができる。
【００５０】
本例においては、第１半導体層３と第２基板４との接合体６が窒化アルミニウムからなり、第１半導体層３上に第２半導体層５として窒化アルミニウムを成長させる場合に、基板温度を1100℃以上1800℃以下に設定することができる。このような基板温度に設定することによって、第１半導体層３と第２基板４との界面において、第１半導体層３に発生するクラックを抑制しつつ、第２半導体層５の成長速度を向上させることができる。そのため、第２半導体層５の成長時間を短縮することができ、成長工程の生産性を向上させることができる。
【００５１】
一方、熱膨張係数が大きく異なる基板上に第１半導体層を1100℃以上で形成した場合は、第１基板と第１半導体層との界面において、第１半導体層にクラックが発生しやすくなるとともに、第１半導体層の成長速度が遅くなるおそれがある。
【００５２】
上述の成長工程において、第１半導体層３および第２半導体層５の厚みの合計が0.1μｍ以上となるように、第２半導体層５を成長させることができる。このように第１半導体層３および第２半導体層５の厚みの合計が0.1μｍ以上となるように第２半導体層５を成長させた場合でも、第２基板４と第１半導体層の熱膨張係数の差が小さいことから、第２
基板４と第１半導体層３との界面で第１半導体層３に発生するクラックを抑制しつつ、第２半導体層５を成長させることができる。
【００５３】
一方、仮に、第１基板上に第１半導体層および第２半導体層の厚みの合計が0.1μｍ以上となるように第２半導体層を成長させた場合は、第２半導体層の熱が第１半導体層に移動する。その結果、第１半導体層と第１基板との熱膨張係数が大きく異なるため、第１半導体層および第１基板に内在する応力差が大きくなり、第１半導体層と第１基板との界面において、第１半導体層にクラックが発生しやすくなる。そのため、第１基板上に第１半導体層および第２半導体層を厚く積層することが困難だった。
【００５４】
また、接合体形成工程において、第２基板４として第１半導体層３および第２半導体層５と同じ組成系の材料から構成されている基板を用いることができる。このように第２基板４として第１半導体層３および第２半導体層５と同じ組成系の材料から構成されている基板を用いることにより、第２半導体層５を成長させる際に発生する熱を、第２基板４から効率よく放熱するとともに、第２基板４と第１半導体層３との密着性を向上させることができる。
【００５５】
さらに、第２基板４として第１半導体層３と同じ組成系の材料を用いることにより、第２基板４と第１半導体層３との熱膨張係数の差を小さくすることができるため、通常では約600℃で接合するのに対して、例えば650℃以上1500℃以下の比較的高い温度で接合することができる。このように比較的高い温度で第１半導体層３と第２基板４とを接合することにより、接合強度を向上させることができる。
【００５６】
＜発光素子＞
図６に、本発明の半導体層接合基板の製造方法を用いて製造された実施の形態の一例である発光素子８の斜視図を示す。図７は図６に示す発光素子の断面図であり、図６のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面に相当する。
【００５７】
発光素子１は、図６に示すように、基板９上に緩衝層10および光半導体層11が順次積層された積層体12からなり、基板９、緩衝層10および光半導体層11は同じ組成系の材料から構成されている。
【００５８】
基板９は、例えば窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛などの結晶性材料を用いることができる。具体的には、窒化ガリウムなどの単結晶体や窒化アルミニウムなどの多結晶体を用いることができる。基板９として多結晶体を用いた場合には、基板９上に形成される緩衝層10と近い熱膨張係数を有するように設定することが好ましい。なお、基板９は、平面視形状が多角形状や円形状に設定され、厚みが例えば50μｍ以上800μｍ以下に設定されている。なお、本例においては、基板９は窒化アルミニウムから形成されている。
【００５９】
緩衝層10は、基板９上に設けられており、基板９と同じ組成系の材料から構成されている。このような緩衝層10は、例えば0.01μｍ以上１μｍ以下に設定されている。また、緩衝層10は、基板９と接する面10Ａ側におけるロッキングカーブの半値幅が光半導体層11と接する面10Ｂ側におけるロッキングカーブの半値幅よりも小さくなっている。具体的に、緩衝層10の基板９と接する面10Ａ側におけるロッキングカーブの半値幅は、光半導体層11と接する面10Ｂ側のロッキングカーブの半値幅より小さくなっていればよく、例えば300秒以上2000秒以下に設定することができる。なお、緩衝層10の光半導体層11と接する面10Ｂ側のロッキングカーブの半値幅は、例えば500秒以上3500秒以下に設定することができる。
【００６０】
このような緩衝層10は、上述した半導体層接合基板の製造方法により形成することができる。具体的には、光半導体層11として窒化アルミニウムを用いる場合であれば、サファイアからなる第１基板２の上面に、窒化アルミニウムからなる第１半導体層３を成長させ、第１半導体層３の上面に窒化アルミニウムからなる第２基板４を接合する。その後、第１基板２を除去することにより、第２基板４からなる基板９上に、第１半導体層３からなる緩衝層10を形成することができる。
【００６１】
光半導体層11は、緩衝層10上に設けられており、厚みが例えば0.5μｍ以上10μｍ以下に設定されている。光半導体層11は、一導電型半導体層11ａ、発光層11ｂおよび逆導電型半導体層11ｃが順次積層されている。
【００６２】
光半導体層11としては、III−Ｖ族半導体を用いることができる。III−Ｖ族半導体としては、ボロン、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムのうち少なくとも１つの窒化物からなる混晶などのIII族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。本例においては、光半導体層11は窒化アルミニウムから形成されている。このように光半導体層11として窒化アルミニウムを用いた場合には、光半導体層11の各層の屈折率は、例えば1.8以上2.7以下に設定される。
【００６３】
第１導電型半導体層11ａおよび第２導電型半導体層11ｂは、電子または正孔のどちらかを多数キャリアとする導電型にそれぞれ設定されている。第１導電型半導体層11ａは、第２導電型半導体層11ｃと逆の導電型に設定されており、半導体層を所望の導電型にする方法としては、例えばマグネシウムやシリコンを不純物として混ぜる方法を用いることができる。
【００６４】
発光層11ｂは、第１導電型半導体層11ａおよび第２導電型半導体層11ｃの間に挟まれるように配置されている。発光層11ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とからなる量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）を用いることができる。障壁層および井戸層としては、インジウムとアルミニウムとの窒化物からなる混晶においてインジウムとアルミニウムとの組成比を調整したものを用いることができる。
【００６５】
本例においては、積層体12を構成する、基板９、緩衝層10および光半導体層11が窒化アルミニウムから形成されている。このように基板９、緩衝層10および光半導体層11が同じ組成系の材料で構成されていることから、基板９、緩衝層10および光半導体層11の熱膨張係数の差を小さくすることができる。そのため、光半導体層11で発生する熱によって発生する応力を、基板９と緩衝層10との、および緩衝層10と光半導体層11とのそれぞれの界面において応力差を緩和することができ、それぞれの界面ではがれの発生を抑制することができる。
【００６６】
このような積層体12からなる発光素子８には、光半導体層11に電圧を印加するための一対の電極が接続されている。一対の電極は、第１導電型半導体層11ａに電気的に接続する第１電極と、第２導電型半導体層11ｃに電気的に接続する第２電極とから構成されている。
【００６７】
このような一対の電極の材料としては、例えばアルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、タンタルまたは白金などの金属を用いることができる。
【００６８】
本例において、緩衝層10は、基板９と接する面10Ａ側におけるロッキングカーブの半値幅が、光半導体層11と接する面10Ｂ側におけるロッキングカーブの半値幅よりも小さくな
っている。すなわち、緩衝層10の基板９と接する面10Ａ側が、緩衝層10の光半導体層11と接する面10Ｂ側よりも良い結晶性を有するようになっている。
【００６９】
このように緩衝層10が基板９と結晶性の良い面で接していることから、緩衝層10と基板９とを高い密着性で接合させることができる。そのため、光半導体層11で発光した際に熱が発生した場合であっても、緩衝層10が基板９からはがれるのを抑制することができる。その結果、光半導体層11から長期にわたって安定的に発光させることができ、発光素子８の信頼性を向上させることができる。
【００７０】
光半導体層11は窒化アルミニウムからなる単結晶により構成され、光半導体層11のｃ軸を積層体12の積層方向と異なる方向に向けることができる。窒化アルミニウムの単結晶はｃ軸と平行な方向に光を発光しにくいため、光半導体層11を窒化アルミニウムからなる単結晶で形成した場合には、窒化アルミニウムのｃ軸を積層体12の積層方向と異なる方向にすることにより、積層体12の積層方向への光取出し効率を向上させることができる。
【００７１】
一方、光半導体層11が窒化アルミニウムからなる単結晶で構成され、光半導体層11のｃ軸が積層体12の積層方向と同じ方向に向いている場合には、窒化アルミニウムの単結晶がｃ軸方向と平行な方向には光を透過しにくいため、光半導体層11で発光した光が光半導体層11の上面から出射されにくくなる。その結果、発光素子８の光取出し効率の低下を招きやすくなるおそれがあった。
【００７２】
ここで、緩衝層10のロッキングカーブの半値幅の測定方法について説明する。
【００７３】
緩衝層10のロッキングカーブを測定する方法としては、Ｘ線ロッキングカーブ回折法を用いることができる。Ｘ線ロッキングカーブ回折法は、波長分散性が小さく、かつ平行性のよいＸ線を測定試料に入射させて測定する方法である。このようにして得られた測定試料のロッキングカーブは、結晶性、歪みおよび膜厚などを考慮したものとなっている。Ｘ線ロッキングカーブ回折法としては、ＪＩＳ Ｋ0131−1996に準拠した測定方法を用いて測定を行ない、測定によって得られたロッキングカーブの半値幅を求める際にもＪＩＳ Ｋ0131−1996に準拠した方法を用いる。以下に、Ｘ線ロッキングカーブ回折法の一例について具体的に説明する。
【００７４】
ロッキングカーブを測定する方法としては、Ｘ線源から出射されたＸ線を、結晶体や可動スリット等を用いることによって波長分散性および光線幅を調整して測定試料に照射し、測定試料によって回折された回折Ｘ線の強度を、例えばシンチレーションカウンタなどのＸ線検出器で検出する。
【００７５】
このように回折Ｘ線の強度をＸ線検出器によって検出する方法を用いて、測定試料を微小角度範囲でω回転させながら回折Ｘ線の強度をＸ線検出器で検出することにより、測定試料で回折された回折Ｘ線のロッキングカーブを得ることができる。
【００７６】
Ｘ線源としては、ターゲット材としてアルミニウム、銅またはマグネシウムなどの金属を用いることができ、銅を用いた場合には特性Ｘ線のＣｕＫα線などを用いることができる。なお、Ｘ線源の見かけの焦点サイズは、幅を１ｍｍとし、高さを0.5ｍｍとすることができる。
【００７７】
結晶体としては、シリコンやゲルマニウムなどの結晶を用いることができる。また、結晶体として、結晶体で反射するときの格子面間隔を、測定試料の測定対象の格子面間隔と近いものを用いることにより、高い角度分解能で測定を行なうことができる。なお、このような結晶体は、Ｘ線源から例えば650ｍｍ離れた場所に配置することができる。
【００７８】
スリットの開口部の寸法は、測定試料の大きさやＸ線検出器の有感面積を考慮して決定すればよく、幅はＸ線源の見かけの焦点サイズの幅と同じ例えば0.5ｍｍ以上１ｍｍ以下に、高さは例えば３ｍｍ以上10ｍｍ以下に設定することができる。
【００７９】
本例においては、緩衝層10の基板９と接する面９Ａ側から測定したロッキングカーブの半値幅と、緩衝層10の光半導体層11と接する面９Ｂ側から測定したロッキングカーブの半値幅とを比較することにより、ロッキングカーブの半値幅の大小を判断すればよい。緩衝層10の基板９と接する面９Ａ側と緩衝層10の光半導体層11と接する面９Ｂ側とでロッキングカーブを測定する方法としては、積層体12の基板９および光半導体層11をそれぞれ除去した後、緩衝層10において、基板９を除去した面９Ａ側からと、光半導体層11を除去した面９Ｂ側からとでそれぞれＸ線ロッキングカーブ回折法を行なえばよい。
【００８０】
なお、本例に示す、緩衝層10の基板９と接する面９Ａ側とは、基板９と緩衝層10との界面から例えば緩衝層10の厚みの10パーセント程度まで緩衝層10側に入り込んだ部分をいう。また、緩衝層10の光半導体層11と接する面９Ｂ側とは、光半導体層11と緩衝層10との界面から例えば緩衝層10の厚みの10パーセント程度まで緩衝層10側に入り込んだ部分をいう。
【００８１】
ここで、Ｘ線を緩衝層10に照射すると、Ｘ線が光線幅を有しているとともに、Ｘ線が緩衝層10の深さ方向に一部入り込んで回折されるため、緩衝層10によって回折された回折Ｘ線のロッキングカーブは、Ｘ線が照射された緩衝層10の面だけでなく、Ｘ線が緩衝層10の内部に入り込んだ領域の結晶性に依存している。Ｘ線が緩衝層10の内部に入り込む深さは、Ｘ線が緩衝層10に入射する際の角度、Ｘ線の強度および緩衝層10の材料などによって決まるが、例えば0.5μｍ以上10μｍ以下に設定することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１ 半導体層接合基板
２ 第１基板
２Ａ 第１基板の上面
３ 第１半導体層
３Ａ 第１半導体層の上面
４ 第２基板
５ 第２半導体層
６ 接合体
７ 露出面
８ 発光素子
９ 基板
10 緩衝層
10Ａ 基板と接する面
10Ｂ 光半導体層と接する面
11 光半導体層
11ａ 一導電型半導体層
11ｂ 発光層
11ｃ 逆導電型半導体層
12 積層体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体層接合基板の製造方法および半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体層を基板上に積層させる方法が種々提案されている。その場合、コストや入手しやすさの観点から、積層させる半導体層と基板とを異種材料にせざるを得ないことも多い。しかしながら、基板と基板上に結晶成長させる半導体層との熱膨張係数または格子定数などの物性値が大きく異なる材料を用いた場合には、転位または応力が半導体層に発生しやすくなるため、半導体層の結晶性を向上させることが困難であるという問題点があった。
【０００３】
そこで、半導体層とは物性値が異なる材料からなる異種基板を用いて良好に半導体層の結晶成長を行なう技術として、例えば、異種基板の一方主面に複数の溝を設けることによって、異種基板上に成長させる半導体層の結晶性を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2002−164296号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された半導体層成長の技術によれば、異種基板上に成長させる半導体層が厚くなればなるほど、異種基板と半導体層との熱膨張係数が異なることから、半導体層にクラックが入りやすくなってしまうおそれがあった。そのため、特許文献１に開示された半導体層成長の技術では、異種基板上に結晶性の良好な半導体層を厚く積層することは困難であるという問題点があった。
【０００６】
また、異種基板上に光半導体層を積層した発光素子においては、異種基板と光半導体層との熱膨張係数に大きな差がある場合が多い。そのため、光半導体層で発光した際に発生する熱に応じた応力が異種基板と光半導体層とで大きく異なることとなり、光半導体層が異種基板からはがれるおそれがあった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体層を成長させる際にクラックの発生を抑制することが可能な半導体層接合基板の製造方法を提供することにある。また本発明の他の目的は、光半導体層と基板との界面におけるはがれの発生を抑制することが可能な発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法は、第１基板の上面に、該第１基板と異なる熱膨張係数を有する第１半導体層を成長させる準備工程と、前記第１半導体層の上面に、前記第１基板よりも前記第１半導体層に近い熱膨張係数を有する第２基板を接合した後、前記第１基板を除去して前記第２基板および前記第１半導体層が接合された接合体を形成する接合体形成工程と、前記第１基板が除去された側の前記第１半導体層の露出面に、前記第１半導体層と同じ組成系の第２半導体層をさらに成長させる成長工程とを備えている。
【０００９】
また、本発明の一実施形態にかかる発光素子は、基板上に緩衝層および光半導体層が順次積層された積層体からなる発光素子であって、前記基板、前記緩衝層および前記光半導体層は同じ組成系の材料から構成されているとともに、前記緩衝層は、前記基板と接する面側におけるロッキングカーブの半値幅が前記光半導体層と接する面側におけるロッキングカーブの半値幅よりも小さくなっている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法によれば、上述のように、第１半導体層に、第１基板より第１半導体層と近い熱膨張係数を有する第２基板を接合した接合体を形成した後、第１基板が除去された第１半導体層の露出領域に、第２半導体層を積層させることにより、第１基板上に半導体層を成長させた場合と比較して、第２基板が第１半導体層と熱膨張係数が近いため、第１半導体層と第２基板との界面で発生するクラックを抑制することができる。
【００１１】
また、本発明の一実施形態にかかる発光素子によれば、上述のように、基板上に緩衝層および光半導体層が順次積層された積層体からなり、緩衝層のロッキングカーブの半値幅が光半導体層側より基板側の方が小さくなっているため、緩衝層と基板との間で発生するはがれを抑制することが可能な発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法によって製造された半導体層複合基板の実施形態の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の半導体層接合基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図３】本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる半導体層接合基板の製造方法の実施形態の一例の一工程を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる発光素子を示す斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる発光素子を示す断面図であり、図６のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面に相当する。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態の例について図を参照しながら説明する。
【００１４】
本発明は以下の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。
【００１５】
＜半導体層接合基板の製造方法＞
図１は、本発明の実施の形態の一例の半導体層接合基板１の斜視図である。図２−５は、半導体層接合基板１の製造工程を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態の半導体層接合基板１の製造方法により製造される半導体層接合基板１は、製造工程の途中で除去される第１基板２と、第１半導体層３、第２基板４および第２半導体層５とから主に製造される。
【００１７】
このように製造される半導体層接合基板１は、例えば発光素子、半導体レーザまたはト
ランジスタなどの電子部品に用いられる。
【００１８】
続いて、本発明の実施の形態の半導体層接合基板１の製造方法を説明する。
【００１９】
（準備工程）
図２に示すように、第１基板２の上面２Ａに、第１基板２と異なる熱膨張係数を有する第１半導体層３を成長させる。それぞれの構成について、以下に具体的に説明する。
【００２０】
第１基板２としては、第１半導体層３を成長させることが可能な材料を用いられる。第１基板２は、例えばサファイア（熱膨張係数5.0×10−6１／Ｋ以上6.0×10−6１／Ｋ以下）、窒化アルミニウム（熱膨張係数4.0×10−6１／Ｋ以上5.5×10−6１／Ｋ以下）、窒化ガリウム（熱膨張係数3.0×10−6１／Ｋ以上6.0×10−6１／Ｋ以下）、窒化シリコン（熱膨張係数2.0×10−6１／Ｋ以上3.5×10−6１／Ｋ以下）、窒化インジウム（熱膨張係数3.0×10−6１／Ｋ以上4.5×10−6１／Ｋ以下）またはシリコンカーバイド（熱膨張係数5.0×10−6１／Ｋ以上4.2×10−6１／Ｋ以下）などを用いることができる。なお、本明細書に記載している熱膨張係数値は、室温時における値を例示しており、この熱膨張係数はＪＩＳ Ｒ1618−1994に記載された測定方法を用いることができる。
【００２１】
また、第１基板２は、平面視形状が例えば四角形状などの多角形状または円形状などに設定することができる。なお、第１基板２の厚みは、例えば２μｍ以上2000μｍ以下に設定することができる。本例において、第１基板２はサファイアから形成されている。
【００２２】
第１半導体層３は、第１基板２と異なる熱膨張係数を有していればよく、例えば窒化ガリウム、窒化アルミニウム、アルミニウムとインジウムの窒化物の混晶（熱膨張係数1.0×10−6１／Ｋ以上8.0×10−6１／Ｋ以下）またはシリコンカーバイドなどを用いることができる。本例において、第１半導体層３は窒化アルミニウムから形成されている。
【００２３】
第１半導体層３の厚みとしては、例えば0.05μｍ以上1500μｍ以下に設定することができる。第１半導体層３の厚さが厚くなるにつれて、基板からの転位が減少するなどして結晶性を向上させることができる。そのため、第１半導体層３の厚みを、例えば１μｍ以上1500μｍ以下に設定することにより、第１半導体層３の第１基板２側と比較して、第１半導体層３の上面３Ａ側の結晶性を向上させることができる。
【００２４】
第１基板２の上面２Ａに第１半導体層３を成長させる方法としては、分子線エピタキシャル法、有機金属エピタキシャル法、ハイドライド気相成長法またはパルスレーザデポジション法などを用いることができる。
【００２５】
第１基板２上に第１半導体層３として窒化アルミニウムをエピタキシャル成長させる場合には、窒化アルミニウムの組成比、成長温度および成長圧力などの成長条件を調整すればよい。成長温度としては、例えば150℃以上1500℃以下に設定することができる。第１基板２上に第１半導体層３として窒化アルミニウムの低温バッファ層を設ける場合には、成長温度として例えば150℃以上800℃以下に設定することができる。
【００２６】
第１基板２上に第１半導体層３を成長させる際に、第１基板２上に凹凸等を形成して、第１半導体層３を横方向成長させてもよい。第１半導体層３を第１基板２上に横方向成長させた場合には、第１半導体層３の厚み方向に延びる転位を少なくすることができるため、第１半導体層３の上面３Ａ側の結晶性をさらに向上させることができる。
【００２７】
（接合体形成工程）
次に、図３に示すように、第１半導体層３の上面３Ａに、第１基板２よりも第１半導体
層３に近い熱膨張係数を有する第２基板４を接合する。それぞれの構成について、以下に具体的に説明する。
【００２８】
第２基板４としては、第１基板２よりも第１半導体層３に近い熱膨張係数を有する材料を用いればよく、例えば窒化ガリウム、窒化アルミニウム、アルミニウムとガリウムとの窒化物の混晶またはシリコンカーバイドなどの中から選択される。第２基板４としては、第１半導体層３と異なる組成系の材料を用いてもよいし、第１半導体層３と同じ組成系の材料を用いてもよい。このように第２基板４は第１半導体層３と接合するため、第２基板４として単結晶材料や多結晶材料などから自由に選択することができる。
【００２９】
第２基板４として、第１半導体層３と同じ組成系の材料を用いた場合には、第２基板４と第１半導体層３との熱膨張係数の差をより小さくすることができるため、第２基板４と第１半導体層３との密着性をさらに向上させることができる。
【００３０】
ここで、「同じ組成系」の材料とは、ある物質を構成している成分のうち大部分を占める50％以上含まれている化合物の組成からなる材料をいう。窒化アルミニウムを例示すると、窒化アルミニウムと同じ組成系の材料としては、シリコンを数％添加した窒化アルミニウム、マグネシウムを数％添加した窒化アルミニウム、またはインジウムを含む窒化アルミニウムの混晶のうち窒化アルミニウムを50％以上有するものなどがある。
【００３１】
具体的には、第１基板２としてサファイアを、第１半導体層３として窒化アルミニウムをそれぞれ用いた場合には、第２基板４として第１半導体層３と同じ組成系の材料である窒化アルミニウムの焼成体または窒化アルミニウムの結晶体などを用いることができる。窒化アルミニウムの焼結体を用いる場合には、窒化アルミニウムを焼結する際に用いる焼結助剤、焼結条件、添加剤または結晶の配向性等を変化させることによって、窒化アルミニウムの多結晶の状態を変化させて窒化アルミニウムの焼結体の熱膨張係数を調整することができる。なお、第２基板４の厚みは、第１半導体層を支持することができる厚みであればよく、例えば50μｍ以上1000μｍ以下に設定される。
【００３２】
第１半導体層３と第２基板４とを接合する方法としては、表面活性化接合法、熱圧着接合法、拡散接合法または陽極接合法などを用いることができる。なお、このような接合をする際に、例えば1.3Ｐａ以上1.3×10−5Ｐａ以下の真空状態で行なうことにより、第１半導体層３と第２基板４との間におけるボイドの発生を抑制することができる。
【００３３】
中でも、表面活性化接合法を用いた場合には、接合面を活性化させて接合するため、例えば通常600℃以上800℃以下の温度で接合するのと比べて、例えば10℃以上550℃以下の比較的低い温度で接合することができる。そのため、第１半導体層３と第２基板４との熱膨張係数の差が大きい場合であっても、第１半導体層３と第２基板４とを接合する際に、第１半導体層３と第２基板４との界面において第１半導体層３と第２基板４とにかかる応力の差を小さくすることができるため、接合強度を維持しつつ接合することができる。
【００３４】
また、第１半導体層３と第２基板４とを接合する方法として表面活性化接合法を用いる場合には、第１半導体層３の上面３Ａおよび第２基板４の接合される主面を活性化する方法として、例えば熱処理、原子ビームまたはプラズマを用いた活性化処理法などを用いることができる。
【００３５】
その後、図４に示すように、第１基板２を除去して、第２基板４および第１半導体層３が接合された接合体６を形成する。
【００３６】
第１基板２は、第１基板２の第１半導体層３が形成されていない主面側から除去される
。第１基板２を第１半導体層３から除去する方法としては、例えばウエットエッチングやドライエッチングなどのエッチング法、化学機械研磨などの研磨法またはレーザを用いたレーザリフトオフ法などを用いることができる。第１基板２として、第１半導体層３とエッチングスピードが異なる材料を用いた場合には、第１基板２をエッチング法で除去する際に第１基板２を効率よく除去することができる。そのため、第１基板２を除去する工程の生産性を向上させることができる。
【００３７】
このように第１基板２を第１半導体層３から除去して、第１半導体層３の上面３Ａとは反対の主面を露出させることにより、第２基板４と第１半導体層３とが接合した接合体６を形成することができる。
【００３８】
（成長工程）
次に、図５に示すように、第１基板２が除去された側の第１半導体層３の露出面７に、第１半導体層３と同じ組成系の第２半導体層５をさらに成長させる。それぞれの構成について、以下に具体的に説明する。
【００３９】
ここで第２半導体層５の同じ組成系として、第１半導体層３と同じ材料を用いることができる。第２半導体層５の厚みとしては、例えば0.5μｍ以上1500μｍ以下に設定することができる。本例において、第２半導体層５は第１半導体層３と同じ組成系の材料である窒化アルミニウムから形成されている。
【００４０】
また、第２半導体層５として、複数の組成が異なる層を設ける場合には、最下層が第１半導体層３と同じ組成系の材料であればよい。具体的には、特定の光を発光する光半導体層を第１半導体層３に積層する場合であれば、第１半導体層３と同じ組成系の材料からなる第２半導体層５は、複数の半導体層からなる光半導体層の最下層として用いればよい。
【００４１】
光半導体層は、具体的に、本例のように、第１半導体層３として窒化アルミニウムを用いた場合であれば、ボロン、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムのうち少なくとも１つの窒化物からなる混晶のうち主成分の組成が窒化アルミニウムであるものを用いればよい。このような光半導体層は、第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体層との間に発光層を挟むようにして構成されている。
【００４２】
本例においては、除去された第１基板２よりも第１半導体層３と近い熱膨張係数を有する第２基板４を第１半導体層３と接合した接合体６を形成した後、第１半導体層３の露出面７に第２半導体層５を成長させている。このように第２基板４および第１半導体層３が近い熱膨張係数を有することから、第１半導体層３上に第２半導体層５を成長させる際に、第２基板４および第１半導体層３の界面において第１半導体層３に発生するクラックを抑制することができる。そのため、第１半導体層３上に形成される第２半導体層５の結晶性を向上させることができる。
【００４３】
また、接合体形成工程において、第１半導体層３の上面３Ａに第２基板４を接合する前に、第１半導体層３の上面３Ａを研磨することができる。このように第１半導体層３の上面３Ａを研磨した後、この研磨した第１半導体層３の上面３Ａに第２基板４を接合することにより、第１半導体層３と第２基板４の密着性を向上させることができる。第１半導体層３と第２基板４との密着性を向上させることができることから、第１半導体層３と第２基板４との接合強度を向上させることができ、第１半導体層３上に第２半導体層５を成長させる際に第１半導体層３に発生するクラックをさらに抑制することができる。
【００４４】
このように第１半導体層３の上面３Ａを研磨する際に、第１半導体層３の上面３Ａの平坦度を例えば４μｍ以上１５μｍ以下に、または第１半導体層３の上面３Ａの表面粗さを
例えば0.005μｍ以上0.050μｍ以下にすることにより、第１半導体層３の上面３Ａと第２基板４との接合強度を向上させることができる。なお、第１半導体層３の上面３Ａの表面粗さとしては、JIS B0601-2001に準拠した最大高さ粗さＲｚを用いる。
【００４５】
さらに、第１半導体層３の上面３Ａを研磨する際に、第１半導体層３を厚み方向に一部除去することができる。第１半導体層３の第１基板２側には、第１基板２の上面２Ａから厚み方向に延びる転位が多く存在しやすいため、第１基板２を除去して露出させた第１半導体層３の主面から厚み方向に一部除去することにより、第１半導体層３の露出面７の表面状態を向上させることができる。
【００４６】
第１半導体層３の表面状態を向上させた露出面７と第２基板４とを接合することにより、第１半導体層３の露出面７上に成長させる第２半導体層５の第１半導体層３から延びる転位の数を少なくすることができる。そのため、例えば第２半導体層５の厚み方向に延びる貫通転位を少なくすることができる。このように第１半導体層３の露出面７の表面状態を向上させることにより、第１半導体層３の露出面７上に成長させる第２半導体層５の結晶性を向上させることができる。
【００４７】
第１基板２を第１半導体層３から除去する際に、第１基板２を除去した後、続いて第１半導体層３を厚み方向に一部除去することにより、工程数の増加を抑制しつつ、第１半導体層３の一部を除去することができる。
【００４８】
さらに、第１基板２および第１半導体層３を除去する方法として研磨法を用いた場合には、第１基板２から第１半導体層３の一部まで、第１基板２および第１半導体層３の積層方向に研磨しながら削除していくことにより、第１基板２および第１半導体層３を削除するとともに、第１半導体層３の露出面７の表面状態を向上させることができる。このように第１基板２および第１半導体層３を除去する方法として研磨法を用いることにより、工程数の増加を抑制しつつ、生産性を向上させることができる。
【００４９】
また、成長工程において、第２基板４の基板温度を1100℃以上にした状態で、第２半導体層５を成長させることができる。本例のように、第２基板４として熱膨張係数が第１半導体層３と近い材料を用いることから、基板温度を高くした状態で第２半導体層５を成長したとしても、第２基板４と第１半導体層３との界面で第１半導体層３に発生するクラックを抑制することができる。
【００５０】
本例においては、第１半導体層３と第２基板４との接合体６が窒化アルミニウムからなり、第１半導体層３上に第２半導体層５として窒化アルミニウムを成長させる場合に、基板温度を1100℃以上1800℃以下に設定することができる。このような基板温度に設定することによって、第１半導体層３と第２基板４との界面において、第１半導体層３に発生するクラックを抑制しつつ、第２半導体層５の成長速度を向上させることができる。そのため、第２半導体層５の成長時間を短縮することができ、成長工程の生産性を向上させることができる。
【００５１】
一方、熱膨張係数が大きく異なる基板上に第１半導体層を1100℃以上で形成した場合は、第１基板と第１半導体層との界面において、第１半導体層にクラックが発生しやすくなるとともに、第１半導体層の成長速度が遅くなるおそれがある。
【００５２】
上述の成長工程において、第１半導体層３および第２半導体層５の厚みの合計が0.1μｍ以上となるように、第２半導体層５を成長させることができる。このように第１半導体層３および第２半導体層５の厚みの合計が0.1μｍ以上となるように第２半導体層５を成長させた場合でも、第２基板４と第１半導体層の熱膨張係数の差が小さいことから、第２
基板４と第１半導体層３との界面で第１半導体層３に発生するクラックを抑制しつつ、第２半導体層５を成長させることができる。
【００５３】
一方、仮に、第１基板上に第１半導体層および第２半導体層の厚みの合計が0.1μｍ以上となるように第２半導体層を成長させた場合は、第２半導体層の熱が第１半導体層に移動する。その結果、第１半導体層と第１基板との熱膨張係数が大きく異なるため、第１半導体層および第１基板に内在する応力差が大きくなり、第１半導体層と第１基板との界面において、第１半導体層にクラックが発生しやすくなる。そのため、第１基板上に第１半導体層および第２半導体層を厚く積層することが困難だった。
【００５４】
また、接合体形成工程において、第２基板４として第１半導体層３および第２半導体層５と同じ組成系の材料から構成されている基板を用いることができる。このように第２基板４として第１半導体層３および第２半導体層５と同じ組成系の材料から構成されている基板を用いることにより、第２半導体層５を成長させる際に発生する熱を、第２基板４から効率よく放熱するとともに、第２基板４と第１半導体層３との密着性を向上させることができる。
【００５５】
さらに、第２基板４として第１半導体層３と同じ組成系の材料を用いることにより、第２基板４と第１半導体層３との熱膨張係数の差を小さくすることができるため、通常では約600℃で接合するのに対して、例えば650℃以上1500℃以下の比較的高い温度で接合することができる。このように比較的高い温度で第１半導体層３と第２基板４とを接合することにより、接合強度を向上させることができる。
【００５６】
＜発光素子＞
図６に、本発明の半導体層接合基板の製造方法を用いて製造された実施の形態の一例である発光素子８の斜視図を示す。図７は図６に示す発光素子の断面図であり、図６のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面に相当する。
【００５７】
発光素子１は、図６に示すように、基板９上に緩衝層10および光半導体層11が順次積層された積層体12からなり、基板９、緩衝層10および光半導体層11は同じ組成系の材料から構成されている。
【００５８】
基板９は、例えば窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛などの結晶性材料を用いることができる。具体的には、窒化ガリウムなどの単結晶体や窒化アルミニウムなどの多結晶体を用いることができる。基板９として多結晶体を用いた場合には、基板９上に形成される緩衝層10と近い熱膨張係数を有するように設定することが好ましい。なお、基板９は、平面視形状が多角形状や円形状に設定され、厚みが例えば50μｍ以上800μｍ以下に設定されている。なお、本例においては、基板９は窒化アルミニウムから形成されている。
【００５９】
緩衝層10は、基板９上に設けられており、基板９と同じ組成系の材料から構成されている。このような緩衝層10は、例えば0.01μｍ以上１μｍ以下に設定されている。また、緩衝層10は、基板９と接する面10Ａ側におけるロッキングカーブの半値幅が光半導体層11と接する面10Ｂ側におけるロッキングカーブの半値幅よりも小さくなっている。具体的に、緩衝層10の基板９と接する面10Ａ側におけるロッキングカーブの半値幅は、光半導体層11と接する面10Ｂ側のロッキングカーブの半値幅より小さくなっていればよく、例えば300秒以上2000秒以下に設定することができる。なお、緩衝層10の光半導体層11と接する面10Ｂ側のロッキングカーブの半値幅は、例えば500秒以上3500秒以下に設定することができる。
【００６０】
このような緩衝層10は、上述した半導体層接合基板の製造方法により形成することができる。具体的には、光半導体層11として窒化アルミニウムを用いる場合であれば、サファイアからなる第１基板２の上面に、窒化アルミニウムからなる第１半導体層３を成長させ、第１半導体層３の上面に窒化アルミニウムからなる第２基板４を接合する。その後、第１基板２を除去することにより、第２基板４からなる基板９上に、第１半導体層３からなる緩衝層10を形成することができる。
【００６１】
光半導体層11は、緩衝層10上に設けられており、厚みが例えば0.5μｍ以上10μｍ以下に設定されている。光半導体層11は、一導電型半導体層11ａ、発光層11ｂおよび逆導電型半導体層11ｃが順次積層されている。
【００６２】
光半導体層11としては、III−Ｖ族半導体を用いることができる。III−Ｖ族半導体としては、ボロン、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムのうち少なくとも１つの窒化物からなる混晶などのIII族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。本例においては、光半導体層11は窒化アルミニウムから形成されている。このように光半導体層11として窒化アルミニウムを用いた場合には、光半導体層11の各層の屈折率は、例えば1.8以上2.7以下に設定される。
【００６３】
第１導電型半導体層11ａおよび第２導電型半導体層11ｂは、電子または正孔のどちらかを多数キャリアとする導電型にそれぞれ設定されている。第１導電型半導体層11ａは、第２導電型半導体層11ｃと逆の導電型に設定されており、半導体層を所望の導電型にする方法としては、例えばマグネシウムやシリコンを不純物として混ぜる方法を用いることができる。
【００６４】
発光層11ｂは、第１導電型半導体層11ａおよび第２導電型半導体層11ｃの間に挟まれるように配置されている。発光層11ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とからなる量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）を用いることができる。障壁層および井戸層としては、インジウムとアルミニウムとの窒化物からなる混晶においてインジウムとアルミニウムとの組成比を調整したものを用いることができる。
【００６５】
本例においては、積層体12を構成する、基板９、緩衝層10および光半導体層11が窒化アルミニウムから形成されている。このように基板９、緩衝層10および光半導体層11が同じ組成系の材料で構成されていることから、基板９、緩衝層10および光半導体層11の熱膨張係数の差を小さくすることができる。そのため、光半導体層11で発生する熱によって発生する応力を、基板９と緩衝層10との、および緩衝層10と光半導体層11とのそれぞれの界面において応力差を緩和することができ、それぞれの界面ではがれの発生を抑制することができる。
【００６６】
このような積層体12からなる発光素子８には、光半導体層11に電圧を印加するための一対の電極が接続されている。一対の電極は、第１導電型半導体層11ａに電気的に接続する第１電極と、第２導電型半導体層11ｃに電気的に接続する第２電極とから構成されている。
【００６７】
このような一対の電極の材料としては、例えばアルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、タンタルまたは白金などの金属を用いることができる。
【００６８】
本例において、緩衝層10は、基板９と接する面10Ａ側におけるロッキングカーブの半値幅が、光半導体層11と接する面10Ｂ側におけるロッキングカーブの半値幅よりも小さくな
っている。すなわち、緩衝層10の基板９と接する面10Ａ側が、緩衝層10の光半導体層11と接する面10Ｂ側よりも良い結晶性を有するようになっている。
【００６９】
このように緩衝層10が基板９と結晶性の良い面で接していることから、緩衝層10と基板９とを高い密着性で接合させることができる。そのため、光半導体層11で発光した際に熱が発生した場合であっても、緩衝層10が基板９からはがれるのを抑制することができる。その結果、光半導体層11から長期にわたって安定的に発光させることができ、発光素子８の信頼性を向上させることができる。
【００７０】
光半導体層11は窒化アルミニウムからなる単結晶により構成され、光半導体層11のｃ軸を積層体12の積層方向と異なる方向に向けることができる。窒化アルミニウムの単結晶はｃ軸と平行な方向に光を発光しにくいため、光半導体層11を窒化アルミニウムからなる単結晶で形成した場合には、窒化アルミニウムのｃ軸を積層体12の積層方向と異なる方向にすることにより、積層体12の積層方向への光取出し効率を向上させることができる。
【００７１】
一方、光半導体層11が窒化アルミニウムからなる単結晶で構成され、光半導体層11のｃ軸が積層体12の積層方向と同じ方向に向いている場合には、窒化アルミニウムの単結晶がｃ軸方向と平行な方向には光を透過しにくいため、光半導体層11で発光した光が光半導体層11の上面から出射されにくくなる。その結果、発光素子８の光取出し効率の低下を招きやすくなるおそれがあった。
【００７２】
ここで、緩衝層10のロッキングカーブの半値幅の測定方法について説明する。
【００７３】
緩衝層10のロッキングカーブを測定する方法としては、Ｘ線ロッキングカーブ回折法を用いることができる。Ｘ線ロッキングカーブ回折法は、波長分散性が小さく、かつ平行性のよいＸ線を測定試料に入射させて測定する方法である。このようにして得られた測定試料のロッキングカーブは、結晶性、歪みおよび膜厚などを考慮したものとなっている。Ｘ線ロッキングカーブ回折法としては、ＪＩＳ Ｋ0131−1996に準拠した測定方法を用いて測定を行ない、測定によって得られたロッキングカーブの半値幅を求める際にもＪＩＳ Ｋ0131−1996に準拠した方法を用いる。以下に、Ｘ線ロッキングカーブ回折法の一例について具体的に説明する。
【００７４】
ロッキングカーブを測定する方法としては、Ｘ線源から出射されたＸ線を、結晶体や可動スリット等を用いることによって波長分散性および光線幅を調整して測定試料に照射し、測定試料によって回折された回折Ｘ線の強度を、例えばシンチレーションカウンタなどのＸ線検出器で検出する。
【００７５】
このように回折Ｘ線の強度をＸ線検出器によって検出する方法を用いて、測定試料を微小角度範囲でω回転させながら回折Ｘ線の強度をＸ線検出器で検出することにより、測定試料で回折された回折Ｘ線のロッキングカーブを得ることができる。
【００７６】
Ｘ線源としては、ターゲット材としてアルミニウム、銅またはマグネシウムなどの金属を用いることができ、銅を用いた場合には特性Ｘ線のＣｕＫα線などを用いることができる。なお、Ｘ線源の見かけの焦点サイズは、幅を１ｍｍとし、高さを0.5ｍｍとすることができる。
【００７７】
結晶体としては、シリコンやゲルマニウムなどの結晶を用いることができる。また、結晶体として、結晶体で反射するときの格子面間隔を、測定試料の測定対象の格子面間隔と近いものを用いることにより、高い角度分解能で測定を行なうことができる。なお、このような結晶体は、Ｘ線源から例えば650ｍｍ離れた場所に配置することができる。
【００７８】
スリットの開口部の寸法は、測定試料の大きさやＸ線検出器の有感面積を考慮して決定すればよく、幅はＸ線源の見かけの焦点サイズの幅と同じ例えば0.5ｍｍ以上１ｍｍ以下に、高さは例えば３ｍｍ以上10ｍｍ以下に設定することができる。
【００７９】
本例においては、緩衝層10の基板９と接する面９Ａ側から測定したロッキングカーブの半値幅と、緩衝層10の光半導体層11と接する面９Ｂ側から測定したロッキングカーブの半値幅とを比較することにより、ロッキングカーブの半値幅の大小を判断すればよい。緩衝層10の基板９と接する面９Ａ側と緩衝層10の光半導体層11と接する面９Ｂ側とでロッキングカーブを測定する方法としては、積層体12の基板９および光半導体層11をそれぞれ除去した後、緩衝層10において、基板９を除去した面９Ａ側からと、光半導体層11を除去した面９Ｂ側からとでそれぞれＸ線ロッキングカーブ回折法を行なえばよい。
【００８０】
なお、本例に示す、緩衝層10の基板９と接する面９Ａ側とは、基板９と緩衝層10との界面から例えば緩衝層10の厚みの10パーセント程度まで緩衝層10側に入り込んだ部分をいう。また、緩衝層10の光半導体層11と接する面９Ｂ側とは、光半導体層11と緩衝層10との界面から例えば緩衝層10の厚みの10パーセント程度まで緩衝層10側に入り込んだ部分をいう。
【００８１】
ここで、Ｘ線を緩衝層10に照射すると、Ｘ線が光線幅を有しているとともに、Ｘ線が緩衝層10の深さ方向に一部入り込んで回折されるため、緩衝層10によって回折された回折Ｘ線のロッキングカーブは、Ｘ線が照射された緩衝層10の面だけでなく、Ｘ線が緩衝層10の内部に入り込んだ領域の結晶性に依存している。Ｘ線が緩衝層10の内部に入り込む深さは、Ｘ線が緩衝層10に入射する際の角度、Ｘ線の強度および緩衝層10の材料などによって決まるが、例えば0.5μｍ以上10μｍ以下に設定することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１ 半導体層接合基板
２ 第１基板
２Ａ 第１基板の上面
３ 第１半導体層
３Ａ 第１半導体層の上面
４ 第２基板
５ 第２半導体層
６ 接合体
７ 露出面
８ 発光素子
９ 基板
10 緩衝層
10Ａ 基板と接する面
10Ｂ 光半導体層と接する面
11 光半導体層
11ａ 一導電型半導体層
11ｂ 発光層
11ｃ 逆導電型半導体層
12 積層体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板の上面に、該第１基板と異なる熱膨張係数を有する第１半導体層を成長させる準備工程と、
前記第１半導体層の上面に、前記第１基板よりも前記第１半導体層に近い熱膨張係数を有する第２基板を接合した後、前記第１基板を除去して前記第２基板および前記第１半導体層が接合された接合体を形成する接合体形成工程と、
前記第１基板が除去された側の前記第１半導体層の露出面に、前記第１半導体層と同じ組成系の第２半導体層をさらに成長させる成長工程と
を備えたことを特徴とする半導体層接合基板の製造方法。
【請求項２】
前記接合体形成工程において、前記第１半導体層の上面に前記第２基板を接合する前に、前記第１半導体層の上面を研磨することを特徴とする請求項１に記載の半導体層接合基板の製造方法。
【請求項３】
前記成長工程において、前記第２基板の基板温度を1100℃以上にした状態で、前記第２半導体層を成長させることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体層接合基板の製造方法。
【請求項４】
前記成長工程において、前記第１および第２半導体層の厚みの合計が0.1μｍ以上となるように、前記第２半導体層を成長させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体層接合基板の製造方法。
【請求項５】
前記接合体形成工程において、前記第２基板として前記第１および第２半導体層と同じ組成系の材料から構成されている基板を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体層接合基板の製造方法。
【請求項６】
基板上に緩衝層および光半導体層が順次積層された積層体からなる発光素子であって、前記基板、前記緩衝層および前記光半導体層は同じ組成系の材料から構成されているとともに、前記緩衝層は、前記基板と接する面側におけるロッキングカーブの半値幅が前記光半導体層と接する面側におけるロッキングカーブの半値幅よりも小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項７】
前記基板、前記緩衝層および前記光半導体層は、窒化アルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記光半導体層はｃ軸を有する単結晶であり、前記光半導体層の前記ｃ軸が前記積層体の積層方向と異なる方向を向いていることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【請求項１】
第１基板の上面に、該第１基板と異なる熱膨張係数を有する第１半導体層を成長させる準備工程と、
前記第１半導体層の上面に、前記第１基板よりも前記第１半導体層に近い熱膨張係数を有する第２基板を接合した後、前記第１基板を除去して前記第２基板および前記第１半導体層が接合された接合体を形成する接合体形成工程と、
前記第１基板が除去された側の前記第１半導体層の露出面に、前記第１半導体層と同じ組成系の第２半導体層をさらに成長させる成長工程と
を備えたことを特徴とする半導体層接合基板の製造方法。
【請求項２】
前記接合体形成工程において、前記第１半導体層の上面に前記第２基板を接合する前に、前記第１半導体層の上面を研磨することを特徴とする請求項１に記載の半導体層接合基板の製造方法。
【請求項３】
前記成長工程において、前記第２基板の基板温度を1100℃以上にした状態で、前記第２半導体層を成長させることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体層接合基板の製造方法。
【請求項４】
前記成長工程において、前記第１および第２半導体層の厚みの合計が0.1μｍ以上となるように、前記第２半導体層を成長させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体層接合基板の製造方法。
【請求項５】
前記接合体形成工程において、前記第２基板として前記第１および第２半導体層と同じ組成系の材料から構成されている基板を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体層接合基板の製造方法。
【請求項６】
基板上に緩衝層および光半導体層が順次積層された積層体からなる発光素子であって、前記基板、前記緩衝層および前記光半導体層は同じ組成系の材料から構成されているとともに、前記緩衝層は、前記基板と接する面側におけるロッキングカーブの半値幅が前記光半導体層と接する面側におけるロッキングカーブの半値幅よりも小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項７】
前記基板、前記緩衝層および前記光半導体層は、窒化アルミニウムを含んでいることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記光半導体層はｃ軸を有する単結晶であり、前記光半導体層の前記ｃ軸が前記積層体の積層方向と異なる方向を向いていることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−３３７２９（Ｐ２０１２−３３７２９Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７２３５４（Ｐ２０１０−１７２３５４）
【出願日】平成２２年７月３０日（２０１０．７．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月３０日（２０１０．７．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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