JP2000277804A

JP2000277804A - 窒化物半導体素子の製造方法及び窒化物半導体素子、並びに発光素子

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Publication number: JP2000277804A
Application number: JP2000067673A
Authority: JP
Inventors: Shuji Nakamura; 修二中村
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1995-06-15
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2000-10-06
Anticipated expiration: 2019-03-29
Also published as: JP3511970B2

Abstract

(57)【要約】【目的】上下より電極を取り出せる構造を有する窒化
物半導体素子の製造方法、および窒化物半導体素子を提
供する。【構成】絶縁性基板の上に窒化物半導体層が成長され
たウェーハの窒化物半導体層面に導電性基板を接着する
第一の工程と、導電性基板接着後、前記ウェーハの絶縁
性基板の一部、又は全部を除去して窒化物半導体層を露
出させる第二の工程とを備え、露出させた窒化物半導体
層と、導電性基板とに対向する電極を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード、レーザ
ダイオード等の発光デバイス、又はフォトダイオード等
の受光デバイスに使用される窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_Y
Ｇａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体はそのバンドギャップエネ
ルギーが１．９ｅＶ〜６．０ｅＶまであるので発光素
子、受光素子等の各種半導体デバイス用として注目され
ており、最近この材料を用いた青色ＬＥＤ、青緑色ＬＥ
Ｄが実用化されたばかりである。

【０００３】一般に窒化物半導体素子はＭＢＥ、ＭＯＶ
ＰＥ等の気相成長法を用いて、基板上にｎ型、ｐ型ある
いはｉ型等に導電型を規定した窒化物半導体を積層成長
させることによって得られる。基板には例えばサファイ
ア、スピネル、ニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウ
ム等の絶縁性基板の他、炭化ケイ素、シリコン、酸化亜
鉛、ガリウム砒素等の導電性基板が使用できることが知
られているが、窒化物半導体と完全に格子整合する基板
は未だ開発されておらず、現在のところ、格子定数が１
０％以上も異なるサファイアの上に窒化物半導体層を強
制的に成長させた青色、青緑色ＬＥＤ素子が実用化され
ている。

【０００４】図６は従来の青色ＬＥＤ素子の構造を示す
模式的な断面図である。従来のＬＥＤ素子は、基本的に
サファイア基板６１の上に窒化物半導体よりなるｎ型層
６２と活性層６３とｐ型層６４とが順に積層されたダブ
ルへテロ構造を有している。前記のようにサファイアは
絶縁性であり基板側から電極を取り出すことができない
ので、同一窒化物半導体層表面に正電極６５と負電極６
６とが設けられた、いわゆるフリップチップ方式の素子
とされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、サファ
イアを基板とする従来のフリップチップ方式の素子には
数々の問題点がある。まず第一に、同一面側から両方の
電極を取り出すためチップサイズが大きくなり多数のチ
ップがウェーハから得られない。第二に、負電極と正電
極とが水平方向に並んでいるため電流が水平方向に流
れ、その結果電流密度が局部的に高くなりチップが発熱
する。第三にサファイアという非常に硬く、劈開性のな
い基板を使用しているので、チップ化するのに高度な技
術を必要とする。さらにＬＤを実現しようとする際には
基板の劈開性を用いた窒化物半導体の劈開面を共振面と
できないので共振面の形成が非常に困難である。

【０００６】以上のような問題を回避するため、上記の
ように炭化ケイ素、シリコン、酸化亜鉛、ガリウム砒
素、ガリウムリン等の導電性基板の上に窒化物半導体を
成長する試みも成されているが、未だ成功したという報
告はされていない。

【０００７】従って本発明はこのような事情を鑑み成さ
れたものであって、その目的とするところは、主として
上下より電極を取り出せる構造を有する窒化物半導体素
子の製造方法、および窒化物半導体素子を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素
子の製造方法は、絶縁性基板の上に、窒化物半導体から
なるｎ型層と、ｐ型層とが成長されたウェーハの窒化物
半導体層面に導電性基板を接着する第一の工程と、導電
性基板接着後、前記ウェーハの絶縁性基板の一部、又は
全部を除去して前記ｎ型層を露出させる第二の工程とを
備えることを特徴とする。また、本発明の窒化物半導体
素子は導電性基板と、その上に窒化物半導体とが接着さ
れてなり、該窒化物半導体の最上層がｎ型層であること
を特徴とする。

【０００９】本発明の方法において、絶縁性基板には前
記のようにサファイア、スピネル、ニオブ酸リチウム、
ガリウム酸ネオジウム等が用いられ、好ましくはサファ
イア、スピネルの上に成長された窒化物半導体が結晶性
に優れている。一方、窒化物半導体に接着する導電性基
板には、導電性を有する基板材料であればどのようなも
のでも良く、例えばＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、
ＩｎＰ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＯ等を用いることがで
きる。但し、導電性基板は窒化物半導体が積層された絶
縁性基板とほぼ同じ形状を有し、さらにほぼ同じ面積
か、あるいはそれよりも大きな面積を有するウェーハ状
の基板を選択することはいうまでもない。

【００１０】一方、窒化物半導体層が積層されたウェー
ハの絶縁性基板を除去するには、例えば研磨、エッチン
グ等の技術を用いる。通常絶縁性基板の厚さは数百μｍ
あり、窒化物半導体層は厚くても２０μｍ以下であるの
で、研磨により基板を除去する際に研磨厚が制御しにく
い場合は、最初研磨で大まかな部分を除去し、その後エ
ッチングで細かい部分を除去して、電極を形成するのに
必要とする窒化物半導体面を露出させても良い。また例
えばレーザ素子のように絶縁物を電流狭窄層として窒化
物半導体層表面に必要とする素子を作製する場合には、
絶縁性基板全てを除去せずに、選択エッチングにより窒
化物半導体層を露出させるのに必要な部分のみを除去す
ることも可能である。

【００１１】さらに本発明の方法及び素子において、窒
化物半導体層に接着する導電性基板は劈開性を有するこ
とを特徴とする。この劈開性を有する導電性基板には、
例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＳｉＣ等を好ましく
用いることができる。

【００１２】次に本発明の方法及び素子は窒化物半導体
層面と導電性基板とを電極、又は導電性材料を介して接
着することを特徴とする。この方法は導電性基板に劈開
性のある基板を使用しても同様に適用可能である。接着
する方法には、導電性基板の接着面と、窒化物半導体層
面とを鏡面として、それら鏡面同士を張り合わせた後、
熱圧着するいわゆるウェーハ接着の手法を用いてもよい
が、電極又は導電性材料を介することにより簡単に接着
することができる。導電性材料は窒化物半導体と導電性
基板を接着できる材料であればどのようなものでも良
く、例えばＩｎ、Ａｕ、ハンダ、銀ペースト等の材料を
使用することができる。

【００１３】また前記接着手法において、電極は窒化物
半導体層表面に形成されたオーミック電極及び／又は導
電性基板表面に形成されたオーミック電極を含むことを
特徴とする。なお、オーミック電極とは、一般に窒化物
半導体表面に形成される膜厚の薄いオーミック電極と、
その電極の上に付けられた膜厚の厚い接着用の金属、例
えばＡｕ、Ｉｎ、Ａｌ等の金属を含んで本明細書ではオ
ーミック電極と定義する。窒化物半導体層表面に形成す
るオーミック電極材料としては、ｎ型層が接着面であれ
ば例えば特開平５−２９１６２１号公報に示されたＡ
ｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｉｎの内の少なくとも一種の材料、特
に好ましくはＴｉをｎ型層と接する側とした電極、また
特開平７−４５８６７号公報に示されたＴｉ−Ａｌを含
む材料を挙げることができる。また接着面がｐ型層であ
れば同じく特開平５−２９１６２１号公報に示されたＡ
ｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉの内の少なくとも一種の材料、特
に好ましくはＮｉをｐ型層と接する側とした電極を挙げ
ることができる。

【００１４】窒化物半導体はｐ型層が得られにくく、ｐ
型層を得るため例えば特開平３−２１８６２５号公報に
開示されるような電子線照射、また特開平５−１８３１
８９号公報に開示されるような熱的アニーリング処理が
成長後に行われ、最表面のｐ型層が低抵抗化される。こ
のため窒化物半導体ウェーハは最上層がｐ型層になって
いることが多い。そこで、この窒化物半導体ウェーハと
導電性基板を接着する際には、ｐ型層に形成されたオー
ミック電極を介してｐ型の導電性基板とを接着すること
が特に望ましい。

【００１５】一方、もう片方の接着面の導電性基板に形
成するオーミック電極としては例えば導電性基板がｎ型
ＧａＡｓであれば、Ａｇ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓ
ｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｇｅ等を用いるこ
とができ、ｐ型ＧａＡｓであれば、Ａｕ−Ｚｎ、Ａｇ−
Ｚｎ、Ａｇ−Ｉｎ等を用いることができる。その他Ｓｉ
Ｃ、Ｓｉ等についても公知のオーミック電極材料を用い
ることができるが前記のようにｐ型の導電性基板をその
導電性基板のオーミック電極を介して接着することが特
に望ましい。

【００１６】

【作用】本発明の方法及び素子では窒化物半導体層に導
電性基板を接着している。つまり、窒化物半導体が絶縁
性基板の上に成長されたウェーハでは、窒化物半導体よ
り得られる各種素子はフリップチップ形式とならざるを
得ないが、導電性基板をウェーハ最上層の窒化物半導体
層に接着することにより、導電性基板が電極を形成する
基板となる。その後、絶縁性基板を除去すると窒化物半
導体層が露出するので、露出した窒化物半導体層面にも
う一方の電極を形成することができ、従来のような電極
が水平方向に並んだ素子ではなく、互いの電極が対向し
た素子を作製することができる。

【００１７】次に接着する導電性基板に劈開性のある材
料を選択すると、劈開性のない絶縁性基板の上に成長さ
れた窒化物半導体でも、接着された導電性基板の劈開性
を利用してチップ状に分割できる。このためチップサイ
ズの小さい素子が得られやすくなり、さらに窒化物半導
体の劈開面を光共振面とするレーザ素子が作製できるよ
うになる。

【００１８】また窒化物半導体層面と導電性基板とは一
般にウェーハ接着と呼ばれる技術で接着する方法もある
が、特に窒化物半導体層の電極、若しくは導電性基板の
電極、又は導電性材料を介して接着すると導電性基板と
窒化物半導体層との間の電気的特性も安定化するため好
ましい。さらにこの導電性材料としてＡｕ、Ａｌ、Ａｇ
等の窒化物半導体の発光波長を反射できる材料を選択す
れば、発光素子を作製した際、これらの導電性材料が接
着した導電性基板に来る光を反射して、窒化物半導体層
の側に戻す作用があるので発光素子の発光効率が向上す
る。

【００１９】特に接着材料として、窒化物半導体層表面
に形成されたオーミック電極及び／又は導電性基板表面
に形成されたオーミック電極を含めば、例えば発光素子
のような発光デバイスを作製すると、抵抗値が低くなり
デバイスのＶｆを低下させる作用がある。

【００２０】

【実施例】以下、実施例で本発明を詳説する。図１乃至
図３は本発明の方法の一工程を説明するウェーハ及び導
電性基板の模式的な断面図であり、図４は実施例１によ
り得られた窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的な
断面図であり、以下これらの図を元に実施例１を述べ
る。

【００２１】［実施例１］サファイア基板１の表面に窒
化物半導体層２が積層されたウェーハを用意する。なお
窒化物半導体層２はサファイア基板１から順にドナー不
純物がドープされたＡｌXＧａ1-XＮ（０≦X≦１）より
なるｎ型層２１と、ＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Y＜１）より
なる活性層２２と、アクセプター不純物がドープされた
ＡｌXＧａ1-XＮ（０≦X≦１）よりなるｐ型層２３とを
少なくとも有するダブルへテロ構造を有している。なお
最上層のｐ型層２３は４００℃以上のアニーリングによ
り低抵抗化されている。

【００２２】次に図１に示すように窒化物半導体層２の
表面のほぼ全面にＮｉとＡｕを含むオーミック電極３０
を５００オングストロームの膜厚で形成する。つまり窒
化物半導体層２の最上層のｐ型層のほぼ全面にｐ型層と
好ましいオーミックが得られる第一のオーミック電極３
０を形成する。さらにそのオーミック電極３０の上にに
接着性を良くするためにＡｕ薄膜を０．１μｍ形成す
る。

【００２３】一方、導電性基板として、サファイア基板
１とほぼ同じ大きさを有するｐ型ＧａＡｓ基板５０を用
意し、このｐ型ＧａＡｓ基板５０の表面にＡｕ−Ｚｎよ
りなる第二のオーミック電極４０を５００オングストロ
ームの膜厚で形成する。さらにその第二のオーミック電
極４０の上に接着性を良くするためにＡｕ薄膜を０．１
μｍ形成する。

【００２４】次に、図２に示すように第一のオーミック
電極３０を有する窒化物半導体ウェーハと、第二のオー
ミック電極４０を有するｐ型ＧａＡｓ基板５０とのオー
ミック電極同士を貼り合わせ、加熱により圧着する。但
し、圧着時ウェーハのサファイア基板１とｐ型ＧａＡｓ
基板５０とは平行となるようにする。平行でないと次の
サファイア基板を除去する工程において、露出される窒
化物半導体層の水平面が出ないからである。また第一の
オーミック電極３０と第二のオーミック電極４０とを接
着するためにＡｕを使用したが、この他電極３０と４０
との間にインジウム、錫、ハンダ、銀ペースト等の導電
性材料を介して接着することも可能である。なおｐ型Ｇ
ａＡｓ基板５０を接着する際に窒化物半導体層の劈開性
と、基板５０との劈開方向を合わせて接着してあること
は言うまでもない。

【００２５】次にｐ型ＧａＡｓ基板５０を接着したウェ
ーハを研磨器に設置し、サファイア基板１のラッピング
を行い、サファイア基板を除去して、窒化物半導体層２
のｎ型層２１を露出させる。なおこの工程において、例
えばサファイア基板１を数μｍ程度の厚さが残るように
ラッピングした後、さらに残ったサファイア基板をエッ
チングにより除去することも可能である。サファイア基
板１除去後のウェーハの構造を図３に示す。

【００２６】最後に露出したｎ型層２１の表面をポリシ
ングした後、ｎ型層にオーミック用の電極としてＴｉ−
Ａｌよりなる負電極２５を形成し、一方ｐ型ＧａＡｓ基
板５０には同じくオーミック電極としてＡｕ−Ｚｎより
なる正電極５５を全面に形成する。

【００２７】以上のようにして正電極および負電極が形
成されたウェーハを、ｐ型ＧａＡｓ基板の劈開性を利用
して２００μｍ角の発光チップに分離する。分離後の発
光チップの構造を示す模式的な断面図を図４に示す。こ
の発光チップは電極２５と５５間に通電することによ
り、活性層２２が発光するＬＥＤ素子の構造を示してい
る。この発光素子は活性層２２の発光が第一のオーミッ
ク電極３０とｐ型層２３との界面で反射され、ｐ型Ｇａ
Ａｓ基板５０に吸収されることがないので、従来の発光
素子に比べて発光出力が５０％以上増大した。

【００２８】またこの例は絶縁性基板がサファイア、導
電性基板がｐ型ＧａＡｓについて説明したが、絶縁性基
板にはサファイアの他に例えば前記したスピネル、ネオ
ジウムガレートのような絶縁性基板を用いても良く、ま
た導電性基板にはＳｉ、ＺｎＯのような基板を用いても
良い。

【００２９】［実施例２］実施例１においてサファイア
基板１をラッピングする際、サファイア基板１が５μｍ
の膜厚で残るようにラッピングする。次に残ったサファ
イア基板１の表面に電流狭窄層が形成できるような形状
のマスクを形成し、エッチング装置でマスク開口部のサ
ファイア基板１をエッチングにより除去し、ｎ型層２１
の一部を露出させる。露出後同様にしてｎ型層に負電極
２５とｐ型ＧａＡｓ基板５０に正電極５５を形成する。

【００３０】次にｐ型ＧａＡｓ基板５０の劈開性を用い
て、チップ状に分離してレーザ素子とする。図５はその
レーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、故意に
残したサファイア基板１がレーザ素子の電流狭窄層とし
て作用している。この例は電流狭窄層としてサファイア
基板を残す例を示したが、この他にレーザ素子の電流狭
窄層を形成するには実施例１のようにサファイア基板１
を全部除去してから、例えばＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂のような
絶縁膜を露出した窒化物半導体層の上に形成しても良
い。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
ると導電性基板を有する窒化物半導体素子が実現できる
ので、チップサイズの小さい素子を提供することができ
る。また素子に形成した電極同士が対向しているので、
電流が窒化物半導体層に均一に流れ発熱量が小さくな
り、レーザ素子を実現することも可能となる。さらに容
易に窒化物半導体の劈開が可能となり、その劈開面を共
振器とできるためレーザ素子の作製が容易となる。さら
にまた発光デバイスを実現すると、窒化物半導体層と導
電性基板とを接着した電極により、窒化物半導体層の発
光が電極表面で反射されるので発光出力も増大させるこ
とができる。

【００３２】従来の窒化物半導体ＬＥＤは図６に示すよ
うにｐ型層６４の表面のほぼ全面に光を透過する正電極
６５が形成されていた。これはｐ型層の電流が広がりに
くいことによる。この正電極６５により発光する光の５
０％以上が吸収されていた。しかし本発明の素子による
と図４および図５に示すように低抵抗なｎ型層２１が最
上層となるので、従来のように全面電極を設ける必要が
なくなり、小さな部分電極でよい。従って窒化物半導体
層側からの光の取り出し効率が飛躍的に向上し発光出力
が向上する。このように本発明は窒化物半導体を用いた
デバイスを実現する上で産業上の利用価値は非常に大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法の一工程を説明する窒化物半導
体ウェーハの模式断面図。

【図２】本発明の方法の一工程を説明する窒化物半導
体ウェーハの模式断面図。

【図３】本発明の方法の一工程を説明する窒化物半導
体ウェーハの模式断面図。

【図４】本発明の一実施例に係る窒化物半導体素子の
構造を示す模式断面図。

【図５】本発明の他の実施例に係る窒化物半導体素子
の構造を示す模式断面図。

【図６】従来の窒化物半導体発光素子の構造を示す模
式断面図。

【符号の説明】

１・・・・サファイア基板２・・・・窒化物半導体層２１・・・・ｎ型層２２・・・・活性層２３・・・・ｐ型層３０・・・・第一のオーミック電極４０・・・・第二のオーミック電極５０・・・・ｐ型ＧａＡｓ基板２５・・・・負電極５５・・・・正電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板の上に、窒化物半導体からなる
ｎ型層と、ｐ型層とが成長されたウェーハの窒化物半導
体層面に、導電性基板を接着する第一の工程と、導電性
基板接着後、前記ウェーハの絶縁性基板の一部、又は全
部を除去して前記ｎ型層を露出させる第二の工程とを備
えることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２】前記ｐ型層が電流の広がりにくい層であっ
て、前記ｎ型層が低抵抗なｎ型層であることを特徴とす
る請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項３】前記第一の工程において、窒化物半導体層
面と導電性基板とを電極、又は導電性材料を介して接着
することを特徴とする請求項１、又は２記載の窒化物半
導体素子の製造方法。
【請求項４】前記電極が窒化物半導体層面に形成された
オーミック電極及び／又は導電性基板表面に形成された
オーミック電極を含むことを特徴とする請求項３記載の
窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項５】前記窒化物半導体層面が、前記ｐ型層であ
ることを特徴とする請求項１乃至４記載の窒化物半導体
素子の製造方法。
【請求項６】導電性基板と、その上に窒化物半導体とが
接着されてなり、該窒化物半導体の最上層がｎ型層であ
ることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項７】前記窒化物半導体が、ｐ型層を有すること
を特徴とする請求項６記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】前記窒化物半導体と前記導電性基板とが接
着される窒化物半導体層面が、前記ｐ型層であることを
特徴とする請求項６、又は７記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】前記窒化物半導体と前記導電性基板とが、
電極及び／又は導電性材料を介して接着されていること
を特徴とする請求項６乃至８記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】前記電極が、窒化物半導体表面に形成さ
れたオーミック電極及び／又は導電性基板表面に形成さ
れたオーミック電極を含むことを特徴とする請求項９記
載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】前記導電性基板を接着する窒化物半導体
層面が、前記ｐ型層であり、前記電極及び／又は導電性
材料が、ｐ型層のほぼ全面に形成されていることを特徴
とする請求項９又は１０記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】請求項６乃至１１に記載の導電性基板が
接着された窒化物半導体を用いた発光素子であって、前
記最上層のｎ型層に、部分電極が設けられてなることを
特徴とする発光素子。
【請求項１３】請求項９乃至１１に記載の導電性基板が
接着された窒化物半導体を用いた発光素子、若しくは請
求項１２記載の発光素子であって、前記電極及び／又は
導電性材料が、窒化物半導体の発光波長を反射できるこ
とを特徴とする発光素子。