JP4489747B2 - 垂直構造の窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、垂直構造の窒化物発光素子の製造方法に関し、特にレーザーリフトオフ工程時の熱衝撃による結晶の損傷を低減させ、かつ収率を向上させることができる垂直構造の窒化物発光素子の製造方法に関する。

主に、ＩＩＩ族窒化物発光素子を構成する窒化物単結晶は、サファイア基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板のような特定の成長用基板上で形成される。しかし、サファイア基板のような絶縁性基板を使用することで、窒化物発光素子の電極配列は大きな制約を受ける。従来の窒化物発光素子は両側電極が水平方向に配列されるため、電流の流れが水平方向に沿って狭小になる。このような狭小な電流の流れによって、上記発光素子は順方向電圧（Ｖ_f）が増加して電流効率が低下し、静電気放電（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）効果が脆弱するという問題が生じる。また、サファイア基板のような絶縁基板は熱伝導性が比較的低いため、熱放出が円滑に行われないという問題もある。

このような問題を解決するために、垂直構造を有する窒化物発光素子が求められる。しかし、垂直構造を有する窒化物発光素子はその上下面にコンタクト層を形成するために、サファイア基板を除去する工程が伴われなければならない。

図１に示すように、サファイア基板２１の除去は、窒化物単結晶である発光構造物２５上に導電性接着層２４を利用して導電性基板３１を付着した後、レーザーリフトオフ工程によって行われる。しかしながら、サファイア基板２１の熱膨脹係数は約７．５×１０^-6／Ｋであるのに対し、発光構造物２５を構成するＧａＮ単結晶は約５．９×１０^-6／Ｋであり、約１６％の格子不整合を有し、ＧａＮ／ＡｌＮバッファ層形成する場合にも、数％の格子不整合が発生するので、窒化物発光構造物２５が素子単位に分離されているとしても、サファイア基板２１をレーザービームで照射する過程で発生される熱がサファイア基板２１に沿って側方向（水平方向）に移り（伝導し）、熱応力が発生し窒化物結晶が損傷され易い。

また、レーザー照射後にサファイア基板がウェーハとして窒化物単結晶から除去される際に、離脱されるサファイア基板と窒化物単結晶の一部領域に衝突が発生する危険が大きく、結果的に収率の低下を引き起こす恐れがある。

本発明は上記問題点を解決するために案出されたもので、その目的は安定的にサファイア基板と窒化物発光構造物とを分離することであり、輝度及び素子の信頼性を向上させることが可能である窒化物発光素子の製造方法を提供することである。

上記した技術的課題を解決するために、本発明は、成長用予備基板上に、第１導電型窒化物層、活性層、及び、第２導電型窒化物層を順次に成長させることで発光構造物を形成する段階と、上記予備基板上に上記第１導電型窒化物層の一部が残存するように、所望の最終発光素子の大きさに応じて上記発光構造物を分離する段階と、上記発光構造物の上面に電気的伝導性を有する導電性永久基板を提供する段階と、上記予備基板が複数単位に分離されるように上記予備基板を切断する段階と、上記発光構造物から上記予備基板が分離されるように上記予備基板の下部にレーザービームを照射する段階とを含むことを特徴とする窒化物発光素子の製造方法を提供する。

前記予備基板の下部にレーザービームを照射する段階において、上記第１導電型窒化物層の残存する部分は除去され、前記発光構造物は上記発光素子単位に完全に分離され、上記第１導電型窒化物層の一面であって上記予備基板が除去された面と上記導電性永久基板の露出された面とに対して第１及び第２コンタクトを各々形成する段階と、上記分離した発光構造物に応じて上記導電性永久基板を切断する段階と、をさらに含むことを特徴とする窒化物発光素子の製造方法を提供する。

好ましくは、上記発光構造物を分離する段階において残存する上記第１導電型窒化物の残存厚さは０．０１〜５μｍであってもよい。

本発明の具体的な実施形態で、上記導電性永久基板を提供する段階は、メッキ工程を利用して上記発光構造物の上面に導電性永久基板を形成する工程であってもよいが、これと異なって、上記発光構造物の上面に上記導電性永久基板を接合させる工程で実現されてもよい。この場合に、上記導電性永久基板は、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＣ、ＺｎＯ、及びＧａＡｓで構成された群から選択された物質から成ることができる。

また、上記発光構造物の上面に上記導電性永久基板を接合する段階は、導電性接着層を利用して上記導電性永久基板の下面と上記発光構造物の露出された上面を接合させる段階で実現されてもよい。この場合に、上記導電性接着層は、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ−Ａｇ、Ａｇ−Ｉｎ、Ａｇ−Ｇｅ、Ａｇ−Ｃｕ及びＰｂ−Ｓｎで構成された群から選択された物質であってもよい。

好ましくは、上記予備基板を切断する段階は、上記素子単位に分離した領域に沿って上記予備基板を切断する段階であってもよい。

本発明によれば、発光構造物を部分的に分離させると共に、サファイア基板のような成長用予備基板を個別単位に完全分離させることによって、レーザーリフトオフ時に発光構造物と予備基板の間で発生される熱応力を小さくすることが可能であり、より好ましくは最小化させることが可能である。また、サファイア基板の分離過程が切断されたサファイア基板において部分的に行われるため、サファイア基板の離脱過程において薄膜である発光構造物と衝突による損傷を低減させることができ、より好ましくは効果的に低減させることができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳しく説明する。

図２−ａ乃至図２−ｇは、本発明の好ましき一実施形態による垂直構造の窒化物発光素子の製造方法を説明するための各工程別側断面図である。

図２−ａに示すように、サファイア基板１２１上に窒化物単結晶から成る（又は窒化物単結晶を用いて構成された）発光構造物１２５を形成する。発光構造物１２５は、ｎ型窒化物層１２５ａと、活性層１２５ｂと、ｐ型窒化物層１２５ｃとを含む。本発明に採用可能な予備基板としては、サファイア基板１２１の外にもＳｉＣ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ₂またはＬｉＧａＯ₂であってもよい。

続いて、図２−ｂに示すように、発光構造物１２５を所望する最終素子の大きさ（Ｓ）に分離し、切断する部分のｎ型窒化物層１２５ａを所定の厚さに残存させる。このような１次分離工程は、図示するように完全に分離せず一部厚さを残存させることで、サファイア分離段階において適用されるレーザービームによる応力発生を低減させることができる。それとともに、上記残存するｎ型窒化物層部分１２５”ａ（１次分離ライン）は、サファイア基板１２１を分離するためにレーザービームをサファイア基板１２１の後面に照射する際に、レーザービームによって導電性基板が損傷されることを防止するための遮断膜として作用することができる。残存部分１２５”ａの厚さは、発光構造物１２５全体の厚さの約３０％以下のレベルにすることが好ましく、発光構造物１２５全体の厚さに応じて多少異なるが、約０．０１〜５μｍ、より好ましくは０．０１〜１μｍ程度であってもよい。

次に、図２−ｃに示すように、導電性接着層１２４を利用して導電性永久基板１３１を１次分離した発光構造物１２５’の上面に接合させることができる。上記導電性永久基板として、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＣ、ＺｎＯ、及びＧａＡｓで構成された群から選択された物質から成る基板を使用することができる。ここで使用される導電性接着層１２４の物質として、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ−Ａｇ、Ａｇ−Ｉｎ、Ａｇ−Ｇｅ、Ａｇ−ＣｕまたはＰｂ−Ｓｎを使用することができる。このような金属／合金である導電性接着層１２４は比較的高い反射率を有するため、輝度改善効果を期待することができる。本実施形態と異なって、上記導電性永久基板１３１は、発光構造物１２５'の上面にメッキ工程（ｐｌａｔｉｎｇ）を利用し、ニッケル（Ｎｉ）のような金属で形成されてもよい。

次いで、図２−ｄに示すように、サファイア基板１２１を複数個単位１２１'に分離するように切断する工程を実施する。このようなサファイア基板１２１の切断工程はブレード（ｂｌａｄｅ）を利用したり、ドライエッチング工程によって実施さてもよい。本発明ではサファイア基板１２１を複数個に完全分離することで、サファイア基板の単位面積を小さくでき、それにより、レーザービーム照射時に発生する熱応力を緩和させることができる。本発明は複数個に切断されたサファイア基板部分１２１'の大きさと位置に限定されないが、レーザーの照射によって発光素子を形成する窒化物層が損傷されないように、上記発光構造物の１次分離ラインのうちの一部のラインに対応する部分に沿って切断することが好ましい。必要に応じて、本実施形態のように上記単位発光構造物１２５'の切断された大きさ（即ち、素子単位の大きさ）と同じ大きさに切断することができる。

次に、図２−ｅに示すようにサファイア基板１２１'の下部にレーザービームを照射して、上記発光構造物１２５'から上記サファイア基板１２１'を分離させる。上記レーザービームはサファイア基板１２１'を透過して、それと接するｎ型窒化物層部分１２５”ａをＧａと窒素（Ｎ₂）に分離させ、所定の温度で加熱してＧａを溶融させることにより上記発光構造物１２５'からサファイア基板１２１'を容易に分離させることができる。本実施形態のように、レーザーリフトオフ工程は切断されたサファイア基板１２１'に対して個別的に行われるので、分離過程において窒化物薄膜の損傷とそれによる収率の減少を防止することができる。また、サファイア基板１２１の切断ラインを発光構造物の１次分離ラインと対応させるように形成し、上記ｎ型窒化物層の残存部分１２５”ａを残存させることで、サファイア基板の切断ラインを通るレーザービームによって導電性接着層１２４または導電性永久基板１３１が損傷されることを防止することができる。また、このレーザービームの照射によって、さらに以下の現象が生じる。レーザービーム照射時の応力によって残存部分が破壊されること、又は、レーザービーム照射時の熱によって残存部分が溶解されること、又は、サファイア基板１２１’が剥離される時に残存部分が機械的に破壊されること、又は、これらの２つ以上の組み合わせによって残存部分が除去される。また、上記ｎ型窒化物層の残存部分１２５”ａは機械的に粉砕され除去されてもよい。このように不完全に分離された発光構造物１２５’を個別の発光ダイオードの大きさに完全に分離させるセルフダイシング（ｓｅｌｆ−ｄｉｃｉｎｇ）効果を得ることができる。

続いて、図２−ｆに示すように、上記結果物の両面にコンタクト形成工程を行う。図２−ｆは、図２−ｅの結果物を上下が反転された状態で示したものである。ここで、コンタクト形成工程は、個別発光構造物１２５’であるｎ型窒化物層１２５ａ’の上面と導電性永久基板１３１の下面とに対して行なわれる。唯、ｎ型窒化物層１２５ａ’の上面に形成されるｎ型コンタクト１３９はマスクを利用して一部領域（一般的に上面の中央）にのみ選択的に形成され、ｐ型コンタクト１３７は背面電極として導電性基板１３１の下面に対して全体的に形成され得る。

最終的に、図２−ｇに示すように、図２−ｆの工程の結果物を個別発光ダイオードの大きさ、即ち、分離された発光構造物１２５'の大きさに切断して、最終的な垂直構造の窒化物発光ダイオード１３０を得ることができる。

このように本発明は、上述した実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、添付された請求範囲によって限定される。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において、多様な形態の置換、変形および変更が可能であることは、当該技術分野の通常の知識を有する者にとっては自明である。

従来の垂直構造の窒化物発光素子の製造方法中、レーザーリフトオフ工程を説明するための概略断面図である。 本発明による垂直構造の窒化物発光素子の製造方法に含まれる発光構造物を形成する工程を説明するための断面図である。 本発明による垂直構造の窒化物発光素子の製造方法に含まれる１次分離工程を説明するための断面図である。 本発明による垂直構造の窒化物発光素子の製造方法に含まれる導電性永久基板の接合を説明するための断面図である。 本発明による垂直構造の窒化物発光素子の製造方法に含まれるサファイア基板の切断工程を説明するための断面図である。 本発明による垂直構造の窒化物発光素子の製造方法に含まれるレーザーリフトオフ工程を説明するための断面図である。 本発明による垂直構造の窒化物発光素子の製造方法に含まれるコンタクト形成工程を説明するための断面図である。 本発明による垂直構造の窒化物発光素子の製造方法に含まれる個別発光ダイオードの大きさに切断する工程を説明するための断面図である。

符号の説明

１２１、１２１’ 成長用予備基板
１２４ 導電性接着層
１２５ａ、１２５ａ’ ｎ型窒化物層
１２５ｂ、１２５ｂ’ 活性層
１２５ｃ、１２５ｃ’ ｐ型窒化物層
１２５、１２５’ 窒化物発光構造物
１３７ ｐ型コンタクト
１３９ ｎ型コンタクト
１３１ 導電性永久基板

Claims (10)

1. 成長用予備基板上に、第１導電型窒化物層、活性層、及び、第２導電型窒化物層を順次に成長させることで発光構造物を形成する段階と、
   前記予備基板上に前記第１導電型窒化物層の一部が残存するように、所望の最終発光素子の大きさに応じて前記発光構造物を分離する段階と、
   前記発光構造物の上面に電気的伝導性を有する導電性永久基板を提供する段階と、
   前記予備基板が複数単位に分離されるように前記予備基板を切断する段階と、
   前記発光構造物から前記予備基板が分離されるように前記予備基板の下部にレーザービームを照射する段階と、
   を含むことを特徴とする窒化物発光素子の製造方法。
2. 前記予備基板の下部にレーザービームを照射する段階において、前記第１導電型窒化物層の残存する部分は除去され、前記発光構造物は前記発光素子単位に完全に分離され、
   前記第１導電型窒化物層の一面であって前記予備基板が除去された面と前記導電性永久基板の露出された面とに対して第１及び第２コンタクトを各々形成する段階と、
   前記分離した発光構造物に応じて前記導電永久性基板を切断する段階と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物発光素子の製造方法。
3. 前記発光構造物を分離する段階において残存する前記第１導電型窒化物の残存厚さは０．０１〜５μｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物発光素子の製造方法。
4. 前記導電性永久基板を提供する段階は、メッキ工程を利用して前記発光構造物の上面に前記導電性永久基板を形成する段階であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物発光素子の製造方法。
5. 前記導電性永久基板を提供する段階は、前記発光構造物の上面に前記導電性永久基板を接合させる段階であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物発光素子の製造方法。
6. 前記導電性永久基板は、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＣ、ＺｎＯ、及びＧａＡｓで構成された群から選択された物質から成ることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の窒化物発光素子の製造方法。
7. 前記発光構造物の上面に前記導電性永久基板を接合する段階は、導電性接着層を利用して前記導電性永久基板の下面と前記発光構造物の露出された上面を接合させる段階を含むことを特徴とする、請求項５に記載の窒化物発光素子の製造方法。
8. 前記導電性接着層は、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ−Ａｇ、Ａｇ−Ｉｎ、Ａｇ−Ｇｅ、Ａｇ−Ｃｕ及びＰｂ−Ｓｎで構成された群から選択された物質から成ることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物発光素子の製造方法。
9. 前記予備基板を切断する段階は、前記素子単位に分離した領域に沿って前記予備基板を切断する段階であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の窒化物発光素子の製造方法。
10. 前記予備基板は、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ₂及びＬｉＧａＯ₂で構成された群から選択された物質から成る基板であることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の窒化物発光素子の製造方法。

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