JP2007305999A - 垂直構造窒化ガリウム系ｌｅｄ素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＧａＮ基板の厚さを最小化して、ＬＥＤ素子の光抽出効率を向上させることができる垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法は、ｎ型ＧａＮ基板１１０を用意するステップと、前記ｎ型ＧａＮ基板の上面上にエピタキシャル成長法により活性層１２０及びｐ型窒化物半導体層１３０を順次形成するステップと、前記ｐ型窒化物半導体層上にｐ型電極１４０を形成するステップと、前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを減少させるために、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面をウェットエッチングするステップと、ウェットエッチングされた前記ｎ型ＧａＮ基板の下面上にｎ型電極形成領域を画定する平坦なｎ型ボンディングパッド１６０を形成するステップと、前記ｎ型ボンディングパッド上にｎ型電極１５０を形成するステップと、を含む。
【選択図】 図２Ｄ
【解決手段】垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法は、ｎ型ＧａＮ基板１１０を用意するステップと、前記ｎ型ＧａＮ基板の上面上にエピタキシャル成長法により活性層１２０及びｐ型窒化物半導体層１３０を順次形成するステップと、前記ｐ型窒化物半導体層上にｐ型電極１４０を形成するステップと、前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを減少させるために、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面をウェットエッチングするステップと、ウェットエッチングされた前記ｎ型ＧａＮ基板の下面上にｎ型電極形成領域を画定する平坦なｎ型ボンディングパッド１６０を形成するステップと、前記ｎ型ボンディングパッド上にｎ型電極１５０を形成するステップと、を含む。
【選択図】 図２Ｄ
Description
本発明は、垂直構造（垂直電極型）窒化ガリウム系（ＧａＮ）発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；以下、「ＬＥＤ」とする）素子の製造方法に関し、さらに詳細には、ＧａＮ基板を利用した垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の光抽出効率を向上させることができる垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法に関する。
一般に、窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、サファイア基板上に成長するが、このようなサファイア基板は、堅固で電気的に不導体であり、熱伝導特性がよくないから、窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の大きさを減らして製造原価を低減するか、又は光出力及びチップの特性を改善させるのに限界がある。特に、ＬＥＤ素子の高出力化のためには、大電流の印加が必須であるため、ＬＥＤ素子の熱放出問題を解決することが極めて重要である。
このようなサファイア基板を利用した窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の高出力化による発熱問題を解決するために、最近では、導電性と透過性が優れたＧａＮ基板を使用する窒化ガリウム系ＬＥＤ素子が提案されている。
すると、以下、図１を参照して、従来の技術に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の問題点について詳細に説明する。
図１は、従来の技術に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を説明するために示した断面図である。
図１に示すように、従来の技術によって製造された垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、ｎ−ＧａＮ基板１１０上に活性層１２０及びｐ型窒化物半導体層１３０が順次形成されて発光構造物をなしている。このとき、前記ｎ−ＧａＮ基板１１０は、活性層１２０及びｐ型窒化物半導体層１３０をエピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）成長させ、これらを支持するために厚い厚さに形成されている。
また、前記発光構造物の上部及び下部、すなわち、ｐ型窒化物半導体層１３０の上面及びｎ−ＧａＮ基板１１０の下面にｐ型電極１４０及びｎ型電極１５０がそれぞれ形成されている。
さらに詳細に、前記従来の技術に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子は、堅固で電気的に不導体であり、熱伝導特性がよくないサファイア基板の代わりに、導電性と透過性が優れたＧａＮ基板を使用することによって、ＧａＮ基板上に活性層１２０及びｐ型窒化物半導体層１３０のような窒化物半導体層を形成する際、同じ格子形態によって成長による格子の欠陥を最小化し、高出力化による発熱問題も解決できた。
ところが、従来の技術に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子のｎ−ＧａＮ基板１１０は、その上にエピタキシャル成長法により同じ格子を有する複数の窒化物半導体層を形成するために、その厚さがだいぶ厚く形成されている。
しかしながら、上述のように、前記ｎ−ＧａＮ基板１１０の厚さが厚いと、活性層から発光する光が厚い厚さのｎ−ＧａＮ基板を通過しながら、ｎ−ＧａＮ基板内に吸収又は散乱されるため、光抽出効率が低くなり、全体的な垂直構造ＬＥＤ素子の輝度が落ちるという問題がある。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＧａＮ基板の厚さを最小化して、ＬＥＤ素子の光抽出効率を向上させることができる垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成すべく、本発明に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法は、ｎ型ＧａＮ基板を用意するステップと、前記ｎ型ＧａＮ基板の上面上にエピタキシャル成長法により活性層及びｐ型窒化物半導体層を順次形成するステップと、前記ｐ型窒化物半導体層上にｐ型電極を形成するステップと、前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを減少させるために、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面をウェットエッチングするステップと、ウェットエッチングされた前記ｎ型ＧａＮ基板の下面上にｎ型電極形成領域を画定する平坦なｎ型ボンディングパッドを形成するステップと、前記ｎ型ボンディングパッド上にｎ型電極を形成するステップと、を含む。
また、前記本発明の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを減少させるために、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面をウェットエッチングするステップは、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面に表面凹凸が形成されるように行うことが好ましい。このような前記表面凹凸は、ｎ型ＧａＮ基板から小さな媒質である真空へ放射される際、二媒質間の境界面から入射する光の臨界角を大きくして、境界面上からの光の全反射確率を最小化するためのものであって、１μｍ〜５０μｍの高さを有するように形成することが好ましい。
また、前記本発明の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを減少させるために、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面をウェットエッチングするステップは、化学的ウェットエッチング法、電気化学的ウェットエッチング法及び光化学的ウェットエッチング法からなるグループから選択された１つのウェットエッチング法で行うか、２つ以上のウェットエッチング法を組み合わせて行うことが好ましい。
また、前記本発明の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ウェットエッチング法は、エッチング溶液としてＫＯＨ溶液又はＨ3ＰＯ4溶液を使用することが好ましく、さらに好ましくは、１５０℃〜２５０℃の温度範囲を有するエッチング溶液を使用する。これは、前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを可能な限り薄く形成するためである。
また、前記本発明の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ｎ型ＧａＮ基板の上面上に活性層を形成するステップの前に、ｎ型窒化物半導体層を形成するステップをさらに含むことが好ましい。
また、前記本発明の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを減少させるために、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面をウェットエッチングするステップの前に、前記ｐ型電極上にｐ型ボンディングパッドを形成するステップ及び前記ｐ型ボンディングパッドが形成された結果物上に基板支持層を形成するステップをさらに含むことが好ましい。このとき、前記基板支持層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ及びＣｒなどの金属を使用して、メッキ法で形成することが好ましい。
本発明によると、ｎ型ＧａＮ基板の下面を所定の厚さ分だけウェットエッチングして除去することによって、前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを最小化するとともに、１μｍ以上の高さを有する表面凹凸を形成することができるから、ＬＥＤ素子の光抽出効率を向上させることができる。
また、前記表面凹凸が形成されたｎ型ＧａＮ基板表面に平坦なｎ型ボンディングパッドを形成して、その上に形成されるｎ型電極のボンディング不良を防止することができる。
これにより、本発明は、垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の光抽出効率を向上させることができ、かつ、全般的なＬＥＤ素子の製造歩留まりも向上させることができるという効果がある。
以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施の形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者が容易に実施できるように詳細に説明する。
図面において、複数層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書全体にわたって類似の部分に対しては、同一の図面符号を付してある。
これから本発明の一実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法について、図面を参考にして詳細に説明する。
まず、図２Ａ〜図２Ｄを参考にして、本発明の実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法について詳細に説明する。
図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の一実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を説明するために順次示した工程断面図である。
まず、図２Ａに示すように、窒化ガリウム系半導体の格子定数と近い格子定数を有するｎ型ＧａＮ基板１１０を用意する。このとき、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０は、後続工程により複数の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、成長されたこれらを支持するために、厚い厚さに形成されている。本実施の形態に係る前記ｎ型ＧａＮ基板１１０は、１５０μｍ〜３００μｍの範囲の厚さを有する。
その後、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０の上面上にエピタキシャル成長工程により活性層１２０及びｐ型窒化物半導体層１３０を順次形成する。このとき、前記活性層１２０及びｐ型窒化物半導体層１３０は、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０と同じ格子形態を有するＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１である）組成式を有する窒化ガリウム系半導体物質からなっている。すなわち、本発明は、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０と活性層１２０及びｐ型窒化物半導体層１３０間のエピタキシャル成長工程による格子欠陥を最小化して、それぞれの層が優れた結晶性を有するように形成することができる。このとき、前記活性層１２０は、素子の特性及び工程条件に応じて、１つの量子井戸層又はダブルヘテロ構造で形成されることができる。
特に、本発明は、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０の上面上に活性層１２０及びｐ型窒化物半導体層１３０を成長させるステップ（図２Ａ参照）の前に、図３に示すように、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０の上面上にこれと同じ格子形態を有するｎ型窒化物半導体層１１０ａを形成して、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０の低いドーピング濃度を向上させて電流拡散効果を向上させることができる。ここで、図３は、本発明の一実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法の変形例を説明するために示した工程断面図である。
一方、本発明に係る図３では、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０と活性層１２０との間に単層のｎ型窒化物半導体層１１０ａが挿入されている構造を示しているが、これに限定されず、ｎ型窒化物半導体層１１０ａではない、素子の特性に応じて、単層又は多層の窒化物半導体層、例えば超格子層などが挿入できる。
その後、前記ｐ型窒化物半導体層１３０上にｐ型電極１４０を形成する。このとき、前記ｐ型窒化物半導体層１３０は、ｎ型ＧａＮ基板１１０又はｎ型窒化物半導体層１１０ａに比べて相対的に導電性が不良であり、主に１μｍ以下の薄い厚さに形成されるだけでなく、ｐｎ接合に極めて隣接した特性を有するので、電気的、熱的特性を考慮して、前記ｐ型窒化物半導体層１３０の上部全面にオーム特性と光反射特性を有するように形成することが好ましい。言い換えれば、前記ｐ型電極１４０は、オーム特性と光反射特性を同時に有した金属からなる単層又はオーム特性と光反射特性をそれぞれ有した金属が順次積層されてなる多層に形成できる。
次に、図２Ｂに示すように、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０の下面をウェットエッチングして、その厚さを減少させる。このとき、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０の厚さを減少させるためのウェットエッチング工程は、化学的ウェットエッチング法、電気化学的ウェットエッチング法及び光化学的ウェットエッチング法からなるグループから選択された１つのウェットエッチング法で行うか、又は２つ以上のウェットエッチング法を組み合わせて行うことができる。
したがって、本発明は、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０の厚さをウェットエッチングにより減少させることによって、製造工程が容易となり、これにより大量生産が可能になる。
特に、本発明は、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０の厚さを減少させるために、その下面をウェットエッチングするとき、エッチングされたｎ型ＧａＮ基板１１０の表面、すなわち下面に″Ａ″のような表面凹凸が形成されるように行う（図５参照）。
ここで、図５は、図２Ｂに示す工程断面図の一部をさらに詳細に説明するために示した写真である。
上記表面凹凸の凹凸の高さを決定する要因には、大きく２つを考慮しなければならない。すなわち、第１の要因は、ｎ型ＧａＮ基板１１０の厚さである。凹凸の高さは、ダイオード形成のために、最小限活性層１２０又はｐ型窒化物半導体層１３０まで形成されない程度に制限されなければならない。本実施の形態に係るｎ型ＧａＮ基板１１０の厚さは、１５０μｍ〜３００μｍの範囲を有するので、このようなｎ型ＧａＮ基板１１０の厚さ以下に凹凸の高さを制限しなければならない。第２の要因は、後記する、ワイヤボンディング（ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）のためのｎ型ボンディングパッド１６０（図２Ｃ）の厚さである。ここで、ｎ型ボンディングパッド１６０を形成するメッキ法に対する量産性などを考慮するとき、ｎ型ボンディングパッド１６０の最大厚は１００μｍ以下にすることが好ましい。また、凹凸の大きさは、前記ｎ型ボンディングパッド１６０が十分に平坦化され得る大きさでなければならず、実験的に凹凸高さの２〜３倍以上の大きさに該当する厚さをメッキすることによりワイヤボンディングを行うことができる程度にｎ型ボンディングパッド１６０の平坦度が良好になるので、前記凹凸高さの上限を３０μｍ〜５０μｍにすることが好ましい。
このような前記表面凹凸を設ける理由は、ｎ型ＧａＮ基板１１０から小さな媒質である真空へ光が放射されるとき、二媒質間の境界面から入射する光の臨界角を大きくして、境界面上からの光の全反射確率を最小化するためである。したがって、本発明は、前記表面凹凸の高さ（ｈ）が１μｍ〜５０μｍになるように形成して、ｎ型ＧａＮ基板１１０と真空との間の境界面から入射する光の臨界角を大きくすることが好ましい。
本実施の形態では、前記表面凹凸の高さが１μｍ以上、好ましくは１μｍ〜５０μｍとなるように形成するために、前記ウェットエッチングの際、エッチング溶液としてＫＯＨ溶液又はＨ3ＰＯ4溶液を使用しており、このようなエッチング溶液は、５０℃以上の温度を有することが好ましい。万一、前記エッチング溶液の温度が５０℃未満を有すると、エッチング率が低くなり、表面凹凸が１μｍ以上の高さを有するようにすることが難しい。
なお、ウェットエッチング時のエッチング率（μｍ／ｍｉｎ）は、当業界にとって既に周知のとおり、下記の式により表されることができる。
エッチング率［μｍ／ｍｉｎ］＝Ｅａ＊１０００／Ｋ＋Ｃ
Ｅａ：活性化エネルギー（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）
Ｋ：エッチング溶液の温度（Ｋ）
Ｃ：定数
エッチング率［μｍ／ｍｉｎ］＝Ｅａ＊１０００／Ｋ＋Ｃ
Ｅａ：活性化エネルギー（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）
Ｋ：エッチング溶液の温度（Ｋ）
Ｃ：定数
このとき、活性化エネルギーＥａと定数Ｃは、エッチング溶液のＫＯＨのモル濃度とも関連した関数であるから、凹凸の高さ（ｔ）を１μｍ〜５０μｍの範囲に、エッチング溶液の温度を５０〜２５０℃などに限定しても、エッチング時間（ｍｉｎ）の（Ｅａ＊１０００／Ｋ＋Ｃ）／ｔは、エッチング溶液のモル濃度及び温度、凹凸高さによって幾何級数的に変化するようになる。したがって、一律的にエッチング時間を決定することは困難であるが、量産化の側面では長くても２〜３時間の範囲内でエッチングが完了するように、エッチング溶液のモル濃度及び温度などを調節することが好ましいと言える。
また、本発明によって１μｍ以上、好ましくは１μｍ〜５０μｍの高さを有する表面凹凸は、後続パッケージング工程の際、モールド（ｍｏｌｄ）が均一に接触できるようにする機能を果たす。
一方、本発明は、前記ｎ型ＧａＮ基板１１０の厚さを減少させるためのウェットエッチングステップの前に、図４に示すように、ｐ型電極１４０上にｐ型ボンディングパッド１７０及び基板支持層２００を順次形成してウェットエッチングする際、薄くなるｎ型ＧａＮ基板１１０の厚さによって前記ｎ型ＧａＮ基板１１０の上面上に形成された活性層１２０及びｐ型窒化物半導体層１３０などの構造物が崩れるのを防止することができる。
ここで、図４は、本発明の一実施の形態に係る垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法のさらに他の変形例を説明するために示した工程断面図である。
その後、図２Ｃに示すように、前記表面凹凸が形成されたｎ型ＧａＮ基板１１０の表面にｎ型電極形成領域を画定する平坦なｎ型ボンディングパッド１６０を形成する（図２Ｃ、″Ｂ″）。このとき、前記ｎ型ボンディングパッド１６０は、表面凹凸が形成されたｎ型ＧａＮ基板１１０の下面上に形成されるので、平坦に形成するためには、メッキ法を使用することが好ましい。図６は、図２Ｃに示す工程断面図の一部をさらに詳細に説明するために示した写真であり、表面凹凸を有するｎ型ＧａＮ基板１１０上にメッキ法によりＡｕをメッキして、ｎ型ボンディングパッド１６０を形成した状態を示した写真である。
このように形成された前記ｎ型ボンディングパッド１６０は、その上に形成されるｎ型電極も、平坦に形成することができるから、後続ボンディング工程を容易に行うことができるようにする機能を果たす。
次に、図２Ｄに示すように、前記ｎ型ボンディングパッド１６０上にオーム特性を有する金属を使用して、ｎ型電極１５０を形成する。
その後、通常の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法によって、ボンディング工程及びパッケージング工程などのような後続工程を行う。
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
１１０ ｎ型ＧａＮ基板
１１０ａ ｎ型窒化物半導体層
１２０ 活性層
１３０ ｐ型窒化物半導体層
１４０ ｐ型電極
１５０ ｎ型電極
１６０ ｎ型ボンディングパッド
１７０ ｐ型ボンディングパッド
２００ 基板支持層
１１０ａ ｎ型窒化物半導体層
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１７０ ｐ型ボンディングパッド
２００ 基板支持層
Claims (9)
- ｎ型ＧａＮ基板を用意するステップと、
前記ｎ型ＧａＮ基板の上面上にエピタキシャル成長法により活性層及びｐ型窒化物半導体層を順次形成するステップと、
前記ｐ型窒化物半導体層上にｐ型電極を形成するステップと、
前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを減少させるために、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面をウェットエッチングするステップと、
ウェットエッチングされた前記ｎ型ＧａＮ基板の下面上にｎ型電極形成領域を画定する平坦なｎ型ボンディングパッドを形成するステップと、
前記ｎ型ボンディングパッド上にｎ型電極を形成するステップと、を含む垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法。 - 前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを減少させるために、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面をウェットエッチングするステップは、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面に表面凹凸が形成されるように行うことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法。
- 前記表面凹凸は、１μｍ〜５０μｍの高さを有するように形成することを特徴とする請求項２に記載の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法。
- 前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを減少させるために、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面をウェットエッチングするステップは、化学的ウェットエッチング法、電気化学的ウェットエッチング法及び光化学的ウェットエッチング法からなるグループから選択された１つのウェットエッチング法で行うか、２つ以上のウェットエッチング法を組み合わせて行うことを特徴とする請求項２に記載の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法。
- 前記ウェットエッチング法は、エッチング溶液としてＫＯＨ溶液又はＨ3ＰＯ4溶液を使用することを特徴とする請求項４に記載の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法。
- 前記ウェットエッチング法は、５０℃以上の温度を有するエッチング溶液を使用することを特徴とする請求項５に記載の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法。
- 前記ｎ型ＧａＮ基板の上面上に活性層を形成するステップの前に、ｎ型窒化物半導体層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法。
- 前記ｎ型ＧａＮ基板の厚さを減少させるために、前記ｎ型ＧａＮ基板の下面をウェットエッチングするステップの前に、前記ｐ型電極上にｐ型ボンディングパッドを形成するステップ及び前記ｐ型ボンディングパッドが形成された結果物上に基板支持層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法。
- 前記基板支持層は、メッキ法を使用して形成することを特徴とする請求項８に記載の垂直構造窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法。
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