(57)【要約】      （修正有）【課題】窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体を基板とする窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子において、応力に起因する劣化を防止し、寿命時間の改善を図ること。【解決手段】窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体を基板とする半導体発光素子の劣化を防止する方法において、基板の上に成長した多層構造各層の応力を制御する。具体的には、半導体発光素子の基板厚みを６５〜５００μｍとし、実装温度を１９０℃〜２６０℃の範囲として、ジャンクションアップまたはジャンクションダウンにより実装する。【選択図】図２
2006179508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体を基板とする半導体発光素子の劣化を防止する方法において、前記基板の上に成長した多層構造各層の応力を制御することを特徴とする前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法。
【請求項２】
前記基板の厚さを調整することにより前記多層構造各層の応力を制御することを特徴とする請求項１に記載の窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法。
【請求項３】
前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体素子を接合材料によりパッケージへ実装する際に、実装温度を調整することにより、前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体素子の各層の応力を制御することを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法。
【請求項４】
前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体素子を接合材料を用いて前記パッケージへ実装する際に、サブマウントを用いる場合、前記サブマウントの熱膨張係数、および前記実装温度に応じて前記基板厚を調整す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系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法。
【請求項５】
前記サブマウントの材質が窒化アルミニウムであり、前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の前記基板の厚さが６５μm以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法。
【請求項６】
前記サブマウントの材質が炭化珪素であり、前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の前記基板の厚さが１００μm以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体を基板とする半導体発光素子において、前記基板の上に成長した多層構造各層の応力を制御することを特徴とする前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長400nm帯の窒化ガリウム系発光素子は次世代のデジタルビデオディスク（DVD）用の光源として最も期待される光源のひとつであり、高温時に高出力動作可能な発光素子の開発が活発に議論されている。しかし、前記窒化ガリウム系発光素子を構成する窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体の結晶成長は極めて困難であり、素子特性は実用上要求されるレベルを満足していない。特に、素子の劣化防止は、量産化に向けて前記窒化ガリウム系発光素子の抱える最大の課題である。
【０００３】
前記窒化ガリウム系発光素子の劣化を促進する要因のひとつは、前記窒化ガリウム系発光素子の活性層に働く応力である。前記活性層に強い引張り応力が働いている場合、素子劣化が著しく、寿命時間は極度に低下する。前記応力は▲１▼素子を形成する基板の種類と、▲２▼素子を構成する前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体の結晶成長時および接合材料による実装時の熱履歴に強く依存する。
【０００４】
従来用いられている代表的な前記基板は、サファイア基板、もしくはELO技術を用いたサファイア上低転位基板であるが、これらは前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体との熱膨張係数差が大きいということ、また前記窒化ガリウム系発光素子の端面形成が容易でないなどの欠点を有する。
【０００５】
一方、最近、前記欠点を克服する基板として窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体を基板とする窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の形成が試みられている。非特許文献１では、窒化ガリウムを基板とする発光素子の検討を行っている。しかしながら、窒化ガリウム基板を用いた発光素子に関して、実用上要求される寿命時間レベルを満たす素子は得られていない。
【０００６】
これまでのところ、窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体を基板とする窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子に関して、活性層の応力に起因する素子劣化を防止する有力な方法は提案されていない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２２２８３号公報（特に段落番号００１３および００３３）
【特許文献２】
特開２００２−２９９７６９号公報
【非特許文献１】
Technical report of IEICE LQE2001-29, 73 (2001)
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来の問題を解決し、前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体を基板とする窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子において、応力に起因する劣化を防止し、寿命時間の改善を図ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体を基板とする半導体発光素子の劣化を防止する方法において、前記基板の上に成長した多層構造各層の応力を制御することを特徴とする前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記基板の厚さを調整することにより前記多層構造各層の応力を制御することを特徴とする請求項１に記載の窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体素子をパッケージへ実装する際に、実装温度を調整することにより、前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体素子の各層の応力を制御することを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法である。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体素子を前記パッケージへ実装する際に、サブマウントを用いる場合、前記サブマウントの熱膨張係数、および前記実装温度に応じて前記基板厚を調整す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系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法である。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記サブマウントの材質が窒化アルミニウムであり、前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の前記基板の厚さが６５μm以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法である。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、前記サブマウントの材質が炭化珪素であり、前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の前記基板の厚さが１００μm以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の前記窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１の実施形態に係る窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の構成断面図の一例を示している。図１に示すように、ｎ型の窒化ガリウムからなる基板１１の上に、ｎ型の窒化ガリウム基板１１の上に成長するｎ型バッファ層１２と、ｎ型クラッド層１３と、ｎ型ガイド層１４と、活性層１５と、ｐ型ガイド層１６と、ｐ型クラッド層１７と、ｐ型コンタクト層１８と、電流狭窄絶縁層１９と、窒化ガリウム基板１１裏面のｎ型電極２０と、ｐ型コンタクト層の上部のｐ型電極２１からなる。
【００１７】
図２は第１の実施形態に係る窒化ガリウム系発光素子をジャンクションダウン法により実装した様子を示している。図２に示すように、第１の実施形態に係る窒化ガリウム系発光素子が、導電性および放熱性に優れた窒化アルミニウムからなるサブマウント２２の主面上にｐ型電極２１側で接合されている。
【００１８】
また図３は第１の実施形態に係る窒化ガリウム系発光素子をジャンクションアップ法により実装した様子を示している。図３に示すように、第１の実施形態に係る窒化ガリウム系発光素子が、導電性および放熱性に優れた窒化アルミニウムからなるサブマウント２２の主面上に、ｎ型電極２０側で接合されている。
【００１９】
以下の表１は第１の実施形態に係る窒化ガリウム系発光素子を図２および図３に示すように窒化アルミニウムからなるサブマウント２２に、ジャンクションダウン法もしくはジャンクションアップ法により実装した状態において、素子の活性層に働く応力を計算した結果の一例である。
【００２０】
【表１】
2006179508.tif 000003
【００２１】
表１に示すように、ジャンクションダウン法で実装した場合、活性層に働く応力は基板の厚さよらずに引張り応力であり、その応力は基板厚が増加するにつれて減少している。一方、ジャンクションアップ法で実装した場合、活性層に働く応力は基板厚が増加するにつれて引張り応力から圧縮応力へと変化している。
【００２２】
同様の応力計算を、実装時の典型的な温度１９０℃〜２６０℃の範囲において行った。ここで設定した実装の温度範囲は、実装に用いるはんだ材料の特性から制約される温度範囲である。
【００２３】
窒化アルミニウムからなるサブマウントを用いた実装の場合、窒化ガリウム基板１１の厚さが６５μｍ以上５００μｍ以下であれば、図２に示すジャンクションダウン法、もしくは図３に示すジャンクションアップ法のいずれかにおいて、実装温度を１９０℃〜２６０℃の範囲で適当に設定することにより、活性層に働く応力の範囲を０．１ＧＰａ以下の引張り応力、あるいは０．０５ＧＰａ以下の圧縮応力に制御することが出来る。過度の応力は素子の信頼性に重大な障害をもたらすことから、活性層に働く応力は出来る限り上記の範囲内に抑えることが望ましい。
【００２４】
基板厚が６５μｍ以下の場合には、活性層に働く応力が増大するのみならず、素子が割れやすいためにハンドリングが困難である。
【００２５】
一方、窒化ガリウム基板１１を用いた窒化ガリウム系発光素子の場合、活性層に働く応力を低減するという観点では、基板が厚くなれば厚くなるほど、引張り応力による素子劣化の防止には有利である。しかしながら、５００μｍを越えるような過度な窒化ガリウム基板厚は、へき開による発光素子の端面形成を困難にする。したがって、窒化ガリウム基板の厚さは、活性層に働く応力が低いレベル抑制され、なおかつ、へき開が容易である厚さに設定されることが好ましい。この具体的な厚み（窒化ガリウム基板１１の厚み）が６５μｍ以上５００μｍ以下である。
【００２６】
なお、窒化ガリウム基板が過度に厚い場合においても、端面形成が容易にするように基板形状を加工することが好ましい。例えば、端面を形成する部分のみ、窒化ガリウム基板の裏面側をストライプ状に除去するなどして、へき開による端面形成を容易に保つことも出来る。
【００２７】
素子を構成する各層に働く上記応力の指標のひとつとして、素子の反り量がある。素子の反り量は、例えば干渉計を用いることにより測定することができる。
【００２８】
以下の表２は、第１の実施形態に係る窒化ガリウム系発光素子を、窒化アルミニウムからなるサブマウントを用いて、図２に示すようにジャンクションダウン法で実装した場合について、素子の反り量を測定した結果である。
【００２９】
【表２】
2006179508.tif 000004
【００３０】
表２に示すように、窒化ガリウム基板の厚さが１００μｍの場合、素子の反り量は０．０２８μｍ、窒化ガリウム基板の厚さが２００μｍの場合、素子の反り量は０．０３３μｍであった。表２中の実線は、上記の応力計算から求められる素子の反り量である。応力計算から求められた素子の反り量と実測の反り量の良い一致がは、窒化ガリウム基板の厚さを制御することにより、素子の活性層に働く応力を制御が可能であることを示す。
【００３１】
以上では活性層に働く応力を例に述べたが、素子を構成するすべての層について、同様の手法を用いることにより応力の制御が可能である。
【００３２】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図１は本発明の第２の実施形態に係る窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の構成断面図の一例を示している。図２は第２の実施形態に係る窒化ガリウム系発光素子をジャンクションダウン法により実装した様子を示している。図３は第２の実施形態に係る窒化ガリウム系発光素子をジャンクションアップ法により実装した様子を示している。図１、図２、および図３は、本発明の実施形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００３４】
以下の表３は第２の実施形態において、窒化アルミニウムからなるサブマウント２２を、炭化珪素からなるサブマウントに置き換えて、ジャンクションダウン法もしくはジャンクションアップ法により実装した状態において、素子の活性層に働く応力を計算した結果の一例である。
【００３５】
【表３】
2006179508.tif 000005
【００３６】
表３に示すように、ジャンクションダウン法で実装した場合、活性層に働く応力は基板の厚さよらずに引張り応力であり、その応力は基板厚が増加するにつれて減少している。一方、ジャンクションアップ法で実装した場合、活性層に働く応力は基板厚が増加するにつれて引張り応力から圧縮応力へと変化している。
【００３７】
同様の応力計算を、実装時の典型的な温度１９０℃〜２６０℃の範囲において行った。ここで設定した実装の温度範囲は、実装に用いるはんだ材料の特性から制約される温度範囲である。
【００３８】
炭化珪素からなるサブマウントを用いた実装の場合、窒化ガリウム基板の厚さが１００μｍ以上５００μｍ以下であれば、図２に示すジャンクションダウン法、もしくは図３に示すジャンクションアップ法のいずれかにおいて、実装温度を１９０℃〜２６０℃の範囲で適当に設定することにより、活性層に働く応力の範囲を０．２ＧＰａ以下の引張り応力、あるいは０．０３ＧＰａ以下の圧縮応力に制御することが出来る。過度の応力は素子の信頼性に重大な障害をもたらすことから、活性層に働く応力は出来る限り上記の範囲内に抑えることが望ましい。
【００３９】
上記の範囲を超える厚みの基板を用いた素子では、活性層に働く応力が過度になるのみならず、素子のハンドリングや端面形成を困難にするため好ましくない。
【００４０】
素子を構成する各層に働く上記応力の指標のひとつとして、素子の反り量がある。素子の反り量は、例えば干渉計を用いることにより測定することができる。
【００４１】
以下の表４は、第１の実施形態に係る窒化ガリウム系発光素子を、炭化珪素からなるサブマウントを用いて、図２に示すようにジャンクションダウン法で実装した場合について、素子の反り量を測定した結果である。
【００４２】
【表４】
2006179508.tif 000006
【００４３】
表４に示すように、窒化ガリウム基板の厚さが１００μｍの場合、素子の反り量は０．０３８μｍ、窒化ガリウム基板の厚さが２００μｍの場合、素子の反り量は０．０４７μｍであった。表４中の実線は、上記の応力計算から求められる素子の反り量である。応力計算から求められた素子の反り量と実測の反り量の良い一致がは、窒化ガリウム基板の厚さを制御することにより、素子の活性層に働く応力を制御が可能であることを示す。
【００４４】
以上、本発明の第２の実施形態では活性層に働く応力を例に述べたが、素子を構成するすべての層について、同様の手法を用いることにより応力の制御が可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の劣化防止方法によると、窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体を基板とする発光素子の活性層の応力を基板厚の調整により制御することができ、応力に起因する素子の劣化を防止する極めて有効な方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１・第２の実施形態に係る窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子の構成断面図
【図２】本発明の第１・第２の実施形態に係る窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子が実装された状態を示す構成断面図
【図３】本発明の第１・第２の実施形態に係る窒化物系III‐Ｖ族化合物半導体発光素子が実装された状態を示す構成断面図
【符号の説明】
１１    ｎ型窒化ガリウム基板
１２    ｎ型バッファ層
１３    ｎ型クラッド層
１４    ｎ型ガイド層
１５    活性層
１６    ｐ型ガイド層
１７    ｐ型クラッド層
１８    ｐ型コンタクト層
１９    電流狭窄絶縁層
２０    ｎ型電極
２１    ｐ型電極
２２    サブマウント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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