JP2011138836A - 発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ムラの少ない発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】
本発明の発光素子２０の製造方法は、第１半導体層２ａ上に、第１半導体層２ａの一部を露出する貫通孔４を有する絶縁層３を形成する工程と、貫通孔４内に露出した第１半導体層２ａ上に、貫通孔４の内壁面と接する発光層２ｂを形成する工程と、発光層２ｂ上に第１半導体層２ａとは逆の導電型を有する第２半導体層２ｃを形成する工程と、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃを加熱することにより第２半導体層２ｃの電気抵抗値を加熱前より小さくする工程と、を有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、発光素子の製造方法に関するものである。

現在、紫外光、青色光、緑色光などを発光する発光素子の開発が行われている。そのような発光素子として、例えば特許文献１が開示されている。

特開平５−１８３１８９号公報

発光素子の開発において、発光素子を発光させた際に発光ムラを改善することが求められている。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発光ムラの発生を抑制した発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の発光素子の製造方法は、第１半導体層上に、前記第１半導体層の一部を露出する貫通孔を有する絶縁層を形成する工程と、前記貫通孔内に露出した前記第１半導体層上に、前記貫通孔の内壁面と接する発光層を形成する工程と、前記発光層上に前記第１半導体層とは逆の導電型を有する第２半導体層を形成する工程と、前記発光層および前記第２半導体層を加熱することにより前記第２半導体層の電気抵抗値を加熱前より小さくする工程と、を有する。

本発明によれば、製造工程中に発生する発光ムラを抑制した発光素子の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる発光素子の模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態の変形例にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態の変形例にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図であり、図１のＢ−Ｂ´線で切断したときの断面に相当する。

以下に図面を参照して、本発明にかかる発光素子の実施形態について詳細に説明する。

本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。

図１は、本発明の実施形態にかかる発光素子２０の斜視図である。図２乃至８は、発光素子２０の製造工程を示す断面図であり、かかる断面図は図１のＡ−Ａ´線（一点鎖線）で切断した場合の断面に相当する視点から見たものである。

図１に示すように、本実施形態にかかる発光素子２０の製造方法により製造される発光素子２０は、基板１と、基板１上に形成された第１半導体層２ａと、第１半導体層２ａ上に形成され、貫通孔４を有する絶縁層３と、貫通孔４内の第１半導体層上に順次形成された発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃと、を有している。なお、以下の説明において第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃを総称して光半導体層２とすることがある。

続いて、本実施形態にかかる発光素子２０の製造方法を説明する。

図２に示すように、基板１として光半導体層２を成長させることが可能なものを準備する。このような基板１としては、例えば平面形状が長方形の平板や略円形状をなすウェハーなどを用いることができ、厚みは５０μｍ以上１０００μｍ以下に設定することができる。かかる基板１は、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛などの半導体成長用基板からなる。

また、基板１は、発光層２ｂで発光した光を光半導体層２の基板１側から取り出す場合は、基板１を除去することが可能な材料や透光性の材料を用いることができる。具体的に、基板１として基板１を除去することが可能な材料を用いた場合、基板１上に光半導体層２を形成した後、エッチングなどにより基板１を除去する工程を追加すればよい。また、基板１に透光性の材料を用いた場合、透光性の材料としては、発光層２ｂで発光する光に対して、上述の材料から発光波長を考慮して選択することができる。

次に、図３に示すように、基板１上に第１半導体層２ａを形成する。このような第１半導体層２ａは、第１半導体層２ａとなる材料を基板１上にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。基板１上にエピタキシャル成長させる方法としては、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy、略称ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、略称ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy、略称ＨＶＰＥ）法またはパルスレーザデポジション（Pulsed Laser Deposition、略称ＰＬＤ）法などを用いることができる。

第１半導体層２ａとしてはＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができ、ＩＩＩ−Ｖ族半導体としてＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム若しくはそれらの混晶などを例示することができ、化学式で例示するとＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）と表すことができる。また、ＩＩＩ−Ｖ族半導体以外には、酸化亜鉛などを例示することができる。

その後、図４に示すように第１半導体層２ａ上に絶縁膜６を成膜した後、図５に示すように絶縁膜６に貫通孔４を形成することにより絶縁層３を形成する。絶縁膜６は、絶縁材料を第１半導体層２ａ上に積層することにより形成することができる。このような絶縁膜６を形成する方法としては、ＣＶＤ法、スピンコート法などを用いることができる。また絶縁膜６を形成する材料としては、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料を用いることができる。具体的に、絶縁膜６は、例えば絶縁材料を混ぜた溶液を第１半導体層２ａの主面２Ａにスピンコートした後、乾燥工程と焼成工程とを経ることにより形成することができる。絶縁膜６の膜厚は例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下に設定することができ、かかる絶縁膜６の膜厚はスピンコートする際に回転数、溶液の粘性などを調整することにより変化させることができる。

次に、絶縁膜６に貫通孔４を形成する方法としては、例えばフォトレジストからなるマスクを用いたエッチングなどを用いることができる。また、エッチングレートなどを調整して、貫通孔４の内壁面と第１半導体層２ａの主面２Ａとの角度を調整してもよい。

その後、図６に示すように、貫通孔４の形成によって露出した貫通孔４内の第１半導体層２ａ上に、貫通孔４の内壁面と接する発光層２ｂを形成する。

このような発光層２ｂは、露出した第１半導体層２ａ上にエピタキシャル成長させることにより、絶縁層３に形成された貫通孔４の内壁面と接するように形成することができる。この場合、第１半導体層２ａ上に、第１半導体層２ａの結晶構造を引き継いだ発光層２ｂが形成される。発光層２ｂとしては、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とからなる量子井戸構造が複数回（例えば、２回以上１０回以下）繰り返し、規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）を用いることができる。このような障壁層としては、上述した化学式で例示するとＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層などを用いることができる。また、井戸層としては、Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層などを例示できる。この場合、障壁層の厚みは例えば５ｎｍ以上１５ｎｍ以下、井戸層の厚みは例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定でき、発光層２ｂ全体の厚みは例えば２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。このように構成された発光層２ｂにおいて、発光強度のピークとなる波長は例えば３５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の領域に有するようになる。

さらに、貫通孔４内の発光層２ｂ上に、貫通孔４の内壁面と接する第２半導体層２ｃを形成する。

このような第２半導体層２ｃは、貫通孔４内に露出した発光層２ｂ上にエピタキシャル成長させることにより、絶縁層３に形成された貫通孔４の内壁面と接するように形成することができる。第２半導体層２ｃとしては、第１半導体層２ａで用いた材料と同種の材料を用いることができ、第１半導体層２ａとは逆導電型に設定されている。例えば第１半導体層２ａをｎ型とした場合、第２半導体層２ｃをｐ型とすればよい。具体的に第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｃとして窒化ガリウム系の材料を用いた場合、ｎ型とするために不純物としてシリコンを窒化ガリウムにドープすればよく、ｐ型とするためには不純物としてマグネシウムを窒化ガリウムにドープすればよい。

また、本実施形態において、発光層２ｂの膜厚ｔｈ１と第２半導体層２ｃの膜厚ｔｈ２とを足した合計膜厚ｔｈ３は、絶縁層３の膜厚ｔｈ０より小さく形成することが好ましい。このように絶縁層３の膜厚ｔｈ０が発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃの合計膜厚ｔｈ３より小さいことから、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃの端面を絶縁層３で被覆することができる。そのため、絶縁層３を発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃと良好な密着性を有するパッシベーション膜として用いることができる。このように絶縁層３をパッシベーション膜として用いるため、機械的損傷、化学的損傷、静電破壊などの電気的損傷から発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃを保護することができる。

次に、第２半導体層２ｃの電気抵抗値を小さくするために、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃを加熱する。

導電型を付与するために第２半導体層２ｃに不純物をドープした場合、第２半導体層２ｃを加熱して、ドープした不純物をイオン化させることにより活性化させることができる。このように不純物をイオン化させることにより、イオン化した不純物がキャリアを供給するため、第２半導体層２ｃの電気抵抗値を加熱前より小さくすることができる。なお、このような第２半導体層２ｃの電気抵抗値を小さくするための加熱工程は、基板１および光半導体層２を酸素雰囲気中または窒素雰囲気中において３００℃以上で加熱することにより行われる。

本実施形態においては、発光層２ｂが絶縁層３の貫通孔４の内壁面と接する状態で第２半導体層２ｃを加熱することから、絶縁層３を設けずに第２半導体層２ｃを加熱する場合と比較して、かかる加熱工程時に発光層２ｂに含まれる窒素やインジウムを端面から空気中に脱離しにくくすることができる。これにより、加熱工程時に発生する発光層２ｂの発光ムラを少なくすることができる。その結果、発光素子２０ごとの発光ムラのバラツキを抑えることができ、生産性を向上させることができる。

さらに、発光層２ｂが絶縁層３と接しているため、光半導体層２を加熱する際に外部から発光層２ｂへの伝熱経路を長くすることができる。その結果、加熱工程の際に発光層２ｂの組成が変質することを抑えることができ、発光強度スペクトルのバラツキを抑えることができる。なお、絶縁層３の膜厚ｔｈ０は、発光層２ｂの膜厚ｔｈ１より小さくても、上述のような効果を奏するものである。

ここで、発光層２ｂと絶縁層３とが接する状態で第２半導体層２ｃが加熱されたことは、以下の方法により確認することができる。

まず、第２半導体層２ｃの電気抵抗値を小さくするための加熱工程を経ていることについては、加熱後の第２半導体層２ｃを２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）などの元素分析することにより確認することができる。

具体的に第２半導体層２ｃとして窒化ガリウムにマグネシウムをドープした場合を例示すると、第２半導体層２ｃを表面から深さ方向にＳＩＭＳ分析した結果において、複数の深さ位置におけるマグネシウム元素数と水素元素数とを比較することにより第２半導体層２ｃの加熱工程を確認することができる。例えば、加熱前の第２半導体層２ｃは複数の深さ位置において、マグネシウム元素数と水素元素数との差が１０％以下の範囲で収まる。

一方、加熱後の第２半導体層２ｃは、マグネシウム元素数と水素元素数との差が１０％以上異なる。これは加熱によって、第２半導体層２ｃにドープされたマグネシウムと結合している水素が脱離して、第２半導体層２ｃの水素元素数が少なくなるためである。

次に、第２半導体層２ｃを加熱する際に発光層２ｂと絶縁層３とが接していた点については、加熱工程後の発光層２ｂに含まれる窒素またはインジウムをＳＩＭＳなどの元素分析を行うことにより確認することができる。

具体的には、発光層２ｂを構成する障壁層または井戸層のどちらか一方の複数の場所を主面２Ａに対して水平な方向にＳＩＭＳ分析した場合、発光層２ｂの複数の場所における窒素数またはインジウム数のバラツキが小さくなっている。これは、発光層２ｂと絶縁層３とが接している場合、発光層２ｂの端面から窒素やインジウムが脱離しにくいためである。

このようにして第２半導体層２ｃを形成した後、第１半導体層２ａと電気的に接続される第１の電極８と、第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２の電極９を形成する。具体的には、第１の電極８と第２の電極９は以下のようにして形成される。

まず、図７に示すように、エッチングなどを用いて、第１半導体層２ａと電気的に接続された第１の電極８を形成するために電極用貫通孔５を形成する。電極用貫通孔５は貫通孔４と離隔する位置に、第１半導体層２ａが露出するように形成されている。

かかる電極用貫通孔５は、上述の貫通孔４の方法と同様の手法により絶縁層３の一部を除去することにより形成することができる。その際、フォトレジストなどで貫通孔４から露出する第２半導体層２ｃを被覆しておくことが好ましい。露出する第２半導体層２ｃをフォトレジストなどで被覆しておくことにより、電極用貫通孔５を形成するためのエッチング時に、第２半導体層２ｃが損傷を受けにくくすることができる。

その後、図８に示すように、電極用貫通孔５の内部に露出した第１半導体層２ａ上に第１の電極８を形成し、第２半導体層２ｃ上に第２の電極９を形成する。なお、第１の電極８を形成した後、第２の電極９を形成する場合について述べたが、第２の電極９を形成した後、第１の電極８を形成してもよい。

本実施形態では、貫通孔４と離隔する位置の絶縁材料を除去することから、発光層および第２半導体層をエッチングなどにより除去する場合と比較して、発光層２ｂの端面および第２半導体層２ｃの端面の損傷や不純物の付着を防ぐことができる。

このような第１の電極８および第２の電極９の材料としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛、ベリリウムなどの金属や、酸化錫、酸化インジウムなど、インジウムと錫の酸化物などの酸化物や、金−シリコン合金、金−ゲルマニウム合金、金−亜鉛合金、金−ベリリウム合金などの合金膜を好適に用いることができる。なお、第１の電極８および第２の電極９は、上述の材料をスパッタ、真空蒸着することにより形成することができる。

第１の電極８と第１半導体層２ａとを加熱してオーミックコンタクトを形成することにより、第１の電極８と第１半導体層２ａとの接触抵抗値を加熱前より小さくしてもよい。また、第２の電極９と第２半導体層２ｃとを加熱してオーミックコンタクトを形成することにより、第２の電極９と第２半導体層２ｃとの接触抵抗値を加熱前より小さくしてもよい。その場合の加熱温度は、例えば２５０℃以上６００℃以下に設定することができる。

本実施形態においては、発光層２ｂの端面が絶縁層３と接していることから、接触抵抗値を小さくするためにこのような加熱を行っても、発光層２ｂに含まれる窒素やインジウムを発光層２ｂの端面から空気中に脱離しにくい。さらに、外部から発光層２ｂへの伝熱経路を長くすることもできる。その結果、電極と第２半導体層２ｃとを加熱する場合に発生する発光層２ｂの発光ムラを抑制することができる。

また、本実施形態においては、発光層２ｂの膜厚ｔｈ２が絶縁層３の膜厚ｔｈ０より小さく形成されていることから、発光層２ｂの端面が絶縁層３により被覆されるようになる。そのため、第１の電極８または第２の電極９の作製工程において、電極の材料が発光層２ｂと発光層２ｂ以外の光半導体層２とに付着して短絡させることを防ぐことができる。

このように第２の電極９の作製工程において短絡を抑制することが可能であるため、第２半導体層２ｃの上面を覆う第２の電極９を容易に形成することができる。すなわち、第２半導体層２ｃの上面を覆う第２の電極９を、短絡を抑制しつつ形成することができる。

さらに、第１の電極８および第２の電極９は、上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。例えば第１の電極８に金を用いた場合には、第１の電極８と第１半導体層２ａとの間にオーミックコンタクト層としてアルミニウムを間に介在させたチタンを設けることができる。

さらに、第２の電極９に金を用いた場合には、第２の電極９と第２半導体層２ｃとの間にオーミックコンタクト層としてニッケルを設けることができる。

なお、第１の電極８は、基板１が導電性を有する場合、基板１の光半導体層２と反対側に設けてもよい。

また、発光層２ｂの第１半導体層２ａ側から光を取り出す場合、第２の電極９として導電性反射膜を好適に用いることができる。反射膜としては、例えば発光層２ｂの発光強度がピークとなる波長において、反射光が発光強度に対し５０％以上の光強度を有するようになる材料を好適に用いることができる。
（変形例）
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。ここで、上述した実施形態にかかる変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例にかかる発光素子２０´のうち、上述の実施形態にかかる発光素子２０と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

上述の実施形態においては、１つの発光素子２０に着目して製造工程を説明したが、図９に示すように多数個の発光素子２０´を基板１´上に形成することができる。図９は多数個の発光素子２０´およびその周縁部を示す拡大平面図である。

このように基板１´上に絶縁層３を隔てて多数個の発光素子２０´を形成することによって、多数個の発光素子２０´における第２半導体層２ｃの加熱工程時の発光ムラのバラツキを抑えることができる。そのため、発光素子２０ごとの発光ムラのバラツキを抑えることができ、生産性を向上させることができる。

図９に示すように、多数個の発光素子２０´が基板１´上に形成されている場合、絶縁層３、第１半導体層および基板１´を切断することにより１つの発光素子２０にダイシングされる。

具体的には、貫通孔４および電極用貫通孔５から離隔する位置、すなわち貫通孔４および電極用貫通孔５を囲む領域に発光素子２０´を切断するための切断線１１が引かれる。その後、図１０に示すように、絶縁層３、第１半導体層２ａおよび基板１´を切断線１１´（二点鎖線）に沿って切断することにより１つの発光素子２０が形成される。図１０は、図９のＢ−Ｂ´線（一点鎖線）で切断した場合の断面に相当する。なお、切断にはダイヤモンドカッターやダイシングソーなどを用いることができ、隣り合う発光素子２０´の間隔ＳＰは、切断しろを考慮して例えば８０μｍ以上２００μｍ以下に設定される。

このように絶縁層３を切断することにより発光素子２０´をダイシングするため、光半導体層２の端面を傷つけずにダイシングすることができる。また、切りくずの多くが絶縁層３を構成する絶縁材料であるため、切りくずが短絡などの原因になりにくく、不良品発生率を小さくすることができる。仮に、光半導体層を切断することにより発光素子を形成する場合、光半導体層の切りくずが短絡の原因になったり、異常な表面準位が光半導体層の端面に形成されてリークが起こりやすくなったりする。

ダイシング時の切断手段としてエッチングを用いた場合であっても、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃの端面が絶縁層３と接しているため、かかる端面の損傷や不純物の付着を防ぐことができる。

１ 基板
２ 光半導体層
２ａ 第１半導体層
２ｂ 発光層
２ｃ 第２半導体層
３ 絶縁層
４ 貫通孔
６ 絶縁膜
８ 第１の電極
９ 第２の電極
１１ 切断線
２０ 発光素子

Claims (5)

1. 第１半導体層上に、前記第１半導体層の一部を露出する貫通孔を有する絶縁層を形成する工程と、
   前記貫通孔内に露出した前記第１半導体層上に、前記貫通孔の内壁面と接する発光層を形成する工程と、
   前記発光層上に前記第１半導体層とは逆の導電型を有する第２半導体層を形成する工程と、
   前記発光層および前記第２半導体層を加熱することにより前記第２半導体層の電気抵抗値を加熱前より小さくする工程と、を有する発光素子の製造方法。
2. 前記第１半導体層と電気的に接続される第１の電極と、前記第２半導体層と電気的に接続される第２の電極と、を形成する工程をさらに有する請求項１に記載の発光素子の製造方法。
3. 前記第２の電極を、前記第２半導体層の上面を覆うように形成する請求項２に記載の発光素子の製造方法。
4. 前記発光層、前記第２半導体層および前記第２の電極を加熱することにより、前記第２半導体層と前記第２の電極との接触抵抗値を加熱前より小さくする請求項２または３に記載の発光素子の製造方法。
5. 前記第２の電極を、前記発光層で発光した光を反射する反射性導電材料により形成する請求項２〜４のいずれかに記載の発光素子の製造方法。

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