JP5025932B2 - 窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
窒化物半導体でも同じ原理による出力向上は可能であり、同様の素子の形状加工を行うことによって素子の発光出力の改善を行うことができる(特許文献3,4)。
しかし素子を構成する窒化物半導体及び、基板として用いられるサファイアやSiCは硬く加工しにくい物質としても知られており、素子の加工にはレーザーを用いた加工、プラズマをもちいたドライエッチング加工や、高温でのウェットエッチングが用いられる。
またアブレーションや蒸発によって飛散した加工材は、ウェハー上に再付着しやすく、レーザー加工後に何らかのエッチング処理が必要となることが多い。
(1)基板と、基板上の窒化物半導体層と、窒化物半導体上の電極からなる窒化物半導体発光素子の製造方法において、レーザーによる素子加工、次いでエッチング処理を行い、その後に電極を形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
(2)レーザーによる素子加工が、窒化物半導体層の少なくとも一部分の除去加工であることを特徴とする上記(1)に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
(3)レーザーによる素子加工が、発光素子の半導体層に溝及び/又は個々の発光素子に分離するための素子周辺の半導体層に割溝を形成する加工である上記(1)又は(2)に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
(5)エッチング処理が、ウェットエッチングであることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
(6)ウェットエッチングがオルトリン酸を使用したウェットエッチングであることを特徴とする上記(5)に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
(7)エッチング処理が、ドライエッチングであることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
(9)レーザーによる素子加工の前にドライエッチングによりレーザー素子加工のアライメントを行うことを特徴とする上記(1)〜(8)のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
(10)エッチング後の窒化物半導体層表面の少なくとも一部の表面を非鏡面化処理することを特徴とする上記(1)〜(9)のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
(11)エッチングによってレーザーによる加工部分に傾斜面を形成することを特徴とする上記(1)〜(10)のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
(12)エッチング処理の後に窒化物半導体上に形成する電極の少なくとも一部が前記傾斜面に接触することを特徴とする上記(11)に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
発光素子は積層した半導体ウェハを個々の素子に分離することにより製造される。
本発明はこの素子分離用の半導体層の割溝加工、又は分離されている個々の発光素子の表面から基板に向けて形成される溝加工、あるいはこれら両者の割溝及び溝加工を施す方法である。
次に窒化物半導体層の一部を除去し、素子分離用の割溝及び/又は各素子に溝を形成する。割溝及び溝の形成は初めにレーザーによって行うが、その際レーザーの波長は、窒化物半導体の吸収端より短い波長とするのが望ましい。窒化物半導体の高い吸収係数の為、被加工位置がレーザー照射位置に限定される。レーザーの光学系を適当に選ぶことにより10μmより狭い幅での加工も可能であり、素子収率の向上が図れる。
分離用領域での基板の加工深さ(割溝の深さ)は1μm以上の範囲で任意に選べるが、加工深さが小さいと後の分割処理の形状不良が発生しやすい。10μm以上であれば不良発生は抑制され、20μm以上であれば更に望ましい。しかし基板に達していなくても差し支えない。
ドライエッチングを行う場合、塩素系ガスを用いたRIEで行うことが一般的である。エッチング条件としては前記の素子分離用領域とn電極形成用領域の作成を行った条件であってもよいし、違っていてもよい。レーザー加工後のエッチングで素子分離領域とn電極形成用領域の作成を行ってもよい。
ドライエッチングは加工条件によって、加工面が鏡面にならないことが知られている。非鏡面の加工面の作成には加工面上に疎なマスクを作成する方法やエッチング中の堆積物をマスクとして利用する方法が知られており、それらの方法を利用することができる。加工面を非鏡面とすることで光の取り出し量を上げることが出来る。
ウェットエッチングを行う場合、公知の組成と条件のエッチング液を用いることができる。オルトリン酸やピロリン酸、リン酸と硫酸との混合組成、アンモニアとリン酸との混合組成等が公知である。
エッチング後に電極を形成する工程を行う。公知のフォトリソにより電極形成用のパターンを作成し、蒸着、スパッタ、メッキ法等の技術によって電極を形成する。この時、n電極とp電極は同時に形成しても良いし、別々に形成してもよい。
p電極も、各種組成および構造のp電極が周知であり、これら周知のp電極を何ら制限なく用いることができる。
透光性のp電極材料としては、上記の金属の他に導電性の酸化物であっても良い。In2O3,ITO,ZnO,SnO2等の公知の導電性の酸化物を用いることができる。また上記金属と、上記酸化物の組み合わせによる透光性電極であっても良い。
光の主たる取出し方向に対して逆方向に傾斜している面での反射は、傾斜面に高反射の膜を形成することによって更に効果があがる。そのため電極形成工程では傾斜面に電極が形成されるようにすることが望ましい。例えば傾斜面の一部に電極を形成し、その電極とパッド電極を接続する。
本発明による実施例を以下に示す。
基板としてサファイア(Al2O3)C面基板を用い、その上に特開2003−243302号公報にある方法に従ってAlNバッファを介してアンドープのGaN層を6μm、Geを周期的にドープして平均のキャリア濃度が1×1019cm-3となるようにしたn型コンタクト層を4μm、In0.1Ga0.9Nからなる厚さ12.5nmのnクラッド層、GaNからなる厚さ16nmの障壁層とIn0.2Ga0.8Nからなる厚さ2.5nmの井戸層を交互に5回積層させた後、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層、Mgドープ(濃度8×1019/cm3)Al0.2Ga0.8Nからなる厚さ0.05μmのpクラッド層、Mgドープ(濃度8×1019/cm3)Al0.03Ga0.97Nからなる厚さ0.15μmのpコンタクト層を順次積層して基板上の窒化物半導体層とした。
次にレーザーを用いて、個々の素子の境界部分に割溝を形成した。
加工用のレーザーは波長が266nm、周波数が50kHz、出力が1.6Wの条件で使用した。加工スピード70mm/秒で基板内深さ20μmの溝を作成した。ステージを90°回転させ、Y軸方向に同様にして割溝を形成した。
割溝作成後の基板を、加熱装置を用いて240℃に熱したオルトリン酸の入った石英ビーカー中に20分間浸漬してウェットエッチングを行った。窒化物半導体層のエッチング量は5.2μmであった。ウェットエッチングの終了した基板及び窒化物半導体層は超音波中で水洗を行い、更に有機洗浄によりレジストからなるエッチングマスクの除去を行った。
この化合物半導体積層層のpコンタクト層上の所定の位置にリソグラフおよびリフトオフ法を用いて、pコンタクト層側から順にPtおよびAuよりなる透光性のp電極を形成した。続いて公知のリソグラフとリフトオフにより、p電極及びn電極用ボンディング用パッドを同時に形成した。
分離した素子の出力を積分球で評価したところ7.1mWであった。また素子側面をSEMにより観察したところ窒化物半導体層の側面は垂直に割れたサファイア基板側面に対して約40°の傾きを有しており、基板表面側に対して逆テーパ(基板側が広くなる溝)を形成していた。
条件を変更した実施例について示す。
基板上の窒化物半導体層の成長は実施例1と同じ条件で行った。この例では素子分離のレーザー加工を最初に行う。
加工用レーザーの条件は実施例1と同じ条件でX軸方向、Y軸方向に割溝を形成した。
次にレーザーをバーストモードで使用し、図2に示すように分離領域以外の窒化物半導体層を円形状に除去する。出力1.6W、スピード30mm/秒で試料ステージを走査し、加工位置に一致した時点でレーザーを発振させた。照射部ではレーザービームの形状の粗円形に窒化物層は除去され、同条件で基板に5μの加工痕が残された。
実施例1のn型コンタクト形成の工程と同条件でRIEを行う。この工程でレーザーによるダメージの大きな入射側でエッチング量が大きくなり、割溝は円形部の開口側で開口が大きくなる結果、窒化物半導体層に対して順テーパ(基板側が狭くなる溝)が形成された。傾斜角度は約30度であった。
分離した素子の電極面を下側にしてTO18ステムにマウントし、その出力を積分球で評価したところ12.2mWであった。また素子側面をSEMにより観察したところ窒化物半導体層の側面は垂直に割れたサファイア基板側面に対して約30°の傾きを有しており、基板表面側に対して逆テーパを形成していた。
比較のために電極形成を先におこなう場合の実施例を示す。
基板上への窒化物半導体層の成長は実施例1と同様に行った。
窒化物半導体層の表面に公知のリソグラフとCl2ガスによるRIEを用いて、個々の素子の境界部分およびn型コンタクト層の一部を露出させる。
この化合物半導体積層層のpコンタクト層上の所定の位置にリソグラフおよびリフトオフ法を用いて、pコンタクト層側から順にPtおよびAuよりなる透光性のp電極を形成した。続いて公知のリソグラフとリフトオフにより、p電極及びn電極用ボンディング用パッドを同時に形成した。
割溝作成後の基板を、実施例1と同じ条件でウェットエッチングを実施した。ウェットエッチングの終了した基板及び窒化物半導体層は超音波中で水洗を行い、更に有機洗浄によりレジストからなるエッチングマスクの除去を行った。
エッチングマスクの除去後、試料の電極の一部に侵食による欠損が確認された。除去前のレジストマスクが変形を起こしていることが確認された。電極不良の発生頻度は約10%であった。実施例1でのエッチング条件が240℃であり、その温度のためレジストよりなるマスクの変形とエッチング液の浸透が発生したものと推定される。
102 透光性のp電極
103 n側パッド
104 個々の素子の境界(割溝形成部)
105 溝
201 基板
202 窒化物半導体層
Claims (6)
- 基板と、基板上の窒化物半導体層と、窒化物半導体上の電極からなる窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記基板上に前記窒化物半導体層を積層させ、
該窒化物半導体層の積層後、ドライエッチングにより該窒化物半導体層の表面に個々の発光素子に分離する領域を形成し、
その後該領域に基づいてレーザー素子加工のためのアライメントを行い、
次に該領域のレーザー素子加工により該窒化物半導体層の少なくとも一部分を除去し、該領域に個々の発光素子に分離するための割溝を形成し、
次いで該割溝をウェットエッチング処理し、該割溝に傾斜面を形成し、
その後に電極を形成すること
を特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記レーザーが窒化物半導体層の少なくとも一部の層のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを有する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の製造方法。
- 前記ウェットエッチングがオルトリン酸を使用したウェットエッチングであることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ドライエッチングが塩素系ガスを使用したドライエッチングであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ウェットエッチング処理後の窒化物半導体層表面の少なくとも一部の表面を非鏡面化処理することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ウェットエッチン処理後に窒化物半導体上に形成する電極の少なくとも一部が前記傾斜面に接触することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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