JP4770513B2 - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物系化合物半導体からなる発光素子およびその製造方法に関し、特に、サファイア基板のリフトオフにおけるダメージを抑えることができ、生産性に優れる発光素子およびその製造方法に関する。
従来、III族窒化物系化合物半導体からなる発光素子として、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた発光素子が知られている。ＧａＮを成長させる基板としては、入手および加工の容易なサファイア基板が広く用いられている。
サファイア基板上にＧａＮあるいはＡｌＮのバッファ層を設けてＧａＮ系半導体層を形成することで、結晶品質の安定したＧａＮ系発光素子が形成される。このようなＧａＮ系発光素子は青色系の発光色の光を発することから、近年、白色光の光源としてより高い光取出し効率を有するものが求められている。
発光素子の光取出し効率を左右する要因として、発光素子を構成する材料の屈折率がある。ＧａＮ系半導体層の屈折率ｎは約２．４であるのに対し、サファイア基板の屈折率ｎは約１．７であることから、素子内で発せられる光の入射角によってはＧａＮとサファイアの界面において全反射が生じ、外部放射されずに吸収されて損失が生じる。このような問題を解消するものとして、サファイア基板をリフトオフすることが知られている。
サファイア基板をリフトオフする方法として、例えば、ＴｉＮ膜を表面に有するサファイア基板にＧａＮ膜を成長させた後、このサファイア基板をマイクロ波加熱装置に収容して加熱処理を行うことにより、サファイア基板とＧａＮ膜とを分離する結晶基板の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２６９３１３号公報
しかし、特許文献１によると、ＧａＮとサファイア基板の界面を熱分離しているため、ＧａＮに熱分離によるダメージが及び、発光効率の低下を生じるという問題がある。また、レーザを照射することによってサファイア基板とＧａＮの界面を選択的に熱分離するリフトオフでも同様の問題が生じる。また、レーザ照射によるサファイアリフトオフではレーザを走査しなければならないことから、工程数が増加して生産性の向上を図ることが難しい。
従って、本発明の目的は、サファイア基板のリフトオフにおけるダメージを抑えることができ、生産性に優れる発光素子およびその製造方法を提供することにある。
また、本発明は、上記の目的を達成するため、サファイア基板の表面にＴｉＮバッファ層をスパッタリングにより形成する第１の工程と、前記ＴｉＮバッファ層の窒化処理をした後、前記ＴｉＮバッファ層の表面に発光する層を含むIII族窒化物系化合物半導体材料からなる発光素子部を形成する第２の工程と、前記発光素子部の前記III族窒化物系化合物半導体材料側から前記サファイア基板に達する深さでカット部を設ける第３の工程と、前記カット部を設けられた前記サファイア基板を硝酸系エッチング液に浸漬する第４の工程と、前記硝酸系エッチング液によるＴｉＮバッファ層の溶解に基づいて前記サファイア基板から分離した前記発光素子部を収集する第５の工程とを含む発光素子の製造方法を提供する。
このような製造方法によれば、カット部から浸透する硝酸系エッチング液に溶解し易いＴｉＮバッファ層を溶解することにより、発光素子部のダメージを抑えつつ、III族窒化物系化合物半導体と屈折率差の大なるサファイア基板との分離および素子単位の分割を効率良く行える。
本発明によると、サファイア基板のリフトオフにおけるダメージを抑えることができ、生産性を向上させることができる。
（本発明の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体素子としてのIII族窒化物系化合物半導体発光素子（以下「発光素子」という。）の断面図である。以下の説明では、サファイア基板とＴｉＮバッファ層を除いた部分を発光素子部という。
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体素子としてのIII族窒化物系化合物半導体発光素子（以下「発光素子」という。）の断面図である。以下の説明では、サファイア基板とＴｉＮバッファ層を除いた部分を発光素子部という。
（発光素子部１Ａの構成）
この発光素子部１Ａは、ｐ側およびｎ側の電極を水平方向に配置した水平型の発光素子部であり、III族窒化物系化合物半導体を成長させる成長基板であるウエハー状のサファイア基板１０と、サファイア基板１０上に形成されるＴｉＮバッファ層１１と、Ｓｉドープのｎ＋−ＧａＮ層１２と、Ｓｉドープのｎ−ＡｌＧａＮ層１３と、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有するＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）１４と、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮ層１５と、Ｍｇドープのｐ＋−ＧａＮ層１６と、ｐ＋−ＧａＮ層１６に電流を拡散させるＩＴＯ(Indium Tin Oxide)からなる電流拡散層１７とを順次積層して形成されており、ＴｉＮバッファ層１１からｐ＋−ＧａＮ層１６までを有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法によって形成し、硝酸系のエッチング液に浸漬することでＴｉＮバッファ層１１を溶解させることによりサファイア基板１０をリフトオフしている。
この発光素子部１Ａは、ｐ側およびｎ側の電極を水平方向に配置した水平型の発光素子部であり、III族窒化物系化合物半導体を成長させる成長基板であるウエハー状のサファイア基板１０と、サファイア基板１０上に形成されるＴｉＮバッファ層１１と、Ｓｉドープのｎ＋−ＧａＮ層１２と、Ｓｉドープのｎ−ＡｌＧａＮ層１３と、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有するＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）１４と、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮ層１５と、Ｍｇドープのｐ＋−ＧａＮ層１６と、ｐ＋−ＧａＮ層１６に電流を拡散させるＩＴＯ(Indium Tin Oxide)からなる電流拡散層１７とを順次積層して形成されており、ＴｉＮバッファ層１１からｐ＋−ＧａＮ層１６までを有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法によって形成し、硝酸系のエッチング液に浸漬することでＴｉＮバッファ層１１を溶解させることによりサファイア基板１０をリフトオフしている。
ＴｉＮバッファ層１１は、Ｔｉターゲットを用いてＡｒとＮ２の雰囲気中でスパッタリングにより厚さ約１００ｎｍで形成される。ＴｉＮバッファ層１１の形成後にＭＯＣＶＤ装置内でアンモニア（ＮＨ３）とＨ２の雰囲気中において１０５０℃の温度条件で１分間保持することによりＴｉＮバッファ層１１表面の窒化処理を行う。窒化処理後に炉内の温度１１５０℃まで昇温してＧａＮの成長を行う。
ｎ＋−ＧａＮ層１２およびｐ＋−ＧａＮ層１６は、キャリアガスとしてＨ２を使用し、ＮＨ３とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をサファイア基板１０が配置されたリアクタ内に供給することにより形成される。
ｎ＋−ＧａＮ層１２については、ｎ型の導電性を付与するためのドーパントとしてモノシラン（ＳｉＨ４）をＳｉ原料として使用し、窒化処理を施されたＴｉＮバッファ層１１上に厚さ約４μｍで形成される。
ｐ＋−ＧａＮ層１６については、ｐ型の導電性を付与するためのドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）をＭｇ原料として使用する。また、ｎ−ＡｌＧａＮ層１３およびｐ−ＡｌＧａＮ層１５については、上記したもののほかに更にＴＭＡをリアクタ内に供給することによって形成される。
ＭＱＷ１４は、キャリアガスとしてＮ２を使用し、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧをリアクタ内に供給することによって形成される。ＩｎＧａＮの形成時にはＴＭＩとＴＭＧが供給され、ＧａＮの形成時にはＴＭＧが供給される。
図２は、本発明の実施の形態に係る発光素子部の製造工程（電極形成工程まで）を部分的に示す拡大図である。
まず、図２（ａ）に示すように、ウエハー状のサファイア基板１０上に上記したＴｉＮバッファ層１１からｐ＋−ＧａＮ層１６までのＧａＮ系半導体層をＭＯＣＶＤ法によって形成し、ｐ＋−ＧａＮ層１６上にスパッタリングによって電流拡散層１７を形成する。
次に、図２（ｂ）に示すように、電流拡散層１７からｎ＋−ＧａＮ層１２にかけてドライエッチングで除去することにより電極形成部２０を形成する。
次に、図２（ｃ）に示すように、電流拡散層１７の表面に蒸着法によってＡｕからなるｐ側電極１８を形成し、電極形成部２０に露出したｎ＋−ＧａＮ層１２にｎ側電極１９を形成する。
図３は、本発明の実施の形態に係る発光素子部の製造工程（素子分離工程まで）を部分的に示す拡大図である。
次に、図３（ａ）に示すように、ＧａＮ系半導体層を形成されたウエハー状のサファイア基板１０に対してｐ側電極１８側からサファイア基板１０の約半分の深さまでダイシングブレードで溝入れを行ってカット部２１を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、ウエハーを硝酸系のエッチング液３０に浸漬してＴｉＮバッファ層１１を溶解する。本実施の形態では、硝酸系のエッチング液３０として硝酸：氷酢酸：水＝１：１：１の割合で混合されたエッチング液３０を用いた。このエッチング液３０は、カット部２１に露出しているＴｉＮバッファ層１１を溶解しながらＴｉＮバッファ層１１とサファイア基板１０との間に浸透する。
図３（ｃ）は、サファイア基板１０をリフトオフした発光素子部１Ａを示し、ＴｉＮバッファ層１１が溶解することによって発光素子部がサファイア基板から分離され、そのことによって発光素子１が形成される。
図４は、ウエハーをリフトオフして複数の発光素子部を得るまでの概略工程図である。
図４（ａ）に示すウエハー１０Ａは、サファイア基板１０にＴｉＮバッファ層（図示せず）を介して発光素子部１Ａを結晶成長させたものであり、電流拡散層、ｐ側電極、およびｎ側電極を有している。さらに発光素子部１Ａに応じて格子状にカット部２１が設けられたものである。
図４（ｂ）は、図４（ａ）のウエハー１０Ａを溶液槽３１内のエッチング液３０に浸漬した状態である。この浸漬に基づいてカット部２１に露出したＴｉＮバッファ層のエッチングが行われ、ＴｉＮバッファ層の溶解が進行するにつれてウエハー１０Ａのサファイア基板と発光素子部１Ａとの間にエッチング液３０が浸透する。
図４（ｃ）は、図４（ｂ）のウエハー１０Ａから発光素子部１Ａがリフトオフされた状態である。発光素子部１Ａはエッチング液３０中に残存しており、サファイア基板のみとなったウエハー１０Ａを取り出した後に発光素子部１Ａを収集して洗浄処理を施し、チップマウンターで実装対象に実装する。
（本実施の形態の効果）
上記した本発明の実施の形態によると、サファイア基板１０の表面に硝酸系のエッチング液に溶解するＴｉＮからなるバッファ層を設け、発光素子部１ＡのＧａＮ系半導体層形成側から発光素子部１Ａのサイズに応じたカット部２１を設けた後に硝酸系のエッチング液に浸漬することでサファイア基板１０のリフトオフを行うようにしたので、ウエハー状に形成された複数の発光素子部１Ａをウエットエッチングによって効率良く形成することができる。
上記した本発明の実施の形態によると、サファイア基板１０の表面に硝酸系のエッチング液に溶解するＴｉＮからなるバッファ層を設け、発光素子部１ＡのＧａＮ系半導体層形成側から発光素子部１Ａのサイズに応じたカット部２１を設けた後に硝酸系のエッチング液に浸漬することでサファイア基板１０のリフトオフを行うようにしたので、ウエハー状に形成された複数の発光素子部１Ａをウエットエッチングによって効率良く形成することができる。
この発光素子部１Ａは、サファイア基板１０とＧａＮ系半導体層との屈折率差に基づく界面反射に起因する光取出し性の低下を抑えたものとできるだけでなく、レーザやマイクロ波を用いた加熱分離型のサファイア基板リフトオフに比べてダメージの少ないものとできる。
また、ＴｉＮバッファ層１１を硝酸系のエッチング液３０で溶解する方法では、ＴｉＮが除去されることによって露出したｎ＋−ＧａＮ層１２の表面を荒らすことがないので、端面となるｎ＋−ＧａＮ層１２の形状性に優れる発光素子部１Ａとできる。なお、ｎ＋−ＧａＮ層１２をＳｉドープで形成しても良く、この場合にはｎ＋−ＧａＮ層１２を実装面に実装することが可能になる。
また、本実施の形態では、１枚のウエハーをエッチング液３０に浸漬する方法を説明したが、図５に示すように複数のウエハーをエッチング液３０に浸漬してサファイア基板１０をリフトオフするバッチ処理を行うことも可能である。
１…発光素子、１Ａ…発光素子部、１０…サファイア基板、１０Ａ…ウエハー、１１…ＴｉＮバッファ層、１２…ｎ＋−ＧａＮ層、１３…ｎ−ＡｌＧａＮ層、１４…ＭＱＷ（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）、１５…ｐ−ＡｌＧａＮ層、１６…ｐ＋−ＧａＮ層、１７…電流拡散層（ＩＴＯ）、１８…ｐ側電極、１９…ｎ側電極、２０…ダイシングブレード、２１…カット部、３０…エッチング液、３１…溶液槽
Claims (3)
- サファイア基板の表面にＴｉＮバッファ層をスパッタリングにより形成する第１の工程と、
前記ＴｉＮバッファ層の窒化処理をした後、前記ＴｉＮバッファ層の表面に発光する層を含むIII族窒化物系化合物半導体材料からなる発光素子部を形成する第２の工程と、
前記発光素子部の前記III族窒化物系化合物半導体材料側から前記サファイア基板に達する深さでカット部を設ける第３の工程と、
前記カット部を設けられた前記サファイア基板を硝酸系エッチング液に浸漬する第４の工程と、
前記硝酸系エッチング液によるＴｉＮバッファ層の溶解に基づいて前記サファイア基板から分離した前記発光素子部を収集する第５の工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記硝酸系エッチング液は、硝酸と氷酢酸と水の混合体である請求項１に記載の発光素子の製造方法。
- 前記硝酸系エッチング液は、硝酸と氷酢酸と水とが１：１：１の割合で混合された混合体である請求項１に記載の発光素子の製造方法。
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