JP2016111124A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】LED等の半導体素子を搭載する半導体装置において、半導体素子において発生した熱を良好に放熱可能な優れた半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】支持基板11と、支持基板上に形成された窒化ホウ素からなる絶縁層13と、絶縁層上に配された半導体素子30と、を含み、絶縁層は、支持基板上に形成された六方晶構造の窒化ホウ素粒を含まないアモルファス状の窒化ホウ素からなる下部絶縁層と、下部絶縁層上に形成された六方晶構造の窒化ホウ素粒を含む上部絶縁層を有する。【選択図】図2
Description
本発明は、半導体素子、特に、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。
LED素子を搭載した発光装置が、照明、バックライト、産業機器等に従来から用いられてきた。特許文献1に記載されている半導体装置は、支持基板上に絶縁膜が形成され、当該絶縁膜上に配線構造が形成され、当該配線構造に接続されたLED素子を有する発光装置である。
特許文献1に記載されているような発光装置では、支持基板上に形成されている絶縁膜にSiO2等のような熱伝導率の低い材料が用いられる。このような発光装置においては、特に、発光素子を大電流で駆動させる必要がある場合に、発光素子から外部への放熱が不十分になってしまう可能性があった。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、LED等の半導体素子を搭載する半導体装置において、半導体素子において発生した熱を良好に放熱可能な優れた半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、支持基板と、当該支持基板上に形成された窒化ホウ素からなる絶縁層と、当該絶縁層上に配された半導体素子と、を含み、当該絶縁層は、当該支持基板上に形成された六方晶構造の窒化ホウ素粒を含まないアモルファス状の窒化ホウ素からなる下部絶縁層と、当該下部絶縁層上に形成された六方晶構造の窒化ホウ素粒を含む上部絶縁層を有すること特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、支持基板上に窒化ホウ素からなる絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上に半導体素子を載置するステップと、と含み、前記絶縁層を形成するステップは、六方晶構造を有する窒化ホウ素をスパッタリングするスパッタリングステップを含み、前記スパッタリングステップにおいて、スパッタリングの開始時には窒素元素を含まないスパッタガスを供給しつつスパッタリングを行い、前記スパッタリングの開始から一定時間経過後から前記スパッタガスに窒素元素を含むガスを混入して供給しつつスパッタリングを行って窒化ホウ素膜を形成することを特徴とする。
以下に説明する実施例においては、半導体装置の一例として発光素子を用いた発光装置について説明する。また、以下に説明する実施例においては、説明及び理解の容易さのため、半導体構造層が第1の半導体層、発光層及び第2の半導体層からなる場合について説明するが、第1の半導体層及び/又は第2の半導体層、並びに発光層はそれぞれ複数の層から構成されていてもよい。例えば、当該半導体層には、キャリア注入層、キャリアオーバーフロー防止のための障壁層、電流拡散層、オーミック接触性向上のためのコンタクト層、バッファ層などが含まれていてもよい。また、第1の半導体層及び第2の半導体層の導電型はそれぞれ下記実施例とは反対の導電型であってもよい。
以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
以下に、本発明の実施例1である発光装置について、図1及び図2を参照しつつ説明する。図1は、本発明の実施例である発光装置10の上面図である。図2は、図1の2−2線に沿った断面図である。
支持基板11は、Si等の放熱性の良好な基板からなり、矩形状の上面形状を有している。絶縁層13は、支持基板11上に形成された絶縁性を有するBN(窒化ホウ素)からなる層である。
図3に、支持基板11及び絶縁層13の一部拡大図を示す。下部絶縁層としてのバッファ層13Aは、支持基板11の表面に接して形成されており、アモルファス状のBNからなっている。バッファ層13A上には、六方格子構造(六方晶構造)を有する窒化ホウ素からなるh−BN粒13Cを含んでいるアモルファス状のBNで形成されている上部絶縁層としての伝熱作用層13Bが形成されている。
伝熱作用層13Bに含まれているh−BN粒13Cは、結晶のa軸(図中一点鎖線で示す)方向の熱伝導率がλa-axis>400W/m・kと非常に高い。伝熱作用層13B中において、h−BN粒13Cはその結晶構造のa軸が支持基板11とバッファ層13Aの界面に垂直な方向よりも当該界面に平行な方向に近い方向になるように配向されているかまたはランダムに配向されている。そのため、h−BN粒13Cを含む伝熱作用層は、絶縁性を有しつつ支持基板11の主面に平行な方向に良好な熱伝導性を有している。
また、支持基板11と伝熱作用層13Bとの間に、支持基板11の材料との密着性が悪いh−BNを含まないバッファ層13Aが介在しているため、h−BNを含む絶縁層13と支持基板11とが密着性良く形成されている。
絶縁層13の上面には、互いに離間して形成されているn電極凹部17及びp電極凹部19が形成されている。n電極凹部17及びp電極凹部19は、伝熱作用層13B内に底部を有する。すなわち、n電極凹部17及びp電極凹部19は伝熱作用層13B内で終端しており、バッファ層13Aまで達していない。n電極凹部17は、絶縁層13の上面に十字形状に形成されており、互いに交叉して当該十字形状を形成する2つの矩形部分のうちの1つの長手方向における端部(長手端)一方において、絶縁層13の端部にまで達している。2つの矩形部分の他の長手端部は絶縁層13の端部には達しておらず絶縁層13の端部から離間している。
p電極凹部19は、n電極凹部17によって仕切られた4つの領域の各々に形成された接合領域凹部19Aを有している。p電極凹部19は、さらに、隣接する各接合領域凹部19A間を接続するように形成されている連絡凹部19B及び接合領域凹部19Aのいずれか1つから絶縁層13の端部にまで達している給電領域凹部19Cを有している。連絡凹部19Bは、n電極凹部17の十字形状を形成する2つの矩形部分の絶縁層13の端部から離間している長手端部と絶縁層13の端部との間を通過するように形成されている。
n電極凹部17の底面上には、Auからなる第1の接合層としての支持基板n電極21が形成されており、p電極凹部19の底面上には、Auからなる第1の接合層としての支持基板p電極23が形成されている。
支持基板n電極21及び支持基板p電極23は、絶縁層13の端部にまで達している端部領域においてがボンディングワイヤBW(図1)によって外部電源端子(図示せず)に接続されている。
支持基板n電極21及び接合領域凹部19Aに形成されている支持基板p電極23には、発光素子30が接合されている。発光素子30は、GaN系(AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1))の発光ダイオード(LED)である。
より詳細には、発光素子30は、第1の導電型の第1の半導体層31と、発光層33と、第1の導電型とは反対導電型の第2の導電型の第2の半導体層35とがこの順に積層されてなる発光機能層である半導体構造層37を有する。本実施例においては、第1の半導体層31がn型半導体層であり、第2の半導体層35がp型半導体層である場合を例に説明する。
第1の半導体層31は、Siのようなn型ドーパントが添加されたn型半導体層を含む層である。発光層33は、GaNの層とInxGa1-xN(0≦x≦1、0≦y≦1)の層が繰り返し積層されることで構成された多重量子井戸構造を有する。第2の半導体層35は、Mgのようなp型ドーパントが添加されたp型半導体層である。第1の半導体層31の表面31S(すなわち、半導体構造層37の上面)が光出射面として機能する。
半導体構造層37の下面の中央部には、第2の半導体層35から発光層33を貫通して第1の半導体層31内に至る溝部37Vが形成されている。この溝部37Vは、絶縁層13の表面に形成されている支持基板n電極21上の領域に形成されている。
半導体構造層37の下面には、第2の半導体層35の上に、例えばNi/Ag/Niがこの順に積層されたp電極39が形成されている。p電極39の表面には、例えば、TiW/Pt/Auがこの順に積層されてなる層であるp電極接合層41が形成されている。なお、p電極接合層41は、p電極39の材料の拡散を防止可能であるならば、Ti、W、Pt、Pd、Mo、Ru、Ir、Au及びこれらの合金等の他の材料からなっていてもよい。また、p電極接合層41の光反射性を高めるために、p電極接合層41をAg/TiW/Ti/Pt/Au/Tiをこの順に積層することとしてもよい。
層間絶縁層43は、半導体構造層37が露出する表面及びp電極39及びp電極接合層41の側面を覆うように形成されている絶縁性を有する層であり、例えばSiO2またはSiN等からなっている。層間絶縁層43は溝部37Vの底面を露出する開口部43Aを有している。
n電極45は、溝部37Vの底面において露出した第1の半導体層31の表面上に形成されている。n電極45は、第1の半導体層31及び絶縁層43の表面からTi/Al/Ti/PT/Au/In/Auがこの順に成膜されている層である。すなわち、n電極45は開口部43Aにおいて第1の半導体層31と電気的に接続されている。
発光素子30のp電極接合層41は支持基板p電極23と接合され、n電極45は支持基板n電極21と接合されている。この接合は、例えば金属同士を熱圧着することによってなされている。
実施例1の発光装置10においては、支持基板11上に形成される絶縁層13が、六方格子構造を有する窒化ホウ素であるh−BN粒13Cを含んでいるアモルファス状のBNからなっている故に、熱伝導性の高い伝熱作用層13Bを含んでいる。それにより、駆動時に発光素子30から発せられる熱を支持基板11に良好に伝導することができ、発光装置10における支持基板11から外方への熱放散を促進することが可能である。
また、支持基板11と伝熱作用層13Bとの間に、支持基板11の材料との密着性が悪いh−BNを含まないバッファ層13Aが介在している。そのため、h−BNを含む伝熱作用層13Bと支持基板11とが密着性良く形成され、放熱性が良くかつ信頼度の高い発光装置とすることが可能である。
[発光装置10の製造方法]
実施例1である発光装置10の製造方法について、以下に詳細に説明する。図4A−4Gは、実施例の発光装置10の各製造工程を示す断面図である。図4A−4Gは、図2と同様の切断線に沿った断面図である。
実施例1である発光装置10の製造方法について、以下に詳細に説明する。図4A−4Gは、実施例の発光装置10の各製造工程を示す断面図である。図4A−4Gは、図2と同様の切断線に沿った断面図である。
なお、以下の説明においては、図の明瞭化のために、1の発光装置10の断面図を用いて説明を行うが、複数の発光装置10が1つの基板上に同時進行で形成され、最後に個々の発光装置10に個片化される。
[発光素子の形成]
まず、MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて結晶成長を行い、半導体構造層37を形成する。具体的には、図4Aに示すようにサファイア基板等の成長基板47をMOCVD装置に投入し、サーマルクリーニング後、第1の半導体層31、発光層33、及び第2の半導体層35を順に成膜する。
まず、MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて結晶成長を行い、半導体構造層37を形成する。具体的には、図4Aに示すようにサファイア基板等の成長基板47をMOCVD装置に投入し、サーマルクリーニング後、第1の半導体層31、発光層33、及び第2の半導体層35を順に成膜する。
次に、図4Bに示すように、p電極39及びp電極接合層41を形成する。p電極39は、第2の半導体層35の上に順にNi/Ag/Niを、例えばスパッタ法または電子ビーム(EB)蒸着法で100−300nm程度の厚さで成膜し、溝部37V及び後述する予備切断溝を形成する部分において第2の半導体層35が露出するように所定の形状にパターニングすることで形成する。
p電極接合層41は、p電極39上にTiW/Pt/Auをこの順に、例えばスパッタ法またはEB蒸着法で900nm程度の厚さで成膜して形成する。なお、上述したように、p電極接合層41は、p電極39の材料の拡散を防止可能であるならば、Ti、W、Pt、Pd、Mo、Ru、Ir、Au及びこれらの合金等の他の材料から形成してもよい。また、p電極接合層41の光反射性を高めるために、p電極接合層41をAg/TiW/Ti/Pt/Au/Tiをこの順に積層して形成することとしてもよい。
次に、図4Cに示すように、第1の半導体層31に溝部37V及び予備切断溝37Cを形成してn電極45を形成する。具体的には、まず、p電極39及びp電極接合層41を覆うようにフォトレジスト(図示せず)を形成し、当該フォトレジストから露出している第2の半導体層35及び発光層33を貫通して第1の半導体層31を露出するように溝部37V及び予備切断溝37Cを形成する。この際、溝部37V及び予備切断溝37Cは、例えば第2の半導体層35、発光層33及び第1の半導体層31の一部を反応性イオンエッチング(RIE)等でドライエッチングすることで形成する。その後、溝部37Vの底部から露出している第1の半導体層31の表面の少なくとも一部を覆うようにn電極45を形成する。n電極45は、第1の半導体層31の表面からTi/Al/Ti/Pt/Au/In/Auをこの順に、例えば2800nm程度の厚さに成膜することで形成する。
次に、Cl2及びAr2を用いたドライエッチング等によって予備切断溝37Cの底部から成長基板47の表面に至る溝(図示せず)を形成し、発光素子30を個片化する。
次に、図4Dに示すように、層間絶縁層43を形成する。具体的には、第2の半導体層35の表面並びに第2の半導体層35、発光層33及び第1の半導体層31の側面を覆うようにSiO2またはSiN等の絶縁性材料を、例えばスパッタ法またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法等で成膜する。
[支持基板への絶縁膜の形成]
次に、図4Eに示すように支持基板11上に絶縁層13を形成する。
・支持基板の洗浄及びスパッタ処理の準備
まず、Siからなる支持基板11をアセトン等の有機溶剤中にて、10分間超音波洗浄した後、純水にてよくすすぎ、N2ガスブローにて十分乾燥させる。なお、支持基板は、Siに限らず、サファイアなどの半導体成長用基板、タングステン、カーボン、タンタルなどの金属基板を用いることができる。
次に、図4Eに示すように支持基板11上に絶縁層13を形成する。
・支持基板の洗浄及びスパッタ処理の準備
まず、Siからなる支持基板11をアセトン等の有機溶剤中にて、10分間超音波洗浄した後、純水にてよくすすぎ、N2ガスブローにて十分乾燥させる。なお、支持基板は、Siに限らず、サファイアなどの半導体成長用基板、タングステン、カーボン、タンタルなどの金属基板を用いることができる。
次に、支持基板11を基材ホルダに取り付け、ターゲットとしてh−BNを取り付けたスパッタ装置(図示せず)の真空チャンバ内の基材加熱回転部へ、当該基板ホルダを取り付ける。当該基材加熱回転部は基材加熱用ヒーターが内蔵されており、これにより基板ホルダを加熱することで、間接的に基材を加熱することが可能である。
次に、排気ポンプにてスパッタ装置の真空チャンバの圧力が1.5×10-4Paとなるまで排気する。次に、基材加熱回転部を回転させて基材加熱用ヒーターを駆動し、支持基板11を400℃まで加熱し、加熱による脱ガス及び支持基板11の温度の安定化を行う。
・スパッタ工程
次に、絶縁層13をスパッタによって形成する。このスパッタ工程で用いる絶縁層13形成時のスパッタスキームの一例を図5に示す。
・スパッタ工程
次に、絶縁層13をスパッタによって形成する。このスパッタ工程で用いる絶縁層13形成時のスパッタスキームの一例を図5に示す。
まず、t0〜t1において真空チャンバ内にArガスを導入し、真空チャンバの圧力が0.3PaとなるようArガス流量を92sccmに調整し、圧力を安定化させる。その後、RF電源を入れ、RFマッチングボックスを用いてプラズマの安定を図る。この際のRFパワーは380Wとする。
次に、t1〜t2においてh−BNターゲットの表面をプレスパッタし、表面の清浄化を行った後に、t2〜t3においてシャッタを開きArプラズマにて初期スパッタを約15min実施し、支持基板11上にバッファ層13Aを形成する。このように、Arのみの雰囲気下でスパッタを行うとArのイオンボンバードメントによるはじき出し効果が強く、h−BN内のNがはじき出されるため、支持基板11上に堆積するのはNが不足傾向にあるアモルファス状のBNとなる。
次に、t3〜t4において、真空チャンバの圧力を0.3Paに維持したまま、N源としてN2ガスの導入しかつArガスの流量を減少させ、流量比がAr:N2=97:3(すなわちN2ガス比率が3%)となるようにAr=89sccm、N2=2.7sccmに各ガスの流量を変化させつつ、そのままスパッタを継続する。その後、t4〜t5において、流量比がAr:N2=97:3となった状態を維持しつつ、スパッタをさらに継続しh−BNを含有するBN膜である伝熱作用層13Bを400nmの厚さで形成する。
このように、Arガスに加えてN源であるN2ガスを導入することで、Arによるスパッタの安定化(レートの安定、マッチングの安定)効果を維持しつつ、N2ガスによってイオンボンバードメントによって弾き出されていたh−BN内のN成分が補完され、h−BN含有しかつ高密着性を有するBN膜を得ることができる。
次に、t5において、シャッタを閉じてRF電源を切り、各ガスの供給を停止してスパッタを終了する。その後、基材加熱回転部のヒーターを切り、基材の冷却を待つ。最後に基材加熱回転部の回転を停止し、真空チャンバを大気圧に戻し、支持基板11を取り出す。
・n電極凹部及びp電極凹部の形成
次に、図4Fに示すように、n電極凹部17、p電極凹部19、支持基板n電極21及び支持基板p電極23を形成する。具体的には、フォトレジストを用いたドライエッチング等によって、絶縁層13を表面から250nm程度除去してn電極凹部17及びp電極凹部19を形成する。
・n電極凹部及びp電極凹部の形成
次に、図4Fに示すように、n電極凹部17、p電極凹部19、支持基板n電極21及び支持基板p電極23を形成する。具体的には、フォトレジストを用いたドライエッチング等によって、絶縁層13を表面から250nm程度除去してn電極凹部17及びp電極凹部19を形成する。
その後、n電極凹部17及びp電極凹部19の底面に、EB蒸着法によってTi/Pt/Auを順次積層して厚さ200nmの支持基板n電極21及び支持基板p電極23をそれぞれ形成する。すなわち、支持基板n電極21及び支持基板p電極23の厚さは、n電極凹部17及びp電極凹部19の深さよりも小さく、支持基板n電極21及び支持基板p電極23の頂部は、それぞれn電極凹部17及びp電極凹部19内にある。
このようにすることで、後述する支持基板11と発光素子30との貼り合わせの際に、n電極凹部17及びp電極凹部19内にn電極45及びp電極接合層41が係合する等し、接合時の位置合わせが容易となる。
[支持基板と発光素子との貼り合わせ]
次に、図4Gに示すように、支持基板11と発光素子30を、たとえば熱圧着により接合させる。より詳細には、まず、支持基板11の支持基板n電極21及び支持基板p電極23が、それぞれ発光素子30のn電極45及びp電極接合層41と対向するように位置合せを行う。
次に、図4Gに示すように、支持基板11と発光素子30を、たとえば熱圧着により接合させる。より詳細には、まず、支持基板11の支持基板n電極21及び支持基板p電極23が、それぞれ発光素子30のn電極45及びp電極接合層41と対向するように位置合せを行う。
その後、200℃程度に加熱しながら、支持基板11と成長基板47を図中白抜き矢印の方向に3MPa程度の圧力で押圧して、支持基板側p電極23と支持基板n電極21とp電極接合層41及びn電極45とを圧着する。
このとき、支持基板n電極21とn電極45との圧着面付近においては、InAuの合金が生成され、支持基板側p電極23とp電極接合層41との圧着面付近においては、Au同士の固相拡散接合が起こり、接合密着性が向上する。なお、接合方法及び材料は上記の方法及び材料に限定されるものではなく、例えばAuSn等を接合面に配して、AuSn共晶接合を用いた接合を行ってもよい。
[成長基板の除去]
支持基板11と発光素子30とを接合した後、成長基板47を除去する。成長基板47の除去により第1の半導体層31の表面31Sが露出し、光出射面となる。成長基板47の除去は、レーザリフトオフ法を用いて行った。なお、成長基板47の除去は、レーザリフトオフに限らず、ウエットエッチングドライエッチング、機械研磨法、化学機械研磨(CMP)もしくはそれらのうち少なくとも1つの方法を含む組合せにより行ってもよい。
支持基板11と発光素子30とを接合した後、成長基板47を除去する。成長基板47の除去により第1の半導体層31の表面31Sが露出し、光出射面となる。成長基板47の除去は、レーザリフトオフ法を用いて行った。なお、成長基板47の除去は、レーザリフトオフに限らず、ウエットエッチングドライエッチング、機械研磨法、化学機械研磨(CMP)もしくはそれらのうち少なくとも1つの方法を含む組合せにより行ってもよい。
成長基板47を除去した後、発光素子30の各々が接合されている領域毎に支持基板11を切断した後に、発光装置10が完成する。
以下に、本発明の実施例2である発光装置60について、図6及び図7を参照しつつ説明する。図7は、本発明の実施例2である発光装置60の上面図である。図7は、図6の7−7線に沿った断面図である。
実施例2の発光装置60は、実施例1の発光装置10と絶縁層13の態様のみが異なり、他の構成については発光装置10と同様である。
発光装置60の絶縁層13には、p電極凹部19の底面に格子状に形成された底面凹部13Rが形成されている。底面凹部13Rは、絶縁層13を貫通せずに絶縁層13内で終端している。
発光装置10と同様に発光装置60のp電極凹部19の底面には、支持基板p電極23が形成されている。発光装置60において、支持基板p電極23は、底面凹部13R内を充填するように形成されている。
発光装置60の底面凹部13Rは、発光装置10のn電極凹部17及びp電極凹部19を形成する工程の後であって、支持基板n電極21及び支持基板p電極23を形成する工程の前に、例えばフォトレジストを用いたドライエッチングによって形成する。
発光装置60の製造においては、底面凹部13Rを形成した後に、底面凹部13Rを充填するように、例えばEB蒸着にてTi/Pt/Auをこの順に、総層厚が200nmになるように積層して形成する。
このようにすることで、伝熱作用層13B内における支持基板11の主面と水平方向への熱伝導を底面凹部13Rによって部分的に遮断し、支持基板11の主面と垂直方向に良好に伝播させることが可能である。
また、底面凹部13Rを形成することで絶縁層13と支持基板n電極21及び支持基板p電極23との接触面積が大きくなり、支持基板n電極21及び支持基板p電極23から絶縁層13への熱の移動が促進される。
なお、底面凹部13Rの深さDは絶縁層13の厚みに対して1/2以上2/3以下程度が望ましい。底面凹部13Rの深さが絶縁層13の厚みの1/2よりも浅いと支持基板11の主面と垂直方向への熱伝播が十分に促進されず、底面凹部13Rの深さが絶縁層13の総厚みの2/3よりも深いと底面凹部13Rによって伝熱作用層13Bが分断されることで、絶縁層13内での支持基板11の主面と水平方向への熱伝播が十分になされない可能性があるからである。
[絶縁膜の伝熱特性の評価]
上記実施例1及び2に記載した発光装置10及び60に形成した絶縁層13の伝熱特性の評価実験をした。評価実験には、発光装置10及び60の支持基板11及び絶縁層13を模した図8に示す支持体80を用いた。支持体80は、25mm角で厚さが500μmのSiからなる支持基板81及び支持基板81上に形成されている200nmの絶縁層83を有する。
上記実施例1及び2に記載した発光装置10及び60に形成した絶縁層13の伝熱特性の評価実験をした。評価実験には、発光装置10及び60の支持基板11及び絶縁層13を模した図8に示す支持体80を用いた。支持体80は、25mm角で厚さが500μmのSiからなる支持基板81及び支持基板81上に形成されている200nmの絶縁層83を有する。
図9に示すように、評価実験においては、絶縁層83の表面の一角部の3mm角の加熱領域HEをヒータ等によって加熱し、5分後に支持基板81の絶縁層83が形成されている面と反対側の面の温度を測定した。
温度の測定点は、加熱領域HEの直下の領域にある測定点P1とP1から支持基板81の主面の対角線方向に距離L=10mm離れた測定点P2とし、測定点P1での測定温度をT1、測定点P2での測定温度をT2とした。加熱領域の直下である測定点P1の測定温度T1からは、支持体80の主面と垂直方向の伝熱特性を把握することができる。また、加熱領域から支持体の主面と平行な方向に離間している測定点P1の測定温度T2からは、支持体80の主面と平行方向の伝熱特性を把握することができる。
後述するように、全てのサンプルにおいて支持基板81は同一であるので、サンプル同士のT1及びT2を比較することで、絶縁層83の伝熱特性を把握することができる。
評価実験においては加熱領域HEを高温(177.5℃)で加熱した際の温度T1及びT2、低温(98.5℃)で加熱した際のT1及びT2を測定した。また、評価は以下のサンプルを用いて行った。
・サンプル1(実施例1に対応)
実施例1の発光装置10に対応するサンプル1は、絶縁層83が上記した絶縁層13のスパッタ工程と同様の工程で形成したアモルファス状のBN内にh−BNを含む層となっている。
実施例1の発光装置10に対応するサンプル1は、絶縁層83が上記した絶縁層13のスパッタ工程と同様の工程で形成したアモルファス状のBN内にh−BNを含む層となっている。
・サンプル2(実施例2に対応)
実施例2の発光装置60に対応するサンプル2は、支持基板81の上面に、発光装置60の底面凹部13Rを模した格子溝構造が形成されている。この格子溝構造は、溝幅を30μm、溝ピッチを60μm、深さを100nmとした。絶縁層83は、サンプル1と同様に上記した絶縁層13のスパッタ工程と同様の工程で形成したアモルファス状のBN内にh−BNを含む層となっている。
実施例2の発光装置60に対応するサンプル2は、支持基板81の上面に、発光装置60の底面凹部13Rを模した格子溝構造が形成されている。この格子溝構造は、溝幅を30μm、溝ピッチを60μm、深さを100nmとした。絶縁層83は、サンプル1と同様に上記した絶縁層13のスパッタ工程と同様の工程で形成したアモルファス状のBN内にh−BNを含む層となっている。
・サンプル3
比較例であるサンプル3は、絶縁層83が実施例1の[支持基板への絶縁膜の形成]において説明した工程からt3〜t5の条件のみを変更した工程で形成されている。サンプル3の絶縁層83の形成においては、t3〜t4において、真空チャンバの圧力を0.3Paに維持したまま、N2ガスの導入しかつArガスの流量を減少させ、流量比がAr:N2=90:10(すなわちN2ガス比率が10%)となるようにAr=83sccm、N2=9.2sccmに各ガスの流量を変化させつつ、そのままスパッタを継続した。その後、t4〜t5において、流量比がAr:N2=90:10となった状態を維持しつつ、スパッタをさらに継続しh−BNを含有するBN膜である絶縁層83を200nmの厚さで形成した。
比較例であるサンプル3は、絶縁層83が実施例1の[支持基板への絶縁膜の形成]において説明した工程からt3〜t5の条件のみを変更した工程で形成されている。サンプル3の絶縁層83の形成においては、t3〜t4において、真空チャンバの圧力を0.3Paに維持したまま、N2ガスの導入しかつArガスの流量を減少させ、流量比がAr:N2=90:10(すなわちN2ガス比率が10%)となるようにAr=83sccm、N2=9.2sccmに各ガスの流量を変化させつつ、そのままスパッタを継続した。その後、t4〜t5において、流量比がAr:N2=90:10となった状態を維持しつつ、スパッタをさらに継続しh−BNを含有するBN膜である絶縁層83を200nmの厚さで形成した。
・サンプル4
比較例であるサンプル4は、絶縁層83が実施例1の[支持基板への絶縁膜の形成]において説明した工程からt3〜t5の条件のみを変更した工程で形成されている。サンプル4の絶縁層83の形成においては、t3〜t5において、真空チャンバの圧力を0.3Paに維持したまま、N2ガスを導入せずにArガスのみの雰囲気下で、スパッタを継続しh−BNを含有しないアモルファス状のBN膜である絶縁層83を200nmの厚さで形成した。
比較例であるサンプル4は、絶縁層83が実施例1の[支持基板への絶縁膜の形成]において説明した工程からt3〜t5の条件のみを変更した工程で形成されている。サンプル4の絶縁層83の形成においては、t3〜t5において、真空チャンバの圧力を0.3Paに維持したまま、N2ガスを導入せずにArガスのみの雰囲気下で、スパッタを継続しh−BNを含有しないアモルファス状のBN膜である絶縁層83を200nmの厚さで形成した。
・サンプル5
比較例であるサンプル5は、絶縁層83が層厚200nmのSiO2層からなっている。サンプル5の絶縁層83は、支持基板81上にSiO2をスパッタで200nmの厚さで成膜して形成した。
比較例であるサンプル5は、絶縁層83が層厚200nmのSiO2層からなっている。サンプル5の絶縁層83は、支持基板81上にSiO2をスパッタで200nmの厚さで成膜して形成した。
・サンプル6
比較例であるサンプル6は、支持体80を絶縁層83を除いたSi基板である支持基板81のみとした。評価実験において、サンプル6の温度測定は、支持基板81の測定点P1及びP2が配されている面と反対側の面の一角部の3mm角の領域を加熱して行った。
比較例であるサンプル6は、支持体80を絶縁層83を除いたSi基板である支持基板81のみとした。評価実験において、サンプル6の温度測定は、支持基板81の測定点P1及びP2が配されている面と反対側の面の一角部の3mm角の領域を加熱して行った。
[実験結果]
当該評価実験における温度測定結果を表1に示す。表1に示すように、高温加熱時において、支持体80の主面と垂直な方向の伝熱特性を表すT1は、実施例2に対応するサンプル2が最も高く、Si基板のみであるサンプル6より高かった。以下、サンプル3>実施例1に対応するサンプル1>サンプル4>サンプル5という結果となった。
また、高温加熱時において、支持体80の主面と平行な方向の伝熱特性を表すT2は、実施例2に対応するサンプル2が最も高く、その次に実施例1に対応するサンプル1、サンプル3と続き、これらはSi基板のみであるサンプル6より高かった。以下、サンプル5>サンプル4という結果となった。
低温加熱時において、支持体80の主面と垂直な方向の伝熱特性を表すT1は、実施例2に対応するサンプル2が最も高かった。以下、サンプル3>実施例1に対応するサンプル1>サンプル4>サンプル5という結果となった。
低温加熱時において、支持体80の主面と平行な方向の伝熱特性を表すT2は、実施例1に対応するサンプル1が最も高く、Si基板のみであるサンプル6と同等であった。以下、実施例2に対応するサンプル2>サンプル3>サンプル4>サンプル5という結果となった。
以上の結果より、h−BNを含むBN膜である絶縁層83を有するサンプル1乃至3は、h−BNを含まないBN層からなる絶縁層83を有するサンプル4及びSiO2層からなる絶縁層83を有するサンプル5よりも伝熱特性が良好であることが解った。
特に、高温時、低温時に支持基板81の主面に垂直な方向及び平行な方向にバランス良く熱を伝導するのは、実施例2に対応するサンプル2のh−BNを含有するBN膜からなる絶縁層83であることが分かった。
[考察]
上述のように、本発明によるh−BNを含有するBN層からなる絶縁層は、特に水平方向の熱伝導性が高く、その熱伝導性はSi基板のみを上回ることが分かった。h−BNは六方晶のa軸方向において、非常に熱伝導率が高い(λa-axis>400W/m・k)。そのため、実施例1及び2の発光装置10及び60の絶縁層13(サンプル1及び2に対応)のBN層中には、h−BN粒13Cがその結晶構造のa軸が支持基板11とバッファ層13Aの界面に垂直な方向よりも当該界面に平行な方向に近い方向になるように配向されているか、または少なくともランダムな配向で存在していることで、絶縁層の水平方向への熱伝導性が大きく向上していると考えられる。
上述のように、本発明によるh−BNを含有するBN層からなる絶縁層は、特に水平方向の熱伝導性が高く、その熱伝導性はSi基板のみを上回ることが分かった。h−BNは六方晶のa軸方向において、非常に熱伝導率が高い(λa-axis>400W/m・k)。そのため、実施例1及び2の発光装置10及び60の絶縁層13(サンプル1及び2に対応)のBN層中には、h−BN粒13Cがその結晶構造のa軸が支持基板11とバッファ層13Aの界面に垂直な方向よりも当該界面に平行な方向に近い方向になるように配向されているか、または少なくともランダムな配向で存在していることで、絶縁層の水平方向への熱伝導性が大きく向上していると考えられる。
また、サンプル1よりもサンプル2のT1の方が高くなっていることから、実施例2の発光装置60のように絶縁層13に、格子状の溝を形成すると、熱が絶縁層内において支持基板の主面と垂直方向へ良好に伝播するようになることが分かった。
また、サンプル3(N2ガス比率を10%にしたもの)のh−BN含有BN層は、実施例1に対応するサンプル1に比べて支持基板の主面と平行方向への熱伝導性が弱く、垂直方向の熱伝導性がやや良い。従って、絶縁層内のh−BNの六方晶a軸方向がサンプル1及び2の絶縁層よりも、支持基板の主面と垂直な方向に近い配向となっていると考えられる。なお、この配向傾向は、図10に示すサンプル3の絶縁層83の表面のSEM画像(倍率25000倍)においてh−BNの六方晶片の角が飛び出している(例えば、図中白抜き矢印で指し示す部分)ことからも確認できる。
[h−BNの含有判定]
サンプル1乃至3において絶縁層にh−BNが含有されているか否かの判定は顕微ラマン分光解析によって行った。図11にサンプル1乃至4の絶縁層のBNのラマンスペクトルを示す。立方晶構造をとるc−BN粒が存在すれば1057cm-1付近、六方晶構造を有するh−BN粒が存在すれば1380cm-1付近にそれぞれ結晶構造に起因するピークが得られる。
サンプル1乃至3において絶縁層にh−BNが含有されているか否かの判定は顕微ラマン分光解析によって行った。図11にサンプル1乃至4の絶縁層のBNのラマンスペクトルを示す。立方晶構造をとるc−BN粒が存在すれば1057cm-1付近、六方晶構造を有するh−BN粒が存在すれば1380cm-1付近にそれぞれ結晶構造に起因するピークが得られる。
図12から解るように、サンプル1、2及びサンプル3において1380cm-1付近にピークが観られるため、サンプル1乃至3の絶縁層にh−BN粒が含まれることが解った。サンプル4においてはピークが観察されず、サンプル4の絶縁層はアモルファス状のBNのみからなるBN層であることが解る。
このことから、Arのみの雰囲気下すなわち窒素元素を有するガスを含まない雰囲気下でh−BNをスパッタリングしてBN層を形成すると、h−BNを含まないBN層が形成されることが解る。換言すれば、実施例1及び2の発光装置10、60のバッファ層13Aもh−BN粒を含まず、バッファ層13Aに対して顕微ラマン分光解析を行った場合でも、h−BNに起因するピークは観測されない。
[絶縁層内のh−BNの耐熱性及び高温時の安定性の評価]
h−BNを絶縁層内に含む実施例1及び実施例2に対応するサンプル1及び2並びにサンプル3に形成される絶縁層において、高温時にh−BNの構造が維持されるか否かすなわちh−BNの耐熱性及び高温時の安定性を評価した。なお、この評価においては、サンプル1乃至4のそれぞれの絶縁層の形成条件にてタングステン基材上へ厚み200nmのBN層をスパッタ成膜したものを加熱した後に顕微ラマン分光解析を行って評価をした。
[絶縁層内のh−BNの耐熱性及び高温時の安定性の評価]
h−BNを絶縁層内に含む実施例1及び実施例2に対応するサンプル1及び2並びにサンプル3に形成される絶縁層において、高温時にh−BNの構造が維持されるか否かすなわちh−BNの耐熱性及び高温時の安定性を評価した。なお、この評価においては、サンプル1乃至4のそれぞれの絶縁層の形成条件にてタングステン基材上へ厚み200nmのBN層をスパッタ成膜したものを加熱した後に顕微ラマン分光解析を行って評価をした。
具体的には、絶縁層を形成したタングステン基材サンプルを試験チャンバにセットし、チャンバ内を一度真空排気した。次に、N2ガスをチャンバ圧力が50kPaとなるまで導入した。サンプルは電極の役割を持つ冶具にて固定されており、200K/minの温度上昇率となるように通電を行う通電加熱によりサンプルを加熱した。サンプルの温度が約2000Kに到達したら10分間保持し、昇温時と同じレートで温度を下げた。なお、温度測定には、トプコン社製SR3−IR赤外分光光度計を用いた。
図12にサンプル1乃至4のそれぞれの絶縁層の形成条件で形成されたBN層の加熱処理後のラマンスペクトルを示す。サンプル1乃至3の絶縁層の形成条件で形成されたBN層は、高温に晒された後もh−BNのラマンピークが観察された。一方、サンプル4の絶縁層の形成条件で形成されたBN層はかなりの部分が昇華し、何のラマンピークも得られなかった。
以上のことから、実施例1及び2に対応するサンプル1及び2の絶縁層の形成条件、及びサンプル3の絶縁層の形成条件、すなわち、スパッタ時のAr+N2ガスのN2ガス比率を少なくとも3%から10%として形成した場合、このBN絶縁層内のh−BNは高温に晒されてもh−BN構造を維持することが解った。また、これらのBN絶縁層は、高温にさらされても昇華せず、支持基板への密着性も保持されることが解った。
[絶縁層形成のためのスパッタ時のN2ガスの好適な比率について]
絶縁層形成のためのスパッタ時N2ガスの好適な比率を確認するため、スパッタ時のArガスに混合するN2ガスの比率によるBN層である絶縁層のスパッタレートの変化について実験した。この実験においては、サンプル1乃至4の絶縁層を形成する際のN2ガスの比率及び補足例としてこれらよりも高い15%のN2ガスの比率におけるBN層のスパッタレートを確認した。図13に示すように、サンプル1乃至3のN2比率であるN2比率が10%以下の条件では、スパッタレートが高く維持されていたが、N2ガス比率を15%とした補足例ではスパッタレートが約4割低下した。
絶縁層形成のためのスパッタ時N2ガスの好適な比率を確認するため、スパッタ時のArガスに混合するN2ガスの比率によるBN層である絶縁層のスパッタレートの変化について実験した。この実験においては、サンプル1乃至4の絶縁層を形成する際のN2ガスの比率及び補足例としてこれらよりも高い15%のN2ガスの比率におけるBN層のスパッタレートを確認した。図13に示すように、サンプル1乃至3のN2比率であるN2比率が10%以下の条件では、スパッタレートが高く維持されていたが、N2ガス比率を15%とした補足例ではスパッタレートが約4割低下した。
以上のことから、上記実施例に記載のようにArガスを用いてスパッタを開始し、途中からN2ガスを導入してBN層である絶縁層を形成する際、3%以上10%以下のN2ガス比率が、スパッタレートを維持しかつ密着性、耐熱性の高いh−BN層を形成するのに好適であるといえる。
上記実施例においては、N源としてN2を用いていたが、N源は、Ar(分子量39.95)よりも軽い他の分子からなるガスであればよい。例えば、N源としてNH3(アンモニア、分子量17)等を用いてもよい。この場合、NH3の分解温度は800℃前後であり、単に供給しても窒素源として働かないため、先に分解してから供給する、あるいは、NH3分解用のプラズマを容易するなど工夫してもよい。
上記実施例において、第1の半導体層31の表面31S(光出射面)に光り取り出し効率向上のための凹凸構造を形成してもよい。このような凹凸構造は、成長基板47の除去後に、第1の半導体層31の光取り出し面である表面31SをTMAHなどを用いた異方性ウェットエッチングによって形成する。なお、フォトリソグラフィ、EBリソグラフィ、EB描画、ナノインプリント、レーザ露光などの方法及びリフトオフ法により、人工的周期構造のマスクパターンを形成後にドライエッチングして形成して凹凸構造を形成してもよい。
また、上記実施例においては、層間絶縁層43をSiO2またはSiN等で形成するとしたが、絶縁層13と同様の方法で形成するBN層を層間絶縁層43として形成してもよい。なお、上記した支持基板への絶縁膜の形成方法及び当該形成方法に含まれるスパッタスキームは一例であり、形成環境及び使用するスパッタ装置によって適宜変更可能である。
また、実施例2において、発光装置60の絶縁層13には、p電極凹部19の底面に格子状の凹構造として形成された底面凹部13Rが形成されているとした。しかし、底面凹部13Rの形状はこれに限られない。例えば、底面凹部13Rを、図14に示すように互いに離間してマトリクス状に形成された凹部としてもよい。すなわち、p電極凹部19の底面に格子状の凸構造が形成されていてもよい。また、底面凹部13Rは、直線状に伸長した凹部を互いに平行にスリット状に配列したものであってもよい。
また、上記実施例において、絶縁層13にn電極凹部17及びp電極凹部19を形成する場合を例に説明したが、n電極凹部17及びp電極凹部19は、支持基板11と発光素子30との貼り合わせ時の位置合わせの便宜のためのものであり、形成しないこととしてもよい。すなわち、実施例1において、平坦な絶縁層13の表面に支持基板n電極21及び支持基板p電極23を形成することとしてもよい。また、実施例2において、平坦な絶縁層13の表面に底面凹部13Rに対応する凹部を形成し、その上に支持基板p電極を形成することとしてもよい。
また、上述の実施例においては、発光素子を搭載した発光装置を例について説明したが、支持基板上に搭載する素子は発光素子以外の他の半導体素子でもよい。
上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び製造される発光装置または半導体装置に応じて、適宜選択することができる。
10、60 発光装置
11、81 支持基板
13 絶縁層
13A バッファ層
13B 伝熱作用層
13R 底面凹部
13C h−BN粒
17 n電極凹部
19 p電極凹部
21 支持基板n電極
23 支持基板p電極
30 発光素子
31 第1の半導体層
33 発光層
35 第2の半導体層
37 半導体構造層
39 p電極
41 p電極接合層
43 層間絶縁層
45 n電極
47 成長基板
80 支持体
83 絶縁層
11、81 支持基板
13 絶縁層
13A バッファ層
13B 伝熱作用層
13R 底面凹部
13C h−BN粒
17 n電極凹部
19 p電極凹部
21 支持基板n電極
23 支持基板p電極
30 発光素子
31 第1の半導体層
33 発光層
35 第2の半導体層
37 半導体構造層
39 p電極
41 p電極接合層
43 層間絶縁層
45 n電極
47 成長基板
80 支持体
83 絶縁層
Claims (10)
- 支持基板と、
前記支持基板上に形成された窒化ホウ素からなる絶縁層と、
前記絶縁層上に配された半導体素子と、
を含み、
前記絶縁層は、前記支持基板上に形成された六方晶構造の窒化ホウ素粒を含まないアモルファス状の窒化ホウ素からなる下部絶縁層と、前記下部絶縁層上に形成された六方晶構造の窒化ホウ素粒を含む上部絶縁層を有すること特徴とする半導体装置。 - 前記上部絶縁層内の六方晶構造の窒化ホウ素粒は、結晶構造のa軸が前記支持基板と前記下部絶縁層との界面に垂直な方向よりも前記界面に平行な方向に近い方向となるように配向されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記下部絶縁層は、顕微ラマン分光解析において前記六方晶構造の窒化ホウ素粒に起因するスペクトルピークを呈さないことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記絶縁層には、前記半導体素子が配された表面に格子状の溝構造を含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記絶縁層には、前記半導体素子が配された表面に格子状の凸構造を含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 支持基板上に窒化ホウ素からなる絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上に半導体素子を載置するステップと、
を含み、
前記絶縁層を形成するステップは、六方晶構造を有する窒化ホウ素をスパッタリングするスパッタリングステップを含み、前記スパッタリングステップにおいて、スパッタリングの開始時には窒素元素を含まないスパッタガスを供給しつつスパッタリングを行い、前記スパッタリングの開始から一定時間経過後から前記スパッタガスに窒素元素を含むガスを混入して供給しつつスパッタリングを行って窒化ホウ素膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記スパッタリングは、アルゴンプラズマスパッタリングであることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記スパッタリングステップにおいて、前記窒素元素を含むガスは窒素ガスであり、前記窒素ガスは、前記スパッタガスの全流量の3%以上10%以下であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁層を形成するステップは、前記窒化ホウ素膜の表面に格子状の溝構造を形成するステップを含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁層を形成するステップは、前記窒化ホウ素膜の表面に格子状の凸構造を形成するステップを含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
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- 2015-12-03 US US14/958,644 patent/US9607824B2/en active Active
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