JP2006332240A - 窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 確実に高密度転位部を除去することができるIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 高密度転位部22が低転位領域と交互に繰り返し配置されたIII−V族窒化物系化合物半導体基板上に、ストライプ状の発光領域が前記高密度転位部22の延在方向と平行方向になるように低転位領域に発光素子領域21を形成し、次いで、素子領域21が形成された面24とは反対側の面25に前記高密度転位部22を挟むように2本のスクライブライン23を入れた後にブレイクする。
【選択図】 図2
【解決手段】 高密度転位部22が低転位領域と交互に繰り返し配置されたIII−V族窒化物系化合物半導体基板上に、ストライプ状の発光領域が前記高密度転位部22の延在方向と平行方向になるように低転位領域に発光素子領域21を形成し、次いで、素子領域21が形成された面24とは反対側の面25に前記高密度転位部22を挟むように2本のスクライブライン23を入れた後にブレイクする。
【選択図】 図2
Description
本発明は、窒化ガリウムGaN系の化合物半導体発光ダイオード(LED)、化合物半導体レーザ素子等の窒化物半導体発光素子の製造方法に関し、特に青紫色の短波長の光を発することができる高密度転位部が除去されたジャンクションダウン実装ないしフリップチップ実装が可能なGaN系窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
近年、青色LEDや青紫色半導体レーザには、III−V族窒化物系化合物半導体が主として用いられている。このIII−V族窒化物系化合物半導体は、欠陥の少ないGaN基板等のIII−V族窒化物系化合物半導体基板を得ることが困難であるため、通常サファイア基板又はSiC基板の上に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属気相成長)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシャル成長)法、または、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法などの結晶成長法を用いて成長させている。
ところで、たとえばサファイア基板上にGaN系化合物半導体層が形成されてなる窒化物系半導体素子においては、サファイア基板とGaN系半導体層との間の格子定数の差が大きい。このため、サファイア基板上に形成されたGaN系半導体層は多くの転位を含んでおり結晶性が劣化している。したがって、サファイア基板等を用いたIII−V族窒化物系化合物半導体素子においては、良好な素子特性を実現することが困難である。そのため、III−V族窒化物系化合物半導体素子を製造するためには結晶欠陥の少ないGaN基板と同質の基板が要求されている。
このような問題点を解決したIII−V族窒化物系化合物半導体基板として、下記特許文献1には、気相成長の成長面を三次元的なファセット構造を持つようにし、ファセット構造を埋め込まないように成長させることにより転位を低減した単結晶GaN基板の製造方法が開示されている。このGaN基板の製造方法は、貫通転位を成長層のある領域に集中させることにより他の領域の貫通転位を減少させるものであるため、単結晶GaN基板には低転位領域と高密度転位部とが混在しており、特に高密度転位部は、その発生する位置を制御できず、ランダムに発生するため、高密度転位部が発光領域に形成されてしまうことを避けることができないので、窒化物半導体発光素子の発光特性や信頼性の低下を招いてしまうという問題点が存在していた。
一方、この特許文献1に開示されているIII−V族窒化物系化合物半導体基板の製造方法の発明の問題点を解決したものとして、下記特許文献2には、低転位領域中に発生する高密度転位部の位置を制御し、低転位領域中に高密度転位部を規則的、例えば周期的に配列した基板を得ることができ、さらには高密度転位部の配列パターンも自由自在に変えることができるIII−V族窒化物系化合物半導体基板の製造方法の発明が開示されている。この下記特許文献2に開示されているIII−V族窒化物系化合物半導体基板の製造方法は、下記特許文献1に開示された発明と同様に、ファセット面からなる斜面を有して成長させ、そのファセット面からなる斜面を維持して成長させることで転位を伝播させ、所定の位置に集合させるものである。
この特許文献2に開示されているIII−V族窒化物系化合物半導体基板としてのGaN基板50の具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サファイア基板、GaN基板等からなる下地基板を用い、この下地基板上に例えばSiO2膜からなる種を形成する。この種は、形状を例えばドット状として図5ないし図6に示すようなドット状の高密度転位部Bの配置に対応した配置、又は、ストライプ状として図7に示す高密度転位部Bの配置に対応した配置で形成する。その後、例えばハイドライド気相エピタキシー(HVPE)により、GaNを厚膜成長させる。成長後、GaNの厚膜層の表面には、種のパターン形状に応じたファセット面が形成される。種がドット状のパターンの場合は、図5ないし図6に示したようなファセット面からなるピットが規則正しく形成される。一方、種がストライプ状のパターンの場合は図7に示したようなプリズム状のファセット面が形成される。その後、下地基板を除去し、さらにGaNの厚膜層を研削加工、研磨加工し、表面を平坦化する。これによって、GaN基板50を製造することができる。
このようにして製造されたGaN基板50は、C面が主面であり、その中に、所定のサイズのドット状あるいはストライプ状の高密度転位部Bが規則正しく形成された基板となっており、高密度転位部B以外の単結晶領域、すなわち領域Aは、高密度転位部Bに比べて低転位密度となっている。そこで、このGaN基板50を用いて、
(1)素子のサイズを高密度転位部Bの存在する周期に合わせて設計する;
(2)素子領域が実質的に高密度転位部Bの上に形成されることがないように、その基板上における素子領域の配置を決定する;
(3)素子内部の活性領域が高密度転位部Bの上に形成されることがないように、素子における活性領域の位置を設計する;
ことにより、欠陥の多い高密度転位部Bの影響を意図的に避けるような配置に各素子領域を配置することが可能となる。
(1)素子のサイズを高密度転位部Bの存在する周期に合わせて設計する;
(2)素子領域が実質的に高密度転位部Bの上に形成されることがないように、その基板上における素子領域の配置を決定する;
(3)素子内部の活性領域が高密度転位部Bの上に形成されることがないように、素子における活性領域の位置を設計する;
ことにより、欠陥の多い高密度転位部Bの影響を意図的に避けるような配置に各素子領域を配置することが可能となる。
これに加えて、特に半導体レーザ素子の場合には、発光領域の共振器端面が高密度転位部Bの上に形成されることがないように素子領域や素子構造の設計を行う。例えば、図7に示したようなストライプ状の高密度転位部Bが形成されている場合には、例えば図8(a)〜図8(d)に示したような形状および配置で素子領域52(太い実線で囲まれた一区画)を画定し、その中央付近にレーザストライプ53を画定する。
そして、このGaN基板50上にレーザ構造を形成するGaN系半導体層を成長させ、レーザストライプの形成、電極の形成などの必要なプロセスを実行してレーザ構造を形成した後、上述の素子領域52の輪郭線に沿ってレーザ構造が形成されたGaN基板50のスクライビングを行うことにより、個々のGaN系半導体レーザチップに分離する。この場合、高密度転位部Bがレーザストライプ53上に形成されていないので、高密度転位部Bの影響が発光領域に及ぶことを避けることができる。したがって、発光特性が良く、信頼性が高いGaN系半導体レーザ素子を得ることができるというものである。
さらに、下記特許文献3には、高密度転位部が低転位領域と交互に繰り返し配置されたIII−V族窒化物系化合物半導体基板上の前記低転位領域に、ストライプ状の発光領域が前記高密度転位部の延在方向と平行になるように発光素子領域を形成し、次いで、前記発光素子領域が形成された側の面に、隣接する素子間の中心線から約10μmの位置に、2本のスクライブラインを入れた後にブレイクすることによりチップ分割と前記高密度転位部の除去を行うIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法が開示されている。
特開2001−102307号公報
特開2003−124572号公報(特許請求の範囲、段落[0231]〜[0259]、[0274]〜[0289]、図6〜図8、図23〜図36)
特開2004−260152号公報(段落[0065]〜[0070]、図13〜図14)
一方、このようなIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の長寿命化・高出力化のためには、放熱性の改善に注力する必要がある。この放熱性の改善は、一般的にIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の活性層を放熱用マウンタに近づくように実装する、ジャンクションダウン実装ないしフリップチップ実装を行うことで対応されている。しかしながら、基板と基板上に形成されたIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子が高密度転位部を有する場合には、この高密度転位部から電流リークが発生するため、ジャンクションダウン実装やフリップチップ実装を行うことが困難である。このようなジャンクションダウン実装ないしフリップチップ実装を行うことができるようにするためには、この高密度転位部を、III−V族窒化物系化合物半導体発光素子を損傷することなく、且つ確実に除去することが必要とされる。
従来は、基板と基板上に形成されたIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子に存在する高密度転位部を除去するために、高密度転位部領域にスクライブラインを入れ、ブレイクし、チップを分割する方法が採用されていた。しかし、この方法では、高密度転位部の除去が不確実であることや、III−V族窒化物系化合物半導体発光素子の外形に欠けを生じさせることが多いという問題点が存在している。
また、上記特許文献2には、高密度転位部が存在しない領域のみにIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子のレーザストライプを形成すること(図8(a)〜図8(c)参照)及び高密度転位部が存在しない領域のみにIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子を形成すること(図8(d)参照)が開示されているが、高密度転位部を効率的に除去する方法については何も開示されていない。
さらに、上記特許文献3に開示されているIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法によれば、効率よくチップ分割と前記高密度転位部の除去を行う際には、ブレイク受け台を発光素子領域側の面に当接し、ブレイク刃を発光素子領域側の面とは反対側の面に当てる必要があるため、発光素子領域が損傷しないようにすると素子分割及び高密度転位部の除去ができない場合が生じるとともに、高密度転位部の除去が不完全なものが多く生じるという問題点が存在していた。
そこで、本願の発明者は、上記特許文献2及び3に開示されたIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の構造について種々検討を重ねた結果、高密度転位部を挟んだスクライブラインの形成面及びそのピッチを最適化することによって、III−V族窒化物系化合物半導体発光素子の外形に欠け等を生じさせることなく、且つ確実に高密度転位部を除去することができることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
すなわち、本発明は、III−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造に際し、高密度転位部を挟むスクライブラインの形成面及びそのピッチを最適化することで、III−V族窒化物系化合物半導体発光素子の外形に欠け等を生じさせることなく、且つ確実に高密度転位部を除去することを可能とし、また、それによってジャンクションダウン実装やフリップチップ実装を行うことが可能なIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の上記目的は以下の方法により達成し得る。すなわち、請求項1のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法の発明は、高密度転位部が低転位領域と交互に繰り返し配置されたIII−V族窒化物系化合物半導体基板上の前記低転位領域に、ストライプ状の発光領域が前記高密度転位部の延在方向と平行になるようにIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子領域を形成し、次いで、前記発光素子領域を形成した面とは反対側の面に、前記高密度転位部を挟むように、2本のスクライブラインを入れた後にブレイクすることにより、チップ分割と前記高密度転位部の除去を行うことを特徴とする。
また、請求項2の発明は、請求項1に記載のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記チップ分割と高密度転位部の除去を行うブレイク面は、前記発光素子領域を形成した側の面であることを特徴とする。
また、請求項3の発明は、請求項1に記載のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記2本のスクライブラインは、その中間が前記高密度転位部の中心に位置することを特徴とする。
また、請求項4の発明は、請求項1に記載のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記2本のスクライブラインは、そのピッチが前記高密度転位部の幅よりも大きいことを特徴とする。
また、請求項5の発明は、請求項4に記載のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、前記2本のスクライブラインのピッチは、100μm以上であることを特徴とする。
また、請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、記チップ分割の際のブレイク刃の受け台の間隔は前記スクライブラインのピッチ未満であることを特徴とする。
本発明は上記のような製造方法を採用することにより以下に述べるような優れた効果を奏する。すなわち、請求項1の発明によれば、低転位領域にストライプ状の発光領域が前記高密度転位部の延在方向と平行になるように発光素子領域を形成したので、高密度転位部の影響が発光領域に与える影響がなくなるから、特性が良く信頼性が高いIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子が得られる。また、得られるIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子は、発光素子領域を設けた面とは反対側の面に、前記高密度転位部を挟むように、2本のスクライブラインを入れた後にブレイクするようにしたので、チップ分割及び高密度転位部の除去に際して欠けの発生が少なくなくなる。加えて、得られるIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子は、高密度転位領域が除去されているから、電流リークが発生し難く、ジャンクションダウン実装ないしフリップチップ実装することができるため、放熱性が良好となり、長寿命化及び高出力化を達成することができる。
また、請求項2の発明によれば、チップ分割と高密度転位部の除去を行うブレイク面を発光素子領域を形成した側の面としたから、発光素子領域は、ブレイク刃及びブレイク受け台とも当接することがないため、損傷を受けることが少なくなる。
また、請求項3の発明によれば、高密度転位部の幅は20〜30μm程度の範囲でバラツキを持っているが、その幅は高密度転位部の中心から実質的に対称となっているから、III−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造効率及び高密度転位領域の除去効率が向上する。
また、請求項4の発明によれば、スクライブラインのピッチが高密度転位部の幅よりも大きいから、確実に高密度転位部が除去されたIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子が得られる。
また、請求項5の発明によれば、高密度転位部の幅は20〜30μm程度の範囲でバラツキを持っているため、この高密度転位部の除去の際のスクライブラインのピッチにはマージンが必要となるが、スクライブラインのピッチが100μm以上であれば、高密度転位部の幅のバラツキを考慮しても、高密度転位部を実質的に100%除去することができる。このスクライブラインのピッチの上限は、III−V族窒化物系化合物半導体発光素子のリッジ幅自体は1〜2μm程度であるため、実質的にチップサイズによって定まるものであるため、臨界的限度はない。
さらに、請求項6の発明によれば、チップ分割の際のブレイク刃の受け台の間隔は前記スクライブラインのピッチ未満とすることにより、効率的にチップ分割ないし高密度転位部の除去を行うことができ、しかも、チップ部に対する欠けの発生を少なくすることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を実験例及び図面を用いて詳細に説明するが、以下に述べた実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法を例示するものであって、本発明をこの実施例に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。
なお、図1は実験例において製造したGaN青紫色レーザダイオード素子の断面図であり、図2は実験例におけるGaN青紫色レーザダイオード素子製造の際の素子分割及び高密度転位部除去前の基板の断面図(図2(a))及び平面図(図2(b))であり、また、図3はチップ分割ないし高密度転位部の除去に際するスクライブラインとブレーク刃及びブレイク受け台の位置関係を示す図であり、さらに、図4は図2に示した基板のスクライビングピッチと高密度転位部の除去率の関係を示す図である。
[実験例]
まず、上記特許文献2に開示された方法に従って高密度転位部が線状に収束されたGaN基板(図7参照)を用意した。このGaN基板は、C面が主面であり、<11−20>方向に約400μm間隔でストライプ状の高密度転位部Bが低転位密度領域Aに対して規則正しく形成された基板となっている。
[実験例]
まず、上記特許文献2に開示された方法に従って高密度転位部が線状に収束されたGaN基板(図7参照)を用意した。このGaN基板は、C面が主面であり、<11−20>方向に約400μm間隔でストライプ状の高密度転位部Bが低転位密度領域Aに対して規則正しく形成された基板となっている。
このGaN基板1を用いて、図1に示したように、GaN青紫色レーザダイオード素子を作成した。まず、GaN基板1上に、MOCVD(有機金属気相成長法)法によりn型AlGaNクラッド層2を1.0μm成長させた。その後、3周期構造MQW活性層3のうちInGaN井戸層を0.003μm成長させ、次に3周期構造MQW活性層3のうちGaN障壁層を0.02μm成長させ、さらに、InGaN光ガイド層4を0.1μm成長させた。
その後、p型AlGaNキャップ層5を0.02μm成長させ、次に、p型AlGaNクラッド層6を0.5μm成長させた。そして、最後に、p型GaNコンタクト層7を0.005μm成長させた。次に、電極プロセスを以下の手順で行った。まず、Pt/Pdからなるp側電極層8を形成し、その後、ドライエッチングにより、電流狭窄部分であるp型GaNコンタクト層7とp側電極層8からなるリッジを形成し、次いでに、CVD装置を用いてリッジ両側にSiO2膜10を形成した。次に、Ti/Pd/Auからなるパッド電極9を形成し、基板の裏側を研磨してウエハを110μm程度の厚さにし、最後にAl/Pt/Auからなるn側電極11を形成して、複数個のGaN青紫色レーザダイオード素子が形成されたウエハを完成させた。
次に、このウエハからへき開することにより図2に示したような複数個のGaN青紫色レーザダイオード素子が並列に形成されたバー状の基板20を得た。次いで、GaN青紫色レーザダイオード素子21を形成した面24とは反対側の基板側の面25に、GaN青紫色レーザダイオード素子21間に存在する線状高密度転位部22を挟むようにかつ高密度転位部の中心線26に対して対称になるように、2本のスクライブライン23を入れ、このスクライブライン23のピッチLが40μm、60μm、80μm、100μm、120μmの5種類のサンプルを作製した。なお、スクライブライン23を入れるときの荷重は5g〜25gと変えることによりスクライブライン23のピッチLを変更した。
最後に、それぞれのスクライブラインのピッチLを持つバー状の基板20を、図3に示したように、ブレイク刃27の受け台28、29の間隔Wを60μm一定としたへき開装置(図示せず)を基板側の面25に配置し、GaN青紫色レーザダイオード素子21を形成した面24側からブレイク刃27を当接することによりチップ分割と高密度転位部22の除去を行い、チップを完成させた。2本のスクライブライン23のピッチLとチップ完成状態での高密度転位部22の除去率の測定結果を図4に示す。
図4に示した結果によると、スクライブラインのピッチLが40μmの場合が最も高密度転位部分の除去率が低く、スクライブラインのピッチLが大きくなるにしたがって高密度転位部分の除去率が増加し、スクライブラインのピッチLが100μm以上では高密度転位部分の除去率は100%となった。したがって、スクライブラインのピッチLは100μm以上であれば、高密度転位部22の幅のバラツキを考慮しても、確実に高密度転位部22を除去することができる。
なお、チップ分割の際のブレイク刃27の受け台28、29の間隔Wが前記スクライブラインのピッチLと同じかそれよりも大きくなる60μmないし40μmの場合は、チップ部に欠けが見られるとともに、チップ部の分割ないし高密度転位部22の除去ができない場合が生じた。したがって、チップ分割ないしは高密度転位部の除去の際のブレイク刃27の受け台28、29の間隔Wは、スクライブラインのピッチL未満とすることにより、効率的にチップ分割ないし密度転位部の除去を行うことができ、しかも、チップ部に対する欠けの発生を少なくすることができる。
1 GaN基板
2 n型AlGaNクラッド層
3 3周期構造MQW活性層
4 InGaN光ガイド層
5 p型AlGaNキャップ層
6 p型AlGaNクラッド層
7 p型GaNコンタクト層
8 p側電極
9 パッド電極
10 SiO2膜
11 n側電極
20 バー状の基板
21 GaN青紫色レーザダイオード素子
22 線状高密度転位部
23 スクライブライン
27 ブレイク刃
28、29 ブレイク受け台
A 低転位密度領域
B 高密度転位部
L スクライブラインのピッチ
W ブレイク刃の受け台の間隔
2 n型AlGaNクラッド層
3 3周期構造MQW活性層
4 InGaN光ガイド層
5 p型AlGaNキャップ層
6 p型AlGaNクラッド層
7 p型GaNコンタクト層
8 p側電極
9 パッド電極
10 SiO2膜
11 n側電極
20 バー状の基板
21 GaN青紫色レーザダイオード素子
22 線状高密度転位部
23 スクライブライン
27 ブレイク刃
28、29 ブレイク受け台
A 低転位密度領域
B 高密度転位部
L スクライブラインのピッチ
W ブレイク刃の受け台の間隔
Claims (6)
- 高密度転位部が低転位領域と交互に繰り返し配置されたIII−V族窒化物系化合物半導体基板上の前記低転位領域に、ストライプ状の発光領域が前記高密度転位部の延在方向と平行になるようにIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子領域を形成し、次いで、前記発光素子領域を形成した面とは反対側の面に、前記高密度転位部を挟むように、2本のスクライブラインを入れた後にブレイクすることにより、チップ分割と前記高密度転位部の除去を行うことを特徴とするIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記チップ分割と高密度転位部の除去を行うブレイク面は、前記発光素子領域を形成した側の面であることを特徴とする請求項1に記載のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記2本のスクライブラインは、その中間が前記高密度転位部の中心に位置することを特徴とする請求項1に記載のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記2本のスクライブラインは、そのピッチが前記高密度転位部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記2本のスクライブラインのピッチは、100μm以上であることを特徴とする請求項4に記載のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記チップ分割の際のブレイク刃の受け台の間隔は前記スクライブラインのピッチ未満であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のIII−V族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
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