專利名稱：半導體發光元件的制造方法以及半導體發光元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體發光元件的制造方法等，更詳細地講，涉及具有III族化合物半導體層的半導體發光元件的制造方法等。
背景技術：
一般地，具有III-V族化合物半導體層等的化合物半導體層的半導體發光元件， 是通過在由藍寶石單晶等構成的基板上形成化合物半導體層，進而設置正極和負極等后， 對基板的被磨削面進行磨削以及研磨，其后切斷成為適當的形狀，從而作為發光元件芯片來制備(參照專利文獻1)。專利文獻1 特開2008-177525號公報
發明內容
可是，當使用由與構成半導體層的化合物半導體不同的材料形成的基板，并在該基板上形成化合物半導體層時，存在所得到的化合物半導體發光層的波長分布的標準偏差 σ (在本說明書中也稱為發光波長分布σ (nm)。)變大的問題。特別是在通過MOCVD (有機金屬化學氣相生長法ORGANIC METAL CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION)形成化合物半導體層的場合，這樣的傾向較大。這可以想到原因主要在于由于基板與化合物半導體的熱膨脹系數的差，基板發生翹曲。若基板發生翹曲，則通過MOCVD形成化合物半導體層時，在基板上產生溫度分布，例如化(銦)等的元素的分布變得不均勻。由此，在由該化合物半導體層制造發光元件時，在同一基板內會形成具有非所希望的波長的發光元件，存在降低來自同一基板的制品的收得率的問題。本發明的目的在于，提供一種化合物半導體發光元件的制造方法，其中該制造方法具有使用由與構成化合物半導體層的材料不同的材料形成的基板，并在該基板上形成 III族化合物半導體層的工序，能夠減小所得到的化合物半導體發光層的發光波長分布 σ ο根據本發明，提供一種半導體發光元件的制造方法，其是制造具有III族化合物半導體層的半導體發光元件(也稱為化合物半導體發光元件。)的方法，其特征在于，具有 在基板上成膜出至少一層化合物半導體層，形成翹曲量H在50 μ m < H < 250 μ m的范圍的化合物半導體基板的化合物半導體基板形成工序；和在所形成的化合物半導體基板上形成包含多個III族化合物半導體層的發光層的發光層形成工序。在此，在應用本發明的半導體發光元件的制造方法中，優選在基板上成膜的III 族化合物半導體層至少含有III族氮化物。另外，優選基板的直徑D選自50mm 155mm的范圍。進而，優選基板的厚度d選自0.4mm 1.5mm的范圍。再有，優選基板的翹曲量H選自-IOym彡H彡IOym的范圍。
其次，在應用本發明的半導體發光元件的制造方法中，優選化合物半導體基板的翹曲量H選自ΙΟΟμπι彡H彡115 μ m的范圍。另外，優選基板由與III族化合物半導體層不同的材料構成。進而，在應用本發明的半導體發光元件的制造方法中，優選基板由藍寶石構成。另外，優選具有在基板上預先形成含有氮化鋁化合物的中間層的中間層形成工序。進而，優選中間層采用濺射法成膜于基板上。進而，根據本發明，提供一種半導體發光元件，其特征在于，是采用上述半導體發光元件的制造方法制造的。根據本發明，在半導體發光元件的制造方法中，通過使用翹曲量H在 50 μ m < H < 250 μ m的范圍的化合物半導體基板，并在其上形成發光層，能夠減小在同一基板內得到的半導體發光層的發光波長分布ο。
具體實施例方式以下對于本發明的實施方式進行詳細說明。另外，本發明并不被以下的實施方式限定，可以在其要旨的范圍內進行各種變形來實施。另外，使用的附圖是用于說明本實施方式的，并不表示實際的大小。(半導體發光元件)在本實施方式中制造的半導體發光元件，通常具有規定的基板和成膜于基板上的化合物半導體層。作為構成化合物半導體層的化合物半導體，可舉出例如III-V族化合物半導體、II-VI族化合物半導體、IV-IV族化合物半導體等。在本實施方式中，優選III-V族化合物半導體，其中，更優選III族氮化物化合物半導體。以下舉出具有III族氮化物化合物半導體的半導體發光層作為例子進行說明。
圖1是說明在本實施方式中制造的半導體發光元件的層結構的一例的圖。如圖1 所示，半導體發光元件I，是在形成于基板110上的中間層120之上，依次層疊基底層130、 η型半導體層140、發光層150、ρ型半導體層160而構成的。另外，化合物半導體層(III族化合物半導體層)200,是將η型半導體層140、發光層150以及ρ型半導體層160統一而總稱。進而，在ρ型半導體層160上層疊有透明正極170(參照圖2)，在透明正極170上形成有正極焊盤180，并且在形成于η型半導體層140的η型接觸層141的露出區域143， 層疊有負極焊盤190。在此，在本實施方式中，將在基板110上至少含有中間層120，而且形成了選自包含III族化合物半導體的基底層130以及η型半導體層140中的至少一層的制品稱為化合物半導體基板100，作為不具有發光功能的半導體層層疊基板對待。在此，在包含III族化合物半導體的基底層130上成膜的η型半導體層140，具有 η型接觸層141以及η型覆蓋層142。發光層150具有交替地層疊有勢壘層151和阱層152 的結構。P型半導體層160是ρ型覆蓋層161以及ρ型接觸層162層疊而成的。在本實施方式中，成膜于基板110上的化合物半導體層(包括中間層120、基底層 130、η型半導體層140、發光層150以及ρ型半導體層160在內的III族化合物半導體層)的合計的厚度，為5 μ m以上，優選為8 μ m以上，進一步優選為9 μ m以上。另外，這些層的合計的厚度為15 μ m以下，優選為14 μ m以下，進一步優選為13 μ m以下。上述的化合物半導體層(III族化合物半導體層)的合計的厚度過度薄時，特別是基底層130以及η型半導體層140的膜厚較薄時，在其后層疊的發光層150以及ρ型半導體層160的結晶性變差，因此在形成了半導體發光元件I的場合，存在發光強度變弱的傾向。(基板110)基板110由與III族氮化物化合物半導體不同的材料構成，在基板110上外延生長III族氮化物半導體晶體。作為構成基板110的材料，可舉出例如藍寶石、碳化硅(硅碳化物SiC)、硅、氧化鋅、氧化鎂、氧化錳、氧化鋯、氧化錳鋅鐵、氧化鎂鋁、硼化鋯、氧化鎵、氧化銦、氧化鋰鎵、氧化鋰鋁、氧化釹鎵、氧化鑭鍶鋁鉭、氧化鍶鈦、氧化鈦、鉿、鎢、鉬等。在這些物質中，優選藍寶石、碳化硅(硅碳化物SiC)。另外，基板110的表面，優選層疊半導體層的一側的面(表面)和其相反的一側的面(背面)的表面粗糙度Ra(算術平均粗糙度)不同。特別優選使用表面粗糙度Ra的關系為表面 < 背面的基板。(中間層120)如前所述，在本實施方式中，基板110由與III族氮化物化合物半導體不同的材料構成。因此，在如后述那樣采用有機金屬化學氣相生長法(MOCVD)形成化合物半導體層200 時，優選在基板110上設置發揮緩沖功能的中間層120。特別是從緩沖功能方面出發，優選中間層120為單晶結構。在基板110上形成了具有單晶結構的中間層120的情況下，中間層120的緩沖功能有效地作用，成膜于中間層120上的基底層130和化合物半導體層200 成為具有良好的取向性以及結晶性的晶體膜。中間層120，優選含有Al，特別優選含有作為III族氮化物的A1N。作為構成中間層 120的材料，只要是由通式AlfeInN表示的III族氮化物化合物半導體就不特別限定。進而也可以含有作為V族的As和/或P。中間層120，為含有Al的組成的場合，優選為GaAIN， 優選Al組分為50%以上。(基底層130)作為用于基底層130的材料，可使用含有( 的III族氮化物(GaN系化合物半導體)，特別是可優選使用AWaN或GaN。基底層130的膜厚為0. 1 μ m以上，優選為0. 5 μ m 以上，進一步優選為Iym以上。(η型半導體層140)η型半導體層140，由η型接觸層141以及η型覆蓋層142構成。作為η型接觸層 141，與基底層130同樣地，可使用GaN系化合物半導體。另外，構成基底層130以及η型接觸層141的氮化鎵系化合物半導體優選為相同組成，將它們的合計的膜厚設定為0. 1 μ m 20 μ m，優選設定為0. 5μπι 15 μ m，更優選設定為Ιμπι 12 μ m的范圍。η型覆蓋層142，可以由A1GN、GaN、GaInN等形成。另外，也可以形成為這些的結構的異質結和/或多次層疊了的超晶格結構。在為fe^nN的場合，優選比構成后述的發光層150的阱層152的feJnN的帶隙大。η型覆蓋層142的膜厚，優選為5nm 500nm，更優選為5nm IOOnm的范圍。(發光層150)
發光層150，是按包含氮化鎵系化合物半導體的勢壘層151、和包含含有銦的氮化鎵系化合物半導體的阱層152交替地反復層疊、并且在η型半導體層140側以及ρ型半導體層160側配置勢壘層151的順序進行層疊而形成的。在本實施方式中，發光層150為下述構成6層的勢壘層151和5層的阱層152被交替地反復層疊，發光層150的最上層以及最下層配置勢壘層151，在各勢壘層151間配置阱層152。作為勢壘層151，例如可優選使用帶隙能量比包含含有銦的氮化鎵系化合物半導體的阱層152大的Al。Gai_。N(0 ^ c ^ 0. 3)等的氮化鎵系化合物半導體。另夕卜，在阱層152中，作為含有銦的氮化鎵系化合物半導體，可使用例如 Ga1^InsN (0 < s < 0. 4)等的氮化鎵銦。作為阱層152的膜厚，不特別限定，優選為可得到量子效應的程度的膜厚、即臨界膜厚區域。例如，阱層152的膜厚優選為Inm IOnm的范圍，更優選為2nm 6nm的膜厚。(ρ型半導體層160)ρ型半導體層160，由ρ型覆蓋層161以及ρ型接觸層162構成。作為ρ型覆蓋層161，優選舉出AldGi^dN(0 < d ^ 0. 4)覆蓋層。ρ型覆蓋層161的膜厚，優選為Inm 400nm,更優選為5nm lOOnm。作為ρ型接觸層162，可舉出至少含有AleGai_eN(0 ^ e < 0. 5)而成的氮化鎵系化合物半導體層。P型接觸層162的膜厚，不特別限定，但優選為IOnm 500nm，更優選為 50nm 200nmo(透明正極170)作為構成透明正極170的材料，可舉出例如ITO(In2O3-SnO2)、AZO(ZnO-Al2O3)、 IZO(In2O3-ZnO) ,GZO(ZnO-Ga2O3)等的以往公知的材料。另外，透明正極170的結構，不特別限定，可采用以往公知的結構。透明正極170，可以以覆蓋ρ型半導體層160上的大致全面的方式形成，也可以形成為格子狀和/或樹形狀。(正極焊盤180)在透明正極170上形成的作為電極的正極焊盤180，例如由以往公知的Au、Al、Ni、 Cu等的材料構成。正極焊盤180的結構，不被特別限定，可采用以往公知的結構。正極焊盤180的厚度，在IOOnm IOOOnm的范圍內，優選在300nm 500nm的范圍內。(負極焊盤190)如圖2所示，負極焊盤190，以與在成膜于基板110上的中間層120以及基底層130 之上進一步成膜的化合物半導體層200 (η型半導體層140、發光層150以及ρ型半導體層 160)中的、η型半導體層140的η型接觸層141接觸的方式形成。因此，在形成負極焊盤 190時，除去ρ型半導體層160、發光層150以及η型半導體層140的一部分，形成η型接觸層141的露出區域143，在該露出區域上形成負極焊盤190。作為負極焊盤190的材料，眾所周知各種組成以及結構的負極，可沒有特別限制地使用這些眾所周知的負極，可采用在本技術領域熟知的慣用手段來設置。(半導體發光元件的制造方法)接著，對半導體發光元件的制造方法進行說明。圖2是說明由應用本實施方式的制造方法得到的半導體發光元件的一例的圖。
在本實施方式中，半導體發光元件I，是在具有規定的直徑D和厚度d的藍寶石制的基板110上，將含有V族元素的氣體和金屬材料用等離子體進行活化使其反應，由此形成包含III族氮化物的中間層120。接著，在中間層120上，形成具有基底層130、n型半導體層140的化合物半導體基板100(參照圖1)(化合物半導體基板形成工序)。接著，在化合物半導體基板100上形成發光層150以及ρ型半導體層160 (發光層形成工序)。接著，將基板110磨削直到變為規定的厚度，其后切斷成適當的大小，從而形成該發光元件。在本實施方式中，使用的基板110的直徑D，通常選自50mm 155mm的范圍。另外，基板110的厚度d，通常選自0. 4mm 1. 5mm的范圍，優選從0. 4mm 1. 2mm的范圍選擇。此時，使用的基板110，翹曲量H優選從-30μπι < H < 30μπκ -30μπι < H < 0 或者0 < H彡30μπι的范圍選擇，更優選從-ΙΟμ 彡H ^ IOym, -IOym ^ H < 0或者0
IOym的范圍選擇。在本實施方式中，特別是在基板110的直徑D為50mm 51mm(約2英寸)程度的場合或IOOmm 102mm(約4英寸)程度的場合，基板110的翹曲量H優選從-10 μ m彡H <0或者0<Η<10μπι的范圍選擇。在此，所謂基板110的翹曲，定義為將基板110置于水平的基準面時的、基準面與晶片表面的距離的最大值和最小值之差。在本申請中，基板Iio的翹曲量H的測定，是通過采用激光斜入射干涉儀(NIDEK公司制的平坦度測定機FT-17)測定SORI值來進行的。并且，在翹曲的方向為凸形狀的場合，定為正的值，在為凹形狀的場合，定為負的值。在本實施方式中，在上述的基板110上外延生長III族氮化物半導體晶體時，中間層120優選是采用濺射法將采用等離子體進行活化從而反應了的原料成膜于基板110上。 在此，將V族元素設為氮，將形成中間層120時的氣體中的氮的氣體分率設為50% 99% 的范圍，并且將中間層120作為單晶組織來形成。由此，能夠以短時間將具有良好的結晶性的中間層120作為具有特定的各向異性的取向膜成膜于基板110上。其結果，可在中間層 120上效率好地生長結晶性良好的III族氮化物半導體。在本實施方式中，采用濺射法形成中間層120之后，在該中間層120上，采用有機金屬化學氣相生長法(MOCVD)依次成膜出基底層130、η型半導體層140，從而形成化合物半導體基板100 (化合物半導體基板形成工序)。接著，在化合物半導體基板100上，采用MOCVD法依次成膜出發光層150以及ρ型半導體層160。在本實施方式中，在化合物半導體基板形成工序中，如前述那樣成膜出至少一層化合物半導體層而得到的化合物半導體基板100，被形成為其翹曲量H 在50 μ m < H < 250 μ m的范圍。在此，化合物半導體基板100的翹曲量H，優選為80 μ m彡H彡200 μ m的范圍，更優選為80 μ m彡H彡150 μ m的范圍，特別優選為 ΙΟΟμπι彡H彡120 μ m的范圍。在此，所謂化合物半導體基板100的翹曲，與對基板110的翹曲量H進行的說明同樣地，定義為將化合物半導體基板100置于水平的基準面時的、基準面與化合物半導體基板100表面的距離的最大值和最小值之差。化合物半導體基板100的翹曲量H的測定，通過采用激光斜入射干涉儀(NIDEK公司制的平坦度測定機FT-17)測定SORI值來進行。在翹曲的方向為凸形狀的場合，定為正的值，在為凹形狀的場合，定為負的值。在本實施方式中，通過使化合物半導體基板100的翹曲量H為上述的范圍，能夠使采用例如MOCVD法進一步依次成膜出發光層150以及ρ型半導體層160而得到的化合物半導體層200的發光波長分布σ為6nm以下。化合物半導體基板100的翹曲量H小于50 μ m時，存在來自在其上形成的化合物半導體層200的發光波長分布σ變得大于6nm的傾向。另外，化合物半導體基板100的翹曲量H大于250 μ m時，存在來自在其上形成的化合物半導體層200的發光波長分布σ變得大于6nm的傾向。在MOCVD法中，作為載氣，可使用氫(H2)或氮(N2)，作為III族原料的( 源，可使用三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)，A1源可使用三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)，h源可使用三甲基銦(TMI)或三乙基銦(TEI)，作為V族原料的N源，可使用氨(NH3)、胼(N2H4)寸。作為摻雜物，在η型中，作為Si原料可應用甲硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6),作為 Ge原料可應用鍺烷氣體(GeH4)、四甲基鍺((CH3) 4Ge)、四乙基鍺((C2H5)4Ge)等的有機鍺化合物。另外，氮化鎵系化合物半導體，可以為除了 Al、Ga、In以外還含有其他的III族元素的構成，可以根據需要含有Ge、Si、Mg、Ca、Zn、Be等的摻雜元素。而且，不限于有意圖地添加的元素，也有時包含依賴于成膜條件等而必然地含有的雜質、以及在原料、反應管材質中所含的微量雜質。另外，在化合物半導體層之中，可以在采用MOCVD法形成基底層130之后，采用濺射法成膜出η型接觸層141以及η型覆蓋層142的各層，接著，在其上，采用MOCVD法形成發光層150，然后，采用反應濺射法形成構成ρ型半導體層160的ρ型覆蓋層161以及ρ型接觸層162的各層。在具有上述的直徑D以及厚度d的基板110上成膜出中間層120、基底層130以及化合物半導體層200之后，在化合物半導體層200的ρ型半導體層160上層疊透明正極 170，在透明正極170上形成正極焊盤180。而且，在形成于η型半導體層140的η型接觸層 141的露出區域143上設置了負極焊盤190，從而形成晶片。其后，對基板110的被磨削面進行磨削以及研磨直到變為規定的厚度。在本實施方式中，采用約20分鐘左右的磨削工序來磨削晶片的基板110，基板110的厚度例如從約 900 μ m減少到約120 μ m。而且，在本實施方式中，繼磨削工序之后，采用約15分鐘的研磨工序，將基板110的厚度從約120 μ m研磨到約80 μ m。接著，被調整了基板110厚度的晶片，通過切斷成例如350 μ m見方的正方形，從而形成在基板110上形成有中間層120、基底層130以及化合物半導體層200的半導體發光元件。實施例以下基于實施例更詳細地說明本發明。但是，本發明只要不超出其要旨，則并不被以下的實施例限定。在實施例中使用的藍寶石基板的翹曲量H和由化合物半導體晶片得到的發光波長的分布(發光波長分布ο)的評價方法如下。
(1)化合物半導體基板的翹曲量H化合物半導體基板的翹曲量H，根據由激光光斜入射干涉儀(株式會社二 々 公司制平坦度測定機FT-17)測定的SORI值進行評價。SORI值，是將化合物半導體基板吸附于平坦度測定機的弓形吸盤(bow chuck)，在從垂直向面前方向傾斜8度的狀態下測定。 測定設為除去了藍寶石基板的外周lmm(內部值(inside value) 1mm)的范圍。(2)藍寶石基板的翹曲量H藍寶石基板的翹曲量H，使用與化合物半導體基板的情況同樣的方法測定。(3)由化合物半導體晶片得到的發光波長的分布(發光波長分布σ )發光波長分布ο的測定，在本發明中不被限定，但可優選使用PL映像儀(PL Mapper) (ACCENT 公司制=RPM- Σ )測定。(實施例1 10)使用具有表1所示的直徑D和厚度d的藍寶石制的基板110，如圖2所示，在該基板110上，采用濺射法成膜出0. 05 μ m的由AlN形成的中間層120，在該中間層上，采用有機金屬化學氣相生長法(MOCVD)，成膜出厚度8μπι的由非摻雜GaN形成的基底層130以及厚度2 μ m的由Si摻雜GaN形成的η型接觸層141，從而制成了化合物半導體基板100。進而，在化合物半導體基板100之上，采用MOCVD形成厚度250nm的由Ina ^Eia9N 形成的η型覆蓋層142后，形成了將厚度16nm的由Si摻雜GaN形成的勢壘層151以及厚度2. 5nm的由Ina2G^l8N形成的阱層152層疊5次，并在最后設置了勢壘層151的多量子阱結構的發光層150。進而，順序地形成了厚度IOnm的由Mg摻雜AlaC17GEia93N形成的ρ型覆蓋層161、厚度150nm的由Mg摻雜GaN形成的ρ型接觸層162。另外，氮化鎵系化合物半導體層的層疊，是采用MOCVD法，在本技術領域熟知的通常的條件下進行。其后，采用前述的PL映像儀(ACCENT公司制RPM_ Σ )測定波長分布σ，得到表 1所記載的結果。接著，在由GaN形成的ρ型接觸層162上，形成厚度250nm的由IZO形成的透明正極170后，在形成由S^2形成的保護膜等等的本技術領域中熟知的通常的條件下，制造出發光元件用的芯片。表 權利要求
1.一種半導體發光元件的制造方法，是制造具有III族化合物半導體層的半導體發光元件的方法，其特征在于，具有化合物半導體基板形成工序，該工序在基板上成膜出至少一層化合物半導體層，形成翹曲量H在50 μ m < H < 250 μ m的范圍的化合物半導體基板；和發光層形成工序，該工序在所形成的所述化合物半導體基板上形成包含多個III族化合物半導體層的發光層。
2.根據權利要求1所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于，所述III族化合物半導體層至少含有III族氮化物。
3.根據權利要求1或2所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于，所述基板的直徑D選自50mm 155mm的范圍。
4.根據權利要求1 3的任一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于，所述基板的厚度d選自0. 4mm 1.5mm的范圍。
5.根據權利要求1 4的任一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于，所述基板的翹曲量H選自-IOym彡H彡IOym的范圍。
6.根據權利要求1 5的任一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于，所述化合物半導體基板的翹曲量H選自IOOym彡115μπι的范圍。
7.根據權利要求1 6的任一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于，所述基板由與III族化合物半導體層不同的材料構成。
8.根據權利要求1 7的任一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于，所述基板由藍寶石構成。
9.根據權利要求1 8的任一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于，具有在所述基板上預先成膜出含有氮化鋁化合物的中間層的中間層形成工序。
10.根據權利要求9所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于，所述中間層采用濺射法成膜于所述基板上。
11.一種半導體發光元件，其特征在于，是采用權利要求1 10的任一項所述的半導體發光元件的制造方法制造的。
全文摘要
本發明提供一種半導體發光元件的制造方法，其中該制造方法具有使用由與構成半導體層的材料不同的材料形成的基板，并在該基板上成膜出III族化合物半導體層的工序，能夠減小所得到的半導體發光層的發光波長分布σ。本發明提供的半導體發光元件的制造方法，是制造具有III族化合物半導體層的半導體發光元件的方法，其特征在于，具有化合物半導體基板形成工序，該工序在基板上成膜出至少一層化合物半導體層，形成翹曲量H在50μm≤H≤250μm的范圍的化合物半導體基板；和發光層形成工序，該工序在所形成的所述化合物半導體基板上形成包含多個III族化合物半導體層的發光層。
文檔編號H01L33/32GK102265415SQ20098015231
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月17日 優先權日2008年12月26日
發明者櫻井哲朗 申請人:昭和電工株式會社