発光素子の製造方法及び発光素子製造用半導体ウェーハ
【課題】 成長用基板上に発光層部を含む化合物半導体層をＭＯＶＰＥ法により成長した後、成長用基板をエッチング除去し、該成長用基板が除去された化合物半導体層に透明基板を貼り合わせる発光素子の製造方法において、透明基板の貼り合わせ不良や化合物半導体層への割れ等を生じにくくする。
【解決手段】 基板除去工程後において素子化対象層５０の第二主表面に、選択化学エッチングにより溶解されずに残留した柱状半導体欠陥部の突起状露出部分１１を除去する突起除去工程を、貼り合わせ工程に先立って実施する。
【解決手段】 基板除去工程後において素子化対象層５０の第二主表面に、選択化学エッチングにより溶解されずに残留した柱状半導体欠陥部の突起状露出部分１１を除去する突起除去工程を、貼り合わせ工程に先立って実施する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は発光素子の製造方法及び発光素子製造用半導体ウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００１−６８７３１号公報
【特許文献２】特開２００２−２０３９８７号公報
【０００３】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ混晶（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１；以下、ＡｌＧａＩｎＰ混晶、あるいは単にＡｌＧａＩｎＰとも記載する）により発光層部が形成された発光素子は、薄いＡｌＧａＩｎＰ活性層を、それよりもバンドギャップの大きいｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子を実現できる。発光層部は有機金属気相成長法（Metal-Oxide Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）にて成長する方法が一般的である。
【０００４】
ＡｌＧａＩｎＰ発光素子の場合、発光層部の成長基板としてＧａＡｓ基板が使用されるが、ＧａＡｓはＡｌＧａＩｎＰ発光層部の発光波長域において光吸収が大きい。そこで、特許文献１及び特許文献２には、一旦ＧａＡｓ基板を除去し、ＧａＰ基板を新たに貼り合わせる方法が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者が検討したところ、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ発光層部をＭＯＶＰＥ法により成長した後、ＧａＡｓ基板を化学エッチングにより除去すると、基板除去した発光層部の裏面（第二主表面）に突起状の介在物が形成されていることがあり、そのままＧａＰ基板を貼り合わせた場合、突起の周囲に貼り合わせ不良となる領域が形成されやすくなる。また、貼り合わせの対象となる発光層部を含む薄い化合物半導体層が突起周囲でＧａＰ基板から浮き上がり、貼り合わせのために加圧すると応力集中してクラックが入りやすい問題がある。
【０００６】
本発明の課題は、成長用基板上に発光層部を含む化合物半導体層をＭＯＶＰＥ法により成長した後、成長用基板をエッチング除去し、該成長用基板が除去された化合物半導体層に透明基板を貼り合わせる発光素子の製造方法において、透明基板の貼り合わせ不良や化合物半導体層への割れ等を生じにくくし、さらには該製造方法によって実現可能な割れや貼り合わせ不良が低減された発光素子製造用半導体ウェーハを提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の発光素子の製造方法は、
不透明の化合物半導体からなる成長用単結晶基板の第一主表面上に、発光層部を有する素子化対象層を含んだ化合物半導体成長層の少なくとも発光層部をＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長して中間積層体を得るＭＯＶＰＥ成長工程と、
中間積層体の、素子化対象層の第二主表面側に位置する成長用単結晶基板を含む非素子化部分を、少なくとも素子化対象層と接する部分を選択化学エッチングにより溶解する形で除去する基板除去工程と、
非素子化部分を除去後の素子化対象層の第二主表面に透明素子基板を貼り合わせ結合する貼り合わせ工程とがこの順序で実施されるとともに、
ＭＯＶＰＥ成長工程において、素子化対象層と非素子化部分とに層厚方向にまたがる形で、素子化対象層の第二主表面を形成する化合物半導体とは異質の化合物半導体からなる柱状半導体欠陥部が形成されるとともに、基板除去工程後において素子化対象層の第二主表面に、選択化学エッチングにより溶解されずに残留した柱状半導体欠陥部の突起状露出部分を除去する突起除去工程を、貼り合わせ工程に先立って実施することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の発光素子製造用半導体ウェーハは、発光層部を有する化合物半導体からなる素子化対象層の第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極が形成される一方、該素子化対象層の第二主表面に透明素子基板が貼り合された構造を有するとともに、該素子化対象層の層厚方向途中位置から第二主表面に向けて、該素子化対象層の第二主表面を形成する化合物半導体とは異質の化合物半導体からなる柱状半導体欠陥部が、先端面が第二主表面と一致する形態にて形成され、透明素子基板の第一主表面が、柱状半導体欠陥部の先端面と第二主表面の当該先端面に連なる周縁領域との双方に接する形で密着結合されてなることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明によると、ＭＯＶＰＥ成長工程において素子化対象層と非素子化部分とに層厚方向にまたがる形で柱状半導体欠陥部が形成された場合に、選択化学エッチングにより溶解されずに素子化対象層の第二主表面に残留する上記柱状半導体欠陥部の突起状露出部分を除去してから貼り合わせ工程を実施するので、該突起状露出部分に起因した貼り合わせ不良領域が形成されにくくなり、また貼り合せの加圧時に、突起位置への応力集中により薄く脆い素子化対象層にクラックが入ったりする不具合も起こりにくくなる。その結果、得られる発光素子製造用半導体ウェーハは、化合物半導体成長層（素子化対象層）に深く埋没した柱状半導体欠陥部が形成されているにも拘わらず、その柱状半導体欠陥部の先端面が（上記の突起除去工程によって）、透明素子基板が貼り合わされる化合物半導体成長層の第二主表面に対して面一となり、透明素子基板は柱状半導体欠陥部の先端面と上記第二主表面の当該先端面に連なるの周縁領域との双方に接する形で密着結合される。その結果、柱状半導体欠陥部周辺にもクラックや貼り合わせ不良領域を生じにくく、該発光素子製造用半導体ウェーハをダイシングして得られる発光素子チップの歩留まりを大幅に向上することができる。
【００１０】
ＭＯＶＰＥ成長工程において化合物半導体成長層に柱状半導体欠陥部が形成される主たる要因は、例えば以下のようなものである。すなわち、化合物半導体成長層の原料有機金属ガスの分解により生じたＩＩＩ族金属粒子が、成長中又は成長後の化合物半導体成長層上に落下して、当該化合物半導体成長層を合金化により溶解しつつ侵食し、その侵食孔内に生じた液相中に異質の化合物半導体を析出する形で柱状半導体欠陥部が形成される。
【００１１】
高輝度の発光素子を得るには、成長用単結晶基板としてＧａＡｓ単結晶基板を使用し、発光層部を、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物半導体のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物半導体（第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有するものとして成長するとよい。なお、「ＧａＡｓと格子整合する化合物半導体」とは、応力による格子変位を生じていないバルク結晶状態にて見込まれる、当該の化合物半導体の格子定数をａ１、同じくＧａＡｓの格子定数をａ０として、｛｜ａ１−ａ０｜／ａ０｝×１００（％）にて表される格子不整合率が、１％以内に収まっている化合物半導体のことをいう。また、「組成式（Ａｌｘ’Ｇａ１−ｘ’）ｙ’Ｉｎ１−ｙ’Ｐ（ただし、０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１）にて表される化合物のうち、ＧａＡｓと格子整合する化合物」のことを、「ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ」などと記載する。また、活性層は、ＡｌＧａＩｎＰの単一層として構成してもよいし、互いに組成の異なるＡｌＧａＩｎＰからなる障壁層と井戸層とを交互に積層した量子井戸層として構成してもよい（量子井戸層全体を、一層の活性層とみなす）。
【００１２】
上記のような発光層部をＭＯＶＰＥで成長した場合、柱状半導体欠陥部をなす異質の化合物半導体は、発光層部よりもＧａ又はＩｎの含有比率が高く、かつ、Ｖ族元素の主体がＰからなる多結晶化合物半導体からなるものが非常に形成されやすく、これに起因した突起状露出部を予め除去してから透明素子基板を貼り合せるようにすることは、上記発光層部を有した発光素子チップの製造歩留まり向上に大きく寄与する。特に、透明素子基板を、脆いＧａＰ単結晶にて構成する場合は、本発明の採用により透明素子基板側のクラック発生防止も達成でき、より効果的である。
【００１３】
突起状露出部分の除去には、洗浄やエッチング以外の次のような強制的な除去工程を採用するとよい。
・突起除去工程において突起状露出部分を機械研削処理により切除する。
・突起除去工程において突起状露出部分を、挟持治具により挟みつけた状態で折り取ることにより切除する。
・突起除去工程において突起状露出部分を、レーザー照射により焼き飛ばすことにより除去する。
・突起除去工程において突起状露出部分を、ウォータージェットにより除去する。
いずれの方法においても、例えば素子化対象層の第二主表面側を実体顕微鏡等の拡大鏡で観察しながら、手動により突起状露出部分を除去することもできるし、ロボットを用いてその作業を自動化することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、発光層部２４を有する化合物半導体からなる素子化対象層５０の第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極９が形成される一方、該素子化対象層５０の第二主表面に透明素子基板９０が貼り合された構造を有する。素子化対象層５０において、発光層部２４の上に電流拡散層７が形成され、その電流拡散層７の上に光取出側電極９が形成されている。また、透明素子基板９０はｎ型ＧａＰ単結晶基板（以下、ｎ型ＧａＰ単結晶基板９０という：発光層部２４からの発光光束に対して透明である（活性層５よりもバンドギャップエネルギーが大きい））であり、その第二主表面の全面が裏面電極２０により覆われている。光取出側電極９は、電流拡散層７の第一主表面の略中央に形成され、該光取出側電極９の周囲の領域が発光層部２４からの光取出領域とされている。また、光取出側電極９の中央部に電極ワイヤ１７を接合するためのＡｕ等にて構成されたボンディングパッド１６が配置されている。
【００１５】
発光層部２４はＭＯＶＰＥ法で成長されたものであり、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物半導体のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物半導体にて構成されている。具体的には、発光層部２４は、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｐ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６とｎ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有する。図１の発光素子１００では、光取出側電極９側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、裏面電極２０側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性は光取出側電極９側が正である。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０１３〜１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。
【００１６】
一方、電流拡散層７は、ドーパントをＺｎ（Ｍｇでもよく、ＺｎとＭｇとを併用してもよい）としたｐ型ＧａＰ層として形成されている。電流拡散層７はハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxial Growth Method：ＨＶＰＥ）法により形成されたものであり、その形成厚さは例えば５μｍ以上２００μｍ以下（一例として、１５０μｍ）である。また、電流拡散層７と発光層部２４との間には、発光層部２４に続く形でＭＯＶＰＥ法により成長されたｎ型ＧａＰ接続層７ｐが形成されている。つまり、素子化対象層５０のうち、発光層部２４とｎ型ＧａＰ接続層７ｐとがＭＯＶＰＥ法により成長され、電流拡散層７がＨＶＰＥ法により成長されたものである。
【００１７】
素子化対象層５０には、図１１に示すように、その層厚方向途中位置から第二主表面ＭＰ２に向けて、該素子化対象層５０の第二主表面ＭＰ２を形成する化合物半導体（本実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド４）とは異質の化合物半導体からなる柱状半導体欠陥部５５が、その先端面が素子化対象層５０の上記第二主表面ＭＰ２と一致する形態にて形成されている。また、透明素子基板であるｎ型ＧａＰ単結晶基板９０は、その第一主表面ＭＰ１が、柱状半導体欠陥部の先端面と第二主表面の当該先端面に連なる周縁領域との双方に接する形で貼り合せにより密着結合されている。
【００１８】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、成長用単結晶基板としてのｎ型ＧａＡｓ単結晶基板１（発光層部２４からの発光光束に対して不透明である（活性層５よりもバンドギャップエネルギーが小さい））を用意する。そして、工程１において、その基板１の第一主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１ｂを例えば０．５μｍ、次いで、ＡｌＩｎＰからなるエッチストップ層２を０．５μｍ、そして、発光層部２４として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰよりなる、１μｍのｎ型クラッド層４（ｎ型ドーパントはＳｉ）、０．６μｍの活性層（ノンドープ）５、及び１μｍのｐ型クラッド層６（ｐ型ドーパントはＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）を、この順序にてエピタキシャル成長させる。次に、工程２では、発光層部２４の上にｐ型ＧａＰからなる接続層７ｐをＭＯＶＰＥ法によりヘテロエピタキシャル成長する。
【００１９】
これら各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行なわれる。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
・Ｐ源ガス：トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など。
【００２０】
次に、図３の工程３に進み、ｐ型ＧａＰよりなる電流拡散層７を、ＨＶＰＥ法により接続層７ｐ上にホモエピタキシャル成長させる。ＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素であるＧａを所定の温度に加熱保持しながら、そのＧａ上に塩化水素を導入することにより、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ2ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２‥‥（１）
成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ2とともに基板上に供給する。さらに、ｐ型ドーパントであるＺｎは、ＤＭＺｎ（ジメチルＺｎ）の形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、効率よく電流拡散層７を成長させることができる：
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ2（気体）‥‥（２）
【００２１】
ここまでの工程で、ＧａＡｓ単結晶基板１上には化合物半導体成長層６０が２種の気相成長法によりエピタキシャル成長され、中間積層体２００が形成されている。中間積層体２００のうち、発光層部２４、接続層７ｐ及び電流拡散層７が素子化対象層５０であり、それ以外の部分（エッチストップ層２、バッファ層１ｂ及びＧａＡｓ単結晶基板１）が非素子化部分７０である。他方、ＭＯＶＰＥ成長工程においては、上記素子化対象層５０の発光層部２４及び接続層７ｐと、これに先立つエッチストップ層２及びバッファ層１ｂとが成長される。このＭＯＶＰＥ成長工程において素子化対象層５０には、前述の柱状半導体欠陥部５５が、例えば以下のよう原因により形成される。すなわち、図６に示すように、化合物半導体成長層（図６の例では、バッファ層１ｂ及びエッチストップ層２）の原料有機金属ガスの分解により生じたＩＩＩ族金属粒子５２が、成長中又は成長後の化合物半導体成長層に落下して（状態Ａ）、当該化合物半導体成長層を合金化により溶解しつつ侵食し（状態Ｂ）、その侵食孔５５ｈ内に生じた液相中５３に異質の化合物半導体５４を析出する形で柱状半導体欠陥部５５が形成される（状態Ｃ）。合金化はＧａＡｓ単結晶基板１の側にまで進展し、柱状半導体欠陥部５５の先端側はバッファ層１ｂ及びエッチストップ層２とを突き抜けてＧａＡｓ単結晶基板１内部に入り込んでいる。他方、柱状半導体欠陥部５５の基端側は発光層部２４（つまり、素子化対象層）内にあり、結果として柱状半導体欠陥部５５は、素子化対象層５０と非素子化部分７０とにまたがって位置している。
【００２２】
より詳しく説明すると、ＭＯＶＰＥの反応容器内には、基板支持用のサセプタやプラネタリーあるいはプルプレートといった周辺構造物が配置され、高周波コイル等で高温（例えば６５０℃〜９００℃）に加熱される。この状態で容器内部の上方に配置されたインジェクターから原料有機金属ガスを容器内部空間に噴射するとともに、別の供給ノズルからＶ族源となるガス（例えばホスフィンなどのＰ源ガス）を供給し、両者を反応させてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を基板上に成長する形となる。
【００２３】
発光層部２４が上記のごとくＡｌＧａＩｎＰにて構成される場合、インジェクターには低融点のＧａやＩｎがＩＩＩ族金属として付着し、これが成長層側に落下すると、柱状半導体欠陥部５５は、発光層部２４よりもＧａ又はＩｎの含有比率が高く、かつ、Ｖ族元素の主体がＰである多結晶化合物半導体（例えばＧａＰ）からなるものとして形成される。
【００２４】
このとき、上記の周辺構造物が高温に加熱されているので、原料有機金属ガス供給用のインジェクターもその輻射熱で加熱されてしまい、インジェクター内部で原料である有機金属の分解が生じ（例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）：２４０℃、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）：２２２℃、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）：２０５℃）、インジェクター内にＩＩＩ族金属が析出する。析出したＩＩＩ族金属粒子は原料有機金属ガスとともにインジェクターを通して高速で反応容器内に噴射され、化合物半導体基板やエピタキシャル成長中の化合物半導体層に降り注ぐことになる。
【００２５】
上記のようにして降り注いだＩＩＩ族金属粒子５２は、エピタキシャル成長された化合物半導体成長層６０やＧａＡｓ単結晶基板（成長用単結晶基板）１を構成する化合物半導体と合金化する。反応容器内は上記のごとく昇温されているので、化合物半導体層の合金化された部分は溶融して侵食孔５５ｈを生じ、該侵食孔５５ｈ内はＩＩＩ金属リッチな液相５３で満たされる。他方、Ｖ族元素源ガスは通常、ＩＩＩ族元素源となる有機金属ガスに対し、得られる化合物半導体のＩＩＩ−Ｖ族化学量論比よりもＶ族リッチとなるとなるように反応容器内に供給されるので、侵食孔内に生じた液相中には素子化対象層（特に発光層部）とは組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が析出し、柱状半導体欠陥部５５となるのである。
【００２６】
図７に示すように、柱状半導体欠陥部５５の発生要因となるＩＩＩ族金属粒子５２の付着は、化合物半導体成長層６０を成長中の種々のタイミングで生じうる。例えばバッファ層１ｂやエッチストップ層２を成長直後にＩＩＩ族金属粒子５２ａが付着すると、ＧａＡｓ単結晶基板１に比較的深く食い込んだ柱状半導体欠陥部５５ａとなる。また、発光層部２４の成長途上でＩＩＩ族金属粒子５２ｂが付着すると、発光層部２４の厚さ方向中間位置から柱状半導体欠陥部５５ｂが成長することとなる。また、発光層部２４を成長後、接続層７ｐの成長途中にＩＩＩ族金属粒子５２ｃが付着することもありえ、この場合は発光層部２４を貫通する柱状半導体欠陥部５５ｃが発生する。
【００２７】
さらに、ＭＯＶＰＥによる接続層７ｐまでの成長が終了してからＩＩＩ族金属粒子５２ｄが付着した場合、これを除去せずにＨＶＰＥ成長容器に移し替えて電流拡散層７を成長すると、ＨＶＰＥの昇温過程でＩＩＩ族金属粒子５２ｄが溶融・合金化し、同様の柱状半導体欠陥部５５ｄが発生する。また、ＨＶＰＥ成長容器内でＩＩＩ族金属粒子５２ｅが付着することもありえ、この場合は素子化対象層５０の全体を貫通する形で柱状半導体欠陥部５５ｅが発生する。
【００２８】
次に、図４の工程４に進み、ＧａＡｓ単結晶基板１を除去する。該除去は、ＧａＡｓ単結晶基板１の第二主表面側から研削を行って基板厚さをある程度減じてから、ＧａＡｓに対して選択エッチング性を有する第一エッチング液（例えばアンモニア／過酸化水素混合液）を用いてＧａＡｓ単結晶基板１をバッファ層１ｂとともにエッチング除去し、次いで工程５に示すように、エッチストップ層２をなすＡｌＩｎＰに対して選択エッチング性を有する第二エッチング液（例えば塩酸：Ａｌ酸化層除去用にフッ酸を添加してもよい）を用いて該エッチストップ層２をエッチング除去することにより実施できる。なお、エッチストップ層２に代えてＡｌＡｓ剥離層を形成し、これを選択エッチングすることにより、該ＧａＡｓ単結晶基板１を素子化対象層５０から剥離する形でＧａＡｓ単結晶基板１を除去するようにしてもよい。
【００２９】
図６の状態Ｄに示すように、柱状半導体欠陥部５がＧａＡｓ単結晶基板（成長用単結晶基板）１側まで侵食する形で成長していると、上記のごとくＧａＡｓ単結晶基板１（及びエッチストップ層２）をエッチングにより除去した場合、柱状半導体欠陥部５５の先端部が突起状露出部５１となって、エピタキシャル成長された素子化対象層の第二主表面に突出する。
【００３０】
半導体ウェーハの製造工程にあっては、デバイス形成面へのパーティクル付着等を洗浄やエッチングにより除去することが一般的に行われている。しかし、こうしたパーティクルは異物（ゴミ等）がウェーハ主表面に付着して生ずるもなど、その発生原因は外的なものであって、多少強く付着したパーティクルも洗浄やエッチング条件の適正化により問題なく除去できるものであった。しかし、ここで除去の対象となる突起状露出部分５１は、化合物半導体成長層中に基端部が埋没した柱状半導体欠陥部５５の一部であり、単純な洗浄やエッチングにより脱落させる形での除去は期待できない。従って、該突起状露出部分５１の除去には、洗浄やエッチング以外の次のような強制的な除去工程を考慮する必要がある。
【００３１】
図８は、突起状露出部分５１を、グラインダーＧ等による機械研削処理により切除する例である。図９は、突起状露出部分５１を、ピンセットＰなどの挟持治具により挟みつけた状態で折り取ることにより切除する例である。また、図１０は、突起状露出部分５１にレーザー光源Ｓからレーザ−ビームＬＢを照射して、これを焼き飛ばす形で（あるいは深さ方向にくりぬく形で）除去する例である。さらに、図１３に示すように、水流噴射ノズルＮＺから高圧の水流ＷＪを突起状露出部分５１に噴射することにより、該突起状露出部分５１を機械的に削るウォータージェット方式を採用することも可能である。いずれの方法においても、例えば素子化対象層５０の第二主表面側を実体顕微鏡等の拡大鏡で観察しながら、手動により突起状露出部分を除去することもできるし、ロボットを用いてその作業を自動化することも可能である。特にＧａＰ多結晶にて突起状露出部分５１が形成される場合は、該突起状露出部分５１が比較的柔らかいので、上記研削や折り取りによる除去が一層容易である。
【００３２】
なお、レーザーによって突起を除去する場合は、突起状露出部分５１を除去した後のレーザー照射位置の周辺に、残渣が溶けて盛り上がることがある。レーザーパワーの調整及び照射範囲の絞り込み等の工夫が必要である。しかし、研削や折り取りあるいはウォータージェットなどの機械的な除去法によれば材料残渣が残留する心配はない。特にウォータージェットを用いた場合、破壊された突起状露出部分５１の破片等を水流吹き飛ばすことができるので好都合である。
【００３３】
なお、突起状露出部分５１の除去は、エッチストップ層２をエッチング除去する前に行ってもよいし、エッチング除去後に行ってもよい。エッチストップ層２の除去前に突起状露出部分５１を除去すると、飛び散った材料残渣がエッチストップ層除去と同時に取り除ける利点がある。この場合、エッチストップ層２は、エッチストップ層２がＡｌＩｎＰである場合は、例えば塩酸からなるエッチング液により除去するとよい。
【００３４】
図５の工程６に示すように、上記の突起状露出部分５１を除去すると、柱状半導体欠陥部５５の先端面は素子化対象層５０の第二主表面とほぼ面一となる。この状態で、工程７に示すようにｎ型ＧａＰ単結晶基板９０（透明素子基板）を素子化対象層５０の第二主表面に貼り合せる。具体的には、素子化対象層５０の第二主表面に別途用意したｎ型ＧａＰ基板９０の第一主表面を重ね合わせて圧迫し、さらに４００℃以上７００℃以下に昇温して貼り合わせ熱処理を行なう。図１２に示すごとく、突起状露出部分５１が残留していると、突起状露出部分５１の周囲に空隙ＶＯが生じるとともに貼り合せ加圧力も不足するから、その周囲の広い範囲に貼り合せ不良領域を生じやすい。また、突起状露出部分５１の先端には、貼り合せ時の加圧により応力集中し、薄く脆い素子化対象層５０にクラックが入りやすい。しかし、図１１に示すように、突起状露出部分を予め除去してから貼り合せを行なうと、こうした不具合はことごとく解消できる。
【００３５】
以上の工程により、発光素子製造用半導体ウェーハが完成する。そして、この発光素子製造用半導体ウェーハの各チップ領域に真空蒸着法により光取出側電極９及び裏面電極２０を形成し、さらに光取出側電極９上にボンディングパッド１６を配置して、適当な温度で電極定着用のベーキングを施す。そして、このウェーハを各チップにダイシングし、裏面電極２０をＡｇペースト等の導電性ペーストを用いて支持体を兼ねた図示しない端子電極に固着する一方、ボンディングパッド１６と別の端子電極とにまたがる形態でＡｕ製のワイヤ１７をボンディングし、さらに樹脂モールドを形成することにより、発光素子１００が得られる。なお、突起状露出部分を除去した後にもウェーハには柱状半導体欠陥部５５が埋没残留する。この柱状半導体欠陥部５５が存在しているチップは不良として除外することが可能である。しかし、不良はあくまで柱状半導体欠陥部５５が残留しているチップに留まり、その周囲にクラックや貼り合せ不良領域が広がる事が無いので、チップ不良発生率を最小限に留めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の適用対象となる発光素子の一例を積層構造にて示す模式図。
【図２】図１の発光素子の製造工程を示す説明図。
【図３】図２に続く説明図。
【図４】図３に続く説明図。
【図５】図４に続く説明図。
【図６】柱状半導体欠陥部の形成機構を模式的に示す説明図。
【図７】柱状半導体欠陥部の種々の形成形態を示す模式図。
【図８】突起状突起状露出部分の除去方法の第一例を示す説明図。
【図９】同じく第二例を示す説明図。
【図１０】同じく第三例を示す説明図。
【図１１】本発明の発光素子製造用ウェーハの特徴部を拡大して示す模式図。
【図１２】従来の貼り合せ法の問題点を示す模式図。
【図１３】突起状突起状露出部分の除去方法の第四例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３７】
１ ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板 （成長用単結晶基板）
２ エッチストップ層
２４ 発光層部
７ 電流拡散層
５０ 素子化対象層
５１ 突起状露出部分
５５ 柱状半導体欠陥部
６０ 化合物半導体成長層
７０ 非素子化部分
９０ ｎ型ＧａＰ単結晶基板（透明素子基板）
【技術分野】
【０００１】
この発明は発光素子の製造方法及び発光素子製造用半導体ウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００１−６８７３１号公報
【特許文献２】特開２００２−２０３９８７号公報
【０００３】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ混晶（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１；以下、ＡｌＧａＩｎＰ混晶、あるいは単にＡｌＧａＩｎＰとも記載する）により発光層部が形成された発光素子は、薄いＡｌＧａＩｎＰ活性層を、それよりもバンドギャップの大きいｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子を実現できる。発光層部は有機金属気相成長法（Metal-Oxide Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）にて成長する方法が一般的である。
【０００４】
ＡｌＧａＩｎＰ発光素子の場合、発光層部の成長基板としてＧａＡｓ基板が使用されるが、ＧａＡｓはＡｌＧａＩｎＰ発光層部の発光波長域において光吸収が大きい。そこで、特許文献１及び特許文献２には、一旦ＧａＡｓ基板を除去し、ＧａＰ基板を新たに貼り合わせる方法が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者が検討したところ、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ発光層部をＭＯＶＰＥ法により成長した後、ＧａＡｓ基板を化学エッチングにより除去すると、基板除去した発光層部の裏面（第二主表面）に突起状の介在物が形成されていることがあり、そのままＧａＰ基板を貼り合わせた場合、突起の周囲に貼り合わせ不良となる領域が形成されやすくなる。また、貼り合わせの対象となる発光層部を含む薄い化合物半導体層が突起周囲でＧａＰ基板から浮き上がり、貼り合わせのために加圧すると応力集中してクラックが入りやすい問題がある。
【０００６】
本発明の課題は、成長用基板上に発光層部を含む化合物半導体層をＭＯＶＰＥ法により成長した後、成長用基板をエッチング除去し、該成長用基板が除去された化合物半導体層に透明基板を貼り合わせる発光素子の製造方法において、透明基板の貼り合わせ不良や化合物半導体層への割れ等を生じにくくし、さらには該製造方法によって実現可能な割れや貼り合わせ不良が低減された発光素子製造用半導体ウェーハを提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の発光素子の製造方法は、
不透明の化合物半導体からなる成長用単結晶基板の第一主表面上に、発光層部を有する素子化対象層を含んだ化合物半導体成長層の少なくとも発光層部をＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長して中間積層体を得るＭＯＶＰＥ成長工程と、
中間積層体の、素子化対象層の第二主表面側に位置する成長用単結晶基板を含む非素子化部分を、少なくとも素子化対象層と接する部分を選択化学エッチングにより溶解する形で除去する基板除去工程と、
非素子化部分を除去後の素子化対象層の第二主表面に透明素子基板を貼り合わせ結合する貼り合わせ工程とがこの順序で実施されるとともに、
ＭＯＶＰＥ成長工程において、素子化対象層と非素子化部分とに層厚方向にまたがる形で、素子化対象層の第二主表面を形成する化合物半導体とは異質の化合物半導体からなる柱状半導体欠陥部が形成されるとともに、基板除去工程後において素子化対象層の第二主表面に、選択化学エッチングにより溶解されずに残留した柱状半導体欠陥部の突起状露出部分を除去する突起除去工程を、貼り合わせ工程に先立って実施することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の発光素子製造用半導体ウェーハは、発光層部を有する化合物半導体からなる素子化対象層の第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極が形成される一方、該素子化対象層の第二主表面に透明素子基板が貼り合された構造を有するとともに、該素子化対象層の層厚方向途中位置から第二主表面に向けて、該素子化対象層の第二主表面を形成する化合物半導体とは異質の化合物半導体からなる柱状半導体欠陥部が、先端面が第二主表面と一致する形態にて形成され、透明素子基板の第一主表面が、柱状半導体欠陥部の先端面と第二主表面の当該先端面に連なる周縁領域との双方に接する形で密着結合されてなることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明によると、ＭＯＶＰＥ成長工程において素子化対象層と非素子化部分とに層厚方向にまたがる形で柱状半導体欠陥部が形成された場合に、選択化学エッチングにより溶解されずに素子化対象層の第二主表面に残留する上記柱状半導体欠陥部の突起状露出部分を除去してから貼り合わせ工程を実施するので、該突起状露出部分に起因した貼り合わせ不良領域が形成されにくくなり、また貼り合せの加圧時に、突起位置への応力集中により薄く脆い素子化対象層にクラックが入ったりする不具合も起こりにくくなる。その結果、得られる発光素子製造用半導体ウェーハは、化合物半導体成長層（素子化対象層）に深く埋没した柱状半導体欠陥部が形成されているにも拘わらず、その柱状半導体欠陥部の先端面が（上記の突起除去工程によって）、透明素子基板が貼り合わされる化合物半導体成長層の第二主表面に対して面一となり、透明素子基板は柱状半導体欠陥部の先端面と上記第二主表面の当該先端面に連なるの周縁領域との双方に接する形で密着結合される。その結果、柱状半導体欠陥部周辺にもクラックや貼り合わせ不良領域を生じにくく、該発光素子製造用半導体ウェーハをダイシングして得られる発光素子チップの歩留まりを大幅に向上することができる。
【００１０】
ＭＯＶＰＥ成長工程において化合物半導体成長層に柱状半導体欠陥部が形成される主たる要因は、例えば以下のようなものである。すなわち、化合物半導体成長層の原料有機金属ガスの分解により生じたＩＩＩ族金属粒子が、成長中又は成長後の化合物半導体成長層上に落下して、当該化合物半導体成長層を合金化により溶解しつつ侵食し、その侵食孔内に生じた液相中に異質の化合物半導体を析出する形で柱状半導体欠陥部が形成される。
【００１１】
高輝度の発光素子を得るには、成長用単結晶基板としてＧａＡｓ単結晶基板を使用し、発光層部を、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物半導体のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物半導体（第一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有するものとして成長するとよい。なお、「ＧａＡｓと格子整合する化合物半導体」とは、応力による格子変位を生じていないバルク結晶状態にて見込まれる、当該の化合物半導体の格子定数をａ１、同じくＧａＡｓの格子定数をａ０として、｛｜ａ１−ａ０｜／ａ０｝×１００（％）にて表される格子不整合率が、１％以内に収まっている化合物半導体のことをいう。また、「組成式（Ａｌｘ’Ｇａ１−ｘ’）ｙ’Ｉｎ１−ｙ’Ｐ（ただし、０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１）にて表される化合物のうち、ＧａＡｓと格子整合する化合物」のことを、「ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ」などと記載する。また、活性層は、ＡｌＧａＩｎＰの単一層として構成してもよいし、互いに組成の異なるＡｌＧａＩｎＰからなる障壁層と井戸層とを交互に積層した量子井戸層として構成してもよい（量子井戸層全体を、一層の活性層とみなす）。
【００１２】
上記のような発光層部をＭＯＶＰＥで成長した場合、柱状半導体欠陥部をなす異質の化合物半導体は、発光層部よりもＧａ又はＩｎの含有比率が高く、かつ、Ｖ族元素の主体がＰからなる多結晶化合物半導体からなるものが非常に形成されやすく、これに起因した突起状露出部を予め除去してから透明素子基板を貼り合せるようにすることは、上記発光層部を有した発光素子チップの製造歩留まり向上に大きく寄与する。特に、透明素子基板を、脆いＧａＰ単結晶にて構成する場合は、本発明の採用により透明素子基板側のクラック発生防止も達成でき、より効果的である。
【００１３】
突起状露出部分の除去には、洗浄やエッチング以外の次のような強制的な除去工程を採用するとよい。
・突起除去工程において突起状露出部分を機械研削処理により切除する。
・突起除去工程において突起状露出部分を、挟持治具により挟みつけた状態で折り取ることにより切除する。
・突起除去工程において突起状露出部分を、レーザー照射により焼き飛ばすことにより除去する。
・突起除去工程において突起状露出部分を、ウォータージェットにより除去する。
いずれの方法においても、例えば素子化対象層の第二主表面側を実体顕微鏡等の拡大鏡で観察しながら、手動により突起状露出部分を除去することもできるし、ロボットを用いてその作業を自動化することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、発光層部２４を有する化合物半導体からなる素子化対象層５０の第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極９が形成される一方、該素子化対象層５０の第二主表面に透明素子基板９０が貼り合された構造を有する。素子化対象層５０において、発光層部２４の上に電流拡散層７が形成され、その電流拡散層７の上に光取出側電極９が形成されている。また、透明素子基板９０はｎ型ＧａＰ単結晶基板（以下、ｎ型ＧａＰ単結晶基板９０という：発光層部２４からの発光光束に対して透明である（活性層５よりもバンドギャップエネルギーが大きい））であり、その第二主表面の全面が裏面電極２０により覆われている。光取出側電極９は、電流拡散層７の第一主表面の略中央に形成され、該光取出側電極９の周囲の領域が発光層部２４からの光取出領域とされている。また、光取出側電極９の中央部に電極ワイヤ１７を接合するためのＡｕ等にて構成されたボンディングパッド１６が配置されている。
【００１５】
発光層部２４はＭＯＶＰＥ法で成長されたものであり、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物半導体のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物半導体にて構成されている。具体的には、発光層部２４は、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｐ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６とｎ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有する。図１の発光素子１００では、光取出側電極９側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、裏面電極２０側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性は光取出側電極９側が正である。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０１３〜１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。
【００１６】
一方、電流拡散層７は、ドーパントをＺｎ（Ｍｇでもよく、ＺｎとＭｇとを併用してもよい）としたｐ型ＧａＰ層として形成されている。電流拡散層７はハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxial Growth Method：ＨＶＰＥ）法により形成されたものであり、その形成厚さは例えば５μｍ以上２００μｍ以下（一例として、１５０μｍ）である。また、電流拡散層７と発光層部２４との間には、発光層部２４に続く形でＭＯＶＰＥ法により成長されたｎ型ＧａＰ接続層７ｐが形成されている。つまり、素子化対象層５０のうち、発光層部２４とｎ型ＧａＰ接続層７ｐとがＭＯＶＰＥ法により成長され、電流拡散層７がＨＶＰＥ法により成長されたものである。
【００１７】
素子化対象層５０には、図１１に示すように、その層厚方向途中位置から第二主表面ＭＰ２に向けて、該素子化対象層５０の第二主表面ＭＰ２を形成する化合物半導体（本実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド４）とは異質の化合物半導体からなる柱状半導体欠陥部５５が、その先端面が素子化対象層５０の上記第二主表面ＭＰ２と一致する形態にて形成されている。また、透明素子基板であるｎ型ＧａＰ単結晶基板９０は、その第一主表面ＭＰ１が、柱状半導体欠陥部の先端面と第二主表面の当該先端面に連なる周縁領域との双方に接する形で貼り合せにより密着結合されている。
【００１８】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、成長用単結晶基板としてのｎ型ＧａＡｓ単結晶基板１（発光層部２４からの発光光束に対して不透明である（活性層５よりもバンドギャップエネルギーが小さい））を用意する。そして、工程１において、その基板１の第一主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１ｂを例えば０．５μｍ、次いで、ＡｌＩｎＰからなるエッチストップ層２を０．５μｍ、そして、発光層部２４として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰよりなる、１μｍのｎ型クラッド層４（ｎ型ドーパントはＳｉ）、０．６μｍの活性層（ノンドープ）５、及び１μｍのｐ型クラッド層６（ｐ型ドーパントはＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）を、この順序にてエピタキシャル成長させる。次に、工程２では、発光層部２４の上にｐ型ＧａＰからなる接続層７ｐをＭＯＶＰＥ法によりヘテロエピタキシャル成長する。
【００１９】
これら各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行なわれる。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
・Ｐ源ガス：トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など。
【００２０】
次に、図３の工程３に進み、ｐ型ＧａＰよりなる電流拡散層７を、ＨＶＰＥ法により接続層７ｐ上にホモエピタキシャル成長させる。ＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素であるＧａを所定の温度に加熱保持しながら、そのＧａ上に塩化水素を導入することにより、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ2ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２‥‥（１）
成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ2とともに基板上に供給する。さらに、ｐ型ドーパントであるＺｎは、ＤＭＺｎ（ジメチルＺｎ）の形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、効率よく電流拡散層７を成長させることができる：
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ2（気体）‥‥（２）
【００２１】
ここまでの工程で、ＧａＡｓ単結晶基板１上には化合物半導体成長層６０が２種の気相成長法によりエピタキシャル成長され、中間積層体２００が形成されている。中間積層体２００のうち、発光層部２４、接続層７ｐ及び電流拡散層７が素子化対象層５０であり、それ以外の部分（エッチストップ層２、バッファ層１ｂ及びＧａＡｓ単結晶基板１）が非素子化部分７０である。他方、ＭＯＶＰＥ成長工程においては、上記素子化対象層５０の発光層部２４及び接続層７ｐと、これに先立つエッチストップ層２及びバッファ層１ｂとが成長される。このＭＯＶＰＥ成長工程において素子化対象層５０には、前述の柱状半導体欠陥部５５が、例えば以下のよう原因により形成される。すなわち、図６に示すように、化合物半導体成長層（図６の例では、バッファ層１ｂ及びエッチストップ層２）の原料有機金属ガスの分解により生じたＩＩＩ族金属粒子５２が、成長中又は成長後の化合物半導体成長層に落下して（状態Ａ）、当該化合物半導体成長層を合金化により溶解しつつ侵食し（状態Ｂ）、その侵食孔５５ｈ内に生じた液相中５３に異質の化合物半導体５４を析出する形で柱状半導体欠陥部５５が形成される（状態Ｃ）。合金化はＧａＡｓ単結晶基板１の側にまで進展し、柱状半導体欠陥部５５の先端側はバッファ層１ｂ及びエッチストップ層２とを突き抜けてＧａＡｓ単結晶基板１内部に入り込んでいる。他方、柱状半導体欠陥部５５の基端側は発光層部２４（つまり、素子化対象層）内にあり、結果として柱状半導体欠陥部５５は、素子化対象層５０と非素子化部分７０とにまたがって位置している。
【００２２】
より詳しく説明すると、ＭＯＶＰＥの反応容器内には、基板支持用のサセプタやプラネタリーあるいはプルプレートといった周辺構造物が配置され、高周波コイル等で高温（例えば６５０℃〜９００℃）に加熱される。この状態で容器内部の上方に配置されたインジェクターから原料有機金属ガスを容器内部空間に噴射するとともに、別の供給ノズルからＶ族源となるガス（例えばホスフィンなどのＰ源ガス）を供給し、両者を反応させてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を基板上に成長する形となる。
【００２３】
発光層部２４が上記のごとくＡｌＧａＩｎＰにて構成される場合、インジェクターには低融点のＧａやＩｎがＩＩＩ族金属として付着し、これが成長層側に落下すると、柱状半導体欠陥部５５は、発光層部２４よりもＧａ又はＩｎの含有比率が高く、かつ、Ｖ族元素の主体がＰである多結晶化合物半導体（例えばＧａＰ）からなるものとして形成される。
【００２４】
このとき、上記の周辺構造物が高温に加熱されているので、原料有機金属ガス供給用のインジェクターもその輻射熱で加熱されてしまい、インジェクター内部で原料である有機金属の分解が生じ（例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）：２４０℃、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）：２２２℃、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）：２０５℃）、インジェクター内にＩＩＩ族金属が析出する。析出したＩＩＩ族金属粒子は原料有機金属ガスとともにインジェクターを通して高速で反応容器内に噴射され、化合物半導体基板やエピタキシャル成長中の化合物半導体層に降り注ぐことになる。
【００２５】
上記のようにして降り注いだＩＩＩ族金属粒子５２は、エピタキシャル成長された化合物半導体成長層６０やＧａＡｓ単結晶基板（成長用単結晶基板）１を構成する化合物半導体と合金化する。反応容器内は上記のごとく昇温されているので、化合物半導体層の合金化された部分は溶融して侵食孔５５ｈを生じ、該侵食孔５５ｈ内はＩＩＩ金属リッチな液相５３で満たされる。他方、Ｖ族元素源ガスは通常、ＩＩＩ族元素源となる有機金属ガスに対し、得られる化合物半導体のＩＩＩ−Ｖ族化学量論比よりもＶ族リッチとなるとなるように反応容器内に供給されるので、侵食孔内に生じた液相中には素子化対象層（特に発光層部）とは組成の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が析出し、柱状半導体欠陥部５５となるのである。
【００２６】
図７に示すように、柱状半導体欠陥部５５の発生要因となるＩＩＩ族金属粒子５２の付着は、化合物半導体成長層６０を成長中の種々のタイミングで生じうる。例えばバッファ層１ｂやエッチストップ層２を成長直後にＩＩＩ族金属粒子５２ａが付着すると、ＧａＡｓ単結晶基板１に比較的深く食い込んだ柱状半導体欠陥部５５ａとなる。また、発光層部２４の成長途上でＩＩＩ族金属粒子５２ｂが付着すると、発光層部２４の厚さ方向中間位置から柱状半導体欠陥部５５ｂが成長することとなる。また、発光層部２４を成長後、接続層７ｐの成長途中にＩＩＩ族金属粒子５２ｃが付着することもありえ、この場合は発光層部２４を貫通する柱状半導体欠陥部５５ｃが発生する。
【００２７】
さらに、ＭＯＶＰＥによる接続層７ｐまでの成長が終了してからＩＩＩ族金属粒子５２ｄが付着した場合、これを除去せずにＨＶＰＥ成長容器に移し替えて電流拡散層７を成長すると、ＨＶＰＥの昇温過程でＩＩＩ族金属粒子５２ｄが溶融・合金化し、同様の柱状半導体欠陥部５５ｄが発生する。また、ＨＶＰＥ成長容器内でＩＩＩ族金属粒子５２ｅが付着することもありえ、この場合は素子化対象層５０の全体を貫通する形で柱状半導体欠陥部５５ｅが発生する。
【００２８】
次に、図４の工程４に進み、ＧａＡｓ単結晶基板１を除去する。該除去は、ＧａＡｓ単結晶基板１の第二主表面側から研削を行って基板厚さをある程度減じてから、ＧａＡｓに対して選択エッチング性を有する第一エッチング液（例えばアンモニア／過酸化水素混合液）を用いてＧａＡｓ単結晶基板１をバッファ層１ｂとともにエッチング除去し、次いで工程５に示すように、エッチストップ層２をなすＡｌＩｎＰに対して選択エッチング性を有する第二エッチング液（例えば塩酸：Ａｌ酸化層除去用にフッ酸を添加してもよい）を用いて該エッチストップ層２をエッチング除去することにより実施できる。なお、エッチストップ層２に代えてＡｌＡｓ剥離層を形成し、これを選択エッチングすることにより、該ＧａＡｓ単結晶基板１を素子化対象層５０から剥離する形でＧａＡｓ単結晶基板１を除去するようにしてもよい。
【００２９】
図６の状態Ｄに示すように、柱状半導体欠陥部５がＧａＡｓ単結晶基板（成長用単結晶基板）１側まで侵食する形で成長していると、上記のごとくＧａＡｓ単結晶基板１（及びエッチストップ層２）をエッチングにより除去した場合、柱状半導体欠陥部５５の先端部が突起状露出部５１となって、エピタキシャル成長された素子化対象層の第二主表面に突出する。
【００３０】
半導体ウェーハの製造工程にあっては、デバイス形成面へのパーティクル付着等を洗浄やエッチングにより除去することが一般的に行われている。しかし、こうしたパーティクルは異物（ゴミ等）がウェーハ主表面に付着して生ずるもなど、その発生原因は外的なものであって、多少強く付着したパーティクルも洗浄やエッチング条件の適正化により問題なく除去できるものであった。しかし、ここで除去の対象となる突起状露出部分５１は、化合物半導体成長層中に基端部が埋没した柱状半導体欠陥部５５の一部であり、単純な洗浄やエッチングにより脱落させる形での除去は期待できない。従って、該突起状露出部分５１の除去には、洗浄やエッチング以外の次のような強制的な除去工程を考慮する必要がある。
【００３１】
図８は、突起状露出部分５１を、グラインダーＧ等による機械研削処理により切除する例である。図９は、突起状露出部分５１を、ピンセットＰなどの挟持治具により挟みつけた状態で折り取ることにより切除する例である。また、図１０は、突起状露出部分５１にレーザー光源Ｓからレーザ−ビームＬＢを照射して、これを焼き飛ばす形で（あるいは深さ方向にくりぬく形で）除去する例である。さらに、図１３に示すように、水流噴射ノズルＮＺから高圧の水流ＷＪを突起状露出部分５１に噴射することにより、該突起状露出部分５１を機械的に削るウォータージェット方式を採用することも可能である。いずれの方法においても、例えば素子化対象層５０の第二主表面側を実体顕微鏡等の拡大鏡で観察しながら、手動により突起状露出部分を除去することもできるし、ロボットを用いてその作業を自動化することも可能である。特にＧａＰ多結晶にて突起状露出部分５１が形成される場合は、該突起状露出部分５１が比較的柔らかいので、上記研削や折り取りによる除去が一層容易である。
【００３２】
なお、レーザーによって突起を除去する場合は、突起状露出部分５１を除去した後のレーザー照射位置の周辺に、残渣が溶けて盛り上がることがある。レーザーパワーの調整及び照射範囲の絞り込み等の工夫が必要である。しかし、研削や折り取りあるいはウォータージェットなどの機械的な除去法によれば材料残渣が残留する心配はない。特にウォータージェットを用いた場合、破壊された突起状露出部分５１の破片等を水流吹き飛ばすことができるので好都合である。
【００３３】
なお、突起状露出部分５１の除去は、エッチストップ層２をエッチング除去する前に行ってもよいし、エッチング除去後に行ってもよい。エッチストップ層２の除去前に突起状露出部分５１を除去すると、飛び散った材料残渣がエッチストップ層除去と同時に取り除ける利点がある。この場合、エッチストップ層２は、エッチストップ層２がＡｌＩｎＰである場合は、例えば塩酸からなるエッチング液により除去するとよい。
【００３４】
図５の工程６に示すように、上記の突起状露出部分５１を除去すると、柱状半導体欠陥部５５の先端面は素子化対象層５０の第二主表面とほぼ面一となる。この状態で、工程７に示すようにｎ型ＧａＰ単結晶基板９０（透明素子基板）を素子化対象層５０の第二主表面に貼り合せる。具体的には、素子化対象層５０の第二主表面に別途用意したｎ型ＧａＰ基板９０の第一主表面を重ね合わせて圧迫し、さらに４００℃以上７００℃以下に昇温して貼り合わせ熱処理を行なう。図１２に示すごとく、突起状露出部分５１が残留していると、突起状露出部分５１の周囲に空隙ＶＯが生じるとともに貼り合せ加圧力も不足するから、その周囲の広い範囲に貼り合せ不良領域を生じやすい。また、突起状露出部分５１の先端には、貼り合せ時の加圧により応力集中し、薄く脆い素子化対象層５０にクラックが入りやすい。しかし、図１１に示すように、突起状露出部分を予め除去してから貼り合せを行なうと、こうした不具合はことごとく解消できる。
【００３５】
以上の工程により、発光素子製造用半導体ウェーハが完成する。そして、この発光素子製造用半導体ウェーハの各チップ領域に真空蒸着法により光取出側電極９及び裏面電極２０を形成し、さらに光取出側電極９上にボンディングパッド１６を配置して、適当な温度で電極定着用のベーキングを施す。そして、このウェーハを各チップにダイシングし、裏面電極２０をＡｇペースト等の導電性ペーストを用いて支持体を兼ねた図示しない端子電極に固着する一方、ボンディングパッド１６と別の端子電極とにまたがる形態でＡｕ製のワイヤ１７をボンディングし、さらに樹脂モールドを形成することにより、発光素子１００が得られる。なお、突起状露出部分を除去した後にもウェーハには柱状半導体欠陥部５５が埋没残留する。この柱状半導体欠陥部５５が存在しているチップは不良として除外することが可能である。しかし、不良はあくまで柱状半導体欠陥部５５が残留しているチップに留まり、その周囲にクラックや貼り合せ不良領域が広がる事が無いので、チップ不良発生率を最小限に留めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の適用対象となる発光素子の一例を積層構造にて示す模式図。
【図２】図１の発光素子の製造工程を示す説明図。
【図３】図２に続く説明図。
【図４】図３に続く説明図。
【図５】図４に続く説明図。
【図６】柱状半導体欠陥部の形成機構を模式的に示す説明図。
【図７】柱状半導体欠陥部の種々の形成形態を示す模式図。
【図８】突起状突起状露出部分の除去方法の第一例を示す説明図。
【図９】同じく第二例を示す説明図。
【図１０】同じく第三例を示す説明図。
【図１１】本発明の発光素子製造用ウェーハの特徴部を拡大して示す模式図。
【図１２】従来の貼り合せ法の問題点を示す模式図。
【図１３】突起状突起状露出部分の除去方法の第四例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３７】
１ ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板 （成長用単結晶基板）
２ エッチストップ層
２４ 発光層部
７ 電流拡散層
５０ 素子化対象層
５１ 突起状露出部分
５５ 柱状半導体欠陥部
６０ 化合物半導体成長層
７０ 非素子化部分
９０ ｎ型ＧａＰ単結晶基板（透明素子基板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不透明の化合物半導体からなる成長用単結晶基板の第一主表面上に、発光層部を有する素子化対象層を含んだ化合物半導体成長層の少なくとも前記発光層部をＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長して中間積層体を得るＭＯＶＰＥ成長工程と、
前記中間積層体の、前記素子化対象層の第二主表面側に位置する前記成長用単結晶基板を含む非素子化部分を、少なくとも前記素子化対象層と接する部分を選択化学エッチングにより溶解する形で除去する基板除去工程と、
前記非素子化部分を除去後の前記素子化対象層の第二主表面に透明素子基板を貼り合わせ結合する貼り合わせ工程とがこの順序で実施されるとともに、
前記ＭＯＶＰＥ成長工程において、前記素子化対象層と前記非素子化部分とに層厚方向にまたがる形で、前記素子化対象層の第二主表面を形成する化合物半導体とは異質の化合物半導体からなる柱状半導体欠陥部が形成されるとともに、前記基板除去工程後において前記素子化対象層の第二主表面に、前記選択化学エッチングにより溶解されずに残留した前記柱状半導体欠陥部の突起状露出部分を除去する突起除去工程を、前記貼り合わせ工程に先立って実施することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記柱状半導体欠陥部は、前記化合物半導体成長層の原料有機金属ガスの分解により生じたＩＩＩ族金属粒子が、成長中又は成長後の化合物半導体成長層上に落下して、当該化合物半導体成長層を合金化により溶解しつつ侵食し、その侵食孔内に生じた液相中に前記異質の化合物半導体を析出する形で形成されたものである請求項１記載の発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記成長用単結晶基板としてＧａＡｓ単結晶基板が使用され、前記発光層部を、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物半導体のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物半導体にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有するものとして成長される請求項１又は請求項２に記載の発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記柱状半導体欠陥部をなす前記異質の化合物半導体は、前記発光層部よりもＧａ又はＩｎの含有比率が高く、かつ、Ｖ族元素の主体がＰからなる多結晶化合物半導体からなる請求項３記載の発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記透明素子基板としてＧａＰ単結晶が使用される請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記突起除去工程において前記突起状露出部分を機械研削処理により切除する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記突起除去工程において前記突起状露出部分を、挟持治具により挟みつけた状態で折り取ることにより切除する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記突起除去工程において前記突起状露出部分を、レーザー照射により焼き飛ばすことにより除去する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記突起除去工程において前記突起状露出部分を、ウォータージェットにより除去する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
発光層部を有する化合物半導体からなる素子化対象層の第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極が形成される一方、該素子化対象層の第二主表面に透明素子基板が貼り合された構造を有するとともに、該素子化対象層の層厚方向途中位置から前記第二主表面に向けて、該素子化対象層の第二主表面を形成する化合物半導体とは異質の化合物半導体からなる柱状半導体欠陥部が、先端面が前記第二主表面と一致する形態にて形成され、前記透明素子基板の第一主表面が、前記柱状半導体欠陥部の先端面と前記第二主表面の当該先端面に連なる周縁領域との双方に接する形で密着結合されてなることを特徴とする発光素子製造用半導体ウェーハ。
【請求項１１】
前記発光層部が、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物半導体のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物半導体にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有するものとして形成される請求項１０記載の発光素子製造用半導体ウェーハ。
【請求項１２】
前記柱状半導体欠陥部をなす前記異質の化合物半導体は、前記発光層部よりもＧａ及びＩｎの含有比率が高く、かつ、Ｖ族元素の主体がＰからなる多結晶化合物半導体からなる請求項１１記載の発光素子製造用半導体ウェーハ。
【請求項１３】
前記透明素子基板がＧａＰ単結晶からなる請求項１０ないし請求項１２のいずれか１項に記載の発光素子製造用半導体ウェーハ。
【請求項１】
不透明の化合物半導体からなる成長用単結晶基板の第一主表面上に、発光層部を有する素子化対象層を含んだ化合物半導体成長層の少なくとも前記発光層部をＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長して中間積層体を得るＭＯＶＰＥ成長工程と、
前記中間積層体の、前記素子化対象層の第二主表面側に位置する前記成長用単結晶基板を含む非素子化部分を、少なくとも前記素子化対象層と接する部分を選択化学エッチングにより溶解する形で除去する基板除去工程と、
前記非素子化部分を除去後の前記素子化対象層の第二主表面に透明素子基板を貼り合わせ結合する貼り合わせ工程とがこの順序で実施されるとともに、
前記ＭＯＶＰＥ成長工程において、前記素子化対象層と前記非素子化部分とに層厚方向にまたがる形で、前記素子化対象層の第二主表面を形成する化合物半導体とは異質の化合物半導体からなる柱状半導体欠陥部が形成されるとともに、前記基板除去工程後において前記素子化対象層の第二主表面に、前記選択化学エッチングにより溶解されずに残留した前記柱状半導体欠陥部の突起状露出部分を除去する突起除去工程を、前記貼り合わせ工程に先立って実施することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記柱状半導体欠陥部は、前記化合物半導体成長層の原料有機金属ガスの分解により生じたＩＩＩ族金属粒子が、成長中又は成長後の化合物半導体成長層上に落下して、当該化合物半導体成長層を合金化により溶解しつつ侵食し、その侵食孔内に生じた液相中に前記異質の化合物半導体を析出する形で形成されたものである請求項１記載の発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記成長用単結晶基板としてＧａＡｓ単結晶基板が使用され、前記発光層部を、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物半導体のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物半導体にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有するものとして成長される請求項１又は請求項２に記載の発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記柱状半導体欠陥部をなす前記異質の化合物半導体は、前記発光層部よりもＧａ又はＩｎの含有比率が高く、かつ、Ｖ族元素の主体がＰからなる多結晶化合物半導体からなる請求項３記載の発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記透明素子基板としてＧａＰ単結晶が使用される請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記突起除去工程において前記突起状露出部分を機械研削処理により切除する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記突起除去工程において前記突起状露出部分を、挟持治具により挟みつけた状態で折り取ることにより切除する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記突起除去工程において前記突起状露出部分を、レーザー照射により焼き飛ばすことにより除去する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記突起除去工程において前記突起状露出部分を、ウォータージェットにより除去する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
発光層部を有する化合物半導体からなる素子化対象層の第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極が形成される一方、該素子化対象層の第二主表面に透明素子基板が貼り合された構造を有するとともに、該素子化対象層の層厚方向途中位置から前記第二主表面に向けて、該素子化対象層の第二主表面を形成する化合物半導体とは異質の化合物半導体からなる柱状半導体欠陥部が、先端面が前記第二主表面と一致する形態にて形成され、前記透明素子基板の第一主表面が、前記柱状半導体欠陥部の先端面と前記第二主表面の当該先端面に連なる周縁領域との双方に接する形で密着結合されてなることを特徴とする発光素子製造用半導体ウェーハ。
【請求項１１】
前記発光層部が、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物半導体のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物半導体にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有するものとして形成される請求項１０記載の発光素子製造用半導体ウェーハ。
【請求項１２】
前記柱状半導体欠陥部をなす前記異質の化合物半導体は、前記発光層部よりもＧａ及びＩｎの含有比率が高く、かつ、Ｖ族元素の主体がＰからなる多結晶化合物半導体からなる請求項１１記載の発光素子製造用半導体ウェーハ。
【請求項１３】
前記透明素子基板がＧａＰ単結晶からなる請求項１０ないし請求項１２のいずれか１項に記載の発光素子製造用半導体ウェーハ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−２９９９１２（Ｐ２００７−２９９９１２Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２６２５３（Ｐ２００６−１２６２５３）
【出願日】平成１８年４月２８日（２００６．４．２８）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２８日（２００６．４．２８）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
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