JP2007088420A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定以上の性能を有する半導体発光素子を効率よく低コストで製造し得る方法を提供する。
【解決手段】半導体発光素子の製造方法は、活性層を含む半導体多層膜を基礎基板上にエピタキシャル成長させたウエハを形成する工程（Ｐ１、２）と、そのウエハ中の活性層を光励起し、その活性層からの発光強度を少なくとも２温度点において測定することによって活性層の良否判定を行う工程（Ｐ３、６、８）と、その良否判定において良と判定された活性層を含む半導体多層膜に対して発光素子構造の形成処理を行う工程（Ｐ４、５、７、９−１３）とを含むことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体発光素子の製造方法に関し、特に、所定以上の性能を有する半導体発光素子を効率よく低コストで提供し得る製造方法に関する。

特許文献１の特開平７−５０３３１号公報においては、活性層（発光層）を含む半導体多層膜を基板上にエピタキシャル成長させたウエハ表面からその活性層内部へ光パルスが入射させられる。そして、その光パルス励起による活性層の発光の減衰時間を測定して、発光効率を支配する少数キャリアのライフタイムを求めることによって、そのウエハから作製される発光素子の発光効率が評価されている。
特開平７−５０３３１号公報

たとえば、複数の窒化物系化合物半導体層からなる半導体多層膜を含む発光素子の場合、その半導体多層膜の大きな内部歪によって活性層にピエゾ電界が発生したりすることがある。そのような場合、活性層中のエネルギバンドに曲がりが生じるので、その影響を受けて少数キャリアのライフタイムが変わってしまい、特許文献１の方法では発光効率を正確に評価することができない。

このような先行技術における課題に鑑み、本発明は、所定以上の性能を有する半導体発光素子を効率よく低コストで製造し得る方法を提供することを目的としている。

本発明による半導体発光素子の製造方法は、活性層を含む半導体多層膜を基礎基板上にエピタキシャル成長させたウエハを形成する工程と、そのウエハ中の活性層を光励起し、その活性層からの発光強度を少なくとも２温度点において測定することによって活性層の良否判定を行う工程と、その良否判定において良と判定された活性層を含む半導体多層膜に対して発光素子構造の形成処理を行う工程とを含むことを特徴としている。

なお、活性層の良否を判定する工程は、発光素子構造の形成処理を行う工程の前または中途のいずれにおいて行われてもよい。光励起には、活性層を選択的に励起し得る波長の光が用いられることが好ましい。また、少なくとも２温度点のうちで最低の温度点が１５０Ｋ以下の範囲内にあり、最高の温度点が２３０Ｋ以上で５５０Ｋ以下の範囲内にあることが好ましい。光励起において活性層中で発生するキャリアの密度は、半導体発光素子の定格電流密度における電流注入時のキャリア密度の１／１００以上で１００倍以下の範囲内にあることが好ましい。活性層の良否判定は、１５０Ｋ以下の温度点における発光強度に対する２３０Ｋ以上５５０Ｋ以下の温度点おける発光強度の比が所定基準値以上であるか否かに基づいて行われ得る。

発光素子構造の形成処理を行う工程はウエハを支持基板へ貼り合わせる工程を含むことができ、その貼り合わせる工程の後に活性層の良否を判定する工程を行うことができる。発光素子構造の形成処理を行う工程は基礎基板を除去する工程を含むこともでき、その除去する工程の後に活性層の良否を判定する工程を行うこともできる。

上述のような半導体発光素子の製造方法によって作製される発光素子は、半導体多層膜内に窒化物系化合物半導体（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ：０≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）層を含むことができる。

上述のように、少なくとも２温度点で光励起による活性層の発光強度を測定することによって、正確に活性層の発光効率を評価して良否の判定をすることができる。

ここで測定される発光効率は、活性層の内部量子効率といわれるものである。内部量子効率とは、活性層に注入された電流のうちで光に変換される割合のことをいう。半導体多層膜のエピタキシャル成長条件が変動したりして結晶品質が変化することによって、活性層の内部量子効率も変化する。

内部量子効率は、低温では１００％であることが分かっている。したがって、低温における活性層の発光強度に対する室温における発光強度の比が、室温における内部量子効率を示すことになる。そして、本発明の方法では、複数の半導体多層膜中のピエゾ電界によるエネルギバンドの曲がりには影響を受けないので、正確に活性層の内部量子効率を測定することができる。その結果、本発明によれば、所定以上の性能を有する発光素子を効率よく低コストで製造し得る方法を提供することができる。

（実施例１）
図１のフロー図において、本発明の実施例１による窒化物系半導体発光素子の製造方法の工程が示されている。

本実施例１では、まず工程Ｐ１において、サファイア基板（基礎基板）に対して酸による前処理が施される。ただし、この基板前処理は、省略することも可能である。

工程Ｐ２においては、図２の模式的な断面図に示されているように、複数の半導体層２−７を含む半導体多層膜が、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）によってサファイア基板１上に形成される（発光素子成長工程）。このとき、まずＭＯＣＶＤ装置の反応室内にサファイア基板１を導入し、水素雰囲気中で基板を１１００℃まで昇温し、そのまま数分間保持して基板１のクリーニングを行う。

その後、１０５０℃まで基板温度を下げ、反応室内へＮＨ₃を導入する。続いて、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を反応室内へ導入し、ＡｌＧａＮ層２を約０．２μｍの厚さに成長させる。次に、反応室内へＳｉＨ₄を数分間流す。そして、ｎ型ＧａＮ層３を約５μｍの厚さに成長させる。

その後、９００℃まで基板温度を下げ、歪緩和層４としてＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層を交互にそれぞれ１０層成長させる。このときのＩｎＧａＮ層のバンドギャップは、発光層（活性層）５のバンドギャップより大きく設定される。

次に、７８０℃まで基板温度を下げ、ＭＱＷ（多重量子井戸）の発光層５としてＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層を交互にそれぞれ３層成長させる。このＭＱＷ中のＩｎＧａＮ層（井戸層）は３層合わせて約６ｎｍの厚さに設定される。ここでは、発光層５の発光波長が４５０ｎｍとなるように設定された。

次に、９８０℃まで基板温度を上げて、ｐ型ＡｌＧａＮ層６を約２０ｎｍの厚さに成長させ、さらにｐ型ＧａＮ層７を約１００ｎｍの厚さに成長させる。その後、反応室内のガス雰囲気としてＮ₂とＮＨ₃のみを流して、基板温度を室温まで冷却する。このとき、ＮＨ₃濃度は約０．２％に設定される。このようにして、発光素子成長工程Ｐ２が完了する。

工程Ｐ３においては、発光層５の内部量子効率を測定するためのフォトルミネッセンス測定を実施するために、工程Ｐ２におけるＭＯＣＶＤ装置から取り出したウエハがクライオスタット内に入れられる。フォトルミネッセンス測定装置としては、たとえば図９の模式的ブロック図に示すような装置を用いることができる。

本実施例１においては、図９に示された励起光源２１として、波長４０５ｎｍの光を放射するレーザ装置が用いられる。このレーザ装置２１としては、たとえば半導体レーザを用いてもよいし、固体レーザの第２高調波などを用いてもよいし、白色光源を分光して波長４０５ｎｍ付近の光のみを使用するものであってもよい。波長４０５ｎｍの励起光を用いることにより、発光層以外の半導体層が励起されず、発光層を選択的に励起することができるので、他の半導体層の影響を受けずに発光層の内部量子効率を正確に評価することができる。なお、励起光源２１として白色光源を使用する場合には、その白色光源とミラー２２との間に分光器を挿入すればよい。

発光層中の光励起によるキャリア密度は、発光素子の定格電流密度における電流注入時のキャリア密度の１／１００以上で１００倍以下の範囲内にすることが好ましく、ほぼ同等のキャリア密度にすることがより好ましい。本実施例１では、ウエハ表面における波長４０５ｎｍのレーザ光のパワーを１０ｍＷとし、レーザ光の集光径を約２５μｍとした。すなわち、光源２１から射出されてミラー２２で反射された励起光線２３は、ハーフミラー２４を通過した後にレンズ２５によってエピタキシャルウエハ２６上に集光される。ＩｎＧａＮにおける波長４０５ｎｍの光の吸収係数が約１×１０⁵／ｃｍとして、発光層中の量子井戸層の総厚６ｎｍで吸収した光が全てキャリアになるとすれば、定格電流２０ｍＡを発光ダイオードに流した場合と同程度のキャリア密度がその発光層中で生じ得る。

エピタキシャルウエハ２６内の発光層の光励起によって生じた発光２７はレンズ２５およびハーフミラー２４を介してＣＣＤ（電荷結合素子）分光器２８によって検知され、その発光強度が測定される。

図９において、ＣＣＤ分光器２８、クライオスタット２９、および電動ステージ３０は、パソコン３１によって制御される。クライオスタット２９は、十分に真空引された後に冷却が開始され、約２０Ｋまで冷却される。

図５の模式的グラフは、２０Ｋにおいて測定された発光層の発光スペクトルを示している。すなわち、図５のグラフの横軸は発光波長を表し、縦軸は発光強度を表している。

次に、クライオスタット２９の設定温度が、３００Ｋに変更される。クライオスタット２９の温度が３００Ｋで安定したら、温度以外の条件が２０Ｋにおける測定の場合と同じ条件に設定されて、発光層からの発光強度が測定される。

図６の模式的グラフは、３００Ｋにおいて測定された発光層の発光スペクトルを示している。すなわち、図６のグラフにおいても横軸は発光の波長を表し、縦軸は発光強度を表している。

ところで、３００Ｋに温度を変更した場合に、クライオスタット２９の性能によっては、電動ステージ３０の熱膨張によって、ウエハ２６の位置が動いてしまって、２０Ｋにおける測定の場合と同じ場所を測定できない場合がある。このような場合には、ウエハ内に基準点を設け、そこからＸ座標とＹ座標によって指定することにより、正確に同じ場所を測定することができる。また、レンズ２５のフォーカスからずれる方向にウエハ２６が移動する場合もあるが、そのような場合には、温度安定後に発光強度が最大になるようにフォーカス合わせをすることによって、正確に同じ位置に関する発光強度測定をすることができる。このようにして２０Ｋと３００Ｋの温度で同条件にて発光層の光励起による発光強度を測定し、その強度の比から内部量子効率を求めることができる。

なお、内部量子効率は、図５におけるスペクトル分布の積分面積Ｓ１に対する図６おけるスペクトル分布の積分面積Ｓ２の比率として求めることができる。すなわち、内部量子効率＝Ｓ２／Ｓ１として求めることができる。他方、より簡易な方法として、内部量子効率は、図５におけるスペクトル分布のピーク強度Ｐ１に対する図６おけるスペクトル分布のピーク強度Ｐ２の比率として求めてもよい。すなわち、内部量子効率＝Ｐ２／Ｐ１として求めてもよい。このようにして求めた内部量子効率が５０％以上のウエハを良品として、その後の発光素子化の工程へ進める。すなわち、良品と判定されたウエハは、工程Ｐ４に進められる。

なお、発光強度を測定するＣＣＤ（電荷結合素子）分光器２８の代わりに、フォトダイオードを使用してもよい。この場合、スペクトル分布やピーク波長の測定はできなくなるが、全スペクトルにわたる発光強度（すなわち、スペクトル分布の面積Ｓ１とＳ２のそれぞれ）を簡易に測定することができる。

工程Ｐ４においては、図３の模式的な断面図に示されているように、図２中のｐ型ＧａＮ層７上にＰｄ電極８を蒸着し、次にＡｇＮｄ高反射電極９を蒸着する。これらの電極を熱処理によりシンタリングした後に、ＡｕＳｎ共晶接合金属層１０を蒸着する。

次にウエハボンディング工程Ｐ５では、図４の模式的断面図に示されているように、Ｓｉ基板（支持基板）１１を用意し、その一方主面上に共晶接合のためのＡｕ層１２を蒸着し、他方の主面上にＴｉ層１３とＡｌ層１４を蒸着する。次に、サファイア基板１上のＡｕＳｎ層１０とＳｉ基板１１上のＡｕ層１２を対面接触させて、それらをウエハ貼り合わせ装置内に導入し、ＡｕＳｎの共晶温度まで昇温してウエハボンディングを行う。次に、基板剥離工程Ｐ７では、サファイア基板側からレーザー光を照射することによってサファイア基板１を剥離し、ｎ型半導体層３を露出させる。ここで露出した半導体面３をドライエッチングすることにより意図的にその表面に凹凸構造を形成する。次に、電極形成工程Ｐ９では、ｎ型半導体層３上に電極を形成する。そして、チップ分割工程Ｐ１０では、レーザースクライブによって、各発光素子ごとにチップ分割を行う。

次に、チップ選別工程Ｐ１１では、チップ選別機によるチップ選別を行う。チップ選別では、チップの１個ずつにプロービングにより電流を流して輝度を測定する。測定された輝度や電気特性によってチップを分類し、不良品は排除する。次に、良品に分類されたチップをリードフレームにマウントし（工程Ｐ１２）、樹脂モールドする（工程Ｐ１３）。

このようにして製造した発光素子の光出力と内部量子効率との関係を調べたところ、図７のグラフに示されているように、非常によい相関関係があることが分かった。すなわち、図７のグラフの横軸は内部量子効率（％）を表し、縦軸は光出力（ｍＷ）を表している。

このように半導体多層膜の結晶成長が終了した時点で内部量子効率の評価を行い、良品と判定されたもののみをその後の工程を流すことにより、その評価工程を省いた場合に比べてチップ１個あたりの製造時間を約２割短縮できた。すなわち、本発明の製造方法によれば、発光素子の生産性の向上とコストダウンに寄与することができる。

なお、特許文献１に示されている方法により検査した結果と光出力の関係を調べたところ、図８のグラフのように相互の相関が得られず、適切な検査方法として使用できなかった。ここで、図６のグラフの横軸はキャリアのライフタイムτ（ｎｓ）を表し、縦軸は光出力（ｍＷ）を表している。

（実施例２）
本発明の実施例２による製造方法における工程も、図１のフロー図に示されている。本実施例２の製造方法も全体的には実施例１の製造方法に類似しており、下記以外の工程は実施例１の場合と同様である。

すなわち、本実施例２は、ウエハボンディング工程Ｐ５の後にもフォトルミネッセンス測定の工程Ｐ６を行って活性層の良否判定を行うことのみにおいて実施例１と異なっている。これは、ウエハボンディング工程Ｐ５において活性層にダメージが入っていないかを判定するためのものである。その良否判定手法は、実施例１の場合と同様である。内部量子効率が５０％以上のものを良品として、次の工程以降に進めた。本実施例２では、良否判定工程を行わない場合に比べて、チップ１個あたりの製造時間を約１．５割短縮できた。このように、本実施例２においても、生産性の向上とコストダウンを改善することができた。

なお、本実施例２では内部量子効率検査を工程Ｐ３と工程Ｐ６で２度行っているが、工程Ｐ３を省略してもよい。その場合、工程Ｐ５までは不良品も含めて処理されることになるが、工程Ｐ３の検査時間が省略されるので、全体としてはチップの製造時間が短縮され得る。

（実施例３）
本発明の実施例３による製造方法における工程も、図１のフロー図に示されている。本実施例３の製造方法も全体的には実施例１の製造方法に類似しており、下記以外の工程は実施例１の場合と同様である。

すなわち、本実施例３は、基板剥離の工程Ｐ７の後にもフォトルミネッセンス測定の工程Ｐ８を行って活性層の良否を判定することのみにおいて実施例１と異なっている。これは、基板剥離の工程Ｐ７において活性層にダメージが入っていないかを判定するためのものである。その良否判定手法は、実施例１の場合と同様である。内部量子効率が５０％以上のものを良品として、次の工程以降に進めた。本実施例３では、良否判定工程を行わない場合に比べて、チップ１個あたりの製造時間を約１割短縮できた。このように、本実施例３においても、生産性の向上とコストダウンを改善することができた。

なお、本実施例３では内部量子効率検査を工程Ｐ３と工程Ｐ８で２度行っているが、工程Ｐ３を省略してもよい。その場合、工程Ｐ７までは不良品も含めて処理されることになるが、工程Ｐ３の検査時間が省略されるので、全体としてはチップの製造時間が短縮され得る。

以上のように、本発明によれば、所定以上の性能を有する発光素子を効率よく低コストで製造し得る方法を提供することができる。

本発明の実施例１〜３による発光素子の製造方法における工程を説明するためのフロー図である。 サファイア基板（基礎基板）上に活性層を含む半導体多層膜が形成されたウエハを示す模式的断面図である。 図２の半導体多層膜上に形成された複数の金属または合金の層を示す模式的断面図である。 Ｓｉ基板（支持基板）の両主面上に形成された複数の金属層を示す模式的断面図である。 低温で発光層のフォトルミネッセンスを測定した結果の発光スペクトルを示すグラフである。 室温で発光層のフォトルミネッセンスを測定した結果の発光スペクトルを示すグラフである。 実施例１における発光層の内部量子効率の測定結果と発光素子の光出力との関係を示すグラフである。 実施例１における発光層の内部量子効率を従来の測定方法で求めた結果と発光素子の光出力との関係を示すグラフである。 フォトルミネッセンス測定装置の一例を示す模式的ブロック図である。

符号の説明

１ サファイア基板（基礎基板）、２ ＡｌＧａＮ層、３ ｎ型ＧａＮ層、４ 歪緩和層、５ 発光層（活性層）、６ ｐ型ＡｌＧａＮ層、７ ｐ型ＧａＮ層、８ Ｐｄ電極、９ ＡｇＮｄ高反射電極、１０ ＡｕＳｎ共晶接合金属層、１１ Ｓｉ基板（支持基板）、１２ Ａｕ層、１３ Ｔｉ層、１４ Ａｌ層、２１ 励起光源、２２ ミラー、２３ 励起光、２４ ハーフミラー、２５ レンズ、２６ エピタキシャルウエハ、２７ 発光、２８ ＣＣＤ分光器、２９ クライオスタット、３０ 電動ステージ、３１ 制御パソコン。

Claims (9)

1. 活性層を含む半導体多層膜を基礎基板上にエピタキシャル成長させたウエハを形成する工程と、
   前記ウエハ中の前記活性層を光励起し、その活性層からの発光強度を少なくとも２温度点において測定することによって前記活性層の良否判定を行う工程と、
   前記良否判定において良と判定された前記活性層を含む前記半導体多層膜に対して発光素子構造の形成処理を行う工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
2. 前記活性層の良否を判定する工程は、前記発光素子構造の形成処理を行う工程の前または中途に行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記光励起には、前記活性層を選択的に励起し得る波長の光が用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記少なくとも２温度点のうちで最低の温度点が１５０Ｋ以下の範囲内にあり、最高の温度点が２３０Ｋ以上で５５０Ｋ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 前記光励起において前記活性層中で発生するキャリアの密度は、前記半導体発光素子の定格電流密度における電流注入時のキャリア密度の１／１００以上で１００倍以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記良否判定は、１５０Ｋ以下の温度点における前記発光強度に対する２３０Ｋ以上５５０Ｋ以下の温度点おける前記発光強度の比が所定基準値以上であるか否かに基づいて行われることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
7. 前記発光素子構造の形成処理を行う工程は前記ウエハを支持基板へ貼り合わせる工程を含み、その貼り合わせる工程の後に前記活性層の良否を判定する工程を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記発光素子構造の形成処理を行う工程は前記基礎基板を除去する工程を含み、その除去する工程の後に前記活性層の良否を判定する工程を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
9. 請求項１から８のいずれかの方法によって製造された半導体発光素子であって、前記半導体多層膜は窒化物系化合物半導体（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ：０≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ＜１）層を含むことを特徴とする半導体発光素子。

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