JP2004055816A

JP2004055816A - 窒化物化合物半導体発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004055816A
Application number: JP2002211062A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Yamamoto; 山本　　茂
Original assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】発光素子の側面に反射膜を設け、素子単品で側面方向に発光する光を反射膜により積極的に上面に取り出すようにしたものである。
【解決手段】基板２の表面側に窒化物系化合物半導体層４、５を形成させた窒化物系化合物半導体ウエハ１を用いた発光素子において、発光層６の外周に形成される側面に発光波長を反射させる反射膜１２を設け、素子の指向特性が変化し、製品での反射枠を形成しなくても側面方向の光を上面に取出すことが可能としたものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系化合物半導体とその製造方法に関し、特に、窒化物系化合物半導体素子の側面に反射膜を形成し、素子側面への漏れ光を効率的に上面に取出す構造の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、化合物半導体は、ＰＮ接合で生じた発光を効率的に外部に取出す事を目的に、基板も発光光に対して透明な材料が選択される。しかし、この発光光は素子全面に放射されるため、製品化に当っては反射枠を形成して側面方向の光をこの反射枠に当てて上面に取出す工夫がなされている。（特開平５−１４５１８６号公報）
また、近年、窒化物化合物半導体を用いた紫外〜緑色発光素子が量産化されているが、高硬度のサファイア基板などを用いるために微細加工が困難で、ダイヤモンドポイントで罫書き線を形成して分割するスクライブ法が用いられている程度にとどまっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
化合物半導体素子は発光光が素子全方向に放射されるため、前述のように、製品化に当っては反射枠を形成して側面方向の光を上面に取出す工夫が必要となり、部品点数の増加、反射枠の取付作業製品寸法に制約を生じさせる要因となっている。
【０００４】
そこで、本発明は、発光素子の側面自体に反射膜を設け、素子単品で側面方向の発光光を積極的に上面に取出すことを課題の１つとする。
【０００５】
また、前記反射膜の形成に当り、機械加工が困難であったサファイア基板等を用いた窒化物系化合物半導体の加工方法を提供することを課題の１つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１に、発光波長に対して透光性を有する基板の表面側に、少なくとも２層以上の窒化物系半導体層を形成させた窒化物系化合物半導体ウエハを用いた発光素子において、発光層の外周に形成された側面に発光波長を反射する反射膜を設けたものである。
【０００７】
第２に、前記反射膜の形成に際して、前記半導体層及び基板にレーザ光を用いて窒化物系化合物半導体ウエハに溝を形成する工程と、前記溝の加工面の反応層を除去する工程と、前記溝の表面又は／及び全面に前記発光光を反射させる層を形成する工程と、前記溝の中央部及び／又は溝の外周部分でウエハ分割を行い、チップ化するものである。
【０００８】
第３に、前記溝の加工面を塩素又は／及びフッ素を含むプラズマガスでドライエッチングするものである。
【０００９】
第４に、前記溝の形成に際して、光取出し面の反対側よりレーザ光を照射するものである。
【００１０】
第５に、ガウシアン分布形状のビームプロファイルを用いることにより、レーザ光で溝の先端をＶ字型にするものである。
【００１１】
第６に、前記基板側よりレーザ光を照射して前記溝を形成した時のドライエッチングに際して、少なくとも形成した前記溝の周辺は基板を露出させて溝の開口部を広げるものである。
【００１２】
第７に、前記反射膜を透光性の絶縁膜と金属膜の２層構造とするものである。
【００１３】
第８に、前記基板が窒化ガリウム、炭化珪素、スピネル、またはサファイアで、半導体層が窒化物系化合物半導体であり、レーザ光波長が５００ｎｍ以下としたものである。
【００１４】
第９に、第２から第８に記載された製造方法により製造された窒化物系化合物半導体発光素子を提供するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図２に示すように、半導体ウエハ１を準備する。この半導体ウエハ１は、基板２の表面側に少なくとも２層以上の半導体層３を有する。基板２は、厚さが２５０μｍのサファイア基板としているが、発光光に対して透光性を有していればそれ以外の材料、厚さのものを使用することもできる。基板２の大きさは、直径が２インチである。基板２の表面側に、ｎ型とｐ型の窒化物系化合物半導体層４、５を順次積層して形成されている。ｎ型とｐ型の半導体層４、５の間に発光層６が形成される。
【００１７】
半導体ウエハ１は、一方の面にｎ型の電極７とｐ型の電極８を備える。ｎ型の半導体層４にはｎ型用の前記電極７を接続し、ｐ型の半導体層５にはｐ型用の前記電極８を接続している。ｐ型、ｎ型の電極を上下に形成することができる窒化ガリウム、炭化珪素などの導電性基板を用いる際にも、以下の記述内容で同様の効果が得られる。
【００１８】
図３に示すように、上記半導体ウエハ１の表面の全面には、除去可能な下側の保護層（図示せず）と上側の保護層（図示せず）の２層構造とした保護膜９を形成する。下側の保護層は、フォトレジスト、ポリイミド、酸化珪素、窒化珪素などを用いてもかまわない。上側の保護層は、ニッケル、チタン及び／またはそれらを含む金属でもかまわない。その後、半導体側からレーザー光１０の照射が行われる。このレーザー光１０は、半導体ウエハ１、基板２にて大きな光吸収が生じる短波長領域の波長を有するものを選択した。レーザー光１０の波長は、５００ｎｍ以下とすることが好ましい。この例では、レーザー光１０は、固体レーザーであるＹＡＧレーザー（波長が１．０６μｍ）の第３高調波（波長が３５５ｎｍ）の高出力パルスレーザーを利用したが、１．０６μｍなどの他の波長を用いることもできる。
【００１９】
このレーザー光１０を、半導体ウエハ１のＸ方向、あるいはＹ方向に走査することによって、半導体ウエハ１の表面に溝１１を形成する。レーザー光１０は自在に走査できるため、短形以外、丸型、多角形など、発光層を独立化できる形状であれば自由に形成できる。レーザー光のビームプロファイルはガウシアン分布の波形のものを用いた。ガウシアン分布、すなわち中心に出力のピーク分布を持つレーザー波形を用いることにより、溝１１の底の断面形状をＶ字形状とすることができた。レーザー光１０の焦点は半導体層３表面近傍に設定した。レーザー光１０のパルス周波数は１０ＫＨｚとした。走査のスピードは、０．７５ｍｍ／ｓｅｃとした。レーザー光１０による走査は、半導体層３と電極７、８の形成パターンに従ったピッチで行った。この例では、レーザー光１０による走査を３５０μｍのピッチでＸ方向とＹ方向に行った。
【００２０】
この時、基板２に形成される溝１１の深さは１５０μｍであった。溝１１は、最上部の幅が３０μｍ、最下部の幅が５μｍ以下であった。基板２の厚さが２５０μｍであるので、溝１１は基板２の裏面に達しない。
【００２１】
溝１１の深さは、半導体ウエハ１の厚さの２０％以上とすることが、後に形成する反射膜の効果、分割時の歩留まりを高める上で好ましい。溝１１の深さは、半導体ウエハ１の厚さの９０％以下とすることが、後の工程でのウエハ割れを少なくする上で好ましい。溝１１の深さは、半導体ウエハ１の厚さの５０％以上８０％以下とするのが、反射膜の効果、後工程での割れの抑制、分割時の歩留まりを高める上で好ましい。
【００２２】
結局、溝１１の深さは、半導体ウエハ１の厚さの５２％以上で８０％以下が最適となる。
【００２３】
レーザー光１０で加工した面は、反応生成物の堆積、熱的なダメージ層が形成されるため、Ｘ（横）方向とＹ（縦）方向に複数の溝１１が形成された半導体ウエハは、真空度１Ｐａ、高周波電力３００Ｗ、ＢＣｌ３ガスを１０ミリリットル／分の割合で供給し、溝のドライエッチングを行った。
【００２４】
この時、窒化物系半導体層、基板がエッチングできれば他の塩素系ガス、またはフッ素系ガスを用いてもかまわない。また、保護膜の開口部をレーザー加工幅より大きく設定してプラズマを開口部に集中させることによりＶ字型の幅を広く形成し、チップとしてのテーパーを大きく形成することもできる。このダメージ層は金属製のブラシ等によって機械的に除去することもできる。
【００２５】
その後、図１、図４に示すように、溝１１の表面にＡｌを蒸着して反射膜１２を形成した。前記反射膜の形成に際し、スパッタ、メッキ法を用いても良く、反射膜１２はＡｇなど、他の金属、または白色等に着色された樹脂を用いても効果は得られ、溝全面を前記材料、方法によって埋めても同様の効果は得られる。また、導電性の反射膜の形成に際して電極との接触が懸念される場合、あらかじめ透光性の絶縁膜１３を形成した後に前記反射膜１２を形成しても同様の効果が得られる。
【００２６】
下側の保護層と上側の保護層を除去して保護膜を除去した後、溝に沿って先端を鋭角としたブレイク歯を当て、図５、図６に示すように加圧分割して切断部１４により半導体チップを形成した。また、反射膜１２の外周に再度レーザー光を照射して溝を形成し、その位置で分割する事もできる。
【００２７】
窒化物系化合物半導体素子は、素子上下の電極遮光率の小さい面を光取出し面とするほうが望ましく、本実施例においては図７に示すように、基板面を光取出し面とし、窒化物系半導体側よりレーザー光を照射して溝を形成する構造が最も効果的で、図８のように発光層の側面まで反射膜を形成すればさらに効果は大きい。しかし、これ以外の構造でも効果は得られる。
【００２８】
本実施例では、基板の表側に溝を形成し、それに反射膜を形成したが、この反射膜は光源に近い位置となって光を効果的に反射できる。
【００２９】
図９は、基板の裏側から溝１１を形成し、それに反射膜１２を形成した他の実施例を示したもので、基板の裏面から溝を形成することは基板の表面にある保護膜や半導体層に与える機械的な影響が少なくなる利点がある。
【００３０】
反射膜を基板の表側に形成するか、裏側に形成するかは素子の出力や波長等の要素に応じて選択すればよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、図１０に示すように素子の指向特性が変化し、製品での反射枠を形成しなくても側面方向の光を上面に取出すことが可能となった。また、素子の分割に際してもチッピングやクラックの発生を抑制することができる。
【００３２】
特にチップ型発光装置にこのチップを用いることにより側面の反射枠が不要となり、従来はチップの幅に対して０．５ｍｍ以上必要であった製品幅が０．２ｍｍ以下に設計することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物化合物半導体発光素子の断面図である。
【図２】同じく加工前の断面図を示すものである。
【図３】同じく製造工程を示すものである。
【図４】同じく製造工程を示すものである。
【図５】同じく製造工程を示すものである。
【図６】同じく製造工程を示すものである。
【図７】同じく製造工程を示すものである。
【図８】同じく製造工程を示すものである。
【図９】同じく他の実施例を示すものである。
【図１０】同じくレーザ波形のピーク分布図である。
【符号の説明】
１　半導体ウエハ
２　基板
３　半導体層
４　ｎ型半導体層
５　Ｐ型半導体層
６　発光層
９　保護膜
１０　レーザ光
１１　溝
１２　反射膜

Claims

発光波長に対して透光性を有する基板の表面側に、少なくとも２層以上の窒化物系半導体層を形成させた窒化物系化合物半導体ウエハを用いた発光素子において、発光層の外周に形成された側面に発光波長を反射する反射膜を設けたことを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。
前記反射膜の形成に際して、前記半導体層及び基板にレーザ光を用いて窒化物系化合物半導体ウエハに溝を形成する工程と、前記溝の加工面の反応層を除去する工程と、前記溝の表面又は／及び全面に前記発光光を反射させる層を形成する工程と、前記溝の中央部及び／又は溝の外周部分でウエハ分割を行い、チップ化することを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
前記溝の加工面を塩素又は／及びフッ素を含むプラズマガスでドライエッチングすることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
前記溝の形成に際して、光取出し面の反対側よりレーザ光を照射することを特徴とする請求項２、３に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
ガウシアン分布形状のビームプロファイルを用いることにより、レーザ光で溝の先端をＶ字型にすることを特徴とする請求項２から４に記載の窒化物系化合物半導体の製造方法。
前記基板側よりレーザ光を照射して前記溝を形成した時のドライエッチングに際して、少なくとも形成した前記溝の周辺は基板を露出させて溝の開口部を広げることを特徴とする請求項２から５に記載の窒化物系化合物半導体の製造方法。
前記反射膜を透光性の絶縁膜と金属膜の２層構造とすることを特徴とする請求項２から６に記載の窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
前記基板が窒化ガリウム、炭化珪素、スピネル、またはサファイアで、半導体層が窒化物系化合物半導体であり、レーザ光波長が５００ｎｍ以下である請求項１から７のいずれかに記載の窒化物系化合物半導体の製造方法。
前記請求項２から８のいずれかに記載の製造方法で製造されたことを特徴とする窒化物系化合物半導体。