JP2007123446A

JP2007123446A - 半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP2007123446A
Application number: JP2005311969A
Authority: JP
Inventors: Mikio Masui; 幹生桝井; Hiroshi Fukushima; 博司福島
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】任意形状の微細凹凸構造を光取り出し面側に有する半導体発光素子の微細凹凸構造を精度良く容易に形成することが可能な半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１は、サファイア基板１０の一表面側に発光部１２を有し光取り出し面側となる他表面側に微細凹凸構造１１を有する。サファイア基板１０の上記他表面側に有機材料からなるレジスト層３０を形成するレジスト層形成工程と、微細凹凸構造１１に応じてパターン設計した凹凸パターン５１を形成した型材５０を用いて凹凸パターン５１をレジスト層３０に転写する転写工程と、サファイア基板１０の上記他表面側に微細凹凸構造１１を形成するパターン形成工程とを備え、上記有機材料としてノボラック系樹脂を用い、且つ、パターン形成工程において塩素系ガスを用いた異方性ドライエッチングによりレジスト層３０およびサファイア基板１０をエッチングする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子の製造方法に関するものである。

従来から、青色光あるいは紫外光を放射するＧａＮ系ＬＥＤチップからなる半導体発光素子と、半導体発光素子からから放射された光によって励起されて半導体発光素子とは異なる発光色の光を放射する波長変換材料としての蛍光体とを組み合わせて白色系の光を得る白色発光装置（一般的に白色ＬＥＤと呼ばれている）が知られている。

また、上述のように青色光あるいは紫外光を放射するＧａＮ系ＬＥＤチップとしては、結晶成長用基板としてサファイア基板やＳｉＣ基板を用いたものが一般的であり、結晶成長用基板としてサファイア基板を用いたＧａＮ系ＬＥＤチップからなり実装基板などにフェースダウンでフリップチップ実装して使用する半導体発光素子としては、結晶成長用基板であるサファイア基板の一表面側に発光部を有し光取り出し面側となる他表面側に発光部から放射された光の全反射を抑制する微細凹凸構造を有するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここにおいて、上記特許文献１に開示された半導体発光素子では、当該半導体発光素子内での多重反射が起こりにくくなり、外部への光取り出し効率が高くなるという利点がある。なお、上記特許文献１では、微細凹凸構造を有する半導体発光素子の製造にあたって、所謂フェムト秒レーザおよび光学系を利用してサファイア基板の上記他表面側に微細凹凸構造を形成することが記載されている。

また、従来から、結晶成長用基板であるサファイア基板において発光部を成長させる主表面側に、ステッパのような複雑な光学系を必要とする高価な設備を使うことなく安価な設備を用いて微細凹凸構造を形成する方法として、サファイア基板の上記主表面側に保護層を形成してから、インプリント法を利用して保護層をパターニングし、パターニングされた保護層をマスクとしてサファイア基板を上記主表面側から塩素系ガスでエッチングすることで微細凹凸構造を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

ここで、上記特許文献２に開示された半導体発光素子の製造方法では、インプリント法を利用して保護層をパターニングしているので、いわゆるステッパのような複雑な光学系を必要とする高価な設備を使うことなく安価な設備を用いて微細凹凸構造を大面積のサファイア基板（ダイシング前のウェハ状のサファイア基板）へ比較的容易に形成することができ、量産性に優れているという利点がある。
特開２００４−１２８４４５号公報特開２００５−１３６１０６号公報

ところで、本願発明者らは、鋭意研究の結果、上記特許文献１のようにサファイア基板の光取り出し面側に微細凹凸構造を有する半導体発光素子では、微細凹凸構造として錘状（四角錘状、円錐状など）の山部が２次元アレイ状に配列された微細凹凸構造が、光取り出し効率の向上に適しているという知見を得た。

しかしながら、上記特許文献１に開示された半導体発光素子の製造方法では、所謂フェムト秒レーザおよび光学系を利用して微細凹凸構造を形成しているので、錘状の山部が２次元アレイ状に配列された微細凹凸構造を精度良く形成することはできなかった。

一方、上記特許文献２に開示された半導体発光素子の製造方法では、パターニングされた保護層をマスクとしてサファイア基板をエッチングしているが、エッチング選択比（〔サファイア基板のエッチング速度〕／〔保護層のエッチング速度〕）を大きくする（つまり、選択性を高める）ことで微細凹凸構造を形成しているので、錘状の山部が２次元アレイ状に配列された微細凹凸構造に応じてパターン設計した凹凸パターンを形成した型材を用意できたとしても、錘状の山部が２次元アレイ状に配列された微細凹凸構造を精度良く形成することはできなかった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、任意形状の微細凹凸構造を光取り出し面側に有する半導体発光素子の微細凹凸構造を精度良く容易に形成することが可能な半導体発光素子の製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、結晶成長用基板であるサファイア基板の一表面側に発光部を有し光取り出し面側となる他表面側に発光部から放射された光の全反射を抑制する微細凹凸構造を有する半導体発光素子の製造方法であって、サファイア基板の前記他表面側に有機材料からなるレジスト層を形成するレジスト層形成工程と、前記微細凹凸構造に応じてパターン設計した凹凸パターンを形成した型材をレジスト層に押し付けて前記凹凸パターンをレジスト層に転写する転写工程と、転写工程の後でレジスト層およびサファイア基板を前記他表面側からエッチングすることでサファイア基板の前記他表面側に前記微細凹凸構造を形成するパターン形成工程とを備え、レジスト層形成工程において前記有機材料としてノボラック系樹脂を用い、且つ、パターン形成工程において塩素系ガスを用いた異方性ドライエッチングによりレジスト層およびサファイア基板をエッチングすることを特徴とする。

この発明によれば、レジスト層形成工程において前記有機材料としてノボラック系樹脂を用い、且つ、パターン形成工程において塩素系ガスを用いた異方性ドライエッチングを行うようにすることで、エッチング選択比（〔サファイア基板のエッチング速度〕／〔レジスト層のエッチング速度〕）として０．６〜１．５程度の値を得ることが可能であり、このような０．６〜１．５程度のエッチング選択比でレジスト層およびサファイア基板を異方性ドライエッチングすることで、任意形状の微細凹凸構造を光取り出し面側に有する半導体発光素子の微細凹凸構造を精度良く容易に形成することが可能になる。

請求項１の発明では、任意形状の微細凹凸構造を光取り出し面側に有する半導体発光素子の微細凹凸構造を精度良く容易に形成することが可能になるという効果がある。

本実施形態では、図１（ｅ）に示す半導体発光素子１の構造について簡単に説明した後で、当該半導体発光素子１の製造方法について図１および図２を参照しながら説明する。

本実施形態における半導体発光素子１は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、結晶成長用基板であるサファイア基板１０の一表面側（図１（ｅ）における下面側）に発光部２０を有し光取り出し面側となる他表面側（図１（ｅ）における上面側）に発光部２０から放射された光の全反射を抑制する微細凹凸構造１１を有している。ここにおいて、サファイア基板１０としては、上記一表面が（０００１）面、つまり、上記一表面がｃ面のものを用いている。これに対して、発光部２０は、サファイア基板１０の上記一表面側に、ＧａＮバッファ層、ｎ形ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ発光層、ｐ形ＧａＮ層を順次積層することにより形成されており、ダブルへテロ構造を有しているが、発光部１２の積層構造は特に限定するものではない。なお、ｎ形ＧａＮ層にはカソード電極（ｎ電極）が形成され、ｐ形ＧａＮ層にはアノード電極（ｐ電極）が形成されている。

ところで、本願発明者らは、半導体発光素子１をフェースダウン実装して使用する場合にサファイア基板１０の上記他表面側の媒質が空気であると仮定して、上述の微細凹凸構造１１の構造パラメータと光取り出し効率との関係についてシミュレーションを行ったところ、四角錘状もしくは円錐状の山部１１ａが２次元アレイ状に配列された微細凹凸構造が適しており、山部１１ａの形状として、山部１１ａの側面とサファイア基板１０の上記他表面を含む平面とのなす角度θを３０°〜６０°、山部１１ａのピッチＰを３μｍ〜６μｍとなるような形状を採用することで、微細凹凸構造１１が形成されていない場合に比べて光取り出し効率を１．３倍〜１．６倍程度まで向上できるというシミュレーション結果が得られたので、山部１１ａの形状を四角錘状として、角度θを５０°、山部１１ａの高さＨ２を２μｍ、ピッチＰ２を３．５μｍに設定した。

以下、上述の半導体発光素子１の製造方法について説明する。

まず、ウェハ状のサファイア基板１０の上記一表面側に発光部１２を形成する発光部形成工程を行い、上記各電極を形成する電極形成工程を行ってから、サファイア基板１０の上記他表面側に有機材料からなる所定厚さ（例えば、２μｍ）のレジスト層３０を形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図１（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、発光部形成工程では、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などのエピタキシャル成長法によってサファイア基板１０の上記一表面側に発光部１２を成膜する。また、レジスト層形成工程では、上記有機材料としてノボラック系樹脂（例えば、ＡＺレジスト）を用い、当該ノボラック系樹脂をスピンコート法によりサファイア基板１０の上記他表面上に回転塗布する。

レジスト層形成工程の後、上記微細凹凸構造１１に応じてパターン設計した凹凸パターン５１を形成した型材５０をレジスト層３０に押し付けて凹凸パターン５１をレジスト層３０に転写する転写工程を行うことによって、図１（ｄ）に示す構造を得る。この転写工程では、図１（ｂ）に示すように型材５０をレジスト層３０に対向させて位置合わせを行ってから、型材５０を加熱しながらレジスト層３０に接触させ型材５０を所定圧力で加圧することで図１（ｃ）に示すようにレジスト層３０を変形させ、型材５０を冷却してから、型材５０をレジスト層３０から離すことで図１（ｄ）に示す構造を得るようにしている。ここにおいて、上述の型材５０の成形にあたっては、主表面が（１００）面のシリコンウェハの主表面側にＳｉＯ_２膜を成膜してから、当該ＳｉＯ_２膜を格子状にパターニングし、パターニングされたＳｉＯ_２膜をマスクとしてアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ水溶液、ＴＭＡＨ水溶液など）によりシリコンウェハを異方性エッチングし、その後、ＳｉＯ_２膜を除去することで図２に示すような鋳型４０を形成し、電鋳法によってニッケル製の複製型からなる型材５０を成形した。また、鋳型４０は、シリコンウェハの主表面と異方性エッチングにより形成された山部４１ａの側面とのなす角度φが５４．７°となり、山部４１ａの高さＨ１を２μｍ、山部４１ａのピッチＰ２を３．５μｍに設定してある。したがって、型材５０の凹凸パターン５１は、山部４１ａと同形状の山部５１ａが二次元アレイ上に配列されており、レジスト層３０は、四角錘状の山部３１ａが二次元アレイ状に配列された形にパターニングされる。ここで、上記所定圧力による発光部１２へのダメージの発生を抑制するには、上記所定圧力を４５ＭＰａ以下とすることが望ましいが、本実施形態では、上記有機材料としてノボラック系樹脂を採用しているので、型材５０を加圧したときの転写性が良く４５ＭＰａ以下の圧力で転写可能なので、発光部１２へのダメージの発生を抑制できる。また、転写工程では、型材５０の代わりに、鋳型４０を型材として用いてもよい。

上述の転写工程が終了した後、レジスト層３０およびサファイア基板１０を上記他表面側からエッチングすることで微細凹凸構造１１を形成するパターン形成工程を行うことによって、図１（ｅ）に示す構造を得る。ここで、パターン形成工程においては、塩素系ガスを用いた異方性ドライエッチングによりレジスト層３０およびサファイア基板１０をエッチングするようにしている。本実施形態では、パターン形成工程において異方性ドライエッチングを行うドライエッチング装置である反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ装置）として、有磁場ＩＣＰ（ＩＳＭ：Inductive Super Magnetron）型高密度プラズマエッチング装置を用い、エッチング条件として、エッチングガスをＢＣｌ_３、ガス流量を標準状態で０．１Ｌ／ｍｉｎ（１００ＳＣＣＭ）、エッチング圧力を１２ｍＴｏｒｒ、放電電力（ＩＳＭパワー）を１２００Ｗ、バイアス電圧を−３５０Ｖとすることで、エッチング選択比（〔サファイア基板１０のエッチング速度〕／〔レジスト層３０のエッチング速度〕）を０．７とした。その結果、形成された微細凹凸構造１１の形状は上述の角度θが４５°〜５０°、高さＨ２が１．５μｍ〜２μｍ、ピッチＰ２が３．５μｍであった。なお、エッチング条件は特に限定するものではなく、エッチング条件を適宜設定することで、エッチング選択比を０．６〜１．５程度の範囲内で変化させることができる。また、エッチングガスは、ＢＣｌ_３に限らず、例えば、Ｃｌ_２や、ＢＣｌ_３とＣｌ_２との混合ガスなどでもよい。

上述のパターン形成工程が終了した後、ウェハを個々の半導体発光素子１に分離するダイシング工程を行うことで半導体発光素子１が完成する。

上述の製造方法にて製造した半導体発光素子１を実装基板にフェースダウンでフリップチップ実装して光取り出し効率を測定した結果、サファイア基板１０の上記他表面を鏡面とした比較例に比べて、光取り出し効率が１．５倍であった。

以上説明した半導体発光素子１の製造方法によれば、レジスト層形成工程において上記有機材料としてノボラック系樹脂を用い、且つ、パターン形成工程において塩素系ガスを用いた異方性ドライエッチングを行うようにすることで、エッチング選択比（〔サファイア基板のエッチング速度〕／〔レジスト層のエッチング速度〕）として０．６〜１．５程度の値を得ることが可能であり、このような０．６〜１．５程度のエッチング選択比でレジスト層３０およびサファイア基板１０を異方性ドライエッチングすることで、任意形状の微細凹凸構造１１を光取り出し面側に有する半導体発光素子１の微細凹凸構造１１を精度良く容易に形成することが可能になる。したがって、上述のような錘状の山部１１ａが二次元アレイ状に配列された微細凹凸構造１１に限らず、断面波形状の微細凹凸構造１１を形成することも可能となる。

なお、上述の製造方法では、発光部形成工程および電極形成工程の後で、微細凹凸構造１１を形成しているが、サファイア基板１０に微細凹凸構造１１を形成してから、発光部形成工程、電極形成工程、ダイシング工程を順次行うようにしてもよい。

実施形態の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上で用いる型材用の鋳型の概略断面図である。

符号の説明

１半導体発光素子
１０サファイア基板
１１微細凹凸構造
１１ａ山部
２０発光部
３０レジスト層
５０型材
５１凹凸パターン

Claims

結晶成長用基板であるサファイア基板の一表面側に発光部を有し光取り出し面側となる他表面側に発光部から放射された光の全反射を抑制する微細凹凸構造を有する半導体発光素子の製造方法であって、サファイア基板の前記他表面側に有機材料からなるレジスト層を形成するレジスト層形成工程と、前記微細凹凸構造に応じてパターン設計した凹凸パターンを形成した型材をレジスト層に押し付けて前記凹凸パターンをレジスト層に転写する転写工程と、転写工程の後でレジスト層およびサファイア基板を前記他表面側からエッチングすることでサファイア基板の前記他表面側に前記微細凹凸構造を形成するパターン形成工程とを備え、レジスト層形成工程において前記有機材料としてノボラック系樹脂を用い、且つ、パターン形成工程において塩素系ガスを用いた異方性ドライエッチングによりレジスト層およびサファイア基板をエッチングすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。