JP2018061049A - 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
図1に、実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な断面図を示す。図1に示す実施の形態の窒化物半導体発光素子は、支持基板9と、支持基板9上に設けられた接合材料8と、接合材料8上に設けられたp側電極7と、p側電極7上に設けられたp型窒化物半導体層5と、p型窒化物半導体層5上に設けられた発光層4と、発光層4上に設けられたn型窒化物半導体層3と、n型窒化物半導体層3上に設けられたn側電極19とを備えている。ここで、p側電極7上に配置された多層窒化物半導体層6は、n型窒化物半導体層3と、発光層4と、p型窒化物半導体層5とをこの順序で含んでいる。
以下、図面を参照して、実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法の一例について説明する。
まず、図8の模式的断面図に示すように、成長用基板1の第1の表面1a上にAlを含有する窒化物半導体層であるバッファ層2を形成する。
次に、図9の模式的断面図に示すように、バッファ層2上に、n型窒化物半導体層3と、発光層4と、p型窒化物半導体層5とをこの順序で含む多層窒化物半導体層6を形成する。
その後、多層窒化物半導体層6の形成後のウエハ(実施の形態では、成長用基板1とバッファ層2と多層窒化物半導体層6との積層体)の熱処理を行なうことができる。これにより、p型窒化物半導体層5中のMgなどのp型ドーパントを活性化させることができるため、p型窒化物半導体層5にp型半導体としての機能を発現させることができる。
次に、多層窒化物半導体層6の形成後の成長用基板1を分割することによって、チップ化を行なう。1チップの表面の大きさおよび形状は、特に限定されず、たとえば、一辺が4mmの正方形、一辺が5mmの正方形、一辺が10mmの正方形、または、矩形などを挙げることができる。チップの表面を大面積化することによって、窒化物半導体発光素子の出力を高くすることができる。
次に、図10の模式的断面図に示すように、多層窒化物半導体層6を支持基板9の表面上に接合する。
次に、図11の模式的断面図に示すように、成長用基板1の第2の表面1b側から成長用基板1を薄型化する。成長用基板1を薄型化する方法は特に限定されないが、たとえば成長用基板1の第2の表面1bを研削および/または研磨することにより行なうことができる。
次に、図12の模式的断面図に示すように、成長用基板1の第2の表面1b側から光10を照射することによって、光10の少なくとも一部をバッファ層2に吸収させ、成長用基板1を剥離する。
図15に、成長用基板1の第2の表面1bに対する光10の照射方法の一例を図解する模式的な平面図を示す。図15に示すように、光10は、たとえば、成長用基板1の第2の表面1bにおいて、光10の照射領域12を矢印13の方向に移動させながら照射される。
また、図22の模式的断面図に示すように、少なくとも、成長用基板1、バッファ層2および多層窒化物半導体層6の側壁を覆うようにSiO2などの保護膜15を設けることが好ましい。図23の模式的断面図に示すように、成長用基板1、バッファ層2および多層窒化物半導体層6の側壁に接合材料8が付着している場合には、成長用基板1の円滑な剥離が阻害される場合がある。しかしながら、図22に示すように、保護膜15を設けることによって、たとえば図24の模式的断面図に示すように、成長用基板1、バッファ層2および多層窒化物半導体層6の側壁への接合材料8の付着を防止することができる。
上記のようにして、成長用基板1を剥離した後には、その一部が熱分解したバッファ層2上、若しくは、バッファ層2の全部が熱分解した場合には多層窒化物半導体層6のn型窒化物半導体層3上に、少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)が付着している。この少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)の酸素濃度は、その一例として、図27(a)および図27(b)に示す分布を有している。なお、ここでの少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)は、自然酸化膜とは異なる。
n側電極19としては、たとえば、Al、Ti、MoおよびAuからなる群から選択された少なくとも1種の金属を蒸着法などによって積層したものなどを用いることができる。n側電極19は、たとえば、n型窒化物半導体層3の表面の少なくとも一部に形成することができ、n型窒化物半導体層3の全面に形成されていてもよく、光取り出しを向上させる観点から、メッシュ形状などに形成されていてもよい。
上述のように、実施の形態においては、光10の1回の照射毎にAlを含有するバッファ層2およびn型窒化物半導体層3の少なくとも一方の表面に少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)が形成される。そして、ステップアンドリピート法などにより少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)を形成しながら光10を照射していくことによって、従来のようにレーザ光の1ショット間隔毎に溝を形成しなくても光10の照射領域12と多層窒化物半導体層6との境界面におけるクラックの発生を抑制することができ、大面積の成長用基板1を剥離することができる。これは、少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)が、光10の照射によってバッファ層2が熱分解することにより発生する衝撃波が面内方向に悪影響を及ぼすのを抑制しているためと推測される。
まず、図28の模式的断面図に示すように、市販されている厚さ350μmの両面研磨を施したサファイア基板101上に、厚さ約5μmのノンドープAlNバッファ層102、厚さ約2μmのSiドープn型Al0.6Ga0.4N層103、ノンドープAl0.4Ga0.6N量子井戸層とノンドープAl0.6Ga0.4N障壁層とが交互に5ペア積層されてなる発光層104、および厚さ約15nmのMgドープp型Al0.7Ga0.3Nキャリアバリア層と厚さ約10nmのMgドープp型Al0.6Ga0.4N層と厚さ約20nmのMgドープp型GaNコンタクト層とがこの順序で積層されたp型窒化物半導体層105をMOCVD法により結晶成長させた。ここで、n型Al0.6Ga0.4N層103、発光層104、およびp型窒化物半導体層105の積層体から多層窒化物半導体層6は構成された。
実験例1と同一の方法および同一の条件でチップを作製し、チップからサファイア基板101を剥離した。そして、サファイア基板101の剥離後のチップの表面における凸形状領域21を構成する凸形状部分の組成分析を行なった。その結果を図31に示す。
実験例1と同一の方法および同一の条件でチップを作製し、チップからサファイア基板101を剥離した。そして、サファイア基板101の剥離後のチップの表面における凸形状領域21を構成する凸形状部分の酸処理と、エッチングに対するマスクとしての適応性についての検討を行なった。
実験例1と同様にして、p型GaNコンタクト層の表面上にp側電極を形成し、電極アロイを実施した。
実験例5においては、光10の1回の照射当たりの形状を図18に示すような六角形の形状とし、実験例4と同様の実験を行なったところ、実験例4と同様の結果が得られた。この場合にも、1箇所に照射されるレーザ光の照射回数を3回に減らすことができるため上記と同様の照射エネルギー密度でレーザ光の照射を行なった場合には、窒化物半導体の削れ123は発見されなかった。このようなレーザ光の照射方法を用いることによって、エキシマレーザ光のエネルギー揺らぎの許容範囲を広くすることができ、窒化物半導体発光素子の歩留まりの低下を抑制することができることが確認された。
実験例4でサファイア基板101の剥離を行なったチップをフッ酸に10分間浸漬させ、その後、純水にて10分間洗浄を行なった。このときのチップの表面の大きさおよび形状は、一辺が3mmの正方形であった。
光10の1回の照射当たりの照射領域12の形状およびサイズを、一辺が200μmの正方形としたこと以外は実験例6と同様にして、実験例7の窒化物半導体発光素子を作製した。そして、実験例6と同様にして、実験例7の窒化物半導体発光素子の電流光出力特性を測定した。その結果、実験例7においても、実験例6と同様の結果が得られた。また光10の1回の照射当たりの照射領域12の形状およびサイズを、一辺が500μmの正方形から一辺が200μmの正方形まで変化させたが、実験例6と同様の結果が得られた。
光10の1回の照射当たりの照射領域12の形状およびサイズを、一辺が250μmの六角形としたこと以外は実験例6と同様にして、実験例8の窒化物半導体発光素子の電流光出力特性を測定した。その結果、実験例8においても、実験例6と同様の結果が得られた。
チップの表面の形状および大きさを、一辺が5mmの正方形、一辺が10mmの正方形、一辺が30mmの正方形、および一辺が2インチの正方形とし、実験例1〜8と同様にして、サファイア基板101を剥離したところ、クラックが形成することなく、サファイア基板101を剥離させることができた。
(付記1)
付記1に記載の窒化物半導体発光素子は、第1導電型窒化物半導体層と、発光層と、第2導電型窒化物半導体層とをこの順序で含む多層窒化物半導体層を含む窒化物半導体発光素子であって、窒化物半導体発光素子の表面に、凸形状部分を有する凸形状領域と、凸形状領域に取り囲まれた非凸形状領域とを含む升目状の構造を有している。このような升目状の構造によって、多層窒化物半導体層の反り力を抑制することができるため、窒化物半導体発光素子の繰り返し動作による接着不良の故障などを抑制することができるため、窒化物半導体発光素子の信頼性向上が可能となる。
付記2に記載の窒化物半導体発光素子は、凸形状領域が窒化物半導体発光素子の表面の全領域の面積の5%以上40%以下を占める付記1に記載の窒化物半導体発光素子である。凸形状領域が、窒化物半導体発光素子の表面であるn型窒化物半導体層の表面の全領域の面積の5%以上40%以下を占める場合には、凸形状領域と非凸形状領域とを含む升目状の構造を形成したことによる大面積の窒化物半導体発光素子を歩留まり良く製造することができるという効果をより効果的に発現させることができるとともに、n型窒化物半導体層の表面上にn側電極をメッシュ状に形成した場合のn側電極の断線もより効果的に抑制することができる。
付記3に記載の窒化物半導体発光素子は、凸形状部分は下面を有しており、下面の幅が5μm以上100μm以下であり、凸形状部分の高さが1000nm以下である付記1または付記2に記載の窒化物半導体発光素子である。この場合には、凸形状領域の凸形状部分を跨ぐようにしてn側電極を形成した場合であっても、n側電極における断線の発生を抑えることができるとともに、n側電極の形成などのプロセス工程における悪影響(レジスト塗布の不均一性やフォトリソグラフィ工程における不具合など)を抑制することができる。また、この場合には、大面積の窒化物半導体発光素子をより安定して製造することができる。さらに、この場合には、窒化物半導体発光素子の最表面にn型窒化物半導体層が露出している場合は、n側電極の形成面積を拡大させることができるため、n側電極のコンタクト抵抗を抑制することができる。
付記4に記載の窒化物半導体発光素子は、平面視において、凸形状領域が、3方向から合流する1点を有する付記1または付記2に記載の窒化物半導体発光素子である。この場合には、光の照射の重複回数を少なくすることができ、光の照射ダメージに起因する悪影響を抑制できることから、大面積の窒化物半導体発光素子を歩留まり良く製造することができる。
付記4−1に記載の窒化物半導体発光素子は、凸形状部分を有する凸形状領域で取り囲まれた非凸形状領域は矩形状または正方形状であって、行方向に揃っている場合には列方向にずれ、列方向に揃っている場合には行方向にずれている付記4に記載の窒化物半導体発光素子である。これにより、光の照射の重複回数を少なくすることができ、光の照射ダメージに起因する悪影響を抑制できることから、大面積の窒化物半導体発光素子を歩留まり良く製造することができる。
付記4−2に記載の窒化物半導体発光素子は、凸形状部分を有する凸形状領域で取り囲まれた非凸形状領域は六角形状であって、行方向に揃っている場合には列方向にずれ、列方向に揃っている場合には行方向にずれている付記4に記載の窒化物半導体発光素子である。これにより、光の照射の重複回数を少なくすることができ、光の照射ダメージに起因する悪影響を抑制できることから、大面積の窒化物半導体発光素子を歩留まり良く製造することができる。また、照射領域の配置形状が対照となるため、光の照射による窒化物半導体への影響を均等に抑制することができることから、大面積の窒化物半導体発光素子を歩留まり良く製造することができる。
付記5に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法は、成長用基板の第1の表面上にAlを含有する窒化物半導体層を形成する工程と、Alを含有する窒化物半導体層上に、第1導電型窒化物半導体層と、発光層と、第2導電型窒化物半導体層とがこの順序で配置された多層窒化物半導体層を形成する工程と、多層窒化物半導体層を支持基板の表面上に接合する工程と、支持基板の表面上に接合する工程の後に、成長用基板の第1の表面とは反対側の第2の表面側から成長用基板を薄型化する工程と、成長用基板の第2の表面側から光を照射し、光の少なくとも一部をAlを含有する窒化物半導体からなる層に吸収させることによって成長用基板を剥離する工程と、成長用基板を剥離する工程の後にエッチングする工程とを含み、成長用基板を剥離する工程においては、Alを含有する窒化物半導体層および第1導電型窒化物半導体層の少なくとも一方の表面に少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)が形成され、エッチングする工程においては、少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)をマスクとして、第1導電型窒化物半導体層の表面に、凸形状部分を有する凸形状領域と凸形状領域に取り囲まれた非凸形状領域とを含む升目状の構造が形成される窒化物半導体発光素子の製造方法である。この場合には、ステップアンドリピート法などにより少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)を形成しながら光を照射していくことによって、従来のようにレーザ光の1ショット間隔毎に溝を形成しなくても光の照射領域と多層窒化物半導体層との境界面におけるクラックの発生を抑制することができ、大面積の成長用基板を剥離することができる。そして、成長用基板を剥離した後のエッチング工程においては、少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)はエッチングに対するマスクとしての機能を有していることから、窒化物半導体発光素子の表面に、凸形状部分を有する凸形状領域と、凸形状領域に取り囲まれた非凸形状領域とを含む升目状の構造を形成することができる。このような升目状の構造によって、多層窒化物半導体層の反り力を抑制することができるため、窒化物半導体発光素子の繰り返し動作による接着不良の故障などを抑制することができるため、窒化物半導体発光素子の信頼性向上が可能となる。
付記6−1に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法は、光の1回の照射当たりの照射領域の形状が、少なくとも一辺の長さが100μm以上2000μm以下の矩形、若しくは一辺の長さが100μm以上2000μm以下の正方形である付記5に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。この場合には、大面積の成長用基板を剥離するための光の照射回数を少なくすることができるため窒化物半導体発光素子の製造効率を向上させることができるとともに、成長用基板の剥離に必要な光のエネルギー密度を容易に得ることができる。
付記6−2に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法は、光の1回の照射当たりの照射領域の形状が一辺の長さが50μm以上2000μm以下の六角形である付記5に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。この場合には、大面積の成長用基板を剥離するための光の照射回数を少なくすることができるため窒化物半導体発光素子の製造効率を向上させることができるとともに、成長用基板の剥離に必要な光のエネルギー密度を容易に得ることができる。
付記7に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法は、光の1回の照射当たりの照射領域の形状に起因して発生する少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)の酸素濃度において、光の1回の照射当たりの照射領域の周縁領域の酸素濃度が、中心領域の酸素濃度よりも高い付記5、付記6−1または付記6−2のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。酸系エッチャント処理を行なうことによって、光の1回の照射当たりの照射領域の中心領域の少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)を除去し、周縁領域の少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)のみを残すことができ、周縁領域の少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)をエッチングに対するマスクとして機能させることができる。
付記8に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法は、Alを含有する窒化物半導体層がAlNである付記5、付記6−1、付記6−2または付記7のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。この場合には、少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)をエッチング工程においてマスクとして効果的に機能させることができる。
付記9に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法は、成長用基板の第1の表面上に形成されたAlを含有する窒化物半導体層と多層窒化物半導体層との合計の厚さが3μm以上である付記5、付記6−1、付記6−2、付記7または付記8のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。この場合には、成長用基板を剥離する工程において、光の照射によりAlを含有する窒化物半導体層が熱分解して成長用基板と全部またはその一部が分解されたAlを含有する窒化物半導体層とが剥離される時に発生すると考えられる衝撃波の発光層への悪影響を抑制することできる。
付記10に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法は、成長用基板がサファイア基板である付記5、付記6−1、付記6−2、付記7、付記8または付記9のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。サファイア基板は、たとえば150nm〜1000nmにわたる広い波長領域の光に対して高い透過率を有していることから、成長用基板の材料として好適である。
付記11に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法は、光の波長が200nm以下である付記5、付記6−1、付記6−2、付記7、付記8、付記9または付記10のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。光の波長が200nm以下である場合には、光が大気中の酸素を分解するため、Alを含有する窒化物半導体層の熱分解時に生成される少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)により多くの酸素を取り込むことができる。これにより、少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)を所望の形状に形成することができることから、窒化物半導体発光素子の表面に、凸形状領域と非凸形状領域とを所望の形状に形成することができる。また、光の波長が200nm以下である場合には、成長用基板がサファイア基板であるときに、光が成長用基板を好適に透過し、Alを含有する窒化物半導体からなるバッファ層が光を効率的に吸収して熱分解する傾向にある。
付記12に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法は、フッ酸処理により、少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)の一部を除去する付記5、付記6−1、付記6−2、付記7、付記8、付記9、付記10または付記11のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。この場合には、光の照射領域の中心領域における少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)を除去して、光の照射領域の周縁領域に少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)を残してエッチングマスクとすることができる。
付記13に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法は、リン酸処理により、少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)の一部を除去する付記5、付記6−1、付記6−2、付記7、付記8、付記9、付記10、付記11または付記12のいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。この場合には、光の照射領域の周縁領域に残された少なくともAlと酸素とを含有する物質(たとえばAlと酸素と窒素とを含有する物質)を完全に除去することができる。
Claims (4)
- 第1導電型窒化物半導体層と、発光層と、第2導電型窒化物半導体層とをこの順序で含む多層窒化物半導体層を含む窒化物半導体発光素子であって、
前記多層窒化物半導体層の表面が、凸形状部分を有する凸形状領域と、前記凸形状領域に取り囲まれた非凸形状領域とを含む升目状の構造を有し、
前記凸形状部分は、下面を有しており、
前記下面の幅が5μm以上100μm以下であり、
前記凸形状部分の高さが1000nm以下である、窒化物半導体発光素子。 - 前記凸形状領域は、前記窒化物半導体発光素子の前記表面の全領域の面積の5%以上40%以下を占める、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
- 平面視において、前記凸形状領域が、3方向から合流する1点を有する、請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 成長用基板の第1の表面上に、Alを含有する窒化物半導体層を形成する工程と、
前記Alを含有する窒化物半導体層上に、第1導電型窒化物半導体層と、発光層と、第2導電型窒化物半導体層とがこの順序で配置された多層窒化物半導体層を形成する工程と、
前記多層窒化物半導体層を支持基板の表面上に接合する工程と、
前記支持基板の表面上に接合する工程の後に、前記成長用基板の前記第1の表面とは反対側の第2の表面側から前記成長用基板を薄型化する工程と、
前記成長用基板の前記第2の表面側から光を照射し、前記光の少なくとも一部を前記Alを含有する窒化物半導体からなる層に吸収させることによって前記成長用基板を剥離する工程と、
前記成長用基板を剥離する工程の後にエッチングする工程とを含み、
前記成長用基板を剥離する工程においては、前記Alを含有する窒化物半導体層および前記第1導電型窒化物半導体層の少なくとも一方の表面に少なくともAlと酸素とを含有する物質が形成され、
前記エッチングする工程においては、前記少なくともAlと酸素とを含有する物質をマスクとして、前記第1導電型窒化物半導体層の表面に、凸形状部分を有する凸形状領域と、前記凸形状領域に取り囲まれた非凸形状領域とを含む升目状の構造が形成される、窒化物半導体発光素子の製造方法。
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