CN1206747C - 第iii族氮化物系化合物半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种第III族氮化物系化合物半导体发光元件及其制造方法，在基片11的背面(基片面11b)形成反射层10，该反射层10在发光元件侧壁21a的蓝宝石基片附近的外周大致一周上设有扩张部10a。这样反射层形成面(基片面11b)外周附近的反射层10与基片的粘着性通过上述扩张部10a的形成被大幅度增强，所以反射层10以反射层形成面的外周附近作为起点的剥离没有了。所以即使设置把粘着片贴在反射层10上、把发光元件100固定在粘着片上的工序，也不会发生有反射层剥离的不合格品。这样可大幅度提高为提高发光效率设置了反射层10的半导体发光元件100的质量和生产性。侧壁21a上也可设置限制反射层10过于扩张的短路防止槽。

Description

第III族氮化物系化合物半导体发光 元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及第III族氮化物系化合物半导体发光元件及其制造方法，特别是涉及考虑反射效果等在发光元件基片背面形成的反射层及其形成方法。

背景技术

作为有关鉴于反射效果等在基片背面形成了反射层的第III族氮化物系化合物半导体发光元件或其制造方法的现有技术，在公开专利公报“特开平11-126924：氮化镓系化合物半导体元件的制造方法”和“特开平11-126925”、“特开平5-129658”、“特开平11-261112”中所述的内容等被一般所知。

但在这些现有技术中在发光元件的基片背面形成的反射层不能充分确保与基片的粘着性，所以在该发光元件的制造中和使用中等有时反射层从基片剥离。

特别是在发光元件的制造中，采用具有将粘着片贴在上述反射层上、将发光元件(或是发光元件集合体的半导体晶片)固定在粘着片上这工序的制造方法时，常有该反射层的一部分或全部附在粘着片上从基片剥落，有不能提高发光元件生产性(合格品率)的问题。

发明内容

本发明是为解决上述课题而开发的，其目的在于通过防止上述反射层的剥离现象来大幅度提高半导体发光元件的生产性。

为解决上述课题，下面的方法是有效的。

即第一方面是在通过由第III族氮化物系化合物半导体构成的多个半导体层结晶成长而积层的发光元件中，把反射由上述发光元件具有的发光层放出的光的反射层的主面在发光元件一边的面上形成，在该反射层上设置通过将其一部分扩张到发光元件侧壁的一部分上而形成的扩张部，上述侧壁具有限制上述发射层扩张的短路防止槽。

第二方面是在上述的第一方面中把上述的扩张部在形成上述反射层的上述主面的反射层形成面的外周形成大致达到一周。

第三方面是在上述的第一方面中把短路防止槽在侧壁的外周形成大致一周。

第四方面是在上述的第一至第三的某一方面中把反射层制成为至少具备一层金属层的多层结构。

第五方面是在上述的第四方面中仅用构成上述多层结构的一部分层形成上述的扩张部。

第六方面是把从上述发光元件具有的发光层放出的光反射的反射层的主面形成在发光元件一边的面上，在该反射层上设置通过将其一部分扩张到发光元件侧壁的一部分上而形成的扩张部，由第III族氮化物系化合物半导体构成的多个半导体层通过结晶成长而积层的发光元件的制造方法，在把具有多个发光元件的半导体晶片粘着在薄片上分割成发光元件单位的断裂工序后，实施形成上述反射层的上述主面及上述反射层的扩张部的扩张部形成工序，在该扩张部形成工序中在上述薄片的配置面上以0.1μm以上500μm以下的间隔配置多个发光元件，用蒸镀或溅射把上述反射层的上述主面及上述反射层的扩张部在多个发光元件上同时形成。

第七方面是在上述的第六方面中使上述发光元件的上述侧壁具有限制上述反射层扩张的短路防止槽。

第八方面是在上述的第七方面中相对于作为蒸镀或溅射材料发散源的蒸镀源或喷出口的发散位置，一边使上述的配置面旋转运动或摆动运动一边进行蒸镀或溅射，形成上述反射层的上述主面及上述反射层的上述扩张部。

通过以上方法可以解决所述课题。

反射层形成面外周附近的反射层与基片的粘着性通过上述扩张部的形成而被大幅度增强，所以反射层以反射层形成面外周附近作为起点的剥离没有了。因此即使设置在反射层上贴粘着片、把发光元件固定在粘着片上的工序，也不会发生有反射层剥离的不合格品。

这样可大幅度提高为提高发光效率而设置了反射层的半导体发光元件的质量和生产性。

通过形成上述的短路防止槽，构成反射层的金属层(反射层)的扩张达及半导体层的事情没有了。这样能可靠防止反射层与半导体层的短路。

且上述反射层采用多层结构也可，上述扩张部由构成反射层的至少一层的扩张(向发光元件侧壁的上述扩张)构成便可。将反射层制成多层结构时，其中至少有一层是由高效反射光的金属层构成便可。

上述的扩张部最好在反射层形成面外周的一周上形成，但该扩张部不一定在外周一周的整个面上形成也可。即使在这时，通过上述作用也能比现在提高生产性。

上述的短路防止槽最好在形成上述扩张部的全部侧壁上各自设置，但根据发光元件的形状和蒸镀时元件的配置方法等的反射层成膜条件(扩张部形成条件)等，不一定在形成扩张部的全部侧壁上形成短路防止槽也可。这时也能得到上述的作用·效果。

扩张部形成工序中多个发光元件的配置间隔最好是0.1μm～500μm左右。更希望的是发光元件的配置间隔是1μm～50μm左右是理想的。

当该间隔过窄时，上述的扩张部就变得过小，反射层易剥落。当该间隔过宽时，在上述配置面上可配置的半导体芯片(发光元件)的数量就变少，在大量生产发光元件时生产性提高不充分。

在由蒸镀等形成反射层和扩张部时，反射层的材料从材料发散源呈放射状直线供给，但通过使上述的配置面旋转并在距该旋转轴充分离开的位置(偏心的位置)上设置蒸镀源等发散位置，可容易地将上述扩张部在各发光元件侧壁的一周上形成。但该旋转运动只要是反射层材料的发散位置与配列发光元件的配置面有相对运动便可，所以是使发散位置和配置面的哪个运动是任意的。因此例如使双方运动也可。而且该旋转运动被换成例如可动范围在200～300°左右的摆动运动也可。

通过这样的角度变动装置可容易并正确地在发光元件侧壁的外周约一周上形成上述的扩张部。

在上述的反射层上当使用由铝(Al)和银(Ag)等形成的金属层时可得到高反射率，但用其它的铑(Rh)、钌(Ru)、铂(Pt)、金(Au)、铜(Cu)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、铟(In)、钼(Mo)或含有这些金属元素中至少一种以上的合金形成反射层也可。

反射层由金属以外的半透明反射镜、SiO₂等白色无机膜、白色涂料等形成也可。

这些反射层的膜厚若在5nm以上、20μm以下以下便可。但更希望的该膜厚的范围尽管有若干依赖于金属种类，但大致是30～1000nm左右，进一步更希望的是50～500nm左右是理想的。该膜厚若过薄则反射率变低，若过厚则成膜成本(金属材料、成膜时间等的成本)超出需要地变高。

例如把由铝和银等形成的反射层形成用两层氧化铝(Al₂O₃)等夹住形态(多层结构)的反射层也可。铝作为透光性、耐腐蚀性及与金属和蓝宝石基片等的粘着性优良的材料可以使用，所以通过采用上述那样的多层结构，可形成反射率、粘着性及耐腐蚀性全都优良的反射层。

作为与金属和蓝宝石基片等的粘着性、和透光性、耐腐蚀性等优良的材料，除氧化铝之外TiO₂、MgO、MgCO₃、Ta₂O₅、ZnO、In₂O₃、SiO₂、SnO₂、ZrO₂等金属氧化物和陶瓷等可使用。

且在半导体结晶的成长基片上可使用蓝宝石、尖晶石、硅、碳化硅、氧化锌、磷化镓、砷化镓、氧化镁、氧化锰、氧化镓锂(LiGaO₂)、硫化钼(MoS)等材料。

以上的作用·效果至少可得到由用Al_xGa_yIn_1-x-y(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)表示的二元系、三元系或四元系的半导体构成的半导体层积层的LED等的第III族氮化物系化合物半导体发光元件/受光元件。并且第III族元素的一部分用硼(B)、铊(Tl)置换也可，氮(N)的一部分或全部用磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铋(Bi)置换也可。

附图说明

图1是本发明第一实施例的第III族氮化物系化合物半导体发光元件100的模式剖面图；

图2是将本发明第一实施例粘贴工序后(划线工序前)的半导体晶片201从基片一边(基片面11b一边)看的模式平面图；

图3是说明本发明第一实施例划线工序半导体晶片210的模式剖面图；

图4是说明本发明第一实施例断裂工序和扩大工序的半导体晶片201的模式剖面图；

图5是将本发明第一实施例扩大工序后(蒸镀工序前)的半导体晶片201从基片一边(基片面11b一边)看的模式平面图；

图6是本发明第二实施例的第III族氮化物系化合物半导体发光元件101的模式剖面图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施例。本发明具有上述的发明特征，不限定于下面具体化说明的实施例。

第一实施例

图1是本第一实施例的第III族氮化物系化合物半导体发光元件100(以下有时称为“半导体发光元件100”或单称“元件100”)的模式剖面图。本发光元件100在由蓝宝石构成的基片11的背面11b形成的反射光用的反射层10的结构上具有大的特点。

更具体说就是本第一实施例的半导体发光元件100的结构如下所示。

即基片11大致形成正方形。该基片11上设有由氮化铝(AlN)构成的膜厚约25nm的缓冲层12，其上形成有由掺杂质硅(Si)的GaN构成的膜厚约4.0μm的高载体浓度n⁺层13(n型接触层13)。该高载体浓度n⁺层13(n型接触层13)的上面形成有由掺杂质Si的n型GaN构成的膜厚约0.5μm的n型覆盖层14。

然后在n型覆盖层14的上面形成多重量子阱(MQW)结构的发光层15，其是由膜厚约35的Ga_0.8In_0.2N构成的势阱层151和由膜厚约35的GaN构成的势垒层152交替积层而成的。势垒层151是四层、势阱层151是五层。发光层15的上面形成有由P型Al_0.15Ga_0.85N构成的膜厚约50nm的P型覆盖层16。P型覆盖层16的上面形成有由P型GaN构成的膜厚约100nm的P型接触层17。

在P型接触层17的上面形成金属蒸镀的透光性正电极18A，在n⁺层13的上面形成负电极18B。透光性的正电极18A由与P型接触层17接合的膜厚约15的钴(Co)和与Co接合的膜厚约60的金(Au)构成。负电极18B由膜厚约200的钒(V)和膜厚约1.8μm的铝(Al)或Al合金构成。正电极18A上的一部分形成有由钒(V)和Au、Al或它们的合金构成的膜厚约1.5μm的电极焊衬20。

在基片11背面11b上形成有反射层10，其在发光元件侧壁21a的蓝宝石基片附近的外周大致一周上设的扩张部10a，后面详细说明其结构·制法。

下面说明该发光元件100的制造方法。

上述发光元件100是通过有机金属气相成长法(以下略为“MOVPE”)的气相成长制造的。所用的气体是氨(NH₃)、载体气体(H₂、N₂)、三甲基镓(Ga(CH₃)₃)(以下记为“TMG”)、三甲基铝(Al(CH₃)₃)(以下记为“TMA”)、三甲基铟(In(CH₃)₃)(以下记为“TMI”)、硅烷(SiH₄)和环戊二烯基镁(Mg(C₅H₅)₂)(以下记为“CP₂Mg”)。

首先把用有机洗净及热处理洗净的a面作为主面的单结晶基片11装在放于MOVPE装置反应室内的底座上。接着边以常压使H₂流入反应室边用1100℃的温度焙烘基片11。

接着使基片11的温度降低至400℃，供给H₂、NH₃及TMA，形成膜厚约25nm的AlN缓冲层12。

接着把基片11的温度保持在1150℃，供给H₂、NH₃、TMG及硅烷，形成膜厚约4.0μm、由电子浓度2×10¹⁸/cm³的GaN构成高载体浓度n⁺层13。

接着把基片11的温度保持在1150℃，供给N₂或H₂、NH₃、TMG、TMA及硅烷，形成膜厚约0.5μm、由电子浓度1×10¹⁸/cm³的GaN构成覆盖层14。

形成了上述的覆盖层14后继续供给N₂或H₂、NH₃、TMG及TMI，形成膜厚约35的由Ga_0.8In_0.2N构成的势阱层151。接着供给N₂或H₂、NH₃及TMG，形成膜厚约35的由GaN构成的势垒层152。再按相同条件反复形成势阱层151和势垒层152，形成MQW结构的发光层15。

接着把基片11的温度保持在1100℃，供给N₂或H₂、NH₃、TMG、TMA及CP₂Mg，形成膜厚约50nm、由掺杂质镁(Mg)的P型Al_0.15Ga_0.85N构成的覆盖层16。

接着把基片11的温度保持在1100℃，供给N₂或H₂、NH₃、TMG及CP₂Mg，形成膜厚约100nm、由掺杂质镁(Mg)的P型GaN构成接触层17。

接着在接触层17的上面形成腐蚀掩膜，除去规定区域的掩膜，把未被掩膜覆盖部分的接触层17、覆盖层16、发光层15、覆盖层14、n⁺层13的一部分通过含氯气的反应性离子腐蚀进行腐蚀，使n⁺层13的表面露出。

接着按下面的顺序形成对n⁺层13的电极18B和对接触层17的透光性电极18A。

(1)涂布感光胶，用光刻法在n⁺层13露出面上的规定区域形成窗，抽气成10^-6Torr级以下的高真空后蒸镀膜厚约200的钒(V)和膜厚约1.8μm的Al。接着除去感光胶。这样在n⁺层13的露出面上形成电极18B。

(2)接着在表面上同样地涂布感光胶，用光刻法除去接触层17上电极形成部分的感光胶、形成窗部。

(3)用蒸镀装置抽气成10^-6Torr级以下的高真空后在感光胶及露出的接触层17上把Co成膜膜厚约15，在该Co上把Au成膜膜厚约60。

(4)接着把试料从蒸镀装置取出，用剥离法把感光胶上堆积的Co、Au除去，在接触层17上形成透光性电极18A。

(5)接着为了在透光性电极18A上的一部分上形成焊接用电极焊衬20同样地涂布感光胶，在该电极焊衬20形成部分的感光胶上开窗。接着用蒸镀把钒(V)和Au、Al或它们的合金按膜厚1.5μm左右成膜，与工序(4)同样地用剥离法把感光胶上堆积的由钒(V)和Au、Al或它们的合金构成的膜除去，形成电极焊衬20。

(6)然后用真空泵抽试料空气，供给O₂气、压力为十几Pa，在该状态下把空气温度置为约550℃加热3分钟左右，把接触层17、覆盖层16进行P型低电阻化的同时进行接触层17和电极18A的合金化处理、n⁺层13和电极18B的合金化处理。

这样通过共有一块蓝宝石基片来制造连结多个半导体芯片(还没有反射层和侧壁(分离槽)等的发光元件)的集合体(以下称“半导体晶片200”)。

下面用图2～图5说明半导体发光元件100的分离方法和反射层10的形成方法。

首先把上述那样制造的半导体晶片200从形成电极的面一边切块、深度达到基片11、形成分离槽21(分离槽形成工序)。该分离槽对基片的深度(距基片上面的深度)约是10μm～20μm左右便可。

接着使用研磨机研磨上述那样按各发光元件单位用分离槽21分离一半状态的半导体晶片200的基片面11b，把基片11薄板化(薄板化工序)。薄板化了的半导体晶片200其分离槽21的部分在基片11上的壁最薄，所以从基片面11b一边看在视觉上可识别出该分离槽21。

接着把用不锈钢制的支承环支承的粘着片24贴在形成电极的面上，得到图2所示的结构(贴附工序)。即本图2是该贴附工序后具有粘着片24的半导体晶片200(以下称为“半导体晶片201”)的模式平面图。

接着使用划线器把基片面11b一边沿分离槽21划线、形成分割线(划线)25(划线工序)。如图3表示该分割线形成后的剖面结构。即图3是表示本第一实施例的半导体晶片201划线工序后剖面形状的模式剖面图。

接着用断裂装置在分割线附近作用载荷、把半导体晶片201分离成各芯片单位(断裂工序)，再通过把粘着片24上下左右大致各向相同地拉伸(扩大工序)得到图4的结构。即本图4是该扩大工序后半导体晶片201的模式剖面图。这时各芯片间的间隙25a的宽度大约是10μm左右。

接着在基片面11b上用蒸镀积层反射层10。

图5是将上述图4扩大工序后(蒸镀工序前)的半导体晶片201从基片一边(基片面11b一边)看的模式平面图。如本图5所示，上述扩大工序实施后半导体晶片201向上下左右有若干扩大。

下面如本图5所示把基片面11b假定为xy平面(z＝0)，使用把原点0置于支承环60中央的右手系的座标系。把从z轴正向计量的余纬度(极距离)定为θ，把从xz面(y＝0)向yz面(x＝0)计量的经度定为。这时用极座标表示的蒸镀源的位置座标(r，θ，)最好设置为满足下面的式(1)～式(3)。

但这里r是距蒸镀源原点o的距离，而R是支承环60的半径。与图5的例示不同、半导体晶片201的大小比支承环60的大小大幅度地小时，不一定必须满足式(1)。

(数1)

r≥R  ……(1)

(数2)

π/30≤θ≤π/3  ……(2)

0≤≤2π       ……(3)

例如首先把蒸镀源的位置最初固定在(r，θ，)＝(4R，π/4，0)。然后支承环60固定在座标系不动、使该蒸镀源的位置在z轴周围旋转运动一周(0≤≤2π)。使用这样的角度变动装置边移动蒸镀源的位置边在各发光元件100的基片面11b上用真空蒸镀处理形成反射层10，所述扩张部10a也同时如图1可在各发光元件100的侧壁21a的外周一周上形成。

但这样的旋转运动有反射层形成面(基片面11b)与蒸镀源是相对运动的意思，所以蒸镀源固定在座标系不动、使支承环60以z轴作为旋转轴旋转也可。用这样的方法也可得到同样的作用效果。

如上形成了图1所示具备有扩张部10a的反射层10(反射层形成工序)。

这样通过在元件的侧壁21a上形成扩张部10a，反射层10在反射层形成面(基片面11b)的周围附近也牢固地粘着在基片11上，所以以后即使在具有反射层10的面(基片面11b)上贴粘着片，反射层10也不从基片11的下面(基片面11b)剥离。这样因反射层10在制造中剥离而发生的不合格品完全没有了，生产性大幅度提高。

上述反射层10的形成最好在拉伸处理(扩大工序)后实施，但上述的蒸镀(反射层形成工序)省略扩大工序而在上述的断裂工序后实施也可。

例如只要把分割线25(划线)的宽度和深度分别制成约1μm左右以上，即使不实施上述那样断裂工序后的拉伸处理(扩大工序)，也能把发光元件100反射层形成面(基片面11b)外周附近的反射层10(扩张部10a)与基片的粘着度至少提高到获得满意水平的防剥离效果的程度。

(第二实施例)

为防止在发光元件100的侧壁21a的至少一部分上因扩张部10a的过度扩张而产生的短路，也可形成限制该扩张的短路防止槽。图6是设了这种短路防止槽H的本第二实施例的第III族氮化物系化合物半导体发光元件101的模式剖面图。

这样通过形成短路防止槽，构成反射层10的金属层(扩张部10a)在发光元件侧壁21a的扩张达及半导体层附近之事没有了。这样能可靠地防止反射层与电极的短路。

上述的短路防止槽H最好在形成上述扩张部10a的所有地方分别设置，但根据发光元件的形状和蒸镀时元件配置方法等的反射层成膜条件(扩张部形成条件)等不一定在形成扩张部的所有地方形成短路防止槽也可。

上述的各实施例中发光元件100、101的反射层10是单层结构，但在基片面上形成的反射层由具备至少一层金属层的多层结构构成也可。采用将该金属层自身制成多层构造的结构也可。通过这些结构在确保反射层的高反射率和强耐腐蚀性的同时又可提高基片与反射层的粘着度。

上述的各实施例中发光元件100、101具有基片11，但基片并不是本发明的必须构成要素，所以没有也可。反射层10除金属层以外也可由半透明反射镜、SiO₂等的白色无机膜、白色涂料等形成。

上述的各实施例中发光元件100、101的发光层15是MQW结构，但SQW和由Ga_0.8In_0.2N等构成的单层、另外作为任意混晶比的4元、3元、2元系的AlGaInN也可。作为P型杂质使用了Mg，但可以使用铍(Be)、锌(Zn)等II族元素。

本发明可利用于LED和LD发光元件，同时也可利用于受光元件。

Claims (8)

1.一种第III族氮化物系化合物半导体发光元件，是由第III族氮化物系化合物半导体构成的多个半导体层通过结晶成长而积层的发光元件，其特征在于，把从所述发光元件具有的发光层放出的光反射的反射层的主面形成在所述发光元件一边的面上，所述反射层具有通过将其一部分扩张到所述发光元件侧壁的一部分上而形成的扩张部，所述侧壁具有限制所述发射层扩张的短路防止槽。

2.如权利要求1所述的第III族氮化物系化合物半导体发光元件，其特征在于，所述扩张部形成在形成所述反射层的所述主面的反射层形成面外周的一周上。

3.如权利要求1所述的第III族氮化物系化合物半导体发光元件，其特征在于，所述短路防止槽形成在所述侧壁外周的一周上。

4.如权利要求1至3中的任何一项所述的第III族氮化物系化合物半导体发光元件，其特征在于，所述反射层具有至少具备一层金属层的多层结构。

5.如权利要求4所述的第III族氮化物系化合物半导体发光元件，其特征在于，仅有构成所述多层结构的一部分层形成所述扩张部。

6.一种第III族氮化物系化合物半导体发光元件的制造方法，是把从发光元件具有的发光层放出的光反射的反射层的主面形成在所述发光元件一边的面上，所述反射层具有通过将其一部分扩张到所述发光元件侧壁的一部分上而形成的扩张部，由第III族氮化物系化合物半导体构成的多个半导体层通过结晶成长而积层的发光元件的制造方法，其特征在于，在把具有多个所述发光元件的半导体晶片粘着在薄片上分割成所述发光元件单位的断裂工序后，实施形成所述反射层的所述主面及所述反射层的所述扩张部的扩张部形成工序，在所述扩张部形成工序中，在所述薄片的配置面上把多个所述发光元件以0.1μm以上500μm以下的间隔配置，通过蒸镀或溅射把所述反射层的所述主面及所述反射层的所述扩张部在多个所述发光元件上同时形成。

7.如权利要求6所述的第III族氮化物系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述发光元件的所述侧壁具有限制所述反射层扩张的短路防止槽。

8.如权利要求6或7所述的第III族氮化物系化合物半导体发光元件的制造方法，其特征在于，相对于成为所述蒸镀或所述溅射的材料发散源的蒸镀源或喷出口的发散位置，一边使所述配置面旋转运动或摆动运动一边进行蒸镀或溅射，形成所述反射层的所述主面及所述反射层的所述扩张部。

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