JP2010165927A - 発光素子用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】発光する光を基板側から放出することが可能な、欠陥の少ない発光素子用基板を提供する。
【解決手段】波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光に対して透明な透明基板１０と、透明基板１０の一方の主表面上に接合により形成された窒化物系化合物半導体薄膜１ｃとを備える発光素子用基板１００である。透明基板の主表面に垂直な方向における透明基板の熱膨張係数をα１、窒化物系化合物半導体薄膜の熱膨張係数をα２とすれば、（α１−α２）／α２が−０．５以上１．０以下であり、１２００℃以下において窒化物系化合物半導体薄膜１ｃと反応しない。透明基板１０の絶対屈折率は、窒化物系化合物半導体薄膜の絶対屈折率の６０％以上１４０％以下であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子用基板に関するものであり、より特定的には、発光素子の設計の自由度を上げることが可能な発光素子用基板に関するものである。

ＬＥＤなどの発光素子を形成するために用いる発光素子用基板は、窒化物半導体を用いて形成されることが多い。窒化物半導体は、従来のシリコンなどの半導体に比べてバンドギャップが広く、ＩＩＩ族元素に用いるガリウム、インジウム、アルミニウムの濃度を変化させることにより、バンドギャップの広さを変化させることができる性質を有する。このため、上述した方法でバンドギャップの広さを調整することにより、当該窒化物半導体を用いて形成した発光素子が発光する光の波長を、可視光のほぼすべての領域にかけて広範囲に設計することができる。以上の事由により、窒化物半導体は発光素子用基板として広く用いられている。

たとえば窒化物半導体として窒化ガリウムを用いる場合、発光素子を形成するためには、窒化ガリウムからなるバルク基板の一方の主表面上に窒化ガリウムのエピタキシャル層を形成することが好ましい。なお、ここで主表面とは、表面のうち最も面積の大きい主要な面をいう。しかし、窒化ガリウム系化合物半導体のバルク基板は非常に高価であるため入手が困難である。すなわち、これを発光素子用基板として直接用いることは困難である。

しかるに、窒化ガリウム系化合物半導体のバルク基板より安価な、たとえば単結晶シリコン基板の一方の主表面上に直接窒化ガリウムの積層構造を形成しようとすると、シリコンと窒化ガリウムとの熱膨張係数の差や格子不整合などにより、当該単結晶シリコン基板に熱応力が発生し、シリコン基板や積層構造などに反りが発生する可能性がある。また、窒化ガリウムの積層構造がシリコン基板から剥離したり、窒化ガリウムの積層構造に形成した発光素子の電気的特性が劣化したり、窒化ガリウムの積層構造中における転位密度が増加するなどの不具合が発生する可能性がある。

そこで、たとえば以下の特許文献１においては、以下に示す基板の製造方法が開示されている。まず窒化ガリウム基板の一方の主表面上からイオン注入し、当該基板の比較的主表面に近い内部に、主表面に沿った方向にイオン注入層を形成する。そしてイオン注入を行なった主表面と、たとえば単結晶シリコン基板の主表面とを重ね合わせた上で熱処理する。このようにして、窒化ガリウム基板においてイオン注入を行なった主表面と、重ね合わせた単結晶シリコン基板の主表面とを接合するとともに、イオン注入層において脆弱領域を形成させる。その脆弱領域にエネルギーを加えることにより、重ね合わせた窒化ガリウム基板から、下地基板としての単結晶シリコン基板上に接合された薄膜として窒化ガリウムの薄膜を分離することができる。脆弱領域で剥離した薄膜として単結晶シリコン基板と接合された窒化ガリウムは極めて薄いため、最終的に単結晶シリコン基板から分離された１枚の窒化ガリウム基板は上記工程を行なうために複数回利用することが可能である。

特開２００６−２１０６６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている、窒化ガリウム基板を別の材質の下地基板に重ね合わせて接合する方法は、当該基板を用いて発光素子を製造する場合には、任意の材質の下地基板を用いてよいと言うわけではない。つまり、たとえば上述のような窒化ガリウム系化合物半導体の発光素子用基板を形成する場合、当該発光素子用基板を使用する目的に応じて、窒化ガリウム基板と重ね合わせて接合する下地基板の材質を選択する必要がある。

たとえば特許文献１に開示されている、シリコン基板の一方の主表面上に窒化ガリウム基板を重ね合わせて接合する場合、窒化ガリウムの薄膜上にエピタキシャル層を形成する際の熱処理などによりシリコンが窒化ガリウムと反応するため、発光素子用基板のシリコン基板には、窒化ガリウム薄膜と接合する主表面の一部に凹形状の欠陥（クレーター）が発生することがある。当該欠陥が発生した領域においては、シリコン基板と窒化ガリウム薄膜とは接合しなくなる。このため、当該欠陥が発生することにより、シリコン基板と窒化ガリウム薄膜との接合される面積が小さくなるため、両者の接合される強度が小さくなることがある。

また、発光素子に関しては、発光した光を、積層構造や下地基板の主表面に交差する方向に進行させ、下地基板の主表面側から外部へ放出させることが可能な構成であることが好ましいとの要請が多い。しかるに特許文献１に開示されている、下地基板がシリコンで形成された発光素子用基板の場合、シリコン単結晶は当該発光素子が発光する可視光をほとんど透過しない。このため、特許文献１に開示されている発光素子用基板の場合、そのままの構成では下地基板側から光を取出すことは困難であり、下地基板を剥離するなどの別工程を追加する必要がある。

本発明は、上述した各問題に鑑みなされたものであり、その目的は、発光する光を基板側から放出することが可能な、欠陥の少ない発光素子用基板を提供することである。

本発明に係る発光素子用基板は、波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光に対して透明な透明基板と、当該透明基板の一方の主表面上に接合により形成された窒化物系化合物半導体薄膜とを備える発光素子用基板である。当該透明基板の主表面に垂直な方向における当該透明基板の熱膨張係数をα１、窒化物系化合物半導体薄膜の熱膨張係数をα２とすれば、（α１−α２）／α２が−０．５以上１．０以下であり、１２００℃以下において窒化物系化合物半導体薄膜と反応しない。

窒化物系化合物半導体薄膜を備える発光素子用基板に対して形成する発光素子は、上述した波長範囲内の光を発光することができる。下地基板として、当該発光する光に対して透明、すなわち高い割合で透過する透明基板を用いることにより、当該発光素子用基板に形成する発光素子が発光する光は、下地基板を透過して下地基板の裏側の発光面（下地基板の、窒化物系化合物半導体と接合する主表面と反対側の主表面）から出射することができる。

また当該透明基板の、主表面に垂直な方向における熱膨張係数が上記の範囲内であれば、たとえばウルツ鉱構造の窒化ガリウムのａ軸方向の熱膨張係数であるα_ａ＝５．５９×１０^−６（１／Ｋ）との熱膨張係数の差が小さくなる。このため、当該透明基板を窒化物系化合物半導体基板と重ね合わせる際に、熱膨張係数の差に起因する熱応力による基板の反りなどの不具合が発生する可能性を低減することができる。

上述した透明基板を窒化物系化合物半導体基板と接合により重ね合わせるため、たとえばエピタキシャル成長により窒化物系化合物半導体を透明基板上に形成する場合に比べて、透明基板と窒化物系化合物半導体との格子不整合による不具合が発生する可能性を低減することができる。さらに、上述した接合により重ね合わせる際の熱処理を行なう温度（１２００℃以下）において窒化物系化合物半導体薄膜と反応しない性質を有することから、当該透明基板においては窒化物系化合物半導体基板と接合する際や、透明基板上に形成された窒化物系化合物半導体薄膜上にエピタキシャル層を形成する場合などに、当該窒化物系化合物半導体基板（または窒化物系化合物半導体薄膜）に接合する主表面の一部が反応して凹部を形成する可能性は少ない。したがって当該透明基板と窒化物系化合物半導体薄膜とが接合する密着性を良好に保ち、高品質の基板を提供することができる。

本発明に係る発光素子用基板において、透明基板の絶対屈折率は、窒化物系化合物半導体の絶対屈折率の６０％以上１４０％以下であることが好ましい。このように、透明基板の絶対屈折率の、窒化物系化合物半導体の絶対屈折率との差を小さくすれば、窒化物系化合物半導体薄膜の主表面上に形成した発光素子が発光する光が、透明基板と窒化物系化合物半導体薄膜との接合界面において反射により損失する可能性を低減することができる。したがって、発光素子が発光する光を、高い割合で、透明基板の方へ進行させ、透明基板の裏側の主表面から放出することができる。

以上に述べた作用を示すために、当該透明基板の材料はスピネル、酸化マグネシウム、酸化チタン、アルミナ、サファイア、窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。当該透明基板は単結晶であっても多結晶であってもよいが、多結晶の方が安価であり、より好ましい。

本発明に係る発光素子用基板は、透明基板の主表面の面粗度Ｒｍａｘが２ｎｍ以下であることが好ましい。特に透明基板の、窒化物系化合物半導体薄膜と接合された主表面の面粗度Ｒｍａｘが上述した範囲内にあれば、透明基板と窒化物系化合物半導体薄膜との接合強度を向上させることができる。また、発光素子が発光する光が窒化物系化合物半導体薄膜と透明基板との界面において乱反射することを抑制し、より高い割合で当該光を透明基板側へ透過させることができる。また、透明基板と窒化物系化合物半導体薄膜とを接合する場合には、両者の接合される主表面の面粗度Ｒｍａｘが小さい方が高い接合強度が得られる。

本発明に係る発光素子用基板は、透明基板と窒化物系化合物半導体薄膜との間に、窒化物系化合物半導体の絶対屈折率の６０％以上１４０％以下の絶対屈折率を有する、波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光に対して透明な透明薄膜をさらに備えることが好ましい。上述した透明薄膜を挟むことにより、透明基板と窒化物系化合物半導体との接合強度をさらに向上することができ、透明基板と当該透明薄膜との界面、および当該透明薄膜と窒化物系化合物半導体薄膜との界面における表面の面粗度をさらに小さく（平坦性を向上）することができる。

上述した透明薄膜の材料は、スピネル、酸化マグネシウム、酸化チタン、アルミナ、窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。特に、当該透明薄膜に透明基板と同一の材質を用いることにより、当該発光素子用基板としての品質をさらに向上することができる。

本発明によれば、発光する光を基板側から放出することが可能な、欠陥の発生を抑制した高品質な発光素子用基板を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る発光素子用基板の態様を示す概略断面図である。 窒化物系化合物半導体のバルク基板の概略断面図である。 窒化物系化合物半導体のバルク基板の内部にイオン注入を行なう態様を示す概略断面図である。 窒化物系化合物半導体バルク基板の主表面を、透明基板の一方の主表面と重ね合わせた態様を示す概略断面図である。 窒化物系化合物半導体バルク基板が亀裂を起こした態様を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態２に係る発光素子用基板の態様を示す概略断面図である。 本発明の実施例における積層構造の態様を示す概略断面図である。 本発明の実施例における発光素子の態様を示す概略断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。なお、各実施の形態について、同一の機能を果たす要素には同一の参照符号を付し、その説明は、特に必要がなければ繰り返さない。

（実施の形態１）
図１に示す発光素子用基板１００は、波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光に対して透明な下地基板としての透明基板１０と、上記透明基板１０の一方の主表面上に形成された窒化物系化合物半導体薄膜１ｃとを備える発光素子用基板１００である。

窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの、透明基板１０と対向しない主表面（図１における上側の主表面）に、発光素子を形成するために窒化ガリウム（ＧａＮ）やアルミ窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）などのエピタキシャル層の積層構造を形成する。これらの材質からなるエピタキシャル層の積層構造は、熱膨張係数や格子定数の差の都合上、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの主表面に容易に形成することができる。したがって、発光素子用基板１００にはたとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる窒化物系化合物半導体薄膜１ｃを備えることが好ましい。

窒化ガリウムは青色発光ダイオード（青色ＬＥＤ）の材料として用いられる半導体材料である。窒化物半導体を用いた発光素子は一般に可視光のほぼすべての波長範囲の光を放出することが可能であるが、なかでも窒化ガリウムは波長が４００ｎｍから６００ｎｍの範囲の、青色から緑色の可視光を主に放出することができる。このため、たとえば発光素子用基板１００の窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの主表面上に形成されている発光素子が、波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発光するとすれば、当該波長範囲の光に対して透明な材料を透明基板１０として用いることが好ましい。なお、ここで透明とは、基板の消衰係数が波長４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長領域に対して０．０１以下であるものをいう。

このようにすれば、発光素子が発光した光が透明基板１０側に進行した場合、当該光は透明基板１０の内部を進行して透明基板１０の裏側の主表面（図１における下側の主表面）から当該光を放出させることができる。従来の発光素子用基板は、素子が形成されている側から発光する仕様の基板が多い。しかし昨今、素子が形成されている側ではなく、支持基板の裏側から光を放出することができる発光素子用基板の需要が増大している。このため、本実施の形態の発光素子用基板１００は、支持基板として透明基板１０を用いることにより、発光素子が発光した青色ないし緑色の可視光を、透明基板１０の裏側の主表面から高い割合で放出することができる。このため、発光素子用基板１００、および当該基板に形成する発光素子の設計の自由度を向上することができる。

発光素子用基板１００の透明基板１０は、上述したように波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の青色ないし緑色可視光に対して透明な材質であるが、同時に、当該透明基板１０の主表面に垂直な方向（図１の上下方向）における透明基板１０の熱膨張係数をα１、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの熱膨張係数をα２とすれば、（α１−α２）／α２が−０．５以上１．０以下であることが好ましい。透明基板１０の主表面に垂直な方向とは、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃと透明基板１０とが接合（積層）される方向である。したがって透明基板１０の主表面に垂直な方向における、透明基板１０の熱膨張係数が、透明基板１０の主表面上に形成されている窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの熱膨張係数と近似していれば、後述するように当該透明基板１０の一方の主表面と窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの一方の主表面とが熱処理により接合される際に、熱膨張係数の差に起因するよる大きな熱応力や格子不整合により、形成される発光素子用基板１００に反りや応力、亀裂などの不具合が発生することを抑制することができる。

また、上述した透明基板１０の一方の主表面と窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの一方の主表面とが熱処理により接合される際、あるいは窒化物系化合物半導体薄膜１ｃ上にエピタキシャル層を形成する際に、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの主表面と透明基板１０の主表面との接触界面において、透明基板１０の主表面の一部が、対向する窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの主表面と化学反応や熱反応などを起こすことにより物理的な欠陥を形成する現象の発生を抑制することが好ましい。このため、当該透明基板１０は、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃ上にエピタキシャル層を形成する際の熱処理を行なう温度（１２００℃以下の温度）において窒化物系化合物半導体薄膜１ｃと反応しない材質からなることが好ましい。ここで透明基板１０が窒化物系化合物半導体薄膜１ｃと反応しないとは、透明基板１０の主表面と窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの主表面とを重ね合わせて加熱した際に、両者の間に変質層や化合物が形成されず、形成されたとしてもその厚みは１μｍ以下、また変質層や化合物の形成された領域が重ね合わせた主表面の面積の１０％以下の領域であることをいう。

以上の述べた透明基板１０の絶対屈折率は、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの絶対屈折率の６０％以上１４０％以下であることが好ましい。透明基板１０の絶対屈折率が、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの絶対屈折率との差が大きくなると、たとえば窒化物系化合物半導体薄膜１ｃから透明基板１０の方へ進行しようとする、発光素子の発光した光が、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃと透明基板１０とを接合させてなる両者の界面において、当該光の進行する角度によって容易に反射を起こすことになる。この反射により、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃから透明基板１０の方へ進行しようとする、発光素子の発光した光は、透明基板１０の方へ進行することを妨げられ、発光した光の強度が減少する。この結果、透明基板１０の裏側の主表面から発光素子用基板１００の外部へ放出される光の強度が減衰する可能性がある。以上のような現象を抑制するために、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃと透明基板１０との絶対屈折率の差を小さくすることが好ましい。このようにすれば、両者の接合する界面における光の反射による損失の発生を抑制することができ、発光素子が発光した光をスムーズに透明基板１０の裏側の主表面から出力することが可能となる。

以上に述べた作用を有する透明基板１０の材料としてはスピネル、酸化マグネシウム、酸化チタン、アルミナ、サファイア、窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種が用いられることが好ましい。これらの材質は、上述したように、青色ダイオードが発光する４００ｎｍ〜６００ｎｍの波長の光に対して透明であり、その熱膨張係数が、ウルツ鉱窒化ガリウムの熱膨張係数に近い値であり、絶対屈折率の値が窒化ガリウムに対して６０％以上１４０％以下の範囲に入る。かつ、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃを形成するたとえば窒化ガリウムの主表面と重ね合わせた状態で１２００℃以下の温度での熱処理を行なっても窒化ガリウムと反応して凹形状の欠陥（クレーター）などを形成する可能性が少ないため、高品質な発光素子用基板１００としての作用を奏することができる。

次に、当該発光素子用基板１００の製造方法について説明する。まず図２に示す、たとえば一方および他方の両方の主表面を研磨した窒化ガリウムからなる窒化物系化合物半導体バルク基板１を準備する。窒化物系化合物半導体バルク基板１は、たとえばウルツ鉱型窒化ガリウムの単結晶から構成されており、主表面はたとえば直径が２インチの円形ウェハにオリフラ（オリエンテーションフラット）を設けた構成である。一方の主表面（図２における上側の主表面）が（０００−１）窒素面、一方の主表面に対向する他方の主表面（図２における下側の主表面）が（０００１）ガリウム面となるように配置されることが好ましい。あるいは、後述するイオン注入を行なう窒化物形化合物半導体バルク基板１の一方の主表面が（０００−１）面に対して±８°以内の傾きを有した方向であってもよい。なお、窒化物系化合物半導体バルク基板１を構成する単結晶の比抵抗は１Ω・ｃｍ以下、キャリア濃度は１Ｅ１７ｃｍ−３以上であり、内部に含まれる転位密度は１０^９ｃｍ−２以下、より好ましくは１０^７ｃｍ−２以下であることが好ましい。

次に、準備した窒化物系化合物半導体バルク基板１に対してイオン注入を行なう。ここでは当該処理は、窒化物系化合物半導体バルク基板１の内部に脆弱領域を形成するためのエネルギーを供給するために行なう工程である。

図３の下向きの矢印は、イオン注入を行なう態様を示す矢印である。図３に示すように、窒化物系化合物半導体バルク基板１の一方の主表面１ａからたとえば水素イオンのイオン注入を行なう。なお、ここで水素イオンを加速する加速電圧はたとえば９０ｋｅＶとし、イオン注入を行なうドーズ量はたとえば７Ｅ１７ｃｍ−２とするが、上述した値以外の条件にても同様のイオン注入処理を行なうことができる。ここで、イオン注入を行なう主表面１ａは（０００−１）窒素面とすることが好ましい。なお、当該イオン注入においては、たとえば水素、ヘリウム、窒素、酸素、ネオン、アルゴンからなる群から選択される少なくとも１種の物質を窒化物系化合物半導体バルク基板１の一方の主表面から内部へ注入する。ただし、イオン注入に用いる物質は上述した物質に限定されず、イオン化を行なうことができる任意の元素を注入することができる。ただし、たとえば水素などの原子番号の小さい軽元素を用いた方が注入深さを深くすることができるためより好ましい。また、１種の元素（物質）を注入してもよいが、２種以上の複数の元素（物質）を注入してもよい。当該イオン注入を行なうことにより、窒化物系化合物半導体バルク基板１の主表面１ａから、主表面１ａに交差する方向に一定の深さの領域には当該注入したイオンが配置され、当該領域はイオン注入領域１ｂとして形成される。

次に窒化物系化合物半導体バルク基板１の主表面１ａを、透明基板１０の一方の主表面と重ね合わせる。図４において、上述した条件を満たす、一定の厚みを有する透明基板１０を用意し、上記窒化物系化合物半導体バルク基板１を当該透明基板１０の一方の主表面（図４における上側の主表面）上に重ね合わせ、両者が密着するように配置する。すなわち図４においては窒化物系化合物半導体バルク基板１が、図３に示す状態と上下が逆になっており、イオン注入を行なった主表面１ａが、透明基板１０の主表面と重なり合うように配置されている。

図４に示す状態を保ちながら、たとえば熱処理炉の内部で加熱を行ない、窒化物系化合物半導体バルク基板１の主表面１ａを、透明基板１０の主表面と接合する熱処理を行なう。このときの加熱条件としてはたとえば３００℃で２時間行なうことにより、窒化物系化合物半導体バルク基板１と透明基板１０との接合強度をより高めることができる。また、イオン注入により形成された脆弱領域であるイオン注入領域１ｂにおいて窒化物系化合物半導体バルク基板１を剥離することができる。なお、ここで窒化物系化合物半導体バルク基板１や透明基板１０が加熱により反りなどの変形を起こすことを抑制するために、本処理における加熱温度は１２００℃以下とすることが好ましい。なお、主表面１ａと透明基板１０とを接合する方法としては、他の任意の方法を用いることができる。

ここで、接合させる主表面１ａおよび透明基板１０の主表面については、両者の接合強度を高めるために、あらかじめ当該各主表面の面粗度Ｒｍａｘを小さくする表面処理を施しておくことが好ましい。具体的には、主表面１ａおよび透明基板１０の主表面は、面粗度（最大高さＲｍａｘ）が２ｎｍ以下となるように表面処理を施すことが好ましい。ここでの表面処理にはたとえばウェットエッチングや表面機械研磨、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などの機械化学研磨といった方法を用いることが好ましい。このように、窒化物系化合物半導体バルク基板１と透明基板１０とが接合する主表面の面粗度を小さくしておけば、両者の接合強度を高めると同時に、たとえば窒化ガリウム側から発光された光が窒化物系化合物半導体バルク基板１と透明基板１０との界面において乱反射するなどの現象を抑制する。このため、当該光をスムーズに透明基板１０側へ透過、進行させることができる。

図４に示すように窒化物系化合物半導体バルク基板１と透明基板１０とを接合する方法としては、上述したように接合する面の面粗度Ｒｍａｘを小さくし、鏡面にした状態で、両基板の間に荷重を加えながら熱処理を行なう方法を用いてもよい。そのほか、たとえばプラズマ雰囲気中に上述した窒化物系化合物半導体バルク基板１と透明基板１０とを曝露し、同上の方法で接合する方法を用いてもよい。あるいは真空雰囲気中でプラズマ粒子、イオン粒子、中性粒子を用いて、接合する主表面に対して衝撃を加えることにより接合する方法や、ガラス等を介在させて接合界面に電界を加えることにより接合する方法を用いることもできる。

上述したように、接合を行なう前に行なったイオン注入の際に、イオン注入領域１ｂの内部には、イオン注入により破壊を生じさせる基となる脆弱領域が形成される。そして、窒化物系化合物半導体バルク基板１と透明基板１０との接合において熱処理を用いた場合、イオン注入領域１ｂの内部には当該脆弱領域に起因した多数のダングリングボンドが形成される。このため、イオン注入領域１ｂを含む窒化ガリウムバルク領域および透明基板１０に対して加熱処理を施せば、熱エネルギーによりイオン注入領域１ｂにおいて破壊が起こり、イオン注入領域１ｂは亀裂層となる。したがって、図４に示す態様の重ね合わせを行なった状態で加熱を行なえば、イオン注入領域１ｂが亀裂を起こす。その結果、窒化物系化合物半導体バルク基板１は、イオン注入領域１ｂにおいて２つの領域に分割され、主表面１ａとイオン注入領域１ｂとに挟まれた領域のみが透明基板１０と接合する状態となる。これが脆弱領域における窒化物系化合物半導体バルク基板１の剥離である。

なお、イオン注入領域１ｂを窒化物系化合物半導体バルク基板１から分離させる処理を行なう際には、上記のようにイオン注入領域１ｂに熱エネルギーを与えることが好ましい。しかし、熱エネルギーの代わりに外力などの機械的エネルギーや光エネルギーを与えたり、あるいは高圧ガスや液体を噴射することにより当該処理を行なってもよい。

上述したように、窒化物系化合物半導体バルク基板１は熱処理時にイオン注入領域１ｂにおいて亀裂が発生するため、主表面１ａとイオン注入領域１ｂとに挟まれた窒化物系化合物半導体薄膜１ｃのみ透明基板１０の主表面に接合された状態となる。ここで、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの厚み（主表面に交差する、図５における上下方向の厚み）は、窒化物系化合物半導体バルク基板１に対してイオン注入され、イオン注入領域１ｂが形成される深さと実質的に等しい。イオン注入領域１ｂが形成される深さは、注入されるイオンの種類とイオン注入でのイオンの加速エネルギーにもよるが、窒化物系化合物半導体バルク基板１の主表面１ａから３０μｍ以下の深さであるため、透明基板１０の主表面上に形成される窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの厚みも３０μｍ以下の単位となる。このようにして、図１に示す発光素子用基板１００が形成される。

上記のように、窒化物系化合物半導体バルク基板１を透明基板１０の主表面上に接合させて形成した発光素子用基板１００においては、たとえば透明基板１０の代わりにシリコン基板を用いた場合にシリコン基板が窒化ガリウム薄膜と接合する主表面上に形成される凹部（クレーター）状の欠陥が形成される可能性は低い。このため、発光素子用基板１００においては、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃと透明基板１０との間において十分な接合面積と接合強度を確保することができる。

したがって、上記の処理を１回行なうことにより、窒化物系化合物半導体バルク基板１から分離されて窒化物系化合物半導体薄膜１ｃとなる領域は、窒化物系化合物半導体バルク基板１の全体に比して非常に薄い領域である。たとえば窒化物系化合物半導体バルク基板１の厚みが１ｍｍであれば、１枚の窒化物系化合物半導体バルク基板１から上述した窒化物系化合物半導体薄膜１ｃを形成する処理を数十回から数百回行なうことが可能となる。このことから、本実施の形態における方法を用いた発光素子用基板は、窒化物系化合物半導体バルク基板１の主表面上に直接窒化ガリウムなどのエピタキシャル層を形成した発光素子用基板に比べて、安価に形成することが可能となる。

また、上記の方法により透明基板１０の一方の主表面上に薄膜として形成された窒化物系化合物半導体薄膜１ｃは、窒化ガリウムの格子定数が透明基板１０を形成する材質の格子定数と異なっていたとしても、透明基板１０と窒化物系化合物半導体薄膜１ｃとの格子不整合、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃ中の転位密度の増加、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃの剥離などの不具合を起こすことなく、透明基板１０の主表面上に安定に配置される。これは、透明基板１０の主表面上にエピタキシャル成長により窒化物系化合物半導体薄膜１ｃを形成したわけではなく、既に組織として形成された窒化物系化合物半導体薄膜１ｃを透明基板１０の主表面上に接合したにすぎない構造であるためである。

上述した窒化物系化合物半導体薄膜１ｃを透明基板１０の主表面上に接合した発光素子用基板１００の場合、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃのイオン注入領域１ｂが、発光素子用基板１００の積層構造の表面となり、当該イオン注入領域１ｂの表面上に形成する発光素子の発光する光は、上述したように４００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の波長を有する青色ないし緑色の可視光である。しかし、透明基板１０の主表面に接合するＩＩＩ族の化合物半導体の材質や、当該化合物半導体中に含まれるＩＩＩ族元素の組成比を制御することにより、当該発光素子が出力する光の波長をたとえば紫外線から赤色光までの広範囲にわたるように設計することができる。

なお以上に述べた、イオン注入により形成される脆弱領域を用いて、透明基板１０に重ね合わせた窒化物系化合物半導体バルク基板１を剥離させる製造方法の代わりに、以下に述べる製造方法を用いてもよい。すなわち、まず基板と窒化物系化合物半導体バルクとを接合する工程として、イオン注入を行なっていない窒化物系化合物半導体バルク基板１の一方の主表面を、上記と同様の方法で透明基板１０の一方の主表面と重ね合わせ、たとえば加熱により両者を接合する処理を行なう。なお、接合方法としては他の任意の方法を用いることができる。その後、窒化物系化合物半導体バルクを薄膜化する工程として、透明基板１０に接合された窒化物系化合物半導体バルク基板１を、所望の厚みを有する窒化物系化合物半導体薄膜１ｃとするための処理を行なう。具体的には、たとえばＣＭＰ装置を用いて窒化物系化合物半導体バルク基板１を透明基板１０に対向する主表面と反対側の主表面から研磨したり、たとえばワイヤソーを用いて窒化物系化合物半導体バルク基板１の透明基板１０に接合された部分が所望の厚みとなるようにスライス（切断）する処理を行なう。

以上のように、イオン注入を行なわずに透明基板１０の主表面上に、接合により形成された窒化物系化合物半導体薄膜１ｃには、イオン注入によるダメージが含まれないことになる。このため、上記のイオン注入による剥離を利用して形成した発光素子用基板１００よりも、さらに高品質な窒化物系化合物半導体薄膜１ｃを有する発光素子用基板１００を提供することができる。

（実施の形態２）
図６に示す発光素子用基板２００は、図１に示す発光素子用基板１００と基本的に同様の態様を備えている。しかし、発光素子用基板２００は、透明基板１０と窒化物系化合物半導体薄膜１ｃとの間に透明薄膜２０をさらに備えている。以上の点においてのみ、発光素子用基板２００は発光素子用基板１００と異なる。

透明薄膜２０の透明とは、透明基板１０の透明と同様に、波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光に対して透明であることを意味する。また、透明薄膜２０についても、窒化ガリウムの絶対屈折率の６０％以上１４０％以下の絶対屈折率を有する材質からなることが好ましく、具体的にはスピネル、酸化マグネシウム、酸化チタン、アルミナ、窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。ただし、透明薄膜２０は透明基板１０の一方の主表面上に形成することから、透明薄膜２０の材質は透明基板１０の材質と同一となるようにすることが好ましい。このようにすれば、透明薄膜２０を透明基板１０の主表面上に極めて安定に形成することができる。

透明薄膜２０は、透明基板１０の一方の主表面、すなわち窒化物系化合物半導体薄膜１ｃを形成する側の主表面（図６における上側の主表面）上に、たとえば真空蒸着やスパッタリング、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成することが好ましい。ただし、透明基板１０の主表面を粗面化させないように、良好な膜質の透明薄膜２０を形成することが好ましいため、上述した各方法のなかでもスパッタリング法やＭＯＣＶＤ法を用いることが特に好ましい。また、透明薄膜２０の厚みは０．０５μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましく、なかでも０．１μｍ以上２μｍ以下とすることがさらに好ましい。

透明薄膜２０の一方の主表面（図６における上側の主表面）と、窒化物系化合物半導体バルク基板１の主表面１ａとを重ね合わせ、イオン注入領域１ｂにおいて窒化物系化合物半導体バルク基板１を分割することにより、図６に示す態様の発光素子用基板２００を形成することができる。発光素子用基板２００のように、透明基板１０と窒化物系化合物半導体薄膜１ｃとの間に透明薄膜２０を挟むことにより、透明薄膜２０の表面（窒化物系化合物半導体薄膜１ｃと接触する面）の平坦性をより向上させておけば、透明薄膜２０と透明薄膜２０との接合強度をさらに高めることができる。また、発光素子が発光する光を透明薄膜２０や透明基板１０側に透過する割合を高め、発光素子が発光する光について透明基板１０の裏側の主表面からの出力強度をさらに高めることができる。

本発明の実施の形態２は、以上に述べた各点についてのみ、本発明の実施の形態１と異なる。すなわち、本発明の実施の形態２について、上述しなかった構成や条件、手順や効果などは、全て本発明の実施の形態１に順ずる。

上記の本発明の実施の形態１に開示した発光素子用基板１００の製造方法を用いて、実際に窒化物系化合物半導体薄膜を形成し、発光素子を形成した。以下にその手順について説明する。

まず、図２に示す窒化物系化合物半導体バルク基板１として、酸素をドーピングした上で一方および他方の両方の主表面を鏡面研磨した、直径２インチで厚みが５００μｍの窒化ガリウムウェハを用意する。当該窒化ガリウムウェハは六方晶の結晶構造をなし、主表面は（０００１）面をなす。また、比抵抗は１Ω・ｃｍ以下であり、キャリア濃度は１Ｅ１７ｃｍ−３以上である。

窒化ガリウムウェハの一方の主表面である窒素面に、図３に示すように水素イオンを注入する。このとき水素イオンを加速する電圧は９０ｋｅＶとし、ドーズ量は７Ｅ１７ｃｍ−２とした。このようにして窒化ガリウムウェハの内部に図３に示すイオン注入領域１ｂを形成した後、窒化ガリウムウェハのイオン注入を行なった主表面１ａを洗浄した。さらにドライエッチング装置に当該窒化ガリウムウェハを投入し、主表面１ａをアルゴンガス雰囲気中で放電させることにより、プラズマを用いて主表面１ａに付着された微粒子や異物、主表面１ａ近傍の残留応力や結晶歪みなどを除去する処理（プラズマエッチング）を行なった。ここで、ドライエッチング装置内部におけるアルゴンガスの条件は高周波パワーが１００Ｗ、アルゴンガスの流量は５０ｓｃｃｍであり、雰囲気の圧力は６．７Ｐａとした。

一方、たとえば図１や図４に示す透明基板１０として、多結晶スピネルの透明基板を用い、これをアルゴンガス雰囲気中で放電させることにより、上記窒化ガリウムウェハと同様の条件で主表面のプラズマエッチングを行なった。

そして図４に示すように、窒化物系化合物半導体バルク基板１としての窒化ガリウムウェハの主表面１ａと、多結晶スピネルの透明基板１０のプラズマ処理を行なった主表面とを大気中で重ね合わせる処理を行なった。なお、両者を重ね合わせた後、両者の接着強度を高めるため、加熱炉中で３００℃で２時間、窒素雰囲気中で加熱を行なった。この加熱により、窒化ガリウムウェハは図４に示すイオン注入領域１ｂにおいて剥離を起こし、図５（図１）に示す、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃを備える発光素子用基板１００を形成した。なお、多結晶スピネルの熱膨張係数α１は７．４×１０^−６（１／Ｋ）であり、窒化ガリウムの熱膨張係数α２（ａ軸方向）がおよそ５．６×１０^−６（１／Ｋ）であるため、（α１−α２）／α２の値が−０．５以上１．０以下の条件を満足する。

発光素子用基板１００の、最上面の主表面（図５におけるイオン注入領域１ｂ）上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて発光素子を形成した。具体的には図７に示すようにｎ型窒化ガリウム層２、ｎ型アルミ窒化ガリウム層３、多重量子井戸４、ｐ型アルミ窒化ガリウム層５、ｐ型窒化ガリウム層６の順に形成した。また、多重量子井戸４は発光層であり、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎの極薄膜層とＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎの極薄膜層とを交互に積層された構成とした。

以上のように形成した積層構造の一部、具体的にはｎ型窒化ガリウム層２の一部、およびｎ型アルミ窒化ガリウム層３、多重量子井戸４、ｐ型アルミ窒化ガリウム層５、ｐ型窒化ガリウム層６をエッチングにより除去する。このようにしてｎ型窒化ガリウム層２の主表面の一部、およびｐ型窒化ガリウム層６の主表面が露出した状態となるようにする。

そして図８に示すように、部分的に露出された上記ｎ型窒化ガリウム層２およびｐ型窒化ガリウム層６の主表面上に、それぞれとオーミック接触をなす金属材料を用いてｎ型電極７およびｐ型電極８を形成する。

以上の手順により、図８に示す発光素子３０が形成される。当該発光素子３０はｎ型電極７とｐ型電極８との間を導通することにより、発光層である多重量子井戸４において正孔と電子との再結合が起こり、発光現象が生じる。当該光が、透明基板１０の裏側（図８における透明基板１０の下側の主表面）から放出（透過）されることを確認することができた。

上記実施例１と同様の発光素子用基板１００の形成を、透明基板１０の材質として多結晶スピネルの代わりに、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃを形成する窒化ガリウムの絶対屈折率の１４０％の絶対屈折率を有する石英を用いることを試みた。しかし、透明基板１０（石英基板）の主表面と、イオン注入を行なった窒化ガリウムウェハの主表面とを重ね合わせて加熱を行ない、イオン注入領域において剥離を生じさせる工程において、窒化ガリウムウェハにクラックが発生し、当該発光素子用基板１００を形成することができなかった。

これは石英と窒化ガリウムとの熱膨張係数の差が大きいことに起因する。具体的には石英の熱膨張係数α１が５．４×１０^−７（１／Ｋ）、窒化ガリウムの熱膨張係数α２（ａ軸方向）がおよそ５．６×１０^−６（１／Ｋ）であり、（α１−α２）／α２の値が−０．５以下となる。このため熱膨張係数の差による熱応力に起因してクラックが発生したと考えられる。

図２に示す窒化物系化合物半導体バルク基板１として直径が２インチの窒化ガリウム基板を用い、その一方の主表面上にＭＯＣＶＤ法を用いて、図７のｎ型アルミ窒化ガリウム層３と同様の、厚みが２μｍのアルミ窒化ガリウム層を形成した。そして当該アルミ窒化ガリウム層の最上面の主表面から、図３のように当該アルミ窒化ガリウム層の内部に水素イオン注入を行なった。このときの水素イオンの加速電圧は１００ｋｅＶ、ドーズ量は６Ｅ１７ｃｍ−２とした。

水素イオン注入を行なった後、実施例１と同様に、イオン注入を行なった主表面を洗浄した。さらにドライエッチング装置に当該窒化ガリウム基板を投入し、アルミ窒化ガリウム層の主表面をアルゴンガス雰囲気中で放電させることにより、プラズマを用いて当該主表面に付着された微粒子や異物、主表面近傍の残留応力や結晶歪みなどを除去する処理（プラズマエッチング）を行なった。そして実施例１と同様に、上記アルミ窒化ガリウム層の主表面と、透明基板１０として用いるサファイア基板のうち、プラズマエッチング処理を行なった主表面とを大気中で重ね合わせた。

そして両者の接着強度を高めるため、加熱炉中で４００℃で２時間、窒素雰囲気中で加熱を行なった。この加熱により、窒化ガリウム基板のアルミ窒化ガリウム層はイオン注入領域１ｂ（図４参照）において剥離を起こし、図５（図１）に示す、アルミ窒化ガリウム層を窒化物系化合物半導体薄膜１ｃとし、サファイア基板を透明基板１０とする発光素子用基板１００を形成した。なお、サファイア基板の熱膨張係数α１は７．１×１０^−６（１／Ｋ）であり、アルミ窒化ガリウムの熱膨張係数α２（ａ軸方向）がおよそ５．６×１０^−６（１／Ｋ）であるため、（α１−α２）／α２の値が−０．５以上１．０以下の条件を満足する。

形成した発光素子用基板１００に対して、図８と同様にＭＯＣＶＤ法を用いて積層を行ない、図８と同様の発光素子３０を形成した。そして当該発光素子３０を導通、作動させて発光した光が透明基板１０の裏側（図８における透明基板１０の下側の主表面）から放出（透過）されることを確認した。

実施例１において形成した発光素子用基板１００（図５参照）の、透明基板１０と接合される主表面１ａの面粗度Ｒａと、当該発光素子用基板１００に形成した発光素子３０（図８参照）が発光する光が透明基板１０の裏側から放出（透過）される割合（光透過の割合）との関係を調査した。

実施例１における主表面１ａのプラズマエッチングの条件により、当該主表面１ａの面粗度Ｒａを２．４ｎｍ、２．１ｎｍ、１．９ｎｍにしたものと、１ｎｍにしたものとの合計４種類の窒化ガリウムウェハを準備した。これらを実施例１で述べたように透明基板１０（多結晶スピネル）の主表面と重ね合わせて発光素子用基板１００を形成した。

このときの窒化ガリウムウェハの主表面１ａと透明基板１０の主表面とが密着する領域の面積（接合面積）を、主表面１ａの面粗度Ｒａごとに調査した。また、それぞれの発光素子用基板１００に対して、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃ側から入射した光が、透明基板１０の、窒化物系化合物半導体薄膜１ｃと対向する主表面と反対側の主表面から放出される量を調査した。これらの結果を、主表面１ａの面粗度Ｒａが１ｎｍのサンプルを基準として「接合面積（％）」、「光透過の割合」で表わしたものが次の表１である。

表１より、重ね合わせられている窒化ガリウムウェハの主表面の面粗度Ｒａが大きいと、透明基板１０との接合面積が小さくなる。その結果、窒化ガリウムウェハ側から入射された光が上述の重ね合わせられている領域を透過して透明基板１０の裏側から放出される割合が減少する。以上のことが実施例４を通じて確認された。

今回開示された各実施の形態および各実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した各実施の形態および各実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、発光する光を基板側から放出することが可能な、高品質な発光素子用基板を提供する技術として特に優れている。

１ 窒化物系化合物半導体バルク基板、１ａ 主表面、１ｂ イオン注入領域、１ｃ 窒化物系化合物半導体薄膜、２ ｎ型窒化ガリウム層、３ ｎ型アルミ窒化ガリウム層、４ 多重量子井戸、５ ｐ型アルミ窒化ガリウム層、６ ｐ型窒化ガリウム層、７ ｎ型電極、８ ｐ型電極、１０ 透明基板、２０ 透明薄膜、３０ 発光素子、１００，２００ 発光素子用基板。

Claims (6)

1. 波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光に対して透明な透明基板と、
   前記透明基板の一方の主表面上に接合により形成された窒化物系化合物半導体薄膜とを備える発光素子用基板であり、
   前記透明基板の主表面に垂直な方向における前記透明基板の熱膨張係数をα１、前記窒化物系化合物半導体薄膜の熱膨張係数をα２とすれば、（α１−α２）／α２が−０．５以上１．０以下であり、１２００℃以下において前記窒化物系化合物半導体薄膜と反応しない、発光素子用基板。
2. 前記透明基板の絶対屈折率は、窒化物系化合物半導体の絶対屈折率の６０％以上１４０％以下である、請求項１に記載の発光素子用基板。
3. 前記透明基板の材料はスピネル、酸化マグネシウム、酸化チタン、アルミナ、サファイア、窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１または２に記載の発光素子用基板。
4. 前記透明基板の主表面の面粗度Ｒｍａｘが２ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
5. 前記透明基板と前記窒化物系化合物半導体薄膜との間に、窒化物系化合物半導体の絶対屈折率の６０％以上１４０％以下の絶対屈折率を有する、波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光に対して透明な透明薄膜をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子用基板。
6. 前記透明薄膜の材料はスピネル、酸化マグネシウム、酸化チタン、アルミナ、窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種である、請求項５に記載の発光素子用基板。

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