JP2006229153A - Nitride semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor device.
近年、GaN、InN、AlN等の窒化物系化合物半導体は、青色や緑色の発光ダイオード(LED)や青紫色半導体レーザなどの発光素子、高温動作可能な高速トランジスタなどの電子デバイスの材料として盛んに用いられている。この窒化物系半導体は、一般に、バルク単結晶の製造が困難なことから、サファイアやSiCなどの異種基板(成長用基板)上に、ヘテロエピキャシタル成長法を用いて形成される。 In recent years, nitride compound semiconductors such as GaN, InN, and AlN have been actively used as materials for electronic devices such as light emitting elements such as blue and green light emitting diodes (LEDs) and blue-violet semiconductor lasers, and high-speed transistors that can operate at high temperatures. It is used. Since this nitride-based semiconductor is generally difficult to produce a bulk single crystal, it is formed on a heterogeneous substrate (growth substrate) such as sapphire or SiC using a hetero-epitaxial growth method.
しかし、サファイアは絶縁体であるために、半導体層の同一面上にp及びn電極を形成する必要があり、同一径のウェハから取れる素子数が少なく、更に同一素子面積における有効発光面積を狭めるという問題があった。又、サファイア基板の熱伝導率は、42W/m・kであり、GaNの熱伝導率130W/m・kに比べると、低い。このため、サファイア基板上に形成した窒化物半導体素子は、放熱性能に問題があった。 However, since sapphire is an insulator, it is necessary to form p and n electrodes on the same surface of the semiconductor layer, so that the number of elements that can be taken from a wafer with the same diameter is small, and the effective light emitting area in the same element area is further reduced. There was a problem. The sapphire substrate has a thermal conductivity of 42 W / m · k, which is lower than the thermal conductivity of GaN, 130 W / m · k. For this reason, the nitride semiconductor element formed on the sapphire substrate has a problem in heat dissipation performance.
そこで、窒化物系半導体素子層からサファイア基板をエッチングや研磨、又はレーザ照射(例えば、非特許文献1参照。)等により除去する方法が用いられているが、一般に窒化物系半導体素子層の厚みは数μmから数十μmと非常に薄いために、基板を除去する際、あるいはその後のプロセスの際に、クラックや割れが発生しやすい。そのため、予め、窒化物系半導体素子層の表面に、支持基板を熱圧着等により接合しておくことが必要となる。 Therefore, a method of removing the sapphire substrate from the nitride-based semiconductor element layer by etching, polishing, laser irradiation (for example, refer to Non-Patent Document 1) or the like is used. Generally, the thickness of the nitride-based semiconductor element layer is used. Is very thin, from several μm to several tens of μm, so that cracks and cracks are likely to occur when the substrate is removed or in subsequent processes. Therefore, it is necessary to join the support substrate to the surface of the nitride-based semiconductor element layer in advance by thermocompression bonding or the like.
しかしながら、図14(a)に示すように、サファイア基板501上の窒化物系半導体素子層503と支持基板510とを、融着層509を介して接合する際、半導体素子層表面には、窒化物系半導体素子層503とサファイア基板501との大きな熱膨張係数の差に起因し、サファイア基板501に反りが発生する。そして、図14(b)に示すように、窒化物系半導体素子層503と支持基板510とを接合すると、基板面内で、窒化物系半導体素子層503と支持基板510とが接触する面積が限定される。
However, as shown in FIG. 14A, when the nitride-based
従って、基板の全面で密着性の良い接合を得ることが非常に困難であり、ウェハ面内で、部分的に支持基板との接合が不十分な領域が存在するとともに、同領域においてはサファイア基板を除去する際に半導体素子層にクラックや割れが発生しやすいという問題が生じる。 Therefore, it is very difficult to obtain a bond with good adhesion over the entire surface of the substrate, and there is a region in the wafer surface that is partially insufficiently bonded to the support substrate, and in this region, a sapphire substrate There is a problem in that cracks and cracks are likely to occur in the semiconductor element layer when removing.
そこで、成長用基板の裏面側に、成長用基板より小さい熱膨張係数を有する裏面層を備えることにより、成長用基板の反りを抑制する窒化物系半導体素子が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、上述した特許文献1に記載の窒化物系半導体素子は、サファイア基板などの成長用基板の裏面に裏面層を備えるため、この裏面層は、成長用基板上に窒化物系半導体素子層を形成する際に、高温下、或いは反応性の高い原料ガスの雰囲気下など厳しい条件に晒されることとなる。このため、裏面層には、厳しい条件に耐え得る材料が用いられる必要があり、材料の選択性に制限があった。又、窒化物系半導体素子層を形成する際に、裏面層の影響により、成長用基板の加熱が面内で不均一になり易く、このため成長した窒化物系半導体素子層の素子特性が面内で不均一になり易い、或いは再現性が低下するという課題があった。更に、窒化物系半導体素子層を形成する際に、既に裏面層が形成されているため、窒化物系半導体素子層形成後の反りの微調整が困難であった。 However, since the nitride semiconductor device described in Patent Document 1 described above includes a back surface layer on the back surface of a growth substrate such as a sapphire substrate, the back surface layer has a nitride semiconductor device layer on the growth substrate. When forming, it will be exposed to severe conditions, such as high temperature or the atmosphere of highly reactive raw material gas. For this reason, the back surface layer needs to be made of a material that can withstand severe conditions, and there is a limitation in the selectivity of the material. Also, when forming a nitride-based semiconductor element layer, due to the influence of the back surface layer, heating of the growth substrate is likely to be non-uniform in the plane, so that the element characteristics of the grown nitride-based semiconductor element layer are surface. There is a problem in that it is likely to be non-uniform or the reproducibility is lowered. Furthermore, since the back surface layer has already been formed when forming the nitride-based semiconductor element layer, it is difficult to finely adjust the warpage after forming the nitride-based semiconductor element layer.
そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、材料的な制限を必要とせず、ウェハの反りの微調整が可能な調整層を用い、ウェハの反りに起因する支持基板との不均一な接合を低減する窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above-mentioned problems, the present invention uses an adjustment layer that can finely adjust the warpage of the wafer without requiring material limitations, and performs non-uniform bonding with the support substrate due to the warpage of the wafer. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device manufacturing method and a nitride semiconductor device that can be reduced.
上記目的を達成するため、本発明の第1の特徴は、(a)第1の基板上に、少なくとも1層以上の窒化物系半導体素子層を形成する工程と、(b)第2の基板の一方の主面上に、第2の基板とは熱膨張係数の異なる材料からなる調整層を形成する工程と、(c)窒化物系半導体素子層上に、第2の基板の他方の主面を接合する工程と、(d)接合された窒化物系半導体素子層及び第2の基板から第1の基板を除去する工程とを含む窒化物系半導体素子の製造方法であることを要旨とする。 In order to achieve the above object, the first feature of the present invention is that (a) a step of forming at least one nitride-based semiconductor element layer on the first substrate, and (b) a second substrate. Forming an adjustment layer made of a material having a coefficient of thermal expansion different from that of the second substrate on one main surface of the second substrate; and (c) forming the adjustment layer on the other side of the second substrate on the nitride-based semiconductor element layer. A method of manufacturing a nitride-based semiconductor device, comprising: a step of bonding the surfaces; and (d) a step of removing the first substrate from the bonded nitride-based semiconductor device layer and the second substrate. To do.
第1の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法によると、第2の基板(支持基板)の裏面側に調整層を形成することにより、ウェハの反りに起因する支持基板との不均一な接合を低減することができる。このため、第1の基板(成長用基板)の除去における窒化物系半導体素子層のクラックの発生をウェハ全面で抑制できる。又、第2の基板(支持基板)の反りの低減により、基板除去後の素子層のプロセス(電極形成、研磨など)の均一化が可能となり、ウェハから高い歩留まりで素子を得ることができる。又、第1の基板(成長用基板)の裏面に調整層を有さないため、面内での素子特性を均一なものとすることができ、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を再現性良く得ることができる。更に、第2の基板(支持基板)の裏面側に調整層を形成するため、調整層は過酷な条件に晒されず、材料的な制限を必要としない。又、窒化物系半導体素子層の形成後に、調整層が形成された第2の基板(支持基板)を接合するため、ウェハの反りの微調整が可能である。 According to the method for manufacturing a nitride-based semiconductor element according to the first feature, the adjustment layer is formed on the back surface side of the second substrate (support substrate), so that it is non-uniform with the support substrate due to the warpage of the wafer. Bonding can be reduced. For this reason, the generation of cracks in the nitride-based semiconductor element layer in the removal of the first substrate (growth substrate) can be suppressed over the entire wafer surface. Further, by reducing the warpage of the second substrate (support substrate), it is possible to make the process (electrode formation, polishing, etc.) of the element layer after removing the substrate uniform, and elements can be obtained from the wafer with a high yield. Further, since the adjustment layer is not provided on the back surface of the first substrate (growth substrate), the element characteristics in the surface can be made uniform, and a nitride-based semiconductor element having good element characteristics can be obtained. It can be obtained with good reproducibility. Furthermore, since the adjustment layer is formed on the back surface side of the second substrate (support substrate), the adjustment layer is not exposed to harsh conditions and does not require material limitations. Further, since the second substrate (supporting substrate) on which the adjustment layer is formed is bonded after the formation of the nitride-based semiconductor element layer, the warpage of the wafer can be finely adjusted.
又、第1の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法において、第1の基板上に形成された窒化物系半導体素子層が、接合する支持基板側に凸状に湾曲する性質を有する場合、調整層は、第2の基板より熱膨張係数が小さい材料からなることが好ましい。 In the method for manufacturing a nitride-based semiconductor element according to the first feature, the nitride-based semiconductor element layer formed on the first substrate has a property of being convexly curved toward the supporting substrate to be bonded. The adjustment layer is preferably made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than that of the second substrate.
この窒化物系半導体素子の製造方法によると、調整層が第2の基板より熱膨張係数が小さい材料からなることにより、第2の基板は窒化物系半導体素子層側に凹状に湾曲する性質を有することができる。このため、第2の基板と窒化物系半導体素子層との均一な接合が可能となる。 According to this method for manufacturing a nitride-based semiconductor element, since the adjustment layer is made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than that of the second substrate, the second substrate has a property of being concavely curved toward the nitride-based semiconductor element layer side. Can have. For this reason, the second substrate and the nitride-based semiconductor element layer can be uniformly bonded.
更に、上述の窒化物系半導体素子の製造方法に用いる第2の基板は、金属と該金属の酸化物との複合体を主成分とし、調整層は、Si層であることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the second substrate used in the above-described method for manufacturing a nitride-based semiconductor element has a composite of a metal and an oxide of the metal as a main component, and the adjustment layer is a Si layer.
又、第1の特徴に係る窒化物系半導体素子の製造方法において、第1の基板上に形成された窒化物系半導体素子層が、接合する支持基板側に凹状に湾曲する性質を有する場合、調整層は、第2の基板より熱膨張係数が大きい材料からなることが好ましい。 Further, in the method for manufacturing a nitride-based semiconductor element according to the first feature, when the nitride-based semiconductor element layer formed on the first substrate has a property of being concavely curved toward the supporting substrate to be joined, The adjustment layer is preferably made of a material having a larger thermal expansion coefficient than that of the second substrate.
この窒化物系半導体素子の製造方法によると、調整層が第2の基板より熱膨張係数が大きい材料からなることにより、第2の基板は窒化物系半導体素子層側に凸状に湾曲する性質を有することができる。このため、第2の基板と窒化物系半導体素子層との均一な接合が可能となる。 According to this method for manufacturing a nitride-based semiconductor element, since the adjustment layer is made of a material having a thermal expansion coefficient larger than that of the second substrate, the second substrate is curved in a convex shape toward the nitride-based semiconductor element layer side. Can have. For this reason, the second substrate and the nitride-based semiconductor element layer can be uniformly bonded.
更に、上述の窒化物系半導体素子の製造方法に用いる第2の基板は、金属と該金属の酸化物との複合体を主成分とし、調整層は、金属からなる層であることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the second substrate used in the above-described method for manufacturing a nitride-based semiconductor element has a composite of a metal and an oxide of the metal as a main component, and the adjustment layer is a layer made of metal.
本発明の第2の特徴は、第1の基板上に、少なくとも1層以上の窒化物系半導体素子層を形成する工程と、窒化物系半導体素子層上に、第2の基板の一方の主面を接合する工程と、接合された窒化物系半導体素子層及び第2の基板から第1の基板を除去する工程とによって製造される窒化物系半導体素子であって、(a)第2の基板の他方の主面上に、該第2の基板とは熱膨張係数の異なる材料からなる調整層を備える窒化物系半導体素子であることを要旨とする。 The second feature of the present invention is that a step of forming at least one nitride-based semiconductor element layer on the first substrate and one main layer of the second substrate on the nitride-based semiconductor element layer are provided. A nitride-based semiconductor device manufactured by a step of bonding surfaces, and a step of removing the first substrate from the bonded nitride-based semiconductor device layer and the second substrate, (a) a second The gist is that the nitride-based semiconductor element includes an adjustment layer made of a material having a different thermal expansion coefficient from that of the second substrate on the other main surface of the substrate.
第2の特徴に係る窒化物系半導体素子によると、第2の基板(支持基板)の裏面側に調整層を形成することにより、ウェハの反りに起因する支持基板との不均一な接合を低減することができる。このため、第1の基板(成長用基板)の除去における窒化物系半導体素子層のクラックの発生をウェハ全面で抑制できる。又、第2の基板(支持基板)の反りの低減により、基板除去後の素子層のプロセス(電極形成、研磨など)の均一化が可能となり、ウェハから高い歩留まりで素子を得ることができる。更に、第2の基板(支持基板)の裏面側に調整層を形成するため、調整層は過酷な条件に晒されず、材料的な制限を必要としない。又、窒化物系半導体素子層の形成後に、調整層が形成された第2の基板(支持基板)を接合するため、ウェハの反りの微調整が可能である。 According to the nitride semiconductor device according to the second feature, by forming the adjustment layer on the back surface side of the second substrate (support substrate), non-uniform bonding with the support substrate due to warpage of the wafer is reduced. can do. For this reason, the generation of cracks in the nitride-based semiconductor element layer in the removal of the first substrate (growth substrate) can be suppressed over the entire wafer surface. Further, by reducing the warpage of the second substrate (support substrate), it is possible to make the process (electrode formation, polishing, etc.) of the element layer after removing the substrate uniform, and elements can be obtained from the wafer with a high yield. Furthermore, since the adjustment layer is formed on the back surface side of the second substrate (support substrate), the adjustment layer is not exposed to harsh conditions and does not require material limitations. Further, since the second substrate (supporting substrate) on which the adjustment layer is formed is bonded after the formation of the nitride-based semiconductor element layer, the warpage of the wafer can be finely adjusted.
本発明によると、材料的な制限を必要とせず、ウェハの反りの微調整が可能な調整層を用い、ウェハの反りに起因する支持基板との不均一な接合を低減する窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子を提供することができる。 According to the present invention, a nitride-based semiconductor device that uses an adjustment layer that can finely adjust the warpage of the wafer without requiring material limitations and reduces non-uniform bonding with the support substrate due to the warpage of the wafer. And a nitride-based semiconductor device can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の第1〜第4の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, first to fourth embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and ratios of dimensions and the like are different from actual ones. Accordingly, specific dimensions and the like should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
まず、本発明の第1〜第4の実施の形態の概略を説明する。第1〜第4の実施の形態では、図1(a)に示すように、支持基板10の一方の主面上に、支持基板10とは熱膨張係数の異なる材料からなる調整層11を形成する。そして、成長用基板1上の窒化物系半導体素子層3と支持基板10とを、融着層9を介して接合する。従来の方法では、接合後の冷却中に、図14(b)に示すように、支持基板510と融着層503との間の熱膨張係数差による反りが発生し、基板面内で加圧される領域が限定されるが、本発明では、図1(b)に示すように、調整層11が形成された支持基板10を接合することにより、ウェハ面内での反りの発生を抑制することができる。
First, the outline of the first to fourth embodiments of the present invention will be described. In the first to fourth embodiments, as shown in FIG. 1A, the adjustment layer 11 made of a material having a coefficient of thermal expansion different from that of the
(第1の実施の形態)
図2及び図3は、第1の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオード素子の製造方法を説明するための断面図である。第1の実施の形態では、サファイア基板上に形成された窒化物系半導体素子層が、接合する支持基板側に凸状に湾曲する性質を有する場合について説明する。第1の実施の形態では、支持基板より熱膨張係数が小さい材料からなる調整層を形成することにより、支持基板は窒化物系半導体素子層側に凹状に湾曲する性質を有することができる。
(First embodiment)
2 and 3 are cross-sectional views for explaining the method for manufacturing the nitride-based light-emitting diode device according to the first embodiment. In the first embodiment, a case will be described in which a nitride-based semiconductor element layer formed on a sapphire substrate has a property of curving convexly toward the supporting substrate to be bonded. In the first embodiment, by forming an adjustment layer made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than that of the support substrate, the support substrate can have a property of being concavely curved toward the nitride-based semiconductor element layer side.
まず、図2(a)に示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて、サファイア基板101上に、バッファ層102、下地層113、n型コンタクト層103、n型クラッド層104、活性層105、p型キャップ層106、p型クラッド層107及びp型コンタクト層108を順次成長させ、ついで真空蒸着法によりp側電極を形成する。
First, as shown in FIG. 2A, a buffer layer 102, an
具体的には、サファイア基板101を約400〜700℃の温度に保持した状態で、NH3及びTMGa(トリメチルガリウム)からなる原料ガスを用いて、サファイア基板101の(0001)面上に、約10〜50nmの厚みを有するアンドープの非単結晶のGaNからなるバッファ層102を成長させる。 Specifically, with the sapphire substrate 101 held at a temperature of about 400 to 700 ° C., a source gas composed of NH 3 and TMGa (trimethylgallium) is used to form about 0001 on the sapphire substrate 101. A buffer layer 102 made of undoped non-single crystal GaN having a thickness of 10 to 50 nm is grown.
次に、サファイア基板101を約1000〜1200℃(例えば、1150℃)の成長温度に保持した状態で、NH3及びTMGaからなる原料ガスを用いて、バッファ層102上に、約3μmの厚みを有するアンドープの単結晶のGaNからなる下地層113を成長させる。
Next, with the sapphire substrate 101 held at a growth temperature of about 1000 to 1200 ° C. (for example, 1150 ° C.), a thickness of about 3 μm is formed on the buffer layer 102 using a source gas composed of NH 3 and TMGa. An
次に、サファイア基板101を約1000〜1200℃(例えば、1150℃)の成長温度に保持した状態で、NH3及びTMGaからなる原料ガスと、SiH4からなるドーパントガスとを用いて、下地層113上に、約0.5μmの厚みを有するSiがドープされた単結晶のGaNからなるn型コンタクト層103を成長させる。 Next, in a state where the sapphire substrate 101 is maintained at a growth temperature of about 1000 to 1200 ° C. (for example, 1150 ° C.), a base layer is formed using a source gas composed of NH 3 and TMGa and a dopant gas composed of SiH 4. An n-type contact layer 103 made of single-crystal GaN doped with Si having a thickness of about 0.5 μm is grown on 113.
次に、サファイア基板101を約1000〜1200℃(例えば、1150℃)の成長温度に保持した状態で、NH3、TMGa及びTMAl(トリメチルアルミニウム)からなる原料ガスと、SiH4からなるドーパントガスとを用いて、n型コンタクト層103上に、約0.15μmの厚みを有するSiがドープされた単結晶のAl0.1Ga0.9Nからなるn型クラッド層104を成長させる。 Next, with the sapphire substrate 101 held at a growth temperature of about 1000 to 1200 ° C. (for example, 1150 ° C.), a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl (trimethylaluminum), and a dopant gas composed of SiH 4 Is used to grow an n-type cladding layer 104 made of single crystal Al 0.1 Ga 0.9 N doped with Si having a thickness of about 0.15 μm on the n-type contact layer 103.
次に、サファイア基板101を約700〜1000℃(例えば、850℃)の成長温度に保持した状態で、NH3、TMGa及びTMIn(トリメチルインジウム)からなる原料ガスを用いて、n型クラッド層104上に、約10nmの厚みを有するアンドープの単結晶のGaNからなる障壁層と、約5nmの厚みを有するアンドープの単結晶のGa0.9In0.1Nからなる井戸層とを交互に成長させる。これにより、4つの障壁層及び3つの井戸層を有するMQW構造の活性層105を成長させる。 Next, in a state where the sapphire substrate 101 is maintained at a growth temperature of about 700 to 1000 ° C. (for example, 850 ° C.), a source gas made of NH 3 , TMGa and TMIn (trimethylindium) is used to form the n-type cladding layer 104. On top, a barrier layer made of undoped single crystal GaN having a thickness of about 10 nm and a well layer made of undoped single crystal Ga 0.9 In 0.1 N having a thickness of about 5 nm are alternately grown. As a result, an active layer 105 having an MQW structure having four barrier layers and three well layers is grown.
次に、サファイア基板101を約700〜1000℃(例えば、850℃)の成長温度に保持した状態で、NH3、TMGa及びTMAlからなる原料ガスと、CP2Mgからなるドーパントガスとを用いて、活性層105上に、約10nmの厚みを有するMgがドープされた単結晶のp型Al0.2Ga0.8Nからなるp型キャップ層106を成長させる。 Next, in a state where the sapphire substrate 101 is held at a growth temperature of about 700 to 1000 ° C. (for example, 850 ° C.), a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl and a dopant gas composed of CP 2 Mg are used. Then, a p-type cap layer 106 made of single crystal p-type Al 0.2 Ga 0.8 N doped with Mg having a thickness of about 10 nm is grown on the active layer 105.
次に、サファイア基板101を約1000〜1200℃(例えば、1150℃)の成長温度に保持した状態で、NH3、TMGa及びTMAlからなる原料ガスと、CP2Mgからなるドーパントガスとを用いて、p型キャップ層106上に、約0.1μmの厚みを有するMgがドープされた単結晶のAl0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層107を成長させる。 Next, in a state where the sapphire substrate 101 is held at a growth temperature of about 1000 to 1200 ° C. (for example, 1150 ° C.), a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl and a dopant gas composed of CP 2 Mg are used. Then, a p-type cladding layer 107 made of single crystal Al 0.1 Ga 0.9 N doped with Mg having a thickness of about 0.1 μm is grown on the p-type cap layer 106.
次に、サファイア基板101を約700〜1000℃(例えば、850℃)の成長温度に保持した状態で、NH3、TMGa及びTMAlからなる原料ガスと、CP2Mgからなるドーパントガスとを用いて、p型クラッド層107上に、約5nmの厚みを有するMgがドープされた単結晶のGa0.95In0.05Nからなるp型コンタクト層108を成長させる。 Next, in a state where the sapphire substrate 101 is held at a growth temperature of about 700 to 1000 ° C. (for example, 850 ° C.), a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl and a dopant gas composed of CP 2 Mg are used. A p-type contact layer 108 made of single crystal Ga 0.95 In 0.05 N doped with Mg having a thickness of about 5 nm is grown on the p-type cladding layer 107.
次に、熱処理や電子線処理を行うことにより、p型キャップ層106、p型クラッド層107、p型コンタクト層108のp型化を行う。このようにして、バッファ層102、下地層113、n型コンタクト層103、n型クラッド層104、活性層105、p型キャップ層106、p型クラッド層107及びp型コンタクト層108によって構成される窒化物系半導体素子層を形成する。
Next, the p-type cap layer 106, the p-type cladding layer 107, and the p-type contact layer 108 are converted to p-type by performing heat treatment or electron beam treatment. In this manner, the buffer layer 102, the
この後、約200nmの厚みを有するAg層と、約200nmの厚みを有するPt層と、約500nmの厚みを有するAu層とからなる反射性のp側電極を、真空蒸着法により順次形成する。 Thereafter, a reflective p-side electrode composed of an Ag layer having a thickness of about 200 nm, a Pt layer having a thickness of about 200 nm, and an Au layer having a thickness of about 500 nm is sequentially formed by a vacuum deposition method.
ここで、上述したサファイア基板101と窒化物系半導体素子層との熱膨張係数の差に起因して、窒化物系半導体素子層が、接合する支持基板側に凸状に湾曲する。この湾曲量は、室温における2インチφサイズのウェハにおいて、中心部と端部とで約50μm程度の高低差となる。 Here, due to the difference in thermal expansion coefficient between the sapphire substrate 101 and the nitride-based semiconductor element layer, the nitride-based semiconductor element layer is curved in a convex shape toward the supporting substrate to be bonded. This amount of bending is a difference of about 50 μm between the central portion and the end portion of a 2-inch φ size wafer at room temperature.
一方、図2(b)に示すように、CuとCu2Oとの複合材料(例えば、Cu:50重量%、Cu2O:50重量%の含有率を有する複合材料)からなり、約200μmの厚みを有する支持基板110の一方の主面上に、約10nmの厚みを有するTi層からなる接着層を介して、約5μmの厚みを有するSi層からなる調整層111を真空蒸着法により形成する。この調整層111は、支持基板110より熱膨張係数が小さい材料からなる。尚、Ti層からなる接着層は、CuとCu2Oとの複合材料からなる支持基板110と同程度の熱膨張係数を有するので、ここでは調整層111に相当しない。又、支持基板110の他方の主面上に、約10nmの厚みを有するTi層からなる接着層を介して、約500nmの厚みを有するAu層からなる融着層109を真空蒸着法により順次形成する。
On the other hand, as shown in FIG. 2 (b), it is made of a composite material of Cu and Cu 2 O (for example, a composite material having a content of Cu: 50% by weight and Cu 2 O: 50% by weight), and is about 200 μm. An
ここで、上述した、Cu:50重量%、Cu2O:50重量%の含有率を有する複合材料からなる支持基板110と、Si層からなる調整層111の熱膨張係数は、それぞれ約10×10-6/Kと、約4×10-6/Kであり、支持基板110は接合される窒化物系半導体素子層側に凹状に湾曲する。この湾曲量は、室温における2インチφサイズのウェハにおいて、中心部と端部とで約50μm程度の高低差となる。尚、融着層109の厚みは、約500nmと調整層の厚み(5μm)に比べ、極めて小さいので、支持基板110の湾曲に与える影響は無視できる。
Here, the thermal expansion coefficients of the
尚、必要に応じて、調整層111の形成後の支持基板110にアニール処理を行ってもよい。
If necessary, the
次に、図2(c)に示すように、窒化物系半導体素子層上のp側電極と支持基板110上のAu層からなる融着層109とを、Au−SnやPd−Sn、In−Pdなどからなる半田、あるいはAgからなる導電性ペーストを介して、熱圧着する。例えば、Au−Sn(Au:80重量%、Sn:20重量%)からなる半田を介して接合する場合、支持基板110を約300℃に加熱し、約0.3Paの圧力下で、数10分間保持することで、熱圧着を行う。
Next, as shown in FIG. 2C, the p-side electrode on the nitride-based semiconductor element layer and the
次に、図3(a)に示すように、サファイア基板101と、窒化物系半導体素子層界面付近の半導体素子層を溶融することによって、半導体素子層からサファイア基板101を除去する。 Next, as shown in FIG. 3A, the sapphire substrate 101 is removed from the semiconductor element layer by melting the sapphire substrate 101 and the semiconductor element layer near the nitride-based semiconductor element layer interface.
具体的には、まず、サファイア基板からNd:YAG(もしくは、Nd:YVO4など)レーザ光の第3高調波(波長:約355nm)あるいは第4高調波(波長:約266nm)、もしくはKrFエキシマレーザ光(波長:約248nm)などを、約200〜1000mJ/cm2のエネルギー密度で照射することにより、レーザ光をサファイア/GaN界面付近のGaN層に吸収させることによって、GaNをGaとN2に分解する。これを約40℃に加熱することによって、分解されたGaが溶融状態となるので、窒化物系半導体素子層からサファイア基板101が分離される。付着したGaは塩酸水溶液により除去できる。この後、研磨やエッチングを用いて、n型コンタクト層103を露出させる。 Specifically, first, a third harmonic (wavelength: about 355 nm) or a fourth harmonic (wavelength: about 266 nm) or a KrF excimer laser of Nd: YAG (or Nd: YVO4, etc.) laser light from a sapphire substrate. By irradiating light (wavelength: about 248 nm) or the like with an energy density of about 200 to 1000 mJ / cm 2 , the laser light is absorbed by the GaN layer near the sapphire / GaN interface, thereby converting GaN into Ga and N 2 . Decompose. By heating this to about 40 ° C., the decomposed Ga becomes a molten state, so that the sapphire substrate 101 is separated from the nitride-based semiconductor element layer. The adhered Ga can be removed with an aqueous hydrochloric acid solution. Thereafter, the n-type contact layer 103 is exposed by polishing or etching.
次に、図3(b)に示すように、真空蒸着法を用いて、n型コンタクト層103上に約1nmの厚みを有するTi層と、約5nmの厚みを有するAl層からなる透光性のn側電極112を形成する。 Next, as shown in FIG. 3B, a light-transmitting property comprising a Ti layer having a thickness of about 1 nm and an Al layer having a thickness of about 5 nm on the n-type contact layer 103 using a vacuum deposition method. The n-side electrode 112 is formed.
次に、図3(c)に示すように、ダイシングやレーザスクライブあるいは、支持基板110の選択エッチングによって、素子分離を行う。このようにして、第1の実施の形態に係る窒化物系半導体素子が形成される。
Next, as shown in FIG. 3C, element isolation is performed by dicing, laser scribing, or selective etching of the
第1の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子によると、支持基板110の裏面側に調整層111を形成することにより、ウェハの反りに起因する窒化物系半導体素子層と支持基板110との不均一な接合を低減することができる。このため、サファイア基板101の除去における窒化物系半導体素子層のクラックの発生をウェハ全面で抑制できる。又、支持基板110の反りの低減により、基板除去後の素子層のプロセス(電極形成、研磨など)の均一化が可能となり、ウェハから高い歩留まりで素子を得ることができる。
According to the method for manufacturing a nitride semiconductor device and the nitride semiconductor device according to the first embodiment, by forming the
又、第1の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子によると、成長用基板(サファイア基板101)の裏面に調整層を有さないため、面内での素子特性を均一なものとすることができ、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を再現性良く得ることができる。 Further, according to the nitride semiconductor device manufacturing method and the nitride semiconductor device according to the first embodiment, since there is no adjustment layer on the back surface of the growth substrate (sapphire substrate 101), The element characteristics can be made uniform, and a nitride semiconductor element having good element characteristics can be obtained with good reproducibility.
又、支持基板110の裏面側に調整層111を形成するため、調整層111は過酷な条件に晒されず、材料的な制限を必要としない。又、窒化物系半導体素子層の形成後に、調整層111が形成された支持基板110を接合するため、ウェハの反りの微調整が可能である。
In addition, since the
又、第1の実施の形態において、調整層111の形成後の支持基板110にアニール処理を行うことが好ましい。これにより、調整層111と支持基板110との密着性を高めることができるため、比較的大きな湾曲が要求される際に、同界面での剥離を抑制することができる。又、アニール処理の温度により、湾曲量を再度調整することができる。
In the first embodiment, it is preferable to anneal the
又、調整層111は、支持基板110を窒化物系半導体素子層に接合した後、除去することも可能である。よって、調整層111の材質としてSiO2などを用いても、調整層111を除去することにより、導電性、放熱性を悪化させることがない。同様に、支持基板110としてSiやGaAsなどを用いて、そのへき開性を利用したい場合、調整層111の材質として展性、粘性を有する金属などを用いても、調整層111を除去することにより、へき開性を確保することができる。
In addition, the
又、調整層111は、支持基板110の窒化物系半導体素子層との接合面とは反対側の面に形成されるため、支持基板110と窒化物系半導体素子層との接着性の悪化を考慮する必要がない。
Further, since the
又、第1の実施の形態では、調整層111が支持基板110より熱膨張係数が小さい材料からなることにより、支持基板110は窒化物系半導体素子層側に凹状に湾曲する性質を有することができる。このため、支持基板110と窒化物系半導体素子層との均一な接合が可能となる。このような例として、支持基板110は、金属と該金属の酸化物との複合体を主成分とし、調整層111は、Si層であることが好ましい。
In the first embodiment, since the
又、第1の実施の形態において、支持基板110は導電性であることが好ましく、より好ましくは金属又は金属複合体であることが好ましい。金属又は金属複合体は、導電性が良好であるだけでなく、熱伝導率に優れるため、窒化物系半導体素子の放熱性を向上することができる。
In the first embodiment, the
(第2の実施の形態)
図4及び図5は、第2の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオード素子の製造方法を説明するための断面図である。第2の実施の形態では、Si基板上に形成された窒化物系半導体素子層が、接合する支持基板側に凹状に湾曲する性質を有する場合について説明する。第2の実施の形態では、支持基板より熱膨張係数が大きい材料からなる調整層を形成することにより、支持基板は窒化物系半導体素子層側に凸状に湾曲する性質を有することができる。
(Second Embodiment)
4 and 5 are cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a nitride-based light-emitting diode element according to the second embodiment. In the second embodiment, a case will be described in which the nitride-based semiconductor element layer formed on the Si substrate has a property of curving concavely toward the supporting substrate to be bonded. In the second embodiment, by forming the adjustment layer made of a material having a larger thermal expansion coefficient than that of the support substrate, the support substrate can have a property of being curved in a convex shape toward the nitride-based semiconductor element layer side.
まず、図4(a)に示すように、MOCVD法を用いて、Si基板201上に、バッファ層202、下地層213、n型コンタクト層203、n型クラッド層204、活性層205、p型キャップ層206、p型クラッド層207及びp型コンタクト層208を順次成長させ、ついで真空蒸着法によりp側電極を形成する。
First, as shown in FIG. 4A, a buffer layer 202, a
具体的には、Si基板201を約1000〜1200℃(例えば、1150℃)の温度に保持した状態で、NH3及びTMGaからなる原料ガスを用いて、Si基板の(111)面上に、約5nmの厚みを有するAl層と約20nmの厚みを有するGaN層を交互に約50対積層したAlN/GaN多層膜からなるバッファ層202を成長させる。
Specifically, with the
次に、第1の実施の形態と同様に、下地層213、n型コンタクト層203、n型クラッド層204、活性層205、p型キャップ層206、p型クラッド層207及びp型コンタクト層208によって構成される窒化物系半導体素子層を形成する。この後、第1の実施の形態と同様に、p側電極を真空蒸着法により形成する。
Next, as in the first embodiment, the
ここで、上述したSi基板201と窒化物系半導体素子層との熱膨張係数の差に起因して、窒化物系半導体素子層が、接合する支持基板側に凹状に湾曲する。この湾曲量は、室温における5インチφサイズのウェハにおいて、中心部と端部とで約50〜100μm程度の高低差となる。
Here, due to the difference in thermal expansion coefficient between the
一方、図4(b)に示すように、CuとCu2Oとの複合材料(例えば、Cu:50重量%、Cu2O:50重量%の含有率を有する複合材料)からなり、約200μmの厚みを有する支持基板210の一方の主面上に、約10nmの厚みを有するTi層からなる接着層を介して、約5μmの厚みを有するCu層からなる調整層211を真空蒸着法により形成する。この調整層211は、支持基板210より熱膨張係数が大きい材料からなる。尚、Ti層からなる接着層は、CuとCu2Oとの複合材料からなる支持基板210と同程度の熱膨張係数を有するので、ここでは調整層211に相当しない。又、支持基板210の他方の主面上に、約10nmの厚みを有するTi層からなる接着層を介して、約500nmの厚みを有するAu層からなる融着層209を真空蒸着法により順次形成する。
On the other hand, as shown in FIG. 4 (b), it is made of a composite material of Cu and Cu 2 O (for example, a composite material having a Cu: 50 wt% content ratio and Cu 2 O: 50 wt% content), and is about 200 μm. An
ここで、上述した、Cu:50重量%、Cu2O:50重量%の含有率を有する複合材料からなる支持基板210と、Cu層からなる調整層211の熱膨張係数は、それぞれ約10×10-6/Kと、約17×10-6/Kであり、支持基板210は接合される窒化物系半導体素子層側に凹状に湾曲する。この湾曲量は、室温における5インチφサイズのウェハにおいて、中心部と端部とで約50〜100μm程度の高低差となる。
Here, the thermal expansion coefficients of the
尚、必要に応じて、調整層211の形成後の支持基板210にアニール処理を行ってもよい。
If necessary, the
次に、図4(c)に示すように、窒化物系半導体素子層上のp側電極と支持基板210上の融着層209とを、Au−SnやPd−Sn、In−Pdなどからなる半田、あるいはAgからなる導電性ペーストを介して、熱圧着する。例えば、Au−Sn(Au:80重量%、Sn:20重量%)からなる半田を介して接合する場合、支持基板210を約300℃に加熱し、約0.3Paの圧力下で、数10分間保持することで、熱圧着を行う。
Next, as shown in FIG. 4C, the p-side electrode on the nitride-based semiconductor element layer and the
次に、図5(a)に示すように、窒化物系半導体素子層からSi基板201を、弗化水素酸系水溶液によるウェットエッチングにより除去する。この後、研磨やエッチングを用いて、n型コンタクト層203を露出させる。
Next, as shown in FIG. 5A, the
次に、図5(b)に示すように、第1の実施の形態と同様に、透光性のn側電極212を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, a translucent n-
次に、図5(c)に示すように、第1の実施の形態と同様に、素子分離を行う。このようにして、第2の実施の形態に係る窒化物系半導体素子が形成される。 Next, as shown in FIG. 5C, element isolation is performed as in the first embodiment. In this way, the nitride semiconductor device according to the second embodiment is formed.
第2の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子によると、調整層211が支持基板210より熱膨張係数が大きい材料からなることにより、支持基板210は窒化物系半導体素子層側に凸状に湾曲する性質を有することができる。このため、支持基板210と窒化物系半導体素子層との均一な接合が可能となる。このような例として、支持基板210は、金属と該金属の酸化物との複合体を主成分とし、調整層211は、金属層であることが好ましい。
According to the method for manufacturing a nitride semiconductor device and the nitride semiconductor device according to the second embodiment, since the
(第3の実施の形態)
図6〜9は、第3の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの製造方法を説明するための図である。第3の実施の形態では、サファイア基板上に形成された窒化物系半導体素子層が、接合する支持基板側に凸状に湾曲する性質を有する場合について説明する。第3の実施の形態では、支持基板より熱膨張係数が小さい材料からなる調整層を形成することにより、支持基板は窒化物系半導体素子層側に凹状に湾曲する性質を有することができる。
(Third embodiment)
6 to 9 are views for explaining a method of manufacturing a nitride semiconductor laser according to the third embodiment. In the third embodiment, a case will be described in which a nitride-based semiconductor element layer formed on a sapphire substrate has a property of curving convexly toward the supporting substrate to be bonded. In the third embodiment, by forming an adjustment layer made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than that of the support substrate, the support substrate can have a property of being concavely curved toward the nitride-based semiconductor element layer side.
まず、図6(a)に示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて、サファイア基板301上に、バッファ層302、下地層313、n型コンタクト層303、n型クラッド層304、n型光ガイド層314、活性層305、p型キャリアブロック層315、p型光ガイド層319、p型クラッド層307及びp型コンタクト層308を順次成長させる。その後、リッジ部、電極ブロック層、p側電極及びp側パッド電極を形成する。
First, as shown in FIG. 6A, a
具体的には、第1の実施の形態と同様に、サファイア基板301上に、バッファ層302、下地層313、n型コンタクト層303を成長させる。
Specifically, as in the first embodiment, the
次に、サファイア基板301を約1000〜1200℃(例えば、1150℃)の成長温度に保持した状態で、NH3、TMGa及びTMAl(トリメチルアルミニウム)からなる原料ガスと、SiH4からなるドーパントガスとを用いて、n型コンタクト層303上に、約1.0μmの厚みを有するSiがドープされた単結晶のAl0.07Ga0.93Nからなるn型クラッド層304を成長させる。
Next, with the
次に、サファイア基板301を約700〜1000℃(例えば、850℃)の成長温度に保持した状態で、NH3及びTMGaからなる原料ガスと、SiH4からなるドーパントガスとを用いて、n型クラッド層304上に、約0.1μmの厚みを有するSiがドープされた単結晶のGaNからなるn型光ガイド層314を成長させる。
Next, in a state where the
次に、サファイア基板301を約700〜1000℃(例えば、850℃)の成長温度に保持した状態で、NH3、TMGa及びTMInからなる原料ガスを用いて、n型光ガイド層314上に、約20nmの厚みを有するアンドープの単結晶のGa0.95In0.05Nからなる障壁層と、約3.5nmの厚みを有するアンドープの単結晶のGa0.85In0.15Nからなる井戸層とを交互に成長させる。これにより、4つの障壁層及び3つの井戸層を有するMQW構造の活性層305を成長させる。
Next, in a state where the
次に、サファイア基板301を約700〜1000℃(例えば、850℃)の成長温度に保持した状態で、NH3、TMGa及びTMAlからなる原料ガスと、CP2Mgからなるドーパントガスとを用いて、活性層305上に、約20nmの厚みを有するMgがドープされた単結晶のp型Al0.25Ga0.75Nからなるp型キャリアブロック層315を成長させる。
Next, in a state where the
次に、サファイア基板301を約1000〜1200℃(例えば、1150℃)の成長温度に保持した状態で、NH3及びTMGaからなる原料ガスと、CP2Mgからなるドーパントガスとを用いて、p型キャリアブロック層315上に、約0.1μmの厚みを有するMgがドープされた単結晶のGaNからなるp型光ガイド層319を成長させる。
Next, in a state where the
次に、サファイア基板301を約1000〜1200℃(例えば、1150℃)の成長温度に保持した状態で、NH3、TMGa及びTMAlからなる原料ガスと、CP2Mgからなるドーパントガスとを用いて、p型光ガイド層319上に、約0.5μmの厚みを有するMgがドープされた単結晶のAl0.07Ga0.93Nからなるp型クラッド層307を成長させる。
Next, in a state where the
次に、サファイア基板301を約700〜1000℃(例えば、850℃)の成長温度に保持した状態で、NH3、TMGa及びTMAlからなる原料ガスと、CP2Mgからなるドーパントガスとを用いて、p型クラッド層307上に、約3nmの厚みを有するMgがドープされた単結晶のGa0.99In0.01Nからなるp型コンタクト層308を成長させる。
Next, in a state where the
次に、熱処理や電子線処理を行うことにより、p型キャリアブロック層315、p型光ガイド層319、p型クラッド層307、p型コンタクト層308のp型化を行う。このようにして、バッファ層302、下地層313、n型コンタクト層303、n型クラッド層304、n型光ガイド層314、活性層305、p型キャリアブロック層315、p型光ガイド層319、p型クラッド層307及びp型コンタクト層308によって構成される窒化物系半導体素子層を形成する。
Next, the p-type
この後、p型クラッド層307及びp型コンタクト層308の所定領域を、フォトリソグラフィ技術と、塩素系ガスによる反応性イオンエッチングとを用いて除去することで、約1.5μmの幅を有し、(1−100)方向に延びるストライプ状の凸部からなるリッジ部317を形成する。このとき、p型クラッド層307の凸部以外の平坦部の厚みが、約0.05μmとなるように、エッチングの深さを制御する。
Thereafter, predetermined regions of the p-
次に、プラズマCVD法と用いて、全面を覆うように、約0.2μmの厚みを有するSiO2膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術と、CF4ガスによる反応性イオンエッチングとを用いて、SiO2層のp型コンタクト層308の状面上に位置する部分を除去することで、SiO2層からなる電流ブロック層を形成する。
Next, after forming a SiO 2 film having a thickness of about 0.2 μm so as to cover the entire surface using a plasma CVD method, using a photolithography technique and reactive ion etching with CF 4 gas, by removing a portion located on Jo surface of the p-
次に、p型コンタクト層308の露出された状面上に、約1nmの厚みを有するPt層と、約100nmの厚みを有するPd層と、約240nmの厚みを有するNi層とからなるp型オーミック電極を、ストライプ状に形成する。更に、電流ブロック層の表面上に、p側オーミック電極を覆うように、約100nmの厚みを有するTi層と、約150nmの厚みを有するPt層と、約3μmの厚みを有するAu層とからなるp側パッド電極316を、真空蒸着法により順次形成する。
Next, a p-type layer comprising a Pt layer having a thickness of about 1 nm, a Pd layer having a thickness of about 100 nm, and a Ni layer having a thickness of about 240 nm on the exposed surface of the p-
ここで、上述したサファイア基板301と窒化物系半導体素子層との熱膨張係数の差に起因して、窒化物系半導体素子層が、接合する支持基板側に凸状に湾曲する。
Here, due to the difference in thermal expansion coefficient between the
一方、図6(b)に示すように、第1の実施の形態と同様に、CuとCu2Oとの複合材料(例えば、Cu:50重量%、Cu2O:50重量%の含有率を有する複合材料)からなり、約200μmの厚みを有する支持基板310の一方の主面上に、約10nmの厚みを有するTi層からなる接着層を介して、約5μmの厚みを有するSi層からなる調整層311を真空蒸着法により形成する。この調整層311は、支持基板310より熱膨張係数が小さい材料からなる。尚、Ti層からなる接着層は、CuとCu2Oとの複合材料からなる支持基板310と同程度の熱膨張係数を有するので、ここでは調整層311に相当しない。又、支持基板310の他方の主面上に、約10nmの厚みを有するTi層からなる接着層を介して、約500nmの厚みを有するAu層からなる融着層309を真空蒸着法により順次形成する。
On the other hand, as shown in FIG. 6B, as in the first embodiment, a composite material of Cu and Cu 2 O (for example, Cu: 50 wt%, Cu 2 O: 50 wt% content rate) A Si layer having a thickness of about 5 μm on one main surface of a
ここで、上述した、Cu:50重量%、Cu2O:50重量%の含有率を有する複合材料からなる支持基板310と、Si層からなる調整層311の熱膨張係数は、それぞれ約10×10-6/Kと、約4×10-6/Kであり、支持基板110は接合される窒化物系半導体素子層側に凹状に湾曲する。
Here, the thermal expansion coefficients of the
尚、必要に応じて、調整層311の形成後の支持基板310にアニール処理を行ってもよい。
If necessary, the
次に、図6(c)に示すように、第1の実施の形態と同様に、窒化物系半導体素子層上のp側パッド電極316と支持基板310上の融着層309とを、熱圧着する。
Next, as shown in FIG. 6C, as in the first embodiment, the p-
次に、第1の実施の形態と同様に、Nd:YAGレーザ光などをサファイア/GaN界面付近のGaN層に吸収させることによって、窒化物系半導体素子層からサファイア基板301を除去する。その後、付着したGaは塩酸水溶液により除去し、研磨やエッチングを用いて、n型コンタクト層303を露出させる。
Next, as in the first embodiment, the
次に、図7(a)及び(b)に示すように、真空蒸着法を用いて、n型コンタクト層303上の所定の領域に、約6nmの厚みを有するAl層と、約10nmの厚みを有するNi層と、約100nmの厚みを有するAu層とからなるn側オーミック電極を形成する。そして、n側オーミック電極上に、約10nmの厚みを有するNi層と、約700nmの厚みを有するAu層とからなるn側パッド電極320を形成する。
Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, an Al layer having a thickness of about 6 nm and a thickness of about 10 nm are formed in a predetermined region on the n-
次に、図8(a)及び(b)に示すように、n側パッド電極320以外の所定の領域を、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、支持基板310に達するまでエッチングすることで、リッジのストライプに直交した(1−100)面と(−1100)面とにより構成されるレーザ共振器端面318を形成する。
Next, as shown in FIGS. 8A and 8B, a predetermined region other than the n-
次に、図9(a)及び(b)に示すように、ダイシングやレーザスクライブあるいは、支持基板310の選択エッチングによって、素子分離を行う。このようにして、第3の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザが形成される。
Next, as shown in FIGS. 9A and 9B, element isolation is performed by dicing, laser scribing, or selective etching of the
第3の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子によると、調整層311が支持基板310より熱膨張係数が小さい材料からなることにより、支持基板310は窒化物系半導体素子層側に凹状に湾曲する性質を有することができる。このため、支持基板310と窒化物系半導体素子層との均一な接合が可能となる。このような例として、支持基板310は、金属と該金属の酸化物との複合体を主成分とし、調整層311は、Si層であることが好ましい。
According to the method for manufacturing a nitride semiconductor device and the nitride semiconductor device according to the third embodiment, since the
(第4の実施の形態)
図10〜13は、第4の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの製造方法を説明するための図である。第4の実施の形態では、Si基板上に形成された窒化物系半導体素子層が、接合する支持基板側に凹状に湾曲する性質を有する場合について説明する。第4の実施の形態では、支持基板より熱膨張係数が大きい材料からなる調整層を形成することにより、支持基板は窒化物系半導体素子層側に凸状に湾曲する性質を有することができる。
(Fourth embodiment)
10 to 13 are views for explaining a method of manufacturing the nitride semiconductor laser according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, a case will be described in which the nitride-based semiconductor element layer formed on the Si substrate has a property of curving concavely toward the supporting substrate to be bonded. In the fourth embodiment, by forming an adjustment layer made of a material having a larger thermal expansion coefficient than that of the support substrate, the support substrate can have a property of being curved convexly toward the nitride-based semiconductor element layer side.
まず、図10(a)に示すように、MOCVD法を用いて、Si基板401上に、バッファ層402、下地層413、n型コンタクト層403、n型クラッド層404、n型光ガイド層414、活性層405、p型キャリアブロック層415、p型光ガイド層419、p型クラッド層407及びp型コンタクト層408を順次成長させ、ついで真空蒸着法によりp側電極を形成する。
First, as shown in FIG. 10A, the
具体的には、第2の実施の形態と同様に、Si基板の(111)面上に、約5nmの厚みを有するAl層と約20nmの厚みを有するGaN層を交互に約50対積層したAlN/GaN多層膜からなるバッファ層402を成長させる。
Specifically, as in the second embodiment, about 50 pairs of Al layers having a thickness of about 5 nm and GaN layers having a thickness of about 20 nm are alternately stacked on the (111) plane of the Si substrate. A
次に、第3の実施の形態と同様に、下地層413、n型コンタクト層403、n型クラッド層404、活性層405、p型キャリアブロック層415、p型光ガイド層419、p型クラッド層407及びp型コンタクト層408によって構成される窒化物系半導体素子層を形成する。
Next, as in the third embodiment, the
次に、第3の実施の形態と同様に、フォトリソグラフィと、反応性イオンエッチングと、プラズマCVD法と、真空蒸着法とを用いて、リッジ部417、電流ブロック層、p側電極及びp型パッド電極416を形成する。
Next, as in the third embodiment, the
ここで、上述したSi基板401と窒化物系半導体素子層との熱膨張係数の差に起因して、窒化物系半導体素子層が、接合する支持基板側に凸状に湾曲する。
Here, due to the difference in thermal expansion coefficient between the
一方、図10(b)に示すように、第2の実施の形態と同様に、CuとCu2Oとの複合材料(例えば、Cu:50重量%、Cu2O:50重量%の含有率を有する複合材料)からなり、約200μmの厚みを有する支持基板410の一方の主面上に、約10nmの厚みを有するTi層からなる接着層を介して、約3μmの厚みを有するCu層からなる調整層411を真空蒸着法により形成する。この調整層411は、支持基板410より熱膨張係数が大きい材料からなる。尚、Ti層からなる接着層は、CuとCu2Oとの複合材料からなる支持基板410と同程度の熱膨張係数を有するので、ここでは調整層411に相当しない。又、支持基板410の他方の主面上に、約10nmの厚みを有するTi層からなる接着層を介して、約500nmの厚みを有するAu層からなる融着層409を真空蒸着法により順次形成する。
On the other hand, as shown in FIG. 10B, as in the second embodiment, a composite material of Cu and Cu 2 O (for example, Cu: 50 wt%, Cu 2 O: 50 wt% content rate) A Cu layer having a thickness of about 3 μm on one main surface of a
ここで、上述した、Cu:50重量%、Cu2O:50重量%の含有率を有する複合材料からなる支持基板410と、Cu層からなる調整層411の熱膨張係数は、それぞれ約10×10-6/Kと、約17×10-6/Kであり、支持基板410は接合される窒化物系半導体素子層側に凹状に湾曲する。
Here, the thermal expansion coefficients of the
尚、必要に応じて、調整層211の形成後の支持基板210にアニール処理を行ってもよい。
If necessary, the
次に、図10(c)に示すように、第3の実施の形態と同様に、窒化物系半導体素子層上のp側電極と支持基板410上の融着層409とを、Au−SnやPd−Sn、In−Pdなどからなる半田、あるいはAgからなる導電性ペーストを介して、熱圧着する。
Next, as shown in FIG. 10C, as in the third embodiment, the p-side electrode on the nitride-based semiconductor element layer and the
次に、図11(a)及び(b)に示すように、第3の実施の形態と同様に、真空蒸着法を用いて、n型コンタクト層403上の所定の領域に、n側オーミック電極を形成する。そして、n側オーミック電極上に、n側パッド電極420を形成する。
Next, as shown in FIGS. 11A and 11B, as in the third embodiment, an n-side ohmic electrode is formed in a predetermined region on the n-
次に、図12(a)及び(b)に示すように、第3の実施の形態と同様に、n側パッド電極420以外の所定の領域を、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、レーザ共振器端面418を形成する。
Next, as shown in FIGS. 12A and 12B, as in the third embodiment, a predetermined region other than the n-
次に、図13(a)及び(b)に示すように、ダイシングやレーザスクライブあるいは、支持基板410の選択エッチングによって、素子分離を行う。このようにして、第4の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザが形成される。
Next, as shown in FIGS. 13A and 13B, element isolation is performed by dicing, laser scribing, or selective etching of the
第4の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子によると、調整層411が支持基板410より熱膨張係数が大きい材料からなることにより、支持基板410は窒化物系半導体素子層側に凸状に湾曲する性質を有することができる。このため、支持基板410と窒化物系半導体素子層との均一な接合が可能となる。このような例として、支持基板410は、金属と該金属の酸化物との複合体を主成分とし、調整層411は、金属層であることが好ましい。
According to the method for manufacturing a nitride semiconductor device and the nitride semiconductor device according to the fourth embodiment, since the
(その他の実施形態)
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
Although the present invention has been described according to the above-described embodiments, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
例えば、第1〜第4の実施の形態では、主として、窒化物半導体素子層の活性層から放出される光を利用する発光ダイオードや半導体レーザの製造方法について例示したが、本発明はこれに限らず、これら発光素子からの放出光を励起光とする蛍光体とを組み合わせた発光素子の製造にも利用可能である。又、窒化物系半導体素子層を有するHEMT(High Electron Mobility Transistor)などの電子デバイス、SAW(Surface Acoustic Wave)デバイス、受光素子への応用が可能である。又、本発明による基板の張り替え技術を応用することにより、多波長の半導体レーザへの応用が可能であり、これにより多波長レーザにおけるウェハ面内での発光点間隔の歩留まりを向上させることができる。 For example, in the first to fourth embodiments, the method of manufacturing a light emitting diode or a semiconductor laser that mainly uses light emitted from the active layer of the nitride semiconductor element layer has been exemplified, but the present invention is not limited thereto. In addition, the present invention can also be used for manufacturing a light emitting device that combines a phosphor that uses the light emitted from these light emitting devices as excitation light. Further, it can be applied to electronic devices such as HEMT (High Electron Mobility Transistor) having a nitride-based semiconductor element layer, SAW (Surface Acoustic Wave) devices, and light receiving elements. Further, by applying the substrate replacement technique according to the present invention, it is possible to apply to a multi-wavelength semiconductor laser, thereby improving the yield of the emission point interval in the wafer plane in the multi-wavelength laser. .
又、第1〜第4の実施の形態では、成長用基板の除去方法として、レーザ照射による剥離及びウェットエッチングを例示したが、本発明はこれに限らず、使用する基板材料に応じて、研磨やドライによるエッチング等が可能である。又、成長用基板と半導体素子層との熱膨張係数の差を使用し、急激な温度変化を加えることで、それらの界面を分離させてもよい。又、半導体素子層内あるいは成長用基板との界面に、金属膜や誘電体膜(あるいは、これらの積層膜)、アモルファス層、空隙部のある層等の剥離層を内在させることで、レーザ照射やドライエッチングにより、剥離層あるいは剥離層近傍の窒化物系半導体素子層を選択的に分解・エッチングするなどにより、基板の除去を行ってもよい。 In the first to fourth embodiments, the removal by laser irradiation and the wet etching are exemplified as the method for removing the growth substrate. However, the present invention is not limited to this, and polishing is performed according to the substrate material to be used. Etching by dry or dry is possible. Alternatively, the interface between the growth substrate and the semiconductor element layer may be separated by applying a sudden temperature change using the difference in thermal expansion coefficient between the growth substrate and the semiconductor element layer. In addition, laser irradiation can be achieved by incorporating a release layer such as a metal film, a dielectric film (or a laminated film thereof), an amorphous layer, or a layer with a void in the semiconductor element layer or at the interface with the growth substrate. Alternatively, the substrate may be removed by selectively decomposing and etching the release layer or the nitride-based semiconductor element layer near the release layer by dry etching.
又、第1〜第4の実施の形態では、MOCVD法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させる説明したが、本発明はこれに限らず、HVPE法やガスソースMBE法などを用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させてもよい。又、窒化物系化合物半導体の結晶構造として、ウルツ鉱型であっても閃亜鉛鉱型構造であってもよい。又、成長の面方位は、(0001)に限るものではなく、(11−20)や(1−100)でもよい。 In the first to fourth embodiments, the MOCVD method is used for crystal growth of each nitride semiconductor layer. However, the present invention is not limited to this, and the HVPE method, the gas source MBE method, or the like is used. Alternatively, each nitride semiconductor layer may be crystal-grown. The crystal structure of the nitride compound semiconductor may be a wurtzite type or a zinc blende type structure. Further, the growth plane orientation is not limited to (0001), and may be (11-20) or (1-100).
又、第1〜第4の実施の形態では、GaN、AlGaN、InGaN及びAlNなどからなる層を含む窒化物系半導体素子層を用いたが、本発明はこれに限らず、GaN、AlGaN、InGaN及びAlNからなる層以外の層を含む窒化物系半導体素子層を用いてもよい。又、半導体素子層の形状は、メサ構造、リッジ構造などの電流狭窄造を有するものでもよい。 In the first to fourth embodiments, the nitride-based semiconductor element layer including a layer made of GaN, AlGaN, InGaN, AlN or the like is used. However, the present invention is not limited to this, and GaN, AlGaN, InGaN. Alternatively, a nitride-based semiconductor element layer including a layer other than the layer made of AlN may be used. The semiconductor element layer may have a current confinement structure such as a mesa structure or a ridge structure.
又、第1〜第4の実施の形態では、窒化物系半導体素子層の成長用基板として、サファイア基板、Si基板を用いたが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体の成長の可能な基板、例えば、SiC、GaAs、MgO、ZnO、スピネル、そしてGaN等が使用可能である。 In the first to fourth embodiments, the sapphire substrate and the Si substrate are used as the growth substrate for the nitride semiconductor element layer. However, the present invention is not limited to this, and the growth of the nitride semiconductor is not limited thereto. Possible substrates such as SiC, GaAs, MgO, ZnO, spinel and GaN can be used.
又、第1及び第2の実施の形態において、p側電極は全面に配置すると説明したが、p側電極は面の一部のみに配置されてもよい。一部のみに電極を設ける場合は、光を反射する膜を形成することがより望ましい。又、支持基板との接着力を強くするためには、パッド電極を設けることが望ましい。 In the first and second embodiments, it has been described that the p-side electrode is disposed on the entire surface. However, the p-side electrode may be disposed on only a part of the surface. In the case where an electrode is provided only in part, it is more desirable to form a film that reflects light. Further, it is desirable to provide a pad electrode in order to strengthen the adhesive force with the support substrate.
又、支持基板材料は、導電性であることが好ましく、第1〜第4の実施の形態において用いた、金属−金属酸化物の複合材料の他、導電性半導体(Si、SiC、GaAs、ZnO等)や、金属あるいは複合金属(Al、Fe−Ni、Cu−W、CU−Mo等)などを用いることができる。一般に、半導体材料よりも金属系材料が機械特性に優れ、割れにくいために、支持基板材料として適している。更に、より好ましくは、Cu、Ag、Auなどの高導電性の金属と、W、Mo、Ni、Cu2Oなどの高硬度の金属あるいは金属酸化物とを複合して、高い導電性と高い機械強度とを併せ持つ材料を用いることである。この場合、例えばCu−Cu2O(Cu:50重量%、Cu2O:50重量%)、Cu−W(Cu:50重量%、W:50重量%)、Cu−Mo(Cu:50重量%、Mo:50重量%)の熱膨張係数は、それぞれ、10×10-6/K、7×10-6/K、7×10-6/Kである。同基板材料に対して、小さな熱膨張係数を有する調整層材料としては、例えば、Si、W、Moなどが挙げられる。又、同基板材料に対して、大きな熱膨張係数を有する調整層材料としては、例えば、Ni、Au,Cu、An−Sn、Ag、Alなどが挙げられる。 The support substrate material is preferably conductive. In addition to the metal-metal oxide composite material used in the first to fourth embodiments, a conductive semiconductor (Si, SiC, GaAs, ZnO) is used. Etc.), metals or composite metals (Al, Fe—Ni, Cu—W, CU—Mo, etc.) can be used. In general, a metal-based material is superior to a semiconductor material in terms of mechanical properties and is not easily cracked, and thus is suitable as a support substrate material. More preferably, a high conductivity metal and a metal oxide, such as W, Mo, Ni, and Cu 2 O, are combined with a highly conductive metal such as Cu, Ag, and Au, so that the high conductivity and the high conductivity are obtained. It is to use a material having both mechanical strength. In this case, for example, Cu—Cu 2 O (Cu: 50 wt%, Cu 2 O: 50 wt%), Cu—W (Cu: 50 wt%, W: 50 wt%), Cu—Mo (Cu: 50 wt%). %, Mo: 50% by weight) are 10 × 10 −6 / K, 7 × 10 −6 / K, and 7 × 10 −6 / K, respectively. Examples of the adjustment layer material having a small thermal expansion coefficient with respect to the substrate material include Si, W, and Mo. Examples of the adjustment layer material having a large thermal expansion coefficient with respect to the substrate material include Ni, Au, Cu, An—Sn, Ag, and Al.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
1、101、201、301、401、501…成長用基板
3、503…窒化物系半導体素子層
9、109、209、309、409、509…融着層
10、110、210、310、410、510…支持基板
11、111、211、311、411、511…調整層
102、202、302、402…バッファ層
103、203、303、403…n型コンタクト層
104、204、304、404…n型クラッド層
105、205、305、405…活性層
106、206…p型キャップ層
107、207、307、407…p型クラッド層
108、208、308、408…p型コンタクト層
112、212、312、412…n側電極
113、213、313、413…下地層
314、414…n型光ガイド層
315、415…p型キャリアブロック層
316、416…p側パッド電極
317、417…リッジ部
318、418…レーザ共振器端面
319、419…p型光ガイド層
320、420…n側パッド電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101,201,301,401,501 ... Growth substrate 3,503 ... Nitride semiconductor element layer 9,109,209,309,409,509 ... Fusion layer 10,110,210,310,410, 510 ...
Claims (6)
第2の基板の一方の主面上に、該第2の基板とは熱膨張係数の異なる材料からなる調整層を形成する工程と、
前記窒化物系半導体素子層上に、前記第2の基板の他方の主面を接合する工程と、
接合された前記窒化物系半導体素子層及び前記第2の基板から前記第1の基板を除去する工程と
を含むことを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。 Forming at least one nitride-based semiconductor element layer on the first substrate;
Forming an adjustment layer made of a material having a coefficient of thermal expansion different from that of the second substrate on one main surface of the second substrate;
Bonding the other main surface of the second substrate on the nitride-based semiconductor element layer;
Removing the first substrate from the bonded nitride-based semiconductor element layer and the second substrate. A method for manufacturing a nitride-based semiconductor element, comprising:
前記調整層は、前記第2の基板より熱膨張係数が小さい材料からなることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。 When the nitride-based semiconductor element layer formed on the first substrate has a property of being convexly curved toward the supporting substrate to be bonded,
The method for manufacturing a nitride-based semiconductor element according to claim 1, wherein the adjustment layer is made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than the second substrate.
前記調整層は、Si層であることを特徴とする請求項2に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。 The second substrate is mainly composed of a composite of a metal and an oxide of the metal,
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 2, wherein the adjustment layer is a Si layer.
前記調整層は、前記第2の基板より熱膨張係数が大きい材料からなることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。 When the nitride-based semiconductor element layer formed on the first substrate has a property of being concavely curved toward the supporting substrate to be joined,
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the adjustment layer is made of a material having a larger thermal expansion coefficient than that of the second substrate.
前記調整層は、前記金属からなる層であることを特徴とする請求項4に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。 The second substrate is mainly composed of a composite of a metal and an oxide of the metal,
The method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 4, wherein the adjustment layer is a layer made of the metal.
前記第2の基板の他方の主面上に、該第2の基板とは熱膨張係数の異なる材料からなる調整層を備えることを特徴とする窒化物系半導体素子。
Forming at least one nitride-based semiconductor element layer on the first substrate; bonding one main surface of the second substrate on the nitride-based semiconductor element layer; A nitride semiconductor device manufactured by the step of removing the first substrate from the bonded nitride semiconductor device layer and the second substrate,
A nitride-based semiconductor element comprising an adjustment layer made of a material having a coefficient of thermal expansion different from that of the second substrate on the other main surface of the second substrate.
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