(57)【要約】【課題】電極形成プロセスが容易で、高い放熱性と高い外部量子効率とを有する窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】サファイア基板１０上に、ｎ−ＧａＮ層２０、Ｔｉ膜３０を順次形成し、これを熱処理することによって、Ｔｉ膜３０を網目状とし、ｎ−ＧａＮ層２０中に空隙を形成した後、この網目状のＴｉ膜３０上に窒化物半導体からなる発光素子構造４０を形成し、さらに発光素子構造４０表面にＣｕＷ基板５０を貼付した後、サファイア基板１０とｎ−ＧａＮ層２０とを、発光素子構造４０から剥離し、剥離面に上部電極６０、ＣｕＷ基板５０の底面に底面電極７０を設けて窒化物系化合物半導体発光素子を得た。【選択図】      図１
2005085851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
（ａ）第一の基板上に、第一の窒化物系化合物半導体層を積層させる工程と、
（ｂ）前記第一の窒化物系化合物半導体層上に、金属膜を形成する工程と、
（ｃ）前記金属膜を表面に形成した第一の窒化物系化合物半導体層を熱処理することによって、前記金属膜を網目状とし、前記窒化物系化合物半導体層中に空隙を形成する工程と、
（ｄ）前記網目状となった金属膜上に、第二の窒化物系化合物半導体層を含む発光素子構造を形成する工程と、
（ｅ）前記発光素子構造上に、第二の基板を貼付する工程と、
（ｆ）前記第一の基板と第一の窒化物系化合物半導体からなる層を、前記発光素子構造から剥離する工程と、
を備えることを特徴とした窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記第一の窒化物系化合物半導体層の厚さを１０００nm以下とすることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記第二の基板として、その熱伝導率が、前記第一の基板の熱伝導率より大きいものを用いることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記工程（ｆ）における剥離方法が、エッチング法であることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記工程（ｅ）における前記第二の基板の貼付において、前記第二の基板が貼付される前記発光素子構造表面が、ｐ型層であることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子の製造方法に関する。さらには、窒化物系化合物半導体からなる発光素子の製造工程において、第一の基板およびその上の第一の窒化物系化合物半導体層を発光素子構造から剥離することにより、電極形成プロセスが容易で、放熱性が高く、発光出力が高い窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体エピタキシャル成長において最も簡単な方法は、成長する半導体と同一材料からなる基板上にエピタキシャル成長させることである。しかしながら、窒化物系化合物半導体では単結晶基板を得ることが困難であったり、コストの面で産業的に用いられない等の理由により、サファイア、炭化珪素等の異種材料基板上へ成長せざるを得ない状況が続いている（特許文献１）。このため、基板と窒化物系化合物半導体層との格子定数差や熱膨張係数差に起因して、基板が反ってしまう等の問題があった。
【特許文献１】特開平０６−２９１３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１のように、サファイア基板上に窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させたウエハーから作製した発光素子においては、当該サファイア基板が絶縁性の基板であるため、ｎ側電極、ｐ側電極のいずれもエピタキシャル成長面側に形成する必要がある。この両電極ともエピタキシャル成長面側に形成するので、発光素子作製のために多くのプロセス工程が必要となる。
【０００４】
そして、作製された発光素子において、電極から注入された電流を素子の横方向に流さざるを得ないため、抵抗値が大きくなってしまう。
【０００５】
さらに、サファイア基板の熱伝導率が低いため、発光素子の放熱性も低く、結局、発光素子にサファイア基板が設けられていること自体が、当該発光素子の発光特性および寿命を低下させる要因となっていた。
【０００６】
さらに加えて、サファイア基板上にＡｌＧａＮ層をエピタキシャル成長させた場合の結晶欠陥は、同基板にＧａＮを成長させた場合より多い。そこで窒化物系化合物半導体発光素子の製造工程においては、サファイア基板上に、まず高品質のＧａＮ層をエピタキシャル成長させ、その上にＡｌＧａＮ層を含む発光素子構造を成長させる。ここで、化合物半導体発光素子の発光波長が３８０nm程度以下となると、サファイア基板上のＧａＮ層での光の吸収が増加し、外部量子効率が大きく低下するという課題があった。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、容易な電極形成プロセス、高い放熱性、高い外部量子効率を有し発光出力の高い窒化物系化合物半導体発光素子を得ることの出来る製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するための第１の手段は、窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
（ａ）第一の基板上に、第一の窒化物系化合物半導体層を積層させる工程と、
（ｂ）前記第一の窒化物系化合物半導体層上に、金属膜を形成する工程と、
（ｃ）前記金属膜を表面に形成した第一の窒化物系化合物半導体層を熱処理することによって、前記金属膜を網目状とし、前記窒化物系化合物半導体層中に空隙を形成する工程と、
（ｄ）前記網目状となった金属膜上に、第二の窒化物系化合物半導体層を含む発光素子構造を形成する工程と、
（ｅ）前記発光素子構造上に、第二の基板を貼付する工程と、
（ｆ）前記第一の基板と第一の窒化物系化合物半導体からなる層を、前記発光素子構造から剥離する工程と、
を備えることを特徴とした窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法である。
【０００９】
第２の手段は、第１の手段に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記第一の窒化物系化合物半導体層の厚さを１０００nm以下とすることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法である。
【００１０】
第３の手段は、第１または第２の手段に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記第二の基板として、その熱伝導率が、前記第一の基板の熱伝導率より大きいものを用いることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法である。
【００１１】
第４の手段は、第１から第３の手段のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記工程（ｆ）における剥離方法が、エッチング法であることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法である。
【００１２】
第５の手段は、第１から第４の手段のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記工程（ｅ）における前記第二の基板の貼付において、前記第二の基板が貼付される前記発光素子構造表面が、ｐ型層であることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
以上詳述したように、本発明は、半導体発光素子の製造方法であって、
（ａ）第一の基板上に、第一の窒化物系化合物半導体層を積層させる工程と、
（ｂ）前記第一の窒化物系化合物半導体層上に、金属膜を形成する工程と、
（ｃ）前記金属膜を表面に形成した第一の窒化物系化合物半導体層を熱処理することによって、前記金属膜を網目状とし、前記窒化物系化合物半導体層中に空隙を形成する工程と、
（ｄ）前記網目状となった金属膜上に、第二の窒化物系化合物半導体層を含む発光素子構造を形成する工程と、
（ｅ）前記発光素子構造上に、第二の基板を貼付する工程と、
（ｆ）前記第一の基板と第一の窒化物系化合物半導体からなる層を、前記発光素子構造から剥離する工程と、
を備える窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であるが、当該製造法によれば、電極製造のプロセス工程が容易になると共に、放熱性に優れ、発光出力の高い窒化物系ＬＥＤを製造することかできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、実施例に基づき図面を参照しながら、本発明に係る窒化物系化合物半導体発光素子（以下、窒化物系ＬＥＤと記載する。）の製造方法における実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、第１の手段にて説明した窒化物系ＬＥＤの製造方法における（ａ）工程〜（ｆ）工程のウエハーの模式的な断面図であり、図２は、第１の手段にて説明した（ｅ）工程におけるウエハーと、当該ウエハーより作製された窒化物系ＬＥＤのより詳細な断面図であり、図３は、本実施例に係る窒化物系ＬＥＤの第２実施例の断面図であり、図４は、比較例に係る窒化物系ＬＥＤの断面図である。
【００１６】
本発明に係る窒化物系ＬＥＤの製造は、以下のように行われる。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、第一の基板１０上に第一の窒化物系化合物半導体層（以下、第一の窒化物半導体層と記載する。）２０をエピタキシャル成長させる。ここで、第一の基板１０としてサファイア基板が好ましいが、これに限られず、窒化物半導体、炭化珪素、珪素、あるいは酸化物材料等からなる単結晶基板等を用いることもできる。また、第一の窒化物半導体層２０としては、例えばＧａＮが好ましい。尚、好ましい膜厚については、後述する。
【００１８】
次に、図１（ｂ）に示すように、第一の窒化物半導体層２０上に金属膜３０を形成する。ここで、金属膜３０としては、Ｔｉ膜が好適に使用できる。
【００１９】
次に、図１（ｃ）に示すように、第一の基板１０、第一の窒化物半導体層２０と金属膜３０からなる層を熱処理する。すると、まず金属膜３０が網目状となり、その網目状の開口部を起点として第一の窒化物半導体層２０中に空隙ができる。
【００２０】
尚、本実施の形態において、当該熱処理は１１００℃の水素８０％、アンモニア２０％雰囲気で３０分間の処理をもって行った。
【００２１】
次に図１（ｄ）に示すように、網目状の金属膜３０上へ、第二の窒化物系化合物半導体層（以下、第二の窒化物半導体層と記載する。）を含む発光素子構造４０を形成する。
【００２２】
次に、図１（ｅ）に示すように、発光素子構造４０の上に第二の基板５０を貼付する。ここで、第二の基板５０として、第一の基板１０より熱伝導率の大きなものを用いることが好ましい。この部分に熱伝導率の大きな基板を用いることで本発明に係る窒化物系ＬＥＤの放熱性を高め、発光出力を上げることができる。第二の基板５０としてはＣｕＷ（銅タングステン）が好ましいが、これに限られず、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＣｕＭｏ（銅モリブデン）、Ｃｕ（銅）等を用いることができる。
【００２３】
次に、図１（ｆ）に示すように、発光素子構造４０と第二の基板５０とから、第一の基板１０と第一の窒化物半導体層２０とを剥離する。
【００２４】
この剥離工程において、工程（ｃ）にて第一の窒化物半導体層２０に付与された空隙の存在割合である空隙率の影響が大きいことが判明した。そして、当該空隙率は、第一の窒化物半導体層２０の膜厚によって、ほぼ定まることが見出された。即ち、当該膜厚が薄い程、第一の窒化物半導体層２０の空隙率が高くなる。そして当該空隙率が高くなる程、剥離の際の歩留りが向上する。
【００２５】
さらに、剥離方法には、機械的に剥離する方法と、エッチングにより剥離する方法とがあるが、剥離工程の製造歩留りの観点からはエッチングにより剥離する方が好ましいことが判明した。
【００２６】
この、第一の窒化物半導体層２０の膜厚と、機械的剥離およびエッチング剥離と、歩留りとの関係を図７に一覧表として示す。
【００２７】
尚、本実施の形態において、当該エッチング剥離は、フッ酸による３０分間のエッチングをもって行った。
【００２８】
図７の結果より、第一の窒化物半導体層２０の膜厚が１０００nm以下であれば、エッチング剥離によって満足すべき歩留りが得られること、第一の窒化物半導体層２０の膜厚が薄い程、機械的剥離およびエッチング剥離において歩留りが向上すること、さらに第一の窒化物半導体層２０の膜厚が４００nm以下であれば、いずれの剥離方法によっても１００％の歩留りが得られることも判明した。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
ここで、図２（ａ）（ｂ）を参照しながら実施例１について説明する。
【００３０】
図２（ａ）は基板上に形成されたウエハーの模式的な断面図であり、（ｂ）は当該ウエハーより作製された窒化物系ＬＥＤの模式的な断面図である。
【００３１】
図２（ａ）において、符号１０は第一の基板であるサファイア基板、符号２０は第一の窒化物半導体層であるｎ−ＧａＮ層、図２（ａ）（ｂ）において、符号３０は金属膜であるＴｉ膜、符号４１はｎ−Ａ１ＧａＮ層、符号４２はＧａＮ／Ａ１ＧａＮ多重量子井戸層、符号４３はｐ−ＡｌＧａＮ層、符号５０は第二の基板であるＣｕＷ基板、図２（ｂ）において、符号６０は上部電極、符号７０は底面電極を示している。尚、ｎ−Ａ１ＧａＮ層４１、ＧａＮ／Ａ１ＧａＮ多重量子井戸層４２、ｐ−ＡｌＧａＮ層４３は、第二の窒化物半導体層となり発光素子構造４０を構成している。
【００３２】
実施例１に係る窒化物系ＬＥＤの作製について説明する。
【００３３】
まず、サファイア基板１０上へｎ−ＧａＮ層２０を５００nm成長させ、次にＴｉ膜３０を３０nm形成した後、水素８０％アンモニア２０％の１１００℃雰囲気で３０分間熱処理を行い、Ｔｉ膜を網目状としｎ−ＧａＮ層に空隙を発生させて下地基板とした。この下地基板上にｎ−Ａ１ＧａＮ層４１（厚さ３μｍ）、ＧａＮ／Ａ１ＧａＮ多重量子井戸層４２（ＧａＮ厚さ２nm，ＡｌＧａＮ厚さ４nm）、ｐ−ＡｌＧａＮ層４３（厚さ０．５μｍ）を順次形成し、ｐ−ＡｌＧａＮ層４３上にＣｕＷ基板５０を貼付した。
【００３４】
尚、このとき、ｎ−Ａ１ＧａＮ層４１の組成をｎ−ＡｌXＧａ1-XＮ（Ｘ＝０．２）、ｐ−ＡｌＧａＮ層４３の組成をｐ−ＡｌXＧａ1-XＮ（Ｘ＝０．２）とし、貼付は、高温で熱処理することによる融着で行った。
【００３５】
その後、機械的に下地基板を剥離し、ｎ−Ａ１ＧａＮ層４１の表面に上部電極６０を、ＣｕＷ基板５０の底面に底面電極７０を設け、図２（ｂ）に示す窒化物系ＬＥＤを作製した。当該窒化物系ＬＥＤに２０ｍＡ通電したところ、発光波長３５４nmで、発光出力は３．２ｍＷであった。
【００３６】
作製された実施例１に係る窒化物系ＬＥＤの発光特性を図５に示す。
【００３７】
図５は、横軸に注入電流値（ｍＡ）をとり、縦軸に発光出力（ｍＷ）をとったグラフである。
【００３８】
（比較例）
ここで、図４を参照しながら、従来の技術に係る比較例について説明する。
【００３９】
図４は、従来の技術に係る窒化物系ＬＥＤの模式的な断面図である。
【００４０】
図４において、各符号は上述した図２（ａ）（ｂ）と同様であるが、Ｔｉ膜３０、ＣｕＷ層５０、底面電極７０を有せず、代わりに対電極８０を有している。
【００４１】
従来の技術に係る窒化物系ＬＥＤの作製について説明する。
【００４２】
まず、サファイア基板１０上へｎ−ＧａＮ層２０を５００nm成長させ、次にｎ−Ａ１ＧａＮ層４１（厚さ３μｍ）、ＧａＮ／Ａ１ＧａＮ多重量子井戸層４２（ＧａＮ厚さ２nm，ＡｌＧａＮ厚さ４nm）、ｐ−ＡｌＧａＮ層４３（厚さ０．５μｍ）を順次形成してウエハーを作製した。尚、ｎ−Ａ１ＧａＮ層４１、およびｐ−ＡｌＧａＮ層４３の組成は、実施例１と同様のものとした。
【００４３】
作製されたウエハーの表面をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）により部分的に除去し、ｎ−ＧａＮ層２０の一部を露出させて、ここに対電極８０を設け、図４に示す従来の技術に係る窒化物系ＬＥＤを作製した。当該窒化物系ＬＥＤに２０ｍＡ通電したところ、発光波長３５４nmで、発光出力は０．０５ｍＷであった。
【００４４】
作製された窒化物系ＬＥＤの発光特性を図６に示す。
【００４５】
図６は、図５と同様に、横軸に注入電流値（ｍＡ）をとり、縦軸に発光出力（ｍＷ）をとったグラフである。
【００４６】
（評価１）
実施例１と比較例とを較べてみると、各窒化物系ＬＥＤに２０ｍＡ通電したところ、上述したように、発光波長３５４nmで、実施例１の発光出力が３．２ｍＷであったのに対し、比較例は０．０５ｍＷであった。
【００４７】
これは、発光波長が３８０nm以下となると、発光がＧａＮ層で吸収され始めるが、実施例１に係る窒化物系ＬＥＤでは、サファイア基板とＧａＮ層とを共に窒化物系ＬＥＤから剥離している。この剥離のために光の吸収が小さくなり、外部量子効率が向上し発光出力が上昇したと考えられる。
【００４８】
さらに、実施例１に係る窒化物系ＬＥＤでは、絶縁性のサファイア基板を剥離し、導電性のＣｕＷ基板を用いたことにより、電極形成プロセスにおいて、ＲＩＥ等の方法により窒化物系ＬＥＤエピタキシャルウエハー表面をエッチングする工数を省くことができた。
【００４９】
また、図５と図６との比較より明らかなように、実施例１に係る窒化物系ＬＥＤは注入電流値の増加に伴い発光出力が一次的に増加し高い光出力が得られた。これに対し、従来の技術に係る窒化物系ＬＥＤは注入電流値の増加に伴い発光出力が一次的に増加せずに飽和する傾向がみられ、発光出力自体も上述した本発明に係る窒化物系ＬＥＤと比較して、１／６０以下程度に留まった。これは、本発明に係る窒化物系ＬＥＤでは熱伝導率が低いサファイア基板が剥離され、当該サファイア基板より熱伝導率の高いＣｕＷ基板が貼付されているために放熱性が向上し、注入電流値が増加しても発光出力が飽和し難くなったためであると考えられる。
【００５０】
（実施例２）
ここで、図３を参照しながら実施例２について説明する。
【００５１】
図３は、実施例２に係る窒化物系ＬＥＤの模式的な断面図である。
【００５２】
図３において、各符号は上述した図２（ａ）（ｂ）と同様であるが、ＣｕＷ基板５０の上に順次、ｎ−Ａ１ＧａＮ層４１、ＧａＮ／Ａ１ＧａＮ多重量子井戸層４２、ｐ−ＡｌＧａＮ層４３が設けられ、第二の窒化物半導体層となり発光素子構造４０を構成している。そして、ｐ−ＡｌＧａＮ層４３上には上部電極６０が、ＣｕＷ基板５０の底面には底面電極７０が設けられている。
【００５３】
実施例２に係る窒化物系ＬＥＤの作製について説明する。
【００５４】
実施例１と同様に、サファイア基板１０上へｎ−ＧａＮ層２０、Ｔｉ膜３０を形成した後、熱処理を行い下地基板とした。この下地基板上にｐ−ＡｌＧａＮ層４３（厚さ０．５μｍ）、ＧａＮ／Ａ１ＧａＮ多重量子井戸層４２（ＧａＮ厚さ２nm，ＡｌＧａＮ厚さ４nm）、ｎ−Ａ１ＧａＮ層４１（厚さ３μｍ）を順次形成し、最後にその上にＣｕＷ基板５０を貼付した。尚、ｎ−Ａ１ＧａＮ層４１、およびｐ−ＡｌＧａＮ層４３の組成は、実施例１と同様のものとした。
【００５５】
その後、機械的に下地基板を剥離し、ｐ−Ａ１ＧａＮ層４３の表面に上部電極６０を、ＣｕＷ基板５０の底面に底面電極７０を設け、図３に示す窒化物系ＬＥＤを作製した。
【００５６】
当該窒化物系ＬＥＤに２０ｍＡ通電したところ、発光波長３５４nmで、発光出力は１．４ｍＷであった。
【００５７】
（評価２）
実施例１と実施例２とを較べてみると、各窒化物系ＬＥＤに２０ｍＡ通電したところ、上述したように、発光波長３５４nmで、実施例１の発光出力が３．２ｍＷであったのに対し、実施例２は１．４ｍＷであった。
【００５８】
この発光出力の差の原因は、以下のように考えられる。
【００５９】
即ち、一般に窒化物半導体においてはｐ型層を低抵抗化することが困難なため、ｐ型層はｎ型層よりも電流分散が起こり難い。ここで実施例１に係る窒化物系ＬＥＤでは、ｐ型層であるｐ−ＡｌＧａＮ層４３側にＣｕＷ基板５０が貼付されているため、たとえｐ型層の電流分散が起こり難くても、当該層全面に電流を注入することができる。この結果、ｐ型層において電流分散が起こり難いという問題点が克服され、実施例１に係る窒化物系ＬＥＤは、高い発光出力を得ることが出来たものと考えられる。
【００６０】
これに対し、実施例２に係る窒化物系ＬＥＤでは、ｐ型層であるｐ−ＡｌＧａＮ層４３側が光の取り出し側となり上部電極６０が設けられているため、上部電極６０を当該層全面に広げることが出来ない。このため注入電流は、ｐ−ＡｌＧａＮ層４３で拡散することとなるが、上述したようにｐ型層での電流拡散は困難なため、発光面積が減少する結果、実施例１に係る窒化物系ＬＥＤと比較してより低い発光出力に留まったものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施例に係るウエハー製造工程おけるウエハーの模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係るウエハーと、当該ウエハーより作製された窒化物系ＬＥＤのより詳細な断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係る窒化物系ＬＥＤの断面図である。
【図４】本発明の比較例に係る窒化物系ＬＥＤの断面図である。
【図５】本発明の実施例１に係る窒化物系ＬＥＤのＬ−Ｉ特性図である。
【図６】本発明の比較例に係る窒化物系ＬＥＤのＬ−Ｉ特性図である。
【図７】第一の窒化物半導体層の膜厚、および金属膜のエッチング併用の有無と、機械的剥離の際の歩留りとの関係を示した一覧表である。
【符号の説明】
【００６２】
１０  第一の基板（サファイア基板）
２０  第一の窒化物半導体層（ｎ−ＧａＮ層）
３０  金属膜（Ｔｉ膜）
４０  発光素子構造（第二の窒化物半導体層）
４１  ｎ−ＡｌＧａＮ層
４２  ＧａＮ／ＡｌＧａＮ多重量子井戸層
４３  ｐ−ＡｌＧａＮ層
５０  第二の基板（ＣｕＷ基板）
６０  上部電極
７０  底面電極
８０  対電極
【図１】
2005085851.tif 000003
【図２】
2005085851.tif 000004
【図３】
2005085851.tif 000005
【図４】
2005085851.tif 000006
【図５】
2005085851.tif 000007
【図６】
2005085851.tif 000008
【図７】
2005085851.tif 000009