JP2006310851A - 窒化物層の製造方法及びこれを用いた垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

窒化物層の製造方法及びこれを用いた垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は窒化物層および垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
【解決手段】本発明は,サファイア基板を備える段階;上記サファイア基板上に、窒化物より高い融点を有し窒化物より高い熱伝導性を有する物質からなるバッファ層を形成する段階;上記バッファ層上に窒化物層を形成する段階;及び上記サファイア基板の下部にレーザを照射し上記窒化物層を分離する段階を含む窒化物層の製造方法を提供する。本発明において上記窒化物層はAlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する物質で、上記バッファ層はSiCからなることを特徴とする。
【選択図】図2c

Description

本発明は窒化物層の製造方法及びこれを用いた垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものとして、より詳細には、サファイア基板上に窒化物層を成長させた後サファイア基板を除去するためのレーザリフトオフ(Laser Lift Off:LLO)工程において、照射されるレーザの強度を適切に調節して窒化物層とバッファ層の界面で分離が起こるようにすることにより、窒化物層の分解時発生する熱をバッファ層を通じて放出し熱による窒化物層の劣化を防止することが可能な窒化物層の製造方法及びこれを用いた垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
最近情報通信技術の急激な発達により、超高速、大容量の信号転送のための通信技術が急速に発達されつつある。特に、無線通信技術において個人携帯電話、衛星通信、軍事用レーダー、放送通信、通信用中継機などの需要が漸次拡大されるにつれ、マイクロ波とミリメータ波帯域の超高速情報通信システムが必要な高速・高電力電子素子に対する要求が増大されている趨勢である。
特に、窒素化合物(窒化物)はエネルギーギャップが大きく、高い熱的化学的安定度、高い電子飽和速度などの優れた物性を有しており光素子だけではなく、高周波・高出力用電子素子への応用が容易で様々な分野において活発に研究されている。
このような窒化物半導体を得るため従来にはサファイア基板を利用して窒化物層を成長させた。しかし、サファイア基板は絶縁体で加工することが難しく熱伝導率が悪いため素子製作工程が複雑になり素子性能向上の障害になる。このような短所を克服するためサファイア基板をレーザリフトオフ(Laser Lift Off:LLO)のような基板分離工程を利用して窒化物層とサファイア基板を分離した。
図1は従来のレーザリフトオフ工程を利用した窒化物層製造方法を図示した断面図である。図1を参照すると、従来の窒化物層製造方法は、先ず、サファイア基板10上にAlNまたはGaNからなるバッファ層11を形成し上記バッファ層11上に窒化物層12を成長させる。次いで、上記サファイア基板10の下部にレーザLを照射し、照射されたレーザがサファイア基板10を透過してバッファ層11を分解させることにより上記窒化物層12を分離させた。即ち、従来の窒化物層製造方法は、レーザリフトオフ工程において上記バッファ層11を犠牲層に利用してサファイア基板10と窒化物層12を分離した。
このような、従来の窒化物層製造方法は、バッファ層11を犠牲層として使用するためバッファ層11を分解させる過程から発生する約1000℃の熱が窒化物層12に伝導されることにより、上記窒化物層12が熱によって劣化される問題点を有する。このような劣化により窒化物層の物性が悪くなり、光学及び電気的特性が低下される等の様々な問題点が発生する。
本発明は前記の従来技術の問題点を解決するため案出されたものとして、その目的はレーザリフトオフ工程において、照射されるレーザの強度を適切に調節して窒化物層とバッファ層の界面で分離が起こるようにすることにより、窒化物層の分解時発生する熱をバッファ層を通じ放出して熱による窒化物層の劣化を防止することが可能な窒化物層の製造方法及びこれを用いた垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するための技術的構成として、本発明は、
サファイア基板を備える段階と、
上記サファイア基板上に、窒化物より高い融点を有し上記窒化物より高い熱伝導性を有する物質からなるバッファ層を形成する段階と、
上記バッファ層上に窒化物層を形成する段階、及び
上記サファイア基板の下部にレーザを照射し上記窒化物層を分離する段階を含む窒化物層の製造方法を提供する。
本発明の好ましい実施形態において、上記バッファ層はSiCからなりその厚さは2000Å以下である。また、上記窒化物層はAlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する物質であることが可能である。
好ましく、上記窒化物層を分離する段階は、下記の数4のような強度を有するレーザをサファイア基板の下部に照射して上記バッファ層と窒化物層の界面で上記窒化物層を分離する段階である。
(I:照射されるレーザの強度、I:窒化物層が分解されるに必要なレーザ強度、α:レーザの吸収係数、Z:バッファ層の厚さ)
本発明は、上記窒化物層の製造方法を採用した垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法も提供する。本発明に伴う垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法は、
サファイア基板を備える段階と、
上記サファイア基板上にSiCからなるバッファ層を形成する段階と、
上記バッファ層上にAlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有するn型窒化物半導体層、活性層、p型窒化物半導体層が順次に積層された発光構造物を形成する段階と、
上記p型窒化物半導体層上に導電性キャリア基板を形成する段階、及び
下記の数5のような強度を有するレーザをサファイア基板の下部に照射して上記バッファ層とn型窒化物半導体層の界面で上記発光構造物を分離する段階を含む。
(I:照射されるレーザの強度、I:n型窒化物半導体層が分解されるに必要なレーザ強度、α:レーザの吸収係数、Z:バッファ層の厚さ)
本発明によると、サファイア基板上に窒化物層を成長させた後サファイア基板を除去するためのレーザリフトオフ(Laser Lift Off:LLO)工程において、照射されるレーザの強度を適切に調節して窒化物層とバッファ層の界面で分離が起こるようすることにより、窒化物層の分解時発生する熱をバッファ層を通じて放出し熱による窒化物層の劣化を防止する効果がある。これによって、優秀な品質の窒化物層及び垂直構造窒化物半導体発光素子を製造することが可能な効果がある。
以下、添付の図面を参照に本発明の多様な実施形態をより詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることが可能で、本発明の範囲が以下説明される実施形態で限定されることではない。本発明の実施形態は本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するため提供される。従って、図面に図示された構成要素らの形状及び大きさ等はより明確な説明のため誇張され得る。
図2aないし図2dは本発明に伴う窒化物層の製造方法を工程手順通り図示した工程断面図である。
先ず、図2aのように、サファイア基板100を備え、上記サファイア基板100上にバッファ層110を形成する。上記バッファ層110は以後工程でその上面に形成される窒化物層を構成する材料より高い融点を有する物質からなることが好ましい。
さらに、その上面に形成される窒化物層との格子常数及び熱膨張係数の差を考慮して欠陥が少ない窒化物層を成長させることが可能な物質からなることが好ましい。また、以後レーザリフトオフ(Laser Lift Off)工程時窒化物層に伝達される熱を減少させるため上記窒化物より高い熱伝導性を有する物質からなることが好ましい。このようなことらを考慮し、上記バッファ層110はSiCからなることが好ましい。
上記SiCは窒化物の成長のための基板として使用されることが可能な程度に窒化物との格子常数及び熱膨張係数の差が少ないながら、同時に1500℃以上の温度でも化学的、物理的に安定した物質である。上記バッファ層110は公知の蒸着工程を利用して形成されることが可能である。上記バッファ層110の厚さはレーザが透過され窒化物層120との界面まで到達することが可能であるよう2000Å以下の厚さで形成することが好ましい。
次いで、図2bのように、上記バッファ層110上に窒化物層120を形成する。上記窒化物層120はAlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する物質であることが好ましい。上記窒化物層120はAlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する物質を有機金属気相蒸着法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)、分子ビーム成長法(Molecular Beam Epitaxy:MBE)またはハイブリッド気相蒸着法(Hybride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)のような公知の蒸着工程を利用して形成されることが可能である。
次いで、図2cのように、窒化物層120を下部の構造物と分離するため、サファイア基板100の下部にレーザを照射するレーザリフトオフ工程を実施する。この際、照射されるレーザはサファイア基板100を透過し、上記バッファ層110及び窒化物層120に吸収されることが可能な波長を有するKrFレーザまたはQ-スイッチトNd:YAGレーザ等を使用することが可能である。
この工程においてレーザLの強度は、サファイア基板100を透過してバッファ層110に到達した後、比較的薄い厚さのバッファ層110を通過しながら一部エネルギーが吸収されるため指数(exponential)関数で減少する。バッファ層110を通過したレーザはバッファ層110と窒化物層120の界面Bに到達して上記界面B付近の窒化物層120を分解させる。
下記の数6は強度Iのレーザが照射される時、厚さZのバッファ層110を透過したレーザの強度(I)を示す。
(I:照射されるレーザの強度、I:窒化物層が分解されるに必要なレーザ強度、α:レーザの吸収係数、Z:バッファ層の厚さ)
即ち、照射されたレーザが厚さの指数関数で減少するようになる。上記の数6からバッファ層110と窒化物層120との界面までレーザが到達するために照射すべきレーザの強度を下記の数7の通り求めることが可能である。
(I:照射されるレーザの強度、I:窒化物層が分解されるに必要なレーザ強度、α:レーザの吸収係数、Z:バッファ層の厚さ)
例えば、レーザリフトオフ工程に使用されるレーザが約10/cmの吸収係数を有する355nm波長のQ-スイッチトNd:YAGレーザを使用してレーザリフトオフ工程を進行し、窒化物層120が300mJ/cmの強度を有するレーザにより分解され始まるとすると、10nm厚さのバッファ層を利用した場合に、照射すべきレーザ強度は、I=300/e-100000×0.000001≒332mJ/cmになる。このように、数7を利用してこれで図2dのように、上記バッファ層110と窒化物層120の界面で窒化物層120の分離が発生するようにすることが可能なレーザの強度を計算することが可能である。
また、上記数7を利用してバッファ層110と窒化物層120の界面で窒化物層120の分離が発生するようレーザの強度を調節すると、窒化物層120の分離時発生する熱が熱伝導性が高いバッファ層110を通じて伝達されるため窒化物層120へ熱が伝導され発生する窒化物層120の品質劣化を防止することが可能である。
図3は本発明に伴いレーザリフトオフ工程を進行した後窒化物層の分離された面をXPSで分析した結果図である。この際バッファ層の材料としてはSiCを利用し、窒化物層はGaNからなっている。図3に示した通り、窒化物層の分離された面からC、O、N、Ga、Au等の元素が検出されたが、バッファ層の材料を構成するSiは検出されなかった。これでSiCからなるバッファ層の分解は成されず、バッファ層と窒化物層の界面で分離が成されたことが分かる。
図4は本発明に伴いレーザリフトオフ工程を進行した後窒化物層の分離された面のTEM写真である。図3と同様にバッファ層の材料としてはSiCを利用し、窒化物層はGaNからなっている。図4に図示された通り、窒化物層の分離された面からGaNの格子が鮮明に現れた。これでSiCからなるバッファ層の分解は成されず、バッファ層と窒化物層の界面で分離が成されたことが分かる。
以上から説明した本発明に伴う窒化物層の製造方法はバルク窒化物基板を製造する際に使用されることが可能で、さらに、サファイア基板を分離する工程が必要な垂直構造窒化物半導体発光素子の製造に使用されることも可能である。本発明が適用された垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法が図5aないし図5fに図示される。
先ず図5aのように、サファイア基板200を具備した後、上記サファイア基板200上にSiCからなるバッファ層210を形成する。上記バッファ層210を形成する工程は前記の工程と同一であるため詳細な説明は省略することとする。
次いで、図5bのように、上記バッファ層210上にAlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有するn型窒化物半導体層221、活性層222、p型窒化物半導体層223が順次に積層された発光構造物220を形成する。
上記n型窒化物半導体層221はSi、Ge、Se、TeまたはC等を不純物として添加しAlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する半導体物質を有機金属気相蒸着法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)、分子ビーム成長法(Molecular Beam Epitaxy:MBE)またはハイブリッド気相蒸着法(Hybride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)のような公知の蒸着工程を使用してサファイア基板上に順次に成長させることが可能である。
上記活性層222は光を発光するための層として、単一または多重量子井戸構造を有するGaNまたはInGaN等の窒化物層で構成され上記n型窒化物半導体層221と同様に有機金属気相蒸着法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)、分子ビーム成長法(Molecular Beam Epitaxy:MBE)またはハイブリッド気相蒸着法(Hybride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)のような公知の蒸着工程を使用して上記n型窒化物半導体層221上に形成される。
上記p型窒化物半導体層223は上記n型窒化物半導体層221と同様に、AlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有するpドーピングされた半導体物質を有機金属気相蒸着法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)、分子ビーム成長法(Molecular Beam Epitaxy:MBE)またはハイブリッド気相蒸着法(Hybride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)のような公知の蒸着工程を使用して上記活性層222上に成長させることが可能である。上記p型窒化物半導体層223のドーピングに使用される不純物としてはMg、ZnまたはBe等がある。
上記発光構造物220は上記n型窒化物半導体層221を形成する前に上記バッファ層210上に形成された非ドーピング(undoped)窒化物半導体層(未図示)をさらに含むことが可能である。上記非ドーピング窒化物半導体層は格子不整合を緩和させるため形成されたものである。
次いで、図5cのように、上記p型窒化物半導体層223上に導電性キャリア基板230を形成する。上記導電性キャリア基板230はSiまたは導電性を有する金属物質からなることが可能である。上記導電性キャリア基板230は別途の接合層を介してp型窒化物半導体層223上にボンディングされるか、またはメッキが可能な金属物質を利用する場合所定厚さでp型窒化物半導体層223上にメッキすることにより形成されることが可能である。垂直構造窒化物半導体発光素子の場合、n型窒化物半導体層221のサファイア基板が分離された面を光放出面に活用するため上記p型窒化物半導体層223と導電性キャリア基板230との間には反射度が高い金属からなる反射膜が形成されることも可能である。
次いで、図5dにように、サファイア基板200の下部にレーザを照射し上記バッファ層210とn型窒化物半導体層221の界面で発光構造物220とバッファ層210を相互分離して図5eにような結果物を得た。この際、照射されるレーザの強度は下記の数8の通りである。
(I:照射されるレーザの強度、I:n型窒化物半導体層が分解されるに必要なレーザ強度、α:レーザの吸収係数、Z:バッファ層の厚さ)
上記n型窒化物半導体層221とバッファ層210の界面で分離が起こるようにするためのレーザ強度の設定及びレーザの波長に関する説明は前記の窒化物層製造方法で既に説明した通りであるため省略することとする。
一方、発光構造物220がn型窒化物半導体層221の下部に形成された非ドーピング窒化物半導体層(未図示)をさらに含む場合、上記レーザ照射による分離は上記バッファ層210と非ドーピング窒化物半導体層との間で起こる。
次いで、図5fのように、上記サファイア基板が分離されたn型窒化物半導体層221の下面にn側電極240を形成し、上記キャリア基板230の上面にp側電極250を形成して垂直構造窒化物半導体発光素子を完成する。このような垂直構造窒化物半導体発光素子はサファイア基板が分離されたn型窒化物半導体層221の下面が主発光面として使用される。上記n側電極240とn型窒化物半導体層221との間には電流拡散を改善するためITO等からなる透明電極層が形成され得る。また、上記導電性キャリア基板230が優秀な電気伝導性を有する金属物質からなる場合キャリア基板230自体をp側電極に使用することが可能なため、別途のp側電極250を省略することも可能である。
一方、発光構造物220がn型窒化物半導体層221の下部に形成された非ドーピング窒化物半導体層(未図示)をさらに含む場合、上記レーザ照射による分離が完了された以後、上記非ドーピング窒化物半導体層を乾式及び湿式蝕刻、化学機械的研磨(chemical mechanical polishing:CMP)で構成されたグループから選択された少なくとも一つの工程を利用して除去し上記n型窒化物半導体層221の下面を露出させた後上記n型窒化物半導体層221の露出された下面にn側電極を形成することが好ましい。
本発明で採用したレーザリフトオフ工程はバッファ層を犠牲させず、レーザの強度を調節して窒化物層とバッファ層の界面で分離が起こるようにすることにより、窒化物層の分解時発生する熱をバッファ層を通じて放出し熱による窒化物層の劣化を防止することが可能なため、優秀な品質の窒化物層を製造することが可能である。
従来の窒化物層製造方法を図示した断面図である。 本発明に伴う窒化物層製造方法を図示した工程断面図である。 本発明に伴う窒化物層製造方法を図示した工程断面図である。 本発明に伴う窒化物層製造方法を図示した工程断面図である。 本発明に伴う窒化物層製造方法を図示した工程断面図である。 本発明に伴いレーザリフトオフ工程を進行した後窒化物層の分離された面をXPSで分析した結果図である。 本発明に伴いレーザリフトオフ工程を進行した後窒化物層の分離された面のTEM写真である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法を図示した工程断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法を図示した工程断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法を図示した工程断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法を図示した工程断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法を図示した工程断面図である。 本発明の一実施形態に伴う垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法を図示した工程断面図である。
符号の説明
100 サファイア基板 110 バッファ層
120 窒化物層 L レーザ

Claims (10)

  1. サファイア基板を備える段階と、
    上記サファイア基板上に、窒化物より高い融点を有し窒化物より高い熱伝導性を有する物質からなるバッファ層を形成する段階と、
    上記バッファ層上に窒化物層を形成する段階と、
    上記サファイア基板の下部にレーザを照射して上記窒化物層を分離する段階とを含む窒化物層の製造方法。
  2. 上記バッファ層の厚さは2000Å以下であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物層の製造方法。
  3. 上記バッファ層はSiCからなることを特徴とする請求項1に記載の窒化物層の製造方法。
  4. 上記窒化物層はAlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する物質であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物層の製造方法。
  5. 上記窒化物層を分離する段階は、
    Iを照射されるレーザの強度、Iを窒化物層が分解されるに必要なレーザ強度、αをレーザの吸収係数、Zをバッファ層の厚さとして、下記の数1のような強度を有するレーザをサファイア基板の下部に照射して上記バッファ層と窒化物層の界面で上記窒化物層を分離する段階であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物層の製造方法。
  6. サファイア基板を備える段階と、
    上記サファイア基板上にSiCからなるバッファ層を形成する段階と、
    上記バッファ層上にAlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する窒化物層を形成する段階と、
    Iを照射されるレーザの強度、Iを窒化物層が分解されるに必要なレーザ強度、αをレーザの吸収係数、Zをバッファ層の厚さとして、下記の数2のような強度を有するレーザをサファイア基板の下部に照射して上記バッファ層と窒化物層の界面で上記窒化物層を分離する段階とを含む窒化物層の製造方法。
  7. サファイア基板を備える段階と、
    上記サファイア基板上にSiCからなるバッファ層を形成する段階と、
    上記バッファ層上にAlInGa(1-x-y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有するn型窒化物半導体層、活性層、p型窒化物半導体層が順次に積層された発光構造物を形成する段階と、
    上記p型窒化物半導体層上に導電性キャリア基板を形成する段階と、
    Iを照射されるレーザの強度、Iをn型窒化物半導体層が分解されるに必要なレーザ強度、αをレーザの吸収係数、Zをバッファ層の厚さとして、下記の数3のような強度を有するレーザをサファイア基板の下部に照射して上記バッファ層と発光構造物の界面で上記発光構造物を分離する段階とを含む垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法。
  8. 上記サファイア基板が分離されたn型窒化物半導体層の下面にn側電極を形成する段階と、
    上記キャリア基板の上面にp側電極を形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法。
  9. 上記発光構造物は、
    上記n型窒化物半導体層の下部に形成された非ドーピング窒化物半導体層をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法。
  10. 上記サファイア基板を分離する段階以後、非ドーピング窒化物半導体層を乾式及び湿式蝕刻、化学機械的研磨(chemical mechanical polishing:CMP)で構成されたグループから選択された少なくとも一つの工程を利用して除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の垂直構造窒化物半導体発光素子の製造方法。
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