JP2008300501A - 半導体発光素子、半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光装置では、光の取り出し効率を向上させるため、射光面に微小凹凸構造を有する反射防止処理を施す。この反射防止処理を施した射光面はハンドリングする際に、コレットの平坦面と接触する事で破砕され、微小な破砕片を発生する。この微小な破砕片は、半導体発光素子をバンプに超音波接合する際に、発光素子やコレットを摩耗させる原因となる。
【解決手段】射光面上に微小な凹凸領域を有する部分と、フラットな領域を形成しておき、コレットはフラットな領域で接触させ、凹凸部分が破砕されないようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｎ側電極とｐ側電極とが基板の一方の面にある半導体発光素子であって、基板の他方の面には反射防止処理のための凹凸を形成した領域と、凹凸を形成しないフラットな領域を有する半導体発光素子とそれを用いた半導体発光装置およびその製造方法に関するものである。

発光ダイオードやレーザダイオードなどに用いられる半導体発光素子は、サファイヤやＧａＮ系の基板上に発光層を形成することで得られる。基板の一方の側に電流供給用の電極を形成したタイプのものは、基板の発光層を形成しなかった面から光を放出する。この場合、基板の屈折率は空気あるいは封止樹脂の屈折率より高い。そのため、基板から外に出ようとする光は、基板の光放射面への入射角度によって、空気あるいは封止樹脂の界面で全反射してしまう場合がある。

このようなことが生じると、発光素子の発光効率を上げても、発光装置としては、光を取り出す効率が高くならない場合が生じる。

そこで、光の放射面となる基板の面に、反射防止処理を行う技術が提案されている。特許文献１には、透明結晶基板の一方の面に発光層を堆積し、他方の面に光取出し効率を向上させるために微細な凹凸形状を形成した半導体発光装置と、その製造方法が開示されている。
特開２００５−１５０２６１号公報

凹凸形状を形成した半導体発光素子は、光取り出し効率が向上する。しかし、半導体発光素子の表面の凹凸は、非常に微細なため製造時のハンドリング中に微小に欠けたり割れたりする場合が生じる。

特に基板の表面をエッチングで処理した場合は、基板の有する結晶特性によって非常に先鋭な先端を有する円錐や角錐状の凹凸を形成することができる。そのような基板をコレットで把持し、バンプに超音波接合する場合は、コレットを通じて超音波振動が基板表面に伝わるため、凹凸形状の先端は、コレットと擦れあい細かく破砕される。この砕片は、コレット自体を傷付けるし、半導体発光素子を傷つける原因ともなる。

本発明は上記の課題に鑑み想到されたものである。

上記課題を解決するために本発明は、基板に施す反射防止処理において、凹凸形状を形成する領域以外に、フラットな領域も基板に残すようにする。そして、さらに凹凸形状の先端の高さはフラットな領域の表面と同じか又は下にあるように形成する。

本発明の半導体発光素子および半導体発光装置は、光の射出面である射光面上に凹凸形状を有する領域と、フラットな領域を形成したので、半導体素子を把持するコレットは、射光面のフラットな領域と接する。従って、コレットを通じて半導体発光素子と、基板などを超音波で接合しても、射光面の凹凸形状の先端が破砕されることがない。

（実施の形態１）
図１に本発明の半導体発光装置１を示す。半導体発光装置１は、サブマウント２１上に、半導体発光素子１０が固定されている構造である。半導体発光素子１０は、基板上にｎ型層とｐ型層を含む発光層を積層した構造をしている。半導体発光素子１０の構造は図２でより詳細に説明する。

サブマウント２１には、引出電極２２、２３が形成される。引出電極は半導体発光素子１０へ電流を印加するための電極である。半導体発光素子のｎ型層の側に接続するｎ側引出電極２２とｐ型層の側に接続されるｐ側引出電極２３がある。さらに、引出電極は、スルーホール２６、２７を介して裏面電極２８、２９へ接続される。この構成によって、電流は裏面電極２８、２９から半導体発光素子へ供給される。なお、裏面電極もｎ側裏面電極２８とｐ側裏面電極２９がある。

引出電極にはバンプ２４、２５が形成されている。引出電極同様、バンプもｎ型層に接続されるｎ側バンプ２４と、ｐ型層に接続されるｐ側バンプ２５がある。図１ではｐ側バンプは複数あるが、まとめて符号２５で表す。もちろんｎ側バンプが複数個あってもよい。

このバンプによって引出電極と半導体発光素子は電気的に接続されている。従って、このバンプは接続線である。サブマウント、引出電極、裏面電極、スルーホール、バンプを含めて支持部２０と呼ぶ。なお、実施形態によっては、裏面電極や、スルーホール、バンプが支持部２０から省略される場合もある。

サブマウント２１は、シリコンツェナーダイオード、シリコンダイオード、シリコン、窒化アルミニウム、アルミナ、その他のセラミック等を用いることができる。

スルーホールはサブマウントに穿たれた貫通孔で、内部に銅、アルミニウム、金等の導電材料を含む。裏面電極２８、２９は、スルーホールと電気的に接合しており、銅、銀、金などの導電材料で作製される。引出電極は、銅、アルミニウム、金、銀といった導電性の材料を用いる。

バンプは半導体発光素子１０をサブマウント２１上に固定し、また引出電極２２、２３との間を電気的に結合させる役割を有する。

バンプの材料としては、金、金−錫、半田、インジウム合金、導電性ポリマーなどを用いることができるが、特に金や金を主成分とする材料が好ましい。これらの材料を用いて、メッキ法、真空蒸着法、スクリーン印刷法、液滴射出法、ワイヤーバンプ法等を用いて形成することができる。

例えば、ワイヤーバンプ法で金ワイヤーを作製し、その一端をボンダーにてサブマウント上の引出電極に接着した後、ワイヤーを切断することで金バンプを形成する。また、金などの高導電性材料の微粒ナノ粒子を揮発性溶剤に分散した液をインクジェット印刷と同様な手法で印刷し、溶剤を揮発除去してナノ粒子の集合体としてのバンプを形成する液滴射出法を用いることもできる。

図２に半導体発光素子１０の断面図を、図３に電極面方向からの平面図を示す。半導体発光素子１０は、基板１１、ｎ型層１２、活性層１３、ｐ型層１４、ｎ側電極１６、ｐ側電極１７からなる。ｎ型層１２の上方は射光面３０となる。ｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４をまとめて発光層と呼ぶ。

基板１１は、発光層を保持する役目を負う。材質としては、絶縁性のサファイアを用いることができる。しかし、発光する部分が窒化ガリウム（ＧａＮ）を母材とする場合、ｎ型層１２と基板１１との界面での光の反射を少なくするために、基板１１の材質として発光層と同等の屈折率を有するＧａＮやＳｉＣ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮを用いるのが好適である。また、発光する部分が酸化亜鉛（ＺｎＯ）を母材とする場合は、基板１１の材質としてＺｎＯを用いるのが好適である。

発光層となるｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４は、基板１１上に順次積層される。材質は特に制限はないが、窒化ガリウム系化合物であれば好ましい。具体的には、それぞれ、ＧａＮのｎ型層１２、ＩｎＧａＮの活性層１３、ＧａＮのｐ型層１４があげられる。なお、ｎ型層１２やｐ型層１４としては、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮを用いてもよい。また、ｎ型層１２と、基板１１との間に、ＧａＮやＩｎＧａＮで構成したバッファ層を用いることも可能である。また、例えば、活性層１３は、ＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層した多層構造（量子井戸構造）としてもよい。

このように積層したｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４の一部から、活性層１３とｐ型層１４を除去し、ｎ型層１２を露出させる。この露出させたｎ型層１２上に形成されたのが、ｎ側電極１６である。また、ｐ型層１４上に同じくｐ側電極１７が形成される。つまり、活性層１３とｐ型層１４を除去し、ｎ型層１２を露出させることで、発光層とｐ側電極およびｎ側電極は基板に対して同じ側の面に形成することができる。

図３は、半導体発光素子１０をｎ側電極とｐ側電極が形成された側から見た状態を示す。図では、ｐ側電極がｎ側電極より多くの面積を占めている構成を示した。しかし、特にこの構成に限定されるものではなく、ｐ側電極とｎ側電極の面積比やそれぞれの電極の形状はそれぞれの半導体発光素子の設計によって適宜変更されてもよい。また、ｎ側電極１６の一部は、絶縁膜を間に挟んで、除去された活性層１３とｐ型層１４の側面からｐ型層１４とｐ側電極１７の表面の一部を覆うように伸延させることもできる。こうすることで、後述するバンプとの接続を容易にすることができる。

ｐ側電極１７は発光層で発した光を射光面３０の側に反射するために反射率の高いＡｇやＡｌ、Ｒｈ等の第１の電極を用いるのがよい。ｐ型層１４とｐ側電極１７のオーミック接触抵抗を小さくするためにｐ型層１４とｐ側電極の間にＰｔやＮｉ、Ｃｏ等の薄膜電極層、あるいは透光性のＩＴＯ(Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウム・スズ酸化物)等の電極層を用いるとより望ましい。また、ｎ側電極１６はＡｌやＴｉ等を用いることができる。ｐ側電極１７およびｎ側電極１６の表面にはバンプとの接着強度を高めるためにＡｕやＡｌを用いることが望ましい。これらの電極は真空蒸着法、スパッタリング法などによって、形成することができる。

半導体発光素子１０のサイズは、特に限定はない。ただし、光量が大きく、面発光に近い光源とするには、全面積が広い方がよく、好ましくは一辺が６００μｍ以上であることが望ましい。

図２に戻って、本発明の半導体発光素子１０の基板１１の射光面３０には、反射防止処理が施される。実際の使用に当たっては射光面３０は空気と接する（何も覆われない）場合あるいは封止樹脂で覆われる場合があるが、基板１１の屈折率は空気あるいは封止樹脂より大きく、発光層で発生した光のうち、射光面に斜め方向から、ある角度以上の角度で入射した光は、射光面で全反射してしまい、半導体発光素子１０から外部へ出られない。反射防止処理は射光面での全反射によって光が閉じ込められる現象を緩和させるために設けられる処理である。

具体的には射光面に微小な凹凸構造を設ける。微小な凹凸構造は基板１１と外部との境界面を複雑な形状にすることで、全反射する光を少なくし、外部に取り出せる光の量を増やす効果がある。射光面上で微小な凹凸構造を形成した部分を凹凸領域３２と呼ぶ。

微小凹凸構造の形成は、いくつかの方法があり、どの方法を用いても構わないが、機械的な応力がなるべく掛からない方法が望ましい。

具体的には、エッチングによる方法が挙げられる。エッチングによる表面の凹凸形状の形成は、工程が簡単であり、また光取り出し効果も向上する。しかし、凹凸形状の正確な制御が困難であり、また全く同じ凹凸形状を射光面上に形成できないという特性がある。エッチングはウェットエッチングでもドライエッチングでも利用する事ができる。ドライエッチングでは、イオンミリング法や塩素ガス法などが利用できる。ウェットエッチングでは、アルカリを主体としたエッチャントを用いてエッチングを行うことができる。

また、インクジェット印刷法により射光面の表面に凹凸構造を作製することもできる。この方法は射光面をエッチングする工程を含まないので簡便に行うことができる。また、インクに仕込む凹凸構造を作製する材料の屈折率を調整することで、さらに光取出し効果を向上させる事もできる。

また、ある程度の機械的な応力が許される場合は、ナノインプリントなどによる機械的な加工方法を用いることもできる。

本発明では、単に微小凹凸構造を設けるだけでなく、平坦な部分を残して微小凹凸構造を形成する。射光面上で凹凸構造が形成されていない部分をフラット領域３４と呼ぶ。すなわち、本発明の半導体発光素子は、その射光面上に凹凸領域３２とフラット領域３４を有する。

図４には、基板１１を射光面側からみた図を示す。凹凸領域３２の中にフラット領域３４が存在する。図４ではフラット領域３４は３箇所に引出線をつけ示したが、白丸の部分は全てフラット領域である。このようにフラットな部分を残すには、微小凹凸部分を形成する工程で、フラットに残す部分にマスクをかけ、微小凹凸構造を形成しないようにすることで実現することができる。

例えば、エッチングによる方法でフラットな部分を残すには、フラットな部分が残るようにフォトレジストを基板１１の射光面に形成する。フォトレジストは、光感光性樹脂を通常数ミクロンの厚さに塗布し、フォトマスクを通じて光感光性樹脂を感光させ、溶剤でフラットな部分が残るように樹脂を除去する。これらはフォトリソグラフィーと呼ばれる定法の技術で、光を当てた部分を残すネガタイプと、光が当たった部分を除去するポジタイプのどちらでも適宜用いることができる。

フォトレジストがエッチングに対する耐性が弱い場合は、フォトレジストを塗布する前に基板１１の射光面にＳｉＯ_２等のエッチングに対する耐性が高い無機薄膜を全面に形成して、フォトリソグラフィーで形成したフォトレジストパターンをマスクとして無機薄膜を選択エッチングすることで、フラットに残す部分に無機薄膜からなるマスクをかけることもできる。

本発明で射光面に残すフラットな部分は、微小な凹凸構造の先端部分より高く形成されていることが必要である。言い換えると、微小凹凸構造の先端部分は、フラットな部分より低く形成される。

再び図２を参照して、フラット領域と凹凸領域の先端の位置関係について説明する。凹凸領域の先端とは、微小凹凸部の中で射光面から光が出て行く方向に突き出た部分３３をいう。フラット領域は、基板材料の素地であり、発光層などを積層する際にウェハ状態の基板をセットする基準面であったり、あるいはウェハから半導体発光素子を個別に切り出す前に半導体発光素子の厚さを調整するためにウェハ状態で基板を研磨する際の研磨面であるので、平坦に仕上げられている。そこで、この平坦なフラット領域の表面３５を基準面として、凹凸領域の先端が、基準面より発光層側にある場合を凹凸領域の先端部がフラット領域より低いという。言い換えると、フラット領域は凹凸領域の先端より高いという。凹凸領域の先端とフラット領域をこのような関係にすることで、コレットが凹凸領域の先端と触れ合うことがなくなる。

フラット領域と凹凸領域の先端の高さの差３７は、コレットが凹凸領域の先端に触れなければよく、特に限定はない。しかし、あまり高さの差を大きくしようとすると、エッチングを長時間行なわなければならい。およそ０より大きく、１０ミクロン以下が望ましい。

以上のような構成を有する本発明の半導体発光装置の製造方法について簡単に説明する。まず、基板にｎ型層、活性層、ｐ型層からなる発光層を形成する。ｐ型層の一部と発光層を除去し、ｎ型層を露出させ、ｎ側電極とｐ側電極を形成する。なお、発光層とｎ側電極とｐ側電極を含めて「発光層等」と呼ぶ。

これらの層を形成したのと反対の面に、凹凸領域とフラット領域を形成する。なお、凹凸領域とフラット領域は、発光層などを形成する前に、基板に形成しておいてもよいし、発光層等を形成した後に射光面に形成してもよい。また、基板を薄くするために射光面側を研磨した後に形成してもよい。なお、ここまでの工程はウェハ状態で実施することが好ましい。この後、レーザスクライブ等で割り溝を形成し、個別の半導体発光素子に切り出す。

サブマウントには、予めバンプと引出電極、必要に応じてスルーホールや裏面電極を形成しておく。そしてコレットで半導体発光素子を把持し、バンプに接着する。

図５に、本発明の半導体発光素子がコレット４０で把持される場合の様子を示す。コレットは、半導体などのチップを把持して移動などさせる装置の一部であり、直接チップと触れる部分をいう。このコレットには、さまざまな形状のものが存在するが、半導体発光素子を把持する面には、平坦面４１と吸引のための孔を有する。そして、半導体発光素子の射光面にその平坦面をおしつけ、吸引することで半導体発光素子を把持する。コレットの材質も一般にはさまざまなものが存在する。本発明の場合は後述するように半導体発光素子をバンプに超音波を用いて接着するので、樹脂などの柔らかい材質より、硬度の高い金属を用いるのが好ましい。コレットを通じて振動を伝えなければならないからである。

本発明の半導体発光素子は、射光部のフラット領域３４が、コレットの平坦面４１と主に接触し把持される。つまり、射光面の凹凸領域の先端３３はコレットの平坦面４１に触れることはない。

図６に、コレット４０に把持された半導体発光素子１０がサブマウント２１に接着される場合の様子を示す。コレットに把持された半導体発光素子は、サブマウント上に形成されたバンプ（２４、２５）に接触され、超音波振動が与えられる。この時、凹凸領域の先端３３は、コレットの平坦面４１に接していないため、超音波振動によって、破損することはない。半導体発光素子はサブマウントにバンプを通じて接続されることで、半導体発光装置となる。

図７は、半導体発光装置を射光面から見た図である。点線の丸印はサブマウント上のバンプ（２４、２５）の位置を示している。射光面に形成されたフラット領域３４はバンプの位置にほぼ等しい。フラット領域とバンプの位置関係を一致させることで、コレットからの超音波振動は効果的にバンプに伝わる。言い換えると、フラット領域は、バンプに対応した位置に設けるのが好ましい。なお、図７では、全てのバンプに対応する位置にフラット領域を形成した場合を示したが、フラット領域のうちのいくつかがバンプに対応する位置と一致していて、一致していないフラット領域があってもよい。また、射光面にはバンプのいくつかに一致するフラット領域だけがあってもよい。

以上に説明したように、射光面のフラット領域は、凹凸領域の破損を防止するために設けられる。フラット領域の存在は、発光層からの光の全反射を防止するという観点から設けられた凹凸領域の面積を減少させるものである。従って射光面全体の面積からは一定の割合の面積であるのが好ましい。ここで、一定の割合の面積とは、５０％以下、５％以上をいう。

５０％を超えると全反射防止の効果が小さくなり、５％より小さくなると、フラット領域にかかる単位面積あたりの荷重が高くなり、フラット領域が破損するおそれが高くなるからである。

図８および図９には、フラット領域の他のバリエーションを示す。図８では、フラット領域３４は射光面に円形状に形成されている。また、図９では、フラット領域３４は射光面に十字状に形成されている。図８および図９でも点線の丸はバンプの位置を示す。バンプの位置に対応した位置と重なるフラット領域が存在する。例えば図８では符号４５の部分である。このように、フラット領域３４は、バンプに対応する位置の一部を横切るような形であってもよい。なお、ここで示したフラット領域の形状は例示であり、他の形状をしていてもよい。ただし、フラット領域は、凹凸領域がコレットに触れないようにコレットの平坦面を支える形状でなければならない。また、フラット領域の一部は１つ以上のバンプの位置と一致していればより好ましい。

（実施の形態２）
本実施の形態の半導体発光素子は、実施の形態１の半導体発光素子にさらにフラット領域を限定して付加させる。

図１０に本実施の形態の半導体発光素子９を示す。本発明の半導体発光素子９は、射光面３０の周縁にフラット領域３８を形成する。半導体発光素子は、通常複数個を同時に作製し、後から切り出すことで製造される。その際に、凹凸領域でそれぞれの半導体発光素子を切り分けると、切断の際に微小凹凸構造が破砕され、破砕片が飛び散る。また、凹凸領域での切断では基板に予想外の応力が働き、射光面に欠けやクラックが発生するおそれもある。安定して製造するには、フラット領域で切断するのが好ましい。そこで、切断代にフラット領域３８を設けておく。

図１１、図１２、図１３には、実施の形態１と同じように、フラット領域のバリエーションを例示した。もちろん、これ以外のパターンであってもよい。

図１４には、切り出す前の基板１１の様子を示す。これは半導体発光素子の射光面から見た図である。図１４では、半導体発光素子９が同時に４つ作製されている様子を例示している。この面の裏側には発光層などがすでに形成されている。それぞれの半導体発光素子は点線５０に沿って切断され、切り分けられる。射光面上に形成されたフラット領域３４とは別に、フラット領域として残されている部分３８は同時に切断代ともなっている。

なお、本明細書を通じてＡｌはアルミニウム、Ｎは窒素、Ｃは炭素、Ｏは酸素、Ａｇは銀、Ｒｈはロジウム、Ｐｔは白金、Ｎｉはニッケル、Ｃｏはコバルト、Ｔｉはチタン、Ａｕは金、Ｙはイットリウム、Ｓｍはサマリウム、Ｃｅはセリウム、Ｓｒはストロンチウム、Ｂａはバリウム、Ｃａはカルシウム、Ｅｕはユウロピウム、Ｍｇはマグネシウム、Ｇａはガリウム、Ｉｎはインジウム、Ｓｉはシリコンを表す。

本発明は、基板の一方の面にｎ側電極とｐ側電極を設け、基板の反対の面を射光面とする半導体発光素子およびそれを用いた半導体発光装置に利用する事が出来る。

本発明の半導体発光装置の構成を表す図 半導体発光素子の断面を示す図 半導体発光素子を電極側から見た平面図 半導体発光素子を射光面側から見た平面図 半導体発光素子がコレットで把持される様子を示す図 半導体発光素子がコレットからの超音波振動でバンプに接着される様子を示す図 フラット領域とバンプの位置関係を示す図 フラット領域の他の形成例を示す図 フラット領域の他の形成例を示す図 実施の形態２の半導体発光素子の断面を示す図 実施の形態２の半導体発光素子のフラット領域の形成例を示す図 実施の形態２の半導体発光素子のフラット領域の他の形成例を示す図 実施の形態２の半導体発光素子のフラット領域の他の形成例を示す図 複数の半導体発光素子を切り出す前の基板の様子を示す図

符号の説明

１ 半導体発光装置
１０ 半導体発光素子
１２ ｎ型層
１３ 活性層
１４ ｐ型層
１６ ｎ側電極
１７ ｐ側電極
２０ 支持部
２１ サブマウント
２２ ｎ側引出電極
２３ ｐ側引出電極
２４ ｎ側バンプ
２５ ｐ側バンプ
２６、２７ スルーホール
３０ 射光面
３２ 凹凸領域
３４ フラット領域

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板の一方の面には、
   ｎ型層と活性層とｐ型層からなる発光層と、
   前記発光層の前記ｐ型層に形成されたｐ側電極と、
   前記発光層の前記ｎ型層に形成されたｎ側電極とを有し、
   前記基板の他方の面には、
   凹凸領域とフラット領域とを有する半導体発光素子。
2. 前記凹凸領域の先端の高さは、前記フラット領域より低い請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記フラット領域は、少なくとも前記基板の中央部に形成された請求項１若しくは２の何れかに記載された半導体発光素子。
4. 前記フラット領域は、少なくとも前記基板の周縁部に形成された請求項１若しくは２の何れかに記載された半導体発光素子。
5. 前記フラット領域は、前記基板の前記他方の面の面積の５０％以下、５％以上である請求項１若しくは２の何れかに記載された半導体発光素子。
6. サブマウントと、
   前記サブマウントに配された引出電極と、
   前記引出電極に形成されたバンプと、
   前記バンプに接着された請求項１乃至２の何れかに記載された半導体発光素子とを有する半導体発光装置。
7. 前記半導体発光素子の前記フラット領域は、前記バンプに対応した位置に形成された請求項６記載の半導体発光装置。
8. 基板にｎ型層と発光層とｐ型層を堆積させ発光層を形成する工程と、
   前記ｐ型層と前記発光層の一部を除去し、前記ｎ型層を露出させる工程と、
   前記ｐ型層と、露出された前記ｎ型層に電極を形成する工程と、
   前記基板の反対側に凹凸領域とフラット領域を形成する工程と、
   前記フラット領域をコレットで把持し、サブマウント上に形成されたバンプに接着させる工程とを含む半導体発光装置の製造方法。
9. 前記バンプに接着させる工程は、前記コレットから超音波振動を与える工程である請求項８記載の半導体発光装置の製造方法。

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