JP2006165257A - 発光ダイオード素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル層と、該エピタキシャル層と境界面を形成する反射層とを有する従来の発光ダイオード素子において、エピタキシャル層と反射膜との剥離、及び反射層の形状に起因する素子内部でのクラックの発生があった。
【解決手段】エピタキシャル層の一方の面に選択的に凹部を形成し、反射層を、該反射層の上面を凹部の開口縁部と略面一に露出させて凹部に埋設するように形成して解決した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発光ダイオード素子の製造方法に関する。

半導体発光素子の一種である発光ダイオード素子（以降、ＬＥＤ素子と記す）には、発光部がＧａＡｓ、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ等の二元混晶で形成されたもの、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＰ等の三元混晶で形成されたもの及びＡｌＧａＩｎＰ等の四元混晶で形成されたものが実用化されており、その他発光に寄与する可能性のある元素の組み合わせについても多くのものが実験・検証されている。

それと同時に、実用化された構造のＬＥＤ素子に関しては、内部量子効率及び外部量子効率を改善することによって素子から出射される光の発光出力を向上させようとする試みがなされている。

内部量子効率の改善方法としては、活性層を活性層よりバンドギャップの広い材料からなるクラッド層で挟んでサンドイッチしたダブルヘテロ構造を採用することである。それにより、キャリア（電子・ホール）が高い濃度で活性層に閉じ込められて再結合の確率が高くなり、発光効率を向上させることができるようになる。

一方、外部量子効率の改善方法としては、ＬＥＤ素子を構成する各層のうち、活性層から発せられた光を吸収するような不透明な層を除去することである。それにより、活性層で発せられた光が各層内を導かれて素子の光出射面に至るまでの道程に於いて、光量の減少を抑制することができるようになる。

また、外部量子効率の他の改善方法としては、ＬＥＤ素子を構成する層の１つとして反射層を設けることである。それにより、活性層で素子の出射方向に対して反対方向に向かって発せられた光が反射層で反射されて出射方向に向かうようになり、活性層で発せられた光を効率良く素子の光出射面まで導くことができるようになる。

上記のように、ＬＥＤ構造に反射層を設けることによって外部量子効率を高め、不透明なエピタキシャル層を除去することによって光の吸収を抑制し、且つエピタキシャル層が除去されたＬＥＤ構造に新たな基板を張り合わせることによって機械的強度を確保し、素子形成プロセス及びＬＥＤパッケージへの実装プロセスに於ける損傷を防止して製造歩留まりを向上させる構造のＬＥＤ素子の一例としては、図３に示すようなものがある。それは、発光部を有するＬＥＤ構造５０に反射ミラー５１を設け、反射ミラー５１にＳｉ、ＧａＡｓ等の導電性材料からなる基板５２を張り合わせて反射ミラ５１ーを基板５２によって支持するようにしたものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、このようなＬＥＤ素子の一般的な形成方法としては図４に示すような製造工程が採用されている。

（ａ）反射膜形成工程に於いて、ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層６０の上にＳｉＯ_２からなる反射膜６１を形成し、（ｂ）レジスト塗布工程に於いて、反射膜６１の上に感光性樹脂を塗布してフォトレジスト膜６２を形成し、（ｃ）レジストパターン形成工程に於いて、フォトレジスト膜６２を選択的に除去し、（ｄ）反射膜エッチング工程に於いて、フォトレジスト膜６２が除去された部分の反射膜６１をフォトエッチングして除去し、（ｅ）レジスト除去工程に於いて、反射膜６１の上に形成されたフォトレジスト膜６２を除去し、（ｆ）オーミック電極層形成工程に於いて、反射膜６１及びＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層６０の上にオーミック電極層６３を形成し、（ｇ）バリアメタル形成工程に於いて、オーミック電極層６３の上にバリアメタル層６４を形成し、（ｈ）Ｓｉ基板貼り合わせ工程に於いて、バリアメタル層６４の上にＳｉ基板６５を張り合わせるものである。
特開２００４−６９８６号公報

しかしながら上記製造工程に於いて、平坦なＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層６０の上に選択的に形成された反射膜６１は凸形状をなしており、そのためバリアメタル層６４を形成した際に凸形状の側周面とオーミック電極層６３との境界面に応力が加わってクラックが発生ることになる。そして凸形状の側周面部で発生したクラックは更に側周面部の延長線上に延びてオーミック電極層６３を介してバリアメタル層６４まで達する。その結果、このようなＬＥＤ素子をハンダ或いは導電性接着剤等によってＬＥＤパッケージに実装したときに、導電粒子がクラック内を導かれて反射層まで拡散され、電気的にショート状態となって順方向電圧不良を発生させることになる。

また、ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層６０の上に形成された反射膜６１は応力によって剥離し易く、素子形成プロセス及びＬＥＤパッケージへの実装プロセスに於ける工程不良の要因となるものである。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、ＬＥＤ素子内部のクラック発生を阻止することによって電気的特性不良を大幅に低減すると共に、ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層と、該ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層と境界面を形成するように設けられた反射膜との剥離を低減させることによって品質を向上させることが可能な発光ダイオード素子の製造方法を実現するものである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、発光層を含むエピタキシャル層の一方の面に選択的に凹部を形成する工程と、
反射層を、該反射層の上面を前記凹部の開口縁部と略面一に露出させて前記凹部に埋設するように形成する工程と、
前記凹部に前記反射層を埋設した工程の後工程における、半導体基板を張り合わせる工程と、を含むことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記エピタキシャル層は、少なくとも発光層がＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は２の何れか１項において、前記反射層は、ＳｉＯ_２からなることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３の何れか１項において、前記半導体基板は、Ｓｉからなることを特徴とするものである。

本発明は、エピタキシャル層の一方の面に選択的に形成された凹部に反射層を埋設するように形成したので、反射層とエピタキシャル層との間の剥離及び反射層近傍からのクラック発生を阻止でき、品質を向上させると共に電気的特性不良を大幅に低減するとことができる。更に、半導体基板を貼り付けるようにしたので、素子製造の工程歩留まりを向上させることができる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１及び図２を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明に係わる発光ダイオード素子の製造方法の実施形態を示す工程図である。（ａ）に示すレジスト塗布工程に於いて、発光部（活性層）を含む複数のＡｌＧａＩｎＰ四元混晶の層がエピタキシャル成長法によって形成されたＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層１の上全面に感光性樹脂を塗布してフォトレジスト膜２を形成する。

その後、（ｂ）に示すレジストパターン形成工程に於いて、フォトレジスト膜２にフォトマスクを介して選択的に紫外線を照射して露光し、露光後、有機溶媒で現像することによって部分的にフォトレジスト膜２を除去する。この場合、フォトレジスト膜２を形成する感光性樹脂は紫外線が照射された部分が有機溶媒に溶解し難くなるネガ型でも、紫外線が照射された部分が有機溶剤に溶解し易くなるポジ型のどちらでもよい。

その後、（ｃ）に示すエッチング工程に於いて、ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層１のフォトレジスト膜によって被覆されていない部分のみを臭化水素酸水溶液等を使用して選択エッチングし、凹部３を形成する。

その後、（ｄ）に示す反射膜形成工程に於いて、ＣＶＤ法によって反射膜４となるＳｉＯ_２膜を１００ｎｍ以上の厚みに形成する。すると、反射膜４はＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層１の選択エッチングされた凹部３内とフォトレジスト膜２上とに形成されることになる。

その後、（ｅ）に示すレジスト除去工程に於いて、フォトレジスト膜を除去することによってその上に形成されたＳｉＯ_２膜も同時に除去される。その結果、ＳｉＯ_２膜からなる反射膜４が反射膜４の表面とＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層１の表面とが略面一になるようにＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層１の選択エッチングされた凹部３内に埋め込まれた状態になる。

その後、（ｆ）に示すオーミック電極層形成工程に於いて、略面一となった反射膜４と
ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層１との上にスパッタ法又は蒸着法によってオーミック電極層５となるＡｕＺｎ層を形成する。

その後、（ｇ）に示すバリアメタル形成工程に於いて、ＡｕＺｎ層からなるオーミック電極層５の上にスパッタ法又は蒸着法によってバリアメタル層６を形成する。

その後、（ｈ）に示すＳｉ基板貼り合わせ工程において、バリアメタル層６にＡｕＳｎ共晶接合によってＳｉ基板７を貼り付ける。

以上が本発明に係わる発光ダイオード素子の実施形態の製造工程であるが、後工程として発光ダイオード素子に電力を供給するためのボンディング（ダイボンディング及びワイヤボンディング）用電極を設け、縦横所定の間隔で切断して個々の発光ダイオード素子が完成する。

ところで、（ｇ）のバリアメタル形成工程に於いて、ＡｕＺｎ層からなるオーミック電極層５の上にバリアメタル層を形成する目的は、後工程に含まれる熱処理工程においてオーミック電極層に含まれるＺｎなどの元素が拡散移動してボンディング用電極と反応を起こすことを防止するためである。

図２は本発明に係わる製造方法で作製された発光ダイオード素子の光学系を示したものである。発光ダイオード素子の活性層から素子の光出射面に向かって発せられて素子内を導かれて光出射面に至った光（Ｌ１）は、光反射面から外部に放出される。

また、発光ダイオード素子の活性層から素子の光出射面の反対方向（反射層方向）に発せられた光（Ｌ２）は反射層で反射されて光反射面に向かい、光反射面から外部に放出される。このように、発光ダイオード素子から発せられた光の光路となる各層が光の吸収が少ない透光性の層からなっているために、素子の活性層から発せられた光が素子内を導かれて外部に放出されるまでの間に吸収が少なく、外部量子効率を高めることができる。

さらに、活性層で素子の光出射面の反対方向に向かって発せられた光も反射層で反射して光出射面から外部に放出するようにしている。そのため、活性層から様々な方向に向かって発せられた光を有効に光出射面まで導くことができ、上記同様に外部量子効率を高めることができる。

なお、本発明の効果としては、エピタキシャル層の一方の面に選択的に形成された凹部に反射層を埋設するように形成したので、反射層とエピタキシャル層との間の剥離及び反射層近傍からのクラック発生を阻止でき、品質を向上させると共に電気的特性不良を大幅に低減するとことができる。更に、半導体基板を貼り付けるようにしたので、素子製造の工程歩留まりを向上させることができる。

また、光学的な観点から、活性層から光出射面までの光路を光の吸収の少ない層で構成し、且つ素子内に反射層を形成することによって多くの光を光出射面まで導くことができるようにしたことによって、外部量子効率を高め、明るいＬＥＤ光源を実現することができる。などの優れた効果を奏するものである。

図１は本発明に係わる発光ダイオード素子の製造方法の実施形態を示す工程図である。 図２は本発明に係わる製造方法で作製した発光ダイオード素子の断面図である。 図３は従来の発光ダイオード素子を示す断面図である。 図４は従来の発光ダイオード素子を作製する工程図である。

符号の説明

１ ＡｌＧａＩｎＰエピタキシャル層
２ フォトレジスト膜
３ 凹部
４ 反射膜
５ オーミック電極層
６ バリアメタル層
７ Ｓｉ基板

Claims (4)

1. 発光層を含むエピタキシャル層の一方の面に選択的に凹部を形成する工程と、
   反射層を、該反射層の上面を前記凹部の開口縁部と略面一に露出させて前記凹部に埋設するように形成する工程と、
   前記凹部に前記反射層を埋設した工程の後工程における、半導体基板を張り合わせる工程と、を含むことを特徴とする発光ダイオード素子の製造方法。
2. 前記エピタキシャル層は、少なくとも発光層がＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
3. 前記反射層は、ＳｉＯ_２からなることを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の発光ダイオード素子の製造方法。
4. 前記半導体基板は、Ｓｉからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の発光ダイオード素子の製造方法。

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