JP2008518436A - GaN系化合物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図58
Description
さらに、本発明のさらに他の目的は、サファイア基板の代わりに金属基板、伝導層基板若しくは伝導性セラミック基板を用いて素子の動作時に発生する熱を効率よく外部に放出させることができる結果、高出力に用いて好適なGaN系化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
さらに、本発明のさらに他の目的は、n−GaN層に高濃度ドープを行うことができ(>1019/cm3)、n−GaN層の電気伝導度を高めて光出力特性を高めることのできるGaN系化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
好ましくは、前記金属支持層は、多重の支持層構造を有している。
前記n型半導体層、前記活性層及び前記p型半導体層の側面又は下部の少なくともいずれか一方の一部の領域に形成された保護膜をさらに備えてもよい。前記p型半導体層、前記活性層、及び前記n型半導体層層を包み込む反射防止層をさらに備えてもよい。
そして、前記p型半導体層の下部の一部に形成された絶縁層をさらに備えてもよい。好ましくは前記絶縁層が前記活性層の側面まで延在している。
前記n型半導体層の上に形成された反射防止膜層をさらに備えてもよい。
加えて、前記素子間を分離するステップ後に、分離された前記p型半導体層、前記活性層、及び前記n型半導体層を包み込む反射防止層を形成するステップをさらに有してもよい。
好ましくは前記n型半導体層の上部に形成された前記反射防止層の一部を除去した後、前記反射防止層が除去された領域に前記n型電極を形成する。
前記p型半導体層の上に反射膜を形成するステップ後に、前記p型電極が形成される領域の前記反射膜を除去するステップと、前記反射膜が除去された領域に前記p型電極を形成するステップとをさらに有してもよい。
前記金属保護膜層を形成するステップ後に、前記金属保護膜層が形成された前記p型半導体層の上に金属支持層を形成するステップをさらに有してもよい。
もちろん好ましくは、前記p型半導体層の一部を除く前記n型半導体層の側面に絶縁膜を形成するステップは、前記p型半導体層及び前記n型半導体層を包み込むように前記絶縁膜を形成するステップと、前記p型半導体層上の前記絶縁膜の一部を除去するステップとを含む。
また、素子の側面及び下面に10ミクロン以上の厚い金属保護膜層を形成することにより、外部の衝撃から素子を保護することができる。
さらに、p型反射膜電極をp−GaNの上に網目状に部分的に形成し、これらの間に反射膜を挿置することにより、活性層において発生した光子がn−GaN層に向かって放射されることを極大化させることができる。
さらに、サファイア基板からレーザーを用いてLED構造のGaN薄膜層を分離する技術と、分離された薄膜層の上に垂直型GaNLEDを作る製造工程を提供することができる。
この実施形態による図4に示す垂直型GaN−LEDは、最下面に金属支持層100を形成し、その上に反射膜電極(p型反射膜オーミック電極)110が、そしてその上にp型半導体層120、InGaN活性層(活性層)130、n型半導体層140がこの順に積層されている。
なお、図面符号150は、n型オーミック電極を、160は反射防止層を、そして162は保護膜をそれぞれ示している。
図8〜図15は、本発明の第1の実施形態による垂直型LED素子の製造工程を説明するための一連工程断面図である。
図15は、チップを分離した後の状態の断面図である。チップは、ダイシングやレーザーカット法により分離する。
図16は、図8に示すように、所定のGaN層が形成されたサファイア基板200を設ける。次に、トレンチエッチングを行う前に、まず、p型反射膜オーミック電極110と金属支持層100を形成した後(図17及び図18)、レーザーを照射してサファイア基板200を分離除去する(図19)。
先ず、上記の図8〜図11に示した基板、すなわち、第2の金属支持層102が形成された基板を設ける。次いで、チップの面積に相当する領域にフォトレジスト膜によりパターンを形成した後、フォトレジスト膜をマスクにして第1の金属支持層101を形成する(図24)。次いで、サファイア基板200の分離除去のために、レーザーを照射する(図25)。すなわち、図12に示す工程とこれに続く工程を行うことにより、図5に示す構造を有する垂直型LED素子が得られる。
次いで、サファイア基板200の分離除去のために、レーザーを照射する。後続する工程は、図12に続く工程と同様である。二重金属支持層を使用していることから、図26に示すように、ブレイキング(breaking)が容易であり、チップ分離が容易になるというメリットがある。その結果、最終的に、図5に示す構造を有する垂直型LED素子が得られる。
図27は、上述の図16〜図19に示した工程により第2の金属支持層101をさらに形成した後、サファイア基板をレーザーにより分離除去した後の断面図である。具体的には、図19に示す工程とこれに続く工程を行うことにより、図5に示す構造を有する垂直型LED素子が得られる。
図30は、図9に示した工程まで行った後、全面にSiO2の保護膜162を0.05〜5.0ミクロンの厚さでPECVD法により蒸着する。次いで、網目状の微細パターンを形成した後、フォトレジスト膜をマスクとしてBOEまたはCF4ガスを用いてドライエッチング方法によりSiO2の保護膜162をエッチングし、その後、SiO2が除去された部分上にp型反射膜オーミック金属を蒸着し、熱処理を施してp型反射膜オーミック電極110を形成する。
次いで、300〜600℃の温度条件下で数秒から数分をかけて急速熱処理方法を用いて熱処理を施すことにより電極を形成する。
後続する工程は、図12〜図14に示す工程と同様である。図33は、チップを分離した後の断面図である。
図34は、図16に示した所定の基板の上にSiO2の保護膜162を0.05〜5.0ミクロンの厚さにPECVD法により蒸着する工程を示している。
NiとAuを数十〜数百ナノメートルの厚さに電子線蒸着装置により蒸着して使用することができるが、図4〜図7に示す垂直型LEDの場合には反射度が重要であるため、Ni/Ag、Pt/Ag、Ru/Ag、Ir/Agなどの金属を使用する。次いで、300〜600℃の温度条件下で数秒から数分をかけて急速熱処理方法を用いて熱処理を施すことにより電極を形成する。次いで、p型反射膜オーミック電極110の上にAgまたはAl系の反射膜103を蒸着する。
図38は、図9に示した工程まで行った後、全面にSiO2の保護膜162を0.05〜5.0ミクロンの厚さにPECVD方法により蒸着する工程を示している。次いで、網目状の微細パターンを形成した後、フォトレジスト膜をマスクとしてBOEまたはCF4ガスを用いてドライエッチング方法によりSiO2をエッチングし、その後、SiO2が除去された部分上にp型反射膜オーミック金属を蒸着し、熱処理を施してp型反射膜オーミック電極110を形成する工程を示している。
後続する工程は、図12、図13、図14に示す工程と同様である。図41は、チップを分離した後の断面図である。
図42は、図16に示した所定の基板上にSiO2の保護膜162を0.05〜5.0ミクロンの厚さにPECVD方法により蒸着する工程を示している。次いで、網目状の微細パターンを形成し、フォトレジスト膜をマスクとしてBOEまたはCF4ガスを用いてドライエッチング方法によりSiO2をエッチングした後、SiO2が除去された部分上にp型反射膜オーミック金属を蒸着し、次いで、熱処理を施してp型反射膜オーミック電極110を形成する。
第1の金属支持層102は、電気メッキ方法、またはスパッタリング、電子線蒸着、熱蒸着などの真空蒸着法、あるいは、金属基板をp型電極上に載置して300℃の温度条件下で圧力を加えながら押し付ける基板拡散貼り合わせ方法を用いて形成する。第2の金属支持層101は、電気メッキ方法、またはスパッタリング、電子線蒸着、熱蒸着などの真空蒸着法を用いて形成する。レーザーをサファイアを介して照射すると、レーザーがGaN層に吸収され、GaN層はGa金属とN2ガスに分解される。このとき、金属支持層は、レーザー照射によりサファイア基板200が分離除去されるときに約4ミクロンの薄いGaN薄膜層が破損されることを防ぐ。
図46に示すように、n型電極のパッドの周りに「X」字状の枝(branch)を付けると、電流の拡散抵抗を低減することができて電子を均一に注入することができ、結果として、光出力を高めることができる。もちろん、本発明はこれに限定されるものではなく、光出力の向上のためにn型電極として種々の形状のものが採用可能である。
具体的には、図47は、本発明の図8〜図15に示した工程によりサファイアを分離除去した2インチLED基板と、その上に配設されたLED素子を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した写真である。この図47より、2インチ基板の全てが完璧にサファイアから分離除去されており、しかも、その内に作り込まれた素子がいずれも良好な状態を維持していることが確認できる。
図48は、水平型LED素子と垂直型LED素子における電流−電圧特性の比較グラフである。注入電流が20mAであるときに垂直型LEDの順方向電圧は3.3Vであり、水平型LED素子の3.5Vに比べて0.2V程度低いことが分かる。これは、垂直型構造のLED素子の方が電力消費が低いことを示唆している。
図2に示す水平型LED素子と、図8〜図15に示した工程により図4に示した垂直型LED素子を作り、注入電流による光の光出力特性を調べてみた。図50に示すように、垂直型LED素子の方が、水平型LED素子に比べて、約2.5倍ほどさらに明るい光を放射することが分かる。
ここで、反射膜としては、純度99%以上のAgを500nmの厚さに熱蒸着したAg膜を使用している。
図53を参照すると、本実施形態の垂直型GaN−LED構造は、まず、素子の側面、すなわち、p型半導体層1300、活性層1400、及びn型半導体層1500からなる素子の側面に絶縁膜1700をコートした後、金属保護膜層1100をp型電極1200の下と絶縁膜1700の側面にコートして、厚さが僅か4〜5ミクロンであるGaNピタキシャル成長した基板を保護できる構造であることを特徴としている。
図54に示すように、本実施形態の変形例による2番目の垂直型GaN−LED構造は、第2の実施形態による1番目の構造を基本とし、光が発せられるn型半導体層の上に反射防止膜1800をコートして光特性を改善し耐久性を高めることを特徴とする。
図55に示す垂直型GaN−LED素子は、図54に示した垂直型GaN−LED素子の金属保護膜層1100の下部に金属支持層1900が形成されている。
図58に示す垂直型LED素子は、図57に示した垂直型LED素子の金属保護膜層1100の下部に金属支持層1900が形成されている。
コンタクト金属層1210は、Ni、Ir、Pt、Pd、Au、Ti、Ru、W、Ta、V、Co、Os、Re及びRhのうち少なくともいずれか1種から形成し、好ましくは、Ni、Ir及びPtが積層された金属から形成する。
第2の貼り合わせ金属層1250は、100Å〜9000Åの厚さに形成するが、好ましくは、1000Å以内に形成する。第2の貼り合わせ金属層1250は、Au、Pd及びPtのうち少なくともいずれか1種から形成し、好ましくは、Auから形成する。
これにより、p型半導体層1300の上にMe(=Ir、Ni、Pt)/Ag/Ru/Ni/Auがこの順に積層されて、反射膜特性と低いコンタクト抵抗特性を両立できるp型電極を形成することができる。
図59〜図66は、本発明の第2の実施形態による垂直型LED素子の製造方法を説明するための一連工程断面図である。
この代わりに、半導体層膜としてInGaN膜を使用してもよい。また、上述のn型半導体層1500及びp型半導体層1300は多層膜に形成してもよい。以上において、n型の不純物としてSiを使用し、p型の不純物としては、InGaAlPの使用時にはZnを使用し、窒化物系であるときにはMgを使用している。
次いで、図64に示すように、活性層(i−InGaN)1400から発生した光子を基板の外部に円滑に放射させるために、n型半導体層1500の上に反射防止層1800をコートする。反射防止膜1800としては、SiO2、Si3N4、ITO、IZOなどが使用され、これらの膜はPECVD、スパッタリングまたは電子線蒸着法により蒸着する。
図66は、チップを分離した後の断面図である。このとき、チップは、ダイシングやレーザーカット方法により分離する。
図67〜図69に示す工程は、上述の図59〜図61に示す工程とほとんど同様である。すなわち、基板1000の上に所定のGaN層、すなわち、PN接合構造の層を形成する。次いで、素子間を分離し、分離された素子を保護する絶縁膜1700をその段差に沿って形成する。絶縁膜1700の一部をパターニングしてp型半導体層1300の一部を露出させた後、露出したp型半導体層1300の上にp型電極1200を形成する。
図75及び図76に示すように、基板1000の上にPN接合構造の複数の半導体層を形成する。SiO2系の絶縁膜1700を0.05〜5.0ミクロンの厚さにPECVD方法により蒸着する。次いで、フォトレジスト膜を用いて網目状の微細パターンを形成し、フォトレジスト膜をマスクとしてBOEまたはCF4ガスを用いてドライエッチング方法によりSiO2をエッチングすることにより、p型半導体層1300を網目状に露出させる。
図78〜図82に示す工程は、図59〜図74に示した工程と同様であるため、その説明は省略する。
図83〜図85に示す工程は、上述の図75〜図77に示す工程と同様である。
このとき、1番目の層は5〜1000nmの厚さに形成し、2番目の層は10〜1000nmの厚さに形成する。
さらに、反射防止膜1800は、ITO、ZnO、SiO2、Si3N4及びIZOのうち少なくともいずれか1種から10〜5000nmの厚さに形成する。
101 第1の金属支持層
102 第2の金属支持層
103、2000 反射膜
110 (p型)反射膜電極(p型反射膜オーミック電極)
120、1300 p型半導体層
130、1400 InGaN活性層(活性層)
140、1500 n型半導体層
150、1600 n型オーミック電極(n型電極)
160 反射防止膜(層)
162 保護膜
200、1000 (サファイア)基板
1100 金属保護膜層
1200 p型電極
1210 コンタクト金属層
1220 反射金属層
1230 拡散防止層
1240、1250 貼り合わせ金属層
1700 絶縁膜
1800 反射防止膜
1900 金属支持層
Claims (27)
- 金属支持層と、
前記金属支持層の上に形成されたp型反射膜電極と、
前記p型反射膜電極の上にこの順序に積層形成されたp型半導体層、活性層、及びn型半導体層と、
前記n型半導体層の上に形成されたn型電極とを備えることを特徴とする発光素子。 - 金属支持層と、
前記金属支持層の上に形成された反射膜と、
前記反射膜の上部領域に網目状に形成されたp型反射膜電極と、
前記p型反射膜電極を備える前記反射膜の上部にこの順序に積層形成されたp型半導体層、活性層、及びn型半導体層と、
前記n型半導体層上の所定の領域に形成されたn型電極とを備えることを特徴とする発光素子。 - 少なくとも前記n型半導体層の側面に形成された絶縁膜と、
前記p型半導体層及びn型半導体層を保護する金属保護膜層とをさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子。 - 前記金属支持層は、多重の支持層構造を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子。
- 前記n型半導体層、前記活性層、及び前記p型半導体層の側面又は下部の少なくともいずれか一方の一部の領域に形成された保護膜をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子。
- 前記p型半導体層、前記活性層、及び前記n型半導体層層を包み込む反射防止層をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子。
- 前記p型反射膜電極は、コンタクト金属層、反射金属層、拡散防止層、及び貼り合わせ金属層を備えることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- p型半導体層と、
前記p型半導体層の上に形成された活性層及びn型半導体層と、
前記n型半導体層の上に形成されたn型電極と、
少なくとも前記n型半導体層の側面に形成された絶縁膜と、
前記p型半導体層及びn型半導体層を保護する金属保護膜層とを備えることを特徴とする発光素子。 - 前記金属保護膜層は、前記p型半導体層及びn型半導体層の側面と、前記p型半導体層の下部とに形成されていることを特徴とする請求項8に記載の発光素子。
- 前記p型半導体層の下部の一部に形成された絶縁層をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の発光素子。
- 前記絶縁層は、前記活性層の側面まで延在していることを特徴とする請求項10に記載の発光素子。
- 前記n型半導体層の上に形成された反射防止膜層をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の発光素子。
- 前記p型半導体層の下方に形成されたp型電極をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の発光素子。
- 前記p型電極は、コンタクト金属層、反射金属層、拡散防止層、及び貼り合わせ金属層を備えることを特徴とする請求項13に記載の発光素子。
- 基板の上にn型半導体層、活性層、及びp型半導体層をこの順序に積層形成するステップと、
前記p型半導体層、前記活性層、前記n型半導体層、及び前記基板の一部をエッチングして素子間を分離するステップと、
分離された前記p型半導体層の上にp型反射膜電極を形成し、全体構造上に第1の金属支持層を形成するステップと、
前記基板を除去するステップと、
前記n型半導体層の上にn型電極を形成するステップとを有することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 基板の上にn型半導体層、活性層、p型半導体層、p型反射膜電極、及び第1の金属支持層をこの順序に積層形成するステップと、
前記基板を除去するステップと、
前記p型半導体層、前記活性層、及び前記n型半導体層の一部をエッチングして素子間を分離するステップと、
前記n型半導体層の上にn型電極を形成するステップとを有することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記第1の金属支持層の上に素子間分離された第2の金属支持層を形成し、前記第1及び第2の金属支持層は、電気メッキにより形成するか、あるいは、熱蒸着器、電子線蒸着器、レーザー蒸着器、スパッタ、MOCVDなどの真空蒸着器により形成することを特徴とする請求項15又は16に記載の発光素子の製造方法。
- 前記第1及び第2の金属支持層は、Au、Ni、W、Mo、Cu、Al、Ta、Ag、Pt及びCrの内の少なくともいずれか1種の金属から形成するか、あるいは、NbドープのSrTiO3、AlドープのZnO、ITO(Indium Tin Oxide)、又はIZO(Indium Zinc Oxide)などの伝導性セラミック基板やBドープのSi、AsドープのSi、不純物ドープのダイヤモンドなどの不純物ドープの半導体基板の内のいずれか1種の基板から形成し、かつ、前記第1の金属支持層と第2の金属支持層との総厚さが0.5〜200mmであることを特徴とする請求項17に記載の発光素子の製造方法。
- 前記素子間を分離するステップ後に、分離された前記p型半導体層、前記活性層、及び前記n型半導体層を保護する保護膜を形成するステップをさらに有することを特徴とする請求項15又は16に記載の発光素子の製造方法。
- 前記素子間を分離するステップ後に、分離された前記p型半導体層、前記活性層、及び前記n型半導体層を包み込む反射防止層を形成するステップをさらに有することを特徴とする請求項15又は16に記載の発光素子の製造方法。
- 前記n型半導体層の上部に形成された前記反射防止層の一部を除去した後、前記反射防止層が除去された部位に前記n型電極を形成することを特徴とする請求項20に記載の発光素子の製造方法。
- 基板の上にn型半導体層、活性層、及びp型半導体層をこの順序に積層形成するステップと、
前記p型半導体層の一部を除く前記n型半導体層の側面に絶縁膜を形成するステップと、
前記絶縁膜が形成されていない前記p型半導体層の上にp型電極を形成するステップと、
前記p型半導体層及びn型半導体層を包み込むように金属保護膜層を形成するステップと、
前記基板を除去するステップと、
前記n型半導体層の上にn型電極を形成するステップとを有することを特徴とする垂直型半導体発光素子の製造方法。 - 前記p型電極を形成するステップ後に、前記p型電極が形成された前記p型半導体層の上に反射膜を形成するステップをさらに有することを特徴とする請求項22に記載の垂直型半導体発光素子の製造方法。
- 前記p型半導体層の上に反射膜を形成するステップ後に、前記p型電極が形成される領域の前記反射膜を除去するステップと、
前記反射膜が除去された領域に前記p型電極を形成するステップとをさらに有することを特徴とする請求項22に記載の垂直型半導体発光素子の製造方法。 - 前記金属保護膜層を形成するステップ後に、前記金属保護膜層が形成された前記p型半導体層の上に金属支持層を形成するステップをさらに有することを特徴とする請求項22に記載の垂直型半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板を除去するステップ後に、前記n型半導体層の上に反射防止膜層を形成するステップと、
前記反射防止膜層の一部を除去して前記n型半導体層の一部を露出させるステップとをさらに有することを特徴とする請求項22に記載の垂直型半導体発光素子の製造方法。 - 前記p型半導体層の一部を除く前記n型半導体層の側面に絶縁膜を形成するステップは、前記p型半導体層及びn型半導体層を包み込むように前記絶縁膜を形成するステップと、
前記p型半導体層上の前記絶縁膜の一部を除去するステップとを含むことを特徴とする請求項22に記載の垂直型半導体発光素子の製造方法。
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