JP4635079B2 - Manufacturing method of semiconductor light emitting device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体発光素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor light emitting device.

従来の技術による発光素子について図面を参照しながら説明する。図18は、従来の技術によるInGaAlP可視光LEDの一例を示す。   A conventional light emitting device will be described with reference to the drawings. FIG. 18 shows an example of a conventional InGaAlP visible light LED.

図18に示すLED100は、N型GaAs基板82の上に、発光に寄与するInGaAlPエピタキシャル成長層84,85,86が形成されている。同図には示されていないが、良質な発光層を得るために、要求仕様に応じて基板とエピタキシャル成長層との間にバッファ層が設けられることもある。   In the LED 100 shown in FIG. 18, InGaAlP epitaxial growth layers 84, 85, and 86 that contribute to light emission are formed on an N-type GaAs substrate 82. Although not shown in the figure, a buffer layer may be provided between the substrate and the epitaxial growth layer in accordance with required specifications in order to obtain a high-quality light emitting layer.

エピタキシャル成長層86の上面と基板82の下面には電流を供給するための電極89がそれぞれ設けられている。同図には示されていないが、上側電極89とエピタキシャル成長層86との間に、電流を拡散するための層や、電気的なコンタクトを取るための層を設けることも多い。エピタキシャル成長層84,85,86のうち、キャリアが再結合して発光するのは活性層85である。活性層85の上下に形成されたエピタキシャル成長層84,86は、キャリアを閉じこめて発光効率を上げるために活性層よりも広いバンドギャップを有するクラッド層84,86である。   Electrodes 89 for supplying current are respectively provided on the upper surface of the epitaxial growth layer 86 and the lower surface of the substrate 82. Although not shown in the figure, a layer for diffusing current and a layer for making electrical contact are often provided between the upper electrode 89 and the epitaxial growth layer 86. Of the epitaxial growth layers 84, 85, 86, the active layer 85 emits light by recombination of carriers. The epitaxial growth layers 84 and 86 formed above and below the active layer 85 are clad layers 84 and 86 having a wider band gap than the active layer in order to confine carriers and increase luminous efficiency.

これらのエピタキシャル成長層84,85,86は、発光波長の調整やキャリアの閉じ込めのために、バンドギャップを設計に応じて最適に選ぶ必要がある。また、良好なエピタキシャル成長のためには、エピタキシャル成長層の格子定数が基板82の格子定数と整合していることが望ましい。3−5族化合物であるInGaAlPは、3族成分としてIn,Ga,Alの3種を含むため、これらの組成比を選ぶことでバンドギャップと格子定数を独立して設計することができる。   For these epitaxial growth layers 84, 85 and 86, the band gap needs to be optimally selected according to the design in order to adjust the emission wavelength and confine carriers. For good epitaxial growth, it is desirable that the lattice constant of the epitaxial growth layer is matched with the lattice constant of the substrate 82. Since InGaAlP, which is a Group 3-5 compound, contains three types of In, Ga, and Al as Group 3 components, the band gap and lattice constant can be designed independently by selecting these composition ratios.

例えば、エピタキシャル成長層の組成を次式
1nx(Ga1-yA1y1-xP・・・・・・・1)
で表した場合、In組成比xを0.5にすることでGaAs基板と格子定数がほぼ整合し、x=0.5のままでA1とGaの組成比yを調整することでバンドギャップを制御することができる。
For example, the composition of the epitaxial growth layer following equation 1n x (Ga 1-y A1 y) 1-x P ······· 1)
When the In composition ratio x is set to 0.5, the lattice constant is substantially matched with the GaAs substrate, and the band gap is reduced by adjusting the composition ratio y of A1 and Ga while maintaining x = 0.5. Can be controlled.

例えば、波長644nmの赤色発光LEDを得る場合には、活性層85の組成比をx=0.5,y=0.043にし、クラッド層84,86の組成をx=0.5,y=0.7にすればよい。また、波長562nmの緑色発光LEDを得る場合には、活性層85の組成比をx=0.5,y=0,454にし、クラッド層84,86の組成をx=0.5,y=1.00、即ち、InAlPにすればよい。   For example, when obtaining a red light emitting LED having a wavelength of 644 nm, the composition ratio of the active layer 85 is x = 0.5, y = 0.043, and the composition of the cladding layers 84, 86 is x = 0.5, y = It may be set to 0.7. When a green light emitting LED having a wavelength of 562 nm is obtained, the composition ratio of the active layer 85 is x = 0.5, y = 0,454, and the composition of the cladding layers 84, 86 is x = 0.5, y = It may be 1.00, that is, InAlP.

以上説明したように、InGaA1P系エピタキシャル成長層は、可視光領域内で発光波長を選ぶことができる。また、化合物半導体基板として最も一般的なGaAs基板に格子整合したエピタキシャル成長が可能であるため、基板の入手やエピタキシャル成長が比較的容易であるという利点がある。   As described above, the InGaA1P-based epitaxial growth layer can select the emission wavelength within the visible light region. In addition, since epitaxial growth that is lattice-matched to the most common GaAs substrate as a compound semiconductor substrate is possible, there is an advantage that acquisition of the substrate and epitaxial growth are relatively easy.

しかし、この反面、GaAs基板には可視光領域の光を吸収するという欠点がある。このため、InGaA1Pエピタキシャル成長層で発光した光の一部がGaAs基板に吸収されるので、LEDの輝度の低下が避けられない。輝度低下を避けるためには、可視光領域に対し透明な材料を基板に使用すればよい。一般的な透明材料としてはGaPがあるが、GaP基板はInGaA1P系と格子整合がとれないため良好なエピタキシャル成長が難しい。この問題を解決するために、InGaA1Pエピタキシャル成長層とGaP基板とをウェーハ接着(Wafer Bonding)する方法が、1993年出願のUSP5,376,580に提案され ている。この提案はエピタキシャル成長層からGaAs基板を取り除き、代わりにGaP基板を密着させて、圧力をかけながら熱処理をし、一体化する方法である。この方法によりLEDの輝度増加が図れるが、GaAs基板を除去した後のエピタキシャル成長層が薄いため取り扱いが難しく、また圧力を印加しながら熱処理をするので特殊な装置を用いる必要があり、ウェーハ接着工程の安定性や生産性に問題があった。   However, on the other hand, the GaAs substrate has a drawback of absorbing light in the visible light region. For this reason, since a part of light emitted from the InGaA1P epitaxial growth layer is absorbed by the GaAs substrate, the brightness of the LED is inevitably lowered. In order to avoid a reduction in luminance, a material transparent to the visible light region may be used for the substrate. As a general transparent material, there is GaP. However, since the GaP substrate is not lattice-matched with the InGaA1P system, it is difficult to achieve good epitaxial growth. In order to solve this problem, US Pat. No. 5,376,580 filed in 1993 proposes a method of wafer bonding of an InGaA1P epitaxial growth layer and a GaP substrate. This proposal is a method in which a GaAs substrate is removed from an epitaxial growth layer, and a GaP substrate is adhered instead, and heat treatment is performed while pressure is applied, and integration is performed. Although this method can increase the brightness of the LED, it is difficult to handle because the epitaxially grown layer is thin after removing the GaAs substrate, and it is necessary to use a special device because it performs heat treatment while applying pressure. There were problems with stability and productivity.

次に、ウェーハ接着について説明する。2種のウェーハを接合一体化できれば、格子定数に関わらず自由に異種材料による積層構造が得られたり、SOI(Silicon on Insulater)に代表されるように内部に異種物質を埋め込むことができる。このため古くから種々のウェーハ接着技術が提案されてきた。例えば、上述した2枚のウェーハを押しつけながら熱処理する接着方法は、1970年出願の特許第765892号に記載されている。ウェーハ接着は古くから求められていた技術であったが、ウェーハの全面に渡って一体化することが困難であるため、長らく実用化されなかった。   Next, wafer bonding will be described. If two types of wafers can be bonded and integrated, a laminated structure of different materials can be obtained freely regardless of the lattice constant, or different materials can be embedded inside as represented by SOI (Silicon on Insulater). For this reason, various wafer bonding techniques have been proposed for a long time. For example, a bonding method in which heat treatment is performed while pressing two wafers as described above is described in Japanese Patent No. 765892 filed in 1970. Wafer bonding has been a technique that has been sought for a long time, but it has not been put into practical use for a long time because it is difficult to integrate the entire surface of the wafer.

本発明者らは、実用に耐える技術として「直接接着」あるい「直接接合」と呼ばれる技術を開発した。例えば、Siウェーハ同士の直接接着は特許文献1に記載されている。また、化合物半導体ウェーハの直接接着は特許文献2に記載されている。   The present inventors have developed a technique called “direct bonding” or “direct bonding” as a technique that can withstand practical use. For example, Patent Document 1 discloses direct bonding between Si wafers. Further, the direct bonding of compound semiconductor wafers is described in Patent Document 2.

直接接着技術は、表面を鏡面とした2枚の基板同士を、実質的に異物がない雰囲気下において、室温で自力密着させ、その後熱処理で接合一体化するものである。熱処理の前から全面が密着しているため、未接着部を残すことなく全面を接合でき、また熱処理中に圧力をかける必要がないので、特殊な装置や器具を必要としない利点がある。Siウェーハ同士の直接接着の機構は次のように考えられている。   In the direct bonding technique, two substrates having mirror surfaces are brought into close contact with each other at room temperature in an atmosphere substantially free from foreign matters, and then bonded and integrated by heat treatment. Since the entire surface is in close contact before the heat treatment, the entire surface can be joined without leaving an unbonded portion, and it is not necessary to apply pressure during the heat treatment. The mechanism of direct bonding between Si wafers is considered as follows.

即ち、まず始めに洗浄や水洗によりウェーハの表面にOH基を形成させる。そこでウェーハ表面同士を接触させると、OH基同士が水素結合により引き合い、室温でウェーハが密着する。密着力は強く、通常のウェーハの反りであれば、これを矯正して全面が密着する。熱処理中には、100℃を上回る温度において脱水縮合反応(Si−OH:HO−Si→Si−O−Si+H2O)が起こり、酸 素原子を介してウェーハ同士が結合し接着強度が上がっていく。さらに高温になると接着界面近傍の原子の拡散と再配列が起こり、強度的にも電気的にもウェーハが一体化する。化合物半導体の接着機構も同様と考えられている。 That is, first, OH groups are formed on the surface of the wafer by washing or washing with water. Therefore, when the wafer surfaces are brought into contact with each other, OH groups are attracted by hydrogen bonds, and the wafers are brought into close contact with each other at room temperature. The adhesion is strong, and if it is a normal wafer warp, it will be corrected and the entire surface will adhere. During the heat treatment, a dehydration condensation reaction (Si—OH: HO—Si → Si—O—Si + H 2 O) occurs at a temperature higher than 100 ° C., and the wafers are bonded to each other through oxygen atoms to increase the adhesive strength. Go. At higher temperatures, the diffusion and rearrangement of atoms in the vicinity of the bonding interface occurs, and the wafer is integrated in strength and electrical properties. The adhesion mechanism of compound semiconductors is considered to be the same.

次に、直接接着を利用してGaP基板に密着されたInGaAlP系エピタキシャル成長層を備えるLEDの製造方法の一例を図19を参照しながら説明する。   Next, an example of a method of manufacturing an LED including an InGaAlP-based epitaxial growth layer that is in close contact with a GaP substrate using direct bonding will be described with reference to FIG.

まず、図19(a)に示すように、N型GaAs基板92の上にN型クラッド層94、活性層95,P型クラッド層96を成長させる。次いで、図19(b)に示すように、エピタキシャル成長層96の表面にGaP基板91を直接接着する。さらに、図19(c)に示すように、研磨やエッチングなどによりGaAs基板92を除去し、上下を逆にしてN型クラッド層94の上面とGaP基板91の下面に電極99を設けると、図19(d)に示すように、GaPを基板91としたInGaA1P系LEDが得られる。   First, as shown in FIG. 19A, an N-type cladding layer 94, an active layer 95, and a P-type cladding layer 96 are grown on an N-type GaAs substrate 92. Next, as shown in FIG. 19B, a GaP substrate 91 is directly bonded to the surface of the epitaxial growth layer 96. Further, as shown in FIG. 19C, when the GaAs substrate 92 is removed by polishing or etching and the electrodes 99 are provided on the upper surface of the N-type cladding layer 94 and the lower surface of the GaP substrate 91 upside down, As shown in FIG. 19D, an InGaA1P-based LED using GaP as a substrate 91 is obtained.

このように異種材料同士を直接接着する場合、特にエピタキシャル成長層の表面を直接接着する場合には、例えばSi同士やGaAs同士の同種のウェーハ同士の直接接着に比べ、以下に述べる問題がある。   In this way, when different materials are directly bonded, particularly when the surface of the epitaxial growth layer is directly bonded, there is a problem described below as compared with, for example, direct bonding of the same kind of wafers of Si or GaAs.

第一に、エピタキシャル成長層の表面はウェーハ表面に比べて、パーティクル(ゴミなどの異物)の付着が多い。このため室温での貼り合わせに支障をきたし、熱処理後も全面が接合せず、ボイドと呼ばれる未接着部分が発生する問題がある。一般に、ウェーハ表面は清浄に保たれており、エピタキシャル成長用の基板にも清浄なウェーハを使用するが、エピタキシャル成長中に反応物が堆積したり、エピタキシャル成長工程の前処理工程や後処理工程で異物が付着するなど、エピタキシャル成長層表面へのパーティクル付着は、現状ではある程度避けられない。   First, the surface of the epitaxial growth layer has more adhesion of particles (foreign matter such as dust) than the wafer surface. For this reason, there is a problem that bonding at room temperature is hindered, the entire surface is not bonded even after heat treatment, and an unbonded portion called a void is generated. Generally, the wafer surface is kept clean, and a clean wafer is also used for the substrate for epitaxial growth. However, reactants accumulate during the epitaxial growth, and foreign matter adheres during the pre-processing and post-processing of the epitaxial growth process. At present, particle adhesion to the surface of the epitaxial growth layer is unavoidable to some extent.

第二に、エピタキシャル成長によりウェーハが反るため、ウェーハ全面を室温密着ができない問題がある。   Secondly, since the wafer is warped by epitaxial growth, there is a problem that the entire surface of the wafer cannot be adhered at room temperature.

第三に、異種材料間に熱膨張差があるため熱処理中に熱応力が発生し、応力により接着した基板が破壊する問題がある。   Third, since there is a difference in thermal expansion between different materials, thermal stress is generated during the heat treatment, and there is a problem that the bonded substrate is broken by the stress.

第四に、異種材料間に熱膨張差があるために、接着した基板の破壊が生じない場合であっても、接着のための熱処理中に接着界面に「ずれ」が生じ、この「ずれ」によって基板全面を均一に接着できない問題がある。   Fourth, because there is a difference in thermal expansion between different types of materials, even if the bonded substrate does not break, a “displacement” occurs at the adhesion interface during the heat treatment for adhesion, and this “deviation” Therefore, there is a problem that the entire surface of the substrate cannot be adhered uniformly.

第五に、接着界面に電気抵抗が生ずるという問題がある。すなわち、本発明者の独自の検討の結果、ウェーハ同士を接着すると、接着界面に電気的な抵抗成分が生ずることが判明した。このような接着基板を用いて、例えばLEDを形成した場合には、接着界面の電気抵抗はLEDの動作電圧を上昇させ、発光不良や発熱などの問題を生じる。
特許第1420109号公報 特許第2040637号公報
Fifth, there is a problem that electrical resistance is generated at the bonding interface. That is, as a result of the inventors' original study, it has been found that when the wafers are bonded to each other, an electrical resistance component is generated at the bonding interface. When, for example, an LED is formed using such an adhesive substrate, the electrical resistance at the adhesive interface increases the operating voltage of the LED, causing problems such as defective light emission and heat generation.
Japanese Patent No. 1420109 Japanese Patent No. 2040637

本発明は、半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層に直接かつ全面にわたって安定的に密着される接着型半導体基板および半導体発光素子を提供するものである。   The present invention provides an adhesion type semiconductor substrate and a semiconductor light emitting device which are directly and stably adhered to an epitaxial growth layer formed on a semiconductor substrate over the entire surface.

本発明の一態様によれば、第1の半導体基板上に化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させて、第1のクラッド層、活性層および第2のクラッド層が順次堆積した積層体を含む第1のエピタキシャル成長層を形成する工程と、
第2の半導体基板の主面か、またはこの主面上に形成された第2のエピタキシャル成長層が前記第1のエピタキシャル成長層に接するように載置して一体的に接合させる工程と、
前記第1の半導体基板を除去し、前記第1のエピタキシャル成長層を露出させる工程と、
前記第1のエピタキシャル成長層の露出面側と前記第2の半導体基板の裏面側に電極を形成する工程と、を有し、
前記一体的に接合させる工程は、前記第1の半導体基板の主面のうちで(111)A面と(111)B面のいずれか一方が優先的に出現した面に対して、前記第2の半導体基板の主面のうちで(111)A面と(111)B面のいずれか他方が優先的に出現した面を接合する工程、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法が提供される。
According to one aspect of the present invention, the first semiconductor device includes a stacked body in which a mixed crystal of a compound semiconductor is epitaxially grown on a first semiconductor substrate, and a first cladding layer, an active layer, and a second cladding layer are sequentially deposited. Forming an epitaxial growth layer of
A main surface of the second semiconductor substrate or a second epitaxial growth layer formed on the main surface is placed so as to be in contact with the first epitaxial growth layer and integrally joined;
Removing the first semiconductor substrate and exposing the first epitaxial growth layer;
Forming an electrode on the exposed surface side of the first epitaxial growth layer and the back surface side of the second semiconductor substrate,
In the step of integrally bonding, the second surface of the first surface of the first semiconductor substrate is formed with respect to a surface on which one of the (111) A surface and the (111) B surface appears preferentially. A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising: joining a surface on which one of the (111) A surface and the (111) B surface appears preferentially among the main surfaces of the semiconductor substrate. Provided.

本発明によれば、半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層に直接かつ全面にわたって安定的に密着される半導体発光素子の製造方法を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device which adheres to the epitaxial growth layer formed on the semiconductor substrate directly and stably over the whole surface can be provided.

以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態について説明する。本実施形態は、本発明にかかる接着型半導体基板をInGaAlP系LEDに適用した形態である。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the adhesive semiconductor substrate according to the present invention is applied to an InGaAlP-based LED.

図1は、本実施形態のInGaAlP系LEDを示す略示断面図である。同図に示すLED1は、活性層15と、この活性層15を介在させて積層形成されたN型クラッド層14,P型クラッド層16でなる積層体10と、この積層体の下面に一体的に接合されたGaP基板11と、N型クラッド層14の上面側とGaP基板11の下面にそれぞれ形成された電極19と、を備えている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the InGaAlP-based LED of this embodiment. The LED 1 shown in the figure is integrated with an active layer 15, a laminate 10 formed of an N-type clad layer 14 and a P-type clad layer 16 laminated with the active layer 15 interposed therebetween, and a lower surface of the laminate. And an electrode 19 formed on the upper surface side of the N-type cladding layer 14 and on the lower surface of the GaP substrate 11, respectively.

積層体10は、図示しないGaAs基板を成長用基板として化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させることにより形成されたものである。GaP基板11は、P型クラッド層16との接合面を主面とすると、この主面が鏡面加工され、積層体10が成長用基板上に形成されたままで室温にて直接密着接合されている。成長用基板は、密着接合後に除去されている。   The laminated body 10 is formed by epitaxially growing a mixed crystal of a compound semiconductor using a GaAs substrate (not shown) as a growth substrate. If the bonding surface with the P-type cladding layer 16 is a main surface of the GaP substrate 11, the main surface is mirror-finished, and the laminate 10 is directly bonded at room temperature while being formed on the growth substrate. . The growth substrate is removed after the close bonding.

活性層15および2つのクラッド層14,16はいずれも前述した組成式1)で表わすことができ、後述するように、各組成を好適に選択することにより特に室温で成長用基板と格子整合されているので、成長用基板の反りが大幅に低減され、この結果GaP基板11の積層体10への全面接合が可能となっている。   Both the active layer 15 and the two cladding layers 14 and 16 can be expressed by the above-described composition formula 1). As will be described later, the respective layers are lattice-matched with the growth substrate, particularly at room temperature, by suitably selecting each composition. Therefore, the warpage of the growth substrate is greatly reduced, and as a result, the entire surface of the GaP substrate 11 can be bonded to the stacked body 10.

本実施形態において、GaP基板11は、P型で直径が2インチ、厚さが250μmであり、P型クラッド層16は0.6μmの厚さを有し、その組成比は前述の1)式を用いて表すとx=0.5,y=1.0である。また、活性層15は、厚さ0.6μmで組成比がx=0.5,y=0.28である。さらに、N型クラッド層14は、厚さ0.6μmmであり、その組成比は、x=0.5,y=1.0である。   In this embodiment, the GaP substrate 11 is P-type with a diameter of 2 inches and a thickness of 250 μm, the P-type cladding layer 16 has a thickness of 0.6 μm, and the composition ratio is the above-mentioned formula 1) X = 0.5 and y = 1.0. The active layer 15 has a thickness of 0.6 μm and a composition ratio of x = 0.5 and y = 0.28. Furthermore, the N-type cladding layer 14 has a thickness of 0.6 μm, and the composition ratios are x = 0.5 and y = 1.0.

このように、本実施形態のLED1は、可視光領域の光を吸収しないGaP基板11上に形成されているため、高い輝度で発光させることができる。このLED1の発光特性を評価したところ、図18に示した従来のGaAsを基板とするLED100の2倍以上の明るさを有することが確認された。   Thus, since LED1 of this embodiment is formed on the GaP board | substrate 11 which does not absorb the light of visible region, it can be made to light-emit with high brightness | luminance. When the light emission characteristics of the LED 1 were evaluated, it was confirmed that the LED 1 had brightness twice or more that of the LED 100 having the conventional GaAs substrate shown in FIG.

(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態として、接着型半導体基板の製造方法の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明においては、InGaAlP系LEDの製造に適用した具体例として説明し、より具体的には図1に示すLED1の製造方法の実施例のいくつかを示す。
(Second Embodiment)
Next, as a second embodiment of the present invention, an embodiment of a method for manufacturing an adhesive semiconductor substrate will be described with reference to the drawings. In the following description, it explains as a specific example applied to manufacture of InGaAlP type LED, and shows some examples of a manufacturing method of LED1 shown in FIG. 1 more specifically.

(第1の実施例)
まず、本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第1の実施例について図2を参照しながら説明する。本実施例は、第1の半導体基板上に形成されたエピタキシャル成長層の表面へのパーティクル付着を解決するものであり、その特徴は、エピウェーハの表面にカバー層を形成し、第2の半導体基板をエピウェーハに直接接着する前に、エピウェーハに付着したパーティクルをカバー層とともに除去する点にある。
(First embodiment)
First, a first embodiment of a method for manufacturing an adhesive semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, particle adhesion to the surface of the epitaxial growth layer formed on the first semiconductor substrate is solved. A feature of this embodiment is that a cover layer is formed on the surface of the epitaxial wafer, and the second semiconductor substrate is formed. Before adhering directly to the epiwafer, the particles adhering to the epiwafer are removed together with the cover layer.

図2(a)〜(d)は、本実施例の製造方法を具体的に説明する略示断面図である。なお、図2は、図1の上下を逆にした記載となっている。   2A to 2D are schematic cross-sectional views for specifically explaining the manufacturing method of this embodiment. Note that FIG. 2 is a description in which FIG. 1 is turned upside down.

図2(a)に示すように、直接接着に供するエピウェーハには、N型GaAs基板12上にバッファ層18,N型クラッド層14、活性層15,P型クラッド層16、および表面カバー層17が順次積層されて形成されている。これらのエピタキシャル成長層は、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により形成される。   As shown in FIG. 2A, an epi-wafer for direct bonding includes a buffer layer 18, an N-type cladding layer 14, an active layer 15, a P-type cladding layer 16, and a surface cover layer 17 on an N-type GaAs substrate 12. Are sequentially stacked. These epitaxial growth layers are formed by, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

N型GaAs基板12は、サイズが直径2インチ、厚さ250μmであり、不純物としてSiが約1E18/cm3のキャリア濃度でドープされており、さらにその主面は鏡面仕上げとなっている。バッファー層18はGaAsで、厚さは0.5μmである。最上層の表面カバー層17は、GaAsで形成され、その厚さは0.1μmである。 The N-type GaAs substrate 12 has a diameter of 2 inches and a thickness of 250 μm, is doped with Si as a carrier at a carrier concentration of about 1E18 / cm 3 , and its main surface has a mirror finish. The buffer layer 18 is GaAs and has a thickness of 0.5 μm. The uppermost surface cover layer 17 is made of GaAs and has a thickness of 0.1 μm.

次に、エピウェーハを界面活性剤で洗浄した後、容積比で硫酸8、過酸化水素水1、水1の混合液にエピウェーハを浸漬してエッチングを行い、図2(b)に示すように、表面カバー層17を除去した。この混合液は、GaAsカバー層を選択的にエッチングするもので、数秒で表面カバー層17が除去されたことが観察できたが、1分間侵漬を続けてPクラッド層16の表面を完全に表出させた。   Next, after cleaning the epiwafer with a surfactant, the epiwafer is immersed in a mixed solution of sulfuric acid 8, hydrogen peroxide solution 1, and water 1 in a volume ratio, and etching is performed, as shown in FIG. The surface cover layer 17 was removed. This mixed solution selectively etches the GaAs cover layer. It was observed that the surface cover layer 17 was removed in a few seconds, but the immersion was continued for 1 minute to completely remove the surface of the P clad layer 16. Expressed.

次いで、表面カバー層17を除去したエピウェーハとGaP基板11との直接接着を行い、図2(c)に示す被接着体を得た。以下、直接接着の工程をより詳細に説明する。   Subsequently, the epi wafer from which the surface cover layer 17 was removed and the GaP substrate 11 were directly bonded to obtain an adherend shown in FIG. Hereinafter, the direct bonding process will be described in more detail.

直接接着の前処理として、GaP基板11を界面活性剤で洗浄し、希弗酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後にスピナで乾燥させた。また、エピウェーハは上述した方法で表面カバー層17を除去した後、GaP基板11と同様にして酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行なった。これらの前処理は、すべてクリーンルーム内の清浄な雰囲気下で行った。   As a pretreatment for direct bonding, the GaP substrate 11 was washed with a surfactant, immersed in dilute hydrofluoric acid to remove the natural oxide film on the surface, washed with water, and then dried with a spinner. Further, after removing the surface cover layer 17 by the above-described method, the epiwafer was subjected to dilute hydrofluoric acid treatment for removing the oxide film in the same manner as the GaP substrate 11, and then washed with water and spinner dried. All of these pretreatments were performed in a clean atmosphere in a clean room.

次に、前処理を終えたエピウェーハをエピタキシャル成長層が上方になるように載置し、その上にGaP基板11を、鏡面が下向きになるように載置し、室温で密着させた。GaPは透明であるため密着状態を目視にて観察できる。GaP基板11をエピウェーハに載置すると、エピウェーハが正面視で凸形状をなすように反っているため、GaP基板11の中央部が最初に密着した。そのまま放置するだけで密着部が自然にGaP基板11の周辺部へ向って広がり、1分以内にGaP基板11の周縁の面取り部分を除いて全面が密着した。同様の操作を繰り返し、計10組の室温密着を行ない、そのすべてが全面密着した。本実施例との比較のため、カバー層17を設けなかったエピウェーハを準備してカバー層に対するエッチング以外は本実施例と同様の工程を経て室温密着を試みた。その結果、カバー層17を設けなかったエピウェーハは、10組のうち6組にボイドが発生し、1組は室温での密着ができなかった。   Next, the pre-processed epi-wafer was placed with the epitaxial growth layer facing upward, and the GaP substrate 11 was placed thereon with the mirror surface facing downward, and was brought into close contact at room temperature. Since GaP is transparent, the contact state can be visually observed. When the GaP substrate 11 was placed on the epi-wafer, the epi-wafer was warped so as to form a convex shape in front view, so that the central portion of the GaP substrate 11 was first adhered. The contact part naturally spreads toward the peripheral part of the GaP substrate 11 just by leaving it as it is, and the entire surface except the chamfered part of the periphery of the GaP substrate 11 was in close contact within 1 minute. The same operation was repeated, and a total of 10 groups were brought into close contact with each other at room temperature. For comparison with this example, an epi-wafer without the cover layer 17 was prepared, and room temperature adhesion was attempted through the same steps as in this example except for etching the cover layer. As a result, in the epitaxial wafer not provided with the cover layer 17, voids were generated in 6 out of 10 sets, and one set could not be adhered at room temperature.

直接接着の最終工程として、室温で密着している被接着体を石英ボートに立てて並べ、拡散炉内に入れて熱処理を行った。被接着体を5組ずつに分け、片方を800℃で、もう片方を400℃で熱処理した。いずれも処理時間は1時間で、雰囲気は水素を10%含むアルゴンである。熱処理工程後、800℃の被接着体は、5組中3組が割れるか、またはエピウェーハ側にクラックが入っていた。この一方、400℃で熱処理した5組については、割れたりクラックが入ったりしたものはなかった。熱処理工程における温度に応じたこのような相違は、GaAsを基板とするエピウェーハとGaP基板11とは熱膨張係数が異なるため、室温被接着体を高温で熱処理する際に熱応力が発生し、この結果被接着体が破壊されるためである。熱処理温度が低い場合は、温度にほぼ比例して昇温時の熱膨張差と降温時の熱収縮差が小さくなるため、400℃の熱処理では破壊が起こらなかった。   As the final step of direct bonding, the adherends that were in close contact at room temperature were placed upright on a quartz boat and placed in a diffusion furnace for heat treatment. The adherends were divided into 5 groups, and one was heat-treated at 800 ° C and the other at 400 ° C. In either case, the treatment time is 1 hour, and the atmosphere is argon containing 10% hydrogen. After the heat treatment process, the 800 ° C. adherend was broken in 3 out of 5 or cracked on the epiwafer side. On the other hand, none of the 5 sets heat-treated at 400 ° C. were cracked or cracked. Such a difference according to the temperature in the heat treatment process is that the thermal expansion coefficient is generated when the room temperature adherend is heat treated at a high temperature because the epitaxial growth wafer having GaAs as a substrate and the GaP substrate 11 have different thermal expansion coefficients. As a result, the adherend is destroyed. When the heat treatment temperature was low, the difference in thermal expansion at the time of temperature increase and the heat shrinkage difference at the time of temperature decrease were almost proportional to the temperature, so that the heat treatment at 400 ° C. did not cause destruction.

次に、図2(d)に示すように、エピウェーハのGaAs基板12を除去した。このGaAs基板12の除去工程は、被接着体をアンモニアと過酸化水素水の混合液に浸漬し、GaAsを選択的にエッチングすることにより処理した。このエッチングによりGaAsバッファ層18も同時に除去された。   Next, as shown in FIG. 2D, the GaAs substrate 12 of the epiwafer was removed. This process of removing the GaAs substrate 12 was performed by immersing the adherend in a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide and selectively etching GaAs. This etching also removed the GaAs buffer layer 18 at the same time.

最後に、GaP基板11とN型クラッド層14に電極19を設け、図1に示すLED1を得た。   Finally, an electrode 19 was provided on the GaP substrate 11 and the N-type cladding layer 14 to obtain the LED 1 shown in FIG.

以上、InGaAlPエピタキシャル成長層上のGaAsカバー層を選択エッチングで除去してから接着する工程を中心に本発明にかかる半導体発光素子の第1の実施例を説明した。但し、カバー層は必ずしもすべて除去する必要はなく、同様の効果が得られる範囲内で表面からその一部を除去してもよい。また、カバー層を設けずに、接着するエピタキシャル成長層の表面部分を除去してもよい。   The first embodiment of the semiconductor light emitting device according to the present invention has been described above centering on the step of bonding after removing the GaAs cover layer on the InGaAlP epitaxial growth layer by selective etching. However, it is not always necessary to remove all of the cover layer, and a part of the cover layer may be removed from the surface within a range in which a similar effect can be obtained. Moreover, you may remove the surface part of the epitaxial growth layer to adhere | attach, without providing a cover layer.

本実施例においては、直接接着するクラッド層が発光に寄与する層であるため、厚さを精密に制御するために、カバー層を設けた上でこれを選択エッチングで完全に除去したものである。   In this example, the cladding layer directly bonded is a layer that contributes to light emission. Therefore, in order to precisely control the thickness, a cover layer is provided and then completely removed by selective etching. .

本実施例の表面パーティクル除去方法は、上述したInGaA1P系エピタキシャル成長層とGaP基板との直接接着に限らず、エピタキシャル成長層にウェーハ接着する場合に有効である。また接着法も上述した直接接着に限らず、荷重をかけながら熱処理する方法、電圧をかけて接着する方法、さらに接着層や接着材料を使用して接着する方法においても、接着表面のパーティクルは接着の障害になるため、本実施例の表面パーティクル除去方法は適用可能である。   The surface particle removal method of the present embodiment is effective not only in the direct adhesion between the above-described InGaA1P-based epitaxial growth layer and the GaP substrate but also in the case of wafer bonding to the epitaxial growth layer. Also, the bonding method is not limited to the direct bonding described above, and the particles on the bonding surface are bonded even in a method of heat treatment while applying a load, a method of bonding by applying a voltage, and a method of bonding using an adhesive layer or an adhesive material. Therefore, the surface particle removal method of this embodiment is applicable.

(第2の実施例)
次に、本発明にかかる密着型半導体基板の製造方法の第2の実施例について説明する。本実施例は、エピウェーハの反りが大きい場合に、InGaA1P系材料の格子定数を調整することにより、直接接着工程の室温密着が不完全となる問題を解決するものである。その他の製造方法は、前述した第1の実施例と略同一である。本実施例についても図1に示すLED1の製造方法に適用した具体例として図2の略示断面図を用いて説明する。
(Second embodiment)
Next, a description will be given of a second embodiment of the method for manufacturing a contact type semiconductor substrate according to the present invention. This example solves the problem that the room temperature adhesion in the direct bonding process becomes incomplete by adjusting the lattice constant of the InGaA1P-based material when the warp of the epi-wafer is large. Other manufacturing methods are substantially the same as those of the first embodiment described above. This example will also be described with reference to the schematic cross-sectional view of FIG. 2 as a specific example applied to the manufacturing method of the LED 1 shown in FIG.

上述した第1の実施例では、厚さの合計が1.8μmのInGaAlP系エピタキシャル成長層を有するエピウェーハと、厚さ250μmのGaP基板とを使用し全面密着が可能であった。このエピウェーハには11μm〜18μmの反りがあったが、室温密着カがエピウェーハの反りを矯正した結果、また、GaP基板をエピウェーハに合わせて凹に反らした結果、全面が密着した。   In the first embodiment described above, the entire surface can be adhered using an epitaxial wafer having an InGaAlP epitaxial growth layer with a total thickness of 1.8 μm and a GaP substrate with a thickness of 250 μm. This epiwafer had a warp of 11 μm to 18 μm, but as a result of room temperature adhesion correcting the epiwafer warp, and as a result of warping the GaP substrate in accordance with the epiwafer, the entire surface adhered.

これに対して、InGaAlP系エピタキシャル成長層の厚さ合計が3.6μmのエピウェーハと、厚さ350μmのGaP基板を使用して、同様の直接接着を試みた。エピウェーハは、基板と各エピタキシャル成長層の組成を第1の実施例と同一にし、厚さは、活性層15とバッファー層18とカバー層17については同一だが、N型クラッド層14とP型クラッド層16はそれぞれ1.5μmと厚くしてある。この結果、エピウェーハの反りは24〜36μmと、ほぼInGaA1P系エピタキシャル成長層の厚さ合計に比例して大きくなっていた。   On the other hand, the same direct adhesion was attempted using an epitaxial wafer having a total thickness of 3.6 μm of InGaAlP epitaxial growth layer and a GaP substrate having a thickness of 350 μm. The epitaxial wafer has the same composition of the substrate and each epitaxial growth layer as in the first embodiment, and the thickness is the same for the active layer 15, the buffer layer 18 and the cover layer 17, but the N-type cladding layer 14 and the P-type cladding layer. Each 16 is as thick as 1.5 μm. As a result, the warp of the epiwafer was 24 to 36 μm, which was increased in proportion to the total thickness of the InGaA1P epitaxial growth layer.

この場合、エピウェーハの中央領域は室温で密着したが、全面の密着はできなかった。ここで、エピウェーハを平坦な真空チャックに吸着させると全面密着が可能であった。このことから、全面接着できない原因は、エピウェーハの反りが大きいことと、さらに、GaP基板が厚く変形しにくいことにより、室温密着カがウェーハの反りを矯正できなくなった点にあることが分る。   In this case, the central region of the epiwafer adhered at room temperature, but the entire surface could not be adhered. Here, when the epiwafer was adsorbed to a flat vacuum chuck, the entire surface could be adhered. From this, it can be seen that the reason why the entire surface cannot be bonded is that the epi-wafer warpage is large, and that the GaP substrate is thick and difficult to deform, so that the room temperature adhesion cannot correct the warpage of the wafer.

本実施例の特徴は、InGaA1P系材料の特性を利用して、バンドギャップなどの発光に影響する特性を変えることなく、格子定数を調整して、エピウェーハの反りを減らすことにある。1nGaAlP系材料は、InP,GaP,A1Pの混晶である。一般にベガード則と呼ばれる法則によれば、混晶の格子定数やバンドギャップは、混晶を構成する物質の格子定数とバンドギャップとを構成比に応じて平均化した値となる。いくつかの1nGaAlP材料について、1)式の組成比x,yと、これらxおよびyから換算したInP,GaP,AlPの構成比と、この構成比からベカード則より計算した格子定数およびバンドギャップとを図3に示す。格子定数についてはGaAsの格子定数0.56533nmとの比を合わせて示した。同図中、番号1,2,3は、対応する組成比から分るようにそれぞれ1nP,AlP,GaP単体の場合であり、格子定数とバンドギャップとの計算にはこの欄の値を使用した。   The feature of this embodiment is that the lattice constant is adjusted by using the characteristics of the InGaA1P-based material without changing the characteristics affecting the light emission such as the band gap, thereby reducing the warpage of the epi-wafer. The 1nGaAlP-based material is a mixed crystal of InP, GaP, and A1P. In general, according to a law called Vegard's law, the lattice constant or band gap of a mixed crystal is a value obtained by averaging the lattice constant and band gap of a substance constituting the mixed crystal according to the composition ratio. For some 1nGaAlP materials, the composition ratio x, y in the formula (1), the composition ratio of InP, GaP, AlP converted from these x and y, the lattice constant and the band gap calculated from this composition ratio according to the Bekaard rule, Is shown in FIG. The lattice constant is shown together with the ratio of the lattice constant of GaAs to 0.56533 nm. In the figure, numbers 1, 2, and 3 are cases of 1nP, AlP, and GaP, respectively, as can be seen from the corresponding composition ratios, and the values in this column were used for the calculation of the lattice constant and the band gap. .

本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第1の実施例で説明した、室温で全面密着ができなかったエピウェーハの組成は、番号4と5の欄に示し、また、従来の技術で説明した従来の赤色LEDと緑色LEDの組成は番号6〜9の欄に示している。従来の赤色と緑色LEDについては、いずれの格子定数もGaAsより大きく、これがエピウェーハが反る原因となっている。   The composition of the epi-wafer that was not fully adhered at room temperature described in the first embodiment of the method for manufacturing an adhesive-type semiconductor substrate according to the present invention is shown in the columns of Nos. 4 and 5 and explained in the prior art. The compositions of the conventional red LED and green LED are shown in the columns of Nos. 6-9. For conventional red and green LEDs, both lattice constants are larger than GaAs, which causes the epi-wafer to warp.

従来、エピタキシャル成長層の格子定数は、エピタキシャル成長を行う高温において基板の格子定数との間で整合が取られていた。これは、成長中の格子歪みを減らし高品質のエピタキシャル成長層を得ることを目的としている。しかしながら、高温で格子定数が合っていても、エピタキシャル成長層の熱膨張係数と基板の熱膨張係数は一般に異なるため、接着工程で室温にまで低下すると格子定数が合わなくなり、これが反りの発生原因となっている。   Conventionally, the lattice constant of the epitaxial growth layer has been matched with the lattice constant of the substrate at a high temperature for epitaxial growth. This is intended to reduce the lattice distortion during growth and to obtain a high quality epitaxial growth layer. However, even if the lattice constants match at high temperatures, the thermal expansion coefficient of the epitaxial growth layer and the thermal expansion coefficient of the substrate are generally different, so if they are lowered to room temperature in the bonding process, the lattice constants do not match, which causes warpage. ing.

本実施例の特徴は、直接接着を実現するために室温における格子整合を重視し、エピウェーハの反りを減らしたことにある。その具体的手段は、以下の通りである。   The feature of this embodiment is that the lattice matching at room temperature is emphasized in order to realize direct bonding, and the warpage of the epi wafer is reduced. The specific means is as follows.

図3において、番号10〜19の欄には、室温で全面密着ができなかったエピウェーハ(番号5)を元にクラッド層のIn組成xを減らしていった場合の格子定数の変化を示している。xが0.47で格子定数はGaAsと同じになり、0.47を下回ると、格子定数は逆にGaAsよりも小さくなり、この結果エピウェーハを凹に反らせる応力が働く。そこで、クラッド層の組成だけを変えてエピウェーハを試作し直接接着試験を行った。xの値を減らすとエピウェーハの反りは減少し、x=0.47で反りは6〜12μmと小さくなり、室温での全面密着が可能であった。x=0.48またはx=0.49でも全面接着できるGaP基板があった。xを0.45にすると成長中の格子不整合が大きくなり、結晶欠陥が増えた。xの値の許容範囲は、エピタキシャル成長層の厚さや、接着するGaP基板の厚さにも依存するため、一概には規定できないが、従来の0.5より小さければ反り低減の効果があり、0.45以下になるとエピタキシャル成長に不都合が生じる。なお、In組成を減らすことによりバンドギャップが大きくなるが、クラッド層はキャリアを閉じこめる機能を有し、直接発光しないため、発光波長に影響することは少ない。本実施例では、発光波長の変化を避けるために、活性層の組成を変えなかった。また、ウェーハの反りは方法の如何を問わずウェーハ接着の障害となるため、本実施例は、InGaA1P系エピタキシャル成長層とGaPウェーハとの直接接着に限らず、他のウェーハ接着に適用しても同様の効果を有する。   In FIG. 3, columns 10 to 19 show changes in the lattice constant when the In composition x of the cladding layer is reduced based on the epi-wafer (number 5) that cannot be adhered to the entire surface at room temperature. . When x is 0.47 and the lattice constant is the same as that of GaAs, when the value is lower than 0.47, the lattice constant is smaller than that of GaAs. Therefore, an epi-wafer was prototyped by changing only the composition of the cladding layer, and a direct adhesion test was performed. When the value of x was reduced, the warpage of the epiwafer was reduced. When x = 0.47, the warpage was as small as 6 to 12 μm, and the entire surface could be adhered at room temperature. There was a GaP substrate that could be adhered to the entire surface even when x = 0.48 or x = 0.49. When x was set to 0.45, the lattice mismatch during growth increased and crystal defects increased. Since the allowable range of the value of x depends on the thickness of the epitaxial growth layer and the thickness of the GaP substrate to be bonded, it cannot be defined unconditionally, but if it is smaller than 0.5, the effect of reducing the warp is 0. If it is less than .45, there is a disadvantage in epitaxial growth. Although the band gap is increased by reducing the In composition, the clad layer has a function of confining carriers and does not emit light directly, so it hardly affects the emission wavelength. In this example, the composition of the active layer was not changed in order to avoid a change in the emission wavelength. In addition, since the warpage of the wafer becomes an obstacle to wafer bonding regardless of the method, the present embodiment is not limited to direct bonding between the InGaA1P epitaxial growth layer and the GaP wafer, and the same applies to other wafer bonding. It has the effect.

(第3の実施例)
次に、本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第3の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は、直接接着するウェーハ間の熱膨張差による破壊の問題を解決する方法を示すものである。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the method for manufacturing an adhesive semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment shows a method for solving the problem of destruction due to a difference in thermal expansion between wafers directly bonded.

前述した第1の実施例では、熱処理温度を400℃まで下げることにより直接接着熱処理による基板破壊を免れた。熱膨張量は熱処理温度にほぼ比例するため、熱処理温度の低下は基板破壊の防止に寄与する。この一方、熱処理温度を下げると、接着界面での原子の移動と再配列が不十分となるため、接合が不完全になるおそれがある。本実施例は接着型半導体基板の製造方法をLED製造に応用するものであるため、接合強度がLED製造プロセスに耐えることと、接着界面を横切って電流を流せることが求められる。第1の実施例では、接合強度に関しては400℃の熱処理でも本発明にかかるLEDの製造に十分な強度が得られた。直接接着界面の電気抵抗を評価するために、一定電流20mmAを順方向に流したときの電圧VFを測定した。この際、電極のコンタクト抵抗を減らすために、図4のエッチング停止層を利用して、クラッド層と電極との間にGaAsコンタクト層を設けた。第1の実施例のLEDのうち、800℃で接着熱処理をしたもののVFは平均2.0V、最大2.lVで、従来のLEDのVFと同じであった。これに対して400℃で接着熱処理をしたLEDのVFは、平均は2.lVで同程度であるのに対し、最大が3.2Vと大きく、直接接着が不完全な部分があることを示している。この測定結果は、熱処理温度低下によるウェーハ熱膨張差の減少が接着の完全性と両立しない場合があることを示唆している。   In the first embodiment described above, the heat treatment temperature was lowered to 400 ° C., thereby avoiding the substrate destruction due to the direct adhesion heat treatment. Since the amount of thermal expansion is substantially proportional to the heat treatment temperature, a decrease in the heat treatment temperature contributes to prevention of substrate destruction. On the other hand, when the heat treatment temperature is lowered, the movement and rearrangement of atoms at the bonding interface becomes insufficient, and thus there is a possibility that the bonding becomes incomplete. In this embodiment, since the manufacturing method of the adhesive semiconductor substrate is applied to LED manufacturing, it is required that the bonding strength can withstand the LED manufacturing process and that a current can flow across the bonding interface. In the first example, with respect to the bonding strength, a sufficient strength for manufacturing the LED according to the present invention was obtained even by heat treatment at 400 ° C. In order to evaluate the electric resistance of the direct adhesion interface, the voltage VF was measured when a constant current of 20 mmA was passed in the forward direction. At this time, in order to reduce the contact resistance of the electrode, a GaAs contact layer was provided between the cladding layer and the electrode by using the etching stop layer of FIG. Among the LEDs of the first embodiment, those subjected to adhesive heat treatment at 800 ° C. have an average VF of 2.0 V and a maximum of 2. At 1V, it was the same as the VF of the conventional LED. On the other hand, the average VF of LEDs subjected to adhesive heat treatment at 400 ° C. is 2. While it is the same level at 1V, the maximum is as large as 3.2V, indicating that there is a part where direct adhesion is incomplete. This measurement result suggests that a decrease in the difference in thermal expansion of the wafer due to a decrease in the heat treatment temperature may not be compatible with the adhesion integrity.

本実施例の接着型半導体基板の製造方法を図4を参照しながら説明する。図4(a)は本実施例の製造方法に用いるエピウェーハを示す。同図に示すエピウェーハは、GaAsバッファー層38とGaAs基板32の問にエッチング停止層33を形成した点が図2(a)に示すエピウェーハと異なり、その他の点は実質的に同一である。エッチング停止層33は厚さ0.2μmのInAlPである。後述するGaPウェーハ31も第1の実施例と実質的に同一のものを使用した。   The manufacturing method of the adhesive type semiconductor substrate of a present Example is demonstrated referring FIG. FIG. 4A shows an epi-wafer used for the manufacturing method of this embodiment. The epiwafer shown in the figure differs from the epiwafer shown in FIG. 2A in that an etching stop layer 33 is formed between the GaAs buffer layer 38 and the GaAs substrate 32, and the other points are substantially the same. The etching stop layer 33 is InAlP having a thickness of 0.2 μm. A GaP wafer 31 to be described later is also substantially the same as that of the first embodiment.

まず、図4(a)〜(c)に示すように、直接接着工程のうち室温貼り合わせまでの工程を第1の実施例と同様に行なった。   First, as shown in FIGS. 4A to 4C, the steps up to room temperature bonding in the direct bonding step were performed in the same manner as in the first example.

次に、熱処理をする前にGaAs基板32を除去する。この点が本実施例の特徴である。図4(c)に示す室温被密着体をアンモニアと過酸化水素水の混合液に浸漬し、GaAs基板32をエッチングにより取り除いた。このエッチング液はInAlPをエッチングしないので、エッチング後は、図4(d)に示すように、エッチング停止層33が表面に残っている。   Next, the GaAs substrate 32 is removed before heat treatment. This is a feature of this embodiment. 4C was immersed in a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide solution, and the GaAs substrate 32 was removed by etching. Since this etching solution does not etch InAlP, the etching stopper layer 33 remains on the surface after the etching as shown in FIG.

GaAs基板32を取り除いた後、第1の実施例と同様に熱処理をした。処理温度は第1の実施例で用いた2つの温度のうち、高い方の800℃とした。   After removing the GaAs substrate 32, heat treatment was performed as in the first embodiment. The processing temperature was set to 800 ° C., which is the higher of the two temperatures used in the first embodiment.

次に、図4(e)に示すように、熱処理後、リン酸と過酸化水素水と水の混合液でエッチング停止層33をエッチングにより除去し、また、硫酸と過酸化水素水と水の混合液でバッファー層38を一部残してエッチングにより取り除き、さらに第1の実施例と同様にN型クラッド層34の上側のバッファ層を残した部分とGaP基板31の下面に電極39を設けて、図4(f)に示すLED2を得た。残したバッファ層は、コンタクト層の役割を果たす。   Next, as shown in FIG. 4 (e), after the heat treatment, the etching stop layer 33 is removed by etching with a mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide solution, and water, and sulfuric acid, hydrogen peroxide solution, and water are removed. A part of the buffer layer 38 is left behind by etching with the mixed solution, and an electrode 39 is provided on the lower part of the GaP substrate 31 and the part where the upper buffer layer of the N-type clad layer 34 is left as in the first embodiment. LED 2 shown in FIG. 4F was obtained. The remaining buffer layer serves as a contact layer.

800℃で熱処理をすると、第1の実施例では5組中3組の被接着体が破壊したが、本実施例では5組すべてが割れずクラックも見られなかった。また本実施例のLED2の特性は、輝度およびVFとも、第1の実施例の被接着体のうち、800℃の熱処理で破壊されなかった被接着体から製造したものと同じであった。   When heat treatment was performed at 800 ° C., 3 of the 5 bonded bodies were broken in the first example, but all 5 groups were not broken and no cracks were observed in this example. In addition, the characteristics of the LED 2 of this example were the same as those manufactured from the adherend that was not broken by the heat treatment at 800 ° C. among the adherends of the first example in both luminance and VF.

熱処理をする前にエピウェーハのGaAs基板32を除去することで、熱処理による被接着体の破壊を免れた理由は次のとおりである。即ち、被接着体の破壊は、エピウェーハの熱膨張係数とGaP基板31の熱膨張係数との差異に基づく。エピウェーハの容積のほとんどはGaAs基板32で構成されるので、エピウェーハの平均熱膨張係数はほぼGaAsに等しい。GaAsはGaPより熱膨張係数が大きいため、エピウェーハの平均熱膨張係数もGaP基板31より大きい。この一方、エピタキシャル成長層の格子定数はGaAs基板32に適合させているにもかかわらず、エピウェーハはエピタキシャル成長層側が凸に反っている。このことは、エピタキシャル成長層の熱膨張係数がGaAs基板32の熱膨張係数よりも小さいことを示している。従って、エピウェーハからGaAs基板32を除去すれば、エピウェーハの平均熱膨張係数はエピタキシャル成長層の熱膨張係数となり、GaP基板31に近くなる。この結果、熱処理をしても被接着体の破壊が起こらなくなる。従って、GaAs基板32のすべてを熱処理前に除去しなくても、その一部を除去することでもエピウエーハの平均熱膨張係数がGaP基板31に近づき、熱処理中の被接着体の破壊を防止する効果がある。   The reason why the GaAs substrate 32 on the epi-wafer is removed before the heat treatment to avoid the destruction of the adherend due to the heat treatment is as follows. That is, the destruction of the adherend is based on the difference between the thermal expansion coefficient of the epi wafer and the thermal expansion coefficient of the GaP substrate 31. Since most of the volume of the epi wafer is composed of the GaAs substrate 32, the average thermal expansion coefficient of the epi wafer is approximately equal to GaAs. Since GaAs has a larger thermal expansion coefficient than GaP, the average thermal expansion coefficient of the epi-wafer is also larger than that of the GaP substrate 31. On the other hand, despite the fact that the lattice constant of the epitaxial growth layer is adapted to the GaAs substrate 32, the epitaxial wafer is warped convexly on the epitaxial wafer side. This indicates that the thermal expansion coefficient of the epitaxial growth layer is smaller than the thermal expansion coefficient of the GaAs substrate 32. Therefore, if the GaAs substrate 32 is removed from the epi-wafer, the average thermal expansion coefficient of the epi-wafer becomes the thermal expansion coefficient of the epitaxial growth layer and is close to the GaP substrate 31. As a result, the adherend is not destroyed even after heat treatment. Therefore, even if not all of the GaAs substrate 32 is removed before the heat treatment, even if a part of the GaAs substrate 32 is removed, the average thermal expansion coefficient of the epi wafer approaches the GaP substrate 31, and the effect of preventing destruction of the adherend during the heat treatment. There is.

また、本実施例ではエッチング停止層33を利用して、N型クラッド層34が熱処理中に露出しないようにした。これは、InGaAlP系材料を高温で加熱すると蒸気圧が高いP(リン)が蒸発し、いわゆるリン抜けを起こす可能性があるため、これを防止するのが目的である。このように、活性層やクラッド層などの発光に直接関与するエピタキシャル成長層は、熱処理中に露出させないことが望ましい。   In this embodiment, the etching stop layer 33 is used so that the N-type cladding layer 34 is not exposed during the heat treatment. The purpose of this is to prevent P (phosphorus) having a high vapor pressure from evaporating when the InGaAlP-based material is heated at a high temperature, which may cause so-called phosphorus removal. Thus, it is desirable not to expose the epitaxial growth layer directly involved in light emission such as the active layer and the cladding layer during the heat treatment.

異種材料同士の直接接着に関しては、特許第2801672号で、低温で熱処理をした後に一方のウェーハを薄くして高温で熱処理をする方法が本発明者らにより提案されている。この方法は、一方のウェーハを薄くすることで、他方のウェーハへ印加される熱応力を減らすもので、本実施例のようにエピウェーハ全体の平均熱膨張係数を変えて熱応力を減らすものではない。   Regarding the direct bonding between different materials, in Japanese Patent No. 2801672, the present inventors have proposed a method in which one wafer is thinned and heat-treated at a high temperature after heat-treating at a low temperature. This method reduces the thermal stress applied to the other wafer by making one wafer thinner, and does not reduce the thermal stress by changing the average thermal expansion coefficient of the entire epi-wafer as in this embodiment. .

本発明にかかる接着型基板の製造方法でも、低温で熱処理をして所定の接着強度を得てからエピウェーハの基板を除去し、その後所定の高温で熱処理をすることも可能である。ただし、本実施例のように接着面の電気的特性が問題となる場合には、低温熱処理を100〜300℃以下の低い温度で行うことが望ましい。この理由は次のとおりである。即ち、脱水縮合反応の進行で接着強度は増加するが、同時に脱離する水分も増える。そのまま温度を上げて接着反応を完結させればよいが、一度熱処理を止めると水分が接着界面に固定され、再度高温に昇温しても電気特性に悪影響を与える可能性が高いためである。   In the method for manufacturing an adhesive substrate according to the present invention, it is also possible to remove the epiwafer substrate after heat treatment is performed at a low temperature to obtain a predetermined adhesive strength, and then heat treatment is performed at a predetermined high temperature. However, when the electrical characteristics of the adhesive surface become a problem as in this embodiment, it is desirable to perform the low-temperature heat treatment at a low temperature of 100 to 300 ° C. or lower. The reason for this is as follows. That is, the adhesion strength increases with the progress of the dehydration condensation reaction, but at the same time, the amount of desorbed water also increases. The adhesion reaction may be completed by raising the temperature as it is. However, once the heat treatment is stopped, moisture is fixed at the adhesion interface, and even if the temperature is raised again, there is a high possibility that the electrical characteristics will be adversely affected.

(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。本実施形態は、2枚のウェーハを接着する際に、結晶学的にみて、一方のウェーハの「裏」と他方のウェーハの「表」とが接合されるように向きを揃える点に特徴を有する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. This embodiment is characterized in that when two wafers are bonded, the orientation is aligned so that the “back” of one wafer and the “front” of the other wafer are bonded together in terms of crystallography. Have.

図5は、本実施形態にかかる基板の接着方法を説明するための概念図である。   FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining a method of bonding substrates according to the present embodiment.

すなわち、半導体基板は、通常は、図5(a)に例示したような単結晶インゴットから所定の結晶方位にスライスされることにより得られる。   That is, the semiconductor substrate is usually obtained by slicing a single crystal ingot as illustrated in FIG. 5A in a predetermined crystal orientation.

そして、従来は、図5(b)に例示したように、このようなインゴットIGからスライスされたウェーハ111、112の表面111A、112Aをそれぞれ鏡面研磨し、必要に応じてその表面に図示しないエピタキシャル層などを形成し、しかる後に、表面111Aと112Aとが向き合う向きに対向させて接着していた。   Conventionally, as illustrated in FIG. 5B, the surfaces 111A and 112A of the wafers 111 and 112 sliced from the ingot IG are mirror-polished, and an epitaxial layer (not shown) is formed on the surfaces as necessary. Layers and the like were formed, and then bonded so that the surfaces 111A and 112A face each other.

ここで、接着界面の抵抗に関しては、シリコン(Si)同士の接着と、化合物の接着では差異がある。すなわち、シリコン(Si)同士では、接着するウェーハの結晶方位に関わらず、接着面のキャリア濃度を高くして、接着熱処理温度を適切な範囲に選べば、界面に電気抵抗は発生しない。例えば、(100)面に(111)面を接着しても、(100)面同士のウェーハを互いに45度回転させて界面抵抗はない。   Here, regarding the resistance of the bonding interface, there is a difference between bonding of silicon (Si) and bonding of a compound. That is, between silicon (Si), regardless of the crystal orientation of the wafer to be bonded, if the carrier concentration on the bonding surface is increased and the bonding heat treatment temperature is selected within an appropriate range, no electrical resistance is generated at the interface. For example, even if the (111) plane is bonded to the (100) plane, the (100) plane wafers are rotated by 45 degrees, and there is no interface resistance.

これに対して化合物、特にLED用ウェーハなどの接着の場合は、キャリア濃度を高くするだけでなく、接着するウェーハ間の面方位を整合させないと、界面に抵抗が発生する。この現象に従って、界面抵抗を減らすために、結晶の方向に対して同じ角度の傾きを持つウェーハ同士を、相互に回転させずに結晶の回転方向の向きを合わせて接着する方法が、米国特許(USP)第 5,661,316号で提案されている。   On the other hand, in the case of bonding a compound, particularly an LED wafer, resistance is generated at the interface unless the carrier orientation is increased and the plane orientation between the bonded wafers is not matched. According to this phenomenon, in order to reduce the interfacial resistance, a method in which wafers having the same angle of inclination with respect to the crystal direction are bonded to each other without rotating each other by aligning the directions of the crystal rotation directions. (USP) No. 5,661,316.

これに対して、本発明者は、種々の結晶方向を組み合わせて接着を試みた結果、ウェーハの傾きと回転方向を合わせるだけでは不十分で、特に結晶に対して傾いた面を持つウェーハでは、一方のウェーハの「表」面に、他方のウェーハの「裏」面を接着することが、界面抵抗を減らす上で大きな効果があることを見いだした。   On the other hand, as a result of trying the bonding by combining various crystal directions, the present inventor is not sufficient only to match the tilt and rotation direction of the wafer, particularly in a wafer having a plane inclined with respect to the crystal, We found that bonding the “back” surface of the other wafer to the “front” surface of one wafer has a significant effect on reducing the interfacial resistance.

すなわち、本実施形態においては、図5(c)に表したように、ウェーハ111の裏面111Bとウェーハ112の表面112Aとが向き合う向きに対向させて接着する。本発明者は、後に詳述するように、このように接着すると接着界面の結晶性を改善し、電気的な抵抗成分を大幅に低減できることを見いだした。   That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 5C, the back surface 111 </ b> B of the wafer 111 and the front surface 112 </ b> A of the wafer 112 are bonded to face each other. As described later in detail, the present inventor has found that the adhesion can improve the crystallinity of the adhesion interface and can greatly reduce the electrical resistance component.

例えば、閃亜鉛型構造を有するIII-V族化合物半導体を例に挙げると、図5(a)に表したように、[100]方向に成長させた単結晶インゴットIGには、その成長軸に対して傾斜して(111)A面が表れる方向と、(111)B面が表れる方向とが存在する。ここで、(111)A面は、例えば、III属元素が表面に優勢に表れる原子面であり、(111)B面は、V属元素が表面に優勢に表れる原子面である。   For example, taking a group III-V compound semiconductor having a zinc-blende structure as an example, as shown in FIG. 5 (a), a single crystal ingot IG grown in the [100] direction has an axis of growth. There are a direction in which the (111) A plane appears and a direction in which the (111) B plane appears. Here, the (111) A plane is, for example, an atomic plane in which a group III element appears predominantly on the surface, and the (111) B plane is an atomic plane in which a group V element appears predominantly on the surface.

そして、このような単結晶インゴットから(111)A面に所定の角度をもって傾けた方向にスライスして得られた半導体基板111、112の表面は、(111)A面の物性が優勢に表れる表面111A、112Aを有する。これに対して、これらの半導体基板111、112の裏面111B、112Bは、(111)B面の物性が優勢に表れる面となる。   The surfaces of the semiconductor substrates 111 and 112 obtained by slicing the single crystal ingot from the single crystal ingot in a direction inclined at a predetermined angle with respect to the (111) A plane are surfaces on which the physical properties of the (111) A plane appear predominantly. 111A and 112A. On the other hand, the back surfaces 111B and 112B of these semiconductor substrates 111 and 112 are surfaces on which the physical properties of the (111) B surface appear predominantly.

結晶を傾けてスライスするのは、いわゆる「ジャスト」方位の基板よりも、傾いた表面方位を有する基板の方がエピタキシャル成長に都合がよいためで、一般に(100)面を(111)面方向に傾ける。ところが、GaAsやGaPのような化合物半導体の場合は、上述したように、(111)面には2種類有り、一方は表面がIII族のGaで覆われ、他方はV族のAsやPで覆われる。そして(111)面が表面になるように結晶を加工してウェーハを作ると、その表面と裏面は互いに異なる面になることが知られている。   The reason why the crystal is tilted and sliced is that the substrate having the tilted surface orientation is more convenient for epitaxial growth than the substrate having the so-called “just” orientation, so that the (100) plane is generally tilted in the (111) plane direction. . However, in the case of a compound semiconductor such as GaAs or GaP, as described above, there are two types on the (111) plane, one of which is covered with group III Ga and the other is group V As or P. Covered. It is known that when a crystal is processed so that the (111) plane becomes the front surface, the front surface and the back surface are different from each other.

図5の場合、例えば、表面側が(111)III族面に傾くようにスライスすると、裏面は(111)V族面に傾く。従って、図5(c)に表したように2枚の半導体基板の表面と裏面とを接着することは、(111)III族面に傾いた面と(111)V族面に傾いた面とを接着することにほかならない。   In the case of FIG. 5, for example, when slicing is performed so that the front surface side is inclined to the (111) III group surface, the back surface is inclined to the (111) V group surface. Therefore, as shown in FIG. 5C, bonding the front and back surfaces of the two semiconductor substrates includes a surface inclined to the (111) group III surface and a surface inclined to the (111) group V surface. It is none other than gluing.

(100)面を(111)III族面に傾けた面は、(100)面と(111)面が混在し、III族原子の比率が高い。逆に(111)V族面に傾いた面はV族原子の比率が高い。両者を組み合わせると、接着界面でIII族とV族の比が保たれ、電気特性に悪影響を与えるダングリングボンドが減り、電気抵抗を減らすことができる。   The (100) plane is inclined to the (111) III group plane, and the (100) plane and the (111) plane are mixed, and the ratio of group III atoms is high. Conversely, the plane inclined to the (111) group V plane has a high ratio of group V atoms. When both are combined, the ratio of group III and group V is maintained at the bonding interface, dangling bonds that adversely affect electrical characteristics are reduced, and electrical resistance can be reduced.

従って、接着する半導体基板の材料が同一である場合には、表面の傾斜角度は2枚の基板の間で相互に近いことが望ましい。この場合に、最もIII族原子とV族原子のバランスが良好になるからである。   Therefore, when the materials of the semiconductor substrates to be bonded are the same, it is desirable that the inclination angles of the surfaces are close to each other between the two substrates. In this case, the balance between the group III atom and the group V atom is most favorable.

一方、異なる材料の半導体基板同士を接着する場合には、両者の物性に合わせて、表面の傾斜角度も調節することが望ましい。材料が異なる場合には傾斜角度に対するIII族原子やV族原子の比率も異なる場合があるからである。   On the other hand, when semiconductor substrates made of different materials are bonded to each other, it is desirable to adjust the surface inclination angle in accordance with the physical properties of the two. This is because when the materials are different, the ratio of the group III atom or the group V atom to the tilt angle may be different.

また、異方性が出現する方向(例えば、GaAsやGaPにおける<111>方向)の傾斜角(オフアングル)が小さい表面を有する半導体基板の場合には、表面同士を組み合わせてもダングリングボンドの数が少なく、界面抵抗の上昇は比較的小さい傾向がある。これに対して、傾斜角が10度以上の場合は、裏面と表面を組み合わせると顕著な効果が得られる。   In the case of a semiconductor substrate having a surface with a small inclination angle (off-angle) in the direction in which anisotropy appears (for example, <111> direction in GaAs or GaP), dangling bonds can be formed even if the surfaces are combined. The number is small and the increase in interfacial resistance tends to be relatively small. On the other hand, when the inclination angle is 10 degrees or more, a remarkable effect can be obtained by combining the back surface and the front surface.

一方、本発明者の検討の結果によれば、表面の傾斜角が小さい場合、例えば傾斜角が0度の(100)ジャスト面を表面に有する基板を接着する場合でも、裏面と表面とを接着すると効果が見られる。従来は、(100)面は裏面も表面も電気的に等価と考えられていた。しかし、GaAsやGaPのようなIII-V族化合物半導体は閃亜鉛構造を有し、III族原子とV族原子がそれぞれ別の面心立格子位置に配置し、これらの格子が互いに対角線方向に格子定数の1/4だけずれている。従って、(100)面は、III族原子かV族原子の一方が最表面に出て、他方は1/4格子分だけ内部にあると推測される。この場合、基板の裏面においては、電気的中性を保つために表面と逆の原子が最表面に出ることとなる。このような理由により、(100)ジャスト面でも、表面と裏面とを組み合わせて接着する方が、ダングリングボンドの数が少なく、界面抵抗の上昇が小さくなるものと考えられる。   On the other hand, according to the results of the study by the present inventors, even when the surface has a small inclination angle, for example, when a substrate having a (100) just surface with an inclination angle of 0 degrees is bonded, the back surface and the surface are bonded. Then the effect is seen. Conventionally, the (100) plane was considered to be electrically equivalent to the back surface and the front surface. However, III-V compound semiconductors such as GaAs and GaP have a zinc flash structure, where group III atoms and group V atoms are arranged in different face-centered lattice positions, and these lattices are diagonal to each other. It is shifted by 1/4 of the lattice constant. Therefore, the (100) plane is presumed that one of the group III atom or the group V atom comes out on the outermost surface and the other is inside the ¼ lattice. In this case, on the back surface of the substrate, atoms opposite to the front surface appear on the outermost surface in order to maintain electrical neutrality. For these reasons, it is considered that even when the (100) just surface is bonded, the front surface and the back surface are bonded together in order to reduce the number of dangling bonds and increase the interface resistance.

本実施形態は、異なるインゴットからスライスされた2枚の半導体基板を接着する場合にも同様にも顕著な効果を奏する。   The present embodiment also has a remarkable effect when two semiconductor substrates sliced from different ingots are bonded.

図6は、2つの異なるインゴットからスライスされた半導体基板を接着する様子を表した概念図である。例えば、同図(a)に表したように、[100]方向に成長したGaP単結晶インゴットから(111)方向に傾斜させたオフアングルを有する半導体基板11をスライスする。半導体基板11は、(111)A面の成分が強く表れる表面11Aと、(111)B面の成分が強く表れる裏面11Bとを有する。同様に、図6(b)に表したように、GaAsインゴットからオフアングルを付けてスライスした半導体基板12も、(111)A面の成分が強く表れる表面12Aと、(111)B面の成分が強く表れる裏面12Bとを有する。   FIG. 6 is a conceptual diagram showing a state in which semiconductor substrates sliced from two different ingots are bonded. For example, as shown in FIG. 5A, the semiconductor substrate 11 having an off-angle inclined in the (111) direction is sliced from a GaP single crystal ingot grown in the [100] direction. The semiconductor substrate 11 has a front surface 11A in which a component of (111) A plane appears strongly and a back surface 11B in which a component of (111) B plane appears strongly. Similarly, as shown in FIG. 6B, the semiconductor substrate 12 sliced from the GaAs ingot with an off-angle is also composed of the surface 12A in which the (111) A plane component is strongly expressed and the (111) B plane component. Has a back surface 12B that strongly appears.

これら2枚の基板を接着する際には、裏面11Bと表面12Aとを接着する。または、表面11Aと裏面12Bとを接着する。このように表面と裏面とを接着することにより、界面でのIII族原子とV族原子とのバランスを良好なものとし、ダングリングボンドや結晶欠陥を低減して、電気抵抗も大幅に低下させることができる。   When bonding these two substrates, the back surface 11B and the front surface 12A are bonded. Alternatively, the front surface 11A and the back surface 12B are bonded. By adhering the front and back surfaces in this way, the balance between group III atoms and group V atoms at the interface is improved, dangling bonds and crystal defects are reduced, and electrical resistance is also greatly reduced. be able to.

なお、異なる単結晶インゴットからそれぞれスライスした半導体基板の「表」と「裏」の判断は、インゴットの成長方向すなわち種結晶に対する向きにより決定することができる。すなわち、通常はインゴットを成長する際に、種結晶の結晶方位を一定にする。従って、異なるインゴットであっても、その(111)A面あるいは(111)B面の方位は、成長方向に対して一定の関係を有する。つまり、異なるインゴットからそれぞれスライスされた半導体基板のいずれにおいても、種結晶に近い側を「表」面とし、反対側の面を「裏」面と定義して、「表」面と「裏」面とを接着すれば良い。   Note that the “front” and “back” of the semiconductor substrate sliced from different single crystal ingots can be determined by the growth direction of the ingot, that is, the orientation with respect to the seed crystal. That is, normally, the crystal orientation of the seed crystal is made constant when growing the ingot. Therefore, even in different ingots, the orientation of the (111) A plane or the (111) B plane has a certain relationship with the growth direction. In other words, in each of the semiconductor substrates sliced from different ingots, the side close to the seed crystal is defined as the “front” surface, and the opposite surface is defined as the “back” surface. The surface may be bonded.

一般に市販されている化合物半導体のウェーハの場合には、(111)A面とB面とを区別する目的で、「インデックス・フラット(IF)」などと称される直線状切断部がウェーハの一部に設けられていることも多い。このような場合には、ウェーハの「表」と「裏」を容易に識別できる。   In the case of a compound semiconductor wafer that is generally commercially available, a linear cut portion called “index flat (IF)” or the like is formed on the wafer for the purpose of distinguishing between the (111) A surface and the B surface. It is often provided in the department. In such a case, the “front” and “back” of the wafer can be easily identified.

また、異なるインゴットからスライスした半導体基板の「表」と「裏」の判断は、メサエッチングにより行うこともできる。すなわち、GaAsやGaPウェーハにメサエッチングを行うと、メサの互いに直交する断面形状が順メサと逆メサを呈する。また、同じウェーハの表面と裏面では、順メサの方向が互いに直交する。これらの順メサと逆メサの方向は、それぞれ結晶の(111)A面と(111)B面の方位に対応して出現する。従って、この順メサと逆メサの方向によって半導体基板の表面側と裏面側とを区別することができる。   The determination of “front” and “back” of a semiconductor substrate sliced from different ingots can also be made by mesa etching. That is, when mesa etching is performed on a GaAs or GaP wafer, the cross-sectional shapes of the mesas orthogonal to each other present a forward mesa and a reverse mesa. Further, the forward mesa directions are orthogonal to each other on the front surface and the back surface of the same wafer. The directions of the forward mesa and the reverse mesa appear corresponding to the orientations of the (111) A plane and the (111) B plane of the crystal, respectively. Therefore, the front side and the back side of the semiconductor substrate can be distinguished by the direction of the forward mesa and the reverse mesa.

2枚の半導体基板の表面と裏面とを接着すると、接着された面同士の順メサ方向は互いに直交し、接着された面と反対側の面同士、すなわち2枚のウェーハが接着により1枚になった新たなウェーハの一方の面と他方の面の順メサ方向は互いに直交する。   When the front and back surfaces of two semiconductor substrates are bonded, the forward mesa directions of the bonded surfaces are orthogonal to each other, and the opposite surfaces of the bonded surfaces, that is, the two wafers are bonded to one sheet. The forward mesa directions of one surface and the other surface of the new wafer are perpendicular to each other.

次に、本実施形態の具体例として第4〜第6実施例について説明する。   Next, fourth to sixth examples will be described as specific examples of the present embodiment.

(第4の実施例)
まず、第4の実施例として、接着ウェーハの界面抵抗を測定した具体例について説明する。
(Fourth embodiment)
First, as a fourth embodiment, a specific example in which the interface resistance of the bonded wafer is measured will be described.

図5に表したように[100]方向に成長させたGaP単結晶インゴットから、(111)方向に15度傾斜させてGaPウェーハ111、112を切り出した。切り出したウェーハ111、112をそれぞれ2つに分け、一組は図5(b)に表したようにいずれも上面(表面)111A、112Aを研磨して鏡面を形成し、他の一組は図5(c)に表したように、ウェーハ111の下面(裏面)111Bと、ウェーハ112の上面(表面)112Aを鏡面研磨した。表面を研磨したウェーハは、研磨面が(111)Ga面方向に、裏側を研磨したウェーハは(111)P面方向に傾いている。   GaP wafers 111 and 112 were cut from the GaP single crystal ingot grown in the [100] direction as shown in FIG. Each of the cut wafers 111 and 112 is divided into two, and one set is a mirror surface formed by polishing the upper surfaces (front surfaces) 111A and 112A as shown in FIG. As shown in FIG. 5C, the lower surface (back surface) 111B of the wafer 111 and the upper surface (front surface) 112A of the wafer 112 were mirror-polished. The wafer whose surface is polished is inclined in the (111) Ga plane direction, and the wafer whose rear side is polished is inclined in the (111) P plane direction.

この2組のウェーハを使用して、表面同士と、表面と裏面の組合せで接着し、界面の電気抵抗を比較した。   Using these two sets of wafers, the surfaces were bonded together by a combination of the front and back surfaces, and the electrical resistances at the interfaces were compared.

接着の方法は、後に詳述する方法と同じであり、熱処理は800℃で行った。GaPの接着面にはキャリア濃度を変えたGaPエピタキシャル層を成長させ、接着界面のキャリア濃度を種々の値に調節した。接着したウェーハは両面に電極を設けて接着面まで250μm□の大きさになるようにハーフダイシングを行い、I-V特性を測定し、GaP基板のバルク抵抗を差し引いて接着界面の抵抗を求めた。   The bonding method was the same as the method described in detail later, and the heat treatment was performed at 800 ° C. A GaP epitaxial layer with different carrier concentrations was grown on the GaP adhesion surface, and the carrier concentration at the adhesion interface was adjusted to various values. The bonded wafer was provided with electrodes on both sides and half-diced so that the bonding surface had a size of 250 μm □, the IV characteristics were measured, and the bulk resistance of the GaP substrate was subtracted to determine the resistance at the bonding interface.

図7は、接着面のキャリア濃度と界面抵抗との関係を表すグラフ図である。同図において、黒丸は表面同士を接着したものを表し、白三角は表面と裏面とを接着したものを表す。表面同士の接着(黒丸)では、キャリア濃度を上げると界面抵抗が下がるがゼロにはならない。これに対して本発明の裏面と表面の組合せ(白三角)では、キャリア濃度が低い場合にも、界面抵抗は非常に低く、キャリア濃度が2×1018cm−3程度まで上昇すると、界面抵抗を実質的にゼロにすることができた。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the carrier concentration of the adhesive surface and the interface resistance. In the figure, black circles represent the surfaces bonded together, and white triangles represent the surfaces bonded together. In adhesion between surfaces (black circles), increasing the carrier concentration decreases the interface resistance but does not reduce it to zero. On the other hand, in the combination of the back surface and the front surface (white triangle) of the present invention, even when the carrier concentration is low, the interface resistance is very low, and when the carrier concentration increases to about 2 × 10 18 cm −3 , the interface resistance is increased. Could be reduced to substantially zero.

なお、キャリア濃度と界面抵抗との関係は、表面エピ層がなくても同様で、キャリア濃度が高い基板を利用すれば、エピ層がなくても界面抵抗を下げることができる。   Note that the relationship between the carrier concentration and the interface resistance is the same even without the surface epilayer. If a substrate having a high carrier concentration is used, the interface resistance can be lowered without the epilayer.

(第5の実施例)
次に、第5の実施例として、図2と同様の工程によりLEDを試作評価した結果について説明する。
(Fifth embodiment)
Next, as a fifth embodiment, a result of trial evaluation of an LED by the same process as that in FIG. 2 will be described.

まず、(111)Ga面方向に15度傾斜させたGaAsウェーハ12を用意し、その上に図2(a)に表したように、InGaAlPからなるLED構造18〜17をエピタキシャル成長した。このようにして得られた4元エピタキシャル・ウェーハの接着面(p型クラッド層16の表面)は、基板と同様に(111)Ga面方向に15度傾斜している。   First, a GaAs wafer 12 inclined by 15 degrees in the (111) Ga plane direction was prepared, and LED structures 18 to 17 made of InGaAlP were epitaxially grown thereon as shown in FIG. The adhesion surface (surface of the p-type cladding layer 16) of the quaternary epitaxial wafer thus obtained is inclined 15 degrees in the (111) Ga plane direction, like the substrate.

次に、GaPウェーハ11として、(111)Ga面方向に15度傾斜させた2枚のGaPウェーハを用意し、一方は表面側、他方は裏面側を鏡面に研磨した。   Next, as the GaP wafer 11, two GaP wafers inclined by 15 degrees in the (111) Ga plane direction were prepared, one of which was polished on the front side and the other was polished on the back side.

しかる後に、図2(c)に表したように、GaPウェーハの研磨面をクラッド層16に接着した。   Thereafter, the polished surface of the GaP wafer was bonded to the clad layer 16 as shown in FIG.

さらに、図2(d)に表したようにGaAs基板12を除去し、得られたLEDの動作電圧を調べた。   Further, as shown in FIG. 2D, the GaAs substrate 12 was removed, and the operating voltage of the obtained LED was examined.

その結果、GaPウェーハ11の接着面がGaAs基板12と同じく(111)Ga面に傾斜したLEDの20mA通電時の動作電圧は4.5Vであった。これに対して、本実施形態に従ってGaPウェーハ11の接着面が(111)P面に傾斜したLEDの20mA通電時の動作電圧は2Vと顕著に低下し、明らかに界面抵抗が減少したことが分かった。   As a result, the operating voltage at the time of 20 mA energization of the LED in which the adhesion surface of the GaP wafer 11 is inclined to the (111) Ga surface as in the GaAs substrate 12 was 4.5V. On the other hand, according to this embodiment, the operating voltage when the 20 mA energization of the LED with the adhesion surface of the GaP wafer 11 inclined to the (111) P surface is significantly reduced to 2 V, and the interface resistance is clearly reduced. It was.

(第6の実施例)
次に、第6の実施例として、(100)ジャストの表面方位を有するウェーハ同士を接着した具体例を説明する。
(Sixth embodiment)
Next, a specific example in which wafers having a (100) just surface orientation are bonded together will be described as a sixth embodiment.

まず、GaPの単結晶インゴットから(100)ジャストの表面方位をもつウェーハを切り出し、インゴットの種結晶に近い面と表面と定義した。次に、これらのウェーハの表面側あるいは裏面側を鏡面に加工し、0.2μmの層厚でキャリア濃度1×1018cm−3のGaP層をその鏡面上にエピタキシャル成長した。ここでエピタキシャルGaP層のキャリア濃度を比較的低くしたのは、図7に関して前述したように、キャリア濃度が低い方が、界面抵抗に対する接着面の組合せの影響が大きく、比較が容易なためである。 First, a wafer having a (100) just surface orientation was cut out from a GaP single crystal ingot and defined as a surface and a surface close to the seed crystal of the ingot. Next, the front side or the back side of these wafers was processed into a mirror surface, and a GaP layer having a layer thickness of 0.2 μm and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 was epitaxially grown on the mirror surface. Here, the reason why the carrier concentration of the epitaxial GaP layer is relatively low is that, as described above with reference to FIG. 7, the lower the carrier concentration, the greater the influence of the combination of the adhesive surfaces on the interface resistance, and the easier the comparison. .

このようにしてエピタキシャル層を挟んで、ウェーハの表面同士、あるいは表面と裏面とをそれぞれ接着し、界面抵抗を測定した。   In this way, the front surfaces of the wafers or the front and back surfaces were bonded to each other with the epitaxial layer interposed therebetween, and the interface resistance was measured.

その結果、表面同士を接着したものでは界面の電流電圧特性はオーミックにならず、20mA通電時に界面付近において約2.2Vの電圧が発生した。これに対して、表面と裏面とを接着したものでは、電流電圧特性は直線状でオーミック性を示し、20mA通電時の抵抗も0.8Vと小さかった。   As a result, when the surfaces were bonded to each other, the current-voltage characteristics at the interface were not ohmic, and a voltage of about 2.2 V was generated near the interface when 20 mA was applied. On the other hand, in the case where the front surface and the back surface are bonded, the current-voltage characteristics are linear and show ohmic properties, and the resistance when 20 mA is energized is as small as 0.8 V.

表面同士を接着したものにおいて大きい抵抗が発生するのは、ダングリングボンドがキャリアをトラップして、接着面のキャリア濃度が低下したためであると考えられる。つまり、(100)ジャスト基板の場合においても、インゴットの成長方向に対応して、ウェーハの「表」と「裏」が存在し、「表」と「裏」とを接着することにより界面抵抗を有意に低下できることが分かった。   The reason why a large resistance is generated in the case where the surfaces are bonded together is considered to be that dangling bonds trap carriers and the carrier concentration on the bonded surface is lowered. In other words, even in the case of a (100) just substrate, there are “front” and “back” of the wafer corresponding to the growth direction of the ingot, and the interfacial resistance is reduced by bonding the “front” and “back”. It was found that it could be significantly reduced.

(第4の実施の形態)
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。本実施形態は、2枚のウェーハを接着する際に、ウェーハの全体ではなく、一部のみを加圧することにより熱膨張に伴う「ずれ」を緩和する点に特徴を有する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is characterized in that, when two wafers are bonded, the “deviation” due to thermal expansion is alleviated by pressing only a part of the wafer, not the entire wafer.

図8は、本実施形態を説明するための概念図である。すなわち、前述したいずれかの実施形態に基づいて2枚のウェーハA及びBを接着する際に、本発明者は、これらのウェーハをどのように保持加圧すべきかについて独自の検討を行った。   FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining the present embodiment. That is, when adhering two wafers A and B based on any of the above-described embodiments, the present inventor has independently studied how to hold and press these wafers.

図8(a)及び(b)は、本実施形態に係る加圧保持方法を表すものであり、同図(c)及び(d)は、比較例としての加圧保持方法を表す。   FIGS. 8A and 8B show a pressure holding method according to this embodiment, and FIGS. 8C and 8D show a pressure holding method as a comparative example.

まず、比較例から説明すると、図8(c)に表した例においては、2枚のウェーハA及びBは、重ねた状態で十分に広いジグJ3の上に載置されており、上方から荷重は印加されない。このような方法によると、ウェーハA及びBは面内方向Sに自由に伸縮できるので、熱膨張率の差などに起因する割れなどの問題は生じないが、接着が不十分となる場合が多い。   First, from the comparative example, in the example shown in FIG. 8C, the two wafers A and B are placed on a sufficiently wide jig J3 in a stacked state, and the load is applied from above. Is not applied. According to such a method, since the wafers A and B can freely expand and contract in the in-plane direction S, there is no problem such as cracking due to a difference in thermal expansion coefficient or the like, but adhesion is often insufficient. .

また、図8(d)に表した例においては、2枚のウェーハA及びBは、十分に広いジグJ3及びJ4によって保持され、荷重Pにより加圧される。この場合は、加圧は施されるものの、ウェーハA及びBが面内方向に伸縮することが困難となり、熱膨張率の差などの「ずれ」を吸収緩和することができずにウェーハが割れることがある。   Further, in the example shown in FIG. 8D, the two wafers A and B are held by the sufficiently wide jigs J3 and J4 and pressed by the load P. In this case, although pressure is applied, it becomes difficult for the wafers A and B to expand and contract in the in-plane direction, and the “break” such as a difference in thermal expansion coefficient cannot be absorbed and relaxed, and the wafer breaks. Sometimes.

これに対して、本実施形態においては、図8(a)に表したように、2枚のウェーハA及びBの全面を加圧せずに、その一部のみを対向配置されたジグJ1及びJ2により加重Pで加圧する。ウェーハA及びBが異なる材料からなる場合には、加熱に伴って熱膨張率の差による「ずれ」が生ずる。これに対して、本実施形態によれば、ウェーハの一部のみを保持加圧することにより、加圧部以外の部分は、面内方向Sに容易に伸縮することができる。その結果として、熱膨張の差に伴う「ずれ」を許容しつつ、接着することができる。   On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 8A, the jigs J1 and J1 that are arranged so as to face each other without pressing the entire surfaces of the two wafers A and B and Pressurize with weight P by J2. When the wafers A and B are made of different materials, a “deviation” due to a difference in thermal expansion coefficient occurs with heating. On the other hand, according to the present embodiment, by holding and pressing only a part of the wafer, portions other than the pressing portion can be easily expanded and contracted in the in-plane direction S. As a result, the bonding can be performed while allowing a “displacement” due to a difference in thermal expansion.

ウェーハの一部のみを加圧するためには、図8(b)に表したように、一方のジグJ1の接触面積のみをウェーハよりも小さくしても良い。この場合にも、ウェーハBは、全体がジグJ3により保持されているが、荷重Pは、ウェーハAの上のジグJ1から部分的にのみ印加される。その結果として、ウェーハA及びBは、面内方向Sに伸縮することが可能であり、熱膨張率の差に起因する「ずれ」などを吸収緩和することができる。   In order to pressurize only a part of the wafer, as shown in FIG. 8B, only the contact area of one jig J1 may be smaller than the wafer. Also in this case, the entire wafer B is held by the jig J3, but the load P is applied only partially from the jig J1 on the wafer A. As a result, the wafers A and B can expand and contract in the in-plane direction S, and can absorb and mitigate “displacement” caused by the difference in thermal expansion coefficient.

以下、本実施形態の実施例について説明する。   Hereinafter, examples of the present embodiment will be described.

(第7の実施例)
図9(a)〜(d)は、本実施形態の製造方法を具体的に説明する略示断面図である。
(Seventh embodiment)
9A to 9D are schematic cross-sectional views for specifically explaining the manufacturing method of the present embodiment.

まず、図9(a)に表したように、直接接着に供するエピウェーハには、n型GaAs基板12上にバッファ層18,n型クラッド層14、活性層15,p型クラッド層16、および表面カバー層17が順次積層されて形成されている。これらのエピタキシャル成長層は、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により形成される。   First, as shown in FIG. 9A, an epi-wafer to be directly bonded includes a buffer layer 18, an n-type cladding layer 14, an active layer 15, a p-type cladding layer 16, and a surface on an n-type GaAs substrate 12. Cover layers 17 are sequentially laminated. These epitaxial growth layers are formed by, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

n型GaAs基板12は、サイズが直径2インチ、厚さ250μmであり、不純物としてSiが約1E18/cmのキャリア濃度でドープされており、さらにその主面は鏡面仕上げとなっている。バッファー層18はGaAsで、厚さは0.5μmである。最上層の表面カバー層17は2層構造で、下側が0.1μmのGaAs層17A、上側が0.2μmのInGaAlP層17Bである。 The n-type GaAs substrate 12 has a size of 2 inches in diameter and a thickness of 250 μm, is doped with Si as a carrier at a carrier concentration of about 1E18 / cm 3 , and its main surface has a mirror finish. The buffer layer 18 is GaAs and has a thickness of 0.5 μm. The uppermost surface cover layer 17 has a two-layer structure, the lower side being a GaAs layer 17A having a thickness of 0.1 μm and the upper side being an InGaAlP layer 17B having a thickness of 0.2 μm.

次に、エピウェーハをアンモニアと過酸化水素水の混合液に侵漬して裏側の堆積物を除去し、次に、エピウェーハを界面活性剤で洗浄した後、70℃のリン酸でInGaAlPカバー層17Bをエッチングした。このエッチングは下のGaAs層17Aで選択的に止まる。次いで、容積比でアンモニア1、過酸化水素水15、混合液にエピウェーハを浸漬してエッチングを行い、図9(b)に示すように、下側のGaAsカバー層17Aを除去した。この混合液は、GaAsカバー層17Aを選択的にエッチングするもので、数秒で表面カバー層17Aが除去されたことが観察できたが、1分間侵漬を続けてp型クラッド層16の表面を完全に表出させた。   Next, the epiwafer is immersed in a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide to remove deposits on the back side. Next, the epiwafer is cleaned with a surfactant, and then the InGaAlP cover layer 17B with phosphoric acid at 70 ° C. Was etched. This etching selectively stops at the lower GaAs layer 17A. Next, etching was performed by immersing the epiwafer in a mixed solution of ammonia 1, hydrogen peroxide solution 15 by volume ratio, and the lower GaAs cover layer 17A was removed as shown in FIG. 9B. This mixed solution selectively etches the GaAs cover layer 17A. It was observed that the surface cover layer 17A was removed in a few seconds, but the immersion was continued for 1 minute so that the surface of the p-type cladding layer 16 was removed. Fully exposed.

次いで、表面カバー層17を除去したエピウェーハと、表面に厚さ0.2μm、キャリア濃度2×1018cm−3の高濃度GaP層を成長させたGaP基板11との直接接着を行い、図9(c)に示す被接着体を得た。以下、直接接着の工程をより詳細に説明する。 Next, the epi-wafer from which the surface cover layer 17 was removed was directly bonded to the GaP substrate 11 on which a high-concentration GaP layer having a thickness of 0.2 μm and a carrier concentration of 2 × 10 18 cm −3 was grown, and FIG. The adherend shown in c) was obtained. Hereinafter, the direct bonding process will be described in more detail.

直接接着の前処理として、GaP基板11を界面活性剤で洗浄し、希弗酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後にスピナで乾燥させた。また、エピウェーハは上述した方法で表面カバー層17を除去した後、GaP基板11と同様にして酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行なった。これらの前処理は、すべてクリーンルーム内の清浄な雰囲気下で行った。   As a pretreatment for direct bonding, the GaP substrate 11 was washed with a surfactant, immersed in dilute hydrofluoric acid to remove the natural oxide film on the surface, washed with water, and then dried with a spinner. Further, after removing the surface cover layer 17 by the above-described method, the epiwafer was subjected to dilute hydrofluoric acid treatment for removing the oxide film in the same manner as the GaP substrate 11, and then washed with water and spinner dried. All of these pretreatments were performed in a clean atmosphere in a clean room.

なお、第3実施形態に関して前述したように、本実施例においても、エピウェーハとGaP基板11とをそれらの表面と裏面を接着するように結晶方位を調節しても良いことはいうまでもない。   As described above with respect to the third embodiment, it goes without saying that the crystal orientation may be adjusted so that the front surface and the back surface of the epi wafer and the GaP substrate 11 are bonded to each other also in this embodiment.

次に、前処理を終えたエピウェーハをエピタキシャル成長層が上方になるように載置し、その上にGaP基板11を、鏡面が下向きになるように載置し、室温で密着させた。GaPは透明であるため密着状態を目視にて観察できる。GaP基板11をエピウェーハに載置すると、エピウェーハが正面視で凸形状をなすように反っているため、GaP基板11の中央部が最初に密着した。そのまま放置するだけで密着部が自然にGaP基板11の周辺部へ向って広がり、1分以内にGaP基板11の周縁の面取り部分を除いて全面が密着した。同様の操作を繰り返し、計15組の室温密着を行なった。   Next, the pre-processed epi-wafer was placed with the epitaxial growth layer facing upward, and the GaP substrate 11 was placed thereon with the mirror surface facing downward, and was brought into close contact at room temperature. Since GaP is transparent, the contact state can be visually observed. When the GaP substrate 11 was placed on the epi-wafer, the epi-wafer was warped so as to form a convex shape in front view, so that the central portion of the GaP substrate 11 was first adhered. The contact part naturally spreads toward the peripheral part of the GaP substrate 11 just by leaving it as it is, and the entire surface except the chamfered part of the periphery of the GaP substrate 11 was in close contact within 1 minute. The same operation was repeated, and a total of 15 groups were brought into close contact with the room temperature.

直接接着の最終工程として、室温で密着している被接着体を拡散炉内に入れて800℃で熱処理を行った。雰囲気は水素を10%含むアルゴンである。   As the final step of direct bonding, the adherend adhered at room temperature was placed in a diffusion furnace and heat treated at 800 ° C. The atmosphere is argon containing 10% hydrogen.

被接着体は5組ずつに3つに分け、同時に異なる熱処理ジグを使用して比較した。   The adherends were divided into 3 groups of 5 groups, and different heat treatment jigs were used at the same time for comparison.

本発明の実施例としては、図8(a)に例示したように、中央に5φの円形突起が付いたカーボン板で密着した基板を上下から挟み、上に120gのカーボン製の重りを乗せて、ウェーハの中央部だけを押さえた。このジグでは5枚ともウェーハ全面が接着でき、ウェーハの割れはなかった。   As an example of the present invention, as illustrated in FIG. 8 (a), a substrate closely attached by a carbon plate with a 5φ circular protrusion at the center is sandwiched from above and below, and a 120 g carbon weight is placed thereon. Only the central part of the wafer was pressed. With this jig, all the wafers could be bonded together, and the wafer was not cracked.

比較例として、図8(c)に例示したように、ウェーハを平らなカーボン板に置き、上にはなにも乗せずに無荷重状態で熱処理をした。この方法では5枚のうち2枚に面積にして30%を越す大きな剥がれ部分が生じた。ウェーハの割れはなかった。   As a comparative example, as illustrated in FIG. 8C, the wafer was placed on a flat carbon plate and heat-treated in an unloaded state without placing anything on it. In this method, two of the five sheets had large peeling portions exceeding 30% in area. There was no cracking of the wafer.

もう一つの比較例として、図8(d)に例示したように、ウェーハを平らなカーボン板で挟み、重りを乗せて全面に荷重をかけて熱処理した。この場合、5枚中2枚が割れ、残る3枚も全面接着には至らなかった。割れたウェーハも含めて、ウェーハの周辺部が接着し中央部が剥がれたことから、ウェーハの厚さバラツキで厚くなっていた周辺部分が先に接着してしまい、熱膨張による界面のズレを吸収できなかったのが原因であったと考えられる。   As another comparative example, as illustrated in FIG. 8D, the wafer was sandwiched between flat carbon plates, and a weight was placed on the entire surface to heat-treat. In this case, two of the five sheets were cracked, and the remaining three sheets did not reach full adhesion. Since the peripheral part of the wafer, including the broken wafer, was bonded and the central part was peeled off, the peripheral part that was thick due to the variation in the thickness of the wafer was bonded first, and the deviation of the interface due to thermal expansion was absorbed. It is thought that the cause was the failure.

以上説明したように、本実施形態によれば、ウェーハを部分的に保持加圧するこにより、接着工程を高い歩留まりで実施できることが確認された。   As described above, according to this embodiment, it was confirmed that the bonding process can be performed with a high yield by partially holding and pressing the wafer.

(第5の実施の形態)
次に、本発明の第5の実施の形態として、発光層からの光に対して透光性のある基板を有する半導体発光素子について説明する。すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子は、典型的には、第1乃至第4の実施形態に関して前述した基板の接着技術を用いて形成することができる発光素子である。
(Fifth embodiment)
Next, as a fifth embodiment of the present invention, a semiconductor light emitting device having a substrate that is transparent to light from the light emitting layer will be described. That is, the semiconductor light emitting device according to this embodiment is typically a light emitting device that can be formed using the substrate bonding technique described above with respect to the first to fourth embodiments.

まず、本実施形態に係る半導体発光素子として、発光に寄与する発光層の面積を、透明基板の面積に対して小さくして、発光の輝度を向上させた例を説明する。 図10(a)は、本実施形態に係るLEDの断面構成を表す概念図であり、同図(b)は、比較例としての従来のLEDの断面構成を表す概念図である。   First, as the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, an example in which the luminance of light emission is improved by reducing the area of the light emitting layer contributing to light emission relative to the area of the transparent substrate will be described. FIG. 10A is a conceptual diagram showing a cross-sectional configuration of an LED according to this embodiment, and FIG. 10B is a conceptual diagram showing a cross-sectional configuration of a conventional LED as a comparative example.

すなわち、いずれも透明基板であるGaP基板11上に、クラッド層14、活性層15、クラッド層16を持ち、上下に電極19Aと19Bを設けたLEDである。但し、図10は、概念図であり、実際には、これらの他に、コンタクト層や電流狭窄層あるいは電流拡散層などの各種の要素が設けられていても良い。   That is, each of the LEDs has a clad layer 14, an active layer 15, and a clad layer 16 on a GaP substrate 11 which is a transparent substrate, and electrodes 19A and 19B are provided above and below. However, FIG. 10 is a conceptual diagram. In practice, various elements such as a contact layer, a current confinement layer, and a current diffusion layer may be provided in addition to these.

従来のLEDは、図10(b)に表したように、活性層15と透明基板11の大きさは等しく、上方から見た面積は同じであった。このような従来のLEDは、例えば、多数のLED構造を作り込んだウェーハを、ダイシングにより切ったり劈開するなどして、多数のLEDチップに切り分けて製造することができる。   In the conventional LED, as shown in FIG. 10B, the active layer 15 and the transparent substrate 11 have the same size and the same area as viewed from above. Such a conventional LED can be manufactured, for example, by dividing a wafer in which a large number of LED structures are formed by dicing or cleaving into a large number of LED chips.

これに対して、本実施形態においては、活性層15を含む積層体10の面積が、透明基板11より小さい。そして、このように活性層15の面積を小さくすると、LEDの発光輝度が向上する。以下、このように活性層の面積が小さくなるとLEDの輝度が上がる機構を説明する。   On the other hand, in this embodiment, the area of the stacked body 10 including the active layer 15 is smaller than the transparent substrate 11. When the area of the active layer 15 is reduced in this way, the light emission luminance of the LED is improved. Hereinafter, a mechanism for increasing the luminance of the LED when the area of the active layer is reduced will be described.

LEDは電流を流すことで注入されたキャリアが再結合して発光する。図10(a)及び(b)に表したLEDの場合、注入されたキャリアはクラッド層14及び16に挟まれた活性層15に閉じこめられ、そこで再結合する。しかし、キャリアの再結合には、発光を伴うものだけではなく、発光を伴わない非発光再結合も混在する。例えば、結晶欠陥準位や界面準位を介して再結合した場合は非発光で再結合が生ずる。   The LED emits light when the injected carriers are recombined by passing a current. In the case of the LED shown in FIGS. 10A and 10B, the injected carriers are confined in the active layer 15 sandwiched between the cladding layers 14 and 16, and recombine there. However, recombination of carriers includes not only light emission accompanied by light emission but also non-light emission recombination without light emission. For example, when recombination occurs through a crystal defect level or an interface level, recombination occurs without light emission.

非発光再結合は発光再結合よりも速度が速いため、注入されたキャリアは優先的に非発光再結合を起こす傾向がある。一方、欠陥準位や界面準位は結晶中での密度が限られているため、非発光再結合がある一定の電流で飽和すると、それを越える電流が発光再結合に費やされて発光を生ずるようになる。従って、同じ量の電流をLEDに流す場合、狭い面積に流した方が、非発光再結合に消費される電流成分を減らすことができ、注入電流に対する発光再結合の割合、すなわち発光効率を高めることができる。つまり、活性層15の面積を小さくすることにより、LEDの輝度を上げることができる。   Since non-radiative recombination is faster than luminescent recombination, injected carriers tend to preferentially cause non-radiative recombination. On the other hand, since the density of defect states and interface states is limited in the crystal, when non-radiative recombination is saturated at a certain current, a current exceeding that is consumed for radiative recombination to emit light. It comes to occur. Therefore, when the same amount of current is applied to the LED, the current component consumed by non-radiative recombination can be reduced by flowing it in a small area, and the ratio of radiative recombination to the injected current, that is, the luminous efficiency is increased. be able to. That is, the luminance of the LED can be increased by reducing the area of the active layer 15.

しかし、発光層の面積を小さくすると、発光が電極19Aにより遮られて光の取り出し効率が低下するという問題がある。これに対して、基板が透明であると有利である。   However, if the area of the light emitting layer is reduced, there is a problem in that light emission is blocked by the electrode 19A and the light extraction efficiency is lowered. On the other hand, it is advantageous if the substrate is transparent.

すなわち、LEDの発光層は基板に比べて薄いため、基板が不透明なLEDでは発光層から基板側に放出された光は基板によって吸収され、外部に取り出すことはできない。つまり、不透明基板を用いたLEDの場合には、発光層から上方に放出された光のみを、外部に取り出し得る。しかし、このような不透明基板LEDで発光層を小さくすると、発光効率の上昇よりも上側電極19Aの遮光による取り出し効率の低下の方が大きくなり、LEDの輝度は低下する。   That is, since the light emitting layer of the LED is thinner than the substrate, the light emitted from the light emitting layer to the substrate side is absorbed by the substrate and cannot be extracted outside in an LED having an opaque substrate. That is, in the case of an LED using an opaque substrate, only light emitted upward from the light emitting layer can be extracted to the outside. However, when the light emitting layer is made small with such an opaque substrate LED, the decrease in extraction efficiency due to the light shielding of the upper electrode 19A becomes larger than the increase in light emission efficiency, and the brightness of the LED decreases.

同様の理由で、透明基板LEDであっても、発光層だけでなく基板の面積を同時に小さくすることも好ましくない。透明基板LEDでは、図10(a)に表したように、発光層から基板側に放出された光は、基板11を透過し、下側電極19Bにより反射される。発光層としての積層体10の両側に透明基板11の上面Sが露出していると、下側電極19Bにより反射された光を、この露出部分Sから取り出すことができる。このため、発光層としての積層体10を小さくしても基板11の面積を小さくしなければ、取り出し効率は下がらない。   For the same reason, it is not preferable to reduce not only the light emitting layer but also the area of the substrate at the same time even for the transparent substrate LED. In the transparent substrate LED, as shown in FIG. 10A, the light emitted from the light emitting layer to the substrate side is transmitted through the substrate 11 and reflected by the lower electrode 19B. When the upper surface S of the transparent substrate 11 is exposed on both sides of the laminate 10 as the light emitting layer, the light reflected by the lower electrode 19B can be extracted from the exposed portion S. For this reason, even if the laminate 10 as the light emitting layer is made small, the extraction efficiency is not lowered unless the area of the substrate 11 is made small.

図11は、図10に例示したような透明基板を有するInGaAlP系LEDにおいて、チップ面積に対する発光層の面積の比率と、外部発光強度との関係を表すグラフ図である。すなわち、同図は、GaP基板を接着して形成したInGaAlP系LEDのデータであり、チップサイズは300μm角で、上側電極サイズは120μφである。   FIG. 11 is a graph showing the relationship between the ratio of the area of the light emitting layer to the chip area and the external light emission intensity in the InGaAlP-based LED having the transparent substrate as illustrated in FIG. That is, this figure shows data of InGaAlP-based LEDs formed by bonding a GaP substrate, the chip size is 300 μm square, and the upper electrode size is 120 μφ.

同図に表したように、発光層の面積を小さくするにつれて発光強度は増大し、面積の比率が0.3になると、発光強度は比率1の場合の約1.2倍まで増加する。このように、透明基板を用いたLEDにおいて、発光層を基板よりも小さく形成すると、活性層15での発光効率を改善しつつ、光の取り出し効率の低下も抑制することができる。   As shown in the figure, the emission intensity increases as the area of the light emitting layer is reduced. When the area ratio becomes 0.3, the emission intensity increases to about 1.2 times that in the case of the ratio 1. As described above, in the LED using the transparent substrate, when the light emitting layer is formed to be smaller than the substrate, it is possible to improve the light emission efficiency in the active layer 15 and to suppress the decrease in the light extraction efficiency.

次に、本実施形態の発光素子の製造方法の具体例について説明する。   Next, a specific example of the method for manufacturing the light emitting device of this embodiment will be described.

図12及び図13は、本実施形態の半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。   12 and 13 are process cross-sectional views showing the main part of the method for manufacturing the semiconductor light emitting device of this embodiment.

直接接着に供するエピウェーハの構造は、図12(a)に示したとおりで、GaAs基板12の上に、MOCVD法でエピ層93から982までを成長させたものである。ここで、n型GaAs基板12は、直径2インチ、厚さ250μm、Siドープでキャリア濃度は約1e18/cm3で、鏡面仕上げが施されている。エッチング停止層93は、InAlPで、厚さ0.2μm。GaAsコンタクト層94は、厚さ0.02μmで、キャリア濃度は1e18/cm3である。InGaAlP電流拡散層95は、Al組成0.3のInGaAlPで、厚さ1.5μmであり、N型クラッド層14は、Al組成0.6のInGaAlPで、厚さ0.6μmである。活性層15は、Al組成0.13のInGaAlPで、厚さ0.4μmである。P型クラッド層16は、Al組成0.6のInGaAlPで、厚さ0.6μmである。InGaP接着層97は、厚さ0.1μmであり、GaAsカバー層981は、厚さ0.1μm、InAlPカバー層982は厚さ0.15μmである。   The structure of the epi-wafer used for direct bonding is as shown in FIG. 12A, and the epitaxial layers 93 to 982 are grown on the GaAs substrate 12 by MOCVD. Here, the n-type GaAs substrate 12 has a diameter of 2 inches, a thickness of 250 μm, Si doping, a carrier concentration of about 1e18 / cm 3, and a mirror finish. The etching stopper layer 93 is InAlP and has a thickness of 0.2 μm. The GaAs contact layer 94 has a thickness of 0.02 μm and a carrier concentration of 1e18 / cm 3. The InGaAlP current spreading layer 95 is InGaAlP having an Al composition of 0.3 and a thickness of 1.5 μm, and the N-type cladding layer 14 is InGaAlP having an Al composition of 0.6 and a thickness of 0.6 μm. The active layer 15 is InGaAlP having an Al composition of 0.13 and a thickness of 0.4 μm. The P-type cladding layer 16 is InGaAlP having an Al composition of 0.6 and has a thickness of 0.6 μm. The InGaP adhesive layer 97 has a thickness of 0.1 μm, the GaAs cover layer 981 has a thickness of 0.1 μm, and the InAlP cover layer 982 has a thickness of 0.15 μm.

次に、このエピウェーハを界面活性剤で洗浄し、容積比でアンモニア1、過酸化水素水15の混合液に侵漬し、GaAs基板12の下側をエッチングして、エピウェーハの裏面に付着したエピ反応生成物などを除去する。この際、エピウェーハの表側(図の上側)はInAlPカバー層982で覆われているので、エッチングされない。   Next, this epi-wafer is cleaned with a surfactant, immersed in a mixed solution of ammonia 1 and hydrogen peroxide solution 15 in a volume ratio, the lower side of the GaAs substrate 12 is etched, and the epi-wax adhered to the back surface of the epi-wafer. The reaction product and the like are removed. At this time, the front side of the epi-wafer (the upper side in the figure) is covered with the InAlP cover layer 982, and is not etched.

次に、エピウェーハを再度界面活性剤で洗浄した後、リン酸で表面のInAlPカバー層982を除去する。引き続き、容積比で硫酸8、過酸化水素水1、水1の混合液でGaAsカバー層981を除去する。この混合液は選択的にGaAsカバー層をエッチングするもので、エッチングの後エピウェーハの表面にはInGaP接着層が表出する。   Next, after cleaning the epiwafer again with a surfactant, the surface InAlP cover layer 982 is removed with phosphoric acid. Subsequently, the GaAs cover layer 981 is removed with a mixed solution of sulfuric acid 8, hydrogen peroxide solution 1, and water 1 in volume ratio. This mixed solution selectively etches the GaAs cover layer. After the etching, an InGaP adhesive layer appears on the surface of the epi-wafer.

次いで、表面カバー層を除去したエピウェーハとGaPウェーハ11の直接接着を行い、図12(b)に表した接着体を得た。以下、直接接着の工程を詳しく説明する。   Next, the epi wafer from which the surface cover layer was removed and the GaP wafer 11 were directly bonded to obtain an bonded body shown in FIG. Hereinafter, the direct bonding process will be described in detail.

GaPウェーハは、直径2インチ、厚さ250μm、p型の鏡面仕上げのものを使用した。接着界面の電気抵抗を下げるために、GaP表面に高濃度層をエピ成長させる場合もある。   A GaP wafer having a diameter of 2 inches, a thickness of 250 μm, and a p-type mirror finish was used. In order to reduce the electrical resistance of the bonding interface, a high concentration layer may be epitaxially grown on the GaP surface.

ここで、第3実施形態に関して前述したように、エピ層とGaP層の接着面が「表」と「裏」の関係になるように両者の結晶方位を調節することが望ましい。   Here, as described above with reference to the third embodiment, it is desirable to adjust the crystal orientations of the epi layer and the GaP layer so that the bonding surfaces of the epi layer and the GaP layer have a “front” and “back” relationship.

さて、直接接着の前処理として、GaPウェーハは界面活性剤で洗浄し、希弗酸に侵漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後スピナで乾燥させた。またエピウェーハは表面カバー層を除去した後、GaP基板と同じく酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行なった。これらの前処理は、すべてクリンルーム内の清浄な雰囲気下で行った。   As a pretreatment for direct bonding, the GaP wafer was washed with a surfactant, immersed in dilute hydrofluoric acid to remove the natural oxide film on the surface, washed with water, and then dried with a spinner. Further, after removing the surface cover layer, the epiwafer was subjected to dilute hydrofluoric acid treatment for removing the oxide film, similarly to the GaP substrate, and then washed with water and spinner dried. All of these pretreatments were performed in a clean atmosphere in the clean room.

次に、前処理を終えたエピウェーハを上向きに置き、その上にGaPウェーハ11を、鏡面が下向きになるように乗せ、室温で密着させた。GaPウェーハ11は透明なため密着状態を観察できる。ウェーハを重ねると、エピウェーハが凸に反っているため、ウェーハの中央部が最初に密着した。そのまま放置するだけで密着部が自然に広がり、ウェーハの縁の面取り部分を除いて全面が密着した。   Next, the pre-processed epi-wafer was placed facing upward, and the GaP wafer 11 was placed thereon so that the mirror surface would be facing downward, and adhered at room temperature. Since the GaP wafer 11 is transparent, the contact state can be observed. When the wafers were stacked, the epi-wafer warped convexly, so that the central part of the wafer was in close contact first. By simply leaving it as it is, the close contact part naturally spreads, and the entire surface is in close contact except for the chamfered part of the edge of the wafer.

この工程においても、第4実施形態に関して前述したように、ウェーハの一部のみを加圧することにより、割れを抑制して確実に接着することができる。   Also in this step, as described above with reference to the fourth embodiment, by pressing only a part of the wafer, cracking can be suppressed and bonding can be performed reliably.

さて、直接接着の最終工程として、室温で密着しているウェーハを石英ボートに立てて並べ、拡散炉内に入れ熱処理を行った。熱処理温度は800℃、時間は1時間、雰囲気は水素を10%含むアルゴンである。   As the final step of direct bonding, the wafers that were in close contact at room temperature were arranged in a quartz boat and placed in a diffusion furnace for heat treatment. The heat treatment temperature is 800 ° C., the time is 1 hour, and the atmosphere is argon containing 10% hydrogen.

次に、エピウェーハのGaAs基板12を除去した。まず、接着体をアンモニアと過酸化水素水の混合液に侵漬し、GaAsを選択的にエッチングした。このエッチングはInAlPエッチング停止層で停止する。次いで、70℃のリン酸でエッチングを行い、InAlPエッチング停止層93を選択的に除去することにより、図12(c)に表した積層体を得た。   Next, the GaAs substrate 12 of the epiwafer was removed. First, the adhesive body was immersed in a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide solution, and GaAs was selectively etched. This etching stops at the InAlP etching stop layer. Next, etching was performed with phosphoric acid at 70 ° C., and the InAlP etching stop layer 93 was selectively removed, thereby obtaining a stacked body shown in FIG.

次に、この積層体のGaP基板11の裏面(図中下側)に、金(Au)/Zn合金と金(Au)からなる電極19Bを設け、GaAsコンタクト層94の表面(図中上側)には、金(Au)/Ge合金と金(Au)からなる電極19Aを設けた。そして、PEP(photo-engraving process)により、上側の電極19Aを300μmピッチで直径200μmの円形に加工し、図13(a)の構造を得た。   Next, an electrode 19B made of gold (Au) / Zn alloy and gold (Au) is provided on the back surface (lower side in the figure) of the GaP substrate 11 of this laminate, and the surface of the GaAs contact layer 94 (upper side in the figure). Is provided with an electrode 19A made of gold (Au) / Ge alloy and gold (Au). Then, the upper electrode 19A was processed into a circle having a diameter of 200 μm at a pitch of 300 μm by PEP (photo-engraving process) to obtain the structure of FIG.

次に、発光層の面積を透明基板の面積より小さくするために、金電極19Aをマスクにしてエッチングを行い、図13(b)に表したように、エピ層94から97をエッチングした。ここで、GaAsエピ層94はアンモニアと過酸化水素水の混合液でエッチングし、InGaAlP系エピ層94〜16とInGaPエピ層97はHBr−Br液でエッチングした。   Next, in order to make the area of the light emitting layer smaller than the area of the transparent substrate, etching was performed using the gold electrode 19A as a mask, and the epi layers 94 to 97 were etched as shown in FIG. Here, the GaAs epi layer 94 was etched with a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide, and the InGaAlP-based epi layers 94 to 16 and the InGaP epi layer 97 were etched with an HBr—Br solution.

最後に、図13(c)に表したように、電極19Aを直径120μmの円形に再パターニングし、ウェーハを一点鎖線Cの部分で300μm□に劈開分離して図10(a)に表した構造のLEDチップを得た。   Finally, as shown in FIG. 13C, the electrode 19A is re-patterned into a circle having a diameter of 120 μm, and the wafer is cleaved and separated into 300 μm square at the portion indicated by the alternate long and short dash line C, and the structure shown in FIG. LED chip was obtained.

なお、図10(a)において、図13(c)のエピ層の一部は省略した。   In FIG. 10A, a part of the epi layer in FIG. 13C is omitted.

次に、本実施形態の別の実施例として、ウェーハ接着に先だって発光層の面積を小さくする製造方法について説明する。   Next, as another example of the present embodiment, a manufacturing method for reducing the area of the light emitting layer prior to wafer bonding will be described.

図14は、本実施例の製造方法の要部を表す工程断面図である。   FIG. 14 is a process cross-sectional view illustrating the main part of the manufacturing method of the present embodiment.

まず、図14(a)に表すように、GaAs基板12の上に発光層としての積層体10を形成したエピタキシャルウェーハを形成する。このエピウェーハに、例えば300μmピッチで縦横にブレードダイシングを行い、図14(b)に表したように、幅100μm、深さ20μmの溝Gを設けた。   First, as shown in FIG. 14A, an epitaxial wafer in which a stacked body 10 as a light emitting layer is formed on a GaAs substrate 12 is formed. This epiwafer was subjected to blade dicing vertically and horizontally at a pitch of 300 μm, for example, and grooves G having a width of 100 μm and a depth of 20 μm were provided as shown in FIG.

次に、図14(c)に表したように、GaP基板11を接着する。   Next, as shown in FIG. 14C, the GaP substrate 11 is bonded.

次に、図14(d)に表したように、GaAs基板12を除去し、上下を逆さまにして電極19Aと19Bを形成する。   Next, as shown in FIG. 14D, the GaAs substrate 12 is removed, and the electrodes 19A and 19B are formed upside down.

最後に、劈開やブレードダイシングにより、一点鎖線Cに沿って素子分離を行い、図14(e)に表したようにLEDチップを得た。   Finally, element separation was performed along the alternate long and short dash line C by cleavage or blade dicing, and an LED chip was obtained as shown in FIG.

GaAs基板12の上に形成したエピウェーハとGaP基板11とを接着する場合、GaAsとGaPとの熱膨張係数の差により応力が発生し、接着後の反りや、ひどい場合にはウェーハの破壊が生じる。   When the epi wafer formed on the GaAs substrate 12 and the GaP substrate 11 are bonded, stress is generated due to the difference in thermal expansion coefficient between GaAs and GaP, and warping after bonding or, if severe, the wafer is broken. .

本実施例では、図14(c)に表したように、ウェーハ接着の際にエピウェーハ表面に溝Gが形成されて接着部が小面積に分割されているため、応力が緩和され、反りや破壊が少なくなるという利点が得られる。   In this embodiment, as shown in FIG. 14C, since the groove G is formed on the surface of the epi-wafer and the bonded portion is divided into small areas at the time of wafer bonding, the stress is relieved, warping and breaking The advantage that there is less is obtained.

また、ウェーハを貼り合わせる際、2枚のウェーハ間に空気が巻き込まれて未接着部が発生することがある。本実施例のように溝Gを設けておくと、巻き込まれた空気をウェーハ外に逃がすことができ、未接着部発生が少なくなるという利点も得られる。   In addition, when the wafers are bonded together, air may be caught between the two wafers to generate an unbonded portion. If the groove G is provided as in this embodiment, the entrained air can be released to the outside of the wafer, and there is also an advantage that the occurrence of unbonded portions is reduced.

なお、上述の実施例では、接着前にブレードダイシングでエピウェーハ表面を分割する例を挙げたが、PEPでウェーハ表面をパターニングすることにより溝Gを形成してもよい。   In the above-described embodiment, the example in which the epi-wafer surface is divided by blade dicing before bonding is described. However, the groove G may be formed by patterning the wafer surface by PEP.

次に、本実施形態の半導体発光素子の変型例について説明する。   Next, a modified example of the semiconductor light emitting device of this embodiment will be described.

図15は、本実施形態の半導体発光素子の変型例を表す概念図である。すなわち、本変型例においては、発光層としての積層体10を上側電極19Aと略同一の面積まで小さくした。   FIG. 15 is a conceptual diagram showing a modification of the semiconductor light emitting device of this embodiment. That is, in the present modification, the stacked body 10 as the light emitting layer is reduced to substantially the same area as the upper electrode 19A.

この構造では発光層としての積層体10の上面すべてを電極19Aが覆っているため、発光層から上向きに放出した光は電極19Aで反射して透明基板11内に入り、基板11の側面から外部に取り出されるか、または下側電極19Bで反射して電極19Aで覆われていない基板11の上面Sから取り出される。   In this structure, since the electrode 19A covers the entire top surface of the laminate 10 as the light emitting layer, the light emitted upward from the light emitting layer is reflected by the electrode 19A and enters the transparent substrate 11, and is externally transmitted from the side surface of the substrate 11 to the outside. Or is reflected from the lower electrode 19B and taken out from the upper surface S of the substrate 11 that is not covered by the electrode 19A.

本変型例の発光素子が、図10(a)の実施例や、図10(b)の従来例と機能的に異なる点は、LEDの上面から取り出される光が発光層16を殆ど通過していない点である。つまり、本変型例においては、活性層15は、比較的小さい光源として作用し、この光源から放出された光の殆どは、基板11を透過し、下側電極19Bにより反射されて上面Sから外部に取り出される。   The light emitting element of this modification is functionally different from the embodiment of FIG. 10A and the conventional example of FIG. 10B in that light extracted from the upper surface of the LED almost passes through the light emitting layer 16. There is no point. In other words, in this modified example, the active layer 15 acts as a relatively small light source, and most of the light emitted from this light source passes through the substrate 11 and is reflected by the lower electrode 19B, and is reflected from the upper surface S to the outside. To be taken out.

LEDの発光波長は、活性層15のバンドギャップで決まる。クラッド層14、16はキャリアを閉じこめるため、活性層よりバンドギャップが大きくなるように設計されており、活性層15からの発光を吸収しない。しかし、活性層15自体は自ら発光した光を自己吸収する。また、電気的接続に必要なGaAsコンタクト層などのバンドギャップの小さい層も発光を吸収する。従って光を吸収する層を含む活性層あるいはコンタクト層など通さずに光を取り出した方が吸収が少なくてすむ。この点で、図14に例示した本変型例は有利である。   The emission wavelength of the LED is determined by the band gap of the active layer 15. The clad layers 14 and 16 are designed to have a larger band gap than the active layer in order to confine carriers, and do not absorb light emitted from the active layer 15. However, the active layer 15 itself absorbs light emitted by itself. A layer with a small band gap such as a GaAs contact layer necessary for electrical connection also absorbs light emission. Therefore, absorption is less if the light is extracted without passing through an active layer or a contact layer including a light absorbing layer. In this respect, the modified example illustrated in FIG. 14 is advantageous.

図15の構造を得るためには、例えば図12〜図13に表した工程において、図13(a)に表した電極19Aの1回目のパターニングを、図13(c)のサイズで行い、この電極19Aをマスクにして発光層をエッチングをすればよい。   In order to obtain the structure of FIG. 15, for example, in the process shown in FIGS. 12 to 13, the first patterning of the electrode 19 </ b> A shown in FIG. 13A is performed with the size of FIG. The light emitting layer may be etched using the electrode 19A as a mask.

または、全く異なる方法によっても図15の発光素子を製造することができる。 図16は、図15に表した半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。   Alternatively, the light-emitting element of FIG. 15 can be manufactured by a completely different method. 16 is a process cross-sectional view illustrating a main part of the method for manufacturing the semiconductor light emitting device illustrated in FIG. 15.

まず、図16(a)に表したように、LED上下の電極19Aと19Bを全面に付けたまま、パターニングをせずにチップに分離する。   First, as shown in FIG. 16A, the upper and lower electrodes 19A and 19B are attached to the entire surface and separated into chips without patterning.

次に、このようにして得られたチップに、図16(b)に表したように、ワイヤーWをボンディングする。すると、電極19Aの上には、ワイアWがボール状に形成したボール部19Cが接続される。   Next, as shown in FIG. 16B, the wire W is bonded to the chip thus obtained. Then, on the electrode 19A, the ball portion 19C in which the wire W is formed in a ball shape is connected.

次に、このボール部19Cをマスクとして、上側電極19Aと発光層としての積層体10をエッチングし、図16(c)に表した構造が得られる。   Next, using the ball portion 19C as a mask, the upper electrode 19A and the laminated body 10 as the light emitting layer are etched to obtain the structure shown in FIG.

以上説明した方法によれば、積層体10のエッチングの際に、ワイアWを介して通電し発光させておくこともできる。つまり、発光素子を発光させてその出力をモニタしながらエッチングを実施することにより、最適な発光強度が得られた時点でエッチングを停止することもできる。   According to the method described above, it is possible to emit light by energization through the wire W when the stacked body 10 is etched. In other words, the etching can be stopped when the optimum light emission intensity is obtained by performing the etching while causing the light emitting element to emit light and monitoring its output.

次に、本実施形態のもうひとつの実施例としての半導体発光素子について説明する。   Next, a semiconductor light emitting device as another example of the present embodiment will be described.

図17は、本実施例にかかる半導体発光素子の構成を表す概念図である。すなわち、本実施例の発光素子は、透明基板11の側面に段差STが設けられ、その上部が発光層としての積層体10のサイズに合わせて小さくされている。   FIG. 17 is a conceptual diagram showing the configuration of the semiconductor light emitting device according to this example. That is, in the light emitting device of this example, the step ST is provided on the side surface of the transparent substrate 11, and the upper part thereof is made small according to the size of the laminate 10 as the light emitting layer.

この構造は、GaPウェーハ11を接着して図示しないGaAs基板を選択エッチングで取り除いた後、例えば、図12(c)や図16(a)の状態で、発光層側から発光層を越えて透明基板11の上部にまでブレードダイシングやエッチングで溝を設けることにより得られる。   In this structure, after the GaP wafer 11 is bonded and a GaAs substrate (not shown) is removed by selective etching, for example, in the state shown in FIGS. 12 (c) and 16 (a), it is transparent from the light emitting layer side beyond the light emitting layer. It is obtained by providing a groove by blade dicing or etching up to the top of the substrate 11.

本実施例の発光素子においては、活性層15から透明基板11に入射した光は、直接、あるいは1度のみ反射で外部に取り出されるだけでなく、透明基板11の内部で複雑な反射をして外部に取り出される場合が多い。一般に、光取り出し部の形状が複雑な方が光取り出し効率が高く、本実施例によれば透明基板11に段差を設けることにより、光取り出し効率をさらに改善できるという効果が得られる。   In the light emitting device of this embodiment, the light incident on the transparent substrate 11 from the active layer 15 is not only extracted directly or reflected once, but also reflected inside the transparent substrate 11 in a complicated manner. Often taken outside. In general, the light extraction efficiency is higher when the shape of the light extraction portion is complicated, and according to the present embodiment, by providing a step in the transparent substrate 11, it is possible to further improve the light extraction efficiency.

図17に表した例においては、透明基板11の上部を下部に対して1段小さくしてあるが、2段あるいはそれ以上の階段状に絞った方が光の取り出し効率をより高められる場合もある。   In the example shown in FIG. 17, the upper portion of the transparent substrate 11 is made one step smaller than the lower portion. However, the light extraction efficiency may be further improved by narrowing down to two or more steps. is there.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の第1乃至第5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。   The first to fifth embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.

例えば、接着するウェーハあるいは、これを用いた半導体素子の材料としては、GaAsやGaPに限定されず、その他の各種の化合物半導体について同様に本発明を適用して同様の効果を得ることができる。   For example, the material of a wafer to be bonded or a semiconductor element using the same is not limited to GaAs or GaP, and the same effect can be obtained by applying the present invention to other various compound semiconductors.

また、半導体発光素子の積層構造については、コンタクト層や電流拡散層などの各種の要素を加えて、同様の効果を奏することができる。この他にも、例えば、活性層にMQW(multiple-quantum well)構造を採用したものや、クラッド層にMQB(multiple-quantum barrier)を採用したものなどについても同様に適用することができる。   Further, with respect to the laminated structure of the semiconductor light emitting device, the same effect can be obtained by adding various elements such as a contact layer and a current diffusion layer. In addition to this, for example, the case where an MQW (multiple-quantum well) structure is adopted for the active layer and the case where an MQB (multiple-quantum barrier) is adopted for the clad layer can be similarly applied.

さらに、本発明は、LEDのみに限定されず、半導体レーザやその他の各種の半導体素子に同様に適用することができる。   Furthermore, the present invention is not limited to LEDs, and can be similarly applied to semiconductor lasers and other various semiconductor elements.

本発明にかかる接着型半導体基板の実施の一形態を示す略示断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of an adhesive semiconductor substrate according to the present invention. 本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第1の実施例と第2の実施例を説明する略示断面図である。It is a schematic sectional drawing explaining the 1st Example and 2nd Example of the manufacturing method of the adhesion type semiconductor substrate concerning this invention. 本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法に用いるInGaAlP材料の構成比と格子定数とバンドギャップを示す表である。It is a table | surface which shows the structural ratio of the InGaAlP material used for the manufacturing method of the adhesion type semiconductor substrate concerning this invention, a lattice constant, and a band gap. 本発明にかかる接着型半導体基板の製造方法の第3の実施例を説明する略示断面図である。It is a schematic sectional drawing explaining the 3rd Example of the manufacturing method of the adhesion type semiconductor substrate concerning this invention. 本発明の第3実施形態にかかる基板の接着方法を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the adhesion method of the board | substrate concerning 3rd Embodiment of this invention. 2つの異なるインゴットからスライスされた半導体基板を接着する様子を表した概念図である。It is the conceptual diagram showing a mode that the semiconductor substrate sliced from two different ingots was adhere | attached. 接着面のキャリア濃度と界面抵抗との関係を表すグラフ図である。It is a graph showing the relationship between the carrier concentration of an adhesion surface and interface resistance. 本発明の第4実施形態を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating 4th Embodiment of this invention. 図9(a)〜(d)は、本発明の第7実施例の製造方法を具体的に説明する略示断面図である。9A to 9D are schematic sectional views for specifically explaining the manufacturing method of the seventh embodiment of the present invention. 図10(a)は、本発明の第5実施形態に係るLEDの断面構成を表す概念図であり、同図(b)は、比較例としての従来のLEDの断面構成を表す概念図である。FIG. 10A is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of an LED according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 10B is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of a conventional LED as a comparative example. . 図10に例示したような透明基板を有するInGaAlP系LEDにおいて、チップ面積に対する発光層の面積の比率と、外部発光強度との関係を表すグラフ図である。FIG. 11 is a graph showing the relationship between the ratio of the area of the light emitting layer to the chip area and the external light emission intensity in the InGaAlP-based LED having the transparent substrate as illustrated in FIG. 10. 本発明の第5実施形態の半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。It is process sectional drawing showing the principal part of the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態の半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。It is process sectional drawing showing the principal part of the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of 5th Embodiment of this invention. ウェーハ接着に先だって発光層の面積を小さくする製造方法の要部を表す工程断面図である。It is process sectional drawing showing the principal part of the manufacturing method which makes the area of a light emitting layer small prior to wafer adhesion | attachment. 発光層としての積層体10を上側電極19Aと略同一の面積まで小さくした半導体発光素子を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the semiconductor light-emitting device which made the laminated body 10 as a light emitting layer small to the substantially same area as upper electrode 19A. 図15に表した半導体発光素子の製造方法の要部を表す工程断面図である。FIG. 16 is a process cross-sectional view illustrating a main part of the method for manufacturing the semiconductor light emitting element illustrated in FIG. 15. 透明基板11の側面に段差STが設けられた半導体発光素子の構成を表す概念図である。2 is a conceptual diagram illustrating a configuration of a semiconductor light emitting device in which a step ST is provided on a side surface of a transparent substrate 11. 従来の技術によるInGaAlP可視光LEDの一例を示す略示断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of InGaAlP visible light LED by a prior art. 図18に示すLEDの従来の技術による製造方法を示す略示断面図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing a conventional method for manufacturing the LED shown in FIG. 18.

符号の説明Explanation of symbols

1,2,100 InGaAl系LED
10 積層体
11,31,91 GaPウェーハ
12,32,82,92 GaAsウェーハ
33 エッチング停止層
14,34,84,94 N型クラッド層
15,35,85,95 活性層
16,36,86,96 P型クラッド層
17,37 カバー層
18,38 バッファー層
19,39,89,99 電極
1,2,100 InGaAl LED
10 Stack 11, 31, 91 GaP wafer 12, 32, 82, 92 GaAs wafer 33 Etching stop layer 14, 34, 84, 94 N-type cladding layer 15, 35, 85, 95 Active layer 16, 36, 86, 96 P-type cladding layer 17, 37 Cover layer 18, 38 Buffer layer 19, 39, 89, 99 Electrode

Claims (3)

第1の半導体基板上に化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させて、第1のクラッド層、活性層および第2のクラッド層が順次堆積した積層体を含む第1のエピタキシャル成長層を形成する工程と、
第2の半導体基板の主面か、またはこの主面上に形成された第2のエピタキシャル成長層が前記第1のエピタキシャル成長層に接するように載置して一体的に接合させる工程と、
前記第1の半導体基板を除去し、前記第1のエピタキシャル成長層を露出させる工程と、
前記第1のエピタキシャル成長層の露出面側と前記第2の半導体基板の裏面側に電極を形成する工程と、を有し、
前記一体的に接合させる工程は、前記第1の半導体基板の主面のうちで(111)A面と(111)B面のいずれか一方が優先的に出現した面に対して、前記第2の半導体基板の主面のうちで(111)A面と(111)B面のいずれか他方が優先的に出現した面を接合する工程、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
Epitaxially growing a compound semiconductor mixed crystal on a first semiconductor substrate to form a first epitaxial growth layer including a stacked body in which a first cladding layer, an active layer, and a second cladding layer are sequentially deposited;
A main surface of the second semiconductor substrate or a second epitaxial growth layer formed on the main surface is placed so as to be in contact with the first epitaxial growth layer and integrally joined;
Removing the first semiconductor substrate and exposing the first epitaxial growth layer;
Forming an electrode on the exposed surface side of the first epitaxial growth layer and the back surface side of the second semiconductor substrate,
In the step of integrally bonding, the second surface of the first surface of the first semiconductor substrate is formed with respect to a surface on which one of the (111) A surface and the (111) B surface appears preferentially. Bonding a surface in which either one of the (111) A surface and the (111) B surface appears preferentially among the main surfaces of the semiconductor substrate.
前記第1の半導体基板は、GaAsを主成分として形成され、
前記第1のエピタキシャル成長層は、前記第1の半導体基板のGaAsと格子整合するように形成され、
前記第2の半導体基板は、GaPを主成分として形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法。
The first semiconductor substrate is formed mainly of GaAs,
The first epitaxial growth layer is formed so as to lattice match with GaAs of the first semiconductor substrate,
The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the second semiconductor substrate is formed with GaP as a main component.
前記第1の半導体基板は、(100)面から(111)Ga面方向に第1の傾斜角度をもって傾斜した表面を有し、
前記第2の半導体基板は、(100)面から(111)P面方向に第2の傾斜角度をもって傾斜した表面を有することを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子の製造方法。
The first semiconductor substrate has a surface inclined at a first inclination angle from a (100) plane to a (111) Ga plane direction;
3. The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 2, wherein the second semiconductor substrate has a surface inclined at a second inclination angle from a (100) plane to a (111) P plane direction.
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