JP2010251390A

JP2010251390A - 発光ダイオード及びその製造方法

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Publication number: JP2010251390A
Application number: JP2009096621A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Hoshi; 真一星; Isao Tamai; 功玉井
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2010-11-04
Also published as: US20100258814A1

Abstract

【課題】GaN-LED on Si基板を利用して形成されるGaN系LEDにおいて、n型Si基板及びバッファ層を含まず、かつ光を取り出すための領域の面積を広く取ることが可能である。
【解決手段】n型Si基板10にエピタキシャル成長層40とp側電極26を形成する第1工程と、p側電極に支持基板30を接合する第2工程と、n型Si基板及びバッファ層40-1をエッチング除去する第3工程と、n型GaN層16の発光領域が形成される側の面16aの出力光を取り出す領域を除く領域にn側電極42を形成する第4工程と、を含んで構成されるLEDの製造方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光ダイオード及びその製造方法に関し、特に、熱伝導率が大きくかつ電気伝導度の大きな支持基板を具える窒化ガリウム系発光ダイオード及びその製造方法に関する。

窒化ガリウム系発光ダイオード（以下、GaN系LED(Light Emitting Diode)ということもある。）のほとんどは、熱伝導が極めて小さいサファイア基板に形成されている。サファイア結晶の熱伝導度は、0.3 W/(cm・K)である。そのため、サファイア基板に形成されたGaN系LEDは、効果的に放熱を行うことが難しく、素子の動作中の温度上昇のため発光効率が低下する等の問題がある。

一方、サファイア基板よりも不純物濃度が低くかつ結晶欠陥密度の非常に小さいシリコン基板(Si基板)上にGaN系LEDをエピタキシャル成長技術によって形成する方法も知られている（例えば、非特許文献1、208ページ参照）。Si結晶の熱伝導度は1.5 W/(cm・K)であり、サファイア結晶に対して5倍の大きさである。そのため、Si基板に形成されたGaN系LEDは効果的な放熱が行えるので、素子の温度上昇に伴う発光効率等の問題は解決される。

しかしながら、Si結晶とGaN結晶とはその格子定数の大きさに大きな差（17％のミスマッチ）がある。また、Si結晶とGaN結晶との熱膨張係数の差は37％ある。このため、Si基板へGaN層を高品質でエピタキシャル成長するために、Si基板にAlGaN/AlN中間層あるいはAlN/GaN多層バッファ層を形成させた上で、GaNエピタキシャル成長層を形成する手法がとられている。

ここで、AlGaN/AlN中間層とは、Si基板の主表面にAlGaN層をエピタキシャル成長し続いてAlNエピタキシャル成長層を形成することを意味する。また、AlN/GaN多層バッファ層とは、AlN層とGaN層とを交互に多層にエピタキシャル成長して積層することで多層構造に形成されたバッファ層を意味する。

Si基板の主表面にGaN層を直接エピタキシャル成長すると、Ga原子がSi基板中に拡散され、キャリア堆積層が形成されることが知られている。このキャリア堆積層は、Si基板に形成されたLED等の電子素子の周波数応答特性等に影響を与え、場合によっては素子に求められる特性に問題が生じることがある。そこで、このGa原子のSi基板内への拡散を防止するために、Si基板の主表面にまずAlN核成長層をエピタキシャル成長する手法がとられている（例えば、非特許文献2、3ページ参照）。

LDE2008−−技術と応用の新展開−−日経BP社、pp.8-19、pp.124-133、pp.200-209 江川孝志、「名古屋工業大学・有機金属気相成長技術（太陽日酸）寄附研究部門の研究活動」須賀、他、「次世代高密度実装のための表面活性化による低温接合」超高機能化グローバルインテグレーション研究会講演予稿集、（2003）pp.185-188［平成21年3月19日検索］インターネット＜URL:http://masu-www.pi.titech.ac.jp/~global/pub/2003_0301_0302_yokou_web/suga.pdf＞

ここで、発明が解決しようとする課題を明確にするために、Si基板を用いて形成される従来のGaN系LEDの概略的構成及びその製造方法の概略について図1〜図3を参照して説明する。なお、図1〜図3において、同様の構成要素については同一の番号を付して示しその重複する説明を省略することもある。

まず、図1(A)〜図1(C)を参照して、GaN系LEDを製造するためのエピタキシャル成長層の構成について説明する。図1(A)〜図1(C)は、Si基板に形成されたGaN系LEDを製造するためのエピタキシャル成長層の構成についての説明に供する図である。以後、Si基板及びSi基板に形成されたGaN系LEDを製造するためのエピタキシャル成長層を含め、GaN系LEDを製造するために利用される基板を、GaN-LED on Si基板ということもある。図1(A)はGaN-LED on Si基板の概略的全体図であり、図1(B)はLEDとして加工される際のLEDの基本構造を構成するエピタキシャル成長層部分の拡大図であり、図1(C)はSi基板に積層されるバッファ層の一部分の拡大図である。

図1(A)〜(C)に示すようにGaN-LED on Si基板は、n型Si基板10に100 nm厚のAlN核成長層12-1及び40 nm厚のUID-AlGaN層12-2がバッファ層12として積層され、バッファ層12上にGaN層とAlN層との組を40組繰り返し積層された多層バッファ層14が形成されている。この多層バッファ層14を形成するGaN層及びAlN層の厚さはそれぞれ20 nm及び5 nmである。多層バッファ層14に続いて厚さが1μmであるn型GaN層16が形成されている。

ここで、UID-AlGaN層等の"UID"とは、Un-Intentionally Dopedの省略表現であり、意図的なドーピングは行っていないが10¹⁷ /cm^-3程度の残留キャリアが存在していることを意味する。

n型GaN層16に続いて順次、厚さが25 nmであるUID-GaN層20-1、LEDとして構成された際に発光層となる厚さが3 nmであるInGaN層(InGaN発光層ともいう)20-2、厚さが25 nmであるUID-GaN層20-3、厚さが10 nmであるp型AlGaN層20-4及び厚さが150 nmであるp型GaN層20-5が、エピタキシャル成長層20として積層されて形成されている。

図1(A)〜(C)は、LEDを形成することを前提にGaN-LED on Si基板の構成を示してあるが、GaN系レーザダイオード（以下、GaN系LDと略す。）を製造する場合には、InGaN層20-2を活性層（レーザ活性媒質）とし、かつInGaN層20-2よりもバンドギャップが広く屈折率が小さいp型InGaN及びn型InGaN系混晶からなるクラッド層によってInGaN層20-2を挟んだ構成とすればよい。LDはその発振特性がInGaN層20-2を活性層中に存在するp-n接合面を含むｐ-ｎ接合面の近傍の温度に強く依存するので、効果的に放熱が行われることが特に重要である。

GaN系LDも光帰還構造が作り付けられたGaN系LEDの特別な構成の一つであり、光帰還構造が作り付けることは周知の技術を以ってすれば可能であることから、ここでは光帰還構造には言及せずGaN系LEDの説明をする。すなわち、GaN系LDは上位概念であるGaN系LEDに含まれるものと了解されたい。

図1(A)〜図1(C)において、UID-GaN層20-1、InGaN層20-2、UID-GaN層20-3、p型AlGaN層20-4及びp型GaN層20-5をエピタキシャル成長層20として一括して示し、エピタキシャル成長層20とn型GaN層16とをLEDエピタキシャル成長層40-2として一括して示してある。また、バッファ層12と多層バッファ層14をバッファ層40-1と一括して示してある。そして、バッファ層40-1とLEDエピタキシャル成長層40-2とをエピタキシャル成長層40と一括して示してある。以下、LEDエピタキシャル成長層40-2は、InGaN発光層20-2を含む発光領域エピタキシャル成長層ということもある。

次に、図2(A)及び(B)を参照して、代表的なGaN-LED on Si基板を用いて構成されたGaN系LEDの構成を説明する。図2(A)及び(B)は、GaN-LED on Si基板を用いて構成されたGaN系LEDの概略的断面構造図であり、図2(A)はLEDの概略的全体図であり、図2(B)はLEDとして加工される際のLEDの基本構造を構成する部分のn側電極22とp側電極24を含む拡大図である。

図2(A)〜(C)に示すように、n型Si基板10を利用してn型GaN層16をエピタキシャル成長するためのバッファ層12や多層バッファ層14は電気的な高抵抗層である。これは、AlN結晶の禁制帯幅が6.2 eVと大きいためである。InGaN発光層20-2内に存在するｐ-ｎ接合に電流注入するためのp側及びn側電極をバッファ層12や多層バッファ層14を挟んで形成することを避け、図2(B)に示すようにn型GaN層16の上面16aにn側電極22を設け、p型GaN層20-5の上面20aにp側電極24を設ける構成とされる。

しかしながら、図2(A)及び(B)に示す構成のLEDは、n側電極22及びp側電極24が共に光を取り出す側に設けられた構成となるため、光を取り出すための領域の面積を広く取ることが難しい。このため、光を効率よく取り出すための特別な工夫が必要とされる（非特許文献1、15ページ図18(b)を参照）。

そこで、光を取り出すための領域の面積を広く取ることが可能であるGaN-LED on Si基板を用いて構成されるGaN系LEDの構成が検討される。図3(A)及び図3(B)を参照して、光を取り出すための領域の面積を広く取ることが可能であるGaN系LEDの構成を説明する。図3(A)及び(B)は、光を取り出すための領域の面積を広く取ることが可能であるGaN-LED on Si基板を用いて構成されるGaN系LEDの概略的断面構造図であり、図3(A)はLEDの概略的全体図であり、図3(B)はバッファ層12の拡大図である。

光を取り出すための領域の面積を広く取るため、n側電極及びp側電極を共に光を取り出す側に設ける構造とすることを避け、図3(A)に示すように、n型Si基板10のエピタキシャル成長層40が形成された面の反対側面10aにn側電極32を設け、エピタキシャル成長層20の上面20aにp側電極30を設ける構成が提案されている。

しかしながら、この構成では光を取り出すための領域の面積を広く取ることはできるものの、上述したようにInGaN発光層20-2内に存在するｐ-ｎ接合に注入する電流を、電気的な高抵抗層であるバッファ層12や多層バッファ層14を介して流す構成であるため、バッファ層12や多層バッファ層14でも発熱する。このため、InGaN発光層20-2の温度上昇を抑えにくく、発光効率の高いLEDを実現することが難しい（例えば、非特許文献2参照）。

非特許文献2によれば、サファイア基板を利用して形成したLEDの動作電圧及び抵抗値はそれぞれ3.3 V及び25Ωであったのに対し、図3(A)及び(B)に示す構成のSi基板を利用して形成したLEDの動作電圧及び抵抗値はそれぞれ4.1 V及び30Ωであったと報告されている。Si基板を利用して形成したLEDの動作電圧及び抵抗値の方が、むしろサファイア基板を利用して形成したLEDより何れも大きい。すなわち、図3(A)及び(B)に示す構成のSi基板を利用して形成したLEDは、発光効率の高いLEDとはならないことを示している。

この発明の発明者は、GaN系LEDを電気的な高抵抗層であるバッファ層12や多層バッファ層14(バッファ層40-1)をなくした構成として、かつ光を取り出すための領域の面積を広く取る構成とすることができないかを鋭意検討した。その結果、GaN-LED on Si基板を利用してエピタキシャル成長層40を形成した後、LEDエピタキシャル成長層40-2を残しn型Si基板10及びバッファ層40-1を除去して、n型Si基板10及びバッファ層40-1の代わりに、熱伝導率が大きくかつ電気伝導度の大きな材料と置き換える手法をとることができれば実現されることを確信した。

そこで、この発明の目的は、GaN-LED on Si基板を利用して製造されるGaN系LEDにおいてn型Si基板及びバッファ層を除去して、n型Si基板及びバッファ層の代わりに熱伝導率が大きくかつ電気伝導度の大きな材料の支持基板を具え、そして光を取り出すための領域の面積を広く取ることが可能であるGaN系LED及びその製造方法を提供することにある。

上述の理念に基づく、この発明の要旨によれば、以下の構成のGaN系LEDの製造方法及びこの方法で製造されたGaN系LEDが提供される。

この発明のLEDの製造方法は、第1〜第4工程を含んで構成される。第1工程は、基板にバッファ層を介して、発光層を含むエピタキシャル成長層を形成し、このエピタキシャル成長層の表面に一方の電極を形成する工程である。第2工程は、一方の電極に支持基板を接合する工程である。第3工程は、基板及びバッファ層をエッチング除去する工程である。第4工程は、エピタキシャル成長層の一方の電極が形成された面の裏面に、出力光を取り出す領域を除く領域に他方の電極を形成する工程である。

第2工程は、一方の電極の表面と支持基板の表面とを、これらの表面の原子を化学結合が形成しやすい活性な状態とする表面活性化処理によって接合する表面活性化常温接合法によって行われる工程とするのが好適である。

また、第1工程を、n型Si基板に、AlN核成長層、AlGaN層及びGaN/AlN多層バッファ層とを含むバッファ層と、n型GaN層と、InGaN発光層を含むエピタキシャル成長層を形成し、このエピタキシャル成長層の表面にp側電極を形成する工程とし、第2工程を、一方の電極であるp側電極に支持基板を接合する工程とし、第3工程を、n型Si基板及びバッファ層をエッチング除去する工程とし、第4工程を、n型GaN層の、InGaN発光層を含むエピタキシャル成長層が形成されている側の面に対する裏面に、出力光を取り出す領域を除く領域にn側電極を形成する工程とするのが好適である。

第2工程において、支持基板をAlN焼結支持基板とするのがよい。あるいは、第2工程において、支持基板を銅支持基板とするのがよい。また、AlN焼結支持基板としてビアホール（via hole）が形成されたAlN焼結支持基板を利用するのがよい。

上述のこの発明のLEDの製造方法によれば、この発明のLEDを製造することが可能である。

この発明のLEDは、発光層を含むエピタキシャル成長層と、このエピタキシャル成長層に形成された電極表面と接合された支持基板とを具えている。

この発明のLEDは、上述の発光層がInGaN発光層とされ、エピタキシャル成長層が、n型GaN層とInGaN発光層を含むエピタキシャル成長層から構成され、n型GaN層の出力光を取り出す側の面の裏面にp側電極が形成され、p側電極と支持基板とが表面活性化常温接合され、かつn型GaN層の出力光を取り出す側の面の、出力光を取り出す領域を除く領域にn側電極が形成された構成とするのが好適である。

支持基板を、AlN焼結支持基板あるいは銅支持基板とするのがよい。また、支持基板をビアホールが形成されているAlN焼結支持基板とするのがよい。

この発明のLEDの製造方法によれば、第2工程において一方の電極に表面活性化常温接合法によって、熱伝導率が大きくかつ電気伝導度がn型Si基板及びバッファ層よりも大きい支持基板が接合される。そして第3工程においてn型Si基板及びバッファ層がエッチング除去される。

GaN-LED on Si基板を利用して形成されるLEDにあっては、基板はn型Si基板である。従って、第3工程においてn型Si基板及びバッファ層が除去される。すなわち、この発明のLEDの製造方法によって製造されるLEDは、完成された段階においてSi基板及びバッファ層を具えていない。

また、支持基板としてAlN焼結支持基板あるいは銅支持基板を利用すれば、これらの基板は熱伝導率が大きくかつ電気伝導度がn型Si基板及びバッファ層よりも大きい。従って、この支持基板を挟んで、p側電極及びn側電極を形成しても、この支持基板を電流が流れることによる発熱量を十分小さくすることが可能である。

すなわち、この発明のLEDの製造方法によれば、光を取り出す側にn側電極及びp側電極何れか一方だけを設け、支持基板をはさんで反対側面に他方の電極を設ける構成とすることが可能となる。このことにより、光を取り出す側には一方の電極だけを設ければ済むので、光を取り出すための領域の面積を広く取ることが可能となる。

支持基板としてAlN焼結支持基板を用いれば、このAlN焼結支持基板の熱膨張率と、発光層を含むエピタキシャル成長層との熱膨張率がほぼ等しいので、p側電極及びn側電極を形成する際のオーミックコンタクトを実現するための熱処理を数百℃の高温で行うことが可能である。そのため、電極が形成されるエピタキシャル成長層に高濃度のドーピングをする必要がないので、結晶品質の高い（格子欠陥濃度の低い）エピタキシャル成長層を形成することが可能である。

支持基板としてAlN焼結支持基板を用いる場合、このAlN焼結支持基板にビアホールが形成されていれば、熱伝導率がより大きくなるので放熱効果が高くなり、発光層の温度上昇が抑えられ、発光効率の高いLEDを実現することが可能となる。

Si基板に形成されたGaN系LEDを製造するためのエピタキシャル成長層の構成についての説明に供する図であり、(A)はGaN-LED on Si基板の全体図、(B)はLEDとして加工される際のLEDの基本構造を構成するエピタキシャル成長層部分の拡大図、(C)はSi基板に積層されるバッファ層の一部分の拡大図である。 GaN-LED on Si基板を用いて構成されたGaN系LEDの概略的断面構造図であり、(A)はLEDの概略的全体図であり、(B)はLEDとして加工される際のLEDの基本構造を構成する部分のn側電極とp側電極を含む拡大図である。光を取り出すための領域の面積を広く取ることが可能であるGaN-LED on Si基板を用いて構成されるGaN系LEDの概略的断面構造図であり、(A)はLEDの概略的全体図であり、(B)はバッファ層の拡大図である。この発明の実施形態のLEDの製造方法の説明に供する図であり、(A)は第1工程の説明に供する図であり、(B)は第2工程の説明に供する図であり、(C)は第3工程の説明に供する図であり、(D)は第4工程の説明に供する図である。この発明の実施形態のLEDの断面構造を示す図である。

以下、図4及び図5を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、図4及び図5は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各エピタキシャル成長層等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の条件等を用いることがあるが、これらの条件等は好適例の一つに過ぎず、従って何らこれらに限定されない。また、図4及び図5において同様の構成要素については、同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。

＜この発明の実施形態のLEDの製造方法＞
図4(A)〜(D)を参照して、GaN-LED on Si基板を利用するこの発明の実施形態のLEDの製造方法について説明する。図4(A)〜(D)は、この発明の実施形態のLEDの製造方法の説明に供する図である。

図4(A)は、n型Si基板10に、AlN核成長層12-1、UID-AlGaN層12-2及びGaN/AlN多層バッファ層14を含むバッファ層40-1と、n型GaN層16とInGaN発光層20-2を含むエピタキシャル成長層（以後、LEDエピタキシャル成長層40-2という。）を形成し、このLEDエピタキシャル成長層40-2の表面(後述するp型GaN層20-5の表面)20aにp側電極26を形成する第1工程の説明に供する図である。図4(A)では、AlN核成長層12-1とUID-AlGaN層12-2とを一括してバッファ層12と示してある。上述の発光領域については、図5を参照して発光領域44として後述する。

エピタキシャル成長層40は、図1(A)〜(C)を参照して説明したように、バッファ層40-1とLEDエピタキシャル成長層40-2とからなるエピタキシャル成長層である。バッファ層40-1は、バッファ層12と多層バッファ層14とからなっており、LEDエピタキシャル成長層40-2は、エピタキシャル成長層20とn型GaN層16とからなっている。また、エピタキシャル成長層20は、UID-GaN層20-1、InGaN層20-2、UID-GaN層20-3、p型AlGaN層20-4及びp型GaN層20-5からなっている。

バッファ層40-1とLEDエピタキシャル成長層40-2とを具えてなるエピタキシャル成長層40を形成するエピタキシャル成長工程は、MOCVD等の従来周知の方法で実施できるので、ここでは詳細な説明を省略する。

エピタキシャル成長層40の最表面とは、上述のp型GaN層20-5の表面20aを指す。すなわちp側電極26は表面20aに形成される。p側電極26は、真空蒸着法等の周知の方法で形成でき、真空蒸着後熱処理することでオーミックコンタクトが実現される。p側電極26としては、金を真空蒸着することによって形成される金蒸着薄膜を利用することができる。

図4(B)は、p側電極26に支持基板30を接合する第2工程の説明に供する図である。この第2工程は、p側電極26の表面26aと支持基板30の表面30aとを、化学結合が形成しやすい活性な状態とする表面活性化処理によって接合する表面活性化常温接合法によって行われる接合工程である。

表面活性化常温接合法とは、高速原子ビームや高周波プラズマを接合する両方の表面に照射して接合表面を清浄化・活性化し、常温で両表面を接触させることによって両表面同士を接合する技術である（例えば、非特許文献3参照）。

表面活性化常温接合を行うに当たっては、まず接合する両方の表面を洗浄するが、大気中では表面が酸素による酸化膜や吸着した水及び有機物の分子等により、洗浄後ほぼ瞬時に覆われてしまう。このように酸化膜等によって覆われた表面同士を接触させて接合を図っても十分な結合力は生み出せない。そのため、真空中で接合する両方の表面を洗浄し、表面が酸化膜等によって覆われない状態で両方の表面同士を接触させて接合する。ここでの真空度は10^-6〜10^-8 Pa（パスカル）の高真空とするのが望ましい。

ここでは、支持基板30としてAlN焼結体基板を利用した。接合するp側電極26の表面26a及びAlN焼結体基板の表面30aの両表面を、高真空中でArラジカルを洗浄面に照射する方法で洗浄した後、表面26aと表面30aとを接触させることによって両表面を常温接合した。Arラジカルを洗浄する表面26a及び表面30aに照射することによって、これらの表面に吸着していた不純物、酸化物等がArラジカルによって除去され、これらの表面が活性化された状態となる。

ここで、常温接合において重要な要件は、接合する両表面のミクロな平坦性とマクロな平坦性が共に小さいことにある。この両表面をミクロな平坦性を原子間力顕微鏡(AFM: Atomic Force Microscope)で調べ、及びマクロな平坦性をウエハ反り計で調べた結果、GaN-LED on Si基板及びAlN焼結体基板のいずれも、ミクロな平坦性が1μm四方の2乗平均平方根粗さで1 nm以下、マクロな平坦性であるウエハ反りの大きさが直径3インチの基板で20μm以下であった。すなわち、GaN-LED on Si基板及びAlN焼結体基板のいずれも、常温接合に必要とされる平坦性を有していることが確かめられた。

また、AlN焼結体基板とGaN-LED on Si基板のGaN層の部分は、その熱膨張率の差が小さいので、常温接合後に行われる熱処理によって両者の界面において、結晶にクラックが発生する等の問題となる程度の歪（ストレス）は発生しない。

ここでは、支持基板30としてAlN焼結体基板を利用したが、銅基板を利用することも可能である。銅基板は放熱特性に優れるが、銅の熱膨張係数が1.409×10^-5/Kであり、GaN結晶の熱膨張係数が5.59×10^-6 /Kであるので、両者には250％の差がある。そのため、熱膨張による応力の発生を回避するため、後述するn側電極のオーミックコンタクトを実現するための熱処理を行うことができない。従って、支持基板30として銅基板を利用する場合は、n側電極を蒸着するだけでオーミックコンタクトが実現されるようにn型GaN層16には10²⁰cm^-3程度の高濃度のドーピングが必要である。

図4(C)は、n型Si基板10及びバッファ層40-1をエッチング除去する第3工程の説明に供する図である。

n型Si基板10は、反応性イオンエッチング(RIE: Reactive Ion Etching)等の周知の手法でエッチングして除去することが可能である。ここで、RIEは、反応室内でエッチングガス（SF₆系ガス及びBCl₃等）に電磁波などを与えプラズマ化し、同時に試料を置く陰極に高周波電圧を印加することによって試料をエッチングする手法である。すなわち、高周波電圧が印加されると、プラズマ中のイオン種やラジカル種が試料方向に加速されて衝突し、イオンによるスパッタリングと、エッチングガスの化学反応とが同時に起こることによって試料がエッチングされるという原理が用いられたドライエッチング法である。

n型Si基板除去工程においては、n型Si基板10を予め10〜50μmの厚みになるまで研磨処理して薄くしておき、エッチング処理するという手法をとるのが作業効率を向上する上で有効である。

n型Si基板除去工程においてRIEによる処理をするに当たって、LEDエピタキシャル成長層40-2を構成するn型GaN層16に対するエッチングのダメージ(プラズマ中のイオン種やラジカル種が試料方向に加速されて衝突することによって受けるダメージ)の影響を小さくするため、高周波パワーを適度な値にすることが必要である。例えば、誘導性結合プラズマを用いた反応性イオンエッチング(ICP-RIE: Inductive Coupled Plasma-RIE)を用いる場合には、ICPパワーを50 Wとし、REIパワーを10 Wとし、GaN結晶層のエッチングレートが3 nm/分となる条件で行うのが好適であることが分かっている。

LEDエピタキシャル成長層40-2を構成するn型GaN層16がエッチングのダメージを受けると、後述する第4工程において形成されるn側電極42とn型GaN層16とのオーミックコンタクトが実現されにくい。そのためn側電極42とn型GaN層16との界面が高電気抵抗層となり、LEDの動作中にこの界面で発熱する可能性がある。したがって、上述したように、n型GaN層16に対するエッチングのダメージを極力小さくすることが重要である。

第3工程において、n型Si基板10及びバッファ層40-1をエッチング除去するに当たっては、バッファ層40-1とLEDエピタキシャル成長層40-2とのエッチング速度に相違がないので、バッファ層40-1を構成する多層バッファ層14のエッチングが終了したら、LEDエピタキシャル成長層40-2を構成するn型GaN層16がエッチングされる直前でエッチング処理を終了させるようにエッチング時間制御をする必要がある。

このエッチング時間制御は、事前にGaN-LED on Si基板と同様の構成の基板を用いてエッチングレートを計測しておくことで可能である。また、上述したようにn型GaN層16にエッチングのダメージを極力与えないように、RIEの高周波パワーを小さく抑えている関係で、エッチングレートも小さい。従って、エッチング時間制御は精度よく行うことが可能である。

図4(D)は、n型GaN層16の発光領域44(図５参照）が形成される側の面16aの出力光を取り出す領域を除く領域に、n側電極42を形成する第4工程の説明に供する図である。

第4工程は、n型GaN層16の面16aの出力光を取り出す領域を除く領域に、Ti薄膜及びAl薄膜を真空蒸着し、窒素ガス雰囲気中において600℃で2分間のオーミックコンタクトを形成するための熱処理を行い、n側電極42を形成する工程である。支持基板30であるAlN焼結体基板に形成されたビアホールに銅メッキを施して電極を形成する（図示を省略してある）。

その後、続いてp側電極26をシード電極として硫酸銅を主成分とする銅メッキ液を用いて電界メッキを行う。また、熱放散のためのヒートパイプ（図示を省略してある。）及びこのヒートパイプの裏面（支持基板30のP側電極26との接合面と反対側の面）に電極（図示を省略してある。）を形成する。最後に、LEDを一つ一つのLEDチップとするためのダイシングを行う。

Si基板の熱伝導率は1.5 W/(cm・K)であり、抵抗率は104 Ωmmであるのに対して、AlN焼結体基板の熱伝導率は2.5 W/(cm・K)であり、抵抗率は109 Ωmmである。従って、この発明の実施形態のLEDの製造方法によれば、熱伝導率が大きくかつ電気伝導度の大きな材料の支持基板を具え、そして光を取り出すための領域の面積を広く取ることが可能であるGaN系LEDを製造することが可能である。

＜この発明の実施形態のLEDの構成＞
上述したこの発明の実施形態のLEDの製造方法によれば、以下のとおりのこの発明のLEDが製造される。図5を参照して、この発明の実施形態のLEDの構成について説明する。図5は、この発明の実施形態のLEDの断面構造を示す図である。

この発明のLEDは、LEDエピタキシャル成長層40-2と、p側電極26と、支持基板30と、n側電極42と、出力光を取り出す領域44とを具えて構成されている。

LEDエピタキシャル成長層40-2は、n型GaN層16とInGaN発光層20-2を含むエピタキシャル成長層20から構成されている。LEDエピタキシャル成長層40-2及びエピタキシャル成長層20の詳細な構成は、図1(A)〜(C)に示したとおりである。n型GaN層16の出力光を取り出す側の面16aの裏面16bにはp側電極26が形成されている。また、p側電極26と支持基板30とは表面活性化常温接合されており、かつn型GaN層16の出力光を取り出す側の面16aの、出力光を取り出す領域44を除く領域にn側電極42が形成されている。そして、支持基板30であるAlN焼結支持基板30にはビアホール38が形成されている。又、AlN焼結支持基板30のLEDエピタキシャル成長層40-2が接合された側の面の裏面30bにはp側電極28が形成されている。

10：n型Si基板
12、40-1：バッファ層
12-1：AlN核成長層
12-2：UID-AlGaN層
14：多層バッファ層
16：n型GaN層
20：エピタキシャル成長層
20-1：UID-GaN層
20-2：InGaN層（InGaN発光層）
20-3：UID-GaN層
20-4：p型AlGaN層
20-5：p型GaN層
22、32、42：n側電極
24、26、28、30：p側電極
30：支持基板
38：ビアホール
40：エピタキシャル成長層
40-2：LEDエピタキシャル成長層（発光領域エピタキシャル成長層）
44：発光領域

Claims

基板にバッファ層を介して、発光層を含むエピタキシャル成長層を形成し、該エピタキシャル成長層の表面に一方の電極を形成する第1工程と、
前記一方の電極に支持基板を接合する第2工程と、
前記基板及び前記バッファ層をエッチング除去する第3工程と、
前記エピタキシャル成長層の前記一方の電極が形成された面の裏面に、出力光を取り出す領域を除く領域に他方の電極を形成する第4工程と
を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
前記第2工程は、前記一方の電極の表面と前記支持基板の表面とを、当該表面の原子を化学結合が形成しやすい活性な状態とする表面活性化処理によって接合する表面活性化常温接合法によって行われる工程であることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードの製造方法。
前記第1工程は、n型Si基板に、AlN核成長層、AlGaN層及びGaN/AlN多層バッファ層を含む前記バッファ層と、n型GaN層と、InGaN発光層を含む前記エピタキシャル成長層を形成し、該エピタキシャル成長層の表面に、前記一方の電極をp側電極とし、該p側電極を形成する工程であり、
前記第2工程は、前記p側電極に前記支持基板を接合する工程であり、
前記第3工程は、前記n型Si基板及び前記バッファ層をエッチング除去する工程であり、
前記第4工程は、前記n型GaN層の前記InGaN発光層を含む前記エピタキシャル成長層が形成されている側の面に対する裏面の出力光を取り出す領域を除く領域に、前記他方の電極をn側電極とし、該n側電極を形成する工程である
ことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードの製造方法。
前記支持基板としてAlN焼結支持基板を利用とすることを特徴する請求項3に記載の発光ダイオードの製造方法。
前記支持基板として銅支持基板を利用することを特徴する請求項3に記載の発光ダイオードの製造方法。
前記AlN焼結支持基板としてビアホール（via hole）が形成されたAlN焼結支持基板を利用することを特徴とする請求項4に記載の発光ダイオードの製造方法。
発光層を含むエピタキシャル成長層と、該エピタキシャル成長層に形成された電極表面と接合された支持基板とを具えることを特徴とする発光ダイオード。
前記発光層はInGaN発光層であって、前記エピタキシャル成長層は、n型GaN層と前記InGaN発光層を含むエピタキシャル成長層から構成されており、
前記n型GaN層の出力光を取り出す側の面の裏面にp側電極が形成されており、
前記p側電極と前記支持基板とが表面活性化常温接合され、かつ前記n型GaN層の出力光を取り出す側の面の出力光を取り出す領域を除く領域にn側電極が形成されている
ことを特徴とする請求項7に記載の発光ダイオード。
前記支持基板がAlN焼結支持基板であることを特徴する請求項7に記載の発光ダイオード。
前記支持基板が銅支持基板であることを特徴する請求項7に記載の発光ダイオード。
前記AlN焼結支持基板にはビアホール（via hole）が形成されていることを特徴とする請求項9に記載の発光ダイオード。