(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１００μｍ以上の厚みを有し、厚さ方向に上部及び下部領域に区分され、前記上部領域の第１導電型不純物のドーピング濃度が前記下部領域の第１導電型不純物のドーピング濃度の５倍以上であり、前記下部領域の厚さが前記上部領域の厚さより大きく、前記下部領域の厚さが約１００μｍ乃至約５００μｍであり、前記上部領域の厚さが約１０μｍ乃至約１００μｍである窒化物単結晶基板を備える段階と、
前記窒化物単結晶基板上に第１導電型窒化物半導体層と活性層と第２導電型不純物を含んだ第２導電型窒化物半導体層とを順次に成長させる段階と、
前記窒化物単結晶基板の上部領域が前記窒化物単結晶基板の下面として提供されるよう、前記窒化物単結晶基板の下部領域を除去する段階と、
前記下部領域が除去された前記窒化物単結晶基板の下面と前記第２導電型窒化物半導体層上にそれぞれ第１及び第２電極を形成する段階と、
を含み、
前記窒化物単結晶基板は、その下部領域のみが除去され、前記上部領域は除去されず、前記第１導電型窒化物半導体層は、除去されない前記上部領域上に形成されることを特徴とする垂直構造窒化物発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記活性層及び前記第２導電型窒化物半導体層を順次に成長させる段階は、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）工程により実施されることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造窒化物発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記上部領域に該当する前記基板の上面は、Ｇａ極性であることを特徴とする請求項１または２に記載の垂直構造窒化物発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１及び前記第２導電型不純物は、各々ｎ型及びｐ型不純物であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の垂直構造窒化物発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記窒化物単結晶基板の前記下部領域は、意図的にドープされていない領域であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の垂直構造窒化物発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記上部及び前記下部領域は、各々厚さ方向にほぼ同じドーピング濃度を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の垂直構造窒化物発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記上部領域は約５×１０18/ｃｍ3以上のドーピング濃度を有し、前記下部領域は約５×１０17/ｃｍ3以下のドーピング濃度を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の垂直構造窒化物発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記基板の厚みは、約２００〜約６００μｍであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の垂直構造窒化物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、窒化物単結晶基板に関するものであって、より詳しくは、発光素子の製造工程をより効率化することが出来る窒化物単結晶基板並びにその製造方法と、これを用いて製造された垂直構造窒化物発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ＩＩＩ族窒化物半導体は可視光の全体領域だけでなく、紫外線領域に及ぶ広い範囲の光を発することが出来るという特性を有し、青緑色を具現するための光素子物質として脚光を浴びている。
【０００３】
通常、窒化物単結晶は、異種基板上にＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法或いはＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて製造され、ここに使用される異種基板としてはサファイア（α−Ａｌ2Ｏ3）基板或いはＳｉＣ基板があるが、例えば、サファイアの場合、窒化ガリウムと約１３％の格子定数差が存在し、熱膨張係数差（−３４％）も大きいため、サファイア基板と窒化ガリウム単結晶との間の界面に応力が発生し、単結晶内に格子欠陥及びクラックを引き起こす原因となる。
【０００４】
このような問題を解決すべく、最近は窒化物半導体素子を同種基板の窒化物単結晶基板上で直接成長させる技術が考慮されており、その先決課題としてフリースタンディング（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）窒化物単結晶基板を製造する技術が活発に研究されつつある。
【０００５】
フリースタンディング窒化物単結晶基板は、図１ａに図示された通り、１次的にはサファイア基板のような予備基板１１上に窒化物単結晶バルク１２を成長させ、次いで図１ｂのように予備基板１１を窒化物単結晶バルク１２から除去する工程で得ることが出来る。この際に、サファイア基板を除去する方法としてはレーザーリフトオフ（ｌａｓｅｒ  ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）工程が使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような窒化物単結晶基板は、サファイア基板と異なって導電性を有することが可能であるため、電流分散効率に優れた垂直構造発光素子の製造が容易であるとも言えるが、実際には窒化物単結晶基板を用いても垂直構造発光素子を製造するのは困難である。
【０００７】
より具体的に、窒化物単結晶基板は、十分な導電性を有するために高濃度でドープされていることが要される。ドープされていない場合には、垂直構造発光素子を具現するために、機械的研磨工程を用いて窒化物単結晶基板を完全に除去しなければならないという工程上の厄介さがある。
【０００８】
これとは異なって、十分な導電性を有するよう窒化物単結晶基板に対して特定不純物により高濃度でドーピングする方案を考慮することができるが、窒化物単結晶内の不純物濃度が高くなるほど単結晶内のストレインとストレスが増加して欠陥密度が高くなり、キャリア移動度が低下するなど結晶品質が悪化する問題がり、さらに大口径基板を製造する場合には、不純物ドーピングによりクラックが発生する場合もある。
【０００９】
本発明は、上述の従来技術の問題を解決するためのものであって、その目的は、優れた結晶性が保障されながら垂直構造窒化物発光素子を製造するに適した窒化物単結晶基板を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、上記の窒化物単結晶基板の製造方法とその窒化物単結晶基板を用いた垂直構造窒化物発光素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の技術的課題を達成すべく、本発明の第１側面は、１００μｍ以上の厚みを有し、厚さ方向に上部及び下部領域に区分され、上記上部領域のドーピング濃度は、上記下部領域のドーピング濃度の５倍以上であることを特徴とする窒化物単結晶基板を提供する。
【００１２】
一般的に、上記上部領域に該当する上記基板の上面は、上記下部領域に該当する基板の下面より低い表面粗さを有する。
【００１３】
また、具体的な実施形態において、上記下部領域は意図的にドープされていない領域で、上記上部領域はｎ型不純物でドープされることが出来る。この場合、上記上部及び下部領域は各々厚さ方向にほぼ同じドーピング濃度を有することが好ましい。好ましくは、上記上部領域は約５×１０18/ｃｍ3以上のドーピング濃度を有し、上記下部領域は約５×１０17/ｃｍ3以下のドーピング濃度を有する。
【００１４】
上記基板の好ましい厚みは約２００〜約６００μｍであることが出来る。この場合、上記下部領域の厚みは好ましくは約１００〜約５００μｍであることが出来る。これは優れた結晶性を保障しつつもラッピング工程による除去過程を簡素化するためである。また、上記上部領域の厚みは約１０〜約１００μｍであることが好ましい。
【００１５】
上記窒化物単結晶基板は、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を満足する物質であってもよい。
【００１６】
本発明の第２側面は、窒化物単結晶基板の製造方法を提供する。上記製造方法は、窒化物単結晶成長のための予備基板を備える段階と、上記予備基板上に第１窒化物単結晶層を成長させる段階と、上記第１窒化物単結晶層上に上記第１窒化物単結晶層のドーピング濃度の５倍以上であるドーピング濃度を有するよう第２窒化物単結晶層を成長させる段階と、上記第１及び上記第２窒化物単結晶層からなる窒化物単結晶基板が得られるよう上記予備基板を除去する段階と、を含み、ここで、上記窒化物単結晶基板は１００μｍ以上の厚みを有するよう形成される。
【００１７】
本製造方法において、好ましく上記第１及び上記第２窒化物単結晶層を成長させる段階は、相対的に高速成長が保障されるＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）工程により実施されることが好ましい。
【００１８】
本発明の第３側面は、１００μｍ以上の厚みを有し、厚さ方向に上部及び下部領域に区分され、上記上部領域の第１導電型不純物のドーピング濃度が上記下部領域の第１導電型不純物のドーピング濃度の５倍以上である窒化物単結晶基板を備える段階と、上記窒化物単結晶基板上に活性層と第２導電型不純物を含んだ第２導電型窒化物半導体層とを順次に成長させる段階と、上記窒化物単結晶基板の上部領域が上記窒化物単結晶基板の下面として提供されるよう、上記窒化物単結晶基板の下部領域を除去する段階と、上記下部領域が除去された上記窒化物単結晶基板の下面と上記第２導電型窒化物半導体層上にそれぞれ第１及び第２電極を形成する段階と、を含む垂直構造窒化物発光素子の製造方法を提供する。
【００１９】
好ましくは、上記活性層及び上記第２導電型窒化物半導体層を順次に成長させる段階は、上記活性層の成長前に上記窒化物単結晶基板上へ第１導電型窒化物半導体層を成長させる段階を含むことが出来る。上記窒化物層の成長工程は、より良質の結晶性を確保するに有利なＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）工程により実施されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、高濃度でドープされた上部領域とドープされていない下部領域を含むように窒化物単結晶基板を構成することにより、窒化物単結晶基板はドープされていない下部領域を基盤として優れた結晶性を有すると同時に、ドープされた上部領域が十分な電気的伝導性を有するため、垂直構造発光素子の製造に有益な基板として使用することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付の図面を参照に、本発明の好ましい実施形態をより詳しく説明する。
【００２２】
図２ａは、本発明の第１側面による窒化物単結晶基板を示した側断面図である。
【００２３】
図２ａに図示された通り、本発明による窒化物単結晶基板２２は、厚さ方向に高濃度でドープされた上部領域２２ｂと低濃度または意図的にドープされていない下部領域２２ａとを含む。上記窒化物単結晶基板２２は、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を満足する物質であることが可能である。ここで、上部領域及び下部領域は、同じ組成を有する領域であることが可能である。しかしドーピング濃度については、上記上部領域２２ｂのドーピング濃度は下部領域２２ａのドーピング濃度より少なくとも５倍大きい。上部領域２２ｂは十分な伝導性を有するようドープされた領域で、逆に下部領域２２ａは意図的にドープされていない領域であることが可能である。
【００２４】
本明細書にて使用される“意図的にドープされていない領域”とは、不純物ソースを注入していない状態で成長された領域であって、不純物が注入されなくとも工程環境によってやむを得ずドープされてしまった水準までは排除しないという意味として使用される用語である。
【００２５】
図２ｂには、図２ａの窒化物単結晶基板の厚さ方向（０−Ｘ1−Ｘ2）に対するドーピング濃度を示したグラフが図示されている。上記下部領域２２ａのドープ濃度Ｃ1は、先に説明した意図的にドープされていない状態の通常の濃度を考慮して約５×１０17/ｃｍ3以下であることができ、勿論、この範囲は理想的な“０”というドープ濃度を含むものと理解できる。
【００２６】
上部領域２２ｂのドーピング濃度Ｃ2は十分な伝導性を保障するために、好ましく約５×１０18/ｃｍ3以上であることが出来る。通常、発光素子を製造する場合、窒化物単結晶基板２２上にはｎ型窒化物層が優先して成長されるため、上部領域２２ｂの不純物はＳｉのようなｎ型不純物を使用することが好ましい。
【００２７】
また、図示された通り、各領域２２ａ、２２ｂは厚さ方向に沿って均一な濃度分布を有し、上下部領域２２ａ、２２ｂの境界付近を基準として濃度が変わる。このような濃度分布は、不純物を注入していない状態で下部領域２２ａを成長させ、所望の厚みに達してから一定の不純物を注入して上部領域２２ｂを成長させることによって得ることが出来る。このような成長工程に関しては、図３を参照してより詳しく説明する。
【００２８】
本発明に採用された基板２２の下部領域２２ａは、優れた結晶性を保障するため、非常に低い濃度を有するように形成されたり、或いは意図的にドープされないよう成長される反面、上部領域２２ｂは下部領域２２ａの優れた結晶情報に基づいて十分な伝導性を有するよう形成されている。従って、垂直構造発光素子の製造に使用する場合、ラッピング工程により除去される領域の厚みを減少させ、工程効率を上げることができ、残留する上部領域２２ｂは比較的優れた結晶性と十分な伝導性を有する窒化物発光素子の一部として使用されることが可能である。
【００２９】
本発明による窒化物単結晶基板２２において、上部領域２２ｂと下部領域２２ａを定義する上下の基準はこれに限られないが、通常、基板の上面がｃ軸（ｃ面）に該当しＧａ極性表面を有するため、結晶方向がｃ軸でＧａ極性表面である面を基板２２の上面Ａと判断して上下部領域２２ｂ、２２ａを区分することが出来る。
【００３０】
一般に使用される窒化物単結晶基板２２の厚みｔは、約２００〜約６００μｍであることが可能である。この場合、上記下部領域２２ａの厚みｔ1は約１００〜約５００μｍであることが好ましい。下部領域２２ａの厚みｔ1が１００μｍ未満の場合には、通常の基板の厚みを考慮した際に優れた結晶性を保障することが困難で、５００μｍを超過する場合には、垂直構造発光素子を製造する際に伝導性が低い下部領域を除去するためのラッピング工程時間が長くかかりすぎるという問題がある。
【００３１】
また、十分な伝導性を有する上部領域２２ｂの厚みｔ2は、約１０〜約１００μｍが好ましい。上部領域２２ｂの厚みｔ2が１０μｍ未満の場合には、高伝導性領域を基板に予め確保することによる十分な効果を期待し難く、１００μｍを超過する場合には、上部領域２２ｂ自体内において不純物によって結晶性が低くなる問題がある。
【００３２】
図３の工程（ａ）乃至工程（ｄ）は、各々本発明の第２側面による窒化物単結晶基板の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【００３３】
図３の工程（ａ）のように、窒化物成長のための基板（予備基板）３１を設ける。上記基板３１は代表的にサファイア基板であることが出来るが、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ2またはＬｉＧａＯ2基板であってもよい。
【００３４】
次いで、図３の工程（ｂ）のように、意図的にドープされていない第１窒化物単結晶層３２ａを上記基板３１上に成長させる。第１窒化物単結晶層３２ａの成長工程は、後述される第２窒化物単結晶層３２ｂの成長工程と共に、相対的に高速で窒化物層を成長させることが出来るＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を使用することが好ましい。例えば、本ＨＶＰＥ工程は、ＧａＣｌ及びＮＨ3を適切な流量で供給しながらその反応から所望のＧａＮを成長させることが可能である。この場合、本工程では不純物ソースガスを注入しない条件で実施するため、第１窒化物単結晶層３２ａの優れた結晶性を保障することが出来る。
【００３５】
次に、図３の工程（ｃ）のように、上記第１窒化物単結晶層３２ａ上に高濃度でドープされた第２窒化物単結晶層３２ｂを成長させる。本工程も先の工程と同じ条件で実施するが、高濃度でドープされた層を得るために、ＳｉＨ4またはＳｉＨ2Ｃl2のような不純物ソースガスを一緒に供給する。本工程で成長された第２窒化物単結晶層３２ｂは、図２ａで説明された通り、制限された厚みに成長させることが好ましい。第２窒化物単結晶層３２ｂの厚みが厚すぎる場合には、不純物による結晶性の低下が避けられないためである。
【００３６】
次いで、図３の工程（ｄ）のように、上記基板３１の下面にレーザービームを照射して第１及び第２窒化物単結晶層３２ａ、３２ｂを備えてなる窒化物単結晶基板３２を分離させる。本工程は、レーザービームの照射により界面から窒化物を各成分のメタルに分離し、これを溶融させる方式で実施されることが出来る。本工程から得られた窒化物単結晶基板３２は、その上面、即ち第２窒化物単結晶層３２ｂの上面が通常の窒化物基板のようにＧａ極性であることが可能である。
【００３７】
本発明によって製造された窒化物単結晶基板は、高濃度でドーピングされた第２窒化物単結晶層３２ｂの厚みが制限されていても、第１窒化物単結晶層３２ａにより、通常のウェーハに求められる厚みを有することが出来る。また、第１窒化物単結晶層３２ａは、意図的にドープされない条件で成長されるため、優れた結晶性を保障することが出来る。
【００３８】
本発明による窒化物単結晶基板は、垂直構造発光素子の製造に様々な長所を提供する。特に、優れた結晶性が保障されつつ、上部領域が十分な電気的伝導性を有するようドープされた構造を有するため、垂直構造発光素子を形成するための基板のラッピング工程を非常に簡素化することが出来る。
【００３９】
図４の工程（ａ）乃至工程（ｄ）は、各々本発明の第３側面による垂直構造窒化物発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【００４０】
図４の工程（ａ）のように、厚さ方向に高濃度でドープされた上部領域４２ｂと低濃度または意図的にドープされない下部領域４２ａとを含む窒化物単結晶基板４２を備える。図２ａで説明された通り、上記下部領域４２ａは、意図的にドープされていない状態であって、約５×１０17/ｃｍ3以下のドーピング濃度を有し、上部領域４２ｂはｎ型不純物でドープされ、十分な伝導性を保障するために、約５×１０18/ｃｍ3以上のドーピング濃度を有することが好ましい。また、一般的に使用される窒化物単結晶基板４２の厚みｔは、約２００〜約６００μｍであることが可能である。この場合、上記下部領域４２ａの厚みｔ1は約１００〜約５００μｍであることが好ましく、十分な伝導性を有する上部領域４２ｂの厚みｔ2は約１０〜約１００μｍが好ましい。
【００４１】
図４の工程（ｂ）のように、上記窒化物単結晶基板４２上にｎ型窒化物半導体層（第１導電型窒化物半導体層）４３、活性層４５及びｐ型窒化物半導体層（第２導電型窒化物半導体層）４７を順次に成長させる。本成長工程では厚膜工程とは異なって、高品質結晶を得るためＭＯＶＰＥ工程を用いることが好ましい。本実施形態では、ｎ型窒化物半導体層４３をさらに蒸着するものと図示して説明しているが、これに限られない。但し、本実施形態のように、基板４２の上部領域４２ｂとして提供されるｎ型領域上にさらにｎ型窒化物半導体層４３を成長させることは、活性層４５を成長させるための結晶成長面条件を向上させるためには好ましい。また、その厚みｔNは、ｎ型窒化物領域である上部領域（の厚み）を考慮して、通常の厚みより小さい厚みに成長させることが可能である。
【００４２】
次いで、図４の工程（ｃ）のように、上部領域４２ｂが露出されるよう窒化物単結晶基板４２の下部領域４２ａを除去する。本除去工程は、上記窒化物単結晶基板４２の下面に対するラッピング工程により具現されることが出来る。本工程によって露出された上部領域４２ｂは、先に説明した通り十分な伝導性を有するため、電極配置が構造物の上下面に提供された垂直構造を実現することが可能である。また、本発明においてラッピング工程は、基板全体の厚みを除去する場合と比べてその工程時間を大きく短縮することが出来る。本工程において残留する上部領域４２ｂの厚みｔ2’は、最初の上部領域の厚みｔ2よりやや減少していてもよい。これは、ラッピング工程によって完全に高伝導性領域のみが露出されるようにするために、下部領域の厚みよりやや大きい厚み分を研削することが好ましいためである。
【００４３】
最後に、図４の工程（ｄ）のように、上記結果物の上下面、即ちｐ型窒化物半導体層４７の上面と露出された窒化物単結晶基板４２の上部領域４２ｂの下面にそれぞれｐ側電極（第２電極）４９ｂ及びｎ側電極（第１電極）４９ａを形成する。本実施形態では、電極形成工程は、ラッピング工程後に全て一緒に（又は順次）行われることが例示されているが、ｐ側電極４９ｂはラッピング工程の前に実施されていることも可能である。このような電極形成工程後に、適切な切断工程を用いて上記結果物を各個別チップ４０単位で分離する工程を進行する。
【００４４】
このように、本発明に係る垂直構造窒化物発光素子の製造工程は、上部領域が制限的に高濃度ドープされた窒化物単結晶基板を用いる。従って、ドープされない下部領域により優れた結晶性を有する窒化物単結晶基板を使用することが出来るため、高品位の発光素子の製造にも有利で、垂直構造を製造するためのラッピング工程を下部領域に限って実施することにより、その工程時間を短縮することが出来るという効果がある。
【００４５】
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り限定する。従って、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であれば自明であり、これもまた本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１ａ】従来の窒化物単結晶基板の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１ｂ】従来の窒化物単結晶基板の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図２ａ】本発明の第１側面による窒化物単結晶基板を示した側断面図である。
【図２ｂ】図２ａの窒化物単結晶基板のドーピング濃度を厚さ方向に示したグラフである。
【図３】各々本発明の第２側面による窒化物単結晶基板の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図４】各々本発明の第３側面による垂直構造窒化物発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
２２ａ、４２ａ  アンドープされた下部領域、下部領域
２２ｂ、４２ｂ  高濃度ドープされた上部領域、上部領域
３２ａ  アンドープされた第１窒化物半導体層、第１窒化物単結晶層
３２ｂ  高濃度ドープされた第２窒化物半導体層、第２窒化物単結晶層
２２、３２、４２  窒化物単結晶基板
３１  サファイア基板、基板
４３  ｎ型窒化物半導体層
４５  活性層
４７  ｐ型窒化物半導体層
４９ａ  第１電極
４９ｂ  第２電極
【図１ａ】
0005165263.tif 000002
【図１ｂ】
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【図２ａ】
0005165263.tif 000004
【図２ｂ】
0005165263.tif 000005
【図３】
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【図４】
0005165263.tif 000007