JP2009049371A - 窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】放熱性が向上された窒化物系化合物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】第1の基板と、該第1の基板側からp型窒化物系化合物半導体層、活性層およびn型窒化物系化合物半導体層をこの順で含む窒化物系化合物半導体部とを有する窒化物系化合物半導体発光素子であって、該第1の基板は、第1の基板の上下方向に貫通する貫通孔を有しており、該貫通孔内には、金属膜が埋設されている窒化物系化合物半導体発光素子、および第2の基板上に、少なくともn型窒化物系化合物半導体層、活性層およびp型窒化物系化合物半導体層をこの順で積層して、窒化物系化合物半導体部を形成する工程と、貫通孔を有し、該貫通孔内に金属膜が埋設されている第1の基板を上記窒化物系化合物半導体部に接着する工程と、上記第2の基板を除去する工程とを含む窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法である。
【選択図】図1
【解決手段】第1の基板と、該第1の基板側からp型窒化物系化合物半導体層、活性層およびn型窒化物系化合物半導体層をこの順で含む窒化物系化合物半導体部とを有する窒化物系化合物半導体発光素子であって、該第1の基板は、第1の基板の上下方向に貫通する貫通孔を有しており、該貫通孔内には、金属膜が埋設されている窒化物系化合物半導体発光素子、および第2の基板上に、少なくともn型窒化物系化合物半導体層、活性層およびp型窒化物系化合物半導体層をこの順で積層して、窒化物系化合物半導体部を形成する工程と、貫通孔を有し、該貫通孔内に金属膜が埋設されている第1の基板を上記窒化物系化合物半導体部に接着する工程と、上記第2の基板を除去する工程とを含む窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法である。
【選択図】図1
Description
本発明は、窒化物系化合物半導体発光素子に関し、より詳しくは、放熱性が向上された窒化物系化合物半導体発光素子に関する。また、本発明は、当該窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。
従来から、素子の放熱性を改善するために、上下から電極を取り出せる構造を有する窒化物系化合物半導体発光素子が提案されている(たとえば、特許文献1)。図5は、特許文献1に開示される窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。図5に示される窒化物系化合物半導体発光素子は、絶縁性基板(図示されていない)上にn型層500、発光層501、p型層502が順次成長された窒化物系化合物半導体層の積層半導体510のウエハに、導電性基板505を、第1のオーミック電極503および第2のオーミック電極504を利用して接着した後、絶縁性基板を除去して、窒化物系化合物半導体層の積層半導体510を露出させることによって得られ、露出させた積層半導体510と導電性基板505とに、それぞれ対向する電極として、負電極506と正電極507とが設けられている。
しかし、従来の窒化物系化合物半導体発光素子は、導電性基板にGaAs、GaP、InP、Si、SiCなどを用いており、熱伝導率の良い金属基板と比較すると、放熱性に劣る構造となっている。特に、発光素子を大電流用途に用いる場合には、放熱性が低いことによって、チップの信頼性や発光効率の低下を引き起こす可能性がある。
特開2000−277804号公報
本発明は、上記課題を解決しようとするものであり、その目的は、放熱性が向上された窒化物系化合物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。
本発明は、第1の基板と、該第1の基板側からp型窒化物系化合物半導体層、活性層およびn型窒化物系化合物半導体層をこの順で含む窒化物系化合物半導体部とを有する窒化物系化合物半導体発光素子であって、該第1の基板は、第1の基板の上下方向に貫通する貫通孔を有しており、該貫通孔内には、金属膜が埋設されている窒化物系化合物半導体発光素子を提供する。
ここで、上記金属膜の電気伝導率および熱伝導率は、それぞれ上記第1の基板を構成する材料の電気伝導率および熱伝導率より大きいことが好ましい。
上記金属膜は、Cu、Ag、Au、Ni、PdおよびAlからなる群から選ばれる1種または2種以上の金属から構成されることが好ましい。
また、上記第1の基板は、導電性を有することが好ましく、この場合、第1の基板は、Si、GaAs、GaP、InPおよびSiCからなる群から選ばれる材料からなることがより好ましい。また、第1の基板は、導電性を有するものに限定されるものではなく、非導電性を有するものであってもよい。非導電性を有する第1の基板を構成する材料としては、たとえばサファイア、AlNなどが挙げられる。第1の基板の厚さは、10〜500μmであることが好ましい。
上記第1の基板の厚さは、上記金属膜の厚さと同じか、またはこれより大きいことが好ましい。
また、本発明の窒化物系化合物半導体発光素子においては、少なくとも上記貫通孔の内壁面と上記金属膜の側壁面との間に、保護層を有することが好ましい。
上記n型窒化物系化合物半導体層は、その表面の少なくとも一部に凹凸を有することが好ましい。また、本発明の窒化物系化合物半導体発光素子は、上記n型窒化物系化合物半導体層表面上にn型電極を有することが好ましい。
本発明は、上記窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法を提供する。本発明の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法は、第2の基板上に、少なくともn型窒化物系化合物半導体層、活性層およびp型窒化物系化合物半導体層をこの順で積層して、窒化物系化合物半導体部を形成する工程と、貫通孔を有し、該貫通孔内に金属膜が埋設されている第1の基板を上記窒化物系化合物半導体部に接着する工程と、上記第2の基板を除去する工程と、を含む。
ここで、上記第1の基板を接着する工程は、上記第1の基板が有する第1の接着層と、上記窒化物系化合物半導体部が有する第2の接着層とを接合する工程を含むことが好ましい。
また、第1の基板は、基板の一方の面に第1の接着層を成膜した後、他方の面に貫通孔を形成し、その後、該貫通孔内に金属膜を形成することにより作製されることが好ましい。あるいは、第1の基板は、基板の一方の面に、基板を貫通しない程度の深さを有する孔を形成した後、孔内に金属膜を形成し、その後、他方の面を研削または研磨した上で、基板のいずれかの面に、第1の接着層を成膜することにより作製されてもよい。
上記金属膜は、電解メッキ、無電解メッキ、蒸着、スパッタ、印刷またはこれらの2以上の組み合わせにより形成されることが好ましい。
本発明の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法は、チップ分割を行なう工程をさらに有し、上記第1の基板における、上記貫通孔が形成されていない領域のいずれかの位置でチップ分割されることが好ましい。
本発明によれば、発光素子が発生する熱を放出しやすい基板を用いているため、上下より電極を取り出せる構造を有し、放熱性が向上された窒化物系化合物半導体発光素子を提供することができる。本発明の窒化物系化合物半導体発光素子は、大電流用途に好適に用いることができる。
<窒化物系化合物半導体発光素子>
図1は、本発明の窒化物系化合物半導体発光素子の好ましい一例を示す概略断面図である。図1に示される窒化物系化合物半導体発光素子は、第1の基板101上に、第1の基板101側からp型オーミック性電極105、p型窒化物系半導体コンタクト層106、p型窒化物系半導体層107、活性層108およびn型窒化物系化合物半導体層109をこの順に備え、p型窒化物系半導体コンタクト層106、p型窒化物系半導体層107、活性層108およびn型窒化物系化合物半導体層109が窒化物系化合物半導体部110を構成する。また、n型窒化物系化合物半導体層109上に、n型オーミック性電極111を有する。第1の基板101と窒化物系化合物半導体部110とは、第1の接着層112および第2の接着層113を介して接着されている。
図1は、本発明の窒化物系化合物半導体発光素子の好ましい一例を示す概略断面図である。図1に示される窒化物系化合物半導体発光素子は、第1の基板101上に、第1の基板101側からp型オーミック性電極105、p型窒化物系半導体コンタクト層106、p型窒化物系半導体層107、活性層108およびn型窒化物系化合物半導体層109をこの順に備え、p型窒化物系半導体コンタクト層106、p型窒化物系半導体層107、活性層108およびn型窒化物系化合物半導体層109が窒化物系化合物半導体部110を構成する。また、n型窒化物系化合物半導体層109上に、n型オーミック性電極111を有する。第1の基板101と窒化物系化合物半導体部110とは、第1の接着層112および第2の接着層113を介して接着されている。
第1の基板101は、導電性基板102に、該基板の上下方向(厚み方向)に貫通孔を設けた構造を有しており、該貫通孔内には、金属膜104が埋設されている。また、第1の基板101は、貫通孔の内壁面と金属膜104の側壁面との間、および導電性基板102の窒化物系化合物半導体部110が形成される側とは反対の表面上に保護層103を有している。
本発明の窒化物系化合物半導体発光素子においては、上記のように、金属膜が埋設された基板を用いており、基板全体としての熱伝導性および電気伝導性を向上させることができるため、従来の基板と比較して基板側からの放熱性が高く、低放熱性により生じるチップの信頼性の悪化や発光効率の低下等を防止することができる。かかる本発明の窒化物系化合物半導体発光素子は、たとえば大電流用途に好適に適用することができる。
第1の基板について詳細に説明する。第1の基板101は、導電性基板102に設けられた上下方向(厚み方向)に貫通する貫通孔内に、金属膜104が埋設された構造を有している。貫通孔を設ける基板は、必ずしも導電性を有している必要はないが、貫通孔形成時の基板の安定性を考慮すると、導電性を有することが好ましい。導電性を有する基板としては、たとえばSi、GaAs、GaP、InPおよびSiCなどを好適に用いることができる。貫通孔の形成のし易さを考慮すると、Si基板がより好ましい。後述するように、第1の基板101は、たとえば数μmの厚さを有する窒化物系化合物半導体部110を成長させるための成長基板(第2の基板)を除去した後において、該半導体部を保持する役割をも担うものであり、該成長基板除去後の工程流動にあたり、ウェハハンドリングを安定させるためには、第1の基板101の厚さは、10〜500μm程度とすることが好ましく、50〜200μm程度とすることがより好ましい。なお、第1の基板の厚さとは、導電性基板102の厚さと同義であるが、図1に示される場合のように、導電性基板102上に保護層103が形成される場合には、導電性基板102の厚さと保護層103の厚さとの合計である。
また、第1の基板は、導電性を有するものに限定されるものではなく、非導電性を有するものであってもよい。非導電性を有する第1の基板を構成する材料としては、たとえばサファイア、AlNなどが挙げられる。
本発明において、金属膜104を構成する金属材料の種類は、概して金属膜を形成することにより、金属膜を形成しない場合と比較して、基板の熱伝導性および電気伝導性は向上すると考えられることから特に限定されない。ただし、基板の放熱性のさらなる向上のためには、金属膜材料は、第1の基板を構成する材料、すなわち導電性基板102の材料より、熱伝導率および電気伝導率が高いものを選択することが好ましい。熱導電性および電気伝導性が比較的高い金属としては、たとえばCu、Ag、Au、Ni、PdおよびAlなどを挙げることができ、本発明において、これらの1種または2種以上を好適に用いることができる。貫通孔内に金属膜104を形成する方法としては、たとえば電解メッキ、無電解メッキ、蒸着、スパッタ、印刷またはこれらの2以上の組み合わせを用いることができる。金属膜104の厚みを、たとえば100μm以上とする場合には、電解メッキ法を用いることが好ましい。
第1の基板101の厚さは、金属膜104の厚さと同じか、またはこれより大きいことが好ましい。これにより、貫通孔が形成されていない部分の第1の基板の厚さが、貫通孔が形成されている部分の第1の基板の厚さより大きくなるため、金属マイグレーションを防止することができ、市場での不良発生を抑制することが可能となる。また、貫通孔内に形成された金属膜の側壁を保護することが可能となる。なお、上記したように、第1の基板101の厚さとは、導電性基板102上に保護層103が形成される場合には、導電性基板102の厚さと保護層103の厚さとの合計である。
導電性基板102に形成される貫通孔の形状は特に制限されず、たとえば基板面と水平な方向における断面形状が、たとえば円形状、楕円形状、四角形状等であってよい。1チップあたりの貫通孔の数は特に制限されない。また、第1の基板表面を貫通孔が占める面積の割合は、放熱性の観点からできるだけ大きい方が好ましい。ただし、形成した金属膜によるウェハ反りが問題となる場合には、より小さいサイズの貫通孔を複数形成することにより、ウェハ反りを低減しつつ、熱伝導性および電気伝導性の向上を図ることができる。
本発明においては、図1に示されるように、少なくとも貫通孔の内壁面と金属膜104の側壁面との間に保護層103を設けることが好ましい。これにより、金属膜104として、たとえばCu等の拡散しやすい金属を用いる場合、導電性基板102への金属の拡散を防止し、チップの信頼性を向上させることができる。なお、図1に示される窒化物系化合物半導体発光素子においては、導電性基板102の窒化物系化合物半導体部110が形成される側とは反対の表面上にも保護層を有しているが、必ずしも当該部分に保護層を形成する必要はない。導電性基板表面上の保護層を残すことにより、工程の簡略化を図ることができる。
保護層103の厚みは特に制限されず、たとえば、10〜500nmとすることができる。また、保護層の材料は、たとえばSiO2、SiN、あるいはこれらの積層体、または貫通孔内に形成される金属膜に対してバリア効果を有する金属層とすることができる。
p型窒化物系半導体コンタクト層106、p型窒化物系半導体層107、活性層108およびn型窒化物系化合物半導体層109は、それぞれInxAlyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)からなり、従来公知の適宜の構造、厚さとすることができる。活性層108としては、多重量子井戸構造(MQW)とすることが好ましい。また、p型オーミック性電極105およびn型オーミック性電極111についても、従来公知の材料および構造を採用することができる。n型オーミック性電極111としては、Hf/Alを用いることが好ましい。
ここで、n型窒化物系化合物半導体層109は、その表面の少なくとも一部に凹凸を有することが好ましい。これにより、活性層108から放出された光を窒化物系化合物半導体外部に効率よく取り出すことができる。表面凹凸は、たとえば、ドライエッチング、KOH等を用いたウェットエッチング、ナノインプリントなどにより形成することができる。表面凹凸の深さは、たとえば0.1〜2.0μm程度とすることができる。また、n型窒化物系化合物半導体層109が当該表面凹凸を有する場合、n型オーミック性電極111は、当該表面凹凸上に形成されてもよく、該凹凸が形成されていない表面上に形成されてもよい。表面凹凸形成による上記効果を得るためには、n型窒化物系化合物半導体層109は、n型オーミック性電極111が形成される領域以外の表面上に凹凸を有していることが好ましい。
第1の接着層112および第2の接着層113は、第1の基板101と窒化物系化合物半導体部110とを接着するために設けられるものであり、従来公知の材料および構造を採用することができる。
本発明の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法は特に制限されないが、以下に示す方法を好ましく用いることができる。
<窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法>
本発明の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法は、少なくとも次の工程を備える。
(1)第2の基板上に、少なくともn型窒化物系化合物半導体層、活性層およびp型窒化物系化合物半導体層をこの順で積層して、窒化物系化合物半導体部を形成する第1工程、
(2)貫通孔を有し、該貫通孔内に金属膜が埋設されている第1の基板を窒化物系化合物半導体部に接着する第2工程、および、
(3)上記第2の基板を除去する第3工程。
本発明の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法は、少なくとも次の工程を備える。
(1)第2の基板上に、少なくともn型窒化物系化合物半導体層、活性層およびp型窒化物系化合物半導体層をこの順で積層して、窒化物系化合物半導体部を形成する第1工程、
(2)貫通孔を有し、該貫通孔内に金属膜が埋設されている第1の基板を窒化物系化合物半導体部に接着する第2工程、および、
(3)上記第2の基板を除去する第3工程。
以下、図1に示される窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法の一例を、図2を参照しながら詳細に説明する。図2は、本発明の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法の好ましい一例を示す概略工程図である。
(1)第1工程
本工程において、図2(a)に示されるように、第2の基板201上に、MOCVD法(有機金属気相成長法)を用いて、バッファ層202を積層した後、n型窒化物系化合物半導体層109、活性層108、p型窒化物系化合物半導体層107およびp型窒化物系半導体コンタクト層106をこの順で積層して、窒化物系化合物半導体部110が形成されたウェハを得る。次に、MOCVD装置からウェハを取り出した後、図2(b)に示されるように、p型窒化物系半導体コンタクト層106上にp型オーミック性電極105を積層し、さらにその上に第2の接着層113を積層する。p型オーミック性電極105としては、たとえばPd層(層厚15Å)、Ag層(層厚300nm)およびNi層(層厚100nm)をこの順で積層した積層体とすることができるが、電極構造および層厚はこれに限定されるものではない。たとえば、Pd層の代わりに、Ni層、Pt層などを用いることができ、Ag層の代わりにAgNd層、APC層などを用いることができる。また、第2の接着層113としては、Ti層(層厚2000Å)、Pt層(層厚300Å)およびAu層(層厚3000Å)をこの順で積層した積層体とすることができるが、構造および層厚はこれに限定されるものではない。たとえば、Ti層(層厚250Å)、TiW層(層厚2000Å)およびAu層(層厚3000Å)をこの順で積層した積層体とすることもできる。第2の基板201としては、たとえばサファイア基板等を用いることができる。
本工程において、図2(a)に示されるように、第2の基板201上に、MOCVD法(有機金属気相成長法)を用いて、バッファ層202を積層した後、n型窒化物系化合物半導体層109、活性層108、p型窒化物系化合物半導体層107およびp型窒化物系半導体コンタクト層106をこの順で積層して、窒化物系化合物半導体部110が形成されたウェハを得る。次に、MOCVD装置からウェハを取り出した後、図2(b)に示されるように、p型窒化物系半導体コンタクト層106上にp型オーミック性電極105を積層し、さらにその上に第2の接着層113を積層する。p型オーミック性電極105としては、たとえばPd層(層厚15Å)、Ag層(層厚300nm)およびNi層(層厚100nm)をこの順で積層した積層体とすることができるが、電極構造および層厚はこれに限定されるものではない。たとえば、Pd層の代わりに、Ni層、Pt層などを用いることができ、Ag層の代わりにAgNd層、APC層などを用いることができる。また、第2の接着層113としては、Ti層(層厚2000Å)、Pt層(層厚300Å)およびAu層(層厚3000Å)をこの順で積層した積層体とすることができるが、構造および層厚はこれに限定されるものではない。たとえば、Ti層(層厚250Å)、TiW層(層厚2000Å)およびAu層(層厚3000Å)をこの順で積層した積層体とすることもできる。第2の基板201としては、たとえばサファイア基板等を用いることができる。
(2)第2工程
本工程は、貫通孔を有し、該貫通孔内に金属膜が埋設されている第1の基板を上記窒化物系化合物半導体部に接着する工程である。第1の基板101は、たとえば次のようにして作製することができる。まず、図2(c)を参照して、導電性基板102上に、第1の接着層112として、SiO2層(層厚1μm)、TiW層(層厚2000Å)、Au層(層厚3μm)およびAuSn層(層厚1000Å)を順に積層させる。ここで、SiO2層は、貫通孔形成のためのエッチング時におけるエッチングストップ層として機能する。第1の接着層112の最上層がAuSn層である。第1の接着層112の構造および層厚はこれに限定されるものではない。たとえば、SiO2層(層厚1μm)、Ti層(層厚250Å)、TiW層(層厚2000Å)、Au層(層厚3μm)およびAuSn層(層厚1000Å)を順に積層させる構成とすることもできる。また、第1の基板に使用する基板は、上記したように必ずしも導電性を有していなくてもよいが、導電性を有することが好ましい。
本工程は、貫通孔を有し、該貫通孔内に金属膜が埋設されている第1の基板を上記窒化物系化合物半導体部に接着する工程である。第1の基板101は、たとえば次のようにして作製することができる。まず、図2(c)を参照して、導電性基板102上に、第1の接着層112として、SiO2層(層厚1μm)、TiW層(層厚2000Å)、Au層(層厚3μm)およびAuSn層(層厚1000Å)を順に積層させる。ここで、SiO2層は、貫通孔形成のためのエッチング時におけるエッチングストップ層として機能する。第1の接着層112の最上層がAuSn層である。第1の接着層112の構造および層厚はこれに限定されるものではない。たとえば、SiO2層(層厚1μm)、Ti層(層厚250Å)、TiW層(層厚2000Å)、Au層(層厚3μm)およびAuSn層(層厚1000Å)を順に積層させる構成とすることもできる。また、第1の基板に使用する基板は、上記したように必ずしも導電性を有していなくてもよいが、導電性を有することが好ましい。
また、導電性基板102の厚さは、10〜500μm程度とすることが好ましく、たとえば100μmである。導電性基板102の材質は、上記したとおりであり、たとえばSi基板とされる。
次に、図2(d)に示されるように、第1の接着層112上に、サポート材203を設置する。サポート材203は、たとえばUVテープ(UV照射により分解可能な樹脂製テープ)などを用いることができる。サポート材203は、導電性基板102に貫通孔を設けた後は、当該貫通孔形成領域において基板保持に寄与するのが第1の接着層112のみとなるため、基板保持をサポートする役割を果たす。ついで、第1の接着層112が形成されている面とは反対側の面にフォトマスク204を形成した後、図2(e)に示されるように、ドライエッチングにより、導電性基板102を貫通する貫通孔210を形成する。フォトマスク204の厚みは、10μm以上とすることが好ましい。Si基板に貫通孔を形成する場合には、フォトレジストマスクを用いる代わりに、Al膜をエッチング時のマスクとして使用してもよい。
次に、ドライエッチングにより、貫通孔210の底面に位置する、露出した第1の接着層112の構成膜であるSiO2層およびTiW層の除去を行なう。SiO2層およびTiW層の除去によりAu層が露出するが、後述する金属膜の形成を電解メッキにより行なう場合、該Au層は、電解メッキのシードとして機能する。なお、電解メッキ以外の方法により、金属膜を形成する場合には、SiO2層およびTiW層の除去は必ずしも必要ではない。
次に、図2(f)に示されるように、剥離液を用いてフォトマスク204を除去した後、貫通孔210の側面および導電性基板102の表面上に、保護層103としてSiO2膜(層厚4000Å)とSiN膜(層厚5000Å)を順に形成する。また、保護層として、金属膜104に対してバリア効果を有する金属層を用いることができ、そのような金属層としては、たとえばTi層、TiN層、TaN層、TiW層などを挙げることができる。該金属層の厚さは、たとえば2000Å程度とすることができる。
次に、図2(g)を参照して、貫通孔210内に金属膜104を形成する。電解メッキにより金属膜104を形成する場合には、基板を電解メッキ浴に浸漬することにより金属膜の形成を行なう。浸漬時間は、特に限定されず、金属膜に要求されるウェハ内の厚さ均一性、膜性質に応じて適宜選択され、たとえば30〜180分間程度とすることができる。より具体的には、たとえば100μm厚の金属膜を形成する場合には、浸漬時間は90分間程度とすることができる。上記したように、金属膜104の厚さは、第1の基板101の厚さと同じか、またはそれより小さいことが好ましく、したがって、第1の基板の厚さ(図1の窒化物系化合物半導体発光素子の場合には、導電性基板102の厚さと保護層103の厚さとの合計)が100μmである場合には、金属膜の厚さは、100μm以下とすることが好ましい。金属膜を形成した際、金属膜の厚さが第1の基板の厚さより大きくなり、金属膜が第1の基板表面から突出している場合には、研磨等により、金属膜の厚さを第1の基板の厚さ以下とすることが好ましい。
次に、UV照射によりサポート材203を除去して、片面に第1の接着層が形成され、貫通孔内に金属膜を有する第1の基板101を得る(図2(h)参照)。
以上のようにして形成された第1の接着層112を有する第1の基板101と、第2の接着層113を有する、第2の基板201上に形成された窒化物系化合物半導体部110とを貼り合わせて接着することにより、図2(i)に示される構造の素子を得る。この際、第1の接着層112の最上層をAuSn層とし、第2の接着層113の最上層をAu層としている場合には、上記接着には、AuSn共晶接合を用いることができる。
また、第1の基板は、次に示す方法により作製された基板であってもよい。図3を参照して、第1の基板の別の好ましい製造方法について説明する。まず、図3(a)に示されるように、導電性基板302上に、厚さ1μm以上のフォトマスク304を形成した後、ドライエッチングにより、導電性基板302を貫通しない程度の深さを有する孔310を形成する。たとえば、導電性基板302の厚さが200μmである場合、孔310の深さは100μm程度とすることができる。なお、上記したように、導電性基板302がSi基板である場合には、エッチング用マスクとしてAl膜を用いることができる。
次に、フォトマスクを除去した後、孔310内に金属膜340を形成する工程に移る。電解メッキ法により金属膜を形成する場合、たとえば次のようにして金属膜を形成することができる。まず、孔310を形成した表面上に、保護層320として、バリアメタル層(層厚2000Å)、シード層(層厚3000Å)を順に形成する。バリアメタル層としては、Ti層、TiN層、TiW層、TaN層等を挙げることができ、シード層としては、Cu層、Au層等を挙げることができる。ついで、電解メッキ用のフォトマスク330(厚さ1μm以上)を形成する(図3(b)参照)。フォトマスク330の材料としては、導電性基板302に孔310を形成していることから、液体レジストよりも、たとえばドライフィルムのような材料が好ましく用いられる。また、フォトマスクのパターニングとしては、導電性基板302に形成した孔310以外の箇所をフォトレジストで覆うようにすることが好ましい。すなわち、導電性基板に形成した孔310と、フォトマスク330の開口部335とを一致させることが好ましい。
次に、電解メッキにより、導電性基板302の孔310内に金属膜340を形成する(図3(c)参照)。電解メッキは、基板を電解メッキ浴に浸漬することにより行なうことができる。浸漬時間は、特に限定されず、金属膜に要求されるウェハ内の厚さ均一性、膜性質に応じて適宜選択され、たとえば30〜180分間程度とすることができる。より具体的には、たとえば100μm厚の金属膜を形成する場合には、浸漬時間は90分間程度とすることができる。なお、電解メッキ以外の方法により金属膜340を形成する場合には、孔310の内壁面と金属膜340の側壁面との間に、少なくとも金属膜340に対してバリア効果を有する金属層を有する事が望ましい。次に、剥離液を用いて、フォトマスク330を除去する。
次に、導電性基板302表面上の保護層320を、エッチングまたは研磨により除去する(図3(d)参照)。金属膜が導電性基板表面から突出している場合には、研磨等により、保護層の除去とともに、金属膜の厚さを導電性基板の厚さ以下とすることが好ましい。
次に、孔310が形成されている面とは反対側の導電性基板表面を研削もしくは研磨し、保護層320を露出させる(図3(e)参照)。これにより、導電性基板に貫通孔が形成され、該貫通孔内に金属膜が埋設された構造を有する第1の基板を得る。この例において、金属膜340の厚さは、100μmである。なお、当該研削もしくは研磨は、金属膜340が露出するまで行なわれてもよい。最後に、図3(f)に示されるように、窒化物系化合物半導体部110との接合のために、研削もしくは研磨した表面上に第1の接着層350を形成する。なお、第1の接着層350は、研削もしくは研磨した面とは反対側の面に形成してもよい。第1の接着層350は、たとえばTiW層(層厚2000Å)、Au層(層厚3μm)およびAuSn層(層厚1000Å)を順に積層させた構成とすることができる。たとえば、TiW層の代わりにTi層を用いることもできる。
以上のようにして形成された第1の接着層350を有する第1の基板301と、第2の接着層を有する、第2の基板201上に形成された窒化物系化合物半導体部110とを貼り合わせて接着することにより、図2(i)に示される構造と同様の構造の素子を得ることができる。この際、第1の接着層350の最上層をAuSn層とし、第2の接着層113の最上層をAu層としている場合には、上記接着には、AuSn共晶接合を用いることができる。
(3)第3工程
本工程は、第2の基板201を除去して、n型窒化物系化合物半導体層109の表面を露出させる工程である。具体的には、まずレーザ剥離により第2の基板201を除去した後、バッファ層202を塩酸系ウェットエッチング等によりGa除去し、ついでドライエッチングを行ない、n型窒化物系化合物半導体層109の表面を露出させる。これにより、図2(j)に示されるような、第2の基板201が除去された素子を得るが、第2の基板201が除去された後においても、第1の基板101により、数μmという厚さを有する窒化物系化合物半導体部を保持することができ、以後の工程におけるウェハハンドリングを安定させることができる。
本工程は、第2の基板201を除去して、n型窒化物系化合物半導体層109の表面を露出させる工程である。具体的には、まずレーザ剥離により第2の基板201を除去した後、バッファ層202を塩酸系ウェットエッチング等によりGa除去し、ついでドライエッチングを行ない、n型窒化物系化合物半導体層109の表面を露出させる。これにより、図2(j)に示されるような、第2の基板201が除去された素子を得るが、第2の基板201が除去された後においても、第1の基板101により、数μmという厚さを有する窒化物系化合物半導体部を保持することができ、以後の工程におけるウェハハンドリングを安定させることができる。
次に、n型窒化物系化合物半導体層109の表面上にレジストマスク(たとえば厚さ1μm)を形成し、ドライエッチングにより、たとえば深さ1μmの表面凹凸220を形成する(図2(k)参照)。ドライエッチング後は、剥離液によるレジスト除去を行なう。次に、表面凹凸220上に、n型オーミック性電極111を形成した後、チップ分割を行なうことにより、図1の窒化物系化合物半導体発光素子を得る。n型オーミック性電極111としては、Hf層(50Å)およびAl層(9000Å)を順次積層した構造とすることができる。なお、n型オーミック性電極111の構造および厚さは、これに限定されるものではない。また、チップ分割は、貫通孔が形成されていない領域、すなわち金属膜が形成されていない領域のいずれかの位置で行なわれることが好ましい。金属膜が形成されている位置でチップ分割すると、金属膜側面が保護されず、金属膜が露出した状態となるため、金属膜劣化の原因となる。また、チップ当たりの金属膜の総面積が減少することとなるため、放熱性が低下する虞がある。チップ分割は、ダイシングにより行なうことができる。
なお、図1に示される窒化物系化合物半導体発光素子においては、1チップあたり1つの貫通孔を有するが、これに限定されるものではなく、ウェハ反りが問題となる等の場合には、たとえば図4に示されるように、サイズ(貫通孔の幅)がより小さい複数の貫通孔が形成された第1の基板401を用いることにより、ウェハ反りを改善できるとともに、電気伝導および熱伝導の向上を図ることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の窒化物系化合物半導体発光素子によれば、上下より電極を取り出せる構造を有し、高い放熱性を有しているため、高い放熱性が必要とされる製品、たとえば大電流用途向けの製品等に好適に適用することができ、信頼性の劣化や発光効率の低下を防ぐことができる。
101,301,401 第1の基板、102,302,402 導電性基板、103,320,403 保護層、104,340,404 金属膜、105 p型オーミック性電極、106 p型窒化物系半導体コンタクト層、107 p型窒化物系半導体層、108 活性層、109 n型窒化物系化合物半導体層、110 窒化物系化合物半導体部、111 n型オーミック性電極、112,350 第1の接着層、113 第2の接着層、201 第2の基板、202 バッファ層、203 サポート材、204,304,330 フォトマスク、210 貫通孔、220 表面凹凸、310 孔。
Claims (17)
- 第1の基板と、前記第1の基板側からp型窒化物系化合物半導体層、活性層およびn型窒化物系化合物半導体層をこの順で含む窒化物系化合物半導体部とを有する窒化物系化合物半導体発光素子であって、
前記第1の基板は、前記第1の基板の上下方向に貫通する貫通孔を有しており、
前記貫通孔内には、金属膜が埋設されている窒化物系化合物半導体発光素子。 - 前記金属膜の電気伝導率および熱伝導率は、それぞれ前記第1の基板を構成する材料の電気伝導率および熱伝導率より大きい請求項1に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記金属膜は、Cu、Ag、Au、Ni、PdおよびAlからなる群から選ばれる1種または2種以上の金属から構成される請求項1または2に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記第1の基板は、導電性を有する請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記第1の基板は、Si、GaAs、GaP、InPおよびSiCからなる群から選ばれる請求項4に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記第1の基板は、非導電性を有する請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記第1の基板の厚さは、10〜500μmである請求項1〜6のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記第1の基板の厚さは、前記金属膜の厚さと同じか、またはこれより大きい請求項1〜7のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
- 少なくとも前記貫通孔の内壁面と前記金属膜の側壁面との間に、保護層を有する請求項1〜8のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記n型窒化物系化合物半導体層は、その表面の少なくとも一部に凹凸を有する請求項1〜9のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記n型窒化物系化合物半導体層表面上にn型電極を有する請求項1〜10のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
- 請求項1に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
第2の基板上に、少なくともn型窒化物系化合物半導体層、活性層およびp型窒化物系化合物半導体層をこの順で積層して、窒化物系化合物半導体部を形成する工程と、
貫通孔を有し、前記貫通孔内に金属膜が埋設されている第1の基板を前記窒化物系化合物半導体部に接着する工程と、
前記第2の基板を除去する工程と、を含む窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1の基板を接着する工程は、前記第1の基板が有する第1の接着層と、前記窒化物系化合物半導体部が有する第2の接着層とを接合する工程を含む請求項12に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記第1の基板は、基板の一方の面に第1の接着層を成膜した後、他方の面に前記貫通孔を形成し、その後、前記貫通孔内に金属膜を形成することにより作製される請求項13に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記第1の基板は、基板の一方の面に、前記基板を貫通しない程度の深さを有する孔を形成した後、前記孔内に金属膜を形成し、その後、他方の面を研削または研磨した上で、基板のいずれかの面に、第1の接着層を成膜することにより作製される請求項13に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記金属膜は、電解メッキ、無電解メッキ、蒸着、スパッタ、印刷またはこれらの2以上の組み合わせにより形成される請求項12〜15のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- チップ分割を行なう工程をさらに有し、
前記第1の基板における、前記貫通孔が形成されていない領域のいずれかの位置でチップ分割される請求項12〜16のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
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