JP2007234902A - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の劈開による剥離や損傷を防いで素子単位に分割することのできる発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＮ系半導体層を形成させたＧａ_２Ｏ_３基板１０をダイシングブレード２０で一度に切断せず、段階的に分割することで、ダイシングに起因する内部応力が局所的に集中することによる劈開の発生を防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化ガリウムからなる成長基板を用いた発光素子およびその製造方法に関し、特に、基板の劈開による剥離や損傷を防いで素子単位に分割することのできる発光素子およびその製造方法に関する。

従来、III族窒化物系化合物半導体素子の成長基板として、入手および加工が容易なサファイア基板が広く用いられている。また、サファイア基板を用いたIII族窒化物系化合物半導体からなる、例えば、ＧａＮ系の発光素子の場合、発光波長領域である紫外領域から青色の可視領域に対して光透過性を示すことから、発光素子の半導体層側のみならず基板側からの光取り出しも可能である。

しかし、サファイア基板は非導電性であるので、発光素子の電極構造が水平型か、サファイア基板をリフトオフ等によって除去した垂直型とする必要がある。水平型の発光素子の場合、半導体層の成長後に電極形成のためのエッチング加工等が必要になって製造工程が増加することから、発光波長に対して透明で導電性を示し、垂直型電極構造の発光素子を実現することのできる基板が要望されている。

このような要望を実現するものとして、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）基板が有望視されている。酸化ガリウムの結晶構造は単斜晶で、かつ導電性を示すとともに三方晶のサファイアと比べてＧａＮに対する格子不整合が小であることから、β−Ｇａ_２Ｏ_３のバルク単結晶からなる成長基板上に良質のＧａＮ系半導体層を設けることが可能であり、垂直型の電極構造を有するＧａＮ系発光素子の実現に有望であると考えられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−２１７４３７号公報

しかし、特許文献１によると、酸化ガリウム、特にβ−Ｇａ_２Ｏ_３は劈開性の大なる特性を有しており、発光素子の製造工程においてウエハから素子をダイシング等によって切り出す際に基板が劈開方向に剥離してしまうため、基板上に良質のＧａＮ系半導体層を形成できたとしても素子化が難しいという問題がある。

従って、本発明の目的は、基板の劈開による剥離や損傷を防いで素子単位に分割することのできる発光素子およびその製造方法を提供することにある。

（１）本発明は、上記の目的を達成するため、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含んで積層される第１および第２の導電型の半導体層を有し、前記半導体層とともに前記基板を複数回のダイシングに基づいて分割することにより素子化したことを特徴とする発光素子を提供する。

このような構成によれば、ダイシングに基づいて基板および半導体層に生じる内部応力による劈開を生じさせることなく素子化することができる。

（２）また、本発明は、上記の目的を達成するため、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含んで積層される第１および第２の導電型の半導体層を有し、前記基板の表裏方向からのダイシングに基づいて分割することにより素子化された発光素子を提供する。

このような構成によれば、ダイシングに基づいて基板および半導体層に生じる内部応力による劈開のより生じにくい素子分割が行える。

（３）また、本発明は、上記の目的を達成するため、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含んで積層される第１および第２の導電型のIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体層を有し、前記基板の表裏方向から全体の厚さ中央までのダイシングに基づいて分割することにより素子化された発光素子を提供する。

このような構成によれば、ダイシングに基づいて生じる基板および半導体層における内部応力が端面近傍に集中することを防ぎ、劈開の発生をより効果的に抑制できる。

（４）また、本発明は、上記の目的を達成するため、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含んで積層される第１および第２の導電型のIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体層を有し、前記基板に対して予め定めた方向から前記半導体層とともに前記基板を複数回のダイシングに基づいて分割することにより素子化した発光素子を提供する。

このような構成によれば、ダイシングに基づいて生じる基板および半導体層における内部応力による劈開の発生を抑制できる。

（５）また、本発明は、上記の目的を達成するため、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含む第１および第２の導電型の半導体層を形成する素子形成工程と、前記基板および半導体層を複数回のダイシングに基づいて素子化するダイシング工程とを含む発光素子の製造方法を提供する。

このような方法によれば、ダイシングに基づいて生じる基板および半導体層における内部応力による劈開の発生を抑制できる。

また、本発明は、上記の目的を達成するため、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含む第１および第２の導電型の半導体層を形成する素子形成工程と、
前記基板および半導体層を前記基板に対して第１の方向からダイシングする第１のダイシング工程と、前記第１の方向と相対する第２の方向からダイシングすることによって素子化する第２のダイシング工程とを含む発光素子の製造方法を提供する。

このような方法によれば、ダイシングに基づいて生じる基板および半導体層における内部応力による劈開の発生をより効果的に抑制できる。

また、本発明は、上記の目的を達成するため、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含む第１および第２の導電型の半導体層を形成する素子形成工程と、
前記基板および半導体層を前記基板に対して第１の方向からダイシングする第１のダイシング工程と、前記第１の方向と同一の第２の方向からダイシングすることによって素子化する第２のダイシング工程とを含む発光素子の製造方法を提供する。

このような方法でも、ダイシングに基づいて生じる基板および半導体層における内部応力による劈開の発生をより効果的に抑制できる。

本発明によると、基板の劈開による剥離や損傷を防いで素子単位に分割することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体素子としてのIII族窒化物系化合物半導体発光素子（以下「発光素子」という。）の断面図である。

（発光素子１の構成）
この発光素子１は、ｐ側およびｎ側の電極を垂直方向に配置した垂直型の発光素子であり、III族窒化物系化合物半導体を成長させる成長基板であるＧａ_２Ｏ_３基板１０と、Ｇａ_２Ｏ_３基板１０上に形成されるＡｌＮバッファ層１１と、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、ｐ^＋−ＧａＮ層１６に電流を拡散させるＩＴＯ(Indium Tin Oxide)からなる電流拡散層１７とを順次積層して形成されており、ＡｌＮバッファ層１１からｐ^＋−ＧａＮ層１６までを有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法によって形成している。

また、この発光素子１は、更に電流拡散層１７上にＡｕによって設けられるｐ側電極１８と、Ｇａ_２Ｏ_３基板１０側の素子底面にアルミニウムによって設けられるｎ側電極１９とを有する。

本実施の形態で用いるＧａ_２Ｏ_３基板１０は、青色から紫外領域にかけて光透過性を有し、ＥＦＧ法あるいはＦＺ法によって直径２インチサイズのバルク単結晶を得ることのできるβ−Ｇａ_２Ｏ_３からなるＧａ_２Ｏ_３基板である。

ＡｌＮバッファ層１１は、キャリアガスとしてＨ_２を使用し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をＧａ_２Ｏ_３基板１０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およびｐ^＋−ＧａＮ層１６は、キャリアガスとしてＨ_２を使用し、ＮＨ_３とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をＧａ_２Ｏ_３基板１０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（ＳｉＨ_４）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（Ｃｐ_２Ｍｇ）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、キャリアガスとしてＮ_２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。

図２は、本発明の実施の形態に係る発光素子の製造方法を示す概略工程図である。

まず、図２（ａ）に示すように、バルク単結晶からなるβ−Ｇａ_２Ｏ_３からなるウエハ状のＧａ_２Ｏ_３基板１０を用意してリアクタ内のサセプタ上に配置する。

次に、図２（ｂ）に示すように、Ｇａ_２Ｏ_３基板１０の表面に４００℃の成長条件でキャリアガスとしてＨ_２を使用し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をＧａ_２Ｏ_３基板１０が配置されたリアクタ内に供給することによりＡｌＮバッファ層１１を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、ＡｌＮバッファ層１１上にｎ^＋−ＧａＮ層１２からｐ^＋−ＧａＮ層１６までのＧａＮ系半導体層をＭＯＣＶＤ法によって形成し、ｐ^＋−ＧａＮ層１６上にスパッタリングによって電流拡散層１７を形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、電流拡散層１７の表面に蒸着法によってＡｕからなるｐ側電極１８を形成する。

次に、図２（ｅ）に示すように、Ｇａ_２Ｏ_３基板１０の底面側（ＧａＮ系半導体層を設けていない面）にアルミニウムからなるｎ側電極１９を形成する。なお、ｎ側電極１９の形成時にはＧａＮ系半導体層を形成したウエハの表裏を反転してｎ側電極１９を形成する。

図３は、ＧａＮ系半導体層を形成したＧａ_２Ｏ_３基板の分割方法を示し、（ａ）はＧａ_２Ｏ_３基板の分割前、（ｂ）はＧａ_２Ｏ_３基板の分割後を示す概略工程図である。

上記したウエハ状のＧａ_２Ｏ_３基板１０を分割するにあたって、まず、β−Ｇａ_２Ｏ_３の劈開面が露出するようにバー状に分割する。ここでは、図３（ａ）に示すようにＧａ_２Ｏ_３基板１０の劈開方向に応じて基板表面にスクライブを施す。

次に、スクライブを施したＧａ_２Ｏ_３基板１０にブレーキングを施すことによってＧａ_２Ｏ_３基板１０を図３（ｂ）に示すスクライブ幅に応じたサイズで割断し、バー１０Ａを形成する。

図４は、Ｇａ_２Ｏ_３基板をカットしたバーを素子単位に分割する分割行程を示す。

まず、図４（ａ）に示すように、バー１０Ａに対してｐ側電極１８側からＧａ_２Ｏ_３基板１０の約半分の深さまで厚さ２０μｍのダイシングブレード２０で溝入れを行う。第１の実施の形態で用いるダイシングブレード２０はダイヤモンド製で厚さ２０μｍである。

次に、図４（ｂ）に示すように、バー１０Ａの表裏を反転し、図４（ａ）の工程で設けたカット部２１に一致するように位置決めを行ってｎ側電極１９側からダイシングブレード２０で溝入れを行う。

このように溝入れを行うことにより、図４（ｃ）に示すように発光素子１として個々に分割する。

（第１の実施の形態の効果）
上記した本発明の第１の実施の形態によると、ＧａＮ系半導体層を形成させたＧａ_２Ｏ_３基板１０をダイシングブレード２０で一度に切断せず、段階的に分割することで、ダイシングに起因する内部応力が局所的に集中することによる劈開の発生を防ぐことができる。本発明者によれば、ダイシングを基板の厚さ方向に対向するように行い、基板厚さの中央付近で分断することで劈開の発生が抑えられることを確認している。また、基板厚さｔに対して切断深さｄは０．２ｔ≦ｄ≦０．８ｔの範囲で有効であることを確認している。

なお、本実施の形態では、電極構造が垂直型の発光素子１を説明したが、電極構造は垂直型に限定されず、水平型であっても良い。この場合には電極形成工程においてウエハの表裏を反転させる操作を不要にできる。

また、第１の実施の形態では、ＧａＮ系半導体層を有するＧａ_２Ｏ_３基板１０をカットしたバー１０Ａを素子単位に分割する際に、バー１０Ａの表裏からダイシングを行う構成を説明したが、ダイシングを同一の方向から行う方法も可能である。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の分割について示す概略工程図である。

第２の実施の形態においては、まず、図５（ａ）に示すようにｐ側電極１８側から第１の厚さのダイシングブレード２２でＧａ_２Ｏ_３基板１０の約半分の深さまでダイシングブレード２０で溝入れを行う。ここで用いるダイシングブレード２２はダイヤモンド製で厚さ５０μｍである。

次に、第１の厚さのダイシングブレード２２より厚さの小なる第２の厚さのダイシングブレード２３で、先に形成されたカット部２１から残りの深さのＧａ_２Ｏ_３基板１０を含む部分を端面までカットする。ここで用いるダイシングブレード２３はダイヤモンド製で厚さ２０μｍである。

このように溝入れを行うことにより、図５（ｃ）に示すように発光素子１として個々に分割する。

（第２の実施の形態の効果）
上記した本発明の第２の実施の形態によると、ＧａＮ系半導体層を形成させたＧａ_２Ｏ_３基板１０をダイシングブレード２２で一度に切断せず、基板厚さの中央付近まで溝入れを行った後、刃厚の薄いダイシングブレード２３で端面までカットすることで、第１の実施の形態と同様にダイシングに起因する内部応力が局所的に集中することによる劈開の発生を防ぐことができる。

図６は、Ｇａ_２Ｏ_３基板のダイシングにおける他の例を示す平面図である。上記した第１および第２の実施の形態で説明したバー状のカットに代えて、Ｇａ_２Ｏ_３基板１０の表裏から格子状にカットを行うことで素子単位に分割するようにしても良い。

なお、本発明は、上記した各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体素子としてのIII族窒化物系化合物半導体発光素子の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の製造方法を示す概略工程図である。 ＧａＮ系半導体層を形成したＧａ_２Ｏ_３基板の分割方法を示し、（ａ）はＧａ_２Ｏ_３基板の分割前、（ｂ）はＧａ_２Ｏ_３基板の分割後を示す概略工程図である。 Ｇａ_２Ｏ_３基板をカットしたバーを素子単位に分割する分割行程を示す。 本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の分割について示す概略工程図である。 図６は、Ｇａ_２Ｏ_３基板のダイシングにおける他の例を示す平面図である。

符号の説明

１…発光素子、１０…Ｇａ_２Ｏ_３基板、１０Ａ…バー、１１…ＡｌＮバッファ層、１２…ｎ^＋−ＧａＮ層、１３…ｎ−ＡｌＧａＮ層、１４…ＭＱＷ（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）、１５…ｐ−ＡｌＧａＮ層、１６…ｐ^＋−ＧａＮ層、１７…電流拡散層（ＩＴＯ）、１８…ｐ側電極、１９…ｎ側電極、２０…ダイシングブレード、２１…カット部、２２…ダイシングブレード、２３…ダイシングブレード、

Claims (9)

1. 酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含んで積層される第１および第２の導電型の半導体層を有し、前記半導体層とともに前記基板を複数回のダイシングに基づいて分割することにより素子化したことを特徴とする発光素子。
2. 酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含んで積層される第１および第２の導電型の半導体層を有し、前記基板の表裏方向からのダイシングに基づいて分割することにより素子化されたことを特徴とする発光素子。
3. 酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含んで積層される第１および第２の導電型のIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体層を有し、前記基板の表裏方向から全体の厚さ中央までのダイシングに基づいて分割することにより素子化されたことを特徴とする発光素子。
4. 酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含んで積層される第１および第２の導電型のIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体層を有し、前記基板に対して予め定めた方向から前記半導体層とともに前記基板を複数回のダイシングに基づいて分割することにより素子化したことを特徴とする発光素子。
5. 酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含む第１および第２の導電型の半導体層を形成する素子形成工程と、
   前記基板および半導体層を複数回のダイシングに基づいて素子化するダイシング工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
6. 酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含む第１および第２の導電型の半導体層を形成する素子形成工程と、
   前記基板および半導体層を前記基板に対して第１の方向からダイシングする第１のダイシング工程と、
   前記第１の方向と相対する第２の方向からダイシングすることによって素子化する第２のダイシング工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
7. 酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）からなる基板上に発光する層を含む第１および第２の導電型の半導体層を形成する素子形成工程と、
   前記基板および半導体層を前記基板に対して第１の方向からダイシングする第１のダイシング工程と、
   前記第１の方向と同一の第２の方向からダイシングすることによって素子化する第２のダイシング工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
8. 前記第１および前記第２のダイシング工程は、厚さ２０μｍの切断幅で行われる請求項５又は６に記載の発光素子の製造方法。
9. 前記第１のダイシング工程は、５０μｍの切断幅で行われ、前記第２のダイシング工程は２０μｍの切断幅で行われる請求項７に記載の発光素子の製造方法。

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