JP4825003B2 - 窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光領域を含む窒化物半導体が熱膨張率の異なる支持基板上に接合された窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。

照明、バックライト等用の光源として使われる青色ＬＥＤ、多色化で使用されるＬＥＤ、ＬＤ等に用いられている窒化物半導体は、バルク単結晶の製造が困難なために、サファイア、ＳｉＣ等の成長用基板の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を利用してＧａＮを成長させることが行われている。

サファイア基板は絶縁性基板であり、導通がとれず、サファイア基板を挟んで電極を設けることができないので、電極が対向した構造とするには、サファイア基板を剥がし、ｎ型窒化ガリウム層を露出させ、その部分にｎ電極を形成し、ｎ電極とｐ電極を対向するように配置する方法が用いられる。

例えば、図６に示すように、まず、サファイア基板２１上に、分離層２２が形成され、この上に発光領域を有する窒化物半導体２３が形成される。次に、サファイア基板２１の後方から３００ｎｍ以下程度のエキシマレーザ光を数百ｍＪ／ｃｍ^２で照射し、分離層２２を分解させ、サファイア基板２１を剥離する。この方法は、レーザリフトオフ（Laser Lift Off：以下ＬＬＯと略す）と呼ばれるものである（例えば、特許文献１参照）。なお、サファイア基板２１は、ＬＬＯを使用せずに、研削や研磨によっても取り除くことができ、この場合、分離層２２は形成する必要がない。
特開２００３−１６８８２０号公報 特開２００４−２６６２４０号公報 特開平８−１１５９２８号公報

しかし、従来技術のように、成長用基板を取り除いて窒化物半導体発光素子を完成させる場合には、ハンドリング等の問題から、支持基板２４に窒化物半導体２３を貼り付けてからサファイア基板２１の剥離を行うのが一般的である。このとき、問題となるのが支持基板２４、窒化物半導体２３、サファイア基板２１（成長用基板）との熱膨張率の差である。支持基板２４と窒化物半導体２３との貼り付けは熱をかけて行われることがほとんどであるため、室温に戻る時に、バイメタルと同じで、熱膨張率に差があれば反りが発生する。

単純な例として、図５に示すように、成長基板としてのサファイア基板２１上に、窒化物半導体２３を成長し、窒化物半導体２３の上に支持基板２４を接合する場合を考える。サファイアの熱膨張率Ａは、約７．５×１０^−６／Ｋであり、窒化物半導体２３の熱膨張率Ｂは、ｃ軸方向で約３．１７×１０^−６／Ｋ、ａ軸方向で約５．５９×１０^−６／Ｋである。ここで、Ｋは絶対温度を表す。互いの接合界面の面方向における熱膨張率の大小が問題となるため、サファイア基板２１のｃ面上にｃ軸成長させた窒化物半導体２３の場合、窒化物半導体２３のａ軸方向での熱膨張率が対象となる。この上に、例えば、前記のように、支持基板２４に熱伝導率が高いＣｕを用いれば、その熱膨張係数は、１７×１０^−６／Ｋとなる。

上記のように構成された場合、熱膨張率の関係は、Ｃ＞Ａ＞Ｂとなり、ウエハの反りは図６のように変化する。高温でサファイア基板２１のｃ面上に窒化物半導体層２３を形成し、常温に戻ると、図５（ａ）に示すように、窒化物半導体２３の側が凸の反り形状となる。その窒化物半導体層２３の上に、熱膨張係数Ｃがサファイア基板の熱膨張係数Ａよりも大きな支持基板２４を熱を加えて接合した後、常温に戻ると、図５（ｂ）に示すように、反りの方向が逆転する。このとき、窒化物半導体２３には大きな歪みが加わるため、窒化物半導体層に割れや欠け等が生じやすい。

そこで、特許文献２においては、成長用基板と窒化物半導体層と支持基板との３つの熱膨張係数をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃとしたとき、「Ａ≧Ｃ＞Ｂ」とすることにより、窒化物半導体層に大きな歪みが生じるのを防ぐことが提案されている。

しかし、上記のように熱膨張率等の条件が制限されてしまうと、支持基板２４の熱膨張率をある範囲に設定する必要が生じ、このため、支持基板材料の選択が煩雑になる。

一方、図６のように、サファイア基板を剥離するために、窒化物半導体上に支持基板を接合する場合には、導電性接合剤として半田等が用いられ、支持基板が接合された後、サファイア基板が、ＬＬＯや研磨等により除去される。

上記サファイア基板が除去された状態を示すのが図４（ａ）である。半導体結晶４１にｐ電極４２が積層され、ｐ電極４２が支持基板５０と半田４３で接合されている。この後、図４（ｂ）に示すように、ｎ電極４３がｐ電極４２とは反対側の半導体結晶４１表面に形成される。次に、ｎ電極４３と半導体結晶４１とのオーミックコンタクトを取るために、４００℃〜７００℃まで温度を上げて熱アロイが行われる。

半田４３の成分はＡｕが７０％、Ｓｎが３０％の複合材料であるが、融点は３３０℃程度なので、支持基板５０を接合するときに一度加熱して溶融し、その後冷却して固まり、再度上記オーミックコンタクトを取るときの熱アロイ時に半田４３は溶融した後、冷却して固まることになり、溶融と凝固が繰り返されるので、常温に戻ったときに、半田４３は非常に硬くなって割れることもあり、半導体積層体４０に応力がかかる。このような半田の割れ等を防止し、半導体積層体にかかる応力を吸収するために、例えば、特許文献３では、金属による応力緩衝層を設けた構成が提案されているが、この構成でも応力吸収が十分とは言えない。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、放熱性を維持しつつ、半導体層と支持基板との間の熱膨張率の違いによって発生する半導体層の亀裂等を防止するために、応力を十分吸収できるような接合層を備えた窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、少なくともｎ側電極、ｎ型窒化物半導体層、発光領域、ｐ型窒化物半導体層、ｐ側電極とを順に備えた半導体積層体が応力緩和接合層を介して支持基板上に接合された窒化物半導体発光素子において、前記応力緩和接合層は、光の波長５５０ｎｍでの反射率が６０％以下の特性を有する非光沢Ａｕメッキ層を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子である。

また、請求項２記載の発明は、前記非光沢Ａｕメッキ層は、厚さ１μｍ以上で構成されていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子である。

また、請求項３記載の発明は、少なくともｎ型窒化物半導体層、発光領域、ｐ型窒化物半導体層、ｐ側電極とを順に備えた半導体積層体を支持基板上に接合する窒化物半導体発光素子製造方法において、前記半導体積層体の接合面には非光沢Ａｕメッキ層を含む第１応力緩和接合層が形成され、前記支持基板の接合面には非光沢Ａｕメッキ層を含む第２応力緩和接合層が形成されており、前記非光沢Ａｕメッキ層は光の波長５５０ｎｍでの反射率が６０％以下の特性を有するものであって、前記第１応力緩和接合層と第２応力緩和接合層とを熱圧着で接合することを特徴とする窒化物半導体発光素子製造方法である。

また、請求項４記載の発明は、前記第１応力緩和接合層及び第２応力緩和接合層に含まれる非光沢Ａｕメッキ層は、いずれも厚さ１μｍ以上で構成されていることを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体発光素子製造方法である。

本発明によれば、半導体積層体と支持基板とを応力緩和接合層を介して接合するようにし、応力緩和接合層には、非光沢Ａｕメッキ層が含まれているので、半導体積層体と支持基板との熱膨張率に相当開きがあっても、支持基板から半導体積層体に作用する応力が十分吸収され、半導体積層体の割れ等を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明による半導体発光素子の構造を示す。半導体層としてはＧａＮ系の材料で構成されている。

発光領域としてのＭＱＷ活性層１３を挟むようにしてｎ型超格子層１２とｐ−ＡｌＧａＮ電子バリア層１４が形成されており、ダブルへテロ構造を有する。ＭＱＷ活性層１３は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ等で構成された多重量子井戸構造を有するもので、例えば、井戸層としてＩｎ_０．１７ＧａＮを厚さ３０Å、バリア層（障壁層）としてアンドープＧａＮを厚さ１００Åで交互に８周期積層されている。なお、バリア層は、０．５〜２％のＩｎ組成からなるＩｎＧａＮを用いることもできる。ところで、発光領域としてＭＱＷ活性層１３を設けるようにしているが、このＭＱＷ活性層１３を設けずに、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを直接ｐｎ接合するようにしても良い。この場合、発光領域はｐｎ接合界面部分となる。

ｎ型窒化物半導体層については、ｎ型不純物ＳｉドープのＧａＮコンタクト層１１とｎ型超格子層１２との積層構造となっており、ｎ型超格子層１２は、ｎ型不純物ＳｉドープのＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層で構成される。この超格子層は、格子定数差の大きいＩｎＧａＮとＧａＮの応力を緩和し、活性層のＩｎＧａＮを成長させやすくするものである。

一方、ｐ型窒化物半導体層については、ｐ型不純物ＭｇドープのＡｌＧａＮ電子バリア層１４とｐ型不純物ＭｇドープのＧａＮコンタクト層１５との積層により構成される。ｎ−ＧａＮコンタクト層１１の上面にはｎ電極１０が形成され、ｐ−ＧａＮコンタクト層１５の下側にｐ側電極として透明電極１６が形成されている。ｎ電極１は、例えば、ＴｉとＡｌの積層体又はＡｌ等で構成されており、ｎ型窒化物半導体層２にオーミック接触している。透明電極１６は、ＧａドープＺｎＯを用いてオーミック接触させた電極等で構成される。

反射膜１８は、ＭＱＷ活性層１３で発生した光を反射させてｎ電極１０の方向に取り出すために設けられており、ＡｌやＡｇなどの銀白色系の反射ミラーとして働く金属が用いられる。ｐ−ＧａＮコンタクト層１５の下側に透明電極１６が形成されているので、ＧａをドープしたＺｎＯは、ＧａＮと格子定数が近似しており、事後のアニ−ルをすることなく、ｐ−ＧａＮコンタクト層１５との間に良好なオーミック接触を形成する。

絶縁膜１７はチップの周縁部に環状に形成され、半導体レーザの場合には、共振器構造を得るためにチップの両側面に形成される。絶縁膜１７には、ＳｉＮやＳＯＧ（Spin On Glass）等が用いられる。

ところで、反射膜１８は、ｐ側の透明電極１６に直接全面に接合されておらず、小さなコンタクトホール１７ａを介して反射膜１８の一部が透明電極１６に直接接触するように形成され、その他の領域には絶縁膜１７を間に挟んで反射膜１８が形成されている。これは、透明電極１６と反射膜１８とがほぼ全面で接するようにすると、透明電極１６と反射膜１８との間で光の吸収が発生して反射率が低下するためである。ＡｌやＡｇなどの銀白色系金属は、ＧａドープＺｎＯとオーミック接触を形成し、これに起因して、反射膜１８の反射率が阻害されるものと推定される。

したがって、図１のように、コンタクトホール１７ａでのみ接触させるようにすれば、光の吸収はコンタクトホール１７ａのみでしか発生せず、高い反射率を維持することができる。反射膜１８は、支持基板側に向かった光を反射させてｎ電極１の方向に取り出そうとするものである。

ｐ側のパッド電極１９は、Ａｕ等で構成され、透明電極１６、反射膜１８、パッド電極１９は電気的に接続されている。

応力緩和接合層２０は、パッド電極１９と支持基板１とを接合し、応力を吸収するもので、柔らかい物質が用いられる。応力緩和接合層２０としては、非光沢Ａｕメッキ層（非光沢金メッキ層）を用いる。非光沢Ａｕメッキとは、光沢のないＡｕメッキのことであり、Ａｕ微粒子が集まった状態で金属析出するようなメッキであって、応力を吸収しやすく、十分応力緩和層として作用する。一方、光沢Ａｕメッキは層状に成長するので、表面が平滑で光沢を有するものの、メッキ内の内部応力が大きいので、応力を吸収しにくい。

光沢Ａｕメッキは、赤外領域（波長λ＞７００ｎｍ）では、ほぼ１００％の反射率特性、可視領域（４００ｎｍ≦λ≦７００ｎｍ）では９０〜４０％弱へ減衰するような反射率特性を持っているが、非光沢Ａｕメッキは、表面の凹凸が光沢Ａｕメッキよりも激しいために、直上反射率が光沢Ａｕメッキより落ち、λ＝５５０ｎｍでの反射率が６０％以下になるという特性を有する。また、非光沢Ａｕメッキは、ダイボン時の加熱された状態、すなわち２００℃以上の温度で、ビッカース硬度６０ＨＶ以下の特性を維持できるものである。

上記のような特性を有する非光沢Ａｕメッキにより、応力を十分に吸収するためには、応力緩和接合層２０に含まれる非光沢Ａｕメッキ層の厚さは１μｍ以上が望ましい。

また、応力緩和接合層２０はパッド電極１９側にＴｉ／Ａｕの多層膜やＡｕの金属層、支持基板１側に非光沢Ａｕメッキ層を構成した積層構造とすることもできる。導電性の応力緩和接合層２０によってパッド電極１９と支持基板１とが電気的に接続される。

支持基板１は、成長用基板上に成長させた窒化物半導体を貼り替える（転写）ために用いられるもので、放熱性が良い導電性基板が用いられる。導電性基板として、ＧａＮ、シリコン、ＳｉＣ等の材料が用いられ、また、高熱伝導サブマウントとしてＣｕ等も用いられる。

例えば、支持基板１に高熱伝導サブマウントとしてＣｕを用いた場合、前述したように、Ｃｕの熱膨張係数は１７×１０^−６／Ｋ、窒化物半導体のａ軸方向で約５．５９×１０^−６／Ｋとなり、接合面において相当熱膨張（伸び）の違いが発生する。しかし、上記のように、支持基板１とパッド電極１９との間に設けられた応力緩和接合層２０で半導体積層体への応力を十分吸収することができるので、図５に示した反りの方向が反転するような状態が発生したとしても、ウエハの割れや欠け等の破損を防止することができる。

また、図４のように、ｎ電極４３と半導体結晶４１とのオーミックコンタクトを取るために、４００℃〜７００℃まで温度を上げて熱アロイを行う等して、応力緩和接合層２０の溶解と凝固が繰り返されたとしても、その材質に変化はなく、支持基板上の半導体積層体に悪影響を及ばすことがない。

図１に示す半導体発光素子は、以下のように形成される。製造工程の大きな流れとしては、まず、成長用基板上に、窒化物の半導体積層体を形成し、半導体積層体を支持基板に接合した後、成長用基板をＬＬＯ又は研磨により除去し、ｎ電極等を形成して窒化物半導体発光素子が完成する。

最初に、成長用基板としてサファイア基板を用い、このサファイア基板をＭＯＣＶＤ装置に入れ、水素ガスを流しながら、１０５０℃程度まで温度を上げ、基板をサーマルクリーニングする。温度を６００℃程度まで下げ、低温でＧａＮバッファ層（図示せず）を成長させる。再び１０００℃程度まで温度を上げ、ｎ−ＧａＮコンタクト層１１を形成し、温度を７００℃〜８００℃に下げて、ｎ型超格子層１２、ＭＱＷ活性層１３を積層し、その後昇温してｐ−ＡｌＧａＮ電子バリア層１４、ｐ−ＧａＮコンタクト層１５を積層する。

分子線エピタキシー法を用い、透明電極１６として、２×１０^−４Ωｃｍ程度の低い低効率を持つＧａドープＺｎＯ電極を積層する。次に、ＳｉＯ_２のような誘電体膜やレジストによりマスクを形成、ＩＣＰなどを用いてメサエッチングを行い、チップ形状にエッチングする。メサエッチングはＭＱＷ活性層１３を通過し、ｎ−ＧａＮコンタクト層１１が露出するところまで行い、一旦エッチングをやめる。

その後、Ｐ−ＣＶＤやスパッタリングで絶縁膜１７をいったん形成し、ＺｎＯへのコンタクトホール１７ａをＣＦ４系ドライエッチングで形成する。ＣＦ４系ドライエッチングではＺｎＯのエッチングレートは遅いため、上記ＺｎＯ電極自身がエッチングストップとして機能する。

コンタクトホール１７ａが形成できたら、反射膜１８を最初につけ、次にパッド電極１９、応力緩和接合層２０を形成する。応力緩和接合層２０を多層膜とする場合には、まず、反射膜１８の上にＴｉ／Ａｕの金属膜やＡｕのみの金属膜などを蒸着法で形成する。Ａｕを蒸着した後、チップの形にパターニングして電界メッキで厚さ１μｍ以上の非光沢Ａｕメッキを施す。

その後、上記最初のエッチングと同様にエッチングを再開し、サファイア基板が露出するまでエッチングを行う。支持基板１を用意し、応力緩和接合層２０により熱圧着等を利用して、支持基板１上にウエハを貼り付ける。

その後２４８ｎｍで発振するＫｒＦレーザをサファイア基板側からＧａＮバッファ層に向けて照射する。ＫｒＦの場合、必要照射エネルギーは３００〜４００ｍＪ／ｃｍ^２である。２４８ｎｍの光はサファイアではほぼ完全に透過し、ＧａＮではほぼ１００％吸収するため、サファイア／ＧａＮ界面で急速に温度上昇が起こり、ＧａＮが分解して成長用基板５としてのサファイア基板が剥離する。サファイア剥離後、酸エッチングなどで余分のＧａを流し、ｎ電極１０を形成する。このようにして、図１に示す窒化物半導体発光素子が完成する。

図２は、支持基板１上にも応力緩和接合層３０（第２応力緩和接合層）を形成しておき、ｎ−ＧａＮコンタクト層１１〜パッド電極１９までの半導体積層体に形成された応力緩和接合層２０（第１応力緩和接合層）とを接合させるものである。図１と同じ番号を付しているものは、図１と同じ構成を示す。

図２のように接合を行うには、まず、前述した図１の窒化物半導体発光素子の製造工程で、パッド電極１９、応力緩和接合層２０を形成した後、支持基板１上に応力緩和接合層３０を形成する。この応力緩和接合層３０は、応力緩和接合層２０と同様、非光沢Ａｕメッキ層を用いる。応力緩和接合層３０を非光沢Ａｕメッキ層を含む多層膜で構成する場合は、支持基板１の上にＴｉ／Ａｕの金属膜やＡｕのみの金属膜などを蒸着法で形成した後、チップの形にパターニングしてＡｕの金属膜の上に電界メッキで厚さ１μｍ以上の非光沢Ａｕメッキを施す。

次に、サファイア基板（成長用基板）が露出するまでメサエッチングを行い、応力緩和接合層２０と応力緩和接合層３０とを熱圧着により接合する。その後の工程は、図１同様、サファイア基板を剥離し、ｎ電極１０をｎ−ＧａＮコンタクト層１１上に形成すると、図３に示す窒化物半導体発光素子が完成する。

上記のように、非光沢Ａｕメッキ層同士でＡｕ−Ａｕ圧着すると、接合層での割れも少なく、また、支持基板上に積層された半導体積層体やウエハにかかる支持基板からの応力をさらに十分吸収することができる。

本発明の窒化物半導体発光素子の断面構造を示す図である。 半導体積層体を支持基板に接合する様子を示す図である。 本発明の窒化物半導体発光素子の他の断面構造を示す図である。 従来の半導体発光素子の構成例を示す図である。 ３層の間に熱膨張率の違いがある場合のウエハの反りを示す図である。 従来の窒化物半導体発光素子の一製造工程を示す図である。

符号の説明

１ 支持基板
１０ ｎ電極
１１ ｎ−ＧａＮコンタクト層
１２ ｎ型超格子層
１３ ＭＱＷ活性層
１４ ｐ−ＡｌＧａＮ電子バリア層
１５ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１６ 透明電極
１７ 絶縁膜
１８ 反射膜
１９ パッド電極
２０ 応力緩和接合層

Claims (4)

1. 少なくともｎ側電極、ｎ型窒化物半導体層、発光領域、ｐ型窒化物半導体層、ｐ側電極とを順に備えた半導体積層体が応力緩和接合層を介して支持基板上に接合された窒化物半導体発光素子において、
   前記応力緩和接合層は、光の波長５５０ｎｍでの反射率が６０％以下の特性を有する非光沢Ａｕメッキ層を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記非光沢Ａｕメッキ層は、厚さ１μｍ以上で構成されていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. 少なくともｎ型窒化物半導体層、発光領域、ｐ型窒化物半導体層、ｐ側電極とを順に備えた半導体積層体を支持基板上に接合する窒化物半導体発光素子製造方法において、
   前記半導体積層体の接合面には非光沢Ａｕメッキ層を含む第１応力緩和接合層が形成され、前記支持基板の接合面には非光沢Ａｕメッキ層を含む第２応力緩和接合層が形成されており、前記非光沢Ａｕメッキ層は光の波長５５０ｎｍでの反射率が６０％以下の特性を有するものであって、前記第１応力緩和接合層と第２応力緩和接合層とを熱圧着で接合することを特徴とする窒化物半導体発光素子製造方法。
4. 前記第１応力緩和接合層及び第２応力緩和接合層に含まれる非光沢Ａｕメッキ層は、いずれも厚さ１μｍ以上で構成されていることを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体発光素子製造方法。

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