JP2012169366A - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の実施形態は、基板に設けられる凹凸の形状を改善し光出力を向上させることが可能な半導体発光装置の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態は、発光層を含む窒化物半導体の積層体を有する半導体発光装置の製造方法であって、前記発光層から放射される発光に対して透光性の基板の表面に形成された炭素を含むマスクを用い、塩素および窒素を含む雰囲気中で前記基板を選択的にエッチングする工程と、前記基板のエッチングされた表面に、前記基板よりも屈折率が大きい窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層を含む前記積層体を前記基板上に形成する工程と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光装置の製造方法に関する。
例えば、ＧａＮ系窒化物半導体は、表面に凹凸が形成されたサファイア基板の上に設けられる。これにより、窒化物半導体からの光の取り出し効率が改善され、青色ＬＥＤの光出力を向上させることができる。しかしながら、光取り出し効率は、基板に設けられる凹凸の形状に依存し、その最適化による改善の余地を残している。そこで、基板に設けられる凹凸の形状を改善し光出力を向上させることが可能な半導体発光装置の製造方法が必要とされている。
特開２００７−２９４９７２号公報
本発明の実施形態は、基板に設けられる凹凸の形状を改善し光出力を向上させることが可能な半導体発光装置の製造方法を提供する。
実施形態は、発光層を含む窒化物半導体の積層体を有する半導体発光装置の製造方法であって、前記発光層から放射される発光に対して透光性の基板の表面に形成された炭素を含むマスクを用い、塩素および窒素を含む雰囲気中で前記基板を選択的にエッチングする工程と、前記基板のエッチングされた表面に、前記基板よりも屈折率が大きい窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層を含む前記積層体を前記基板上に形成する工程と、を備える。
一実施形態に係る半導体発光装置を示す模式図である。 サファイア基板に設けられる凹凸の形状と光取り出し効率の関係を示すグラフである。 一実施形態に係る半導体発光装置の製造過程を模式的に示す断面図である。 図３に続く製造過程を示す模式図である。 一実施形態に係るエッチング装置を示す模式図である。 サファイア基板に設けられる凹凸の形状とエッチング条件の関係を示すＳＥＭ像である。 サファイア基板およびレジストマスクのエッチングレートとエッチング条件の関係を示すグラフである。 一実施形態の変形例に係るエッチング装置のウェーハホルダを模式的に示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体発光装置１００を例示する模式図である。図１（ａ）は、半導体発光装置１００の断面構造を示す模式図である。図１（ｂ）は、サファイア基板の表面に設けられた凸部を示し、図１（ｃ）は、凸部が設けられたサファイア基板の表面を示している。
半導体発光装置１００は、窒化物半導体を材料とする所謂白色ＬＥＤである。図１に示すように、例えば、パッケージのベース２の上にＬＥＤチップ１０がボンディングされ、ＬＥＤチップ１０を覆う透明樹脂３が設けられる。
ＬＥＤチップ１０は、例えば、ＬＥＤチップ１０の発光を反射する白樹脂を材料としたベース２の上に、透明樹脂５を用いて接着する。また、ＬＥＤチップ１０の裏面に反射金属電極を形成し、ハンダ材を用いてボンディングしても良い。
透明樹脂３は、ＬＥＤチップ１０より屈折率が小さく、ＬＥＤチップ１０内の発光を外部に取り出す特性を有している。また、ＬＥＤチップ１０及びＬＥＤチップ１０の電極に接続する金属ワイヤ（図示しない）の封止剤の機能を有している。
ＬＥＤチップ１０は、例えば、ＧａＮバッファ層１１と、ｎ型ＧａＮ層１３と、発光層１５と、ｐ型ＧａＮ層と、が順に積層された積層体を含む。これらの窒化物半導体層は、発光に対して透光性のサファイア基板２０の上に設けられる。サファイア基板２０に代えて、例えば、ＧａＮやＳｉＣなどを用いることができる。
ｐ型ＧａＮ層１７の上には、発光層１５から放射される発光を透過する透明電極１９と、ｐ電極２１とが設けられる。さらに、ｐ型ＧａＮ層１７および発光層１５を選択的にエッチングし、露出したｎ型ＧａＮ層の表面にｎ電極２３が設けられる。
ｐ電極２１およびｎ電極２３には、図示しない金属ワイヤがボンディングされパッケージの電流供給端子と接続される。そして、ｐ電極からホール、ｎ電極から電子を供給することにより、発光層１５で電子とホールが再結合し発光する。発光層１５は、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層で形成される量子井戸を含み、青色の発光を放射する。
発光層１５から放射された発光は、透明電極１９を透過して上方に伝播し、ＬＥＤチップ１０の外に放出される。さらに、横方向に伝播し、ＬＥＤチップの側面に設けられた保護膜２５を透過して外部に放出される成分もある。
一方、ＧａＮバッファ層１１、ｎ型ＧａＮ層１３およびｐ型ＧａＮ層１７を含む積層体の屈折率は、ＬＥＤチップ１０を覆う透明樹脂３およびサファイア基板２０の屈折率よりも大きい。このため、発光層１５から放出された発光は、積層体の内部で反射を繰り返して減衰し、外部に放出されない成分を含む。
そこで、サファイア基板２０よりも屈折率が大きいＧａＮバッファ層１１とサファイア基板２０との間に凹凸を設け、その界面において発光層１５から放出された発光を散乱させ、その伝播方向を変える。さらに、ＧａＮバッファ層１１からサファイア基板２０に向かう光の反射を低減させる。そして、サファイア基板２０の中を伝播し、サファイア基板２０とベース２との間の界面において反射された光を外部に取り出す。これにより、積層体内部における光の多重反射を抑制し、発光層１５から放出された発光の取り出し効率を向上させることができる。
図１（ｂ）は、サファイア基板２０の表面に設けられた凸部２０ａの断面を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像である。一方、図１（ｃ）は、凸部２０ａが設けられたサファイア基板を斜め上方から写したＳＥＭ像である。
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、サファイア基板２０の表面に複数の凸部２０ａからなる凹凸を形成することができる。さらに、図１（ａ）に示すように、凸部２０ａの側面を傾斜させて形成することができる。
図２（ａ）は、凸部２０ａの断面を示す模式図であり、その形状を定量化するパラメータである厚さＨ、ピッチＬ、側面の傾斜角θを示している。
そして、厚さＨ、ピッチＬおよび傾斜角θを、それぞれ最適化することにより、光取り出し効率を向上させることができる。例えば、凸部２０ａの厚さＨは、サファイア基板のエッチング時間、そして、ピッチＬは、フォトリソグラフィにより制御することができる。したがって、厚さＨおよびピッチＬの最適化は容易であった。これに対し、側面の傾斜角θの制御は十分とは言えず改良の余地を残している。
図２（ｂ）は、凸部２０ａの側面の傾斜角θと、光取り出し効率と、の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。横軸に傾斜角θ、縦軸に光取り出し効率を示す。同図中に示すグラフＡは、凸部２０ａの高さＨを１．５μｍとし、ピッチＬを５μｍとした場合の光取り出し効率の変化を示している。一方、グラフＢは、高さＨを０．５μｍ、ピッチＬを５μｍとした場合の光取り出し効率の変化を示している。
グラフＡおよびＢのいずれも、傾斜角θが大きくなるほど光取り出し効率が小さくなることを示している。そして、光取り出し効率は、凸部２０ａが高いＡの方が大きいことがわかる。
次に、図３および図４を参照して、本実施形態に係る半導体発光装置１００の製造過程を説明する。図３および図４は、それぞれの製造工程におけるウェーハの断面を示す模式図である。
まず、図３（ａ）に示すように、サファイア基板２０の表面に、凸部２０ａを形成するためのエッチングマスク３１を形成する。エッチングマスク３１には、例えば、レジスト膜を用いることができる。
続いて、図３（ｂ）に示すように、サファイア基板２０をエッチングし、凸部２０ａを形成する。例えば、塩素（Ｃｌ２）と窒素（Ｎ２）を含むエッチングガスを使用するＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用いることができる。
サファイア基板２０のエッチング時には、エッチングマスク３１も同時にエッチングされるため、凸部２０ａは、側面が傾斜した形状に形成される。そして、サファイア基板のエッチング終了後、例えば、硫酸と過酸化水素水の混合液を用いてレジストマスク（エッチングマスク３１）を除去することにより、図３（ｃ）に示すように、サファイア基板に凸部２０ａを形成することができる。
次に、図４（ａ）に示すように、エッチングされたサファイア基板２０の表面に、ＧａＮバッファ層１１、ｎ型ＧａＮ層１３、発光層１５およびｐ型ＧａＮ層を順に形成する。これらの窒化物半導体を含む積層体３０は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成することができる。
続いて、図４（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＮ層１７の表面に透明電極１９を形成する。透明電極１９には、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を用いることができる。そして、透明電極１９の上に、ｐ電極２１を形成する。ｐ電極２１には、例えば、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）を順に積層した金属膜を用いることができる。
さらに、ｐ型ＧａＮ層１７および発光層１５を選択的にエッチングし、ｎ型ＧａＮ層１３の表面を露出させる。ｐ型ＧａＮ層１７および発光層１５のエッチングには、例えば、ＲＩＥ法を用いることができる。そして、ｎ型ＧａＮ層１３の表面にｎ電極２３を形成する。ｎ電極２３には、例えば、Ｔｉおよびアルミニウム（Ａｌ）を順に積層した金属膜を用いることができる。
次に、ＧａＮバッファ層１１およびｎ型ＧａＮ層１３、発光層１５およびｐ型ＧａＮ層１７の側面を覆う保護膜２５を形成し、ＬＥＤチップ１０を完成する（図１（ａ）参照）。保護膜２５には、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜を用いることができる。
続いて、サファイア基板２０を切断し、個別のＬＥＤチップ１０に分離した後、パッケージにボンディングする。さらに、透明樹脂３をモールドして半導体発光装置１００を完成する。
次に、図５および図６を参照して、サファイア基板２０の凹凸の形成方法について、詳細に説明する。
図５は、エッチング装置４０を示す模式図である。サファイア基板２０のエッチングには、例えば、ＩＣＰ（Inductive Coupling Plasma）タイプのドライエッチング装置を使用することができる。
エッチング装置４０では、反応室４１の内部に下部電極４３が設けられ、その上にウェーハホルダ４４がセットされる。ウェーハホルダ４４の表面には、エッチング処理されるサファイア基板２０が載置される。そして、反応室４１の内部は、図示しない真空ポンプにより減圧され、ガス配管４８から、例えば、ＢＣｌ３およびＮ２を含むエッチングガスが供給される。これにより、反応室４１の内部は、エッチングガス雰囲気に置換される。さらに、エッチングガスは、排気口４９から真空ポンプにより排気され、反応室４１の内部は、一定の圧力に維持される。ここで、Ｎ２に代えて、例えば、アンモニアガス（ＮＨ３）、二酸化窒素ガス（Ｎ２Ｏ）などを用いても良い。
続いて、下部電極４３に対向して設けられたアンテナ電極４５に高周波電源４７から高周波電力を供給し、下部電極４３とアンテナ電極４５との間にプラズマを発生させる。そして、プラズマ中で分解されたエッチングガスから活性な塩素ラジカルが発生し、サファイア基板をエッチングする。この際、下部電極４３に接続されたバイアス電源４６から高周波電力を加え下部電極４３をバイアスすることにより、プラズマ中のイオンを引き付け、サファイア基板２０のエッチングを促進することができる。
図６は、サファイア基板に設けられる凹凸の形状とドライエッチング条件の関係を示す断面ＳＥＭ像である。図６（ａ）は、サファイア基板２０の上に形成されたレジストマスク（エッチングマスク）３１の断面を示している。図６（ａ）〜（ｃ）は、ドライエッチングされたサファイア基板２０の断面を示し、それぞれＮ２の供給量が異なる。
ドライエッチングの条件として、例えば、反応室４１の内部の圧力を１．０Ｐａ、アンテナ電極４５に供給する高周波電力を７５０Ｗ、下部電極４３をバイアスする高周波電力を１５０Ｗ、そして、下部電極４３の温度を１５℃とした。
そして、図６（ａ）に示すサンプルの処理では、Ｎ２を供給せずＢＣｌ３のみでエッチングした。同図中に示すように、サファイア基板２０に形成された凸部２０ａの側面の傾斜角θは、６２°である。さらに、凸部２０ａの上に残るレジストマスク３１もエッチングされドーム状に変形していることが分かる。
図６（ｂ）に示すサンプルの処理では、エッチングガスにＮ２を加え、ＢＣｌ３とＮ２の流量比を８７．５：１２．５とした。同図に示すように、凸部２０ａの側面の傾斜角θは、４５°となり、図６（ａ）に示すサンプルよりも小さくなる。さらに、凸部２０ａの高さＨは、図６（ａ）のサンプルよりも低くなっており、サファイア基板のエッチング速度が遅くなることがわかる。
一方、レジストマスク３１は、台形上にエッチングされており、図６（ｂ）のサンプルよりもエッチングが進んでいる。すなわち、エッチングガスにＮ２を加えることにより、レジストマスク３１のエッチング速度を相対的に早くして、側面の傾斜角θを小さくすることができる。
図６（ｃ）に示すサンプルの処理では、さらにＮ２の供給量を増やし、ＢＣｌ３とＮ２の流量比を７５：２５とした。その結果、側面の傾斜角θは２７°となり、凸部２０ａの高さＨもさらに低くなる。そして、レジストマスク３１のエッチングは、さらに進行している。
図７は、ＢＣｌ３／Ｎ２混合ガス中のＮ２比率と、サファイア基板およびレジストマスクのエッチングレートを示すグラフである。Ｎ２流量が増えるほど、サファイア基板のエッチングレートは遅くなり、レジストマスクのエッチングレートは、速くなることがわかる。
例えば、図６（ａ）に示すＮ２を加えない処理では、他のエッチング条件を変化させても、凸部２０ａの側面の傾斜角θを６０°よりも小さくすることはできない。すなわち、本実施形態に示すように、塩素を含むエッチングガスに窒素を加えることにより、サファイア基板のエッチングレートが抑制され、レジストマスク３１のエッチングを促進させる。これにより、凸部２０ａの側面の傾斜角θを小さくすることができる。そして、図２（ｂ）に示したように、光の取り出し効率を向上させることが可能となる。
上記の通り、エッチングガスに窒素を加えることにより、サファイア基板のエッチングレートが抑制され、レジストマスク３１のエッチングが促進される。その原因は、例えば、反応中にＡｌＮやＢＮが形成され、再付着することによりサファイア基板２０のエッチング速度が遅くなること、そして、窒素を添加することにより、プラズマ中に炭素を含むレジストをエッチングする活性種が増え、レジストマスク３１のエッチングが促進されることが考えられる。したがって、エッチングマスクには、レジスト膜だけでなく、炭素を含む他の材料、例えば、有機物を含む膜を使用することができる。
さらに、窒素の供給源は、窒素原子を含有するガスに限られず、アンテナ電極４５と下部電極４３との間に誘起されるプラズマの中に窒素ラジカルを供給するものであれば良い。
例えば、図８は、本実施形態の変形例に係るドライエッチング装置のウェーハホルダ４４を模式的に示す平面図である。図８（ａ）に示すように、ウェーハホルダ４４は、例えば、プレート状に設けられ、その表面にサファイア基板２０を載置する。そして、ウェーハホルダ４４が、例えば、窒化ボロン（ＢＮ）もしくは窒化シリコン（ＳｉＮ）などの窒化物を含めば、プラズマ中の高エネルギーイオンにスパッタされた窒素が放出され、窒素ラジカルを生成することが可能である。
また、図８（ｂ）に示すように、ウェーハホルダ４４に載置されたサファイア基板２０の間に窒化物を配置しても良い。例えば、ＧａＮ、ＢＮ、ＳｉＮおよびＴｉＮのうちの少なくとも１つの窒化物からなる小片を、ウェーハホルダ４４の上に載置することができる。
上記の実施形態では、凸部２０ａを設けることにより、サファイア基板２０の表面に凹凸を形成する例について説明したが、これに限られる訳ではない。例えば、サファイア基板２０の表面に凹部を設け、その側壁の傾斜を制御することにより、光取り出し効率の向上を図ることが可能である。
なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ（１−ｘ−ｙ−ｚ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。またさらに、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
２・・・ベース、 ３、５・・・透明樹脂、 １０・・・ＬＥＤチップ、 １１・・・ＧａＮバッファ層、 １３・・・ｎ型ＧａＮ層、 １５・・・発光層、 １７・・・ｐ型ＧａＮ層、 １９・・・透明電極、 ２０・・・サファイア基板、 ２０ａ・・・凸部、 ２１・・・ｐ電極、 ２３・・・ｎ電極、 ２５・・・保護膜、 ３０・・・積層体、 ３１・・・エッチングマスク（レジストマスク）、 ４０・・・ドライエッチング装置、 ４１・・・反応室、 ４３・・・下部電極、 ４４・・・ウェーハホルダ、 ４５・・・アンテナ電極、 ４６・・・バイアス電源、 ４７・・・高周波電源、 ４８・・・ガス配管、 ４９・・・排気口、 １００・・・半導体発光装置

Claims (5)

  1. 発光層を含む窒化物半導体の積層体を有する半導体発光装置の製造方法であって、
    前記発光層から放射される発光に対して透光性の基板の表面に形成された炭素を含むマスクを用い、塩素および窒素を含む雰囲気中で前記基板を選択的にエッチングする工程と、
    前記基板のエッチングされた表面に、前記基板よりも屈折率が大きい窒化物半導体層を形成する工程と、
    前記窒化物半導体層を含む前記積層体を前記基板上に形成する工程と、
    を備え、
    前記塩素は、ＢＣｌ３を含むエッチングガスから供給されることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
  2. 発光層を含む窒化物半導体の積層体を有する半導体発光装置の製造方法であって、
    前記発光層から放射される発光に対して透光性の基板の表面に形成された炭素を含むマスクを用い、塩素および窒素を含む雰囲気中で前記基板を選択的にエッチングする工程と、
    前記基板のエッチングされた表面に、前記基板よりも屈折率が大きい窒化物半導体層を形成する工程と、
    前記窒化物半導体層を含む前記積層体を前記基板上に形成する工程と、
    を備えることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
  3. 前記基板を収容した反応室に、前記塩素および前記窒素を含むエッチングガスを供給することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体発光装置の製造方法。
  4. 前記基板を載置するプレートが窒化物を含み、前記窒素は前記プレートから供給されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体発光装置の製造方法。
  5. 前記基板を載置するプレートの上に窒化物を配置し、前記窒素は前記窒化物から供給されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体発光装置の製造方法。
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