JP2009290068A - 窒化物半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直電極構造を有する窒化物半導体発光素子の作製において、プロセス上の問題および素子特性上の問題を改善する。
【解決手段】窒化物半導体発光素子は、順次積層されたｎ型窒化物半導体層（３）、窒化物半導体発光層（４）、およびｐ型窒化物半導体層（５）を含む窒化物半導体積層構造と、反り防止層（９）と、支持基板（１１）とがこの順に接合されていることを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は窒化物半導体発光素子とその製造方法に関し、特に大面積化が可能であって発光効率と静電耐圧の改善も可能な窒化物半導体発光素子とその製造方法に関する。

周知のように、順次積層されたｎ型の化合物半導体、化合物半導体活性層（発光層）、およびｐ型の化合物半導体を含む半導体積層構造に電圧を印加することにより、ｎ型半導体層中に含まれる電子とｐ型半導体中に含まれる正孔とを活性層内で再結合させることによる発光を利用する化合物半導体発光素子がある。このような半導体発光素子の周知の例として発光ダイオードなどが市販されており、これらの発光素子は電子と正孔とが効率よく再結合する直接遷移型半導体を利用しているので発光効率が非常に高い。したがって、これらの発光素子は、現在では照明、家電製品のディスプレイ、道路の信号機などに利用されている。

ここで、照明やディスプレイに用いられている白色発光ダイオードは、例えば青色発光ダイオードと黄色領域に蛍光波長を有するＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などの蛍光体とを組み合わせて作製される。そして、青色発光ダイオードには、窒化物半導体が利用されている。

一般的に実用化されている窒化物半導体発光素子の作製方法においては、結晶成長用基板（以下、「成長基板」と称す）としてのウエハ状のサファイア基板上に順次積層されたｎ型ＧａＮ層、活性層、およびｐ型ＧａＮ層を含む半導体積層構造を成長させる。

しかし、サファイア基板は絶縁体であるので、正電極と負電極はサファイア基板の同一面側に形成される。すなわち、ｐ型ＧａＮ層からｎ型ＧａＮ層に達するまで部分的エッチングを行ない、そのエッチングによって部分的に露出されたｎ型ＧａＮ層上に負電極が設けられ、そしてｐ型ＧａＮ層上には正電極が設けられる。この場合、１つの発光素子チップ当たりの活性層領域が減少する。また、サファイア基板をステム上にマウントした後に、発光素子に電圧印加するために２本のボンディングワイヤが必要である。さらに、発光素子内で発生する熱に関して、サファイア基板を介する放熱性が良好ではない。

このような観点から、特許文献１の特開２００１−３１３４２２号公報による窒化物半導体発光素子の作製方法においては、サファイア成長基板を研磨などによって除去し、半導体積層構造を上下方向に挟む一対の正負の電極（以下、この正負の電極構造を「垂直電極構造」とも称す）が形成される。

また、特許文献２の特開２０００−１０１１３９号公報においては、窒化物半導体積層構造からサファイア成長基板を除去する方法として、それらの界面に基板側からレーザ光を照射する方法が開示されている。

なお、後述のように、サファイア成長基板が除去される窒化物半導体積層構造は、メッキ層、部分的に導電体領域を含む樹脂層、ＧａＡｓ層などによる導電性支持基板で保持され得る。
特開２００１−３１３４２２号公報 特開２０００−１０１１３９号公報 特開２０００−２７７８０４号公報 特開２００４−０４７７０４号公報 特開２０００−０２１７７２号公報 伊勢秀夫著、「電鋳技術と応用」、１９９６年、槇書店発行

特許文献１によれば、サファイア成長基板とその上の窒化物半導体積層構造とを含むウエハから成長基板を研磨によって除去する工程において、ウエハに反りがある場合はウエハが割れる問題があった。そこで、特許文献１においては、ウエハの反りを防止するために、サファイア成長基板上の窒化物半導体積層構造の最上層に第１金属層のオーミック電極層と厚み１０μｍ以上の第２金属層の反り防止層を順次堆積している。この反り防止層によってウエハの反りを軽減することが可能である。しかしながら、特許文献１においては、研磨によってサファイア成長基板を除去するには非常に長い時間を要するという問題がある。

特許文献１おいては、サファイア成長基板が除去される半導体積層構造は、メッキ層または部分的に導電体領域を含む樹脂層による導電性支持基板で保持される。また、特許文献３の特開２０００−２７７８０４号公報の製法では、サファイア成長基板が除去される半導体積層構造のための支持基板として、ＧａＡｓなどの導電性基板を利用する。しかし、サファイア成長基板とＧａＡｓ支持基板との熱膨張係数は異なるので、成長基板上の半導体積層構造と支持基板とが金属層を介する加熱圧着で接合される過程においてウエハが反る問題が生じる。

ここで、ウエハの反り量は、ウエハ面内で一番高い部分と低い部分の高低差で定義される。このようなウエハの反り量が８０μｍ以上ある場合、特許文献２に開示されているように半導体積層構造から成長基板をレーザ照射によって剥離除去しようとする場合に、半導体積層構造と成長基板との界面にレーザを均一に照射することが難しく、半導体積層構造にダメージを与えることなく成長基板を剥離除去することが困難となる。特に、特許文献３におけるように半導体積層構造に支持基板を加熱圧着させる場合、ウエハ面積が大きいほどその反り量が大きくなるので、成長基板の剥離除去はさらに困難となる。

また、支持基板の作成方法として特許文献１では無電解メッキを利用し、特許文献４の特開２００４−４７７０４では電界メッキによって支持基板を作成しているが、メッキ自体の応力によってウエハが反るので、特許文献３の場合と同様の問題が生じる。

実際に、２インチ径のサファイア基板上に成長した窒化物半導体積層構造上に電解メッキで厚さ１００μｍのＣｕ層で支持基板を形成した場合、ウエハに約８０μｍの反り量が発生して、サファイア成長基板の剥離除去は容易ではなかった。

本発明者の検討結果によれば、ウエハの反り量が８０μｍ未満の場合には成長基板の剥離除去は可能であるが、その反り量が８０μｍ以上では窒化物半導体積層構造にダメージを生じる傾向が顕著になる。また、ウエハの反り量が４０μｍ未満の場合は、窒化物半導体積層構造の一部分にダメージを生じる傾向が残るが、成長基板の剥離がしやすくなる。さらに、ウエハの反り量が２０μｍ未満の場合には、窒化物半導体積層構造にダメージを生じる傾向が顕著に軽減されるとともに、成長基板の剥離がさらに容易になる。

このことは、レーザビームの焦点がビーム軸方向に２０μｍずれることによって、単位面積当たりに照射されるレーザエネルギが約２０％低下することになり、その結果として成長基板の剥離を行なうための付与エネルギが十分でなくなることと符合する。そして、ここで述べられているウエハの反り量はウエハの面積によらず、その反り量が大きいほど成長基板の剥離に影響を及ぼす。

また、支持基板が付与されることによって反ったウエハにおいては、成長基板が剥離除去された後においても反りを生じ、フォトリソグラフィやチップ分割などのプロセスを行なうことが困難になる。さらに、ウエハに含まれる窒化物半導体積層構造が反ることにより、III族原子とＶ族原子との異種原子で構成される結晶の歪に起因する内部電界が発光層に印加され、発光効率の低下や発光波長のシフトなどの問題を生じ得る。

上述のように、垂直電極構造を有する窒化物半導体発光素子の作製に関して、特許文献３と特許文献４による方法においては、特許文献１による方法とは異なって、支持基板を付与することに起因してウエハが反ることによるプロセス上の問題および素子特性上の問題が生じる。

そこで、本発明は、垂直電極構造を有する窒化物半導体発光素子の作製において、プロセス上の問題および素子特性上の問題を改善することを目的としている。

本発明による窒化物半導体発光素子は、順次積層されたｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、およびｐ型窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造と、反り防止層と、支持基板とがこの順に接合されていることを特徴としている。

なお、反り防止層は、支持基板より硬い金属層、合金層、または誘電体層の１層以上を含むことが好ましい。反り防止層が金属層または合金層の場合には、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、およびＢｅの１種以上を含み得る。反り防止層は、４０ＨＶ以上の硬度を有することが好ましい。

また、反り防止層と支持基板との間にＡｕを含む層をさらに含んでもよく、反り防止層はＡｕの拡散を防止するようにも作用し得ることが好ましい。反り防止層は、支持基板の反りに対して逆方向に反るように作用していることが好ましい。支持基板の熱伝導率は、１．５Ｗ／ｃｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

窒化物半導体積層構造に含まれる最外層のｐ型窒化物半導体層上の全面に、インジュウム錫酸化物、インジュウムモリブデン酸化物、酸化インジュウム、酸化錫、カドミウム錫酸化物、酸化ガリウム、インジュウム亜鉛酸化物、ガリュウム亜鉛酸化物、および酸化亜鉛のいずれかの酸化物の層または厚さ１ｎｍ以上２００ｎｍ以下の金属層を含むｐ側電極が形成されていることが好ましい。他方、窒化物半導体積層構造に含まれる最外層のｎ型窒化物半導体層上の一部に、ｎ側金属電極が形成されていることが好ましい。このｎ側金属電極は、５０ｎｍから１５０ｎｍの範囲内の直径を有しかつ２００ｎｍ以上の厚さを有していることが好ましい。

以上のような窒化物半導体発光素子を製造するための方法においては、結晶成長用のウエハ状成長基板上に窒化物半導体積層構造を成長させ、この窒化物半導体積層構造上に反り防止層を介在させて支持基板を接合し、支持基板が接合されたウエハ状態において、そのウエハの反り量がウエハ面の高低差において８０μｍ未満であることが好ましい。

反り防止層は、電解メッキによって形成されることが好ましい。支持基板も、反り防止層上にメッキによって形成されることが好ましい。成長基板は、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＬｉＧａＯ₂、およびＬｉＡｌＯ₂のいずれかを含み得る。窒化物半導体積層構造は成長基板に接するバッファ層を含み、成長基板はバッファ層が吸収するレーザ光に対して透光性であることが好ましい。バッファ層がＧａＮを含む場合、レーザ光は３５５ｎｍ以下の中心波長を有することが好ましい。成長基板の表面は、ストライプ状、円形状、または多角形状の凹凸を有することが好ましい。

本発明によれば、成長基板、窒化物半導体積層構造、反り防止層、および支持基板を含むウエハにおいて、反り防止層はウエハの反りを抑制する効果を有している。そして、レーザ光照射によって窒化物半導体積層構造から成長基板を剥離する際に、ウエハの反りによるレーザビーム焦点のズレを軽減でき、窒化物半導体積層構造にダメージを与えることなく成長基板を容易に除去することができる。

また、成長基板が剥離除去されたウエハをチップ分割するためにレーザスクライブを利用する場合においても、反り防止層はそのウエハの反りを抑制し、チップ分割を容易化するように作用し得る。

さらに、反り防止層によって反りが抑制された窒化物半導体積層構造においては、歪による内部電界の発生が抑制され、その内部電界による発光層内における量子閉じ込めシュタルク効果が抑制され、発光ピーク波長のシフトおよび電子と正孔の再結合確率の低下が防止され得る。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による窒化物半導体発光素子の作製途中における積層構造を示す模式的断面図である。この図において、サファイア成長基板１上にアンドープＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸を含む発光層４、およびｐ型ＧａＮ層５が順次に積層されている。

ｐ型ＧａＮ層５上にはＰｄのコンタクト層６が成膜され、その密着性向上のための熱処理が行なわれる。Ｐｄコンタクト層６上には、Ａｇの反射金属層７、Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）／Ｐｔ（厚さ３０ｎｍ）の積層順のバリア層８、およびＨｆ（厚さ５μｍ）の反り防止層９が順次積層される。

Ｈｆ反り防止層９上には、Ａｕ（厚さ３μｍ）の貼付け金属層が形成される。他方、Ｓｉ支持基板１１上には、Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）／Ｐｔ（厚さ３０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ０．５μｍ）／ＡｕＳｎ（厚さ３μｍ）の積層順の貼付け金属積層が形成される。そして、これらの貼付け金属層に含まれるＡｕ層とＡｕＳｎ層とを対向させて重ね合わせ、加熱圧着によって接合金属層１０が形成される。

図２は、図１の工程の後において、正電極と負電極が形成された窒化物半導体発光素子を模式的断面図で示している。この図２の発光素子を作製するためには、図１中のアンドープＧａＮバッファ層２に波長３５５ｎｍのレーザ光を照射して熱分解させ、成長基板１とバッファ層２が除去される。こうして露出されたｎ型ＧａＮ層３上には正電極としてのＴｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕのパッド電極１２が形成され、Ｓｉ基板１１の下面上には負電極としてのＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ電極１３が形成される。

なお、成長基板としての材料はサファイアに限られず、ＧａＮ結晶層に格子整合可能であってバッファ層が吸収する光を透過し得る材料であればよく、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ＬｉＧａＯ₂、ＬｉＡｌＯ₂などを利用することもできる。

また、成長基板上に堆積される窒化物半導体層の結晶品質を高めるために、成長基板表面にはストライブ状、円形状、三角形状、その他の多角形状などの微細な凹凸が形成されていてもよい。このような微細な表面を含む成長基板に関しては、特許文献５の特開２０００−０２１７７２号公報を参照されたい。

ｐ型窒化物半導体層用のコンタクト金属層の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｄなど用いることができる。ただし、このコンタクト金属層は、隣接する反射金属層へ効率的に光を透過させかつ自身の導電性を確保する必要が有るので、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。なお、ｐ型窒化物半導体層用のコンタクト層の材料としては金属に限られず、導電性を有しかつ透過率の良好なインジュウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジュウムモリブデン酸化物（ＩＭＯ）、酸化インジュウム（ＩＯ）、酸化錫（ＴＯ）、カドミウム錫酸化物（ＣｄＴＯ）、酸化ガリウム（ＧａＯ）、インジュウム亜鉛酸化物（ＩｎＺｎＯ）、ガリュウム亜鉛酸化物（ＧａＺｎＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明導電性酸化物を利用することも可能である。

本実施形態１では反射金属層としてＡｇ層を用いているが、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、およびＡｕの１種以上を含む金属層を用いることもできる。反射金属層に隣接するバリア層としても、Ｎｉ、Ｔｉ、およびＰｔの１種以上を含む金属層を用いることができる。

反り防止層はＨｆ層に限られず、支持基板より硬い材料を利用して形成することができる。例えば、硬度が４０ＨＶであるＣｕ支持基板を用いる場合、硬度４０ＨＶ以上で好ましくは１００ＨＶ以上の金属、合金、誘電体（部分的領域）などを反り防止層に利用することができる。

反り防止層は１以上の構成層を含むことができ、各構成層の厚みは０．０１〜１００μｍであることが好ましく、０．０５〜１０μｍであることがより好ましく、０．１〜１μｍであることがさらに好ましい。

図３の模式的断面図においては図２の発光素子の変形例が示されており、バリア層と反り防止層との構成のみが変更されている。すなわち、図３の発光素子においては、Ｔｉ／Ｐｔバリア層８ａの上面側と下面側にＨｆ反り防止層９ａとＨｆ反り防止層９ｂがそれぞれ設けられている。

反り防止層の材料としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、およびＢｅの１種以上含む金属または合金であればよい。

また、反り防止層の材料として誘電体を用いる場合には、垂直電極構造における電流経路を確保するために、誘電体の反り防止層の一部をエッチングやリフトオフを用いて除去すればよい。

図４の模式的断面図においても図２の発光素子の変形例が示されており、バリア層と反り防止層との構成のみが変更されている。すなわち、図４の発光素子においては、Ａｇの反射金属層７とＴｉ／Ｐｔバリア層８ｂとの間に誘電体の反り防止層９ｃが設けられている。この誘電体反り防止層９ｃの一部領域には開口部が設けられており、その開口部においてＡｇの反射金属層７とＴｉ／Ｐｔバリア層８ｂとが接している。

図５の模式的断面図においても図２の発光素子の変形例が示されており、バリア層と反り防止層との構成のみが変更されている。すなわち、図５の発光素子においては、Ｈｆの反り防止層９ｄがバリア層の機能を兼ねて果し、図２中のＴｉ／Ｐｔバリア層８が省略されている。この場合、反り防止層９ｄが十分に厚く形成されており、接合金属層１０中のＡｕがＡｇ反射層７内へ拡散することを抑制し得る。

本実施形態１では接合金属層１０を形成するためにＡｕＳｎ層を含む貼付け金属層が利用されたが、ＡｕＳｎ層は必ずしも必要ではなく、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ａｕ、ＡｕＳｎ、およびＡｕＳｉの１種以上を含む金属層を含む貼付け金属層を利用することもできる。また、貼付け金属層の代わりに、導電性接着剤を利用することも可能である。

本実施形態１ではＳｉの支持基板１１が用いられたが、支持基板としてはＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＧａＰ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＺｎＳｅ基板、ＺｎＯ基板、Ｃｕ基板、ＣｕＷ基板、Ｗ基板などから選択することもできる。なお、支持基板は発光素子の放熱性を良好にする観点からは、ＳｉやＧａＮの熱伝導率が１．３〜１．５Ｗ／ｃｍ・Ｋであるので、熱伝導率が１．５Ｗ／ｃｍ・Ｋ以上の支持基板を用いることが好ましい。

本実施形態１では波長３５５ｎｍのレーザでバッファ層を熱分解してサファイア基板の除去を行なうが、レーザ光の波長は成長基板を透過し得る波長であってバッファ層が吸収し得る波長であればよい。なお、成長基板が除去された半導体積層構造の露出表面におけるダメージはレーザ光の波長が短い場合に少ないので、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの三次高調波（３５５ｎｍ）に比べて四次高調波（２６６ｎｍ）を用いる方が好ましい。

本実施形態１で用いられるレーザ照射装置はウエハの反りに追随してフォーカスを合わせ得る機能を有していない簡素な光学系を含んでいる。したがって、レーザで成長基板を除去する際にウエハに大きな反り量が存在する場合には、レーザのフォーカス位置がバッファ層からずれてしまって成長基板の剥離を均一に行なうことができない。

フォーカス位置が４０μｍずれている場合でも、レーザパワーを強くすることによって、フォーカス位置からずれた部分でもバッファ層を分解するに必要なエネルギを供給することは可能である。しかし、レーザパワーが強化された場合には、フォーカスが合っている部分へ過剰なエネルギが供給され、窒化物半導体積層構造がダメージを受ける問題が生じ得る。より具体的には、レーザのフォーカス位置がバッファ層から２０μｍずれるだけでエネルギ密度が約２０％低下し、バッファ層を十分に分解すること容易でなくなる。

実際に、１７ｍｍ角の成長基板の場合、反り防止層を含まない従来の条件下では反り量が３０μｍ以上になり、成長基板から窒化物半導体積層構造を均一に剥離させることができない。しかし、本実施形態１では反り防止層によって反り量が２０μｍ以下に低減されるので、成長基板から窒化物半導体積層構造を均一に剥離させることが可能である。

また、２インチ径のサファイア成長基板上に形成した窒化物半導体積層構造上にＣｕメッキ支持基板を形成した場合、ウエハの反り量は８０μｍ程度になった。この場合にはウエハ全面に均一にレーザ照射することができず、成長基板から半導体積層構造を剥離できない領域が残ったり、半導体積層構造にダメージを受けた領域が生じたりした。ただし、１回のレーザ照射で剥離なかった領域においても、レーザのフォーカス位置を調整して再度レーザ照射を行なうことによって剥離を完了させることができた。

他方、２インチ径のウエハで４０μｍ程度に反り量を調整した場合においては、半導体積層構造にダメージを受ける領域が生じるが、成長基板から半導体積層構造を剥離除去させることはできた。

以上の観点から、ウエハの反り量は８０μｍ以下でなければならず、４０μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以下であることがより好ましい。

（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２による窒化物半導体発光素子の作製途中における積層構造を示す模式的断面図である。この図６の積層構造は、図１に比べて、接合金属層１０が電解メッキ用のＡｕシード層１０ａに変更され、Ｓｉ支持基板１１が厚さ約１００μｍのＣｕメッキ層の支持基板１１ａに変更されていることのみにおいて異なっている。

図７は、図６の工程の後において、正電極と負電極が形成された窒化物半導体発光素子を模式的断面図で示している。この図７の発光素子を作製するためには、図２の場合と同様に、図６中のアンドープＧａＮバッファ層２に波長３５５ｎｍのレーザ光を照射し、成長基板１とバッファ層２が除去される。こうして露出されたｎ型ＧａＮ層３上には正電極としてのＴｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕのパッド電極１２が形成され、Ｃｕメッキ支持基板１１ａの下面上には負電極としてのＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ電極１３が形成される。

なお、メッキ層による支持基板の形成はＣｕメッキに限られず、Ａｕメッキ、Ａｇメッキ、Ｎｉメッキ、Ｃｕメッキ、およびＦｅメッキの少なくともいずれかを利用してもよい。メッキ支持基板はＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、およびＦｅの少なくとも１種を含むことができ、その厚みはウエハのハンドリングが可能となる５０〜２５０μｍの範囲内であればよく、８０〜１２０μｍの範囲内であることが好ましい。

一般的に窒化物半導体積層構造上に形成されるメッキ支持基板の厚は１００μｍ前後程度であるが、メッキ支持基板が５０μｍ程度に薄くてもウエハをハンドリングすることは可能である。ただし、メッキ支持基板が薄い場合には、ウエハの取扱いには破損に対する注意を要する。他方、メッキ支持基板を厚くする場合にはウエハの取扱いに問題を生じることはないが、メッキ支持基板を形成する時間と費用が増大するので、２００〜２５０μｍ程度までの厚さが望ましいと考えられる。したがって、メッキ支持基板の厚さは８０〜１２０μｍ程度であることが、メッキに要する時間と費用およびウエハ取扱いの容易性など考慮して最適であると考えられる。

電解メッキ用シード層の材料はＡｕに限られず、導電性や密着性の良好な金属を用いることができる。また、形成されるべきメッキ支持基板と同じ材料でシード層を成膜することも可能である。さらに、本実施例のおけるように反り防止層が導電性の金属層である場合、反り防止層上にシード層を成膜せずに直接メッキ支持基板を形成することも可能である。

（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３による窒化物半導体発光素子の積層構造を示す模式的断面図である。この図８の発光素子は、図２に比べて、Ｔｉ／Ｐｔバッファ層９上にＨｆ反り防止層９を形成する代わりに電解メッキ用のＡｕシード層９ｅとＮｉメッキ層９ｆを積層していることのみにおいて異なっている。

本実施形態３ではＳｉ支持基板１１が用いられているが、Ｓｉ支持基板の代わりに、図７におけるようなメッキ支持基板が形成されてもよいことは言うまでもない。また、本実施形態３の発光素子に含まれるそれぞれの金属層としても、実施形態１および２おいて対応する金属層に関して例示された種々の金属層から選択することができる。

本実施形態３において反り防止層をメッキで形成することは、厚い反り防止層を安価かつ容易に付与し得る利点のみならず、形成される反り防止層の内部応力状態を自在に制御できる利点を有する。すなわち、メッキ液の種類、電流密度、温度、電着浴の種類、電着浴液の濃度、添加剤、応力減少剤の添加、添加剤の添加量、電着浴液中の硫黄濃度の管理、さらには陽極材の材質などの少なくともいずれかを適宜に設定することによって、メッキで堆積される金属層中の圧縮応力または引張応力を容易に制御することが可能である。メッキ層における内部応力の制御の詳細に関しては、非特許文献１の伊勢秀夫著、「電鋳技術と応用」、１９９６年、槇書店発行を参照されたい。

メッキ層の内部応力は電着応力と称され、電着応力が正の値のときは引張応力であり、負の値のときは圧縮応力となる。もちろん、電着応力がゼロのときは無応力となる。

例えば、電流密度が高くなるほど電着応力は大きくなる。また、メッキ液の温度が高くなるほど電着応力は小さくなる。さらに、メッキの種類によって引張応力と圧縮応力を選択することができ、Ａｕのメッキの場合は一般に圧縮応力が生じ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＦｅのメッキの場合は一般に引張応力が生じる。

電着浴がワット浴の場合には電着応力は大きくなり、全スルファミン酸ニッケル浴の場合にはワット浴に比べ電着応力が小さくなる。また、スルファミン酸ニッケル浴の場合には電着応力はワット浴の場合に比べ小さいが、全スルファミン酸ニッケル浴に比べて大きい。

電着浴液の濃度比によって、引張応力と圧縮応力の選択が可能である。例えば、ＣｕＳＯ₄・５Ｈ₂Ｏ：Ｈ₂ＳＯ₄＝８７：２４．５の場合は引張応力になり、ＣｕＳＯ₄・５Ｈ₂Ｏ：Ｈ₂ＳＯ₄＝８７：７３．５の場合は圧縮応力になる。

メッキ液への添加剤として光沢剤や応力減少剤を添加することによって、圧縮応力と引張応力の変換が可能である。例えば、Ｃｕメッキの場合には、添加剤（チオ尿素・ゼラチン・β−ナフチルキノリン・ロッセル塩）の濃度が高くなるにしたがって引張応力が増大して最大値を示し、それから零になり、さらに圧縮応力に変化する。添加剤ナフタレンジスルフォン酸（Ｎｉメッキの応力緩和剤）も、Ｃｕメッキに関して同様の作用をする。

Ｎｉメッキの場合、硫酸ニッケル、スルファミン酸ニッケル、ホウフッ化ニッケルなどのメッキ液中の応力減少剤は、第１光沢剤として使用されているものであって、芳香族炭化水素［ベンゼンやナフタレンなど］にスルフォン酸、スルフォン酸塩、スルフォンアミド、スルフォンイミド、スルフォン酸などが付いたものである。

代表的な応力減少剤として、サッカリン、パラトルエンスルフォンアミド、ベンゼンスルフォンアミド、ベンゼンスルフォンイミド、ベンゼンジスルフォン酸ナトリウム、ベンゼントリスルフォン酸ナトリウム、ナフタレンジスルフォン酸ナトリウム、ナフタレントリスルフォン酸ナトリウムなどが挙げられる。

また、添加剤の添加量の調節によっても、引張応力と圧縮応力の制御が可能である。例えば、電着中の液中の硫黄含有率が高くなれば、電着応力は小さくなって圧縮応力となる。すなわち、電着中の液中の硫黄濃度などを調節することによって、電着応力の制御が可能となる。

さらに、陽極材の材質によって液中の硫黄含有率が変わるので、陽極材の材質によっても電着応力を制御することが可能である。例えば、白金メッキしたチタン板を陽極にしてスルファミン酸ニッケル浴で電着した場合には、電着応力が圧縮応力になる。

以上のように、電解メッキ層の応力状態は種々のメッキ条件の変更で容易に制御できるので、支持基板の反りと逆方向の反りを生じる傾向のある反り防止層を形成することによって、ウエハの反り量を軽減することが可能である。

以上のように、本発明によれば、垂直電極構造を有する窒化物半導体発光素子の作製において、プロセス上の問題および素子特性上の問題を改善することができる。

本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の作製途中における積層構造を示す模式的断面図である。 図１の工程の後において正電極と負電極が形成された窒化物半導体発光素子を示す模式的断面図である。 図２の発光素子の一変形例を示す模式的断面図である。 図２の発光素子の他の変形例を示す模式的断面図である。 図２の発光素子のさらに他の変形例を示す模式的断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子の作製途中における積層構造を示す模式的断面図である。 図６の工程の後において正電極と負電極が形成された窒化物半導体発光素子を示す模式的断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による窒化物半導体発光素子を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ サファイア成長基板、２ アンドープＧａＮバッファ層、３ ｎ型ＧａＮ層、４ ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸を含む発光層、５ ｐ型ＧａＮ層、６ Ｐｄコンタクト層、７ Ａｇ反射金属層、８，８ａ，８ｂ Ｔｉ／Ｐｔバリア層、９，９ａ，９ｂ Ｈｆ反り防止層、９ｃ 誘電体反り防止層、９ｄ 厚いＨｆ反り防止層、９ｅ メッキシード層、９ｆ Ｎｉメッキ反り防止層、１０ 接合金属層、１０ａ メッキシード層、１１ Ｓｉ支持基板、１１ａ Ｃｕメッキ支持基板、１２ Ｔｉ／Ａｕパッド電極、１３ Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ電極。

Claims (17)

1. 順次積層されたｎ型窒化物半導体層、窒化物半導体発光層、およびｐ型窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造と、
   反り防止層と、
   支持基板とがこの順に接合されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記反り防止層は、前記支持基板より硬い金属層、合金層、または誘電体層の１層以上を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。
3. 前記反り防止層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、およびＢｅの１種以上を含むことを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記反り防止層は４０ＨＶ以上の硬度を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記反り防止層と前記支持基板との間にＡｕを含む層をさらに含み、前記反り防止層はＡｕの拡散を防止するようにも作用し得ることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記反り防止層は前記支持基板の反りに対して逆方向に反るように作用していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記支持基板の熱伝導率は１．５Ｗ／ｃｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記窒化物半導体積層構造に含まれる最外層の前記ｐ型窒化物半導体層上の全面にインジュウム錫酸化物、インジュウムモリブデン酸化物、酸化インジュウム、酸化錫、カドミウム錫酸化物、酸化ガリウム、インジュウム亜鉛酸化物、ガリュウム亜鉛酸化物、および酸化亜鉛のいずれかの酸化物の層または厚さ１ｎｍ以上２００ｎｍ以下の金属層を含むｐ側電極を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記窒化物半導体積層構造に含まれる最外層の前記ｎ型窒化物半導体層上の一部にｎ側金属電極を有することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記ｎ側金属電極は５０ｎｍから１５０ｎｍの範囲内の直径を有しかつ２００ｎｍ以上の厚さを有していることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。
11. 請求項１から１０のいずれかの窒化物半導体発光素子を製造するための方法であって、
    結晶成長用のウエハ状成長基板上に前記窒化物半導体積層構造を成長させ、
    前記窒化物半導体積層構造上に前記反り防止層を介在させて前記支持基板を接合し、
    前記支持基板が接合されたウエハ状態において、そのウエハの反りがウエハ面の高低差において８０μｍ未満であることを特徴とする製造方法。
12. 前記反り防止層は電解メッキによって形成されることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
13. 前記支持基板は前記反り防止層上にメッキによって形成されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の製造方法。
14. 前記成長基板はサファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＬｉＧａＯ₂、およびＬｉＡｌＯ₂のいずれかを含むことを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載の製造方法。
15. 前記窒化物半導体積層構造は前記成長基板に接するバッファ層を含み、前記成長基板は前記バッファ層が吸収するレーザ光に対して透光性であることを特徴とする請求項１１から１４のいずれかに記載の製造方法。
16. 前記バッファ層はＧａＮを含み、前記レーザ光は３５５ｎｍ以下の中心波長を有することを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
17. 前記成長基板の表面はストライプ状、円形状、または多角形状の凹凸を有することを特徴とする請求項１１から１６のいずれかに記載の製造方法。

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