JP2006086361A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 基板の割れが生じにくい半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 支持基板の表面上に、金属からなる第1のオーミックコンタクト層を堆積させる。支持基板の形成材料と、第1のオーミックコンタクト層の形成材料と共晶点よりも低い温度で熱処理を行い、支持基板と第1のオーミックコンタクト層とをオーミック接触させる。第1のオーミックコンタクト層の上に第1の接合層を形成する。半導体からなる仮基板の表面上に、発光積層構造を形成する。発光積層構造の表面上に、発光積層構造の表面層とオーミック接触する第2のオーミックコンタクト層を形成する。第2のオーミックコンタクト層の上に第2の接合層を形成する。第1の接合層と第2の接合層とを接触させて加熱し、両者を接合する。仮基板を除去し、発光積層構造の表面を露出させる。露出した発光積層構造の表面層にオーミック接触する第1の電極を形成する。
【選択図】 図4
【解決手段】 支持基板の表面上に、金属からなる第1のオーミックコンタクト層を堆積させる。支持基板の形成材料と、第1のオーミックコンタクト層の形成材料と共晶点よりも低い温度で熱処理を行い、支持基板と第1のオーミックコンタクト層とをオーミック接触させる。第1のオーミックコンタクト層の上に第1の接合層を形成する。半導体からなる仮基板の表面上に、発光積層構造を形成する。発光積層構造の表面上に、発光積層構造の表面層とオーミック接触する第2のオーミックコンタクト層を形成する。第2のオーミックコンタクト層の上に第2の接合層を形成する。第1の接合層と第2の接合層とを接触させて加熱し、両者を接合する。仮基板を除去し、発光積層構造の表面を露出させる。露出した発光積層構造の表面層にオーミック接触する第1の電極を形成する。
【選択図】 図4
Description
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に仮基板の上に発光積層構造を形成し、支持基板と接合させた後、仮基板を除去した半導体発光素子及びその製造方法に関する。
下記の特許文献1に開示された半導体発光素子の製造方法について説明する。GaAs仮基板上に発光積層構造を成長させ、その上に電極を形成する。Si支持基板の上にAu層を形成する。支持基板上のAu層と、仮基板上の電極とを密着させた状態で熱処理を行い、発光積層構造と支持基板とを融着させる。このときの熱処理により、Si支持基板とAu層とが共晶反応し、AuSi合金層が形成される。これにより、支持基板とAu層との良好なオーミック接触が得られ、支持基板を通じて発光積層構造に電流を供給することが可能になる。融着後、GaAs仮基板をエッチング除去する。GaAs仮基板が除去されていることにより、発光積層構造で発生した光が、GaAsで吸収されることなく効率的に外部に放射される。
仮基板と支持基板とを融着すると、仮基板、支持基板、またはその両者に割れが発生する場合がある。割れの原因は、両基板の熱膨張係数の相違、及び共晶反応により形成されたAuSi合金層内に粒界が発生していることと考えられる。融着後の冷却工程において、融着された基板が反りを生じ、機械的に脆弱な粒界から割れが発生すると考えられる。
本発明の目的は、基板の割れが生じにくい半導体発光素子及びその製造方法を提供することである。
本発明の一観点によると、(a)導電性を有する半導体からなる支持基板の表面上に、金属からなる第1のオーミックコンタクト層を堆積させる工程と、(b)前記支持基板の形成材料と、前記オーミックコンタクト層の形成材料とが共晶化する温度よりも低い温度で熱処理を行い、前記支持基板と前記第1のオーミックコンタクト層とをオーミック接触させる工程と、(c)前記第1のオーミックコンタクト層の上に、金属からなる第1の接合層を形成する工程と、(d)半導体からなる仮基板の表面上に、電流を注入することにより発光する半導体層を含む発光積層構造を形成する工程と、(e)前記発光積層構造の表面上に、該発光積層構造の表面層とオーミック接触する第2のオーミックコンタクト層を形成する工程と、(f)前記第2のオーミックコンタクト層の上に、金属からなる第2の接合層を形成する工程と、(g)前記第1の接合層と前記第2の接合層とを接触させて加熱し、両者を接合する工程と、(h)前記仮基板を除去し、前記発光積層構造の表面を露出させる工程と、(i)前記工程hで露出した前記発光積層構造の表面層にオーミック接触する第1の電極を形成する工程とを有する半導体発光素子の製造方法が提供される。
本発明の他の観点によると、導電性を有する半導体からなる支持基板と、前記支持基板の一方の表面に接し、前記支持基板とオーミック接触させるための熱処理温度が、前記支持基板を形成する半導体と共晶化する温度よりも低い金属材料で形成された、該支持基板とオーミック接触する第1のオーミックコンタクト層と、電流が注入されることにより光を発生する半導体層を含む発光積層構造と、前記発光積層構造の一方の面に接触し、該発光積層構造とオーミック接触する第2のオーミックコンタクト層と、前記支持基板と前記発光積層構造とが、前記第1のオーミックコンタクト層と第2のオーミックコンタクト層とを相互に対向させるように配置され、該第1のオーミックコンタクト層と第2のオーミックコンタクト層とを接合させ、かつ両者を電気的に接続させる接合層とを有する半導体発光素子が提供される。
本発明のさらに他の観点によると、導電性を有する半導体からなる支持基板と、前記支持基板の一方の表面にオーミック接触し、該支持基板との界面に共晶が形成されていない第1のオーミックコンタクト層と、電流が注入されることにより光を発生する半導体層を含む発光積層構造と、前記発光積層構造の一方の面に接触し、該発光積層構造とオーミック接触する第2のオーミックコンタクト層と、前記支持基板と前記発光積層構造とが、前記第1のオーミックコンタクト層と第2のオーミックコンタクト層とを相互に対向させるように配置され、該第1のオーミックコンタクト層と第2のオーミックコンタクト層とを接合させ、かつ両者を電気的に接続させる接合層とを有する半導体発光素子が提供される。
共晶化する温度よりも低い温度で熱処理を行ってオーミック接触を得るため、この熱処理時に共晶合金層が形成されない。本願発明者らの評価実験によると、共晶合金層が割れの原因になっていると考えられる。本発明では、共晶合金層が形成されないため、割れの発生を抑制することができる。
本願発明の実施例を説明する前に、本願発明者らによって先に提案された半導体発光素子について説明する。
図8に示すように、Asドープのn型シリコン(Si)からなる支持基板100の主表面上に、金(Au)からなるオーミックコンタクト層101を形成し、裏面上にAuからなるオーミック電極105を形成する。熱処理を行ってAuとSiとを共晶化させることにより、支持基板100とオーミックコンタクト層101とのオーミック接触、及び支持基板100とオーミック電極105とのオーミック接触を得る。オーミックコンタクト層101の上に、AuSn合金からなる第1の接合層102を形成する。
GaAsからなる仮基板110の表面上に発光積層構造111を形成する。発光積層構造は、例えば、p型クラッド層、活性層、n型クラッド層が積層された構造を有する。発光積層構造111の表面上にAuからなる第2の接合層112を形成する。仮基板110と支持基板100とを、第1の接合層102と第2の接合層111とが相互に対向するように配置する。
図9に示すように、第1の接合層102と第2の接合層111とが密着した状態で、例えば300℃で10分間保持する。第1の接合層102と第2の接合層111とが共晶化して1つの接合層120となり、支持基板100と仮基板110とが接合される。図10に示すように、仮基板110を除去し、露出した発光積層構造111の表面に、オーミック電極115を形成する。
接合後、仮基板110を除去する前に、支持基板100、仮基板110、または両者に割れが発生する場合があった。これは、支持基板100と仮基板110との熱膨張係数の相違に起因する。
Siからなる支持基板100にn型導電性を付与するためにAsがドープされているが、環境への配慮から、Asの使用を避けることが望まれている。Asの代わりになるドーパントとしてアンチモン(Sb)が挙げられる。ところが、SbドープのSi基板とAu層との間で良好なオーミック接触を得ることが困難である。
以下に説明する実施例では、基板の割れを抑制し、かつSbドープのSi基板と良好なオーミック接触を得ることが可能になる。
図1〜図5を参照して、実施例による半導体発光素子の製造方法について説明する。Sbがドープされたn型Siからなる支持基板1の主表面上に、電子ビーム加熱蒸着により、白金(Pt)からなる厚さ150〜600nmの第1のオーミックコンタクト層2を形成する。さらに、支持基板1の裏面上に、同様に電子ビーム加熱蒸着により、Ptからなる厚さ150〜600nmの裏側電極3を形成する。Pt層を蒸着した後、500℃で熱処理を行う。この熱処理により支持基板1と第1のオーミックコンタクト層2との界面、及び支持基板1と裏側電極3との界面で相互拡散が生じ、オーミック接触が得られる。PtとSiとの共晶点は830℃であるため、この熱処理で両者の界面に共晶合金層は生じない。
第1のオーミックコンタクト層2の上に、チタニウム(Ti)からなる厚さ100〜200nmの密着層4、ニッケル(Ni)からなる厚さ50〜150nmのボールアップ防止層5、AuSn合金からなる厚さ600〜3000nmの第1の接合層6を、この順番に電子ビーム加熱蒸着により形成する。第1の接合層6のAu及びSnの組成比は、それぞれ約80wt%(約70at%)及び約20wt%(約30at%)である。
図2に示すように、GaAsからなる仮基板21の表面上に、発光積層構造22を形成する。
図3に、発光積層構造22の一例を示す。発光積層構造22は、仮基板21側から順番に、p型クラッド層22a、活性層22b、及びn型クラッド層22cが積層されたダブルへテロ構造を有する。これらの層は、GaAs仮基板21に格子整合するAlGaInP系混晶半導体で形成されており、CVDで成長させることができる。なお、発光積層構造22を、n型層とp型層との2層構造としてもよいし、量子井戸構造としてもよい。
図2に戻って説明を続ける。発光積層構造22の上に、AuZn合金からなる厚さ300nmの第2のオーミックコンタクト層23、TaNからなる厚さ100nmの拡散防止層24、Alからなる厚さ600nmの拡散原料層25、Taからなる厚さ100nmの拡散制御層26、及びAuからなる厚さ200nmの第2の接合層27を、この順番に形成する。第2のオーミックコンタクト層23、拡散原料層25、拡散制御層26、及び第2の接合層27は、例えば電子ビーム加熱蒸着により成膜し、拡散防止層24は、例えば反応性スパッタリングにより成膜することができる。
窒素雰囲気で約500℃の熱処理を行い、第2のオーミックコンタクト層23と発光積層構造22のp型層とのオーミック接触を得る。第2のオーミックコンタクト層23は、発光積層構造22で発生した光を反射する機能を併せ持つ。第2のオーミックコンタクト層23の材料として、AuまたはZnを用いてもよい。
図4に示すように、第1の接合層6と第2の接合層27とを接触させて、窒素雰囲気中において300℃で10分間保持し、熱圧着を行う。このとき、拡散制御層26の一部が損なわれ、拡散原料層25内のAl、第1の接合層6内のAu及びSn、第2の接合層27内のAuが相互に拡散し、これらの金属が混合した合金が形成される。
図5に、合金化後の断面図を示す。ボールアップ防止層5と拡散防止層24との間に、AuSnAl合金からなる接合層30が形成されている。接合層30内に、Taからなる拡散制御層26の一部が残存する。
ボールアップ防止層5は、第1の接合層6が溶融し、その後固化する時に、基板上で偏析して部分的に盛り上がりが生じる現象(ボールアップ現象)の発生を防止する。密着層4は、ボールアップ防止層5の密着度を高める。拡散防止層24は、溶融した金属原子の、オーミックコンタクト層23側への拡散を防止する。
図6に示すように、図5に示した仮基板21を除去する。仮基板21は、例えばアンモニアと過酸化水素とを混合したエッチャントを用いたウェットエッチングにより除去することができる。なお、ドライエッチングや機械研磨法を用いて仮基板21を除去することもできるし、これらの方法を組み合わせて除去することも可能である。
仮基板21を除去した後、発光積層構造22の露出した表面上に、AuSnNi合金からなる表側電極35を形成する。表側電極35は、通常のリフトオフ法によりパターニングされる。窒素雰囲気で約400℃の熱処理を行うことにより、表側電極35と発光積層構造22のn型層とのオーミック接触を得る。図4に示したAuSnからなる第1の接合層6は300℃で溶融するが、接合後のAuSnAlからなる接合層30は、400℃でも溶融しない。このため、オーミック接触を得るための熱処理を、接合時の熱処理温度よりも高温で行うことが可能になる。なお、表側電極35の材料として、AuGeNi合金、AuSn合金、AuGe合金等を用いてもよい。
表側電極35及び裏側電極3から発光積層構造22に電流を注入することにより、発光積層構造22で発光が生ずる。図5に示した仮基板21が除去されているため、発光積層構造22で発生した光は吸収されること無く、表側電極35側に放射される。また、第2のオーミックコンタクト層23が光を反射する機能を持つため、発光積層構造22で発生し、支持基板1側へ進む光も、第2のオーミックコンタクト層23で反射されて、表側電極35側に放射される。
上記実施例では、支持基板1の表面上に、Ptからなる第1のオーミックコンタクト層2及び裏側電極3を形成した後、500℃で、オーミック接触を得るための熱処理を行った。SiとPtとが共晶化する温度(共晶点)は約830℃である。オーミック接触を得るための熱処理を共晶点以下で行っているため、両者の界面に共晶合金層は形成されない。
これに対し、図8〜図10に示した先の提案の例では、支持基板100とオーミックコンタクト層101とのオーミック接触を得るために、約400℃で熱処理を行う必要がある。SiとAuとの共晶点は約380℃である。このため、オーミック接触を得るための熱処理時にSiとAuとの共晶反応が生じ、支持基板100とオーミックコンタクト層101との界面にSiとAuとの共晶合金層が形成される。共晶合金層は、一旦溶融したAu及びSiが固化して形成されるため、多数のグレインが発生し、グレイン間に粒界が形成される。この粒界が、接合後の徐冷時に割れが発生する原因と考えられる。
上記実施例の場合には、第1のオーミックコンタクト層2と支持基板1とのオーミック接触を得るための熱処理時に、Si及びPtが溶融することなく、固相の状態で拡散が生じると考えられる。このため、粒界が形成されず、徐冷時の割れの発生が防止されると考えられる。
上記考察を検証するために、実際に種々の条件で作製した基板の割れ強度を評価した。割れ強度の評価は、直径75mmの評価基板を60mmの間隔を隔てた一対のスペーサで支え、評価基板の中心に力を印加して、評価基板が割れる時点の力の大きさを測定することにより行った。Sbドープの厚さ300μmのSi基板の評価を行ったところ、基板が大きく反った後に割れた。割れた時点の力は41Nであった。
このSi基板に、厚さ600nmのAu膜を蒸着し、400℃でオーミック接触のための熱処理を行った。その後、割れ強度の評価を行ったところ、基板がほとんど反ることなく割れてしまった。割れた時点の力は25Nであった。このSi基板に、厚さ600nmのPt膜を蒸着し、500℃でオーミック接触のための熱処理を行った。その後、割れ強度の評価を行ったところ、基板が反った後に割れた。割れた時点の力は35Nであった。
この評価実験から、Si基板にAu膜を形成してオーミック接触のための熱処理を行った基板よりも、Si基板にPt膜を形成してオーミック接触のための熱処理を行った基板の方が、割れにくいことが確認された。オーミック接触のための熱処理は、共晶合金層の形成を避けるために、SiとPtとの共晶点である830℃未満で行う必要がある。
このため、図6に示した第1のオーミックコンタクト層2は、支持基板1とのオーミック接触を得るための熱処理温度が、Siとの共晶点よりも低い材料で形成する必要がある。
図7に、SbドープのSi基板と各種金属膜とのオーミック接触、及びAsドープのSi基板と各種金属膜とのオーミック接触を得るために必要な熱処理温度を示す。Si基板の比抵抗は0.05Ω・cm以下であり、形成した金属層の厚さは200nmである。図7の各桝目に記載された数値は、熱処理後の接触抵抗を単位「Ω・cm2」で示す。バツ印の付された欄は、オーミック接触が得られなかったことを意味し、丸印の付された欄は、オーミック接触が得られたことを意味する。Ni層とSbドープのSi基板との間では、500℃〜800℃の熱処理温度でオーミック接触が得られた。Pd層とSbドープのSi基板との間では、400℃〜800℃の熱処理温度でオーミック接触が得られた。Pt層とSbドープのSi基板との間では、500℃〜700℃の熱処理温度でオーミック接触が得られた。Au層とSbドープのSi基板との間では、800℃の熱処理温度でもオーミック接触を得ることができなかった。
NiとSiとの共晶点は966℃であり、PdとSiとの共晶点は720℃である。これらの共晶点以下の熱処理温度で、十分低抵抗のオーミック接触を得ることが可能であることがわかる。このため、第1のオーミックコンタクト層2の材料として、Ptの他に、Ni及びPdを用いることが可能である。
Ni膜を形成して熱処理を行った基板、及びPd膜を形成して熱処理を行った基板の表面を観測したところ、表面にムラや凹凸が発生していることが確認された。これに対し、Pt膜を形成した基板の表面にはムラや凹凸が観察されなかった。接合後の割れが生じにくく、オーミック接触を得るという点では、第1のオーミックコンタクト層2の材料としてNi及びPdを用いることができるが、ムラ及び凹凸の発生を防止するために、Ptを用いることが最も好ましい。
また、AsドープのSi基板と各種金属膜との間では、金属膜がNi、Pd、Pt及びAuのいずれの場合にもオーミック接触を得ることができた。
上記実施例では、支持基板1としてSbドープのSi基板を用いたが、その他の導電性を有する半導体基板を用いてもよい。また、発光積層構造22をAlGaInP系混晶半導体で形成したが、その他の半導体材料で形成してもよい。仮基板21の材料には、発光積層構造22の各層を結晶性良く成長させるために適切なものが選択される。
上記実施例では、仮基板21と支持基板1との貼り合わせ工程よりも前に、裏側電極3を形成した。このため、支持基板1と裏側電極3との界面で共晶化が生じないようにするために、裏側電極3の材料をPtにした。この裏側電極3は、仮基板21と支持基板1とを貼り合わせた後に形成してもよい。例えば、貼り合わせ後、仮基板21を除去する前、または仮基板21を除去した後に、裏側電極3を形成してもよい。貼り合わせ後に形成される共晶合金は割れの原因にならないため、裏側電極3の材料としてAuを用いることも可能である。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
1 支持基板
2 第1のオーミックコンタクト層
3 裏側電極
4 密着層
5 ボールアップ防止層
6 第1の接合層
21 仮基板
22 発光積層構造
23 第2のオーミックコンタクト層
24 拡散防止層
25 拡散原料層
26 拡散制御層
27 第2の接合層
30 接合層
35 表側電極
2 第1のオーミックコンタクト層
3 裏側電極
4 密着層
5 ボールアップ防止層
6 第1の接合層
21 仮基板
22 発光積層構造
23 第2のオーミックコンタクト層
24 拡散防止層
25 拡散原料層
26 拡散制御層
27 第2の接合層
30 接合層
35 表側電極
Claims (12)
- (a)導電性を有する半導体からなる支持基板の表面上に、金属からなる第1のオーミックコンタクト層を堆積させる工程と、
(b)前記支持基板の形成材料と、前記オーミックコンタクト層の形成材料とが共晶化する温度よりも低い温度で熱処理を行い、前記支持基板と前記第1のオーミックコンタクト層とをオーミック接触させる工程と、
(c)前記第1のオーミックコンタクト層の上に、金属からなる第1の接合層を形成する工程と、
(d)半導体からなる仮基板の表面上に、電流を注入することにより発光する半導体層を含む発光積層構造を形成する工程と、
(e)前記発光積層構造の表面上に、該発光積層構造の表面層とオーミック接触する第2のオーミックコンタクト層を形成する工程と、
(f)前記第2のオーミックコンタクト層の上に、金属からなる第2の接合層を形成する工程と、
(g)前記第1の接合層と前記第2の接合層とを接触させて加熱し、両者を接合する工程と、
(h)前記仮基板を除去し、前記発光積層構造の表面を露出させる工程と、
(i)前記工程hで露出した前記発光積層構造の表面層にオーミック接触する第1の電極を形成する工程と
を有する半導体発光素子の製造方法。 - 前記支持基板がシリコンで形成され、前記第1のオーミックコンタクト層がPtで形成されている請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記支持基板が、Sbドープのシリコン基板である請求項1または2に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記工程aが、さらに、前記支持基板の表面のうち前記第1のオーミックコンタクト層の形成されていない方の表面上に、裏側電極を堆積させる工程を含み、
前記支持基板がシリコンで形成され、前記第1のオーミックコンタクト層及び前記裏側電極がNi、Pd、及びPtからなる群より選択された一つの金属で形成されている請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記工程gよりも後に、さらに、
(j) 前記支持基板の表面のうち前記第1のオーミックコンタクト層の形成されていない方の表面上に、裏側電極を堆積させる工程と、
(k) 前記支持基板と前記裏側電極とをオーミック接触させる工程と
を含む請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 導電性を有する半導体からなる支持基板と、
前記支持基板の一方の表面に接し、前記支持基板とオーミック接触させるための熱処理温度が、前記支持基板を形成する半導体と共晶化する温度よりも低い金属材料で形成された、該支持基板とオーミック接触する第1のオーミックコンタクト層と、
電流が注入されることにより光を発生する半導体層を含む発光積層構造と、
前記発光積層構造の一方の面に接触し、該発光積層構造とオーミック接触する第2のオーミックコンタクト層と、
前記支持基板と前記発光積層構造とが、前記第1のオーミックコンタクト層と第2のオーミックコンタクト層とを相互に対向させるように配置され、該第1のオーミックコンタクト層と第2のオーミックコンタクト層とを接合させ、かつ両者を電気的に接続させる接合層と
を有する半導体発光素子。 - さらに、前記支持基板の表面のうち前記第1のオーミックコンタクト層の形成されていない方の表面に接し、前記支持基板とオーミック接触させるための熱処理温度が、前記支持基板を形成する半導体と共晶化する温度よりも低い金属材料で形成され、該支持基板とオーミック接触する裏側電極を有する請求項6に記載の半導体発光素子。
- 前記支持基板がシリコンで形成され、前記第1のオーミックコンタクト層がNiまたはPdで形成されている請求項6または7に記載の半導体発光素子。
- 前記支持基板がシリコンで形成され、前記第1のオーミックコンタクト層がPtで形成されている請求項6または7に記載の半導体発光素子。
- 導電性を有する半導体からなる支持基板と、
前記支持基板の一方の表面にオーミック接触し、該支持基板との界面に共晶が形成されていない第1のオーミックコンタクト層と、
電流が注入されることにより光を発生する半導体層を含む発光積層構造と、
前記発光積層構造の一方の面に接触し、該発光積層構造とオーミック接触する第2のオーミックコンタクト層と、
前記支持基板と前記発光積層構造とが、前記第1のオーミックコンタクト層と第2のオーミックコンタクト層とを相互に対向させるように配置され、該第1のオーミックコンタクト層と第2のオーミックコンタクト層とを接合させ、かつ両者を電気的に接続させる接合層と
を有する半導体発光素子。 - 前記支持基板がシリコンで形成され、前記第1のオーミックコンタクト層がNiまたはPdで形成されている請求項10に記載の半導体発光素子。
- 前記支持基板がシリコンで形成され、前記第1のオーミックコンタクト層がPtで形成されている請求項10に記載の半導体発光素子。
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