JP2010092903A - 窒化物系半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な光取出し効率を有する窒化物系半導体発光素子を良好な制御性で簡便に製造し得る方法を提供する。
【解決手段】窒化物系半導体発光素子の製造方法において、ウエハ状基板（１）の上面上で複数の発光素子形成領域間の境界（３１）に沿って横断面が末広がりの側辺を有する絶縁膜（１Ａ）を形成し、発光素子に含まれる窒化物系半導体積層構造を堆積し、絶縁膜を除去し、ウエハ状基板を分割して複数の発光素子を得る工程を含み、発光素子の各々に含まれる窒化物系半導体積層構造の側面は絶縁膜の側面の形状が転写された形状を含んでいることを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は窒化物系半導体発光素子の製造方法に関し、特に良好な光取出し効率を有する窒化物系半導体発光素子の製造方法に関する。

図１２は、従来の典型的な窒化ガリウム系半導体発光素子を模式的な断面図で示している。この発光素子においては、基板１０１の上面１０１ａ上に窒化物系半導体積層構造１０２が形成されている。この窒化物系半導体積層構造１０２は、基板１０１の上面１０１ａに対して垂直な側面１０２ａを有している。

図１２の発光素子において、例えばＡ点で発光した光が矢線１０３のように進行した場合、半導体積層構造の側面１０２ａへの入射角が臨界角以上であれば光はそこで反射し、さらに半導体積層構造１０２の上面への入射角も臨界角以上となって反射される。その結果、図１２の発光素子では光の取出し効率が低下する。

図１３は、特許文献１の特開２００７−３３５５２９号公報に開示された発光素子を模式的な断面図で示している。図１３の発光素子においても、図１２の場合に類似して、基板１０１の上面１０１ａ上に窒化物系半導体積層構造１０２が形成されている。しかし、図１３における窒化物系半導体積層構造１０２は、基板１０１の上面１０１ａに対してオーバーハング状に傾斜した側面１０２ｂを有している。すなわち、一つの発光素子に含まれる窒化物系半導体積層構造１０２の下面の面積は、その上面の面積に比べて小さくなっている。

図１３の発光素子において、例えばＡ点で発光した光が矢線１０３で示したように右方向に進行した場合、半導体積層構造の右側の側面１０２ｂへの入射角が臨界角以上であれば光はそこで反射するが、半導体積層構造１０２の上面では入射角が臨界角以内となって、そこから光が発光素子の外部へ取出され得る。他方、例えばＡ点で発光した光が矢線１０３で示したように左方向に進行した場合、半導体積層構造の左側の側面１０２ｂへの入射角が臨界角以下となって、そこから光が発光素子外へ取出され得る。
特開２００７−３３５５２９号公報

図１３の発光素子の製造方法においては、ウエハ状基板１０１の上面全域に窒化物系半導体積層構造形成するとともに発光素子に必要な電極を形成し、複数の発光素子形成領域間の境界に沿って窒化物系半導体積層構造を基板まで貫通する溝を形成し、この溝内をウエットエッチングすることによって、窒化物系半導体積層構造１０２の傾斜側面１０２ｂが形成される。

しかし、この方法では窒化物系半導体積層構造の側面をエッチングするので、矩形の平面形状を有する発光素子の短辺側と長辺側との側面の結晶面方位に依存して、エッチング状態が変動するなどの課題を含んでいる。また、窒化物系半導体積層構造および電極の形成後にウエットエッチング処理がかなり高温（１８０℃〜２４０℃）で行なわれるので、窒化物系半導体積層構造と電極の保護などに関する製造プロセス上の難しさも存在する。

このような先行技術における状況に鑑み、本発明は、良好な光取出し効率を有する窒化物系半導体発光素子を良好な制御性で簡便に製造し得る方法を提供することを目的としている。

本発明による窒化物系半導体発光素子の製造方法においては、ウエハ状基板の上面上で複数の発光素子形成領域間の境界に沿って横断面が末広がりの側辺を有する絶縁膜を形成し、発光素子に含まれる窒化物系半導体積層構造を堆積し、絶縁膜を除去し、ウエハ状基板を分割して複数の発光素子を得る工程を含み、発光素子の各々に含まれる窒化物系半導体積層構造の側面は絶縁膜の側面の形状が転写された形状を含んでいることを特徴としている。

なお、絶縁膜は、ウエハ状基板の上面上を絶縁層で覆い、この絶縁層上において発光素子形成領域間の境界に沿ってマスクパターンを形成し、このマスクパターンを利用したウエットエッチングによって形成されることが好ましい。この場合に、発光素子形成領域間の境界に沿ったマスクパターンの幅が変動させられることによって、絶縁膜の側面に凹凸形状が形成されることも好ましい。

また、絶縁膜は、窒化物系半導体積層構造の上部からのエッチングによってその絶縁膜の上部を露出させ、その後のエッチングによって除去されることが好ましい。

本発明によれば、窒化物系半導体積層構造の結晶方位に影響されることなく、良好な光取出し効率を有する窒化物系半導体発光素子を良好な制御性で簡便に製造することができる。

上述のように、本発明による窒化物系半導体発光素子の製造方法においては、ウエハ状基板の上面上で複数の発光素子形成領域間の境界に沿って横断面が末広がりの側辺を有する絶縁膜を形成し、発光素子に含まれる窒化物系半導体積層構造を堆積し、絶縁膜を除去し、ウエハ状基板を分割して複数の発光素子を得る工程を含み、発光素子の各々に含まれる窒化物系半導体積層構造の側面は絶縁膜の側面の形状が転写された形状を含んでいることを特徴としている。

すなわち、絶縁膜は、ウエハ状基板上に形成された複数の発光素子を互いに分割する領域（スクライブ領域）に沿って形成される。そのような分割領域に沿った絶縁膜は、ウエハ状基板の上面を覆う絶縁層を堆積した後に、マスク材のパターンを利用したエッチングによって形成され得る。そのようなエッチングは、マスクを利用したドライエッチングまたはウエットエッチングで行うことが可能である。

エッチング後に分割領域に沿った絶縁膜の横断面形状が緩やかな末広がり形状になるようにするためには、ドライエッチングに比べてウエットエッチングの方がより好ましい。また、ウエットエッチングでは、液の温度や組成を調整することによって、絶縁膜の横断面形状を変化させることも可能である。

この絶縁膜の側面形状を利用して窒化物系半導体積層構造を成長させるので、その半導体積層構造の側面には絶縁膜の側面形状が転写され、半導体積層構造の側面形状の制御が容易となる。なお、窒化物系半導体積層構造としては、たとえばｎ型窒化物系半導体層、ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層、およびｐ型窒化物系半導体層が順次成長させられ得る。

絶縁膜は、窒化物系半導体積層構造の上部からのエッチングによってその絶縁膜の上部を露出させ、その後にエッチングによって除去される。この際のエッチングは、ウエハ状基板上の複数の発光素子形成領域を覆って形成された窒化物系半導体積層構造を発光素子ごとに分離する加工を兼ねている。

（実施形態１）
以下において、本発明の実施形態１による窒化物系半導体発光素子の製造方法が、図１から図１０の模式的断面図を参照しつつ説明される。なお、本願の図面において、同一の参照符合は同一部分または相当部分を表している。また、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。

まず図１において、部分的に示されたウエハ状のサファイア基板１上に酸化珪素などの絶縁層１ａを形成し、その上にエッチングマスク３０のパターンが形成される。このエッチングマスク３０は、ウエハ状基板１上における複数の発光素子形成領域間の分割線３１に沿った領域に形成される。

図２においては、エッチングマスク３０を利用して、絶縁層１ａをエッチングすることによって絶縁膜１Ａのパターンに加工する。この場合のエッチング加工としては、ドライエッチングとウエットエッチングのいずれによって加工することも可能であるが、絶縁膜１Ａの側面の傾斜をより緩やかにするために、ウエットエッチングで処理をすることがより好ましい。なぜならば、ドライエッチングに比べてウエットエッチングはより等方的なエッチングであるので、分割線３１に沿った絶縁膜１Ａの横断面の側辺がより緩やかな末広がりの形状になりやすいからである。

なお、酸化膜１Ａが残される領域は、ウエハ状基板１上に最終的に形成された複数の発光素子間の境界線３１に沿った分割領域（スクライブ領域）のみになるようにパターニングされる。

図３においては、エッチングによって酸化膜１Ａのパターンが形成された後に、マスク３０が除去される。なお、この図３は、ウエハ状の基板１のうちで、一つの発光素子形成領域のみを示している。

図４においては、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属気相成長）法を用いて、サファイア基板１上に、バッファ層２、ｎ型窒化物系半導体層３、ＭＱＷ活性層４、およびｐ型窒化物系半導体層５を含む窒化物系半導体積層構造が形成される。

図５においては、ｐ型窒化物系半導体層５上を覆うようにＩＴＯ層が堆積される。このようなＩＴＯ層は、スパッタ法や蒸着法などの方法で堆積することが可能である。その後、マスク（図示せず）を利用したエッチングによってＩＴＯ膜６のパターンを形成し、そしてそのマスクが除去される。なお、ＩＴＯ層は、ウエットエッチングによって好ましく加工され得る。

図６においては、さらに他のマスク（図示せず）を利用したエッチングによって、ｐ型窒化物系半導体層５とＭＱＷ活性層４を部分的に除去し、ｎ型窒化物系半導体層３が部分的に露出される。この際の窒化物系半導体層のエッチングはドライエッチングにて行われ、その後にマスクが除去される。

図７においては、さらに他のマスク（図示せず）を利用した蒸着リフト法によって、ｐ型用電極１０とｎ型用電極１１が形成される。

図８においては、酸化珪素や窒化珪素などの保護層をウエハ上の全面に形成し、さらに他のマスク（図示せず）を利用したエッチングによって保護膜２０のパターンが形成される。

図９においては、さらに他のマスク（図示せず）を利用して、部分的に露出されているｎ型窒化物系半導体層３をエッチングして絶縁膜１Ａの上部を露出させる。なお、図９における左側の絶縁膜１Ａの上部は、図９に示された発光素子形成領域の左に隣接する発光素子形成領域で部分的に露出されているｎ型窒化物系半導体層３のエッチングによって露出される。

図１０においては、図９で用いられたマスク（図示せず）をそのまま利用して、ウエットエッチングによって絶縁膜１Ａが除去される。その結果、ｎ型窒化物系半導体層３の側面が、絶縁膜１Ａの側面の形状が転写された形状になる。絶縁膜１Ａの除去後には、マスクが除去される。

この後、ウエハ状の基板１を分割線３１（図２参照）に沿って発光素子形成領域ごとに分割することによって、図１０に示す窒化物系半導体発光素子が得られる。

（実施形態２）
図１１の模式的な平面図は、本発明の実施形態２による窒化物系半導体発光素子の製造方法における一工程を図解している。本実施形態２においては、実施形態１に比べて、絶縁膜１Ａが形成される平面領域の形状が少し変化させられていることのみにおいて異なっている。

より具体的には、図１１の平面図で示された工程は、図３の断面図で示された工程に対応している。すなわち、実施形態１においては絶縁膜１Ａの底面の幅が一定の帯状であったが、本実施形態２においては絶縁膜１Ａの底面の幅が周期的に変動させられている。このことによって、本実施形態２においては絶縁膜１Ａの側面に凹凸が形成され、それに伴って発光素子に含まれる窒化物系半導体積層構造の側面にも凹凸が形成される。そして、このような凹凸は窒化物系半導体積層構造の側面の実効面積を増大させる効果を有し、発光素子からの光の取出し効果をさらに高めるように作用し得る。

以上のような本発明によれば、窒化物系半導体積層構造の結晶方位に影響されることなく、良好な光取出し効率を有する窒化物系半導体発光素子を良好な制御性で簡便に製造して提供することができる。

本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法における一工程を図解する模式的断面図である。 図１に続く工程を図解する模式的断面図である。 図２に続く工程を図解する模式的断面図である。 図３に続く工程を図解する模式的断面図である。 図４に続く工程を図解する模式的断面図である。 図５に続く工程を図解する模式的断面図である。 図６に続く工程を図解する模式的断面図である。 図７に続く工程を図解する模式的断面図である。 図８に続く工程を図解する模式的断面図である。 図９に続く工程を図解する模式的断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法における一工程を図解する模式的平面図である。 従来の典型的な窒化物系半導体発光素子における光経路を図解する模式的断面図である。 特許文献１による窒化物系半導体発光素子における光経路を図解する模式的断面図である。

符号の説明

１ ウエハ状基板、１ａ 絶縁層、１Ａ 絶縁膜、２ バッファ層、３ ｎ型窒化物系半導体層、４ 活性層、５ ｐ型窒化物系半導体層、６ ＩＴＯ膜、１０ ｐ型用電極、１１ ｎ型用電極、３０ マスク、３１ 発光素子形成領域間の分割線、１０１ 基板、１０１ａ 基板の上面、１０２ 窒化物系半導体層積層構造、１０２ａ、１０２ｂ 窒化物系半導体層積層構造の側面、１０３ 光路。

Claims (4)

1. ウエハ状基板の上面上で複数の発光素子形成領域間の境界に沿って横断面が末広がりの側辺を有する絶縁膜を形成し、
   前記発光素子に含まれる窒化物系半導体積層構造を堆積し、
   前記絶縁膜を除去し、
   前記ウエハ状基板を分割して複数の前記発光素子を得る工程を含み、
   前記発光素子の各々に含まれる前記窒化物系半導体積層構造の側面は、前記絶縁膜の側面の形状が転写された形状を含んでいることを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。
2. 前記ウエハ状基板の上面上を絶縁層で覆い、
   前記絶縁層上において前記発光素子形成領域間の境界に沿ってマスクパターンを形成し、
   このマスクパターンを利用したエッチングによって前記絶縁膜が形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
3. 前記発光素子形成領域間の境界に沿った前記マスクパターンの幅が変動させられることによって、前記絶縁膜の側面に凹凸形状が形成されることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
4. 前記窒化物系半導体積層構造の上部からのエッチングによって前記絶縁膜の上部を露出させ、その後に前記絶縁膜がエッチングによって除去されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。

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