JP2013062542A - SURFACE TREATMENT METHOD OF m-SURFACE GaN SUBSTRATE - Google Patents
SURFACE TREATMENT METHOD OF m-SURFACE GaN SUBSTRATE Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013062542A JP2013062542A JP2012281719A JP2012281719A JP2013062542A JP 2013062542 A JP2013062542 A JP 2013062542A JP 2012281719 A JP2012281719 A JP 2012281719A JP 2012281719 A JP2012281719 A JP 2012281719A JP 2013062542 A JP2013062542 A JP 2013062542A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gan substrate
- layer
- plane gan
- back surface
- metal pad
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Landscapes
- Led Devices (AREA)
- Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
Abstract
Description
本発明は、m面GaN基板の表面処理方法に関する。The present invention relates to a surface treatment method for an m-plane GaN substrate.
発光ダイオード素子として、GaN系半導体を用いて形成された発光構造を有するGaN系発光ダイオード素子がある。GaN系半導体は、一般式Al a In b Ga 1−a−b N(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で表される化合物半導体であり、窒化物半導体、窒化物系化合物半導体などとも呼ばれる。
GaN系半導体を用いて形成されたダブルヘテロpn接合型の発光構造をm面GaN基板上に有する半導体発光素子が公知である(非特許文献1〜4)。
As a light-emitting diode element, there is a GaN-based light-emitting diode element having a light-emitting structure formed using a GaN-based semiconductor. A GaN-based semiconductor is a compound semiconductor represented by the general formula Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1), and is a nitride semiconductor. It is also called a nitride compound semiconductor.
Semiconductor light emitting devices having a double hetero pn junction type light emitting structure formed using a GaN-based semiconductor on an m-plane GaN substrate are known (Non-Patent Documents 1 to 4).
非特許文献1〜3に開示されているのは発光ダイオード素子であり、いずれの素子においても、m面GaN基板上にエピタキシャル成長により形成されたn型のSiドープGaN層上にn側オーミック電極が形成されている。非特許文献4に開示されているのはレーザダイオード素子であり、m面GaN基板の裏面にn側オーミック電極が形成されている。このレーザダイオード素子の閾値電流はCW駆動時で36mA、パルス駆動時で28mAであり、閾値電圧は約7〜8Vとなっている。 Non-Patent Documents 1 to 3 disclose light-emitting diode elements. In any element, an n-side ohmic electrode is formed on an n-type Si-doped GaN layer formed by epitaxial growth on an m-plane GaN substrate. Is formed. Non-Patent Document 4 discloses a laser diode element in which an n-side ohmic electrode is formed on the back surface of an m-plane GaN substrate. The threshold current of this laser diode element is 36 mA at the time of CW driving, 28 mA at the time of pulse driving, and the threshold voltage is about 7 to 8V.
GaN基板上に発光構造を形成した発光素子においては、GaN基板の裏面に良好なn側オーミック電極を形成することが難しいといわれている(特許文献1〜6)。そこで、特許文献2に記載された方法では、GaN基板の裏面を粒径10μm以上の研磨剤で研磨して粗くすることにより、該裏面上に形成するn側オーミック電極の接触抵抗の低減が図られている。また、特許文献3に記載された方法では、同じ目的のために、GaN基板の裏面をウェットエッチングまたはドライエッチングで粗くしている。一方、特許文献4によれば、GaN基板の厚さを落とすためにその裏面をグラインディング、ラッピングまたはポリッシングしたときにダメージ層が形成され、これが良好なオーミック電極の形成を阻害するとのことである。そこで、該特許文献4に記載の方法では、研磨加工後のGaN基板の裏面をドライエッチングまたはウェットエッチングで削っている。しかし、特許文献5には、ウェットエッチングではこの目的は達成できなかったと記載されている。特許文献6に記載された方法では、GaN基板の裏面をドライエッチングして、機械研磨により発生した結晶欠陥を含む部分を削り取ることにより、GaN基板とn側オーミック電極との接触抵抗の低減が図られている。なお、これら特許文献1〜6に記載された知見や発明は、基本的にはc面GaN基板に関するものである。 In a light emitting device having a light emitting structure formed on a GaN substrate, it is said that it is difficult to form a good n-side ohmic electrode on the back surface of the GaN substrate (Patent Documents 1 to 6). Therefore, in the method described in Patent Document 2, the contact resistance of the n-side ohmic electrode formed on the back surface is reduced by polishing the back surface of the GaN substrate with a polishing agent having a particle diameter of 10 μm or more. It has been. In the method described in Patent Document 3, for the same purpose, the back surface of the GaN substrate is roughened by wet etching or dry etching. On the other hand, according to Patent Document 4, a damaged layer is formed when the back surface is ground, lapped or polished in order to reduce the thickness of the GaN substrate, which inhibits the formation of a good ohmic electrode. . Therefore, in the method described in Patent Document 4, the back surface of the polished GaN substrate is shaved by dry etching or wet etching. However, Patent Document 5 describes that this purpose cannot be achieved by wet etching. In the method described in Patent Document 6, the contact resistance between the GaN substrate and the n-side ohmic electrode is reduced by dry-etching the back surface of the GaN substrate and scraping off the portion containing crystal defects generated by mechanical polishing. It has been. In addition, the knowledge and invention described in these Patent Documents 1 to 6 basically relate to a c-plane GaN substrate.
m面GaN基板上に発光構造を形成したGaN系発光ダイオード素子は、QCSE効果が生じないので、印加電流の増加に伴う発光波長の変動が小さいことが要求される白色LED用の励起光源に適している。しかし、発光ダイオード素子の発熱量が大きかったり、その放熱性が良好でない場合には、該発光ダイオード素子が放出する熱で蛍光体の温度が大きく変動することとなり、期待通りの効果が得られなくなる。また、発熱量が大きく放熱性が良好でない発光ダイオード素子は、印加電流を増やすにつれてそれ自体の温度も大きく上昇するので、発光効率の低いものとなる。 A GaN-based light-emitting diode element in which a light-emitting structure is formed on an m-plane GaN substrate does not produce a QCSE effect, so it is suitable for an excitation light source for white LEDs that require a small variation in emission wavelength with an increase in applied current ing. However, if the heat generation amount of the light emitting diode element is large or its heat dissipation is not good, the temperature of the phosphor largely fluctuates due to the heat emitted by the light emitting diode element, and the expected effect cannot be obtained. . Further, a light emitting diode element having a large amount of heat generation and poor heat dissipation has a low luminous efficiency because its own temperature greatly increases as the applied current is increased.
本発明は、m面GaN基板の表面処理方法を提供する。The present invention provides a surface treatment method for an m-plane GaN substrate.
本発明の一実施形態に係るm面GaN基板の表面処理方法は、m面GaN基板の表面を、酸性のCMPスラリーを用いて0.5μm/h以下のポリッシングレートでポリッシングする第1工程と、該第1工程に続いて該m面GaN基板の該表面を水洗する第2工程と、を有する。A surface treatment method for an m-plane GaN substrate according to an embodiment of the present invention includes a first step of polishing the surface of an m-plane GaN substrate at a polishing rate of 0.5 μm / h or less using an acidic CMP slurry, Following the first step, a second step of washing the surface of the m-plane GaN substrate with water.
本発明により、m面GaN基板の表面処理方法が提供される。 According to the present invention, a surface treatment method for an m-plane GaN substrate is provided.
以下の各実施形態に係るGaN系発光ダイオード素子は、m面GaN基板の裏面に形成されたn側オーミック電極を有するので、金属電極上にハンダを用いて固定することができる。つまり、放熱性が良好となる形態で実装することができる。また、上記の各実施形態に係るGaN系発光ダイオード素子は、順方向電圧が低く抑えられているので、発熱量が小さい。従って、白色LED用の励起光源に極めて適している。
本発明者等によるGaN系発光ダイオード素子(以下では「LED素子」ともいう)の試作および評価の結果を以下に記す。
1.試作したLED素子の基本構造
図1に、試作したLED素子の基本構造を模式的に示す。図1(a)は上面図、図1(b)は図1(a)のX−X線の位置における断面図である。図1(a)に示すように、LED素子1の平面形状は矩形であり、サイズは350μm×340μmである。
Since the GaN-based light emitting diode device according to each of the following embodiments has the n-side ohmic electrode formed on the back surface of the m-plane GaN substrate, it can be fixed on the metal electrode using solder. That is, it can be mounted in a form with good heat dissipation. In addition, since the GaN-based light emitting diode elements according to the above embodiments have a low forward voltage, the amount of heat generated is small. Therefore, it is extremely suitable as an excitation light source for white LEDs.
The results of trial manufacture and evaluation of a GaN-based light emitting diode element (hereinafter also referred to as “LED element”) by the present inventors are described below.
1. Basic Structure of Prototype LED Element FIG. 1 schematically shows the basic structure of the prototype LED element. 1A is a top view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 1A. As shown to Fig.1 (a), the planar shape of the LED element 1 is a rectangle, and a size is 350 micrometers x 340 micrometers.
図1(b)に示すように、LED素子1は、基板10の上にGaN系半導体からなる半導体積層体20を有している。基板10はm面GaN基板であり、半導体積層体20は該基板10のおもて面11上に配置されている。半導体積層体20は基板10側から順に、第1のアンドープGaN層21、Siドープされたn型GaNコンタクト層22、第2のアンドープGaN層23、Siドープされたn型GaNクラッド層24、MQW活性層25、Mgドープされたp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層26、Mgドープされたp型Al0.03Ga0.97Nコンタクト層27を有している。 As shown in FIG. 1B, the LED element 1 has a semiconductor stacked body 20 made of a GaN-based semiconductor on a substrate 10. The substrate 10 is an m-plane GaN substrate, and the semiconductor stacked body 20 is disposed on the front surface 11 of the substrate 10. The semiconductor stacked body 20 includes, in order from the substrate 10 side, a first undoped GaN layer 21, a Si-doped n-type GaN contact layer 22, a second undoped GaN layer 23, a Si-doped n-type GaN cladding layer 24, an MQW. An active layer 25, a Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer 26, and an Mg-doped p-type Al 0.03 Ga 0.97 N contact layer 27 are provided.
MQW活性層25は、交互に積層されたアンドープIn0.04Ga0.96Nバリア層とアンドープIn0.16Ga0.84Nウェル層とを有している。アンドープInGaNバリア層の数は4層、アンドープInGaNウェル層の数は3層であり、ゆえに、MQW活性層25の最下層と最上層はいずれもバリア層である。ウェル層の組成は発光ピーク波長が445〜465nmの範囲内に入るように調整されたものである。 The MQW active layer 25 has undoped In 0.04 Ga 0.96 N barrier layers and undoped In 0.16 Ga 0.84 N well layers that are alternately stacked. The number of undoped InGaN barrier layers is four, and the number of undoped InGaN well layers is three. Therefore, the lowermost layer and the uppermost layer of the MQW active layer 25 are both barrier layers. The composition of the well layer is adjusted so that the emission peak wavelength falls within the range of 445 to 465 nm.
LED素子1は2つのn側電極と1つのp側電極を有している。n側電極のひとつは第1のn側メタルパッドE11であり、基板10の裏面12全体を覆うように設けられている。もうひとつは第2のn側メタルパッドE12であり、半導体積層体20を一部除去することにより露出したn型GaNコンタクト層22の表面上に形成されている。第1のn側メタルパッドE11と第2のn側メタルパッドE12は、どちらもオーミック電極を兼用している。p側電極を構成するのは、p型AlGaNコンタクト層27の上面に形成されたオーミック性の透光性電極E21と、該透光性電極E21上の一部に形成されたp側メタルパッドE22である。MQW活性層25への電流印加は、第1のn側メタルパッドE11とp側メタルパッドE22を通して行うこともできるし、第2のn側メタルパッドE12とp側メタルパッドE22を通して行うこともできる。 The LED element 1 has two n-side electrodes and one p-side electrode. One of the n-side electrodes is a first n-side metal pad E11, which is provided so as to cover the entire back surface 12 of the substrate 10. The other is the second n-side metal pad E12, which is formed on the surface of the n-type GaN contact layer 22 exposed by partially removing the semiconductor stacked body 20. Both the first n-side metal pad E11 and the second n-side metal pad E12 also serve as ohmic electrodes. The p-side electrode is composed of an ohmic translucent electrode E21 formed on the upper surface of the p-type AlGaN contact layer 27 and a p-side metal pad E22 formed on a part of the translucent electrode E21. It is. The current application to the MQW active layer 25 can be performed through the first n-side metal pad E11 and the p-side metal pad E22, or can be performed through the second n-side metal pad E12 and the p-side metal pad E22. .
第1のn側メタルパッドE11は多層膜であり、基板10側から順にTiW層、Au層、Pt層、Au層、Pt層、Au層、Pt層、Au層を有している。第2のn側メタルパッドE12も同様の積層構造を備える多層膜であり、n型GaNコンタクト層22側から順にTiW層、Au層、Pt層、Au層、Pt層、Au層、Pt層、Au層を有している。透光性電極E21はITO(インジウム錫酸化物)膜である。p側メタルパッドE12は第1のn側メタルパッドE11および第2のn側メタルパッドE12と同様の積層構造を備える多層膜であり、透光性電極E21側から順にTiW層、Au層、Pt層、Au層、Pt層、Au層、Pt層、Au層を有している。
2.LED素子の試作
LED素子1を次の手順により作製した。
2−1.エピタキシャル成長
サイズが7mm(c軸方向)×15mm(a軸方向)×330μm(厚さ)、おもて面(半導体積層体を設ける側の主面)のオフ角が0±0.5°の範囲内で、n型不純物としてSiが添加されたn型導電性のm面GaN基板を準備した。ホール測定により調べた該m面GaN基板のキャリア濃度は1.3×1017cm−3であった。
The first n-side metal pad E11 is a multilayer film, and includes a TiW layer, an Au layer, a Pt layer, an Au layer, a Pt layer, an Au layer, a Pt layer, and an Au layer in order from the substrate 10 side. The second n-side metal pad E12 is also a multilayer film having a similar laminated structure, and in order from the n-type GaN contact layer 22 side, a TiW layer, an Au layer, a Pt layer, an Au layer, a Pt layer, an Au layer, a Pt layer, It has an Au layer. The translucent electrode E21 is an ITO (indium tin oxide) film. The p-side metal pad E12 is a multilayer film having a laminated structure similar to that of the first n-side metal pad E11 and the second n-side metal pad E12, and sequentially includes a TiW layer, an Au layer, and Pt from the translucent electrode E21 side. A layer, an Au layer, a Pt layer, an Au layer, a Pt layer, and an Au layer.
2. Prototyping of LED Element An LED element 1 was produced by the following procedure.
2-1. Epitaxial growth Size is 7 mm (c-axis direction) x 15 mm (a-axis direction) x 330 μm (thickness), and the off-angle of the front surface (main surface on which the semiconductor laminate is provided) is 0 ± 0.5 ° The n-type conductive m-plane GaN substrate to which Si was added as an n-type impurity was prepared. The carrier concentration of the m-plane GaN substrate examined by hole measurement was 1.3 × 10 17 cm −3 .
このm面GaN基板のおもて面上に、常圧MOVPE法を用いて複数のGaN系半導体層をエピタキシャル成長させて半導体積層体を形成した。III族原料にはTMG(トリメチルガリウム)、TMI(トリメチルインジウム)およびTMA(トリメチルアルミニウム)、V族原料にはアンモニア、Si原料にはシラン、Mg原料にはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム((EtCp)2Mg)を用いた。 A plurality of GaN-based semiconductor layers were epitaxially grown on the front surface of the m-plane GaN substrate using the atmospheric pressure MOVPE method to form a semiconductor laminate. TMG (trimethylgallium), TMI (trimethylindium) and TMA (trimethylaluminum) for Group III materials, ammonia for Group V materials, silane for Si materials, bisethylcyclopentadienylmagnesium ((EtCp) for Mg materials ) 2 Mg) was used.
各層の成長温度および膜厚を表1に示す。 Table 1 shows the growth temperature and film thickness of each layer.
n型GaNコンタクト層、n型GaNクラッド層、p型AlGaNクラッド層およびp型AlGaNコンタクト層に添加した不純物の濃度は表2に示す通りである。 Table 2 shows the concentration of impurities added to the n-type GaN contact layer, n-type GaN clad layer, p-type AlGaN clad layer, and p-type AlGaN contact layer.
p型AlGaNクラッド層およびp型AlGaNコンタクト層に添加したMgの活性化は、p型AlGaNコンタクト層を所定時間成長させた後、MOVPE装置の成長炉内で基板温度が室温まで降下する間に、該成長炉内に流す窒素ガスおよびアンモニアガスの流量を制御する方法を用いて行った。
2−2.p側電極および第2のn側メタルパッドの形成
上記エピタキシャル成長により形成した半導体積層体の表面(p型AlGaNコンタクト層の表面)に、電子ビーム蒸着法によりITO膜を210nmの厚さに形成した。続いて、フォトリソグラフィとエッチングの技法を用いて、このITO膜を所定の形状にパターニングして、透光性電極を形成した。パターニング後、反応性イオンエッチング(RIE)加工により半導体積層体の一部を除去して、第2のn側メタルパッドを形成すべき部位にn型GaNコンタクト層を露出させるとともに、メサ形成を行った。RIE加工においては、エッチングガスとしてCl2を用い、アンテナ/バイアスを100W/20W、チャンバー内圧力を0.3Paと設定した。
The activation of Mg added to the p-type AlGaN cladding layer and the p-type AlGaN contact layer is performed while the p-type AlGaN contact layer is grown for a predetermined time and then the substrate temperature is lowered to room temperature in the growth furnace of the MOVPE apparatus. This was carried out using a method for controlling the flow rates of nitrogen gas and ammonia gas flowing into the growth furnace.
2-2. Formation of p-side electrode and second n-side metal pad An ITO film having a thickness of 210 nm was formed on the surface of the semiconductor laminate formed by the epitaxial growth (surface of the p-type AlGaN contact layer) by electron beam evaporation. Subsequently, the ITO film was patterned into a predetermined shape using photolithography and etching techniques to form a translucent electrode. After patterning, a part of the semiconductor stacked body is removed by reactive ion etching (RIE) processing to expose the n-type GaN contact layer at the site where the second n-side metal pad is to be formed, and perform mesa formation. It was. In RIE processing, Cl 2 was used as an etching gas, the antenna / bias was set to 100 W / 20 W, and the pressure in the chamber was set to 0.3 Pa.
RIE加工に続いて、上記作製したITO膜に対し、大気雰囲気中、520℃で20分間の熱処理を施した。更に続けて、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置を用いて、このITO膜に対し、窒素ガス雰囲気中、500℃で1分間の熱処理を施した。 Subsequent to the RIE process, the produced ITO film was heat-treated at 520 ° C. for 20 minutes in the air atmosphere. Further, using an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus, this ITO film was heat-treated at 500 ° C. for 1 minute in a nitrogen gas atmosphere.
ITO膜の熱処理後、リフトオフ法を用いて、第2のn側メタルパッドとp側メタルパッドを同時に所定のパターンに形成した。第2のn側メタルパッドとp側メタルパッドを構成するメタル多層膜に含まれる全ての層(TiW層、Au層およびPt層)は、スパッタリング法で形成した。TiW膜を形成する際は、ターゲットにTi含有量が10wt%のTi−Wターゲット、スパッタガスにAr(アルゴン)を使用し、スパッタ条件はRF電力800W、Ar流量50sccm、スパッタガス圧2.2×10−1Paとした。最下層であるTiW層とその直上に積層するAu層の厚さは108nmとし、それ以外のPt層およびAu層の厚さはいずれも89nmとした。 After the heat treatment of the ITO film, a second n-side metal pad and a p-side metal pad were simultaneously formed in a predetermined pattern using a lift-off method. All layers (TiW layer, Au layer, and Pt layer) included in the metal multilayer film constituting the second n-side metal pad and the p-side metal pad were formed by sputtering. When forming a TiW film, a Ti-W target having a Ti content of 10 wt% is used as a target, Ar (argon) is used as a sputtering gas, sputtering conditions are RF power 800 W, Ar flow rate 50 sccm, sputtering gas pressure 2.2. × 10 −1 Pa. The thickness of the lowermost TiW layer and the Au layer laminated immediately above it was 108 nm, and the thicknesses of the other Pt layers and Au layers were all 89 nm.
第2のn側メタルパッドとp側メタルパッドを形成した後、露出した半導体積層体の表面および透光性電極の表面に、SiO2からなるパッシベーション膜を230nmの厚さに形成した。
2−3.m面GaN基板の裏面の加工
上記パッシベーション膜の形成後、m面GaN基板の裏面に対し、以下に加工a〜加工fとして記す6通りの異なる加工を行った。
After forming the second n-side metal pad and the p-side metal pad, a passivation film made of SiO 2 was formed to a thickness of 230 nm on the exposed surface of the semiconductor stacked body and the surface of the translucent electrode.
2-3. Processing of the back surface of the m-plane GaN substrate After the formation of the passivation film, six different processes described below as processing a to processing f were performed on the back surface of the m-plane GaN substrate.
加工a:m面GaN基板の裏面にラッピングおよびポリッシングをこの順に施すことにより、該基板の厚さを200μmに減じた。 Process a: The thickness of the substrate was reduced to 200 μm by lapping and polishing the back surface of the m-plane GaN substrate in this order.
ラッピング工程では、定法に従い、使用するダイヤモンド砥粒の粒径を段階的に小さくしていった。 In the lapping process, the grain size of the diamond abrasive used was gradually reduced in accordance with a conventional method.
ポリッシング工程では、酸性コロイダルシリカ(粒径70〜100nm)に酸を添加してpHを2未満に調整したCMPスラリーを用い、ポリッシングレートが0.5μm/hとなるように荷重を調整し、ポリッシング加工時間は約14時間とした。この条件でポリッシュされたm面GaN基板の表面は、AFM(例えばDIGITALINSTRUMENTS社製 DIMENSION 5000)を用いて測定される10μm角の範囲の算術平均粗さRaが0.1nm以下となる。 In the polishing step, a CMP slurry in which acid is added to acidic colloidal silica (particle size 70-100 nm) and the pH is adjusted to less than 2 is used, and the load is adjusted so that the polishing rate is 0.5 μm / h. The processing time was about 14 hours. The surface of the m-plane GaN substrate polished under these conditions has an arithmetic average roughness Ra in the range of 10 μm square measured using AFM (for example, DIMENSION 5000 manufactured by DIGITALINSTRUMENTS) of 0.1 nm or less.
ポリッシングされた面(m面GaN基板の裏面)は水で洗った後、更に室温のIPAおよびアセトンを用いて洗浄し、乾燥後に5分間の紫外線オゾン洗浄(110℃、酸素流量5L/分)を施した。 The polished surface (the back surface of the m-plane GaN substrate) is washed with water, further washed with IPA and acetone at room temperature, and then dried with ultraviolet ozone cleaning (110 ° C., oxygen flow rate 5 L / min) for 5 minutes. gave.
加工b:加工aを行った後、更に、RIEによってm面GaN基板の裏面から表層部分を削り取った。RIE条件は上記2−2.で半導体積層体に対してRIE加工を施したときの条件と同じとし、エッチング深さが0.1μmとなるよう、エッチング時間を60秒に設定した。RIE加工後の表面の粗さを触針式段差計(株式会社小坂研究所製ET3000)で測定したところ、算術平均粗さRaは0.02μm、最大高さRzは0.04μmであった。 Process b: After process a, the surface layer portion was further removed from the back surface of the m-plane GaN substrate by RIE. The RIE condition is the above 2-2. The etching time was set to 60 seconds so that the etching depth was 0.1 μm under the same conditions as when the RIE processing was performed on the semiconductor laminate. When the roughness of the surface after RIE processing was measured with a stylus type step gauge (ET3000 manufactured by Kosaka Laboratory Ltd.), the arithmetic average roughness Ra was 0.02 μm, and the maximum height Rz was 0.04 μm.
加工c:加工aを行った後、更に、RIEによってm面GaN基板の裏面から表層部分を削り取った。RIE条件は上記2−2.で半導体積層体に対してRIE加工を施したときの条件と同じとし、エッチング深さが1.0μmとなるよう、エッチング時間を610秒に設定した。RIE加工後の表面の粗さを触針式段差計で測定したところ、算術平均粗さRaは0.06μm、最大高さRzは0.55μmであった。 Processing c: After processing a, the surface layer portion was further scraped off from the back surface of the m-plane GaN substrate by RIE. The RIE condition is the above 2-2. The etching time was set to 610 seconds so that the etching depth was 1.0 μm under the same conditions as when the semiconductor laminate was subjected to RIE processing. When the surface roughness after RIE processing was measured with a stylus profilometer, the arithmetic average roughness Ra was 0.06 μm, and the maximum height Rz was 0.55 μm.
加工d:加工aを行った後、更に、RIEによってm面GaN基板の裏面から表層部分を削り取った。RIE条件は上記2−2.で半導体積層体に対してRIE加工を施したときの条件と同じとし、エッチング深さが2.0μmとなるよう、エッチング時間を1220秒に設定した。RIE加工後の表面の粗さを触針式段差計で測定したところ、算術平均粗さRaは0.07〜0.12μm、最大高さRzは1.30μmであった。 Processing d: After processing a, the surface layer portion was further scraped off from the back surface of the m-plane GaN substrate by RIE. The RIE condition is the above 2-2. The etching time was set to 1220 seconds so that the etching conditions were the same as those when the RIE processing was performed on the semiconductor laminate. When the surface roughness after RIE processing was measured with a stylus profilometer, the arithmetic average roughness Ra was 0.07 to 0.12 μm, and the maximum height Rz was 1.30 μm.
加工e:加工aを行った後のm面GaN基板の裏面に、ノボラック樹脂を用いたポジ型フォトレジスト(住友化学株式会社製 スミレジストPFI−34AL)を1.6μmの厚さにコーティングし、フォトリソグラフィ技法を用いて該フォトレジストをパターニングすることによって、図2に示すマスクパターンを形成した。すなわち、複数の円形エッチングマスクが三角格子の格子位置に配置されたマスクパターンである。各円形マスクの直径(図2中のR)は2μm、隣り合う円形マスク間のスペース(図2中のS)は2.5μmとした。マスクパターンの方向は、図3に示すように、三角格子の6つの格子位置を頂点とする正六角形ABCDEFの2つの辺BC、EFが、m面GaN基板のc軸と直交するように定めた。 Process e: A positive photoresist (Sumiresist PFI-34AL manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) using a novolac resin is coated on the back surface of the m-plane GaN substrate after the process a to a thickness of 1.6 μm. The mask pattern shown in FIG. 2 was formed by patterning the photoresist using a photolithography technique. That is, it is a mask pattern in which a plurality of circular etching masks are arranged at the lattice positions of a triangular lattice. The diameter of each circular mask (R in FIG. 2) was 2 μm, and the space between adjacent circular masks (S in FIG. 2) was 2.5 μm. As shown in FIG. 3, the direction of the mask pattern was determined so that the two sides BC and EF of the regular hexagon ABCDEF having the six lattice positions of the triangular lattice as vertices were orthogonal to the c-axis of the m-plane GaN substrate. .
上記のように形成したマスクパターンをエッチングマスクに用いてRIEを行うことにより、m面GaN基板の裏面を凹凸状に加工した。エッチングガスとしてCl2を用い、アンテナ/バイアスを100W/20W、チャンバー内圧力を0.3Paと設定して、エッチング選択比が約1となるようにした。なお、ここでいうエッチング選択比は、エッチング時間が約800秒以下であるときの、〔GaNのエッチングレート〕/〔マスクのエッチングレート〕である。この条件で、1500秒間、RIE加工を行った。マスクパターンは、エッチング時間が約800秒に達したところで殆ど消失した。RIE加工後、有機溶剤を用いてウェハを洗浄し、続けて、RIE加工された面に5分間の紫外線オゾン洗浄(110℃、酸素流量5L/分)を施した。 The back surface of the m-plane GaN substrate was processed into a concavo-convex shape by performing RIE using the mask pattern formed as described above as an etching mask. Cl 2 was used as an etching gas, the antenna / bias was set to 100 W / 20 W, the pressure in the chamber was set to 0.3 Pa, and the etching selectivity was about 1. The etching selectivity here is [GaN etching rate] / [mask etching rate] when the etching time is about 800 seconds or less. Under these conditions, RIE processing was performed for 1500 seconds. The mask pattern almost disappeared when the etching time reached about 800 seconds. After the RIE processing, the wafer was cleaned using an organic solvent, and then the surface subjected to the RIE processing was subjected to ultraviolet ozone cleaning (110 ° C., oxygen flow rate 5 L / min) for 5 minutes.
加工eを施したm面GaN基板の裏面のSEM像を図4に示す。図4において(a)は平面図、(b)は断面方向から見た図、(c)は斜視図である。 図4(a)〜(c)のいずれにおいても紙面内で右から左に向かう方向が、GaNの[0001]方向(c+方向)であり、左から右に向かう方向がGaNの[000−1]方向(c−方向)である。m面GaN基板の裏面に形成された突起の高さは1.5μmであった。 FIG. 4 shows an SEM image of the back surface of the m-plane GaN substrate subjected to the processing e. 4A is a plan view, FIG. 4B is a diagram viewed from the cross-sectional direction, and FIG. 4C is a perspective view. 4A to 4C, the direction from right to left in the drawing is the [0001] direction (c + direction) of GaN, and the direction from left to right is [000-1] of GaN. ] Direction (c-direction). The height of the protrusion formed on the back surface of the m-plane GaN substrate was 1.5 μm.
加工f:加工aを行った後のm面GaN基板の裏面に、加工eと同じ手順でマスクパターンを形成したが、RIEチャンバー内に設置した後、薄いサファイア板でm面GaN基板の裏面を覆うことにより、該裏面がRIE加工を受けないように保護した。このことを除いて、加工fで行った処理は、加工eと同じである。すなわち、加工fを施したm面GaN基板の裏面には、フォトレジストを用いてマスクパターンを形成する処理、該マスクパターンを有機溶剤を用いて取り除く処理、及び、該マスクパターン除去後の紫外線オゾン洗浄処理が行われている。
2−4.第1のn側メタルパッドの形成
上記加工a〜fのいずれかを行ったm面GaN基板の裏面に、第1のn側メタルパッドとなるメタル多層膜を形成した。このメタル多層膜に含まれる全ての層(TiW層、Au層およびPt層)は、スパッタリング法で形成した。TiW膜を形成する際は、ターゲットにTi含有量が10wt%のTi−Wターゲット、スパッタガスにAr(アルゴン)を使用し、スパッタ条件はRF電力800W、Ar流量50sccm、スパッタガス圧2.2×10−1Paとした。最下層であるTiW層とその直上に積層するAu層の厚さは108nmとし、それ以外のPt層およびAu層の厚さはいずれも89nmとした。
Processing f: A mask pattern was formed on the back surface of the m-plane GaN substrate after processing a by the same procedure as processing e, but after installing in the RIE chamber, the back surface of the m-plane GaN substrate was covered with a thin sapphire plate. By covering, the back surface was protected from being subjected to RIE processing. Except for this, the process performed in process f is the same as process e. That is, on the back surface of the m-plane GaN substrate subjected to processing f, a process of forming a mask pattern using a photoresist, a process of removing the mask pattern using an organic solvent, and an ultraviolet ozone after removing the mask pattern A cleaning process is being performed.
2-4. Formation of first n-side metal pad A metal multilayer film serving as a first n-side metal pad was formed on the back surface of the m-plane GaN substrate subjected to any of the above processes a to f. All layers (TiW layer, Au layer, and Pt layer) included in this metal multilayer film were formed by sputtering. When forming a TiW film, a Ti-W target having a Ti content of 10 wt% is used as a target, Ar (argon) is used as a sputtering gas, sputtering conditions are RF power 800 W, Ar flow rate 50 sccm, sputtering gas pressure 2.2. × 10 −1 Pa. The thickness of the lowermost TiW layer and the Au layer laminated immediately above it was 108 nm, and the thicknesses of the other Pt layers and Au layers were all 89 nm.
上記メタル多層膜の形成後、スクライブおよびブレーキングを行うことによりウェハを分断し、LED素子をチップにした。上記メタル多層膜はこの工程でGaN基板と共に分断した。従って、第1のn側メタルパッドの平面形状はm面GaN基板の裏面の形状と同じとなった。また、第1のn側メタルパッドのサイズはチップサイズと略同じ350μm×340μmとなった。
2−5.順方向電圧の評価
上記手順にて得たLEDチップに対して、第1のn側メタルパッドとp側メタルパッドを通して電流を印加したときの順方向電圧(Vf1)と、第2のn側メタルパッドとp側メタルパッドを通して電流を印加したときの順方向電圧(Vf2)を比較した。印加電流はパルス幅1msec、パルス周期1msecのパルス電流とし、電流値は20mAおよび60mAの2通りとした。結果を表3に示す。
After the metal multilayer film was formed, the wafer was divided by scribing and breaking to form LED elements as chips. The metal multilayer film was cut together with the GaN substrate in this step. Therefore, the planar shape of the first n-side metal pad is the same as the shape of the back surface of the m-plane GaN substrate. The size of the first n-side metal pad was 350 μm × 340 μm, which was substantially the same as the chip size.
2-5. Evaluation of forward voltage Forward voltage (Vf 1 ) when current is applied through the first n-side metal pad and p-side metal pad to the LED chip obtained by the above procedure, and the second n-side The forward voltage (Vf 2 ) when current was applied through the metal pad and the p-side metal pad was compared. The applied current was a pulse current having a pulse width of 1 msec and a pulse period of 1 msec, and the current values were two types of 20 mA and 60 mA. The results are shown in Table 3.
表3に示すように、m面GaN基板の裏面に加工aのみを行ったLEDチップではVf1とVf2は一致したのに対し、加工b〜fを行ったLEDチップではいずれもVf1がVf2よりも大きくなった。特に、RIE加工を含む加工b〜eを行ったLEDチップでは、その差は数V以上にもなった。 As shown in Table 3, Vf 1 and Vf 2 coincided with the LED chip in which only the processing a was performed on the back surface of the m-plane GaN substrate, whereas Vf 1 was all in the LED chips subjected to processing b to f. It becomes larger than the vf 2. In particular, the difference between the LED chips subjected to processing b to e including RIE processing was several V or more.
また、m面GaN基板の裏面に加工aのみを行ったLEDチップに、パルス幅1msec、パルス周期1msecの順方向電流を20mA、60mA、100mA、120mA、180mA、240mAおよび350mA印加したときのVf1を表4に示す。表4には、それに加えて、第1のn側メタルパッドにおける平均電流密度を示している。この平均電流密度は順方向電流をn側メタルパッドの面積(350μm×340μm)で除した値であり、n側メタルパッドとm面GaN基板の裏面との界面を横切って流れる電流の平均的な密度を表している。 Further, Vf 1 when forward current of 20 mA, 60 mA, 100 mA, 120 mA, 180 mA, 240 mA and 350 mA is applied to an LED chip in which only the processing a is performed on the back surface of the m-plane GaN substrate with a pulse width of 1 msec and a pulse period of 1 msec. Is shown in Table 4. In addition to that, Table 4 shows the average current density in the first n-side metal pad. This average current density is a value obtained by dividing the forward current by the area of the n-side metal pad (350 μm × 340 μm), and is an average of the current flowing across the interface between the n-side metal pad and the back surface of the m-plane GaN substrate. Represents density.
本発明は、以上に記したLED素子の試作および評価から得られた知見に基づき完成されたものである。ただし、いうまでもないことであるが、本発明は、試作されたLED素子や、試作で用いられた方法に限定されるものではない。 The present invention has been completed based on the knowledge obtained from the trial manufacture and evaluation of the LED elements described above. However, it goes without saying that the present invention is not limited to a prototype LED element or a method used in the trial production.
本明細書に開示された事項には以下に記載する半導体発光素子が含まれる。
(1)n型導電性のm面GaN基板と、該m面GaN基板のおもて面上にGaN系半導体を用いて形成された発光構造と、該m面GaN基板の裏面に形成されたn側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が20mAのときの順方向電圧が4.0V以下である半導体発光素子。
(2)n型導電性のm面GaN基板と、該m面GaN基板のおもて面上にGaN系半導体を用いて形成された発光構造と、該m面GaN基板の裏面に形成されたn側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が60mAのときの順方向電圧が4.5V以下である半導体発光素子。
(3)n型導電性のm面GaN基板と、該m面GaN基板のおもて面上にGaN系半導体を用いて形成された発光構造と、該m面GaN基板の裏面に形成されたn側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が120mAのときの順方向電圧が5.0V以下である半導体発光素子。
(4)n型導電性のm面GaN基板と、該m面GaN基板のおもて面上にGaN系半導体を用いて形成された発光構造と、該m面GaN基板の裏面に形成されたn側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が200mAのときの順方向電圧が5.5V以下である半導体発光素子。
(5)n型導電性のm面GaN基板と、該m面GaN基板のおもて面上にGaN系半導体を用いて形成された発光構造と、該m面GaN基板の裏面に形成されたn側オーミック電極とを有し、当該素子に印加される順方向電流が350mAのときの順方向電圧が6.0V以下である半導体発光素子。
(6)前記発光構造が、GaN系半導体からなる活性層と、該活性層と前記m面GaN基板との間に配置されたn型GaN系半導体層と、該n型GaN系半導体層とで該活性層を挟むp型GaN系半導体層と、を含む、前記(1)〜(5)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(7)発光ダイオード素子である、前記(1)〜(6)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(8)前記m面GaN基板の裏面の面積が0.0012cm2以上である、前記(1)〜(7)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(9)前記n側オーミック電極の面積が0.0012cm2以上、前記m面GaN基板の裏面の面積以下である、前記(8)に記載の半導体発光素子。
(10)前記m面GaN基板のキャリア濃度が1×1017cm−3である、前記(1)〜(11)のいずれかに記載の半導体発光素子。
The matters disclosed in this specification include the semiconductor light-emitting elements described below.
(1) An n-type conductive m-plane GaN substrate, a light emitting structure formed using a GaN-based semiconductor on the front surface of the m-plane GaN substrate, and formed on the back surface of the m-plane GaN substrate A semiconductor light emitting device having an n-side ohmic electrode and having a forward voltage of 4.0 V or less when a forward current applied to the device is 20 mA.
(2) An n-type conductive m-plane GaN substrate, a light emitting structure formed using a GaN-based semiconductor on the front surface of the m-plane GaN substrate, and formed on the back surface of the m-plane GaN substrate A semiconductor light emitting device having an n-side ohmic electrode and having a forward voltage of 4.5 V or less when a forward current applied to the device is 60 mA.
(3) An n-type conductive m-plane GaN substrate, a light emitting structure formed using a GaN-based semiconductor on the front surface of the m-plane GaN substrate, and formed on the back surface of the m-plane GaN substrate A semiconductor light emitting device having an n-side ohmic electrode and having a forward voltage of 5.0 V or less when a forward current applied to the device is 120 mA.
(4) An n-type conductive m-plane GaN substrate, a light emitting structure formed using a GaN-based semiconductor on the front surface of the m-plane GaN substrate, and formed on the back surface of the m-plane GaN substrate A semiconductor light emitting device having an n-side ohmic electrode and having a forward voltage of 5.5 V or less when a forward current applied to the device is 200 mA.
(5) An n-type conductive m-plane GaN substrate, a light emitting structure formed using a GaN-based semiconductor on the front surface of the m-plane GaN substrate, and formed on the back surface of the m-plane GaN substrate A semiconductor light emitting device having an n-side ohmic electrode and having a forward voltage of 6.0 V or less when a forward current applied to the device is 350 mA.
(6) The light emitting structure includes an active layer made of a GaN-based semiconductor, an n-type GaN-based semiconductor layer disposed between the active layer and the m-plane GaN substrate, and the n-type GaN-based semiconductor layer. A semiconductor light emitting device according to any one of (1) to (5), comprising a p-type GaN-based semiconductor layer sandwiching the active layer.
(7) The semiconductor light-emitting device according to any one of (1) to (6), which is a light-emitting diode device.
(8) The semiconductor light emitting element according to any one of (1) to (7), wherein an area of the back surface of the m-plane GaN substrate is 0.0012 cm 2 or more.
(9) The semiconductor light emitting element according to (8), wherein an area of the n-side ohmic electrode is 0.0012 cm 2 or more and not more than an area of the back surface of the m-plane GaN substrate.
(10) The semiconductor light emitting element according to any one of (1) to (11), wherein the m-plane GaN substrate has a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 .
また、当業者であれば、以下に記載するm面GaN基板の表面処理方法または半導体素子の製造方法が、本明細書に開示されていることを理解するであろう。
(a1)m面GaN基板の表面を、酸性のCMPスラリーを用いて0.5μm/h以下のポリッシングレートでポリッシングする第1工程と、該第1工程に続いて該m面GaN基板の該表面を水洗する第2工程と、を有するm面GaN基板の表面処理方法。
(a2)前記CMPスラリーのpHが2未満である、前記(a1)に記載の表面処理方法。
(a3)前記第1工程では前記m面GaN基板の表面をポリッシュ後の算術平均粗さRaが0.1nm以下となるようにポリッシングする、前記(a1)または(a2)に記載の表面処理方法。
(a4)n型導電性を有するm面GaN基板の表面にオーミック電極を形成する電極形成工程を有するとともに、該電極工程の前に、該表面の仕上げ工程として前記(a1)〜(a3)のいずれかに記載の表面処理方法を用いた表面処理を該表面に施す表面処理工程を有する、半導体素子の製造方法。
(a5)前記n型導電性を有するm面GaN基板のキャリア濃度が1×1017cm−3である、半導体素子の製造方法。
Moreover, those skilled in the art will understand that the surface treatment method of the m-plane GaN substrate or the manufacturing method of the semiconductor element described below is disclosed in this specification.
(A1) A first step of polishing the surface of the m-plane GaN substrate using an acidic CMP slurry at a polishing rate of 0.5 μm / h or less, and the surface of the m-plane GaN substrate following the first step And a second step of washing the surface with water.
(A2) The surface treatment method according to (a1), wherein the pH of the CMP slurry is less than 2.
(A3) The surface treatment method according to (a1) or (a2), wherein in the first step, the surface of the m-plane GaN substrate is polished so that the arithmetic average roughness Ra after polishing is 0.1 nm or less. .
(A4) An electrode forming step of forming an ohmic electrode on the surface of an n-type GaN substrate having n-type conductivity, and before the electrode step, the surface finishing steps (a1) to (a3) The manufacturing method of a semiconductor element which has a surface treatment process which performs the surface treatment using the surface treatment method in any one on this surface.
(A5) The method for manufacturing a semiconductor element, wherein the m-plane GaN substrate having n-type conductivity has a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 .
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012281719A JP2013062542A (en) | 2012-12-25 | 2012-12-25 | SURFACE TREATMENT METHOD OF m-SURFACE GaN SUBSTRATE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012281719A JP2013062542A (en) | 2012-12-25 | 2012-12-25 | SURFACE TREATMENT METHOD OF m-SURFACE GaN SUBSTRATE |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011198118A Division JP5163970B1 (en) | 2011-09-12 | 2011-09-12 | Light emitting diode element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013062542A true JP2013062542A (en) | 2013-04-04 |
Family
ID=48186891
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012281719A Withdrawn JP2013062542A (en) | 2012-12-25 | 2012-12-25 | SURFACE TREATMENT METHOD OF m-SURFACE GaN SUBSTRATE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013062542A (en) |
-
2012
- 2012-12-25 JP JP2012281719A patent/JP2013062542A/en not_active Withdrawn
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9006792B2 (en) | Light emitting diode element | |
US7439091B2 (en) | Light-emitting diode and method for manufacturing the same | |
JP5232972B2 (en) | Semiconductor light emitting device and method for manufacturing semiconductor light emitting device | |
US7915714B2 (en) | Semiconductor light emitting element and wafer | |
US8058639B2 (en) | Nitride semiconductor element and method for production thereof | |
JP2006005331A (en) | Group iii nitride semiconductor crystal and manufacturing method of the same, group iii nitride semiconductor device and manufacturing method of the same, and light emitting device | |
KR20080040359A (en) | Light emitting device having vertical topoloty and method of making the same | |
KR20080015922A (en) | Gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device | |
JP2005268581A (en) | Gallium nitride family compound semiconductor light emitting device | |
JP2021097148A (en) | Semiconductor light-emitting element | |
JP5040721B2 (en) | Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof | |
US8871612B2 (en) | Method for forming a cleaved facet of semiconductor device | |
KR100926319B1 (en) | Light emitting diode device having advanced light extraction efficiency and preparation method thereof | |
US8124969B2 (en) | Semiconductor light emitting element and method for manufacturing the same | |
JP2017017265A (en) | Light-emitting device | |
JP4959184B2 (en) | Method for manufacturing nitride-based semiconductor light-emitting device | |
JP5163970B1 (en) | Light emitting diode element | |
JP2009164345A (en) | Method of manufacturing semiconductor device | |
JP2013084750A (en) | Method of manufacturing gan-based light-emitting diode | |
JP2014053614A (en) | Light emitting diode element | |
JP4548117B2 (en) | Semiconductor light emitting device manufacturing method, integrated semiconductor light emitting device manufacturing method, image display device manufacturing method, and lighting device manufacturing method | |
JP5777770B2 (en) | Semiconductor light emitting device and wafer | |
JP5398937B1 (en) | Nitride semiconductor light emitting chip, nitride semiconductor light emitting device, and method of manufacturing nitride semiconductor chip | |
JP2013062542A (en) | SURFACE TREATMENT METHOD OF m-SURFACE GaN SUBSTRATE | |
JP5234220B1 (en) | Light emitting diode element |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20141202 |