JP2015185831A - Nitride semiconductor light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は窒化物半導体発光素子に関し、特に、AlN単結晶基板を用いた窒化物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device using an AlN single crystal substrate.
従来、半導体発光素子は広く利用されているが、近年、特に280nm以下の波長を有する殺菌用途に利用可能な高出力・長寿命の深紫外LED(以下UVC−LED)の開発が期待されている。現在主なUVC−LEDはサファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長させたAlN薄膜上にInxAlyGa1−x−yN混晶層(0≦x+y≦1)を積層させることで作製されている。 Conventionally, semiconductor light emitting devices have been widely used, but in recent years, development of high-power and long-life deep ultraviolet LEDs (hereinafter referred to as UVC-LEDs) that can be used particularly for sterilization applications having a wavelength of 280 nm or less is expected. . Currently, the main UVC-LED is manufactured by laminating an In x Al y Ga 1-xy N mixed crystal layer (0 ≦ x + y ≦ 1) on an AlN thin film heteroepitaxially grown on a sapphire substrate.
しかしながら、サファイアの熱膨張係数は7.5×10−6/Kであるのに対して窒化アルミは4.15×10−6/Kであり、格子定数のミスマッチも13%と大きい。これらの理由によりサファイア上に形成させた窒化アルミ薄膜には多数の欠陥が含まれる。この欠陥により不純物準位が形成されることでLEDの発光効率は著しく低下し、欠陥箇所での電流集中によりLEDの寿命も低下する。 However, the thermal expansion coefficient of sapphire is 7.5 × 10 −6 / K, whereas aluminum nitride is 4.15 × 10 −6 / K, and the lattice constant mismatch is as large as 13%. For these reasons, the aluminum nitride thin film formed on sapphire contains many defects. By forming impurity levels due to this defect, the light emission efficiency of the LED is remarkably lowered, and the lifetime of the LED is also reduced due to current concentration at the defective part.
この課題に対して例えば特許文献1では、サファイア基板などの下地基板に窓付きのマスク層を設けた後、成長条件を調節して結晶成長表面に複数のファセットを有するピットを形成し、薄膜成長することで転位を一部に集中させて、その他の部位に低転位密度の領域を形成している。
また、特許文献2は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスの基板などに用いられるAlN結晶の表面処理方法とAlN結晶の表面処理方法とにより得られたAlN結晶基板に関するもので、ヘテロエピタキシャルでの課題を解決するために、上記のAlN結晶基板を含むAlN結晶基板における一方の主面側にホモエピタキシャル成長された3層以上の半導体層と、AlN結晶基板の他方の主面に形成された第1の電極と、半導体層の最外半導体層上に形成された第2の電極とを含む発光素子と、発光素子を搭載する導電体とを備え、上記発光素子は、AlN結晶基板側が発光面側であり、最外半導体層側が搭載面側であり、上記半導体層は、p型半導体層と、n型半導体層と、p型半導体層とn型半導体層との間に形成される発光層とを含む半導体デバイスであることが開示されている。
For example, in
特許文献2のようなAlN結晶を基板として用いた半導体デバイスの場合、半導体層との格子整合性が高いため、半導体層は、サファイア基板上に形成された半導体層と比較して低転位密度となるが、耐久性に乏しいという課題が生じる。具体的には発光素子製造工程の後工程において化学的・物理的なダメージを受けてしまい、発光素子としての性能が劣化してしまう。
In the case of a semiconductor device using an AlN crystal as a substrate as in
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、AlN単結晶基板を用いた窒化物半導体発光素子において、化学的・物理的耐性のより高い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and provides a nitride semiconductor light emitting device having higher chemical and physical resistance in a nitride semiconductor light emitting device using an AlN single crystal substrate. Objective.
本発明の一態様による窒化物半導体発光素子は、AlN単結晶基板(例えば図5に示す、AlN単結晶基板10)と、当該AlN単結晶基板上に形成された積層構造部(例えば図5に示す、積層構造部20)と、を備え、前記積層構造部は、第1導電型層(例えば図5に示す、第1導電型層21)、発光層(例えば図5に示す、発光層22)、および第2導電型層(例えば図5に示す、第2導電型層23)がこの順に前記AlN単結晶基板上に積層されてなり、前記AlN単結晶基板の一の側面の法線と、当該AlN単結晶基板のAlN単結晶a面およびm面のいずれか一の面の法線とのなす角度が±4°未満であることを特徴とする。
前記AlN単結晶基板の側面のソゲ量が±25μm以下であってよい。
A nitride semiconductor light-emitting device according to one embodiment of the present invention includes an AlN single crystal substrate (for example, the AlN
The amount of sedges on the side surface of the AlN single crystal substrate may be ± 25 μm or less.
本発明の窒化物半導体発光素子によれば化学的・物理的耐性の強い窒化物半導体発光素子を実現することができる。 According to the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, a nitride semiconductor light emitting device having high chemical and physical resistance can be realized.
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
<窒化物半導体発光素子>
本実施形態の窒化物半導体発光素子は、AlN単結晶基板と、当該AlN単結晶基板上に形成された積層構造部と、を備え、積層構造部は、第1導電型層、発光層、および第2導電型層がこの順にAlN単結晶基板上に積層されてなり、AlN単結晶基板の一の側面の法線と、このAlN単結晶基板のAlN単結晶a面およびm面のいずれか一の面の法線とがなす角度が±4°未満となっている。
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
<Nitride semiconductor light emitting device>
The nitride semiconductor light emitting device of the present embodiment includes an AlN single crystal substrate and a stacked structure portion formed on the AlN single crystal substrate, and the stacked structure portion includes a first conductivity type layer, a light emitting layer, and The second conductivity type layer is laminated on the AlN single crystal substrate in this order, and the normal of one side surface of the AlN single crystal substrate and any one of the AlN single crystal a plane and the m plane of the AlN single crystal substrate. The angle formed by the normal of the surface is less than ± 4 °.
すなわち、図1に示すように、窒化物半導体発光素子1に含まれるAlN単結晶基板10の側面f1、f2およびこれら側面f1、f2と対向する面f3、f4のうちのいずれかの面の法線と、AlN単結晶基板10のAlN単結晶a面およびm面のいずれかの面の法線とが平行、もしくはa面またはm面の一の辺の延びる方向を前後方向としたとき、素子側面が前後方向、または、この前後方向に直交する左右方向、または前後方向および左右方向に傾いたときのa面またはm面と素子側面とがなす角度、すなわちこれら面の法線どうしがなす角度が±4°未満であって、a面またはm面と素子側面とが平行(a面またはm面の法線と素子側面の法線とがなす角度が0°の場合)、あるいは、完全に平行ではないがa面またはm面に対して素子側面が微傾斜状態となるように形成されている。
That is, as shown in FIG. 1, the method of the surface of the AlN
図2は、AlN単結晶の面方位を示すユニットセルである。AlN単結晶は六方晶系で記述され、6回対称性を有しているため、m面およびa面は、図2に示すようにそれぞれ等価な六つの面が存在する。
AlN単結晶のa面およびm面は、AlN単結晶を(0001)面から見た時、最隣接窒素原子3つと最隣接アルミニウム原子3つとから構成される六角形の一つの辺を通る面がm面であり、m面と90°をなす面がa面となる。
FIG. 2 is a unit cell showing the plane orientation of the AlN single crystal. Since the AlN single crystal is described in a hexagonal system and has 6-fold symmetry, the m plane and the a plane each have six equivalent planes as shown in FIG.
When the AlN single crystal is viewed from the (0001) plane, the a plane and the m plane of the AlN single crystal are planes that pass through one side of a hexagon composed of three nearest nitrogen atoms and three nearest aluminum atoms. The m-plane, and the plane that forms 90 ° with the m-plane is the a-plane.
そして、図3に示すように、AlN単結晶基板10の側面f1の法線Nf1と一のa面の法線Naとがなす角度が±4°未満となっており、AlN単結晶基板10の側面f2の法線Nf2と一のm面の法線Nmとがなす角度が±4°未満、となっている。前述のように、a面とm面とは90°ずれているため、矩形状のAlN単結晶基板10の場合、一の側面の法線と、m面およびa面のいずれかの面の法線とがなす角度が±4°未満であれば、他の側面の法線も、m面およびa面のいずれかの面の法線とがなす角度は、±4°未満となる。
As shown in FIG. 3, the angle formed by the normal line Nf1 of the side surface f1 of the AlN
窒化物半導体発光素子1のAlN単結晶基板10の側面の法線と、AlN単結晶のa面およびm面のいずれかの面の法線とがなす角度が±4°未満であることにより、側面に存在するダングリングボンド数や素子を割断する際の劈開により形成される段差構造が少なくなる。そのため、化学的・物理的耐性が向上を図ることができる。
化学的耐性は、例えばKOH(水酸化カリウム)による素子側面のエッチングレートを測定することにより評価することができる。
The angle formed between the normal line of the side surface of the AlN
The chemical resistance can be evaluated, for example, by measuring the etching rate on the side surface of the element with KOH (potassium hydroxide).
また、物理的耐性は、例えば素子割断の際の素子の破壊確率やチッピングの有無により評価することができる。
AlN単結晶基板10のいずれかの素子側面の法線とAlN単結晶a面およびm面のいずれかの面の法線とがなす角度が±4°未満となっているか否かは、結晶の逆格子による回折解析手法(たとえば高速電子線回折、低速電子線回折等)による結晶方位測定により同定されるがXRD(X線回折)による同定が好ましい。
The physical resistance can be evaluated by, for example, the destruction probability of the element when the element is cleaved or the presence or absence of chipping.
Whether or not the angle formed by the normal of any element side surface of the AlN
また、素子割断のためのスクライブ溝の幅は通常20μm程度よりも小さく、スクライブ溝幅と割断した際のソゲ量とを考慮した場合、ソゲ量が25μmを超える場合は素子そのもの、あるいは隣接する素子の破壊につながる。また25μmを超えるソゲに対して素子の破壊を予防するために素子間の間隔を広げて素子を作製した場合、素子の取り数が減ることとなる。本実施形態の窒化物半導体発光素子1は、AlN単結晶基板10の各側面f1〜f4のソゲ量を±25μm以下にすることで素子取り数を十分に確保しつつ、割断による素子破壊を抑えることができる。
In addition, the width of the scribe groove for cleaving the element is usually smaller than about 20 μm, and when considering the scribe groove width and the amount of sedge when cleaved, if the amount of sedge exceeds 25 μm, the element itself or an adjacent element Lead to destruction. Further, in the case where an element is manufactured by increasing the interval between elements in order to prevent destruction of the element with respect to a soge exceeding 25 μm, the number of elements to be obtained is reduced. The nitride semiconductor
なお、「ソゲ量」とは、図4に示すように素子1の表面Aに対する割断面B1、B2の厚さ方向の直角度をいう。すなわち、図4に示すように、割断予定線La、Lbに対応する垂直な面からの割断面B1、B2のずれΔL1、ΔL2を、ソゲ量という。
本実施形態の窒化物半導体発光素子1において、ソゲ量は、例えば、光学顕微鏡、あるいはSEM(走査型電子顕微鏡)等を用いた素子側面平行方向からの測長による側面最凸部と最凹部間の距離により評価される。また、測定は素子側面の最外辺について行い、ソゲ量は平均値をとる。
As shown in FIG. 4, the “sedge amount” means a squareness in the thickness direction of the split sections B <b> 1 and B <b> 2 with respect to the surface A of the
In the nitride semiconductor
たとえば、図5に示す、窒化物半導体発光素子1の一例を示す概略構成図において、窒化物半導体発光素子1の側面f11の最外辺部分C10について、側面f11に対して平行な方向からの測長と側面f12に対して平行な方向からの測長とを行う。図5のような構成を有する窒化物半導体発光素子1の場合は4つの最外辺部分について、それぞれ2方向から、計8ヶ所について測長を行い、8ヶ所の測定結果の平均値を求め、この平均値をソゲ量としてその評価を行う。
For example, in the schematic configuration diagram showing an example of the nitride semiconductor
なお、ここでは、8ヶ所の測定結果の平均値を求め、この平均値をソゲ量としてその評価を行なう場合について説明したが、8ヶ所の測定結果それぞれをソゲ量として評価するようにしてもよい。上述のように、8ヶ所の測定結果の平均値をソゲ量としてその評価を行なうようにすることによって、素子の一部ではなく素子全体としての物理的・化学的耐性について評価することができる。 Here, the case where the average value of the measurement results at the eight locations is obtained and the evaluation is performed using the average value as the amount of soda has been described, but each of the measurement results at eight locations may be evaluated as the amount of souge. . As described above, by evaluating the average value of the measurement results at the eight locations as the amount of soda, it is possible to evaluate the physical and chemical resistance of the entire device rather than a part of the device.
<具体例>
次に、本実施形態の窒化物半導体発光素子のより具体的な形態を、図面を参酌しながら説明する。
図5は本実施形態の窒化物半導体発光素子1の一例を模式的に示す斜視図である。
窒化物半導体発光素子1は、AlN単結晶基板10と、AlN単結晶基板10上に形成された積層構造部20と、発光素子に電極を供給するための電極部31、32と、を備える。
積層構造部20は、第1導電型層21と、発光層22と、第1導電型層21とは導電型の異なる第2導電型層23と、がこの順にAlN単結晶基板10上に積層されてなる。
<Specific example>
Next, a more specific form of the nitride semiconductor light emitting device of this embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 5 is a perspective view schematically showing an example of the nitride semiconductor
The nitride semiconductor
The stacked
第1導電型層21は、上面視で長方形の底部領域21aと、当該底部領域21a上に凸状に形成される、底部領域21aよりも外径が小さい長方形状の積層部21bとから構成され、底部領域21aの長手方向の一方の側に積層部21bが形成され、他方の側の領域は電極部32を形成する領域となる。積層構造部20は、例えば、第1導電型層21となる層と、発光層22となる層と、第2導電型層23となる層とをこの順に積層し、この積層構造において、電極部32を形成する領域にはマスクを形成せずに積層構造部20となる部分にマスクを形成し、積層部21bが残るように第1導電型層21をエッチングすることなどにより形成される。
The first
そして、第2導電型層23の上に、電極部31が積層される。
AlN単結晶基板10は、各側面、すなわち、図5の場合は、側面f11、f12、f13およびそれら側面f11、f12と対向する側面f13、f14それぞれが、これら側面f11〜f14の法線と、AlN単結晶基板10のa面およびm面のいずれかの面の法線とがなす角度が±4°未満となっている。
Then, the
Each side of the AlN
なお、必ずしも、AlN単結晶基板10の全ての側面の法線とAlN単結晶基板10のa面およびm面のいずれかの面の法線とがなす角度が±4°未満でなくともよいが、全ての側面の法線と、a面またはm面の法線とのなす角度が、±4°未満であることが好ましい。
この側面f11〜f14と、AlN単結晶基板10のa面およびm面のいずれかの面とのなす角度を評価する方法としては、例えば以下の方法がある。すなわち、まず、評価対象の目的素子の研磨を行って、電極部31および32と、積層部21b、発光層22および積層部21bとからなる積層構造からなるメサ部25と、を除去して、目的素子上面に第1導電型層21からなる平坦面を生成する。
Note that the angle formed by the normals of all the side surfaces of the AlN
Examples of a method for evaluating the angle formed between the side surfaces f11 to f14 and any one of the a-plane and m-plane of the AlN
そして、平坦面の結晶逆格子による回折解析手法によって結晶方位の同定を行い、素子形状と結晶方位との関係より、素子側面f11〜f14の法線と、m面およびa面のいずれかの面の法線とがなす角度を評価する。つまり、素子側面ごとに、素子側面とm面またはa面のいずれかの面とがなす角度について評価を行う。なお結晶逆格子による回折解析手法としてはXRD(X線回折法)が好ましい。 Then, the crystal orientation is identified by a diffraction analysis method using a crystal reciprocal lattice on a flat surface. From the relationship between the element shape and the crystal orientation, the normal of the element side faces f11 to f14 and any one of the m plane and the a plane Evaluate the angle formed by the normal. That is, for each element side surface, the angle formed by the element side surface and either the m-plane or the a-plane is evaluated. XRD (X-ray diffraction method) is preferable as a diffraction analysis method using a crystal reciprocal lattice.
次に、本実施形態の窒化物半導体発光素子1に含まれる各要素について説明する。
これら各要素は、本実施形態の窒化物半導体発光素子1においてそれぞれ独立または組み合わせて適用される。
Next, each element included in the nitride semiconductor
Each of these elements is applied independently or in combination in the nitride semiconductor
〔AlN単結晶基板〕
AlN単結晶基板10の製造方法は特に制限されないが、高品質なAlN単結晶基板10を得る観点から窒化アルミニウムセラミックスを原料とする昇華法により製造することが好ましい。AlN単結晶基板10の転位密度は107cm-2未満であることが好ましく、特に105cm-2未満であることが好ましい。
[AlN single crystal substrate]
The method for producing the AlN
不完全な表面処理は第1導電型層21の成膜時に転位密度を増大させるため、AlN単結晶基板10のRMS(二乗平均粗さ)表面粗さは、10μm×10μmの面積に対して0.5nm未満であることが好ましい。
本実施形態の窒化物半導体発光素子1において、AlN単結晶基板10は、その上に、第1導電型層21と発光層22と第2導電型層23とを有する積層構造部20を形成可能なものであれば特に制限されない。結晶性の良い積層構造部20を得る観点から、積層構造部20が形成される面はAl面であることが好ましい。また、素子側面の法線がa面およびm面のいずれか一つの面の法線となす角度が±4°未満であるため、上記AlN単結晶基板10の表面がAl面(またはN面)から4°未満の傾斜基板であることが好ましい。
Since the incomplete surface treatment increases the dislocation density when the first
In the nitride semiconductor
〔積層構造部〕
本実施形態の窒化物半導体発光素子1において、積層構造部20は第1導電型層21、発光層22、および第2導電型層23を有している。
第1導電型層21および第2導電型層23はInxAlyGa1−x−yN(0≦x+y≦1)から構成されるものが望ましい。
(Laminated structure part)
In the nitride semiconductor
The first
特定の態様では、第1導電型層21は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x+y≦1)から構成される複数の個別層からなっており、発光層22の格子パラメータに対して近づくように擬似格子整合的に歪まされていてよい。この複数の層はx、yが厚みと共に変化する、傾斜する組成を有する複数の層を含んでいてよい。このような層では、個々の段階で又は線形的に組成が傾斜していてよい。好ましい態様では、InxAlyGa1−x−yN層はAlN単結晶基板10の界面で、単結晶AlNの組成にほぼ等しい組成を有している。それによって二次元の成長が促進され、不都合なアイランドが形成されることが抑制され、そのようなアイランド形成により、例えば、AlxGa1−xN層からなる第1導電型層21及び後続の成長層(発光層22、第2導電型層23)での不都合な弾性の歪み緩和が生じることが回避される。
In a specific embodiment, the first
発光層22は一態様では多重量子井戸(MQW)層を含み、たとえばAlxGa1−xN層からなる第1導電型層21上に製造される。MQW層は、複数の量子井戸を含み、その量子井戸のそれぞれは、AlGaNを含む、又は本質的にAlGaNからなっていてよい。
一態様では、MQW層の各周期は、AlxGa1−xN量子井戸及びAlyGa1−yN量子井戸を含む。ここで、xはyと異なる。好ましい態様で、xとyの差は、活性領域での電子及び正孔の良好な閉じ込めが得られるように十分に大きくなっており、これにより、放射性の再結合の、非放射性の再結合に対する比を高くすることができる。一態様では、xとyとの差は約0.05であり、例えばxは約0.35で、yは約0.4である。しかし、xとyの差が過度に大きい場合、例えば、0.3より大きい場合には、MQW層の形成中に不都合なアイランド形成が起こってしまう。
In one embodiment, the
In one aspect, each period of the MQW layer includes an Al x Ga 1-x N quantum well and an Al y Ga 1-y N quantum well. Here, x is different from y. In a preferred embodiment, the difference between x and y is large enough to provide good confinement of electrons and holes in the active region, so that radiative recombination versus non-radiative recombination. The ratio can be increased. In one aspect, the difference between x and y is about 0.05, for example, x is about 0.35 and y is about 0.4. However, if the difference between x and y is excessively large, for example, greater than 0.3, inconvenient island formation occurs during the formation of the MQW layer.
MQW層は、複数の周期を含んでいてよく、50nm未満の全厚みを有していてよい。なお、ここでいう「全厚み」とは、発光層22が1層で構成されている場合は、その層の厚みであり、2層以上で構成されている場合は、全ての層の厚みの合計である。
一態様では発光層22は任意の薄い電子ブロック(又はn型コンタクトがデバイスの上部に置かれている場合には正孔ブロック)層を有し、この層は、例えば、Mgのような1つ以上の不純物でドーピングされたAlxGa1−xNを含むか又はそれから本質的になっている。電子ブロック層は、例えば20nmの厚みを有している。
The MQW layer may include a plurality of periods and may have a total thickness of less than 50 nm. The “total thickness” referred to here is the thickness of the light-emitting
In one aspect, the
発光層22上に形成される第2導電型層23としてのAlxGa1−xN層は本質的に1つ以上の半導体材料、例えば、Mgのような少なくとも1つの不純物でドープされたAlxGa1−xNを含むか又はそれから本質的になっている。第2導電型層23としてのAlxGa1−xN層はn型又はp型にドープされているが、第1導電型層21としてのAlxGa1−xN層の導電性とは反対の導電性を有している。第2導電型層23としてのAlxGa1−xN層の厚みは、50nmより大きく100nm未満である。一態様では第2導電型層23としてのAlxGa1−xN層は同じ導電性でドープされた1つ以上の半導体材料を含むか又はその材料から本質的になるキャップ層を有している。キャップ層は、MgでドープされたGaNを含み、10nmより大きく200nm未満、好ましくは50nmの厚みを有する。
The Al x Ga 1-x N layer as the second
積層構造部20は1つであってもよいし、複数であってもよい。単位面積当たりの発光量を向上させる観点から、並列接続された複数の積層構造部20を備えることが好ましい場合もある。また、積層構造部20の形状も特に制限されず、例えば矩形状、円または楕円状、多角形状、およびそれらの組み合わせ等が挙げられる。
There may be one or more
〔電極部〕
本実施形態の窒化物半導体発光素子1は、発光層22に電力を供給するための電極部31、32を備えている。電極部31、32の配置については特に制限されないが、積層構造部20がメサ型構造の場合、メサ頂部とメサ底部にそれぞれ電極を配置する例が挙げられる。また、他には素子上面と下面とにそれぞれ電極を配置する例などがある。
(Electrode part)
The nitride semiconductor
電極部31、32は例えばNi/Au合金(典型的には、p型コンタクトに対して使用される)又はTi/Al/Ti/Auスタック(典型的には、n型コンタクトに対して使用される)から形成されており、例えばスパッタリング又は蒸着によって形成されている。電極部31、32は紫外線(UV)反射器も含んでいてよい。UV反射器は、電極部31、32に向かって発光する光子を再度方向付けする(光子が積層構造部から逃げることができないように)こと、並びに所望の発光面、例えば底部表面に向けて光子を再度方向付けることによって、デバイスの活性領域において生成される光子の抽出効率を改善するように設計される。また電極部31、32の材料は導電性の材料、例えば金、ニッケル、アルミ、チタン及びそれらの組み合わせなどでもよい。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
The
<その他>
本実施形態の窒化物半導体発光素子1は、目的に応じて他の構成を備えていてもよい。一例としては、積層構造部20の表面を覆うSiO2および/またはSiN等からなる保護層や、外部から電力を供給するための金属細線、PKG化するための封止樹脂、反射防止膜やレンズ等の光学部材、窒化物半導体発光素子の動作を制御するための回路部やセンサ部等が挙げられる。
<窒化物半導体発光素子の製造方法>
次に本実施形態の窒化物半導体発光素子1の製造方法例について説明する。
<Others>
The nitride semiconductor
<Nitride Semiconductor Light-Emitting Device Manufacturing Method>
Next, an example of a method for manufacturing the nitride semiconductor
本実施形態の窒化物半導体発光素子1の製造方法例としては、AlN単結晶基板10上に第1導電型層21としてのAlxGa1−xN層(0≦x≦1)、発光層22、および第2導電型層23としてのAlxGa1−xN層をこの順に積層し、AlN単結晶基板10のいずれかの素子側面の法線とAlN単結晶基板10のAlN単結晶a面およびm面のいずれの面の法線とのなす角度が、±4°未満の面となるように素子を割断する方法が挙げられる。
As an example of the manufacturing method of the nitride semiconductor
素子を割断する方法の一例として、例えば以下の方法が挙げられる。すなわち、略矩形状の素子に分割する場合には、上面視で、分割後の素子の対向する一対の辺と平行な方向に延びる第1のスクライブ溝と、他の一対の辺と平行な方向に延びる第2のスクライブ溝とを、形成する必要がある。
すなわち、まず、第1のスクライブ溝を一定間隔で平行に形成する。このとき、第1のスクライブ溝により溝内側に形成される面の法線とAlN単結晶のm面の法線とがなす角度が±4°未満となるようにレーザー照射を行なう。例えば、AlN単結晶基板10の結晶構造を表す六角柱を(0001)面から見たときのm面の一部をなす六角形の一の辺と略平行に第1のスクライブ溝を形成し、かつ、(0001)面から見たm面の延びる方向とレーザー照射方向とが略平行となるようにレーザー照射を行なう。
As an example of the method of cleaving the element, for example, the following method can be given. That is, when dividing into substantially rectangular elements, the first scribe groove extending in a direction parallel to a pair of opposing sides of the element after division and a direction parallel to the other pair of sides when viewed from above It is necessary to form a second scribe groove extending in the direction.
That is, first, first scribe grooves are formed in parallel at regular intervals. At this time, laser irradiation is performed so that the angle formed by the normal of the surface formed inside the groove by the first scribe groove and the normal of the m-plane of the AlN single crystal is less than ± 4 °. For example, forming a first scribe groove substantially parallel to one side of a hexagon forming a part of the m plane when the hexagonal column representing the crystal structure of the AlN
次に、レーザー照射方向を90°回転させ、第1のスクライブ溝と直交する第2のスクライブ溝を一定間隔で平行に形成する。このとき、第2のスクライブ溝により溝内側に形成される面の法線とAlN単結晶a面の法線とのなす角度が±4°未満となるようにレーザー照射を行なう。例えば、AlN単結晶基板10の結晶構造を表す六角柱を(0001)面から見たときのa面の一部をなす辺でありかつ前述のm面の一部をなす一の辺と直交する辺と略平行に第2のスクライブ溝を形成し、かつ、(0001)面から見たa面の延びる方向とレーザー照射方向とが略平行となるようにレーザー照射を行なう。
Next, the laser irradiation direction is rotated by 90 °, and second scribe grooves orthogonal to the first scribe grooves are formed in parallel at regular intervals. At this time, laser irradiation is performed so that the angle formed between the normal line of the surface formed inside the groove by the second scribe groove and the normal line of the AlN single crystal a surface is less than ± 4 °. For example, when the hexagonal column representing the crystal structure of the AlN
その後レーザー照射を行なった側の面とは逆の面からブレードを当てて押圧することにより第1および第2のスクライブ溝にそって素子の割断を行う。
割断手法の例としてここではレーザーとスクライバーの組み合わせを記したが、他にもレーザーによるステルスダイシングとエキスパンドの組み合わせや、ダイアモンドカッターによるブレードダイシング、あるいはそれとスクライバー・チョッパー・エキスパンドの組み合わせなどがあげられる。
Thereafter, the element is cleaved along the first and second scribe grooves by pressing and applying a blade from the surface opposite to the surface on which laser irradiation has been performed.
As an example of the cleaving method, a combination of a laser and a scriber is described here, but other combinations such as a stealth dicing and an expander using a laser, a blade dicing using a diamond cutter, or a combination of a scriber, a chopper and an expander can be given.
また、割断後の素子の4つの側面の法線と、m面およびa面のいずれかの面の法線とが平行となるようにするためには、素子の形成方向とAlN単結晶基板10のm面およびa面の延びる方向とを整合させる必要がある。素子の形成方向を合わせるために、AlN単結晶基板10にm面またはa面と平行なオリエンテーションフラットを形成しておくことが好ましい。
Further, in order to make the normals of the four side surfaces of the element after cleaving and the normals of any one of the m-plane and a-plane parallel, the element formation direction and the AlN
以下に、実施例を示す。
<実施例1>
昇華法を用いて成長した単結晶AlNをワイヤーソーなどにより(0001)面が表面、(000−1)面が裏面となるようにウェハ状に加工し、表面に機械的研削と化学的物理的研磨法とによる研磨を行うことにより原子レベルで平坦なAl面を有するAlN単結晶基板10を準備した。
Examples are shown below.
<Example 1>
Single crystal AlN grown using the sublimation method is processed into a wafer shape with a wire saw or the like so that the (0001) surface is the front surface and the (000-1) surface is the back surface, and the surface is mechanically ground and chemically and physically An AlN
準備したAlN単結晶基板10を有機金属気相エピタキシー反応器内に導入した後、水素及びアンモニア混合ガスを反応器内に導入し、AlN単結晶基板10を1100℃まで加熱した。
続いて、トリメチルアルミニウム(TMA)を導入し、AlNバッファ層(厚み0.3μm)をAlN単結晶基板10上に成長させた。
After the prepared AlN
Subsequently, trimethylaluminum (TMA) was introduced, and an AlN buffer layer (thickness 0.3 μm) was grown on the AlN
続いて、TMAガス流量を減らし、トリメチルガリウム(TMG)ガス流量を増やして、傾斜AlxGa1−xN層を成長させ、xが厚み方向に線形的に傾斜(勾配)するAlxGa1−xN遷移層を0.1μm成長させた。
第1導電型層21として、遷移層の上にSiでドープされた第一導電型のAlGaN層を500nmの厚みで成長させた。
Subsequently, reducing the TMA gas flow rate, increasing the trimethylgallium (TMG) gas flow rate, inclination Al x Ga 1-x N layer is grown, Al x Ga 1 x is linearly inclined in the thickness direction (gradient) A −xN transition layer was grown to 0.1 μm.
As the first
第一導電型のAlGaN層の上には発光層22として50nmの全厚みを有する多重量子井戸(MQW)層を成長させた。
MQW層上には、50nmの厚みを有するAlGaN電子ブロック層を形成した。
第2導電型層23として、AlGaN電子ブロック層の上部に、Mgでドープされた200nmの厚みを有する第二導電型のGaN層を形成した。
On the AlGaN layer of the first conductivity type, a multiple quantum well (MQW) layer having a total thickness of 50 nm was grown as the
An AlGaN electron block layer having a thickness of 50 nm was formed on the MQW layer.
As the second
このようにして形成された第一導電型のAlGaN層、多重量子井戸(MQW)層、AlGaN電子ブロック層、および第二導電型のGaN層からなる積層構造部20が形成された、AlN単結晶基板10の結晶方位をXRDによって測定し、割断後のいずれかの素子側面の法線と、いずれかのm面の法線とがなす角度が、0°、1°、2°、3°、4°、5°のそれぞれの角度となるように素子方向を決定し、発光層22に電力を供給するための電極部31、32を形成した。
An AlN single crystal in which the
素子割断のためにレーザーアブレーション法を用いてスクライブ溝の形成を行い、ジルコニアセラミックブレードを用いた半導体個片化装置を用いて素子の割断を行い、割断後のいずれかの素子側面の法線と、いずれかのAlN単結晶m面の法線とがなす角度が、0°、1°、2°、3°、4°、5°である窒化物半導体発光素子1をそれぞれ作製した。
For the element cleaving, a laser ablation method is used to form a scribe groove, and the element is cleaved using a semiconductor singulation device using a zirconia ceramic blade. Each of the nitride semiconductor
割断後の素子側面に対して、光学顕微鏡で観察を行い、チッピングの測定とソゲ量の測定とを行い、素子側面のソゲ量が±25μm以下であることを確認した。また、作製した素子を用いて強アルカリ水溶液(濃度20wt%のKOH水溶液)でエッチング処理を行い処理前後の側面のSEMによる測長によってエッチングレートの算出を行なった。エッチング処理において、レーザーアブレーションによって発生した分解生成物が除去されることが必要であり、一般的には発生した分解生成物の除去には上記の強アルカリ水溶液を用いて10分程度エッチングを行うことがのぞましいが、長時間のエッチングを行うと光学的改良を行うための表面形状が失われてしまうため、エッチング量は光学的改良を行なうための表面形状が失われてしまわない程度である必要があり、280nm以下のエッチング量であることが好ましく、したがってエッチングレートは1.7μm/時間程度である必要がある。 The side surface of the element after cleaving was observed with an optical microscope, and measurement of chipping and measurement of the amount of sedge were performed to confirm that the amount of sedge on the side surface of the element was ± 25 μm or less. Moreover, the etching rate was calculated by the length measurement by the SEM of the side surface before and behind the process which performed the etching process with strong alkali aqueous solution (20% of concentration KOH aqueous solution) using the produced element. In the etching process, it is necessary to remove decomposition products generated by laser ablation. Generally, the generated decomposition products are removed by etching with the above-mentioned strong alkaline aqueous solution for about 10 minutes. However, if etching is performed for a long time, the surface shape for optical improvement is lost, so the etching amount must be such that the surface shape for optical improvement is not lost. The etching amount is preferably 280 nm or less, and therefore, the etching rate needs to be about 1.7 μm / hour.
いずれかのm面の法線といずれかの素子側面の法線とがなす角度が、0°、1°、2°、3°、4°、5°の角度を持つように形成した各素子について、割断した際の素子のチッピング発生状況の確認を行った。チッピングとは素子の欠けを意味しており、電極部31、32まで達する欠けをチッピングと定義する。チッピングの測定結果を表1に示す。
なお、表1は、m面に対する素子側面の角度すなわち、いずれかのm面の法線といずれかの素子側面の法線とがなす角度と、各角度におけるチッピングの発生状況とを、表したものである。
Each element formed so that the angle formed by the normal of any m-plane and the normal of any element side has an angle of 0 °, 1 °, 2 °, 3 °, 4 °, 5 ° About the chipping generation | occurrence | production condition of the element at the time of cleaving was confirmed. Chipping means chipping of the element, and chipping reaching the
Table 1 shows the angle of the element side surface with respect to the m plane, that is, the angle formed by the normal line of any m plane and the normal line of any element side surface, and the occurrence of chipping at each angle. Is.
表1から、m面の法線と素子側面の法線とがなす角度が4°未満である場合には、割断の際にチッピングが生じてはいないが、m面の法線と素子側面の法線とがなす角度が4°以上である場合には、割断の際にチッピングが生じ、物理的脆弱性が現れていることがわかる。 From Table 1, when the angle formed by the normal of the m-plane and the normal of the element side surface is less than 4 °, no chipping occurs at the time of cleaving, but the normal of the m-plane and the element side surface When the angle formed by the normal is 4 ° or more, it can be seen that chipping occurs at the time of cleaving, and physical vulnerability appears.
<実施例2>
実施例1と同様に形成された第1導電型層21としての、第一導電型のAlGaN層、発光層22としての多重量子井戸(MQW)層、AlGaN電子ブロック層、および第2導電型層23としての、第二導電型のGaN層からなる積層構造部20が形成された、AlN単結晶基板10の結晶方位をXRDによって測定し、割断後のいずれかの素子側面の法線と、いずれかのa面の法線とがなす角度が、0°、1°、2°、3°、4°、5°のそれぞれの角度となるように素子方向を決定し、発光層22に電力を供給するための電極部31、32を形成した。
<Example 2>
The first conductivity type AlGaN layer as the first
実施例1と同様に素子の割断を行い、割断後の素子側面の法線と、AlN単結晶a面のいずれかの面の法線とがなす角度が、0°、1°、2°、3°、4°、5°である窒化物半導体発光素子1をそれぞれ作製した。
割断後の素子側面に対して、光学顕微鏡で観察を行い、チッピングの測定とソゲ量の測定とを行い、素子側面のソゲ量が±25μm以下であることを確認した。また、作製した素子を用いて強アルカリ水溶液(濃度20wt%のKOH水溶液)でエッチング処理を行い処理前後の側面のSEMによる測長によってエッチングレートの算出を行なった。
The element is cleaved in the same manner as in Example 1, and the angle formed between the normal line of the element side surface after cleaving and the normal line of any surface of the AlN single crystal a plane is 0 °, 1 °, 2 °, Nitride semiconductor
The side surface of the element after cleaving was observed with an optical microscope, and measurement of chipping and measurement of the amount of sedge were performed to confirm that the amount of sedge on the side surface of the element was ± 25 μm or less. Moreover, the etching rate was calculated by the length measurement by the SEM of the side surface before and behind the process which performed the etching process with strong alkali aqueous solution (20% of concentration KOH aqueous solution) using the produced element.
a面のいずれかの面の法線といずれかの素子側面の法線とがなす角度が、0°、1°、2°、3°、4°、5°の角度を持つように形成した各素子について、割断した際の素子のチッピング発生状況の確認を行った。
表2は、a面に対する素子側面の角度すなわち、a面の法線と素子側面の法線とがなす角度と、各角度におけるチッピングの発生状況とを、表したものである。
The angle formed by the normal of any one of the a-planes and the normal of any of the side surfaces of the element is 0 °, 1 °, 2 °, 3 °, 4 °, and 5 °. About each element, the chipping generation | occurrence | production situation of the element at the time of cleaving was confirmed.
Table 2 shows the angle of the element side surface with respect to the a plane, that is, the angle formed by the normal of the a plane and the normal of the element side surface, and the occurrence of chipping at each angle.
表2から、a面の法線と素子側面の法線とがなす角度が4°未満である場合には、割断の際にチッピングが生じてはいないが、a面の法線と素子側面の法線とがなす角度が4°以上である場合には、割断の際にチッピングが生じ、物理的脆弱性が現れていることがわかる。 From Table 2, when the angle formed between the normal of the a-plane and the normal of the element side is less than 4 °, no chipping occurs during cleaving, but the normal of the a-plane and the element side When the angle formed by the normal is 4 ° or more, it can be seen that chipping occurs at the time of cleaving, and physical vulnerability appears.
<実施例3>
実施例1に記載の方法と同様の方法で、m面に対する角度、すなわち、m面の法線と素子側面の法線とのなす角度が1°〜5°の間の値となるように、1°きざみで角度をずらした面で割断して得た窒化物半導体発光素子1について、強アルカリ溶液(濃度20wt%のKOH水溶液)により素子のウェットエッチングを行い、素子側面のエッチングレートの確認を行った。図6にその結果を示す。図6から、m面の法線と素子側面の法線とがなす角度が4°未満である場合には、エッチングはそれほど急速には進行しないが、4°以上となる素子側面では、エッチングが急速に進行し化学的脆弱性が現れ、1.7μm/時間以上のエッチングレート、すなわち、光学的改良を行なうための表面形状が失われてしまうエッチングレートを超えてしまうことがわかる。
なお、図6において、横軸は、素子側面の、m面からの角度のずれ量、すなわち、m面(の法線)と素子側面(の法線)とがなす角度〔°〕、縦軸は、エッチングレート〔μm〕である。
<Example 3>
In the same manner as described in Example 1, the angle with respect to the m-plane, that is, the angle formed between the normal of the m-plane and the normal of the element side surface is a value between 1 ° and 5 °. The nitride semiconductor light-emitting
In FIG. 6, the horizontal axis represents the amount of deviation of the angle of the element side surface from the m-plane, that is, the angle [°] formed by the m-plane (normal line) and the element side surface (normal line). Is the etching rate [μm].
<実施例4>
実施例2に記載の方法と同様の方法で、a面に対する角度、すなわち、a面の法線と素子側面の法線とのなす角度が1°〜5°の間の値となるように、1°きざみで角度をずらした面で割断して得た窒化物半導体発光素子1について、強アルカリ溶液(濃度20wt%のKOH水溶液)により素子のウェットエッチングを行い、素子側面のエッチングレートの確認を行った。図7にその結果を示す。図7から、a面の法線と素子側面の法線とがなす角度が4°以下である場合には、エッチングはそれほど急速には進行しないが、5°以上となる素子側面では、エッチングが急速に進行し化学的脆弱性が現れ、1.7μm/時間以上のエッチングレート、すなわち、光学的改良を行なうための表面形状が失われてしまうエッチングレートを超えてしまうことがわかる。
<Example 4>
In a method similar to the method described in Example 2, the angle with respect to the a-plane, that is, the angle formed between the normal of the a-plane and the normal of the element side surface is a value between 1 ° and 5 °. The nitride semiconductor light-emitting
なお、図7において、横軸は、素子側面の、a面からの角度のずれ量、すなわち、a面(の法線)と素子側面(の法線)とがなす角度〔°〕、縦軸は、エッチングレート〔μm〕である。
以上のように本発明により、AlN単結晶基板10を用いた化学的、物理的耐性が向上した窒化物半導体発光素子を実現することが可能であることが確認された。
In FIG. 7, the horizontal axis represents the amount of deviation of the angle of the element side surface from the a plane, that is, the angle [°] formed by the a plane (normal line) and the element side surface (normal line). Is the etching rate [μm].
As described above, according to the present invention, it has been confirmed that a nitride semiconductor light emitting device using the AlN
なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態や実施例に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態や実施例に設計の変更等を加えてもよく、また、各実施形態や実施例を任意に組み合わせてもよく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす、すべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。 The scope of the present invention is not limited to the exemplary embodiments and examples shown and described. Based on the knowledge of those skilled in the art, design changes or the like may be added to each embodiment or example, and each embodiment or example may be arbitrarily combined, and is equivalent to the purpose of the present invention. Also includes all embodiments that provide an effect. Further, the scope of the invention can be defined by any desired combination of particular features among all the disclosed features.
1 窒化物半導体発光装置
10 AlN単結晶基板
20 積層構造部
21 第1導電型層
22 発光層
23 第2導電型層
31、32 電極部
f11〜f14 側面
DESCRIPTION OF
Claims (2)
当該AlN単結晶基板上に形成された積層構造部と、を備え、
前記積層構造部は、第1導電型層、発光層、および第2導電型層がこの順に前記AlN単結晶基板上に積層されてなり、
前記AlN単結晶基板の一の側面の法線と、当該AlN単結晶基板のAlN単結晶a面およびm面のいずれか一の面の法線とのなす角度が±4°未満である窒化物半導体発光素子。 An AlN single crystal substrate;
A laminated structure formed on the AlN single crystal substrate,
The laminated structure portion is formed by laminating a first conductivity type layer, a light emitting layer, and a second conductivity type layer in this order on the AlN single crystal substrate,
Nitride whose angle formed between the normal line of one side surface of the AlN single crystal substrate and the normal line of any one of the AlN single crystal a plane and m plane of the AlN single crystal substrate is less than ± 4 ° Semiconductor light emitting device.
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- 2014-03-26 JP JP2014064124A patent/JP2015185831A/en active Pending
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