CN103548158B - 发光元件的制造方法以及发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明的发光元件的制造方法以及使用该方法制造的发光元件，在制造发光元件时，不会因为形成设置于单晶衬底上的纵孔而对发光元件层造成损坏；在该发光元件的制造方法中，经过下述工序来制造发光元件(80)，该工序是指：在发光元件用单晶衬底(30A)的一面(32T)上形成发光元件层(40)；接着，对发光元件用单晶衬底(30A)的另一面(32B)进行研磨，直到成为纵孔(34A)沿厚度方向贯穿发光元件用单晶衬底(30A)的状态为止；接着，通过从纵孔(34B)的另一面(32B)的开口部(36B)侧向纵孔(34B)内填充导电性材料，从而形成从发光元件层(40)侧延续至另一面(32B)的开口部(36B)为止的导电部(50)。

Description

发光元件的制造方法以及发光元件
技术领域
本发明涉及发光元件的制造方法以及发光元件。
背景技术
作为发光元件，在蓝宝石衬底等的单晶衬底上设有由一层以上的半导体层等层压而成且具有作为发光元件的功能的层(发光元件层)的元件已被广泛认知。在具有上述层结构的发光元件中，一对电极在元件的厚度方向上按照第一电极、发光元件层、绝缘性单晶衬底、第二电极的顺序配置。
作为发光元件的一种的LED(Light Emitting Diode：发光二极管)的制造方法，存在在蓝宝石衬底上作为发光元件层而形成LED后利用激光将蓝宝石衬底剥离的激光剥离(laser lift-off)技术。使用激光剥离技术可以制造可流通大电流的立式LED，但是，通过激光很难将蓝宝石衬底完全剥离，另外激光也会对LED造成损坏，因而成品率较差。
因此，公开了下述制造方法，即，为了将发光元件层与第二电极电连接，而在单晶衬底上设置沿厚度方向贯穿单晶衬底的纵孔，并向该纵孔内填充导电性材料或者使导电性材料形成为层状，由此来确保发光元件层与第二电极之间的导通(参照专利文献1～4)。另外，在发光元件层与单晶衬底之间进而设有缓冲层的情况下，设置沿厚度方向贯穿单晶衬底和缓冲层的纵孔，并向该纵孔内填充导电性材料(参照专利文献1、3、4)。在使用上述制造方法的情况下，由于无需将单晶衬底从发光元件层完全剥离，因而成品率提高。
在上述专利文献1～4中所记载的技术中，在形成设置于单晶衬底上的缓冲层或构成发光元件层的各层中的至少一部分层之后，利用干蚀刻或者激光烧蚀等各种蚀刻方法来形成纵孔。
【在先技术文献】
【专利文献】
专利文献1：日本公报、特开平8-83929号
专利文献2：日本公报、特开平10-173235号
专利文献3：日本公报、特开平10-84167号
专利文献4：日本公报、特开平11-45892号
发明内容
但是，在利用专利文献1～4所例示的工艺制造发光元件的情况下，当形成纵孔时的蚀刻量过大时，有时会对发光元件层造成损坏。该情况下，会对发光元件的发光特性等造成不良影响。另一方面，当为了避免过度蚀刻而导致蚀刻量不足时，无法确保发光元件层与设置于单晶衬底的、与设有发光元件层的一侧为相反侧的电极(第二电极)之间的导通路径。即，该情况下无法制造发光元件本身。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其课题在于提供一种在制造发光元件时不会因为形成设置于单晶衬底上的纵孔而对发光元件层造成损坏的发光元件的制造方法、以及利用该发光元件的制造方法进行制造的发光元件。
上述课题是通过以下的本发明而实现。即，
第一本发明的发光元件的制造方法的特征在于，至少经过发光元件层形成工序、研磨工序以及导电部形成工序来制造发光元件，其中，在发光元件层形成工序中，在设有纵孔的发光元件用单晶衬底的一面上形成发光元件层，该纵孔仅在上述一面上具有开口部；研磨工序是在至少经过该发光元件层形成工序后，对发光元件用单晶衬底的另一面进行研磨，直到成为纵孔沿厚度方向贯穿发光元件用单晶衬底的状态为止；导电部形成工序是在至少经过研磨工序后，从纵孔的另一面的开口部侧向纵孔内填充导电性材料，从而形成从发光元件层侧延续至另一面的开口部为止的导电部。
第二本发明的发光元件的制造方法的特征在于，使用带膜发光元件用单晶衬底并至少经过研磨工序和导电部形成工序来制造发光元件，其中，带膜发光元件用单晶衬底具有发光元件用单晶衬底和薄膜，发光元件用单晶衬底设有仅在一面上具有开口部的纵孔，薄膜设置于该发光元件用单晶衬底的上述一面上，并且，该薄膜由至少包含由GaN系材料构成的层的一个以上的层构成；在研磨工序中，对发光元件用单晶衬底的另一面进行研磨，直到成为纵孔沿厚度方向贯穿发光元件用单晶衬底的状态为止；导电部形成工序是在至少经过研磨工序后，从纵孔的另一面的开口部侧向纵孔内填充导电性材料，从而形成从薄膜侧延续至另一面的开口部为止的导电部。
第一本发明的发光元件的制造方法和第二本发明的发光元件的制造方法的一实施方式，优选发光元件用单晶衬底至少经过变质层形成工序和纵孔形成工序进行制造，其中，在变质层形成工序中，通过使焦点对准单晶衬底的一面的表面附近处的方式从单晶衬底的该一面侧照射激光，从而形成轴向中心线与该一面交叉且呈大致柱状的变质层；纵孔形成工序是在至少经过该变质层形成工序之后，通过使至少上述一面与蚀刻溶液接触而将变质层选择性地溶解、除去，从而形成仅在上述一面上具有开口部的纵孔。
第一本发明的发光元件的制造方法和第二本发明的发光元件的制造方法的另一实施方式，优选激光的照射以满足从下述A和B中选择的任一个照射条件的方式来实施。
<照射条件A>
·激光波长：200nm～350nm
·脉冲宽度：纳秒级
<照射条件B>
·激光波长：350nm～2000nm
·脉冲宽度：飞秒级～皮秒级
第一本发明的发光元件的制造方法和第二本发明的发光元件的制造方法的另一实施方式，优选纵孔的内壁面由蚀刻面构成，并且，纵孔的内径相对于纵孔的深度方向，随着从一面的开口部侧朝向另一面的开口部侧前进而以大致呈一次函数关系的方式变小。
第一本发明的发光元件的特征在于，至少经过发光元件层形成工序、研磨工序以及导电部形成工序进行制造，其中，在发光元件层形成工序中，在设有纵孔的发光元件用单晶衬底的一面上形成发光元件层，该纵孔仅在上述一面上具有开口部；研磨工序是在至少经过该发光元件层形成工序后，对发光元件用单晶衬底的另一面进行研磨，直到成为纵孔沿厚度方向贯穿发光元件用单晶衬底的状态为止；导电部形成工序是在至少经过研磨工序后，从纵孔的另一面的开口部侧向纵孔内填充导电性材料，从而形成从发光元件层侧延续至另一面的开口部为止的导电部。
第二本发明的发光元件的特征在于，使用带膜发光元件用单晶衬底并至少经过研磨工序和导电部形成工序进行制造，其中，带膜发光元件用单晶衬底具有发光元件用单晶衬底和薄膜，发光元件用单晶衬底设有仅在一面上具有开口部的纵孔，薄膜设置于该发光元件用单晶衬底的上述一面上， 并且，该薄膜由至少包含由GaN系材料构成的层的一个以上的层构成；在研磨工序中，对发光元件用单晶衬底的另一面进行研磨，直到成为纵孔沿厚度方向贯穿发光元件用单晶衬底的状态为止；导电部形成工序是在至少经过研磨工序后，从纵孔的另一面的开口部侧向纵孔内填充导电性材料，从而形成从薄膜侧延续至另一面的开口部为止的导电部。
第一本发明的发光元件和第二本发明的发光元件的一实施方式，优选发光元件用单晶衬底至少经过变质层形成工序和纵孔形成工序进行制造，其中，在变质层形成工序中，通过使焦点对准单晶衬底的一面的表面附近处的方式从单晶衬底的该一面侧照射激光，从而形成轴向中心线与该一面交叉且呈大致柱状的变质层；纵孔形成工序是在至少经过该变质层形成工序后，通过使至少上述一面与蚀刻溶液接触而将变质层选择性地溶解、除去，从而形成仅在上述一面上具有开口部的纵孔。
第三本发明的发光元件的特征在于，其具有：发光元件用单晶衬底，其具有从一面贯穿至另一面且两面的开口部的形状呈大致圆形的纵孔；发光元件层，其设置于上述一面上；第一电极，其设置于该发光元件层的、与设置有发光元件用单晶衬底的一侧为相反侧的面上；第二电极，其设置于上述另一面上；以及导电部，其由填充在纵孔内的导电性材料构成并且将第二电极与发光元件层电连接；纵孔的内壁面由蚀刻面构成，并且，纵孔的内径相对于纵孔的深度方向，随着从一面的开口部侧朝向另一面的开口部侧前进而以大致呈一次函数关系的方式变小。
(发明效果)
根据本发明，能够提供一种在制造发光元件时不会因为形成设置于单晶衬底上的纵孔而对发光元件层造成损坏的发光元件的制造方法、以及利用该发光元件的制造方法进行制造的发光元件。
附图说明
图1是表示第一本实施方式的发光元件的制造中所使用的发光元件用单晶衬底的一例的模式剖面图。
图2是对第一本实施方式的发光元件的制造方法的一例进行说明的模式剖面图。在此，图2(A)是说明发光元件层形成工序的图，图2(B)是说明研磨工序的图，图2(C)是说明导电部形成工序的图。
图3是表示第二本实施方式的发光元件的制造方法中所使用的带膜发 光元件用单晶衬底的一例的模式剖面图。
图4是对发光元件用单晶衬底的制造方法的另一例进行说明的模式剖面图。在此，图4(A)是表示激光照射期间的单晶衬底的一例的剖面图，图4(B)是表示图4(A)所示的激光照射处理结束后的单晶衬底的一例的剖面图。
图5是表示纵孔的具体剖面形状的一例的模式剖面图。
图6是制造例的试样中的纵孔的剖面形状的光学显微镜照片。
图7是表示制造例的试样中的变质层形成状态的俯视图，且是沿着网格线对单晶衬底的面内照射激光后的单晶衬底的俯视图。
图8是制造例中的图7的SA部分的放大图。
图9是在E-E部分处将制造例中的图7所示的单晶衬底切断时的单晶衬底的剖面图。
图10是图9的SB部分的放大图。
(符号说明)
具体实施方式
第一本实施方式的发光元件的制造方法的特征在于，至少经过发光元件层形成工序、研磨工序以及导电部形成工序来制造发光元件，其中，在发光元件层形成工序中，在设有纵孔的发光元件用单晶衬底的一面上形成发光元件层，该纵孔仅在上述一面上具有开口部；研磨工序是在至少经过发光元件层形成工序之后，对发光元件用单晶衬底的另一面进行研磨，直到成为纵孔沿厚度方向贯穿发光元件用单晶衬底的状态为止；导电部形成工序是在至少经过研磨工序之后，从纵孔的另一面的开口部侧向纵孔内填充导电性材料，从而形成从发光元件层侧延续至另一面的开口部为止的导电部。
在此，用于制造发光元件的发光元件用单晶衬底设有仅在其一面上具有开口部的纵孔。图1是表示第一本实施方式的发光元件的制造中所使用的发光元件用单晶衬底的一例的模式剖面图。
图1所示的发光元件用单晶衬底30A(30)设有在其一面(第一面32T)上具有开口部36T的纵孔34A(34)。在此，纵孔34A的数量、或者其在第一面32T面内的配置位置等可以适当地进行选择。另外，纵孔34A的开口部36T的形状也可以适当地选择为圆形、椭圆形、带状等。另外，在以下的说明中，以开口部36T的形状呈大致圆形为前提进行说明。
在此，纵孔34A的深度Y可以适当地进行选择，但从尽可能地减小对发光元件用单晶衬底30A的另一面(第二面32B)进行研磨的研磨工序(所谓的背减薄(back lapping)处理)中的研磨量这一观点来看，深度Y优选较大。该情况下，当也考虑到通过下述各种纵孔形成方法容易实现的蚀刻深度时，深度Y优选在30μm～100μm左右的范围内。另外，纵孔34A的开口部36T的内径X并没有特别限定，但优选在10μm以下，更优选在5μm以下。在将纵孔34A的开口部的内径X设为5μm以下的情况下，在制造发光元件时，若在第一面32T上形成发光元件层时利用ELOG(Epitaxial Lateral Over Growth、侧向外延生长)法，则可以以构成发光元件层的材料不会进入纵孔34A内的方式形成发光元件层。
另外，内径X的下限值并没有特别限定，但优选内径X在2μm以上，以在制造发光元件时能够可靠地将金属等导电性材料填充到纵孔34A内。另外，深度Y与内径X的比率(Y/X)并没有特别限定，但优选为3以上，更优选为8以上。该情况下，能够形成纵向更长的纵孔34A。
关于纵孔34A的形成方法，可以适当地利用公知的蚀刻法，例如可以 举出下述蚀刻法。首先，在单晶衬底的一面上形成抗蚀膜之后，对该抗蚀膜实施图案形成(patterning)从而设置开口部。然后，通过干蚀刻或者湿蚀刻对露出于开口部内的单晶衬底表面进行蚀刻，从而能够形成纵孔34A。
另外，在上述方法中，为了限定蚀刻区域而需要掩膜(设有开口部的抗蚀膜)，但是，在利用激光照射的情况下，也可以通过无掩膜工艺(maskless process)形成纵孔34A。例如，可以通过对单晶衬底表面的一部分区域照射激光而使构成单晶衬底的材料汽化从而形成纵孔34A。该情况下，也可以在该激光处理后根据需要而实施干蚀刻或者湿蚀刻。
另外，也可以在通过激光照射而在单晶衬底表面的一部分区域内形成变质层后，通过湿蚀刻或者干蚀刻而将该变质层选择性地除去，从而形成纵孔34A。另外，在以上所说明的上述各种纵孔34A的形成方法中，从能够在短时间内高效地形成纵孔34A这一观点来看，优选采用在通过激光照射形成变质层后实施湿蚀刻的方法。
接着，对于发光元件层形成工序、研磨工序以及导电部形成工序进行说明。图2是对第一本实施方式的发光元件的制造方法的一例进行说明的模式剖面图。在此，图2(A)是说明发光元件层形成工序的图，图2(B)是说明研磨工序(背减薄(back lapping)处理)的图，图2(C)是说明导电部形成工序的图。
首先，在发光元件层形成工序中，如图2(A)所示，在发光元件用单晶衬底30A的一面(第一面32T)上形成发光元件层40。另外，在发光元件层形成工序中，也可以在形成发光元件层40之前根据需要在第一面32T上形成缓冲层。在图2(A)所示的例子中，开口部36T呈大致圆形，且其内径呈2μm～5μm左右的适于通过ELOG法进行成膜的大小。而且，发光元件层40是利用ELOG法而形成的。因此，在图2(A)所示的例子中，在纵孔34A内实质上并不存在构成发光元件层40的材料。
在此，该发光元件层40只要包含由氮化镓等构成的至少一层以上的半导体层且具有通电时发光的功能，便可以适当地选择公知的发光元件的层结构。即，发光元件层40的层结构、和构成发光元件层40的各层的膜厚度、材料以及结晶性/非晶性，可以根据发光元件中所要求的发光特性、发光元件的制造工艺等适当地进行选择。
但是，优选构成发光元件层40的至少任意一层为结晶性的层。另外，从能够利用露出于发光元件用单晶衬底30A的第一面32T上的结晶面进行 外延生长这一观点来看，优选构成发光元件层40的各层中的、至少与发光元件用单晶衬底30A的第一面32T直接接触的层为结晶性的层，构成发光元件层40的所有层均为结晶性的层亦可。
另外，外延生长包括含有相同组成或者混晶的同质外延生长、异质外延生长。另外，构成发光元件层40的各层的材料也可以根据所制造的元件适当地进行选择，但是，当考虑到发光元件用单晶衬底30A由蓝宝石等单晶材料构成的情况时，构成各层的材料也优选为金属材料、金属氧化物材料、无机半导体材料等的无机材料，并且最好所有层均由上述无机材料构成。但是，在作为成膜方法而使用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition、有机金属化学气相沉积)法时，有时会在层的无机材料中含有来自有机金属的有机物。
关于构成发光元件层40的各层的具体例，例如，作为适于制造面发光激光器等中所使用的发光元件、光传感器或太阳能电池等中所使用的受光元件、电子电路等中所使用的半导体元件等各种利用氮化物半导体形成的元件的层，可以举出GaN系、AlGaN系、InGaN系等的氮化物半导体结晶层。例如，在利用氮化物半导体制造发光元件时，可以先在发光元件用单晶衬底30A的第一面32T上形成由GaN构成的缓冲层，然后，在该缓冲层上形成由下述层结构构成的发光元件层40，其中，该层结构是指：依次层压由n型GaN构成的n型接触层、由n型AlGaN构成的n型包层、由n型InGaN构成的活性层、由p型AlGaN构成的p型包层、由p型GaN构成的p型接触层。
发光元件层40以及根据需要而设置的缓冲层的成膜方法并没有特别限定，可以利用公知的成膜方法，也可以针对各层而采用不同的成膜方法和/或成膜条件进行成膜。作为成膜方法，可以举出电镀法等的液相成膜法，但优选使用溅射法或CVD(Chemical Vapor Deposition、化学气相沉积)法等的气相成膜法。
另外，在以制造发光元件等为目的而成膜氮化物半导体结晶层等的半导体结晶层时，更优选利用MOCVD法、HVPE(Hydride vapor phase epitaxy、氢化物气相外延)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy、分子束外延)法等的气相成膜法。另外，尤其优选发光元件用单晶衬底30A的第一面32T呈镜面状态(表面粗糙度Ra为1nm以下左右)。为使第一面32T成为镜面状态，可以对发光元件用单晶衬底30A的第一面32T实施镜面研磨。或者， 也可以在对用于制造发光元件用单晶衬底30A的单晶衬底的、欲形成纵孔34A的面实施镜面研磨后，使用该单晶衬底来制造发光元件用单晶衬底30A。经由上述工序制成的发光元件用单晶衬底30A的第一面32T也呈镜面状态。
在至少经过图2(A)所示的发光元件层形成工序之后，实施研磨工序(所谓的背减薄(back lapping)处理)(图2(B))，在该研磨工序中，对发光元件用单晶衬底30A的另一面(第二面32B)进行研磨，直到成为纵孔34A沿厚度方向贯穿发光元件用单晶衬底30A的状态为止。然后，在该背减薄处理结束后，形成在第二面32B上也具有开口部36B的贯通孔(纵孔34B(34))。另外，在实施背减薄处理时，以将图2(A)所示的发光元件层40的表面粘贴固定在平坦基板上的状态对第二面32B进行研磨。另外，背减薄处理后的发光元件用单晶衬底30B(30)的厚度取决于背减薄处理前的纵孔34A的深度Y，但可以使其厚度在30μm～100μm左右的范围内。
另一方面，在专利文献1～4等中所例示的、在形成发光元件层以及根据需要而设置的缓冲层的至少一部分后形成纵孔的现有发光元件的制造方法中，当形成纵孔时的蚀刻量过大时，有可能会对上述层造成损坏，进而对发光元件的发光特性也造成不良影响。另外，当形成纵孔时的蚀刻量不足时，无法确保发光元件层与夹着单晶衬底而设置于发光元件层的相反侧的电极之间的导通。因此，在形成纵孔时必须极其准确地控制蚀刻量。此外，为了提高蚀刻量的可控性，无法大幅提高蚀刻速率(etching rate)。但是，在第一本实施方式的发光元件的制造方法中，由于是在已形成有纵孔34A的状态的发光元件用单晶衬底30A上形成发光元件层40，因而完全无需考虑上述问题。
接着，在至少经过研磨工序后实施导电部形成工序(图2(C))，在该导电部形成工序中，从纵孔34B的在另一面(第二面32B)上新形成的开口部36B侧向纵孔34B内填充导电性材料，从而形成从发光元件层40侧延续至另一面(第二面32B)的开口部36B为止的导电部50。该情况下，通常在形成导电部50的同时形成将第二面32B的表面覆盖的电极60。作为构成导电部50和电极60的材料，例如可以举出由Al、Ti、Cr、Ni、Au等或者它们的合金构成的金属材料、和添加了磷等掺杂剂的导电性多晶硅等。在此，作为成膜方法，在使用金属材料时可以利用真空蒸镀法等，在使用导电性多晶硅时可以利用CVD法等。
另外，通常在形成发光元件层40后的任意时刻，在发光元件层40的、与设置有发光元件用单晶衬底30B的一侧为相反侧的面上，形成与电极60相同的薄膜状的电极70。另外，在形成电极60、70时，也可以通过图案形成(patterning)而仅在发光元件层40的表面或者第二面32B的规定区域内形成电极60、70。由此，能够得到图2(C)所示的发光元件80。在此，也可以根据需要而在发光元件层40与电极70之间设置由导电性材料构成的其他层。另外，由于发光元件80通常呈可获得多个芯片的晶片状，因而对发光元件80进行切割从而将其芯片化。
经过以上所说明的图2所例示的工序而制成的第一本实施方式的发光元件80具有如下结构。即，如图2(C)所例示，该发光元件80具有发光元件用单晶衬底30B、发光元件层40、电极70(第一电极)、电极60(第二电极)以及导电部50，其中，发光元件用单晶衬底30B上设有纵孔34B，该纵孔34B从一面(第一面32T)贯穿至另一面(第二面32B)且其两面的开口部36T、36B的形状呈大致圆形，发光元件层40设置于发光元件用单晶衬底30B的一面(第一面32T)上，电极70设置于发光元件层40的、与设置有发光元件用单晶衬底30B的一侧为相反侧的面上，电极60设置于发光元件用单晶衬底30B的另一面(第二面32B)上，导电部50由填充在纵孔34B内的导电性材料构成并且将电极60与发光元件层40电连接。
另外，作为构成用于制造发光元件80的发光元件用单晶衬底30A的材料，只要是蓝宝石等的单晶材料便没有特别限定，通常尤其优选为蓝宝石。
接着，对于第二本实施方式的发光元件的制造方法进行说明。在第二本实施方式的发光元件的制造方法中，使用具有发光元件用单晶衬底和薄膜的带膜发光元件用单晶衬底，其中，发光元件用单晶衬底设有仅在一面上具有开口部的纵孔，薄膜设置于该发光元件用单晶衬底的上述一面上，并且，该薄膜由至少包含由GaN系材料构成的层的一个以上的层构成。而且，至少经过研磨工序和导电部形成工序来制造发光元件，其中，在研磨工序中，对(构成带膜发光元件用单晶衬底的)发光元件用单晶衬底的另一面进行研磨，直到成为纵孔沿厚度方向贯穿发光元件用单晶衬底的状态为止，导电部形成工序是在至少经过研磨工序之后，从纵孔的另一面的开口部侧向纵孔内填充导电性材料，从而形成从薄膜侧延续至另一面的开口部为止的导电部。
图3是表示第二本实施方式的发光元件的制造方法中所使用的带膜发 光元件用单晶衬底的一例的模式剖面图。图3所示的带膜发光元件用单晶衬底100是在图1所例示的发光元件用单晶衬底30A的第一面32T上设有薄膜42，其中，该薄膜42由至少包含由GaN系材料构成的层的一个以上的层构成。即，薄膜42只要包含由GaN系材料构成的层，便可以是多层膜或者单层膜中的任一种。
在此，薄膜42是通过公知的成膜方法形成于发光元件用单晶衬底30A的第一面32T上的薄膜。而且，薄膜42具有构成包含由GaN系材料构成的层的上述发光元件层40的各层中的至少一层。即，薄膜42可以是包含构成上述发光元件层40的所有层且具有作为上述发光元件层40的功能的薄膜，也可以是仅包含构成上述发光元件层40的部分层且不具有作为上述发光元件层40的功能的薄膜。
另外，在薄膜42为不具有作为上述发光元件层40的功能的薄膜时，通过在研磨工序开始前或者研磨工序之后的任意时刻在薄膜42上进一步层压所需层，从而形成上述发光元件层40。因此，在第二本实施方式的发光元件的制造方法中，完全无需像现有发光元件的制造方法那样，担心形成纵孔时的蚀刻量过大时会对设置于发光元件用单晶衬底30A的第一面32T上的层造成损坏。
另外，除了作为研磨工序中所使用的衬底，使用图3所示的带膜发光元件用单晶衬底100来取代如图2(A)所示在发光元件用单晶衬底30A的第一面32T上设有发光元件层40的衬底这一点之外，第二本实施方式的发光元件的制造方法中的研磨工序和导电部形成工序与图2所例示的第一本实施方式的发光元件的制造方法实质上相同。
关于以上所说明的第一本实施方式的发光元件的制造方法中所使用的发光元件用单晶衬底30A、和构成第二本实施方式的发光元件的制造方法中所使用的带膜发光元件用单晶衬底100的发光元件用单晶衬底30A上所设有的纵孔34A，如上所述，可以适当地利用各种蚀刻方法而形成。但是，尤其优选利用通过激光照射形成变质层以及对该变质层进行湿蚀刻的方法来形成纵孔34A。
该情况下，可以至少经过变质层形成工序和纵孔形成工序来制造发光元件用单晶衬底30A，其中，在变质层形成工序中，通过使焦点对准单晶衬底一面的表面附近处的方式从单晶衬底的该一面侧照射激光，从而形成轴向中心线与该一面交叉的大致柱状的变质层，纵孔形成工序是在至少经过该变质层形成工序之后，通过使至少该一面与蚀刻溶液接触而将变质层选择性地溶解、除去，从而形成至少在该一面上具有开口部的纵孔。在此，作为用于制造发光元件用单晶衬底30A的单晶衬底，可以使用公知的单晶衬底，通常尤其优选使用蓝宝石衬底。
在该制造方法中，在形成纵孔34A时，通过激光照射而形成轴向中心线与单晶衬底的一面交叉的大致柱状的变质层。与以使构成单晶衬底的材料汽化(烧蚀(ablation))而形成孔为目的的激光照射处理相比，在上述激光照射处理中，通过激光照射在单位时间内投入到单位面积内的能量较少亦可。因此，容易大幅缩短激光照射处理所需的时间。
在此，与变质层周围的基质(matrix)相比，变质层相对于蚀刻溶液的蚀刻速率(etching rate)非常大。虽然其详细理由并不清楚，但推测是因为通过激光照射而使被激光照射的基质的结晶性降低(非晶质化)。因此，即使使变质层和变质层周围的基质同时与蚀刻溶液接触，通过利用上述变质层的蚀刻速率与变质层周围的基质的蚀刻速率之间的较大差异，也可以实质性地仅将变质层选择性地溶解、除去。
因此，与在单晶衬底表面上设置抗蚀膜并通过湿蚀刻或干蚀刻而形成纵孔34A的常用技术相比，在上述发光元件用单晶衬底30A的制造方法中，无需使用抗蚀膜便能够形成纵孔34A。即，在形成纵孔34A时能够实现无掩膜工艺。
因此，在形成变质层后对该变质层进行湿蚀刻的上述方法中，无需实施在干蚀刻或湿蚀刻的前后所实施的各种工序，即，抗蚀膜的成膜工序、抗蚀膜的图案形成工序、蚀刻处理后的抗蚀膜的除去工序、以及附带于上述工序而实施的清洗工序等其他工序。
另一方面，与干蚀刻相比，湿蚀刻中通常通过调节蚀刻溶液的组成、温度等而能够容易地得到较高的蚀刻速率(etching rate)。但是，单晶衬底、尤其是由蓝宝石材料构成的单晶衬底是在干蚀刻和湿蚀刻中均不易被蚀刻的材料。因此，即使是在通过湿蚀刻来形成纵孔34A的常用技术中，形成纵孔34A也需要一定的时间。但是，在形成变质层后对该变质层进行湿蚀刻的方法中，并不是对蓝宝石材料等单晶材料本身进行湿蚀刻而形成纵孔34A，而是通过激光照射使单晶材料变质后，对容易被湿蚀刻的材料(构成变质层的材料)进行湿蚀刻而形成纵孔。因此，在本实施方式的发光元件用单晶衬底的制造方法中，也能够大幅缩短湿蚀刻所需的时间。
如以上所说明，在形成变质层后对该变质层进行湿蚀刻的方法中，在形成纵孔34A时，需要实施利用激光照射形成变质层的变质层形成工序、和利用湿蚀刻形成纵孔的纵孔形成工序这两个工序，但这两个工序均能够在非常短的时间内实施。因此，与激光蚀刻、湿蚀刻、干蚀刻、或者将专利文献2、4等所例示的两种蚀刻方法组合后的复合蚀刻的任一种蚀刻工艺相比，在形成变质层后对该变质层进行湿蚀刻的方法中，能够在更短时间内形成纵孔34A。即，形成纵孔的生产率非常高。
此外，在形成变质层后对该变质层进行湿蚀刻的方法中的湿蚀刻不同于通常的等向性湿蚀刻，其是实质性地仅将变质层选择性地溶解、除去的非等向性湿蚀刻。因此，在形成变质层后对该变质层进行湿蚀刻的方法中，在形成纵孔34A时，也能够与可进行非等向性蚀刻的干蚀刻或者利用烧蚀的激光蚀刻同等程度地控制形状。
另外，在实施湿蚀刻时，优选将蚀刻溶液的温度设定在200℃～300℃左右的范围内。
另外，能够变为纵孔34A的变质层通过激光照射而形成。而且，可以在极短的时间内对单晶衬底表面的多个位置实施用于形成变质层的激光照射。例如，在直径为2英寸的单晶衬底的面内形成405万个左右的深40μm左右的变质层所需的时间约为5分钟。因此，在形成变质层后对该变质层进行湿蚀刻的方法中，能够容易地制造面内具有多个纵孔34A的发光元件用单晶衬底30A。
接着，分别对于变质层形成工序和纵孔形成工序更加详细地进行说明。首先，在变质层形成工序中，如图4所示，通过使焦点对准单晶衬底一面的表面附近处的方式照射激光，从而形成轴向中心线与该一面交叉的大致柱状的变质层。图4是对发光元件用单晶衬底30A的制造方法的另一例进行说明的模式剖面图，具体是对变质层形成工序的实施方式进行说明的剖面图。在此，图4(A)是表示激光照射期间的单晶衬底的一例的剖面图，图4(B)是表示图4(A)所示的激光照射处理结束后的单晶衬底的一例的剖面图。
在图4所示的实施方式中，从第一面12T侧照射激光LB(laser beam、激光束)。在此，激光LB的焦点位置被固定在第一面12T的表面附近处，具体来说，激光LB的焦点位置被固定在单晶衬底10A的厚度方向上的、以第一面12T为基准(深度为0)时深度为D的位置处。然后，当以该状 态持续照射激光LB时，以从深度为D的位置向第一面12T侧延伸的方式形成轴向中心线A与第一面12T交叉的变质层14。由此，能够得到图4(B)所例示的形成有变质层14的单晶衬底10D(10)。
在此，变质层14的深度和宽度可以通过适当地选择激光波长、激光功率、光斑尺寸、照射时间等的激光照射条件来进行控制。另外，通常优选从与第一面12T(或者第二面12B)形成90度角度的方向(垂直方向)照射激光LB，但是，也可以根据需要而从与第一面12T(或者第二面12B)形成小于90度角度的方向进行照射。
另外，当从与第一面12T垂直的方向照射激光LB时，变质层14的轴向中心线A也与第一面12T垂直。另外，变质层14的深度通常被设定为远小于单晶衬底10D的厚度。但是，变质层14的深度取决于单晶衬底10的厚度或者激光照射条件，但也可以将变质层14形成为从第一面12T侧起至第二面12B为止，从而使变质层14的深度与单晶衬底10D的厚度相等。
在图4所示的例子中，在照射激光LB期间，激光LB的焦点位置被固定在距离第一面12T的深度为D的位置处。但是，在照射激光LB期间，也可以使激光LB的焦点位置从深度为D的位置处向第一面12T侧移动。另外，深度D可以适当地进行选择，但通常优选设定在30μm～100μm的范围内。另外，以上所说明的激光照射的方式、条件尤其适于单晶衬底10为蓝宝石衬底的情况。
关于激光照射条件，只要能够形成具有所希望深度和宽度的变质层14，便可以以任意的照射条件实施激光照射。但是，从能够在较短的时间宽度内集中能量从而能够得到较高的峰值输出功率这一点来看，通常优选使用间断地发出激光束的脉冲激光的下述(1)和(2)所示的激光照射条件。
(1)激光波长：200nm～5000nm
(2)脉冲宽度：飞秒级～纳秒级(1fs～1000ns)。
另外，在上述照射条件的范围内，进一步更优选选择下述A或B所示的照射条件。
<照射条件A>
·激光波长：200nm～350nm
·脉冲宽度：纳秒级(1ns～1000ns)。另外，更优选为10ns～15ns。
<照射条件B>
·激光波长：350nm～2000nm
·脉冲宽度：飞秒级～皮秒级(1fs～1000ps)。另外，更优选为200fs～800fs。
另外，与照射条件B相比，照射条件A中利用的是激光波长在更短波段内的激光。因此，在以激光波长和脉冲宽度以外的其他条件相同的方式实施激光照射时，与照射条件B相比，采用照射条件A时能够缩短形成具有相同程度的深度和宽度的变质层14所需的激光加工时间。
另外，从实用性或批量生产率等观点来看，优选在以下所示的范围内选择激光波长和脉冲宽度以外的其他激光照射条件。
·重复频率：50kHz～500kHz
·激光功率：0.05W～0.8W
·激光的光斑尺寸：0.5μm～4.0μm(更优选为2μm～3μm左右)
·试样台的扫描速度：100mm/s～1000mm/s
接着，通过使图4(B)所示的形成有变质层的单晶衬底10D与蚀刻溶液接触，从而实质性地仅将变质层14选择性地溶解、除去。另外，湿蚀刻通常是将单晶衬底10D浸泡在装在蚀刻槽内的蚀刻溶液中而进行，但是，例如也可以以仅使第一面12T侧与蚀刻溶液接触的方式实施。通过该湿蚀刻处理，能够得到如图1所示设有在第一面32T上具有开口部36T的纵孔34A(34)的发光元件用单晶衬底30A。另外，该发光元件用单晶衬底30A中的第一面32T、第二面32B以及纵孔34A分别对应于图4(B)所示单晶衬底10D的第一面12T、第二面12B以及变质层14。
在此，当单晶衬底10为蓝宝石衬底时，作为纵孔形成工序中所使用的蚀刻溶液，使用作为主要成分而含有磷酸盐的蚀刻溶液。在该蚀刻溶液中，除了磷酸盐之外还可以根据需要添加其他成分。另外，作为其他成分，例如可以以pH值的调节等作为目的而使用硫酸、盐酸等磷酸盐以外的酸类、或者以提高蚀刻溶液的渗透性等作为目的而使用十二烷基苯磺酸钠等的表面活性剂。
在此，作为主要成分而含有磷酸盐的蚀刻溶液对于蓝宝石材料本身具有缓慢侵蚀、溶解的能力，但对于通过激光照射而使蓝宝石变质后的变质材料、即构成变质层14的材料具有显著的侵蚀、溶解能力。因此，利用该蚀刻溶液能够实质性地仅将变质材料选择性地溶解、除去。另外，蚀刻溶液中所含的磷酸盐等各成分的浓度、或者蚀刻溶液的温度可以适当地进行选择。优选将蚀刻溶液的温度设定在200℃～300℃左右的范围内。
另外，在图1所示的例子中，为了便于说明而示出了相对于深度方向而具有固定内径的纵孔34A。但是，在对变质层14进行湿蚀刻而形成纵孔34A的过程中，纵孔34A的开口部36T附近侧的内壁面受到蚀刻溶液侵蚀的时间更长。因此，在形成变质层14后对该变质层14进行湿蚀刻的方法中，纵孔34A的内径X呈沿深度方向而逐渐变小的趋势。
图5是表示图1所示纵孔34A的具体剖面形状的一例的模式剖面图。即，图5是表示纵孔34A的内径沿深度方向而逐渐变小的情况、换言之内径X与将第一面32T的深度设为0时的深度距离大致成比例地变小的情况的图。
在此，在图5所示的例子中，设有仅在一面(第一面32T)上具有开口部36T且开口部36T的形状呈大致圆形的纵孔34A，并且，纵孔34A的内壁面34WB、34WT由通过湿蚀刻而形成的蚀刻面构成。而且，纵孔34A的内径X相对于纵孔34A的深度方向，随着从开口部36T侧朝向纵孔34A的底部34D侧前进而以大致呈一次函数关系的方式变小。
虽然并不清楚纵孔34A的内径如上所述相对于深度方向而以大致呈一次函数关系的方式变小的详细原因，但认为其原因是：例如在对变质层14进行湿蚀刻时，蚀刻溶液通常是从开口部36T侧进行供给。即，在形成纵孔34A时，蚀刻溶液在纵孔34A的深度方向上的停留时间，随着从开口部36T侧朝向底部34D侧前进而以大致呈一次函数关系的方式减少。
另外，在图5所示的纵孔34A中，纵孔34A的开口部36T附近的内壁面34WT被形成为与第一面32T形成例如约30度～约60度左右的角度的平缓的倾斜面，而纵孔34A的、相比开口部36T附近更靠近第二面32B侧(图5中未图示)的内壁面34WB被形成为与第一面32T形成例如约大于等于80度且小于90度左右的角度的陡峭的倾斜面。
在此，具有图5所示那样的剖面形状的纵孔34A中的最大内径Xmax是指：纵孔34A的以相对于第一面32T呈陡峭的倾斜面的方式形成的内壁部分的内径中的、内径X的最大值。另外，在如图5所示纵孔34A具有内壁面34WT和内壁面34WB的情况下，只要至少在开口部36T附近区域以外的其他区域、换言之内壁面34WB上纵孔34A的内径相对于纵孔34A的深度方向而以大致呈一次函数关系的方式减小即可，其中，内壁面34WT位于开口部36T附近且由相对于第一面32T平缓的倾斜面构成，内壁面34WB位于相比开口部36T附近更靠近第二面32B侧的部分上且由相对于 第一面32T陡峭的倾斜面构成。另外，在图5所示的例子中，纵孔34A的底部34D的剖面形状呈尖尖的锥形，但也可以是半圆形或者梯形。
另外，在干蚀刻之后进一步实施湿蚀刻的情况下，蚀刻溶液一下子全部被注入通过干蚀刻形成的纵孔34A内。因此，不会像形成图5所示的纵孔34A时那样，蚀刻溶液在纵孔34A的深度方向上的停留时间产生差异。因此，不会因为蚀刻溶液在纵孔34A的深度方向上的停留时间差而导致纵孔34A的内径X沿深度方向减小。另外，在通过激光照射而使蓝宝石材料汽化从而形成纵孔34A时，由于激光束的指向性较高，因而也可以形成与利用干蚀刻时相同的纵孔34A。
接着，对发光元件用单晶衬底30A的具体制造例进行说明。
(制造例)
按照以下所说明的步骤制成了以图4所例示的实施方式实施了变质层形成工序后实施纵孔形成工序，从而具有图1所例示的剖面结构的发光元件用单晶衬底30A。首先，作为单晶衬底10A，准备直径为2英寸(50.8mm)、厚度为0.43mm的具有定向平面且呈圆形的单晶衬底。另外，该单晶衬底10A是预先对第一面12T实施了镜面研磨从而其表面粗糙度Ra为1nm左右的单晶衬底。
接着，通过真空吸附并以使第二面12B为底面侧的方式将单晶衬底10A固定在平坦的试样台上。在该状态下，从单晶衬底10A的第一面12T侧照射激光LB。另外，将激光LB照射期间的焦点位置设定在距离第一面12T表面的深度D为40μm的位置处，并且从与第一面12T垂直的方向照射激光LB。激光LB的照射条件详细如下。
—激光照射条件—
·激光波长：1045nm
·脉冲宽度：500fs
·重复频率：100kHz
·光斑尺寸：1.6μm～3.5μm
·激光功率：300mW
·试样台的扫描速度：1000mm/s
根据以上所说明的激光照射条件，并沿着图7中虚线所示的网格线照射激光LB，从而以如图8所示加工线之间(即网格线之间)的加工间距P为100μm、各加工线上的变质层彼此间的间隔S为10μm的方式在上述单晶衬底10A的面内形成变质层14，由此得到单晶衬底10C。另外，在利用光学显微镜观察该单晶衬底10C的剖面后发现，变质层14以从距离第一面12T的深度约为40μm的位置朝向第一面12T侧延伸的方式被形成为柱状。此时的激光加工所需的时间约为5分钟。图9中示出单晶衬底10C的剖面的图。进而如图10所示，柱状的变质层14的内径X为2μm，深度Y为40μm。
接着，在将形成有变质层14的单晶衬底10C在温度为250℃的蚀刻溶液(磷酸的浓度为85％)中浸泡15分钟进行湿蚀刻之后，将其浸泡在水中进行漂洗，进而将其浸泡在IPA(异丙醇)中，然后进行干燥。由此，得到面内形成有405万个纵孔34A的发光元件用单晶衬底30A。
另外，激光加工以及在其前后实施的单晶衬底10A的真空吸附固定等其他处理所需的时间约为5分钟，湿蚀刻处理以及随之实施的漂洗处理等其他处理所需的时间约为15分钟。即，在单晶衬底10A中形成纵孔34A所需的时间为20分钟。
(评价)
对于制造例中制成的试样，在以切割线通过开口部36T的中心点的方式将试样切断后，利用扫描式电子显微镜观察试样的剖面，从而对纵孔34A的剖面形状、最大内径Xmax、深度Y、比率(Y/Xmax)进行了评价。将其结果表示于表1中。另外，作为参考，图6中示出制造例的试样中的纵孔的剖面形状的光学显微镜照片。
[表1]
关于干蚀刻的蚀刻速率，例如在专利文献2所公开的例子中最大约为2.3μm/hr。另外，以与制造例相同的湿蚀刻条件对蓝宝石本身进行蚀刻时的蚀刻速率约为9μm/hr。而且，实施干蚀刻或者湿蚀刻时所需的抗蚀膜的形成和除去所需的一系列作业(例如成膜、曝光、显影等)所需的时间，虽然也取决于所使用的设备等，但通常需要约30分钟～90分钟左右。因此，在欲利用上述蚀刻方法来制造设有深度Y与制造例相同的纵孔的发光元件用单晶衬底时，可以说干蚀刻大约需要7小时～8小时左右，而湿蚀刻大约需要5小时～6小时左右。即，由此可知简单利用干蚀刻或者湿蚀刻来制造设有深度Y与制造例相同的纵孔的发光元件用单晶衬底时所需的时间远多于制造例。
(利用激光蚀刻的纵孔的形成)
为了通过激光蚀刻呈点状地形成具有与制造例相同程度的深度Y的纵孔34A，在以制造例的激光照射条件为基础进行研究后发现以下的条件。该激光照射条件的特征点在于：相对于制造例的激光照射条件而主要大幅增大了激光功率以能够使蓝宝石材料汽化(烧蚀)而不是变质。
—激光照射条件—
·激光波长：266nm
·脉冲宽度：10ns～20ns
·重复频率：10kHz
·光斑尺寸：2μm～5μm
·激光功率：1.3W
在此，在上述激光照射条件下，形成其深度与制造例相同的一个纵孔所需的时间约为3.0毫秒。由此可知，通过使激光扫描单晶衬底表面而形成与制造例的试样相同数量的纵孔所需的时间最短也要约3小时。即，可知简单利用激光蚀刻来制造设有深度Y与制造例相同的纵孔的发光元件用单晶衬底时所需的时间远多于制造例。
另外，以上所说明的通过激光照射形成变质层14并对该变质层14进行蚀刻的方法、或者利用该方法制成的发光元件用单晶衬底30A，也可以利用于第一本实施方式的发光元件的制造方法和第二本实施方式的发光元件的制造方法以外的其他发光元件的制造方法中，另外，也可以利用于发光元件以外的其他使用单晶衬底的各种元件的制造中。

Claims (8)

1.一种发光元件的制造方法，其特征在于，
至少经过发光元件层形成工序、研磨工序以及导电部形成工序来制造发光元件，
在所述发光元件层形成工序中，在设有纵孔的发光元件用单晶衬底的一面上形成发光元件层，其中，所述纵孔仅在所述一面上具有开口部且该开口部的深度(Y)与内径(X)的比率(Y/X)为3以上，
所述研磨工序是在至少经过所述发光元件层形成工序之后，对所述发光元件用单晶衬底的另一面进行研磨，直到成为所述纵孔沿厚度方向贯穿所述发光元件用单晶衬底的状态为止，
所述导电部形成工序是在至少经过所述研磨工序后，从所述纵孔的所述另一面的开口部侧向所述纵孔内填充导电性材料，从而形成从所述发光元件层侧延续至所述另一面的所述开口部为止的导电部，
所述纵孔的内壁面由蚀刻面构成，
所述纵孔的内径相对于所述纵孔的深度方向，随着从所述一面的开口部侧朝向所述另一面的开口部侧前进而以呈一次函数关系的方式变小。
2.一种发光元件的制造方法，其特征在于，
使用带膜发光元件用单晶衬底并至少经过研磨工序和导电部形成工序来制造发光元件，
所述带膜发光元件用单晶衬底具有发光元件用单晶衬底和薄膜，其中，所述发光元件用单晶衬底设有仅在一面上具有开口部且该开口部的深度(Y)与内径(X)的比率(Y/X)为3以上的纵孔，所述薄膜设置于所述发光元件用单晶衬底的所述一面上，并且，所述薄膜由至少包含由GaN系材料构成的层的一个以上的层构成，
在所述研磨工序中，对所述发光元件用单晶衬底的另一面进行研磨，直到成为所述纵孔沿厚度方向贯穿所述发光元件用单晶衬底的状态为止，
所述导电部形成工序是在至少经过所述研磨工序后，从所述纵孔的所述另一面的开口部侧向所述纵孔内填充导电性材料，从而形成从所述薄膜侧延续至所述另一面的所述开口部为止的导电部，
所述纵孔的内壁面由蚀刻面构成，
所述纵孔的内径相对于所述纵孔的深度方向，随着从所述一面的开口部侧朝向所述另一面的开口部侧前进而以呈一次函数关系的方式变小。
3.如权利要求1或2所述的发光元件的制造方法，其特征在于，
所述发光元件用单晶衬底至少经过变质层形成工序和纵孔形成工序进行制造，
在所述变质层形成工序中，通过使焦点对准单晶衬底的一面的表面附近处的方式从所述单晶衬底的所述一面侧照射激光，从而形成轴向中心线与所述一面交叉且呈柱状的变质层，
所述纵孔形成工序是在至少经过所述变质层形成工序后，通过使至少所述一面与蚀刻溶液接触而将所述变质层选择性地溶解、除去，从而形成仅在所述一面上具有开口部的纵孔。
4.如权利要求3所述的发光元件的制造方法，其特征在于，
所述激光的照射以满足从下述A和B中选择的任一个照射条件的方式来实施：
<照射条件A>
·激光波长：200nm～350nm
·脉冲宽度：纳秒级
<照射条件B>
·激光波长：350nm～2000nm
·脉冲宽度：飞秒级～皮秒级。
5.如权利要求3所述的发光元件的制造方法，其特征在于，
照射所述激光时的试样台的扫描速度在100mm/s～1000mm/s的范围内。
6.如权利要求1或2所述的发光元件的制造方法，其特征在于，
所述深度(Y)在30μm～100μm的范围内。
7.如权利要求1或2所述的发光元件的制造方法，其特征在于，
所述比率(Y/X)为8以上。
8.一种发光元件，其特征在于，具有：
发光元件用单晶衬底，其具有从一面贯穿至另一面且两面的开口部的形状呈圆形的纵孔；
发光元件层，其设置于所述一面上；
第一电极，其设置于所述发光元件层的、与设有所述发光元件用单晶衬底的一侧为相反侧的面上；
第二电极，其设置于所述另一面上；以及
导电部，其由填充在所述纵孔内的导电性材料构成并且将所述第二电极与所述发光元件层电连接，
所述纵孔的内壁面由蚀刻面构成，
所述纵孔的内径相对于所述纵孔的深度方向，随着从所述一面的开口部侧朝向所述另一面的开口部侧前进而以呈一次函数关系的方式变小。
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