JP2018093035A - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体素子100は、半導体層20と、炭化物基板1と、Agを主成分とし酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子を含有する反射層7と、がこの順に配置されている。半導体素子100の製造方法は、第1の主面と前記第1の主面に向かい合う第2の主面とを有する炭化物基板1の前記第1の主面上に半導体層20を形成する工程と、前記第2の主面上に、Agを主成分とし酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子を含有する反射層7を形成する工程と、を含む。
【選択図】 図1B
Description
実施形態を、以下に図面を参照しながら説明する。但し、以下に示す形態は、本実施形態の技術思想を具現化するための半導体素子を例示するものであって、以下に限定するものではない。また、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる例示に過ぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。
まず、第1実施形態に係る半導体素子について説明する。第1本実施形態に係る半導体素子は半導体発光素子である。
図1Aは、第1実施形態に係る半導体発光素子の構成を模式的に示す底面図である。図1Bは、第1実施形態に係る半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図であり、図1AのIB−IB‘線における断面を示す。図3A、図3Bは、第1、第2実施形態に係る半導体発光素子の炭化物基板と反射層との界面及び酸化物あるいは窒化物の状態を模式的に示す拡大断面図である。なお、図3A、図3Bでは、反射層中の酸化物あるいは窒化物の状態をわかりやすいように模式的に図示している。また、図3A、図3B中、符号Bは擬似的な遷移層を概略的に示したものである。
半導体発光素子100は、炭化物基板1の第1の主面上に、n型窒化物半導体層2、発光層3、p型窒化物半導体層4及びp側全面電極5を備える。また、半導体発光素子100は、p側全面電極5上の一部の領域にp側パッド電極6を備える。p型窒化物半導体層4、p側全面電極5及びp側パッド電極6は、電気的に接続されている。また、炭化物基板1の第1の主面に向かい合う第2の主面上に、n側全面電極を兼ねる反射層7を備える。n側全面電極を兼ねる反射層7とn型窒化物半導体層2とは電気的に接続されている。
炭化物基板1としては特に限定されるものではなく、例えば、窒化物半導体を成長させる基板として、SiC基板等が挙げられる。
反射層7は、酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子を含有する銀合金層であり、素子構造側への光の反射率を向上させて、光の取り出し効率を向上させる層である。また、反射層7はn側全面電極としての機能を兼ねる。銀合金層に含有される粒子は、酸化物の粒子のみ、窒化物の粒子のみ、でも良いが、酸化物の粒子と窒化物の粒子の混合物でもよい。ここでは「酸化物あるいは窒化物9」と表記して説明する。反射層7は、炭化物基板1の下面の全領域に設けられていることが好ましい。酸化物あるいは窒化物9、反射層7中に均一に分散されている。反射層7が酸化物あるいは窒化物9を含むことにより、反射層7と炭化物基板1との界面において、酸化物あるいは窒化物9と、反射層7中のAgとが並存する擬似的な遷移層が形成される。このような擬似的な遷移層が形成されることにより、反射層7の炭化物基板1との密着性を高めることができ、信頼性の高い半導体発光素子100が得られる。
次に、半導体発光素子100の動作について、図1Bを参照して説明する。
半導体発光素子100は、反射層7及びp側パッド電極6を介して半導体層20に電流が供給されると、発光層3が発光する。発光層3が発光した光は、半導体層20や炭化物基板1内を伝搬し、図において上方へ進む光は半導体層20側(素子構造側)から外部に取り出される。また、図において下方へ進む光は、反射層7により上方に反射され、半導体層20側から外部に取り出される。
次に、第1実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。図4は、第1実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の流れを示すフローチャートである。
第1実施形態の半導体発光素子100の製造方法は、一例として、半導体層形成工程S101と、電極形成工程S102と、レーザースクライブ工程S103と、反射層形成工程S104と、ウェハ分割工程S105と、を含み、この順に行う。なお、各部材の材質や配置等については、前記した半導体発光素子100の説明で述べた通りであるので、ここでは適宜、説明を省略する。
半導体層形成工程S101は、第1の主面と第1の主面に向かい合う第2の主面とを有する炭化物基板1の第1の主面上に半導体層20を形成する工程である。電極形成工程S102は、半導体層20上に電極、例えばp側全面電極5、p側パッド電極6を形成する工程である。半導体層20及び電極は、公知の製造方法によって形成され、一例として、以下の方法により形成することができる。
レーザースクライブ工程S103は、レーザー照射によりウェハをチップ化する際の切断する部位(切断領域部)を作製する工程である。まず、チップ化する際のウェハを切断領域部において炭化物基板1の内部を焦点とするように、レーザー光を炭化物基板1側から照射する。これにより、基板1の内部に変質部を形成する。この変質部は基板1の厚み方向、つまり基板1の主面に対して略垂直な方向に延伸する割断溝である。レーザー光としては、例えばフェムト秒レーザーが挙げられる。
反射層形成工程S104は、炭化物基板1の第2の主面側に、Agを主成分とし酸化物あるいは窒化物9を含有する反射層7を形成する工程である。
反射層7に酸化物を含有させる場合を例に説明する。なお、窒化物を含有させる場合は酸化物を窒化物に置き換えればよい。例えばAgターゲットと酸化物ターゲットとを用いた同時スパッタリング法、Ag及び酸化物を含む合金ターゲットを用いたスパッタリング法、又は、Ag及び酸化物を含む合金蒸着材料を用いた蒸着法により形成することができる。これらのスパッタリング法や蒸着法を用いることで、反射層7中に酸化物が分散された反射層7を形成することができる。
スパッタリング法や蒸着法のその他の条件や手順等は、公知の方法で行うことができる。
次に、切断領域部でウェハを切断し、個々の半導体発光素子をチップ状に分割する。ウェハ分割工程S105は、半導体層20、電極及び反射層7が形成されたウェハをチップに分割する工程である。
以上の工程を経て、半導体発光素子100を製造することができる。
つぎに、第2実施形態に係る半導体素子について説明する。第2実施形態に係る半導体素子は半導体発光素子である。図2Aは、第2実施形態に係る半導体発光素子の構成を模式的に示す底面図である。図2Bは、第2実施形態に係る半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図であり、図2AのIIB−IIB‘線における断面を示す。図3A、図3Bは、第1、第2実施形態に係る半導体発光素子の炭化物基板と反射層との界面及び酸化物あるいは窒化物の状態を模式的に示す断面図である。
なお、第1実施形態と同様の構成を採るところについては、説明を省略することもある。
半導体発光素子200は、炭化物基板101の第1の主面上に、接合層110を介して、p型窒化物半導体層104と、発光層103と、n型窒化物半導体層102とを積層して備える。更に、半導体発光素子200は、n型窒化物半導体層102上の一部の領域にn側パッド電極108を備える。また、炭化物基板101の第1の主面に向かい合う第2の主面上に、p側全面電極を兼ねる反射層107を備える。
炭化物基板101は、結晶成長用基板から分離した素子構造に接合させる接合用基板である。基板が導電性を有することで、上下電極(対向電極)構造を採用することができる。また、素子構造に面内均一に給電しやすく、電力効率を高めやすい。炭化物基板101としては、熱伝導性や導電性に優れたSiC基板などが挙げられる。
接合層110は、上述の接合用基板である炭化物基板101と、結晶成長用基板から分離した半導体層120と、を接合させる層である。この接合層110は、金属反射膜又は誘電体多層膜を含んでいることが好ましい。これにより、半導体発光素子200では、素子構造から出射される光を接合層110の金属反射膜又は誘電体多層膜によって上方に効率良く反射させ、素子構造から出射される光が基板内部に進行することを抑制して、光の取り出し効率を高めることができる。なお、接合層110の金属反射膜又は誘電体多層膜は、素子構造に接して、又は、素子構造に接して設けられた導電性酸化物膜などの透光膜に接して、設けられることが、その光反射機能を発揮しやすいので好ましい。接合層に用いられる金属反射膜は、銀、アルミニウム、ロジウム、プラチナ、金、又はこれらの合金を用いることができ、なかでも光反射性に優れる銀又は銀合金が好ましい。接合層に用いられる誘電体多層膜は、例えばNb2O5とSiO2とのの積層構造など、シリコン、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、アルミニウムのうちのいずれか一種の酸化物又は窒化物の少なくとも2つを繰り返し積層したものを用いることができる。金属反射膜は、接合層の一部又は全部に設けられ、誘電体多層膜は、接合層の一部に設けられる。金属反射膜や誘電体多層膜が接合層の一部に設けられる場合、接合層の他の部位は、金、錫、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ニッケル、タングステン、モリブデン、クロム、チタン、又はこれらの合金やそれらの組み合わせにより構成することができる。なお、接合層は、接合用基板である基板と、結晶成長用基板から分離した素子構造と、を表面活性化接合や熱圧着などにより直接接合する場合には、省略することができる。
反射層107は、第1実施形態と同様である。酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子を含有する銀合金層であり、素子構造側への光の反射率を向上させて、光の取り出し効率を向上させる層である。また、p側全面電極としての機能を兼ねる。反射層107は、単層膜でも多層膜でもよい。反射層107は、スパッタ法、めっき法、蒸着法などにより形成することができる。反射層107に含有される酸化物あるいは窒化物109は、反射層107中に粒状の形態で分散されていたり、反射層107と炭化物基板101との界面に付着していたりする。
密着性評価用サンプルを以下のようにして作製した。
まず、SiC単結晶基板C面上に、AgターゲットとSi3N4ターゲットを用いた同時スパッタリング法により、Si3N4を含有する反射層を120nmの厚さで成膜した。なお、同時スパッタリングのRFパワーはともに250Wとした。更にスパッタリング法により、反射層上に、第1金属層としてNi膜を100nmの厚さで、第2金属層としてRh膜を200nmの厚さで、第3金属層としてAu膜を500nmの厚さでこの順に成膜した。このようにして、SiC単結晶基板C面上に積層膜を形成した。
実施例2の製造工程では、実施例1のSi3N4を含有する反射層の代わりに、ZnOを含有する反射層を形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例2の半導体発光素子を製造した。なお、ZnOを含有する反射層はAgターゲットとZnOターゲットを用いた同時スパッタリング法により形成した。なお、同時スパッタリングのRFパワーはともに250Wとした。
実施例3の製造工程では、実施例1のSi3N4を含有する反射層の代わりに、TiO2を含有する反射層を形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例3の半導体発光素子を製造した。なお、TiO2を含有する反射層はAgターゲットとTiO2ターゲットを用いた同時スパッタリング法により形成した。なお、同時スパッタリングのRFパワーはともに250Wとした。
実施例4の製造工程では、実施例1のSi3N4を含有する反射層の代わりに、Ta2O5を含有する反射層を形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例4の半導体発光素子を製造した。なお、Ta2O5を含有する反射層はAgターゲットとTa2O5ターゲットを用いた同時スパッタリング法により形成した。なお、同時スパッタリングのRFパワーはともに250Wとした。
実施例5の製造工程では、実施例1のSi3N4を含有する反射層の代わりに、HfO2を含有する反射層を形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例5の半導体発光素子を製造した。なお、HfO2を含有する反射層はAgターゲットとHfO2ターゲットを用いた同時スパッタリング法により形成した。なお、同時スパッタリングのRFパワーはともに250Wとした。
実施例6の製造工程では、実施例1のSi3N4を含有する反射層の代わりに、In2O3を含有する反射層を形成した以外は、実施例1と同様にして、実施例6の半導体発光素子を製造した。なお、In2O3を含有する反射層はAgターゲットとIn2O3ターゲットを用いた同時スパッタリング法により形成した。なお、同時スパッタリングのRFパワーはともに250Wとした。
比較例1の製造工程では、実施例1のSi3N4を含有する反射層の代わりに、純銀層を形成した以外は、実施例1と同様にして、比較例1の半導体発光素子を製造した。なお、純銀層はAgターゲットのみを用いたスパッタリング法により形成した。なお、スパッタリングのRFパワーは500Wとした。
比較例2の製造工程では、実施例1のSi3N4を含有する反射層の代わりに、TiCを含有する反射層を形成した以外は、実施例1と同様にして、比較例2の半導体発光素子を製造した。なお、TiCを含有する反射層はAgターゲットとTiCターゲットを用いた同時スパッタリング法により形成した。なお、同時スパッタリングのRFパワーはともに250Wとした。
その結果、比較例1、比較例2ではSiC単結晶基板と反射層との界面で多く剥れていたのに対して、実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、実施例5、実施例6では、それぞれSi3N4を含有する反射層、ZnOを含有する反射層、TiO2を含有する反射層、Ta2O5を含有する反射層、HfO2を含有する反射層、In2O3を含有する反射層の剥れが無かった。なお、図5G、Hの比較例1、2の写真において、図5A〜Fの実施例1〜6の写真と比較してクロスカット部以外の明度の異なる部位が、剥がれが生じた部位である。
2、102 n型窒化物半導体層
3、103 発光層
4、104 p型窒化物半導体層
5 p側全面電極
6 p側パッド電極
7、107 反射層
108 n側パッド電極
9、109 酸化物あるいは窒化物
110 接合層
20、120 半導体層
100、200 半導体発光素子(半導体素子)
B 擬似的な遷移層
Claims (17)
- 半導体層と、
炭化物基板と、
酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子を含有するAgを主成分とする反射層と、がこの順に配置された半導体素子。 - 前記酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子は、前記炭化物基板と接し、若しくは、前記炭化物基板に近い側に配置されている請求項1に記載の半導体素子。
- 前記酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子は、前記反射層中に分散されている請求項1又は請求項2に記載の半導体素子。
- 前記酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子は、前記炭化物基板側に偏在されている請求項1から請求項3の何れか1項に記載の半導体素子。
- 前記酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子の含有量は、前記反射層全質量に対し、0.01質量%以上5質量%以下である請求項1から請求項4の何れか1項に記載の半導体素子。
- 前記反射層は、Si3N4、ZnO、TiO2、Ta2O5、HfO2、In2O3から選択される少なくとも1種である前記酸化物、窒化物を含有する請求項1から請求項5の何れか1項に記載の半導体素子。
- 前記半導体素子は、半導体発光素子である請求項1から請求項6の何れか1項に記載の半導体素子。
- 炭化物基板上に半導体層を形成する工程と、
前記炭化物基板における前記半導体層が設けられた面と反対側の面に、酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子を含有するAgを主成分とする反射層を形成する工程と、を含む半導体素子の製造方法。 - 前記反射層を形成する工程は、スパッタリング法、又は、蒸着法である請求項8に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記反射層を形成する工程は、Agターゲットと酸化物ターゲットとを用いた同時スパッタリング法、Ag及び酸化物を含む合金ターゲットを用いたスパッタリング法、又は、Ag及び酸化物を含む合金蒸着材料を用いた蒸着法により形成される請求項8又は請求項9に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記反射層を形成する工程は、Agターゲットと窒化物ターゲットとを用いた同時スパッタリング法、Ag及び窒化物を含む合金ターゲットを用いたスパッタリング法、又は、Ag及び窒化物を含む合金蒸着材料を用いた蒸着法により形成される請求項8から請求項10の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記反射層を形成する工程は、前記酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子を、前記炭化物基板と接し、若しくは、前記炭化物基板に近い側に配置する請求項8から請求項11の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子は、前記反射層中に分散されている請求項8から請求項12の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子は、前記炭化物基板側に偏在されている請求項8から請求項13の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記酸化物、窒化物から選択される少なくとも1種の粒子の含有量は、前記反射層全質量に対し、0.01質量%以上5質量%以下である請求項8から請求項14の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記反射層は、Si3N4、ZnO、TiO2、Ta2O5、HfO2、In2O3から選択される少なくとも1種である前記酸化物を含有する請求項8から請求項15の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記半導体素子は、半導体発光素子である請求項8から請求項16の何れか1項に記載の半導体素子の製造方法。
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