JP4890419B2 - 窒化物半導体発光素子及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、より詳しくは、発光構造物の上下面に電極を有する垂直構造の窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関するものである。

主にＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を構成する窒化物単結晶は、サファイアまたはＳｉＣ基板のような特定の単結晶成長用基板上で形成される。しかしながら、サファイアのように絶縁性基板を用いる場合には電極の配列に大きな制約が生じる。即ち、従来の窒化物半導体発光素子は電極が水平方向に配列されるため、電流の流れが狭小になる。このような狭小な電流の流れによって、発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）が増加して電流の効率が低下し、しかも静電放電（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）に脆弱になる問題がある。

かかる問題を解決すべく、垂直構造を有する窒化物半導体発光素子が求められる。しかし、垂直構造を有する窒化物半導体発光素子で、その上下面に電極を設けるためには、サファイアのような絶縁性基板を除去する工程を伴わなければならない。

図１は、従来の技術による、窒化物層１２ａ、１２ｃと活性層１２ｂを有する窒化物単結晶発光構造物１２からサファイア基板を除去する工程を示す断面図である。図１に示すように、先ず、窒化物単結晶発光構造物１２の上に導電性接着層１３を使用して導電性基板１４を貼り付けた後、サファイア基板１１は、レーザーリフトオフ工程（Ｌａｓｅｒ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）によって除去される。しかしながら、サファイアの熱膨脹係数は約７．５×１０^-6／Ｋであるのに対し、上記発光構造物１２を構成する主要物質であるＧａＮ単結晶の熱膨脹係数は約５．９×１０^-6／Ｋであり、これにより、約１６％の格子不整合が生じてしまう。

このような格子不整合のために、上記サファイア基板１１にレーザービームを照射する過程で発生する熱によって、上記サファイア基板１１はその表面に沿って側方方向に押さえ付けられる。従って、上記サファイア基板１１と上記発光構造物１２の界面に沿って熱応力が発生し窒化物単結晶が損傷し易いという問題がある。また、これを利用した窒化物半導体発光素子の輝度及び素子の信頼性が低下することも問題として指摘される。

本発明は、上記した従来の技術の問題を解決するために案出されたものであり、その目的は発光構造物から基板を安定的に分離して、窒化物半導体発光素子の輝度及び素子の信頼性を向上させ、さらに発光素子の光抽出効率をより向上させることができる新たな窒化物半導体発光素子の製造方法及びその製造方法による窒化物半導体発光素子を提供することである。

上記技術的目的を達成するために、本発明は、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ _２ Ｏ _４ 、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ _２ 及びＬｉＧａＯ _２ から構成される群より選択された物質から成る窒化物単結晶成長用の予備基板上に第１導電型窒化物層、活性層及び第２導電型窒化物層を順次成長させることによって発光構造物を形成するステップと、前記発光構造物を、窒化物半導体発光素子の最終的な大きさに応じて分離するステップと、前記発光構造物が窒素物半導体発光素子の最終的な大きさに応じて分離された状態で前記発光構造物上に導電性基板を形成するステップと、前記予備基板の厚さが減少するように前記予備基板の下面を研磨するステップと、前記予備基板の結晶性が崩壊するように前記予備基板の下面にイオン注入工程を適用するステップと、結晶性が崩壊された前記予備基板を加工して凹凸を形成するステップと、前記第１導電型窒化物層の一部領域が露出するように前記予備基板の一部領域を除去するステップと、前記第１導電型窒化物層のうち前記予備基板が除去されて露出させられた領域に電極を設けるステップと、を含む窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。

本発明で採用される、上記予備基板の一部領域を除去する工程によって、上記予備基板を、レーザーリフト工程で除去することなく維持することができる。従って、レーザーリフト工程を使用する場合惹起され得る発光構造物に対する熱的被害を減らすことができる。

本発明の好ましい実施態様では、上記予備基板を加工して凹凸を形成するステップは、上記予備基板の下面を研磨するステップで実行される研磨工程によって行うことができる。従って、研磨工程で生じ得る不規則なパターンの凹凸は別途の除去ステップを経ることなくそのまま利用され、これにより、発光素子の光抽出効率の向上に寄与できる。

好ましくは、上記予備基板の下面を研磨するステップの前に、上記予備基板の結晶性が崩壊するように、上記予備基板の下面にイオン注入工程を適用するステップをさらに含むことができる。半径の大きいイオン（例えば、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｓｉ、Ｏ、Ｇａ、Ｃｓなど)を注入することで、上記予備基板はその結晶性が崩壊され柔らかくなる。そのため、上記予備基板を研磨することが容易となる。

同様に、本発明の他の実施態様として、上記研磨工程と凹凸形成ステップが別途の工程で実施される場合には、上記予備基板を加工して凹凸を形成するステップの前に、上記予備基板の結晶性が崩壊するように上記予備基板の下面にイオン注入工程を適用するステップをさらに含むことができ、イオン注入によってより容易に凹凸を形成することが可能になる。

上記予備基板を加工して凹凸を形成するステップは、上記のように研磨工程によって実施することもできるが、上記電極を形成するステップの後に、残存した上記予備基板上に凹凸を形成することを含むことも可能である。

本発明で採用された上記予備基板に形成された凹凸は、上記活性層から放出された光の入射角を変化させ内部に反射することなく外部に放出される光量を増加させる働きをし、好ましくは上記予備基板を加工して凹凸を形成するステップは、ウェットエッチング（ｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇ）の工程を含んでいてよい。この場合、ウェットエッチングをより容易にすることができるように上記ウェットエッチング工程の前に、上記予備基板の結晶性が崩壊するように上記予備基板の下面にイオン注入工程を適用するステップをさらに含むことができる。

好ましくは、上記予備基板の下面を研磨するステップは、上記予備基板の減少させられた厚さが５０〜２００μｍの範囲になるように実施することができ、これは後述するように上記予備基板の一部除去を容易にするためである。

本発明の特定の実施態様では、上記発光構造物を分離するステップにおいて、分離のための溝部分で上記予備基板上に上記第１導電型窒化物層の一部が残存するように窒化物半導体発光素子の最終的な大きさに応じて上記発光構造物を分離することができる。

本発明の好ましい実施態様では、上記予備基板上に発光構造物を形成するステップの前に、上記予備基板上にアンドープのＧａＮ層を形成するステップをさらに含み、上記予備基板の一部領域を除去するステップの後、上記アンドープのＧａＮ層の露出させられた領域を除去するステップをさらに含むことができる。これは上記アンドープのＧａＮ層を採用した場合には結晶性などの問題のために上記アンドープのＧａＮ層を除去した後、第１導電型窒化物層に電極を設けることが好ましいからである。

好ましくは、上記発光構造物上に導電性基板を形成するステップは、導電性接着層を利用して上記発光構造物の上面に上記導電性基板を貼り付けることによって実施することができる。但し、本発明はこのような実施態様に制限されるものではなく、上記導電性基板の代わりに金属メッキ層を採用することも可能である。

本発明の他の実施態様によれば、導電性基板と、上記導電性基板上に第２導電型窒化物層、活性層及び第１導電型窒化物層が順に積層されてなる発光構造物と、上記第１導電型窒化物層の一領域上に形成された電極部及び上記第１導電型窒化物層の他の領域上に形成され、窒化物単結晶成長のための基板の構成物質からなり、凹凸が形成された上面を有する光散乱層を含み、前記光散乱層の内部には前記光散乱層の抗生物質の粒子よりも半径の大きいイオンが注入されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子が提供される。

上記光散乱層は、上述した製造工程での上記予備基板に該当するものであって、電気的絶縁性を有することが好ましいので、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２及びＬｉＧａＯ_２から構成された群より選択された物質から形成することができる。また、上記光散乱層には凹凸が形成され上記活性層から発光した光を散乱させる働きをさせることができるので、上記光散乱層は、透明な物質から形成することが好ましい。

好ましくは、上記導電性基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＧａＡｓから構成された群より選択された物質から形成することができ、上記電極はＣｒ、Ａｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｉｒ、Ｖ、ＩＴＯ、ＣＩＯ、ＩＺＯから構成された群より選択された物質、または該群より選択された２種以上の物質の組み合わせから形成することができる。

本発明によれば、発光構造物から基板を分離する過程において発光構造物の変形及び熱的被害を最小化することができる。従って、発光素子の性能、即ち、輝度及び素子の信頼性などを向上させることが可能になる。また、発光素子の光抽出効率をより向上させることができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形態をより詳しく説明する。

図２（ａ）乃至図２（ｇ）は本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための各工程別断面図である。

先ず、図２（ａ）のように、窒化物単結晶成長用の予備基板２１の上に発光構造物２２を成長させる。この場合、上記予備基板２１は代表的にサファイア基板であることができるが、これに限定されず、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２及びＬｉＧａＯ_２から構成された群より選択された物質から成る基板であることができる。また、上記発光構造物２２は上記予備基板２１の上に第１導電型窒化物層２２ａを成長させ、上記第１導電型窒化物層２２ａの上に活性層２２ｂと第２導電型窒化物層２２ｃを順次成長させて形成される。一般的に、上記発光構造物２２はＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ工程などによって形成することができる。上記第１導電型窒化物層２２ａを形成する前に、上記予備基板２１の上にアンドープのＧａＮ層を形成してもよい。

次いで、図２（ｂ）に示すように、上記発光構造物２２を発光素子の最終的な大きさ（Ｗ）に応じて分離する。この場合、好ましくは、分離用の溝部分で、上記予備基板２１の上に上記第１導電型窒化物層２２ａの一部が残存するように上記発光構造物２２を分離することができる。第１導電型窒化物層２２ａの、このように残存させられた部分に沿った後述する発光素子単位への切断を容易にすることができる。

次に、図２（ｃ）のように、分離された発光構造物２２'の上に導電性基板２４を形成する。上記導電性基板２４は上記発光構造物２２を支持する役目を果す永久基板であって、上記導電性基板２４は、導電性接着層２３を用いて、上記のように分離された発光構造物２２’に接着されて形成される。上記導電性基板２４は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＧａＡｓから構成される群より選択された物質から形成することができる。但し、実施の形態によっては、これに限定されない。例えば、分離された発光構造物２２’の上に金属シード層を蒸着させ、上記金属シード層上に金属メッキ層（図示せず）を形成することもできる。

次いで、図２（ｄ）に示すように、上記予備基板２１の下面を研磨して厚さを減少させる。また、上記予備基板２１の下面を研磨する上記研磨工程によって上記予備基板２１に凹凸Ｄを形成することができる。

これは上記予備基板２１を除去せず、電極２５が設けられる領域を除いて残存させるためであり、上記予備基板２１を除去するためにレーザーリフトオフ工程を経ることなく、発光構造物の熱的被害を最小化することができるので、本実施の形態で製造された窒化物半導体発光素子は輝度及び信頼性の向上を期待することができる。従って、電極２５が設けられる領域で上記予備基板２１を容易に除去できるようにするために、上記予備基板２１を適切に薄い厚さになるように研磨する必要があり、上記予備基板２１の、減少させられた厚さ（ｔ１）の好ましい範囲は、５０〜２００μｍである。これは、厚さが薄いほど光抽出の効率が向上するが、ベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）などが起こることもあり得るので適切な厚さの範囲を定めたものである。

この場合、図示しないが、上記予備基板２１の下面の研磨方法としては、どのような機械的、化学的な方法を用いてもよく、特に誘導プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）を使用した研磨も可能である。

また、上記のように、上記研磨工程により形成された凹凸Ｄは、別に除去する必要はなく最終的な発光素子に利用され、光抽出の効率を向上させる役目を果す。

本実施の形態で採用された上記予備基板２１の研磨工程と、これによる凹凸Ｄの形成工程は、示さなかったが、上記予備基板２１の下面にイオン注入工程を適用して上記予備基板２１の結晶性を崩壊させた後に行うことができる。また、凹凸Ｄは、研磨とは別の加工工程で形成してもよく、この場合、好ましくは、凹凸Ｄの形成工程の前にイオン注入工程を実施してもよく、凹凸Ｄの形成工程はウェットエッチング工程を含んでいてもよい。

一方、図２（ｄ）は、上記予備基板２１の下面が研磨されるとともに凹凸が形成された状態を示し、図２（ａ）乃至図２（ｃ）に示す構造を逆に示す図であるので、上記予備基板２１が上部に示されている。従って、研磨される面である上記予備基板２１の下面は図２（ｄ）で見ると上記予備基板２１の上面になっている。

次いで、図２（ｅ）及び図２（ｆ）に示すように、上記予備基板２１の一部領域を除去して電極２５を設ける。上記したように、上記予備基板２１の除去された領域は上記電極２５を形成するためのものである。上記電極２５は、Ｃｒ、Ａｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｉｒ、Ｖ、ＩＴＯ、ＣＩＯ、ＩＺＯから構成される群より選択された物質、または該群より選択された２種以上の物質の組み合わせから形成することができる。上記予備基板２１上にアンドープのＧａＮ層を形成した場合は、アンドープのＧａＮ層の露出させられた領域も除去する。凹凸Ｄは、上記電極２５を形成した後、残存した上記予備基板２１上に形成してもよい。

最後に、図２（ｇ）のように、上記結果物を個別発光素子単位に切断して最終的な垂直構造の窒化物半導体発光素子を得ることができる。一般的に上記導電性基板２４としては、予備基板２１として主に使用されるサファイア基板に比して強度が小さいＳｉ基板などが使用されるので、通常の切断工程によって容易に切断できる。

図３は、本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子３０の断面図であって、上記最終的な垂直構造の窒化物半導体発光素子３０を拡大して示したものに相当する。図３によれば、上記窒化物半導体発光素子３０は導電性基板３４、上記導電性基板３４の上に第２導電型窒化物層３２ｃ、活性層３２ｂ及び第１導電型窒化物層３２ａが順次に積層されてなる発光構造物３２、上記第１導電型窒化物層３２ａの一領域上に形成された電極部３５、及び上記第１導電型窒化物層３２ａの残りの領域上に形成され、窒化物単結晶成長のための基板の構成物質から成り、凹凸が形成された上面を有する光散乱層３１を含む。

ここで、上記光散乱層３１は、図２で説明したように、凹凸が形成された予備基板２１の残存領域に相当し、上記予備基板２１を研磨し、凹凸を形成した後一部領域を除去する工程によって形成される。この場合、研磨工程によって厚さが薄くなった上記光散乱層３１の厚さは、上記予備基板２１の、研磨後の好ましい厚さとして説明したように５０〜２００μｍの範囲であるのが好ましい。

また、本実施形態で上記光散乱層３１は上記活性層３２ｂから放出された光を散乱させ内部に反射され消失する光量を減らす働きをする。

本発明は、上述した実施の形態及び添付の図面によって限定されるものではなく、上記特許請求の範囲によって規定されるものである。従って、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で、当該技術分野の通常の知識を有する者によって形態の多様な置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属すると言える。

発光構造物からサファイア基板を除去する、従来の技術による工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための各工程別断面図である。 本発明の実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図である。

符号の説明

２１ 予備基板
２２、３２ 発光構造物
２３、３３ 導電性接着層
２４、３４ 導電性基板
２５、３５ 電極
３１ 光散乱層
Ｄ 凹凸

Claims (11)

1. サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ _２ Ｏ _４ 、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ _２ 及びＬｉＧａＯ _２ から構成される群より選択された物質から成る窒化物単結晶成長用の予備基板上に第１導電型窒化物層、活性層及び第２導電型窒化物層を順次成長させることによって発光構造物を形成するステップと、
   前記発光構造物を、窒化物半導体発光素子の最終的な大きさに応じて分離するステップと、
   前記発光構造物が窒素物半導体発光素子の最終的な大きさに応じて分離された状態で前記発光構造物上に導電性基板を形成するステップと、
   前記予備基板の厚さが減少するように前記予備基板の下面を研磨するステップと、
   前記予備基板の結晶性が崩壊するように前記予備基板の下面にイオン注入工程を適用するステップと、
   結晶性が崩壊された前記予備基板を加工して凹凸を形成するステップと、
   前記第１導電型窒化物層の一部領域が露出するように前記予備基板の一部領域を除去するステップと、
   前記第１導電型窒化物層のうち前記予備基板が除去されて露出させられた領域に電極を設けるステップと、を含む窒化物半導体発光素子の製造方法。
2. 前記予備基板を加工して凹凸を形成するステップは、前記予備基板の下面を研磨するステップで実行する研磨工程によって行われ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の製造方法。
3. 前記予備基板を加工して凹凸を形成するステップは、前記電極を形成するステップの後に、残存した前記予備基板上に凹凸を形成することを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
4. 前記予備基板を加工して凹凸を形成するステップは、ウェットエッチング工程を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
5. 前記ウェットエッチング工程の前に、前記予備基板の結晶性が崩壊するように前記予備基板の下面にイオン注入工程を適用するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
6. 前記予備基板の下面を研磨するステップは、前記予備基板の減少させられた厚さが５０〜２００μｍの範囲になるように実施されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
7. 前記予備基板上に発光構造物を形成するステップの前に、前記予備基板上にアンドープのＧａＮ層を形成するステップをさらに含み、
   前記予備基板の一部領域を除去するステップの後に、前記アンドープのＧａＮ層の露出させられた領域を除去するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
8. 前記発光構造物を分離するステップは、分離のための溝部分で前記予備基板上に前記第１導電型窒化物層の一部が残存するように、窒化物半導体発光素子の最終的な大きさに応じて前記発光構造物を分離することを特徴とする、請求項１から７のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
9. 前記発光構造物上に導電性基板を形成するステップは、導電性接着層を利用して前記発光構造物の上面に前記導電性基板を接着することによって実施されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
10. 前記導電性基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＧａＡｓから構成される群より選択された物質から成ることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
11. 前記電極は、Ｃｒ、Ａｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｉｒ、Ｖ、ＩＴＯ、ＣＩＯ、ＩＺＯから構成される群より選択された物質、または該群より選択された２種以上の物質の組み合わせから成ることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。

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