JP2007165626A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガリウム酸化物基板の化合物半導体成長工程において使用する水素ガスによってもエッチング等の影響を受けず、基板平面性がよく、基板の透明性に優れたガリウム酸化物基板上に形成された発光素子、及び、その製造方法を提供する。
【解決手段】裏面に基板保護層を有し、表面に半導体材料を結晶成長させるガリウム酸化物基板と、前記ガリウム酸化物基板上に結晶成長させて形成した発光素子部とを有する発光素子とする。また、表面に結晶成長させるガリウム酸化物基板の裏面に基板保護層を形成する保護層形成工程と、前記ガリウム酸化物基板上に結晶成長させて発光素子部を形成する発光素子部形成工程と、前記発光素子部を電気的に接続して発光素子に組立てる組立工程とを有するものとする。
【選択図】図３
【解決手段】裏面に基板保護層を有し、表面に半導体材料を結晶成長させるガリウム酸化物基板と、前記ガリウム酸化物基板上に結晶成長させて形成した発光素子部とを有する発光素子とする。また、表面に結晶成長させるガリウム酸化物基板の裏面に基板保護層を形成する保護層形成工程と、前記ガリウム酸化物基板上に結晶成長させて発光素子部を形成する発光素子部形成工程と、前記発光素子部を電気的に接続して発光素子に組立てる組立工程とを有するものとする。
【選択図】図３
Description
本発明は、基板保護層を有するガリウム酸化物の基板上に結晶成長させて形成された発光素子、及び、その製造方法に関する。
従来の発光素子として、ＳｉＣからなる基板上にＧａＮからなるｎ型層およびｐ型層を積層したもの等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
これに対して、基板を紫外領域の光を透過するものとし、可視領域から紫外領域の光を透過する無色透明の導電体を得ることができ、その導電体を基板に用いて垂直電極構造とすることが可能であり、基板側をも光の取り出し面とすることができる発光素子として、ガリウム酸化物の基板を使用して発光素子を形成したものが開発されている(例えば、特許文献２参照)。
特開２００２−２５５６９２号公報
特開２００４−５６０９８号公報
しかし、特許文献２に開示された発光素子は、ＧａＮ層等のエピタキシャル層の成長工程においては、窒素源としてＮＨ３が用いられ、キャリアガスとして水素ガスが用いられる。ガリウム酸化物の基板、特に、Ｇａ２Ｏ３基板は、この水素ガスにより基板裏面がエッチングされ、光の透過性が低下すると共に、基板平面性が劣化する。
水素キャリアによるエッチングは、高温熱処理（例えば、１１００℃での熱処理）によるダメージと、低温熱処理（例えば、６５０℃での熱処理）によるダメージが観察される。このダメージによるエッチング跡をＳＥＭ観察すると、（０１０）面、（１００）面が特にエッチングされやすいことがわかる。しかし、エピタキシャル成長面を（００１）面としても、基板裏面側の微細なキズ等からエッチングが進行し、基板裏面側にエッチング跡が生じないよう結晶成長させることは困難である。
よって、ガリウム酸化物基板上にＧａＮ層等を成長させて形成した発光素子において、基板裏面から出射光を取出すには研磨等で平坦化する必要があり、また、発光素子製造工程において、基板裏面の平面性が悪く化合物半導体成長工程に種々の悪影響を与えることになる。
従って、本発明の目的は、ガリウム酸化物基板の化合物半導体成長工程において使用する水素ガスによってもエッチング等の影響を受けず、基板平面性がよく、基板の透明性に優れたガリウム酸化物基板上に形成された発光素子、及び、その製造方法を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために、裏面に基板保護層を有し、表面に半導体材料を結晶成長させるガリウム酸化物基板と、前記半導体材料を前記ガリウム酸化物基板の前記表面に結晶成長させて形成した発光素子部とを有する発光素子を提供する。
また、本発明は、上記目的を達成するために、表面に半導体材料を結晶成長させるガリウム酸化物基板の裏面に基板保護層を形成する保護層形成工程と、前記半導体材料を前記ガリウム酸化物基板の前記表面に結晶成長させて発光素子部を形成する発光素子部形成工程と、前記発光素子部を電気的に接続して発光素子に組立てる組立工程とを有する発光素子の製造方法を提供する。
本発明の発光素子及びその製造方法によれば、ガリウム酸化物基板の化合物半導体成長工程において使用する水素ガスによってもエッチング等の影響を受けず、基板平面性がよく、基板の透明性に優れたガリウム酸化物基板上に形成された発光素子、及び、その製造方法を提供することが可能となる。
（第１の実施の形態）
（ガリウム酸化物基板）
図１は、発光素子を形成する成長基板であるガリウム酸化物基板を示す図である。ガリウム酸化物基板としては、Ｇａ２Ｏ３基板、特に、β―Ｇａ２Ｏ３基板が挙げられる。以下では、ガリウム酸化物基板としてＧａ２Ｏ３基板を用いて説明する。
（ガリウム酸化物基板）
図１は、発光素子を形成する成長基板であるガリウム酸化物基板を示す図である。ガリウム酸化物基板としては、Ｇａ２Ｏ３基板、特に、β―Ｇａ２Ｏ３基板が挙げられる。以下では、ガリウム酸化物基板としてＧａ２Ｏ３基板を用いて説明する。
Ｇａ２Ｏ３基板１は、片面にＣＶＤ法、スパッタ法等により、基板保護層２が形成されている。基板保護層２としては、１２００℃の耐熱性を有する材料で構成されるのが好ましく、ＴｉＮ，Ｗ，ＷＳｉ，ＢＰ，Ａｌ２Ｏ３，Ｍｏ,Ｔａ,ＧａＮ,ＡｌＮ等が挙げられる。この中でも、導電性を有するＴｉＮ，Ｗ，ＷＳｉ，ＢＰが特に好ましい。この実施例では、導電性を有するＴｉＮを基板保護層２として用いる。また、基板保護層２は、少なくともピンホールの発生しない程度の膜厚を有することが好ましく、例えば、５００Å〜５０００Åの膜厚が好ましい。
（発光素子の形成）
図２は、ＭＯＣＶＤ法を示す概略図であり、ＭＯＣＶＤ装置の主要部を示す概略断面を示す。ＭＯＣＶＤ装置１００は、真空ポンプおよび排気装置（図示せず）を備えた排気部１０６が接続された反応容器１０１と、Ｇａ２Ｏ３基板１を載置するサセプタ１０２と、サセプタ１０２を加熱するヒータ１０３と、サセプタ１０２を回転、上下移動させる制御軸１０４と、Ｇａ２Ｏ３基板１に向って斜め、または水平に原料ガスを供給する石英ノズル１０５と、各種原料ガスを発生する、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス発生装置１１１、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス発生装置１１２、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス発生装置１１３等を備える。なお、必要に応じてガス発生装置の数を増減してもよい。窒素源としてＮＨ３が用いられ、キャリアガスとしてＨ２が用いられる。ＧａＮ薄膜を形成するときは、ＴＭＧとＮＨ３が、ＡｌＧａＮ薄膜を形成するときは、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＮＨ３が、ＩｎＧａＮ薄膜を形成するときは、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＮＨ３が用いられる。
ＭＯＣＶＤ装置１００により薄膜を形成するには、例えば、以下のように行う。まず、Ｇａ２Ｏ３基板１は、基板保護層２を下面にし、薄膜が形成される面を上にしてサセプタ１０２に保持され、反応容器１０１内に設置される。
図２は、ＭＯＣＶＤ法を示す概略図であり、ＭＯＣＶＤ装置の主要部を示す概略断面を示す。ＭＯＣＶＤ装置１００は、真空ポンプおよび排気装置（図示せず）を備えた排気部１０６が接続された反応容器１０１と、Ｇａ２Ｏ３基板１を載置するサセプタ１０２と、サセプタ１０２を加熱するヒータ１０３と、サセプタ１０２を回転、上下移動させる制御軸１０４と、Ｇａ２Ｏ３基板１に向って斜め、または水平に原料ガスを供給する石英ノズル１０５と、各種原料ガスを発生する、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス発生装置１１１、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス発生装置１１２、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス発生装置１１３等を備える。なお、必要に応じてガス発生装置の数を増減してもよい。窒素源としてＮＨ３が用いられ、キャリアガスとしてＨ２が用いられる。ＧａＮ薄膜を形成するときは、ＴＭＧとＮＨ３が、ＡｌＧａＮ薄膜を形成するときは、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＮＨ３が、ＩｎＧａＮ薄膜を形成するときは、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＮＨ３が用いられる。
ＭＯＣＶＤ装置１００により薄膜を形成するには、例えば、以下のように行う。まず、Ｇａ２Ｏ３基板１は、基板保護層２を下面にし、薄膜が形成される面を上にしてサセプタ１０２に保持され、反応容器１０１内に設置される。
（ＬＥＤ素子の構成）
図３は、第１の実施の形態に係る発光素子としてのＬＥＤの構成を示すものである。
図３は、第１の実施の形態に係る発光素子としてのＬＥＤの構成を示すものである。
このＬＥＤ素子１０は、ｎ型の導電型を有するＧａ２Ｏ３基板１を有し、Ｇａ２Ｏ３基板１上にＳｉドープのｎ＋−ＧａＮ層１２と、Ｓｉドープのｎ−ＡｌＧａＮ層１３と、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有するＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）１４と、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮ層１５と、Ｍｇドープのｐ＋−ＧａＮ層１６と、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)からなるｐ電極１７とを順次積層して形成されており、Ｇａ２Ｏ３基板１の下面には基板保護層２を有する。
ｎ＋−ＧａＮ層１２およびｐ＋−ＧａＮ層１６は、１１００℃の成長温度条件でキャリアガスとしてＮ２を使用し、ＮＨ３とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をＧａ２Ｏ３基板１が配置されたリアクタ内に供給することにより形成される。ｎ＋−ＧａＮ層１２についてはｎ型の導電性を付与するためのドーパントとしてモノシラン（ＳｉＨ４）をＳｉ原料として使用し、ｐ＋−ＧａＮ層１６についてはｐ型の導電性を付与するためのドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）をＭｇ原料として使用する。また、ｎ−ＡｌＧａＮ層１３およびｐ−ＡｌＧａＮ層１５については、上記したもののほかに更にＴＭＡをリアクタ内に供給することによって形成される。
ＭＱＷ１４は、１１００℃の成長温度条件でキャリアガスとしてＨ２を使用し、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧをリアクタ内に供給することによって形成される。ＩｎＧａＮの形成時にはＴＭＩとＴＭＧが供給され、ＧａＮの形成時にはＴＭＧが供給される。
（ＬＥＤ素子の製造工程）
まず、ＭＯＣＶＤ装置のサセプタに基板保護層２を下にしてＧａ２Ｏ３基板１を搭載する。
まず、ＭＯＣＶＤ装置のサセプタに基板保護層２を下にしてＧａ２Ｏ３基板１を搭載する。
（ＧａＮ形成工程）
次に、所定の温度（４００℃）に昇温して、Ｎ２の供給を開始する。続いてリアクタ内の昇温を開始し、１１００℃となったときに昇温を停止し、その温度を維持するとともにＴＭＧを６０ｓｃｃｍ供給することによって膜厚１μｍのｎ＋−ＧａＮ層１２を形成する。次に、リアクタへのＮ２の供給を停止し、Ｈ２を供給する。
次に、所定の温度（４００℃）に昇温して、Ｎ２の供給を開始する。続いてリアクタ内の昇温を開始し、１１００℃となったときに昇温を停止し、その温度を維持するとともにＴＭＧを６０ｓｃｃｍ供給することによって膜厚１μｍのｎ＋−ＧａＮ層１２を形成する。次に、リアクタへのＮ２の供給を停止し、Ｈ２を供給する。
以降、ｎ−ＡｌＧａＮ層１３、ＭＱＷ１４、ｐ−ＡｌＧａＮ１５層、ｐ＋−ＧａＮ層１６、およびｐ電極１７を順次形成する。
上記の工程により、Ｇａ２Ｏ３基板１に形成された複数の発光素子は、ダイシング等により個別の発光素子に切断されて、ベアチップが作製される。
尚、上記の説明では、ＭＱＷ構造の発光素子としたが、ヘテロ構造、ダブルへテロ構造、単一量子井戸構造等であっても同様に本発明が適用できる。
（発光素子の組立て）
上記のようにＧａ２Ｏ３基板１から取出された個々のベアチップは、以下のような工程により、発光装置として組立てられる。
上記のようにＧａ２Ｏ３基板１から取出された個々のベアチップは、以下のような工程により、発光装置として組立てられる。
Ｇａ２Ｏ３基板１、エピタキシャル層２１、ｐ電極１７で構成される発光素子は、回路基板等へ挿入接続されるリードピン３１を有するサブマウント３０に導電性の金属ペースト等を介して実装される。サブマウント３０は、ｎ型のシリコン基板で形成されているので、ＬＥＤ素子１０を静電気から保護するためのツェナーダイオードとして動作し、導電性を有する基板保護層２は、サブマウント３０上に形成されたｐ型半導体層３０ａに電気的に接続され、ｐ電極１７は、ボンディング電極１９、ボンディング部２０を介してボンディングワイヤ２２によりサブマウント３０に電気的に接続される。以上の工程により、回路基板等へ実装可能な発光素子ユニットとして完成する。
（実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、Ｇａ２Ｏ３基板のエピタキシャル成長工程において使用する水素ガスによってもＧａ２Ｏ３基板がエッチング等の影響を受けず、基板平面性が維持でき、Ｇａ２Ｏ３基板の透明性に優れた発光素子、及び、その製造方法が可能となる。
第１の実施の形態によれば、Ｇａ２Ｏ３基板のエピタキシャル成長工程において使用する水素ガスによってもＧａ２Ｏ３基板がエッチング等の影響を受けず、基板平面性が維持でき、Ｇａ２Ｏ３基板の透明性に優れた発光素子、及び、その製造方法が可能となる。
そして、基板保護層として導電性を有する材質を使用することで、基板保護層はｎ電極として機能するので、基板保護層は２つの機能を果たすことになり、生産性向上及びコスト低減に繋がる。また、Ｇａ２Ｏ３基板の透明性が維持されるので、基板裏面から発光素子の出射光を取出す構成にすることも可能となる。
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態に係る発光素子としてのＬＥＤの構成を示すものである。
図４は、第２の実施の形態に係る発光素子としてのＬＥＤの構成を示すものである。
第２の実施の形態は、第１の実施の形態において、サブマウント３０に対して、発光素子１０のｐ側ｎ側を上下逆に配置して構成したものである。すなわち、Ｇａ２Ｏ３基板１から取出されたベアチップは、ｐ電極１７がサブマウント３０に導電性の金属ペースト等を介して実装されると共に、導電性を有するＴｉＮで形成された基板保護層２はｎ電極として機能するので、ボンディング電極１９、ボンディング部２０を介してボンディングワイヤ２２によりサブマウント３０上に形成されたｐ型半導体層３０ａに電気的に接続される。以上の工程により、回路基板等へ実装可能な発光素子ユニットとして完成する。
（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態に係る発光素子としてのＬＥＤの構成を示すものである。
図５は、第３の実施の形態に係る発光素子としてのＬＥＤの構成を示すものである。
第３の実施の形態は、第１の実施の形態において、基板保護層２として導電性を有しないＡｌＮを用いた構成となっている。第１の実施の形態と同様にしてＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル層２１を形成し、その後、基板保護層２を研磨、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法、エッチング等により除去する。
基板保護層２の除去後に、エピタキシャル層２１の両側に、フォトリソグラフィ技術を用いたパターニングを作製し、蒸着によりｐ電極１７、およびｎ電極１８を形成する。
上記の工程により、Ｇａ２Ｏ３基板１に形成された発光素子は、ダイシング等により個別の発光素子に切断されて、ベアチップが作製される。
（発光素子の組立て）
Ｇａ２Ｏ３基板１、エピタキシャル層２１、ｐ電極１７、及びｎ電極１８で構成される発光素子は、回路基板等へ挿入接続されるリードピン３１を有するサブマウント３０に導電性の金属ペースト等を介して実装される。サブマウント３０は、ｎ型のシリコン基板で形成されているので、ＬＥＤ素子１０を静電気から保護するためのツェナーダイオードとして動作し、ｎ電極１８はサブマウント３０上に形成されたｐ型半導体層３０ａに電気的に接続され、ｐ電極１７は、ボンディング電極１９、ボンディング部２０を介してボンディングワイヤ２２によりサブマウント３０に電気的に接続される。以上の工程により、回路基板等へ実装可能な発光素子ユニットとして完成する。
Ｇａ２Ｏ３基板１、エピタキシャル層２１、ｐ電極１７、及びｎ電極１８で構成される発光素子は、回路基板等へ挿入接続されるリードピン３１を有するサブマウント３０に導電性の金属ペースト等を介して実装される。サブマウント３０は、ｎ型のシリコン基板で形成されているので、ＬＥＤ素子１０を静電気から保護するためのツェナーダイオードとして動作し、ｎ電極１８はサブマウント３０上に形成されたｐ型半導体層３０ａに電気的に接続され、ｐ電極１７は、ボンディング電極１９、ボンディング部２０を介してボンディングワイヤ２２によりサブマウント３０に電気的に接続される。以上の工程により、回路基板等へ実装可能な発光素子ユニットとして完成する。
（実施の形態の効果）
第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、基板保護層として導電性を有しない材質を使用できるので、材料選択の幅が拡大して、製造プロセスへの制約を小さくできるという効果を有する。
第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、基板保護層として導電性を有しない材質を使用できるので、材料選択の幅が拡大して、製造プロセスへの制約を小さくできるという効果を有する。
（第４の実施の形態）
図６は、第４の実施の形態に係る発光素子としてのＬＥＤの構成を示すものである。
図６は、第４の実施の形態に係る発光素子としてのＬＥＤの構成を示すものである。
第４の実施の形態は、第３の実施の形態において、サブマウント３０に対して、発光素子１０のｐ側ｎ側を上下逆に配置して構成したものである。すなわち、Ｇａ２Ｏ３基板１から取出されたベアチップは、ｐ電極１７がサブマウント３０に導電性の金属ペースト等を介して実装されると共に、ｎ電極１８は、ボンディング電極１９、ボンディング部２０を介してボンディングワイヤ２２によりサブマウント３０上に形成されたｐ型半導体層３０ａに電気的に接続される。以上の工程により、回路基板等へ実装可能な発光素子ユニットとして完成する。
１ Ｇａ２Ｏ３基板
２ 基板保護層
１０ ＬＥＤ素子
１２ ｎ＋−ＧａＮ層
１３ ｎ−ＡｌＧａＮ層
１４ ＭＱＷ
１５ ｐ−ＡｌＧａＮ層
１６ ｐ＋−ＧａＮ層
１７ ｐ電極
１８ ｎ電極
１９ ボンディング電極
２０ ボンディング部
２１ エピタキシャル層
２２ ボンディングワイヤ
３０ サブマウント
３１ リードピン
２ 基板保護層
１０ ＬＥＤ素子
１２ ｎ＋−ＧａＮ層
１３ ｎ−ＡｌＧａＮ層
１４ ＭＱＷ
１５ ｐ−ＡｌＧａＮ層
１６ ｐ＋−ＧａＮ層
１７ ｐ電極
１８ ｎ電極
１９ ボンディング電極
２０ ボンディング部
２１ エピタキシャル層
２２ ボンディングワイヤ
３０ サブマウント
３１ リードピン
Claims (10)
- 裏面に基板保護層を有し、表面に半導体材料を結晶成長させるガリウム酸化物基板と、
前記半導体材料を前記ガリウム酸化物基板の前記表面に結晶成長させて形成した発光素子部とを有する発光素子。 - 前記基板保護層は、導電性を有し、前記基板保護層を電極として機能させて構成したことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記ガリウム酸化物基板は、Ｇａ２Ｏ３基板であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記基板保護層は、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＳｉ、ＢＰ、Ａｌ２Ｏ３、Ｍｏ、Ｔａ、ＧａＮ又は、ＡｌＮのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 表面に半導体材料を結晶成長させるガリウム酸化物基板の裏面に基板保護層を形成する保護層形成工程と、
前記半導体材料を前記ガリウム酸化物基板の前記表面に結晶成長させて発光素子部を形成する発光素子部形成工程と、
前記発光素子部を電気的に接続して発光素子に組立てる組立工程とを有する発光素子の製造方法。 - 前記ガリウム酸化物基板は、Ｇａ２Ｏ３基板であることを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
- 前記基板保護層は、ＴｉＮ、Ｗ、ＷＳｉ、ＢＰ、Ａｌ２Ｏ３、又は、ＡｌＮのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
- 前記組立工程は、前記基板保護層を除去する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
- 前記基板保護層は、非導電性であることを特徴とする請求項８に記載の発光素子の製造方法。
- 前記基板保護層は、Ａｌ２Ｏ３又はＡｌＮであることを特徴とする請求項９に記載の発光素子の製造方法。
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