JP6172658B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、電極に段差を生じさせないいわゆるプレーナ型電極構造とした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。

半導体発光素子は、一般に、ｎ型層の上面に発光層およびｐ型層が積層されているため、ｎ側電極を構成するためには、発光層およびｐ型層を除去する必要があった。しかしながら、ｐ型層だけでも数百ｎｍ以上の膜厚を有することから、発光層およびｐ型層を除去した場合、ｐ側電極とｎ側電極には、必然的に段差が生じ、その結果、プレーナ型の電極構造とならないものであった。そのため、いわゆるフリップチップ型の発光素子を作製する場合には、電極の高低差を解消する必要があった。そこで、フリップチップ型として作製する場合には、電極パッドや金属バンプ等によって、電極の高低差を解消させる方法が採られている（特許文献１参照）。

ところが、一般的にはｐ側電極の金属バンプは面積が大きく、両電極に形成されたバンプを同じ高さとしても、発光素子が実装される実装基板等との平行状態が安定せず、ｎ側電極のバンプが実装基板等の電極パターン等に接合されないなどの不具合が生じる場合があった。

そこで、上記不具合を解消するために、ｎ側電極に形成されるバンプをｐ側電極に形成されるバンプよりも高く構成することが提案されている（特許文献２参照）。これにより、面積の小さいｎ側電極のバンプは確実に実装基板等の配線パターンに接合され、また、面積の大きいｎ側電極のバンプは、その面積により実装基板等の配線パターンとの接続に支障を来たすことがないものとされている。

特開２００４−１５３１１０号公報 特開２０１０−２７９１９号公報

前掲の特許文献１および２に記載の技術は、ｎ側電極を構成するためにｐ型層を除去することが前提であり、ｎ側電極を形成した後にバンプを形成させて電極の高さを調整する工程を有するものであった。しかしながら、ｐ型層の除去工程、電極形成工程およびバンプ形成工程など、多数の工程を要することから、作製工程が複雑なものとならざるを得なかった。また、高密度に集積した発光素子アレイを作製する場合には、実装基板等に素子アレイを実装する際、比較的面積の小さいバンプは変形することがあり、この変形等により短絡する場合があるという問題を新たに生じさせる結果を招来させていた。そのため、発光素子アレイの集積度を上げることが非常に困難な状況となっていた。

そこで、本発明は、上記諸点にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、ｐ型層を除去することなくｎ側電極を形成することにより、プレーナ型の電構造を有する発光素子を提供するとともに、その製造方法を提供することである。

そこで、本発明者らは、上記の目標と達成すべく鋭意研究した結果、次の発明を完成するに至ったものである。

半導体発光素子に係る第１の発明は、ｎ型層の上面に発光層およびｐ型層が積層されてなる半導体発光素子において、前記ｐ型層の表面から前記ｎ型層に到達する範囲に不純物をイオン注入してなる領域をｎ型化して形成されたｎ型化形成領域と、このｎ型化形成領域に接合されたｎ側電極とを備えることを特徴とするものである。

半導体発光素子に係る第２の発明は、前記第１の発明において、前記ｎ型化形成領域が、チャネリング現象を利用してイオン注入された領域をｎ型化して形成されているものである。

半導体発光素子に係る第３の発明は、前記第１の発明において、前記ｎ型化形成領域が、チャネリング現象を利用してイオン注入された第１の領域と、非チャネリング条件下でイオン注入された第２の領域とをｎ型化して形成されているものである。

半導体発光素子に係る第４の発明は、前記第１の発明において、前記ｎ型化形成領域が、チャネリング現象を利用してイオン注入された第１の領域と、ノックオン現象を利用してイオン注入された第２の領域とをｎ型化して形成されているものである。

半導体発光素子の製造方法に係る第１の発明は、成長基板上に、ｎ型層、発光層およびｐ型層を成長させる成長工程と、チャネリング条件下においてｐ型層の表面からｎ型層に到達する範囲に不純物をイオン注入するチャネリング工程と、前記チャネリング工程によりイオンが注入された領域をアニールすることによりｎ型化するアニール工程と、前記アニール工程によりｎ型化された領域の表面にｎ側電極を接続するｎ側電極構成工程とを含むことを特徴とするものである。

半導体発光素子の製造方法に係る第２の発明は、前記第１の発明において、前記チャネリング工程によりイオン注入された領域の表面側から、非チャネリング条件下において不純物をイオン注入するイオン注入工程をさらに含むことを特徴とするものである。

半導体発光素子の製造方法に係る第３の発明は、前記第１の発明において、前記ｐ型層の表面に前記不純物と同種の元素を含む不純物供給膜を形成する成膜工程と、前記チャネリング工程によりイオン注入された領域の表面に成膜された不純物供給膜の表面に対してイオンビームを照射することにより、該不純物供給膜に含まれる不純物元素をノックオンによりイオン注入してなるノックオン工程とをさらに含むことを特徴とするものである。

半導体発光素子に係る本発明によれば、ｐ型層および発光層を除去することなくｎ側電極を形成させることができることから、プレーナ型の電極構造とすることができ、バンプ等を形成することなくｐ側電極と同じ高さのｎ側電極を設けることができる。従って、フリップチップ型の発光素子とする場合において、実装基板等との接合状態を良好にすることができる。また、高密度に集積化された発光素子アレイであっても短絡等の問題を解消することができることから、発光素子アレイの集積化を向上させることとなる。

他方、半導体発光素子の製造方法に係る本発明によれば、不純物をｐ型層および発光層を超えてｎ型層に到達させることができ、また、当該不純物をｎ型化することができることから、ｐ型層および発光層を除去することなく、ｎ型層からｎ側電極に導通する領域を形成することが可能となる。また、不純物のイオン注入は、第１に、チャネリングを利用することにより、高エネルギによるイオン損傷を抑えることができ、第２に、非チャネリング条件下において不純物をイオン注入するか、または、ノックオンを利用してｐ型層表面付近に不純物をイオン注入することにより、高濃度のドナー添加領域を表面直下に形成させることができ、当該表面付近におけるｎ側電極との接触抵抗の低減させることができる。

半導体発光素子に係る本発明の実施形態を示す説明図である。 イオン注入された不純物の濃度と各層の状態を示す説明図である。 イオン注入された不純物の濃度と各層の状態を示す説明図である。 半導体発光素子を集積化した状態を示す説明図である。 製造方法に係る本発明の実施形態を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、半導体発光素子に係る発明の実施形態を示すものである。本実施形態における半導体発光素子としては、一般的な窒化物半導体発光素子として形成されており、この図１に示すように、サファイア基板などの透明な絶縁性基板１の上に、ｎ型層２、発光層３およびｐ型層４を有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法などの結晶成長法により成長基板を構成させたものである。ｎ型層２としてはｎ−ＡｌＧａＮ層が形成され、ｐ型層４としてはｐ−ＡｌＧａＮ層が形成されており、これらには、例えば、ＳｉまたはＧｅなどの不純物がドープされている。また、発光層３は、例えば、ＩｎＧａＮによる活性層が形成されている。なお、透明な基板１には、サファイアのほかにＧａＮ、ＳｉＣ、ＳｉまたはＧａＡｓなどを使用することができる。

また、ｐ型層４にはｐ側電極５が接合され、ｎ型層２にはｎ型化形成領域６を介してｎ側電極７が接合されている。本実施形態のｎ側電極７は、ｐ型層４および発光層３を除去するのではなく、ｐ型層４および発光層３を貫通して形成されるｎ型化形成領域６を介在させた状態でｎ型層２に接合されるものである。すなわち、ｐ型層４の表面からｎ型層２に到達する範囲に、ｎ型ドーパント（ドナー）としてのＳｉやＧｅなどをイオン注入し、これをアニールすることによってｎ型化形成領域６を形成し、さらに、その表面にｎ側電極７を接合しているのである。なお、図１には、後述するノックオン現象を生じさせるために用いられる不純物供給層８がｐ型層４の表面に積層された状態が示されている。

ところで、半導体発光素子では、ｐ型層４の表面側から、当該ｐ型層４および発光層３を超えてｎ型層２に到達するまでの膜厚が、数百ｎｍ程度となっている。そこで、本実施形態では表面から５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲にドナーとなる不純物をイオン注入してｎ型化形成領域６を形成している。上記のような深度の大きい領域に対してドナーをイオン注入するために、本実施形態ではチャネリング現象を利用している。すなわち、各層の結晶軸とイオン注入軸が平行となる条件（チャネリング条件）を満たすように、イオン注入軸を調整し、その条件下においてイオン注入するのである。半導体基板には、オフセット基板と呼ばれるものがあり、これは、チャネリング現象が発生しないように、半導体表面の面方向に対し結晶面の方向を僅かにずらした（オフセット角を有する）状態とされるものであるが、イオン注入の角度を調整することによりチャネリングを可能にするためのものである。そこで、本実施形態においてもオフセット基板を使用することにより、イオン注入軸の調整によってチャネリング現象を発生させるのである。なお、イオン注入軸の調整が困難な注入装置を使用する場合には、イオン注入装置に固有の注入角をキャンセルすることができるオフセット角のオフセット基板を用いることも可能である。

チャネリング条件下においてイオン注入することにより、高いエネルギによるイオン注入を必要とせず、深い位置まで不純物（ドナー）を添加させることができるのである。さらに、イオン注入された領域（以下、ドナー添加領域という場合がある。）を、アンモニアを含む雰囲気中でアニールすることによって、イオン注入された領域をｎ型化することができるのである。これにより、ｐ型層４からｎ型層２に達する深さのｎ型化形成領域６が形成されるため、この領域の表面にｎ側電極７をオーミック接合することにより、表面に段差を有しない半導体発光素子が形成されるのである。

また、ｎ側電極７をオーミック接合するためには、ｎ型化形成領域６の表面付近における接触抵抗を低減させる必要があり、そのため、本実施形態では、当該表面付近の不純物（ドナー）の濃度を高くしている。ｎ型化形成領域６の表面付近における不純物濃度を高くするために、ドナー添加領域を二種類の異なる領域で形成し、全体をアニーリングによってｎ型化することによって、不純物の添加濃度が異なる一体型のｎ側電極７を構成している。すなわち、前記チャネリング現象を利用して（チャネリング条件下によるイオン注入により）第１のドナー添加領域を形成した後、他の条件下により再度イオン注入することにより第２のドナー添加領域を形成するのである。そして、第１および第２のドナー添加領域内に形成された異なる濃度の不純物で構成される領域全体を、同時にアニールすることによって両ドナー添加領域の全体をｎ型化するのである。このように、表面の不純物濃度を高くすることにより、表面の電気抵抗を低減させたｎ側電極７が形成されるのである。

ここで、第２のドナー添加領域を形成するためには、非チャネリング条件（結晶軸とイオン注入軸とを不一致な状態）の下で、さらにイオン注入する方法がある。非チャネリング条件下におけるイオン注入では、比較的浅い範囲にのみ不純物が添加されることとなるから、ドナー添加領域全体のうち、表面付近の領域の不純物濃度を高くすることができるのである。ここでは、イオン注入時にチャネリング現象を生じさせないために、イオン注入装置の注入軸を調整するのである。

しかしながら、注入軸を調整できないイオン注入装置を使用する場合などでは、チャネリング条件と非チャネリング条件とを区別することができない。また、このような場合には、ノックオン現象を利用することができる。ノックオン現象とは、固体表面にイオンビームを照射することによって、当該固体の原子がイオンの衝突によりエネルギを得て、これが格子エネルギを超えるときに原子が格子点からはじき出される現象である。上記ノックオン現象を利用して第２のドナー添加領域を形成するためには、基板１の表面（特に、ｎ型電極を形成すべき領域の表面）に、ノックオンにより供給すべき不純物原子を含む不純物供給層８を予め成膜し、当該不純物供給層８にイオンビームを照射することによって、供給すべき不純物原子を、前記ドナー添加領域に押し出させるのである。ノックオンにより供給された不純物は不純物供給層８の近傍に停滞することとなるから、結果的にドナー添加領域の表面において第２のドナー添加領域を形成させることができるのである。この手法は、非チャネリング条件下でのイオン注入の代替手段ではなく、簡便に実施でき得るものを選択して使用することができるものである。

このように、第１のドナー添加領域に、さらに第２のドナー添加領域を形成することにより、ドナー添加領域全体における不純物（ドナー）の濃度を異ならせることができるものである。ここで、上記両手法による濃度分布を図２および図３に示す。図２は、ノックオンを利用した場合を示し、図３は非チャネリング条件下においてイオン注入した場合を示す。いずれの図においても、半導体素子の概略図とともに不純物（ドナー）の濃度分布を示した簡易グラフを併記している。なお、濃度分布のグラフは、縦軸が深度を示し、横軸が濃度分布を示す。

図２および図３から明らかなとおり、チャネリング現象を利用した第１のドナー添加領域の濃度分布は、深さ方向ほぼ中央付近（ｐ型層４を超えて発光層３との境界付近または発光層３が形成されている付近）において最も濃度が高くなっており、浅いところおよび深いところの濃度は低くなっている。しかしながら、十分な深度を有しており、ｎ型層２に十分到達している。従って、これをアニールすることによりｎ型化することにより、ｐ型層４の表面からｎ型層２までの範囲にｎ型化形成領域６を形成できるものである。また、非チャンネル条件下におけるイオンを注入することにより（図２）、または、ノックオン現象を利用することにより（図３）、形成された第２のドナー添加領域は、不純物が添加される深度は浅いものの、当該浅い範囲における不純物の濃度は、第１のドナー添加領域よりも遙かに高くなっている。従って、第１および第２のドナー添加領域の全体をアニールしてｎ型化する場合、表面付近においてのみ接触抵抗の低いｎ型化形成領域６を形成させることができる。

上記のとおり、本実施形態は、まず、チャネリング条件下によるイオン注入により、確実にｎ型層２に到達できる第１のドナー添加領域を形成し、これにより、ｐ型層４および発光層３をするｎ側領域を形成している。また、そのｎ型化形成領域６の表面付近において不純物濃度の高い第２のドナー添加領域を形成できることから、異なる不純物濃度による一体化したｎ型化形成領域６を形成している。従って、両ドナー添加領域の全体をアニールしてｎ型化したｎ型化形成領域６は、表面においては接触抵抗を小さくすることができるので、ｎ側電極７とのオーミック接合を可能にしている。なお、詳述は省略するが、第２のドナー添加領域を形成するために不純物供給層８を成膜する場合には、当該不純物供給層８のうち、少なくともｐ側電極５およびｎ側電極７が接合される範囲については除去されるものである。

なお、本実施形態では、各電極の間に溝９を形成して素子間分離を図るとともに、その溝９の内部に遮光性を有する物質または光吸収物質（以下、遮光剤等という）１０を注入することにより、分離した素子からの光が隣接する素子の光によるクロストークを防止できるようにしている。溝９の形成はドライエッチングなどの手法によることができ、遮光剤１０として金属を使用することができる。

以上のとおり、本実施形態によれば、図１に示したように、プレーナ型の電極構造を有する半導体発光素子を簡易な構造により構成できるものであり、バンプ等を使用することなくフリップチップ型の素子として使用することができるものである。そして、バンプ等を使用しないことにより、当該バンプ等の変形の可能性は解消され、従って、高集積化した場合の短絡等の問題も解消されるものである。

そこで、高集積化した場合の状態を図４に示す。この図は、高集積化した発光素子アレイ１１と実装基板１２とがフリップチップ実装されたものを示している。実装基板１２には、電極のみを示しているが、現実には、駆動回路や配線パッケージなどが設けられている。この図に示されているように、発光素子アレイ１１は、複数の半導体発光素子が高集積化されており、各素子の間に溝９が形成され、その溝９に遮光剤等１０が注入されてクロストークを防止しつつ、ｐ側電極５が複数接合されており、ｎ側電極７は、ｎ型層２に到達するｎ型化形成領域６の表面にｎ側電極７が接合されて、それぞれ実装基板１２に接合されている。このような構成の場合には、図示からの明らかのとおり、バンプ等が使用されていないことから、実装基板１２との接合部分が変形等する要素が存在せず、各電極間の短絡のおそれが生じないものである。

次に、製造方法に係る発明の実施形態について説明する。半導体発光素子に係る実施形態の説明において、その構成の一部については既に製造方法を併せて説明しているが、ここでは、全体的な手順をまとめた製造方法について説明することとする。

図５は、その手順をフローチャート化したものである。製造方法の実施形態は、図５に示すとおり、基本的には、成長工程（Ｓ１０）、チャネリング工程（Ｓ２０）、アニール工程（Ｓ３０）および電極接合工程（Ｓ４０）によるものである。成長工程（Ｓ１０）とは、発光素子に使用される透明絶縁性基板上にｎ型層、発光層（活性層）、ｐ型層をそれぞれ順次結晶成長させる工程である。各層について、ｎ型層としてはＡｌＧａＮを使用したｎ−ＡｌＧａＮ、発光層（活性層）としてはＩｎＧａＰ、およびｐ型層としてはＡｌＧａＮを使用したｐ−ＡｌＧａＮを結晶成長させて、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子とすることができる。チャネリング工程（Ｓ２０）とは、ｐ型層の表面からチャネリング条件下によりドナーをイオン注入する工程である。イオン注入されるドナーとしては、ＳｉまたはＧｅなどがあり、ここでは、Ｓｉをドナーとして使用する。アニール工程（Ｓ３０）とは、アンモニアを含む雰囲気中においてアニールすることにより、イオン注入されたドナー領域をｎ型化する工程である。電極接合工程（Ｓ４０）とは、ｎ型化されたｎ型化形成領域の表面にｎ側電極を接合する工程である。なお、この電極接合工程にあわせてｐ型層の表面にもｐ側電極が同時に接合される。

ここで、ｎ型化形成領域の表面にｎ側電極を接合する際の接触抵抗が十分に低い場合は、そのまま電極を接合すればよいが、接触抵抗が大きい場合には、これを低減させるため、さらに工程を追加する場合がある。ｎ型化形成領域の表面におけるドナー濃度を高くして導電性を向上させるのである。イオン注入時におけるドーズ量の変更によってドナー濃度を変化させることも考慮されるが、チャネリング工程（Ｓ２０）におけるドーズ量の調整は、ドナー領域の全域に対するドナー濃度を高くすることとなる。そこで、ドナー領域の表面のみのドナー濃度を高くするために、第１に、非チャネリング条件下におけるイオン注入を行う工程（イオン注入工程、Ｓ２１）を追加する場合がある。非チャネリング条件下によるイオン注入のため、ドナー領域の表面側の一部のみドナー濃度を高くすることができる。

また、第２に、ｐ型層の表面にドナー供給層を成膜し（成膜工程、Ｓ２２）、さらに、ここで成膜されたドナー供給層に対してイオンビームを照射してノックオン現象を生じさせる工程（ノックオン工程、Ｓ２３）を追加する場合もあり得る。ドナー供給層にイオンビームを照射することにより、当該ドナー供給層に含まれるドナーとなるべき原子が、イオンの衝突によりエネルギを得て格子点からはじき出されることから、これをドナー領域内に添加するものである。

このように、第１および第２のいずれかの方法により、ドナー領域の表面付近におけるドナー濃度を高くしておき、これら全体をアニールすることによって、全体をｎ型化する（アニール工程、Ｓ３０）ことにより、表面における接触抵抗を低減してなるｎ型化形成領域を形成することができる。

本実施形態は上記のような構成であるから、ｐ型層および発光層を除去することなく、ｐ型層の表面において、ｐ側電極と同じ高さのｎ側電極を形成してなるプレーナ型の電極構造とすることができる。従って、フリップチップ型の発光素子とする場合は、実装基板等との接合状態を良好なものとすることができる。

なお、上記製造方法においては、アニール工程（Ｓ３０）の後に、電極間に溝を形成する工程（Ｓ３１）および当該溝に遮光剤等を注入する工程（Ｓ３２）を含めることができる。この溝の形成および遮光剤等の注入により、クロストークを抑える半導体発光素子を製造することができるのである。また、図示していないが、成膜工程（Ｓ２２）およびノックオン工程（Ｓ２３）を行った場合には、電極接合工程（Ｓ４０）の直前に、ドナー供給層を除去するための工程が追加される。

以上のとおり、本発明の実施形態について説明したが、本発明がこれら実施形態に限定されるものではない。例えば、製造される窒化物半導体発光素子は、例示としてＩＩＩ族窒化物半導体をベースとして説明したが、ＩＩＩ−ＩＶ族窒化物半導体をベースに構成してもよく、また、使用する基板１はサファイア基板に限定されるものではない。イオン注入すべき不純物についてもＳｉやＧｅに限定されず、ｎ型化が可能であれば、ＡｓやＰを使用してもよい。

また、チャネリング条件下におけるイオン注入に関し、イオン注入軸の調整以外には、注入エネルギやドーズ量について特に記載していないが、形成するべきｎ型化形成領域６の程度に応じて適宜調整されるものである。また、非チャネリング条件下におけるイオン注入においても同様である。さらに、ノックオン現象を発生させる際のイオンビームの照射条件についても特に言及しなかったが、経験的に判断され得る照射条件により実行されるものである。

１ 透明絶縁基板
２ ｎ型層
３ 発光層
４ ｐ型層
５ ｐ側電極
６ ｎ型化形成領域
７ ｎ側電極
８ 不純物供給層
９ 溝
１０ 遮光剤等
１１ 発光素子アレイ
１２ 実装基板

Claims (3)

1. 成長基板上に、ｎ型層、発光層およびｐ型層を成長させる成長工程と、
   チャネリング条件下においてｐ型層の表面からｎ型層に到達する範囲にｎ型不純物としてシリコンをイオン注入するチャネリング工程と、
   前記チャネリング工程によりｎ型不純物としてシリコンイオンが注入された領域を、アンモニアを含む雰囲気中でアニールすることによりｎ型化するアニール工程と、
   前記アニール工程によりｎ型化された領域の表面にｎ側電極を接続するｎ側電極構成工程と
   を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
2. 前記チャネリング工程によりｎ型不純物としてシリコンがイオン注入された領域の表面側から、非チャネリング条件下においてｎ型不純物としてシリコンをイオン注入するイオン注入工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
3. 前記ｐ型層の表面に前記不純物と同種の元素を含む不純物供給膜を形成する成膜工程と、
   前記チャネリング工程によりシリコンがイオン注入された領域の表面に成膜された不純物供給膜の表面に対してイオンビームを照射することにより、該不純物供給膜に含まれる不純物元素をノックオンによりイオン注入してなるノックオン工程と
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
   

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