JP2015176961A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】実施形態は、製造工程の簡略化が可能で信頼性の高い半導体発光装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体発光装置は、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、前記第1半導体層と、前記第2半導体層と、の間に設けられた発光層と、前記第1半導体層の前記発光層とは反対側に設けられた前記第1半導体層よりも高抵抗の窒化物半導体層であって、前記第1半導体層に連通するリセス部を有する窒化物半導体層と、前記リセス部において前記第1半導体層と接する導電層と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】実施形態に係る半導体発光装置は、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、前記第1半導体層と、前記第2半導体層と、の間に設けられた発光層と、前記第1半導体層の前記発光層とは反対側に設けられた前記第1半導体層よりも高抵抗の窒化物半導体層であって、前記第1半導体層に連通するリセス部を有する窒化物半導体層と、前記リセス部において前記第1半導体層と接する導電層と、を備える。
【選択図】図1
Description
実施形態は、半導体発光装置およびその製造方法に関する。
発光ダイオード等の半導体発光装置の製造過程では、結晶成長基板を除去した表面に電極を形成する場合がある。例えば、窒化物半導体を結晶成長する場合には、結晶成長基板に接する部分に高抵抗のバッファ層が設けられることが多い。したがって、そのバッファ層を除去した後に電極形成を行う必要がある。しかしながら、窒化物半導体のエッチングには長時間を要し、半導体発光装置の製造効率を低下させる。また、窒化物半導体のエッチングには塩素ガスが用いられ、その汚染による電極の変質やコンタクト抵抗の増大が懸念される。
実施形態は、製造工程の簡略化が可能で信頼性の高い半導体発光装置およびその製造方法を提供する。
実施形態に係る半導体発光装置は、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、前記第1半導体層と、前記第2半導体層と、の間に設けられた発光層と、前記第1半導体層の前記発光層とは反対側に設けられた前記第1半導体層よりも高抵抗の窒化物半導体層であって、前記第1半導体層に連通するリセス部を有する窒化物半導体層と、前記リセス部において前記第1半導体層と接する導電層と、を備える。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る半導体発光装置1を例示する模式断面図である。半導体発光装置1は、例えば、窒化物半導体を材料とする発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。
図1は、第1実施形態に係る半導体発光装置1を例示する模式断面図である。半導体発光装置1は、例えば、窒化物半導体を材料とする発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。
半導体発光装置1は、第1導電形の第1半導体層(以下、n形半導体層10)と、第2導電形の第2半導体層(以下、p形半導体層20)と、発光層30と、を備える。発光層30は、n形半導体層10と、p形半導体層20と、の間に設けられる。
n形半導体層10は、例えば、n形窒化ガリウム層(GaN層)であり、n形不純物としてシリコン(Si)を含む。p形半導体層20は、例えば、p形GaN層であり、p形不純物としてマグネシウム(Mg)を含む。発光層30は、少なくとも1つの量子井戸を有し、例えば、波長450ナノメートル(nm)の青色光を放射する。
ここでは、第1導電形をn形、第2導電形をp形として説明するが、実施形態は、これに限定される訳ではない。第1導電形をp形、第2導電形をn形としても良い。
図1に示すように、半導体発光装置1は、窒化物半導体層40をさらに備える。窒化物半導体層40は、n形半導体層10の発光層30とは反対側に設けられ、第1の層43と、第2の層45と、を含む。窒化物半導体層40は、n形半導体層10よりも高抵抗であり、n形半導体層10に連通するリセス部40aを有する。
第1の層43は、例えば、アンドープGaN層である。ここで、アンドープとは、意図して不純物をドーピングしないことを言い、例えば、GaN層の成長過程において、不可避的に導入される不純物を含んでも良い。アンドープGaN層は、例えば、n形不純物をドーピングしたn形GaN層よりも高抵抗である。
第2の層45は、例えば、窒化アルミニウム層(AlN層)である。AlNは、絶縁体であり、第2の層45は、絶縁層である。また、第2の層45は、第1の層43に接する側にAlGaN層を含んでも良い。例えば、第1の層43および第2の層45を合わせてバッファ層と呼ぶ場合がある。
リセス部40aは、例えば、溝状に設けられ、窒化物半導体層40を複数の部分に分断する。また、リセス部40aは、窒化物半導体層40を貫通する複数の貫通孔であっても良い。
さらに、半導体発光装置1は、n形半導体層10に接する導電層60を備える。
図1に示すように、導電層60は、窒化物半導体層40を覆い、リセス部40aにおいてn形半導体層10と接する。半導体発光装置1は、導電層60の上に選択的に設けられたn側パッド電極70をさらに備える。
図1に示すように、導電層60は、窒化物半導体層40を覆い、リセス部40aにおいてn形半導体層10と接する。半導体発光装置1は、導電層60の上に選択的に設けられたn側パッド電極70をさらに備える。
なお、本明細書において、「覆う」とは、「覆うもの」が直接「覆われるもの」に接する場合に限定される訳ではなく、別の構成要素を介在させて覆う場合も含む。
導電層60は、例えば、発光層30から放射される光を透過する透明膜である。導電層60は、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)等の金属酸化膜である。n側パッド電極70は、例えば、チタン膜(Ti膜)と、アルミニウム(Al)膜と、を積層した構造を有し、金属ワイヤのボンディングパッドに用いられる。
半導体発光装置1は、p形半導体層20の発光層30とは反対側に設けられた基板50をさらに備える。図1に示すように、基板50は、接合層55を介してp形半導体層20に接続される。
接合層55は、例えば、コンタクト部51と、ボンディング部53と、を含む。コンタクト部51は、p形半導体層20に接し、オーミックコンタクトを形成する。ボンディング部53は、基板50と、p形半導体層20と、を接合する。コンタクト部51は、好ましくは、銀(Ag)を含み、発光層30の光を反射するように形成する。ボンディング部53は、例えば、金錫合金(AuSn合金)である。コンタクト部51と、ボンディング部53と、の間に、バリアメタルを設けても良い。
基板50には、例えば、導電性を有するシリコン基板を用いる。基板50の接合層55に接する面50aとは反対側の裏面50b側には、裏面電極80が設けられる。裏面電極80には、例えば、金ゲルマニウム合金(AuGe合金)を用いる。
半導体発光装置1は、例えば、n側パッド電極70と、裏面電極80と、の間に順電圧を印加し電流を流すことにより発光層30を発光させる。そして、半導体発光装置1は、その光を外部に放射する。
次に、図2〜図4を参照して、第1実施形態に係る半導体発光装置1の製造方法を説明する。図2(a)〜図4(b)は、第1実施形態に係る半導体発光装置1の製造過程を例示する模式断面図である。
基板100を用意し、その表面に、凸部110を形成する。例えば、基板100を選択的にエッチングし、溝120を形成する。凸部110は、溝120の間に形成される。基板100は、例えば、(111)面を主面とするシリコン基板である。溝120は、例えば、ドライエッチング法を用いて(111)面を選択的にエッチングすることにより形成する。
図2(a)に示すように、凸部110の上に絶縁膜101を形成する。絶縁膜101は、例えば、シリコン酸化膜である。絶縁膜101をエッチングマスクとして、基板100を選択的にエッチングしても良いし、溝120を形成した後に、凸部110の上に絶縁膜101を選択的に形成しても良い。また、溝120は、その底面100aが(111)面となるようにエッチングする。
次に、図2(b)に示すように、溝120の内部(言い換えれば、凸部110の周り)に、窒化物半導体層40を選択的に形成する。窒化物半導体層40は、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成することができる。
窒化物半導体層40のうちの第2の層45は、シリコンの(111)面上に直接形成される。第2の層45は、GaNと、シリコンと、の間の格子不整合に起因する歪みを緩和する。第2の層45には、例えば、AlN層を用いる。さらに、第2の層45は、AlN層の上に形成されたAlGaN層を含んでも良い。
続いて、第2の層45の上に第1の層43を形成する。第1の層43は、例えば、GaN層であり、不純物をドーピングしないで成長することが望ましい。例えば、第2の層45と、シリコンの(111)面との間の格子不整合に起因する多数の結晶転位は、第1の層43を成長する間に合体し、その数を減少させる。
第1の層43および第2の層45は、例えば、シリコンの(111)面の結晶配列を引き継ぐように形成させる。すなわち、六方晶の窒化物半導体層を、そのc軸がシリコン結晶の<111>軸に一致するように成長させる。これにより、溝120の底面100a上(言い換えれば、凸部110の周り)に、窒化物半導体層40を選択的に成長させることができる。
第1の層43および第2の層45を合わせた窒化物半導体層40の厚さは、溝120の深さdGよりも薄くすることが望ましい。溝120の深さdGは、例えば、1〜2マイクロメートル(μm)である。
本明細書において、「厚さ」もしくは「高さ」、「深さ」とは、特に言及しない限り、溝120の底面100aに垂直な方向(Z方向)の長さを言う。また、「幅」とは、Z方向に垂直なX方向、もしくは、X方向およびZ方向に垂直なY方向の長さを言う。
次に、図2(c)に示すように、凸部110および窒化物半導体層40を覆うn形半導体層10を形成する。n形半導体層10は、例えば、n形不純物であるシリコンをドーピングしたGaN層である。
n形半導体層10の形成過程の初期において、n形半導体層10は、窒化物半導体層40の上に選択的に形成される。凸部110の上には、絶縁膜101が設けられているため、n形半導体層10は成長しない。n形半導体層10は、例えば、窒化物半導体層40の上において、そのc軸方向(Z方向)に成長する。
窒化物半導体層40上において、n形半導体層10は、絶縁膜101の上面を超える高さになると、横方向(X方向)に広がるように成長する。所謂、ラテラル成長(Lateral growth)が始まる。そして、隣り合う溝120において窒化物半導体層40上に成長したn形半導体層10は、横方向に広がり相互につながる。これにより、凸部110および窒化物半導体層40の上に、n形半導体層10を形成することができる。
次に、図3(a)に示すように、n形半導体層10の上に発光層30を形成し、続いて、発光層30の上にp形半導体層20を形成する。
発光層30は、例えば、GaN層を障壁層とし、InGaN層を井戸層とする量子井戸を1つ以上含むように形成する。すなわち、GaN障壁層と、InGaN井戸層と、を交互に積層して形成する。GaN障壁層は、例えば、10〜20nmの厚さに形成し、InGaN井戸層は、例えば、3〜5nmの厚さに形成する。InGaN層は、例えば、15%のInを含有する。
p形半導体層20は、例えば、p形不純物であるマグネシウム(Mg)を含むGaN層である。p形半導体層20は、発光層30に接する部分にp形AlGaN層を含んでも良い。
次に、図3(b)に示すように、p形半導体層20の上に、接合層55を介して基板50を貼り付ける。接合層55は、例えば、コンタクト部51と、ボンディング部53と、を含む。コンタクト部51は、例えば、Agを含む金属膜である。コンタクト部51は、p形半導体層20との間にオーミックコンタクトを形成すると共に、発光層30から放射される光をn形半導体層10の方向に反射する反射層としても機能する。ボンディング部53は、AuSn合金を含む金属膜であり、p形半導体層20と、基板50と、を接合させる。
例えば、p形半導体層20の上にコンタクト部51を形成し、基板50の上にボンディング部53を形成する。そして、コンタクト部51と、ボンディング部53と、が向き合うように、基板50と、基板100と、を配置し、両者を接触させる。その後、基板100および基板50を所定の圧力で接触した状態に保持し、ボンディング部53の融点を上回る温度に両者を加熱する。これにより、p形半導体層20の上に基板50を貼り付けることができる。
次に、基板100の裏面100b側を処理する。例えば、基板100の裏面100b側を研磨もしくは研削し、基板100を薄くする。その後、基板100およびその凸部110を、例えば、ウェットエッチングにより選択的に除去する。これにより、図3(c)に示すように、n形半導体層10の上に窒化物半導体層40を残し、その間にリセス部40aが設けられた構造を形成することができる。リセス部40aの底部には、n形半導体層10が露出する。
次に、図4(a)に示すように、リセス部40aの底部に露出したn形半導体層10に接する導電層60を形成する。導電層60は、例えば、ITO等を用いた透明電極であり、スパッタ法を用いて形成することができる。
導電層60は、例えば、窒化物半導体層40およびリセス部40aの底部を覆うように形成する。窒化物半導体層40は、n形半導体層10に接する第1の層43と、基板100を除去した上面側に位置する第2の層45と、を含む。したがって、導電層60は、例えば、AlN層を含む第2の層45に接する。言い換えれば、窒化物半導体層は、導電層60に接する部分にAlNを含む。
次に、図4(b)に示すように、導電層60の上に、選択的にn側パッド電極70を形成する。続いて、基板50の裏面50bに接する裏面電極80を形成し、半導体発光装置1を完成させる。
上記の通り、本実施形態に係る製造方法では、基板100を選択的に除去したリセス部40aの底部にn形半導体層10を露出させることができる。したがって、バッファ層である窒化物半導体層40をエッチングすることなく、n形半導体層10に接する導電層60を形成することができる。これにより、製造工程の簡略化が可能となり、製造効率を向上させ、製造コストを低減することができる。
また、窒化物半導体層40の除去に伴うn形半導体層10のダメージ、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)によるプラズマダメージをなくすことが可能となり、n側電極のコンタクト抵抗を低減することができる。また、窒化物半導体層40をドライエッチングする過程における塩素等の汚染を回避できるので、半導体発光装置1の信頼性を向上させることができる。
さらに、本実施形態では、リセス部40aの凹部に露出したn形半導体層10に導電層60を接触させるため、コンタクト面積を広くすることが可能である。この点からもコンタクト抵抗を低減することができる。
次に、図5を参照して、本実施形態の変形例に係る半導体発光装置2を説明する。
図5は、本実施形態の変形例に係る半導体発光装置2を例示する模式断面図である。
図5は、本実施形態の変形例に係る半導体発光装置2を例示する模式断面図である。
半導体発光装置2は、窒化物半導体を材料とするLEDであり、n形半導体層10と、p形半導体層20と、発光層30と、を備える。そして、半導体発光装置2は、n形半導体層10の発光層30とは反対側に設けられた窒化物半導体層40をさらに備える。窒化物半導体層40は、第1の層43と、第2の層45とを含む。また、窒化物半導体層40は、n形半導体層10に連通するリセス部40aを有する。
半導体発光装置2は、リセス部40aの底部に露出したn形半導体層10に接する導電層65を有する。導電層65は、リセス部40aの底部に選択的に形成される。そして、導電層65は、窒化物半導体層40を覆わないように形成される。そして、発光層30から放射された光は、窒化物半導体層40を介して外部に放出される。このため、導電層65には、発光層30の放射光を透過しない金属膜を用いることができる。その結果、導電層65を介した電流の広がり抵抗を低減することが可能となり、発光層30における発光の均一度を向上させることができる。
[第2実施形態]
図6〜図9を参照して、第2実施形態に係る半導体発光装置3の製造方法を説明する。図6(a)〜図9は、第2実施形態に係る半導体発光装置3の製造過程を例示する模式断面図である。
図6〜図9を参照して、第2実施形態に係る半導体発光装置3の製造方法を説明する。図6(a)〜図9は、第2実施形態に係る半導体発光装置3の製造過程を例示する模式断面図である。
本実施形態では、基板200を用意し、その表面に、凸部210を形成する。基板200は、例えば、(100)面を主面とするシリコン基板である。凸部210は、シリコンの(100)面を、例えば、ウェットエッチング法を用いて選択的に異方性エッチングすることにより形成する。例えば、凸部210の一方の側面210aに(111)面を露出させ、他方の側面210bに(−1−11)面を露出させる。
図6(a)に示すように、基板200を選択的にエッチングした部分は、例えば、溝220となる。凸部210は、溝220の間に形成される。溝120は、例えば、図6(a)中に示すY方向に延在するストライプ状に設けられる。
凸部210の頂面には、絶縁膜201を形成する。絶縁膜201は、例えば、シリコン酸化膜である。絶縁膜201をエッチングマスクとして、基板200を選択的にエッチングしても良いし、溝220を形成した後に、凸部110の上に絶縁膜201を選択的に形成しても良い。また、絶縁膜201は、凸部210の頂面および側面210bを覆うように形成しても良い。
次に、溝220の内部(言い換えれば、凸部210の周り)に、窒化物半導体層140を選択的に形成する。窒化物半導体層140は、例えば、MOCVD法を用いて形成することができる。
図6(b)に示すように、窒化物半導体層140のうちの第2の層145は、凸部210の側面210a上に選択的に形成される。第2の層145には、例えば、AlN層を用いる。すなわち、第2の層145は、シリコンの(111)面上にAlN層を選択的に成長する条件を用いて形成する。さらに、AlN層の上にAlGaN層を形成しても良い。
続いて、図6(c)に示すように、第2の層145の上に第1の層145を形成する。第1の層143は、例えば、GaN層であり、不純物をドーピングしないで成長することが望ましい。
第1の層143および第2の層145は、例えば、シリコンの(111)面の結晶配列を引き継ぐように形成させる。すなわち、六方晶の窒化物半導体層を、そのC軸がシリコン結晶の<111>軸に一致するように成長させる。これにより、凸部210の側面210a上に、窒化物半導体層40を選択的に成長させることができる。また、このような選択成長は、例えば、凸部210の頂面および側面210bを絶縁膜で覆うことにより実施しても良い。
溝220の深さdGは、例えば、1〜2マイクロメートル(μm)である。また、溝220の幅WGは、例えば、窒化物半導体層140の厚さ(側面210aに垂直な方向の厚さ)と同程度、もしくは、それよりも広くする。溝220の幅WGは、例えば、1〜2μmである。すなわち、窒化物半導体層140は、凸部210を覆わないように形成する。
次に、図7(a)に示すように、凸部210および窒化物半導体層140を覆うn形半導体層10を形成する。n形半導体層10は、例えば、n形不純物であるシリコンをドーピングしたGaN層である。
n形半導体層10は、例えば、窒化物半導体層140のc軸方向(側面210aに垂直な方向)およびc軸に垂直な方向の両方に成長する。そして、隣り合う溝220において窒化物半導体層140上に成長したn形半導体層10は、横方向に広がり相互につながる。これにより、凸部210および窒化物半導体層140の上に、n形半導体層10を形成することができる。
次に、図7(b)に示すように、n形半導体層10の上に発光層30を形成し、続いて、発光層30の上にp形半導体層20を形成する。発光層30は、例えば、GaN層を障壁層とし、InGaN層を井戸層とする量子井戸を1つ以上含むように形成する。
次に、図8(a)に示すように、p形半導体層20の上に、接合層55を介して基板50を貼り付ける。接合層55は、例えば、コンタクト部51と、ボンディング部53と、を含む(図3(b)参照)。
次に、基板200の裏面200b側を処理する。例えば、基板200の裏面200b側を研磨もしくは研削し、基板200を薄くする。その後、基板200およびその凸部210を、例えば、ウェットエッチングにより選択的に除去する。これにより、図8(b)に示すように、n形半導体層10の上に窒化物半導体層140を残し、その間にリセス部140aが設けられた構造を形成することができる。リセス部140aの底部には、n形半導体層10が露出する。
次に、図9に示すように、リセス部140aの底部に露出したn形半導体層10に接する導電層60を形成する。導電層60は、例えば、ITO等を用いた透明電極である。さらに、導電層60の上に、選択的にn側パッド電極70を形成する。続いて、基板50の裏面50bに接する裏面電極80を形成し、半導体発光装置1を完成させる。
本実施形態では、窒化物半導体の成長用の基板200として(100)面を主面とするシリコン基板を用いることができる。この例でも、バッファ層をエッチングすることなしに、n形半導体層10に接する導電層60を形成することができる。これにより、製造工程を簡略化でき、製造効率の向上、および、製造コストの低減が可能である。
また、本実施形態により形成される発光層30の結晶軸(図9中に示すZ軸)は、c軸に対して傾いている。これにより、発光層30に含まれる量子井戸では、ピエゾ分極を抑制することが可能となる。そして、量子井戸中における電子と正孔の発光再結合の確率を高くして、発光層30の発光効率を向上させることができる。
このように、実施形態に係る半導体発光装置1〜3では、その特性および信頼性を向上させることができる。また、窒化物半導体からなるバッファ層のエッチングを省くことにより、製造効率を向上させ、製造コストを低減することができる。
本願明細書において、「窒化物半導体」とは、BxInyAlzGa1−x−y−zN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)のIII−V族化合物半導体を含み、さらに、V族元素としては、N(窒素)に加えてリン(P)や砒素(As)などを含有する混晶も含むものとする。またさらに、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1〜3・・・半導体発光装置、 10・・・n形半導体層、 20・・・p形半導体層、 30・・・発光層、 40、140・・・窒化物半導体層、 40a、140a・・・リセス部、 43、143・・・第1の層、 45、145・・・第2の層、 50、100、200・・・基板、 51・・・コンタクト部、 53・・・ボンディング部、 55・・・接合層、 60、65・・・導電層、 70・・・n側パッド電極、 80・・・裏面電極、 100a・・・底面、 50b、100b、220b・・・裏面、 101、201・・・絶縁膜、 110、210・・・凸部、 120、220・・・溝、 210a、210b・・・側面
Claims (6)
- 第1導電形の第1半導体層と、
第2導電形の第2半導体層と、
前記第1半導体層と、前記第2半導体層と、の間に設けられた発光層と、
前記第1半導体層の前記発光層とは反対側に設けられた前記第1半導体層よりも高抵抗の窒化物半導体層であって、前記第1半導体層に連通するリセス部を有する窒化物半導体層と、
前記リセス部において前記第1半導体層と接する導電層と、
を備えた半導体発光装置。 - 前記窒化物半導体層は、前記導電層に接する部分に窒化アルミニウムを含む請求項1記載の半導体発光装置。
- 前記リセス部は溝状に設けられ、前記窒化物半導体層を複数の部分に分断する請求項1または2に記載の半導体発光装置。
- 前記リセス部は、前記窒化物半導体層を貫通する複数の孔である請求項1または2に記載の半導体発光装置。
- 前記第2半導体層の前記発光層とは反対側に設けられた基板をさらに備えた請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光装置。
- 第1基板上を選択的にエッチングすることにより凸部を形成し、
前記凸部の周りに窒化物半導体層を選択的に形成し、
前記凸部および前記窒化物半導体層を覆う第1導電形の第1半導体層を形成し、
前記第1半導体層上に発光層を形成し、
前記発光層上に第2導電形の第2半導体層を形成し、
前記第2半導体層上に接合層を介して第2基板を貼り合わせ、
前記第1基板を除去し、
前記凸部を除去したリセス部に露出する前記第1半導体に接する導電層を形成する半導体発光装置の製造方法。
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