JPH1168157A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光素子への加工等が容易で、且つ良好な発
光をする発光素子を提供する。 【解決手段】 導電性基板8がFe-Ni合金であって、前記
導電性接着剤がAu-Sn半田7である。本発明による半導体
発光素子の製造方法は、GaAs（111）Ａ基板1に発光層を
含むGaN系半導体層の積層を成長した後、導電性の接着
剤により前記積層表面に設けた電極面と導電性基板とを
接着した後、GaAs（111）Ａ基板1を除去する。GaAs（11
1）Ａ基板1をアンモニア系エッチャントによるウェット
エッチングによって除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，窒化ガリウム
（GaN）系半導体を使用した主に青色および緑色の発光
素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、たとえば日経サイエンス10月号
（1994）、ｐ．44に記載された、現在市販されているサ
ファイア基板を用いたGaN系の青色および緑色の発光素
子の構造を示す断面図である。

【０００３】この青色および緑色発光素子は、サファイ
ア基板11と、基板11上に形成されたGaNバッファ層12
と、GaNバッファ層12上に形成された六方晶のGaNエピタ
キシャル層13とから構成されたエピタキシャルウェハ上
に、クラッド層14、発光層15、クラッド層16およびGaN
エピタキシャル層17が順に形成されて窒化物系半導体層
が積層された構造となる。GaNエピタキシャル層13、17
上には、電極18、19がそれぞれ形成されている。また、
この青色および緑色発光素子において、GaNバッファ層1
2は、サファイア基板11とGaNエピタキシャル層13との格
子定数の差による歪を緩和するために設けられている。

【０００４】上記の青色および緑色の発光素子は、基板
11として絶縁性のサファイアを用いているため、電極を
形成して素子を作成する際には、2種の電極を同一面側
に形成する必要あることから、フォトリソグラフィによ
るパターニングが2回以上必要になり、さらに反応性イ
オンエッチングによる窒化物のエッチングを行う必要も
あり、複雑な工程を要する。

【０００５】また、サファイアは硬度が高いため、素子
分離の際に切断しにくいという問題もある。そこで、こ
のような欠点を有するサファイアに代えて、導電性のGa
Asを基板として使用するという試みがなされている。

【０００６】たとえばＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓ
ｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ164（1996）、ｐ149にはGaAs（10
0）面上に立方晶のGaNの成長が、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｖｏｌ．
24Ｎｏ．4（1995）、ｐ213ではＭＯＶＰＥ法（有機金属
気相エピタキシャル法）によるGaAs（111）Ａ面上及びG
aAs（111）Ｂ面上へのGaNの成長が報告されている。

【０００７】また特開平8ー181070号公報には、700℃以
上の温度範囲おいて特性のよいGaNエピタキシャル層の
成長が得られる有機金属クロライド気相エピタキシャル
法が開示されている。この方法ではIII化合物半導体の
原料であるIII族有機金属を塩化水素と同時に反応管内
に導入することにより、III族元素を塩化物として基板
上に供給する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のGaN系半導体層
の発光素子は、絶縁性で硬いサファイアを基板に用いて
いるため、電極作製に複雑なプロセスを要し、素子分離
の際の切断等の加工も困難があるのは前述の通りであ
る。そこで、例えば導電性GaAsのような基板を用いれ
ば、このような問題は解決される。

【０００９】しかし、例えばGaAsの基板を用いると、Ga
N系半導体層の発光層から出た光がGaAsの基板に吸収さ
れ、その基板からの反射光の強度が下がる。そのためGa
Asの基板を用いた場合には十分な発光強度を得ることが
できない。それは、GaAsの基板のバンドギャップ（結晶
内電子の量子状態エネルギーの差）が、GaN系半導体層
のそれよりも小さいためと考えられている。

【００１０】本発明の目的は、上述の問題点を解決した
製造が容易で、良好な発光をする半導体発光素子を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体発光
素子は、ｐ型電極が設けられたｐ型GaN層と、前記ｐ型
電極と導電性接着剤により接着された導電性基板と、前
記ｐ型GaN層上に形成されたGaN系半導体層の積層構造、
あるいは、ｎ型電極がもうけられたｎ型GaN層と、前記
ｎ型電極と導電性接着剤により接着された導電性基板
と、前記ｎ型GaN層上に形成されたGaN系半導体層の積層
構造とからなる。

【００１２】そして、本発明の半導体発光素子は、前記
導電性基板がFe-Ni合金またはCu-W合金であって、前記
導電性接着剤がAu-Sn半田またはPb-Sn半田である。

【００１３】本発明による半導体発光素子の製造方法
は、GaAs、InP、InAs若しくはGaPである成長用基板にGa
N系半導体層の積層を成長した後、導電性接着剤により
前記積層の表面に設けた電極面を導電性基板に接着し
た。そして、前記GaAs、InP、InAs若しくはGaPである成
長用基板を除去することを特徴としている。

【００１４】また、前記成長用基板が立方晶（111）基
板であり、前記GaN系半導体層が六方晶である。特に成
長用基板がGaAs（111）Ａであり、GaN系半導体層が六方
晶である。成長用基板をアンモニア系エッチャントによ
ってウェットエッチングすることにより除去する。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明による半導体発光素子は、
発光素子の構造に絶縁層を含まない。従って、絶縁層で
あるサファイアを基板に用いた場合のように電極形成に
複雑なプロセスを必要としない。また、GaN系半導体層
の発光層よりもバンドギャップの小さいGaAsのようなも
のを成長用基板として用いた場合、導電性基板に導電性
接着剤を用いて発光層を含むGaN系半導体層の積層を接
着した後、その積層を成長させた成長用基板を除去すれ
ば、前記成長用基板による光の吸収がなくなり良好な発
光となる。

【００１６】導電性基板として導電性並びに熱伝導性に
優れたFe-Ni合金またはCu-W合金を用いると、低消費電
力による発光が可能であり、熱の放出もよくなる。

【００１７】導電性接着剤には融点が250℃以上あるAu-
Sn半田（例えば、融点280℃の市販品）またはPb-Sn半田
（例えば、融点280℃の市販品）を用いると、電極形成
のために温度を200℃程度まで上げることができ、良好
な電極を容易に作成できる。

【００１８】GaN系半導体層の積層が形成される成長用
基板として、GaAs、InP、InAs若しくはGaPを用いると、
その成長用基板は容易にエッチング除去できる。また立
方晶（111）基板を用いると六方晶GaNをエピタキシャル
成長することができる。

【００１９】さらに、GaAs（111）Ａ基板（（111）面の
上が、全てGaであるGaAs基板）を用いれば、良好なGaN
系半導体層の積層を作製することができる。

【００２０】GaAs基板のエッチングにはアンモニア系エ
ッチャントを用いてウェットエッチングを行うと、GaAs
基板をエッチング除去することが容易であって、またGa
N系半導体層並びにその積層に損傷を与えることがない
ため、上記エッチャントが好ましい。

【００２１】次に本願発明をどのように実施するかを具
体的に示した実施例を記載する。

【００２２】（実施例） 有機金属クロライド気相エピ
タキシャル法（図４にその装置の概要を示すが、石英か
らなる反応チャンバー54にGaAs（111）Ａ基板1を設置す
る。本装置は、ガス導入口51、52、排気口53及び抵抗加
熱ヒーター55を備えている。なお、本装置は本願発明者
が開示した特開平8ー181070号公報に示した装置と同じで
ある。）を用いて、厚さ350μｍのGaAs（111）Ａ基板1
上に、厚さ100nｍのGaNバッファ層2、厚さ2μｍでキャ
リア濃度1×10¹⁹（ｃｍ^-3）のｎ型GaN層3、厚さ0.1μｍ
のInGaN発光層4、厚さ0.5μｍでキャリア濃度1×10
¹⁸（ｃｍ^-3）の0.5μｍのｐ型GaN層5からなるGaN系半導
体層の積層を、この順に成長した。

【００２３】上記GaN系半導体層からなる積層の最表面
であるｐ型GaN層5の上にNi、Auの順に蒸着してなる電極
6を作製し、400℃、5分の合金化を施した。GaAs（111）
Ａ基板1、GaN系半導体層からなる積層、及び電極6から
なるエピタキシャルウェハの断面を示したのが図2であ
る。

【００２４】この後、融点280℃の市販のAu-Sn半田7を
用いて、上記最表面のｐ型GaN層5の上の電極6にFe-Ni合
金（重量％でNiが46％、残部がFe及び不可避的不純物よ
りなる。）の導電性基板8を接着した。(図３)

【００２５】図３に示すエピタキシャルウェハを、アン
モニア水と過酸化水素水を1:2で混合して25℃に保った
溶液に90分間浸漬（ウェットエッチング）したところ、
GaAs（111）Ａ基板1のみが除去され図１の構造を得た。

【００２６】図１の構造の最表面にあるGaNバッファ層2
の上に200℃でインジウム（In）の電極を作成し、Ni、A
uの順に蒸着してなる電極6との間に電流を流したとこ
ろ、青色に発光した。なお、重量％でNiが46％、残部が
Fe及び不可避的不純物からなるFe-Ni合金に替えて、重
量％でW80％、Cu20％の焼結合金を用いても、同様に良
好な青色に発光した。

【００２７】（比較例） Fe-Ni合金基板とGaAs基板の2
種類の相違する基板によって、その相違する基板の光吸
収による発光強度の違いを観察するため、図５に示すエ
ピタキシャルウェハの断面のものを比較例とした。

【００２８】すなわち、図２の構造におけるGaAs（11
1）Ａ基板1側に、AuGeNi合金層、Ni層、及びAu層からな
る積層構造の電極9を作成し、その電極9とNi、Auの順に
蒸着してなる電極6との間に電流を流したところ、青色
に発光した。もっとも、比較例の発光強度は、上記実施
例の発光強度の７割程度の弱いものであった。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、基板での光の吸収が少なく、良好に発光する半導体
発光素子を、容易に製造することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例においてGaAs基板をエッチング除去した
ときまでの、エピタキシャルウェハの構造を示す断面図
である。

【図２】実施例においてｐ型電極を作製したときまで
の、エピタキシャルウェハの構造を示す断面図である。

【図３】実施例においてｐ型GaN層側を鉄-ニッケル合金
に接着したときまでの、エピタキシャルウェハの構造を
示す断面図である。

【図４】有機金属クロライド気相エピタキシャル法の装
置の概要を示す図である。

【図５】比較例においてGaAs基板側に電極を作製したと
きまでの、エピタキシャルウェハの構造を示す断面図で
ある。

【図６】サファイア基板を用いた青色半導体発光素子の
一例の構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１：GaAs（111）Ａ基板 ２：GaNバッファ層 ３：ｎ型GaN層 ４：InGaN発光層 ５：ｐ型GaN層 ６：Ni、Auの順に蒸着してなる電極 ７：Au-Sn半田 ８：Fe-Ni合金の導電性基板 ９：AuGeNi合金層、Ni層、Au層からなる積層構造からな
る電極

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型電極が設けられたｐ型窒化ガリウム
   （GaN）層若しくはｎ型電極が設けられたｎ型窒化ガリ
   ウム（GaN）層、前記ｐ型若しくはｎ型電極に導電性接
   着剤で接着された導電性基板、及び前記ｐ型若しくはｎ
   型窒化ガリウム層（GaN）上であってｐ型若しくはｎ型
   電極が設けられている面とは反対面の上に成長した発光
   層を含む窒化ガリウム（GaN）系半導体層からなる積層
   とで構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 【請求項２】 導電性基板が鉄-ニッケル（Fe-Ni）合金
   または銅-タングステン（Cu-W）合金であることを特徴
   とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 【請求項３】 導電性接着剤が金-スズ（Au-Sn）半田ま
   たは鉛-スズ（Pb-Sn）半田であることを特徴とする請求
   項１記載の半導体発光素子。
4. 【請求項４】 成長用基板の上に成長した発光層を含む
   窒化ガリウム（GaN）系半導体層からなる積層の表面に
   設けた電極面と導電性基板とを、導電性接着剤を用いて
   接着した後、前記成長用基板を除去して製造することを
   特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 【請求項５】 成長用基板がガリウム砒素（GaAs）、イ
   ンジウム燐（InP）、インジウム砒素（InAs）若しくは
   ガリウム燐（GaP）であることを特徴とする請求項４記
   載の半導体発光素子の製造方法。
6. 【請求項６】 成長用基板がガリウム砒素（GaAs）、イ
   ンジウム燐（InP）、インジウム砒素（InAs）若しくは
   ガリウム燐（GaP）からなる立方晶（111）基板であっ
   て、窒化ガリウム（GaN）系半導体層が六方晶であるこ
   とを特徴とする請求項４又は請求項５記載の半導体発光
   素子の製造方法。
7. 【請求項７】 成長用基板がガリウム砒素（GaAs）から
   なる立方晶（111）Ａ基板であることを特徴とする請求
   項４〜６のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造
   方法。
8. 【請求項８】 成長用基板をアンモニア系エッチャント
   を用いたウェットエッチングにより除去することを特徴
   とする請求項４〜７のいずれか1項に記載の半導体発光
   素子の製造方法。