JP7046834B2 - Iii族窒化物発光素子及び該発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
(i)前記単結晶基板における素子層積層面の形状が、三角形、四角形、六角形、八角形、及び十二角形よりなる群の何れか一つから選択され、該基板の素子層積層面の裏面の形状が、円、三角形、四角形、及び六角形よりなる群の何れか一つから選択されること。
(ii)前記単結晶基板における素子層積層面に対する、該基板の側面と該素子層積層面とが形成する稜の成す角度が35°から75°の範囲であること。
(iii)前記単結晶基板がIII族窒化物単結晶基板であり、かつ前記素子層積層面がIII族窒化物単結晶基板の+c面であること。
(iv)前記III族窒化物半導体発光素子の発光波長が200から365nmの範囲であること。
(v)前記単結晶基板がIII族窒化物単結晶基板であり、かつ前記素子層積層面がIII族窒化物単結晶基板の+c面であること。
(vi)前記III族窒化物単結晶基板がAlN基板であること。
(1)前記保護層の中心が前記発光素子の中心になるように保護層を形成すること。
(2)前記化学エッチングの前にIII族窒化物半導体ウェーハの素子層側を保護すること。
本発明のIII族窒化物半導体発光素子は、単結晶基板上に組成式AlXGaYIn1-X-YN(0≦X≦1.0、0≦Y≦1.0、0≦X+Y≦1.0)で表されるn型層、活性層、p型層をこの順で有する素子層を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、前記単結晶基板の厚さが80μm以上であり、且つ前記素子層積層面の面積が、該基板の素子層積層面の裏面の面積よりも大きいことが特徴である。以下、本発明のIII族窒化物半導体発光素子の構造について図面を用いて説明する。
本発明のIII族窒化物半導体素子1における基板10としては、半導体を用いた発光素子に用いられる基板であれば特に制限されるものではなく、公知の方法で製造された、公知の基板を用いることができる。具体的には、AlN基板、GaN基板、サファイア基板、SiC基板等が挙げられる。中でも、後述する製造方法によって、本発明のIII族窒化物半導体素子1が歩留まり良く製造できるという観点から、基板10としては化学エッチングにより裏面加工が可能な基板であることが好ましい。このような基板としては、アルカリによりエッチングされるAlN基板、GaN基板があげられる。酸によりエッチングされるサファイア基板等が挙げられ、200~350nmの発光波長を持つ深紫外発光素子の光取り出し効率向上のためには光吸収の観点からAlN基板、サファイア基板が好ましい。特さらに生産性の観点から考慮すると、300℃近い温度での酸処理が必要なサファイア基板に対してより低温で加工可能なC面を成長面とするAlN基板が好ましい。
本発明のIII族窒化物半導体素子1におけるIII族窒化物積層体20は基板10と接する側からn型層21、活性層22、p型層23の順で積層され、n型層21の一部は露出され、露出された面の一部にn型電極24が形成されている。またp型層上には、p型電極25が形成されている。
次に本発明のIII族窒化物積半導体素子の製造方法について詳述する。
本発明のIII族窒化物発光素子の製造方法は、単結晶基板の素子層積層面に、組成式AlXGaYIn1-X-YN(0≦X≦1.0、0≦Y≦1.0、0≦X+Y≦1.0)で表されるn型層、活性層、p型層をこの順で有する素子層を積層した後、該基板の素子層積層面の裏面に対し、素子層積層面の面積よりも小さい面積の保護層を形成した後、単結晶基板の素子層積層面の裏面を化学エッチングすることが特徴である。上記素子層積層面の裏面に化学エッチングを行うと、特定の面方位を露出するようにエッチングが進行するため、この露出面に沿ってエッチングが進行する事で溝が形成されるため、エッチングのみでの素子分離も可能であり、また僅かな素子間の接続部を残しても残し厚が極めて薄くなるため、容易に素子分離を行うことが可能である。このため、発光素子に対し、欠けや割れ、クラック等の物理ダメージを与えることなく素子分離を行うことが可能であり、高精度で歩留まり良く発光素子を製造することができる。またこの際形成された露出面は単結晶基板の底面に対して垂直ではなく、また多角形や円形も形成可能であるため光取り出し効率の向上も一つの製造プロセスで可能となる。
また、化学エッチングを行う前に、素子層20の固定及び保護のために、III族窒化物半導体ウェーハの素子層側を支持基板に保持し、ワックス等の固定剤により固定することが好ましい。以下、各工程について詳細に述べる。
本発明のIII族窒化物半導体素子の製造における素子層形成工程とは、単結晶基板10上に素子層20を形成する工程である。上記単結晶基板10としては、半導体を用いた発光素子に用いられる基板であれば特に制限されるものではなく、公知の方法で製造された、公知の基板を用いることができる。具体的には、AlN基板、GaN基板、サファイア基板、SiC基板、Si基板等が挙げられる。中でも、本発明のIII族窒化物半導体素子1が歩留まり良く製造できるという観点から、基板10としては化学エッチングにより裏面加工が可能な基板であることが好ましい。このような基板としては、アルカリによりエッチングされるAlN基板、GaN基板、リン酸によりエッチングされるサファイア基板等が挙げられ、さらに200~365nmの光に対して透光性を持つサファイア基板、AlN基板が好ましい。さらに、単結晶基板10上の素子層20の結晶性の観点から考えると同種基板であるIII族窒化物単結晶基板が好ましく、また生産性の観点から見ても300℃近くの高温環境下でのウェットエッチングが必要なサファイア基板に対してより低温でウェットエッチングが可能なIII族窒化物単結晶基板であるAlN基板が好ましく。このとき該素子層20はIII族窒化物単結晶基板が-C面よりアルカリによりエッチングされることから、C面を成長面とするAlN基板が最も好ましい。
上記素子層形成工程にて、素子層20が形成されたIII族窒化物半導体ウェーハは、メサ加工工程によってメサ構造が導入される。
電極形成工程とは、上記メサ加工工程にて、メサ構造が導入された、III族窒化物半導体ウェーハ上にn電極24、及びp電極25を形成する工程である。
本発明の製造方法においては、上記素子層20及びn電極24、及びp電極25が形成されたIII族窒化物半導体ウェーハの各電極上に電極材料の保護を目的としてオーバーコート層が形成されても良い。
本発明の製造方法により得られるIII族窒化物半導体素子における単結晶基板10の厚みは、光取り出し効率向上の観点から、好ましくは80~500μmであり、より好ましくは100~300μmであり、よりこのましくは120~250μmである。基板10の厚みを上記範囲とすることにより、光取り出し効率が向上し、かつ生産性が向上する。基板10の厚みは、III族窒化物半導体発光素子の製造後に上記範囲を満たせばよく、基板上に後述するIII族窒化物積層体20を積層後に該基板の下面を研削または研磨することにより、基板の厚みが上記範囲となるようにしてもよい。
次に研磨されたIII族窒化物半導体ウェーハのIII族窒化物積層体20が積層されていない側の面(以下裏面)に対して、フォトリソグラフィーにより所定のレジストパターンを形成する。その後、蒸着法や、スパッタ成膜法等により所定パターン化された保護層50を半導体ウェーハ2の裏面に形成する。保護層50は半導体ウェーハ2の裏面全面に形成されたのち、リフトオフに依りパターン化されても良い。保護層の種類としては単結晶基板との密着性が高く、化学エッチング工程に対して耐性があり、保護膜除去工程に対して腐食性あるいは剥離性の高いとうい3つの条件を満たしさえすればどのような材料であっても構わない。さらにはドライエッチングに際し単結晶基板10に対して選択比の高い材料であることが好ましい。例えば金属材料であればTi、Cr、Ni、Pd、W、Mo、Pt、Au等があり、また誘電体材料であれば、SiO2、TiOx、Al2O3、ITO、ZTO,AZO等が挙げられ、また半導体材料であればSi、Ge等が挙げられるがこの限りではない。保護層は、これらの金属の合金または酸化物を含む単層、または多層構造であってもよい。
上記保護膜形成工程にて保護層が形成されたIII族窒化物半導体ウェーハは以降の化学エッチングの前処理としてドライエッチングを施す事が好ましい。その理由としてドライエッチングを施すと、その後の化学エッチングがより短時間かつ安定して遂行できるためである。よって本ドライエッチング工程はメサ形状を形成するほどの深さをドライエッチングする必要がなく、表面にドライエッチングによるプラズマダメージを与える程度で十分である。ドライエッチングの方式はプラズマダメージを与えることが主目的であるためどのような方式でも良い。また使用するガスはいかなる塩素系ガスおよびいかなる弗素系ガスのどちらを使用しても良い。
上記保護層形成工程およびドライエッチング工程にて保護層が形成されたIII族窒化物半導体ウェーハは、素子層20の固定及び保護のために、ワックス固定工程にて、III族窒化物半導体ウェーハの素子層側を支持基板に保持し、ワックス等により固定する。支持基板としては、成長用単結晶基板と異なる基板であり後述する化学エッチング工程、保護層除去工程及びワックス除去の際に用いられる薬剤に対して耐性があるものであれば制限なく用いることができる。このような支持基板としては具体的には、ガラス基板、サファイア基板、Si基板等が挙げられる。
上記ワックス固定工程にて、支持基板上に固定されたIII族窒化物半導体ウェーハは単結晶基板の素子層積層面の裏面より化学エッチングを行う。本発明の製造方法において化学エッチングに用いる薬剤としては、単結晶基板の素子層積層面の裏面に対して化学エッチングが可能であれば特に制限されず、単結晶基板10の種類に応じて適宜決定すれば良い。化学エッチングに用いる薬剤として具体的には、KOH、NaOH、TMAH等のアルカリ溶液、リン酸、ピロリン酸等の酸性溶液が挙げられるがその限りではない。またエッチング方法も単純な浸漬方法のみならず、電気化学的手法や光照射を行いながらのエッチング方法を取ってもよい。
上記化学エッチング工程にて、単結晶基板の素子層積層面の裏面のエッチングを行ったIII族窒化物半導体ウェーハは、保護層、及びワックスを除去し、支持基板より取り外す。保護層の除去方法としては、保護層が除去できるものであれば特に制限なく、単純な浸漬方法のみならず、電気化学的手法や光照射を行いながらのエッチング方法等の方法を採用することができる。
次に半導体ウェーハ2からIII族窒化物半導体素子1を素子分離する方法を示す。前記裏面エッチング工程において第一の薬液により素子分離がなされている場合においては、前記支持基板60からの剥離工程により素子分離が完全になされるため、ここでの工程は前記裏面エッチング工程により素子分離溝のみの形成を行った場合に限る。
(素子層形成工程~オーバーコート形成工程)
図1に示した積層構造を有するIII族窒化物発光素子を製造した。まず、MOCVD法により、直径φ25mm、厚さ600μmの+c面AlN単結晶基板10に、発光波長が265nmとなるようにトリメチルアルミニウムおよびトリガリウムの流量比を調整しIII族窒化物積層体20を堆積した。III族窒化物積層体20の一部はn型のAlGaNが露出されn型電極30を接合した。またIII族窒化物積層体のAlN単結晶基板と接合していない側の表面はp型のIII族窒化物半導体であり、この表面とp型電極40を接合した。次いでn型電極30およびp型電極40上にオーバーコート層26を接合し、III族窒化物積層体20を作製した。素子層積層面11の表面形状およびサイズは正六角形であり、最大長:Sである対角線は693μm、面積311770μm2である。また活性層20の面積は92000μm2である。このとき正六角形の各辺はAlN基板のm面に合わせて配置した。
次いでIII族窒化物積層体20におけるAlN単結晶基板10の裏面を機械研磨により薄膜化して、半導体ウェーハ2を完成させた。この時の基板残し厚:hは、140μmであった。
次いで、フォトリソグラフィー法により研磨された裏面に対して、正六角形のパターンを作製した。その後、真空蒸着法によりTi/Ni/Auを10/200/20nmを蒸着し保護膜50を形成した。保護膜50の形状およびサイズは正六角形であり、最大長:Tである対角線は519μm、面積175980μm2である。かつチップの中心と保護膜の中心は同一軸上であり、保護膜50の対角線は素子の対角線と同一線上である。
次いで、反応性イオンエッチングによりAlN単結晶基板10の裏面に対してドライエッチングを施した。ドライエッチングはICPエッチング方式を用いた。使用ガスはCHF3/H2の混合ガスを使用して露出したAlN単結晶基板10の裏面に対してドライエッチングダメージを導入した。
次いで、支持基板60に張り付けた半導体ウェーハ2を沸騰した超純水に30分浸漬した。次いで、支持基板60に張り付けた半導体ウェーハ2を92℃に保持された10%のKOH(水酸化カリウム)水溶液中に20分浸漬し、AlN単結晶基板10の-c面より化学エッチングを行った。その後、1度半導体ウェーハ2を支持基板60から剥離し、このワックス固定工程と化学エッチング工程は繰り返し2回行った。
次いで、支持基板60に張り付けた半導体ウェーハ2を室温にてHF(フッ化水素)溶液中に15分浸漬し、保護膜50のエッチングを行ない、半導体ウェーハ2の裏面より保護膜を除去した。さらに、支持基板60に張り付けられた半導体ウェーハ2をIPAにて剥離した。剥離は70℃のステージ上にてIPAを加熱し、支持基板60に張り付けられた半導体ウェーハ2を10分浸漬、その後超音波洗浄を行った。IPA加熱処理および超音波洗浄により前記ワックスは溶融し、ワックスにより固定されていた半導体ウェーハ2は支持基板60から剥離された。
次いで、剥離および洗浄された半導体ウェーハ2をシートに張り付け、ボールを押しあてながらシートを延伸する事によりへき開し、素子分離を行った。
実施例1において素子層積層面11及び素子層積層面の裏面12の形状およびサイズをいずれも長方形で一辺のサイズを650×750μm(面積494000μm2)とした。素子分離方法を一般的なレーザースクライブ法を用いて行った。
比較例1において発光波長を300nmとなるように活性層の組成比率を変更した以外は比較例1と同様の操作を行うことにより作製した。
素子分離後の外形形状歩留まりは0%であり、素子分離した素子の外形観察を行うと全ての素子にレーザーによる焼け跡が観測された。得られたIII族窒化物発光素子は、電流注入が20mAにおける発光波長および光出力は304nmであった。この時の光出力を基準値として、実施例における光出力の評価を行った。
実施例2は実施例1において素子層積層面11を正六角形、素子層積層面11を正六角形におけるn電極の形状を十二角形、とし、その十二角形における最大長:S2を637μm(面積294970μm2)とし、正六角形である素子層積層面11および保護層60の各辺をAlN基板のa面に合わせて配置した以外は実施例1と同様の操作を行うことにより作製した。なお、素子層積層面11は、最大長:Sである対角線は693μm、面積311770μm2である。
は実施例1において発光波長を300nmとなるように活性層の組成比率を変更した以外は実施例1と同様の操作を行うことにより作製した。
実施例1において素子層積層面11の形状を一辺600μmの正四角形(面積360000μm2)とし、保護層60の形状を直径480μm(面積180860μm2)とした以外は実施例1と同様の操作を行うことにより作製した。
素子分離後の外形形状は化学エッチングおよびへき開により素子分離がなされたため全ての素子においてレーザーによる焼けは見られなかった。得られたIII族窒化物発光素子は、半田の接合不良により測定できなかった。しかしながら光取り出し効率の効果は最も大きいと考えられる。その理由を図11a、bを用いて説明する。図11aは本発明における実施例3のIII族窒化物発光素子の光が取り出される光路を説明した下面図である。図11bは従来のIII族窒化物発光素子の光が取り出される下面図である。空気に対して高い屈性率を持つ単結晶基板はスネルの法則を満たす角度で単結晶基板と空気の界面に入射する光がIII族窒化物発光素子外部に取り出される、一方図11bに示すように単結晶基板と空気の界面における法線に対してスネルの法則を満たさない低い角度入射する光は界面で反射し、III族窒化物発光素子内部に留まりやがて電極面や素子層で吸収される。しかしながら実施例3のように円形である場合においては単結晶基板と空気の界面の成す法線が常に0°であるため、その殆どの光が取り出されることが予想される。よって円錐台や発光素子を素子積層面に平行に輪切りにした場合において、円形あるいは角を持たない形状に発光素子を作製出来る事は理想的であると考えられる。
10:基板
11:c面
12:-c面
13:稜線
14:側面部
20:素子層
21:n型層
22:活性層
23:p型層
24:n型電極
25:p型電極
26:オーバーコート層
50:保護層
60:支持基板
Claims (9)
- 波長200nm~365nmの光に対して光透過性を有する単結晶基板上に組成式AlXGaYIn1-X-YN(0≦X≦1.0、0≦Y≦1.0、0≦X+Y≦1.0)で表されるn型層、活性層、p型層をこの順で有する素子層を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、波長200nm~365nmの光を発するように設計され、
前記単結晶基板の厚さが80μm以上であり、且つ
前記単結晶基板における素子層積層面の面積が、該基板の素子層積層面の裏面の面積よりも大きく、
前記素子層積層面の裏面の形状が六角形であり、且つ、前記素子層積層面の形状が四角形、六角形、円形のいずれかであって、
前記単結晶基板は所定の結晶面である複数の側面を備え、
前記複数の側面はいずれも前記素子層積層面に対して傾斜しており、
前記複数の側面のうち隣り合う側面と側面の間の箇所は曲面を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。 - 前記単結晶基板の側面と該素子層積層面との成す角度が35°から75°の範囲である事を特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記単結晶基板がIII族窒化物単結晶基板であり、かつ前記素子層積層面がIII族窒化物単結晶基板の+c面である事を特徴とする請求項1または請求項2に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記III族窒化物単結晶基板がAlN基板である請求項3記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 前記請求項1~4の何れか一項に記載の発光素子が最密に充填されてなる半導体ウェーハ。
- 200nm~365nmに対して光透過性を有する単結晶基板上に素子層を有するIII族窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、
前記単結晶基板の素子層積層面に、組成式AlXGaYIn1-X-YN(0≦X≦1.0、0≦Y≦1.0、0≦X+Y≦1.0)で表されるn型層、活性層、p型層をこの順で有する素子層を積層する第一の工程と、
前記第一の工程の後に該基板の素子層積層面の裏面に対し、素子層積層面の面積よりも小さい面積であって六角形の保護層を形成する第二の工程と、
前記第二の工程の後に前記単結晶基板の素子層積層面の裏面を化学エッチングする第三の工程と、を備え、
さらに、前記第二の工程と前記第三の工程との間に、前記単結晶基板の素子層積層面の裏面にドライエッチングを行う工程を備え、
前記活性層は、200nm~365nmの光を発するように設定され、
前記単結晶基板は所定の結晶面である複数の側面を備え、
前記複数の側面はいずれも前記素子層積層面に対して傾斜しており、
前記複数の側面のうち隣り合う側面と側面の間の箇所は曲面を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子を製造する方法。 - 前記保護層の中心が前記III族窒化物半導体発光素子の中心になるように保護層を形成することを特徴とする請求項6記載のIII族窒化物半導体発光素子を製造する方法。
- 前記第三の工程の前にIII族窒化物半導体ウェーハの素子層側を保護することを特徴とする請求項6または請求項7に記載のIII族窒化物半導体発光素子を製造する方法。
- 波長200nm~365nmの光に対して光透過性を有する単結晶基板上に組成式AlXGaYIn1-X-YN(0≦X≦1.0、0≦Y≦1.0、0≦X+Y≦1.0)で表されるn型層、活性層、p型層をこの順で有する素子層を有するIII族窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、200nm~365nmの光を発するように設定され、
前記単結晶基板の厚さが80μm以上であり、且つ
前記単結晶基板における素子層積層面の面積が、該基板の素子層積層面の裏面の面積よりも大きく、
前記素子層積層面の裏面の形状が円形であり、且つ、前記素子層積層面の形状が四角形、六角形のいずれかであって、
前記単結晶基板は、前記裏面を頂面とする円錐台の側部が前記素子積層面の辺の各々を含む平面で切除された形状を有しており、前記切除された部分にて前記素子層積層面から延在するへき開面が露出していることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
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