特許 6684815 エピタキシャル成長用配向アルミナ基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6684815

(24)【登録日】2020年4月1日

(45)【発行日】2020年4月22日

(54)【発明の名称】エピタキシャル成長用配向アルミナ基板

(51)【国際特許分類】

   C04B 35/111 20060101AFI20200413BHJP

   C30B 29/20 20060101ALI20200413BHJP

【ＦＩ】

   C04B35/111

   C30B29/20

【請求項の数】4

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-543254(P2017-543254)

(86)(22)【出願日】2016年9月26日

(86)【国際出願番号】JP2016078265

(87)【国際公開番号】WO2017057271

(87)【国際公開日】20170406

【審査請求日】2019年4月17日

(31)【優先権主張番号】特願2015-193943(P2015-193943)

(32)【優先日】2015年9月30日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2015-193944(P2015-193944)

(32)【優先日】2015年9月30日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2015-224164(P2015-224164)

(32)【優先日】2015年11月16日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2016-11190(P2016-11190)

(32)【優先日】2016年1月25日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2016-34005(P2016-34005)

(32)【優先日】2016年2月25日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2016-66431(P2016-66431)

(32)【優先日】2016年3月29日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2016-139508(P2016-139508)

(32)【優先日】2016年7月14日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 守道

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 圭

(72)【発明者】

【氏名】松島 潔

(72)【発明者】

【氏名】七瀧 努

【審査官】 西垣 歩美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−３５９４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２７０８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５７７０９０５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 国際公開第２０１５／０９３３３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−０５０５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２９３６０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ３５／００−３５／２２

Ｃ２３Ｃ １６／００−１６／５６

Ｃ３０Ｂ １／００−３５／００

Ｈ０１Ｌ ３３／１６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面を構成する結晶粒子のチルト角が０．１°以上１．０°未満であり、
平均焼結粒径が１０μｍ以上である、
エピタキシャル成長用配向アルミナ基板。

【請求項2】

表面を構成する結晶粒子の平均焼結粒径が２０μｍ以上である、
請求項１記載のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板。

【請求項3】

Ｎａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎの各含有量が１５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする、
請求項１又は２に記載のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板。

【請求項4】

Ｍｇ含有量が１５ｐｐｍ以上であることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エピタキシャル成長用配向アルミナ基板に関する。

【背景技術】

【0002】

発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子や半導体デバイス用のエピタキシャル成長用基板として、サファイア（α−アルミナ単結晶）基板が用いられたり、サファイア基板上にＧａＮなどの半導体層を結晶成長させた複合基板が用いられたりしている。こうしたエピタキシャル成長用基板上に、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層とＧａＮ層からなる障壁層とが交互積層された多重量子井戸層（ＭＱＷ）、及びｐ型ＧａＮ層が順に積層形成された構造を有する発光素子用基板が量産化されている。

【0003】

しかしながら、サファイア基板は一般的に面積が小さく高価なものである。そのため、本発明者らは、サファイア基板の代わりに配向アルミナ基板を用いることを提案している（特許文献１，２参照）。特許文献１では、配向アルミナ基板上にＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮ種結晶層を形成し、その種結晶層上にフラックス法によりＧａＮバッファ層を形成し、その上に発光機能層（ｎ型ＧａＮ層、多重量子井戸層及びｐ型ＧａＮ層をこの順に積層した層）を形成して発光素子用基板を作製している。このように配向アルミナ基板を構成要素に含むタイプの発光素子用基板を本明細書では素子用基板Ｓ１と称する。また、特許文献２では、配向アルミナ基板上にＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮ種結晶層を形成し、その種結晶層上にフラックス法によりＧｅドープＧａＮ層を形成し、その後配向アルミナ基板部を砥石による研削加工により除去してＧｅドープＧａＮ自立基板を得ている。そして、この自立基板上に発光機能層を形成することにより発光素子用基板を作製している。このように配向アルミナ基板の代わりに半導体自立基板を含むタイプの発光素子用基板を本明細書では素子用基板Ｓ２と称する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１５／０９３３３５号のパンフレット

【特許文献2】特許第５７７０９０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

これらの素子用基板Ｓ１、Ｓ２を用いて作製した発光素子などの半導体デバイスは良好な特性を有するが、更に半導体デバイスの特性を向上させることが期待されている。

【0006】

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、従来に比べて更に半導体デバイスの特性を向上させることを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者らは、発光素子などの半導体デバイスの特性を向上させるべく鋭意検討したところ、半導体デバイスを製造する際に利用するエピタキシャル成長用基板の表面を構成する結晶粒子のチルト角を０．１°以上１．０°未満且つ平均焼結粒径を１０μｍ以上とすることで、半導体デバイスの特性が著しく向上することを見出し、本発明を完成するに至った。

【0008】

本発明のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板は、表面を構成する結晶粒子のチルト角が０．１°以上１．０°未満であり、平均焼結粒径が１０μｍ以上のものである。ここで、チルト角とは、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＣ・ＦＷＨＭ）を指す。図１にアルミナ結晶のチルト角の模式的な説明図を示す。平均焼結粒径とは、配向アルミナ基板の板面にサーマルエッチングを行った後、走査電子顕微鏡にて撮影した画像を用いて測定した値である。

【0009】

本発明のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板を利用して上述した素子用基板Ｓ１，Ｓ２を作製し、更にそれらの素子用基板Ｓ１，Ｓ２を利用して半導体デバイスを作製すると、従来に比べて特性が向上した半導体デバイスが得られる。その理由は定かではないが、発光機能層を構成する半導体粒子が若干傾斜していることで光の取り出し効率などが向上するためと推測している。なお、半導体デバイスとしては、発光素子のほか太陽電池やパワーデバイスなどが挙げられる。素子用基板Ｓ１、Ｓ２においてバッファ層や半導体層の形成方法は特に限定はなく、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、スパッタリング等の気相法、Ｎａフラックス法、アモノサーマル法、水熱法、ゾルゲル法等の液相法、粉末の固相成長を利用した粉末法、及びこれらの組み合わせが好ましく例示される。

【0010】

本発明は、以下のように、エピタキシャル成長方法として捉えることもできる。すなわち、「表面を構成する結晶粒子のチルト角が０．１°以上１．０°未満であり、平均焼結粒径が１０μｍ以上である配向アルミナ基板の表面に、半導体結晶をエピタキシャル成長させることにより薄膜を形成する、エピタキシャル成長方法」として捉えることもできる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】アルミナ結晶のチルト角の模式的な説明図。

【図2】積層体１を焼成して配向アルミナ基板７を作製する工程の模式図。

【図3】発光素子用基板１０から発光素子３０を作製する工程の断面図。

【図4】発光素子用基板２０から発光素子４０を作製する工程の断面図。

【図5】ロッキングカーブ測定の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［エピタキシャル成長用配向アルミナ基板］
本発明の一実施形態のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板は、多結晶アルミナ基板であって、表面を構成する結晶粒子のチルト角が０．１°以上１．０°未満であることが好ましく、平均焼結粒径が１０μｍ以上であることが好ましい。

【0013】

表面を構成する結晶粒子のチルト角が０．１°未満の場合や１．０°以上の場合は、最終的に得られる半導体デバイスの特性が向上しないため好ましくない。その理由は不明だが、チルト角が０．１°未満だと、エピタキシャル成長時に配向アルミナ基板とエピタキシャル成長膜との格子不整合に起因して発生する格子欠陥がエピタキシャル成長膜中に残留しやすいためとも考えられる。また、このチルト角が１．０°以上だと、エピタキシャル成長膜からの光の取り出し効率などが低下するためとも考えられる。また、素子用基板Ｓ１を発光素子に用いた場合は配向アルミナ基板の光の透過性なども低下すると考えられる。チルト角の上限値は１．０°未満が好ましく、０．９°以下がより好ましい。チルト角の下限値は０．１°以上が好ましく、０．４°以上がより好ましく、０．６°以上が更に好ましく、０．８°以上が特に好ましい。

【0014】

平均焼結粒径は１０μｍ以上であれば特に問題はないが、発光素子などの素子性能の観点では２０μｍ以上がより好ましい。平均焼結粒径が１０μｍ未満の場合、素子性能が低下するため好ましくない。一方、平均焼結粒径が大きくなりすぎると強度が低下するため、ハンドリングの観点では平均焼結粒径３００μｍ以下が好ましく、１５０μｍ以下がより好ましく、１００μｍ以下が更に好ましい。平均焼結粒径の数値範囲の上限と下限はこれらの数値の中から適宜組み合わせてもよいが、素子性能とハンドリングを両立させる観点では１０〜３００μｍが好ましく、２０〜１５０μｍがより好ましく、２０〜１００μｍが更に好ましい。

【0015】

本実施形態のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板は、ロットゲーリング法により求めたｃ面配向度が５０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましく、９０％以上であることが更に好ましく、９５％以上であることが特に好ましく、１００％であることが最も好ましい。

【0016】

本実施形態のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板の厚みは、自立する厚みであることが好ましいが、厚すぎると製造コストの観点では好ましくない。そのため、厚みは２０μｍ以上が好ましく、１００μｍ以上がより好ましく、１００〜１０００μｍが更に好ましい。一方、この配向アルミナ基板に半導体結晶を成長させる際に配向アルミナ基板と半導体結晶との熱膨張差に起因した応力によって基板全体に反りが生じ、その後のプロセスに支障を来す場合がある。こうした反りを抑制する方法の一つとして、厚い配向アルミナ基板を用いてもよい。

【0017】

本実施形態のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板は、不純物を含有しているとバッファ層、半導体層の作製時に基板が侵食され、割れやすくなる場合がある。特にＮａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎの含有量が多い場合に侵食が顕著であり、耐食性の観点ではＮａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎの各含有量は１５００ｐｐｍ以下が好ましく、１０００ｐｐｍ以下がより好ましく、５００ｐｐｍ以下がより好ましく、１５０ｐｐｍ以下がより好ましく、１００ｐｐｍ以下がより好ましく、５０ｐｐｍ以下がより好ましく、１０ｐｐｍ以下がより好ましく、特に下限はない。一方、配向アルミナ基板の配向度やチルト角、焼結粒径を制御するため、焼結助剤としてＭｇＯ、ＳｉＯ₂、ＣａＯなどの酸化物やフッ化物を加える場合がある。ＭｇＯは焼結粒径の制御に加え、異常粒成長を抑制する効果が高い。特に高温で焼成する場合、ＭｇＯを加えることで異常粒を含まない配向アルミナ焼結体を歩留まりよく作製することができる。このため、異常粒成長抑制の観点ではＭｇは１５ｐｐｍ以上含むほうが好ましい（好ましくは３０ｐｐｍ以上、より好ましくは５０ｐｐｍ以上、更に好ましくは１００ｐｐｍ以上）。従って、耐食性と製造時の歩留まりを両立するＭｇの含有量としては１５〜１５００ｐｐｍが好ましく、１５〜１０００ｐｐｍがより好ましく、１５〜５００ｐｐｍが更に好ましく、３０〜１５０ｐｐｍが特に好ましい。

【0018】

［エピタキシャル成長用配向アルミナ基板の製法］
本実施形態のエピタキシャル成長用配向アルミナ基板の製法は特に限定がないが、好ましい製法としては、（ａ）微細アルミナ粉末層と、板状アルミナ粒子の板面が微細アルミナ粉末層の表面に沿うように配列された板状アルミナ粉末層とが、交互に積層された積層体を作製する工程と、（ｂ）積層体を焼成する工程と、を含む製法が挙げられる。

【0019】

工程（ａ）で用いる微細アルミナ粉末層は、微細アルミナ粒子の集合体の層である。微細アルミナ粉末は、平均粒径が板状アルミナ粉末よりも小さい粉末である。微細アルミナ粉末層は、微細アルミナ粉末そのものを成形した層であってもよいし微細アルミナ粉末に添加剤を加えたものを成形した層であってもよい。添加剤としては、例えば焼結助剤やグラファイト、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒などが挙げられる。成形方法は特に限定するものではないが、例えば、テープ成形、押出成形、鋳込み成形、射出成形、一軸プレス成形等が挙げられる。微細アルミナ粉末層の厚みは、５〜１００μｍであることが好ましく、１０〜１００μｍであることがより好ましく、２０〜６０μｍであることが更に好ましい。

【0020】

工程（ａ）で用いる板状アルミナ粉末層は、板状アルミナ粒子の集合体の層である。板状アルミナ粉末は、高配向化、低チルト化の観点ではアスペクト比は大きい方が好ましく、３以上が好ましく、１０以上がより好ましく、３０以上が更に好ましい。アスペクト比は、平均粒径／平均厚さである。ここで、平均粒径は、粒子板面の長軸長の平均値、平均厚さは、粒子の短軸長の平均値である。これらの値は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で板状アルミナ粉末中の任意の粒子１００個を観察して決定する。板状アルミナ粉末の平均粒径は、配向焼結体の高配向化、低チルト化の観点からは大きい方が好ましく、１．５μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上が更に好ましく、１５μｍ以上が特に好ましい。但し、緻密化の観点からは小さい方が好ましく、３０μｍ以下が好ましい。こうしたことから、高配向と緻密化を両立するには平均粒径が１．５〜３０μｍであることが好ましい。また、高配向化、低チルト化の観点では板状アルミナ粉末の平均厚さは微細アルミナ粉末より厚いほうが好ましい。板状アルミナ粉末層は、板状アルミナ粉末そのものの層であってもよいし板状アルミナ粉末に添加剤を加えたものの層であってもよい。添加剤としては、例えば焼結助剤やグラファイト、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒などが挙げられる。板状アルミナ粉末層は、板状アルミナ粉末を構成する板状アルミナ粒子の板面が微細アルミナ粉末層の表面に沿うように配列されている。板状アルミナ粉末は、単一粒子になっていることが好ましい。単一粒子になっていない場合には、配向度やチルト角を悪化させることがあり、低チルト化の観点では非常に重要である。粒子を単一にするには、分級処理、解砕処理及び水簸処理の少なくとも１つの処理を採用すればよいが、すべての処理を採用するのが好ましい。分級処理や解砕処理は、凝集等がある際に採用するのが好ましい。分級処理としては、気流分級等が挙げられる。解砕処理としては、ポット解砕、湿式微粒化方式等が挙げられる。水簸処理は、微粒粉が混入している際に採用するのが好ましい。

【0021】

工程（ａ）で作製される積層体は、微細アルミナ粉末層と板状アルミナ粉末層とが交互に積層されたものである。低チルト化の観点では、積層体を作製する際、微細アルミナ粉末の成形体の片面を板状アルミナ粉末層で全面的に又は部分的に被覆した片面加工体を作製し、該片面加工体を利用して積層体を作製するのが好ましい。あるいは、微細アルミナ粉末の成形体の両面を板状アルミナ粉末層で全面的に又は部分的に被覆した両面加工体を作製し、該両面加工体と未加工の成形体とを利用して積層体を作製するのが好ましい。

【0022】

片面加工体又は両面加工体は、微細アルミナ粉末の成形体の片面又は両面に該成形体よりも厚みの薄い板状アルミナ粉末の成形体を積層することにより作製してもよい。この場合、板状アルミナ粉末の成形体は、板状アルミナ粒子の板面がその成形体の表面に沿うようにテープ成形や印刷などによってせん断力を与えて成形したものを用いてもよい。あるいは、片面加工体又は両面加工体は、微細アルミナ粉末の成形体の片面又は両面に板状アルミナ粉末の分散液を印刷、スプレーコート、スピンコート又はディップコートすることにより作製してもよい。スプレーコート、スピンコート、ディップコートでは、強制的にせん断力を与えずとも、板状アルミナ粒子の板面がその成形体の表面に沿うように配列する。成形体の表面に配列した板状アルミナ粒子は、数個の板状アルミナ粒子が重なっていてもよいが、他の板状アルミナ粒子と重なっていないことが好ましい。

【0023】

片面加工体を利用する場合、微細アルミナ粉末層と板状アルミナ粉末層とが交互に積層されるように片面加工体を積み重ねていけばよい。両面加工体を利用する場合、両面加工体と未加工の微細アルミナ粉末の成形体とを交互に積層すればよい。なお、片面加工体と両面加工体の両方を利用して積層体を作製してもよいし、片面加工体と両面加工体と未加工の成形体とを利用して積層体を作製してもよい。

【0024】

工程（ｂ）では、積層体を焼成する。この場合、焼成方法は特に限定がないが、積層体を加圧焼成するのが好ましい。加圧焼成としては、例えばホットプレス焼成やＨＩＰ焼成などが挙げられる。なお、加圧焼成前に常圧予備焼成を行ってもよい。ＨＩＰ焼成を行うときにはカプセル法を用いることもできる。ホットプレス焼成の場合の圧力は、５０ｋｇｆ／ｃｍ²以上が好ましく、２００ｋｇｆ／ｃｍ²以上がより好ましい。ＨＩＰ焼成の場合の圧力は、１０００ｋｇｆ／ｃｍ²以上が好ましく、２０００ｋｇｆ／ｃｍ²以上がより好ましい。焼成雰囲気は特に限定はないが、大気、窒素、Ａｒ等の不活性ガス、真空雰囲気下のいずれかが好ましく、窒素、Ａｒ雰囲気下が特に好ましく、窒素雰囲気が最も好ましい。焼成温度（最高到達温度）は、異常粒成長や溶融を生じない範囲において高いほうが好ましく、１７００〜２０５０℃が好ましく、１８００〜２０００℃がより好ましく、１９００〜２０００℃が更に好ましい。図２は、積層体１を焼成して配向アルミナ基板７を作製する工程の模式図である。図２に示すように、積層体１は、微細アルミナ粒子３ａの集合体の層である微細アルミナ粉末層３と、板状アルミナ粒子５ａの板面が微細アルミナ粉末層３の表面に沿って配列された板状アルミナ粉末層５とが、交互に積層されたものである。積層体１を焼成すると、板状アルミナ粒子５ａが種結晶（テンプレート）となり、微細アルミナ粒子３ａがマトリックスとなって、テンプレートがマトリックスを取り込みながらホモエピタキシャル成長する。そのため、得られる焼結体は配向度が高く、かつ、チルト角が小さい配向アルミナ基板７となる。配向度とチルト角は、板状アルミナ粉末の粒径、アスペクト比、板状アルミナ粉末の厚みと微細アルミナ粉末との粒径差、板状アルミナ粒子の凝集状態、板状アルミナ粉末層における板状アルミナ粒子の重なりの状態、焼成条件の他、板状アルミナ粉末が微細アルミナ粉末層の表面を覆う被覆率に依存する。これらの因子を適切に制御することで配向度が高く、チルト角が０．１以上１°未満の配向アルミナ基板を得ることができる。この被覆率が１〜６０％（好ましくは１〜２０％、より好ましくは３〜２０％）のときに配向度が高く、チルト角が小さくなる。また、配向度とチルト角は、微細アルミナ粉末層の厚みが５〜１００μｍ（好ましくは１０〜１００μｍ、より好ましくは２０〜６０μｍ）のときに配向度が高く、チルト角は小さくなる。ここで、配向度は、Ｘ線回折プロファイルを用いてロットゲーリング法により求めたｃ面配向度を指す。

【0025】

［素子用基板Ｓ１及びそれを用いた発光素子３０］
素子用基板Ｓ１は、配向アルミナ基板を構成要素に含むタイプの発光素子用基板である。図３の上段は、素子用基板Ｓ１の一例である発光素子用基板１０の断面図である。発光素子用基板１０は、配向アルミナ基板１２上に形成されたバッファ層１６上に発光機能層１４が形成されている。発光機能層１４は、バッファ層１６側からｎ型層１４ｃ、活性層１４ｂ及びｐ型層１４ａが積層された複合層である。発光機能層１４を構成する各層は、半導体材料を主成分とする材料で構成されている。半導体材料としては、ＧａＮ系材料、ＺｎＯ系材料及びＡｌＮ系材料などが挙げられるが、このうちＧａＮ系材料が好ましい。ｎ型層１４ｃは半導体材料にｎ型ドーパントがドープされ、ｐ型層１４ａは半導体材料にｐ型ドーパントがドープされている。活性層１４ｂは、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層であり、半導体材料としてＧａＮ材料を用いる場合、量子井戸層をＩｎＧａＮ層、障壁層をＧａＮ層とすることができる。バッファ層１６は、配向アルミナ基板１２と発光機能層１４の格子ミスマッチによる格子欠陥を低減し、結晶性を改善するための層である。バッファ層１６は、発光機能層１４の結晶構造と同じ又は類似した高い結晶性を有するものであることが好ましく、格子定数が同じ又は近いものを用いてもよい。バッファ層１６は、配向アルミナ基板１２の結晶方位に倣って成長した構造を有する。バッファ層１６は、上述した半導体材料を主成分とする材料で構成されるのが好ましく、ｐ型ないしｎ型に制御するためのドーパントを適宜含むものであってもよい。

【0026】

発光素子用基板１０は、例えば次のようにして製造することができる。すなわち、配向アルミナ基板１２上にＧａＮなどの半導体の結晶をエピタキシャル成長させることにより半導体層（バッファ層１６）を形成する。この場合、配向アルミナ基板１２上に半導体の結晶をエピタキシャル成長させて半導体薄膜（種結晶層）を形成し、その半導体薄膜上に更に同じ半導体の結晶をエピタキシャル成長させて半導体薄膜よりも厚い膜を形成し、両方の膜を半導体層としてもよい。なお、エピタキシャル成長は、気相、液相、固相のいずれで行ってもよい。次に、バッファ層１６上にｎ型層１４ｃ、活性層１４ｂ及びｐ型層１４ａを順次積層していくことにより発光機能層１４を形成する。これにより、発光素子用基板１０が得られる。

【0027】

発光素子用基板１０を利用した発光素子３０は、次のようにして製造することができる。図３は発光素子３０を作製する工程の断面図である。まず、発光素子用基板１０の発光機能層１４側においてｎ型層１４ｃの一部を露出させる。続いて、ｎ型層１４ｃの露出した部分にカソード電極１７を形成する。一方、ｐ型層１４ａの上面に透光性アノード電極１８を形成し、更にその上にアノード電極パッド１９を形成する。最後に、電極形成後の発光素子用基板１０を切断してチップ化し、リードフレームに実装して横型構造の発光素子３０を得る。

【0028】

なお、発光素子用基板１０を利用して縦型構造の発光素子を作製することもできる。例えば、発光素子用基板１０のｐ型層１４ａの上面にアノード電極を形成し、実装基板にアノード電極を接合し、配向アルミナ基板１２をレーザリフトオフ法で除去し、露出したｎ型層１４ｃの表面にカソード電極を形成することにより作製することができる。レーザリフトオフ法で配向アルミナ基板１２を除去する際、バッファ層１６も併せて除去してもよい。

【0029】

［素子用基板Ｓ２及びそれを用いた発光素子４０］
素子用基板Ｓ２は、素子用基板Ｓ１の配向アルミナ基板の代わりに半導体自立基板を構成要素に含むタイプの発光素子用基板である。図４の上段は、素子用基板Ｓ２の一例である発光素子用基板２０の断面図である。発光素子用基板２０は、半導体自立基板２２上に発光機能層２４が形成されている。発光機能層２４は、ｎ型層２４ｃ、活性層２４ｂ及びｐ型層２４ａが積層された複合層であるが、基本的には上述した発光機能層１４と同じであるため、説明を省略する。図４の半導体自立基板２２は、ｎ型ドーパントがドープされた半導体材料であるが、ノンドープの半導体材料でもよい。ｎ型ドーパントの導入により導電性を持たせた窒化ガリウムを基板とすることで、縦型構造の発光素子を実現することができる。

【0030】

発光素子用基板２０は、例えば次のようにして製造することができる。すなわち、配向アルミナ基板上にＧａＮなどの半導体の結晶をエピタキシャル成長させることにより半導体層を形成する。この場合、配向アルミナ基板上に半導体の結晶をエピタキシャル成長させて半導体薄膜（種結晶層）を形成し、その半導体薄膜上に更に同じ半導体の結晶をエピタキシャル成長させて半導体薄膜よりも厚い膜を形成し、両方の膜を半導体層としてもよい。なお、エピタキシャル成長は、気相、液相、固相のいずれで行ってもよい。次に、配向アルミナ基板を研削加工等の方法で除去して、半導体層の単体つまり半導体自立基板２２を得る。この半導体自立基板２２上にｎ型層２４ｃ、活性層２４ｂ及びｐ型層２４ａを順次積層していくことにより発光機能層２４を形成する。これにより、発光素子用基板２０が得られる。

【0031】

発光素子用基板２０を利用した発光素子４０は、次のようにして製造することができる。図４は発光素子４０を作製する工程の断面図である。まず、発光素子用基板２０の半導体自立基板２２側にカソード電極２７を形成する。一方、ｐ型層２４ａの上面に透光性アノード電極２８を形成し、更にその上にアノード電極パッド２９を形成する。最後に、電極形成後の発光素子用基板２０を切断してチップ化し、リードフレームに実装して縦型構造の発光素子４０を得る。

【0032】

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

【実施例】

【0033】

以下に説明する実験例Ａ１〜Ａ６はエピタキシャル配向アルミナ基板の作製例、実験例Ｂ１〜Ｂ６は素子用基板Ｓ１及びそれを用いた発光素子の作製例、実験例Ｃ１〜Ｃ６は素子用基板Ｓ２及びそれを用いた発光素子の作製例である。

【0034】

［実験例Ａ１］
（１）配向アルミナ基板の作製
（１ａ）積層体の作製
微細アルミナ粉末（大明化学工業株式会社製、グレードＴＭ−ＤＡＲ）１００質量部に対し、酸化マグネシウム（５００Ａ、宇部マテリアルズ製）０．０１２５質量部（１２５質量ｐｐｍ）と、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＭ−２、積水化学工業製）７．８質量部と、可塑剤としてジ（２−エチルヘキシル）フタレート（黒金化成製）３．９質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン（レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王製）２質量部と、分散媒として２−エチルヘキサノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が２００００ｃＰとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってＰＥＴフィルムの上に乾燥後の厚みが４０μｍとなるようにシート状に成形し、微細アルミナ粉末層とした。

【0035】

市販の板状アルミナ粉末（キンセイマテック製、グレードＹＦＡ１００３０）を気流分級機（日清エンジニアリング製ＴＣ−１５Ｎ）にてカット点を３μｍに設定して分級し、次にポット解砕機にてφ０．３ｍｍの玉石で２０時間解砕し、最後に水簸にて微粒粉末を除去した。得られた板状アルミナ粉末１００質量部に対し、分散媒としてイソプロピルアルコール５００質量部を加えた。得られた分散液（板状アルミナスラリー）を超音波分散機で５分間分散させた後、スプレーガン（タミヤ製スプレーワークーＨＧ エアーブラシワイド）にて、噴霧圧０．２ＭＰａ、噴射距離２０ｃｍ、にて前記微細アルミナ粉末層の片面に、噴霧し、片面加工体を得た。このとき、微細アルミナ粉末層の表面を板状アルミナ粉末が被覆する被覆率は１％であった。なお、片面加工体の被覆率は、以下のようにして算出した。すなわち、微細アルミナ粉末層表面を光学顕微鏡で観察し、この観察写真を画像処理にて、板状アルミナ粉末の部分とそれ以外に切り分け、観察写真における微細アルミナ粉末層表面の面積に対する板状アルミナ粉末の面積の割合を、被覆率とした。

【0036】

得られた片面加工体を直径５０ｍｍの円形に切断した後、ＰＥＴフィルムから剥がし、噴霧した加工面が重ならないように６５層積層し、厚さ１０ｍｍのＡｌ板の上に載置した後、パッケージに入れて内部を真空にすることで真空パックとした。この真空パックを８５℃の温水中で１００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力にて静水圧プレスを行い、積層体を得た。

【0037】

（１ｂ）積層体の焼成
得られた積層体を脱脂炉中に配置し、６００℃で１０時間の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中、焼成温度（最高到達温度）１９７５℃で４時間、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ²の条件で焼成し、アルミナ焼結体を得た。なお、焼成温度から降温する際に１２００℃までプレス圧を維持し、１２００℃未満の温度域ではプレス圧をゼロに開放した

【0038】

（１ｃ）配向アルミナ基板の作製
このようにして得た焼結体をセラミックスの定盤に固定し、砥石を用いて＃２０００まで研削して板面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、板面を平滑化し、直径５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの配向アルミナ焼結体を配向アルミナ基板として得た。砥粒のサイズを３μｍから０．５μｍまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。加工後の平均粗さＲａは４ｎｍであった。

【0039】

（２）配向アルミナ基板の特性
（２ａ）ｃ面配向度
得られた配向アルミナ基板の配向度を確認するため、配向アルミナ基板の上面に対して平行になるように研磨加工した後、その研磨面に対してＸ線を照射しｃ面配向度を測定した。ＸＲＤ装置（リガク製、ＲＩＮＴ−ＴＴＲ ＩＩＩ）を用い、２θ＝２０〜７０°の範囲でＸＲＤプロファイルを測定した。具体的には、ＣｕＫα線を用いて電圧５０ｋＶ、電流３００ｍＡという条件で測定した。ｃ面配向度は、ロットゲーリング法によって算出した。具体的には、以下の式により算出した。式中、Ｐは配向アルミナ基板のＸＲＤから得られた値であり、Ｐ０は標準α−アルミナ（ＪＣＰＤＳカードＮｏ．４６−１２１２）から算出された値である。実験例１の配向アルミナ基板のｃ面配向度は１００％であった。

【0040】

【数1】

【0041】

（２ｂ）チルト角
チルト角は、結晶軸の傾き分布であり、アルミナの結晶方位がｃ軸からどの程度の頻度で傾いているかを評価するパラメータである。ここでは、チルト角をＸ線ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＣ・ＦＷＨＭ）で表す。ＸＲＣ・ＦＷＨＭは、配向アルミナ基板の板面（ｃ面配向度測定と同じ面）に対し、図５のようにＸ線源と検出器を連動させてスキャンし、得られたカーブの半値幅を測定した。このように２θ（検出器と入射Ｘ線とのなす角度）の値をその回折ピーク位置に固定し、ω（試料基板面と入射Ｘ線とのなす角度）のみ走査する測定方法をロッキングカーブ測定とよぶ。装置はリガク製、ＲＩＮＴ−ＴＴＲ ＩＩＩを用い、ＣｕＫα線を用いて電圧５０ｋＶ、電流３００ｍＡという条件でωの走査範囲を３．８°〜３８．８°とした。実験例１の配向アルミナ基板のＸＲＣ・ＦＷＨＭは０．９°であった。

【0042】

（２ｃ）配向アルミナ基板の粒径評価
配向アルミナ基板の焼結体粒子について、板面の平均焼結粒径を以下の方法により測定した。得られた配向アルミナ基板を、１５５０℃で４５分間サーマルエッチングを行った後、走査電子顕微鏡にて画像を撮影した。視野範囲は、得られる画像の対角線に直線を引いた場合に、いずれの直線も１０個から３０個の粒子と交わるような直線が引けるような視野範囲とした。得られた画像の対角線に引いた２本の直線において、直線が交わる全ての粒子に対し、個々の粒子の内側の線分の長さを平均したものに１．５を乗じた値を板面の平均焼結粒径とした。この結果、板面の平均焼結粒径は６６μｍであった。

【0043】

（２ｄ）配向アルミナ基板の不純物量
アルミナ焼結体を純度９９．９質量％のアルミナ乳鉢で粉砕した後、下記方法により定量分析した。そして、アルミナ焼結体中のＮａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎの質量割合（ｐｐｍ）を求めた。実験例１のアルミナ焼結体のＭｇ以外の不純物元素は、いずれも検出限界以下であり、Ｍｇが６２ｐｐｍ検出された。
不純物定量方法： ＪＩＳＲ１６４９に準拠した加圧硫酸分解法にて板状アルミナ粉末を溶解し、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分析装置（日立ハイテクサイエンス製 ＰＳ３５２０ＵＶ−ＤＤ）にて分析した。

【0044】

表１に実験例Ａ１の焼成方法、焼成温度及び配向アルミナ基板の特性をまとめた。

【0045】

【表1】

【0046】

［実験例Ａ２］
実験例Ａ１において、板状アルミナ粉末として、自社製のものを用いた以外は、実験例Ａ１と同様にして配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表１に示す。

【0047】

自社製の板状アルミナ粉末は、以下のようにして作製した。高純度γ−アルミナ（ＴＭ−３００Ｄ、大明化学製）９６質量部と、高純度ＡｌＦ₃（関東化学製、鹿特級）４質量部と、種結晶として高純度α−アルミナ（ＴＭ−ＤＡＲ、大明化学製、Ｄ５０＝１μｍ）０．１７質量部とを、溶媒をＩＰＡ（イソプロピルアルコール）としてφ２ｍｍのアルミナボールを用いて５時間ポットミルで混合した。得られた混合粉末中のＦ，Ｈ，Ｃ，Ｓ以外の不純物元素の質量割合の合計は１０００ｐｐｍ以下であった。得られた混合原料粉末３００ｇを純度９９．５質量％の高純度アルミナ製のさや（容積７５０ｃｍ³）に入れ、純度９９．５質量％の高純度アルミナ製の蓋をして電気炉内でエアフロー中、９００℃、３時間熱処理した。エアの流量は２５０００ｃｃ／ｍｉｎとした。熱処理後の粉末を大気中、１１５０℃で４０時間アニール処理した後、φ２ｍｍのアルミナボールを用いて４時間粉砕して平均粒径２μｍ、平均厚み０．２μｍ、アスペクト比１０の板状アルミナ粉末を得た。粒子の平均粒径、平均厚みは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で板状アルミナ粉末中の任意の粒子１００個を観察して決定した。平均粒径は、粒子の長軸長の平均値、平均厚みは、粒子の短軸長の平均値、アスペクト比は平均粒径／平均厚みである。得られた板状アルミナ粉末は、α−アルミナであった。

【0048】

［実験例Ａ３］
実験例Ａ３において、焼成温度を１９００℃とした以外は、実験例Ａ１と同様にして配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表１に示す。

【0049】

［実験例Ａ４］
微細アルミナ粉末（大明化学工業株式会社製、グレードＴＭ−ＤＡＲ）１００質量部に対し、酸化マグネシウム（５００Ａ、宇部マテリアルズ製）０．０１２５質量部（１２５質量ｐｐｍ）と、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＭ−２、積水化学工業製）７．８質量部と、可塑剤としてジ（２−エチルヘキシル）フタレート（黒金化成製）３．９質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン（レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王製）２質量部と、分散媒として２−エチルヘキサノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が２００００ｃＰとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってＰＥＴフィルムの上に乾燥後の厚みが４０μｍとなるようにシート状に成形し、微細アルミナ粉末層とした。

【0050】

市販の板状アルミナ粉末（キンセイマテック製、グレードＹＦＡ１００３０）１００質量部に対し、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＭ−２、積水化学工業製）５０質量部と、可塑剤としてジ（２−エチルヘキシル）フタレート（黒金化成製）２５質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン（レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王製）２質量部と、分散媒としてキシレンと１−ブタノールの混合溶液（混合比率１：１）とを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が５０００ｃＰとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、リバースドクターブレード法によってＰＥＴフィルムの上に乾燥後の厚さが３μｍとなるようにシート状に成形し、板状アルミナ粉末層とした。

【0051】

微細アルミナ粉末層と板状アルミナ粉末層を各々直径５０ｍｍの円形に切断した後、ＰＥＴフィルムから剥がし、微細アルミナ粉末層と板状アルミナ粉末層とを各５０層、交互に積層し、厚さ１０ｍｍのＡｌ板の上に載置した後、パッケージに入れて内部を真空にすることで真空パックとした。この真空パックを８５℃の温水中で１００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力にて静水圧プレスを行い、積層体を得た。このとき、板状アルミナ粉末層が微細アルミナ粉末層の表面を被覆する被覆率は６０％であった。

【0052】

得られた積層体を実験例Ａ１と同様の方法で脱脂、焼成、加工を行って配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表１に示す。

【0053】

［実験例Ａ５］
微細アルミナ粉末（大明化学工業株式会社製、グレードＴＭ−ＤＡＲ）９９．８質量部、イットリア粉末（信越化学工業株式会社製、グレードＵＵ）０．２質量部を混合し、混合粉末１００ｇに対して溶媒として水５０ｃｃの割合で添加し、ボールミルにて４０時間混合粉砕し、スラリー化した。得られたスラリーを内径５０ｍｍの石膏型に注ぎ、１２Ｔの磁場中で３時間戴置し、鋳込み成形を行った。成形体は石膏から脱型し、室温での乾燥後、黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中１４００℃で４時間、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ²の条件で焼成した。得られた焼結体を実験例Ａ１と同様にして加工して配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表１に示す。

【0054】

［実験例Ａ６］
市販の板状アルミナ粉末（キンセイマテック製、グレードＹＦＡ１００３０）を気流分級機（日清エンジニアリング製ＴＣ−１５Ｎ）にてカット点を３μｍに設定して分級し、次にポット解砕機にてφ０．３ｍｍの玉石で２０時間解砕し、最後に水簸にて微粒粉末を除去した。得られた板状アルミナ粉末０．５質量部と微細アルミナ粉末（大明化学工業株式会社製、グレードＴＭ−ＤＡＲ）９９．５質量部を混合した。更に混合粉末１００質量部に対し、酸化マグネシウム（５００Ａ、宇部マテリアルズ製）０．０１２５質量部（１２５質量ｐｐｍ）を混合し、調合粉末を得た。調合粉末１００ｇに対して溶媒として水５０ｃｃの割合で添加し、ボールミルにて４０時間混合粉砕し、スラリー化した。得られたスラリーを内径５０ｍｍの石膏型に注ぎ、１２Ｔの磁場中で３時間戴置し、鋳込み成形を行った。成形体は石膏から脱型し、室温での乾燥後、黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中１９７５℃で４時間、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ²の条件で焼成した。得られた焼結体を実験例Ａ１と同様にして加工して配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表１に示す。

【0055】

［実験例Ａ７］
微細アルミナ粉末（住友化学製、グレードＡＫＰ−３０００）１００質量部に対し、酸化マグネシウム（５００Ａ、宇部マテリアルズ製）０．０１２５質量部（１２５質量ｐｐｍ）を混合し、混合粉末１００ｇに対して溶媒として水５０ｃｃの割合で添加し、ボールミルにて４０時間混合粉砕し、スラリー化した。得られたスラリーを内径５０ｍｍの石膏型に注ぎ、１０Ｔの磁場中で３時間戴置し、鋳込み成形を行った。成形体は石膏から脱型し、室温での乾燥後、黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中１９７５℃で４時間、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ²の条件で焼成した。得られた焼結体を実験例Ａ１と同様にして加工して配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表１に示す。

【0056】

［実験例Ａ８］
スラリーを内径５０ｍｍの石膏型に注ぎ、１２Ｔの磁場中で８時間載置し、鋳込み成形を行った以外は、実験例Ａ７と同様にしてアルミナ焼結体を作製した。得られた焼結体を実験例Ａ１と同様にして加工して配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表１に示す。

【0057】

［実験例Ａ９］
実験例Ａ１において、片面加工体の作製方法を以下のように変更した以外は、実験例Ａ４と同様にしてアルミナ焼結体を作製した。

【0058】

実験例Ａ９では、片面加工体を以下のようにして作製した。市販の板状アルミナ粉末（キンセイマテック製、グレードＹＦＡ１００３０）を気流分級機（日清エンジニアリング製ＴＣ−１５Ｎ）にてカット点を３μｍに設定して分級し、次にポット解砕機にてφ０．３ｍｍの玉石で２０時間解砕し、最後に水簸にて微粒粉末を除去した。得られた板状アルミナ粉末１００質量部に対し、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＬＳ、積水化学工業製）１００質量部と、分散剤としてテルピネオール３５００質量部を加えて混合し、印刷ペーストを得た。この印刷ペーストを、乳剤付の製版（ＳＴ６４０メッシュ、乳剤厚：５μｍ）にて、微細アルミナ粉末層の片面に印刷して片面加工体を得た。このときの板状アルミナ粉末層の厚みは０．５μｍ であった。得られた焼結体を実験例Ａ１と同様にして加工して配向アルミナ基板を作製し、その特性を測定した。配向アルミナ基板の特性を表１に示す。

【0059】

［実験例Ｂ１］
（１）発光素子用基板（素子用基板Ｓ１）の作製
（１ａ）種結晶層の成膜
実験例Ａ１で作製した配向アルミナ基板の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、種結晶層を形成した。具体的には、５３０℃にて低温ＧａＮ層を４０ｎｍ堆積させた後に、１０５０℃にて厚さ３μｍのＧａＮ膜を積層させて種結晶基板を得た。

【0060】

（１ｂ）Ｎａフラックス法によるＧａＮバッファ層の成膜
上記工程で作製した種結晶基板を、内径８０ｍｍ、高さ４５ｍｍの円筒平底のアルミナ坩堝の底部分に設置し、次いで融液組成物をグローブボックス内で坩堝内に充填した。融液組成物の組成は以下のとおりである。
・金属Ｇａ：６０ｇ
・金属Ｎａ：６０ｇ

【0061】

このアルミナ坩堝を耐熱金属製の容器に入れて密閉した後、結晶育成炉の回転が可能な台上に設置した。窒素雰囲気中で８７０℃、４．０ＭＰａまで昇温加圧後、１０時間保持しつつアルミナ坩堝を回転することで、撹拌しながら窒化ガリウム結晶をバッファ層として成長させた。結晶成長終了後、３時間かけて室温まで徐冷し、結晶育成炉から育成容器を取り出した。エタノールを用いて、坩堝内に残った融液組成物を除去し、窒化ガリウム結晶が成長した試料を回収した。得られた試料は、５０ｍｍの種結晶基板の全面上に窒化ガリウム結晶が成長しており、結晶の厚さは約０．１ｍｍであった。クラックは確認されなかった。

【0062】

こうして得られた配向アルミナ基板上の窒化ガリウム結晶を、基板ごとセラミックスの定盤に固定し、窒化ガリウム結晶の板面を＃６００及び＃２０００の砥石によって研削して板面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、窒化ガリウム結晶の板面を平滑化した。このとき、砥粒のサイズを３μｍから０．１μｍまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。窒化ガリウム結晶板面の加工後の平均粗さＲａは０．２ｎｍであった。こうして、配向アルミナ基板上に厚み約５０μｍの窒化ガリウム結晶層を形成した基板を得た。なお、本例では、後述する発光機能層の結晶性を高めるため、このような窒化ガリウムバッファ層を形成したが、目標特性や用途によってはバッファ層自体を省略してもよい。また、窒化ガリウムバッファ層中にゲルマニウム、シリコン、酸素等をドーピングして導電性を持たせた構造としてもよい。

【0063】

（１ｃ）ＭＯＣＶＤ法による発光機能層の成膜
ＭＯＣＶＤ法を用いて、基板上にｎ型層として１０５０℃でＳｉ原子濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³になるようにドーピングしたｎ−ＧａＮ層を３μｍ堆積した。次に活性層として７５０℃で多重量子井戸層を堆積した。具体的にはＩｎＧａＮによる２．５ｎｍの井戸層を５層、ＧａＮによる１０ｎｍの障壁層を６層にて交互に積層した。次にｐ型層として９５０℃でＭｇ原子濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³になるようにドーピングしたｐ−ＧａＮを２００ｎｍ堆積した。その後、ＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｐ型層のＭｇイオンの活性化処理として、窒素雰囲気中で８００℃の熱処理を１０分間行い、発光素子用基板を得た。

【0064】

（２）横型発光素子の作製
作製した発光素子用基板の発光機能層側においてフォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ法とを用い、ｎ型層の一部を露出した。続いて、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、ｎ型層の露出部分に、カソード電極としてのＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜をそれぞれ１５ｎｍ、７０ｎｍ、１２ｎｍ、６０ｎｍの厚みでパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での７００℃の熱処理を３０秒間行った。さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、ｐ型層に透光性アノード電極としてＮｉ／Ａｕ膜をそれぞれ６ｎｍ、１２ｎｍの厚みにパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために窒素雰囲気中で５００℃の熱処理を３０秒間行った。さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、透光性アノード電極としてのＮｉ／Ａｕ膜の上面の一部領域に、アノード電極パッドとなるＮｉ／Ａｕ膜をそれぞれ５ｎｍ、６０ｎｍの厚みにパターニングした。こうして得られたウェハーを切断してチップ化し、さらにリードフレームに実装して、横型構造の発光素子を得た。

【0065】

［実験例Ｂ２〜Ｂ９］
実験例Ａ２〜Ａ９の配向アルミナ基板を用いて、実験例Ｂ１と同様の方法で発光素子用基板を作製した。また、実験例Ｂ１と同様の方法で横型構造の発光素子を作製した。

【0066】

［発光素子の評価］
実験例Ｂ１〜Ｂ９で作製した横型発光素子に対し、カソード電極とアノード電極間に通電し、Ｉ−Ｖ測定を行ったところ、いずれの試料も整流性が確認された。また、順方向の電流を流したところ、いずれも波長４５０ｎｍの発光が確認された。発光輝度は実験例Ｂ１、Ｂ２、Ｂ９の素子が著しく高輝度であった。実験例Ｂ３、Ｂ７の基板を用いた素子も高輝度であるが、実験例Ｂ１、Ｂ２、Ｂ９より輝度がわずかに低下した。実験例Ｂ８の基板を用いた素子も高輝度であったが、実験例Ｂ３、Ｂ７よりわずかに低下した。実験例Ｂ４の素子は実験例Ｂ８よりも大幅に輝度が低下した。実験例Ｂ５、Ｂ６の素子は実験例Ｂ４より更に輝度が低下した。

【0067】

［実験例Ｃ１］
（１）発光素子用基板（素子用基板Ｓ２）の作製
（１ａ）種結晶層の成膜
実験例Ａ１で作製した配向アルミナ基板の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて種結晶層を形成した。具体的には、バッファ層としてサセプタ温度５３０℃、水素雰囲気中にて低温ＧａＮ層を３０ｎｍ堆積させた後に、窒素・水素雰囲気にてサセプタ温度１０５０℃まで昇温し厚さ３μｍのＧａＮ膜を積層させて種結晶基板を得た。

【0068】

（１ｂ）Ｎａフラックス法によるＧｅドープＧａＮ層の成膜
上記工程で作製した種結晶基板を、内径８０ｍｍ、高さ４５ｍｍの円筒平底のアルミナ坩堝の底部分に設置し、次いで融液組成物をグローブボックス内で坩堝内に充填した。融液組成物の組成は以下のとおりである。
・金属Ｇａ：６０ｇ
・金属Ｎａ：６０ｇ
・四塩化ゲルマニウム：１．８５ｇ

【0069】

このアルミナ坩堝を耐熱金属製の容器に入れて密閉した後、結晶育成炉の回転が可能な台上に設置した。窒素雰囲気中で８７０℃、３．５ＭＰａまで昇温加圧後、１００時間保持しつつ溶液を回転することで、撹拌しながら窒化ガリウム結晶を成長させた。結晶成長終了後、３時間かけて室温まで徐冷し、結晶育成炉から育成容器を取り出した。エタノールを用いて、坩堝内に残った融液組成物を除去し、窒化ガリウム結晶が成長した試料を回収した。得られた試料は、５０ｍｍの種結晶基板の全面上にＧｅドープ窒化ガリウム結晶が成長しており、結晶の厚さは約１．４ｍｍであった。クラックは確認されなかった。こうして得られた試料の配向アルミナ基板部を砥石による研削加工により除去して、Ｇｅドープ窒化ガリウムの単体を得た。このＧｅドープ窒化ガリウム結晶の板面を研磨して板面を平坦にした。更に、ラップ加工とＣＭＰを用いて板面を平滑化し、厚さ約５００μｍのＧｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板を発光素子用基板として得た。多結晶窒化ガリウム自立基板表面の加工後の平均粗さＲａは０．２ｎｍであった。

【0070】

なお、本例では、ゲルマニウムドーピングしてｎ型半導体としたものを作製したが、用途や構造によっては異なる元素をドーピングしてもよく、ノンドープとしてもよい。

【0071】

（２）発光素子の作製
ＭＯＣＶＤ法を用いて、実験例Ｃ１で作製した各Ｇｅドープ多結晶窒化ガリウム自立基板上にｎ型層として１０５０℃でＳｉ原子濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³になるようにドーピングしたｎ−ＧａＮ層を１μｍ堆積した。次に発光層として７５０℃で多重量子井戸層を堆積した。具体的にはＩｎＧａＮによる２．５ｎｍの井戸層を５層、ＧａＮによる１０ｎｍの障壁層を６層にて交互に積層した。次にｐ型層として９５０℃でＭｇ原子濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³になるようにドーピングしたｐ−ＧａＮを２００ｎｍ堆積した。その後、ＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｐ型層のＭｇイオンの活性化処理として、窒素雰囲気中で８００℃の熱処理を１０分間行った。

【0072】

次にフォトリソグラフィーと真空蒸着法とを用いて、多結晶窒化ガリウム自立基板のｎ−ＧａＮ層及びｐ−ＧａＮ層とは反対側の面にカソード電極としてのＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜をそれぞれ１５ｎｍ、７０ｎｍ、１２ｎｍ、６０ｎｍの厚みでパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での７００℃の熱処理を３０秒間行った。さらに、フォトリソグラフィーと真空蒸着法とを用いて、ｐ型層に透光性アノード電極としてＮｉ／Ａｕ膜をそれぞれ６ｎｍ、１２ｎｍの厚みにパターニングした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために窒素雰囲気中で５００℃の熱処理を３０秒間行った。さらに、フォトリソグラフィーと真空蒸着法とを用いて、透光性アノード電極としてのＮｉ／Ａｕ膜の上面の一部領域に、アノード電極パッドとなるＮｉ／Ａｕ膜をそれぞれ５ｎｍ、６０ｎｍの厚みにパターニングした。こうして得られたウェハーを切断してチップ化し、さらにリードフレームに実装して、縦型構造の発光素子を得た。

【0073】

［実験例Ｃ２〜Ｃ９］
実験例Ｃ２〜Ｃ９では、実験例Ａ２〜Ａ９の配向アルミナ基板を用いて、実験例Ｃ１と同様の方法で発光素子用基板を作製し、更に実験例Ｃ１と同様の方法で縦型構造の発光素子を作製した。

【0074】

［発光素子の評価］
実験例Ｃ１〜Ｃ９で作製した縦型発光素子に対し、カソード電極とアノード電極間に通電し、Ｉ−Ｖ測定を行ったところ、いずれの試料も整流性が確認された。また、順方向の電流を流したところ、いずれも波長４５０ｎｍの発光が確認された。発光輝度は実験例Ｃ１、Ｃ２、Ｃ９の素子が著しく高輝度であった。実験例Ｃ３、Ｃ７の基板を用いた素子も高輝度であるが、実験例Ｃ１、Ｃ２、Ｃ９より輝度がわずかに低下した。実験例Ｃ８の基板を用いた素子も高輝度であったが、実験例Ｃ３、Ｃ７よりわずかに低下した。実験例Ｃ４の素子は実験例Ｃ８よりも大幅に輝度が低下した。実験例Ｃ５、Ｃ６の素子は実験例Ｃ４より更に輝度が低下した。

【0075】

以上説明した実験例のうち、実験例Ａ１〜Ａ３、Ａ７〜Ａ９が本発明の実施例に相当し、実験例Ａ４〜Ａ６が比較例に相当する。なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

【0076】

本出願は、２０１６年７月１４日に出願された日本国特許出願第２０１６−１３９５０８号、２０１６年３月２９日に出願された日本国特許出願第２０１６−６６４３１号、２０１６年２月２５日に出願された日本国特許出願第２０１６−３４００５号、２０１６年１月２５日に出願された日本国特許出願第２０１６−１１１９０号、２０１５年１１月１６日に出願された日本国特許出願第２０１５−２２４１６４号、２０１５年９月３０日に出願された日本国特許出願第２０１５−１９３９４３号及び２０１５年９月３０日に出願された日本国特許出願第２０１５−１９３９４４号を優先権主張の基礎としており、引用によりそれらの内容の全てが本明細書に含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明のエピタキシャル成長用基板は、例えば半導体デバイスを製造する際に利用される。

【符号の説明】

【0078】

１ 積層体、３ 微細アルミナ粉末層、３ａ 微細アルミナ粒子、５ 板状アルミナ粉末層、５ａ 板状アルミナ粒子、７ 配向アルミナ基板、１０ 発光素子用基板、１２ 配向アルミナ基板、１４ 発光機能層、１４ａ ｐ型層、１４ｂ 活性層、１４ｃ ｎ型層、１６ バッファ層、１７ カソード電極、１８ 透光性アノード電極、１９ アノード電極パッド、２０ 発光素子用基板、２２ 半導体自立基板、２４ 発光機能層、２４ａ ｐ型層、２４ｂ 活性層、２４ｃ ｎ型層、２７ カソード電極、２８ 透光性アノード電極、２９ アノード電極パッド、３０ 発光素子、４０ 発光素子、Ｓ１ 素子用基板、Ｓ２ 素子用基板。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】