JP2013016537A

JP2013016537A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP2013016537A
Application number: JP2011146253A
Authority: JP
Inventors: Shugo Nitta; 州吾新田; Masahito Nakai; 真仁中井; Koichi Mizutani; 浩一水谷; Mitsuhiro Inoue; 光宏井上
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-24

Abstract

【課題】凹凸パターン加工の制御性、再現性を向上させること。
【解決手段】サファイア基板１０表面に周期０．１〜１μｍのドット状の凹凸パターンを形成する。次に、サファイア基板１０上にＡｌＮからなるバッファ層１１を形成し、バッファ層１１上にｎ型層１２、発光層１３、ｐ型層１４を積層する。次に、ｐ型層１４上にｐ電極１５を形成し、低融点金属層１６を介してｐ電極１５と支持基板１７とを接合する。次に、レーザーリフトオフによりサファイア基板１０とバッファ層１１を除去する。ｎ型層１２のサファイア基板１０除去側には、サファイア基板１０に設けられた凹凸パターン２０が転写され、凹凸パターン１９が形成される。ここで、バッファ層１１としてＡｌＮを用いているため、再現性、制御性よく微細な凹凸パターン１９を形成することができる。
【選択図】図２．Ｆ

Description

本発明は、成長基板を除去するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、その成長基板除去側の表面に凹凸を設けて光取り出し効率の向上を図るものである。

III 族窒化物半導体の成長基板として、一般的にサファイア基板が用いられている。しかし、サファイアは熱伝導性が低く、III 族窒化物半導体よりも屈折率が低いため、成長基板としてサファイア基板を用いたIII 族窒化物半導体発光素子では、放熱性や光取り出し効率の悪さが問題となる。

そこで、サファイア基板上にIII 族窒化物半導体からなる素子構造を形成後、レーザーリフトオフなどの技術によってサファイア基板を除去する方法が知られている。しかし、サファイア基板を除去しても光取り出し効率の向上は十分でなく、ｎ型層表面のサファイア基板除去側に、ウェットエッチングによって微細な凹凸を設けることで、さらなる光取り出し効率の向上が図られている。

また、特許文献１、２のように、あらかじめ成長基板表面を凹凸パターンに加工しておき、その上に素子構造を形成してレーザーリフトオフにより成長基板を除去することにより、ｎ型層の成長基板側表面に凹凸パターンを転写する方法も知られている。特許文献１には、凹凸パターンの周期が０．２〜１０μｍで、成長基板上に形成するバッファ層には窒化ガリウム系材料を用いることが示されている。しかし、具体的なバッファ層の材料については記載がない。また、特許文献２には、凹凸パターンの周期が０．５λ／Ｎ〜２０λ／Ｎ（λは発光波長、Ｎは半導体層の屈折率）であることが示されている。また、特許文献２には成長基板上に形成するバッファ層に何を用いるかは記載されていない。

特開２００７−３６２４０特開２００６−４９８５５

しかし、ウェットエッチングによってｎ型層表面に微細な凹凸を形成する方法では、再現性や制御性が低いことが問題であった。

また、特許文献１、２のように、成長基板に凹凸パターンを設けることにより、ｎ型層表面に凹凸パターンを転写する方法では、微細な凹凸パターンではうまく転写することができないことがあった。

そこで本発明の目的は、成長基板を除去してｎ型層表面に凹凸パターンを設けるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、再現性、制御性に優れた凹凸パターンの形成方法を提供することである。

第１の発明は、成長基板の表面に凹凸パターンを形成し、凹凸パターン形成側の成長基板上に、バッファ層を介してIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型層を積層し、ｐ型層上にｐ電極を形成し、ｐ電極と支持基板とを接合した後、成長基板を除去してｎ型層の成長基板側表面に、凹凸パターンの反転パターンを転写するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、バッファ層はＡｌＮであり、凹凸パターンは、周期が０．１〜１０μｍのパターンである、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。

III 族窒化物半導体の成長基板は、サファイアが一般的であるが、他にもＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｇａ₂Ｏ₃などを用いることができる。また、支持基板には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗなどの基板を用いることができ、金属層を介してｐ電極と支持基板を接合することで、支持基板上にｐ電極を形成することができる。金属層には、Ａｕ−Ｓｎ層、Ａｕ−Ｓｉ層、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ層、Ｓｎ−Ｂｉ層などの金属共晶層を用いることができ、Ａｕ層、Ｓｎ層、Ｃｕ層などを用いることもできる。また、ｐ電極上に直接めっきやスパッタなどによってＣｕなどの金属層を形成して支持体としてもよい。成長基板にサファイアやＧａ₂Ｏ₃などの透明基板を用いる場合には、成長基板の除去にはレーザーリフトオフを用いることができる。ここで透明基板とは、レーザーリフトオフに用いるレーザーの波長帯に対して透過する材料の基板であることを意味する。また、成長基板にＳｉやＧａＡｓを用いる場合には、ウェットエッチングによって成長基板を除去することができる。

凹凸パターンは周期が０．１〜１０μｍのパターンであれば任意のパターンでよい。凹部ないし凸部を正方格子状、三角格子状などの周期的なパターンに配列したドット状のパターンや、ストライプ状、格子状などのパターンである。周期が１〜１０μｍのドット状のパターンとする場合、凹凸の深さを０．７〜２μｍ、凹凸側面の傾斜角度を４０〜８０°とするのがよい。より光取り出し効率を向上させることができるからである。また、周期が０．１〜１μｍのパターンとする場合、反転パターンがフォトニック結晶、モスアイ構造、回折格子などの構造となるパターンとすることができる。周期が０．１〜１μｍのドット状のパターンとする場合、凹部ないし凸部の直径に対する、凹部ないし凸部の深さの比を０．３〜２．０、凹部ないし凸部側面の傾斜角度を４５〜９０°とするのがよい。

第２の発明は、第１の発明において、バッファ層は、ＭＯＣＶＤ法またはスパッタ法により形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

バッファ層をＭＯＣＶＤ法によって形成する場合、成長温度は３００〜５００℃とすることが望ましい。スパッタ法は、マグネトロンスパッタリングやＩＣＰスパッタリングを用いることができる。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、凹凸パターンは、周期が１〜１０μｍのパターンであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、凹凸パターンは、深さ０．７〜２μｍで側面の傾斜角度が４０〜８０°の凸部ないし凹部が配列されたドット状のパターンである、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第５の発明は、第１の発明または第２の発明において、凹凸パターンは、周期が０．１〜１μｍのパターンであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第６の発明は、第５の発明において、ｎ型層の成長基板側表面の反転パターンは、フォトニック結晶、モスアイ構造、または回折格子であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第７の発明は、第１の発明から第６の発明において、成長基板は透明基板であり、レーザーリフトオフにより成長基板を除去する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

ここで透明基板とは、レーザーリフトオフに用いるレーザーの波長帯に対して透明な材料の基板であることを意味する。たとえばサファイアやＧａ₂Ｏ₃などの基板である。

第８の発明は、第１の発明から第６の発明において、成長基板はＳｉ基板またはＧａＡｓ基板であり、ウェットエッチングにより成長基板を除去する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

第９の発明は、第１の発明から第８の発明において、成長基板への凹凸パターンの形成は、ナノインプリント、ステッパー、干渉露光、レーザー露光、または電子ビーム露光を用いてマスクを形成してドライエッチングすることにより行う、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。

本発明によると、バッファ層としてＡｌＮを用いることにより、再現性、制御性よくｎ型層表面に微細な凹凸パターンを形成することができ、光取り出し効率を向上させることができる。本発明によって周期１〜１０μｍの凹凸パターンを形成すれば、凹凸側面から軸上（成長基板に垂直な方向）に光を効率的に透過させて光取り出し効率を向上させることができる。また、本発明によって周期０．１〜１μｍの凹凸パターンを形成すれば、フォトニック結晶、モスアイ構造、回折格子などの特殊な光学特性も再現性、制御性よく実現することができる。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について示した図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について示した図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について示した図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について示した図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について示した図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図である。図１のように、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、支持基板１７と、支持基板１７上に低融点金属層１６を介して接合されたｐ電極１５と、ｐ電極１５上に順に積層されたIII 族窒化物半導体からなるｐ型層１４、発光層１３、ｎ型層１２と、ｎ型層１２上に形成されたｎ電極１８と、によって構成されている。

支持基板１７には、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗなどからなる導電性基板を用いることができる。支持基板の裏面（ｐ電極側とは反対側の面）には、裏面電極（図示しない）が形成されていて、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は素子面に垂直な方向に導通を取る構成となっている。

低融点金属層１６には、Ａｕ−Ｓｎ層、Ａｕ−Ｓｉ層、Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ層、Ｓｎ−Ｂｉ層などの金属共晶層を用いることができ、低融点金属ではないが、Ａｕ層、Ｓｎ層、Ｃｕ層などを用いることもできる。低融点金属層１６を用いて支持基板１７とｐ電極１５とを接合するのに代えて、ｐ電極１５上に直接めっきやスパッタなどによってＣｕなどの金属層を形成して支持基板１７としてもよい。

ｐ電極１５は、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｒｕやこれらの金属を主成分とする合金などの高光反射率で低コンタクト抵抗な金属である。他にｐ電極１５の材料として、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ａｕ合金などを用いることもでき、ＩＴＯなどの透明電極膜と高反射金属膜からなる複合層であってもよい。低融点金属層１６とｐ電極１５との間には、低融点金属層１６の材料である金属がｐ電極１５側へ拡散するのを防止するための防止層を設けることが望ましい。

ｎ型層１２、発光層１３、ｐ型層１４は、III 族窒化物半導体発光素子の構成として従来知られている任意の構成でよい。ｐ型層１４は、たとえば、支持基板１７側から順に、ＧａＮからなるＭｇがドープされたｐコンタクト層、ＡｌＧａＮからなるＭｇがドープされたｐクラッド層が積層された構造である。発光層１３は、たとえば、ＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。ｎ型層１２は、たとえば、発光層１３側から順に、ＧａＮからなるｎクラッド層、ＧａＮからなる高濃度にＳｉがドープされたｎ型コンタクト層、が積層された構造である。

ｎ型層１２の表面（発光層１３側とは反対側の面）には、凹凸パターン１９が設けられている。この凹凸パターン１９は、凹部あるいは凸部を正方格子状、三角格子状などの周期的なパターンに配列したものである。その凹凸パターン１９の周期は１〜１０μｍである。また、凹凸の深さは０．７〜２μｍであり、凹部側面あるいは凸部側面の傾斜角度は４０〜８０°である。これは凹凸パターン１９の周期が３〜５μｍの時により光取り出し効率を向上できて望ましい。凹凸の深さを１．３〜１．８μｍ、凹部側面あるいは凸部側面の傾斜角度を４０〜６０°とすると、さらに望ましい。

ｎ電極１８は、素子面方向への電流拡散性を向上させるために、ボンディングワイヤと接続するパッド部と、パッド部から素子面方向へ配線状に伸びる配線状部と、を有する構成としてもよい。また、ｎ型層１２とｎ電極１８との間に透明電極を設け、この透明電極によって電流拡散性を向上させてもよい。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、ｎ型層１２表面に設けられた凹凸パターン１９による凹凸側面から、素子面に垂直な方向へと光が効率的に外部に取り出される。そのため、光取り出し効率が向上されている。

次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について説明する。

まず、サファイア基板１０の一方の表面に、ナノインプリント、ステッパー、干渉露光、レーザー露光、電子ビーム露光などの方法を用いてマスクを形成し、ドライエッチングを行うことによって、高さ０．７〜２μｍ、傾斜角度４０〜８０°の凸部ないし凹部を周期１〜１０μｍで配列したドット状の凹凸パターン２０とする（図２．Ａ）。ナノインプリントを用いる場合、光硬化性樹脂を用いる方式と熱硬化性樹脂を用いる方式のどちらを用いてもよい。

次に、サファイア基板１０をサーマルクリーニングした後、サファイア基板１０の凹凸パターン２０形成側表面に、ＭＯＣＶＤ法またはスパッタ法によってＡｌＮからなるバッファ層１１を形成する（図２．Ｂ）。ＭＯＣＶＤ法によって形成する場合、Ａｌ源ガスはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、窒素源ガスにはアンモニア、キャリアガスには水素、窒素を用いる。バッファ層１１は、凹凸パターン２０に沿って膜状に形成される。

次に、バッファ層１１上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型層１２、発光層１３、ｐ型層１４を順に積層させる（図２．Ｃ）。用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ₃）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ₄）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅Ｈ₅）₂）、キャリアガスとしてＨ₂とＮ₂である。

次に、ｐ型層１４上にｐ電極１５をスパッタや蒸着によって形成し、さらにｐ電極１５上に低融点金属層１６を形成する（図２．Ｄ）。

次に、支持基板１７を用意し、低融点金属層１６を介して、支持基板１７とｐ電極１５とを接合する（図２．Ｅ）。なお、ｐ電極１５と低融点金属層１６との間に、低融点金属層１６の金属がｐ電極１５側に拡散するのを防止するための防止層をあらかじめ形成しておくとよい。

次に、サファイア基板１０側からレーザー光を照射し、レーザーリフトオフを行ってサファイア基板１０を除去する。レーザ光の波長は、サファイアやＡｌＮでは吸収されず、ＧａＮでは吸収される波長とする。たとえば、ＫｒＦエキシマレーザーなどである。このレーザー光の照射により、バッファ層１１とｎ型層１２との界面近傍においてｎ型層１２が分解する。その結果、バッファ層１１とｎ型層１２との界面で剥離が生じ、サファイア基板１０およびバッファ層１１を除去することができる（図２．Ｆ）。サファイア基板１０除去後のｎ型層１２表面（サファイア基板１０側の面）には、サファイア基板１０表面の凹凸パターン２０を反転したパターンである凹凸パターン１９が転写されて形成されている。バッファ層１１としてＡｌＮを用いたことにより、レーザーリフトオフによるサファイア基板１０の除去時にｎ型層１２側にバッファ層１１が残存せず、非常に高い精度で、かつ、再現性、制御性よく凹凸パターン２０を転写させることができる。

次にサファイア基板１０の除去により露出したｎ型層１２表面の所定の領域に、リフトオフによりｎ電極１８を形成する。以上により、図１に示した実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。

なお、実施例では成長基板としてサファイア基板１０を用い、レーザーリフトオフによりサファイア基板１０を除去しているが、他にも成長基板としてＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル、Ｇａ₂Ｏ₃などを用いることができる。サファイア基板１０と同様に透明な基板であるＧａ₂Ｏ₃などの基板を成長基板として用いれば、サファイア基板１０を用いた場合と同様にレーザーリフトオフを適用することができる。また、実施例では素子分離していない状態でレーザーリフトオフを行う、いわゆるウェハレベルＬＬＯ（レーザーリフトオフ）であるが、本発明は、フリップチップ型の素子を作製して素子分離し、その後サブマウントなどに実装した状態でＬＬＯを行う方法、いわゆるチップＬＬＯを用いることも可能である。また、成長基板としてＳｉやＧａＡｓ等を用いる場合には、ウェットエッチングによって成長基板を除去してもよい。

また、実施例では、凹凸パターンを周期１〜１０μｍのドット状としたが、凹凸パターンは周期パターンでその周期が０．１〜１０μｍであれば任意のパターンでよい。ドット状以外に、たとえば格子状、ストライプ状などのパターンを用いることができ、同様にIII 族窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。凹凸パターンの周期を０．１〜１μｍとしてもよく、これによりフォトニック結晶、モスアイ構造や回折格子などの構造を実現することも可能である。たとえば凹凸パターンの周期を発光波長程度とすることでフォトニック結晶を実現し、特殊な光学特性を得られるようにしてもよい。凹凸パターンのより望ましい周期は０．２〜０．６μｍである。

本発明より製造されるIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置などに利用することができる。

１０：サファイア基板
１１：バッファ層
１２：ｎ型層
１３：発光層
１４：ｐ型層
１５：ｐ電極
１６：低融点金属層
１７：支持基板
１８：ｎ電極
１９、２０：凹凸パターン

Claims

成長基板の表面に凹凸パターンを形成し、凹凸パターン形成側の前記成長基板上に、バッファ層を介してIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、発光層、ｐ型層を積層し、前記ｐ型層上にｐ電極を形成し、前記ｐ電極と支持基板とを接合した後、前記成長基板を除去して前記ｎ型層の前記成長基板側表面に、前記凹凸パターンの反転パターンを転写するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記バッファ層はＡｌＮであり、
前記凹凸パターンは、周期が０．１〜１０μｍのパターンである、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記バッファ層は、ＭＯＣＶＤ法またはスパッタ法により形成することを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記凹凸パターンは、周期が１〜１０μｍのパターンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記凹凸パターンは、深さ０．７〜２μｍで側面の傾斜角度が４０〜８０°の凸部ないし凹部が配列されたドット状のパターンである、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記凹凸パターンは、周期が０．１〜１μｍのパターンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記ｎ型層の前記成長基板側表面の前記反転パターンは、フォトニック結晶、モスアイ構造、または回折格子であることを特徴とする請求項５に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記成長基板は透明基板であり、レーザーリフトオフにより前記成長基板を除去する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記成長基板はＳｉ基板またはＧａＡｓ基板であり、ウェットエッチングにより前記成長基板を除去する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記成長基板への前記凹凸パターンの形成は、ナノインプリント、ステッパー、干渉露光、レーザー露光、または電子ビーム露光を用いてマスクを形成してドライエッチングすることにより行う、ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。