JP2010056458A

JP2010056458A - 発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP2010056458A
Application number: JP2008222508A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Masaki; 克明正木; Takanori Yasuda; 隆則安田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-03-11

Abstract

【課題】作製工程における環境の温度変化に対して悪影響が小さい発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の発光素子の製造方法は、（１）第１の積層体を複数形成する工程と、（２）５金属体と第２の接合部６とを順次積層して第２の積層体を複数形成する工程と、（３）加熱することにより第１の積層体に前記第２の積層体を実装する工程と、（４）成長用基板１を除去する工程と、（５）支持基板４を除去して第１の電極５とする工程と、（６）光半導体素子２上に第２の電極７とする工程と、を具備する
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の製造方法に関する。

近年、光半導体から構成される発光素子が開発されており、照明装置などの用途に用いられている。このような発光素子としては、例えば、青色発光素子、紫外光発光素子などのIII族―V族系化合物半導体が挙げられる。

発光素子の開発とともに、発光素子の製造方法についても種々の方法が開発されており、例えば、成長用基板に発光素子を成長させたのち、発光素子を成長用基板から剥がして発光素子を作製する製造方法が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００１−２４４５０３号公報

しかしながら、特許文献１では、サファイアなどのウェハサイズの成長用基板上に光半導体層を形成し、金属などのウェハサイズの導電性基板を加熱により接合する工程を含むため、温度減少時に、成長用基板と導電性基板との熱膨張係数差の違いにより、成長用基板と導電性基板との間で歪みが生じる。そのため、得られた発光素子は接合不良、半導体欠陥が発生する傾向があった。

本発明の目的は、作製工程における温度変化に対して悪影響が小さい発光素子の製造方法を提供することである。

本発明は、（１）成長用基板上に、光半導体層と第１の接合部とを順次積層して第１の積層体を複数形成する工程と、（２）支持基板の、前記成長用基板と対向させたとき前記第１の接合部と対向する位置に、金属体と第２の接合部とを順次積層して第２の積層体を複数形成する工程と、（３）加熱することにより前記第１の接合部と前記第２の接合部とを接合させて前記第１の積層体に前記第２の積層体を実装する工程と、（４）前記成長用基板を除去する工程と、（５）前記支持基板を除去して前記金属体を露出させ、第１の電極とする工程と、（６）前記光半導体素子上に導電層を形成して第２の電極とする工程と、
を具備する発光素子の製造方法に関する。

前記工程（１）は、（１−１）前記成長用基板上に、前記第１の積層体のエピタキシャル成長に対して不活性な材料から成る物質により成長抑制マスクパターンを形成して、相互に分離された複数の前記成長用基板上に露出部を形成する工程と、（１−２）前記成長用基板上の露出部に、エピタキシャル成長によって前記第１の積層体を複数形成する工程と、
（１−３）前記成長抑制マスクパターンを除去する工程と、を含むことが好ましい。

前記成長用基板と前記第１の積層体が異種材料である場合、前記工程（４）において、レーザーリフトオフにより前記成長用基板を除去することが好ましい。

前記金属体がＣｕであり、前記成長用基板がサファイアであることが好ましい。

前記工程（２）において、前記支持基板と前記金属体との間に、前記第１の接合部および前記第２の接合部の融点よりも低い融点を有する第３の接合部を介して接合され、前記工程（５）において、前記第１の接合部および前記第２の接合部の融点よりも低く、前記第３の接合部の融点よりも高い温度に前記支持基板と前記金属体とを加熱することにより前記支持基板を除去することが好ましい。

本発明の発光素子の製造方法は、支持基板の、前記成長用基板と対向させたとき前記第１の接合部と対向する位置に、金属体と第２の接合部とを順次積層して第２の積層体を複数形成する工程を具備する。前記工程によりウェハサイズではなく、発光素子サイズの金属体を用いることにより、金属体と光半導体層との接続面積が小さくなり、金属体と成長用基板との間の熱膨張率係数の差により発生する歪みを減少させることができるため、熱膨張係数差を気にせず熱伝導率の高い金属体材料を使用することができる。また、加熱後の温度減少時に生じる金属体と成長用基板との間の歪みを抑制することができるため、半導体層のクラック発生を抑制し歩留まり良く発光素子を作製することができる。

本発明の発光素子の製造方法において、工程（１）が、（１−１）前記成長用基板上に、前記光半導体層のエピタキシャル成長に対して不活性な材料から成る物質により成長抑制マスクパターンを形成して、相互に分離された前記成長用基板上に露出部を複数形成する工程と、（１−２）前記成長用基板上の複数の露出部に、エピタキシャル成長によって前記積層体を複数形成する工程と、（１−３）前記成長抑制マスクパターンを除去する工程と、を含むことが好ましい。これにより、複数の第１の積層体をまとめて形成することができる。

本発明の発光素子の製造方法において、前記成長用基板と前記第１の積層体が異種材料である場合、前記工程（４）において、レーザーリフトオフにより前記成長用基板を除去することが好ましい。これにより、成長用基板を容易に除去することが可能となる。更にダイシングする必要無く素子を分離できる。硬度が高くダイシング困難なサファイア基板をダイシングする必要が無く、またダイシングと比べて無駄になる素子領域も非常に少なくなる。

本発明の発光素子の製造方法において、前記金属体がＣｕであり、前記成長用基板がサファイアであることが好ましく、Ｃｕの熱伝導率が高く、発光素子で発生した熱を効率良く外部に放熱できる。なおかつ前記金属体が発光素子サイズであるため、金属体と成長用基板との熱膨張率差が大きなＣｕとサファイアとであっても、温度減少時に半導体層のクラックの発生を低減できる。

前記工程（２）において、前記支持基板と前記金属体との間に、前記第１の接合部および前記第２の接合部の融点よりも低い融点を有する第３の接合部を介して接合され、前記工程（５）において、前記第１の接合部および前記第２の接合部の融点よりも低く、前記第３の接合部の融点よりも高い温度に前記支持基板と前記金属体とを加熱することにより前記支持基板を除去することが好ましい。これにより、第１の接合部および第２の接合部を密着させたまま、第１および第２の接合部への影響の小さい状態で支持基板のみを除去することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の発光素子の製造方法を詳細に説明する。

図１は、本発明の発光素子の製造方法の示す断面図である。

図１において、１は成長用基板、２は光半導体層、２ａはバッファ層、２ｂは第１導電型（ｎ型）の半導体層、２ｃは発光層、２ｄは第２導電型（ｐ型）の半導体層、２ｅはテンプレート層、３は第１の接合部、４は支持基板、５は金属体（第１の電極）、６は第２の接合部、７は導電層（第２の電極）、８は発光素子、１０は成長抑制マスクパターンをそれぞれ示す。

本発明の発光素子の製造方法は、（１）成長用基板上に、光半導体層と第１の接合部とを順次積層して第１の積層体を複数形成する工程と、（２）支持基板の、前記成長用基板と対向させたとき前記第１の接合部と対向する位置に、金属体と第２の接合部とを順次積層して第２の積層体を複数形成する工程と、（３）加熱することにより前記第１の接合部と前記第２の接合部とを接合させて前記第１の積層体に前記第２の積層体を実装する工程と、（４）前記成長用基板を除去する工程と、（５）前記支持基板を除去して前記金属体を露出させ、第１の電極とする工程と、（６）前記光半導体素子上に導電層を形成して第２の電極とする工程と、を具備する。

以下にそれぞれの工程について説明する。

（工程１）
工程１では、図１（ａ）に示すように、成長用基板１上に、光半導体層２と第１の接合部３とを順次積層して第１の積層体を複数形成する。

成長用基板１は、光半導体層２を成長させることが可能な基板であればよい。具体的に、基板１としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ），シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等が挙げられる。基板２０ａの厚みとしては、１００μｍ〜１０００μｍ程度である。

光半導体層２としては、III族窒化物半導体、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体などが挙げられる。ここで、III族窒化物半導体とは、元素周期律表におけるIII族（１３族）元素の窒化物から構成される半導体を意味する。III族窒化物半導体は化学式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦1、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表すことができる。III族窒化物半導体としては、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などが挙げられる。

図１（ａ）の場合、光半導体層２は、バッファ層２ａ、第１導電型の半導体層２ｂ、発光層及２ｃおよび第２導電型の半導体層２ｄで構成される。

バッファ層２ａは、成長用基板１と光半導体層２との間の応力を緩和させるために好適に形成される。バッファ層２ａは、例えば、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどの材料から構成される。バッファ層２ａの厚みは０．０１〜０．２μｍ程度である。

第１導電型の半導体層２ｂとしては、ｎ型の半導体層が挙げられる。例えば、III族窒化物半導体層をｎ型とするには、元素周期律表においてＩＶ族の元素であるＳｉ等をドーパントとして窒化物半導体層に混入させればよい。第１導電型の半導体層２ｂの厚みは２〜３μｍ程度である。

第２導電型の半導体層２ｄとしては、ｐ型の窒化物半導体が挙げられる。例えば、III族窒化物半導体層をｐ型とするには、元素周期律表においてII族の元素であるＭｇ等をドーパントとして窒化物半導体層に混入させればよい。第２導電型の半導体層２ｄの厚みは２００〜５００ｎｍ程度である。

発光層２ｃは、第１導電型の半導体層２ｂと第２導電型の半導体層２ｄとの間に設けられる。発光層２ｃは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回（例えば約３回）繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。なお、前記障壁層としては、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層などが挙げられる。また、井戸層としては、Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層などが挙げられる。障壁層の厚みは５〜１５ｎｍ程度、井戸層の厚みは２〜１０ｎｍ程度である。発光層２ｃの厚みは２５〜１５０ｎｍ程度である。

成長用基板１上における光半導体層２の成長方法としては、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、有機金属エピタキシー（ＭＯＶＰＥ；ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ；ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ；ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等が用いられる。

工程１において、光半導体層２上に第１の接合部３を形成する。第１の接合部３は真空蒸着法、スパッタリング法等の方法により設けられ、厚みは０．１〜１０μｍ程度である。また、第１の接合部３は、Ａｕ−Ｓｎの合金、Ｐｂ−Ｓｎ合金などの材料により構成される。

工程１において、第１の積層体を複数形成する方法としては、作製した第１の積層体を分割する方法、マスクを形成し成長用基板１の領域を先に分割させ、その後に第１の積層体を成長させる方法などが挙げられる。作製した第１の積層体を分割する方法としては、例えば、ダイシング、分割する領域以外にエッチングマスクを形成した後にドライエッチングを行う方法などが挙げられる。

また、成長用基板１の領域を先に分割させ、その後に第１の積層体を成長させる方法の具体例は、以下の図２に示す。

まず、成長用基板１上に成長抑制マスクパターンを形成する（図２（ａ））。その際、バッファ層２ａ上にテンプレート層２ｅを成長させたのち、マスクを形成する領域だけエッチング等によりバッファ層２ａおよびテンプレート層２ｅを除去しておく。なぜなら成長用基板はテンプレート層と分離されるので、テンプレート層を分割しておかないとテンプレート層では各々の半導体層は繋がったままになってしまうからである。ここで、テンプレート層２ｅとは、成長抑制マスク１０上には成長させないように、半導体層２ｂを選択的に成長させるために用いられる。テンプレート層２ｅは、第１導電型の半導体層２ｂがバッファ層無しでエピタキシャル成長する材料であり、厚みは１〜５μｍ程度である。

成長抑制マスクパターン１０は、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長に対して不活性の材料から成る物質により形成される。ここで、成長抑制マスクパターン１０に使用される材料としては、具体的にはＳｉＯ₂，多結晶シリコンなどが挙げられる。これらはIII族窒化物半導体のエピタキシャル成長に対して不活性である。

成長抑制マスクパターン１０は、具体的に、蒸着、ＣＶＤ等によりマスク材料を一面に成膜した後、フォトリソグラフィおよびエッチングをすることにより形成される。

成長抑制マスクパターン１０を形成した後に、テンプレート層２ｅ上に成長抑制マスクパターン１０によって分離された、第１導電型の半導体層２ｂと、発光層２ｃと、第２導電型の半導体層２ｄと、を、エピタキシャル成長によって形成する（図２（ｂ）参照）。

そして、それらを形成したのちに、成長抑制マスクパターン１０を除去させる（図２（ｃ））。具体的に、マスク材料がＳｉＯ_２の場合はフッ酸、多結晶シリコンの場合は硝酸及びフッ酸による混酸によるウェットエッチングをすることにより成長抑制マスクパターン１０を除去する。

（工程２）
工程２では、図１（ｂ）に示すように、支持基板４の、成長用基板１と対向させたとき第１の接合部３と対向する位置に、金属体５と第２の接合部６とを順次積層して第２の積層体を複数形成する。

支持基板４は、アルミナ、窒化アルミ等のセラミックや、ガラス、ステンレス等の金属、ガラスエポキシ基板などの材料により構成される。支持基板４の材料は成長用基板１の材料と熱膨張係数が近いことが好ましい。支持基板４の厚みは０．５〜５ｍｍ程度である。

金属体５は、支持基板４上に、成長用基板１と対向させたとき第１の接合部３と対向する位置に複数作製される。平面視したときの金属体５の面積は、光半導体層２を平面視したときの面積と等しい、またはそれ以上である。このように、本発明の製造方法において金属体５は、チップサイズ（０．２〜５ｍｍ角程度）で使用される。

金属体５の作製方法としては、例えば、支持基板上に、ウェハサイズの金属体を設けてそれらを接合したのち、ダイシングにより、チップサイズに分割する方法などが挙げられる。

金属体５としては、Ｃｕ−Ｗ合金などが挙げられるが、本発明の製造方法では、Ｃｕ単体から構成される金属体５を使用することが可能となる。従来では、例えば、成長用基板１としてサファイア基板を用いた場合、金属体５としては熱膨張係数がサファイア基板と近いＣｕ−Ｗ合金が用いられていた。しかし、Ｃｕ−Ｗ合金は、熱伝導性が不十分であったため、より熱伝導性に優れるＣｕ単体から構成される金属体５の使用が望まれていた。

本発明では、チップサイズの金属体５を用いることで、金属体と光半導体層との接続面積が小さくなる。これにより、ウェハサイズの金属体の場合と比較して、金属体と成長用基板との間の熱膨張率係数の差により発生する歪みを減少させることができるため、金属体５として、Ｃｕ単体を用いることが可能となる。

第２の接合部６は、第１の接合部３と接合するための部位である。第２の接合部６はメッキ法、スパッタリング法、真空蒸着法などの方法により設けられ、厚みは１〜１００μｍ程度である。また、第２の接合部６はＡｎ−Ｓｎ合金、Ｐｂ−Ｓｎ合金などの材料により構成される。

工程２において、支持基板４と金属体５との間には、第３の接合部が設けられることが好ましい。これにより、支持基板４上に金属体５が十分に保持される。支持基板４と金属体５とは、１５０〜４００℃に加熱することで行われる。

第３の接合部の融点は、第１の接合部３および第２の接合部６の融点よりも低いことが好ましい。このような第３の接合部としては、例えば、インジウム、スズ、鉛およびこれらの合金、ＵＶ硬化熱剥離接着剤などが挙げられる。

第３の接合部の融点は、第１の接合部３および第２の接合部６の融点よりも低いことにより、後述する工程３において第１の接合部３と第２の接合部６とを接合させた後、温度が減少して接合部同士が凝固しても、第３の接合部は液体である期間が長い。よって、金属体５と支持体４の間の熱膨張係数の相違があったとしても、第３の接合部が緩衝となり、熱膨張係数の影響を小さくすることができる。

（工程３）
工程３は、加熱することにより第１の接合部３と第２の接合部６とを接合させて第１の積層体に第２の積層体を実装する工程をいう（図１（ｃ）参照）。第１の接合部３と第２の接合部６とは、１５０〜４００℃に加熱することで行われる。

（工程４）
工程４において、成長用基板１を除去する。除去方法としては、レーザーリフトオフ（成長用基板１と光半導体層２とが異種材料の場合）、基板の研磨などが挙げられる。なかでもレーザー照射により簡易に成長用基板１を除去できるため、レーザーリフトオフが除去方法として好ましい。また、工程３において、加熱された際に、そのサイクルの中でレーザーリフトオフを行うようにしてもよい。この場合、成長用基板１が先に除去された状態で支持基板４が冷却されるので、熱応力の蓄積を防止することができる。

（工程５）
工程５において支持基板を除去して金属体５を露出させ、第１の電極とする。除去方法としては、例えば、加熱により第３の接合部を融かし、光半導体層２を真空吸着する方法などの方法が挙げられる。また、第３の接合部に、熱により剥離する接着剤を用いた場合は、工程３の熱処理で接着力が減少しているため、光半導体層２に粘着シートを貼り付けるだけで、光半導体層２は支持基板４から容易に除去される。

とくに金属体５と支持基板４との間に第３の接合部を設けており、その第３の接合部の融点が、第１の接合部３および第２の接合部６の融点よりも低い場合、工程５において、第１の接合部３および第２の接合部６の融点よりも低く、第３の接合部の融点よりも高い温度に加熱することで、第１および第２の接合部への影響の小さい状態で支持基板のみを除去することができる。

（工程６）
工程６において、光半導体素子２上に導電層７を形成して第２の電極とする。

導電層７は電流を素子全面に拡散させる為の導電部７ａと、外部と電気的接触を取るパッド電極７ｂから構成される。導電部７ａとしては、ＩＴＯ、ＺｎＯなどの透明導電膜材料、Ｔｉ, Ａｌ,Ｒｈなどの金属材料が用いられる。

導電層７ａは、真空蒸着法、スパッタリング法などの方法により作製される。また、導電層７ａの厚みは約０．１〜５μｍである。導電層７ａは必ずしも無くても良く、導電層７ａによる光の吸収を抑えつつ電流拡散の効果を得る為に、例えば格子状にパターニングしてあっても良い。

次にワイヤーボンディングを行う為のパッド電極７ｂを形成する。パッド電極７ｂは第１導電型の半導体層２ｂまたは導電部７ａと接合できるように、例えば、チタン、またはチタンを下地層として金層を積層したものを用いる。

パッド電極７ｂは、真空蒸着法、スパッタリング法などの方法により形成される。パッド電極７ｂの厚みは約０．５〜５μｍである。

以上のように、工程１〜６を経ることにより、発光素子８を作製することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明の発光素子の製造方法の一つの実施の形態を示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の発光素子の製造方法の工程１の一つを示す断面図である。

符号の説明

１：成長用基板
２：光半導体層
２ａ：バッファ層
２ｂ：第１導電型（ｎ型）の半導体層
２ｃ：発光層
２ｄ：第２導電型（ｐ型）の半導体層
２ｅ：テンプレート層
３：第１の接合部
４：支持基板
５：金属体（第１の電極）
６：第２の接合部
７：導電層（第２の電極）
７ａ：導電部
７ｂ：パッド電極
８：発光素子
１０：成長抑制マスクパターン

Claims

（１）成長用基板上に、光半導体層と第１の接合部とを順次積層して第１の積層体を複数形成する工程と、
（２）支持基板の、前記成長用基板と対向させたとき前記第１の接合部と対向する位置に、金属体と第２の接合部とを順次積層して第２の積層体を複数形成する工程と、
（３）加熱することにより前記第１の接合部と前記第２の接合部とを接合させて前記第１の積層体に前記第２の積層体を実装する工程と、
（４）前記成長用基板を除去する工程と、
（５）前記支持基板を除去して前記金属体を露出させ、第１の電極とする工程と、
（６）前記光半導体素子上に導電層を形成して第２の電極とする工程と、
を具備する発光素子の製造方法。
前記工程（１）は、
（１−１）前記成長用基板上に、前記第１の積層体のエピタキシャル成長に対して不活性な材料から成る物質により成長抑制マスクパターンを形成して、相互に分離された複数の前記成長用基板上に露出部を形成する工程と、
（１−２）前記成長用基板上の露出部に、エピタキシャル成長によって前記第１の積層体を複数形成する工程と、
（１−３）前記成長抑制マスクパターンを除去する工程と、
を含む請求項１記載の発光素子の製造方法。
前記成長用基板と前記第１の積層体が異種材料である場合、前記工程（４）において、レーザーリフトオフにより前記成長用基板を除去する請求項１または２記載の発光素子の製造方法
前記金属体がＣｕであり、前記成長用基板がサファイアである請求項１乃至３のいずれか記載の発光素子の製造方法。
前記工程（２）において、前記支持基板と前記金属体との間に、前記第１の接合部および前記第２の接合部の融点よりも低い融点を有する第３の接合部を介して接合され、
前記工程（５）において、前記第１の接合部および前記第２の接合部の融点よりも低く、前記第３の接合部の融点よりも高い温度に前記支持基板と前記金属体とを加熱することにより前記支持基板を除去する請求項１乃至４のいずれか記載の発光素子の製造方法。