JP6187156B2 - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
[窒化物半導体素子の構成]
後述する製造方法で作製した本発明の実施形態1に係る窒化物半導体素子の構成を、図1を参照して説明する。実施形態1に係る窒化物半導体素子1は、フェイスアップ型またはフリップチップ型の実装をする窒化物半導体素子である。窒化物半導体素子1は、基板10と、基板10上に積層された窒化物半導体層20と、n側電極31と、全面電極32と、p側電極33と、を備える。窒化物半導体層20は、n型窒化物半導体層21、活性層22、p型窒化物半導体層23を有し、窒化物半導体層20の表面の一部において、厚さ方向にp型窒化物半導体層23及び活性層22の全て、及びn型窒化物半導体層21の一部が除去されている。これにより、n型窒化物半導体層21には、n側電極31を設ける領域となる段差部が形成されている。n側電極31はn型窒化物半導体層21と電気的に接続され、全面電極32とp側電極33はp型窒化物半導体層23上に設けられており、p型窒化物半導体層23と電気的に接続されている。なお、窒化物半導体素子1の上面は、外部電源と接続する部分を除き、保護膜で覆われているが、図示は省略している。
基板10は、窒化物半導体層20をエピタキシャル成長させることができる基板材料であればよく、大きさや厚さ等は特に限定されない。また、基板10の窒化物半導体層20が積層される側に、複数の凸部を有していてもよい。基板材料としては、C面、R面、A面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板、また炭化ケイ素(SiC)、シリコン、ZnS、ZnO、GaAs、ダイヤモンド等が挙げられる。
窒化物半導体層20は、例えば一般式AlxInyGa1−x−yN(0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1)で表される半導体材料が挙げられ、窒化ガリウム系化合物半導体が好適に用いられる。窒化物半導体層20は、基板10側から順に、n型窒化物半導体層21と、活性層22と、p型窒化物半導体層23とが積層された積層構造を有するものである。n型窒化物半導体層21、活性層22及びp型窒化物半導体層23は、それぞれ単層構造でもよいが、組成および膜厚の異なる層の積層構造、超格子構造などであってもよい。特に発光層である活性層22は、量子効果が生ずる薄膜を積層した単一量子井戸または多重量子井戸構造であることが好ましく、さらに井戸層がInを含む窒化物半導体であることが好ましい。なお、基板10上に、任意に基板10との格子定数の不整合を緩和させるためのバッファ層等の下地層(不図示)を介してn型窒化物半導体層21を形成してもよい。
n側電極31はn型窒化物半導体層21と、p側電極33は全面電極32を介してp型窒化物半導体層23と、それぞれ電気的に接続して、窒化物半導体素子1に外部からの電流を供給するためのパッド電極である。n側電極31とp側電極33は、窒化物半導体層20とのコンタクト性、光反射性等を考慮して材料を適宜選択することができる。例えば、Al、Ti、Ni、Au、Pt、Rh、Crやこれら金属の少なくとも一つを含む合金を用い、単層または多層構造とすることができる。
全面電極32は、p型窒化物半導体層23上に、p型窒化物半導体層23の略全面を覆うように設けられ、p側電極33を介して外部から供給される電流を、p型窒化物半導体層23の全面に均一に拡散するための電極である。全面電極32は、数々の種類があるが、窒化物半導体素子1をフェイスアップ型実装する場合は、活性層22で発光した光を上方向に取り出すため、例えば透光性電極であることが好ましい。全面電極32は、ITO、ZnO、In2O3、SnO2等、Zn、In、Snの酸化物を含む透光性電極を好適に使用できる。特に、ITOは透過率が高く、電流拡散性、窒化物半導体層20(p型窒化物半導体層23)とのコンタクト性が良好なので好ましい。また、窒化物半導体素子1をフリップチップ型実装する場合は、活性層22で発光した光を、光取り出し面である基板10の裏面側に反射するための反射膜としての機能も有する。このため、全面電極32は、光の反射率の高い材料、例えばAg、Al、Rhを用いることが好ましい。なお、全面電極32とp側電極33は別部材又は同一部材でそれぞれ設けてもよいし、全面電極32を省いてもよい。また、全面電極と同じ材料の電極をn型窒化物半導体層21とn側電極31との間に設けることもできる。
次に、本発明の実施形態1に係る窒化物半導体素子1の製造方法について、図2乃至図7を参照して各工程について詳細に説明する。
まず、図2に示すように、基板10上に、有機金属気相成長法(MOVPE)を用いて、n型窒化物半導体層21、活性層22及びp型不純物を含む窒化物半導体層123を有する窒化物半導体層120を成長させたウェハ11を準備する。すなわち、ウェハ11は、基板10、n型窒化物半導体層21、前記p型不純物を含む窒化物半導体層123をこの順に有している。なお、窒化物半導体層120の成長方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
次に、図3に示すように、n側電極31を設けるための段差部及び窒化物半導体素子1の分割領域を露出させる。ウェハ11上にフォトレジストにて所定の形状のマスクを形成して、反応性イオンエッチング(RIE)にて、ウェハ11の所定の部分において厚さ方向にp型不純物を含む窒化物半導体層123及び活性層22の全部を除去し、更にn型窒化物半導体層21の一部を除去して、n型窒化物半導体層21を露出させる。エッチングの後、レジストを除去する。
次に、図4に示すように、基板10の厚みが80〜200μmとなるように、公知の方法により基板10を研削、研磨する。このとき、基板10の厚みが150μm以上とすると、ウェハ11の反りを防ぐことができるので好ましい。
次に、図5に示すように、上面視においてウェハ11の窒化物半導体素子1となる分割予定線に沿ってレーザー光を照射する。レーザー光が窒化物半導体層120に直接当たるのを防ぐため、レーザー光はウェハ11の基板10側から照射するのが好ましい。レーザー光はウェハ11(好ましくは基板10)の表面もしくは内部の所望の深さに集光させることができ、これにより集光部に変質部41を形成する。なお、本明細書において変質部41とは、レーザー照射により生じた溝、溶融部、空隙、焼け、変色等を含む、ウェハ11のもはや初期状態(レーザー照射前の状態)ではなくなった部分をいう。この変質部41はウェハ11を分割する際の起点となり得る。
レーザースクライブ工程の後、図6に示すように、ウェハ11をアニール処理してp型不純物を含む窒化物半導体層123を低抵抗化してp型窒化物半導体層23とし、窒化物半導体層20を得る。アニール処理は、例えば、窒素雰囲気中で数分から数十分間、400〜600℃程度の温度でウェハ11を熱処理することにより行う。アニール処理では、温度は必ずしも一定に保持しておく必要はなく、適宜昇降させてもよい。
最後に、図7に示すように、ダイシングやブレイク等でウェハ11を分割することにより、個々の窒化物半導体素子1を得る。ウェハ11に外力を加えると、変質部41形成時に発生したクラック42により、容易に割断することができる。なお、外力はウェハ11の基板10側から加えてもよいし、ウェハ11の基板10側及び窒化物半導体層20側の両側から加えてもよい。
サファイア基板上に、n型不純物としてSiを含む窒化物半導体層(n型窒化物半導体層)、活性層、p型不純物としてMg(マグネシウム)を含む窒化物半導体層を順に積層した窒化物半導体層を備えるウェハを準備した。この窒化物半導体層の表面の一部において、厚さ方向にp型不純物を含む窒化物半導体層と活性層の全て、及びn型窒化物半導体層の一部をエッチングにより除去し、n型窒化物半導体層の表面が露出した段差部を形成した。そして、段差部におけるn型窒化物半導体層に電気的に接続するTi/Rh/W/Auをこの順に積層したn側電極を形成し、p型不純物を含む窒化物半導体層に電気的に接続するTi/Rh/W/Auをこの順に積層したp側電極を形成した。その後、窒化物半導体素子となる分割予定線に沿って、ウェハにフェムト秒レーザーを照射してスクライブした。
サンプル2は、段差部を形成する工程とn側電極及びp側電極を形成する工程との間でウェハをアニール処理した以外は、サンプル1と同様に行った。ウェハ11をアニール処理することにより、p型不純物を含む窒化物半導体層を低抵抗化し、p型窒化物半導体層とした。なお、アニール処理は、窒素雰囲気中、400〜600℃程度の温度でウェハ11を数十分間保持することにより行った。
サンプル3は、段差部を形成する工程とn側電極及びp側電極を形成する工程との間で、p型不純物を含む窒化物半導体層上に透光性電極としてITOを形成して、ウェハをアニール処理した以外は、サンプル1と同様に行った。詳細には、段差部を形成した後、p型不純物を含む窒化物半導体層に接するITOを形成した。その後、ウェハをアニール処理して、段差部におけるn型窒化物半導体層及びITO上にそれぞれn側電極とp側電極を形成した。なお、アニール処理は、サンプル2と同様の条件で行った。
サンプル1〜3について、ウェハにレーザー光を照射する(レーザースクライブ)前後でフォトルミネッセンス(PL)測定を行い、窒化物半導体層の損傷増加率をそれぞれ算出して比較した。窒化物半導体層の損傷増加率は、レーザー光照射前後に損傷箇所の個数を計測し、レーザー光照射前の損傷箇所の個数を基準として、レーザー光照射によって損傷箇所が何パーセント増加したかを算出した。サンプル2と3は、ITOの有無が異なるが、サンプル2の損傷増加率は2.2%、サンプル3の損傷増加率は2.9%であり、共に、ウェハにレーザー光を照射することで窒化物半導体層の損傷が顕著に増加していた。一方、サンプル1の損傷増加率は0.1%であり、レーザー光を照射してもほとんど損傷が生じていなかった。これにより、レーザー光を照射することによって生じる窒化物半導体層の損傷は、電極材料に関わらず、ウェハのアニール処理を行った後にレーザースクライブ工程を行うことにより生じているものと考えられる。
実施例1に係る窒化物半導体素子として、図2に示す上面視で700μm×300μmの窒化物半導体素子1を作製する。この窒化物半導体素子1は、サファイア基板10の上に、Siドープn型GaN系層(n型窒化物半導体層)21、活性層22、Mgドープp型GaN系層(p型窒化物半導体層)23を順に有する窒化物半導体層20が設けられている。Siドープn型GaN系層21は段差部を有し、段差部の上にはTi/Rh/W/Auをこの順に積層したn側電極31が設けられている。また、Mgドープp型GaN系層23上にはITOからなる全面電極32とTi/Rh/W/Auをこの順に積層したp側電極33とが設けられている。
10 基板
11 ウェハ
20、120 窒化物半導体層
21 n型窒化物半導体層
22 活性層(発光層)
23 p型窒化物半導体層
123 p型不純物を含む窒化物半導体層
31 n側電極
32 全面電極
33 p側電極
40 レーザー光
41 変質部
42 クラック
Claims (9)
- 基板と、前記基板上に設けられ、p型不純物を含む窒化物半導体層とを有するウェハを準備する工程と、
前記基板の内部にレーザー光を集光することにより、変質部を形成する工程と、
前記変質部を形成する工程の後、前記ウェハをアニール処理して前記窒化物半導体層をp型化する工程と、
を備える、ことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記変質部を形成する工程は、パルス幅が100ピコ秒以下であるパルスレーザーを用いることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記変質部を形成する工程において、レーザー光は前記基板側から照射する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素子の製造方法。
- 前記ウェハを前記変質部を利用して分割することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記p型不純物はマグネシウムであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記ウェハは、基板、n型不純物を含む窒化物半導体層、前記p型不純物を含む窒化物半導体層をこの順に有していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記パルス幅が100フェムト秒以上であるパルスレーザーを用いることを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記基板の厚みが150μm以上200μm以下であることを特徴とする請求項1乃至8に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
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