(57)【要約】【課題】上下より電極を取り出せる構造を有する窒化物半導体素子素子を提供する。【課題の解決手段】絶縁性基板の上にｎ型層、活性層、ｐ型層を順に有する窒化物半導体層が成長されたウェーハの窒化物半導体層面に導電性基板を接着する第一の工程と、導電性基板接着後、前記ウェーハの絶縁性基板の一部、又は全部を除去して窒化物半導体層を露出させる第二の工程とを備え、露出させた窒化物半導体層と、導電性基板とに対向する電極を設ける。前記ｎ型層上には開口部を設けた電流狭窄層を有し、該開口部には負電極が形成されている。前記電流狭窄層はサファイア、又はＳｉＯ２又はＴｉＯ２からなる。【選択図】図５
2004006919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型層、活性層、ｐ型層を順に有する窒化物半導体素子において、前記ｎ型層上には開口部を設けた電流狭窄層を有し、該開口部には負電極が形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記電流狭窄層はサファイアであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記電流狭窄層はＳｉＯ２又はＴｉＯ２からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は発光ダイオード、レーザダイオード等の発光デバイス、又はフォトダイオード等の受光デバイスに使用される窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体はそのバンドギャップエネルギーが１．９ｅＶ〜６．０ｅＶまであるので発光素子、受光素子等の各種半導体デバイス用として注目されており、最近この材料を用いた青色ＬＥＤ、青緑色ＬＥＤが実用化されたばかりである。
【０００３】
一般に窒化物半導体素子はＭＢＥ、ＭＯＶＰＥ等の気相成長法を用いて、基板上にｎ型、ｐ型あるいはｉ型等に導電型を規定した窒化物半導体を積層成長させることによって得られる。基板には例えばサファイア、スピネル、ニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の絶縁性基板の他、炭化ケイ素、シリコン、酸化亜鉛、ガリウム砒素等の導電性基板が使用できることが知られているが、窒化物半導体と完全に格子整合する基板は未だ開発されておらず、現在のところ、格子定数が１０％以上も異なるサファイアの上に窒化物半導体層を強制的に成長させた青色、青緑色ＬＥＤ素子が実用化されている。
【０００４】
図６は従来の青色ＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図である。従来のＬＥＤ素子は、基本的にサファイア基板６１の上に窒化物半導体よりなるｎ型層６２と活性層６３とｐ型層６４とが順に積層されたダブルへテロ構造を有している。前記のようにサファイアは絶縁性であり基板側から電極を取り出すことができないので、同一窒化物半導体層表面に正電極６５と負電極６６とが設けられた、いわゆるフリップチップ方式の素子とされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイアを基板とする従来のフリップチップ方式の素子には数々の問題点がある。まず第一に、同一面側から両方の電極を取り出すためチップサイズが大きくなり多数のチップがウェーハから得られない。第二に、負電極と正電極とが水平方向に並んでいるため電流が水平方向に流れ、その結果電流密度が局部的に高くなりチップが発熱する。第三にサファイアという非常に硬く、劈開性のない基板を使用しているので、チップ化するのに高度な技術を必要とする。さらにＬＤを実現しようとする際には基板の劈開性を用いた窒化物半導体の劈開面を共振面とできないので共振面の形成が非常に困難である。
【０００６】
以上のような問題を回避するため、上記のように炭化ケイ素、シリコン、酸化亜鉛、ガリウム砒素、ガリウムリン等の導電性基板の上に窒化物半導体を成長する試みも成されているが、未だ成功したという報告はされていない。
【０００７】
従って本発明はこのような事情を鑑み成されたものであって、その目的とするところは、主として上下より電極を取り出せる構造を有する窒化物半導体素子の製造方法、および窒化物半導体素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、ｎ型層、活性層、ｐ型層を順に有する窒化物半導体素子において、前記ｎ型層上には開口部を設けた電流狭窄層を有し、該開口部には負電極が形成されていることを特徴とする。前記電流狭窄層はサファイアであることを特徴とする。前記電流狭窄層はＳｉＯ２又はＴｉＯ２からなることを特徴とする。
本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、絶縁性基板の上に窒化物半導体層が成長されたウェーハの窒化物半導体層面に導電性基板を接着する第一の工程と、導電性基板接着後、前記ウェーハの絶縁性基板の一部、又は全部を除去して窒化物半導体層を露出させる第二の工程とを備えることを特徴とする。また、本発明の窒化物半導体素子は導電性基板と窒化物半導体とが接着されてなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の方法において、絶縁性基板には前記のようにサファイア、スピネル、ニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等が用いられ、好ましくはサファイア、スピネルの上に成長された窒化物半導体が結晶性に優れている。一方、窒化物半導体に接着する導電性基板には、導電性を有する基板材料であればどのようなものでも良く、例えばＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＯ等を用いることができる。但し、導電性基板は窒化物半導体が積層された絶縁性基板とほぼ同じ形状を有し、さらにほぼ同じ面積か、あるいはそれよりも大きな面積を有するウェーハ状の基板を選択することはいうまでもない。
【００１０】
一方、窒化物半導体層が積層されたウェーハの絶縁性基板を除去するには、例えば研磨、エッチング等の技術を用いる。通常絶縁性基板の厚さは数百μｍあり、窒化物半導体層は厚くても２０μｍ以下であるので、研磨により基板を除去する際に研磨厚が制御しにくい場合は、最初研磨で大まかな部分を除去し、その後エッチングで細かい部分を除去して、電極を形成するのに必要とする窒化物半導体面を露出させても良い。また例えばレーザ素子のように絶縁物を電流狭窄層として窒化物半導体層表面に必要とする素子を作製する場合には、絶縁性基板全てを除去せずに、選択エッチングにより窒化物半導体層を露出させるのに必要な部分のみを除去することも可能である。
【００１１】
さらに本発明の方法及び素子において、窒化物半導体層に接着する導電性基板は劈開性を有することを特徴とする。この劈開性を有する導電性基板には、例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＳｉＣ等を好ましく用いることができる。
【００１２】
次に本発明の方法及び素子は窒化物半導体層面と導電性基板とを電極、又は導電性材料を介して接着することを特徴とする。この方法は導電性基板に劈開性のある基板を使用しても同様に適用可能である。接着する方法には、導電性基板の接着面と、窒化物半導体層面とを鏡面として、それら鏡面同士を張り合わせた後、熱圧着するいわゆるウェーハ接着の手法を用いてもよいが、電極又は導電性材料を介することにより簡単に接着することができる。導電性材料は窒化物半導体と導電性基板を接着できる材料であればどのようなものでも良く、例えばＩｎ、Ａｕ、ハンダ、銀ペースト等の材料を使用することができる。
【００１３】
また前記接着手法において、電極は窒化物半導体層表面に形成されたオーミック電極及び／又は導電性基板表面に形成されたオーミック電極を含むことを特徴とする。なお、オーミック電極とは、一般に窒化物半導体表面に形成される膜厚の薄いオーミック電極と、その電極の上に付けられた膜厚の厚い接着用の金属、例えばＡｕ、Ｉｎ、Ａｌ等の金属を含んで本明細書ではオーミック電極と定義する。窒化物半導体層表面に形成するオーミック電極材料としては、ｎ型層が接着面であれば例えば特開平５−２９１６２１号公報に示されたＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｉｎの内の少なくとも一種の材料、特に好ましくはＴｉをｎ型層と接する側とした電極、また特開平７−４５８６７号公報に示されたＴｉ−Ａｌを含む材料を挙げることができる。また接着面がｐ型層であれば同じく特開平５−２９１６２１号公報に示されたＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉの内の少なくとも一種の材料、特に好ましくはＮｉをｐ型層と接する側とした電極を挙げることができる。
【００１４】
窒化物半導体はｐ型層が得られにくく、ｐ型層を得るため例えば特開平３−２１８６２５号公報に開示されるような電子線照射、また特開平５−１８３１８９号公報に開示されるような熱的アニーリング処理が成長後に行われ、最表面のｐ型層が低抵抗化される。このため窒化物半導体ウェーハは最上層がｐ型層になっていることが多い。そこで、この窒化物半導体ウェーハと導電性基板を接着する際には、ｐ型層に形成されたオーミック電極を介してｐ型の導電性基板とを接着することが特に望ましい。
【００１５】
一方、もう片方の接着面の導電性基板に形成するオーミック電極としては例えば導電性基板がｎ型ＧａＡｓであれば、Ａｇ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｇｅ等を用いることができ、ｐ型ＧａＡｓであれば、Ａｕ−Ｚｎ、Ａｇ−Ｚｎ、Ａｇ−Ｉｎ等を用いることができる。その他ＳｉＣ、Ｓｉ等についても公知のオーミック電極材料を用いることができるが前記のようにｐ型の導電性基板をその導電性基板のオーミック電極を介して接着することが特に望ましい。
【００１６】
【作用】
本発明の方法及び素子では窒化物半導体層に導電性基板を接着している。つまり、窒化物半導体が絶縁性基板の上に成長されたウェーハでは、窒化物半導体より得られる各種素子はフリップチップ形式とならざるを得ないが、導電性基板をウェーハ最上層の窒化物半導体層に接着することにより、導電性基板が電極を形成する基板となる。その後、絶縁性基板を除去すると窒化物半導体層が露出するので、露出した窒化物半導体層面にもう一方の電極を形成することができ、従来のような電極が水平方向に並んだ素子ではなく、互いの電極が対向した素子を作製することができる。
【００１７】
次に接着する導電性基板に劈開性のある材料を選択すると、劈開性のない絶縁性基板の上に成長された窒化物半導体でも、接着された導電性基板の劈開性を利用してチップ状に分割できる。このためチップサイズの小さい素子が得られやすくなり、さらに窒化物半導体の劈開面を光共振面とするレーザ素子が作製できるようになる。
【００１８】
また窒化物半導体層面と導電性基板とは一般にウェーハ接着と呼ばれる技術で接着する方法もあるが、特に窒化物半導体層の電極、若しくは導電性基板の電極、又は導電性材料を介して接着すると導電性基板と窒化物半導体層との間の電気的特性も安定化するため好ましい。さらにこの導電性材料としてＡｕ、Ａｌ、Ａｇ等の窒化物半導体の発光波長を反射できる材料を選択すれば、発光素子を作製した際、これらの導電性材料が接着した導電性基板に来る光を反射して、窒化物半導体層の側に戻す作用があるので発光素子の発光効率が向上する。
【００１９】
特に接着材料として、窒化物半導体層表面に形成されたオーミック電極及び／又は導電性基板表面に形成されたオーミック電極を含めば、例えば発光素子のような発光デバイスを作製すると、抵抗値が低くなりデバイスのＶｆを低下させる作用がある。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例で本発明を詳説する。図１乃至図３は本発明の方法の一工程を説明するウェーハ及び導電性基板の模式的な断面図であり、図４は実施例１により得られた窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下これらの図を元に実施例１を述べる。
【００２１】
［実施例１］
サファイア基板１の表面に窒化物半導体層２が積層されたウェーハを用意する。なお窒化物半導体層２はサファイア基板１から順にドナー不純物がドープされたＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）よりなるｎ型層２１と、ＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）よりなる活性層２２と、アクセプター不純物がドープされたＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）よりなるｐ型層２３とを少なくとも有するダブルへテロ構造を有している。なお最上層のｐ型層２３は４００℃以上のアニーリングにより低抵抗化されている。
【００２２】
次に図１に示すように窒化物半導体層２の表面のほぼ全面にＮｉとＡｕを含むオーミック電極３０を５００オングストロームの膜厚で形成する。つまり窒化物半導体層２の最上層のｐ型層のほぼ全面にｐ型層と好ましいオーミックが得られる第一のオーミック電極３０を形成する。さらにそのオーミック電極３０の上にに接着性を良くするためにＡｕ薄膜を０．１μｍ形成する。
【００２３】
一方、導電性基板として、サファイア基板１とほぼ同じ大きさを有するｐ型ＧａＡｓ基板５０を用意し、このｐ型ＧａＡｓ基板５０の表面にＡｕ−Ｚｎよりなる第二のオーミック電極４０を５００オングストロームの膜厚で形成する。さらにその第二のオーミック電極４０の上に接着性を良くするためにＡｕ薄膜を０．１μｍ形成する。
【００２４】
次に、図２に示すように第一のオーミック電極３０を有する窒化物半導体ウェーハと、第二のオーミック電極４０を有するｐ型ＧａＡｓ基板５０とのオーミック電極同士を貼り合わせ、加熱により圧着する。但し、圧着時ウェーハのサファイア基板１とｐ型ＧａＡｓ基板５０とは平行となるようにする。平行でないと次のサファイア基板を除去する工程において、露出される窒化物半導体層の水平面が出ないからである。また第一のオーミック電極３０と第二のオーミック電極４０とを接着するためにＡｕを使用したが、この他電極３０と４０との間にインジウム、錫、ハンダ、銀ペースト等の導電性材料を介して接着することも可能である。なおｐ型ＧａＡｓ基板５０を接着する際に窒化物半導体層の劈開性と、基板５０との劈開方向を合わせて接着してあることは言うまでもない。
【００２５】
次にｐ型ＧａＡｓ基板５０を接着したウェーハを研磨器に設置し、サファイア基板１のラッピングを行い、サファイア基板を除去して、窒化物半導体層２のｎ型層２１を露出させる。なおこの工程において、例えばサファイア基板１を数μｍ程度の厚さが残るようにラッピングした後、さらに残ったサファイア基板をエッチングにより除去することも可能である。サファイア基板１除去後のウェーハの構造を図３に示す。
【００２６】
最後に露出したｎ型層２１の表面をポリシングした後、ｎ型層にオーミック用の電極としてＴｉ−Ａｌよりなる負電極２５を形成し、一方ｐ型ＧａＡｓ基板５０には同じくオーミック電極としてＡｕ−Ｚｎよりなる正電極５５を全面に形成する。
【００２７】
以上のようにして正電極および負電極が形成されたウェーハを、ｐ型ＧａＡｓ基板の劈開性を利用して２００μｍ角の発光チップに分離する。分離後の発光チップの構造を示す模式的な断面図を図４に示す。この発光チップは電極２５と５５間に通電することにより、活性層２２が発光するＬＥＤ素子の構造を示している。この発光素子は活性層２２の発光が第一のオーミック電極３０とｐ型層２３との界面で反射され、ｐ型ＧａＡｓ基板５０に吸収されることがないので、従来の発光素子に比べて発光出力が５０％以上増大した。
【００２８】
またこの例は絶縁性基板がサファイア、導電性基板がｐ型ＧａＡｓについて説明したが、絶縁性基板にはサファイアの他に例えば前記したスピネル、ネオジウムガレートのような絶縁性基板を用いても良く、また導電性基板にはＳｉ、ＺｎＯのような基板を用いても良い。
【００２９】
［実施例２］
実施例１においてサファイア基板１をラッピングする際、サファイア基板１が５μｍの膜厚で残るようにラッピングする。次に残ったサファイア基板１の表面に電流狭窄層が形成できるような形状のマスクを形成し、エッチング装置でマスク開口部のサファイア基板１をエッチングにより除去し、ｎ型層２１の一部を露出させる。露出後同様にしてｎ型層に負電極２５とｐ型ＧａＡｓ基板５０に正電極５５を形成する。
【００３０】
次にｐ型ＧａＡｓ基板５０の劈開性を用いて、チップ状に分離してレーザ素子とする。図５はそのレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、故意に残したサファイア基板１がレーザ素子の電流狭窄層として作用している。この例は電流狭窄層としてサファイア基板を残す例を示したが、この他にレーザ素子の電流狭窄層を形成するには実施例１のようにサファイア基板１を全部除去してから、例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２のような絶縁膜を露出した窒化物半導体層の上に形成しても良い。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方法によると導電性基板を有する窒化物半導体素子が実現できるので、チップサイズの小さい素子を提供することができる。また素子に形成した電極同士が対向しているので、電流が窒化物半導体層に均一に流れ発熱量が小さくなり、レーザ素子を実現することも可能となる。さらに容易に窒化物半導体の劈開が可能となり、その劈開面を共振器とできるためレーザ素子の作製が容易となる。さらにまた発光デバイスを実現すると、窒化物半導体層と導電性基板とを接着した電極により、窒化物半導体層の発光が電極表面で反射されるので発光出力も増大させることができる。
【００３２】
従来の窒化物半導体ＬＥＤは図６に示すようにｐ型層６４の表面のほぼ全面に光を透過する正電極６５が形成されていた。これはｐ型層の電流が広がりにくいことによる。この正電極６５により発光する光の５０％以上が吸収されていた。しかし本発明の素子によると図４および図５に示すように低抵抗なｎ型層２１が最上層となるので、従来のように全面電極を設ける必要がなくなり、小さな部分電極でよい。従って窒化物半導体層側からの光の取り出し効率が飛躍的に向上し発光出力が向上する。このように本発明は窒化物半導体を用いたデバイスを実現する上で産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の一工程を説明する窒化物半導体ウェーハの模式断面図。
【図２】本発明の方法の一工程を説明する窒化物半導体ウェーハの模式断面図。
【図３】本発明の方法の一工程を説明する窒化物半導体ウェーハの模式断面図。
【図４】本発明の一実施例に係る窒化物半導体素子の構造を示す模式断面図。
【図５】本発明の他の実施例に係る窒化物半導体素子の構造を示す模式断面図。
【図６】従来の窒化物半導体発光素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・・サファイア基板
２・・・・窒化物半導体層
２１・・・・ｎ型層
２２・・・・活性層
２３・・・・ｐ型層
３０・・・・第一のオーミック電極
４０・・・・第二のオーミック電極
５０・・・・ｐ型ＧａＡｓ基板
２５・・・・負電極
５５・・・・正電極
【図１】
2004006919.tif 000003
【図２】
2004006919.tif 000004
【図３】
2004006919.tif 000005
【図４】
2004006919.tif 000006
【図５】
2004006919.tif 000007
【図６】
2004006919.tif 000008