JP2014038920A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性が高い半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】実施形態の半導体発光素子は、金属基板と、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、発光層と、第１中間層と、第２中間層と、を含む。前記金属基板は、１０×１０−６ｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する。前記第１半導体層は、窒化物半導体を含む。前記第２半導体層は、前記金属基板と前記第１半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む。前記発光層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む。前記第１中間層は、前記金属基板と前記第２半導体層との間に設けられ前記金属基板に接する。前記第２中間層は、前記第１中間層と前記第２半導体層との間に設けられる。前記金属基板の前記第１中間層と接する第１面の表面粗さは、前記第１中間層の厚さよりも小さい。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態の半導体発光素子は、金属基板と、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、発光層と、第１中間層と、第２中間層と、を含む。前記金属基板は、１０×１０−６ｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する。前記第１半導体層は、窒化物半導体を含む。前記第２半導体層は、前記金属基板と前記第１半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む。前記発光層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む。前記第１中間層は、前記金属基板と前記第２半導体層との間に設けられ前記金属基板に接する。前記第２中間層は、前記第１中間層と前記第２半導体層との間に設けられる。前記金属基板の前記第１中間層と接する第１面の表面粗さは、前記第１中間層の厚さよりも小さい。
【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
半導体発光素子を製造する方法の一つとして、放熱性の優れた基板と、窒化物半導体を含む積層体が設けられた成長用基板と、を接合した後、成長用基板を除去する方法がある。半導体発光素子において、信頼性の向上が望まれる。
本発明の実施形態は、信頼性が高い半導体発光素子を提供する。
本発明の実施形態によれば、半導体発光素子は、金属基板と、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、発光層と、第１中間層と、第２中間層と、を含む。
前記金属基板は、１０×１０−６ｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する。
前記第１半導体層は、窒化物半導体を含む。
前記第２半導体層は、前記金属基板と前記第１半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む。
前記発光層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む。
前記第１中間層は、前記金属基板と前記第２半導体層との間に設けられ前記金属基板に接する。
前記第２中間層は、前記第１中間層と前記第２半導体層との間に設けられる。
前記金属基板の前記第１中間層と接する第１面の表面粗さは、前記第１中間層の厚さよりも小さい。
前記金属基板は、１０×１０−６ｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する。
前記第１半導体層は、窒化物半導体を含む。
前記第２半導体層は、前記金属基板と前記第１半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む。
前記発光層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む。
前記第１中間層は、前記金属基板と前記第２半導体層との間に設けられ前記金属基板に接する。
前記第２中間層は、前記第１中間層と前記第２半導体層との間に設けられる。
前記金属基板の前記第１中間層と接する第１面の表面粗さは、前記第１中間層の厚さよりも小さい。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
図２は、図１のＡ部を拡大した模式的断面図である。
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
図２は、図１のＡ部を拡大した模式的断面図である。
本実施形態の半導体発光素子１１０は、金属基板１０と、積層体６０と、第１中間層２０と、第２中間層３０と、を含む。積層体６０は、第１半導体層６６と、発光層６４と、第２半導体層６２と、を含む。
半導体発光素子１１０は、積層体６０と金属基板１０との接合により形成される（以下、基板接合）。積層体６０を形成するために用いられた成長用基板１８は除去されている。
金属基板１０は、積層体６０を支持する。金属基板１０は、第１面１０ａと、第１面１０ａの反対側の第２面１０ｂと、を有する。第１面１０ａは、後述する第１中間層２０と接する面である。
ここで、金属基板１０の第１面１０ａに対して垂直な軸をＺ軸とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸方向とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な方向をＹ軸とする。以下において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。また、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他に、間に他の層が挿入されて設けられる場合も含む。
金属基板１０の熱膨張係数は、成長用基板１８の熱膨張係数に近いことが好ましい。成長用基板１８は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板、サファイア基板、及び炭化シリコン（ＳｉＣ）基板のいずれかである。Ｓｉ基板の熱膨張係数は、２．５×１０−６ｍ／Ｋである。サファイア基板の熱膨張係数は、５．２×１０−６ｍ／Ｋである。また、ＳｉＣ基板の熱膨張係数は、３．７×１０−６ｍ／Ｋである。例えば、金属基板１０の熱膨張係数は、１０×１０−６ｍ／Ｋ以下である。これにより、基板接合のとき、剥離が抑制される。
金属基板１０の熱伝導率は、成長用基板１８の熱伝導率よりも高い。例えば金属基板１０の熱伝導率は、１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。これにより、積層体６０から生じた熱が放出される。
金属基板１０は、例えば、焼結含浸金属を含む。金属基板１０は、第１金属を含む第１金属部と、第１金属部に分散され第２金属を含む第２金属部と、を有する。第１金属部は、第１金属の粉末を焼結させることにより形成される。また、第２金属部は、第１金属部に第２金属を含浸させることにより形成される。含浸の際には、第２金属の溶出防止剤を用いてもよい。金属基板１０として焼結含浸金属が用いられることにより、後述する第１中間層２０との密着性が向上する。
例えば、第１金属部及び第２金属部のいずれか一方はモリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）のいずれかを含み、第１金属部及び第２金属部のいずれか他方は銅（Ｃｕ）を含む。
ここで、図３は、熱膨張係数及び熱伝導率を示したグラフ図である。
図３は、各種基板の熱膨張係数（ＣＴＥ：１０−６ｍ／Ｋ）及び熱伝導率（ＴＣ：Ｗ／ｍ・Ｋ）が表されている。
図３において、積層型金属（ＬＭ）及び焼結含浸金属（ＳＩＭ）が表されている。図３に表されている積層型金属ＬＭは、ホットプレスによりＣｕ、Ｍｏ及びＣｕを接着して積層した金属である。全体に対するＭｏの割合が付されている。また、焼結含浸金属ＳＩＭのうち、Ｃｕ０．５Ｍｏ０．５、Ｃｕ０．３５Ｍｏ０．６５、及びＣｕＷが表されている。
図３は、各種基板の熱膨張係数（ＣＴＥ：１０−６ｍ／Ｋ）及び熱伝導率（ＴＣ：Ｗ／ｍ・Ｋ）が表されている。
図３において、積層型金属（ＬＭ）及び焼結含浸金属（ＳＩＭ）が表されている。図３に表されている積層型金属ＬＭは、ホットプレスによりＣｕ、Ｍｏ及びＣｕを接着して積層した金属である。全体に対するＭｏの割合が付されている。また、焼結含浸金属ＳＩＭのうち、Ｃｕ０．５Ｍｏ０．５、Ｃｕ０．３５Ｍｏ０．６５、及びＣｕＷが表されている。
図３に表したように、積層型金属ＬＭは、Ｓｉよりも高熱伝導率である。しかし、後述するように、基板接合時に積層界面が剥離する可能性がある。
これに対して、焼結含浸金属ＳＩＭは、Ｃｕ及びＭｏの組成比に従って熱膨張係数ＣＴＥ及び熱伝導率ＴＣが線形に変化する。焼結金属は含有金属間の界面で剥離することがない。したがって、例えば、金属基板１０には、Ｃｕ０．５Ｍｏ０．５、Ｃｕ０．３５Ｍｏ０．６５、ＣｕＷのいずれかが用いられることが好ましい。このとき、金属基板１０の熱膨張係数は、１０×１０−６ｍ／Ｋ以下を満たす。また、金属基板１０がＣｕを含むことにより、金属基板１０の熱伝導率は、１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上を満たす。金属基板１０におけるＭｏの組成比が高い方が、金属の剥離が抑制される傾向がある。
金属基板１０の厚さは、例えば２００マイクロメートル（μｍ）以下である。金属基板１０の厚さが２００μｍより厚い場合、基板接合後の降温時に発生する応力によって、成長用基板１８と積層体６０とが剥離する可能性がある。一方、金属基板１０の厚さが２００μｍ以下であるとき、成長用基板１８の剥離が抑制される。
ここで、金属基板１０の第１面１０ａは、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により研磨される。金属基板１０の第１面１０ａの表面粗さは、後述する第１中間層２０の厚さよりも小さい。言い換えれば、第１面１０ａの表面粗さの値が、第１中間層２０の粗さの値よりも小さい。第１面１０ａは、第１面１０ａの凹凸に沿って、第１中間層２０によって覆われている。これにより、基板接合の際に、金属基板１０に含まれる金属（例えばＣｕ）が第２中間層３０に拡散すること、又は第２中間層３０に含まれる金属（例えばＡｕ、Ｓｎ）が金属基板１０に拡散すること（金属の相互拡散）が抑制される。
金属基板１０の「表面粗さ」は、例えばＡＦＭ（Atomic Force Microscopy）、表面粗さ計（サーフコーダ）により測定される。「表面粗さ」は特に限定されないが、例えば、ＪＩＳ−Ｂ−０６０１で規定される算術平均表面粗さＲａであってもよい。
金属基板１０の第１面１０ａの表面粗さは、例えば１００ｎｍ以下であり、より好ましくは５０ｎｍ以下である。第１面１０ａの表面粗さが５０ｎｍ以下であることにより、上記した金属の拡散が顕著に抑制される。
積層体６０は、金属基板１０の第１面１０ａ側に設けられる。上述のように、積層体６０は、第１導電形の第１半導体層６６と、発光層６４と、第２導電形の第２半導体層６２と、を含む。
第１導電形は、例えばｎ形である。第１導電形とは反対の第２導電形は、例えばｐ形である。第１導電形はｐ形、第２導電形はｎ形であってもよい。本実施形態では、第１導電形がｎ形、第２導電形がｐ形である場合を例として説明する。
第１半導体層６６は、窒化物半導体を含む。第１半導体層６６の導電形は、例えばｎ形である。第１半導体層６６は、例えばドーパントとしてシリコン（Ｓｉ）を含む。第１半導体層６６のＳｉ濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上である。これにより、第１半導体層６６における電流広がり長が長くなり、発光効率が向上する。
第１半導体層６２は、金属基板１０とは反対側の第３面６６ａを有する。第３面６６ａとは、発光層６４から放出される光が主に外部に出射される面である。
第１半導体層６６の第１面６６ａは、複数の凹凸部６６ｓを有している。凹凸部６６ｓのうち隣接する凸部の間の長さは、発光層６４から放射される発光光の第１半導体層６６中のピーク波長よりも長い。これにより、光取り出し効率が向上する。
第２半導体層６２は、金属基板１０と第１半導体層６６との間に設けられる。第２半導体層６２は、窒化物半導体を含む。第２半導体層６２の導電形は、例えばｐ形である。第２半導体層６２は、例えばドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）を含む。第２半導体層６２におけるＭｇの濃度は、例えば１×１０２１ｃｍ−３であることが好ましい。これにより、第２半導体層６２は、第２電極５０にオーミック接触する。
ｐ型窒化物半導体の抵抗率は高いことから、第２半導体層６２の厚さは１００ｎｍ以下であることが望ましい。例えば、第２半導体層６２は、発光層６４と接する８０ｎｍのＧａＮ層と、第２電極５０と接する５ｎｍのＧａＮ層と、有する。
発光層６４は、第１半導体層６２と第２半導体層６６との間に設けられる。発光層６４は、窒化物半導体を含む。発光層６４は、例えば、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含む。発光層６４は、例えば、ＡｌＧａＮバリア層と、ＩｎＧａＮ井戸層と、が交互に、Ｎ周期、積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する。Ｎは２以上の整数である。ＭＱＷ構造における各層の厚さは例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
ＭＱＷ構造と第１半導体層６６との間に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子構造が設けられていても良い。これにより、ＭＱＷ構造と第１半導体層６６との格子定数の差が緩和する。
第１半導体層６６は、第１電極８０と発光層６４との間に設けられる。第１電極８０には、チタン（Ｔｉ）、Ｔｉ及びアルミニウム（Ａｌ）の合金、又は透明酸化物（例えばＩＴＯ）が用いられる。
第１電極８０は、例えば積層構造を有する。第１電極８０は、第１半導体層６６と接するＡｌ層と、Ａｌ層の上に設けられたＮｉ層と、Ｎｉ層の上に設けられたＡｕ層と、を有する。Ａｌ層の厚さは１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。Ａｕ層の厚さは１μｍ以上である。
他の第１電極８０の構成としては、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕの４層構造、又はＴｉ／Ａｌ／Ｔａ／Ｐｔ／Ａｕの５層構造でも良い。第１電極形成工程前後の熱プロセスに応じて、第１電極８０の構成は選定される。
誘電体層７２は、第２半導体層６２と第３中間層４０との間に設けられる。誘電体層７２は、第２半導体層６２と、後述する保護層７６と接する。また、誘電体層７２は、第３中間層４０と接する。誘電体層７２は、Ｚ軸方向から見て、第２半導体層６２を囲むように設けられる。誘電体層７２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、又は窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）を含む。
第２電極５０は、後述する第２中間層３０と第２半導体層６２との間に設けられる。第２電極５０は、第２半導体層６２に接する。第２電極５０には、例えばＮｉ及びＡｇのいずれかが用いられる。第２電極５０には、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ及びＰｄのいずれかの白金族の金属が用いられてもよい。
積層体６０は、例えば角錐台形状を有している。
保護層７６は、少なくとも発光層６４の側面上に設けられる。保護層７６としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、及びＳｉＯＮの少なくともいずれかが用いられる。これにより、積層体６０の各層間における電流リークが抑制される。また、保護層７６は、第３面６６ａの一部を覆っている。
保護層７６は、少なくとも発光層６４の側面上に設けられる。保護層７６としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、及びＳｉＯＮの少なくともいずれかが用いられる。これにより、積層体６０の各層間における電流リークが抑制される。また、保護層７６は、第３面６６ａの一部を覆っている。
次に、第１中間層２０、第２中間層３０及び第３中間層４０について説明する。
積層体６０及び金属基板１０は、第１中間層２０、第２中間層３０及び第３中間層４０を介して接合されている。
積層体６０及び金属基板１０は、第１中間層２０、第２中間層３０及び第３中間層４０を介して接合されている。
第１中間層２０は、金属基板１０と第２半導体層６２との間に設けられる。第１中間層２０は、金属基板１０に接する。第１中間層２０は金属の拡散を抑制するバリア層として機能する。第１中間層２０は、基板接合の際に予め金属基板１０の第１面１０ａ上に設けられる。第１中間層２０は、金属基板１０と第３中間層３０との間で金属が相互拡散することを抑制する。また、第１中間層２０は、金属基板１０と第２中間層３０との密着性を強化する。
第１中間層２０は、Ｔｉを含む。これにより、金属基板１０と第３中間層３０との間で金属が相互拡散が抑制される。
第１中間層２０の厚さは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、より好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。第１中間層２０の厚さが５０ｎｍ以上であることにより、第１面１０ａは、第１中間層２０によって被覆される。一方、積層体からの熱伝導を向上させるため、第１中間層２０の厚さは２００ｎｍ以下であることが好ましい。
第１中間層２０は、積層構造であってもよい。この内容については詳細を後述する。
第２中間層３０は、第１中間層２０と第２半導体層６２との間に設けられる。第２中間層３０は、積層体６０と金属基板１０とを接合する。
第２中間層３０の材料の融点は、第１中間層２０の材料の融点よりも低い。第２中間層３０の材料の融点は、後述する第３中間層４０の材料の融点よりも低い。第２中間層３０の材料は、例えば低融点半田である。第２中間層３０は、例えば金（Ａｕ）を含む。例えば、第２中間層３０の材料には、金スズ（ＡｕＳｎ）、金インジウム（ＡｕＩｎ）のいずれかが用いられる。第２中間層３０の材料は、Ｓｎであってもよい。
第２中間層３０の厚さは、１０００ｎｍ以上１０μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以上５μｍ以下である。
第３中間層４０は、第２電極５０と第２中間層３０との間に設けられる。第３中間層４０は、Ｔｉを含む。第３中間層４０は積層構造を有していても良い。第３中間層４０は、例えばＴｉＷ／Ｐｔ／ＴｉＷ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕである。これにより、第３中間層４０によって金属の拡散が抑制される。第３中間層４０の材料は第２中間層３０の材料と同じであってもよい。
第３中間層４０の厚さは、例えば５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、より好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
裏面電極９０は、金属基板１０の第２面１０ｂに接する。裏面電極９０には、例えばＡｕが用いられる。
金属基板１０の第２面１０ｂには研磨等の処理が施されていない。金属基板１０の第２面１０ｂの表面粗さは、第１面１０ａの表面粗さよりも大きい。金属基板１０の第２面１０ｂの表面粗さは、例えば２００ｎｍ以上である。これにより、裏面電極９０がアンカー効果により金属基板１０に密着する。
次に、図２により、半導体発光素子１１０の接合部分（図１のＡ部）について詳細を説明する。
第１中間層２０は積層構造を有しても良い。第１中間層２０は、第１層２２と、第２層２４と、第３層２６と、を有する。第１層２２は、金属基板１０と第２中間層３０との間に設けられ、金属基板１０に接する。第１層２２は、Ｔｉを含む。第１層２２はＮｉを含んでいても良い。第１層２２の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍである。第１層２２の厚さは例えば５０ｎｍである。第１層２２により、金属基板１０に含まれる金属が第２中間層３０に向けて拡散することが抑制される。
第１中間層２０は積層構造を有しても良い。第１中間層２０は、第１層２２と、第２層２４と、第３層２６と、を有する。第１層２２は、金属基板１０と第２中間層３０との間に設けられ、金属基板１０に接する。第１層２２は、Ｔｉを含む。第１層２２はＮｉを含んでいても良い。第１層２２の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍである。第１層２２の厚さは例えば５０ｎｍである。第１層２２により、金属基板１０に含まれる金属が第２中間層３０に向けて拡散することが抑制される。
第２層２４は、第１層２２と第２中間層３０との間に設けられる。第２層２４は、第１層２２の材料とは異なる金属を含む。第２層２４は、例えばＰｔを含む。第２層２４は、Ｔｉ及びＡｕのいずれかを含んでいても良い。第２層２４の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍである。第２層２４の厚さは例えば５０ｎｍである。
第３層２６は、第２層２４と第２中間層３０との間に設けられる。第３層２６は、Ｔｉを含む。これにより、第２層２４と第２中間層３０との密着性が向上する。また、第２中間層３０に含まれる金属が金属基板１０に向けて拡散することが抑制される。第３層２６はＡｕを含んでいても良い。
次に、参考例と対比しながら、基板接合時の状態について説明する。
第１参考例の半導体発光素子において、金属基板は、積層型金属の基板である。金属基板は、例えばＣｕを含む第１金属層と、Ｃｕを含む第２金属層と、第１金属層と第２金属層との間に設けられＭｏを含む第３金属層と、を含む。第１中間層２０は、第１金属層と第２中間層との間に設けられる。積層体は成長用基板に接する。積層体は、第２中間層を介して金属基板に接合されている。
第１参考例の半導体発光素子において、金属基板は、積層型金属の基板である。金属基板は、例えばＣｕを含む第１金属層と、Ｃｕを含む第２金属層と、第１金属層と第２金属層との間に設けられＭｏを含む第３金属層と、を含む。第１中間層２０は、第１金属層と第２中間層との間に設けられる。積層体は成長用基板に接する。積層体は、第２中間層を介して金属基板に接合されている。
第１参考例の基板接合において、第１金属層及び第２金属層の界面と、第２金属層及び第３金属層の界面と、において、強い応力が発生する。このため、上記したそれぞれの界面の剥離等の機械的損傷が発生する可能性がある。
第２参考例の半導体発光素子は、金属層の配置が逆である点で第１参考例の半導体発光素子とは異なる。第２参考例において、金属基板は、例えばＣｕを含む第４金属層と、Ｃｕを含む第５金属層と、第４金属層と第５金属層との間に設けられＭｏを含む第６金属層と、を含む。
第２参考例の基板接合においても、第４金属層及び第５金属層の界面と、第５金属層及び第６金属層の界面と、において、剥離等の機械的損傷が発生する可能性がある。また、第４金属層のＣｕと、第２中間層との間において金属が相互拡散する可能性がある。
第３参考例の半導体発光素子において、金属基板は、焼結含浸金属の基板である。金属基板の面の表面粗さは、例えば第１中間層の厚さよりも大きい。金属基板の面の表面粗さは例えば２００ｎｍ以上である。第３参考例における他の構成は、第１の実施形態の構成と同様である。
ここで、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、基板接合の状態の断面ＳＥＭ像である。第１中間層２０は、例えば３層構造であり、第１層２２、第２層２４及び第３層２６を含む。
図４（ａ）は、第３参考例の半導体発光素子１９３の製造工程のうちの基板接合時の状態を示している。
図４（ｂ）は、本実施形態の半導体発光素子１１０の製造工程のうちの基板接合時の状態を示している。
図４（ａ）に表したように、第３参考例において、第１面１３ａの表面は、第１の実施形態における金属基板１０の第１面１０ａの表面よりも粗い。Ｂ部において、第１中間層２０が不連続となっている。このため、金属基板１３から第２中間層３０に向けて、金属基板１１に含まれる金属（例えばＣｕ）が拡散する。ＥＤＸ（Energy dispersive X-ray spectrometry）分析を行うと、Ｂ部の第２中間層３０からＣｕが検出される。第２中間層３０として例えばＡｕを用いた場合、相互拡散によって生じたＡｕＣｕの組成は不安定である。このような相互拡散によって、第３参考例の半導体発光素子では金属基板１３の剥がれが発生しやすい。
図４（ａ）は、第３参考例の半導体発光素子１９３の製造工程のうちの基板接合時の状態を示している。
図４（ｂ）は、本実施形態の半導体発光素子１１０の製造工程のうちの基板接合時の状態を示している。
図４（ａ）に表したように、第３参考例において、第１面１３ａの表面は、第１の実施形態における金属基板１０の第１面１０ａの表面よりも粗い。Ｂ部において、第１中間層２０が不連続となっている。このため、金属基板１３から第２中間層３０に向けて、金属基板１１に含まれる金属（例えばＣｕ）が拡散する。ＥＤＸ（Energy dispersive X-ray spectrometry）分析を行うと、Ｂ部の第２中間層３０からＣｕが検出される。第２中間層３０として例えばＡｕを用いた場合、相互拡散によって生じたＡｕＣｕの組成は不安定である。このような相互拡散によって、第３参考例の半導体発光素子では金属基板１３の剥がれが発生しやすい。
これに対して、図４（ａ）に表したように、第１の実施形態の半導体発光素子１１０において、金属基板１０の第１面１０ａは、例えばＣＭＰにより研磨されている。金属基板１０の第１面１０ａの表面粗さは第１中間層２０の厚さよりも小さい。この例では、金属基板１０の第１面１０ａの表面粗さは５０ｎｍ以下である。金属基板１０の第１面１０ａの表面粗さは２５ｎｍである。
第１の実施形態では、第１面１０ａは、第１面１０ａの凹凸に沿って、第１中間層２０によって覆われている。これにより、基板接合の際に、金属基板１０と第２中間層３０との間の金属の相互拡散が抑制される。半導体発光素子１１０においては、金属基板１０の剥がれが抑制される。半導体発光素子１１０においては、金属基板１０による放熱性が長期間維持される。よって、半導体発光素子１１０では、長寿命化が達成される。
以上のように、本実施形態によれば、基板接合の際に発生する可能性がある様々な欠陥が抑制される。
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。
図６（ａ）〜図８は、半導体発光素子の製造方法を示す模式的断面図である。
図５は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。
図６（ａ）〜図８は、半導体発光素子の製造方法を示す模式的断面図である。
図５に表したように、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、基板接合（ステップＳ１０１）及び成長用基板の除去（ステップＳ１０２）を含む。
基板接合（ステップＳ１０１）では、成長用基板１８の上に設けられた積層体６０と、金属基板１０と、を第２半導体層６２と第１中間層２０とが対向するように配置して、第２中間層３０を介して接合する。
成長用基板の除去（ステップＳ１０２）では、成長用基板１８を積層体６０から除去する。
以下詳細を説明する。
成長用基板の除去（ステップＳ１０２）では、成長用基板１８を積層体６０から除去する。
以下詳細を説明する。
まず、基板接合（ステップＳ１０１）を行う。
図６（ａ）に表したように、基板接合（ステップＳ１０１）は、例えば積層体６０が設けられた成長用基板１８を準備する工程を含む。成長用基板１８を準備する工程は、例えば、以下の工程を含む。
図６（ａ）に表したように、基板接合（ステップＳ１０１）は、例えば積層体６０が設けられた成長用基板１８を準備する工程を含む。成長用基板１８を準備する工程は、例えば、以下の工程を含む。
図６（ａ）において、成長用基板１８に対して垂直な軸をＺ１軸とする。Ｚ１軸に対して垂直な１つの軸をＸ１軸方向とする。Ｚ１軸とＸ１軸とに対して垂直な方向をＹ１軸とする。また、同図において「Ａの上に形成する」とは、ＡのＺ１軸方向に形成することを意味する。図６（ａ）におけるＺ１軸方向は、他の図におけるＺ軸方向とは反対の方向である。
成長用基板１８は、例えば、Ｓｉ基板、サファイア基板、及びＳｉＣ基板のいずれかである。成長用基板１８の上に、ｎ形の第１半導体層６６を形成する。第１半導体層６６はバッファ層を含んでいても良い。次に、第１半導体層６６の上に発光層６４を形成する。例えば、発光層６４は、上記したＭＱＷ構造を有する。発光層６４の成長温度は９００℃以上９５０℃以下であることが好ましい。発光層６４の上にｐ形の第２半導体層６２を形成する。
第２半導体層６２の上に、誘電体層７２を形成する。誘電体層７２の一部を選択的に除去する。第２半導体層６２の上に接する第２電極５０を形成する。
さらに、第２電極５０及び誘電体層７２の上に、第３中間層４０を形成する。第３中間層４０は、積層構造を有する。積層体６０の上に、例えばスパッタ法によりＴｉＷ／Ｐｔ／ＴｉＷ／Ｐｔを形成する。さらに、真空蒸着により、Ｔｉ／Ａｕを形成する。
また、図６（ｂ）に表したように、基板接合（ステップＳ１０１）は、例えば成長用基板１８を準備する工程と並行して、金属基板１０を準備する工程を含んでいても良い。金属基板１０を準備する工程は、例えば以下の工程を含む。
第１金属（例えばＭｏ）の粉末を焼結させる。これにより、第１金属を含む焼結体である第１金属部が形成される。第１金属部に第２金属の溶出防止材を塗布する。次に、第１金属部に第２金属を含浸する。このとき、溶出防止材は除去される。このように形成された金属基板１０の熱膨張係数は、１０×１０−６ｍ／Ｋ以下である。
次に、金属基板１０の第１面１０ａをＣＭＰにより研磨する。研磨前の第１面１０ａの表面粗さは例えば２００ｎｍ以上である。研磨後の第１面１０ａの表面粗さは例えば５０ｎｍ以下である。
次に、金属基板１０の第１面１０ａの上に、第１中間層２０を形成する。第１中間層２０は、例えば積層構造を有する。例えば、第１面１０ａの上に、真空蒸着により、Ｔｉを含む第１層２２と、Ｐｔを含む第２層２４と、Ｔｉを含む第３層２６と、を形成する。
次に、第１中間層２０の上に、第２中間層３０を形成する。第２中間層３０には、例えば低融点半田が用いられる。第１中間層２０の上に、例えば真空蒸着により、第２中間層３０として、ＡｕＳｎ、ＡｕＩｎ及びＳｎのいずれかが形成される。第２中間層３０の材料は、下記の接合方法によって選択される。
次に、図７（ａ）に表したように、成長用基板１８の上に設けられた積層体６０と、金属基板１０と、を第２半導体層６２と第１中間層２０とが対向するように配置する。金属基板１０の＋Ｚ方向と、成長用基板１８の＋Ｚ１方向とが対向するように配置する。この状態で加熱することにより、積層体６０と金属基板１０とを第２中間層３０を介して接合する。接合方法としては、例えば、共晶溶融接合法、又は液相拡散接合法が用いられる。
このとき、金属基板１０の第１面１０ａの表面粗さは、第１中間層２０の厚さよりも小さい。これにより、基板接合の際に、金属基板１０と第２中間層３０との間の金属の相互拡散が抑制される。
次に、図７（ｂ）に表したように、成長用基板の除去（ステップＳ１０２）を行う。成長用基板１８は積層体６０から除去される。これにより、第１半導体層６６の第３面６６ａが露出する。成長用基板１８の除去には、例えば、レーザーリフトオフ法、基板研削法、ウェットエッチング法またはドライエッチング法が用いられる。
成長用基板１８がサファイア基板である場合、例えばレーザリフトオフ法が用いられる。レーザ光は成長用基板１８から積層体６０に向かう方向（−Ｚ方向）に照射される。レーザの照射パワー密度は、例えば０．６５Ｊ／ｃｍ２以上０．８０Ｊ／ｃｍ２以下である。これにより、サファイア基板が剥離される。
図８に表したように、半導体発光素子の製造方法は、例えば、以下の工程を含んでいても良い。
ドライエッチングにより、積層体６０を選択的に除去する。これにより、積層体６０は角錐台形状に加工される。
次に、第１半導体層６６の第１面６６ａに、複数の凹凸部６６ｓを形成する。例えば水酸化カリウムや水酸化ナトリウムの強アルカリ水溶液によって第１半導体層６６を異方性エッチングする。エッチング温度は、例えば６０℃以上８０℃以下である。
次に、真空蒸着などにより、第１半導体層６６の上に第１電極８０を形成する。
以上により、半導体発光素子１１０が形成される。
以上により、半導体発光素子１１０が形成される。
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
以下、第３の実施形態に係る半導体発光素子１２０について、第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０とは異なる点について説明する。
図９は、第３の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
以下、第３の実施形態に係る半導体発光素子１２０について、第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０とは異なる点について説明する。
図９に表したように、積層体６０の一部は、例えばドライエッチングにより除去されている。第１半導体層６６は、金属基板１０とは反対側の第３面６６ａと、第３面６６ａとは反対側の第４面６６ｂと、を有する。第４面６６ｂは、積層体６０の一部が除去された位置に設けられる。
第１誘電体層７２１は、第１半導体層６６の第３面６６ｂと、発光層６４の側面と、第２半導体層６２の側面と、に接して設けられる。第１誘電体層７２１は、発光層６４の保護層としても機能する。
第１電極８０は、第１半導体層６６の第４面６６ｂと接する。第１電極８０は、例えば、コンタクト部８１と、引き出し部８２と、を有する。コンタクト部８１は、第１半導体層６６の第４面６６ｂに接する。引き出し部８２は、コンタクト部８１に接する。第１誘電体層７２１は、第１半導体層６６と引き出し部８２との間に設けられる。引き出し部８２は、Ｚ方向から見て積層体６０の外側（例えば、Ｘ方向）に延在する。引き出し部８２のうち積層体６０の外側に延在した部分には、パッド８５が設けられる。
第２誘電体層７２２は、第１電極８０と第２中間層４０との間に設けられる。第１電極８０と第２電極５０とは、第２誘電体層７２２で電気的に絶縁されている。これにより、基板接合において、第１電極８０と第２電極５０との電気的短絡が抑制される。
第２電極５０は、第２中間層４０と第２半導体層６２との間に設けられる。第２電極５０は、第２半導体層６２に接する。
第２電極５０は、第２半導体層６２とオーミック接触している。第２電極５０は、例えばＡｇ及びＡｌのいずれかを含むオーミック接触層と、高反射層と、マイグレーションを防止するキャップ層と、を含む。
半導体発光素子１１０では、第１電極８０によって光が吸収される。これに対して、半導体発光素子１２０では、第１電極８０によって光が遮られない。また、半導体発光素子１２０では、パッド８５が積層体６０の外側に配置される。パッド８５に接続されるボンディングワイヤは、発光面（第３面６６ａ）を遮らない。本実施形態では、光取り出し効率が向上する。
実施形態において、半導体層の成長には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition: ＭＯＣＶＤ）法、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法、及び、ハライド気相エピタキシー法(ＨＶＰＥ)法が用いられる。
例えば、ＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法を用いた場合では、各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。Ｇａの原料として、例えばＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を用いることができる。Ｉｎの原料として、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。Ａｌの原料として、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などを用いることができる。Ｎの原料として、例えば、ＮＨ３（アンモニア）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）及びＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などを用いることができる。Ｓｉの原料としては、ＳｉＨ４（モノシラン）、Ｓｉ２Ｈ６（ジシラン）などを用いることができる。
以上の実施形態によれば、信頼性が高い半導体発光素子を提供することができる。
本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…金属基板、１０ａ…第１面、１０ｂ…第２面、１１、１２、１３…金属基板、１８…成長用基板、２０…第１中間層、２２…第１層、２４…第２層、２６…第３層、３０…第２中間層、４０…第３中間層、５０…第２電極、６０…積層体、６２…第２半導体層、６４…発光層、６６…第１半導体層、６６ａ…第３面、６６ｂ…第４面、６６ｓ…凹凸部、７２…誘電体層、７６…保護層、８０…第１電極、８１…コンタクト部、８２…引き出し部、８５…パッド、９０…裏面電極、１１０、１２０、１９３…半導体発光素子、７２１…第１誘電体層、７２２…第２誘電体層
Claims (20)
- １０×１０−６ｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する金属基板と、
窒化物半導体を含む第１導電形の第１半導体層と、
前記金属基板と前記第１半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ窒化物半導体を含む発光層と、
前記金属基板と前記第２半導体層との間に設けられ前記金属基板に接する第１中間層と、
前記第１中間層と前記第２半導体層との間に設けられた第２中間層と、
を備え、
前記金属基板の前記第１中間層と接する第１面の表面粗さは、前記第１中間層の厚さよりも小さい半導体発光素子。 - 前記第１面の表面粗さは５０ナノメートル以下である請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記金属基板の熱伝導率は、１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
- 前記金属基板は、第１金属を含む第１金属部と、前記第１金属部に分散され第２金属を含む第２金属部と、を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１金属部及び前記第２金属部のいずれか一方はＭｏを含み、
前記第１金属部及び前記第２金属部のいずれか他方はＣｕを含む請求項４記載の半導体発光素子。 - 前記第１中間層は、Ｔｉを含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１中間層は、
前記金属基板と前記第２半導体層との間に設けられ、前記金属基板に接し、Ｔｉを含む第１層と、
前記第１層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第１中間層とは異なる金属を含む第２層と、
前記第２層と前記第２半導体層との間に設けられ、Ｔｉを含む第３層と、
を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。 - 前記第１中間層の厚さは５０ナノメートル以上１０００ナノメートル以下である請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第２中間層は、Ａｕを含む請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記金属基板は、前記第１面とは反対側の第２面を有し、
前記第２面の表面粗さは、前記第１面の表面粗さよりも大きい請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。 - 前記金属基板の前記第２面の表面粗さは２００ナノメートル以上である請求項１０記載の半導体発光素子。
- 前記第２面に接する裏面電極をさらに備えた請求項１０又は１１に記載の半導体発光素子。
- 前記金属基板の厚さは２００マイクロメートル以下である請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 第１電極と、第２電極と、をさらに備え、
前記第１電極は、前記第１半導体層に接し、
前記第２電極は、前記第２中間層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第２半導体層に接し、
前記第１半導体層は、前記第１電極と前記発光層との間に設けられる請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。 - 第１電極と、第２電極と、をさらに備え、
前記第１半導体層は、前記金属基板とは反対側の第３面と、前記第３面とは反対側の第４面と、を有し、
前記第１電極は前記第４面と接し、
前記第２電極は前記第２中間層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第２半導体層に接する請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。 - 前記第１電極と前記第２中間層との間に設けられた誘電体層をさらに備えた請求項１５記載の半導体発光素子。
- 前記第２中間層と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第２半導体層のうち前記発光層とは反対側と接する第２電極と、
前記第２電極と前記第２中間層との間に設けられ、Ｔｉを含む第３中間層と、
をさらに備えた請求項１〜１６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。 - 前記発光層の側面に設けられた保護層をさらに備えた請求項１〜１６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１半導体層は、前記金属基板とは反対側の第３面を有し、
前記保護層は、前記第３面の一部を覆った請求項１８記載の半導体発光素子。 - 前記第１半導体層は、前記金属基板とは反対側の第３面を有し、
前記第３面は、前記発光層から放出される光の波長よりも長い間隔で設けられた凹凸部を有する請求項１〜１９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
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