JP2010141084A - Method of manufacturing semiconductor light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子の製造方法に関し、特に成長用基板と成長用基板上に形成された複数の半導体層からなる積層構造体とを分離する剥離工程を有する半導体発光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor light emitting device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor light emitting device having a peeling step for separating a growth substrate and a laminated structure formed of a plurality of semiconductor layers formed on the growth substrate.
発光ダイオード(以下、LEDと称する)は、主に自動車のテールランプ、各種表示機器及び携帯電話等のモバイル機器のバックライト等に用いられている。今後、自動車のヘッドライト、液晶ディスプレイのバックライト、一般照明等への需要が大幅に伸びることが予想される。かかるLEDの材料としては、例えば、窒化物半導体が使用されている。窒化物半導体は、バルク単結晶の製造が困難であることから、サファイア又はSiC等の異種基板上に有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)により、GaN等の成長層を成長させることが行われている。サファイア基板は、エピタキシャル成長工程の高温アンモニア雰囲気中において安定性が優れているので、成長用基板として特に用いられていた。 Light emitting diodes (hereinafter referred to as LEDs) are mainly used for tail lamps of automobiles, various display devices, and backlights of mobile devices such as mobile phones. In the future, demand for automobile headlights, liquid crystal display backlights, general lighting, etc. is expected to increase significantly. As a material for such an LED, for example, a nitride semiconductor is used. Nitride semiconductors are difficult to produce bulk single crystals, so growth layers such as GaN are grown on different substrates such as sapphire or SiC by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Has been done. A sapphire substrate has been particularly used as a growth substrate because of its excellent stability in a high-temperature ammonia atmosphere in an epitaxial growth process.
例えば、特許文献1には、サファイア基板を成長用基板として用い、エピタキシャル成長した成長層に支持体を貼り合わせ、エピタキシャル成長した成長層からサファイア基板をレーザリフトオフ(Laser Lift Off:LLO)法によって剥離し、サファイア基板が剥離された成長層を用いて半導体発光素子を製造する技術が開示されている。 For example, in Patent Document 1, a sapphire substrate is used as a growth substrate, a support is bonded to an epitaxially grown growth layer, and the sapphire substrate is peeled off from the epitaxially grown growth layer by a laser lift off (LLO) method. A technique for manufacturing a semiconductor light emitting device using a growth layer from which a sapphire substrate is peeled is disclosed.
ここで、レーザリフトオフ法とは、サファイア基板上にGaN等の成長層が形成されたウエハに対して、サファイア基板側からYAGレーザ光又はエキシマレーザ光を照射し、かかるレーザ光のエネルギーがサファイア基板と成長層との間で吸収され、更に吸収されたエネルギーが熱に変換されることにより、サファイア基板上に形成されているGaN層が金属GaとN2ガスとに分解されることを利用した剥離方法である。 Here, the laser lift-off method refers to irradiating a YAG laser beam or excimer laser beam from the sapphire substrate side to a wafer having a growth layer such as GaN formed on the sapphire substrate, and the energy of the laser beam is sapphire substrate. The GaN layer formed on the sapphire substrate is decomposed into metal Ga and N 2 gas by the energy absorbed between the substrate and the growth layer and further converted into heat. It is a peeling method.
一方、現状のLEDの発光効率は50lm/W(ルーメン/ワット)前後であるが、バックライトや照明等に利用するには100lm/W以上の発光効率が必要とされる。LEDの発光効率は、発光層における発光時の内部量子効率と、その光を外部に取り出すための効率(光取り出し効率)との積によって決まる。これまでに、内部量子効率は80%以上にまで改善されているが、光取り出し効率については改善の余地があった。また、発光効率を向上させると発光に伴って発生する熱が増加するため、半導体発光素子の信頼性の観点から当該発生する熱を半導体発光素子の外部に効率よく放熱する必要があった。 On the other hand, the luminous efficiency of current LEDs is about 50 lm / W (lumen / watt), but a luminous efficiency of 100 lm / W or more is required for use in backlights, lighting, and the like. The luminous efficiency of the LED is determined by the product of the internal quantum efficiency during light emission in the light emitting layer and the efficiency for extracting the light to the outside (light extraction efficiency). So far, the internal quantum efficiency has been improved to 80% or more, but there is room for improvement in light extraction efficiency. Further, since the heat generated with light emission increases when the light emission efficiency is improved, it is necessary to efficiently dissipate the generated heat to the outside of the semiconductor light emitting element from the viewpoint of the reliability of the semiconductor light emitting element.
例えば、特許文献2には、サファイア基板上にエピタキシャル成長した成長層にエッチングを施すことによって成長層の側面をサファイア基板に対して傾けさせ、かかる傾斜した側面に反射膜を形成することにより、半導体発光素子の光取り出し効率を向上させる技術が開示されている。また、上記エッチングにより形成されたトレンチ領域に金属を埋め込むことにより、半導体発光素子の放熱性を向上させる技術が開示されている。
特許文献1には、レーザリフトオフ時に発生するN2ガスをウエハの外部に放出させるための分離溝を2度のエッチングによって形成する半導体発光素子の製造方法が開示されている。かかる分離溝からレーザリフトオフ時に発生するN2ガスが放出されるため、N2ガスの圧力等によって成長層の剥離面で発生するクラックを防止することができる。 Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a semiconductor light emitting element, in which a separation groove for releasing N 2 gas generated at the time of laser lift-off to the outside of a wafer is formed by two etchings. Since the N 2 gas generated at the time of laser lift-off is released from the separation groove, it is possible to prevent cracks generated on the separation surface of the growth layer due to the pressure of the N 2 gas.
しかしながら、特許文献1に開示された半導体発光素子の製造方法においては、上述した分離溝に金属を埋め込むことが、分離溝の使用目的上不可能である。従って、特許文献1に開示された半導体発光素子は、十分な放熱性を確保することができず、優れた信頼性を得ることができない。また、特許文献1に開示された半導体発光素子の製造方法においては、活性層の側面を保護絶縁膜で覆うことは可能であるが、n型半導体層の側面を保護絶縁膜で覆うことは困難である。従って、特許文献1に開示された半導体発光素子は、n型半導体層の側面からの光漏れがあり、十分な光取り出し効率の向上を図ることができない。 However, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 1, it is impossible to embed a metal in the separation groove described above for the purpose of using the separation groove. Therefore, the semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 1 cannot secure sufficient heat dissipation and cannot obtain excellent reliability. Further, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 1, it is possible to cover the side surface of the active layer with a protective insulating film, but it is difficult to cover the side surface of the n-type semiconductor layer with the protective insulating film. It is. Therefore, the semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 1 has light leakage from the side surface of the n-type semiconductor layer, and cannot sufficiently improve the light extraction efficiency.
一方、特許文献2に開示された半導体発光素子の製造方法では、エッチングよって形成されたトレンチに金属を埋め込むことにより、半導体発光素子の放熱性を向上させることができる。 On the other hand, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 2, the heat dissipation of the semiconductor light emitting device can be improved by embedding a metal in a trench formed by etching.
しかしながら、かかるトレンチが金属で埋め込まれているため、レーザリフトオフ時に発生するN2ガスを放出することができず、N2ガスの圧力等によって成長層の剥離面でクラックが発生する問題がある。 However, since the trench is filled with metal, N 2 gas generated at the time of laser lift-off cannot be released, and there is a problem that cracks are generated on the peeling surface of the growth layer due to the pressure of N 2 gas.
本発明は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子の光取り出し効率及び放熱性の向上を図るとともに、成長用基板の剥離時における成長層表面でのクラック発生を防止して歩留まり向上を図ることができる半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and improves the light extraction efficiency and heat dissipation of the semiconductor light-emitting element, and prevents the generation of cracks on the surface of the growth layer when the growth substrate is peeled off. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor light emitting device capable of improving the yield.
上述した課題を解決するために、本発明の半導体発光素子の製造方法は、成長用基板の表面に半導体発光素子領域を画定する複数の分離溝を形成する溝形成工程と、分離溝を形成した成長用基板上に、第1の導電型を有し且つAlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)からなる第1半導体層、活性層及び第2の導電型を有し且つAlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)からなる第2半導体層を順次積層して成長層を形成する成長工程と、分離溝部分にエッチングを施して、成長層を分離する分離工程と、半導体発光素子領域に形成された成長層の表出面及び分離溝の底部に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、第1の電極の表出した部分及び絶縁膜上にパッド電極を形成するパッド電極形成工程と、パッド電極を覆う金属層を分離溝の外部に形成する金属層形成工程と、レーザリフトオフ法によって成長用基板を成長層から剥離して成長層を表出させる剥離工程と、を有し、絶縁膜形成工程は、分離溝の内部の絶縁膜と分離溝の外部の絶縁膜とを離間して形成し、パッド電極形成工程は、分離溝の内部のパッド電極と分離溝の外部のパッド電極とを離間して形成することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a semiconductor light-emitting device according to the present invention includes a groove forming step for forming a plurality of separation grooves for defining a semiconductor light-emitting device region on the surface of a growth substrate, and formation of the separation grooves. On the growth substrate, having the first conductivity type and Al x In y Ga z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1) A first semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type, and Al x In y Ga z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = A growth step in which a second semiconductor layer comprising 1) is sequentially stacked to form a growth layer; a separation step in which the separation groove portion is etched to separate the growth layer; and a growth layer formed in the semiconductor light emitting device region An insulating film forming step of forming an insulating film on the exposed surface and the bottom of the isolation groove, a pad electrode forming step of forming a pad electrode on the exposed portion of the first electrode and the insulating film, and a metal covering the pad electrode Minutes layer A metal layer forming step formed outside the separation groove, and a separation step of separating the growth substrate from the growth layer by a laser lift-off method to expose the growth layer. The internal insulating film and the insulating film outside the separation groove are formed apart from each other, and the pad electrode forming step includes forming the pad electrode inside the separation groove and the pad electrode outside the separation groove apart from each other. Features.
本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、成長用基板の表面に半導体発光素子領域を画定する複数の分離溝を形成し、成長用基板上に成長層を形成し、成長層上に第1の電極を形成し、成長層を分離し、分離溝の内部と外部とにおいて離間した絶縁膜を形成し、分離溝の内部と外部とにおいて離間したパッド電極を形成し、パッド電極を覆う金属層を分離溝の外部に形成し、成長用基板を成長層から剥離することにより、成長用基板、成長層、絶縁膜、パッド電極及び金属層に囲まれた空隙を形成することができる。当該空隙を通して、成長用基板の剥離時に発生するガスが外部に放出されるので、成長用基板の剥離時における成長層表面でのクラック発生を防止することができる。また、上記半導体発光素子の製造方法によれば、成長層の側面を絶縁膜で覆い、更に当該絶縁膜をパッド電極及び金属層で覆うので、半導体発光素子の光取り出し効率及び放熱性の向上を図ることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, a plurality of separation grooves for defining a semiconductor light emitting device region are formed on the surface of the growth substrate, a growth layer is formed on the growth substrate, and the first layer is formed on the growth layer. 1 is formed, the growth layer is separated, an insulating film separated from the inside and outside of the separation groove is formed, a pad electrode separated from the inside and outside of the separation groove is formed, and the pad electrode is covered By forming the layer outside the separation groove and separating the growth substrate from the growth layer, a void surrounded by the growth substrate, the growth layer, the insulating film, the pad electrode, and the metal layer can be formed. Since the gas generated when the growth substrate is peeled is released to the outside through the gap, it is possible to prevent generation of cracks on the surface of the growth layer when the growth substrate is peeled. Further, according to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device, the side surface of the growth layer is covered with the insulating film, and further, the insulating film is covered with the pad electrode and the metal layer, so that the light extraction efficiency and the heat dissipation of the semiconductor light emitting device can be improved. Can be planned.
以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
本発明の実施例である半導体発光素子の製造方法を図1乃至図8を参照しつつ詳細に説明する。図1、図5、図6及び図8のそれぞれは、半導体発光素子の製造工程毎の断面図である。また、図2及び図3は、図1(b)におけるウエハの平面図である。更に、図4は、図1(c)の破線4で囲まれた領域の拡大図あり、図7は、図6(b)の破線6で囲まれた領域の拡大図である。 A method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1, 5, 6, and 8 are cross-sectional views for each manufacturing process of the semiconductor light emitting device. 2 and 3 are plan views of the wafer in FIG. 4 is an enlarged view of a region surrounded by a broken line 4 in FIG. 1C, and FIG. 7 is an enlarged view of a region surrounded by a broken line 6 in FIG. 6B.
(成長用基板準備工程)
本実施例においては、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によりAlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)からなる成長層を形成することができる基板(成長用基板)としてC面サファイア基板11(以下、単にサファイア基板11と称する)が準備される(図1(a))。なお、成長用基板としては、本実施例のC面サファイア基板に限らず、a面サファイア、ZnO、MgO、MgAl2O4又はAlN等を用いても良い。
(Growth substrate preparation process)
In the present embodiment, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition ) by Al x In y Ga z N ( 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1, x + A C-plane sapphire substrate 11 (hereinafter simply referred to as sapphire substrate 11) is prepared as a substrate (growth substrate) on which a growth layer of y + z = 1) can be formed (FIG. 1A). The growth substrate is not limited to the C-plane sapphire substrate of this embodiment, and a-plane sapphire, ZnO, MgO, MgAl 2 O 4, AlN, or the like may be used.
(溝形成工程)
次に、準備されたサファイア基板11上にレジストが塗布される。続いて、フォトリソグラフィによって当該レジストをパターンニングする。更に、パターンニングされたレジストをマスクとしてサファイア基板11の表面にドライエッチングが施され、サファイア基板11の表面上に分離溝(凹部)12が形成される(図1(b))。分離溝12が形成されることにより、サファイア基板11上に凹凸形状が形成されることになる。ここで、分離溝12によって半導体発光素子の素子形成領域(半導体発光素子領域)が画定され、凸部13が半導体発光素子の形成領域(チップ形成領域)となる。図2(a)に示されているように、例えば、分離溝12はサファイア基板11の表面上に格子状に形成されている。格子状に形成された分離溝12に囲まれた領域である凸部13が、半導体発光素子の形成領域である。分離溝12は、サファイア基板11の端部にまで形成されている。すなわち、分離溝12は、サファイア基板11の外部に連通している。分離溝12の深さは、後述する工程において凸部13上に形成される絶縁膜及びパッド電極の合計膜厚よりも深い必要がある。かかる理由としては、分離溝12の底部に形成される絶縁膜及びパッド電極と凸部13上に形成される絶縁膜及びパッド電極とが接触することが無い、すなわち分離した状態(以下、段切れ状態と称する)を形成するためである。例えば、分離溝12の深さは約2μm(マイクロメートル)であり、幅は約50μmである。
(Groove formation process)
Next, a resist is applied on the prepared
なお、分離溝12は格子状に形成される場合に限られることは無く、例えば、図2(b)に示されているように、サファイア基板11上に複数の分離溝12が平行に並んで形成されても良い。図2(b)に示されたように分離溝12を形成した場合にも、分離溝12はサファイア基板11の端部にまで形成されている。
The
また、図3(a)に示されているように、チップ形成領域31のそれぞれが独立した1つの分離溝12によって囲まれるように、分離溝12が形成されても良い。更に、図3(a)に示された分離溝12の各々を隣接する他の分離溝12に連通させても良い。
Further, as shown in FIG. 3A, the
(成長層形成工程)
本実施例では、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によりAlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)からなる成長層14が形成される。成長層14を構成する各半導体層は、MOCVD法によりウルツ鉱型結晶構造のC軸方向に沿ってサファイア基板11上に積層される。また、本実施例においては、成長ガスのV/III比及び成長速度の調整により、サファイア基板11
の表面に対して平行な方向(横方向)の成長を促進する条件で成長させる。具体的には、以下のような処理を経て成長層14が形成される。
(Growth layer formation process)
In this embodiment, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition ) by Al x In y Ga z N ( 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1, x + y
The film is grown under conditions that promote growth in a direction parallel to the surface of the film (lateral direction). Specifically, the
先ず、準備されたサファイア基板11にサーマルクリーニングが施される。具体的には、サファイア基板11がMOCVD装置に搬入され、約摂氏1000度(1000℃)の水素雰囲気中で約10分程度の加熱処理が施される。続いて、雰囲気温度が約500℃に調整され、TMG(トリメチルガリウム)(流量:10.4μmol/min)及びNH3(流量:3.3LM)が約3分間供給されることで、GaN層からなる低温バッファ層14Aが形成される。その後、雰囲気温度が約1000℃まで昇温され、かかる状態が約30秒間保持されることで低温バッファ層14Aが結晶化される。続いて、雰囲気温度が約1000℃の状態に保持されたままで、TMG(流量:45μmol/min)及びNH3(流量:4.4LM)が約20分間供給されることにより、膜厚約1μm程度の下地GaN層14Bが形成される。次に、雰囲気温度が約1000℃の状態において、TMG(流量:45μmol/min)、NH3(流量:4.4LM)及びドーパントガスとしてSiH4(流量:2.7×10-9mol/min)が約100分間供給されることにより、膜厚約5μm程度のn型GaN層からなるn型半導体層14Cが形成される。
First, thermal cleaning is performed on the
続いて、n型半導体層14C上に活性層14Dが形成される。本実施例では、活性層14Dには、InGaN/GaNからなる多重量子井戸構造を適用し、InGaN/GaNを1周期として5周期の成長が行われる。具体的には、雰囲気温度が約700℃の状態において、TMG(流量:3.6μmol/min)、TMI(トリメチルインジウム)(流量:10μmol/min)、NH3(流量4.4LM)が約33秒間供給されることにより、膜厚約2.2nmのInGaN井戸層が形成される。続いて、TMG(流量:3.6μmol/min)、NH3(流量:4.4LM)が約320秒間供給されることにより、膜厚約15nmのGaN障壁層が形成される。かかる処理を5周期分繰り返すことにより、活性層14Dが形成される。
Subsequently, an
次に、雰囲気温度が約870℃まで昇温され、TMG(流量:8.1μmol/min)、TMA(トリメチルアルミニウム)(流量:7.5μmol/min)、NH3(流量:4.4LM)及びドーパントとしてCP2Mg(ビスシクロペンタディエニルマグネシウム:bis-cyclopentadienyl Mg)(流量:2.9×10-7μmol/min)が約5分間供給されることにより、膜厚約40nmのp型AlGaNクラッド層14Eが形成される。続いて、雰囲気温度が約870℃の状態に保持されたままで、TMG(流量:18μmol/min)、NH3(流量:4.4LM)及びドーパントとしてCP2Mg(流量:2.9×10-7μmol/min)が約7分間供給されることにより、膜厚約150nmのp型GaN層からなるp型半導体層14Fが形成される。
Next, the ambient temperature was raised to about 870 ° C., TMG (flow rate: 8.1 μmol / min), TMA (trimethylaluminum) (flow rate: 7.5 μmol / min), NH 3 (flow rate: 4.4 LM), and CP2Mg as a dopant. By supplying (bis-cyclopentadienyl magnesium) (flow rate: 2.9 × 10 −7 μmol / min) for about 5 minutes, a p-type
以上の処理が行われることにより、低温バッファ層14A、下地GaN層14B、n型半導体層14C、活性層14D、p型AlGaNクラッド層14E及びp型半導体層14Fが順次積層された積層構造体である成長層14が形成されることになる。成長層14の形成完了時の断面図を図1(c)及び図4に示す。本工程におけるエピタキシャル成長は横方向を促進する条件であるため、分離溝12及び凸部13上に成長した成長層14の断面は略台形状になる。また、分離溝12の内部に形成された成長層14と凸部13上に形成された成長層14とは、分離溝12の上部において接続している。
By performing the above processing, the low-
また、本実施例においては、成長用基板に六方晶であるサファイア基板11が用いられている。このため、サファイア基板11上に成長する成長層14は、ウルツ鉱型(六方晶)の結晶構造を持つIII族窒化物半導体結晶である。
In the present embodiment, a
(p電極形成工程)
成長層14の成長後に、成長層14上にレジストが塗布される。続いて、フォトリソグラフィによって当該レジストがパターンニングされる。パターンニングされたレジストの開口部分に電子ビーム蒸着により、p電極15が形成される(図1(d))。例えば、p電極15は、Ag/Ti/Pt/Auからなる多層膜である。ここで、各膜厚は、Agが200nm、Tiが100nm、Ptが150nm、Auが1000nmである。なお、p電極15は、抵抗加熱蒸着又は電子ビーム蒸着によって形成されも良い。p電極15の形成後に、パターンニングされたレジストが除去される。
(P electrode formation process)
After the
(素子分離工程)
p電極15が形成された後に、成長層14及びp電極15上にレジスト16が塗布される。続いて、フォトリソグラフィによってレジスト16が、凸部13を覆うようにパターンニングされる(図1(f))。パターンニングされたレジスト16をマスクとしてドライエッチングが施され、分離溝12上に形成された成長層14が除去され、その後にレジスト16が除去される。これにより、成長層14はチップ毎に分離されることになる(図5(a))。ここで、チップ毎に分離された成長層14の側面は、分離溝12の底面から約70度だけ傾斜している。このような傾斜した側面を形成することにより、後述する工程において成長層14の側面に絶縁膜を容易に形成することができる。なお、かかる傾斜角度は、レジスト16の形状により変更することができる。また、かかる傾斜角度は、絶縁膜の形成の容易性と発光面の確保の観点から約60度〜80度の範囲内で変更することができる。かかる範囲内に傾斜角度を設定する理由は、かかる傾斜角度を60度以下にすると発光面が小さくなってしまい、かかる傾斜角度を80度以上にすると絶縁膜の形成が困難になるからである。
(Element isolation process)
After the p-
(絶縁膜形成工程)
成長層14がチップ毎に分離された後、凸部13上に形成された成長層13及びp電極15を覆うように、真空蒸着法又はスパッタ法等の公知の成膜技術によって絶縁膜17aが形成される。また、分離溝12の底面上には絶縁膜17bが形成されるが、分離溝12の深さが絶縁膜17bの成膜量よりも深いことから、成長層14の側面に形成された絶縁膜17aと分離溝12の底面上に形成された絶縁膜17bとは分離(段切れ)した状態となる。すなわち、分離溝12の内部の絶縁膜17bと分離溝12の外部の絶縁膜17aとは、分離している。絶縁膜17a、17bの材料としては、成長層14を構成する活性層14Dにおいて発光した光を反射することができる材料が望ましく、例えば、SiO2を用いることができる。
(Insulating film formation process)
After the
次に、絶縁膜17a上にレジストが塗布される。続いて、フォトリソグラフィによって当該レジストがパターンニングされる。更に、パターンニングされたレジストをマスクとして絶縁膜17aにドライエッチングが施され、絶縁膜17aに開口部18が形成される。開口部18が形成されることにより、p電極15が露出することになる。開口部18が形成された状態の断面図を図5(b)に示す。なお、絶縁膜17aは、成長層14の側面のみならず、p電極15の周囲にも形成されているため、成長層14を構成する活性層14Dにおいて発光した光が効率よく反射されることになる。
Next, a resist is applied on the insulating
(パッド電極形成工程)
次に、凸部13上に形成された成長層14、p電極15及び絶縁膜17aを覆うように、真空蒸着法等の公知の成膜技術によってパッド電極19aが形成される。なお、分離溝12の底面上に形成された絶縁膜17b上にもパッド電極19bが形成されるが、分離溝12の深さが絶縁膜17b及びパッド電極19bの成膜量よりも深いことから、成長層14の側面に形成されたパッド電極19aと分離溝12の底面部分に形成されたパッド電極19bとは分離(段切れ)した状態となる(図5(c))。すなわち、分離溝12の内部のパッド電極19bと分離溝12の外部のパッド電極19aとは、分離している。パッド電極19a、19bは、例えば、Ti/Auの積層構造とすることができる。
(Pad electrode formation process)
Next, a
(金属層形成工程)
次に、電界メッキ法によってパッド電極19a上に、金属層20が形成される。金属層20は、隣接して形成されたパッド電極19a同士の空隙21を充填するように形成される(図5(d))。ここで、分離溝12の内部に形成されたパッド電極19bとp電極15及び絶縁膜17aに形成されたパッド電極19aとは段切された状態であるため、分離溝12の内部に形成されたパッド電極19b上には、金属層20がほとんど形成されない。これは、電界メッキ法により分離溝12の内部に形成されたパッド電極19bとメッキ用金属との間に電流がほとんど流れないからである。例えば、金属層20は、Cu又はAu等の金属である。
(Metal layer forming process)
Next, the
なお、分離溝12内部に形成されたパッド電極19b上にはレジスト(図示せず)が積層され、当該レジスト及びパッド電極19a上に蒸着等によって給電用の金属膜(図示せず)が形成される。当該給電用の金属膜は、半導体発光素子領域覆い且つ隣接する半導体発光素子領域間にも形成される。従って、当該給電用の金属膜を用いた電界メッキ法により、ウエハ上の全ての半導体発光素子領域上に一括して金属層20が形成されることになる。なお、このような方法においても、パッド電極19aとパッド電極19bとの段切れが維持されるので、後述する成長用基板剥離工程において、溶剤によるレジスト除去工程を加えることで容易に成長用基板(サファイア基板11)が剥離されることになる。また、給電用の金属膜は、ダイシング工程後に半導体発光素子として機能する半導体発光素子領域上のみを覆うようにパターンニングすることにより、メッキの利用効率を高めることができる。
Note that a resist (not shown) is stacked on the
また、分離溝12が半導体発光素子領域の各々を囲むように形成されている場合(例えば、図3(a)、(b)の場合)には、分離溝12が成長用基板の端部にまで形成されている場合(例えば、図2(a)、(b)の場合)と比較して、成長層14を均一に成膜することができる。気相成長においては、成長ガスを円形の成長用基板を外側から中心に向かって流すことで成膜が行われるため、分離溝12がウエハ端部にまで形成されている場合には、成長用基板端部の分離溝12によって成長ガスの流れに乱れが生じ、成膜の均一性が低下すると考えられる。つまり、分離溝12が成長用基板の端部に達していない場合には、成長ガスの流れの乱れを抑制し、成膜の均一性の低下を抑制することができる。
Further, when the
なお、金属層20は、電界メッキ法以外の方法で形成されても良いが、かかる場合にも分離溝12の内部にレジストを充填させておくことが望ましい。これにより、分離溝12の内部に金属層20が形成されることがなく、分離溝12の内部のパッド電極19bと絶縁膜17a上に形成されたパッド電極19aとが金属層20を介して電気的に接続されることが無くなるからである。また、レジスト上に金属層20が形成され後に、当該レジストが除去されることになる。
Note that the
上述したように、分離溝12の内部に金属層20が形成されないことにより、成長層14を形成するp型半導体層14Fとn型半導体層14Cとの短絡を防止することができる。
As described above, since the
(導電性支持体貼り合わせ工程)
金属層20が形成された後に、上記工程で得られたウエハと準備された導電性支持体22とを貼り合わせる。具体的には、先ず、ホウ素が添加されたシリコンからなる導電性支持体22が準備される。導電性支持体22の表面であって、上記工程で得られたウエハと貼り合わされる面(以下、第1の主面と称する)上にはスパッタによりPt電極(図示せず)を蒸着後、Ni、Au、AuSnの順番で積層された接合層(図示せず)が、蒸着によって形成されている。また、導電性支持体22の第1の主面に対向した面(以下、第2の主面と称する)上には、スパッタリングによってPtから構成される金属多層膜(図示せず)が形成されている。なお、接合層及び金属多層膜は、電子ビーム蒸着によって形成されても良い。
(Conductive support bonding process)
After the
次に、導電性支持体22の接合層とサファイア基板11上に形成された金属層20とが対向した状態で密着される。その後、密着したサファイア基板11及び導電性支持体22が窒素雰囲気下で熱圧着される。熱圧着の条件は、例えば、圧力が約300〜500N/cm2、温度が約320℃、圧着時間が約10分間である。この熱圧着によってAuSnが溶融し、Au及びNiが溶融しているAuSnに溶解する。更に、Au及びSnが拡散し、Niに吸収される。続いて、溶融したAuSnが固化することにより、金属層形成工程から得られたウエハと導電性支持体22とが貼り合わせられる(図6(a))。
Next, the bonding layer of the
なお、本実施例においては導電性支持体22側のみに接合層を形成しているが、サファイア基板11上に形成された金属層20上にも接合層を形成しても良い。
In the present embodiment, the bonding layer is formed only on the
(成長用基板剥離工程)
導電性支持体貼り合わせ工程の終了後、サファイア基板11が成長層14から剥離される。サファイア基板11の剥離には、レーザリフトオフ(Laser Lift Off:LLO)等の公知の手法を用いることができる。レーザリフトオフにおいては、サファイア基板11側からレーザが照射されることにより(図6(b))、レーザ光のエネルギーがサファイア基板11との界面付近の成長層14で吸収される。更に、吸収されたエネルギーが熱に変換されることにより、サファイア基板11上に形成されているGaN層が金属GaとN2ガスに分解される。なお、レーザリフトオフにおいて使用されるレーザには、例えば、YAGレーザやエキシマレーザ等を用いることができる。
(Growth substrate peeling process)
After completion of the conductive support bonding process, the
また、図7は、図6(b)の破線で囲まれた領域7の拡大図である。図7に示されているように、レーザ光の照射によってサファイア基板11と成長層14と界面付近で発生したN2ガスは、サファイア基板11と成長層14と界面付近からサファイア基板11と成長層14との空隙部分である分離溝12に流れ込むことになる。ここで、分離溝12はサファイア基板11の外部に連通しているので、分離溝12に流れ込んだN2ガスは、分離溝12からウエハ外部へと放出される。これにより、レーザ光の照射によって発生したN2ガスがサファイア基板11と成長層14と界面付近に滞留することがなくなり、N2ガスの圧力による成長層14の破損を防止することができる。
FIG. 7 is an enlarged view of a region 7 surrounded by a broken line in FIG. As shown in FIG. 7, the N 2 gas generated near the interface between the
また、図2(b)に示されたように分離溝12を形成した場合にも、分離溝12はサファイア基板11の端部にまで形成されているので、レーザリフトオフ時に発生するN2ガスを外部に放出することができる。
In addition, when the
一方、図3(a)に示されているような、チップ形成領域31のそれぞれが独立した1つの分離溝12によって囲まれるように、分離溝12が形成されている場合には、半導体発光素子の周辺(すなわち、分離溝12)に、N2ガスが残留することになる。このため、図3(a)で示されたように分離溝12を形成する場合には、分離溝12に残留したN2ガスの圧力により半導体発光素子の破損が発生しないように、分離溝12の大きさを調整する必要がある。
On the other hand, in the case where the
また、図3(b)に示されたような、分離溝12の各々を隣接する他の分離溝12に連通させた場合には、分離溝12同士の連通により、レーザリフトオフ時に発生するN2ガスをサファイア基板11の表面全体に分散することができる。かかるN2ガスの分散により、チップ毎の破損を防止することができる。すなわち、チップ形成領域31のそれぞれから発生するN2ガスの量に差がある場合においても、N2ガスの発生量が多いチップのみが破損するような問題が無くなる。
Further, when each
次に、導電性支持体22が貼り合わされたウエハを30度以上で加熱することにより、サファイア基板11を容易に剥離することができる(図6(c))。このような加熱によってサファイア基板11が容易に剥離することができる理由は、レーザ光の照射によってGaN層から分解された金属Gaの融点が比較的低い温度(約30℃)であり、金属Gaが容易に融点に到達するからである。なお、サファイア基板11が剥離された後には、n型半導体層14C又は下地GaN層14Bが表出する。
Next, the
(粗面化工程)
次に、前述の成長用基板剥離工程により露出した成長層14の表面に、光取り出し効率の向上に有効な突起23が形成される。具体的には、成長層14の表面が約50℃のKOH溶液(濃度:5mol/l)に約2時間浸される。本実施例においては、成長層形成工程中にサーマルクリーニングを施して低温バッファ層14Aを形成するなどの前処理を行っているため、サファイア基板11が剥離されることにより表出する成長層14の最表面は、N原子が配列したN面(C−面)によって構成されている。かかるC−面は、化学的に不安定であることからウェットエッチング処理による凹凸形成が可能である。また、上述したように、サファイア基板11上に成長する成長層14は、ウルツ鉱型(六方晶)の結晶構造を持つIII族窒化物半導体結晶である。従って、かかるウェットエッチング処理により
、成長層14の露出した表面領域に複数の六角錐状の突起23が形成される(図8(a))。
(Roughening process)
Next,
かかる六角錐状の突起23は、ウルツ鉱型(六方晶)の結晶構造を有するAlxInyGazNの結晶構造に由来した形状を有し、KOH溶液を用いたウェットエッチング処理により、マスク等を用いることなく容易且つ再現性よく得ることができる。AlxInyGazNの組成や成長条件にもよるが、上記した条件でウェットエッチング処理を行うことにより、幅約1μm、底面と側面のなす角が約60度の六角錐状の突起23が形成される。
The hexagonal
なお、上述したウェットエッチング処理の条件は、成長層14を構成するn型半導体層14Cの組成や六角錐状の突起23の大きさ等に応じて変更することができる。例えば、KOH溶液の濃度を5mol/lに固定する場合には、温度を50℃〜70℃、時間を0.5〜3時間の間で変更することもできる。かかる温度範囲よりも低い温度でウェットエッチング処理が施されると、六角錐状の突起23が小さくなるために光取り出し効率の向上を十分に図ることができない可能性がある。一方、かかる温度範囲よりも高い温度でウェットエッチング処理が施されると、エッチングレートが速すぎるために、成長層14を構成する活性層14Dまでエッチングされる可能性や六角錐状の突起23の大きさが不均一になる可能性もある。
The above-described wet etching process conditions can be changed according to the composition of the n-
なお、本ウェットエッチング処理が完了したら、ウエハがKOH溶液から取り出だされ、洗浄及び乾燥が行われる。 When the wet etching process is completed, the wafer is taken out from the KOH solution, and cleaned and dried.
(n電極形成工程)
次に、六角錐状の突起23が形成された成長層14の表面上の一部にn電極24が形成される。具体的な形成方法としては、六角錐状の突起23が形成された成長層14の表面上にレジストが塗布される。続いて、フォトリソグラフィによって当該レジストがパターンニングされる。パターンニングされたレジストの開口部分に電子ビーム蒸着により、n電極24が形成される(図8(b))。例えば、n電極24は、Ti/Alからなる多層膜である。ここで、各膜厚は、Tiが25nm、Alが1000nmである。なお、n電極24は、抵抗加熱蒸着によって形成されも良い。n電極24の形成後に、パターンニングされたレジストが除去される。
(N-electrode formation process)
Next, an n-
(チップ分離工程)
上記工程を経て形成されたウエハをチップに個片化するためには、ダイシング装置が使用される。当該ウエハがダイシング装置に装着され、ダイシングラインに沿ってダンシングされることにより、当該ウエハがチップ単位に個片化される(図8(c))。また、パルスレーザを用いたダイシングにより、当該ウエハがチップ化されても良い。なお、本実施例においては、分離溝12が半導体発光素子をチップ毎に個片化するときのダイシングラインになるので、当該個片化を容易に行うことが出来る。
(Chip separation process)
A dicing apparatus is used to divide the wafer formed through the above steps into chips. The wafer is mounted on a dicing apparatus and is diced along a dicing line, whereby the wafer is divided into chips (FIG. 8C). Further, the wafer may be formed into chips by dicing using a pulse laser. In the present embodiment, since the
以上の各工程を経て本実施例に係る半導体発光素子100が完成する。
The semiconductor
以上のように、本実施例の製造方法においては、成長用基板であるサファイ基板11に所望の形状の分離溝12を形成し、分離溝12の内部に形成される絶縁膜17b及びパッド電極19bと素子形成領域上に形成された絶縁膜17a及びパッド電極19aとを分離することにした。また、本実施例の製造方法においては、分離溝12上で金属層20を充填することにした。更に、金属層20は分離溝12の内部には形成されることが無い。以上のことから、サファイア基板11の剥離時に発生するN2ガスによるチップ破損を防止し、半導体発光素子の放熱性を向上させることができる。
As described above, in the manufacturing method of this embodiment, the
11 サファイア基板
12 分離溝
14 成長層
15 p電極
17a、17b 絶縁膜
19a、19b パッド電極
20 金属層
22 導電性支持体
23 突起
24 n電極
100 半導体発光素子
11
Claims (7)
前記分離溝を形成した前記成長用基板上に、第1の導電型を有し且つAlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)からなる第1半導体層、活性層及び第2の導電型を有し且つAlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)からなる第2半導体層を順次積層して成長層を形成する成長工程と、
前記半導体発光素子領域に形成された前記成長層上に第1の電極を形成する第1の電極形成工程と、
前記分離溝部分にエッチングを施して、前記成長層を分離する分離工程と、
前記半導体発光素子領域に形成された前記成長層の表出面及び前記分離溝の底部に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記第1の電極の表出した部分及び前記絶縁膜上にパッド電極を形成するパッド電極形成工程と、
前記パッド電極を覆う金属層を前記分離溝の外部に形成する金属層形成工程と、
レーザリフトオフ法によって前記成長用基板を前記成長層から剥離して前記成長層を表出させる剥離工程と、を有し、
前記絶縁膜形成工程は、前記分離溝の内部の前記絶縁膜と前記分離溝の外部の前記絶縁膜とを離間して形成し、
前記パッド電極形成工程は、前記分離溝の内部の前記パッド電極と前記分離溝の外部の前記パッド電極とを離間して形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 A groove forming step of forming a plurality of separation grooves defining a semiconductor light emitting element region on the surface of the growth substrate;
On the growth substrate on which the isolation trench is formed, the first conductivity type and Al x In y Ga z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + a first semiconductor layer composed of y + z = 1), an active layer, and a second conductivity type, and Al x In y Ga z N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) , X + y + z = 1), a growth step of sequentially stacking second semiconductor layers made of x + y + z = 1),
A first electrode forming step of forming a first electrode on the growth layer formed in the semiconductor light emitting element region;
Separating the growth layer by etching the separation groove portion; and
An insulating film forming step of forming an insulating film on the exposed surface of the growth layer formed in the semiconductor light emitting element region and the bottom of the separation groove;
A pad electrode forming step of forming a pad electrode on the exposed portion of the first electrode and the insulating film;
A metal layer forming step of forming a metal layer covering the pad electrode outside the separation groove;
A peeling step of peeling the growth substrate from the growth layer by a laser lift-off method to expose the growth layer,
In the insulating film forming step, the insulating film inside the separation groove and the insulating film outside the separation groove are formed apart from each other,
In the pad electrode formation step, the pad electrode inside the separation groove and the pad electrode outside the separation groove are formed apart from each other.
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