JP2004158872A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた発光性能を有し、歩留良く所望の形、サイズに切断することができる発光素子を提供する。
【解決手段】 基板上に、該基板に格子不整合するｎ型及びｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層が順に積層された発光素子において、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の一部がエッチングされ、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の両側にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面を有すると共に、基板の分離部が、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層から露出されている。
【選択図】 図６

Description

本発明は青色発光ダイオード、青色レーザダイオード等の発光デバイスに使用される窒化ガリウム系化合物半導体チップに係り、特に、サファイア基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を損ねること無くチップ状に分離された発光素子に関する。

一般に発光ダイオード、レーザダイオード等の発光デバイスはステム上に発光源である半導体チップが設置されている。その半導体チップを構成する材料として、例えば赤色、橙色、黄色、緑色発光ダイオードではＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ等が知られている。青色ダイオード、青色レーザダイオードについては、数々の半導体材料が研究されているが、未だ実験段階であり実用化には至っていない。しかし、実用的な青色発光材料として、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体が注目されている。

従来、半導体材料が積層されたウエハーをチップに分離する方法としては一般にダイサー、またはスクライバーが使用されている。ダイサーとは通常ダイシングソーとも呼ばれ、刃先をダイヤモンドとする円盤の回転運動により、ウエハーをフルカットするか、または刃先巾よりも広い巾の溝を切り込んだ後、外力によってカットする装置である。一方、スクライバーとは先端をダイヤモンドとする針の往復直線運動によりウエハーに極めて細いスクライブライン（罫書線）を、例えば碁盤目状に引いた後、外力によってカットする装置である。
特開平０３−１０８７７９号公報

前記ＧａＰ、ＧａＡｓ等のせん亜鉛構造の結晶はへき開性が「１１０」方向にあるため、この性質を利用してスクライバーで、この方向にスクライブラインを入れることによりチップ状に簡単に分離できる。しかしながら、窒化ガリウム系化合物半導体はサファイア基板の上に積層されるいわゆるヘテロエピ構造であり、窒化ガリウム系化合物半導体とサファイアとは格子定数不整が大きい。さらに、サファイアは六方晶系という結晶の性質上、へき開性を有していない。従って、スクライバーで切断することは不可能であった。また、サファイア、窒化ガリウム系化合物半導体ともモース硬度がほぼ９と非常に硬い物質であるため、ダイサーでフルカットすると、その切断面にクラック、チッピングが発生しやすくなり、綺麗に切断できなかった。さらに、ダイサーの刃が長時間ウエハー切断面に接することにより、ウエハーの横方向に応力（ストレス）が生じる。このため、特にｎ型層とｐ型層との界面にクラック、チッピング等が発生しやすくなり、肝心の窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性を損ねてしまうため、発光素子の輝度が低下したり、寿命が非常に短くなってしまうという問題点があった。

従って、本発明はサファイアを基板とする窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーをチップ状にカットするに際し、切断面、界面のクラック、チッピングの発生を防止し、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性が損なわれることなく優れた発光性能を有し、歩留良く所望の形、サイズに切断することができる窒化ガリウム系化合物半導体チップからなる発光素子を提供することを目的とするものである。

以上の目的を達成するために、本発明に係る発光素子は、基板上に、該基板に格子不整合するｎ型及びｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層が順に積層された発光素子において、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の両側に、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の一部がエッチングされることにより形成された、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面を有すると共に、前記基板の分離部が、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層から露出されていることを特徴とする。
また、本発明に係る発光素子では、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の両側にある前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面のうちの一方に、ｎ型電極を設けることができる。
さらに、本発明に係る発光素子では、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の途中までエッチングされることにより形成されていてもよい。
またさらに、本発明に係る発光素子では、前記基板の分離部に、スクライブライン跡を有していてもよい。

本発明の発光素子によれば、ｐｎ接合部はストレス無く分離されており、従来問題となっていた特性劣化、特に発光寿命、発光出力において大幅な改善が認められた。また、窒化ガリウム系化合物半導体とサファイア基板との格子定数不整から生じる、結晶面のクラック、チッピング等を防止でき、窒化ガリウム系化合物半導体チップからなる発光素子を歩留良く製造でき、その産業上の利用価値は大きい。

以下、本発明の一実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体チップの製造方法を図面を参照しながら詳説する。
本実施の形態の製造方法は、サファイア基板上にｎ型およびｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体が順に積層されたウエハーをチップ状に分離する方法であって、（１）サファイア基板を研磨して薄くする工程と、（２）ｐ型層の一部をｎ型層までエッチングする工程と、（３）ｎ型層をサファイア基板までエッチングまたはダイシングする工程と、（４）サファイア基板をダイシング、またはスクライビングにより切断する工程と、を具備することを特徴とするものである。
以下図面を参照して説明する。図１〜図６は窒化ガリウム系化合物半導体ウエハー、および素子の構造を示す断面図であり、１はサファイア基板、２はｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層（以下ｎ型層という。）、３はｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層（以下ｐ型層という。）である。但し、本発明の方法は、図面の構造の窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーにのみ適用されるものではない。

通常、窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの厚さは、サファイア基板１で４００〜８００μｍ、その上に積層されたｎ型層２、およびｐ型層３の厚さは多くても十数μｍであり、そのほとんどがサファイア基板１の厚さで占められている。従って、（１）の工程において、サファイア基板１を研磨して、その厚さを５０〜３００μｍに調整することが好ましい。５０μｍよりも薄いと、ウエハー全体が割れ易くなったり、またウエハーに反りが生じる傾向にある。また、３００μｍよりも厚いと、（４）の工程において、ダイシング、またはスクライビングによる切断の際にサファイア基板にチッピング、クラックが発生しやすくなる。またスクライビングする場合は、スクライブラインを深くしなければならないため、細かいチップができにくくなり、チップ分離が困難になる傾向がある。研磨された基板のさらに好ましい厚さとしては１００〜２００μｍである。なお、（１）の工程は（２）、（３）の工程の後に行ってもよい。

まず、サファイア基板１上に、ｎ型層２、およびｐ型層３が順に積層されたウエハーの、最上層であるｐ型層３上に、図１に示すように保護膜４を設ける。保護膜４はｐ型層３がエッチングにより侵食されるのを防ぐと共に、パターンエッチングを行うために設けるものであって、フォトレジストでパターニングした後、例えばＳｉＯ₂等の材料でプラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。なお、この図においてサファイア基板１は予め研磨して薄くしてある。

次に、保護膜４が設けられたｐ型層３を、ｎ型層２までエッチングする（（２）の工程）。エッチング方法はドライ、ウエットいずれの方法でもよい。エッチング終了後、図２に示すように、酸により保護膜４を除去する。

さらに、図３に示すように、ｎ型層２の表面にｎ型電極を設けられるスペースを残して、ｎ型層２をサファイア基板１までエッチング、またはダイシングする（（３）の工程）。ｎ型層２とサファイア基板１の界面にできるだけストレスをかけないようにするには、エッチングが好ましい。エッチングする場合には、前述したように保護膜をエッチング面以外（ｐ型層３とｎ型層２の電極形成部分）に形成する必要がある。

次に、図４に示すように、（３）の工程により露出されたサファイア基板をスクライビングして、スクライブライン（罫書線）５を入れた後、サファイア基板側から押し割って分離する（（４）の工程）。（１）の工程によりサファイア基板の厚さを薄くしているため、スクライブライン５を入れて押し割ることによって、綺麗にチップ状に分離することができる。スクライブラインの深さは特に規定するものではないが、基板の厚さの５％以上の深さで入れることにより、へき開性の無いサファイアでも切断面をほぼ平面状とすることができ、好ましく切断できる。

また、図５に示すように、ダイシングによりサファイア基板１を直接フルカットしてもよい。この場合においても、サファイア基板１を予め薄くしてあるためダイシング時間を短縮でき、ストレスをかけずに綺麗に切断できる。

（作用）
図６は、（４）の工程のスクライビングまたはダイシングによって分離された窒化ガリウム系化合物半導体素子のｎ型層２、およびｐ型層３に電極６を形成した状態を示す断面図である。

この図において、ｎ型層２とｐ型層３の界面、即ち、ｐ−ｎ接合面はエッチングされているため、この界面には従来のダイシングによるストレスはかかっておらず、窒化ガリウム系化合物半導体結晶の損傷はほとんど無い。さらに、サファイア基板１とｎ型層２の界面においても、予め（１）の工程により、ｎ型層２の途中までエッチングされているため、ダイシングを行うにしても、その切断深さを短くすることができるため、ストレスのかかる割合が従来に比して大幅に減少する。従って、本発明の方法により得られた窒化ガリウム系化合物半導体チップは、格子不整合に起因する窒化ガリウム系化合物半導体層のクラック、チッピングが防止されており、半導体結晶を損傷すること無く結晶性が保持されている。また、サファイア基板を研磨して薄くすることにより、へき開性のないサファイア基板でもスクライブで綺麗に切断でき、またダイシングにおいても切断時間を短縮できるという優れた利点がある。

以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体チップの製造方法を実施例で説明する。

厚さ４５０μｍ、大きさ２インチφのサファイア基板上に、順にｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層を合わせて５μｍの厚みで成長させた発光ダイオード用のＧａＮエピタキシャルウエハーのｐ型ＧａＮ層に、フォトレジストでパターンを形成する。

フォトレジストの上からプラズマＣＶＤ法により保護膜としてＳｉＯ₂膜を０．１μｍの膜厚で形成した後、溶剤によりフォトレジストを剥離して、パターニングされたＳｉＯ₂膜を残す。

ウエハーをリン酸と硫酸の混酸に浸漬し、ｐ型ＧａＮ層をｎ型ＧａＮ層までエッチングする。

エッチング後、研磨機にてサファイア基板を１５０μｍまで研磨する。

研磨後、ウエハーをダイシングソーに設置し、ブレード回転数３０,０００ｒｐｍ、切断速度０．３ｍｍ/secの条件で、ダイヤモンドブレードにて、所定のカットライン（３５０μｍ角）上を２０μｍの深さでダイシングする。

次に、基板側に粘着テープを貼付し、スクライバーのテーブル上に張り付け、真空チャックで固定する。テーブルはｘ軸（左右）、ｙ軸（前後）に動き、１８０度水平に回転可能な構造となっている。固定後、スクライバーのダイヤモンド刃でダイシングの跡をスクライブしてラインを引く。ダイヤモンド刃が設けられたバーはｚ軸（上下）、ｙ軸（前後）方向に移動可能な構造となっている。ダイヤモンド刃の刃先への加重は１００ｇとし、スクライブラインの深さを深くするため、同一のラインを２回スクライブすることにより深さ１０μｍとする。

スクライブラインを引いたＧａＮウエハーをテーブルから剥し取り、サファイア基板側からローラーにより圧力を加えて、押し割ることによりＧａＮチップを得た。

このようにして得られたＧａＮチップより外形不良によるものを取り除いたところ、歩留は９５％以上であった。また、このＧａＮチップのｐ型ＧａＮ層、およびｎ型ＧａＮ層にＡｕ電極を取り付けた後、常法に従い発光ダイオードとしたところ、順方向電圧４．０Ｖにおいて、発光出力は５０μＷ、発光寿命は５０００時間以上であった。

［比較例１］
実施例１と同一のＧａＮエピタキシャルウエハーを、同様にしてｎ型ＧａＮ層までエッチングした後、サファイア基板を研磨せずに、直接ダイサーを用い、同じくブレード回転数３０,０００ｒｐｍ、切断速度０．３ｍｍ／ｓｅｃの条件で、３５０μｍ角のチップにフルカットしたところ、切断線に対し無数のクラックが生じ、歩留は３０％以下であった。また、残ったＧａＮチップのｐ型層およびｎ型層に同じくＡｕ電極を取り付け、発光ダイオードとしたところ、順方向電圧４．０Ｖにおいて、発光出力２０μＷ、発光寿命は５０〜７０時間であった。

本発明の一実施の形態の工程において得られる窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの構造を示す断面図。 本発明の一実施の形態の工程において得られる窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの構造を示す断面図。 本発明の一実施の形態の工程において得られる窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの構造を示す断面図。 本発明の一実施の形態の工程において得られる窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの構造を示す断面図。 本発明の一実施の形態の工程において得られる窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの構造を示す断面図。 本発明の一実施の形態の工程において得られる窒化ガリウム系化合物半導体チップの構造を示す断面図。

符号の説明

１・・・・・・サファイア基板、
２・・・・・・ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、
３・・・・・・ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層、
４・・・・・・保護膜、
５・・・・・・スクライブライン、
６・・・・・・電極。

Claims (4)

1. 基板上に、該基板に格子不整合するｎ型及びｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層が順に積層された発光素子において、
   前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の両側に、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の一部がエッチングされることにより形成された、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面を有すると共に、
   前記基板の分離部が、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層から露出されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の両側にある前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面のうちの一方に、ｎ型電極が設けられている請求項１記載の発光素子。
3. 前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の途中までエッチングされることにより形成された請求項１又は２記載の発光素子。
4. 前記基板の分離部に、スクライブライン跡を有する請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の発光素子。
   

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