TWI420698B - 半導體發光元件之製造方法 - Google Patents

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Description

半導體發光元件之製造方法
本發明係關於一種於同一面側具有n電極與由透明導電膜所構成的p電極之半導體發光元件之製造方法。特別是關於一種III族氮化物半導體發光元件。
例如，在習知的III族氮化物半導體發光元件中，因為即使進行低電阻化處理，p型層也會因n型層而維持高電阻率，故電流幾乎不會往在p型層內的面上之水平方向擴散，而僅在電極正下方發光，所以必須在p型層頂面的大範圍形成電極層。又，因為使用藍寶石等絕緣物做為基板，所以必須於元件頂面形成相對於下層的n型層之電極。因此，欲形成電極，首先為了使成為n電極形成區域的n型層的一部分露出，而必須藉由蝕刻將存在於該n型層上方之p型層或發光層等除去，於該露出的n型層頂面形成電極，接著於p型層頂面形成透光性電極。
如此，則n型層的露出、n型層上之n電極的形成、p型層上之透光性電極的形成、與多次的光微影、蝕刻步驟係為必要。又，在n型層的露出步驟之後，於p型層上形成有透光性電極，因此難以於露出的n型層與p型層之交界部，正確地進行對位，以將形成有窗口的光罩形成在p型層整面。因此，不得不在自上述交界部(段差的邊緣)後退數μm左右之p型層上，形成透光性電極。因此，由於有未形成透光性電極之p型層部分存在，所以有對發光沒有貢獻之部分存在，而使發光效率降低。
為了解決此問題，而有下述專利文獻1、2所揭示的技術存在。在專利文獻1的技術中，於p型層整面上形成由金屬所構成的透光性電極與SiO2 層之後，於該SiO2 層整面上塗布光阻，藉由光微影對n型層應露出部分的SiO2 層進行濕蝕刻。而以殘留的光阻與SiO2 層做為光罩，對p型層等半導體層進行乾蝕刻而使n型層的一部分露出，藉由濕蝕刻除去SiO2 層。根據此步驟，可減少步驟數，且透光性電極形成至露出的n型層與p型層之交界部為止，因此可提升發光效率。然而，在使n型層露出的步驟中，於段差側面的pn接合部分，有金屬等導電性原子附著，因此元件的可靠度降低。
另一方面，專利文獻2所揭示的技術，係於p型層上的透明電極使用ITO(Indium Tin Oxide，銦錫氧化物)。在此技術中，在p型層整面上形成了由ITO所構成的透明電極之後，在該層整面上塗布光阻，藉由光微影對n型層應露出部分的ITO膜進行濕蝕刻。而以殘留的ITO膜與光阻做為光罩，對p型層等半導體層進行乾蝕刻而使n型層的一部分露出。又，若在蝕刻過的段差中之p型層的邊緣部分施加電場，則靜電耐壓減少。為了防止此問題，則於自該邊緣部分後退3μm左右之位置形成ITO膜，俾使於p型層的邊緣部分不施加電場。因此，在對使用過光罩的ITO膜進行濕蝕刻時，對ITO膜進行底切蝕刻到從光罩的邊緣部分後退的位置。由此，令ITO膜的邊緣位於從p型層的邊緣部分後退的位置，俾使電場不施加於段差的p型層的邊緣部分。
[習知技術文獻]
[專利文獻1]日本特開平10-173229
[專利文獻2]日本特開2005-19945
可是，若根據此方法，僅以既定量對光阻的邊緣正下方之ITO膜進行底切蝕刻，則必須精密地管理濕蝕刻的時間。若底切的量少，則會導致上述靜電耐壓減少；若底切的量多，則於p型層上未形成ITO膜的區域增大，所以發光效率降低，以上為其問題點。
再者，以ITO膜與其上之光阻做為光罩，使用反應性氣體的電漿對p型層等半導體層進行乾蝕刻而使n型層露出，在此情形構成ITO的In、Sn等導電性金屬原子，係附著在pn接合的側面，而導致漏電流，以上為其問題點。
因此本發明的目的在於：在以透明導電膜做為電極之發光元件中，能謀求製造步驟的簡化，提升元件的發光效率，提高元件的可靠度。
第1發明係一種半導體發光元件之製造方法，該半導體發光元件具有：基板；於此基板上形成的第1導電型之第1半導體層；異於第1導電型的第2導電型之第2半導體層；由在第2半導體層之上形成的透明導電膜所構成之第2電極；以及自第2半導體層側進行蝕刻，使第1半導體層的電極形成部露出，而於此電極形成部形成之第1電極；該半導體發光元件之製造方法，其特徵為：於第2半導體層整面上，形成透明導電膜；於所形成的透明導電膜之上，塗布光阻；在除去第1半導體層的電極形成部之上部的光阻時，以在所除去之部分的輪廓部中，殘留的光阻之厚度，朝除去的部分逐漸變薄之方式除去光阻；以殘留的光阻做為光罩，對透明導電膜進行濕蝕刻，以使第2半導體層的一部分露出；以殘留的光阻以及透明導電膜做為光罩，進行乾蝕刻，以使第1半導體層的電極形成部露出；以殘留的光阻做為光罩，對透明導電膜之因乾蝕刻而露出的部分進行濕蝕刻；除去殘留的光阻。
在此，發光元件，可用於透過透明導電膜而將光輸出到外部之面朝上(face up)方式之引線接合型的發光元件。又，發光元件，亦可為覆晶型的半導體發光元件，其係藉由所謂面朝下(face down)方式：使用透光性基板，並使透光性基板位於上方，將半導體層側接合於引線框架，而從透光性基板側輸出光。在覆晶型的情形，本發明可直接用於透明導電膜之上；或是用於介由絕緣膜而形成反射膜的元件。半導體的材料雖為任意，但本發明，在各層使用III族氮化物半導體之情形特別有效。形成透明導電膜之第2半導體層，亦可為p型半導體或n型半導體中之任一者。但是，比電阻大於n型半導體之p型半導體，一般是使用透明導電膜。因此，在本發明中，一般來說，第1導電型為n型，第2導電型為p型，第1半導體層為n型半導體層，第2半導體層為p型半導體層。但是，由於以下的原因，亦可令第1導電型為p型，第2導電型為n型，第1半導體層為p型半導體層，第2半導體層為n型半導體層。
在最遠離基板的最上層係III氮化物半導體之情形，因為p型化處理的關係，通常為p型半導體，但由於製造技術的進化，最上層成為n型半導體之情形亦所在多有；藉由LLO(Laser Lift-Off，雷射剝離)法所製造的發光元件，因為在最遠離支持基板的層為n型半導體，所以形成透明導電膜之第2半導體層無論是何種導電型，本發明皆可適用。
又，在除去第1半導體層的電極形成部的上部之光阻時，以在所除去之輪廓部中，殘留的光阻之厚度，朝除去的部分逐漸變薄之方式除去光阻，此可由以下方法來實現：藉由控制光阻的曝光量分布，來控制顯影後的光阻之厚度。例如在顯影時除去光阻的曝光部分之情形，可藉由以下方法來實現：在將光阻除去的部分與殘留的部分之交界即輪廓部中，使曝光量向殘留側慢慢地減少。在殘留的光阻遮罩中，厚度向已除去之區域逐漸變薄，而於輪廓部形成傾斜面(以下將此部分稱為「傾斜部」)。
於半導體層，可使用III族氮化物半導體。所謂III族氮化物半導體，係以一般式Alx Gay Inz N(x+y+z=1，0≦x、y、z≦1)表示之半導體，係包含：以其他第3B族元素(第13族元素)即B或Tl取代Al、Ga、In的一部分者；以其他第5B族元素(第15族元素)即P、As、Sb、Bi取代N的一部分者。更一般來說，係顯示至少含有Ga的GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN。n型不純物，通常使用Si；p型不純物，通常使用Mg。
於第2半導體層整面上，形成透明導電膜，於該膜整面上塗布了光阻之後，藉由光微影，除去相當於第1半導體層的電極形成部之部分的光阻。而以殘留的光阻做為光罩，對透明導電膜進行濕蝕刻。其後，以透明導電膜與光阻做為光罩，進行使第1半導體層露出之乾蝕刻。因此，可藉由1次的光微影實施使第1半導體層露出之步驟，與在第2半導體層之上形成透明導電膜之步驟，而簡化製造步驟。
又，因為不會在形成第1半導體層的電極形成部之後，形成透明導電膜，所以無須在形成光罩時進行對位，而製造變得簡單，且因為可於第2半導體層整面，形成透明導電膜，所以可提升發光效率。又，因為於第2半導體層整面，形成有透明導電膜，所以流動的電流路之剖面積擴大，因此可將電阻降低，可將驅動電壓降低。又，光阻在與除去的部分之交界部，具有厚度減少的傾斜部。此傾斜部之中厚度較薄之既定的部分，在露出第1半導體層的乾蝕刻之步驟中，為蝕刻所消滅。而於所除去的部分露出透明導電膜。透明導電膜，在乾蝕刻中，較半導體層具有較高之耐性，所以難以蝕刻而殘留。即使蝕刻過後，因為於上部有光阻的傾斜部存在，所以透明導電膜的蝕刻開始較慢，結果導致無法蝕刻透明導電膜的全厚度。如上所述，光阻的厚度，係由透明導電膜的厚度來決定。對在蝕刻後露出的透明導電膜，以該光阻做為光罩進行濕蝕刻，所以相當於光阻的傾斜部之中較薄的既定區域之部分被蝕刻。其結果，透明導電膜的邊緣，僅有從第1半導體層的電極形成部之輪廓部到傾斜部之中的上述既定區域部分後退。而此後退位置，係能以光阻的傾斜部之寬度或角度控制，所以能非常正確地令此後退位置為極微小量。此結果，可於第2半導體層幾近整面形成透明導電膜，因此可提升發光元件的發光效率。
再者，在露出第1半導體層的乾蝕刻之後，具有對透明導電膜進行濕蝕刻之步驟，因此即使在乾蝕刻的步驟中形成的段差側面之pn接合部，有導電性金屬原子附著，亦能以此濕刻步驟除去之，所以能提升元件的可靠度。
針對用以實施本發明之形態進行說明。
基板，可使用絕緣性基板、導電性基板、不透光性基板、透光性基板等任意基板。例如，可使用藍寶石(Al2 O3 )、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)、氧化錳(MnO)、以一般式Alx Gay In1-x-y N表示之4元、3元、2元半導體、AlN、陶瓷等。
透明導電膜，雖可舉出金屬氧化物等導電性氧化膜，但較具有代表性的係宜使用銦錫氧化物(ITO)或氧化鋅(ZnO)。其他可使用於ZnO添加少數百分比的Al2 O3 或Ga2 O3 等成為3價離子的元素之材料(AZO、GZO)、摻雜氟之氧化鋅(FTO)、氧化銦與氧化鋅的複合體、添加之鈮二氧化鈦Ti1-x Nbx O2 (TNO)、其他、氧化鋅系、氧化銦系、氧化錫系、鎘系(CTO)等透明導電膜。此等材料，係易於濕蝕刻，而使用了氯、氟等的乾蝕刻之蝕刻速度，相較於III族氮化物半導體係較慢。若能蝕刻導電透明膜，則濕蝕刻的材料係任意。又，若III族氮化物半導體為可蝕刻者，則乾蝕刻亦任意，可使用氯、氟等電漿蝕刻。第1電極、第2電極的材料係任意，但亦可使用金、金與鈦的多層膜，或是金與鈦的合金，鎢(W)、鈦(Ti)、金(Au)的多層膜等，鎳(Ni)、鈦(Ti)、金(Au)等。
透明導電膜的形成方法，係可使用濺鍍、真空蒸鍍等，雖無特別限定，但宜藉由電子束以真空蒸鍍形成。另外，構成發光層之單一量子井構造或多重量子井構造，宜含有由至少含有銦(In)之III族氮化物系化合物半導體Aly Ga1-y-z Inz N(0≦y＜1，0＜z≦1)所構成之井層。發光體的構成，係可例舉出由已摻雜或未摻雜之Ga1-z Inz N(0＜z≦1)所構成之井層，與由能隙大於該井層之任意組成的III族氮化物系化合物半導體AlGaInN所構成之障壁層。較佳例係未摻雜的Ga1-z Inz N(0＜z≦1)之井層與由未摻雜的GaN所構成之障壁層。在此，所謂摻雜，係指意圖使原料氣體含有摻雜物，而添加至目標層；未摻雜係指使原料氣體未含有摻雜物，並且不意圖添加摻雜物。因此，未摻雜，亦包含自接近的層擴散而自然地摻雜之情形。
使III族氮化物半導體長晶的方法，以分子束磊晶法(MBE，molecular beam epitaxy)、有機金屬氣相磊晶法(MOVPE，metal organic vapor phase epitaxy)、氫化物氣相磊晶法(HVPE，hydride vapor phase epitaxy)、液相磊晶法等為有效。構成半導體發光元件的各層III-V族氮化物半導體，至少能以III-V族氮化物系化合物半導體形成，其由以Alx Gay InN(0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1)表示之2元系、3元系或是4元系的半導體所構成。又，此等III族元素的一部分，亦能以硼(B)、鉈(Tl)替換；亦能以磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)替換氮(N)的一部分。
再者，在使用此等半導體來形成n型的層之情形，能添加SiGe、Se、Te、C等做為n型不純物；在形成p型的層之情形，能添加Be、Ca、Sr、Ba等做為p型不純物。
[實施例1]
圖1係顯示本實施例1的半導體發光元件1之剖面圖；圖2係其平面圖。在厚度100μm的藍寶石基板101之上，設置有由氮化鋁(AlN)所構成而膜厚約20nm的緩衝層102，於其上形成有n型接觸層104(第1半導體層)，其由摻雜矽(Si)的GaN所構成，膜厚約8.0μm，係高載子濃度n+ 層。此n型接觸層104的電子濃度係5×1018 /cm3 。此層的電子濃度宜越高越好，但可增加至2×1019 /cm3 為止。而於n型接觸層104之上，由In0.03 Ga0.97 N所構成之應變緩和層105係以200nm的厚度形成。而於該應變緩和層105之上，形成有發光層106，其由膜厚20nm的未摻雜的GaN與膜厚3nm的未摻雜的Ga0.8 In0.2 N所構成，堆疊3週期分，係多重量子井構造(MQW，multi quantum well)。於發光層106之上，形成有p型層107，其由摻雜鎂(Mg)的Al0.15 Ga0.85 N所構成，膜厚約60nm，相當於被覆層。再者，於p型層107之上，形成有p型接觸層108(第2半導體層)，其由摻雜鎂(Mg)的GaN所構成，膜厚約130nm。
又，於p型接觸層108之上，形成有透明導電膜10，其由藉由MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，有機金屬化學氣相沉積)法形成的ITO所構成。於p型接觸層108的平面上周邊部，形成有環狀之寬度3μm的露出部5。此露出部5的寬度，從發光效率的角度而言，是越狹窄越好，但若考慮到防止在段差的側壁形成的pn接合之短路，至少宜設置為1μm。若超過6μm，則發光效率降低，所以宜為6μm以下。於該透明導電膜10之上，形成有由SiO2 所構成的絕緣性保護膜20。透明導電膜10的厚度為0.5μm；絕緣性保護膜20，厚度為200nm。於開設在絕緣性保護膜20的窗口所形成p接墊電極40，係以厚度0.01μm的鈦(Ti)與厚度0.5μm的金(Au)之雙重構造所構成。又，p接墊電極40，亦能以Ti與Au的合金構成。
另一方面，自p型接觸層108進行蝕刻，於所露出的n型接觸層104上，形成有n電極30。n電極30為雙重構造，藉由以下方式所構成：將膜厚約18nm的釩(V)層31，與膜厚約1.8μm的鋁(Al)層32，依序堆疊在使n型接觸層104的一部分露出之部分即電極形成部16。
接著，針對依本實施例的半導體發光元件之製造方法進行說明。首先，於藍寶石基板101上，藉由MOCVD法，在400℃下，形成因氮化鋁(AlN)的低溫成長而形成之緩衝層102。接著，調整至各III族氮化物半導體的各自之磊晶成長之最佳溫度，且藉由MOCVD法將由III族氮化物半導體所構成的n型接觸層104、應變緩和層105、發光層106、p型層107、p型接觸層108依序堆疊。在MOCVD法中使用的原料氣體，氮源採用氨(NH3 )；Ga源採用三甲基鎵(Ga(CH3 )3 )；In源採用三甲基銦(In(CH3 )3 )；Al源採用三甲基鋁(Al(CH3 )3 )；n型摻雜氣體採用矽烷(SiH4 )；p型摻雜氣體採用環戊二烯鎂(Mg(C5 H5 )2 )、輸送氣體採用H2 或是N2 。
以上的半導體層的磊晶成長，係眾人皆知之方法。如圖3所示，於p型接觸層108整面上，均勻地沉積厚度0.5μm的ITO，而形成透明導電膜12。接著，在該透明導電膜12整面上，塗布厚度4μm的光阻13。其後，將該光阻13曝光。在此時，如圖3所示，於除去光阻13之交界部14，係使其曝光成朝著曝光強度向殘留之區域漸降低的方向傾斜。例如使用近接式(Proximity)曝光法，使光罩與晶圓之間的間隔(近接間隙)產生變化，或是固定近接間隙使曝光強度產生變化，藉此可控制曝光強度之傾斜的程度。接著，將此光阻13顯影，以除去曝光部80，如圖4所示，形成了於交界部14具有傾斜部15的光阻13。已除去的部分係對應露出n型接觸層104的部分。
接著，在此狀態下，進行了濕蝕刻。其結果如圖5所示，除去了未覆蓋有光阻13的部分之透明導電膜12。接著，以殘留的透明導電膜12與光阻13的雙重層做為光罩，藉由氯電漿進行了乾蝕刻。其結果，如圖6所示，露出n型接觸層104，而形成了電極形成部16。此時，光阻13的厚度整體性地變薄，而傾斜部15較薄，因此傾斜部15的既定寬度的部分19，係由蝕刻所除去，而下層的透明導電膜12露出了一部分17。此部分19之下的透明導電膜12，在蝕刻結束時，無法被完全除去。光阻13與透明導電膜12的厚度，係設計成能實現此狀態之厚度。接著，如圖7所示，在此狀態下，以殘留的光阻13做為光罩，對透明導電膜12的露出部17進行濕蝕刻。所殘留的部分，成為圖1所示之半導體發光元件1的透明導電膜10。在此時，附著在段差側面18的pn接合之ITO的構成元素即In、Sn等，係被排除在外。
此後，在最表面上均勻地塗布光阻，進行曝光顯影，藉此於透明導電膜10上的p接墊電極40的形成區域形成窗口，沉積厚度0.01μm的Ti與厚度0.5μm的Au，並將光阻剝離，而形成了p接墊電極40。其後，在最表面上均勻地塗布光阻，進行曝光顯影，藉此於對應n型接觸層104的電極形成部16之部分開設窗口，沉積厚度18nm的V與厚度1.8μm的Al，而形成了n電極30。其後，在最表面上均勻地沉積厚度200nm的SiO2 ，更在面上均勻地塗布光阻，進行曝光顯影，藉此於既定區域開設窗口，並藉由氟系的蝕刻氣體進行乾蝕刻，其後，除去光阻，而形成了絕緣性保護膜20。
[實施例2]
本發明，如圖8所示，亦可用於形成覆晶型的半導體發光元件2之情形。與實施例1相同的構成部分，則附上相同的符號。於透明導電膜10之上，形成有由SiO2 所構成的第1絕緣性保護膜20；於該第1絕緣膜性保護膜20之上，形成有由Al所構成的反射膜50。而在反射膜50、露出的第1絕緣性保護膜20之上以及元件2之頂面，形成有由SiO2 所構成的第2絕緣性保護膜21。亦即，第1絕緣性保護膜20與第2絕緣性保護膜21成為一體，其內部存在有反射膜50。又，於p接墊電極40，接合有p凸塊電極70；於n電極30，接合有n凸塊電極60。在此類半導體發光元件2中，令n型接觸層104的電極形成部16露出，在相當於電極形成部16的段差之邊緣的部分，形成p型接觸層108之極微小寬度的露出部5，而形成透明導電膜10，上述情形之蝕刻，亦可採用實施例1的方法。
在上述的全實施例中，半導體發光元件的層構成係任意。在於同一面側形成n電極與p電極的元件中，於第2半導體層之上形成透明導電膜，而形成相對於第1半導體層之電極，在此情形，只要具有半導體層的蝕刻步驟，本發明就可適用於任何的發光元件之製造方法。
[產業上利用性]
本發明可用於提升半導體發光元件的發光效率。
1．．．半導體發光元件
2．．．覆晶型的半導體發光元件
5．．．露出部
10．．．透明導電膜
12．．．透明導電膜
13．．．光阻
14．．．交界部
15．．．傾斜部
16．．．電極形成部
17．．．露出部
18．．．段差側面
19．．．傾斜部15的既定寬度的部分
20．．．(第1)絕緣性保護膜
21．．．第2絕緣性保護膜
30．．．n電極
31．．．釩(V)層
32．．．鋁(Al)層
40．．．p接墊電極
50．．．反射膜
60．．．n凸塊電極
70．．．p凸塊電極
80．．．曝光部
101．．．藍寶石基板
102．．．緩衝層
104．．．n型接觸層
105．．．應變緩和層
106．．．發光層
107．．．p型被覆層
108．．．p型接觸層
[圖1]係依本發明的具體實施例的發光元件之剖面圖。
[圖2]係同一實施例的發光元件之平面圖。
[圖3]係顯示同一實施例的發光元件之製造方法的發光元件之剖面圖。
[圖4]係顯示同一實施例的發光元件之製造方法的發光元件之剖面圖。
[圖5]係顯示同一實施例的發光元件之製造方法的發光元件之剖面圖。
[圖6]係顯示同一實施例的發光元件之製造方法的發光元件之剖面圖。
[圖7]係顯示同一實施例的發光元件之製造方法的發光元件之剖面圖。
[圖8]係依本發明的另一實施例的發光元件之剖面圖。
1．．．半導體發光元件
5．．．露出部
10．．．透明導電膜
16．．．電極形成部
20．．．絕緣性保護膜
30．．．n電極
31．．．釩(V)層
32．．．鋁(Al)層
40．．．p接墊電極
101．．．藍寶石基板
102．．．緩衝層
104．．．n型接觸層
105．．．應變緩和層
106．．．發光層
107．．．p型被覆層
108．．．p型接觸層

Claims (3)

  1. 一種半導體發光元件之製造方法，該半導體發光元件具有：基板；於此基板上形成的第1導電型之第1半導體層；異於第1導電型的第2導電型之第2半導體層；由在第2半導體層之上形成的透明導電膜所構成之第2電極；以及自該第2半導體層側進行蝕刻，使該第1半導體層的電極形成部露出，而於此電極形成部形成之第1電極；該半導體發光元件之製造方法，其特徵為：於該第2半導體層整面上，形成該透明導電膜；於所形成的該透明導電膜之上，塗布光阻；在除去該第1半導體層的該電極形成部之上部的光阻時，以在所除去之部分的輪廓部中，殘留的光阻之厚度，朝除去的部分逐漸變薄之方式除去光阻；以殘留的光阻做為光罩，對該透明導電膜進行濕蝕刻，以使該第2半導體層的一部分露出；以殘留的該光阻以及該透明導電膜做為光罩，進行乾蝕刻，以使該第1半導體層的該電極形成部露出；以殘留的該光阻做為光罩，對該透明導電膜之因該乾蝕刻而露出的部分進行濕蝕刻；除去殘留的光阻。
  2. 如申請專利範圍第1項的半導體發光元件之製造方法，其中，在該輪廓部的光阻之厚度，係由以下方式控制：藉由控制曝光量分布，使顯影後的光阻之厚度，朝除去的部分逐漸變薄。
  3. 如申請專利範圍第1或2項的半導體發光元件之製造方法，其中，該第1半導體層，係由n型的III族氮化物半導體所構成；該第2半導體層，係由p型的III族氮化物半導體所構成。
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