半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子及びサファイア単結晶基板
【課題】直径１００ｍｍ以上の大口径であっても結晶欠陥部分が少なく、化合物半導体層のエピタキシャル形成に適した高品質かつ低コストのサファイア単結晶基板、および、かかる基板上に化合物半導体層を成膜した高品質の半導体発光素子を安定的に提供する。
【解決手段】ＩＩＩ族化合物半導体層を有する半導体発光素子の製造方法であって、サファイア単結晶のインゴットからウエーハを切り出す基板切り出し工程Ｓ２００と、切り出したウエーハについてラング法によるＸ線トポグラフィ測定を行い、（１１−２０）面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内を判断基準とする湾曲補正値Δωにより補正したＸ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むウエーハを選別する選別工程Ｓ５００と、選別されたウエーハの被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層を成膜する半導体層成膜工程Ｓ８００と、を有する。
【解決手段】ＩＩＩ族化合物半導体層を有する半導体発光素子の製造方法であって、サファイア単結晶のインゴットからウエーハを切り出す基板切り出し工程Ｓ２００と、切り出したウエーハについてラング法によるＸ線トポグラフィ測定を行い、（１１−２０）面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内を判断基準とする湾曲補正値Δωにより補正したＸ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むウエーハを選別する選別工程Ｓ５００と、選別されたウエーハの被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層を成膜する半導体層成膜工程Ｓ８００と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子及びサファイア単結晶基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層等の化合物半導体層を有する半導体発光素子は、サファイア単結晶等からなる基板表面上に化合物半導体層を成膜し、その上にさらに正極や負極等の電極を設けた後、基板の裏面を研削及び研磨し、その後、適当な形状に切断することにより発光素子チップとして調製される（特許文献１参照）。
また、サファイア単結晶の基板については、特許文献２に、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が２０ａｒｃｓｅｃ以下の高品質サファイア基板を用いた半導体発光素子が記載されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７７５２５号公報
【特許文献２】特開２００８−１００８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、化合物半導体層が積層されるサファイア単結晶基板は、例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により製造された単結晶のインゴットを切り出して得られる。一般に、ＣＺ法では、アルミナ融液からサファイア単結晶を成長させる際、製造条件のわずかな変動により、サファイア単結晶に結晶欠陥が生じることが知られている。特に、直径１００ｍｍ以上の大口径のサファイア単結晶基板を安定的に作製するのが困難である。このような結晶欠陥が多いサファイア単結晶基板を使用すると、発光素子の発光効率の低下等、所望の性能に到達せず、収率低下を招く場合がある。
本発明の目的は、直径１００ｍｍ以上の大口径であっても結晶欠陥部分が少なく、化合物半導体層のエピタキシャル形成に適した高品質かつ低コストのサファイア単結晶基板を提供し、さらに、かかる基板上に化合物半導体層を成膜した高品質の半導体発光素子を安定的に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、下記［１］〜［１１］に係る発明が提供される。
［１］ＩＩＩ族化合物半導体層を有する半導体発光素子の製造方法であって、サファイア単結晶のインゴットから所定の厚さのサファイアウエーハを切り出す基板切り出し工程と、基板切り出し工程において切り出したサファイアウエーハについてラング法によるＸ線トポグラフィ測定を行い、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内を判断基準とする湾曲補正値Δωにより補正したＸ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むサファイアウエーハを選別する選別工程と、選別工程により選別されたサファイアウエーハをサファイア基板として、サファイア基板の被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層を成膜する半導体層成膜工程と、選別工程により排除したサファイアウエーハをサファイア単結晶のインゴット育成用原料として再利用するサファイア単結晶引き上げ工程と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
［２］基板切り出し工程において、サファイアウエーハとしてインゴットからサファイア単結晶のＣ面（（０００１）面）を切り出すことを特徴とする前項［１］に記載の半導体発光素子の製造方法。
［３］半導体層成膜工程において、サファイア基板の被成膜面上に、サファイア基板側から、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を順次積層することを特徴とする前項［１］又は［２］に記載の半導体発光素子の製造方法。
［４］サファイア基板とＩＩＩ族化合物半導体層との間に、スパッタ法によりＩＩＩ族化合物半導体からなる中間層を成膜する中間層形成工程を有することを特徴とする前項［１］乃至［３］のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
［５］ＩＩＩ族化合物半導体層と中間層との間に、さらに下地層を成膜することを特徴とする前項［４］に記載の半導体発光素子の製造方法。
【０００６】
［６］前項［１］乃至［５］のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法により製造したことを特徴とする半導体発光素子。
【０００７】
［７］被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層が成膜されるサファイア単結晶からなるサファイア単結晶基板であって、サファイア単結晶は、ラング法によるＸ線トポグラフィ測定において、サファイア単結晶の格子面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正したＸ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むことを特徴とするサファイア単結晶基板。
［８］直径１００ｍｍ以上であることを特徴とする前項［７］に記載のサファイア単結晶基板。
［９］インゴットからサファイア単結晶のＣ面を切り出すことより得られるサファイアウエーハからなることを特徴とする前項［７］又は［８］に記載のサファイア単結晶基板。
［１０］サファイア単結晶の格子面がＡ面（（１１−２０）面）であることを特徴とする前項［７］乃至［９］のいずれかに記載のサファイア単結晶基板。
［１１］直径１５０ｍｍ以上、厚さ０．８ｍｍ以上、湾曲補正値Δωが基板全体で±０．１５°以内であることを特徴とする前項［７］乃至［１０］のいずれかに記載のサファイア単結晶基板。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、本構成を有しない場合と比べ、結晶欠陥部分が少ないサファイア単結晶基板上に化合物半導体層を成膜した高品質の半導体発光素子が安定的に得られる。
また、結晶欠陥の多いサファイア単結晶基板を原料として再利用することにより、低コストなサファイア単結晶基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態が適用される半導体発光素子の製造方法の流れを説明するフローチャートである。
【図２】単結晶引き上げ装置の一例を説明する図である。
【図３】図２に示す単結晶引き上げ装置を用いて製造されるサファイアインゴットの構成の一例を示している。
【図４】サファイアウエーハのラング法によるＸ線トポグラフィ測定の一例を説明する図である。
【図５】半導体発光素子の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するための一例であり、実際の大きさを表すものではない。
【００１１】
図１は、本実施の形態が適用される半導体発光素子の製造方法の流れを説明するフローチャートである。半導体発光素子の製造方法においては、先ず、ＣＺ法によりサファイア単結晶のインゴットを製造する。サファイア単結晶のインゴットを製造するには、坩堝に充填した酸化アルミニウムと、後述するステップ５００（選別工程）において排除（ＮＯ）されたサファイアウエーハを溶融（アルミナ融液）し、種結晶をアルミナ融液表面に接触させ、種結晶を回転させながら上方に引き上げてサファイア単結晶を成長させる（ステップ１００：サファイア単結晶引き上げ工程）。次に、得られたサファイア単結晶のインゴットを所定の厚さに切断しサファイアウエーハを切り出す（ステップ２００：基板切り出し工程）。
【００１２】
次に、切り出したサファイアウエーハについてウエットエッチング処理を施し、切り出しにより受けた加工ダメージ（破砕層）を除去する（ステップ３００）。続いて、Ｘ線トポグラフィ測定法（ラング法）により、ウエットエッチング処理を施したサファイアウエーハにおけるサファイア単結晶の結晶欠陥を測定する（ステップ４００）。続いて、サファイアウエーハのＸ線トポグラフィ測定において、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られる透過Ｘ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正した透過Ｘ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むサファイアウエーハを選別する（ステップ５００：選別工程）。湾曲補正値Δωについては後述する。
【００１３】
次に、選別工程により選別されたサファイアウエーハの被研磨面を研磨し、被研磨面を鏡面状態に仕上げる（ステップ７００）。続いて、被研磨面に鏡面仕上げを施されたサファイアウエーハをサファイア単結晶基板とし、このサファイア単結晶基板の被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層を成膜する（ステップ８００：半導体層成膜工程）。続いて、ＩＩＩ族化合物半導体層を成膜したサファイア単結晶基板に電極を取り付け、さらに、サファイア単結晶基板の被研削面を、例えば、固定砥石を用いて所定の厚さになるまで研削し、研削処理によってダメージを受けた基板の被研削面を、例えば、遊離砥粒を用いるラッピング処理および研磨処理により、サファイア単結晶基板の厚さを所定の厚さに調整する（ステップ９００）。そして、ラッピング処理の後、サファイア単結晶基板は所定の大きさに切断され、発光素子チップが得られる（ステップ１０００）。以下、各ステップについて説明する。
【００１４】
（ステップ１００）
本実施の形態では、所定の単結晶引き上げ装置を使用し、ＣＺ法によりサファイア単結晶のインゴットを製造する。
図２は、単結晶引き上げ装置Ｉの一例を説明する図である。図２に示すように、単結晶引き上げ装置Ｉは、サファイアの単結晶からなるサファイアインゴット３０を成長させるための加熱炉１０を備える。加熱炉１０は断熱容器１１を備える。断熱容器１１は円柱状の外形を有し、その内部には円柱状の空間が形成されている。断熱容器１１は、例えば、ジルコニア製の断熱部材からなる部品を組み立てて構成される。加熱炉１０は、内部の空間に断熱容器１１を収容するチャンバ１４を備える。加熱炉１０は、チャンバ１４の側面に貫通形成され、チャンバ１４の外部からチャンバ１４を介して断熱容器１１の内部にガスを供給するガス供給管１２を備える。同じく、チャンバ１４の側面に貫通形成され、断熱容器１１の内部からチャンバ１４を介して外部にガスを排出するガス排出管１３をさらに備える。
【００１５】
断熱容器１１の内側下方には、坩堝１５が、鉛直上方に向かって開口するように配置されている。坩堝１５は例えば、イリジウムによって構成され、酸化アルミニウムと、後述するように、ラング法によるサファイア単結晶のＸ線トポグラフィ測定における湾曲補正値（Δω）の範囲を満たさないとして排除（ＮＯ）されたサファイアウエーハとを加え、これらを溶融してなるアルミナ融液３５を収容する。さらに、既にサファイアウエーハの切り出しに用いた他のインゴットの肩部、尾部を坩堝１５に加え、これらもサファイア単結晶のインゴットを製造するための原料として再利用し、アルミナ融液３５を調製しても良い。尚、湾曲補正値（Δω）については後述する。
加熱炉１０は、金属製の加熱コイル１６を備えている。加熱コイル１６は、断熱容器１１の下部側の側面外側であってチャンバ１４の下部側の側面内側となる部位に巻き回されている。加熱コイル１６は、断熱容器１１を介して坩堝１５の壁面と対向するように配置されている。加熱コイル１６の下側端部は、坩堝１５の下端よりも下側に位置し、加熱コイル１６の上側端部は坩堝１５の上端よりも上側に位置するようになっている。
【００１６】
加熱コイル１６は、例えば、中空状の銅管によって構成され、螺旋状に巻き回され、全体としてみたときに円筒状の形状を有している。本実施の形態では、加熱コイル１６の上部側の内径と下部側の内径とがほぼ同一である。これにより、巻き回された加熱コイル１６によってその内部に形成される空間が円柱状となっている。また、円柱状の空間を通る加熱コイル１６の中心軸は、水平方向に対しほぼ垂直、すなわち鉛直方向に沿うようになっている。坩堝１５は、加熱コイル１６によって形成される円柱状の空間の内側に配置されている。そして、坩堝１５は、加熱コイル１６によって形成される円形状の領域のほぼ中央となる部位に置かれる。
【００１７】
加熱炉１０は、断熱容器１１、チャンバ１４それぞれの上面に設けられた貫通孔を介して上方から下方に伸びる引き上げ棒１７を備えている。引き上げ棒１７は、鉛直方向への移動および軸を中心とする回転が可能となるように取り付けられている。なお、チャンバ１４に設けられた貫通孔と引き上げ棒１７との間には、図示しないシール材が設けられている。そして、引き上げ棒１７の鉛直下方側の端部には、サファイアインゴット３０を成長させるための基となる種結晶３１（後述する図３参照）を装着、保持させるための保持部材１８が取り付けられている。
【００１８】
単結晶引き上げ装置Ｉは、引き上げ棒１７を鉛直上方に引き上げるための引き上げ駆動部１９および引き上げ棒１７を回転させるための回転駆動部２０を備えている。ここで、引き上げ駆動部１９はモータ等で構成されており、引き上げ棒１７の引き上げ速度を調整できるようになっている。また、回転駆動部２０もモータ等で構成されており、引き上げ棒１７の回転速度を調整できるようになっている。
単結晶引き上げ装置Ｉは、ガス供給管１２を介してチャンバ１４の内部にガスを供給するガス供給部２１を備えている。本実施の形態において、ガス供給部２１は、Ｏ２源２２から供給される酸素とＮ２源２３から供給される不活性ガスの一例としての窒素とを混合した混合ガスを供給する。そして、ガス供給部２１は、酸素と窒素との混合比を可変することで、混合ガス中の酸素濃度を調整する。また、チャンバ１４の内部に供給する混合ガスの流量の調整も行う。
【００１９】
単結晶引き上げ装置Ｉは、ガス排出管１３を介してチャンバ１４の内部からガスを排出する排気部２４を備えている。排気部２４は、例えば、真空ポンプ等を備え、チャンバ１４内の減圧や、ガス供給部２１から供給されたガスの排気をすることが可能である。
単結晶引き上げ装置Ｉは、加熱コイル１６に電流を供給するコイル電源２５を備える。コイル電源２５は、加熱コイル１６への電流の供給の有無および供給する電流量を設定する。
また、単結晶引き上げ装置Ｉは、引き上げ棒１７を介して引き上げ棒１７の下部側に成長するサファイアインゴット３０の重量を検出する重量検出部２７を備える。この重量検出部２７は、例えば、公知の重量センサ等を含んで構成される。
【００２０】
そして、単結晶引き上げ装置Ｉは、上述した引き上げ駆動部１９、回転駆動部２０、ガス供給部２１、排気部２４、コイル電源２５、コイル駆動部の動作を制御する制御部２６を備えている。また、制御部２６は、重量検出部２７から出力される重量信号に基づき、引き上げられるサファイアインゴット３０の結晶直径の計算をおこない、コイル電源２５にフィードバックする。
【００２１】
＜サファイアインゴット３０＞
図３は、図２に示す単結晶引き上げ装置Ｉを用いて製造されるサファイアインゴット３０の構成の一例を示している。
このサファイアインゴット３０は、サファイアインゴット３０を成長させるための基となる種結晶３１と、種結晶３１の下部に延在しこの種結晶３１と一体化した肩部３２と、肩部３２の下部に延在し肩部３２と一体化した直胴部３３と、直胴部３３の下部に延在し直胴部３３と一体化した尾部３４とを備えている。本実施の形態では、このサファイアインゴット３０においては、上方の種結晶３１側から下方の尾部３４側に向けてｃ軸方向にサファイアの単結晶が成長している。
【００２２】
ここで、肩部３２は、種結晶３１側から直胴部３３側に向けて、徐々にその直径が拡大していく形状を有している。また、直胴部３３は、上方から下方に向けてその直径がほぼ同じとなるような形状を有している。なお、直胴部３３の直径は、予め設計されたサファイア単結晶のウエーハの直径よりもわずかに大きな値に設定される。直胴部３３の直径（断面直径）をインゴット径Ｄｉｎｇと記す。尾部３４は、上方から下方に向けて徐々にその直径が縮小し、上方から下方に向けて凸状となる形状（凸形状）を有している。尾部３４の上下方向の長さを尾部長さＨＴと記す。
【００２３】
＜サファイアインゴット３０を製造する手順＞
サファイアインゴット３０の製造に際し、先ず、チャンバ１４内の坩堝２０内に充填された固体の酸化アルミニウムを加熱によって溶融する（アルミナ融液３５）。次に、アルミナ融液３５に種結晶３１の下端部を接触させた状態で温度調整を行う。次いで、アルミナ融液３５に接触させた種結晶３１を回転させながら上方に引き上げ、種結晶３１の下方に肩部３２を形成する。引き続いて、種結晶３１を介して肩部３２を回転させながら上方に引き上げ、肩部３２の下方に直胴部３３を形成する。さらに引き続いて、種結晶３１および肩部３２を介して直胴部３３を回転させながら上方に引き上げてアルミナ融液３５から引き離し、直胴部３３の下方に尾部３４を形成する。その後、得られたサファイアインゴット３０が冷却された後にチャンバ１４の外部に取り出される。その後、サファイアインゴット３０の熱歪を除去するため、熱処理工程を加えることが望ましい。
【００２４】
（ステップ２００）
次に、このようにして得られたサファイアインゴット３０は、先ず、肩部３２と直胴部３３との境界および直胴部３３と尾部３４との境界においてそれぞれ切断され、直胴部３３が切り出される。次に、切り出された直胴部３３は、さらに、例えば、マルチワイヤーソーにより、長手方向と直交する方向に切断され、サファイア単結晶のウエーハ（サファイアウエーハ）として切り出される。このとき、本実施の形態のサファイアインゴット３０は、サファイア単結晶のｃ軸方向に結晶成長していることから、得られるウエーハの主面は、サファイア単結晶のＣ面（（０００１）面）となる。
【００２５】
（ステップ３００）
次に、切り出したサファイアウエーハについてウエットエッチング処理を施し、マルチワイヤーソーを用いた切り出しにより受けた加工ダメージ（破砕層）を除去する。ウエットエッチング処理の条件は特に限定されないが、例えば、１３０℃程度の温度において、サファイアウエーハをリン酸等の酸溶液中に浸漬する方法、サファイアウエーハの表面に酸溶液を吹き付ける方法等が挙げられる。ウエットエッチング処理後は、例えば、温水リンス等を用いてサファイアウエーハの表面を洗浄後、乾燥する。
【００２６】
（ステップ４００）
次に、ウエットエッチング処理を施したサファイアウエーハについて、ラング法によるＸ線トポグラフィ測定を行い、サファイア単結晶の結晶欠陥を測定する。
図４は、サファイアウエーハのラング法によるＸ線トポグラフィ測定の一例を説明する図である。図４に示すように、Ｘ線トポグラフィ測定に用いるラングカメラは、所定のＸ線管（図示せず）に内蔵されたＸ線源１と、横スリット２ａと縦スリット２ｂとからなる発散スリット２と、ブラッグ回折条件を満たす回折Ｘ線を制限する一対の制限スリット板３と、フィルム４とを有している。また、図示しないが、ラングカメラは、フィルム４の後方に配置したカウンタと、測定するサファイアウエーハ５を保持する円形状の試料ホルダ、試料ホルダを水平方向へ往復直進移動可能に固定するスライダ上に固定された支持フレーム、フィルム４を支持する支持フレーム及びこれと一体なアームを有している。
【００２７】
図４に示す通り、Ｘ線源１から放射されたＸ線は発散スリット２によって発散角が制限され、測定対象であるサファイアウエーハ５に入射する。このとき、サファイアウエーハ５に照射されるＸ線照射野は、サファイアウエーハ５の垂直方向に細長い帯状の領域となる。
サファイアウエーハ５は、水平方向に延びる中心軸線（図示せず）を中心として面内回転すると共に、垂直軸線Ｌ２を中心とし、Ｘ線の入射角度を調整するための回転（ω回転）を行う。これにより、サファイアウエーハ５に照射されるＸ線照射野の全体から、ブラッグ回折条件を満たすＸ線回折が起きるように角度位置の調整が行われる。サファイアウエーハ５を透過する透過Ｘ線６に対し、このブラッグ回折条件を満たす回折Ｘ線７は、制限スリット板３の間に形成されたスリットを通過してフィルム４に入射し、そこに細長い帯状の回折Ｘ線像８を形成する。
本実施の形態では、サファイアウエーハ５に照射されるＸ線照射野の全体から、サファイア単結晶の格子面としてＡ面（（１１−２０）面）から得られる回折Ｘ線７により回折Ｘ線像８を形成している。
【００２８】
ここで、所定のスライダ（図示せず）によって、サファイアウエーハ５及びフィルム４を一体に方向Ａに平行移動させ、Ｘ線照射野をサファイアウエーハ５の一端から他端まで一定速度で走査する。このとき、サファイアウエーハ５の全面にわたる回折Ｘ線７による回折Ｘ線像８がフィルム４上に撮像されて、いわゆるＸ線トポグラフが作成される。そして、この回折Ｘ線像８を観察することにより、サファイアウエーハ５の結晶欠陥が判定される。尚、本実施の形態では、サファイア単結晶基板の周辺３ｍｍを除くすべての領域に照射されるＸ線照射野から回折Ｘ線像８を形成している。
【００２９】
（ステップ５００）
前述したように、サファイアウエーハ５は、Ｘ線の入射角度を調整するため、垂直軸線Ｌ２を中心として回転（ω回転）する。これにより、サファイアウエーハ５から、サファイア単結晶の格子面としてＡ面（（１１−２０）面）のブラッグ回折条件を満たすＸ線回折が起きるように入射角度（ω）位置が調整される。入射角度（ω）位置の調整は、サファイアウエーハ５の中心にＸ線を照射して行われる。
次に、本実施の形態では、サファイアウエーハ５に入射するＸ線の入射角度（ω）を固定し、サファイアウエーハ５及びフィルム４を、一体に方向Ａに平行移動させる。このとき、サファイアウエーハ５及びフィルム４を平行移動させる方法は、これらを一体として連続的に移動させてもよく、また、一定幅のピッチ毎にステップ走査でも構わない。本実施の形態では、一定幅のピッチ毎にステップ走査を行う方法を採用している。
【００３０】
ここで、サファイアウエーハ５のサファイア単結晶に結晶欠陥が存在すると、（１１−２０）面に基づくブラッグ回折条件を満たす回折Ｘ線７による回折Ｘ線像８が形成されない。本実施の形態では、サファイアウエーハ５を、垂直軸線Ｌ２を中心として回転（ω回転）させ、ブラッグ回折条件を満たす回折Ｘ線像８が得られるように、サファイアウエーハ５のサファイア単結晶に入射するＸ線の入射角度を補正する。本実施の形態では、サファイア単結晶が結晶欠陥部分を含む場合、その結晶欠陥部分にＸ線を入射させ、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度（ω）に対し、サファイアウエーハ５を回転（ω回転）させ、ブラッグ回折条件を満たす回折Ｘ線像８を得る操作を湾曲補正と称し、そのときの回転角度を湾曲補正値（Δω）と称する。
【００３１】
本実施の形態では、ラング法によるサファイア単結晶のＸ線トポグラフィ測定において、上述した湾曲補正値（Δω）の範囲（−０．１５°≦Δω≦０．１５°）を判断基準としてサファイアウエーハ５を選別している。
すなわち、サファイア単結晶が、上述した湾曲補正値（Δω）が±０．１５°の範囲内で補正したＸ線によりＸ線回折像が得られるサファイアウエーハ５を採用（ＹＥＳ）し、湾曲補正値（Δω）が過度に大きいものを排除（ＮＯ）し、その選別を行っている。
選別されたサファイアウエーハ５は、後述するＩＩＩ族化合物半導体層の成膜工程におけるサファイア単結晶基板として使用され、半導体発光素子が製造される。ここで、湾曲補正値（Δω）の絶対値が過度に大きい場合は、高密度の結晶欠陥により結晶面方位のズレが発生している。このようなサファイアウエーハ５をＩＩＩ族化合物半導体層の成膜工程におけるサファイア単結晶基板として使用すると、このようなサファイア単結晶基板の被成膜面には、ＩＩＩ族化合物半導体層のエピタキシャル形成が良好に進行しない。
尚、サファイア単結晶基板の湾曲補正値（Δω）の変化は、サファイアウエーハ５の一端から他端にかけてなだらかに変化することが望ましい。サファイア単結晶基板内における湾曲補正値（Δω）のなだらかな変化は、サファイア単結晶基板の被成膜面にＩＩＩ族化合物半導体層をエピタキシャル形成する際に欠陥が発生しにくいと推測される。
【００３２】
（ステップ６００）
ここで、上述した湾曲補正値（Δω）の範囲を満たさないとして排除（ＮＯ）されたサファイアウエーハは、断熱容器１１の内側下方に配置した坩堝１５に加えられ、ＣＺ法によるサファイア単結晶のインゴットの製造コストを低減するための原料として再利用される。選別工程（ステップ６００）において排除（ＮＯ）されたサファイアウエーハは、選別されたサファイアウエーハと比較すると、サファイア単結晶の結晶欠陥は多い。しかし、サファイアインゴット３０の製造に用いる原料としてアルミナの純度が充分高いので、原料としての品質を満足している。
【００３３】
（ステップ７００）
次に、選別工程により選別されたサファイアウエーハの被研磨面を研磨し、被研磨面を鏡面状態に仕上げる。サファイアウエーハの被研磨面を研磨する方法は、特に限定されない。例えば、ダイヤモンド砥粒を用いてサファイアウエーハの被研磨面を研磨し、さらに、酸を用いて被研磨面の表面をエッチングし、その後、洗浄することが、望ましい。
さらに、発光素子の発光効率を高める為、サファイアウエーハの表面に微細な凹凸加工を施すことが望ましい。微細な凹凸加工としては、例えば、直径が約２μｍ、高さが約１μｍの凸部を、サファイアウエーハの表面に約３μｍ間隔に配置する。凸部の加工は、公知のフォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術、ウエットエッチング技術を利用できる。凸部の形状は、半球、円錐、円柱、角錐、角柱などの形状を利用でき、なかでも円錐、半球状が望ましい。
【００３４】
（ステップ８００）
本実施の形態において半導体発光素子（ＬＣ）は、上述した工程を経て選別されたサファイアウエーハ５をサファイア単結晶基板として使用し、このサファイア単結晶基板上にＩＩＩ族化合物半導体層を成膜する。
次に、本実施の形態が適用される半導体発光素子の製造方法により製造する半導体発光素子の構成を説明する。本実施の形態において製造される半導体発光素子は、基板と基板上に成膜された化合物半導体層とを有している。化合物半導体層を構成する化合物半導体としては、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体等が挙げられる。本実施の形態では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が好ましく、中でも、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体が好ましい。以下に、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体から構成された化合物半導体層を有する半導体発光素子を例に挙げて説明する。
【００３５】
（半導体発光素子）
図５は、本実施の形態において製造される半導体発光素子の一例を説明する図である。図５に示すように、半導体発光素子（ＬＣ）は、サファイア単結晶基板１１０上に形成された中間層１２０の上に、下地層１３０とＩＩＩ族化合物半導体層１００とを有している。ＩＩＩ族化合物半導体層１００は、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０、ｐ型半導体層１６０が順次積層されている。
さらに、ｐ型半導体層１６０上に透明正極１７０が積層され、その上に正極ボンディングパッド１８０が形成されるとともに、ｎ型半導体層１４０のｎ型コンタクト層１４０ａに形成された露出領域１４０ｃに負極１９０が積層されている。
【００３６】
ここで、下地層１３０上に成膜されたｎ型半導体層１４０は、ｎ型コンタクト層１４０ａ及びｎ型クラッド層１４０ｂを有する。発光層１５０は、障壁層１５０ａ及び井戸層１５０ｂが交互に積層された構造を有する。ｐ型半導体層１６０は、ｐ型クラッド層１６０ａ及びｐ型コンタクト層１６０ｂが積層されている。
本実施の形態では、サファイア単結晶基板１１０上に成膜された化合物半導体層（中間層１２０、下地層１３０及びＩＩＩ族化合物半導体層１００を合わせた層）の合計の厚さは、好ましくは３μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上、さらに望ましくは８μｍ以上である。また、これらの合計の厚さは、好ましくは１５μｍ以下がよい。
次に、半導体発光素子（ＬＣ）を構成する各層の材料について説明する。
【００３７】
（中間層１２０）
本実施の形態では、ＩＩＩ族化合物半導体層１００を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により成膜する際に、バッファ機能を発揮する中間層１２０をサファイア単結晶基板１１０上に設けることが好ましい。特に、中間層１２０が単結晶構造であることは、バッファ機能の面から好ましい。単結晶構造を有する中間層１２０をサファイア単結晶基板１１０上に成膜した場合、中間層１２０のバッファ機能が有効に作用し、中間層１２０上に成膜される下地層１３０とＩＩＩ族化合物半導体層１００は、良好な配向性及び結晶性を持つ結晶膜となる。
中間層１２０は、Ａｌを含有することが好ましく、ＩＩＩ族窒化物であるＡｌＮを含むことが特に好ましい。中間層１２０を構成する材料としては、一般式ＡｌＧａＩｎＮで表されるＩＩＩ族窒化物化合物半導体であれば特に限定されない。さらに、Ｖ族として、ＡｓやＰが含有されても良い。中間層１２０が、Ａｌを含む組成の場合、ＡｌＧａＮとすることが好ましく、Ａｌの組成が５０％以上であることが好ましい。
【００３８】
（下地層１３０）
下地層１３０に用いる材料としては、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物（ＧａＮ系化合物半導体）が用いられ、特に、ＡｌＧａＮ、又はＧａＮを好適に用いることができる。下地層１３０の膜厚は０．１μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。
【００３９】
（ｎ型半導体層１４０）
ｎ型半導体層１４０は、ｎ型コンタクト層１４０ａ及びｎ型クラッド層１４０ｂから構成される。ｎ型コンタクト層１４０ａとしては、下地層１３０と同様にＧａＮ系化合物半導体が用いられる。また、下地層１３０及びｎ型コンタクト層１４０ａを構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を０．１μｍ〜２０μｍ、好ましくは０．５μｍ〜１５μｍ、さらに好ましくは１μｍ〜１２μｍの範囲に設定することが好ましい。
【００４０】
ｎ型クラッド層１４０ｂは、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ等によって形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ＧａＩｎＮとする場合には、後述する発光層１５０を構成する井戸層１５０ｂのＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましい。ｎ型クラッド層１４０ｂの膜厚は、好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍであり、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲である。
【００４１】
（発光層１５０）
発光層１５０は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層１５０ａと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１５０ｂとが交互に繰り返して積層され、且つ、ｎ型半導体層１４０側及びｐ型半導体層１６０側に障壁層１５０ａが配される順で積層して形成される。本実施の形態では、発光層１５０は、６層の障壁層１５０ａと５層の井戸層１５０ｂとが交互に繰り返して積層され、発光層１５０の最上層及び最下層に障壁層１５０ａが配され、各障壁層１５０ａ間に井戸層１５０ｂが配される構成とされている。
井戸層１５０ｂには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ｇａ１−ｓＩｎｓＮ（０＜ｓ＜０．４）等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
井戸層１５０ｂの膜厚としては、特に限定されないが、量子効果が得られる程度の膜厚であり、臨界膜厚以下の領域であることが好ましい。例えば、井戸層１５０ｂの膜厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であることが好ましく、２ｎｍ〜６ｎｍの膜厚であればより好ましい。
障壁層１５０ａとしては、井戸層１５０ｂよりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ≦０．３）等の窒化ガリウム系化合物半導体を好適に用いることができる。
【００４２】
（ｐ型半導体層１６０）
ｐ型半導体層１６０は、ｐ型クラッド層１６０ａ及びｐ型コンタクト層１６０ｂから構成される。ｐ型クラッド層１６０ａとしては、好ましくは、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ≦０．４）が挙げられる。ｐ型クラッド層１６０ａの膜厚は、好ましくは１ｎｍ〜４００ｎｍであり、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍである。
ｐ型コンタクト層１６０ｂとしては、少なくともＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０≦ｅ＜０．５）を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層が挙げられる。ｐ型コンタクト層１６０ｂの膜厚は、特に限定されないが、１０ｎｍ〜５００ｎｍが好ましく、より好ましくは５０ｎｍ〜２００ｎｍである。
【００４３】
（透明正極１７０）
透明正極１７０を構成する材料としては、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３）等の従来公知の材料が挙げられる。また、透明正極１７０の構造は特に限定されず、従来公知の構造を採用することができる。透明正極１７０は、ｐ型半導体層１６０上のほぼ全面を覆うように形成しても良く、格子状や樹形状に形成しても良い。
【００４４】
（正極ボンディングパッド１８０）
透明正極１７０上に形成される電極としての正極ボンディングパッド１８０は、例えば、従来公知のＡｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ等の材料から構成される。正極ボンディングパッド１８０の構造は特に限定されず、従来公知の構造を採用することができる。
正極ボンディングパッド１８０の厚さは、１００ｎｍ〜１，０００ｎｍの範囲内であり、好ましくは３００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内である。
【００４５】
（負極１９０）
図５に示すように、負極１９０は、サファイア単結晶基板１１０上に成膜された中間層１２０及び下地層１３０の上にさらに成膜されたＩＩＩ族化合物半導体層１００（ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０）において、ｎ型半導体層１４０のｎ型コンタクト層１４０ａに接するように形成される。このため、負極１９０を形成する際は、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０及びｎ型半導体層１４０の一部を除去し、ｎ型コンタクト層１４０ａの露出領域１４０ｃを形成し、この上に負極１９０を形成する。
負極１９０の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【００４６】
本実施の形態では、先ず、サファイア単結晶基板１１０上に、Ｖ族元素を含むガスと金属材料とをプラズマで活性化して反応させ、ＩＩＩ族窒化物からなる中間層１２０を成膜する。続いて、成膜した中間層１２０上に、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０、及びｐ型半導体層１６０を順次積層する。
【００４７】
本実施の形態では、サファイア単結晶基板１１０上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる際、中間層１２０は、スパッタ法を用いて、プラズマで活性化して反応した原料をサファイア単結晶基板１１０上に成膜することが好ましい。ここで、Ｖ族元素を窒素とし、中間層１２０を成膜する際のガス中における窒素のガス分率を５０％〜９９％以下の範囲とするとともに、中間層１２０を単結晶組織として形成する。これにより、短時間で良好な結晶性を有する中間層１２０が、サファイア単結晶基板１１０上に成膜される。その結果、中間層１２０上に、中間層１２０を設けない場合と比較して、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体が成長する。
【００４８】
本実施の形態では、中間層１２０をスパッタ法によって形成した後、その上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０を順次成膜することが好ましい。
ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして、例えば、水素（Ｈ２）又は窒素（Ｎ２）等が用いられる。ＩＩＩ族原料であるＧａ源として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）等が用いられる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）等が用いられる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩ）等が用いられる。Ｖ族原料であるＮ源として、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）等が用いられる。
ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等が用いられる。Ｇｅ原料として、ゲルマンガス（ＧｅＨ４）、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）、テトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。
【００４９】
尚、窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ以外にも、他の元素が含有してもよい。例えば、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ等のドーパント元素が挙げられる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物や、原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００５０】
尚、下地層１３０をＭＯＣＶＤ法によって形成した後、ｎ型コンタクト層１４０ａ及びｎ型クラッド層１４０ｂの各層をスパッタ法で形成し、その上の発光層１５０をＭＯＣＶＤ法で形成し、次いで、ｐ型半導体層１６０を構成するｐ型クラッド層１６０ａ及びｐ型コンタクト層１６０ｂの各層を反応性スパッタ法で形成してもよい。
【００５１】
（ステップ９００）
サファイア単結晶基板１１０上に中間層１２０、下地層１３０及びＩＩＩ族化合物半導体層１００を成膜した後、ＩＩＩ族化合物半導体層１００のｐ型半導体層１６０上に透明正極１７０が積層され、その上に正極ボンディングパッド１８０が形成される。さらに、ｎ型半導体層１４０のｎ型コンタクト層１４０ａに形成された露出領域１４０ｃに負極１９０が設けられたウエーハが形成される。
【００５２】
前述した化合物半導体層を成膜したサファイア単結晶基板１１０は、その後、サファイア単結晶基板１１０の被研削面（裏面）を、予め定めた厚さになるまで研削及び研磨する。本実施の形態では、市販の研削機（図示せず）にウエーハを取り付け、約２０分間程度の研削工程により、ウエーハのサファイア単結晶基板１１０の厚さは、例えば、約９００μｍから約１２５μｍ迄に減少する。
本実施の形態では、各ウエーハのサファイア単結晶基板１１０の被研削面を研削・研磨する際に、研削材または研磨材を供給する。研削材または研磨材の種類は特に限定されず、市販のスラリー型の研削材または研磨材を使用する。さらに、本実施の形態では、研削工程に続き、約１５分間の研磨工程を行うことにより、サファイア単結晶基板１１０の厚さは、約１２５μｍから約１２０μｍ程度迄に研磨される。
【００５３】
（ステップ１０００）
次いで、サファイア単結晶基板１１０の厚さが調整されたウエーハは、例えば、３５０μｍ角の正方形に切断することにより、サファイア単結晶基板１１０上に中間層１２０、下地層１３０及びＩＩＩ族化合物半導体層１００が成膜された半導体発光素子（ＬＣ）が形成される。切断方法としては、レーザー、ステルスレーザー、スクライブ・ブレーク法など、公知の技術を利用できる。
【００５４】
上述したように、本実施の形態では、サファイア単結晶のインゴットから切り出した所定の厚さのサファイア単結晶基板について、Ｘ線トポグラフィ測定において、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られる透過Ｘ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正した透過Ｘ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むサファイア単結晶基板を選別している。このように選別されたサファイア単結晶基板は、サファイア単結晶の結晶欠陥が少ない。また、このようなサファイア単結晶基板の被成膜面には、ＩＩＩ族化合物半導体層のエピタキシャル形成が良好に行われる。そして、サファイア単結晶基板とＩＩＩ族化合物半導体層とを有する半導体発光素子は、発光性能が良好である。
【００５５】
一方、選別されなかったサファイアウエーハは、サファイア単結晶のインゴットを得るための原料として再利用されることが望ましい。例えば、直径１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのサファイアウエーハの重量は約３０ｇ／枚である。このようなサファイアウエーハ１０枚を、サファイア単結晶のインゴットを得るために再利用すれば、酸化アルミニウムの原料コストが約３００ｇ程度低減できる。また、直径１５０ｍｍ、厚さ１ｍｍのサファイアウエーハの重量は約６７ｇ／枚の重量である。この場合は、サファイアウエーハ１０枚を、サファイア単結晶のインゴットを得るために再利用すれば、酸化アルミニウムの原料コストが約６７０ｇ程度低減できる。
また、上述したサファイアウエーハの選別により、無駄な加工工程や半導体発光素子を作製することがなくなり、半導体発光素子の全体的な製造コストを低減できる。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明する。但し、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００５７】
（１）サファイア単結晶基板のＸ線トポグラフィ測定
サファイア単結晶のインゴットから切り出し、その後、ウエットエッチング処理を行った直径１５０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのサファイア単結晶基板（試料）について、８インチＸ線トポグラフィー（株式会社リガク製ＲＵ−Ｈ３Ｒ）を用い、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られる透過Ｘ線の入射角度ωに対しＸ線トポグラフィ測定を行った。
（測定条件）
Ｘ線源：ＭｏＫα
Ｘ線源側の第一スリット幅：２．０ｍｍ
試料側の第二スリット幅：１．０ｍｍ
Ｘ線出力：２５０Ｖ×３００ｍＡ
走査速度：１ｍｍ／分
走査回数：５０〜６０回（連続走査）
【００５８】
（２）発光素子特性の測定
半導体発光素子（ＬＣ）を、シリコンペーストを用いて表面実装型のパッケージにダイボンドした後、各電極をパッケージの各端子にＡｕ線でワイヤボンドし、電気特性と光学特性を測定した。発光出力は、積分球を用いて測定した。
【００５９】
（実施例１〜４、比較例１〜３）
表１に示す４種類のサファイア単結晶基板（直径１５０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ：（ＳＣ−１）〜（ＳＣ−４））についてＸ線トポグラフィ測定を行った。測定は、円板状のサファイア単結晶基板の中心を通る垂直軸線Ｌ２に対し、プラス側７０ｍｍ（＋７０ｍｍ）及びマイナス側７０ｍｍ（−７０ｍｍ）の範囲において、それぞれピッチ幅１０ｍｍ毎にＸ線を照射し、サファイア単結晶の格子面としてＡ面（（１１−２０）面）から得られる回折Ｘ線像を得た。サファイア単結晶が結晶欠陥部分を含む場合は、その結晶欠陥部分にＸ線を入射させ、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度（ω）に対する湾曲補正値Δω（単位：°）を測定した。結果を表１に示す。
また、比較例として、実施例１〜４において使用したサファイア単結晶基板とは異なる３種類のサファイア単結晶基板（直径１５０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ：（ＳＣＲ−１）〜（ＳＣＲ−３））についてもＸ線トポグラフィ測定を行った。結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
【００６１】
（実施例５〜８、比較例４〜７）
続いて、表１に示す湾曲補正値（Δω）の測定結果が得られた直径６インチ（１５０ｍｍ）のサファイア単結晶基板の表面に研磨処理を施し、厚さ０．９ｍｍのサファイア単結晶基板１１０を調製した。続いて、図５に示すように、このサファイア単結晶基板１１０上に、スパッタ法によりＡｌＮからなる中間層１２０を０．０５μｍ成膜し、その上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層１３０及び厚さ２μｍのＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４０ａを成膜した化合物半導体基板を作成した。
さらに、化合物半導体基板の上に、ＭＯＣＶＤによって厚さ２５０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層１４０ｂを形成した後、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮからなる障壁層１５０ａおよび厚さ２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５０ｂを５回積層し、最後に障壁層１５０ａを設けた多重量子井戸構造の発光層１５０を形成した。
【００６２】
さらに、厚さ１０ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層１６０ａ、厚さ１５０ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６０ｂを順に形成した。尚、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
次に、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６０ｂ上に、厚さ２５０ｎｍのＩＺＯからなる透明正極１７０を形成した。その後、ＳｉＯ２からなる保護膜を形成する等の当該技術分野においてよく知られた通常処理を施し、上述したＸ線トポグラフィ測定を行ったサファイア単結晶基板の各位置に対応した青色（ドミナント波長＝４６０ｎｍ）発光素子用チップを製造した。発光素子用チップは０．３５ｍｍサイズである。
【００６３】
次に、上述した操作により製造した青色発光素子用チップについて、２０ｍＡ通電の条件における発光出力（単位：ｍＷ）を測定した。発光出力の測定は、Ｘ線トポグラフィ測定を行ったサファイア単結晶基板の各位置において、隣接する９個の青色発光素子用チップについて測定した測定値の平均値とした。結果を表２に示す。
尚、比較例１〜３において使用した３種類のサファイア単結晶基板（（ＳＣＲ−１）〜（ＳＣＲ−３））についても青色発光素子用チップを調製し、同様に発光出力（単位：ｍＷ）を測定した。結果を表２に示す。
【００６４】
【表２】
【００６５】
表２に示す結果から、ラング法によるＸ線トポグラフィ測定において、湾曲補正値（Δω）が±０．１°（±５０ｍｍ）、±０．１５°（±７０ｍｍ）の範囲内で補正したＸ線によりＸ線回折像が得られるサファイア単結晶基板を使用した青色発光素子用チップ（実施例５〜８）は、２０ｍＡの通電において、発光出力が１７ｍＷ以上である良好な数値を示すことが分かる。
一方、周辺部で湾曲補正値（Δω）が±０．１°（±５０ｍｍ）、±０．１５°（±７０ｍｍ）の範囲を超えたサファイア単結晶基板を使用した青色発光素子用チップ（比較例４〜５）は、２０ｍＡの通電において、発光出力が１５ｍＷ以下である低出力領域が存在し、歩留りが低下することが分かる。
【符号の説明】
【００６６】
１…Ｘ線源、２…発散スリット、３…制限スリット板、４…フィルム、５…サファイアウエーハ、６…透過Ｘ線、７…回折Ｘ線、８…回折Ｘ線像、３０…サファイアインゴット、１００…ＩＩＩ族化合物半導体層、１１０…サファイア単結晶基板、１２０…中間層、１３０…下地層、１４０…ｎ型半導体層、１５０…発光層、１６０…ｐ型半導体層、１７０…透明正極、１８０…正極ボンディングパッド、１９０…負極、Ｉ…単結晶引き上げ装置、ＬＣ…半導体発光素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子及びサファイア単結晶基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層等の化合物半導体層を有する半導体発光素子は、サファイア単結晶等からなる基板表面上に化合物半導体層を成膜し、その上にさらに正極や負極等の電極を設けた後、基板の裏面を研削及び研磨し、その後、適当な形状に切断することにより発光素子チップとして調製される（特許文献１参照）。
また、サファイア単結晶の基板については、特許文献２に、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が２０ａｒｃｓｅｃ以下の高品質サファイア基板を用いた半導体発光素子が記載されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７７５２５号公報
【特許文献２】特開２００８−１００８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、化合物半導体層が積層されるサファイア単結晶基板は、例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により製造された単結晶のインゴットを切り出して得られる。一般に、ＣＺ法では、アルミナ融液からサファイア単結晶を成長させる際、製造条件のわずかな変動により、サファイア単結晶に結晶欠陥が生じることが知られている。特に、直径１００ｍｍ以上の大口径のサファイア単結晶基板を安定的に作製するのが困難である。このような結晶欠陥が多いサファイア単結晶基板を使用すると、発光素子の発光効率の低下等、所望の性能に到達せず、収率低下を招く場合がある。
本発明の目的は、直径１００ｍｍ以上の大口径であっても結晶欠陥部分が少なく、化合物半導体層のエピタキシャル形成に適した高品質かつ低コストのサファイア単結晶基板を提供し、さらに、かかる基板上に化合物半導体層を成膜した高品質の半導体発光素子を安定的に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、下記［１］〜［１１］に係る発明が提供される。
［１］ＩＩＩ族化合物半導体層を有する半導体発光素子の製造方法であって、サファイア単結晶のインゴットから所定の厚さのサファイアウエーハを切り出す基板切り出し工程と、基板切り出し工程において切り出したサファイアウエーハについてラング法によるＸ線トポグラフィ測定を行い、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内を判断基準とする湾曲補正値Δωにより補正したＸ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むサファイアウエーハを選別する選別工程と、選別工程により選別されたサファイアウエーハをサファイア基板として、サファイア基板の被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層を成膜する半導体層成膜工程と、選別工程により排除したサファイアウエーハをサファイア単結晶のインゴット育成用原料として再利用するサファイア単結晶引き上げ工程と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
［２］基板切り出し工程において、サファイアウエーハとしてインゴットからサファイア単結晶のＣ面（（０００１）面）を切り出すことを特徴とする前項［１］に記載の半導体発光素子の製造方法。
［３］半導体層成膜工程において、サファイア基板の被成膜面上に、サファイア基板側から、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を順次積層することを特徴とする前項［１］又は［２］に記載の半導体発光素子の製造方法。
［４］サファイア基板とＩＩＩ族化合物半導体層との間に、スパッタ法によりＩＩＩ族化合物半導体からなる中間層を成膜する中間層形成工程を有することを特徴とする前項［１］乃至［３］のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
［５］ＩＩＩ族化合物半導体層と中間層との間に、さらに下地層を成膜することを特徴とする前項［４］に記載の半導体発光素子の製造方法。
【０００６】
［６］前項［１］乃至［５］のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法により製造したことを特徴とする半導体発光素子。
【０００７】
［７］被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層が成膜されるサファイア単結晶からなるサファイア単結晶基板であって、サファイア単結晶は、ラング法によるＸ線トポグラフィ測定において、サファイア単結晶の格子面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正したＸ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むことを特徴とするサファイア単結晶基板。
［８］直径１００ｍｍ以上であることを特徴とする前項［７］に記載のサファイア単結晶基板。
［９］インゴットからサファイア単結晶のＣ面を切り出すことより得られるサファイアウエーハからなることを特徴とする前項［７］又は［８］に記載のサファイア単結晶基板。
［１０］サファイア単結晶の格子面がＡ面（（１１−２０）面）であることを特徴とする前項［７］乃至［９］のいずれかに記載のサファイア単結晶基板。
［１１］直径１５０ｍｍ以上、厚さ０．８ｍｍ以上、湾曲補正値Δωが基板全体で±０．１５°以内であることを特徴とする前項［７］乃至［１０］のいずれかに記載のサファイア単結晶基板。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、本構成を有しない場合と比べ、結晶欠陥部分が少ないサファイア単結晶基板上に化合物半導体層を成膜した高品質の半導体発光素子が安定的に得られる。
また、結晶欠陥の多いサファイア単結晶基板を原料として再利用することにより、低コストなサファイア単結晶基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態が適用される半導体発光素子の製造方法の流れを説明するフローチャートである。
【図２】単結晶引き上げ装置の一例を説明する図である。
【図３】図２に示す単結晶引き上げ装置を用いて製造されるサファイアインゴットの構成の一例を示している。
【図４】サファイアウエーハのラング法によるＸ線トポグラフィ測定の一例を説明する図である。
【図５】半導体発光素子の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するための一例であり、実際の大きさを表すものではない。
【００１１】
図１は、本実施の形態が適用される半導体発光素子の製造方法の流れを説明するフローチャートである。半導体発光素子の製造方法においては、先ず、ＣＺ法によりサファイア単結晶のインゴットを製造する。サファイア単結晶のインゴットを製造するには、坩堝に充填した酸化アルミニウムと、後述するステップ５００（選別工程）において排除（ＮＯ）されたサファイアウエーハを溶融（アルミナ融液）し、種結晶をアルミナ融液表面に接触させ、種結晶を回転させながら上方に引き上げてサファイア単結晶を成長させる（ステップ１００：サファイア単結晶引き上げ工程）。次に、得られたサファイア単結晶のインゴットを所定の厚さに切断しサファイアウエーハを切り出す（ステップ２００：基板切り出し工程）。
【００１２】
次に、切り出したサファイアウエーハについてウエットエッチング処理を施し、切り出しにより受けた加工ダメージ（破砕層）を除去する（ステップ３００）。続いて、Ｘ線トポグラフィ測定法（ラング法）により、ウエットエッチング処理を施したサファイアウエーハにおけるサファイア単結晶の結晶欠陥を測定する（ステップ４００）。続いて、サファイアウエーハのＸ線トポグラフィ測定において、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られる透過Ｘ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正した透過Ｘ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むサファイアウエーハを選別する（ステップ５００：選別工程）。湾曲補正値Δωについては後述する。
【００１３】
次に、選別工程により選別されたサファイアウエーハの被研磨面を研磨し、被研磨面を鏡面状態に仕上げる（ステップ７００）。続いて、被研磨面に鏡面仕上げを施されたサファイアウエーハをサファイア単結晶基板とし、このサファイア単結晶基板の被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層を成膜する（ステップ８００：半導体層成膜工程）。続いて、ＩＩＩ族化合物半導体層を成膜したサファイア単結晶基板に電極を取り付け、さらに、サファイア単結晶基板の被研削面を、例えば、固定砥石を用いて所定の厚さになるまで研削し、研削処理によってダメージを受けた基板の被研削面を、例えば、遊離砥粒を用いるラッピング処理および研磨処理により、サファイア単結晶基板の厚さを所定の厚さに調整する（ステップ９００）。そして、ラッピング処理の後、サファイア単結晶基板は所定の大きさに切断され、発光素子チップが得られる（ステップ１０００）。以下、各ステップについて説明する。
【００１４】
（ステップ１００）
本実施の形態では、所定の単結晶引き上げ装置を使用し、ＣＺ法によりサファイア単結晶のインゴットを製造する。
図２は、単結晶引き上げ装置Ｉの一例を説明する図である。図２に示すように、単結晶引き上げ装置Ｉは、サファイアの単結晶からなるサファイアインゴット３０を成長させるための加熱炉１０を備える。加熱炉１０は断熱容器１１を備える。断熱容器１１は円柱状の外形を有し、その内部には円柱状の空間が形成されている。断熱容器１１は、例えば、ジルコニア製の断熱部材からなる部品を組み立てて構成される。加熱炉１０は、内部の空間に断熱容器１１を収容するチャンバ１４を備える。加熱炉１０は、チャンバ１４の側面に貫通形成され、チャンバ１４の外部からチャンバ１４を介して断熱容器１１の内部にガスを供給するガス供給管１２を備える。同じく、チャンバ１４の側面に貫通形成され、断熱容器１１の内部からチャンバ１４を介して外部にガスを排出するガス排出管１３をさらに備える。
【００１５】
断熱容器１１の内側下方には、坩堝１５が、鉛直上方に向かって開口するように配置されている。坩堝１５は例えば、イリジウムによって構成され、酸化アルミニウムと、後述するように、ラング法によるサファイア単結晶のＸ線トポグラフィ測定における湾曲補正値（Δω）の範囲を満たさないとして排除（ＮＯ）されたサファイアウエーハとを加え、これらを溶融してなるアルミナ融液３５を収容する。さらに、既にサファイアウエーハの切り出しに用いた他のインゴットの肩部、尾部を坩堝１５に加え、これらもサファイア単結晶のインゴットを製造するための原料として再利用し、アルミナ融液３５を調製しても良い。尚、湾曲補正値（Δω）については後述する。
加熱炉１０は、金属製の加熱コイル１６を備えている。加熱コイル１６は、断熱容器１１の下部側の側面外側であってチャンバ１４の下部側の側面内側となる部位に巻き回されている。加熱コイル１６は、断熱容器１１を介して坩堝１５の壁面と対向するように配置されている。加熱コイル１６の下側端部は、坩堝１５の下端よりも下側に位置し、加熱コイル１６の上側端部は坩堝１５の上端よりも上側に位置するようになっている。
【００１６】
加熱コイル１６は、例えば、中空状の銅管によって構成され、螺旋状に巻き回され、全体としてみたときに円筒状の形状を有している。本実施の形態では、加熱コイル１６の上部側の内径と下部側の内径とがほぼ同一である。これにより、巻き回された加熱コイル１６によってその内部に形成される空間が円柱状となっている。また、円柱状の空間を通る加熱コイル１６の中心軸は、水平方向に対しほぼ垂直、すなわち鉛直方向に沿うようになっている。坩堝１５は、加熱コイル１６によって形成される円柱状の空間の内側に配置されている。そして、坩堝１５は、加熱コイル１６によって形成される円形状の領域のほぼ中央となる部位に置かれる。
【００１７】
加熱炉１０は、断熱容器１１、チャンバ１４それぞれの上面に設けられた貫通孔を介して上方から下方に伸びる引き上げ棒１７を備えている。引き上げ棒１７は、鉛直方向への移動および軸を中心とする回転が可能となるように取り付けられている。なお、チャンバ１４に設けられた貫通孔と引き上げ棒１７との間には、図示しないシール材が設けられている。そして、引き上げ棒１７の鉛直下方側の端部には、サファイアインゴット３０を成長させるための基となる種結晶３１（後述する図３参照）を装着、保持させるための保持部材１８が取り付けられている。
【００１８】
単結晶引き上げ装置Ｉは、引き上げ棒１７を鉛直上方に引き上げるための引き上げ駆動部１９および引き上げ棒１７を回転させるための回転駆動部２０を備えている。ここで、引き上げ駆動部１９はモータ等で構成されており、引き上げ棒１７の引き上げ速度を調整できるようになっている。また、回転駆動部２０もモータ等で構成されており、引き上げ棒１７の回転速度を調整できるようになっている。
単結晶引き上げ装置Ｉは、ガス供給管１２を介してチャンバ１４の内部にガスを供給するガス供給部２１を備えている。本実施の形態において、ガス供給部２１は、Ｏ２源２２から供給される酸素とＮ２源２３から供給される不活性ガスの一例としての窒素とを混合した混合ガスを供給する。そして、ガス供給部２１は、酸素と窒素との混合比を可変することで、混合ガス中の酸素濃度を調整する。また、チャンバ１４の内部に供給する混合ガスの流量の調整も行う。
【００１９】
単結晶引き上げ装置Ｉは、ガス排出管１３を介してチャンバ１４の内部からガスを排出する排気部２４を備えている。排気部２４は、例えば、真空ポンプ等を備え、チャンバ１４内の減圧や、ガス供給部２１から供給されたガスの排気をすることが可能である。
単結晶引き上げ装置Ｉは、加熱コイル１６に電流を供給するコイル電源２５を備える。コイル電源２５は、加熱コイル１６への電流の供給の有無および供給する電流量を設定する。
また、単結晶引き上げ装置Ｉは、引き上げ棒１７を介して引き上げ棒１７の下部側に成長するサファイアインゴット３０の重量を検出する重量検出部２７を備える。この重量検出部２７は、例えば、公知の重量センサ等を含んで構成される。
【００２０】
そして、単結晶引き上げ装置Ｉは、上述した引き上げ駆動部１９、回転駆動部２０、ガス供給部２１、排気部２４、コイル電源２５、コイル駆動部の動作を制御する制御部２６を備えている。また、制御部２６は、重量検出部２７から出力される重量信号に基づき、引き上げられるサファイアインゴット３０の結晶直径の計算をおこない、コイル電源２５にフィードバックする。
【００２１】
＜サファイアインゴット３０＞
図３は、図２に示す単結晶引き上げ装置Ｉを用いて製造されるサファイアインゴット３０の構成の一例を示している。
このサファイアインゴット３０は、サファイアインゴット３０を成長させるための基となる種結晶３１と、種結晶３１の下部に延在しこの種結晶３１と一体化した肩部３２と、肩部３２の下部に延在し肩部３２と一体化した直胴部３３と、直胴部３３の下部に延在し直胴部３３と一体化した尾部３４とを備えている。本実施の形態では、このサファイアインゴット３０においては、上方の種結晶３１側から下方の尾部３４側に向けてｃ軸方向にサファイアの単結晶が成長している。
【００２２】
ここで、肩部３２は、種結晶３１側から直胴部３３側に向けて、徐々にその直径が拡大していく形状を有している。また、直胴部３３は、上方から下方に向けてその直径がほぼ同じとなるような形状を有している。なお、直胴部３３の直径は、予め設計されたサファイア単結晶のウエーハの直径よりもわずかに大きな値に設定される。直胴部３３の直径（断面直径）をインゴット径Ｄｉｎｇと記す。尾部３４は、上方から下方に向けて徐々にその直径が縮小し、上方から下方に向けて凸状となる形状（凸形状）を有している。尾部３４の上下方向の長さを尾部長さＨＴと記す。
【００２３】
＜サファイアインゴット３０を製造する手順＞
サファイアインゴット３０の製造に際し、先ず、チャンバ１４内の坩堝２０内に充填された固体の酸化アルミニウムを加熱によって溶融する（アルミナ融液３５）。次に、アルミナ融液３５に種結晶３１の下端部を接触させた状態で温度調整を行う。次いで、アルミナ融液３５に接触させた種結晶３１を回転させながら上方に引き上げ、種結晶３１の下方に肩部３２を形成する。引き続いて、種結晶３１を介して肩部３２を回転させながら上方に引き上げ、肩部３２の下方に直胴部３３を形成する。さらに引き続いて、種結晶３１および肩部３２を介して直胴部３３を回転させながら上方に引き上げてアルミナ融液３５から引き離し、直胴部３３の下方に尾部３４を形成する。その後、得られたサファイアインゴット３０が冷却された後にチャンバ１４の外部に取り出される。その後、サファイアインゴット３０の熱歪を除去するため、熱処理工程を加えることが望ましい。
【００２４】
（ステップ２００）
次に、このようにして得られたサファイアインゴット３０は、先ず、肩部３２と直胴部３３との境界および直胴部３３と尾部３４との境界においてそれぞれ切断され、直胴部３３が切り出される。次に、切り出された直胴部３３は、さらに、例えば、マルチワイヤーソーにより、長手方向と直交する方向に切断され、サファイア単結晶のウエーハ（サファイアウエーハ）として切り出される。このとき、本実施の形態のサファイアインゴット３０は、サファイア単結晶のｃ軸方向に結晶成長していることから、得られるウエーハの主面は、サファイア単結晶のＣ面（（０００１）面）となる。
【００２５】
（ステップ３００）
次に、切り出したサファイアウエーハについてウエットエッチング処理を施し、マルチワイヤーソーを用いた切り出しにより受けた加工ダメージ（破砕層）を除去する。ウエットエッチング処理の条件は特に限定されないが、例えば、１３０℃程度の温度において、サファイアウエーハをリン酸等の酸溶液中に浸漬する方法、サファイアウエーハの表面に酸溶液を吹き付ける方法等が挙げられる。ウエットエッチング処理後は、例えば、温水リンス等を用いてサファイアウエーハの表面を洗浄後、乾燥する。
【００２６】
（ステップ４００）
次に、ウエットエッチング処理を施したサファイアウエーハについて、ラング法によるＸ線トポグラフィ測定を行い、サファイア単結晶の結晶欠陥を測定する。
図４は、サファイアウエーハのラング法によるＸ線トポグラフィ測定の一例を説明する図である。図４に示すように、Ｘ線トポグラフィ測定に用いるラングカメラは、所定のＸ線管（図示せず）に内蔵されたＸ線源１と、横スリット２ａと縦スリット２ｂとからなる発散スリット２と、ブラッグ回折条件を満たす回折Ｘ線を制限する一対の制限スリット板３と、フィルム４とを有している。また、図示しないが、ラングカメラは、フィルム４の後方に配置したカウンタと、測定するサファイアウエーハ５を保持する円形状の試料ホルダ、試料ホルダを水平方向へ往復直進移動可能に固定するスライダ上に固定された支持フレーム、フィルム４を支持する支持フレーム及びこれと一体なアームを有している。
【００２７】
図４に示す通り、Ｘ線源１から放射されたＸ線は発散スリット２によって発散角が制限され、測定対象であるサファイアウエーハ５に入射する。このとき、サファイアウエーハ５に照射されるＸ線照射野は、サファイアウエーハ５の垂直方向に細長い帯状の領域となる。
サファイアウエーハ５は、水平方向に延びる中心軸線（図示せず）を中心として面内回転すると共に、垂直軸線Ｌ２を中心とし、Ｘ線の入射角度を調整するための回転（ω回転）を行う。これにより、サファイアウエーハ５に照射されるＸ線照射野の全体から、ブラッグ回折条件を満たすＸ線回折が起きるように角度位置の調整が行われる。サファイアウエーハ５を透過する透過Ｘ線６に対し、このブラッグ回折条件を満たす回折Ｘ線７は、制限スリット板３の間に形成されたスリットを通過してフィルム４に入射し、そこに細長い帯状の回折Ｘ線像８を形成する。
本実施の形態では、サファイアウエーハ５に照射されるＸ線照射野の全体から、サファイア単結晶の格子面としてＡ面（（１１−２０）面）から得られる回折Ｘ線７により回折Ｘ線像８を形成している。
【００２８】
ここで、所定のスライダ（図示せず）によって、サファイアウエーハ５及びフィルム４を一体に方向Ａに平行移動させ、Ｘ線照射野をサファイアウエーハ５の一端から他端まで一定速度で走査する。このとき、サファイアウエーハ５の全面にわたる回折Ｘ線７による回折Ｘ線像８がフィルム４上に撮像されて、いわゆるＸ線トポグラフが作成される。そして、この回折Ｘ線像８を観察することにより、サファイアウエーハ５の結晶欠陥が判定される。尚、本実施の形態では、サファイア単結晶基板の周辺３ｍｍを除くすべての領域に照射されるＸ線照射野から回折Ｘ線像８を形成している。
【００２９】
（ステップ５００）
前述したように、サファイアウエーハ５は、Ｘ線の入射角度を調整するため、垂直軸線Ｌ２を中心として回転（ω回転）する。これにより、サファイアウエーハ５から、サファイア単結晶の格子面としてＡ面（（１１−２０）面）のブラッグ回折条件を満たすＸ線回折が起きるように入射角度（ω）位置が調整される。入射角度（ω）位置の調整は、サファイアウエーハ５の中心にＸ線を照射して行われる。
次に、本実施の形態では、サファイアウエーハ５に入射するＸ線の入射角度（ω）を固定し、サファイアウエーハ５及びフィルム４を、一体に方向Ａに平行移動させる。このとき、サファイアウエーハ５及びフィルム４を平行移動させる方法は、これらを一体として連続的に移動させてもよく、また、一定幅のピッチ毎にステップ走査でも構わない。本実施の形態では、一定幅のピッチ毎にステップ走査を行う方法を採用している。
【００３０】
ここで、サファイアウエーハ５のサファイア単結晶に結晶欠陥が存在すると、（１１−２０）面に基づくブラッグ回折条件を満たす回折Ｘ線７による回折Ｘ線像８が形成されない。本実施の形態では、サファイアウエーハ５を、垂直軸線Ｌ２を中心として回転（ω回転）させ、ブラッグ回折条件を満たす回折Ｘ線像８が得られるように、サファイアウエーハ５のサファイア単結晶に入射するＸ線の入射角度を補正する。本実施の形態では、サファイア単結晶が結晶欠陥部分を含む場合、その結晶欠陥部分にＸ線を入射させ、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度（ω）に対し、サファイアウエーハ５を回転（ω回転）させ、ブラッグ回折条件を満たす回折Ｘ線像８を得る操作を湾曲補正と称し、そのときの回転角度を湾曲補正値（Δω）と称する。
【００３１】
本実施の形態では、ラング法によるサファイア単結晶のＸ線トポグラフィ測定において、上述した湾曲補正値（Δω）の範囲（−０．１５°≦Δω≦０．１５°）を判断基準としてサファイアウエーハ５を選別している。
すなわち、サファイア単結晶が、上述した湾曲補正値（Δω）が±０．１５°の範囲内で補正したＸ線によりＸ線回折像が得られるサファイアウエーハ５を採用（ＹＥＳ）し、湾曲補正値（Δω）が過度に大きいものを排除（ＮＯ）し、その選別を行っている。
選別されたサファイアウエーハ５は、後述するＩＩＩ族化合物半導体層の成膜工程におけるサファイア単結晶基板として使用され、半導体発光素子が製造される。ここで、湾曲補正値（Δω）の絶対値が過度に大きい場合は、高密度の結晶欠陥により結晶面方位のズレが発生している。このようなサファイアウエーハ５をＩＩＩ族化合物半導体層の成膜工程におけるサファイア単結晶基板として使用すると、このようなサファイア単結晶基板の被成膜面には、ＩＩＩ族化合物半導体層のエピタキシャル形成が良好に進行しない。
尚、サファイア単結晶基板の湾曲補正値（Δω）の変化は、サファイアウエーハ５の一端から他端にかけてなだらかに変化することが望ましい。サファイア単結晶基板内における湾曲補正値（Δω）のなだらかな変化は、サファイア単結晶基板の被成膜面にＩＩＩ族化合物半導体層をエピタキシャル形成する際に欠陥が発生しにくいと推測される。
【００３２】
（ステップ６００）
ここで、上述した湾曲補正値（Δω）の範囲を満たさないとして排除（ＮＯ）されたサファイアウエーハは、断熱容器１１の内側下方に配置した坩堝１５に加えられ、ＣＺ法によるサファイア単結晶のインゴットの製造コストを低減するための原料として再利用される。選別工程（ステップ６００）において排除（ＮＯ）されたサファイアウエーハは、選別されたサファイアウエーハと比較すると、サファイア単結晶の結晶欠陥は多い。しかし、サファイアインゴット３０の製造に用いる原料としてアルミナの純度が充分高いので、原料としての品質を満足している。
【００３３】
（ステップ７００）
次に、選別工程により選別されたサファイアウエーハの被研磨面を研磨し、被研磨面を鏡面状態に仕上げる。サファイアウエーハの被研磨面を研磨する方法は、特に限定されない。例えば、ダイヤモンド砥粒を用いてサファイアウエーハの被研磨面を研磨し、さらに、酸を用いて被研磨面の表面をエッチングし、その後、洗浄することが、望ましい。
さらに、発光素子の発光効率を高める為、サファイアウエーハの表面に微細な凹凸加工を施すことが望ましい。微細な凹凸加工としては、例えば、直径が約２μｍ、高さが約１μｍの凸部を、サファイアウエーハの表面に約３μｍ間隔に配置する。凸部の加工は、公知のフォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術、ウエットエッチング技術を利用できる。凸部の形状は、半球、円錐、円柱、角錐、角柱などの形状を利用でき、なかでも円錐、半球状が望ましい。
【００３４】
（ステップ８００）
本実施の形態において半導体発光素子（ＬＣ）は、上述した工程を経て選別されたサファイアウエーハ５をサファイア単結晶基板として使用し、このサファイア単結晶基板上にＩＩＩ族化合物半導体層を成膜する。
次に、本実施の形態が適用される半導体発光素子の製造方法により製造する半導体発光素子の構成を説明する。本実施の形態において製造される半導体発光素子は、基板と基板上に成膜された化合物半導体層とを有している。化合物半導体層を構成する化合物半導体としては、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体等が挙げられる。本実施の形態では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が好ましく、中でも、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体が好ましい。以下に、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体から構成された化合物半導体層を有する半導体発光素子を例に挙げて説明する。
【００３５】
（半導体発光素子）
図５は、本実施の形態において製造される半導体発光素子の一例を説明する図である。図５に示すように、半導体発光素子（ＬＣ）は、サファイア単結晶基板１１０上に形成された中間層１２０の上に、下地層１３０とＩＩＩ族化合物半導体層１００とを有している。ＩＩＩ族化合物半導体層１００は、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０、ｐ型半導体層１６０が順次積層されている。
さらに、ｐ型半導体層１６０上に透明正極１７０が積層され、その上に正極ボンディングパッド１８０が形成されるとともに、ｎ型半導体層１４０のｎ型コンタクト層１４０ａに形成された露出領域１４０ｃに負極１９０が積層されている。
【００３６】
ここで、下地層１３０上に成膜されたｎ型半導体層１４０は、ｎ型コンタクト層１４０ａ及びｎ型クラッド層１４０ｂを有する。発光層１５０は、障壁層１５０ａ及び井戸層１５０ｂが交互に積層された構造を有する。ｐ型半導体層１６０は、ｐ型クラッド層１６０ａ及びｐ型コンタクト層１６０ｂが積層されている。
本実施の形態では、サファイア単結晶基板１１０上に成膜された化合物半導体層（中間層１２０、下地層１３０及びＩＩＩ族化合物半導体層１００を合わせた層）の合計の厚さは、好ましくは３μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上、さらに望ましくは８μｍ以上である。また、これらの合計の厚さは、好ましくは１５μｍ以下がよい。
次に、半導体発光素子（ＬＣ）を構成する各層の材料について説明する。
【００３７】
（中間層１２０）
本実施の形態では、ＩＩＩ族化合物半導体層１００を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により成膜する際に、バッファ機能を発揮する中間層１２０をサファイア単結晶基板１１０上に設けることが好ましい。特に、中間層１２０が単結晶構造であることは、バッファ機能の面から好ましい。単結晶構造を有する中間層１２０をサファイア単結晶基板１１０上に成膜した場合、中間層１２０のバッファ機能が有効に作用し、中間層１２０上に成膜される下地層１３０とＩＩＩ族化合物半導体層１００は、良好な配向性及び結晶性を持つ結晶膜となる。
中間層１２０は、Ａｌを含有することが好ましく、ＩＩＩ族窒化物であるＡｌＮを含むことが特に好ましい。中間層１２０を構成する材料としては、一般式ＡｌＧａＩｎＮで表されるＩＩＩ族窒化物化合物半導体であれば特に限定されない。さらに、Ｖ族として、ＡｓやＰが含有されても良い。中間層１２０が、Ａｌを含む組成の場合、ＡｌＧａＮとすることが好ましく、Ａｌの組成が５０％以上であることが好ましい。
【００３８】
（下地層１３０）
下地層１３０に用いる材料としては、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物（ＧａＮ系化合物半導体）が用いられ、特に、ＡｌＧａＮ、又はＧａＮを好適に用いることができる。下地層１３０の膜厚は０．１μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。
【００３９】
（ｎ型半導体層１４０）
ｎ型半導体層１４０は、ｎ型コンタクト層１４０ａ及びｎ型クラッド層１４０ｂから構成される。ｎ型コンタクト層１４０ａとしては、下地層１３０と同様にＧａＮ系化合物半導体が用いられる。また、下地層１３０及びｎ型コンタクト層１４０ａを構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を０．１μｍ〜２０μｍ、好ましくは０．５μｍ〜１５μｍ、さらに好ましくは１μｍ〜１２μｍの範囲に設定することが好ましい。
【００４０】
ｎ型クラッド層１４０ｂは、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ等によって形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ＧａＩｎＮとする場合には、後述する発光層１５０を構成する井戸層１５０ｂのＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましい。ｎ型クラッド層１４０ｂの膜厚は、好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍであり、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲である。
【００４１】
（発光層１５０）
発光層１５０は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層１５０ａと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１５０ｂとが交互に繰り返して積層され、且つ、ｎ型半導体層１４０側及びｐ型半導体層１６０側に障壁層１５０ａが配される順で積層して形成される。本実施の形態では、発光層１５０は、６層の障壁層１５０ａと５層の井戸層１５０ｂとが交互に繰り返して積層され、発光層１５０の最上層及び最下層に障壁層１５０ａが配され、各障壁層１５０ａ間に井戸層１５０ｂが配される構成とされている。
井戸層１５０ｂには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ｇａ１−ｓＩｎｓＮ（０＜ｓ＜０．４）等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
井戸層１５０ｂの膜厚としては、特に限定されないが、量子効果が得られる程度の膜厚であり、臨界膜厚以下の領域であることが好ましい。例えば、井戸層１５０ｂの膜厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であることが好ましく、２ｎｍ〜６ｎｍの膜厚であればより好ましい。
障壁層１５０ａとしては、井戸層１５０ｂよりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ≦０．３）等の窒化ガリウム系化合物半導体を好適に用いることができる。
【００４２】
（ｐ型半導体層１６０）
ｐ型半導体層１６０は、ｐ型クラッド層１６０ａ及びｐ型コンタクト層１６０ｂから構成される。ｐ型クラッド層１６０ａとしては、好ましくは、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ≦０．４）が挙げられる。ｐ型クラッド層１６０ａの膜厚は、好ましくは１ｎｍ〜４００ｎｍであり、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍである。
ｐ型コンタクト層１６０ｂとしては、少なくともＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０≦ｅ＜０．５）を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層が挙げられる。ｐ型コンタクト層１６０ｂの膜厚は、特に限定されないが、１０ｎｍ〜５００ｎｍが好ましく、より好ましくは５０ｎｍ〜２００ｎｍである。
【００４３】
（透明正極１７０）
透明正極１７０を構成する材料としては、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３）等の従来公知の材料が挙げられる。また、透明正極１７０の構造は特に限定されず、従来公知の構造を採用することができる。透明正極１７０は、ｐ型半導体層１６０上のほぼ全面を覆うように形成しても良く、格子状や樹形状に形成しても良い。
【００４４】
（正極ボンディングパッド１８０）
透明正極１７０上に形成される電極としての正極ボンディングパッド１８０は、例えば、従来公知のＡｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ等の材料から構成される。正極ボンディングパッド１８０の構造は特に限定されず、従来公知の構造を採用することができる。
正極ボンディングパッド１８０の厚さは、１００ｎｍ〜１，０００ｎｍの範囲内であり、好ましくは３００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内である。
【００４５】
（負極１９０）
図５に示すように、負極１９０は、サファイア単結晶基板１１０上に成膜された中間層１２０及び下地層１３０の上にさらに成膜されたＩＩＩ族化合物半導体層１００（ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０）において、ｎ型半導体層１４０のｎ型コンタクト層１４０ａに接するように形成される。このため、負極１９０を形成する際は、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０及びｎ型半導体層１４０の一部を除去し、ｎ型コンタクト層１４０ａの露出領域１４０ｃを形成し、この上に負極１９０を形成する。
負極１９０の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【００４６】
本実施の形態では、先ず、サファイア単結晶基板１１０上に、Ｖ族元素を含むガスと金属材料とをプラズマで活性化して反応させ、ＩＩＩ族窒化物からなる中間層１２０を成膜する。続いて、成膜した中間層１２０上に、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０、及びｐ型半導体層１６０を順次積層する。
【００４７】
本実施の形態では、サファイア単結晶基板１１０上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる際、中間層１２０は、スパッタ法を用いて、プラズマで活性化して反応した原料をサファイア単結晶基板１１０上に成膜することが好ましい。ここで、Ｖ族元素を窒素とし、中間層１２０を成膜する際のガス中における窒素のガス分率を５０％〜９９％以下の範囲とするとともに、中間層１２０を単結晶組織として形成する。これにより、短時間で良好な結晶性を有する中間層１２０が、サファイア単結晶基板１１０上に成膜される。その結果、中間層１２０上に、中間層１２０を設けない場合と比較して、結晶性の良好なＩＩＩ族窒化物半導体が成長する。
【００４８】
本実施の形態では、中間層１２０をスパッタ法によって形成した後、その上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０を順次成膜することが好ましい。
ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして、例えば、水素（Ｈ２）又は窒素（Ｎ２）等が用いられる。ＩＩＩ族原料であるＧａ源として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）等が用いられる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）等が用いられる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩ）等が用いられる。Ｖ族原料であるＮ源として、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）等が用いられる。
ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等が用いられる。Ｇｅ原料として、ゲルマンガス（ＧｅＨ４）、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）、テトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。
【００４９】
尚、窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ以外にも、他の元素が含有してもよい。例えば、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ等のドーパント元素が挙げられる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物や、原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００５０】
尚、下地層１３０をＭＯＣＶＤ法によって形成した後、ｎ型コンタクト層１４０ａ及びｎ型クラッド層１４０ｂの各層をスパッタ法で形成し、その上の発光層１５０をＭＯＣＶＤ法で形成し、次いで、ｐ型半導体層１６０を構成するｐ型クラッド層１６０ａ及びｐ型コンタクト層１６０ｂの各層を反応性スパッタ法で形成してもよい。
【００５１】
（ステップ９００）
サファイア単結晶基板１１０上に中間層１２０、下地層１３０及びＩＩＩ族化合物半導体層１００を成膜した後、ＩＩＩ族化合物半導体層１００のｐ型半導体層１６０上に透明正極１７０が積層され、その上に正極ボンディングパッド１８０が形成される。さらに、ｎ型半導体層１４０のｎ型コンタクト層１４０ａに形成された露出領域１４０ｃに負極１９０が設けられたウエーハが形成される。
【００５２】
前述した化合物半導体層を成膜したサファイア単結晶基板１１０は、その後、サファイア単結晶基板１１０の被研削面（裏面）を、予め定めた厚さになるまで研削及び研磨する。本実施の形態では、市販の研削機（図示せず）にウエーハを取り付け、約２０分間程度の研削工程により、ウエーハのサファイア単結晶基板１１０の厚さは、例えば、約９００μｍから約１２５μｍ迄に減少する。
本実施の形態では、各ウエーハのサファイア単結晶基板１１０の被研削面を研削・研磨する際に、研削材または研磨材を供給する。研削材または研磨材の種類は特に限定されず、市販のスラリー型の研削材または研磨材を使用する。さらに、本実施の形態では、研削工程に続き、約１５分間の研磨工程を行うことにより、サファイア単結晶基板１１０の厚さは、約１２５μｍから約１２０μｍ程度迄に研磨される。
【００５３】
（ステップ１０００）
次いで、サファイア単結晶基板１１０の厚さが調整されたウエーハは、例えば、３５０μｍ角の正方形に切断することにより、サファイア単結晶基板１１０上に中間層１２０、下地層１３０及びＩＩＩ族化合物半導体層１００が成膜された半導体発光素子（ＬＣ）が形成される。切断方法としては、レーザー、ステルスレーザー、スクライブ・ブレーク法など、公知の技術を利用できる。
【００５４】
上述したように、本実施の形態では、サファイア単結晶のインゴットから切り出した所定の厚さのサファイア単結晶基板について、Ｘ線トポグラフィ測定において、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られる透過Ｘ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正した透過Ｘ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むサファイア単結晶基板を選別している。このように選別されたサファイア単結晶基板は、サファイア単結晶の結晶欠陥が少ない。また、このようなサファイア単結晶基板の被成膜面には、ＩＩＩ族化合物半導体層のエピタキシャル形成が良好に行われる。そして、サファイア単結晶基板とＩＩＩ族化合物半導体層とを有する半導体発光素子は、発光性能が良好である。
【００５５】
一方、選別されなかったサファイアウエーハは、サファイア単結晶のインゴットを得るための原料として再利用されることが望ましい。例えば、直径１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのサファイアウエーハの重量は約３０ｇ／枚である。このようなサファイアウエーハ１０枚を、サファイア単結晶のインゴットを得るために再利用すれば、酸化アルミニウムの原料コストが約３００ｇ程度低減できる。また、直径１５０ｍｍ、厚さ１ｍｍのサファイアウエーハの重量は約６７ｇ／枚の重量である。この場合は、サファイアウエーハ１０枚を、サファイア単結晶のインゴットを得るために再利用すれば、酸化アルミニウムの原料コストが約６７０ｇ程度低減できる。
また、上述したサファイアウエーハの選別により、無駄な加工工程や半導体発光素子を作製することがなくなり、半導体発光素子の全体的な製造コストを低減できる。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明する。但し、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００５７】
（１）サファイア単結晶基板のＸ線トポグラフィ測定
サファイア単結晶のインゴットから切り出し、その後、ウエットエッチング処理を行った直径１５０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのサファイア単結晶基板（試料）について、８インチＸ線トポグラフィー（株式会社リガク製ＲＵ−Ｈ３Ｒ）を用い、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られる透過Ｘ線の入射角度ωに対しＸ線トポグラフィ測定を行った。
（測定条件）
Ｘ線源：ＭｏＫα
Ｘ線源側の第一スリット幅：２．０ｍｍ
試料側の第二スリット幅：１．０ｍｍ
Ｘ線出力：２５０Ｖ×３００ｍＡ
走査速度：１ｍｍ／分
走査回数：５０〜６０回（連続走査）
【００５８】
（２）発光素子特性の測定
半導体発光素子（ＬＣ）を、シリコンペーストを用いて表面実装型のパッケージにダイボンドした後、各電極をパッケージの各端子にＡｕ線でワイヤボンドし、電気特性と光学特性を測定した。発光出力は、積分球を用いて測定した。
【００５９】
（実施例１〜４、比較例１〜３）
表１に示す４種類のサファイア単結晶基板（直径１５０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ：（ＳＣ−１）〜（ＳＣ−４））についてＸ線トポグラフィ測定を行った。測定は、円板状のサファイア単結晶基板の中心を通る垂直軸線Ｌ２に対し、プラス側７０ｍｍ（＋７０ｍｍ）及びマイナス側７０ｍｍ（−７０ｍｍ）の範囲において、それぞれピッチ幅１０ｍｍ毎にＸ線を照射し、サファイア単結晶の格子面としてＡ面（（１１−２０）面）から得られる回折Ｘ線像を得た。サファイア単結晶が結晶欠陥部分を含む場合は、その結晶欠陥部分にＸ線を入射させ、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度（ω）に対する湾曲補正値Δω（単位：°）を測定した。結果を表１に示す。
また、比較例として、実施例１〜４において使用したサファイア単結晶基板とは異なる３種類のサファイア単結晶基板（直径１５０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ：（ＳＣＲ−１）〜（ＳＣＲ−３））についてもＸ線トポグラフィ測定を行った。結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
【００６１】
（実施例５〜８、比較例４〜７）
続いて、表１に示す湾曲補正値（Δω）の測定結果が得られた直径６インチ（１５０ｍｍ）のサファイア単結晶基板の表面に研磨処理を施し、厚さ０．９ｍｍのサファイア単結晶基板１１０を調製した。続いて、図５に示すように、このサファイア単結晶基板１１０上に、スパッタ法によりＡｌＮからなる中間層１２０を０．０５μｍ成膜し、その上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層１３０及び厚さ２μｍのＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４０ａを成膜した化合物半導体基板を作成した。
さらに、化合物半導体基板の上に、ＭＯＣＶＤによって厚さ２５０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層１４０ｂを形成した後、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮからなる障壁層１５０ａおよび厚さ２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５０ｂを５回積層し、最後に障壁層１５０ａを設けた多重量子井戸構造の発光層１５０を形成した。
【００６２】
さらに、厚さ１０ｎｍのＭｇドープＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層１６０ａ、厚さ１５０ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６０ｂを順に形成した。尚、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
次に、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６０ｂ上に、厚さ２５０ｎｍのＩＺＯからなる透明正極１７０を形成した。その後、ＳｉＯ２からなる保護膜を形成する等の当該技術分野においてよく知られた通常処理を施し、上述したＸ線トポグラフィ測定を行ったサファイア単結晶基板の各位置に対応した青色（ドミナント波長＝４６０ｎｍ）発光素子用チップを製造した。発光素子用チップは０．３５ｍｍサイズである。
【００６３】
次に、上述した操作により製造した青色発光素子用チップについて、２０ｍＡ通電の条件における発光出力（単位：ｍＷ）を測定した。発光出力の測定は、Ｘ線トポグラフィ測定を行ったサファイア単結晶基板の各位置において、隣接する９個の青色発光素子用チップについて測定した測定値の平均値とした。結果を表２に示す。
尚、比較例１〜３において使用した３種類のサファイア単結晶基板（（ＳＣＲ−１）〜（ＳＣＲ−３））についても青色発光素子用チップを調製し、同様に発光出力（単位：ｍＷ）を測定した。結果を表２に示す。
【００６４】
【表２】
【００６５】
表２に示す結果から、ラング法によるＸ線トポグラフィ測定において、湾曲補正値（Δω）が±０．１°（±５０ｍｍ）、±０．１５°（±７０ｍｍ）の範囲内で補正したＸ線によりＸ線回折像が得られるサファイア単結晶基板を使用した青色発光素子用チップ（実施例５〜８）は、２０ｍＡの通電において、発光出力が１７ｍＷ以上である良好な数値を示すことが分かる。
一方、周辺部で湾曲補正値（Δω）が±０．１°（±５０ｍｍ）、±０．１５°（±７０ｍｍ）の範囲を超えたサファイア単結晶基板を使用した青色発光素子用チップ（比較例４〜５）は、２０ｍＡの通電において、発光出力が１５ｍＷ以下である低出力領域が存在し、歩留りが低下することが分かる。
【符号の説明】
【００６６】
１…Ｘ線源、２…発散スリット、３…制限スリット板、４…フィルム、５…サファイアウエーハ、６…透過Ｘ線、７…回折Ｘ線、８…回折Ｘ線像、３０…サファイアインゴット、１００…ＩＩＩ族化合物半導体層、１１０…サファイア単結晶基板、１２０…中間層、１３０…下地層、１４０…ｎ型半導体層、１５０…発光層、１６０…ｐ型半導体層、１７０…透明正極、１８０…正極ボンディングパッド、１９０…負極、Ｉ…単結晶引き上げ装置、ＬＣ…半導体発光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族化合物半導体層を有する半導体発光素子の製造方法であって、
サファイア単結晶のインゴットから所定の厚さのサファイアウエーハを切り出す基板切り出し工程と、
前記基板切り出し工程において切り出した前記サファイアウエーハについてラング法によるＸ線トポグラフィ測定を行い、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内を判断基準とする湾曲補正値Δωにより補正したＸ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含む当該サファイアウエーハを選別する選別工程と、
前記選別工程により選別された前記サファイアウエーハをサファイア基板として、当該サファイア基板の被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層を成膜する半導体層成膜工程と、
前記選別工程により排除したサファイアウエーハを前記サファイア単結晶のインゴット育成用原料として再利用するサファイア単結晶引き上げ工程と、
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記基板切り出し工程において、前記サファイアウエーハとして前記インゴットからサファイア単結晶のＣ面（（０００１）面）を切り出す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。
【請求項３】
前記半導体層成膜工程において、前記サファイア基板の前記被成膜面上に、当該サファイア基板側から、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を順次積層す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。
【請求項４】
前記サファイア基板と前記ＩＩＩ族化合物半導体層との間に、スパッタ法によりＩＩＩ族化合物半導体からなる中間層を成膜する中間層形成工程を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族化合物半導体層と前記中間層との間に、さらに下地層を成膜することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法により製造したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層が成膜されるサファイア単結晶からなるサファイア単結晶基板であって、
前記サファイア単結晶は、ラング法によるＸ線トポグラフィ測定において、当該サファイア単結晶の格子面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正したＸ線により当該Ｘ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むことを特徴とするサファイア単結晶基板。
【請求項８】
直径１００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項７に記載のサファイア単結晶基板。
【請求項９】
インゴットからサファイア単結晶のＣ面を切り出すことより得られるサファイアウエーハからなることを特徴とする請求項７又は８に記載のサファイア単結晶基板。
【請求項１０】
前記サファイア単結晶の前記格子面がＡ面（（１１−２０）面）であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のサファイア単結晶基板。
【請求項１１】
直径１５０ｍｍ以上、厚さ０．８ｍｍ以上、湾曲補正値Δωが基板全体で±０．１５°以内であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のサファイア単結晶基板。
【請求項１】
ＩＩＩ族化合物半導体層を有する半導体発光素子の製造方法であって、
サファイア単結晶のインゴットから所定の厚さのサファイアウエーハを切り出す基板切り出し工程と、
前記基板切り出し工程において切り出した前記サファイアウエーハについてラング法によるＸ線トポグラフィ測定を行い、サファイア単結晶の（１１−２０）面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内を判断基準とする湾曲補正値Δωにより補正したＸ線によりＸ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含む当該サファイアウエーハを選別する選別工程と、
前記選別工程により選別された前記サファイアウエーハをサファイア基板として、当該サファイア基板の被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層を成膜する半導体層成膜工程と、
前記選別工程により排除したサファイアウエーハを前記サファイア単結晶のインゴット育成用原料として再利用するサファイア単結晶引き上げ工程と、
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記基板切り出し工程において、前記サファイアウエーハとして前記インゴットからサファイア単結晶のＣ面（（０００１）面）を切り出す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。
【請求項３】
前記半導体層成膜工程において、前記サファイア基板の前記被成膜面上に、当該サファイア基板側から、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層を順次積層す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。
【請求項４】
前記サファイア基板と前記ＩＩＩ族化合物半導体層との間に、スパッタ法によりＩＩＩ族化合物半導体からなる中間層を成膜する中間層形成工程を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族化合物半導体層と前記中間層との間に、さらに下地層を成膜することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法により製造したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
被成膜面上にＩＩＩ族化合物半導体層が成膜されるサファイア単結晶からなるサファイア単結晶基板であって、
前記サファイア単結晶は、ラング法によるＸ線トポグラフィ測定において、当該サファイア単結晶の格子面のＸ線回折像が得られるＸ線の入射角度ωに対し、±０．１５°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正したＸ線により当該Ｘ線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むことを特徴とするサファイア単結晶基板。
【請求項８】
直径１００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項７に記載のサファイア単結晶基板。
【請求項９】
インゴットからサファイア単結晶のＣ面を切り出すことより得られるサファイアウエーハからなることを特徴とする請求項７又は８に記載のサファイア単結晶基板。
【請求項１０】
前記サファイア単結晶の前記格子面がＡ面（（１１−２０）面）であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のサファイア単結晶基板。
【請求項１１】
直径１５０ｍｍ以上、厚さ０．８ｍｍ以上、湾曲補正値Δωが基板全体で±０．１５°以内であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のサファイア単結晶基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−３０９９１（Ｐ２０１２−３０９９１Ａ）
【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２０１０−１７００３０（Ｐ２０１０−１７００３０）
【出願日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【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２９日（２０１０．７．２９）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]