(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板上に設けられるサファイア層と、該サファイア層上に積層され、チッ化ガリウム系化合物半導体からなり発光層形成部を構成する第１導電形層および第２導電形層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部の第１導電形層および第２導電形層にそれぞれ電気的に接続して設けられる第１および第２の電極とからなり、前記半導体積層部の第１導電形層に電気的に接続して第１の電極が設けられると共に、該半導体積層部の一部がエッチングされて露出する第２導電形層およびさらなるエッチングにより露出する前記半導体基板が連結されるように金属膜が設けられ、かつ、該半導体基板の裏面に第２の電極が設けられてなる半導体発光素子。
【請求項２】
（ａ）半導体基板上にＡｌ2 Ｏ3 単結晶層をエピタキシャル成長する工程、
（ｂ）該Ａｌ2 Ｏ3 単結晶層上に第１導電形層および第２導電形層を含み発光層形成部を構成するチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層し、半導体積層部を形成する工程、
（ｃ）前記半導体積層部の表面側の第１導電形層に電気的に接続して第１の電極を形成する工程、および
（ｄ）前記半導体積層部の一部をエッチングして第２導電形層を露出させ、該露出した第２導電形層の一部およびその下の前記Ａｌ2 Ｏ3 単結晶層をさらにエッチングして前記半導体基板の一部を露出させ、該エッチングおよび前記エッチングにより露出する前記半導体基板および前記第２導電形層の両方に接続するように金属膜を設けると共に、前記半導体基板の裏面に第２の電極を形成する工程、
を有する半導体発光素子の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子およびその製法に関する。さらに詳しくは、両電極をチップの上下両面から取り出しやすくすると共に、ウェハからのチップ化を劈開により行うことも可能で取り扱いやすい構造の半導体発光素子およびその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえば青色系の光を発光する半導体発光素子は、図４に示されるような構造になっている。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばＧａＮからなる低温バッファ層および高温でエピタキシャル成長されたｎ形のＧａＮ層からなるｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層（発光層）２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とからなり、その表面にｐ側電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出するｎ形層２３の表面にｎ側電極２９が設けられることにより形成されている。なお、ｎ形層２３およびｐ形層２５はキャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層２３側にＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層が用いられることが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体発光素子は、格子整合の関係で絶縁性のサファイア基板上にクラッド層や活性層などの半導体層が積層されている。そのため、ｎ側およびｐ側の両電極を半導体層が積層される一方側の面に設けなければならず、リードなどに発光素子（以下、ＬＥＤという）チップをダイボンディングする場合、電極の両方ともをワイヤボンディングしなければならず、組立工数が増加すると共に、ワイヤボンディングに伴う信頼性の低下という問題がある。
【０００４】
さらに、半導体層を積層したウェハから各チップに切断分離する場合、非常に加工のしにくいサファイア基板を切断しなければならない。そのため、きれいに切断することができなかったり、切断するのに多くの時間を必要として歩留りの低下や工数増によりコストアップになるという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、簡単な製造工程でチッ化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤチップの上下の両面に２つの電極を形成し得る半導体発光素子およびその製法を提供すること目的とする。
【０００６】
本発明の他の目的は、チッ化ガリウム系化合物半導体を用いながら、ウェハから各チップへの切断分離を容易に行うことができ、劈開もすることができる半導体発光素子およびその製法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、半導体基板と、該半導体基板上に設けられるサファイア層と、該サファイア層上に積層され、チッ化ガリウム系化合物半導体からなり発光層形成部を構成する第１導電形層および第２導電形層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部の第１導電形層および第２導電形層にそれぞれ電気的に接続して設けられる第１および第２の電極とからなり、前記半導体積層部の第１導電形層に電気的に接続して第１の電極が設けられると共に、該半導体積層部の一部がエッチングされて露出する第２導電形層およびさらなるエッチングにより露出する前記半導体基板が連結されるように金属膜が設けられ、かつ、該半導体基板の裏面に第２の電極が設けられている。
【０００８】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【００１２】
本発明の半導体発光素子の製法は、（ａ）半導体基板上にＡｌ2 Ｏ3 単結晶層をエピタキシャル成長する工程、（ｂ）該Ａｌ2 Ｏ3 単結晶層上に第１導電形層および第２導電形層を含み発光層形成部を構成するチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層し、半導体積層部を形成する工程、（ｃ）前記半導体積層部の表面側の第１導電形層に電気的に接続して第１の電極を形成する工程、および（ｄ）前記半導体積層部の一部をエッチングして第２導電形層を露出させ、該露出した第２導電形層の一部およびその下の前記Ａｌ2 Ｏ3 単結晶層をさらにエッチングして前記半導体基板の一部を露出させ、該エッチングおよび前記エッチングにより露出する前記半導体基板および前記第２導電形層の両方に接続するように金属膜を設けると共に、前記半導体基板の裏面に第２の電極を形成する工程、を有している。
【００１３】
この構成にすることにより、発光層形成部の第２導電形層と半導体基板とを電気的に接続することができ、チップの上下両面に両電極をそれぞれ設けることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子およびその製法について説明をする。
【００１５】
本発明の半導体発光素子は、図１にその一実施形態の断面説明図が示されるように、たとえばｎ形のシリコン基板１の上に０.５〜１μｍ程度の厚さに形成されたＡｌ2 Ｏ3 単結晶からなるサファイア層２が設けられ、その上にチッ化ガリウム系化合物半導体からなり発光層形成部１０を構成するｎ形層３、活性層４、およびｐ形層５が順次積層されている。このチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される前にサファイア層２の一部にコンタクト孔２ａが形成されており、チッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される際に、コンタクト孔２ａが設けられている部分はその孔の中に半導体層が堆積され、図１に示されるように、ｎ形層３とｎ形の半導体基板１とが電気的に接続されている。そして、積層された半導体層の表面に電流拡散層７を介してｐ側電極８が、半導体基板１の裏面にｎ側電極９がそれぞれ設けられている。
【００１６】
サファイア層２は、たとえば信学技報（ＥＤ９６−４２、１９９６年、５月）にも開示されているように、金属をスパッタさせながら基板に付着するときに酸化させることにより金属酸化物の単結晶を成長させる技術を使用して形成するもので、アルミニウムをターゲットとしてスパッタさせ、スパッタしたＡｌが付着する基板の表面付近を酸素リッチにしておくことにより、シリコン基板１の表面に付着する際に酸化アルミニウムとなってＡｌ2 Ｏ3 単結晶層がシリコン基板１上に成長する。この際、ターゲットのＡｌは酸化しないように、酸化源ができるだけターゲットに届かないようにすることが、優れた単結晶層を成長させるのに重要である。Ａｌ2 Ｏ3 単結晶とシリコン基板とは格子定数が異なるが、このような方法によりＡｌ2 Ｏ3 単結晶を成長させることにより、格子歪みの少ないきれいな結晶構造のサファイア層２を成長することができる。このサファイア層２は、チッ化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長するためのもので、数十ｎｍ程度の厚さあればチッ化ガリウム系化合物半導体層をきれいな結晶構造で成長することができるが、０.５〜１μｍ程度の厚さに形成されていてもよい。このサファイア層２には部分的にコンタクト孔２ａが形成されており、半導体基板１が露出している。
【００１７】
サファイア層２上に積層される半導体層は、たとえばｎ形のＧａＮからなる低温バッファ層が０.０１〜０.２μｍ程度とｎ形のＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ系化合物半導体からなるｎ形層（クラッド層）３が１〜５μｍ程度堆積されている。さらに、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体（たとえばＩｎの混晶比率が０.０５）からなる活性層４が０.０５〜０.３μｍ程度形成され、さらにｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層およびＧａＮ層からなるｐ形層（クラッド層）５が０.２〜１μｍ程度それぞれ順次積層されている。これらの半導体層は単結晶化されたサファイア層２上に堆積されるため、エピタキシャル成長される。前述のコンタクト孔２ａが形成された部分は半導体基板１上に堆積されるため、完全な格子整合をとることができないが、このコンタクト孔２ａをたとえばチップの周囲部分に設けておくことにより、チップの周囲では発光特性が低下しても問題がなく支障を来さない。
【００１８】
この積層された半導体層の表面には、たとえばＮｉとＡｕの合金層からなる電流拡散層７が２〜１００ｎｍ程度の厚さに設けられ、その表面にＴｉとＡｕの積層構造からなるｐ側電極８が設けられ、半導体基板１の裏面にＡｕからなるｎ側電極９が形成されている。ウェハの状態でこれらの積層構造が形成された後に、通常の方法で劈開することにより、図１に示されるような構造のＬＥＤチップが得られる。
【００１９】
つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法について説明をする。
【００２０】
まず、たとえば図２に示されるようなスッパタ装置の真空チャンバ１１内の基板載置台１２に半導体結晶層からなるシリコン基板１を取り付け、基板載置台１２と対向する位置に設けられるターゲット保持台１３にＡｌからなるターゲット２０を固定する。ターゲット２０の周囲は、その正面に直径が２０ｍｍ程度の開口部１４ａが設けられたカバー１４が設けられ、スパッタさせる金属は開口部１４ａを介して通過させながら、ターゲット２０が酸素雰囲気に晒されて酸化しないようにされている。このターゲット保持台１３には、電極棒１５が接触して設けられ、真空チャンバー１１内でプラズマ放電をさせられるように、電極棒１５とアース間に電極棒１５側が負となるように電源１６が設けられている。真空チャンバー１１の一側壁には、ガス導入用の管１７が設けられ、ＡｒとＯ2 が真空チャンバー１１内に供給され、真空チャンバー１１の他の側壁にはガス排出口１８が設けられている。この状態で、ＡｒガスとＯ2 ガスとを導入して、基板温度を６００〜８００℃にして放電させ、Ａｌ2 Ｏ3 単結晶層を０.５〜１μｍ程度の厚さエピタキシャル成長する。なお、１９ａ、１９ｂは磁界をターゲット表面に発生させるためのソレノイドコイルである。
【００２１】
つぎに、シリコン基板１をスパッタ装置から取り出し、マスキングをしてドライエッチング装置に入れて塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりサファイア層２をエッチングして半導体基板１を露出させる。このサファイア層２のエッチングはサファイア層２上に積層される半導体層と半導体基板１とを電気的に接続するもので、部分的に形成されておればよいが、たとえばチップの周囲に相当する部分に形成することにより、発光層形成部の発光特性に余り影響を与えることなく半導体層の接続をすることができると共に、ウェハからチップに分離する際に、分離部分にサファイア層がなくなるため、チップ化の際にとくに都合がよい。
【００２２】
つぎに、シリコン基板１をそのサファイア層２が上面になるように有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置に入れて、キャリアガスのＨ2 と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3 ）などの反応ガスおよびｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ4 などを供給して、まず、シリコン基板１上のサファイア層２上に、基板温度がたとえば４００〜６００℃程度の低温で、ｎ形のＧａＮ層からなる低温バッファ層を０.０１〜０.２μｍ程度程度成膜する。ついで、基板温度がたとえば６００〜１２００℃程度の高温で前述の反応ガスに、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）を導入してｎ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるｎ形層（クラッド層）３を１〜５μｍ程度エピタキシャル成長する。ついで、ドーパントガスおよび反応ガスとしてのＴＭＡを止め、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を追加して、ＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度形成する。その後、ドーパントガスをシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）にして、ｎ形層と同様にｐ形層（クラッド層）５を０.２〜１μｍ程度形成する。
【００２３】
その後、たとえばＮｉおよびＡｕを蒸着してシンターすることにより電流拡散層７を２〜１００ｎｍ程度形成する。ついで、電流拡散層７の表面にＴｉおよびＡｕを蒸着などにより積層してパターニングすることによりｐ側電極８を形成し、シリコン基板１の裏面にＡｕを蒸着などにより設けてｎ側電極９を形成する。ついで、ウェハを劈開して各チップに切断分離することにより、図１に示されるＬＥＤチップが得られる。
【００２４】
本発明の半導体発光素子およびその製法によれば、半導体基板上にサファイア層が設けられ、その上にチッ化ガリウム系化合物半導体層がエピタキシャル成長されているため、青色系の発光に適した発光層形成部が設けられながら、その基板に半導体基板を用いることができる。半導体基板と積層される半導体層との間のサファイア層は非常に薄く、エッチングによるコンタクト孔の形成が容易に行われ、サファイア層を挟む半導体層と半導体基板との電気的接続を簡単に得ることができる。その結果、ＬＥＤチップの上下両面にｐ側電極およびｎ側電極をそれぞれ設けることができる。また、サファイア層が非常に薄いため、ウェハからチップへの切断分離も非常に容易に行うこともでき、半導体基板の方位に沿った劈開をすることもできる。コンタクト孔がこのチップの周囲に設けられておれば、一層容易に劈開などの切断を行うことができる。
【００２５】
前述の例では、シリコン基板１上に成長したサファイア層２にコンタクト孔を設けてその上にチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層したが、サファイア層２がない部分で格子整合が取れないという問題を解消するために、図３に同様のチップの断面説明図が示されるように、サファイア層２にはエッチング孔を形成しないで、全面にチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層して半導体層の積層が終った後に、従来と同様にその積層された半導体層の一部をエッチングしてｎ形層３を露出させ、さらにその露出したｎ形層３の一部およびその下のサファイア層２をエッチングして半導体基板１を露出させ、その露出したｎ形層３と半導体基板１との両方に跨るようにＴｉなどの金属膜９ａを設けることにより電気的に接続してもよい。このような構造にしても、サファイア層２が非常に薄いため、簡単にエッチングされてｎ形層３と半導体基板１とを簡単に接続することができ、半導体基板１の裏面にｎ側電極９を設けることができる。しかも、ｎ形層３の露出もただ接続するだけでよいため、従来のように電極を設ける必要から大きくエッチングする必要がなく、発光層形成部１０を縮小することがない。
【００２６】
前述の各例では、いずれもｎ側電極９を半導体基板１の裏面に設けたが、従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いるＬＥＤチップと同様に積層される半導体層側にｐ側およびｎ側の両電極を設けることもできる。この場合でも、ウェハからチップへの切断分離が非常に容易になるという利点がある。
【００２７】
さらに、前述の各例では、発光ダイオードの例であったが、発光ダイオードに限らずレーザダイオードでも同様である。レーザダイオードの場合劈開することにより、共振器の反射面を鏡面に形成しやすいためとくに効果がある。また、レーザダイオードの場合、発光層形成部の他にもさらにコンタクト層などの他の半導体層が積層される場合がある。また、発光ダイオードの場合でも電流拡散層など他の半導体層が積層される場合があるが、他の半導体層が積層されても同様である。さらに前述の各例では、発光層形成部がダブルヘテロ接合構造の例であったが、ｐｎ接合構造でも同様である。また、半導体基板としてシリコン基板を用いたが、ＧａＡｓなど他の化合物半導体基板を用いることもできる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、チッ化ガリウム系化合物半導体層を半導体基板上に積層することができるため、電極を基板の裏面に取り出しやすくなる。そのため、ＬＥＤチップの組立作業が容易となり、非常に使用勝手のよい青色系の半導体発光素子が得られる。
【００２９】
さらに、基板に半導体基板を使用しているため、ウェハからのチップ化が容易になると共に、劈開をすることもできるため、レーザダイオードの製作にとくに都合がよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態のチップの断面説明図である。
【図２】本発明のサファイア層を成長させる装置の概略説明図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の他の形態のチップの断面説明図である。
【図４】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。
【符号の説明】
１    半導体基板
２    サファイア層
２ａ  コンタクト孔
３    ｎ形層
４    活性層
５    ｐ形層
８    ｐ側電極
９    ｎ側電極
９ａ  金属膜
１０    発光層形成部
【図１】
0003713124.tif 000002
【図２】
0003713124.tif 000003
【図３】
0003713124.tif 000004
【図４】
0003713124.tif 000005