JP2005019945A - 窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法に関する。
【解決手段】本発明は、基板上31面に第1導電型クラッド層33、活性層35及び第2導電型クラッド層37を順次に形成する段階(図1(A))と、前記第2導電型クラッド層37の上面に透明電極38を形成する段階(図1(B))と、前記透明電極38の上面に一側領域が開放されたフォトレジスト41を形成する段階(図1(B))と、前記開放された一側領域に該当する前記透明電極38、前記第2導電型クラッド層37及び前記活性層35を除去して前記第1導電型クラッド層33を露出させる段階(図1(C))と、前記フォトレジスト41を除去する段階(図1(D))と、前記透明電極38と前記第2導電型クラッド層37の所定の領域に各々第1及び第2ボンディング電極39a,39bを形成する段階(図1(F))とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は半導体発光素子の製造方法に関するもので、より詳しくは電極及びメサ構造の形成過程を統合し単純化させることによりフォトレジスト及びリソグラフィー工程の回数を減少させながら電極の密着力を向上させられる半導体発光素子の製造方法に関するものである。
近来、窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体を用いて青色、緑色及び紫外線を放出できる発光素子が開発されながらフルカラーの具現が可能になった。
こうした窒化ガリウム系化合物半導体結晶はサファイア基板のような絶縁性基板上に成長されることができるので、GaAs系発光素子のように基板の背面に電極を形成することができる。したがって、両電極すべてを結晶成長された半導体層側に形成しなければならない。
このために、下部クラッド層の上面一部が露出するよう上部クラッド層と活性層の一部領域を除去したメサ構造を形成する工程が要求される。
また、上部クラッド層に形成されたp型GaN層は相対的に高抵抗を有するので、通常の電極でオーミックコンタクトを形成できる追加的な層が要求される。例えば、米国特許登録5,563,422号(出願人:日亜化学工業株式会社(国籍:日本)、登録公告日:1996.10.8)に記載のように、p型GaN層にボンディング電極を形成する前にNi/Auから成る透明電極を形成してオーミックコンタクトを形成することにより順方向電圧(V)を下げる。こうした透明電極としてはITO(Indium Titanium Oxide)膜が使用されることもできる。
このように、窒化ガリウム系半導体発光素子は成長基板の絶縁性により、メサ形成工程及び電極形成工程が複雑に具現され、このために要求されるフォトレジスト工程及びフォトレジスト除去工程、蒸着工程などの回数が増加するという問題がある。こうした工程の複雑性は図2(A)ないし図2(I)の工程例から確認することができる。
図2(A)ないし図2(I)は従来の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を示した工程断面図である。図2(A)のように、半導体発光素子の製造方法はサファイア基板(111)上に第1導電型クラッド層(113)、活性層(115)、及び第2導電型クラッド層(117)を順次に形成する1次成長工程から始まる。前記半導体結晶層(113、115、117)はMOCVDなどの工程を用いて成長させることができる。
次に、図2(B)及び図2(C)に示したように、前記第1導電型クラッド層(113)の上面にボンディング電極を形成するためにメサ構造を形成する工程を実施する。図2(B)のように前記メサ構造の形成工程は前記第2導電型クラッド層(117)の上面の一部領域にエッチングされる領域を除いてフォトレジスト(121)を形成する工程から始まる。
次いで、図2(C)のように、前記第1導電型クラッド層(113)の一部が露出するよう前記第2導電型クラッド層(117)と前記活性層(115)の一部領域をエッチングして除去することによりメサ構造を形成する。
図2(D)のように、メサ形成のためのフォトレジスト(121)を除去した後に、再び透明電極を形成するためのフォトレジスト(122)を形成する。前記フォトレジスト(122)により露出した第2導電型クラッド層(117)の上面部分は全体上面よりやや小さくして第2導電型クラッド層(117)の縁端に形成される電極が隣接しないようにする。
次に、図2(E)のように前記フォトレジスト(122)を用いて第2導電型クラッド層(117)の上面の所定領域に透明電極(118)を形成する。
次に、図2(F)ないし図2(I)のように、前記透明電極(118)の所定領域と第1導電型クラッド層(113)上にボンディング電極(119a、119b)を形成する工程を行う。先ず、図2(F)のように第1ボンディング電極を形成するために第1導電型クラッド層(113)の一部領域が露出されるようフォトレジスト(122)を形成し、図2(G)のように第1ボンディング電極(119a)を形成した後にフォトレジストを除去する。同様に、図2(H)のように第2ボンディング電極を形成するために透明電極(118)の一部領域が露出するようフォトレジスト(124)を形成し、図2(G)のように第2ボンディング電極(119b)を形成した後にフォトレジスト(124)を除去する。
このように、窒化ガリウム系半導体発光素子を製造するためにはメサ構造形成、透明電極形成、第1及び第2ボンディング電極形成の工程に各々一回ずつ総4回のフォトレジスト工程及びその除去工程が伴われる。また、各工程は別途の蒸着工程を伴うので工程が複雑になる。さらに、実際の半導体発光素子はパッシべーション層形成工程が伴われるので、図3(A)ないし3(C)に示したように、1回のフォトレジスト工程及びその除去工程が要求される。
通常の半導体発光素子のパッシべーション層形成工程は図3(A)のように図2(I)から得た発光構造物の上面全体にSiOまたはSiNのようなパッシべーション層(120)を形成し、図3(B)のようにボンディング電極(119a、119b)部分が露出したフォトレジスト(125)を形成した後エッチングによりパッシべーション層(120)を選択的に除去してボンディング電極(119a、119b)を露出させる。
結果として、窒化ガリウム系半導体発光素子を完成するためには、5回のフォトレジスト形成工程及びこれを除去し洗浄する工程が要求される。こうしたフォトレジストの工程回数の増加は工程自体を複雑にするばかりでなく、フォトレジスト除去後この物質が残留する恐れが高まり、こうした残留物により蒸着工程時に形成された電極特性が低下することもある。
また、電極特性の向上のために第1及び第2ボンディング電極を他の材料を用いて別途の工程により製造しなければならないので、これに応じて電極形成のための金属蒸着工程回数も増加し、全体工程が複雑になるという問題があった。
米国特許登録5,563,422号
本発明は前述した技術的問題を解決すべく案出されたものとして、その目的はメサ構造形成工程と透明電極形成工程とを単一化し、電極形成工程を一つのフォトレジスト工程により具現することで、全体工程が単純化されながらも優れた特性を有する窒化ガリウム系半導体発光素子を製造できる方法を提供することにある。
前記した技術的課題を成し遂げるために、本発明の一見地によると、基板の上面に第1導電型クラッド層、活性層、及び第2導電型クラッド層を順次に形成する段階と、前記第2導電型クラッド層の上面に透明電極を形成する段階と、前記透明電極の上面に一側領域が開放されたフォトレジストを形成する段階と、前記開放された一側領域に該当する前記透明電極、前記第2導電型クラッド層、及び前記活性層を除去して前記第1導電型クラッド層を露出させる段階と、前記フォトレジストを除去する段階と、前記透明電極と前記第2導電型クラッド層の所定の領域に各々第1及び第2ボンディング電極を形成する段階とを含む窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を提供する。好ましくは、前記第1導電型クラッド層を露出させる段階は、前記開放された一側領域に該当する前記透明電極を湿式エッチングする段階と、前記開放された一側領域に該当する前記第1導電型クラッド層及び前記活性層を乾式エッチングする段階とで具現することができる。前記実施形態において、前記透明電極を湿式エッチングする段階は、前記フォトレジスト下部の透明電極が所定の幅でアンダーカットされるよう前記透明電極をオーバーエッチングすることができる。この際、前記透明電極のアンダーカットされた幅は少なくとも3μmであることが好ましい。
また、本発明の他の見地によると、第1ボンディング電極及び第2ボンディング電極の形成工程及びパッシべーション層形成工程を単一なフォトレジストを用いて同時に具現できる方法を提供する。前記方法は、基板の上面に形成された第1導電型クラッド層と、前記第1導電型クラッド層の一側領域に順次に形成された活性層、第2導電型クラッド層及び透明電極を含んだ発光構造物を形成する段階と、前記発光構造物の上面全体にパッシべーション層を形成する段階と、前記パッシべーション層上に第1及び第2電極が形成される領域が開放されたフォトレジストを形成する段階と、前記開放された領域のパッシべーション層をエッチングして除去する段階と、前記パッシべーション層が除去された領域に第1及び第2ボンディング電極を形成する段階と、前記フォトレジストを除去する段階とを含む。この場合、前記第1及び第2ボンディング電極はTi/Al、Cr/Au、Cr/Ni/Au、Cr/Pt/Au、Ti/Al/Ni/Auから成るグループから選ばれた物質で同時形成することにより両ボンディング電極を他の物質で形成する場合と類似するレベルの特性を有する発光素子を提供することができる。
本発明の前記両見地による実施形態は一実施形態に結合して提供することもできる。前記両見地を結合した実施形態による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法は、基板上面に第1導電型クラッド層、活性層、及び第2導電型クラッド層を順次に形成する段階と、前記第2導電型クラッド層の上面に透明電極を形成する段階と、前記透明電極の上面に一側領域が開放されたフォトレジストを形成する段階と、前記開放された一側領域に該当する透明電極、第2導電型クラッド層、及び活性層をエッチングして前記第1導電型クラッド層の一部を露出させる段階と、前記発光構造物の上面全体にパッシべーション層を形成する段階と、前記パッシべーション層上に第1及び第2ボンディング電極が形成される領域が開放されたフォトレジストを形成する段階と、前記開放された領域に該当するパッシベーション層が除去されるようエッチングする段階と、前記パッシべーション層が除去された領域に第1及び第2ボンディング電極を形成する段階と、前記フォトレジストを除去する段階とで成る。
前述したように、本発明の窒化ガリウム系半導体発光素子によると、メサ構造形成工程と透明電極形成工程とを1つのフォトレジストを用いる工程に単純化させ、パッシベーション層形成工程と電極形成工程とを1つのフォトレジスト工程により具現して全体工程を単純化させるばかりでなく、ESD防止に適した透明電極パターンをオーバーエッチングにより容易に形成することもでき、フォトレジストの残留物による透明電極及びボンディング電極の密着力の低下を防止することができる。
添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図1(A)ないし1(F)は本発明の好ましき実施形態による窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
先ず、図1(A)のように半導体発光素子の製造方法は、GaN結晶成長用基板であるサファイア基板(31)上に第1導電型クラッド層(33)、活性層(35)、及び第2導電型クラッド層(37)を順次に形成する1次成長工程から始まる。
前記半導体結晶層(33、35、37)はMOCVDなどの工程を用いて成長させることができ、第1導電型クラッド層(33)を成長させる前にサファイア基板(31)との格子整合を向上させるべく、AlN/GaNのようなバッファ層(図示せず)を予め形成することもできる。また、前記第1導電型クラッド層(33)はn型GaNとn型AlGaNに形成することができ、前記第2導電型クラッド層(37)はp型GaNとp型AlGaNに形成することができる。前記活性層(35)は多重量子井戸(Multi−Quantum Well)構造のアンドープInGaN層から成ることができる。
次に、図1(B)のように前記第2導電型クラッド層(37)の上面全体に透明電極層(38)を形成し、前記透明電極(38)の一側端領域が開放されるようフォトレジスト(41)を形成する。前記透明電極層(38)はNi/Au合金から成ることもできるが、好ましくはITO(Indium Titanium Oxide)層から成ることができる。前記フォトレジスト(41)により開放された領域はメサ構造を形成する後続エッチング工程において第1導電型クラッド層を露出させるべく除去される領域を特定する。
次いで、図1(C)のように、前記フォトレジスト(41)により開放された領域に該当する前記第2導電型クラッド層(37)及び活性層(35)を除去して第1導電型クラッド層(33)の一部領域を露出させることにより全体発光構造物をメサ構造で形成する。前記第1導電型クラッド層(33)を露出させるべく、前記第2導電型クラッド層(37)と活性層(35)を除去する過程において図示のように前記第1導電型クラッド層(33)の一部も除去することができる。
前記メサ形成工程は開放された領域の透明電極(38)を除去するための1次エッチング工程と半導体結晶体である第2導電型クラッド層(37)及び活性層(35)を除去するための2次エッチング工程とで行われ、前記1次エッチング工程は湿式エッチング工程、前記第2次エッチング工程は乾式エッチング工程が施されることができる。
このように、本発明は従来の窒化ガリウム系発光素子の製造方法においてメサ構造の形成工程と透明電極の形成工程のように2個のフォトレジスト(図2の121、122)を用いて具現された工程を1つのフォトレジスト(41)を用いて具現できるよう改善されたものである。こうしたフォトレジスト形成工程の単一化により、フォトレジスト形成工程に必然的に伴われるフォトレジスト除去工程及び洗浄工程の回数を減少することができる。とりわけ、ITO膜から成る透明電極の場合には、従来の工程より透明電極が初期(即ち、メサ構造のためのエッチング前)に形成されるので、後続工程において露出される過程で透過性向上のために要求される十分な酸化過程が施されるとの付加的な利点もある。
最終的に形成される透明電極が第2導電型クラッド層の縁端と一定間隔で離隔すべく形成するために、従来の工程においては透明電極形成工程とメサ構造形成工程に他のフォトレジストを使用していた。一般に、第2導電型クラッド層の尖った縁端部分において静電気放電に対する脆弱性があるので、その部分に電流注入を抑制すべく透明電極を第2導電型クラッド層の縁端部分と離隔されるよう形成しなければならない。したがって、メサ構造形成のためのフォトレジストと別に透明電極形成のためのフォトレジストを使用した。
しかし、本発明においては透明電極(38)パターンを定義するためのフォトレジストとメサ構造形成のためのフォトレジストとを1つのフォトレジスト(41)に具現しながらも、図1(C)のように前記透明電極(38)の一部を除去するための湿式エッチング工程において前記フォトレジスト(41)の下部にある透明電極(38)が所定の幅(d)でアンダーカットされるようオーバーエッチングを施すことにより、最終的な透明電極(38)が第2導電型クラッド層(37)の縁端と所定の間隔(d)で離隔するよう形成することができる。この際、前記アンダーカットされた所定の幅(d)は静電気放電を防止するため少なくとも3μmになるようにする。
次いで、図1(D)ないし図1(F)には、本発明に用いられるパッシべーション層形成のための工程とボンディング電極形成工程とを1つのフォトレジストを用いて形成する方法が示してある。
先ず、図1(D)に示したように、図1(C)から得た発光構造物の上面全体、即ち透明電極(38)が形成された第2導電型クラッド層(37)と第1導電型クラッド層(33)の露出した領域全体にパッシべーション層(40)を形成する。当業者には自明なようにペッシべーション層(40)はSiO及びSiNなどの物質から形成することができる。
次いで、図1(E)のように前記パッシべーション層(40)上にボンディング電極を形成する位置が開放されたフォトレジスト(42)を形成する。前記ボンディング電極が形成される位置は透明電極(38)及び第1導電型クラッド層(33)の所定領域となり、好ましくは遠距離で対称になるよう配置する。
次に、前記フォトレジスト(42)を用いて開放された領域に該当するパッシべーション層(40)部分をエッチングし除去することにより透明電極(38)部分と第1導電型クラッド層(33)部分を露出させ、その露出した部分にp側ボンディング電極(39a)とn側ボンディング電極(39b)を各々形成して図1(F)のような窒化ガリウム系半導体発光素子を完成することができる。
このように、本発明においては1つのフォトレジスト(42)を用いてパッシべーション層形成工程及びボンディング電極形成工程を行う。従って、本発明のボンディング電極形成段階においては1つの金属物質で両電極(39a、39b)を同時に形成することが好ましい。こうした電極形成物質としては、Ti/Al、Cr/Au、Cr/Ni/Au、Cr/Pt/AuまたはTi/Al/Ni/Auが挙げられる。
また、本発明による工程においてはパッシべーション層(40)を形成しボンディング金属形成のためのフォトレジスト(42)を形成するので、電極形成位置からパッシべーション層(40)が除去された後フォトレジストが不完全に除去されてもその残留物が電極形成位置にほぼ存在しなくなる。従って、フォトレジスト残留物によるボンディング電極の密着力の弱化問題が解決でき、工程の面において洗浄工程を省くこともできる。こうしたフォトレジスト残留物による従来の技術的問題は図2(D)及び図2(E)のように透明電極形成工程においても発生され兼ねなかったが、本発明においては図1(B)と図1(C)に図示説明したように、透明電極を予め形成した後にフォトレジストを形成するので、フォトレジストの残留物による問題を解決し、透明電極の密着力を向上させることができる。
このように、本発明において工程の単純化と共に成し遂げられる透明電極及びボンディング電極の密着力向上は素子の信頼性向上にも寄与することができる。実際、ボンディング電極を各クラッド層の特性に合わせて他の金属を使わず、本発明のように同一なTi/Au合金から形成しても、従来の発光素子の特性(20mAにおいて順方向電圧3.25V、光効率12.2mcd)と類似したレベル(3.29V、12.4mcd)を有することができた。
図1(A)ないし図1(F)に説明した実施形態は、透明電極形成工程とメサ構造形成工程とを単一化した実施形態(図1(A)ないし図1(C))と、パッシべーション層形成工程とボンディング電極形成工程とを単一化した実施形態(図1(D)ないし図1(F))との結合例であるが、先に説明したように、各々の実施形態を分離具現することもできる。例えば、図1(A)ないし図1(C)に示した実施形態は従来のパッシべーション形成工程及びボンディング電極形成工程と結合して用いることができ、図1(D)ないし図1(F)に示した実施形態は従来のメサ構造形成工程及び透明電極形成工程と結合して用いることもできる。
本発明は前述した実施形態及び添付の図面に限定されるものではなく、添付の請求の範囲により限定され、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形、及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては自明である。
本発明による発光素子の製造方法を示した工程断面図である。 従来の半導体発光素子の製造方法を示した工程断面図である。 従来の半導体発光素子の製造方法中パッシべーション工程を示した工程断面図である。
符号の説明
31 サファイア基板
33 第1導電型クラッド層
35 活性層
37 第2導電型クラッド層
38 透明電極
39a、39b ボンディング金属
40 パッシべーション層
41、42 フォトレジスト

Claims (8)

  1. 基板上面に第1導電型クラッド層、活性層、及び第2導電型クラッド層を順次に形成する段階と、
    前記第2導電型クラッド層の上面に透明電極を形成する段階と、
    前記透明電極の上面に一側領域が開放されたフォトレジストを形成する段階と、
    前記開放された一側領域に該当する前記透明電極、前記第2導電型クラッド層、及び前記活性層を除去して前記第1導電型クラッド層を露出させる段階と、
    前記フォトレジストを除去する段階と、
    前記透明電極と前記第2導電型クラッド層の所定の領域に各々第1及び第2ボンディング電極を形成する段階と、
    を有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
  2. 前記第1導電型クラッド層を露出させる段階は、前記開放された一側領域に該当する前記透明電極を湿式エッチングする段階と、前記開放された一側領域に該当する前記第1導電型クラッド層及び前記活性層を乾式エッチングする段階とを有することを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
  3. 前記透明電極を湿式エッチングする段階は、前記フォトレジスト下部の透明電極が所定の幅でアンダーカットされるよう前記透明電極をオーバーエッチングする段階であることを特徴とする請求項2に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
  4. 前記透明電極のアンダーカットされる所定の幅は少なくとも3μmであることを特徴とする請求項3に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
  5. 前記第1及び第2ボンディング電極を形成する段階は、
    前記発光構造物の上面全体にパッシべーション層を形成する段階と、
    前記パッシべーション層上に第1及び第2電極が形成される領域が開放されたフォトレジストを形成する段階と、
    前記開放された領域のパッシベーション層をエッチングして除去する段階と、
    前記パッシべーション層が除去された領域に第1及び第2ボンディング電極を形成する段階と、
    前記ボンディング電極形成のためのフォトレジストを除去する段階と、
    を有することを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
  6. 基板上面に形成された第1導電型クラッド層と、前記第1導電型クラッド層の一側領域に順次に形成された活性層、第2導電型クラッド層、及び透明電極を含んだ発光構造物を形成する段階と、
    前記発光構造物の上面全体にパッシべーション層を形成する段階と、
    前記パッシべーション層上に第1及び第2電極が形成される領域が開放されたフォトレジストを形成する段階と、
    前記開放された領域のパッシベーション層をエッチングして除去する段階と、
    前記パッシべーション層が除去された領域に第1及び第2ボンディング電極を形成する段階と、
    前記フォトレジストを除去する段階と、
    を有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
  7. 前記第1及び第2ボンディング電極はTi/Al、Cr/Au、Cr/Ni/Au、Cr/Pt/Au、Ti/Al/Ni/Auから成るグループから選ばれた物質から成ることを特徴とする請求項6に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
  8. 基板の上面に第1導電型クラッド層、活性層、及び第2導電型クラッド層を順次に形成する段階と、
    前記第2導電型クラッド層の上面に透明電極を形成する段階と、
    前記透明電極の上面に一側領域が開放されたフォトレジストを形成する段階と、
    前記開放された一側領域に該当する透明電極、第2導電型クラッド層、及び活性層をエッチングして前記第1導電型クラッド層の一部を露出させる段階と、
    前記発光構造物の上面全体にパッシべーション層を形成する段階と、
    前記パッシべーション層上に第1及び第2ボンディング電極が形成される領域が開放されたフォトレジストを形成する段階と、
    前記開放された領域に該当するパッシベーション層が除去されるようエッチングする段階と、
    前記パッシべーション層が除去された領域に第1及び第2ボンディング電極を形成する段階と、
    前記フォトレジストを除去する段階と、
    を有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
JP2003415928A 2003-06-24 2003-12-15 窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法 Pending JP2005019945A (ja)

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