(57)【要約】【課題】本発明は垂直構造ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ＬＥＤ素子及びその製造方法に関する。【解決手段】本発明の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法は、成長用基板上に第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、活性層及び第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順次に形成する段階と、上記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に導電性基板を接合する段階と、上記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から上記成長用基板を除去する段階と、上記成長用基板の除去により露出された面側の上記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に電極を形成する段階とを含む。上記導電性基板の接合段階は、金属接合層を接合界面に接触させた状態で上記接合界面にマイクロ波を印加して上記金属接合層を局部的に加熱する段階を含む。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長用基板上に第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、活性層及び第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順次に形成する段階と、
前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に導電性基板を接合する段階と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から前記成長用基板を除去する段階と、
前記成長用基板の除去により露出された面側の前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に電極を形成する段階とを含み、
前記導電性基板の接合段階は、金属接合層を接合界面に接触させた状態で前記接合界面にマイクロ波を印加して前記金属接合層を局部的に加熱する段階を含むことを特徴とする垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項２】
前記導電性基板の接合段階は、
前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に第１金属接合層を形成する段階と、
前記導電性基板上に第２金属接合層を形成する段階と、
前記第１金属接合層と第２金属接合層を接触させた状態で接合界面にマイクロ波を印加して前記金属接合層の接触面の温度を局部的に上昇させる段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項３】
前記導電性基板の接合段階において、前記金属接合層を接合界面に接触させた状態で前記接合界面にマイクロ波と圧力を同時に加えることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項４】
前記マイクロ波は、１〜１０ＧＨｚの単一モードキャビティマイクロ波であることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項５】
前記導電性基板の接合段階は、常温乃至１５０℃以下の雰囲気温度で行われることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項６】
前記導電性基板の接合段階において、前記マイクロ波は前記成長用基板の外側から印加されることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項７】
前記導電性基板が前記マイクロ波に対して透過性を有する場合に、前記マイクロ波は前記導電性基板の外側から印加されることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項８】
前記導電性基板は、Ｓｉ基板、Ｓｉ−Ａｌ合金基板、ＳｉＣ基板及びＧａＡｓ基板のうち選択された基板であることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項９】
前記導電性基板は、Ｗ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉ及びＴｉからなるグループから選択された少なくとも１種を含む金属基板であることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項１０】
前記導電性基板は、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導度を有することを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１導電型はｎ型で、前記第２導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第１及び第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と活性層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項１３】
前記金属接合層は、３５０℃以上の融点を有する金属で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項１４】
前記金属接合層は、Ａｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｍｏ及びＮｉからなるグループから選択された少なくとも一つの金属で形成されたことを特徴とする請求項１３に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項１５】
前記金属接合層は、共融金属からなることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項１６】
前記金属接合層は、融点が３３０℃以下の物質からなることを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項１７】
前記金属接合層は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ａｌ，Ｉｎ及びＳｎからなるグループから選択された金属を含むことを特徴とする請求項１５に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項１８】
前記電極形成段階は、
前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に電極用金属層を形成する段階と、
前記電極用金属層を３５０乃至９００℃で熱処理する段階とを含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項１９】
前記導電性基板の接合段階の前に、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に反射金属層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項２０】
前記反射金属層は、Ａｌ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｐｈ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｕ及びこれらの組み合わせから選択されたいずれか一つの金属を含むよう形成されたことを特徴とする請求項１９に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項２１】
前記導電性基板の接合段階の前に、前記反射金属層上に拡散バリア金属層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項２２】
前記拡散バリア金属層は、Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｎｉ及びこれらの組み合わせからなるグループから選択されたいずれか一つの金属を含むよう形成されたことを特徴とする請求項２１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項２３】
前記導電性基板の接合段階の前に、前記導電性基板の接合面側の上に拡散バリア金属層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項２４】
導電性基板と、
前記導電性基板上に形成され、３５０℃以上の融点を有する金属接合層と、
前記金属接合層上に順次に積層されている第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、活性層及び第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に形成された電極を含むことを特徴とする垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項２５】
前記金属接合層は、Ａｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｍｏ及びＮｉからなるグループから選択された少なくとも一つの金属で形成されたことを特徴とする請求項２４に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項２６】
前記導電性基板は、Ｓｉ基板、Ｓｉ−Ａｌ合金基板、ＳｉＣ基板及びＧａＡｓ基板のうち選択された基板であることを特徴とする請求項２４に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項２７】
前記導電性基板は、Ｗ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉ及びＴｉからなるグループから選択された少なくとも１種を含む金属基板であることを特徴とする請求項２４に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項２８】
前記導電性基板は、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導度を有することを特徴とする請求項２４に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項２９】
前記第１導電型はｎ型で、前記第２導電型はｐ型であることを特徴とする請求項２４に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項３０】
前記半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料であることを特徴とする請求項２４に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項３１】
前記金属接合層と第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に形成された反射金属層をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項３２】
前記反射金属層は、Ａｌ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｐｈ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｕ及びこれらの組み合わせから選択されたいずれか一つの金属を含むことを特徴とする請求項３１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項３３】
前記反射金属層と前記金属接合層との間に形成された拡散バリア金属層をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項３４】
前記拡散バリア金属層は、Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｎｉ及びこれらの組み合わせからなるグループから選択されたいずれか一つの金属を含むことを特徴とする請求項３３に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項３５】
前記導電性基板と金属接合層との間に形成された拡散バリア金属層をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直構造ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ＬＥＤ素子及びその製造方法に関するものであって、特に、低い工程温度でのウェーハボンディングを可能にし、ストレスの発生を抑制できる垂直構造半導体ＬＥＤ素子の製造方法と、高信頼性を有する垂直構造ＬＥＤ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ−Ｖ族ＧａＮ系半導体は、青色、紫外線領域の発光に適した化合物半導体物質であって、紫外線乃至青色の発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）素子に使用されている。一般的に使用されるＧａＮ系ＬＥＤは、サファイア基板上に順次成長されたｎ型ＧａＮ系半導体層、活性層及びｐ型ＧａＮ系半導体層と２つの電極（ｎ側電極及びｐ側電極）を含む。成長用基板として使用されるサファイア基板は、絶縁性物質であるため、活性層に電流を注入するためにＧａＮ系半導体層の一部をエッチングした後、露出されたｎ型半導体層上にｎ側電極を形成する。このような水平構造のＧａＮ系ＬＥＤでは、２つの電極が両方とも素子の上部に配置されているため、発光面積、電流拡散及び静電気の側面で不利な点がある。
【０００３】
上記の短所を有する水平構造のＧａＮ系ＬＥＤに代えて、最近は、ＧａＮ系半導体成長用基板として導電性ＳｉＣ基板を使用した垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤが使用されている。しかし、この場合、高価のＳｉＣ基板を使用すべき問題がある。さらに他の形態の垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤは、導電性基板の接合工程（ウェーハボンディング）とサファイア基板の分離または除去工程を通して製造される。例えば、特許文献１には、導電性接着層によりＧａＮ系半導体層に接合されたＳｉ基板等の導電性基板を含む垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤを開示している。
【０００４】
図１は、従来の垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤ素子の一例を示した断面図である。図１を参照すると、垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤ素子１０は、ｎ側電極１７の下に形成されたｎ型ＧａＮ系半導体層１６、活性層１５、ｐ型ＧａＮ系半導体層１４及び反射金属層１３を含む。また、反射金属層１３の下には導電性接合層１２により導電性基板１１が接合され、導電性基板１１の下面にはｐ側ボンディング電極１８が形成されている。導電性接合層１２としてはＡｕＳｎなどの低い融点の共融金属を使用し、導電性基板１１としては熱伝導度が比較的良好なＳｉ基板を使用することが出来る。垂直構造ＧａＮ系発光素子１０は水平構造ＧａＮ系発光素子に比べて、より改善された発光効率、放熱特性及び静電気耐性を示し、同一チップ面積で水平構造ＬＥＤ素子より発光面積が広い。
【０００５】
図２ａ乃至図２ｄは、このような垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤ素子１０の製造工程を概略的に示した断面図である。図２ａを参照すると、成長用基板であるサファイア基板２１上にＧａＮ系半導体層１４，１５，１６と反射金属層１３を形成する。その後、図２ｂに図示された通り、３３０℃以下の低い融点を有する導電性接合層１２を利用して導電性基板１１をＧａＮ系半導体層側に接合する（ウェーハボンディング工程）。次に、図２ｃに図示された通り、レーザ照射（ｌａｓｅｒ  ｌｉｆｔ  ｏｆｆ）またはＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）によりサファイア基板を分離または除去する工程を行う。サファイア基板の分離後には、図２ｄに図示された通り、基板分離により露出されたｎ型半導体層１６と導電性基板１１に電極１７，１８を形成する。
【０００６】
従来の製造工程によると、ウェーハボンディング工程時、比較的低い融点（３３０℃以下）の共融金属（例えば、ＡｕＳｎ、ＡｕＩｎ、ＰｄＩｎ、Ｓｎ、Ｉｎなど）を介して単一縮圧力（ｕｎｉａｘｉａｌ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）下で基板接合が行われる。このように融点が低い金属を使用する理由は、Ａｕなどの高融点金属で導電性基板を直接接合する場合、高い雰囲気温度（４５０℃以上）と高い圧力（０．４ｋｇｆ／ｃｍ２）が求められることに起因する。このような高温及び高圧の条件下では、サファイア基板と導電性基板の熱膨張係数の差により基板に大きなストレスが発生し、これによって基板が反られたりＧａＮ系半導体層内に欠陥、クラック等が多く発生することになる。特に、ウェーハボンディング後のレーザリフトオフ工程時、接合構造自体が破損する結果を招き工程の歩留りが大きく減少することが出来る。
【０００７】
しかし、接合材として低い融点の共融金属を使用したウェーハボンディングの場合にも、２００〜３３０℃の温度で成長用基板と導電性基板との間の熱膨張係数の差によって発生したストレスが依然として存在する。また、成長用基板の除去後、露出されたｎ型半導体層上に形成されたｎ側電極層の（オーミック特性の改善のための）熱処理温度が共融金属の融点以下（約３３０℃以下）に制限され、十分のオーミック特性を得ることが困難となる。
【０００８】
垂直構造ＬＥＤの製造工程中、ウェーハボンディング時に使用する金属接合材による上記の問題点は、ＧａＮ系半導体ＬＥＤだけでなくＡｌＧａＩｎＰ系またはＡｌＧａＡｓ系半導体などの他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を使用した垂直構造発光素子の製造工程でも発生することが出来る。
【０００９】
【特許文献１】韓国公開特許公報１０−２００４−００５８４７９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、２００℃以下の低い雰囲気温度でウェーハボンディングを行うことができ、結晶欠陥やクラックの発生を抑制することができ、電極コンタクトのオーミック特性改善に効果的な垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を提供することである。また本発明は、結晶欠陥やクラックの抑制及び電極コンタクトのオーミック特性の改善に有用な垂直構造ＬＥＤ素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の技術的課題を達成すべく、本発明による垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法は、
成長用基板上に第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、活性層及び第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順次に形成する段階と、上記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に導電性基板を接合する段階と、上記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から上記成長用基板を除去する段階と、上記成長用基板の除去により露出された面側の上記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に電極を形成する段階とを含み、
上記導電性基板の接合段階は、金属接合層を接合界面に接触させた状態で上記接合界面にマイクロ波を印加して上記金属接合層を局部的に加熱する段階を含む。
【００１２】
本発明の実施形態によると、上記導電性基板の接合段階は、上記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に第１金属接合層を形成する段階と、上記導電性基板上に第２金属接合層を形成する段階と、上記第１金属接合層と第２金属接合層を接触させた状態で接合界面にマイクロ波を印加して上記金属接合層の接触面の温度を局部的に上昇させる段階とを含む。
【００１３】
本発明の実施形態によると、上記導電性基板の接合段階において、上記金属接合層を接合界面に接触させた状態で上記接合界面にマイクロ波と圧力を同時に加えることが出来る。
【００１４】
好ましくは、上記金属接合層加熱のため印加されるマイクロ波には、１〜１０ＧＨｚの単一モードキャビティマイクロ波（ｓｉｎｇｌｅ  ｍｏｄｅ  ｃａｖｉｔｙ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）を使用する。導電性基板の接合段階は常温乃至１５０℃以下の雰囲気温度で行われることが出来る。
【００１５】
本発明の実施形態によると、上記導電性基板の接合段階において、マイクロ波は上記成長用基板の外側から印加されることが出来る。上記導電性基板がマイクロ波に対して透過性を有する場合には、マイクロ波は上記導電性基板の外側から印加されることができ、導電性基板及び成長用基板の両側の外側から印加されることも出来る。
【００１６】
本発明の実施形態によると、上記第１導電型はｎ型で、上記第２導電型はｐ型である。上記第１及び第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と活性層は、窒化物半導体材料、即ちＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料で形成されることが出来る。上記金属接合層としては３５０℃以上の高い融点を有する金属を使用することが出来る。例えば、上記金属接合層は、Ａｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｍｏ及びＮｉからなるグループから選択された金属で形成されることが出来る。
【００１７】
これとは異なって、上記金属接合層は相対的に低い融点を有する金属を使用することも出来る。即ち、本発明の他の実施形態によると、上記金属接合層は共融金属から成ることが出来る。この場合、上記金属接合層は融点が３３０℃以下の物質からなることが好ましい。具体的に、上記金属接合層に使われる共融金属はＡｕ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ａｌ，Ｉｎ及びＳｎからなるグループから選択された金属を含むものであることが出来る。
【００１８】
一方、上記導電性基板は、Ｓｉ基板、Ｓｉ−Ａｌ合金基板、ＳｉＣ基板及びＧａＡｓ基板から選択された基板であることが出来る。また、上記導電性基板は、Ｗ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉ及びＴｉからなるグループから選択された少なくとも１種を含む金属基板であることが出来る。好ましくは、上記導電性基板は１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導度を有する。
【００１９】
本発明の実施形態によると、上記電極形成段階は上記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に電極用金属層を形成する段階と、上記電極用金属層を３５０乃至９００℃で熱処理する段階とを含む。
【００２０】
本発明の実施形態によると、上記導電性基板の接合段階の前に、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にＡｌ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｐｈ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｕ等の反射金属層を形成する段階をさらに含むことが出来る。また、上記導電性基板の接合段階の前に、上記反射金属層上に拡散バリア金属層（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｍｅｔａｌ  ｌａｙｅｒ）を形成する段階をさらに含むことが出来る。上記拡散バリア金属層は、Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｎｉ及びこれらの組み合わせからなるグループから選択されたいずれか一つの金属または合金を含むことが出来る。また、上記導電性基板の接合段階の前に、上記導電性基板の接合面側の上に拡散バリア金属層を形成する段階をさらに含むことも出来る。
【００２１】
本発明の垂直構造ＬＥＤ素子は、導電性基板と、上記導電性基板上に形成され、３５０℃以上の融点を有する金属接合層と、上記金属接合層上に順次に積層されている第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、活性層及び第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、上記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に形成された電極とを含む。上記金属接合層は、Ａｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｍｏ及びＮｉからなるグループから選択された少なくとも一つの金属で形成されることが出来る。
【００２２】
上記導電性基板は、Ｓｉ基板、Ｓｉ−Ａｌ合金基板、ＳｉＣ基板及びＧａＡｓ基板から選択された基板であるか、Ｗ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉ、Ｔｉ等の金属基板であることが出来る。好ましくは、上記導電性基板は１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導度を有する。
【００２３】
本発明の実施形態によると、上記第１導電型はｎ型で、上記第２導電型はｐ型である。上記半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料である。
【００２４】
本発明の実施形態によると、垂直構造ＬＥＤ素子は、上記金属接合層と第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に形成された反射金属層をさらに含むことが出来る。また、垂直構造ＬＥＤ素子は、上記反射金属層上に形成された拡散バリア金属層をさらに含むことが出来る。また、垂直構造ＬＥＤ素子は、上記導電性基板と金属接合層との間に形成された拡散バリア金属層をさらに含むことも出来る。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によると、マイクロボンディングで接合界面を局部的に加熱することにより、常温や１５０℃以下の低い温度でウェーハボンディング工程が可能であり、３５０℃以上の高融点金属または共融金属を接合材として使用することが出来る。これによって接合されたウェーハのストレインとこれにより発生するクラック及び欠陥が著しく低くなり、ウェーハの反り発生が抑制される。また、ウェーハボンディング工程後の成長用基板の除去工程の工程歩留りが大きく向上される。さらに、ウェーハボンディング工程の時間が大きく短縮され、熱膨張係数が大きい材料からなる導電性基板もウェーハボンディングに利用できる。
【００２６】
３５０℃以上の高融点金属接合層を使用することにより、成長用基板分離後のｎ側電極形成時にコンタクト物質の熱処理温度を十分高めることが出来る。これによってｎ側電極のオーミック特性がさらに向上されＬＥＤ素子の信頼性が増大する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、添付の図面を参照に本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるのではない。本発明の実施形態は、当業界において平均的な知識を有している者に本発明をより完全に説明するため提供される。従って、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のため誇張されることができ、図面上の同一符号で表示される要素は同一要素である。
【００２８】
図３は、本発明の一実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子の断面図である。図３を参照すると、垂直構造半導体発光素子１００は、導電性基板１０１と、金属接合層１１５、ｐ型半導体層１０４、活性層１０５及びｎ型半導体層１０６を含む。導電性基板１０１の下面にはｐ側ボンディング電極１０８が形成され、ｎ型半導体層１０６の上にはｎ側電極１０７が形成されている。半導体層１０４，１０５，１０６は発光構造物を形成し、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に３族窒化物半導体（ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１））からなっている。
【００２９】
導電性基板１０１は電気伝導性と熱伝導度が良好な基板であって、好ましくは１００Ｗ／ｍＫ 以上の高い熱伝導度を有する。高い熱伝導度はＬＥＤ動作中に発生する熱を容易に放出して素子の信頼性と寿命を増大させる。また、１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導度を有する導電性基板１０１は、後述する通りマイクロ波ボンディングによる導電性基板の接合工程時に導電性基板１０１自体の温度がさらに低く維持される長所を提供する。
【００３０】
このような高熱伝導度の導電性基板１０１として、例えばＳｉ−Ａｌ合金基板やＳｉ基板がある。特に、６０乃至８０重量％のＳｉを含有するＳｉ−Ａｌ合金は、その熱膨張係数が約５乃至９ｐｐｍ／Ｋ程度でサファイア基板（約６乃至７ｐｐｍ／Ｋ）と類似な熱膨張係数を有する。このような熱膨張係数の類似性は、製造工程時に発生する基板の反りやクラック発生を低減させることに寄与する。他にも、導電性基板１０１としてＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板またはＷ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉ、Ｔｉ等の金属基板を使用することが出来る。
【００３１】
本実施形態において採用された上記金属接合層１１５は、後述の通り、導電性基板１０１を半導体層１０４〜１０６にボンディングするため使用された接合材（ｂｏｎｄｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）であって、Ａｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｎｉ等の３５０℃以上の高い融点を有する金属または高融点金属からなっている。導電性基板接合時に半導体層に熱的損傷を与えないため、金属接合層１１５の融点は半導体層１０４〜１０６の融点より低いべきである。この接合層１１５は、導電性基板１０１側に形成された接合層部分１１５ａと半導体層１０４〜１０６側に形成された接合層部分１１５ｂとがマイクロ波ボンディング（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）を通して局部的に溶融結合することにより形成されたものである（図７参照）。
【００３２】
但し、本発明において採用された金属接合層１１５は高融点金属のみに制限されず、本発明の他の実施形態では、上記金属接合層１１５として共融金属（ｅｕｔｅｃｔｉｃ  ｍｅｔａｌ）を使用することも出来る。このように、金属接合層１１５を共融金属で使用する場合は、上記金属接合層１１５の融点を約３３０℃以下に低めることが出来る。これによって、より少ないエネルギーを使用して導電性基板１０１を半導体層１０４〜１０６に接合することが出来る。上記金属接合層１１５に使用できる共融金属としては相対的に低い融点（３３０度以下）を有する如何なるものも可能で、具体的に、ＡｕＳｎ，ＡｕＩｎ，ＰｄＩｎ，Ｓｎ，ＩｎなどのようにＡｕ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｓｎなどを一つ以上含む物質が挙げられる。
【００３３】
ｎ側電極１０７は、例えばＴｉ／ＡｌまたはＣｒ／Ａｕ等で形成されることができ、ｎ型半導体層１０６とオーミック接触を形成する。このｎ側電極１０７は改善されたオーミック特性のため３５０℃以上の温度で熱処理されたものである。特に、十分なオーミック特性を得るためにｎ側電極を熱処理しても、金属接合層１１５はＡｕ等の高融点金属からなっているため熱処理による損傷が殆ど無い。ｐ側ボンディング電極１０８はダイボンディング時に外部配線との接触部になることができ、ＡｕまたはＡｕの合金で形成されることが出来る。
【００３４】
本実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子１００は、マイクロ波ボンディングによる金属接合材１１５の局部的加熱を通して結合された構造であるため、従来の熱圧接合により製造された垂直構造ＬＥＤ素子に比べて欠陥やクラックが少ない。また、金属接合層１１５が３５０℃以上の高融点金属からなっているため、ｎ側電極のオーミック特性を十分改善させるにおいて有利である。
【００３５】
図４は、本発明の他の実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子の断面図である。図４の実施形態では、ｐ型半導体層１０４と金属接合層１１５との間に高反射率を有する反射金属層１０９と拡散バリア金属層１３６がさらに形成されている。また、導電性基板１０１と金属接合層１１５との間にもう一つの拡散バリア金属層１２６が形成されている。
【００３６】
反射金属層１０９は、好ましくは活性層から生成された光に対して７５％以上の反射率を有し、光の反射によりＬＥＤ素子の光抽出効率を増加させる。また反射金属層１０９はｐ型半導体層１０４と良好なオーミックコンタクトを形成する。このような反射金属層１０９は、Ａｌ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｐｈ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ及びこのうち２以上の組み合わせで構成されたグループから選択された金属または合金で形成されることが出来る。
【００３７】
拡散バリア金属層１３６は、反射金属層１０９と金属接合層１１５との間の拡散相互作用を抑制する役割をする。特に、Ａｕ金属接合層１１５が反射金属層１０９またはｐ型半導体層１０４に拡散される場合、反射金属層１０９のオーミック特性が悪化することが出来るが、Ｐｔ／Ｎｉ、ＴｉＷまたはＴｉ／ＴｉＷの拡散バリア金属層１３６は、このようなオーミックコンタクトの悪化防止に役立つ。拡散バリア金属層１３６はＴｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｎｉ及びこのうち２以上の組み合わせからなるグループから選択された金属または合金で形成されることが出来る。
【００３８】
導電性基板１０１と金属接合層１１５との間に形成された拡散バリア金属層１２６は、特に、Ｓｉのような半導体からなる導電性基板１０１と金属接合層１１５との間の拡散相互作用を抑制する。例えば、Ｓｉ導電性基板１０１とＡｕ金属接合層１１５との間にＭｏ、Ｗ、Ｃｒ、ＴｉＷまたはＴｉＮの拡散バリア金属層１２６を設けることにより、ＡｕとＳｉとの間の拡散を防ぎＳｉ基板の界面でのオーミック接触の劣化やＡｕ金属接合層の融点降下を抑制することが出来る。前述の拡散バリア金属層１２６，１３６は、選択的な要素で、金属接合層１１５との拡散相互作用が問題にならない場合には省略しても良い。
【００３９】
図５乃至図１０は、前述の実施形態の垂直構造ＬＥＤ素子（図３，４参照）を製造する方法を説明するための工程断面図である。
【００４０】
図５を参照すると、例えば、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥ蒸着工程を利用して、成長用基板であるサファイア基板１２１上にｎ型半導体層１０６、活性層１０５及びｐ型半導体層１０４を順次に成長させる。該半導体層１０４〜１０６は３族窒化物半導体として発光構造物を成す。
【００４１】
次に、図６（ａ）に図示された通り、成長された半導体層１０４〜１０６上に反射金属層１０９、拡散バリア金属層１３６及び第１金属接合層１１５ｂを順次に形成する。第１金属接合層１１５ｂは、好ましくは３５０℃以上の高い融点を有している金属で形成する。例えば、Ａｇ反射金属層１０９、ＴｉＷバリア金属層１３６とＡｕ第１金属接合層１１５ｂを形成することが出来る。必要に応じて、反射金属層１０９及び／または拡散バリア金属層１３６は省略できる（図３参照）。
【００４２】
一方、図６（ｂ）に図示された通り、導電性基板１０１を用意して導電性基板１０１上に拡散バリア金属層１２６と第２金属接合層１１５ａを順次に形成する。例えば、Ｓｉ基板またはＳｉ−Ａｌ合金基板１０１上にＴｉＷバリア金属層１２６とＡｕ第２金属接合層１１５ａを形成することが出来る。必要に応じて、拡散バリア金属層１２６は省略できる（図３参照）。第２金属接合層１１５ａの形成工程（図６（ｂ））は、第１金属接合層１１５ｂの形成工程（図６（ａ））より先に或いは後で行うことができ、同時に行うことも出来る。
【００４３】
但し、上述のように、実施形態によっては、上記第１及び第２金属接合層１１５ａ，１１５ｂとして高融点金属ではないＡｕＳｎ，ＡｕＩｎ，ＰｄＩｎ，Ｓｎ，Ｉｎなどのような共融金属を使用することも出来る。
【００４４】
好ましくは、導電性基板１０１は１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導度を有する。このように１００Ｗ／ｍＫの高い熱伝導度を有することにより、後続の導電性基板の接合工程時に接合界面から発生した熱をより速やかに放出させることが出来る。また、高い熱伝導度は素子の動作中に蓄積される熱を速やかに外部へ放出させ、これによって導電性基板接合工程において、基板１０１，１２１自体の温度はさらに低く維持することができ、クラック及び欠陥の発生は減少する。
【００４５】
次に、図７を参照すると、金属接合層１１５ａ，１１５ｂを接合界面Ａに接触させた状態で、接合界面Ａからマイクロ波を印加して導電性基板１０１のボンディング（接合）工程を行う。このようなマイクロ波ボンディング（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）工程を行うと、金属接合層１１５部分のみを局部的に加熱することが出来る。金属接合層１１５ａ，１１５ｂの接触面の温度を３５０℃以上に上昇させることにより接触部で金属接合層１１５ａ，１１５ｂが溶融接合される。
【００４６】
但し、本発明の他の実施形態のように、上記金属接合層１１５ａ，１１５ｂを共融金属で使用した場合には、上記金属接合層１１５ａ，１１５ｂは接触面の温度が３３０℃以下の状態で溶融接合されることがある。
【００４７】
好ましくは、接合界面Ａに印加されるマイクロ波としては、１〜１０ＧＨｚの単一モードキャビティマイクロ波（ｓｉｎｇｌｅ  ｍｏｄｅ  ｃａｖｉｔｙ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）を使用する。例えば、２乃至２．５ＧＨｚの周波数を有する単一モードキャビティマイクロ波（１０〜３０ｃｍ程度の波長）を印加して常温（約２４℃）でマイクロ波ボンディングによる導電性基板の接合工程を行うことが出来る。
【００４８】
このようなマイクロ波印加によるボンディングは、薄膜の金属接触面での高周波エネルギーの相互作用によるものであると言える。単一モードキャビティにおいて、マイクロ波印加により金属接触部に伝達されるパワーは下の数学式に示した通り、電気伝導度及び電気場（Ｅ２）に比例する。
【００４９】
（数学式１）
Ｐ＝１／２ωｏεｏε'（ｔａｎδ）Ｅ２
【００５０】
ここで、ωｏはマイクロ波の基本周波数、εｏは自由空間の誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）、ε'は媒質の虚数誘電定数、ｔａｎδは損失正接である。
【００５１】
金属接合層１１５に蓄積されたパワーは接触部を加熱し、その接触部はＡｕのような高融点金属を溶かすことが出来る温度に上昇する。このようなマイクロ波ボンディングによる局部的加熱を通して金属接合層１１５ａ，１１５ｂが容易に溶融接合することになる。
【００５２】
このようなマイクロ波ボンディングによる導電性基板１０１の接合工程は、接合界面のみを局部的に加熱するため、基板全体を加熱する必要が無く常温乃至１５０℃以下の雰囲気温度（周囲温度）で行われることが出来る。接合界面Ａ近傍を除いた導電性基板１０１領域、半導体１０４〜１０６領域及びサファイア基板１２１は、温度が２００℃以下の低い温度を維持することになる。
【００５３】
従って、基板１０１，１２１の間の熱膨張係数の差によるストレス、ストレインの減少により基板の反りや欠陥及びクラックの発生が著しく減り、後続のサファイア基板１２１の除去工程の歩留りが大きく向上する。さらに、上述のマイクロ波ボンディングによる導電性基板接合工程（ウェーハボンディング工程）は、ボンディング時間が１２０秒以内と短いため工程時間が著しく短縮される。さらに、ウェーハボンディング工程の工程温度（雰囲気温度）が非常に低いため、サファイア基板１２１との熱膨張係数が大きい材料も'実質的なストレイン無く'ウェーハボンディングされる導電性基板１０１として利用できる（導電性基板材料に対する選択の幅が増加する）。
【００５４】
印加されるマイクロ波が金属接合層１１５にパワーをうまく伝達するためには、他の材料（例えば、マイクロ波の経路上に位置する導電性基板１０１）によって吸収されてはならない。一般的に、誘電体と半導体はマイクロ波に対して透過性があるため、サファイア基板１２１の外側から印加されるマイクロ波（ｍ１）はサファイア基板１２１を透過して接合界面の近傍にパワーを伝達することが出来る。また、Ｓｉ導電性基板１０１の外側から接合界面Ａに進行するマイクロ波（ｍ２）もＳｉ導電性基板１０１を透過して金属接合層１１５ａ，１１５ｂの接触部の近傍にパワーを伝達することが出来る。しかし、導電性基板１０１が金属からなっている場合には、導電性基板１０１がマイクロ波を吸収するため、サファイア基板１２１の外側からマイクロ波を印加すべきである。
【００５５】
図８は、本実施形態で採用できるマイクロボンディング工程の例を示した概略図である。図８に図示された通り、適切な支持台３５０上に、図７に図示されたような接合物１５０を搭載した後、接合物１５０の上部から金属接合層１１５ａ，１１５ｂの接合界面にマイクロ波を印加する。この際、マイクロ波の印加と共に、適切なチャック（ｃｈｕｃｋ）２５０などを用いて圧力を加えることも出来る。図８のように、チャック２５０の内部から窓Ｃを通して接合界面Ａにマイクロ波が印加され、これと同時にチャック２５０により圧力が加わることが出来る。しかし、外部からの圧力の印加無しで自重による接触状態でマイクロボンディングが行われることも出来る。
【００５６】
次に、図９に図示された通り、ＫｒＦレーザをサファイア基板１２１と半導体層１０６との界面に照射することにより（レーザリフトオフにより）、サファイア基板１２１を分離する。レーザリフトオフの代わりにＣＭＰ工程を利用してサファイア基板１２１を除去することも出来る。
【００５７】
次に、図１０に図示された通り、サファイア基板１２１の分離により露出されたｎ型半導体層１０６面とその反対側の導電性基板１０１面に各々ｎ側電極１０７及びｐ側ボンディング電極１０８を形成する。
【００５８】
ｎ側電極１０７のオーミック特性を十分高めるため、ｎ型半導体層１０６の露出面上にｎ側電極用金属層を形成した後、３５０乃至９００℃で熱処理を行う。このような熱処理を実施しても、金属接合層１１５がＡｕ等の高融点金属からなっているため、上記熱処理による金属接合層１１５の損傷やこれによる全体構造の損傷が無い。これによって、向上したオーミック特性を有する高信頼性垂直構造ＬＥＤ素子が容易に製造される。
【００５９】
以上に説明した実施形態では、半導体層１０４〜１０６が３族窒化物であるが、本発明はこれに限定されない。例えば、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）またはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）半導体基盤の垂直構造ＬＥＤ素子及びその製造方法にも本発明が適用されることが出来る。
【００６０】
本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求範囲によって限定される。請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が可能ということは当技術分野の通常の知識を有している者には自明である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来の垂直構造ＬＥＤ素子の断面図である。
【図２ａ】従来の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を概略的に説明するための断面図である。
【図２ｂ】従来の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を概略的に説明するための断面図である。
【図２ｃ】従来の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を概略的に説明するための断面図である。
【図２ｄ】従来の垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を概略的に説明するための断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子の断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の一実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の一実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態による垂直構造ＬＥＤ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０１  導電性基板
１１５  金属接合層
１０４  ｐ型半導体層
１０５  活性層
１０６  ｎ型半導体層
１０７  ｎ側電極
１０８  ｐ側ボンディング電極
１０９  反射金属層
１２６、１３６  拡散バリア金属層
【図１】
2011055010.tif 000003
【図２ａ】
2011055010.tif 000004
【図２ｂ】
2011055010.tif 000005
【図２ｃ】
2011055010.tif 000006
【図２ｄ】
2011055010.tif 000007
【図３】
2011055010.tif 000008
【図４】
2011055010.tif 000009
【図５】
2011055010.tif 000010
【図６】
2011055010.tif 000011
【図７】
2011055010.tif 000012
【図８】
2011055010.tif 000013
【図９】
2011055010.tif 000014
【図１０】
2011055010.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成22年12月14日(2010.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板と、
前記導電性基板上に形成され、３５０℃以上の融点を有する金属接合層と、
前記金属接合層上に順次に積層されている第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、活性層及び第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に形成される電極と、
前記金属接合層と第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に形成される反射金属層と、
前記反射金属層と前記金属接合層との間に形成される拡散バリア金属層と
を含む垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項２】
前記金属接合層は、Ａｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｍｏ及びＮｉからなるグループから選択される少なくとも一つの金属で形成されることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項３】
前記第１導電型はｎ型で、前記第２導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１または２に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項４】
前記半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項５】
前記反射金属層は、Ａｌ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｐｈ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｕ及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される金属を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項６】
前記拡散バリア金属層は、Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｎｉ及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される一つの金属を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項７】
前記導電性基板と金属接合層との間に形成される拡散バリア金属層をさらに含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項８】
前記導電性基板は、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導度を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項９】
前記導電性基板は、Ｓｉ基板、Ｓｉ−Ａｌ合金基板、ＳｉＣ基板及びＧａＡｓ基板から選択される基板であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。
【請求項１０】
前記導電性基板は、Ｗ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉ及びＴｉの組み合わせからなるグループから選択される少なくとも１種を含む金属基板であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の垂直構造ＬＥＤ素子。