(57)【要約】【課題】基板上に金属窒化物層を介して選択成長した高性能の化合物半導体素子を得るとともに、素子を基板及び金属窒化物層から容易に分離できるようにすることを課題とする。【解決手段】単結晶基板上に金属窒化物層を形成し、その上に多様な方法で任意の形態のパターンを形成して制限された金属窒化物層上でだけIII−Ｖ族窒化物半導体あるいはＬＥＤ構造を選択成長し、ＬＥＤ構造の上に金属電極形成と電気メッキによる金属支持層を形成した後エッチング溶液注入口を利用したＣＬＯにより最初の単結晶基板とＬＥＤ素子を分離することである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板上に金属窒化物からなる結晶成長促進層を形成する工程と、上記結晶成長促進層上に、結晶成長阻止のためのマスク層であって、上記結晶成長促進層が複数の独立した素子形成領域となるように選択的にパターニングされた区画領域を構成するとともに、エッチング溶液注入口となる注入口領域を構成するマスク層を形成する工程と、上記素子形成領域上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）バッファ層を成長させた後、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）バッファ層上にIII−Ｖ族窒化物半導体を主成分とする単結晶化合物半導体層を１層以上成長させて、そこに所望の化合物半導体素子を形成する工程と、化合物半導体素子の側面を被覆する工程と、上記注入口領域を除く全面に、金属支持層を形成する工程と、注入口領域からエッチング液を注入して、上記マスク層及び上記結晶成長促進層を除去する工程と、区画領域上の金属支持層から化合物半導体素子を分離する工程とを備えた、化合物半導体素子の製造方法。
【請求項２】
上記金属支持層は、注入口領域を除く全面に形成されたシード金属を介してメッキにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体素子の製造方法。
【請求項３】
上記複数の独立した素子形成領域は、上記基板上に繰り返しパターンをなすように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体素子の製造方法。
【請求項４】
上記素子形成領域は、正方形であることを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体素子の製造方法。
【請求項５】
上記注入口領域は、基板上に複数個均等に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の化合物半導体素子の製造方法。
【請求項６】
上記単結晶基板は、サファイア基板であり、上記マスク層はＳｉＯ２層であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の化合物半導体素子の製造方法。
【請求項７】
上記化合物半導体素子は、ＬＥＤであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の化合物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ等の化合物半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系に基づく照明用、自動車搭載用高輝度青色、紫外線及び白色発光ダイオード等の発光素子の需要が増加している。特に、家庭用蛍光灯、ＬＣＤのバックライトなどへの応用のため、高輝度ＬＥＤの商品化が強く求められている。最近では高輝度ＬＥＤを実現するため垂直型ＬＥＤが提案され、サファイア基板からＬＥＤ構造の分離によって良好な熱放出の効果を持ち、発光出力を２倍以上増加させることに成功している。
【０００３】
主に垂直型ＬＥＤは、ＬＬＯ（レーザーリフトオフ）に基づいて作製されている。これはサファイア基板上にＬＥＤ構造を形成後、ＧａＮのバンドギャップより短い波長を持つレーザー光を照射することによって、サファイア基板との界面に存在するＧａＮ膜がレーザー光を吸収し、ＧａとＮに分解することによってサファイア基板とＬＥＤ構造を分離させる方法である。分離されたＬＥＤ構造に、上下部に電極を形成して垂直型ＬＥＤ構造を実現する。
【０００４】
ＬＬＯは、分離時に使用する高出力レーザーによってＬＥＤ構造あるいはＧａＮ薄膜にダメージを与え、また、チップの大きさが大きくなるにつれクラックが発生しやすい等の問題点がある。
【０００５】
従来の低温多結晶あるいは非晶質状態のバッファ層の上に成長するＧａＮ薄膜は高転位密度（>109 cm-2）を有している。発明者らは、金属窒化物からなる結晶成長促進層とＧａＮとの格子定数及び熱膨張係数の差が、従来の低温バッファ層より遥かに小さいことに着目し、これにより高品質のＧａＮ結晶成長ができることを見出した（特許文献１参照）。単結晶の金属バッファ層を用いた場合、結晶成長初期からＧａＮは単結晶エピタキシーモードを維持し、低転位ＧａＮ膜成長が得られることである。 高性能の素子作製の為にはサファイア基板上にＧａＮ系光・電子デバイスの作製後、デバイスをサファイア基板から分離する必要がある。
【０００６】
垂直型ＬＥＤを製作するためＬＬＯを用いてサファイア基板とＬＥＤチップを分離する方法が提案されている。しかし、チップ分離時に使用する高出力レーザーによってＬＥＤ構造あるいはＧａＮ薄膜にダメージを与え、また、チップの大きさが大きくなるにつれクラックが発生しやすい、複雑な工程による低歩留まり等の問題がある。
【０００７】
【特許文献１】ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３０６９５８号
【非特許文献１】Comparison of p-Side Down and p-Side Up GaN Light-Emitting Diodes Fabricated by Laser Lift-Off, Chen-Fu CHU, Chang-Chin YU, Hao-Chun CHENG, Chia-Feng LIN and Shing-Chung WANG, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) pp. L147-L150
【非特許文献２】Study of GaN light-emitting diodes fabricated by laser lift-off technique, Chen-Fu Chu, Fang-I Lai, Jung-Tang Chu, Chang-Chin Yu, Chia-Feng Lin, Hao-Chung Kuo, and S. C. Wang, J. Appl. Phys. Vol. 95, No. 8, 3916-3921 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑み、基板上に金属窒化物からなる結晶成長促進層を介して選択成長した高性能の化合物半導体素子を得るとともに、ＬＥＤ等の化合物半導体素子を基板及び金属窒化物からなる結晶成長促進層から容易に分離できるようにすることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために本発明は、次のような手段を提供するものである。
（１）単結晶基板上に金属窒化物からなる結晶成長促進層を形成する工程と、上記結晶成長促進層上に、結晶成長阻止のためのマスク層であって、上記結晶成長促進層が複数の独立した素子形成領域となるように選択的にパターニングされた区画領域を構成するとともに、エッチング溶液注入口となる注入口領域を構成するマスク層を形成する工程と、上記素子形成領域上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）バッファ層を成長させた後、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）バッファ層上にIII−Ｖ族窒化物半導体を主成分とする単結晶化合物半導体層を１層以上成長させて、そこに所望の化合物半導体素子を形成する工程と、化合物半導体素子の側面を被覆する工程と、上記注入口領域を除く全面に、金属支持層を形成する工程と、注入口領域からエッチング液を注入して、上記マスク層及び上記結晶成長促進層を除去する工程と、区画領域上の金属支持層から化合物半導体素子を分離する工程とを備えた、化合物半導体素子の製造方法。
（２）上記金属支持層は、注入口領域を除く全面に形成されたシード金属を介してメッキにより形成されていることを特徴とする（１）の化合物半導体素子の製造方法。
（３）上記複数の独立した素子形成領域は、上記基板上に繰り返しパターンをなすように配置されていることを特徴とする（１）又は（２）の化合物半導体素子の製造方法。
（４）上記素子形成領域は、正方形であることを特徴とする（３）の化合物半導体素子の製造方法。
（５）上記注入口領域は、基板上に複数個均等に設けられていることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
（６）上記単結晶基板は、サファイア基板であり、上記マスク層はＳｉＯ２層であることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
（７）上記化合物半導体素子は、発光ダイオードであることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の化合物半導体素子の製造方法によれば、次のような効果が得られる。
（１）選択的成長による垂直型ＬＥＤ製作工程を単純化させることができ、またレーザーリフトオフ法で問題になっている収率や再現性の問題を解決することができる。
（２）選択成長によるため、従来の全面成長する場合よりも反りを抑制することができる。
（３）化合物半導体は選択成長により独立して形成されているため、クラックの発生を抑えることができる。
（４）マスクとして使った物質をエッチング除去することによって、金属窒化物からなる結晶成長促進層のエッチングのためのトンネルが形成され、このようなトンネルによってエッチング速度が向上する。
（５）基板にダメージを与えなないため、ＣＬＯ（ケミカルリフトオフ工程）後に、基板のリサイクルが可能である。
（６）素子形成領域をＬＥＤ等のチップの大きさと等しくしておくことにより、ＣＬＯ後のチップ分割工程が不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１２】
サファイア基板上に金属窒化物形成が可能なＣｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｕなどの金属層を形成し（図１（a））、金属層表面を窒化した後選択成長のため半導体デバイスの大きさに合わせてパターニングを行う(図１(b))。その後、この上にＧａＮバッファ層を介して半導体デバイスの構造を作製する(図１(c))。すなわちＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮｐＶ１−ｐ（ここで、Ｖ＝Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、Ｂｉであり、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、０．９≦ｐ≦１）のようなIII−Ｖ族窒化物半導体系物質又はIII−Ｖ族窒化物半導体系ＬＥＤ構造が作製される。
【００１３】
図２〜図５では化合物半導体素子として、垂直型ＬＥＤの製作工程を例示している。図１(c)のように単結晶基板の上に、n-(Al)ＧａＮ/InＧａＮ(活性層)/p-(Al)ＧａＮのＬＥＤ構造を作製する。動作電流を注入するためp-(Al)ＧａＮの上にオーミック金属電極を形成後、Ａｇ、Ａｌ及びこれらの混合物等により、反射度が高く高温で安定した反射型電極を形成する（図２）。反射型電極の形成理由は、垂直型ＬＥＤ製作時、p-(Al)ＧａＮの方がステムとボンディングする形態になるような場合に活性層から発光した光がn-ＧａＮ方へ反射されるようにするためである。
【００１４】
選択成長したＬＥＤ構造の側面は、漏洩電流の原因になるためこれを防止するために電気が流れない物質で側面に保護膜を形成する（図３）。次に金属メッキにより銅金属支持層を形成するために、シード金属を形成する(図４)。シード金属は、エッチング溶液注入口領域上には形成しないように注意する。
【００１５】
シード金属は、下地基板との接合力を向上する接着層と、酸化防止目的の保護層で構成され、加えてＣＬＯ（ケミカルリフトオフ工程）に使われるエチャントにエッチングされない特性を持っていなければならない。接着層としてＴａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗなど、保護層としてはＡｕ、Ｐｔなどが可能である。これらの層の厚さはそれぞれ数百〜数千Å程度であり、本実施例では接着層としてＴｉ(1000Å)と保護層としてＡｕ(1000Å)を用いて行った。金属支持層の形成は、電気メッキ法を用いて適切な厚さに形成する（図５）。金属支持層の使用目的は、素子動作時発生する熱の放出と良好な伝導性を持たせることである。金属支持層としては、電解又は無電解メッキにより形成が可能であり、良好な熱伝導率と電気伝導度を持つＣｕを用いた。その厚さは50ｎｍ〜100ｎｍにする。
【００１６】
図６は、電気メッキによって形成された金属支持層の表面形態を示している。中央部に存在するエッチング溶液注入口は、マスクパターンによって模様と大きさが制御可能である。エッチング溶液注入口は、選択成長のためのマスク物質と金属窒化物からなる結晶成長促進層を效率的にエッチングするためのものである。
【００１７】
エッチング溶液注入口となる注入口領域は、マスク層形成時に形成され、シード金属は、この注入口領域には形成されていない。
【００１８】
実施例ではn-(Al)ＧａＮ/InＧａＮ(活性層)/p-(Al)ＧａＮのＬＥＤの作製について述べた。本発明は、ＬＥＤ構造の組成によらず適用可能である。すなわち、一般的にＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ組成の活性層、あるいはバリヤー層から構成されるＬＥＤ構造に適用して作製プロセスとして用いることができる。
【００１９】
図７は、Cu 電気メッキを行った２インチ試料の表面の写真である。試料には正四角形の２５個のエッチング溶液注入口がある。エッチング溶液注入口とマスク層がエッチング除去された際に形成されるトンネルによって、效率的にエッチング溶液供給が可能になり、このためＣＬＯ工程時間を少なくすることができる。ＣＬＯのためのエッチング溶液注入口は、四角形以外にも多様な形態のパターンが可能である。
【００２０】
金属支持層が形成された基板からＣＬＯにより作製した垂直型ＬＥＤの製作工程を図８〜図１０に示している。金属窒化物からなる結晶成長促進層のエッチング用トンネル形成のために、マスク層であるＳｉＯ２膜をＢＦ溶液によりエッチングする(図８)。エッチング溶液は、２５個のエッチング溶液注入口を通して早い速度で、正四角形のそれぞれのＬＥＤの周りに存在しているＳｉＯ２膜を取り除く。このように除去されたＳｉＯ２膜の下側にはＧａＮを成長させるためのシード層として使われた金属窒化物からなる結晶成長促進層であるＣｒ又はＣｒＮが存在している。
【００２１】
次に、金属窒化物からなる結晶成長促進層の選択エッチングによってサファイア基板と金属支持層により支持されているＬＥＤを分離する (図９)。表面に形成されたエッチング溶液注入口と酸化膜除去によって形成されたエッチングトンネルを通して金属窒化物からなる結晶成長促進層にエッチング溶液が急速に供給され、エッチング速度を早めることができる。ＬＥＤのn-型オーミック電極の形成後、金属支持層により支持されているＬＥＤをそれぞれのチップに分離して垂直型ＬＥＤ構造を実現する(図１０)。
【００２２】
図１１は、図８に示した酸化膜の除去後、ＣＬＯのためのトンネルが形成されたＳＥＭ写真である。また図１２は、チップの大きさを１ｍｍ×１ｍｍとして選択成長を行い、ＣＬＯによって分離された裏側のチップ写真である。右側はその拡大写真である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】結晶成長促進層を用いた選択成長を説明する図である。
【図２】本発明に係る垂直型ＬＥＤの作製工程図である。
【図３】本発明に係る垂直型ＬＥＤの作製工程図である。
【図４】本発明に係る垂直型ＬＥＤの作製工程図である。
【図５】本発明に係る垂直型ＬＥＤの作製工程図である。
【図６】本発明に係る垂直型ＬＥＤの作製工程（図５）における斜視図である。
【図７】電気メッキした試料を示す図である。
【図８】チップ分離工程図である。
【図９】チップ分離工程図である。
【図１０】チップ分離工程図である。
【図１１】ＣＬＯトンネル形成を示すＳＥＭ写真である。
【図１２】ＣＬＯによって分離された裏側のチップ写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図７】
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【図１１】
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【図１２】
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