JP3914615B2

JP3914615B2 - 半導体発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP3914615B2
Application number: JP22209097A
Authority: JP
Inventors: 勝史秋田; 健作元木
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: JPH1168157A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，窒化ガリウム（GaN）系半導体を使用した主に青色および緑色の発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、たとえば日経サイエンス10月号（1994）、ｐ．44に記載された、現在市販されているサファイア基板を用いたGaN系の青色および緑色の発光素子の構造を示す断面図である。
【０００３】
この青色および緑色発光素子は、サファイア基板11と、基板11上に形成されたGaNバッファ層12と、GaNバッファ層12上に形成された六方晶のGaNエピタキシャル層13とから構成されたエピタキシャルウェハ上に、クラッド層14、発光層15、クラッド層16およびGaNエピタキシャル層17が順に形成されて窒化物系半導体層が積層された構造となる。GaNエピタキシャル層13、17上には、電極18、19がそれぞれ形成されている。また、この青色および緑色発光素子において、GaNバッファ層12は、サファイア基板11とGaNエピタキシャル層13との格子定数の差による歪を緩和するために設けられている。
【０００４】
上記の青色および緑色の発光素子は、基板11として絶縁性のサファイアを用いているため、電極を形成して素子を作成する際には、2種の電極を同一面側に形成する必要あることから、フォトリソグラフィによるパターニングが2回以上必要になり、さらに反応性イオンエッチングによる窒化物のエッチングを行う必要もあり、複雑な工程を要する。
【０００５】
また、サファイアは硬度が高いため、素子分離の際に切断しにくいという問題もある。そこで、このような欠点を有するサファイアに代えて、導電性のGaAsを基板として使用するという試みがなされている。
【０００６】
たとえばＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ164（1996）、ｐ149にはGaAs（100）面上に立方晶のGaNの成長が、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓｖｏｌ．24Ｎｏ．4（1995）、ｐ213ではＭＯＶＰＥ法（有機金属気相エピタキシャル法）によるGaAs（111）Ａ面上及びGaAs（111）Ｂ面上へのGaNの成長が報告されている。
【０００７】
また特開平8ー181070号公報には、700℃以上の温度範囲おいて特性のよいGaNエピタキシャル層の成長が得られる有機金属クロライド気相エピタキシャル法が開示されている。この方法ではIII化合物半導体の原料であるIII族有機金属を塩化水素と同時に反応管内に導入することにより、III族元素を塩化物として基板上に供給する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のGaN系半導体層の発光素子は、絶縁性で硬いサファイアを基板に用いているため、電極作製に複雑なプロセスを要し、素子分離の際の切断等の加工も困難があるのは前述の通りである。そこで、例えば導電性GaAsのような基板を用いれば、このような問題は解決される。
【０００９】
しかし、例えばGaAsの基板を用いると、GaN系半導体層の発光層から出た光がGaAsの基板に吸収され、その基板からの反射光の強度が下がる。そのためGaAsの基板を用いた場合には十分な発光強度を得ることができない。それは、GaAsの基板のバンドギャップ（結晶内電子の量子状態エネルギーの差）が、GaN系半導体層のそれよりも小さいためと考えられている。
【００１０】
本発明の目的は、上述の問題点を解決した製造が容易で、良好な発光をする半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明による半導体発光素子は、ｐ型電極が設けられたｐ型窒化ガリウム層若しくはｎ型電極が設けられたｎ型窒化ガリウム層、前記ｐ型およびｎ型電極のいずれかの電極に導電性接着剤で接着された導電性基板、並びに前記ｐ型若しくはｎ型窒化ガリウム層上にあって前記電極が設けられている第１の面とは反対側の第２の面の上に成長した発光層を含む窒化ガリウム系半導体層からなる積層とで構成されており、前記導電性基板が鉄−ニッケル合金または銅−タングステン合金から成る。
この半導体発光素子では、前記電極は、前記ｐ型電極であり、前記第１の面の全面に設けられており、前記導電性基板は前記ｐ型電極に前記導電性接着剤で接着されていることが好ましい。
この半導体発光素子では、前記導電性接着剤が金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）半田または鉛−スズ（Ｐｂ−Ｓｎ）半田であることが好ましい。
本発明による半導体発光素子の製造方法は、成長用ガリウム砒素基板の（１１１）Ａ面上に成長した発光層を含む窒化ガリウム系半導体層からなる積層の一表面に設けた電極面と、銅−タングステン合金または鉄−ニッケル合金からなる導電性基板とを、導電性接着剤を用いて接着した後に、前記成長用ガリウム砒素基板を除去する。
この製造方法では、該電極の電極面とを前記導電性接着剤を用いて接着した後に、前記積層の他表面上に別の電極を形成することができる。
この製造方法では、前記成長用ガリウム砒素基板を除去した後に、前記窒化ガリウム系半導体層からなる積層および前記導電性基板を加工して半導体発光素子に分離することができる。
この製造方法では、前記窒化ガリウム系半導体層が六方晶であることができる。
この製造方法では、前記成長用ガリウム砒素基板をアンモニア系エッチャントを用いたウエットエッチングにより除去することが好ましい。
本発明による半導体発光素子は、発光層を含む窒化ガリウム系半導体層からなる積層と、該積層の一方の表面に設けたｐ型電極と、該積層の他方の表面に設けたｎ型電極と、前記ｐ型電極およびｎ型電極のいずれか一方の電極に導電性接着剤で接着されており鉄−ニッケル合金または銅−タングステン合金からなる導電性基板とを備える。
この半導体発光素子では、前記電極は、該積層の一方の表面の全体に設けられており、前記電極は前記ｐ型電極である。
この半導体発光素子では、前記導電性接着剤が金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）半田または鉛−スズ（Ｐｂ−Ｓｎ）半田であることが好ましい。
また、半導体発光素子は、ｐ型電極が設けられたｐ型GaN層と、前記ｐ型電極と導電性接着剤により接着された導電性基板と、前記ｐ型GaN層上に形成されたGaN系半導体層の積層構造、あるいは、ｎ型電極がもうけられたｎ型GaN層と、前記ｎ型電極と導電性接着剤により接着された導電性基板と、前記ｎ型GaN層上に形成されたGaN系半導体層の積層構造とからなる。
【００１２】
そして、本発明の半導体発光素子は、前記導電性基板がFe-Ni合金またはCu-W合金であって、前記導電性接着剤がAu-Sn半田またはPb-Sn半田である。
【００１３】
本発明による半導体発光素子の製造方法は、GaAs、InP、InAs若しくはGaPである成長用基板にGaN系半導体層の積層を成長した後、導電性接着剤により前記積層の表面に設けた電極面を導電性基板に接着した。そして、前記GaAs、InP、InAs若しくはGaPである成長用基板を除去することを特徴としている。
【００１４】
また、前記成長用基板が立方晶（111）基板であり、前記GaN系半導体層が六方晶である。特に成長用基板がGaAs（111）Ａであり、GaN系半導体層が六方晶である。成長用基板をアンモニア系エッチャントによってウェットエッチングすることにより除去する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による半導体発光素子は、発光素子の構造に絶縁層を含まない。従って、絶縁層であるサファイアを基板に用いた場合のように電極形成に複雑なプロセスを必要としない。また、GaN系半導体層の発光層よりもバンドギャップの小さいGaAsのようなものを成長用基板として用いた場合、導電性基板に導電性接着剤を用いて発光層を含むGaN系半導体層の積層を接着した後、その積層を成長させた成長用基板を除去すれば、前記成長用基板による光の吸収がなくなり良好な発光となる。
【００１６】
導電性基板として導電性並びに熱伝導性に優れたFe-Ni合金またはCu-W合金を用いると、低消費電力による発光が可能であり、熱の放出もよくなる。
【００１７】
導電性接着剤には融点が250℃以上あるAu-Sn半田（例えば、融点280℃の市販品）またはPb-Sn半田（例えば、融点280℃の市販品）を用いると、電極形成のために温度を200℃程度まで上げることができ、良好な電極を容易に作成できる。
【００１８】
GaN系半導体層の積層が形成される成長用基板として、GaAs、InP、InAs若しくはGaPを用いると、その成長用基板は容易にエッチング除去できる。また立方晶（111）基板を用いると六方晶GaNをエピタキシャル成長することができる。
【００１９】
さらに、GaAs（111）Ａ基板（（111）面の上が、全てGaであるGaAs基板）を用いれば、良好なGaN系半導体層の積層を作製することができる。
【００２０】
GaAs基板のエッチングにはアンモニア系エッチャントを用いてウェットエッチングを行うと、GaAs基板をエッチング除去することが容易であって、またGaN系半導体層並びにその積層に損傷を与えることがないため、上記エッチャントが好ましい。
【００２１】
次に本願発明をどのように実施するかを具体的に示した実施例を記載する。
【００２２】
（実施例）有機金属クロライド気相エピタキシャル法（図４にその装置の概要を示すが、石英からなる反応チャンバー54にGaAs（111）Ａ基板1を設置する。本装置は、ガス導入口51、52、排気口53及び抵抗加熱ヒーター55を備えている。なお、本装置は本願発明者が開示した特開平8ー181070号公報に示した装置と同じである。）を用いて、厚さ350μｍのGaAs（111）Ａ基板1上に、厚さ100nｍのGaNバッファ層2、厚さ2μｍでキャリア濃度1×10¹⁹（ｃｍ^-3）のｎ型GaN層3、厚さ0.1μｍのInGaN発光層4、厚さ0.5μｍでキャリア濃度1×10¹⁸（ｃｍ^-3）の0.5μｍのｐ型GaN層5からなるGaN系半導体層の積層を、この順に成長した。
【００２３】
上記GaN系半導体層からなる積層の最表面であるｐ型GaN層5の上にNi、Auの順に蒸着してなる電極6を作製し、400℃、5分の合金化を施した。GaAs（111）Ａ基板1、GaN系半導体層からなる積層、及び電極6からなるエピタキシャルウェハの断面を示したのが図2である。
【００２４】
この後、融点280℃の市販のAu-Sn半田7を用いて、上記最表面のｐ型GaN層5の上の電極6にFe-Ni合金（重量％でNiが46％、残部がFe及び不可避的不純物よりなる。）の導電性基板8を接着した。(図３)
【００２５】
図３に示すエピタキシャルウェハを、アンモニア水と過酸化水素水を1:2で混合して25℃に保った溶液に90分間浸漬（ウェットエッチング）したところ、GaAs（111）Ａ基板1のみが除去され図１の構造を得た。
【００２６】
図１の構造の最表面にあるGaNバッファ層2の上に200℃でインジウム（In）の電極を作成し、Ni、Auの順に蒸着してなる電極6との間に電流を流したところ、青色に発光した。なお、重量％でNiが46％、残部がFe及び不可避的不純物からなるFe-Ni合金に替えて、重量％でW80％、Cu20％の焼結合金を用いても、同様に良好な青色に発光した。
【００２７】
（比較例） Fe-Ni合金基板とGaAs基板の2種類の相違する基板によって、その相違する基板の光吸収による発光強度の違いを観察するため、図５に示すエピタキシャルウェハの断面のものを比較例とした。
【００２８】
すなわち、図２の構造におけるGaAs（111）Ａ基板1側に、AuGeNi合金層、Ni層、及びAu層からなる積層構造の電極9を作成し、その電極9とNi、Auの順に蒸着してなる電極6との間に電流を流したところ、青色に発光した。もっとも、比較例の発光強度は、上記実施例の発光強度の７割程度の弱いものであった。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、基板での光の吸収が少なく、良好に発光する半導体発光素子を、容易に製造することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例においてGaAs基板をエッチング除去したときまでの、エピタキシャルウェハの構造を示す断面図である。
【図２】実施例においてｐ型電極を作製したときまでの、エピタキシャルウェハの構造を示す断面図である。
【図３】実施例においてｐ型GaN層側を鉄-ニッケル合金に接着したときまでの、エピタキシャルウェハの構造を示す断面図である。
【図４】有機金属クロライド気相エピタキシャル法の装置の概要を示す図である。
【図５】比較例においてGaAs基板側に電極を作製したときまでの、エピタキシャルウェハの構造を示す断面図である。
【図６】サファイア基板を用いた青色半導体発光素子の一例の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１：GaAs（111）Ａ基板
２：GaNバッファ層
３：ｎ型GaN層
４：InGaN発光層
５：ｐ型GaN層
６：Ni、Auの順に蒸着してなる電極
７：Au-Sn半田
８：Fe-Ni合金の導電性基板
９：AuGeNi合金層、Ni層、Au層からなる積層構造からなる電極

Claims

ｐ型電極が設けられたｐ型窒化ガリウム層若しくはｎ型電極が設けられたｎ型窒化ガリウム層、前記ｐ型およびｎ型電極のいずれかの電極に導電性接着剤で接着された導電性基板、並びに前記ｐ型若しくはｎ型窒化ガリウム層上にあって前記電極が設けられている第１の面とは反対側の第２の面の上に成長した発光層を含む窒化ガリウム系半導体層からなる積層とで構成されており、
前記導電性基板が鉄−ニッケル合金または銅−タングステン合金から成ることを特徴とする半導体発光素子。
前記電極は、前記ｐ型電極であり、前記第１の面の全面に設けられており、
前記導電性基板は前記ｐ型電極に前記導電性接着剤で接着されている、請求項１に記載された半導体発光素子。
前記導電性接着剤が金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）半田または鉛−スズ（Ｐｂ−Ｓｎ）半田であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
成長用ガリウム砒素基板の（１１１）Ａ面上に成長した発光層を含む窒化ガリウム系半導体層からなる積層の一表面に設けた電極面と、銅−タングステン合金または鉄−ニッケル合金からなる導電性基板とを、導電性接着剤を用いて接着した後に、前記成長用ガリウム砒素基板を除去することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
該電極の電極面とを前記導電性接着剤を用いて接着した後に、前記積層の他表面上に別の電極を形成することを特徴とする請求項４に記載された半導体発光素子の製造方法。
前記成長用ガリウム砒素基板を除去した後に、前記窒化ガリウム系半導体層からなる積層および前記導電性基板を加工して半導体発光素子に分離することを特徴とする請求項４または請求項５に記載された半導体発光素子の製造方法。
前記窒化ガリウム系半導体層が六方晶であることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
前記成長用ガリウム砒素基板をアンモニア系エッチャントを用いたウエットエッチングにより除去することを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
発光層を含む窒化ガリウム系半導体層からなる積層と、
該積層の一方の表面に設けたｐ型電極と、
該積層の他方の表面に設けたｎ型電極と、
前記ｐ型電極およびｎ型電極のいずれか一方の電極に導電性接着剤で接着されており鉄−ニッケル合金または銅−タングステン合金からなる導電性基板と
を備える半導体発光素子。
前記電極は、該積層の一方の表面の全体に設けられており、
前記電極は前記ｐ型電極であることを特徴とする請求項９に記載された半導体発光素子。
前記導電性接着剤が金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）半田または鉛−スズ（Ｐｂ−Ｓｎ）半田であることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の半導体発光素子。