(57)【要約】【課題】  半導体機能層と高熱伝導基板とを有する窒化物半導体素子を、短時間で製造する方法を提供する。【解決手段】  成長基板上に半導体機能層を成長させた後に、半導体機能層上に高熱伝導基板を接合し、次に、成長基板と半導体機能層の界面に超音波を照射して成長基板と半導体機能層を分離することを特徴とする半導体機能層と高熱伝導基板とを有する窒化物半導体素子の製造方法。成長基板と半導体機能層の界面に空隙を設けるようにして成長基板上に半導体機能層を成長させる前記記載の製造方法。【選択図】          なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長基板上に半導体機能層を成長させた後に、半導体機能層上に高熱伝導基板を接合し、次に、成長基板と半導体機能層の界面に超音波を照射して成長基板と半導体機能層を分離することを特徴とする半導体機能層と高熱伝導基板とを有する窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２】
成長基板と半導体機能層の界面に空隙を設けるようにして成長基板上に半導体機能層を成長させる請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
超音波の周波数が１５ｋＨｚ以上１０ＧＨｚ未満の範囲内である請求項１または２に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体素子は、サファイアからなる成長基板の上に、バッファ層、電子輸送層、発光層、正孔輸送層等からなる半導体機能層を成長させ、電極を設置して製造される。しかし、サファイアは熱伝導度が低いため、窒化物半導体素子の中でも、例えば高輝度の発光ダイオード素子を前記製造方法で製造すると、電流密度を増加させた時、半導体素子の寿命が短くなるなどの問題点が生じる。
【０００３】
そこで、熱伝導度の高い物質からなる高熱伝導基板と半導体機能層を有してなる窒化物半導体の製造方法として、サファイアからなる成長基板上に半導体機能層を成長させ、その窒化物半導体機能層に高熱伝導基板を貼り付け、成長基板と半導体機能層の界面に集光するようにして強いレーザー光を照射することにより成長基板を窒化物半導体機能層から分離し（この分離方法を「レーザーリフトオフ法」という。）、電極を設置することにより、半導体機能層と高熱伝導基板とを有する窒化物半導体素子を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
しかしながら、レーザーリフトオフ法を用いた製造は、半導体機能層が熱衝撃で破損しないようにレーザー光の強さを調節して行う必要があるため時間がかかるので、半導体機能層と高熱伝導基板とを有する窒化物半導体素子をより短時間で製造することができる方法が求められていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３４７５８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、半導体機能層と高熱伝導基板とを有する窒化物半導体素子を、短時間で製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記問題を解決するために、窒化物半導体素子の製造方法について鋭意検討した結果、成長基板とその上に成長させた半導体機能層の界面に超音波を照射することにより、成長基板と半導体機能層を分離することができ、その分離に要する時間が短く、この分離方法を用いることにより、半導体機能層と高熱伝導基板とを有する窒化物半導体素子を、従来より短時間で製造することができることを見出し、本発明を完成させるに到った。
【０００８】
すなわち本発明は、成長基板上に半導体機能層を成長させた後に、半導体機能層上に高熱伝導基板を接合し、次に、成長基板と半導体機能層の界面に超音波を照射して成長基板と半導体機能層を分離することを特徴とする半導体機能層と高熱伝導基板とを有する窒化物半導体素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、従来の製造方法に比べて短時間で効率良く窒化物半導体素子を製造することができ、歩留まりも高く、本発明の製造方法は発光ダイオード素子、レーザダイオード素子の製造に好適であるので、工業的に極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、成長基板上に半導体機能層を成長させた後に、半導体機能層上に高熱伝導基板を接合し、次に、成長基板と半導体機能層に超音波を照射して成長基板と半導体機能層を分離することを特徴とする。
【００１１】
以下、本発明を工程の順に説明する。
まず、成長基板上に半導体機能層を気相成長させる。本発明において用いる成長基板としては、サファイア、シリコン単結晶、炭化ケイ素単結晶、酸化亜鉛単結晶、硼化ジルコニウム単結晶、硼化クロム単結晶からなる成長基板が挙げられる。
【００１２】
本発明において、半導体機能層としては、通常用いられている窒化物半導体発光素子の構成を用いることができる。すなわち、ｎ型の導電性を有する層、ｐ型の導電性を有する層、これらの間に発光層を有するものであり、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなるバッファ層；ＳｉまたはＧｅをドープしたｎ−ＧａＮ、ＳｉまたはＧｅをドープしたｎ−ＡｌＧａＮ等からなるクラッド層；ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等からなる発光層；アンドープＧａＮ、ｐ−ＧａＮからなるクラッド層；ＭｇドープＡｌＧａＮ、Ｍｇドープｐ−ＧａＮからなるキャップ層が順次積層されてなる層構造が挙げられる（例えば、特開平６−２６０６８２号公報、特開平７−１５０４１号公報、特開平９−６４４１９号公報、特開平９−３６４３０号公報を参照。）
【００１３】
半導体機能層を成長基板上に成長させる方法としては、通常のＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法を用いることができる。
【００１４】
例えば、ＭＯＶＰＥ法においては、前記成長基板を加熱し、窒素原料ガス、ガリウム原料ガス、アルミニウム原料ガス、インジウム原料ガス等を流して化合物半導体機能層の結晶を成長させる（例えば、特開平７−２４９７９５号公報、特開平９−１１６１３０号公報を参照。）。窒素原料ガスとしては通常はアンモニア（ＮＨ3）が用いられる。ガリウム原料ガス、アルミニウム原料ガス、インジウム原料ガスとしては、各金属原子に炭素数が１から３のアルキル基もしくは水素が結合した、トリアルキル化物もしくは三水素化物が、通常用いられる。
【００１５】
成長基板上と半導体機能層の分離を容易にするため、成長基板上に、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＴｉＯ2、ＨｆＯ2、ＺｎＯ、Ｃｒ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、ＺｒＯ2等の酸化物、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ，ＷＣ、ＭｏＣ、Ｃｒ3Ｃ2等の炭化物、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＮ、ＢＮ、ＮｂＮ、ＺｒＮ、ＣｒＮ等の窒素化物、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ等の金属粒子のディスパージョンを作製し、成長基板上に塗布した後、乾燥させて粒子が付着した成長基板を用いることによって、成長基板とバッファ層の接合面積を減少させることができる。用いる粒子の平均粒径は０．１ｎｍ以上１００μｍ未満で、好ましくは１ｎｍ以上１０μｍ未満、さらに好ましくは５ｎｍ以上５μｍ未満である。平均粒径が０．１ｎｍ未満では粒子が凝集物を作り成長基板上に均一に塗布することが困難となる傾向がある。また、平均粒径が１００μｍ以上では半導体機能層の成長により粒子を半導体機能層内に埋め込むことが困難となる傾向がある。
【００１６】
成長基板と半導体機能層の分離を容易に行うための別の方法として、ＦＡＣＥＬＯ（Facet  Controlled  Epitaxial  Lateral  Overgrowth）を用いて半導体機能層を成長させてもよい。すなわち、成長基板上にＷやＳｉＯ2等を１００〜１０μｍの厚さで蒸着した後、所定形状にエッチングすることにより、部分的にＷやＳｉＯ2等が付着した成長基板を作製して用いる方法が挙げられる。前記した方法により半導体機能層を成長させた場合、ＷやＳｉＯ2等のマスク上で横方向成長（Epitaxial  Lateral  Overgrowth）して生成した半導体機能層と成長基板の界面に空隙が発生する。また、前記した通常の半導体機能層の成長においても、５００℃付近でバッファ層を成長してから１０００℃程度での本成長に入る付近でIII族原料のＮＨ3の供給を、例えば、１０分程度、一時的に停止することでバッファ層に空隙が入る。これらの処理を行うことにより、次の工程で行う成長基板と半導体機能層の分離を容易に行うことができる。
【００１７】
次に半導体機能層物に高熱伝導基板を接合する。高熱伝導基板としては、Ｌａ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｗ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＣｕおよびＦｅから選ばれる１種以上であって、それらのうち、１種類の成分を９０重量％以上含有する金属材料からなるものが挙げられる。高熱伝導性基板の３００Ｋ（２７℃）での熱伝導度は、４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が好ましく、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上がさらには好ましい。熱伝導度の上限は特にないが、通常は４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。接合は通常は接合層にハンダ金属を用いた熱圧着により実施するが、超音波接合によって接合することもできる。
【００１８】
窒化物半導体素子を構成する電極としては、通常用いられているＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等からなる電極を用いることができる。
【００１９】
本発明の次の工程において、超音波を用いて成長基板と半導体機能層の分離を行う。超音波は可聴周波数より高い周波数の音波であり、本発明においては、超音波の周波数を１５ｋＨｚ以上とする。超音波を用いた成長基板と半導体機能層の剥離挙動は明らかではないが、超音波振動により成長基板と半導体機能層の界面で半導体機能層が受ける圧縮せん断応力の繰り返しによって、半導体機能層が発熱して分解し剥離に到るものと考えられる。
【００２０】
例えば、サファイアからなる成長基板では周波数が２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの超音波を照射することで剥離が可能となる。一般的に用いる超音波の周波数は１５ｋＨｚ以上１０ＧＨｚ未満の範囲内である。好ましくは２０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ未満、さらに好ましくは２０ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ未満である。周波数が１５ｋＨｚ未満では超音波のエネルギーが小さく、分離が困難となる傾向がある。また、周波数が１０ＧＨｚ以上ではエネルギーが大きすぎるために半導体機能層中に微小クラックが発生する傾向がある。
【００２１】
超音波の波長を選択することにより、半導体機能層の損傷を最小限に留めることができる。超音波はレーザーに比べて物質中の伝播速度は遅く、減衰しやすいという性質があるため、成長基板と半導体機能層の界面に焦点を絞ることにより、その上に成長した半導体機能層にはダメージを殆ど無くすることができる。
【実施例】
【００２２】
以下本発明を、実施例を挙げてさらに詳しく説明する。本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２３】
実施例１
大きさ２インチ、厚さ４３０μｍのサファイア板からなり、（０００１）面を主面とする成長基板上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて次に示すＬＥＤ構造を有する半導体機能層を結晶成長させる。すなわち、ＧａＮバッファ層５００Å、ｎ型キャリア濃度５×１０18／ｃｍ3のＳｉドープｎ型ＧａＮ層４μｍ、ｎ型キャリア濃度５×１０18でＡｌ組成１５％のＡｌＧａＮ（Ａｌ0.15Ｇａ0.75Ｎ）層０．３μｍ、ｎ型キャリア濃度１×１０17のＳｉドープｎ型ＧａＮ層０．３μｍ、アンドープＧａＮの１５ｎｍの層とＩｎＧａＮの２．５ｎｍの層の繰り返し１０回からなり発光波長４７０ｎｍの多重量子井戸活性層（発光層）、アンドープＧａＮ層１５ｎｍ、ＭｇドープＡｌ組成５％のＡｌＧａＮ層２５ｎｍ、ＭｇドープＧａＮ層０．２μｍを順次積層して成長させてなるＬＥＤ構造である。
【００２４】
成長後の半導体層機能層の表面上に形成する膜厚３μｍのフォトレジスト膜から素子分離用のマスクパターンをフォトリソグラフィにより作製し、ＩＣＰドライエッチング法により分離溝がサファイア基板に到達するまでエッチングして分離溝を形成する。ＩＣＰドライエッチングに用いたエッチングガスは、Ｃｌ2、ＣＨ2Ｃｌ2、Ａｒの混合ガスであり、ガス流量は各々２０、１０、４０ｓｃｃｍ、圧力２Ｐａ、ＩＣＰパワー２００Ｗ、バイアスパワー１００Ｗである。ドライエッチング終了後、マスクパターンを有機溶剤で溶解させ除去する。
【００２５】
次に素子分離された半導体機能層の表面にオーミックｐ電極を形成するために、エピ基板をＮ2中８００℃で２０分保持して熱処理を行い、Ｍｇドープ層を低抵抗のｐ型にする。つぎに、半導体機能層表面を熱王水（６０℃）を用いて表面処理し、オーミックｐ電極となるＮｉＡｕ電極を形成するために、真空蒸着装置にてＮｉを１５０Å、続いてＡｕを３００Å蒸着し、リフトオフ法により電極パターンを形成する。続いてＯ2を５体積％含むＮ2雰囲気中で５００℃１０分間の熱処理を行うことによりＮｉＡｕオーミックｐ電極を作製する。
【００２６】
次に表面鏡面研磨した、Ｍｏ（３００Ｋでの熱伝導率は１３８Ｗ／（ｍ・Ｋ））からなり厚さ１００μｍで直径２インチの板を高熱伝導基板として準備し、この表面に接合層の密着性を向上させる層としてＴｉ／Ｐｔを真空蒸着法により、それぞれ５００Å／５００Å形成し、Ｎ2雰囲気中で３５０℃で３０分保持して熱処理を行う。さらに、接合層であるＡｕ−Ｓｎ合金層（Ａｕ８０重量％−Ｓｎ２０重量％）を厚さ５０００Åとなるように真空蒸着法で形成する。高熱伝導性基板上に形成するものと同じ層構造の密着性向上層と接合層を、エピ基板のＮｉＡｕオーミックｐ電極の形成された領域の上に、リフトオフ法を用いたフォトリソグラフィと真空蒸着法により形成する。
【００２７】
さらに接合層の形成された半導体機能層と、同じく接合層の形成された高熱伝導基板とを、接合層同士で向かい合わせ、真空熱圧着法により貼り合わせて接合し、接合基板を作製する。接合における圧力、温度、時間、荷重の条件は各々、１×１０-3Ｔｏｒｒ以下、３００℃、５分間、６０００Ｎとする。
【００２８】
次に超音波工業（株）製の超音波加工機（ＵＳＭ−６０Ｚ２５Ｓ型、周波数２５ｋＨｚ、出力６０Ｗ）を用いて、超音波を接合基板のサファイア成長基板側から入射させ、サファイア／半導体機能層界面に焦点位置が来るようにして照射を行う。超音波を照射しながら試料を移動させるようにスキャンして、試料全面に超音波を約２０分間照射させる。その後、超音波照射の終わった半導体機能層／高熱伝導度基板貼り合せ基板を６０℃の温湯の中に入れて、サファイア成長基板／半導体機能層界面に発生しているＧａメタルをメルトさせることにより、サファイア成長基板を剥離させる。
【００２９】
以上の工程により、Ｍｏからなる高熱伝導基板上に接合層を介して半導体機能層が貼り合わされた窒化物半導体素子を作製することができる。窒化物半導体素子にクラック等の欠陥は見られなく、短時間で剥離が良好に実施できる。こうして高熱伝導性基板と半導体機能層からなる窒化物半導体素子が得られる。
【００３０】
実施例２
サファイアからなる成長基板のオリフラと平行方向に幅３μｍ、高さ１μｍのＳｉＯ2パターン膜をピッチ３μｍで蒸着を行うことにより作製する。それ以外は実施例１と同等の処理を行うことによって、Ｍｏ高熱伝導基板に接合層を介して半導体機能層が接合された接合基板を作製する。ＳｉＯ2パターン膜上にＦＡＣＥＬＯ法で成長したＧａＮ層においては、ＳｉＯ2膜上にはＧａＮ層は成長せず、空隙部が存在するので、サファイア成長基板と半導体機能層のＧａＮ層との接合面積が著しく減少し、サファイア成長基板の剥離が超音波により容易に実施できる。実施例１より超音波の出力を低下させて剥離が行えるため、マイクロクラックの発生がなく製品の歩留まりは向上する。
【００３１】
比較例１
実施例１と同様にして、Ｍｏからなる高熱伝導基板上に接合層を介して半導体機能層（サファイア成長基板が付いたもの）が接合された接合基板を用意する。次にレーザー照射により成長基板であるサファイア板を剥離する。レーザーはＣＷ発振ＹＶ０４レーザーの３倍高調波（波長３５５ｎｍ）をチョッパーにより周波数１５ｋＨｚのパルスにしたものであり、３倍高調波の出力は０．４７Ｗ、レーザビーム径４０μｍである。レーザパルスの１ショットごとに、試料を３０μｍ移動させるようにスキャンしながら、試料全面にレーザーを照射させて約３０分後に照射を終了する。照射後の接合基板を６０℃の温湯の中に入れて、成長基板／半導体機能層界面に発生しているＧａメタルをメルトさせることにより、サファイア成長基板を剥離させる。出力の小さいレーザーを用いているため窒化物半導体素子にクラック等の欠陥は見られなく、剥離は良好に実施できているが、レーザーの照射時間は実施例１の超音波照射時間に比べ長くなる。