JP2020136554A - 発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】マスクを使って選択的に成長させる窒化物半導体層の結晶性を向上させ、且つマスクの除去が容易な発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】発光素子の製造方法は、半導体積層体における第２窒化物半導体層の一部および第１活性層の一部を除去して、第１窒化物半導体層の一部を露出させる工程と、第１活性層および第２窒化物半導体層をマスクで覆った状態で、第１窒化物半導体層の一部に第３窒化物半導体層を形成する工程と、第３窒化物半導体層を形成した後、マスクを除去する工程とを備える。マスクを形成する工程は、少なくとも第２窒化物半導体層の上面を覆う第１膜を形成する工程と、第１膜を覆い、第３窒化物半導体層を形成するときの温度よりも高い融点を有する第２膜を形成する工程とを有する。マスクを除去する工程において、第１膜を除去することにより第２膜を除去し、マスクをリフトオフする。【選択図】図８
Description
本開示は、発光素子の製造方法に関する。
特許文献１には、基板と、基板上の第１の領域に配設され、緑色光を発する第１の活性層と、基板上の第１の領域に対して隣接する第２の領域に配設され、青色光を発する第２の活性層とを備える発光装置が開示されている。
本開示は、マスクを使って選択的に成長させる窒化物半導体層の結晶性を向上させ、且つマスクの除去が容易な発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
本開示の一態様によれば、発光素子の製造方法は、第１導電型層を含む第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層の上に形成される第１活性層と、前記第１活性層の上に形成され、第２導電型層を含む第２窒化物半導体層と、を有する半導体積層体における前記第２窒化物半導体層の一部および前記第１活性層の一部を除去して、前記第１窒化物半導体層の一部を前記第１活性層および前記第２窒化物半導体層から露出させる工程と、前記第１活性層および前記第２窒化物半導体層を覆うマスクを形成する工程と、前記第１活性層および前記第２窒化物半導体層を前記マスクで覆った状態で、前記第１窒化物半導体層の前記一部に第３窒化物半導体層を形成する工程と、前記第３窒化物半導体層を形成した後、前記マスクを除去する工程と、を備える。前記マスクは、第１膜と第２膜とを含む。前記マスクを形成する工程は、少なくとも前記第２窒化物半導体層の上面を覆う前記第１膜を形成する工程と、前記第１膜を覆い、前記第３窒化物半導体層を形成するときの温度よりも高い融点を有する前記第２膜を形成する工程と、を有する。前記マスクを除去する工程において、前記第１膜を除去することにより前記第２膜を除去し、前記マスクをリフトオフする。
本開示の発光素子の製造方法によれば、マスクを使って選択的に成長させる窒化物半導体層の結晶性を向上させ、且つマスクの除去が容易にできる。
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
図１は、本発明の一実施形態の発光素子１における第１積層部１０と第２積層部２０の配置関係の一例を示す模式平面図である。
発光素子１は窒化物半導体からなる半導体積層体を有し、半導体積層体は第１積層部１０と第２積層部２０とを有する。
本明細書において「窒化物半導体」とは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、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も「窒化物半導体」に含まれるものとする。
第１積層部１０と第２積層部２０とは同じ基板上に設けられている。図１には、第２積層部２０の周囲に第１積層部１０が配置された例を示すが、第１積層部１０と第２積層部２０の配置関係はこの例に限らない。
第１積層部１０の発光ピーク波長は、第２積層部２０の発光ピーク波長とは異なる。例えば、第１積層部１０の発光ピーク波長は、４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下程度であり、青色光を発する。例えば、第２積層部２０の発光ピーク波長は、５００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下程度であり、緑色光を発する。
以下、本発明の一実施形態の発光素子１の製造方法について説明する。図２〜図１１は、発光素子１の製造方法を示す模式断面図である。
図２に示すように、基板１００上に半導体積層体５０を形成する。半導体積層体５０は、第１窒化物半導体層１１と、第１活性層１２と、第２窒化物半導体層１３とを有する。第１導電型とは、ｎ型及びｐ型の一方の導電型のことをいう。第２導電型とは、第１導電型とは異なる他方の導電型のことをいう。第１窒化物半導体層１１は、第１導電型層として例えばｎ型の半導体層を含む。第２窒化物半導体層１３は、第２導電型層として例えばｐ型の半導体層を含む。第１活性層１２は、例えばＭＱＷ（Multiple Quantum well）構造を有する。
基板１００は例えばサファイア基板である。基板１００上に、例えばＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法により、第１窒化物半導体層１１、第１活性層１２、および第２窒化物半導体層１３が順にエピタキシャル成長される。
次に、半導体積層体５０における第２窒化物半導体層１３の一部および第１活性層１２の一部を除去し、図３に示すように、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａを第１活性層１２および第２窒化物半導体層１３から露出させる。第２窒化物半導体層１３の一部および第１活性層１２の一部は、例えばレジストマスクを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法で除去される。
半導体積層体５０に、第１窒化物半導体層１１、第１活性層１２、および第２窒化物半導体層１３を含む第１積層部１０と、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａが露出した部分が形成される。第１窒化物半導体層１１の一部１１ａは、第１活性層１２および第２窒化物半導体層１３から露出し、前記第１窒化物半導体層１１のうち前記第１活性層１２および第２窒化物半導体層１３が設けられていない部分である。
次に、第１積層部１０を覆うマスク１７（後述する図７に示す）を形成する。このマスク１７を形成する工程は、第１膜１５を形成する工程と、第２膜１６を形成する工程とを有する。
まず、図４に示すように、半導体積層体５０を覆うように第１膜１５を形成する。第１膜１５として、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）がＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成される。第１膜１５は、第１積層部１０の上面、側面、および第１窒化物半導体層１１の一部１１ａを覆う。
第１膜１５を半導体積層体５０を覆うように形成した後、第１膜１５のうち第１窒化物半導体層１１の一部１１ａに設けられた第１膜１５の一部は除去され、図５に示すように、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａが露出する。第１膜１５の一部は、例えばレジストマスクを用いたＲＩＥ法で除去される。
その後、図６に示すように、第１膜１５上に第２膜１６を形成する。第２膜１６は、第１膜１５の上面および側面を覆い、さらに第１窒化物半導体層１１の一部１１ａを覆う。第２膜１６として、例えばタングステン膜（Ｗ膜）がスパッタ法により形成される。第２膜１６の膜厚は、第１膜１５の膜厚よりも薄い。例えば、第１膜１５の膜厚は、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度である。例えば、第２膜１６の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
第２膜１６のうち第１窒化物半導体層１１の一部１１ａに設けられた第２膜１６の一部は除去され、図７に示すように、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａが第２膜１６から露出する。このとき、第１膜１５の上面及び側面を覆う第２膜１６は残される。第２膜１６の一部は、例えばレジストマスクを用いたＲＩＥ法で除去される。
このようにして、第１積層部１０の上面および側面を覆うマスク１７が形成される。第１窒化物半導体層１１の一部１１ａは、マスク１７から露出している。
このように第１積層部１０がマスク１７で覆われた状態で、露出した第１窒化物半導体層１１の一部１１ａ上に、図８に示すように、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３を形成する。第３窒化物半導体層２３は、第２導電型層として例えばｐ型のＧａＮ層を含む。第２活性層２２は、例えばＭＱＷ構造を有する。第１窒化物半導体層１１の一部１１ａ上に第２活性層２２を形成する前に、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａの表面に対してエッチングなど表面処理を行ってもよい。また、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａ上に第２活性層２２を形成する前に、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａの上面に、例えばｎ型の半導体層を形成してもよい。これにより、第２活性層２２が形成される半導体層の表面の結晶性がより改善され、第２活性層２２の結晶性を向上させることができる。
第１窒化物半導体層１１の一部１１ａ上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３が順にエピタキシャル成長される。このときの窒素の原料ガスとして例えばアンモニア（ＮＨ３）が使用される。
マスク１７の最表面において露出している第２膜１６は例えばタングステン膜であり、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３を形成するときの反応温度（１０００℃ほど）よりも高い融点を有し、さらにアンモニアに対する耐性を有する。このマスク１７は、下層である第１膜１５と、上層である第２膜１６を含むものであり、第２膜１６は第１膜１５を覆い、第１膜１５は第２膜１６から露出していない。
第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３を形成した後、マスク１７を除去する。例えば、タングステン膜である第２膜１６をオゾンを用いて除去した後に、シリコン酸化膜である第１膜１５をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いて除去する。
ここで、比較例として、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３を形成する際のマスクがシリコン酸化膜のみの場合には、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３にピット等の欠陥が発生しやすい。これは、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３のエピタキシャル成長時に、シリコン酸化膜に含まれる酸素が影響するものと考えられる。つまり、シリコン酸化膜に含まれる酸素が、エピタキシャル成長時に第２活性層２２や第３窒化物半導体層２３に取り込まれてしまうことにより欠陥が生じると考えられる。
本実施形態によれば、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３のエピタキシャル成長時、シリコン酸化膜である第１膜１５は第２膜１６で覆われ露出していない。そのため、上述した第１膜１５が第２膜１６から露出していることにより生じる半導体層への影響を抑制し、結晶性が優れた第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３を第１窒化物半導体層１１上に形成することができる。
一方で、マスクがタングステン膜のみの場合には、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３のエピタキシャル成長時に、タングステン膜上に窒化物半導体層の異常成長が発生しやすかった。本発明者らがタングステン膜上の異物の分析を行ったところ、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３の構成元素（Ｇａ、Ｎ）を含む堆積物であることがわかり、その堆積物が堆積したタングステン膜は除去することが困難であった。
本実施形態によれば、第２膜１６上に上記堆積物が堆積し、第２膜１６を除去する工程の後、第２膜１６の一部や堆積物が残ってしまっても、第１膜１５を除去するときに、それらは第１膜１５とともにリフトオフされて除去される。また、第２膜１６の膜厚は第１膜１５の膜厚よりも薄いため、容易に第２膜１６をリフトオフできる。
すなわち、本実施形態によれば、マスク１７における最表面に第２膜１６が形成されている状態（第１膜１５が第２膜１６から露出していない状態）で、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３を形成し、第２膜１６の下に形成された第１膜１５を利用したリフトオフによりマスク１７を除去する。本実施形態のマスク１７を用いた半導体層の形成方法により、第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３に生じるピットを軽減し第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３の結晶性を悪化させることなく、マスク１７を効率良く除去することができる。
マスク１７が除去され、図９に示すように、基板１００上に、第１窒化物半導体層１１、第１活性層１２、および第２窒化物半導体層１３を含む第１積層部１０と、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａ、第２活性層２２、および第３窒化物半導体層２３を含む第２積層部２０が形成される。
その後、図１０に示すように、第１積層部１０の第２窒化物半導体層１３の一部および第１活性層１２の一部を除去して、第１積層部１０の第１窒化物半導体層１１の一部を露出させ、その第１窒化物半導体層１１の露出部に第１ｎ側電極３３を形成する。また、第２積層部２０の第３窒化物半導体層２３の一部および第２活性層２２の一部を除去して、第２積層部２０の第１窒化物半導体層１１の一部を露出させ、その第１窒化物半導体層１１の露出部に第２ｎ側電極３５を形成する。第１積層部１０の第２窒化物半導体層１３上には、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透光性導電膜３１を介して第１ｐ側電極３２が形成される。第２積層部２０の第３窒化物半導体層２３上には、透光性導電膜３１を介して第２ｐ側電極３４が形成される。透光性導電膜３１は、第１ｐ側電極３２および第２ｐ側電極３４からの電流を第２窒化物半導体層１３および第３窒化物半導体層２３の広い範囲に拡散するために形成される。
図１２は、図１０に示す発光素子の模式上面図である。
図１２に示す上面視において、第２積層部２０の周囲に第１積層部１０が設けられている。第２窒化物半導体層１３の上面に設けられた透光性導電膜３１は、第２積層部２０の周囲を囲むように連続して設けられている。
第１積層部１０と第２積層部２０は例えば直列接続される。また、第１積層部１０の第１窒化物半導体層１１と、第２積層部２０の第１窒化物半導体層１１とを、部分的に除去し基板１００を露出させることで分離することもできる。これにより、第１積層部１０の第１窒化物半導体層１１と、第２積層部２０の第１窒化物半導体層１１とは電気的に接続されていない状態になる。このような状態とすることで第１積層部１０と第２積層部２０とを別系統の回路に接続し個別に点灯制御しやすくできる。
例えば、第１活性層１２におけるインジウム（Ｉｎ）組成比を、第２活性層２２におけるインジウム組成比と異ならせることで、第１積層部１０の発光ピーク波長を、第２積層部２０の発光ピーク波長と異ならせることができる。例えば、第２活性層２２におけるインジウム組成比を、第１活性層１２におけるインジウム組成比よりも高くすることで、第２積層部２０の発光ピーク波長を、第１積層部１０の発光ピーク波長よりも長くできる。例えば、第１積層部１０は青色光を発し、第２積層部２０は緑色光を発する。
このように、１つの基板１００上に別々の波長の光を発する積層部を形成することができるため、異なる色を発する発光素子を１つのパッケージ内に離間させて収容した構造に比べて、発光素子１を小型化することができる。第１積層部１０と第２積層部２０は第１窒化物半導体層１１を共用し、双方の間の距離を縮小でき、小型化を実現することができる。
図１１に示すように、マスク１７における第１膜１５を第１積層部１０の側面には形成せず、第１積層部１０の上面上にのみに形成し、第２膜１６を第１膜１５の上面および側面と、第１積層部１０の側面とを直接覆うように形成してもよい。これにより、第１膜１５が第１積層部１０の側面を覆って形成されている場合に比べて、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａが第２膜１６から露出する領域を増加させることができる。その結果、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａの面積が同じ場合に、第１膜１５を第１積層部１０の側面に形成する形態に比べて、第１窒化物半導体層１１の一部１１ａ上に形成される第２積層部２０の面積をより広くし、発光素子の出力を向上させることができる。なお、第１積層部１０の側面を覆う第２膜１６には、第１積層部１０の上面上の第２膜１６よりも堆積物が堆積しにくい。そのため、第１膜１５をエッチングにより除去する際、上記堆積物によりエッチングが阻害されにくい。
また、第１膜１５として、シリコン酸化膜以外に例えばアルミニウム酸化膜を用いてもよい。この場合、例えば、ＢＨＦやリン酸を用いて、アルミニウム酸化膜を除去することができる。第２膜１６として、Ｗ膜以外に例えばＴｉ膜、Ｎｉ膜、ＴｉＮ膜、ＨｆＮ膜、ＺｒＮ膜等を用いてもよい。これらの金属膜は、Ｗ膜と同様に第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３を形成するときの反応温度（１０００℃ほど）よりも高い融点を有し、さらにアンモニアに対する耐性を有するため好適に用いることができる。
以上、具体例を参照しつつ、本開示の実施形態について説明した。しかし、本開示は、これらの具体例に限定されるものではない。本開示の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本開示の要旨を包含する限り、本開示の範囲に属する。その他、本開示の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本開示の範囲に属するものと了解される。
１…発光素子、１０…第１積層部、１１…第１窒化物半導体層、１２…第１活性層、１３…第２窒化物半導体層、１５…第１膜、１６…第２膜、１７…マスク、２０…第２積層部、２２…第２活性層、２３…第３窒化物半導体層、３１…透光性導電膜、３２…第１ｐ側電極、３３…第１ｎ側電極、３４…第２ｐ側電極、３５…第２ｎ側電極、５０…半導体積層体、１００…基板
その後、図６に示すように、第１膜１５上に第２膜１６を形成する。第２膜１６は、第１膜１５の上面および側面を覆い、さらに第１窒化物半導体層１１の一部１１ａを覆う。第２膜１６として、例えばタングステン膜（Ｗ膜）がスパッタ法により形成される。図１３に示すように、第２膜１６の膜厚は、第１膜１５の膜厚よりも薄い。例えば、第１膜１５の膜厚は、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度である。例えば、第２膜１６の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
第２活性層２２および第３窒化物半導体層２３を形成した後、第２膜１６の下に形成された第１膜１５を利用したリフトオフによりマスク１７を除去する。
Claims (5)
- 第１導電型層を含む第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層の上に形成される第１活性層と、前記第１活性層の上に形成され、第２導電型層を含む第２窒化物半導体層と、を有する半導体積層体における前記第２窒化物半導体層の一部および前記第１活性層の一部を除去して、前記第１窒化物半導体層の一部を前記第１活性層および前記第２窒化物半導体層から露出させる工程と、
前記第１活性層および前記第２窒化物半導体層を覆うマスクを形成する工程と、
前記第１活性層および前記第２窒化物半導体層を前記マスクで覆った状態で、前記第１窒化物半導体層の前記一部に第３窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第３窒化物半導体層を形成した後、前記マスクを除去する工程と、
を備え、
前記マスクは、第１膜と第２膜とを含み、
前記マスクを形成する工程は、
少なくとも前記第２窒化物半導体層の上面を覆う前記第１膜を形成する工程と、
前記第１膜を覆い、前記第３窒化物半導体層を形成するときの温度よりも高い融点を有する前記第２膜を形成する工程と、を有し、
前記マスクを除去する工程において、前記第１膜を除去することにより前記第２膜を除去し、前記マスクをリフトオフする発光素子の製造方法。 - 前記第２膜の膜厚は、前記第１膜の膜厚よりも薄い請求項１記載の発光素子の製造方法。
- 前記マスクを形成する工程は、
前記半導体積層体の全面を覆う前記第１膜を形成した後、前記第１膜の一部を除去して前記第１窒化物半導体層の前記一部を露出させる工程と、
前記第１膜および前記第１窒化物半導体層の前記一部を覆う前記第２膜を形成した後、前記第２膜の一部を除去して前記第１窒化物半導体層の前記一部を露出させる工程と、
を有する請求項１または２に記載の発光素子の製造方法。 - 前記第１窒化物半導体層と、前記第１活性層と、前記第２窒化物半導体層とを有する第１積層部の発光ピーク波長は、前記第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層と前記第３窒化物半導体層との間に形成された第２活性層と、前記第３窒化物半導体層とを有する第２積層部の発光ピーク波長とは異なる請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
- 前記第１膜は、シリコン酸化膜であり、
前記第２膜は、タングステン膜である請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
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