JP2013247365A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体成長用基板の再活用が可能な半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明による半導体発光素子の製造方法は、半導体成長用基板上に第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層を順次に成長させて発光構造物を形成する段階と、前記第２導電型半導体層上に前記発光構造物と結合するように支持部を形成する段階と、前記発光構造物と前記半導体成長用基板を分離する段階と、前記分離された半導体成長用基板に残存する前記発光構造物の残余が分離されるように前記半導体成長用基板と前記発光構造物の残余との境界面を湿式エッチングする段階と、前記半導体成長用基板を洗浄する段階とを有する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、半導体発光素子の製造方法に関し、特に、半導体成長用基板の再活用が可能な半導体発光素子の製造方法に関する。

発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）のような半導体発光素子は、素子内に含まれている物質が光を発光する素子であり、接合された半導体の電子と正孔との再結合で発生するエネルギーを光に変換して放出する。このようなＬＥＤは、現在、照明、表示装置及び光源として広く用いられ、その開発が加速している傾向にある。

特に、その開発及び使用が活発化している窒化ガリウム（ＧａＮ）系の発光ダイオードを用いた携帯電話キーパッド、ターンシグナルランプ、カメラフラッシュなどの常用化に応え、最近は、発光ダイオードを用いた一般照明の開発が脚光を浴びている。
大型ＴＶのバックライトユニット及び自動車のヘッドライト、一般照明など、その応用製品が小型携帯製品から大型化、高出力化、高効率化された製品に進展することにより、該当する製品に求められる特性を示す光源が求められている。

しかしながら、このように、発光ダイオードの用途が広くなり、大量生産されるにつれ、発光ダイオードの製造に用いられる半導体成長用基板の再活用の必要性が問題になっている。

そこで、本発明は上記従来の半導体発光素子における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、半導体成長用基板の再活用が可能な半導体発光素子の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明による半導体発光素子の製造方法は、半導体成長用基板上に第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層を順次に成長させて発光構造物を形成する段階と、前記第２導電型半導体層上に前記発光構造物と結合するように支持部を形成する段階と、前記発光構造物と前記半導体成長用基板を分離する段階と、前記分離された半導体成長用基板に残存する前記発光構造物の残余が分離されるように前記半導体成長用基板と前記発光構造物の残余との境界面を湿式エッチングする段階と、前記半導体成長用基板を洗浄する段階とを有することを特徴とする。

前記発光構造物は、窒化物半導体層であることが好ましい。
前記窒化物半導体層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎの組成式で示され、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１であることが好ましい。
前記湿式エッチングは、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＮＨ_４ＯＨ、及びＨ_２ＳＯ_３：ＨＣｌを含むグループから選択された少なくとも１つのエッチング液によってエッチング工程を行うことが好ましい。
前記湿式エッチングのエッチング温度は、２０〜３００℃であることが好ましい。
前記発光構造物から前記半導体成長用基板を分離する段階は、レーザリフトオフ法によって行われることが好ましい。
前記半導体成長用基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＧａＯ_２、及びＧａＮの内のいずれか１つであることが好ましい。
前記分離された半導体成長用基板に残存する発光構造物の残余が分離されるように前記発光構造物の残余と前記半導体成長用基板との境界面を湿式エッチングする段階の後、前記半導体成長用基板を化学的機械的研磨法により微細研磨する段階をさらに有することが好ましい。
前記半導体成長用基板を化学的機械的研磨法により微細研磨する段階は、ラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）工程を行わないことが好ましい。
前記半導体成長用基板を洗浄する段階は、化学的洗浄段階及び物理的洗浄段階を含むことが好ましい。

本発明に係る半導体発光素子の製造方法によれば、機械的研磨工程を経ないため、微細研磨過程を経ても半導体成長用基板の損傷が最小限に抑えられ、半導体成長用基板を再活用できる回数を増加させるという効果がある。

本発明の一実施形態による半導体発光素子の製造方法を説明するための各段階別断面図である。 本発明の一実施形態による半導体発光素子の製造方法を説明するための各段階別断面図である。 本発明の一実施形態による半導体発光素子の製造方法を説明するための各段階別断面図である。 本発明の一実施形態による半導体発光素子の製造方法によって製造された半導体発光素子を概略的に示す断面図である。 図３において発光構造物と分離された半導体成長用基板の表面に残存する発光構造物の残余を除去する方法を概略的に説明するための図である。 図３において分離された半導体成長用基板の表面に残存する発光構造物を除去する方法を概略的に説明するためのフローチャートである。 分離された半導体成長用基板の表面に残存する発光構造物の残余を撮影した写真である。 分離された半導体成長用基板の表面に残存する発光構造物の残余が分離された形状を撮影した写真である。

次に、本発明に係る半導体発光素子の製造方法を実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。

以下に説明する実施形態は、本発明に対し、当業界で平均的な知識を有する者に発明の範囲を例示するために提供するものである。
また、本発明は、以下で説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲が提示する多様な形態に具現化することができる。
また、図面における要素の形状、サイズ及び厚さなどは、より明確な説明のために誇張されることがあり、図面上における実質的に同一の構成及び機能を有する構成要素は同一の参照符号を用いる。

図１〜図３は、本発明の一実施形態による半導体発光素子の製造方法の一例を説明するための各段階別断面図であり、図４は本発明の一実施形態による半導体発光素子の製造方法よって製造された半導体発光素子を概略的に示す断面図である。

本発明に係る半導体発光素子１００は、電気信号の印加時に光を放出する光電素子であれば、いかなるものを用いてもよい。
代表的には、成長用基板１１０上に半導体層をエピタキシャル成長させた半導体発光素子を用いることができる。
このとき、成長基板として、サファイア、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＧａＯ_２、及びＧａＮの内のいずれか一つを用いることができるが、これに限定されるものではない。本実施例においては、サファイア基板を用いることができる。

まず、図１に示すように、半導体成長用基板１１０上に発光構造物１２０を形成する。
具体的には、発光構造物１２０は、第１導電型半導体層１２１、活性層１２２、及び第２導電型半導体層１２３を含む窒化物半導体層であり、第１導電型半導体層１２１はｎ型半導体層を、第２導電型半導体層１２３はｐ型半導体層を含み得る。

ｎ型半導体層及びｐ型半導体層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎの組成式を有する、ｎ型不純物及びｐ型不純物がドープされた半導体物質で形成することができ、代表的には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮが用いられる。このとき、ｘ、ｙ値は、それぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１の範囲内にある。

また、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、又はＣなどを用いることができ、ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、又はＢｅなどが代表的である。

本実施形態において、第１及び第２導電型半導体層１２１、１２３としてＧａＮ層を用いることができるが、第１導電型半導体層１２１としてｎ−ＧａＮを、第２導電型半導体層１２３としてｐ−ＧａＮを用いることができる。

発光構造物１２０は、有機金属気相成長法（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ）、分子ビーム成長法（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ、ＭＢＥ）及び水素気相成長法（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ、ＨＶＰＥ）などで成長されることができる。
また、第１導電型半導体層１２１の下部には、バッファ（ｂｕｆｆｅｒ）層（図示せず）としてアンドープ−ＧａＮを形成することもできる。

活性層１２２は、可視光（約３５０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長範囲）を発光するための層であり、単一又は多重量子井戸（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ、ＭＱＷ）構造を有するアンドープされた窒化物半導体層で構成され得る。
活性層１２２は、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造からなる。
例えば、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の量子障壁層と量子井戸層が交互に積層された多重量子井戸構造で形成されて所定のバンドギャップを有することによって電子及び正孔が再結合して発光する。

次に、図２に示すように、第２導電型半導体層１２３上に発光構造物１２０と結合するように支持部１３０を形成する。
支持部１３０は、半導体成長用基板１１０を発光構造物１２０から除去するためのレーザリフトオフ（ｌａｓｅｒ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ、ＬＬＯ）などの工程において発光構造物１２０を支持する支持体の役割をする。

また、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｓｅ、ＧａＡｓの内のいずれか一つを含む物質、例えば、Ｓｉ基板にＡｌがドープされた導電性物質からなることができる。
なお、支持部１３０は、ＡｕＳｎのような共融金属物質を用いた導電性接着層（図示せず）を媒介に発光構造物１２０と接合することができる。

続いて、図３に示すように、発光構造物１２０と半導体成長用基板１１０とを分離する。
発光構造物１２０の第１導電型半導体層１２１と接する半導体成長用基板１１０は、レーザリフトオフ工程を通じて第１導電型半導体層１２１から分離される。

このとき、レーザリフトオフ工程に用いられるレーザには、１９３ｎｍエキシマレーザ、２４８ｎｍエキシマレーザ、３０８ｎｍエキシマレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、及びＡｒイオンレーザの内の少なくともいずれか一つを用いることができる。

次に、図４に示すように、半導体成長用基板１１０が分離された第１導電型半導体層１２１に電極１４０を形成して垂直構造の半導体発光素子を製造する。
製造された半導体発光素子１００は、パッケージ工程のような発光素子パッケージを製造するための後続工程に用いられる。
このように、半導体発光素子１００と分離された半導体成長用基板１１０は、改めて半導体層を成長させるのに再活用することができる。

しかし、発光構造物１２０と分離された半導体成長用基板１１０の表面には、レーザリフトオフ工程において除去されなかった第１導電型半導体層の残余１２１ｂが一部残存し、半導体成長用基板１１０に残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂは、半導体層の再成長を困難にするという問題点をもたらす。
従って、半導体成長用基板１１０上に発光構造物１２０を再成長させるためには、半導体成長用基板１１０上に残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂを除去しなければならない。

従来は、半導体成長用基板１１０上に残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂを除去するために、半導体成長用基板１１０の表面を機械的に微細研磨して除去する方法が用いられたが、このように機械的に微細研磨する方法のみで第１導電型半導体層の残余１２１ｂを除去する場合、第１導電型半導体層の残余１２１ｂを安定的に除去するために、半導体成長用基板１１０の表面から所定の深さまで微細研磨しなければならなかった。

従って、従来の方法では、再活用の回数が増加すると、半導体成長用基板１１０の厚さが急激に薄くなり、半導体層を成長させる工程において半導体成長用基板１１０に亀裂又は曲げを発生させるという問題点があった。

本発明は、半導体成長用基板１１０の表面に残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂを研磨して除去するのではなく、残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂと半導体成長用基板１１０との境界面をエッチングすることで、残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂを分離させる。

従って、半導体成長用基板１１０の厚さが急激に薄くなるという問題点を緩和すると共に、半導体成長用基板１１０の再活用できる回数を増加させる効果がある。
また、化学的方法を用いて残余物を除去するため、個別に半導体成長用基板１１０を研磨しなければならない機械的微細研磨方法に比べて一度に多数の半導体成長用基板１１０を処理することができるという長所がある。このように、大型処理することができるため、個別の半導体成長用基板１１０の再活用に所要される時間が減少する。

上述した工程を具体的に説明すると、まず、分離された半導体成長用基板１１０に残存する第１導電型半導体層１２１ｂの残余が分離されるように半導体成長用基板１１０と第１導電型半導体層の残余１２１ｂとの境界面を湿式エッチングする。

図５は、半導体成長用基板１１０の表面に残存する第１導電型半導体層１２１ｂの残余を除去する方法を概略的に説明するための図であり、図６は半導体成長用基板１１０の表面に残存する第１導電型半導体層１２１ｂの残余を除去する方法を概略的に説明するためのフローチャートである。

半導体成長用基板１１０の表面に残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂを除去する方法は、半導体成長用基板１１０から発光構造物１２０を分離する段階（ステップＳ１０）と、半導体成長用基板１１０から第１導電型半導体層１２１と同様の発光構造物１２０の残余物を除去する段階（ステップＳ２０）と、半導体成長用基板１１０を洗浄する段階（ステップＳ３０）と、を含む。

まず、上記の通り、半導体成長用基板１１０から発光構造物１２０を分離し（ステップＳ１０）、その後、図５に示すように、半導体成長用基板１１０の表面から残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂが分離されるように半導体成長用基板１１０と第１導電型半導体層の残余１２１ｂとの境界面を湿式エッチングする（ステップＳ２０）。

湿式エッチングには、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＮＨ_４ＯＨ、及びＨ_２ＳＯ_３：ＨＣｌを含むグループから選択された少なくとも１つのエッチング液を用いることができ、エッチングの温度は約２０〜３００℃にすることができる。湿式エッチング工程のエッチング温度が約２０℃未満の場合は、エッチングがほとんど行われず、約３００℃超過の場合は、過度なエッチング作用によってエッチング作用の制御が困難となるという短所がある。具体的には、本発明の実施例においては、２ｍｏｌ／Ｌの濃度であるＫＯＨエッチング液を用いて８０℃の温度で湿式エッチング工程を行うことができる。

このような湿式エッチング工程を経ることで、半導体成長用基板１１０の表面に残存する第１導電型半導体層の残余は１２１ｂ分離して除去される。

図７ａは、半導体成長用基板１１０の表面に残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂを撮影した写真であり、図７ｂは、半導体成長用基板１１０の表面に残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂが湿式エッチング工程を経て分離された形状を撮影した写真である。

図７ａ及び図７ｂの円で囲った部分を比較すると、図７ａに残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂが分離していることが確認できる。

このように、半導体成長用基板１１０上に残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂを湿式エッチングによって除去すると、半導体成長用基板１１０の表面損傷が０〜５μｍ程度に減少し、一般の機械的微細研磨法によってエッチングする場合に比べて半導体成長用基板１１０の損傷が減少することから、半導体成長用基板１１０を再活用できる回数が増加する効果がある。

また、半導体成長用基板１１０を湿式エッチングして残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂを除去した後、半導体成長用基板１１０を微細研磨する段階を追加することもできる。
半導体成長用基板１１０を微細研磨する段階として、化学的機械的研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、ＣＭＰ）を用いることができる。

ここで、ＣＭＰとは、被処理物の表面を化学的・機械的な複合作用によって平坦化する方法を意味する。例えば、研磨ステージ上に研磨布を付着し、被処理物と研磨布との間にスラリー（ｓｌｕｒｒｙ、研磨剤）を供給しながら、研磨ステージ及び被処理物をそれぞれ回転又は揺動させることで、行うことができる。これにより、スラリーと被処理物の表面との間における化学反応及び研磨布による被処理物の機械的研磨作用によって被処理物の表面が研磨される。

ＣＭＰを用いた研磨処理は、１回のみ行うこともできるが、複数回繰り返し処理することもできる。
研磨処理を複数回行う場合、研磨レートが高い１次研磨を行った後、研磨レートが低い仕上げ研磨を行うことが好ましい。１次研磨には、ポリウレタン研磨を用いることが好ましく、スラリーの粒径は、１２０ｎｍから１８０ｎｍ、例えば、１５０ｎｍ程度にすること好ましい。仕上げ研磨には、スエード布の研磨布を用いることが好ましく、スラリーの粒径は、４５ｎｍから７５ｎｍ、例えば、６０ｎｍ程度にすることが好ましい。

また、半導体成長用基板１１０に残存する第１導電型半導体層の残余１２１ｂを湿式エッチングによって除去した後、ＣＭＰを行うようにすると、機械的に半導体成長用基板１１０を研磨する段階であるラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）工程を行わなくてもよい。
ラッピング工程は、半導体成長用基板１１０の表面をグラインディング（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）のような機械的な方法によって研磨することから、半導体成長用基板１１０の表面を一律的に削除して平坦化するが、この工程において半導体成長用基板１１０の表面に多くの損傷が発生する。本発明は、このような機械的研磨工程を経ないため、微細研磨工程を経ても半導体成長用基板１１０の損傷が最小限に抑える効果がある。

次に、上記のように湿式エッチング工程及び微細研磨工程が行われた後、半導体成長用基板１１０を洗浄する。
洗浄工程は、純水による超音波洗浄や純水と窒素による二流体ジェット洗浄などで行うことができる。
超音波洗浄としては、メガヘルツ超音波洗浄（メガソニック洗浄）を用いることができる。上記の超音波洗浄や二流体ジェット洗浄の後、半導体成長用基板１１０をオゾン水で洗浄することもできる。

また、洗浄工程には、化学溶液を用いる化学的洗浄段階又はブラシを用いる物理的洗浄段階を含むこともできる。
ここで、化学的洗浄段階は、有機汚染物質を除去する能力に優れた水酸化アンモニウム（ＮＨ_４ＯＨ）溶液を含有する第１化学溶液又は無機汚染物質を除去する能力に優れた塩酸（ＨＣｌ）溶液を含有する第２化学溶液を用いて行うことができる。

このように、洗浄工程が完了すると、半導体成長用基板１１０の表面から第１導電型半導体層の残余１２１ｂが除去され、半導体成長用基板１１０を再活用して発光構造物１２０を成長させることができる。

尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

１００ 半導体発光素子
１１０ 半導体成長用基板
１２０ 発光構造物
１２１、１２１ｂ 第１導電型半導体層（の残余）
１２２ 活性層
１２３ 第２導電型半導体層
１３０ 支持部
１４０ 電極

Claims (10)

1. 半導体成長用基板上に第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層を順次に成長させて発光構造物を形成する段階と、
   前記第２導電型半導体層上に前記発光構造物と結合するように支持部を形成する段階と、
   前記発光構造物と前記半導体成長用基板を分離する段階と、
   前記分離された半導体成長用基板に残存する前記発光構造物の残余が分離されるように前記半導体成長用基板と前記発光構造物の残余との境界面を湿式エッチングする段階と、
   前記半導体成長用基板を洗浄する段階とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
2. 前記発光構造物は、窒化物半導体層であ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. 前記窒化物半導体層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎの組成式で示され、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記湿式エッチングは、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＮＨ_４ＯＨ、及びＨ_２ＳＯ_３：ＨＣｌを含むグループから選択された少なくとも１つのエッチング液によってエッチング工程を行う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。
5. 前記湿式エッチングのエッチング温度は、２０〜３００℃であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記発光構造物から前記半導体成長用基板を分離する段階は、レーザリフトオフ法によって行われ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。
7. 前記半導体成長用基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＧａＯ_２、及びＧａＮの内のいずれか１つであ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。
8. 前記分離された半導体成長用基板に残存する発光構造物の残余が分離されるように前記発光構造物の残余と前記半導体成長用基板との境界面を湿式エッチングする段階の後、前記半導体成長用基板を化学的機械的研磨法により微細研磨する段階をさらに有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。
9. 前記半導体成長用基板を化学的機械的研磨法により微細研磨する段階は、ラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）工程を行わないことを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子の製造方法。
10. 前記半導体成長用基板を洗浄する段階は、化学的洗浄段階及び物理的洗浄段階を含む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。
    

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