特許 7563705 窒化ガリウム発光素子の製造方法、及び照明装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-30

(45)【発行日】2024-10-08

(54)【発明の名称】窒化ガリウム発光素子の製造方法、及び照明装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/20 20100101AFI20241001BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20241001BHJP

   H01L 33/46 20100101ALI20241001BHJP

   G03F 7/20 20060101ALI20241001BHJP

【ＦＩ】

H01L33/20

H01L33/32

H01L33/46

G03F7/20 501

G03F7/20 521

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023090283

(22)【出願日】2023-05-31

【審査請求日】2024-05-28

(73)【特許権者】

【識別番号】500221563

【氏名又は名称】ナイトライド・セミコンダクター株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村本 宜彦

(72)【発明者】

【氏名】西根 達郎

【審査官】村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０７５５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０８６５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０１６８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１６２０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２１／２０８８２４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上のエピタキシャル構造を上下反転させ、前記エピタキシャル構造の基板をリフトオフすることで、支持基板上に順次、金属反射膜、ｐ型窒化ガリウム層、多重量子井戸層、ｎ型窒化ガリウム層を形成するステップと、
前記金属反射膜の上表面と前記ｎ型窒化ガリウム層の上表面との間で形成される共振器長を調整することで、射出される光の指向特性を調整するステップと、
を備える、窒化ガリウム発光素子の製造方法。

【請求項2】

前記共振器長を調整するステップでは、
前記金属反射膜の上表面と前記ｎ型窒化ガリウム層の上表面との間の合計膜厚をｄ、平均屈折率をｎ、射出される光の波長をλ、整数をｍとすると、
ｄ＝ｍ・λ／ｎ
となるように合計膜厚ｄを調整する、請求項１に記載の窒化ガリウム発光素子の製造方法。

【請求項3】

前記ｍの値を小さく設定することで、射出される光の指向性を狭める、請求項２に記載の窒化ガリウム発光素子の製造方法。

【請求項4】

サファイア基板上に順次、ｎ型窒化ガリウム層、多重量子井戸層、ｐ型窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させてエピタキシャル構造を形成するステップと、
前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成するステップと、
前記ｐ型電極上に金属反射膜、金属基板及び支持基板を形成するステップと、
前記支持基板が下に、前記サファイア基板が上になるように前記エピタキシャル構造の上下を反転させるステップと、
前記反転のステップにより最上部に位置する前記サファイア基板を剥離して前記ｎ型窒化ガリウム層を表面に露出させるステップと、
前記ｎ型窒化ガリウム層をエッチングして前記金属反射膜の上表面と前記ｎ型窒化ガリウム層の上表面との間で形成される共振器長を調整するステップと、
前記ｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップと、
前記支持基板を剥離するステップと、
を備える、窒化ガリウム発光素子の製造方法。

【請求項5】

前記ｎ型窒化ガリウム層をエッチングするステップでは、
前記金属反射膜の上表面と前記ｎ型窒化ガリウム層の上表面との間の合計膜厚をｄ、平均屈折率をｎ、射出される光の波長をλ、整数をｍとすると、
ｄ＝ｍ・λ／ｎ
となるようにエッチングする、請求項４に記載の窒化ガリウム発光素子の製造方法。

【請求項6】

前記窒化ガリウム発光素子の発光波長は、３８０ｎｍ～３９０ｎｍである、請求項１～５のいずれかに記載の窒化ガリウム発光素子の製造方法。

【請求項7】

請求項１～５のいずれか一項に記載の製造方法で製造された窒化ガリウム発光素子と、
前記窒化ガリウム発光素子からの光を対象物に照射する照射光学系と、
を備える照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化ガリウム発光素子の製造方法、及び照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた発光素子（ＬＥＤ）チップから出た光の指向角を狭める場合、ＬＥＤデバイスにレンズを搭載して集光し、指向角を絞ることが検討されている。

【0003】

しかし、レンズの場合、指向性を少しでも変更する場合には金型を変える必要があり、コストが増大してしまう。また紫外線や深紫外線の場合、レンズの吸収を考慮して石英レンズが用いられることから、レンズも高額となってしまう。

【0004】

そこで、ＬＥＤデバイスにレンズを搭載せずに集光して指向性を狭める方法として、ＬＥＤチップ表面へ数１００ｎｍオーダのホールを数１００ｎｍピッチでフォトニック結晶を形成することが検討されている。

【0005】

特許文献１には、窒化ガリウム系フォトニック結晶及びその製造方法に関する発明が記載されている。すなわち、エピタキシャル成長において広い領域で転位密度が低減され結晶性が良好な窒化物半導体を得て、高性能の窒化ガリウム系半導体素子、窒化ガリウム系半導体基板、窒化ガリウム系フォトニック結晶を高い歩留まりで提供することを課題として、基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層の上に窒化ガリウム系半導体の素子を形成する工程を具備することが記載されている。

【0006】

また、特許文献２には、長期に亘って劣化しにくく、エネルギー効率及び発光効率の高いフォトニック結晶発光ダイオードを提供することを課題として、第１半導体層、活性層、第２半導体層の３層がこの順に積層され、第１電極が第１半導体層に、第２電極が第２半導体層に、それぞれ電気的に接続された構造を有する発光ダイオードにおいて、３層のうち少なくとも第１半導体層と活性層を貫通する空孔が、フォトニック結晶構造を形成するように２次元周期的に配置されると共に、第１電極が、第１半導体層の、空孔と空孔を囲う第１非電流注入領域とを除いた領域を覆っているフォトニック結晶発光ダイオードが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２００４－１１１７６６号公報

【文献】特開２０１１－５４８２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、ＬＥＤ等の発光素子を窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成する場合において、その指向特性を調整する技術は未だ確立されていない。

【0009】

本発明の目的は、指向特性を調整し得るＧａＮ発光素子の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、基板上のエピタキシャル構造を上下反転させ、前記エピタキシャル構造の基板をリフトオフすることで、支持基板上に順次、金属反射膜、ｐ型窒化ガリウム層、多重量子井戸層、ｎ型窒化ガリウム層を形成するステップと、前記金属反射膜の上表面と前記ｎ型窒化ガリウム層の上表面との間で形成される共振器長を調整することで、射出される光の指向特性を調整するステップと、を備える、窒化ガリウム発光素子の製造方法である。

【0011】

本発明の１つの実施形態では、前記共振器長を調整するステップでは、前記金属反射膜の上表面と前記ｎ型窒化ガリウム層の上表面との間の合計膜厚をｄ、平均屈折率をｎ、射出される光の波長をλ、整数をｍとすると、
ｄ＝ｍ・λ／ｎ
となるように合計膜厚ｄを調整する。

【0012】

本発明の他の実施形態では、前記ｍの値を小さく設定することで、射出される光の指向性を狭める。

【0013】

また、本発明は、サファイア基板上に順次、ｎ型窒化ガリウム層、多重量子井戸層、ｐ型窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させてエピタキシャル構造を形成するステップと、前記ｐ型窒化ガリウム層上にｐ型電極を形成するステップと、前記ｐ型電極上に金属反射膜、金属基板及び支持基板を形成するステップと、前記支持基板が下に、前記サファイア基板が上になるように前記エピタキシャル構造の上下を反転させるステップと、前記反転のステップにより最上部に位置する前記サファイア基板を剥離して前記ｎ型窒化ガリウム層を表面に露出させるステップと、前記ｎ型窒化ガリウム層をエッチングして前記金属反射膜の上表面と前記ｎ型窒化ガリウム層の上表面との間で形成される共振器長を調整するステップと、前記ｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を形成するステップと、前記支持基板を剥離するステップと、を備える、窒化ガリウム発光素子の製造方法である。

【0014】

本発明の１つの実施形態では、前記ｎ型窒化ガリウム層をエッチングするステップでは、
前記金属反射膜の上表面と前記ｎ型窒化ガリウム層の上表面との間の合計膜厚をｄ、平均屈折率をｎ、射出される光の波長をλ、整数をｍとすると、
ｄ＝ｍ・λ／ｎ
となるようにエッチングする。

【0015】

本発明の他の実施形態では、前記窒化ガリウム発光素子の発光波長は、３８０ｎｍ～３９０ｎｍである。

【0016】

また、本発明は、上記の方法で製造された窒化ガリウム発光素子と、前記窒化ガリウム発光素子からの光を対象物に照射する照射光学系とを備える照明装置である。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、ＧａＮ発光素子の指向特性を調整することができる。特に、ＧａＮ発光素子の製造過程において膜厚を調整することにより、射出される光の指向特性を調整し得る。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1A】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その１）である。

【図1B】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その２）である。

【図1C】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その３）である。

【図1D】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その４）である。

【図1E】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その５）である。

【図1F】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その６）である。

【図1G】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その７）である。

【図1H】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その８）である。

【図1I】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その９）である。

【図2】実施形態のＧａＮ発光素子の模式的断面図である。

【図3】実施形態の照明装置及び露光装置の構成を示す図である。

【図4】光源ユニットの構成を示す図である。

【図5】実施例のＶチップサンプルの位置を示す平面図である。

【図6】実施例の積分球測定結果を示す図である。

【図7】実施例の発光スペクトル図である。

【図8】実施例のＩ－Ｌ特性図である。

【図9】実施例のＩ－Ｖ特性図である。

【図10】実施例におけるリファレンスの指向性特性測定結果を示す図である。

【図11】実施例における膜厚調整されたＧａＮ発光素子の指向性特性測定結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

【0020】

本実施形態の基本原理は、ＧａＮ発光素子を構成するＧａＮ積層構造に含まれる共振器構造の共振器長を調整することで、ＧａＮ発光素子から射出される光の指向特性が変化し得ることを考慮し、当該共振器長を調整するようにＧａＮ発光素子を製造してその指向性特性を所望の特性に制御するものである。

【0021】

本願発明者等は、基板上に順次成長させたＧａＮ積層構造において、ＧａＮ層の表面とその下の金属反射膜の表面との間で形成される共振器長を調整する、具体的には当該共振器長を構成するｎ型ＧａＮ層やｐ型ＧａＮ層の膜厚を調整することで、ＧａＮ発光素子から射出される光の指向特性が変化し得ることを見出した。共振器長は、発光波長をλ、屈折率をｎ、ｍを整数（ｍ＝１，２，３，・・・）とすると、
共振器長＝ｍ・λ／ｎ
で与えられるから、当該共振器長を調整することで指向性を制御し得ることを見出した。

【0022】

また、本願発明者等は、膜厚が薄い共振器長ほど、指向性が狭くなることも見出した。このことは、上記の式において、ｍを小さく設定するほど光の指向性を狭める効果が高いことを意味する。

【0023】

図１Ａ～図１Ｉは、本実施形態におけるＧａＮ発光素子（ＬＥＤ）を製造する方法を模式的に示す断面図である。

【0024】

図１Ａに示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてサファイア基板１０上に低温バッファ層（不図示）及びアンドープＧａＮ（ｕ－ＧａＮ）層（不図示）を積層し、その上にｎ－ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層）１２、多重量子井戸（ＭＱＷ）層１４、及びｐ－ＧａＮ層（Ｐ型ＧａＮ層）１６を順次積層して、３８５ｎｍ（３８０～３９０ｎｍ）で発光するエピタキシャル構造を成長させる。

【0025】

ここで、ｎ－ＧａＮ層１２は、より詳細には、ｎ－ＧａＮコンタクト層、（ＡｌＩｎＧａＮ）／（ＩｎＧａＮ；Ｓｉ）ｎ―ＳＬＳ（超格子構造）層、及び（ＡｌＧａＮ；Ｓｉ）層から構成される。ここで、例えば（ＧａＮ；Ｓｉ）は、ＳｉがドープされたＧａＮであることを示す。

【0026】

また、多重量子井戸（ＭＱＷ）層１４は、（ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ）の合計６層のＭＱＷ層から構成される。

【0027】

また、ｐ－ＧａＮ層１６は、より詳細にはｐ－ＧａＮ（ＧａＮ；Ｍｇ）コンタクト層及び（ＡｌＧａＮ；Ｍｇ／ＧａＮ；Ｍｇ）ｐ－ＳＬＳ（超格子構造）層から構成される。

【0028】

本実施形態における「ＧａＮ層」は、必ずしもＧａＮの組成の単層を意味するものではなく、ＧａＮを含むＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の組成の単層あるいは複数層を意味するものである。要するに、ＧａＮを主成分とする単層あるいは複数層を意味する。

【0029】

なお、本実施形態のエピタキシャル層の発光波長は３８５ｎｍであるが、それより長い波長とする場合、基本的なエピタキシャル構造は同じであるが、バンドギャップエネルギの関係から３８５ｎｍの方がそれより長い波長に比べて（ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ）ＭＱＷ発光層１４のＡｌ含有量を多く、Ｉｎ含有量を少なくする。

【0030】

次に、図１Ｂに示すように、３８５ｎｍで発光するエピタキシャル構造層の上にｐ－電極（ｐ型電極：ＩＴＯ等）及び金属反射膜（Ａｇ等）を蒸着する。図１Ｂでは、ｐ－電極と金属反射膜をまとめてｐ－電極及び反射膜１８として示す。

【0031】

次に、図１Ｃに示すように、ｐ－電極及び金属反射膜１８の上に金属基板（ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等）２０をボンディングする。

【0032】

次に、図１Ｄに示すように、金属基板２０の上に支持基板（サファイア、Ｓｉ基板等）２２をボンディングする。図１Ｄに示す積層構造は、下から順に、
サファイア基板１０／ｎ―ＧａＮ層１２／ＭＱＷ層１４／ｐ－ＧａＮ層１６／ｐ－電極及び反射膜１８／金属基板２０／支持基板２２
である。

【0033】

次に、図１Ｅに示すように、図１Ｄのエピタキシャル構造を上下に１８０°反転させ、
サファイア基板１０が最上部に位置するように配置して、サファイア基板１０をレーザで剥がし（リフトオフ）、ｎ－ＧａＮ層１２を表面に露出させる。すなわち、図１Ｄのエピタキシャル構造を上下に１８０°反転させた積層構造は、下から順に、
支持基板２２／金属基板２０／ｐ－電極及び反射膜１８／ｐ－ＧａＮ層１６／ＭＱＷ層１４／ｎ－ＧａＮ層１２／サファイア基板１０
であり、このうち一番上のサファイア基板１０（及びバッファ層）を剥がす（リフトオフ）ことでｎ－ＧａＮ層１２を一番上の表面に露出させる。

【0034】

次に、図１Ｆに示すように、表面のｎ－ＧａＮ層１２のエッチングを行い膜厚を調整する。このｎ－ＧａＮ層１２のエッチングにより、ｎ－ＧａＮ層１２～ｐ－ＧａＮ層１６までの合計膜厚が所定の膜厚となるように調整する。

【0035】

次に、図１Ｇに示すように、ｎ－ＧａＮ層１２の表面から金属基板２０に達するまでトレンチを形成してエピタキシャル構造を分離する。

【0036】

次に、図１Ｈに示すように、分離したそれぞれの領域のｎ－ＧａＮ層１２の上にｎ－電極（ｎ型電極）２４を形成する。

【0037】

最後に、図１Ｉに示すように、支持基板２２を剥がし、ダイシングしてＬＥＤチップ（Ｖチップ構造ＬＥＤチップ：電極を垂直構造で配置した垂直型ＬＥＤチップ）が製造される。

【0038】

図２に、以上のようにして製造されるＶチップ構造のＧａＮ発光素子の模式的断面図とその膜厚の一例を示す。図において、
ａ：ｎ－ＧａＮ層１２の表面から、ＭＱＷ層１４を構成する量子井戸層及び量子バリア層のうち一番下に配置された量子井戸層１４ａの膜厚までを含む膜厚＝１１４９．２３ｎｍ
ｂ：ＭＱＷ層１４を構成する量子井戸層及び量子バリア層のうち一番下に配置された量子バリア層の表面（量子バリア層と量子井戸層１４ａとの界面）から、ｐ－ＧａＮ層１６の膜厚までを含む膜厚＝１５２．５６ｎｍ
ｃ：ａとｂの合計＝１３０１．７９ｎｍ
である。

【0039】

次に、図３及び図４を参照して、上記の実施形態に示した製造方法にて製造されたＧａＮ発光素子を備える照明装置並びに照明装置を備えた露光装置について説明する。

【0040】

図３は、上述の実施形態にかかる製造方法で製造されたＧａＮ発光素子を光源とした照明装置ＩＵを備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。図４（Ａ）は、照明装置ＩＵに露光光を供給する光源ユニット１２０の構成を概略的に示す平面図であり、図４（Ｂ）は光源ユニット１２０及び出力光学系１３０の内部構成を概略的に示す図である。

【0041】

図３において、照明装置ＩＵは、出力光学系１３０を介した光源ユニット１２０からの露光光を集光する第１集光光学系１４０と、第１集光光学系１４０からの露光光が入射するフライアイレンズＦＥＬと、フライアイレンズＦＥＬからの露光光を集光して被照射面としてのレチクルＲＥＩを照明する第２集光光学系１６０とを備える。

【0042】

また、露光装置は、照明装置ＩＵと、照明装置ＩＵによって照明されたレチクル上パターン像を被露光基板としてのウェハに形成する投影光学系ＰＯとを備えている。

【0043】

次に、図４を参照して、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０について説明する。

【0044】

図４（Ａ）において、光源ユニット１２０は、例えば基板１２１上に配列された複数（図４（Ａ）では、５×５）のＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップ１２３を備える。これらのＬＥＤチップは、上述した実施形態の製造方法で製造されたＧａＮ発光素子である。なお、ＬＥＤチップ１２３の個数は必要に応じて適宜変更してもよい。複数のＬＥＤチップ１２３のそれぞれは、発光部２３１を有し、この発光部２３１から射出される光のピーク波長は３８０～３９０ｎｍの範囲内にある。すなわち、発光部２３１は、紫外線ＬＥＤ（ＵＶＬＥＤ）である。発光部２３１から射出され光のピーク波長は３８５ｎｍであることがより好ましい。発光部２３１の発光面は正方形であってもよく、長方形や六角形等の多角形であってもよい。なお、ＬＥＤチップ１２３は、基板上ではなく、例えばヒートシンク上に配列されていてもよい。

【0045】

図４（Ｂ）を参照して、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０の構成について説明する。図４（Ｂ）において、ＬＥＤチップ１２３が配列された２方向を、Ｘ方向及びＹ方向とする。Ｘ方向とＹ方向とは直交している。また、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。Ｚ方向は、発光部２３１から射出される光の進行方向とほぼ一致している。なお、図４（Ｂ）では、図面の明瞭化のために、Ｙ方向に沿って一列に並んだ４つのＬＥＤチップ１２３だけを示している。

【0046】

図４（Ｂ）に示すように、出力光学系１３０は、各ＬＥＤチップ１２３の発光部２３１の拡大像をそれぞれ形成するための複数の拡大光学系を備えている。それぞれの拡大光学系は、ＬＥＤチップ１２３の配列と対応するように配列されており、発光部２３１を、拡大倍率のもとで拡大投影する両側テレセントリックな光学系である。なお、図４（Ｂ）では、出力光学系１３０の各拡大光学系を２枚の正レンズで図示しているが、拡大光学系を構成するレンズ枚数は２枚に限定されない。また、拡大光学系を反射系又は反射屈折系で構成してもよい。そして、出力光学系１３０は、拡大光学系に代えて、或いは加えて、等倍光学系、縮小光学系を備えていてもよい。

【0047】

図３及び図４に示す実施形態では、出力光学系１３０の各拡大光学系は、出力光学系１３０の最終光学部材の近傍に、発光部２３１の拡大像を形成する。これにより、出力光学系１３０の最終光学部材の近傍には、密に配列された複数の光源像が位置する。

【0048】

図３に戻って、照明装置ＩＵの各構成要件について説明する。

【0049】

第１集光光学系１４０は、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０によって形成される光源像の位置またはその近傍に前側焦点が位置するように配置され、フライアイレンズＦＥＬの入射面をケーラー照明する。

【0050】

フライアイレンズＦＥＬは、たとえば正の屈折力を有する複数のレンズエレメントをその光軸が基準光軸ＡＸと平行になるように縦横に且つ稠密に配列することによって構成されている。フライアイレンズＦＥＬを構成する各レンズエレメントは、レチクルＲＥＩ上において形成すべき照野の形状（ひいてはウェハＷ上において形成すべき露光領域の形状）と相似な矩形状の断面を有する。

【0051】

したがって、フライアイレンズＦＥＬに入射した光束は複数のレンズエレメントにより波面分割され、各レンズエレメントの後側焦点面（射出面）またはその近傍には１つの光源像がそれぞれ形成される。すなわち、フライアイレンズＦＥＬの後側焦点面（射出面）またはその近傍には、複数の光源像からなる実質的な面光源すなわち二次光源が形成される。

【0052】

ここで、フライアイレンズＦＥＬの１つのレンズエレメントに着目すると、この１つのレンズエレメントの後側焦点面（射出面）またはその近傍には、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０によって形成された複数の光源像の像が形成され、これら複数の光源像の像は、複数のＬＥＤチップ１２３が配列されている領域と相似形状の領域に分布する。このため、複数のＬＥＤチップ１２３が配列されている領域とフライアイレンズＦＥＬの各レンズエレメントの断面とは互いに相似形状であってもよい。

【0053】

さて、フライアイレンズＦＥＬの後側焦点面（射出面）またはその近傍に形成された二次光源からの光束は、その近傍に配置された開口絞り１５０に入射する。なお、本実施形態においてフライアイレンズＦＥＬの後側焦点面（射出面）と、光源ユニット１２０のＬＥＤチップ配列面とは、光学的に共役である。

【0054】

開口絞り１５０は、投影光学系ＰＯの入射瞳面と光学的にほぼ共役な位置に配置され、二次光源の照明に寄与する範囲を規定するための可変開口部を有する。開口絞り１５０を介した二次光源からの露光光は、第２集光光学系１６０の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたレチクルＲＥＩを重畳的に照明する。

【0055】

そして、照明装置ＩＵによって照明されたレチクルＲＥＩからの露光光（レチクルＲＥＩ上の照野内に位置するパターンを介した露光光）は、投影光学系ＰＯに入射し、被露光基板としてウェハＷ上にレチクルＲＥＩのパターン像を形成する。これにより、ウェハＷの露光領域にはレチクルＲＥＩのパターンが露光される。なお、投影光学系ＰＯの投影倍率は、縮小倍率であっても拡大倍率であっても等倍であってもよい。また、投影光学系ＰＯは、屈折光学系であっても反射光学系であっても反射屈折光学系であってもよい。

【実施例】

【0056】

上記の製造方法に従って、ＧａＮ発光素子をウェハ上に製造した。

【0057】

なお、エピタキシャル構造を成長させた後、断面ＴＥＭ観察にて、ｐ－ＧａＮ層１６及びＭＱＷ層１４のうちの最後の量子バリア層の膜厚を計測し、膜厚の計測結果から成長速度を算出した。

【0058】

その後、算出した成長速度に基づいてｐ－ＧａＮ層１６の成長時間を調整することで、ＭＱＷ層１４のうちの最後のバリア層からＰ－ＧａＮ層１２までの膜厚を所定の膜厚に調整した。

【0059】

各層の膜厚は、以下の通りであった。
ｎ―ＧａＮ層１２：１０９８．７７ｎｍ
ＭＱＷ層１４（量子井戸層と量子バリア層の６ペア）：５０．４６ｎｍ
最後の量子バリア層：３０．２１ｎｍ
ｐ－ＧａＮ層１４：１２２．３５ｎｍ

【0060】

また、比較例（リファレンス）として膜厚調整していないＧａＮ発光素子をウェハ上に製造した。リファレンスは、実施例のＧａＮ発光素子と比べて、ｎ―ＧａＮ層１２及びｐ－ＧａＮ層１４のいずれも、より厚い膜厚に設定されている。

【0061】

図５は、実施例のＧａＮウェハの平面図を示す。図５において、丸数字の１～５の合計５つの位置でリファレンス（膜厚調整なし）及び膜厚調整済のＶチップを抜き取ってＡｌ基板に実装し、電気特性、光出力及び波長を積分球にて測定した。

【0062】

なお、リファレンス（膜厚調整なし）及び膜厚調整済のＶチップの外観を観察した結果、その表面状態に違いは見られなかった。

【0063】

図６は、リファレンス（膜厚調整なし）及び膜厚調整済のＶチップの電気特性を積分球にて測定した結果を示す。図６（ａ）は、ＩＦ（順方向電流）＝３５０ｍＡでのリファレンス（膜厚調整なし）及び膜厚調整済のＶチップの電気特性として電流、電圧、全放射束、ピーク波長、及びＦＷＨＭ（半値全幅）を示す。また、図６（ｂ）は、ＩＦ（順方向電流）＝５００ｍＡでのリファレンス（膜厚調整なし）及び膜厚調整済のＶチップの電気特性として電流、電圧、全放射束、ピーク波長、及びＦＷＨＭを示す。両者において、電気特性に大きな相違は見られなかった。

【0064】

図７は、リファレンス（膜厚調整なし）及び膜厚調整済のＶチップの発光スペクトルを示す。横軸は波長、縦軸は相対出力パワーを示す。図７（ａ）は、リファレンス（膜厚調整なし）のＶチップの発光スペクトルであり、図７（ｂ）は、膜厚調整済のＶチップの発光スペクトルを示す。両者において、発光スペクトルに大きな相違は見られなかった。

【0065】

図８は、リファレンス（膜厚調整なし）及び膜厚調整済のＶチップのＩ－Ｌ特性を示す。横軸はＩＦ（順方向電流）、縦軸は相対光度を示す。図８（ａ）は、リファレンス（膜厚調整なし）のVチップのＩ－Ｌ特性であり、図８（ｂ）は、膜厚調整済のＶチップのＩ－Ｌ特性である。両者において、Ｉ－Ｌ特性に大きな相違は見られなかった。

【0066】

図９は、リファレンス（膜厚調整なし）及び膜厚調整済のＶチップのＩ－Ｖ特性を示す。横軸はＶＦ（順方向電圧）、縦軸はＩＦ（順方向電流）を示す。図９（ａ）は、リファレンス（膜厚調整なし）のVチップのＩ－Ｖ特性であり、図９（ｂ）は、膜厚調整済のＶチップのＩ－Ｖ特性である。両者において、Ｉ－Ｖ特性に大きな相違は見られなかった。

【0067】

図１０及び図１１は、リファレンス（膜厚調整なし）及び膜厚調整済のＶチップの指向特性の測定結果を示す。両図において横軸は相対放射強度、縦軸は相対角度を示す。図１０は、リファレンスのＶチップの指向特性であり、丸数字の１～５の合計５つの位置において全て同様の指向特性を示している。

【0068】

他方で、図１１は、膜厚調整済のＶチップの指向特性であり、丸数字の１～５の合計５つの位置において指向特性が変化しており、リファレンスと膜厚調整済とでウェハ上の同一位置で比較すると、膜厚調整済の方が指向性においてより狭くなっていることが確認された。

【0069】

なお、膜厚調整済のＶチップにおいてウェハ上の位置に応じて指向特性が変化するのは、ウェハ上の位置に応じて膜厚、すなわち共振器長にバラツキが生じ、このバラツキに起因して指向特性が変化したものと考えられる。このことは、膜厚のバラツキを抑制するとともに、共振器長を高精度に制御することで、Ｖチップの指向特性を高精度に制御し得ることを意味する。

【0070】

さらに、膜厚調整済のＶチップでは、全体の出力に対する直上±３０度の範囲の出力が、丸数字５の位置においてリファレンスに比べて約７％向上していることが確認された。

【0071】

以上説明したように、本実施形態によれば、ＧａＮ発光素子を構成するＧａＮ積層構造に含まれる共振器構造、具体的にはＧａＮ層の表面とその下の金属反射膜の表面との間で形成される共振器長を調整することで、ＧａＮ発光素子から射出される光の指向特性を所望の特性に制御することができる。これにより、ＧａＮ発光素子から射出される光の指向性を狭め、全体の出力に対する真上の一定角度範囲における出力を向上させることができる。

【符号の説明】

【0072】

１０ サファイア基板、１２ ｎ－ＧａＮ層、１４ ＭＱＷ層、１６ ｐ－ＧａＮ層、
１８ ｐ－電極及び金属反射膜、２０ 金属基板、２２ 支持基板、２４ ｎ－電極。

【要約】

【課題】指向特性を調整し得るＧａＮ発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本方法は、サファイア基板１０上に順次、ｎ型ＧａＮ層１２、ＭＱＷ層１４、ｐ型ＧａＮ層１６をエピタキシャル成長させてエピタキシャル構造を形成するステップと、ｐ型ＧａＮ層１６上にｐ型電極、金属反射膜、金属基板及び支持基板を形成するステップと、エピタキシャル構造の上下を反転させるステップと、サファイア基板１０を剥離してｎ型ＧａＮ層１２を表面に露出させるステップと、表面に露出したｎ型ＧａＮ層１２をエッチングして、金属反射膜の表面とｎ型ＧａＮ層１２の表面との間で構成される共振器長を調整するステップと、ｎ電極２４を形成するステップを備える。
【選択図】図２

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図1F】

【図1G】

【図1H】

【図1I】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】