JP2012059750A - 半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率と発光効率を向上でき、かつ製造工程時の不良率を低減可能な半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子を提供する。
【解決手段】凹凸が形成された第１基板の一主面上に、ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体の多重量子井戸構造を有する活性層、およびｐ型窒化物半導体層を、順に積層する。ｐ型窒化物半導体層の上面に、複数の発光素子のそれぞれに対応する複数の第１電極を形成し、複数の第１電極およびｐ型窒化物半導体層の表面を覆うように第１メタル層を形成し、第２基板の上面に形成された第２メタル層を介して、第１基板と第２基板を接合する。第１基板の、第１メタル層と反対側の面から、発光素子の境界位置に沿って第１基板の分断または溝形成を行う。分断または溝形成された第１基板の、第１メタル層と反対側の面から、レーザを照射して、第１基板を剥離し、露出した積層膜の表面の少なくとも一部に第２電極を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子に関する。

窒化物半導体発光ダイオード（以下、ＬＥＤ(Light Emitting Device)ともいう）を白色照明装置に応用するには、高効率化と高出力化が欠かせない。このため、結晶およびデバイス構造の検討による発光効率の向上と光取り出し効率の向上等が進められている。

窒化物半導体を結晶成長する場合、安価で、高温で安定であり、しかも低温バッファにより高い結晶性の結晶成長が可能なサファイア基板が使われることが多い。サファイア基板は絶縁体で導電性がなく、熱伝導率が低い。このため、サファイア基板の裏面側には電極を作製できない。

そこで、サファイア基板上に成長したＬＥＤ構造結晶を、シリコン、銅、金等からなる他の支持基板に転写する発光素子が提案されている。転写プロセスでは、サファイア基板を剥離するためのレーザリフトオフが行われる。

レーザリフトオフを行う際に、多層窒化物半導体層にマイクロクラックが発生するのを防止するために、剥離対象である透明結晶ウエハの上方からレーザ光を照射して多層窒化物半導体層に到達する深さの切溝を形成し、その後、再度透明結晶ウエハの上方からレーザ光を照射して透明結晶ウエハを剥離する技術が提案されている（特許文献１）。

特許文献１が、剥離工程の前に多層窒化物半導体層に切溝を形成する理由は、剥離工程でレーザ光を照射したときに多層窒化物半導体層の一部が分解したときに発生する窒素ガスを切溝を通して放出させるためである。

一方、特許文献２には、サファイア基板のレーザ照射位置に合わせて、１次分離工程で発光構造物を完全には分離せずに溝を形成しておき、その後の２次分離工程でレーザ光を照射してサファイア基板を剥離している。

特許文献２で１次分離工程を設けた理由は、２次分離工程におけるレーザ照射により、発光構造物の下部側の導電性接着層や導電性永久基板が損傷することを防止するためである。

上述した特許文献１も２も、レーザリフトオフの工程にて、複数回のレーザを照射するものである。

特開２０１０−１０９０１５号公報 特開２００７−１６５８５８号公報

本発明の実施形態は、光取り出し効率と発光効率を向上でき、かつ製造工程時の不良率を低減可能な半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子を提供するものである。

本実施形態では、一主面に凹凸が形成された第１基板の前記一主面上に、ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体の多重量子井戸構造を有する活性層、およびｐ型窒化物半導体層を、順に積層した積層膜を形成する工程が行われる。次に、前記ｐ型窒化物半導体層の上面に、複数の発光素子のそれぞれに対応する複数の第１電極を形成する工程が行われる。次に、前記複数の第１電極および前記ｐ型窒化物半導体層の表面を覆うように第１メタル層を形成する工程が行われる。次に、第２基板の上面に形成され前記第１メタル層よりも融点の低い材料からなる第２メタル層が行われる。次に、前記第１基板および前記第２基板を対向配置して、前記第１メタル層および前記第２メタル層を接合する工程が行われる。次に、前記第１基板の、前記第１メタル層と反対側の面から、前記発光素子の境界位置に沿って前記第１基板の分断または溝形成を行う工程が行われる。次に、前記分断または溝形成された第１基板の、前記第１メタル層と反対側の面から、前記発光素子の形成領域に向けてレーザを照射して、前記第１基板を剥離する工程が行われる。次に、剥離により露出した前記積層膜の表面の少なくとも一部に第２電極を形成する工程が行われる。

本発明の一実施形態による半導体発光素子の断面図。 図１の半導体発光素子の製造工程を順に示した工程図。 レーザの照射位置を示す断面図。 レーザの照射位置を示す上方から見た平面図。 （ａ）は上述した比較例の光出力特性を示す図、（ｂ）は本実施形態の光出力特性を示す図。 第２の実施形態における分断工程を説明する図。 本実施形態による半導体発光素子の製造工程を順に示した工程図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態による半導体発光素子の断面図である。図１の半導体発光素子は、支持基板１上に設けられる第１メタル層２と、第１メタル層２上に設けられる第２メタル層３と、第２メタル層３上の一部に設けられるコンタクト電極４と、第２メタル層３およびコンタクト電極４の上に設けられる窒化物半導体からなる積層膜５と、積層膜５上に設けられるｎ電極６と、支持基板１の、第１メタル層２と反対の面側に設けられるｐ電極７と、を備えている。

積層膜５は、第２メタル層３およびコンタクト電極４の上に設けられるｐ型窒化物半導体層１１（例えばｐ型ＧａＮ層）と、ｐ型窒化物半導体層１１上に設けられ窒化物半導体の多重量子井戸構造を有する活性層１２と、活性層１２上に設けられるｎ型窒化物半導体層１３（例えばｎ型ＧａＮ層）と、バッファ層１４（例えばＧａＮ層）と、をこの順序で積層したものである。

図１を見ればわかるように、積層膜５は、ｐ型窒化物半導体層１１からｎ型窒化物半導体層１３に向かうにつれて膜面の面積が連続的に増大する逆テーパ状である。図１では省略しているが、この逆テーパ状の側壁部分に保護膜を形成する場合もある。

バッファ層１４の上面は、凹凸形状に粗面化されており、この面の一部にｎ電極６が形成されている。この面が光取り出し面であり、反対側のコンタクト電極４が光の反射面である。

ここで、光取り出し面を凹凸形状にする理由は、凹凸形状にすることで積層膜５の上面と空気との境界面での反射が小さくなり、光取り出し効率が向上するためである。

ｐ電極７とコンタクト電極４は、支持基板１を介して電気的に導通している。このため、支持基板１は導電性を持っている必要があり、支持基板１は例えばシリコン基板、シリコンカーバイト基板、シリコン基板とゲルマニウム基板を接合した基板、シリコン基板に銅等の金属をメッキした基板などで形成される。

支持基板１としてシリコン基板を用いる場合は、（１１１）、（１１０）、（１００）のいずれかの面方位であるのが望ましく、オフ角を併せ持つ基板を用いることができる。

コンタクト電極４の材料としては、銀やアルミニウムなどが用いられる。第１メタル層２の材料としては、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉなどの金属共晶である低融点金属や、Ａｕ、Ｓｎ、Ｃｕなどの非半田材料が用いられる。

本実施形態では、コンタクト電極４の面積を任意に調整可能である。コンタクト電極４の面積を大きくすることで、活性層１２からｐ電極７側に放射された光を効率よく反射させることができ、反射率を向上できる。また、コンタクト電極４の面積を大きくすることで、動作電圧の低下も図れる。

第２メタル層３の材料としては、チタンＴｉ、白金Ｐｔ、金ＡｕまたはタングステンＷを含むのが望ましい。

図２は図１の半導体発光素子の製造工程を順に示した工程図である。以下、図２に基づいて、図１の半導体発光素子の製造工程の一例を説明する。まず、表面が凹凸加工されたサファイア基板１０を用意する。サファイア基板１０の凹凸加工は、例えば、パターニングされたフォトレジストを用いてサファイア基板１０をエッチング処理することで形成される。

次に、図２（ａ）に示すように、サファイア基板１０の凹凸面上に、例えば有機金属気層成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、複数の窒化物半導体層を順に成長させる。より具体的には、サファイア基板１０の凹凸面上に、バッファ層１４と、ｎ型窒化物半導体層１３、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸構造の活性層１２と、ｐ型窒化物半導体層１１とを、この順序で順に成長させる。

続いて、図２（ｂ）に示すように、ｐ型窒化物半導体層１１上に、ニッケルＮｉと銀Ａｇの積層膜５からなるコンタクト電極４を形成する。このコンタクト電極４は、個々の半導体発光素子に対応して形成される。続いて、図２（ｃ）に示すように、コンタクト電極４とｐ型窒化物半導体層１１の表面を覆うように第２メタル層３を形成する。この第２メタル層３は、例えば、チタンＴｉ、白金Ｐｔおよび金Ａｕがこの順序で積層されたものである。

以上の工程により、第２メタル層３は、コンタクト電極４の形成箇所に対応する位置が凸部になり、それ以外の箇所が凹部になる。

続いて、図２（ｄ）に示すように、公知のリソグラフィ技術を用いて、第２メタル層３をパターニングし、半導体発光素子の形成領域以外の第２メタル層３を除去する。そして、第２メタル層３のパターニングに合わせて、バッファ層１４、ｎ型窒化物半導体層１３、活性層１２およびｐ型窒化物半導体層１１からなる積層膜５をパターニングする。このパターニングにより、積層膜５は個々の半導体発光素子に対応して分離された構造になり、また、ｐ型窒化物半導体層１１からｎ型窒化物半導体層１３に向かうにつれて膜面の面積が連続的に増大するテーパ状になる。

ここで、膜面とは、各層の上面を意味する。なお、積層膜５をパターニングする際は、パターニングされた第２メタル層３をマスクとして用いてもよいし、第２メタル層３を形成する前に積層膜５をパターニングし、その後に積層膜５の上面に接着メタル用の第２メタル層３を形成してもよい。

上述したサファイア基板１０の加工工程に前後して、支持基板１となるシリコン基板上に、接着メタルとなるＡｕ−Ｓｎ層を形成する。そして、図２（ｅ）に示すように、サファイア基板１０上の第２メタル層３とシリコン基板１上の接着メタル２とを対向配置して、２５０℃以上の高温下で一定時間加圧し、サファイア基板１０上の第２メタル層３とシリコン基板１上の接着メタル２とを張り合わせる。このとき、コンタクト電極４の融点温度が接着メタル２の融点温度よりもかなり高いため、接着メタル２に食い込んだ状態で張り合わせが行われる。

次に、図２（ｆ）に示すように、サファイア基板１０の分断工程を行う。この分断工程では、サファイア基板１０の、第２メタル層３と反対側の面側から、ＵＶ（Ultra-Violet）レーザ、例えば波長２４８ｎｍのＫｒＦレーザをパルス照射し、サファイア基板１０を格子状に分断するか、または溝を形成する。このとき、レーザは、半導体発光素子の境界位置に沿って照射される。

このように、本実施形態では、レーザリフトオフ工程の前に、レーザを照射して、サファイア基板１０を半導体発光素子の単位に分断する。

図３はレーザの照射位置を示す断面図、図４はレーザの照射位置を示す上方から見た平面図である。これらの図からわかるように、レーザは、半導体発光素子の境界位置に沿って格子状に照射される。レーザの照射条件は、例えば以下の条件１）または条件２）が考えられるが、これらに限定されるわけではない。

条件１）パルスレーザのビーム径を１μｍ程度に絞って、サファイア基板１０上をライン状に走査させる。半導体発光素子同士の境界線ごとにレーザビームを複数回走査させて、積層膜１５内の所定の深さまでレーザを到達させる。

条件２）パルスレーザのビーム径を１０μｍ程度以下にして、サファイア基板１０上をライン上に走査させる。これにより、サファイア基板１０をアブレーションして溝を形成する。

条件１）と２）のいずれの場合も、サファイア基板１０は、１００〜２００μｍ程度が望ましい。

このレーザ照射は、サファイア基板１０を物理的に分離することを目的としたものではなく、後に行われるレーザリフトオフ工程でのサファイア基板１０の剥離が容易に行えるようにするためのものである。したがって、この工程でのレーザ照射では、サファイア基板１０を貫通する程度までのレーザ強度は不要である。このレーザ照射により、サファイア基板１０は、図２（ｆ）のように完全に分離してもよいし、上述した条件２）で説明したように、サファイア基板１０に溝が形成されて分離されなくてもよい。

次に、図２（ｇ）に示すように、サファイア基板１０の剥離工程を行う。この剥離工程では、レーザリフトオフ法によりサファイア基板１０を剥離するべく、サファイア基板１０の上方からレーザを照射する。この場合のレーザ照射は、半導体発光素子の境界位置からその内側にかけて照射する。前の工程で、すでにサファイア基板１０を分断している、すなわち物理的な分離または溝形成を行っているため、レーザの照射強度をそれほど高くしなくても、サファイア基板１０は分断工程した単位で容易に剥離される。

本発明者による実験によると、凹凸が形成されていないサファイア基板１０を剥離するのに必要な照射強度に対して１〜２割程度小さい照射強度（例えば０．７Ｊ／ｃｍ２）でサファイア基板１０を剥離できることがわかった。したがって、本実施形態によれば、サファイア基板１０の剥離時に、凹凸のエッジ部にかかる応力を軽減でき、剥離時に積層膜５がダメージを受けるおそれが軽減される。

サファイア基板１０を剥離することで、積層膜５内のＧａＮ層（バッファ層１４）が露出される。次に、積層膜５を含む基板表面を不図示の保護膜で覆った後、ＧａＮ層の上面付近の保護膜を除去して、ｎ電極６を形成する。例えば保護膜としてはスパッタ装置によりＳｉＯ_２膜の形成を行う。

保護膜の材料としては、二酸化珪素、窒化珪素、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化アルミニウムのいずれかを含む材料が望ましい。ｎ電極６の材料としては、アルカリ耐性の電極材料が望ましく、白金Ｐｔ、金Ａｕ、ニッケルＮｉ、チタンＴｉのうち、いずれかの金属を含む材料を用いるのが望ましい。

その後、図２（ｈ）の破線部でダイシングすることにより、図１に示した半導体発光素子が得られる。このようにして得られた半導体発光素子は、凹凸が形成されたサファイア基板１０を分断工程なしで剥離した場合の比較例と比較して、光出力が３倍程度まで大きくなった。

図５（ａ）は上述した比較例の光出力特性を示す図、図５（ｂ）は本実施形態の光出力特性を示す図である。図示のように、本実施形態では、サファイア基板１０を剥離する際に積層膜５にダメージが生じないため、図５（ｂ）のように光取り出し面の全域にわたって均一に発光するのに対して、比較例では、サファイア基板１０の剥離時に積層膜５にダメージが生じるため、ダメージを受けた箇所は発光せず、図５（ａ）のように不均一な発光になり、発光強度も弱くなる。

また、本発明者の実験によれば、本実施形態による半導体発光素子は、平坦な面を有するサファイア基板１０を用いて半導体発光素子を作製した場合と比較しても、光出力が１０〜２０％ほど大きくなった。

このように、本実施形態では、光取り出し効率を向上させるために、サファイア基板１０に凹凸を形成しておき、かつ、サファイア基板１０の剥離時に積層膜５がダメージを受けないように、半導体発光素子の境界位置に合わせて、事前にサファイア基板１０にレーザを照射してサファイア基板１０の分断工程を行い、その後に、サファイア基板１０の剥離を目的としてサファイア基板１０にレーザを照射する剥離工程を行うため、剥離工程の際に照射するレーザの強度を高くしなくても、素子単位で比較的簡易にサファイア基板１０を剥離でき、結果として、剥離時に積層膜５にダメージを与えなくて済む。したがって、本実施形態によれば、光取り出し効率と発光効率の高い半導体発光素子が得られる。

また、本実施形態によれば、分断工程で使用するレーザの光源とレーザリフトオフで使用するレーザの光源とを共通化することができ、製造コストを抑制できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態よりもさらに製造工程を簡略化したものであり、積層膜５をパターニングせずに分断工程を行うものである。

第１の実施形態では、分断工程の前に積層膜５をパターニングして、個々の半導体発光素子ごとに孤立化した積層膜５を作製している。これに対して、本実施形態では、図６に示すように、積層膜５をパターニングせずに、支持基板１と張り合わせて、その後に、分断工程および剥離工程を順に行う。

図７は本実施形態による半導体発光素子の製造工程を順に示した工程図である。図７（ｃ）までの工程は第１の実施形態と同様である。続いて、図７（ｄ）に示すように、支持基板１上の第１メタル層２と、サファイア基板１０上の第２メタル層３とを張り合わせる。

続いて、サファイア基板１０の、第２メタル層３の反対側の面からレーザを照射する分断工程を行う。レーザは、半導体発光素子の境界位置に沿って照射される。本実施形態では、レーザにてサファイア基板１０と積層膜５の両方が分断されるよう、第１の実施形態よりもレーザの照射強度を大きくする。ただし、第１の実施形態で説明したように、サファイア基板１０を物理的に分離する必要はなく、溝を形成するだけでもよい。

続いて、図７（ｅ）に示すように、サファイア基板１０の、第２メタル層３の反対側の面からレーザを照射する剥離工程を行う。レーザは、半導体発光素子の境界位置から内側にかけて照射される。これにより、サファイア基板１０が剥離され、また、分断工程で積層膜５が分断されたために、個々の半導体発光素子用の積層膜５に分離される。

その後は、第１の実施形態と同様に、保護膜やｎ電極６を形成して、その後にダイシングして半導体発光素子が完成する。

このように、第２の実施形態では、積層膜５をパターニングせずに分断工程を行い、その際に積層膜５を分断するのに十分な照射強度のレーザをサファイア基板１０を介して照射するため、その後の剥離工程で、サファイア基板１０を簡易に剥離できるとともに、積層膜５も分離できる。したがって、本実施形態は、積層膜５のパターニング工程が不要な分だけ、第１の実施形態よりも製造工程を簡略化できる。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、実施形態の態様は、上述した個々の実施形態には限定されない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１ 支持基板
２ 第１メタル層
３ 第２メタル層
４ コンタクト電極
５ 積層膜
６ ｎ電極
７ ｐ電極
１０ サファイア基板
１１ ｐ型窒化物半導体層
１２ 活性層
１３ ｎ型窒化物半導体層

Claims (5)

1. 一主面に凹凸が形成された第１基板の前記一主面上に、ｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体の多重量子井戸構造を有する活性層、およびｐ型窒化物半導体層を、順に積層した積層膜を形成する工程と、
   前記ｐ型窒化物半導体層の上面に、複数の発光素子のそれぞれに対応する複数の第１電極を形成する工程と、
   前記複数の第１電極および前記ｐ型窒化物半導体層の表面を覆うように第１メタル層を形成する工程と、
   第２基板の上面に形成され前記第１メタル層よりも融点の低い材料からなる第２メタル層と、
   前記第１基板および前記第２基板を対向配置して、前記第１メタル層および前記第２メタル層を接合する工程と、
   前記第１基板の、前記第１メタル層と反対側の面から、前記発光素子の境界位置に沿って前記第１基板の分断または溝形成を行う工程と、
   前記分断または溝形成された第１基板の、前記第１メタル層と反対側の面から、前記発光素子の形成領域に向けてレーザを照射して、前記第１基板を剥離する工程と、
   剥離により露出した前記積層膜の表面の少なくとも一部に第２電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
2. 前記分断または溝形成を行う工程では、前記第１基板の、前記第１メタル層と反対側の面から、前記発光素子の境界位置に沿って、第１照射条件でレーザを照射し、
   前記第１基板を剥離する工程では、前記第１基板の、前記第１メタル層と反対側の面から、前記発光素子の形成領域に向けて、前記第１照射条件とは異なる第２照射条件でレーザを照射することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記第１メタル層および第２メタル層を接合する前に、前記第１基板上の前記第１メタル層および前記積層膜を、前記複数の発光素子のそれぞれに対応づけてパターニングすることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記第１基板上の前記第１メタル層および前記積層膜をパターニングせずに、前記第１メタル層および第２メタル層を接合する工程と、前記第１基板の分断または溝形成を行う工程とを行い、
   前記第１基板の分断または溝形成を行う工程では、レーザ光が前記積層膜まで到達する照射条件でレーザを照射することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 支持基板上に設けられる第１メタル層と、
   前記第１メタル層上に設けられる第２メタル層と、
   前記第２メタル層上に設けられるコンタクト電極と、
   前記第２メタル層および前記コンタクト電極の上に設けられる、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上に設けられ窒化物半導体の多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、を順に積層した積層膜と、
   前記ｎ型窒化物半導体層の上面の少なくとも一部に設けられるｎ電極と、
   前記支持基板の、前記第１メタル層と反対側の面に設けられるｐ電極と、を備え、
   前記ｎ型窒化物半導体層の上面は、凹凸形状であり、
   前記積層膜は、前記ｐ型窒化物半導体層から前記ｎ型窒化物半導体層に向かうにつれて膜面の面積が連続的に増大する逆テーパ状であることを特徴とする半導体発光素子。