JP5647843B2 - Manufacturing method of semiconductor light emitting device - Google Patents
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本発明は、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)等の半導体発光素子の製造方法及びこれによって製造される半導体発光素子に関し、特に、半導体成長層の結晶成長に用いられる成長用基板をレーザリフトオフ(LLO:Laser Lift Off)法によって除去する工程を有する製造方法及びこれにより製造される半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode (LED) and a semiconductor light emitting device manufactured by the method, and more particularly, to a laser lift-off (growing) a growth substrate used for crystal growth of a semiconductor growth layer. The present invention relates to a manufacturing method having a step of removing by an LLO (Laser Lift Off) method and a semiconductor light emitting device manufactured thereby.
発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)等の半導体発光素子は、近年の技術の進歩によって高効率化及び高出力化が図られている。しかし、高出力化に伴って半導体発光素子から生じる熱量も増加し、これによる信頼性の低下が問題となっている。 Semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes (LEDs) have been improved in efficiency and output due to recent technological advances. However, as the output increases, the amount of heat generated from the semiconductor light emitting element also increases, resulting in a decrease in reliability.
上述した問題を解決するために、比較的に熱伝導性の低い成長用基板を除去し、当該成長用基板に替えて比較的熱伝導性の高い支持基板で半導体成長層を支持する技術が用いられている。かかる技術を用いることにより、半導体発光素子の放熱性が改善され、更には成長用基板の除去に伴って発光効率、特に光取り出し効率の向上も期待できる。すなわち、光が成長用基板を通過する際に起こる光吸収の抑制、及び半導体成長層と成長用基板との屈折率差に起因してその界面で全反射される光の成分を減じることが可能になる。 In order to solve the above-mentioned problems, a technique is used in which a growth substrate having a relatively low thermal conductivity is removed and a semiconductor growth layer is supported by a support substrate having a relatively high thermal conductivity instead of the growth substrate. It has been. By using such a technique, the heat dissipation of the semiconductor light emitting device can be improved, and further, the emission efficiency, particularly the light extraction efficiency can be expected to increase with the removal of the growth substrate. In other words, it is possible to suppress light absorption that occurs when light passes through the growth substrate, and to reduce the component of the light that is totally reflected at the interface due to the refractive index difference between the semiconductor growth layer and the growth substrate. become.
GaN系の半導体成長層から成長用基板を剥離する場合、一般的に、レーザリフトオフ(LLO:Laser Lift Off)法が用いられる。ここで、LLO法とは、成長用基板上にGaN等の半導体成長層が形成されたウエハに対して、成長用基板側からYAGレーザ光又はエキシマレーザ光を照射し、かかるレーザ光のエネルギーが成長用基板と半導体成長層との界面で吸収され、更に吸収されたエネルギーが熱に変換されることにより、成長用基板上に形成されているGaN層が金属GaとN2ガスとに分解されることを利用した剥離方法である。 When peeling off the growth substrate from the GaN-based semiconductor growth layer, a laser lift-off (LLO) method is generally used. Here, the LLO method irradiates a wafer on which a semiconductor growth layer such as GaN is formed on a growth substrate with YAG laser light or excimer laser light from the growth substrate side, and the energy of the laser light is increased. The GaN layer formed on the growth substrate is decomposed into metal Ga and N 2 gas by being absorbed at the interface between the growth substrate and the semiconductor growth layer and further converting the absorbed energy into heat. This is a peeling method that utilizes this.
上述したLLO法を用いると、GaN層の分解時に発生するN2ガスの圧力により、GaN層にクラック又は欠けが発生する問題があった。かかる問題を解決する方法として、レーザ光の照射前に、GaN層の分解時に発生するN2ガスをウエハ外部に放出させる経路を形成しておき、GaN層におけるクラック及び欠けの発生を防止する方法が知られている。例えば、特許文献1及び特許文献2には、GaN系の半導体成長層を貫通し成長用基板であるサファイア基板に到達する素子分割溝を形成した後に、LLO法によりサファイア基板を剥離する製造方法が開示されている。
When the above-described LLO method is used, there is a problem that cracks or chips occur in the GaN layer due to the pressure of the N 2 gas generated when the GaN layer is decomposed. As a method for solving such a problem, a method for forming a path for releasing the N 2 gas generated when the GaN layer is decomposed to the outside of the wafer is formed before the laser beam irradiation, thereby preventing the occurrence of cracks and chips in the GaN layer. It has been known. For example,
また、発光効率及び光取り出し効率の向上のために、成長用基板に凹凸パターンを形成し、当該凹凸パターン上に半導体成長層を積層する方法が知れている。このような成長用基板に凹凸パターンを形成する理由は、凹凸パターン上に半導体成長層を形成することによって半導体成長層の結晶欠陥が低減できること、半導体成長層も成長用基板の凹凸パターンに対応した凹凸パターンを有することになり、半導体成長層の凹凸パターンによって活性層から放出される光を散乱・回折して外部量子効率を向上できることがある。例えば、特許文献3には、凹凸パターンが形成されたサファイア基板上にGaN系の半導体成長層を形成し、その後にLLO法によってサファイア基板を剥離する製造方法が開示されている。 In order to improve the light emission efficiency and the light extraction efficiency, a method is known in which a concavo-convex pattern is formed on a growth substrate and a semiconductor growth layer is stacked on the concavo-convex pattern. The reason for forming the concavo-convex pattern on such a growth substrate is that crystal defects in the semiconductor growth layer can be reduced by forming the semiconductor growth layer on the concavo-convex pattern, and the semiconductor growth layer also corresponds to the concavo-convex pattern on the growth substrate. In some cases, the external quantum efficiency can be improved by scattering / diffracting light emitted from the active layer by the uneven pattern of the semiconductor growth layer. For example, Patent Document 3 discloses a manufacturing method in which a GaN-based semiconductor growth layer is formed on a sapphire substrate on which a concavo-convex pattern is formed, and then the sapphire substrate is peeled off by an LLO method.
LLO法を用いてGaN系の半導体成長層から成長用基板を完全に除去する場合、レーザ光照射時に支持体から接着用金属材料が飛散し、N2ガスの放出経路に露出した半導体成長層の側面に金属材料が付着することがある。このような金属材料の付着は半導体発光素子のリーク不良を引き起こし、製造工程の歩留まりが低下する。 When the growth substrate is completely removed from the GaN-based semiconductor growth layer using the LLO method, the bonding metal material is scattered from the support during laser light irradiation, and the semiconductor growth layer exposed to the N 2 gas emission path is exposed. Metal material may adhere to the side. Such adhesion of the metal material causes a leak failure of the semiconductor light emitting device, and the yield of the manufacturing process is reduced.
このような問題点を解決するために、当該放出経路に露出した半導体成長層の側面の一部を保護膜によって被覆する方法が考えられる。かかる場合において、当該保護膜を容易且つ高精度に形成するために、当該放出経路幅が成長用基板に向かって徐々に狭くなるように半導体成長層の側面を成長用基板の表面に対して傾けることが重要になる。また、素子分割方法によっては、傾いた側面を意図せずとも設けられてしまう場合もある。 In order to solve such a problem, a method of covering a part of the side surface of the semiconductor growth layer exposed in the emission path with a protective film is conceivable. In such a case, in order to form the protective film easily and with high precision, the side surface of the semiconductor growth layer is inclined with respect to the surface of the growth substrate so that the emission path width gradually decreases toward the growth substrate. It becomes important. Further, depending on the element dividing method, an inclined side surface may be provided without intention.
しかしながら、上述したような成長用基板の凹凸パターン上に形成された半導体成長層からLLO法によって成長用基板を除去する場合は、凹凸パターンを有しない成長用基板上に形成された半導体成長層からLLO法によって成長用基板を除去する場合と比較して、GaN層の分解時に発生するN2ガスの圧力が半導体成長層の厚さ方向(すなわち、成長方向)にかかる。これは、凹凸パターンがない成長用基板と半導体成長層との界面においては、N2ガスが半導体成長層の厚さ方向に直交する方向(以下、横方向と称する)に沿って外部に放出されやすいが、凹凸パターンがある成長用基板と半導体成長層との界面においては、当該凹凸パターンによってN2ガスが横方向に放出されにくくなるためである。N2ガスの圧力が半導体成長層の厚さ方向にかかりやすくなると、上述したような放出経路の底部(すなわち、成長用基板が露出した部分)の周囲における半導体成長層の層厚は薄いため、かかる薄い層厚の部分にクラックが発生しやすくなり、半導体発光素子の歩留まり及び信頼性が低下する。 However, when the growth substrate is removed by the LLO method from the semiconductor growth layer formed on the concavo-convex pattern of the growth substrate as described above, the semiconductor growth layer formed on the growth substrate having no concavo-convex pattern is used. Compared with the case where the growth substrate is removed by the LLO method, the pressure of the N 2 gas generated when the GaN layer is decomposed is applied in the thickness direction (ie, growth direction) of the semiconductor growth layer. This is because N 2 gas is released to the outside along the direction perpendicular to the thickness direction of the semiconductor growth layer (hereinafter referred to as the lateral direction) at the interface between the growth substrate without the uneven pattern and the semiconductor growth layer. This is because the N 2 gas is less likely to be released laterally by the uneven pattern at the interface between the growth substrate having the uneven pattern and the semiconductor growth layer. When the pressure of the N 2 gas is easily applied in the thickness direction of the semiconductor growth layer, the thickness of the semiconductor growth layer around the bottom of the emission path as described above (that is, the portion where the growth substrate is exposed) is thin. Cracks are likely to occur in such thin layer portions, and the yield and reliability of the semiconductor light emitting device are reduced.
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、凹凸パターンが表面に形成された成長用基板をLLO法によって除去する際に、金属材料等の異物の付着を防止しつつ、半導体成長層におけるクラックの発生を防止することができる半導体発光素子の製造方法及びこれよって製造される半導体発光素子を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to prevent adhesion of foreign materials such as metal materials when removing a growth substrate having a concavo-convex pattern formed on the surface by the LLO method. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor light emitting device capable of preventing the occurrence of cracks in the semiconductor growth layer and a semiconductor light emitting device manufactured thereby.
上述した課題を解決するために、半導体発光素子の製造方法であって、成長用基板の表面に複数の素子形成領域と、前記複数の素子形成領域を囲む素子区画領域と、前記素子形成領域の内側に設けられた凹凸面形成領域と、前記凹凸面形成領域を囲み平坦形状を有する凹凸面区画領域とを区画し、前記凹凸面形成領域内に複数の凸部又は凹部を形成する工程と、前記成長用基板の表面上に、第1の半導体層、活性層及び第2の半導体層を順次成長して半導体成長層を形成する工程と、前記凹凸面区画領域及び前記素子区画領域上の前記半導体成長層をエッチングし、前記成長用基板に向かって開口が徐々に小さくなるとともに前記成長用基板の表面に達する素子分割溝を形成し、前記凹凸面形成領域上に設けられる内側部と前記凹凸面区画領域上に設けられるテーパ部とからなる複数の素子部を形成する工程と、前記複数の素子部を支持する支持体を前記複数の素子部に接合する工程と、前記成長用基板の裏面側からレーザ光を照射して前記成長用基板を剥離する工程と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising: a plurality of device formation regions on a surface of a growth substrate; device partition regions surrounding the device formation regions; A step of partitioning an uneven surface forming region provided inside and an uneven surface partition region surrounding the uneven surface forming region and having a flat shape, and forming a plurality of convex portions or recesses in the uneven surface forming region; Forming a semiconductor growth layer by sequentially growing a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer on the surface of the growth substrate; and the step on the uneven surface partition region and the element partition region. Etching the semiconductor growth layer, forming an element dividing groove reaching the surface of the growth substrate while gradually reducing the opening toward the growth substrate, and an inner portion provided on the uneven surface forming region and the unevenness Area A step of forming a plurality of element portions each including a taper portion provided thereon, a step of bonding a support body supporting the plurality of element portions to the plurality of element portions, and a laser from the back side of the growth substrate. And irradiating light to peel off the growth substrate.
本発明の半導体発光素子の製造方法においては、成長用基板の表面に複数の素子形成領域、複数の素子形成領域を囲む素子区画領域、及び素子形成領域の内側に設けられた凹凸面形成領域を区画した後に凹凸面形成領域内に複数の凸部又は凹部を形成し、成長用基板の表面上に半導体成長層を形成する。更に、凹凸面形成領域を区画する平坦領域及び素子区画領域上の半導体成長層をエッチングし、成長用基板に向かって開口が徐々に小さくなるとともに成長用基板の表面に達する素子分割溝を形成する。これにより、凹凸パターンを有する成長用基板をその後のLLO法によって除去する際に、素子部の層厚が薄くなっている側部の欠け及びクラックの発生を防止することができる。 In the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, a plurality of element formation regions, an element partition region surrounding the plurality of element formation regions, and an uneven surface formation region provided inside the element formation region are formed on the surface of the growth substrate. After partitioning, a plurality of convex portions or concave portions are formed in the uneven surface forming region, and a semiconductor growth layer is formed on the surface of the growth substrate. Further, the flat region defining the uneven surface forming region and the semiconductor growth layer on the element partition region are etched to form an element dividing groove reaching the surface of the growth substrate while gradually decreasing the opening toward the growth substrate. . Thereby, when the growth substrate having the concavo-convex pattern is removed by the subsequent LLO method, it is possible to prevent the occurrence of chipping and cracks in the side portion where the layer thickness of the element portion is thin.
以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
先ず、図1(a)、(b)、(c)を参照しつつ、本実施例に係る半導体発光素子の構造を説明する。図1(a)は本実施例に係る半導体発光素子の断面図であり、図1(b)は半導体発光素子を構成する半導体成長層の拡大断面図であり、図1(c)は半導体発光素子を構成する半導体成長層のn側電極形成面の平面図である。 First, the structure of the semiconductor light emitting device according to this example will be described with reference to FIGS. 1 (a), (b), and (c). 1A is a cross-sectional view of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view of a semiconductor growth layer constituting the semiconductor light emitting device, and FIG. 1C is a semiconductor light emitting device. It is a top view of the n side electrode formation surface of the semiconductor growth layer which comprises an element.
図1(a)に示されているように、半導体発光素子10は、支持体11、接合層12、p側電極13、n側電極14、保護層15及び素子部20から構成されている。また、図1(b)に示されているように、素子部20は、p側電極13からn側電極14に向かって、p−GaN層21、p−AlGaNクラッド層22、活性層23及びn−GaN層24が順次積層された積層構造を有している。
As shown in FIG. 1A, the semiconductor
素子部20は、p側の表面を垂直にn側の表面まで投影させた領域である四角柱の形状をした内側部20aと、内側部20aの周囲を囲むように形成された外側部であるテーパ部20b(図1(a)の破線によって囲まれた部分)と、から構成されている。素子部20の内側部20aにおいて、p側電極13が形成された面(p側の表面)は平坦である。一方、n側電極14が形成された面(n側の表面)は一部が凹み、n側の表面は凹凸形状を有している。すなわち、内側部20aのn側の表面には複数の凹部25が形成されている。一方、素子部20のテーパ部20bにおいて、n側の表面は平坦である。すなわち、図1(a)、(c)に示されているように、素子部20のn側の表面は、内部20aの表面領域である凹凸面領域26と、テーパ部20bの表面領域である平坦面領域27とから構成されている。また、凹凸面領域26の形状は一辺が約1020マイクロメートル(μm)の正方形であり、平坦面領域27の幅は約10μmである。なお、本実施例においては、凹凸面は凹部25によって形成されていたが、凹部25に代えて複数の突起を形成することによって凹凸面を形成してもよい。
The
凹部25は、図1(c)におけるx軸方向に7列、当該x軸と直交するy軸方向に7行、すなわち7行×7列のマトリックス状に形成されている。また、凹部25は円柱形状を有しており、その深さは約1μmであり、その底面の直径は約1μmである。凹部25同士の中心点間隔(ピッチ)は、約2μmである。素子部20の縁から最も外側に位置する凹部25までの距離は約20μmである。なお、図1においては凹部25を7行×7列に設けているが、これは簡略化して図示しているためであり、実際にはより多く、例えば約1000行×1000列である。なお、凹部25の形状は、角錐、円錐、レンズ形状、半球状等の種々の形状であってもよい。また、凹部25の寸法及び数量は、上述した内容に限定されず、半導体発光素子10の特性に応じて適宜調整することができる。例えば、凹部25の深さは1〜2μm、底面の直径は0.5〜3μm、ピッチは1〜5μmの範囲に設定することができる。
The
素子部20のテーパ部20bは、p側の表面からn側の表面に向かって素子部20の側部が徐々に広がる傾斜面(以下、テーパ面28と称する)を有している。また、テーパ部20bにおいて、n側の表面とテーパ面28とがなす角度は、例えば約30度である。なお、n側の表面(すなわち、平坦面領域27における表面)とテーパ面28とがなす角度は、例えば30度〜40度の範囲内に設定することができる。
The
支持体11は、シリコン等の半導体基板である。接合層12はAuSnNi合金から構成され、支持体11とp側電極13とを電気的に接続しつつ、支持体11とp側電極13及び保護層15の一部とを貼り合わせている。
The
p側電極13は、p−GaN層21が位置する面(すなわち、p側の表面)に形成されている。また、n側電極14は、n−GaN層24が位置する面(すなわち、n側の表面)の凹凸面領域25上の中央部に形成されている。p側電極13はPt、Ag、Ti及びAuが順次積層された構造を有し、n側電極はTi、Pt及びAuが順次積層された構造を有している。
The p-
保護層15は、二酸化シリコン(SiO2)からなる酸化膜である。保護層15は、テーパ面28の一部及び素子部20のp側の表面の一部に形成されている。テーパ面28の全面が保護層15によって覆われていない理由は、後述するレーザリフトオフ(LLO:Laser Lift Off)の際に発生するN2ガスを素子部20の外部に放出しやすくしているためである。また、保護層15は、p側電極13の周囲を囲むように形成されている。
The
次に、図2乃至図7を参照しつつ、本実施例に係る半導体発光素子の製造方法について詳細に説明する。 Next, with reference to FIGS. 2 to 7, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to this example will be described in detail.
[成長用基板準備工程]
本実施例においては、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によりAlxInyGazN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)からなる半導体成長層を形成する基板(成長用基板)としてC面サファイア基板30(以下、単にサファイア基板30と称する)を先ず準備する(図2(a))。ここで、図2は、半導体発光素子10の製造方法における各製造工程を示す断面図である。なお、成長用基板としては、本実施例のC面サファイア基板に限らず、R面サファイア基板、又はMgAl2O4等の基板を用いることもできる。
[Growth substrate preparation process]
In the present embodiment, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition ) by Al x In y Ga z N ( 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1, x + First, a C-plane sapphire substrate 30 (hereinafter simply referred to as a sapphire substrate 30) is prepared as a substrate (growth substrate) for forming a semiconductor growth layer of y + z = 1) (FIG. 2A). Here, FIG. 2 is a cross-sectional view showing each manufacturing step in the method for manufacturing the semiconductor
次に、サファイア基板30の表面上に凹凸パターンを形成する(図2(b)、図3(a)、(b))。ここで、図3(a)は本工程におけるサファイア基板30の平面図であり、図3(b)は図3(a)の一点鎖線によって囲まれた領域3bの拡大図である。
Next, an uneven pattern is formed on the surface of the sapphire substrate 30 (FIGS. 2B, 3A, and 3B). Here, FIG. 3A is a plan view of the
具体的な工程としては、先ず、サファイア基板30の表面に複数の素子形成領域30a(例えば、一辺が約1040μmの正方形の領域)を区画する(図2(b)、図3(a))。また、平坦領域30bによって凹凸面形成領域30c(一辺が約1000μmの正方形の領域)を区画し、凹凸面形成領域30cを素子形成領域30aの内側に設ける(図2(b)、図3(b))。平坦領域30bは、素子形成領域30aに含まれる凹凸面形成領域30cを取り囲む領域(凹凸面区画領域)と、隣接する素子形成領域30aの間の後述する素子分割溝となる領域(素子区画領域)とからなる。続いて、サファイア基板30上にレジストを塗布し、その後にフォトリソグラフィによって当該レジストをパターニングする。本実施例においては、サファイア基板30上の凹凸面形成領域30c内のそれぞれにおいて、7行×7列のマトリックス状に並ぶように凸部を形成する。ここで、素子形成領域30aとは素子部20が形成される領域であり、素子形成領域30aとこれに隣接する他の素子形成領域30aとの間には後述する素子分離溝が位置する。その後、パターニングされたレジストをマスクとし、BCl3及びArを用いた反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)を施し、サファイア基板30の表面に凸部30dを形成する。その後、当該レジストが除去され、サファイア基板30上の凹凸面形成領域30c内のそれぞれに7行×7列のマトリックス状に並んだ凸部30dからなる凹凸パターンの形成が完了する(図2(b)、図3(b))。
As a specific process, first, a plurality of
本実施例においては、凸部30dの直径約1μm、高さ約1μmの円柱状の突起であり、凸部30d同士の中心点間隔(ピッチ)は約2μmである。凸部30d同士の間隔である凹部30eの幅は、中心点間隔から凸部30dの直径を除いた距離に等しい。なお、凸部30dの寸法はこれに限れることはなく、例えば、凸部30dの直径は0.5〜3μm、深さは1〜2μm、ピッチは1〜5μmの範囲内に設定することができる。なお、図2、3においては凸部30dを7行×7列に設けているが、これは簡略化して図示しているためであり、実際にはより多く、例えば約1000行×1000列である。
In this embodiment, the
また、設計上は凹凸面形成領域30cの外縁に凸部30dを囲む凹部30eの側面が一致しないように、例えば、当該外縁から約1.5μm離間した位置に凸部30dを形成することが好ましい。これはサファイア基板30上に形成される半導体成長層の層厚にばらつきが生じることによってサファイア基板30上に形成される素子ごとに内側部20aとテーパ部20bにずれが生じてしまうため、あらかじめ当該ずれ幅を考慮してウエハ上のいずれの領域においても確実にテーパ部20bの表面領域を完全に平坦にするためである。なお、凸部30dの側面から外縁までの距離は上述した距離に限定されず、例えば、1.0〜11μmの範囲で設定することができる。
In terms of design, for example, the
本実施例においては円柱状の凸部30dを形成したが、素子部20の凹部25の形状に応じて、凸部30dの形状を角錐、円錐、レンズ形状、半球状等の種々の形状にすることができる。また、本実施例においてはエッチング用のマスクとしてレジストを用いたが、レズストに代えてSiO2や金属を用いてもよい。更に、素子形成領域30a及び凹凸面形成領域30cの形状を正方形としたが、円形又は三角形等の他の形状であってもよい。
In the present embodiment, the cylindrical
なお、本実施例においては、隣接する素子形成領域30aの間の後述する素子分割溝となる領域(素子区画領域)を平坦としたが、当該素子区画領域に凹部又は凸部を形成してもよい。
In this embodiment, a region (element partition region), which will be described later, between the adjacent
[半導体成長層形成工程]
次に、凹凸パターンが形成されたサファイア基板30を水素雰囲気中で摂氏1000度(1000℃)、10分間加熱してサーマルクリーニングを行う。次に、MOCVD法により、サファイア基板30の凹凸パターンが形成された面上に低温バッファ層41、下地GaN層42、n−GaN層24、活性層23、p−AlGaNクラッド層22、p−GaN層21からなる半導体成長層40を形成する(図2(c)、図4)。ここで、半導体成長層40を構成する各半導体層は、MOCVD法によりウルツ鉱型結晶構造のC軸方向に沿って、サファイア基板11の上に順次積層される。なお、図4はサファイア基板30上に結晶成長した半導体成長層40を示す断面図である。
[Semiconductor growth layer formation process]
Next, thermal cleaning is performed by heating the
具体的には、基板温度(成長温度)を500℃とし、TMG(トリメチルガリウム)(流量10.4μmol/min)及びNH3(流量3.3LM)を約3分間供給してGaNからなる低温バッファ層41をサファイア基板30の上に形成する。その後、基板温度を1000℃まで昇温し、約30秒間保持することで低温バッファ層41を結晶化させる。続いて、基板温度を1000℃に保持したままTMG(流量45μmol/min)、NH3(流量4.4LM)及びドーパントガスとしてSiH4(流量2×10-4mol/min)を約20分間供給し、膜厚1μmの下地GaN層42を形成する。
Specifically, the substrate temperature (growth temperature) is set to 500 ° C., TMG (trimethylgallium) (flow rate 10.4 μmol / min) and NH 3 (flow rate 3.3 LM) are supplied for about 3 minutes, and the low-
次に、基板温度が1000℃の状態にてTMG(流量45μmol/min)、NH3(流量4.4LM)及びドーパントガスとしてSiH4(流量2.7×10-9mol/min)を約90分間供給し、膜厚6μmのn−GaN層24を形成する。続いて、n−GaN層24の上に活性層23を形成する。本実施例では、活性層23としてInGaN/GaNからなる多重量子井戸構造を適用した。すなわち、InGaN/GaNを1周期として5周期の成長を行う。具体的には、基板温度を700℃とし、TMG(流量3.6μmol/min)、TMI(トリメチルインジウム)(流量10μmol/min)、NH3(流量4.4LM)を約33秒間供給し、膜厚2.2nmのInGaN井戸層を形成する。続いて、TMG(流量3.6μmol/min)、NH3(流量4.4LM)を約320秒間供給して膜厚15nmのGaN障壁層を形成する。かかる成長を5周期分繰り返すことにより活性層23が形成される。
Next, TMG (flow rate 45 μmol / min), NH 3 (flow rate 4.4 LM), and SiH 4 (flow rate 2.7 × 10 −9 mol / min) as a dopant gas are supplied for about 90 minutes at a substrate temperature of 1000 ° C. Then, an n-
次に、基板温度を870℃まで昇温し、TMG(流量8.1μmol/min)、TMA(トリメチルアルミニウム)(流量7.5μmol/min)、NH3(流量4.4LM)及びドーパントとしてCp2Mg(bis-cyclopentadienyl Mg)(流量2.9×10-7μmol/min)を約5分間供給し、膜厚約40nmのp−AlGaNクラッド層22を形成する。続いて、基板温度を保持したまま、TMG(流量18μmol/min)、NH3(流量4.4LM)及びドーパントとしてCp2Mg(流量2.9×10-7μmol/min)を約7分間供給し、膜厚約150nmのp−GaN層21を形成する。サファイア基板30の上には、これらの各半導体層によって構成される半導体成長層40が形成される(図4)。
Next, the substrate temperature was raised to 870 ° C., TMG (flow rate 8.1 μmol / min), TMA (trimethylaluminum) (flow rate 7.5 μmol / min), NH 3 (flow rate 4.4 LM), and Cp 2 Mg (bis -cyclopentadienyl Mg) (flow rate 2.9 × 10 −7 μmol / min) is supplied for about 5 minutes to form a p-
[素子分割溝形成工程、テーパ面形成工程]
次に、サファイア基板30の表面上に区画された平坦領域30b内の上方のみ位置する半導体成長層40に、個々の半導体発光素子を区画する素子分割溝43を形成する。
[Element division groove forming process, taper surface forming process]
Next,
具体的な工程としては、先ず、半導体成長層40の表面上にスピンコータを用いてレジスト50を均一(層厚:約10μm)に塗布する。続いて、フォトリソグラフィによって開口51を形成し、レジスト50を格子状にパターニングする。ここでは、半導体成長層40上に残存するレジストの各々の平面形状が、約1040μm×1040μmの正方形となるようにパターニングする(図2(d))。また、開口51の底面(開口51によって半導体成長層40が露出する領域)が平坦領域30b内の直上のみに位置するようにパターニングする。本実施例においては、半導体成長層40が可視光を透過し、サファイア基板30に凹凸パターンが施されているため、当該凹凸パターンを利用してフォトリソグラフィ用のマスクを位置決めできる。これにより、レジスト50のパターニングの精度を向上することができる。その後、パターニングされたレジスト50にポストベークを施し、残存する正方形のレジスト50の各々の側面を傾斜させる。ここでは、当該レジストの側部の傾斜角(半導体成長層40の表面に対するレジスト50側面の傾斜角度)は約30度である。
As a specific process, first, a resist 50 is applied uniformly (layer thickness: about 10 μm) on the surface of the
次に、上述した形状のレジスト50が形成された状態のウエハを反応性イオンエッチング装置に投入し、上述した形状のレジスト50を分割溝形成マスクとし、Cl2プラズマによるドライエッチングを半導体成長層40に施す。ここで、分割溝形成マスクであるレジスト50の開口51の幅は、サファイア基板30に凸部30dを形成時において平坦領域30b上に形成されたレジスト(平坦面形成マスク)の幅よりも小さい。これにより、半導体成長層40には、サファイア基板30に達する格子状の素子分割溝43が形成される(図2(e)、図5)。図2(e)に示されているように、素子分割溝43の形成幅(素子部20とそれに隣接する他の素子部20との間隔)は、平坦領域30bの幅よりも狭い。また、素子分割溝43は、平坦領域30bの直上領域に形成されている。
Next, the wafer on which the resist 50 having the above-described shape is formed is put into a reactive ion etching apparatus, and the resist 50 having the above-described shape is used as a division groove forming mask, and dry etching using Cl 2 plasma is performed on the
本実施例においては、素子分割溝43の最小幅(サファイア基板30の露出幅)は約100μmであり、素子分割溝43によって半導体成長層40が例えば一辺が約1040μmの素子片(素子領域)である素子部20に分割される。
In the present embodiment, the minimum width of the element dividing groove 43 (exposed width of the sapphire substrate 30) is about 100 μm, and the
本実施例においては、上述したドライエッチングの選択比を約1にしているため、ドライエッチングのマスクとして用いられたレジスト側部の傾斜形状が半導体成長層40に転写される。すなわち、素子分割溝43の開口幅は、半導体成長層40のp側の表面からサファイア基板30に向かうにつれて、徐々に小さくなっている。このような素子分割溝43の形状により、素子部20の断面形状は略台形状になり、素子部20の側部はp側の表面からn側の表面に向かうにつれて、徐々に広がるように傾斜している。すなわち、素子分離溝43が形成されることにより、素子部20の側部は、サファイア基板30に対して傾斜したテーパ面28を有する。
In this embodiment, since the above-mentioned dry etching selection ratio is about 1, the inclined shape of the resist side portion used as the dry etching mask is transferred to the
また、図2(e)及び図5に示されているように、テーパ面28を有する側部であるテーパ部20b(図2(e)における破線で囲まれた部分)は、サファイア基板30の凹凸面形成領域30cには対向していない。すなわち、テーパ部20bは、サファイア基板30の平坦領域30b内の上方、すなわち凹凸面区画領域のみに形成されている。また、凹凸面形成領域30cは内側部20aの表面上に含まれることになる。ここで、図5は、図2(e)の工程におけるサファイア基板30及び半導体成長層40の平面図である。
Further, as shown in FIGS. 2 (e) and 5, the tapered
なお、テーパ部20bと凹凸面形成領域30cとが上述した位置関係になれば、レジスト50の厚さ及び傾斜角度を適宜調整し、素子分離溝43を形成することができる。
If the
[保護層形成工程]
次に、素子部20のp側の表面及びテーパ面28を覆う保護層15を形成する。(図6(a))。図6は、半導体発光素子10の製造方法における各製造工程を示す断面図である。
[Protective layer forming step]
Next, the
具体的には、先ず、素子部20及びサファイア基板30を覆うようにレジストを塗布し、その後にフォトリソグラフィによって当該レジストをパターニングする。本実施例においては、保護層15を形成する領域に開口が位置するようにレジストにパターニングを施す。続いて、スパッタリング、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、又は蒸着法等の公知の成膜技術を用いてSiO2を成膜する。ここで、電気的絶縁性、密着性及び強度を確保するために、SiO2の層厚は約0.3μmである。更に、パターニングしたレジスト及び不要なSiO2を除去することにより、保護層15が完成する。ここで、保護層15は、素子部20のp側の表面の一部及び素子部20のテーパ面28の一部を覆うように形成される。より具体的には、後述するLLO時における金属材料等の異物の付着、及び半導体成長層40の破壊等を考慮すると、保護層15は素子部20のp側の表面から活性層23の露出領域を少なくとも覆い、且つ、サファイア基板30に接触しないように形成されることが望ましい。例えば、サファイア基板30と保護層15との間に、N2ガス放出経路確保のため約1μmの隙間が形成されることが好ましい。
Specifically, first, a resist is applied so as to cover the
なお、上述した保護層形成方法においてはリフトオフ法が用いられたが、先にSiO2を成膜し、成膜したSiO2を所望の形状になるようにエッチングを施してもよい。また、保護層の層厚は、例えば0.1〜0.6μmの範囲内で設定することができる。 Although the lift-off method is used in the protective layer forming method described above, SiO 2 may be formed first, and etching may be performed so that the formed SiO 2 has a desired shape. Moreover, the layer thickness of a protective layer can be set within the range of 0.1-0.6 micrometer, for example.
[p側電極形成工程]
次に、素子部20の各々の表面の所望の領域に、p側電極13を形成する(図6(b))。より具体的には、先ず、保護層15、素子部20及びサファイア基板30を覆うようにレジストを塗布する。続いて、フォトリソグラフィによって当該レジストをパターニングする。パターニングされたレジストの開口部分に電子ビーム蒸着により、Pt(1nm)、Ag(150nm)、Ti(100nm)、Pt(200nm)及びAu(200nm)を順次堆積する。その後、当該レジストを除去することで、p側電極13が完成する。なお、本実施例においては、p側電極13が保護層15、素子部20のテーパ面28及びサファイア基板30の上に形成されないように、上述したレジストをパターニングする。
[P-side electrode forming step]
Next, the p-
なお、p側電極13は、上述した構造により、素子部20との優れた密着性及びオーミック性、後述する支持体との優れた接合特性を備える。また、p側電極13は、活性層23から放出される光を効率よく反射し、堆積した金属の拡散を高精度で防止(特に、素子部20への混入を防止)することができる。更に、上述したp側電極13の形成工程は、保護層15を形成した後にいっていたが、p型電極13を先ず形成し、その後に保護層15を形成してもよい。
Note that the p-
[貼り合わせ工程]
p型電極13が形成された後に、接合層12を介して上記工程を経て得られたウエハと、準備した支持体11とを貼り合わせる(図6(c))。
[Lamination process]
After the p-
具体的な工程としては、先ず、導電性支持基板(例えば、ホウ素が添加されたシリコン基板)及び電極層からなる支持体11を準備する。より具体的な構造としては、導電性支持基板の表面(第1の主面)上には、スパッタリングによって電極層が形成されている。電極層は、例えば、チタン及び白金から構成される多層膜である。ここで、チタンの膜厚は約25nmであり、白金の膜厚は約100nmである。次に、溶融後の固化により接続層となる半田層を支持体11の表面上に形成する。より具体的には、導電性支持基板の第1の主面に対向した面(第2の主面)に、スパッタリングによってNi、Au及びAuSnを順次積層した半田層を形成する。半田層を構成するNiには、AuSnの溶融時において、Snを吸収する役割がある。また、Niには、AuSnの溶融後の再固化時における剥離を抑制する効果がある。更に、Niの膜厚は、AuSnに対する濡れ性を高め且つ剥離を抑制する観点から、約100nm以上であることが望ましい。なお、Pt又はPd(パラジウム)もAuSnの溶融後の再固化時における剥離を抑制する効果があるため、Niに代えてPt又はPdからなる層を形成してもよい。半田層を構成するAuには、AuSnの濡れ性向上及びNiの酸化を防止する効果がある。Auの膜厚は、例えば、約30nmである。また、半田層を構成するAuSnのAuとSnとの組成比は、例えば、重量比で約8:2、原子数比で約7:3である。AuSnの膜厚は、例えば、約600nmである。
As a specific process, first, a
次に、上述した半田層と、素子部20の上に形成されたp側電極13及び保護層15と、を対向した状態で密着する。その後、密着したサファイア基板30及び支持体11を窒素雰囲気下で熱圧着する。熱圧着の条件は、例えば、圧力が約300〜500N/cm2、温度が約280℃〜370℃、圧着時間が約10分間である。この熱圧着によってAuSnが溶融し、Au及びNiが溶融しているAuSnに溶解する。更に、Au及びSnが拡散し、Niに吸収される。続いて、溶融したAuSnが固化することにより、AuSnNi合金からなる接合層12が形成され、支持体11と、p側電極13及び保護層15と、の接合(貼り合わせ)が完了する。
Next, the solder layer described above is closely adhered to the p-
[成長用基板除去工程]
次に、LLO法により、サファイア基板30を素子部20から剥離する。より具体的には、サファイア基板11の裏面(素子部20が形成されていない面)側からエキシマレーザ光を照射する。エキシマレーザ光の波長は約248nmであり、エネルギー密度は約850mJ/cm2である。また、エキシマレーザ光の光源として、KrFエキシマレーザ光源を用いた。1ショットの照射範囲は、図7(a)において示されているように、素子部20とサファイア基板30との界面全域を含むように設定されている。すなわち、1つの素子部20にエキシマレーザ光が照射された後に、当該レーザ光が照射された素子部20に隣り合う他の素子部20にエキシマレーザ光が順次照射される。ここで、図7は半導体発光素子10の製造方法における各製造工程を示す断面図である。
[Growth substrate removal process]
Next, the
上述したように、エキシマレーザ光はサファイア30に対しては透過性を有する一方、素子部20を構成するGaNに吸収されるという特性を有する。従って、本実施例においては、サファイア基板30との界面付近で、低温バッファ層41及び下地GaN層42の一部が金属Ga及びN2ガスに分解される。これにより、レーザ光照射部分においては、素子部20からサファイア基板30が剥離される。
As described above, the excimer laser light is transmissive to
また、素子分離溝43は、本工程において、レーザ光照射によって素子部20から発生するN2ガスの放出経路として機能する。すなわち、発生したN2ガスは、素子部20とサファイア基板30との界面に滞留することなく、素子分離溝43を経由してウエハ外部に放出される。これにより、素子部20に作用するN2ガスの圧力が緩和され、クラックの発生を防止することが可能となる。
In addition, the
更に、素子部20のテーパ部20bはサファイア基板30の凹凸面形成領域30cには対向せず、サファイア基板30の平坦面上のみに形成されている。このため、LLOの際にN2ガス等が発生しても、テーパ部20bとサファイア基板30との間においては、半導体成長層40の厚さ方向である成長方向には大きな圧力が加わらず、発生したN2ガス等は成長方向に対して直交する方向に沿ってウエハ外部に放出される。従って、テーパ部20bのように層厚が薄い部分においても、LLOの際に欠け及び破損等の不具合が発生することがない。
Furthermore, the tapered
また、LLOの際において、接合層12を構成する金属材料等の異物が飛散するが、活性層23が露出しているテーパ面28上には保護層15が形成されているため、金属材料が活性層23に付着することがない。これにより、金属材料付着による半導体発光素子の特性不良が低減される。
Further, in the LLO, foreign substances such as a metal material constituting the
ウエハの全域に亘ってレーザ光の照射を行うことにより、サファイア基板30を素子部20から完全に剥離できる(図7(b))。また、サファイア基板30が剥離されると、サファイア基板30の凸部30dと対応するように形成された素子部20の凹部25が露出する。
By irradiating the entire area of the wafer with laser light, the
なお、本実施例では、レーザ光源としてKrFエキシマレーザを用いたが、波長193nmのArFエキシマレーザや、波長266nmのNd:YAGレーザも用いることができる。また、当該GaNの分解によって露出する素子部20のn側の表面は、C−面(N面)になる。
In this embodiment, a KrF excimer laser is used as the laser light source, but an ArF excimer laser with a wavelength of 193 nm or an Nd: YAG laser with a wavelength of 266 nm can also be used. Further, the n-side surface of the
[n側電極形成工程]
次に、素子部20を構成するn−GaN層24を覆うようにレジストを塗布する。続いて、フォトリソグラフィによって当該レジストをパターニングする。パターニングされたレジストの開口部分に電子ビーム蒸着により、Ti(25nm)、Pt(100nm)、Au(800nm)を順次堆積する。その後、当該レジストを除去し、n側電極14を形成する(図7(c))。n−GaN層24の露出面は光放出面となるため、n側電極14が半導体発光素子の実装時におけるワイヤボンディングに最低限必要な面積を有するように、n側電極14を形成することが好ましい。本実施例においては、n側電極14が各半導体発光素子のn−GaN層24の中央部に位置するようにレジストがパターニングされている。
[N-side electrode forming step]
Next, a resist is applied so as to cover the n-
[素子分離工程]
次に、ダイシングにより支持体11を切断し、上記工程を経たウエハを半導体発光素子ごとに個片化(チップ化)する。個片化の方法はダイシングに限らず、ポイントスクライブ/ブレイキング、レーザスクライブ等を用いることができる。
[Element isolation process]
Next, the
以上の各工程を経て本実施例に係る半導体発光素子10が完成する。
The semiconductor
以上のように本実施例の半導体発光素子の製造方法においては、サファイア基板30の表面に複数の素子形成領域30a及び素子形成領域30aの内側に設けられた凹凸面形成領域30cを区画した後に凹凸面形成領域30c内に複数の凸部30dを形成し、凸部30dが形成された面上に半導体成長層40を形成する。更に、凹凸面形成領域30cを区画する平坦領域30b上の半導体成長層40をエッチングし、サファイア基板30に向かって開口が徐々に小さくなるとともにサファイア基板30の表面に達する素子分割溝43を形成する。これにより、凹凸パターンを有するサファイア基板30をその後のLLO法によって除去する際に、素子部20の層厚が薄くなっている側部(テーパ部20b)の欠け及びクラックの発生を防止することができる。
As described above, in the method for manufacturing the semiconductor light emitting device of this example, the surface of the
また、本発明の半導体発光素子の製造方法においては、素子部20の側部において露出した活性層23を保護層15よって被覆するため、LLOの際に発生する金属材料等の異物が活性層15に付着することを防止できる。
Further, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, since the
なお、本実施例においては上下に電極を設けたが、フリップチップとすることも考えられる。貼り合せ工程前にn側電極を露出させ、支持体側にn側電極、p側電極を区画して設けた状態で貼り合せることによりフリップチップとなる。このとき、n側電極及びp側電極の間は導通しないように、絶縁物が設けられていることが好ましい。 In this embodiment, the upper and lower electrodes are provided, but a flip chip is also conceivable. Before the bonding step, the n-side electrode is exposed, and the n-side electrode and the p-side electrode are separated and provided on the support side to form a flip chip. At this time, it is preferable that an insulator is provided so as not to conduct between the n-side electrode and the p-side electrode.
10 半導体発光素子
11 支持体
12 接合層
13 p側電極
14 n側電極
15 保護層
20 素子部
20a 内側部
20b テーパ部
25 凹部
28 テーパ面
30 サファイア基板
30a 素子形成領域
30b 平坦領域
30c 凹凸面形成領域
30d 凸部
40 半導体成長層
DESCRIPTION OF
Claims (2)
成長用基板の表面に複数の素子形成領域と、前記複数の素子形成領域を囲む素子区画領域と、前記素子形成領域の内側に設けられた凹凸面形成領域と、前記凹凸面形成領域を囲み平坦形状を有する凹凸面区画領域とを区画し、前記凹凸面形成領域内に複数の凸部又は凹部を形成する工程と、
前記成長用基板の表面上に、第1の半導体層、活性層及び第2の半導体層を順次成長して半導体成長層を形成する工程と、
前記凹凸面区画領域及び前記素子区画領域上の前記半導体成長層をエッチングし、前記成長用基板に向かって開口が徐々に小さくなるとともに前記成長用基板の表面に達する素子分割溝を形成し、前記凹凸面形成領域上に設けられる内側部と前記凹凸面区画領域上に設けられるテーパ部とからなる複数の素子部を形成する工程と、
前記複数の素子部を支持する支持体を前記複数の素子部に接合する工程と、
前記成長用基板の裏面側からレーザ光を照射して前記成長用基板を剥離する工程と、を有することを特徴とする製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising:
A plurality of element formation regions on the surface of the growth substrate, an element partition region surrounding the plurality of element formation regions, an uneven surface formation region provided inside the element formation region, and a flat surface surrounding the uneven surface formation region Partitioning the uneven surface partition region having a shape, and forming a plurality of protrusions or recesses in the uneven surface formation region;
Forming a semiconductor growth layer by sequentially growing a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer on the surface of the growth substrate;
Etching the semiconductor growth layer on the uneven surface partition region and the element partition region, forming an element dividing groove that reaches the surface of the growth substrate as the opening gradually decreases toward the growth substrate, Forming a plurality of element parts composed of an inner part provided on the uneven surface forming region and a tapered part provided on the uneven surface partition region;
Bonding a support that supports the plurality of element portions to the plurality of element portions;
And a step of peeling the growth substrate by irradiating a laser beam from the back surface side of the growth substrate.
前記凹凸面形成領域の最端の前記凸部又は凹部は前記凹凸面形成領域の外縁よりも前記凸部又は凹部の間隔分内側に設けられ、
前記凹凸面形成領域の最端の前記凸部又は凹部と前記外縁までの間は前記凹凸面区画領域と同一平面として設けられていることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 The protrusions or recesses are provided at regular intervals,
The convex portion or concave portion at the extreme end of the concave / convex surface forming region is provided on the inner side by an interval of the convex portion or concave portion than the outer edge of the concave / convex surface forming region,
The manufacturing method according to claim 1, wherein a portion between the convex portion or the concave portion at the extreme end of the uneven surface forming region and the outer edge is provided as the same plane as the uneven surface partition region.
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