JP2008263214A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】n型GaN系基板22上にp型電極を含む発光構造体を形成する段階と、前記p型電極を含む発光構造体が形成された状態で、前記基板の下部面の全面を最初の状態から当該基板が所定の厚さになるまでエッチングする段階と、前記所定の厚さになるまでエッチングされた前記基板の下部面上にn型電極を形成する段階とを含む。これにより、ダメ−ジがない基板の下部面にn型電極が形成されるので、発光素子、特に半導体レ−ザダイオ−ドの特性を向上させ得る。
【選択図】図3

Description

本発明は半導体発光素子およびそのの製造方法に係り、より詳しくは基板の下部面を加工してn型電極を効果的に形成できる半導体発光素子の製造方法に関する。
高密度な情報記録の必要性の増大により、可視光放出が可能な半導体発光素子に対する需要が増加している。特にDVD等のような高密度光記録媒体が市場に出回ることにより、可視光領域のレ−ザ放出が可能なレ−ザダイオ−ドに対する需要が急増している。これにより、可視光領域のレ−ザ発振が可能な多様な形態の化合物半導体レ−ザダイオ−ド(Laser Diode、以下LD)が登場している。特に、III−V族窒化物を用いた化合物半導体レ−ザダイオ−ドは、遷移方式がレ−ザ発振確率の高い直接遷移型であり、青色レ−ザ発振が可能な特性を有するので、注目されている。又、照明機器への応用次元で青色半導体発光ダイオ−ド(Light Emitting Diode、以下LED)も注目されている。
III−V族の窒化物を用いた化合物半導体発光素子は、発光特性をより向上させるために窒化ガリウム(GaN)基板上に形成されるのが一般的である。
図1はGaN発光素子の従来の製造方法によりGaN基板上に形成されたGaN LEDの断面図であり、これを参照すれば、GaN基板2上にn型GaN層4、活性層6及びp型GaN層8が順次に形成されている。p型GaN層8上に透明なp型電極10が形成されており、p型電極10の所定領域上にボンディングパッド12が形成されている。
一方、参照番号14はGaN基板2の下部面に付着させられたn型電極を示す。n型電極14は、通常、GaN基板2の厚さが研磨後もなお発光素子を支持することができる所定の厚さになるまでGaN基板2の下部面をグラインディング、ラッピング又はポリシングにより研磨した後に、GaN基板2の下部面に付着させられる。
ところで、上記研磨過程でGaN基板2の下部面は損傷するので、GaN基板2の下部面にダメ−ジ層16が形成される。結局n型電極14はダメ−ジ層16に付着するようになる。
従って、n型電極14の付着が不良になることがあり、それにより発光素子の特性が低下しうる。例えば、n型電極14に印加される電圧に関する発光効率が低くなり、発光素子の動作過程で発生する熱が多くなるため発光素子の寿命が短縮しうる。
図2は発光素子の従来の製造方法によりGaN基板上に形成されたGaN LDの断面図であり、これを参照すれば、GaN基板22上にn型GaN層24、n型AlGaN/GaNクラッド層26、n型GaNウェ−ブガイド層28、InGaN活性層30、p型GaNウェ−ブガイド層32、p型AlGaN/GaNクラッド層34及びp型GaN層36が順次に形成されている。ここで、p型AlGaN/GaNクラッド層34は電流通路になるリッジを有するリッジ構造であり、p型GaN層36は当該リッジ上に形成されている。続いて、当該リッジを有するp型AlGaN/GaNクラッド層34上に、p型GaN層36の電流通路になる一部領域を露出させる保護層38が形成されている。そして、p型GaN層36の上記露出された部分と接触するように、保護層38上にp型電極40が形成されている。GaN基板22の下部面上にn型電極42が形成されており、n型電極42は上記のLEDのn型電極14と同一の過程を経て付着させられたものである。従って、LDの場合にもGaN基板22の下部面にダメ−ジ層44が形成されるので、結局n型電極42はダメ−ジ層44上に形成され、上記LEDで発生する問題点と類似した問題点が発生する。
一般に、GaN基板上にIII−V族の窒化物を用いた化合物半導体発光素子を形成する時、LEDの場合は熱放出及び素子の分離のため、LDの場合は劈開面形成のため、GaN基板の下部面を機械的に研磨してその厚さを薄くすることが望ましい。しかし、この過程で下部面には前述したようなダメ−ジ層が形成されるので、GaN基板の下部面へのn型電極の付着が不安定になり、その結果素子の特性が低下するという問題点が発生しうる。
本発明の目的は、上部面に発光素子が形成されたGaN基板の下部面を加工するにおいて、下部面にダメ−ジ層が形成されることを防止して、上記発光素子の特性が低下することを防止することができる半導体発光素子、およびその製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明はn型GaN系基板上にp型電極を含む発光構造体を形成する段階と、前記p型電極を含む発光構造体が形成された状態で、前記基板の下部面の全面を最初の状態から当該基板が所定の厚さになるまでエッチングする段階と、前記所定の厚さになるまでエッチングされた前記基板の下部面上にn型電極を形成する段階とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法を提供する。
前記発光構造体を形成する段階は、前記基板上に、n型GaN層と、n型AlGaN/GaNクラッド層と、n型GaNウェ−ブガイド層と、InGaN活性層と、p型GaNウェ−ブガイド層と、リッジ部を備えるp型AlGaN/GaNクラッド層と、前記リッジ部上に設けられるp型GaN層とをこの並び順で順次に積層する段階と、前記p型AlGaN/GaNクラッド層上に前記p型GaN層の一部領域を露出させる保護層を形成する段階と、前記保護層上に前記p型GaN層の露出された前記一部領域と接触するように前記p型電極を形成する段階と、を有することが望ましい。
前記発光構造体は発光ダイオード用又はレーザダイオード用の構造体であることが望ましい。
前記下部面の全面は、最初の状態から当該基板が所定の厚さになるまで乾式又は湿式エッチングされることが望ましい。
前記乾式エッチングは電子サイクロトロン共鳴エッチング、ケミカルアシスティッドイオンビームエッチング、誘導結合プラズマエッチング及び反応性イオンエッチングのうちいずれか一つの方法で実施されることが望ましい。
前記乾式エッチングにおいて、主要エッチングガスとしてCl、BCl又はHBrガスを使用することが望ましい。ここで、添加ガスとしてAr又はHガスを使用してもよい。
前記湿式エッチングにおいて、エッチング液としてKOH、NaOH又はHPO溶液を使用することが望ましい。
前記n型電極はTi,Al,In,Ta,Pd,Co,Ni,Si,Ge及びAgよりなる群から選択された少なくともいずれか一つの物質を含む電極であることが望ましい。
上記目的を達成するために、本発明は、n型GaN基板と、前記n型GaN基板上に順次に形成されたn型GaN層と、n型AlGaN/GaNクラッド層と、n型GaNウェ−ブガイド層と、InGaN活性層と、p型GaNウェ−ブガイド層と、リッジ部を備えるp型AlGaN/GaNクラッド層と、前記リッジ部上に設けられるp型GaN層を含む半導体積層体と、前記p型GaN層の一部が露出されるように形成された保護層と、前記保護層上の前記p型GaN層の露出された領域と接触するよう形成されたp型電極と、前記n型GaN基板の下部面の全面に対するエッチングによりダメージ層が除去された前記n型GaN基板のエッチングされた下面に形成されたn型電極とを含む半導体発光素子を提供する。前記n型電極は、0〜500℃に熱処理されたものであることが望ましい。前記n型電極は、Ti,Al,In,Ta,Pd,Co,Ni,Si,Ge及びAgよりなる群から選択された少なくともいずれか一つの物質を含む電極であることが望ましい。前記n型基板は、III−V族の化合物半導体基板またはII−VI族の化合物半導体基板である。前記半導体発光素子は、前記p型及びn型電極を通じて5V以下の電圧が印加された条件で20mAの電流が測定される電気的特性を有することが望ましい。前記n型GaN基板のエッチングされた下部面は、走査電子顕微鏡のレベルでダメージ層が見えない面を有することが望ましい。
このような本発明によれば、GaN基板の下部面を加工する過程で前記下部面にn型電極を安定して付着できるので、GaN基板上に形成された発光素子の特性が低下することを防止できる。
前述したように、本発明のGaN発光素子、特にレ−ザダイオ−ドの製造方法では、初めから、或いは、機械的に研磨した後に機械的研磨過程で形成されるダメージ層を除去するために、発光構造体が形成されたGaN基板の下部面を乾式又は湿式エッチングし、その後、GaN基板の下部面にn型電極を形成する。
このように、最終的に乾式又は湿式エッチングした下部面上にn型電極を形成することとしたので、ダメ−ジ層を介在させることなく、n型電極を形成することができる。このように形成したn型電極の付着特性は安定的なので、LDやLED等のような発光素子の発光効率を高めることができ、その他の特性が低下することも防止できる。
以下、本発明の半導体発光素子の製造方法の実施例として、GaN発光素子製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。図面においては、層や領域の厚さは明細書の明確性のため誇張して示す。ここで、発光素子を構成する部材の中で従来技術と同一の部材に対しては、従来技術の説明において用いた参照番号と同一の参照番号を使用する。
LEDやLDのような半導体発光素子の種類によって、素子の構成上の差はあるが、この差は大きくない。従って、後述するようにその製造工程も類似すると見られる。そこで、GaN基板上にLDを形成する場合を先ず詳細に説明し、LEDについてはこれに基づいて簡略に言及する。この際LDについての説明は第1及び第2実施例に区分する。
〈第1実施例〉
図3を参照して説明する。n型GaN基板22上にn型GaN層24と、n型AlGaN/GaNクラッド層26と、n型GaNウェ−ブガイド層28と、InGaN活性層30と、p型GaNウェ−ブガイド層32と、p型AlGaN/GaNクラッド層34及びp型GaN層36とを順次に形成する。n型AlGaN/GaNクラッド層26と、n型GaNウェ−ブガイド層28と、InGaN活性層30と、p型GaNウェ−ブガイド層32と、p型AlGaN/GaNクラッド層34とは共振器層を形成する。p型AlGaN/GaNクラッド層34は電流通路になるリッジを備える構造に形成されることが望ましい。
詳しく説明すると、リッジになる領域を画定し、その他の領域を露出させるフォトレジストパタ−ン(図示せず)をp型GaN層36上に形成する。上記フォトレジストパタ−ンをエッチングマスクとして使用してp型GaN層36及びp型AlGaN/GaNクラッド層34を順次にエッチングした後、上記フォトレジストパタ−ンを除去する。ここで、p型AlGaN/GaNクラッド層34の上記リッジ部を除外した領域については、p型AlGaN/GaNクラッド層34を完全にはエッチングせず所定の厚さを残すことが望ましい。このようにして、上記のリッジ構造を有するp型AlGaN/GaNクラッド層34が形成され、上記リッジ部上にp型GaN層36が形成される。
続いて、p型AlGaN/GaNクラッド層34上にp型GaN層36の一部領域を露出させる保護層38を形成する。保護層38上にp型GaN層36の上記露出された領域と接触するようにp型電極40を形成する。
その後、図4に示したように、GaN基板22の厚さが、GaN基板22の上部面上に形成された発光素子を少なくとも支持でき、上記発光素子の動作中に発生する熱を外部へ放熱することができる程度の厚さになるまで、GaN基板22の厚さをGaN基板22の下部面から薄くすることが望ましい。
ここで、GaN基板22の下部面を乾式エッチング又は湿式エッチングで除去することが望ましいが、機械的研磨を併用することもできる。即ち、機械的研磨方式で上記下部面を研磨してGaN基板22の厚さを所定の厚さに縮めた後、GaN基板22の下部面を乾式エッチング又は湿式エッチングする。これについては第2実施例で詳細に説明する。
上記乾式エッチングはケミカルアシスティッドイオンビームエッチング(CAIBE:chemical assisted ion beam etching)、電子サイクロトロン共鳴(ECR:electron cyclone resonance)エッチング、誘導結合プラズマ(ICP:inductively coupled plasma)エッチング及び反応性イオンエッチング(RIE:reactive ion etching)のうち選択されたいずれか一つの方法を用いて実施されることが望ましい。CAIBE方法を使用する場合、BClガスを主要エッチングガスとして使用し、Arガスを添加ガスとして使用する。他の方法が使用される場合、主要エッチングガス又は添加ガスが異なりうる。例えば、Cl又はHBrガスを主要エッチングガスとして使用でき、この際Hガスを添加ガスとして使用できる。
一方、上記湿式エッチングの場合、GaN基板22の下部面は、所定の湿式エッチング液、例えばKOH、NaOH又はH3PO4溶液を使用してエッチングされる。
具体的には、所定量の上記エッチング液が充填されているエッチング槽に、GaN基板22の厚さが所望の厚さに薄くなるまで、所定時間の間、上部面上にLD用の発光構造体が形成されたGaN基板22を浸けておく。
このような乾式又は湿式エッチングは、従来の機械的研磨と異なり、GaN基板22の下部面に損傷を与えないので、下部面にダメ−ジ層(図2の44)が形成されない。従って、上記乾式又は湿式エッチングで加工された上記下部面に電極を付着させる場合、電極は安定して付着させられる。
このように、乾式又は湿式エッチングされたGaN基板22の下部面上に、図5に示したように、n型電極42を形成する。n型電極42は、Ti電極であるのが望ましいが、Ti,Al,In,Ta,Pd,Co,Ni,Si,Ge及びAgより成った群から選択された少なくともいずれか一つの物質を含む電極とすることもできる。ここで、上記n型電極42は0乃至500℃で熱処理される。こうしたn型電極42は最終的に湿式又は乾式エッチングされた下部面に付着させられるので、上記のように安定して付着させられる。
従って、n型電極の付着と関連した従来の問題点は、解消されるか、少なくともLDの特性を低下させない範囲におさめられる。
〈第2実施例〉
図6を参照して説明する。n型のGaN基板22上にn型GaN層24と、n型AlGaN/GaNクラッド層26と、n型GaNウェ−ブガイド層28と、InGaN活性層30と、p型GaNウェ−ブガイド層32と、p型AlGaN/GaNクラッド層34及びp型GaN層36とを順次に形成する。次いで、第1実施例と同様に、p型GaN層36及びp型AlGaN/GaNクラッド層34を順次にエッチングしてリッジを形成した後、保護層38及びp型電極40を順次に形成する。
次に、図7を参照して説明する。第2実施例では、n型GaN基板22の下部面を機械的に研磨する。GaN基板22の下部面は、グラインディング又はラッピング方式で研磨されることが望ましく、その他改善された表面研磨方式がある場合にはその方式で研磨されることがさらに望ましい。ここで、GaN基板22上に形成された発光構造体を支持できる範囲内で、GaN基板22の厚さを可能な限り薄くすることが望ましい。機械的に研磨されたn型GaN基板22の下部面に、ダメ−ジ層44が形成される。このように形成されたダメ−ジ層44は、乾式又は湿式エッチングによって除去される。ここで、ダメージ層44を完全に除去するため、上記乾式又は湿式エッチングは、ダメ−ジ層44が除去されうると見積もった時間よりも長い時間実施されるのが望ましい。尚、上記エッチングに使用するガスやエッチング液等は、第1実施例で使用したものと同一であっても差し支えないが、エッチング対象がダメ−ジ層44である点を考慮して第1実施例で使用したものと異なるガス又はエッチング液を使用することもできる。
図8に示すとおり、このように乾式又は湿式エッチングされたGaN基板22の下部面上にn型電極42を形成する。n型電極42は、第1実施例と同様に、形成される。その後の工程は第1実施例と同一である。
図9は機械的に研磨されたGaN基板の下部面の表面状態を示す走査電子顕微鏡写真である。図9より、機械的研磨後には、GaN基板の下部面に、多くの欠陥が生成されているダメ−ジ層が存在することが分かる。図9で下部の灰色部分はGaN基板の下部面を示す。
一方、図10は、機械的研磨により形成されたダメ−ジ層を乾式又は湿式エッチングによって除去した後のGaN基板の下部面の表面状態を示す走査電子顕微鏡写真である。図10より、下部面は綺麗であり、下部面にはダメ−ジ層が存在しないことが分かる。
図11と図12及び図13は、従来の製造方法により作成された発光素子と本発明の実施例の製造方法により作成された発光素子との電気的特性(電圧―電流特性)を示したグラフである。図11の第1グラフG1は、機械的に研磨されたGaN基板の下部面にn型電極が形成された発光素子の電気的特性を示したものである。図12の第2グラフG2は、乾式エッチングされたGaN基板の下部面上にn型電極が形成された発光素子の電気的特性を示したものである。図13の第3グラフG3は、湿式エッチングされたGaN基板の下部面上にn型電極が形成された発光素子の電気的特性を示したものである。
第1乃至第3グラフG1、G2、G3を比較すると、従来の場合8V以上で20mAの電流が得られるのに対し、本発明の場合エッチングの種類に関係なく5Vより低い電圧で20mAの電流が得られることが分かる。又、従来の場合は電気的特性のばらつきが大きいが、本発明の場合は電気的特性のばらつきがないことが分かる。
一方、LED製造過程にも本発明を適用できる。例えば、GaN基板上にn型GaN層、活性層及びp型GaN層を順次に形成し、当該p型GaN層上にp型電極を形成する。次いで、当該p型電極の所定領域上にボンディングパッドを形成する。その後、こうした発光構造体が形成された上記GaN基板の下部面を上記の乾式又は湿式エッチング方式のみで又は機械的研磨方式と上記エッチング方式とを併用して加工する。このように加工された上記下部面上にn型電極を形成してLEDを完成させる。
上記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、これらは発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではなく、望ましい実施例の例示として解釈されるべきである。例えば、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者なら、リッジ型ではないLDの製造方法にも本発明の技術的思想を適用でき、活性層を含む共振器層の形態を異なるようにしたLDの製造方法にも本発明の技術的思想を適用できるであろう。又、III−V族のGaN基板ではない化合物半導体基板又はII−VI族の化合物半導体基板を使用することもできるであろう。従って、本発明の範囲は説明された実施例により決められるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決められる。
従来技術によるGaN LEDの断面図である。 従来技術によるGaN LDの断面図である。 本発明の第1実施例によるGaN LDの製造方法を段階別に示した断面図である。 本発明の第1実施例によるGaN LDの製造方法を段階別に示した断面図である。 本発明の第1実施例によるGaN LDの製造方法を段階別に示した断面図である。 本発明の第2実施例によるGaN LDの製造方法を段階別に示した断面図である。 本発明の第2実施例によるGaN LDの製造方法を段階別に示した断面図である。 本発明の第2実施例によるGaN LDの製造方法を段階別に示した断面図である。 従来技術によりGaN基板の下部面を機械的に研磨した後の表面状態を示す走査電子顕微鏡写真である。 本発明の実施例によりGaN基板の下部面をエッチングした後の表面状態を示す走査電子顕微鏡写真である。 従来技術によるGaN発光素子製造方法により形成された発光素子の電気的特性を示したグラフであって、機械的に研磨されたGaN基板の下部面にn型電極が形成された発光素子の電気的特性を示したグラフである。 本発明の実施例によるGaN発光素子製造方法により形成した発光素子の電気的特性を示したグラフであって、乾式エッチングされたGaN基板の下部面上にn型電極が形成された発光素子の電気的特性を示したグラフである。 本発明の実施例によるGaN発光素子製造方法により形成した発光素子の電気的特性を示したグラフであって、湿式エッチングされたGaN基板の下部面上にn型電極が形成された発光素子の電気的特性を示したグラフである。
符号の説明
22 n型GaN基板、
24 n型GaN層、
26 n型AlGaN/GaNクラッド層、
28 n型GaNウェ−ブガイド層、
30 InGaN活性層、
32 p型GaNウェ−ブガイド層、
34 p型AlGaN/GaNクラッド層、
36 p型GaN層、
38 保護層、
40 p型電極。

Claims (17)

  1. n型GaN系基板上にp型電極を含む発光構造体を形成する段階と、
    前記p型電極を含む発光構造体が形成された状態で、前記基板の下部面の全面を最初の状態から当該基板が所定の厚さになるまでエッチングする段階と、
    前記所定の厚さになるまでエッチングされた前記基板の下部面上にn型電極を形成する段階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. 前記発光構造体を形成する段階は、
    前記基板上に、n型GaN層と、n型AlGaN/GaNクラッド層と、n型GaNウェ−ブガイド層と、InGaN活性層と、p型GaNウェ−ブガイド層と、リッジ部を備えるp型AlGaN/GaNクラッド層と、前記リッジ部上に設けられるp型GaN層とをこの並び順で順次に積層する段階と、
    前記p型AlGaN/GaNクラッド層上に前記p型GaN層の一部領域を露出させる保護層を形成する段階と、
    前記保護層上に前記p型GaN層の露出された前記一部領域と接触するように前記p型電極を形成する段階と、を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置の製造方法。
  3. 前記発光構造体は発光ダイオード用の構造体であ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。
  4. 前記発光構造体はレーザダイオード用の構造体であ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。
  5. 前記下部面の全面は、最初の状態から当該基板が所定の厚さになるまで乾式エッチングされることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
  6. 前記下部面の全面は、最初の状態から当該基板が所定の厚さになるまで湿式エッチングされることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
  7. 前記乾式エッチングは電子サイクロトロン共鳴エッチング、ケミカルアシスティッドイオンビームエッチング、誘導結合プラズマエッチング及び反応性イオンエッチングのうちいずれか一つの方法で実施されることを特徴とする請求項5に記載の半導体発光素子の製造方法。
  8. 前記乾式エッチングにおいて、主要エッチングガスとしてCl、BCl又はHBrガスを使用することを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子の製造方法。
  9. 前記乾式エッチングにおいて、添加ガスとしてAr又はHガスを使用することを特徴とする請求項8に記載の半導体発光素子の製造方法。
  10. 前記湿式エッチングにおいて、エッチング液としてKOH又はNaOH溶液を使用することを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。
  11. 前記n型電極は、Ti,Al,In,Ta,Pd,Co,Ni,Si,Ge及びAgよりなる群から選択された少なくともいずれか一つの物質を含む電極であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
  12. n型GaN基板と、
    前記n型GaN基板上に順次に形成されたn型GaN層と、n型AlGaN/GaNクラッド層と、n型GaNウェ−ブガイド層と、InGaN活性層と、p型GaNウェ−ブガイド層と、リッジ部を備えるp型AlGaN/GaNクラッド層と、前記リッジ部上に設けられるp型GaN層を含む半導体積層体と、
    前記p型GaN層の一部が露出されるように形成された保護層と、
    前記保護層上の前記p型GaN層の露出された領域と接触するよう形成されたp型電極と、
    前記n型GaN基板の下部面の全面に対するエッチングによりダメージ層が除去された前記n型GaN基板のエッチングされた下面に形成されたn型電極とを含む半導体発光素子。
  13. 前記n型電極は、0〜500℃に熱処理されたことを特徴とする請求項12に記載の半導体発光素子。
  14. 前記n型電極は、Ti,Al,In,Ta,Pd,Co,Ni,Si,Ge及びAgよりなる群から選択された少なくともいずれか一つの物質を含む電極であることを特徴とする請求項12または13に記載の半導体発光素子。
  15. 前記n型基板は、III−V族の化合物半導体基板またはII−VI族の化合物半導体基板であることを特徴とする請求項12〜14のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  16. 前記半導体発光素子は、前記p型及びn型電極を通じて5V以下の電圧が印加された条件で20mAの電流が測定される電気的特性を有することを特徴とする請求項12〜15のいずれか一項に記載の半導体素子。
  17. 前記n型GaN基板のエッチングされた下部面は、走査電子顕微鏡のレベルでダメージ層が見えない面を有することを特徴とする請求項12〜16のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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