JP2010103248A

JP2010103248A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2010103248A
Application number: JP2008272330A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Murai; 章彦村井; Masaharu Yasuda; 正治安田; Takanori Akeda; 孝典明田
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-05-06

Abstract

【課題】光取り出し効率の低下を抑制しつつ低コストで光出力の高出力化を図れる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２の厚み方向の一面側に結合されたＺｎＯ基板からなる酸化物半導体基板３とを備え、酸化物半導体基板３がＬＥＤ薄膜部２側を下面３１、ＬＥＤ薄膜部２側とは反対側を上面３２とする六角錘台状の形状に結晶異方性エッチングにより加工されるとともに、酸化物半導体基板３の下面３１側にアノード電極４およびカソード電極５が形成されている。酸化物半導体基板３の上面３２には、上述の結晶異方性エッチングを行うときにマスクとして用いるＴｉ薄膜からなる透光性薄膜６が形成されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関するものである。

従来から、発光層が窒化物半導体材料（ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど）により形成されたＬＥＤチップからなる半導体発光素子の高効率化および高出力化の研究開発が各所で行われている。また、この種の半導体発光素子と、半導体発光素子から放射された光によって励起されて半導体発光素子よりも長波長の光を放射する波長変換材料である蛍光体とを組み合わせて半導体発光素子の発光色とは異なる色合いの混色光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている。なお、この種の発光装置としては、例えば、青色光あるいは紫外光を放射する半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせて白色の光（白色光の発光スペクトル）を得る白色発光装置（一般的に白色ＬＥＤと呼ばれている）の商品化がなされている。

また、近年、光取り出し効率の向上を目的として、窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部と透明で導電性を有するｎ形ＺｎＯ基板からなる酸化物半導体基板とを結合してから、酸化物半導体基板をエッチング速度の結晶方位依存性を利用した結晶異方性エッチングにより六角錘台状ないし六角錘状に加工してなる半導体発光素子が提案されている（例えば、非特許文献１，２参照）。

ここで、上記非特許文献１に開示された半導体発光素子は、図３に示すように、一表面が（０００１）面であるサファイア基板１と、サファイア基板１の上記一表面側に形成されたＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２に結合され六角錘台状に加工されたｎ形ＺｎＯ基板からなる酸化物半導体基板３’とを備えており、酸化物半導体基板３’の材料であるＺｎＯの透明性が高く且つ屈折率がサファイアの屈折率よりもＬＥＤ薄膜部２の窒化物半導体材料の屈折率に近い（つまり、ＬＥＤ薄膜部２との屈折率差が小さい）、酸化物半導体基板３’を六角錘台状の形状としてあることで外部に放出される放射光の放射角が広くなる、などの理由により、光取り出し効率を高めることができ、発光効率を高めることができる。

ここにおいて、図３に示した構成の半導体発光素子は、ＬＥＤ薄膜部２が、サファイア基板１の上記一表面側に形成されたバッファ層２１と、バッファ層２１上に積層されたｎ形ＧａＮ層からなるｎ形窒化物半導体層２２と、当該ｎ形窒化物半導体層２２上に積層されたＩｎＧａＮ層からなる発光層２３と、当該発光層２３上に積層されたｐ形ＡｌＧａＮ層２４ａと当該ｐ形ＡｌＧａＮ層２４ａ上に積層されたｐ形ＧａＮ層２４ｂとからなるｐ形窒化物半導体層２４とで構成されている。また、図３に示した構成の半導体発光素子は、六角錘台状の酸化物半導体基板３’の上面３２’に、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜からなるアノード電極４が形成され、ＬＥＤ薄膜部２の周部をｐ形窒化物半導体層２４の表面側からｎ形窒化物半導体層２２の途中までエッチングすることにより露出せたｎ形窒化物半導体層２２の表面に、平面視において酸化物半導体基板３’を全周に亘って囲む形でＴｉ膜とＡｌ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜からなるカソード電極５が形成されている。

しかしながら、図３に示した構成の半導体発光素子は、アノード電極４へのワイヤボンディングができるように、六角錘台状の酸化物半導体基板３’の上面３２’のサイズを規定してあり、ボンディングパッドとして機能するアノード電極４がＴｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、発光層２３から放射された光の一部がアノード電極４で反射されてしまうので、アノード電極４が光取り出し効率の低下の原因となってしまう。また、図３に示した構成の半導体発光素子では、実装基板などに実装して用いる場合に、ＬＥＤ薄膜部２と実装基板との間に熱伝導率の低いサファイア基板１が介在することとなるので、ＬＥＤ薄膜部２から上記実装基板までの熱抵抗が大きくなってしまい、ＬＥＤ薄膜部２のジャンクション温度が最大ジャンクション温度を超えないように入力電流を制限する必要があり、入力電流の大電流化による光出力の高出力化が難しかった。

これに対して、上記非特許文献２に開示された半導体発光素子は、図４に示すように、ＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２に結合され六角錘状に加工されたｎ形ＺｎＯ基板からなる酸化物半導体基板３”とを備え、酸化物半導体基板３”の下面３１”にアノード電極４が形成されるとともに、ＬＥＤ薄膜部２のｎ形窒化物半導体層２２における酸化物半導体基板３”側とは反対側にカソード電極５が形成されている。しかして、図４に示した構成の半導体発光素子では、酸化物半導体基板３”の下面３１”側にアノード電極４およびカソード電極５が配置されているので、ボンディングワイヤを用いることなくワイヤレスで実装基板に実装することができる。
Akihiko MURAI,et al,「Light-Emitting Diode Based on ZnOand GaN Direct Wafer Bonding」，Japanese Journal ofApplied Physics,Vol.45,NO.39,2006,ｐ.L1045-L1047 「松下電工とＵＣＳＢの新型ＬＥＤ，外部量子効率８０％を目指す」，日経エレクトロニクス，日経ＢＰ社，２００８年２月１１日，ｐ．１６−１７

ところで、図４に示した構成の半導体発光素子において、大電流の通電を可能として光出力の高出力化を図る手段として発光層２３の面積を大きくして電流密度の増大を緩和することが考えられる。

しかしながら、図４に示した構成の半導体発光素子では、六角錘状の酸化物半導体基板３”の高さが酸化物半導体基板３”の基礎となる酸化物半導体ウェハたるＺｎＯウェハの厚さと同じであり、ＺｎＯウェハの厚さと当該ＺｎＯウェハにおけるＬＥＤ薄膜部２側とは反対側の表面の面方位とで一義的に決まる六角錘状の酸化物半導体基板３”の下面３１”の面積よりも発光層２３の面積を大きくすることができない。言い換えれば、図４に示した構成の半導体発光素子では、ＺｎＯウェハの厚さにより酸化物半導体基板３”の下面３１”の大面積化が制限され、発光層２３の面積の設計自由度が低かった。例えば、厚さが５００μｍのＺｎＯウェハを用いた場合、酸化物半導体基板３”の高さが５００μｍで、ＬＥＤ薄膜部２および発光層２３の面積が０．３ｍｍ^２程度であり、発光層２３の面積を大きくするにはＺｎＯウェハの厚さを大きくしなければならず、ＺｎＯウェハの大面積化に伴って製造設備のコストが増加して半導体発光素子のコストが高くなってしまう。

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、光取り出し効率の低下を抑制しつつ低コストで光出力の高出力化を図れる半導体発光素子を提供することにある。

請求項１の発明は、窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部と、ＬＥＤ薄膜部の厚み方向の一面側に結合された酸化物半導体基板とを備え、酸化物半導体基板がＬＥＤ薄膜部側を下面、ＬＥＤ薄膜部側とは反対側を上面とする六角錘台状の形状に結晶異方性エッチングにより加工されるとともに、酸化物半導体基板の下面側にアノード電極およびカソード電極が形成され、酸化物半導体基板の上面に前記結晶異方性エッチングを行うときにマスクとして用いるＴｉ薄膜からなる透光性薄膜が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、酸化物半導体基板がＬＥＤ薄膜部側を下面、ＬＥＤ薄膜部側とは反対側を上面とする六角錘台状の形状に結晶異方性エッチングにより加工され、且つ、酸化物半導体基板の下面側にアノード電極およびカソード電極を備え、酸化物半導体基板の上面に前記結晶異方性エッチングを行うときにマスクとして用いるＴｉ薄膜からなる透光性薄膜が形成されているので、Ｔｉ薄膜からなる透光性薄膜の平面サイズと六角錘台状の酸化物半導体基板の基礎となる酸化物半導体ウェハの厚さとで酸化物半導体基板の下面の面積が決まるから、酸化物半導体ウェハの厚さを変更することなしに透光性薄膜の平面サイズを大きくすることにより酸化物半導体基板の下面の面積を大きくすることができ、しかも、ＬＥＤ薄膜部から放射された光が酸化物半導体基板の上面側で反射されるのを抑制することができるから、光取り出し効率の低下を抑制しつつ低コストで光出力の高出力化を図れる。

請求項２の発明は、窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部と、ＬＥＤ薄膜部の厚み方向の一面側に結合された酸化物半導体基板とを備え、酸化物半導体基板がＬＥＤ薄膜部側を下面、ＬＥＤ薄膜部側とは反対側を上面とする六角錘台状の形状に結晶異方性エッチングにより加工されるとともに、酸化物半導体基板の下面側にアノード電極およびカソード電極が形成され、酸化物半導体基板の上面に前記結晶異方性エッチングを行うときにマスクとして用いるＩＴＯ膜もしくはシリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜からなる透光性薄膜が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、酸化物半導体基板がＬＥＤ薄膜部側を下面、ＬＥＤ薄膜部側とは反対側を上面とする六角錘台状の形状に結晶異方性エッチングにより加工され、且つ、酸化物半導体基板の下面側にアノード電極およびカソード電極を備え、酸化物半導体基板の上面に前記結晶異方性エッチングを行うときにマスクとして用いるＩＴＯ膜もしくはシリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜からなる透光性薄膜が形成されているので、透光性薄膜の平面サイズと六角錘台状の酸化物半導体基板の基礎となる酸化物半導体ウェハの厚さとで酸化物半導体基板の下面の面積が決まるから、酸化物半導体ウェハの厚さを変更することなしに透光性薄膜の平面サイズを大きくすることにより酸化物半導体基板の下面の面積を大きくすることができ、しかも、ＬＥＤ薄膜部から放射された光が酸化物半導体基板の上面側で反射されるのを抑制することができるから、光取り出し効率の低下を抑制しつつ低コストで光出力の高出力化を図れる。また、この発明によれば、透光性薄膜がＩＴＯ膜もしくはシリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜により構成されているので、請求項１の発明に比べて透光性薄膜の膜厚設定の自由度が高くなる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記酸化物半導体基板は、単結晶のｎ形ＺｎＯ基板からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤ薄膜部から放射された光が前記酸化物半導体基板で吸収されるのを抑制することができる。

請求項１，２の発明では、光取り出し効率の低下を抑制しつつ低コストで光出力の高出力化を図れるという効果がある。

以下、図１に基づいて本実施形態の半導体発光素子Ａについて説明する。

本実施形態の半導体発光素子Ａは、青色光を放射するＧａＮ系の青色ＬＥＤチップであり、窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２の厚み方向の一面側に結合されたｎ形ＺｎＯ基板からなる酸化物半導体基板３とを備え、酸化物半導体基板３がＬＥＤ薄膜部２側を下面３１、ＬＥＤ薄膜部２側とは反対側を上面３２とする六角錘台状の形状に結晶異方性エッチングにより加工されるとともに、酸化物半導体基板３の下面３１側にアノード電極４およびカソード電極５が形成され、酸化物半導体基板３の上面３２に上記結晶異方性エッチングを行うときにマスクとして用いるＴｉ薄膜からなる透光性薄膜６が形成されている。

ここにおいて、本実施形態の半導体発光素子Ａは、ＬＥＤ薄膜部２が、ｎ形窒化物半導体層２２と発光層２３とｐ形窒化物半導体層２４との積層構造を有しており、ＬＥＤ薄膜部２の平面視形状を酸化物半導体基板３の下面３１よりもやや小さな正六角形状の形状に形成してあり、酸化物半導体基板３の下面３１の露出した部位にアノード電極４を形成し、ＬＥＤ薄膜部２のｎ形窒化物半導体層２２における発光層２３側とは反対側の表面の中央部にカソード電極５を形成してある。しかして、本実施形態の半導体発光素子Ａは、ｎ形窒化物半導体層２２と発光層２３とｐ形窒化物半導体層２４との平面サイズを同じにすることができる。ただし、ｎ形窒化物半導体層２２上のカソード電極５の形状、サイズ、個数および配置は特に限定するものではない。なお、ＬＥＤ薄膜部２は、後述のように当該ＬＥＤ薄膜部２に酸化物半導体基板３の基礎となる酸化物半導体ウェハを結合する前に、一表面が（０００１）面であるサファイアウェハの上記一表面側に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜している。ここで、ＬＥＤ薄膜部２のエピタキシャル成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限定するものではなく、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを採用してもよい。

上述のｎ形窒化物半導体層２２は、ｎ形ＧａＮ層により構成されているが、単層構造に限らず、多層構造でもよい。

また、発光層２３は、ＧａＮ層からなる障壁層によりＩｎＧａＮ層からなる井戸層が挟まれた量子井戸構造を有しており、当該発光層２３の発光ピーク波長が４５０ｎｍとなるようにＩｎＧａＮ層の組成を設定してあるが、発光波長（発光ピーク波長）は特に限定するものではない。なお、発光層２３の量子井戸構造は単一量子井戸構造に限らず、多重量子井戸構造でもよい。また、発光層２３は、必ずしも量子井戸構造を有している必要はなく、単層構造でもよい。また、発光層２３の材料も窒化物半導体材料であればよく、所望の発光波長に応じて、例えば、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮなどを適宜採用してもよい。

また、ｐ形窒化物半導体層２４は、発光層２３上に形成されたｐ形ＧａＮ層で構成してあるが、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮ層からなる第１のｐ形半導体層と、第１のｐ形半導体層上に形成されたｐ形ＧａＮ層からなる第２のｐ形半導体層とで構成してもよい。

ところで、ＧａＮおよびＺｎＯはウルツ鉱型の結晶構造でｃ軸方向に極性を有する有極性半導体であり、ＬＥＤ薄膜部２は、ｎ形ＧａＮ層からなるｎ形窒化物半導体層２２における発光層２３側とは反対側の表面がＮ極性面である（０００−１）面により構成され、ｐ形ＧａＮ層からなるｐ形窒化物半導体層２４における発光層２３側とは反対側の表面がＧａ極性面である（０００１）面により構成されており、酸化物半導体基板３は、ＬＥＤ薄膜部２側の表面である下面３１がＺｎ極性面である（０００１）面により構成され、ＬＥＤ薄膜部２側とは反対側の表面である上面３２がＯ極性面である（０００−１）面により構成されている。要するに、ＬＥＤ薄膜部２と酸化物半導体基板３とは、酸化物半導体基板３のＺｎ極性面とｐ形窒化物半導体層２４のＧａ極性面とが結合されている。

また、上述のアノード電極４は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成され、カソード電極５は、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあり、アノード電極４およびカソード電極５のいずれも最表面側がＡｕ膜により構成されている。なお、アノード電極４およびカソード電極５は、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）により形成している。

また、本実施形態では、透光性薄膜６を構成するＴｉ薄膜の膜厚を１ｎｍに設定してあるが、この膜厚に限定するものではない。ここで、透光性薄膜６は、酸化物半導体基板３の基礎となるＺｎＯウェハの（０００−１）面からなる一表面側に透光性薄膜６の形成予定領域が開口されたレジスト層をフォトリソグラフィ技術により形成し、その後、ＺｎＯウェハの上記一表面側にＴｉ薄膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、続いて、レジスト層および当該レジスト層上に形成されている不要なＴｉ薄膜を除去することにより形成してある。ここにおいて、Ｔｉ薄膜からなる透光性薄膜６の膜厚と当該透光性薄膜６の波長４５０ｎｍの光に対する光透過率との関係についてシミュレーションしたところ、透光性薄膜６の膜厚が小さいほど当該透光性薄膜６の光透過率が高く、透光性薄膜６をＴｉ薄膜により構成する場合、透光性薄膜６の膜厚が１ｎｍになると、光透過率が９５％程度となり、透光性薄膜６の膜厚が０．１ｎｍ未満になると結晶異方性エッチングを行う際のマスクとしての機能が損なわれてしまう可能性が高くなるので、透光性薄膜６の膜厚は０．１ｎｍ〜１ｎｍ程度の範囲で設定することが好ましい。

また、本実施形態では、透光性薄膜６をＴｉ薄膜により構成してあるが、透光性薄膜６は、Ｔｉ薄膜に限らず、酸化物半導体基板３を結晶異方性エッチングする際のエッチング液に対して耐性を有してマスクとして利用可能であり、且つ、透光性を有していればよく、例えば、ＩＴＯ膜もしくはシリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜により構成してもよい。ここにおいて、透光性薄膜６をＩＴＯ薄膜により構成する場合、当該透光性薄膜６の形成にあたっては、Ｏ_２ガスアシストの電子ビーム蒸着法により成膜した後、Ｎ_２ガスとＯ_２ガスとの混合ガス中でアニールするようにすればよく、このような形成方法を採用することにより、透光性薄膜６の消衰係数を０．００１程度とすることができる。しかして、透光性薄膜６をＩＴＯ膜もしくはシリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜により構成すれば、Ｔｉ薄膜により構成する場合に比べて、膜厚設定の自由度が高くなる。なお、透光性薄膜６の形成方法および形成条件は上述の例に限らないが、消衰係数ｋが０．００３以下となるように形成方法および形成条件を設定することが好ましい。

本実施形態の半導体発光素子Ａでは、アノード電極４とカソード電極５との間に順方向バイアス電圧を印加することにより、トンネル電流注入によりアノード電極４からｐ形窒化物半導体層２４へホールが注入されるとともに、カソード電極５からｎ形窒化物半導体層２２へ電子が注入され、発光層２３に注入された電子とホールとが再結合することで発光し、酸化物半導体基板３の各側面３３および透光性薄膜６における酸化物半導体基板３の上面３２側とは反対側の表面から光が放射される。なお、波長が４５０ｎｍの光に対するＺｎＯの屈折率は２．１、ＧａＮの屈折率は２．４である。

以下、本実施形態の半導体発光素子Ａの製造方法について説明する。

上述の半導体発光素子Ａは、上記一表面が（０００１）面のサファイアウェハの上記一表面側にｎ形窒化物半導体層２２と発光層２３とｐ形窒化物半導体層２４との積層構造を有するＬＥＤ薄膜部２をＭＯＶＰＥ法などにより成長する結晶成長工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してＬＥＤ薄膜部２を正六角形状の形状にパターニングするパターニング工程を行い、次に、サファイアウェハの上記一表面側のＬＥＤ薄膜部２と酸化物半導体基板３の基礎となるｎ形のＺｎＯウェハとを接合する接合工程を行ってから、ＺｎＯウェハにおけるＬＥＤ薄膜部２側とは反対側に所定形状にパターニングされた透光性薄膜６を形成する透光性薄膜形成工程を行い、その後、サファイアウェハを除去するウェハリフトオフ工程を行い、続いて、アノード電極４およびカソード電極５を形成する電極形成工程を行ってから、塩酸系のエッチング液（例えば、塩酸水溶液など）を用いてエッチング速度の結晶方位依存性を利用した結晶異方性エッチングを行うことによりＺｎＯウェハの一部からなる六角錘台状の酸化物半導体基板３を形成する加工工程を行うようにしている。なお、ＺｎＯウェハとしては、転位欠陥密度が１０^３ｃｍ^−２以下で結晶性の優れた単結晶ＺｎＯウェハであり、量産に適した水熱合成法を利用して製造されものを用いている。また、上述の接合工程では、ＬＥＤ薄膜部２とＺｎＯウェハとの互いの接合表面を清浄化した後、ＬＥＤ薄膜部２におけるサファイアウェハ側とは反対側にＺｎＯウェハを重ね合わせ、所定圧力（例えば、２ＭＰａ）を印加しながら、熱処理を行うことにより、ＬＥＤ薄膜部２とＺｎＯウェハとを接合する。ここで、上述の所定圧力の値は特に限定するものではなく、また、ＺｎＯウェハのウェハサイズに応じて適宜変更すればよい。また、熱処理の条件としては、雰囲気を窒素ガス雰囲気として熱処理温度を８００℃としているが、これらの条件は一例であって、特に限定するものではない。

六角錘台状の酸化物半導体基板３の高さ（厚さ）は、ＺｎＯウェハの厚さで規定することができ、本実施形態では、ＺｎＯウェハとして厚さが５００μｍのものを用いているので、酸化物半導体基板３の高さは５００μｍとなっているが、ＺｎＯウェハの厚さは特に限定するものではない。また、酸化物半導体基板３の下面３１に対する各側面３３それぞれの傾斜角は、ＺｎＯウェハの結晶軸方向で規定される。本実施形態では、ＬＥＤ薄膜部２側がＺｎ極性面である（０００１）面、ＬＥＤ薄膜部２側とは反対側がＯ極性面である（０００−１）面のＺｎＯウェハに対して上述の結晶異方性エッチングを行うことにより酸化物半導体基板３を形成しているので、酸化物半導体基板３の各側面３３は、｛１０−１−１｝面により構成されており、再現性良く傾斜角が６０°の側面３３を形成することができる。しかも、本実施形態では、平面視形状が正六角形状の透光性薄膜６をマスクとしてＺｎＯウェハの結晶異方性エッチングを行うので、透光性薄膜６の平面サイズにより酸化物半導体基板３の上面３２の面積を規定することができ、透光性薄膜６の平面サイズとＺｎＯウェハの厚さとで酸化物半導体基板３の下面３１の面積を規定することができるから、ＺｎＯウェハの厚さを変更することなしに透光性薄膜６の平面サイズを大きくすることにより酸化物半導体基板３の下面３１の面積を大きくすることができる。

しかして、ＺｎＯウェハとして従来と同様に厚さが５００μｍのものを用いた場合でも、透光性薄膜６を１辺が４７５μｍの正六角形状の形状にパターニングすれば、六角錘台状の酸化物半導体基板３の高さを５００μｍ、下面３１を１辺が８０８μｍの正六角形状の形状とすることができるから、ｎ形窒化物半導体層２２および発光層２３の面積を１．２ｍｍ^２とすることができ、発光層２３の面積を従来の略４倍とすることができる。

以上説明した本実施形態の半導体発光素子Ａによれば、酸化物半導体基板３がＬＥＤ薄膜部２側を下面３１、ＬＥＤ薄膜部２側とは反対側を上面３２とする六角錘台状の形状に結晶異方性エッチングにより加工され、且つ、酸化物半導体基板３の下面３１側にアノード電極４およびカソード電極５を備え、酸化物半導体基板３の上面３２に上述の結晶異方性エッチングを行うときにマスクとして用いる透光性薄膜６が形成されているので、透光性薄膜６の平面サイズと六角錘台状の酸化物半導体基板３の基礎となる酸化物半導体ウェハたるＺｎＯウェハの厚さとで酸化物半導体基板３の下面３１の面積が決まるから、ＺｎＯウェハの厚さを変更することなしに透光性薄膜６の平面サイズを大きくすることにより酸化物半導体基板３の下面３１の面積を大きくすることができ、しかも、ＬＥＤ薄膜部２から放射された光が酸化物半導体基板３の上面３２側で反射されるのを抑制することができるから、光取り出し効率の低下を抑制しつつ低コストで光出力の高出力化を図れる。なお、本実施形態の半導体発光素子Ａでは、酸化物半導体基板３としてＺｎＯ基板を採用しているが、ＺｎＯの構成元素であるＺｎおよびＯは豊富な資源であり且つ無毒なので、今後、低コスト化および安定供給の点で有望であると考えられる。また、本実施形態の半導体発光素子Ａでは、図４に示した構成の半導体発光素子と同様、酸化物半導体基板３の下面３１側にアノード電極４およびカソード電極５が形成されており、酸化物半導体基板３の下面３１に対する各側面３３の傾斜角が６０°となっているので、出射光の広がり角を大きくすることができる。ここにおいて、単位立体角当たりの放射光強度が最大値に対して５０％以上となる角度範囲を光出射角（出射光の広がり角）と定義すると、本実施形態の半導体発光素子Ａの光出射角は１２０°以上となる。

以下、上述の半導体発光素子Ａを実装基板などに実装する際に用いる吸着コレット８について図２に基づいて説明する。

吸着コレット８は、半導体発光素子Ａを吸着するためのチップ吸着用凹所８１が角柱状（ここでは、四角柱状）のコレット本体８０ａの先端部（図２における下端部）に形成され、コレット本体８０ａに、チップ吸着用凹所８１に連通する真空吸着孔８２が形成されている。ここで、チップ吸着用凹所８１は、コレット本体８０ａの先端面側（下面側）が開放されており、真空吸着孔８２は、チップ吸着用凹所８１と中心線が一致するようにチップ吸着用凹所８１の上方に形成されている。なお、コレット本体８０ａの形状は四角柱状に限らず、例えば、六角柱状の形状でもよい。

吸着コレット８は、超硬合金（ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣなどの遷移元素系列の硬質金属炭化物粉末をＣｏ、Ｎｉなどの鉄族金属を結合剤として圧縮成形したのち、高温で焼結したもの）により形成してあるが、超硬合金に限らず、例えば、セラミック（例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化チタン、シリカなど）により形成してもよい。

ところで、吸着コレット８のチップ吸着用凹所８１は、六角形状に開口され六角錘台状の酸化物半導体基板３の平坦な上面３２に面接触可能な平坦面８１ｂおよび各側面３３それぞれに面接触可能な６つの傾斜面８１ａで囲まれた六角錘台状の凹所により構成されている。要するに、吸着コレット８のチップ吸着用凹所８１は、半導体発光素子Ａの酸化物半導体基板３に整合する形状に設計されている。また、吸着コレット８の真空吸着孔８２は、円形状に開口されており、吸着コレット８は、真空吸着孔８２の内周面とチップ吸着用凹所８１の平坦面８１ｂとが連続して形成されている。ここにおいて、吸着コレット８は、コレット本体８０ａの中心線に対する各傾斜面８１ａの傾斜角を３０°に設定し、中心線に直交する仮想平面（ここでは、コレット本体８０ａの先端面を含む平面）に対する各傾斜面８１ａの傾斜角を６０°に設定してある。なお、真空吸着孔８２の中心線およびチップ吸着用凹所８１の中心線はコレット本体８０ａの中心線上に位置している。

また、吸着コレット８は、吸着対象の半導体発光素子Ａを吸着した状態において当該半導体発光素子Ａの酸化物半導体基板３の下面３１がコレット本体８ａの先端面を含む平面よりも突出するように、チップ吸着用凹所８１の深さ寸法を、吸着対象の半導体発光素子Ａの酸化物半導体基板３の高さ寸法よりも小さく設定してある。

次に、上述の吸着コレット８を利用した実装方法について説明する。

本実施形態における実装方法では、配線パターンの適宜部位上にバンプ（例えば、Ａｕバンプなど）を設けた実装基板２０をダイボンド装置（図示せず）のステージの表面側に載置して保持し、上記ダイボンド装置の駆動部により上記ダイボンド装置のヘッド（ボンディングヘッド）に設けた吸着コレット８を移動させて吸着コレット８の真空吸着孔８２を通して真空吸引することで吸着コレット８により半導体発光素子Ａを真空吸着させて保持し、その後、上記駆動部により吸着コレット８を移動させて半導体発光素子Ａのアノード電極４およびカソード電極５と上記ステージの上記表面側に保持された実装基板の配線パターン上の各バンプとを接触させ、半導体発光素子Ａ、各バンプおよび実装基板を規定の接合温度（例えば、１５０°）に加熱した状態で、上記ヘッド側から吸着コレット８に適宜の圧力を印加して半導体発光素子Ａを鉛直下方へ押し付け且つ同時に上記ダイボンド装置の超音波発生装置から吸着コレット８に対して超音波を水平方向に印加することにより半導体発光素子Ａのアノード電極４およびカソード電極５それぞれと実装基板の対応する各配線パターンとをそれぞれバンプを介して接合する。なお、半導体発光素子Ａの加熱は、上記ヘッドに設けたヒータにより行えばよく、実装基板の加熱は、上記ステージに設けたヒータにより行えばよい。

以上説明した吸着コレット８を用いれば、チップ吸着用凹所８１が、六角形状に開口され六角錘台状の酸化物半導体基板３の上面３２に面接触可能な平坦面８１ｂおよび各側面３３それぞれに面接触可能な６つの傾斜面３１ａで囲まれた六角錘台状の凹所からなるので、六角錘台状の酸化物半導体基板３を有する半導体発光素子Ａを傾きなく安定して保持することができ、しかも、微小なパーティクルが半導体発光素子Ａに付着している場合でも、当該半導体発光素子Ａに超音波を安定かつ効率的に伝播させることができる。その結果、実装工程の再現性を高めることができて生産性の向上を図れる。また、上述の接合温度の低温化を図れ、半導体発光素子Ａへの残留応力の発生や半導体発光素子Ａへの熱ダメージの発生を防止することができる。

なお、上述の実施形態では、半導体発光素子Ａから放射される光が青色光となるように発光層２３を設計してあるが、半導体発光素子Ａから放射される光は青色光に限らず、例えば、赤色光、緑色光、紫色光、紫外光などでもよい。また、本実施形態の半導体発光素子Ａと、当該半導体発光素子Ａから放射される光によって励起されて半導体発光素子Ａよりも長波長の光を放射する波長変換材料である蛍光体とを組み合わせて半導体発光素子Ａの発光色とは異なる色合いの混色光（例えば、白色光など）を出す発光装置を構成してもよい。

実施形態の半導体発光素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略上面図、（ｃ）は概略下面図である。同上の半導体発光素子の実装に用いる吸着コレットの説明図である。従来例を示す半導体発光素子の概略断面図である。他の従来例を示す半導体発光素子の概略断面図である。

符号の説明

Ａ半導体発光素子
２ＬＥＤ薄膜部
３酸化物半導体基板
４アノード電極
５カソード電極
６透光性薄膜
２２ｎ形窒化物半導体層
２３発光層
２４ｐ形窒化物半導体層
３１下面
３２上面
３３側面

Claims

窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部と、ＬＥＤ薄膜部の厚み方向の一面側に結合された酸化物半導体基板とを備え、酸化物半導体基板がＬＥＤ薄膜部側を下面、ＬＥＤ薄膜部側とは反対側を上面とする六角錘台状の形状に結晶異方性エッチングにより加工されるとともに、酸化物半導体基板の下面側にアノード電極およびカソード電極が形成され、酸化物半導体基板の上面に前記結晶異方性エッチングを行うときにマスクとして用いるＴｉ薄膜からなる透光性薄膜が形成されてなることを特徴とする半導体発光素子。
窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部と、ＬＥＤ薄膜部の厚み方向の一面側に結合された酸化物半導体基板とを備え、酸化物半導体基板がＬＥＤ薄膜部側を下面、ＬＥＤ薄膜部側とは反対側を上面とする六角錘台状の形状に結晶異方性エッチングにより加工されるとともに、酸化物半導体基板の下面側にアノード電極およびカソード電極が形成され、酸化物半導体基板の上面に前記結晶異方性エッチングを行うときにマスクとして用いるＩＴＯ膜もしくはシリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜からなる透光性薄膜が形成されてなることを特徴とする半導体発光素子。
前記酸化物半導体基板は、単結晶のｎ形ＺｎＯ基板からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。