JP2011171327A - 発光素子およびその製造方法、並びに発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率を高めると共に薄型化が容易な発光素子および量産性が改善可能なその製造方法、並びに発光装置を提供する。
【解決手段】発光層を有する半導体積層体と、上面側に前記半導体積層体が設けられ、側面に平均高さおよび平均ピッチが均一に分布した凹凸を有する透光性基板と、を備えたことを特徴とする発光素子およびその製造方法、並びに発光装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子およびその製造方法、並びに発光装置に関する。

透光性基板上に可視光を放出可能な発光層が設けられた発光素子において、透光性基板の側面に微小凹凸を形成すると透光性基板の側面における全反射が低減され光取り出し効率を高めることができる。

他方、ＳＭＤ（Surface Mounted Device)型などの発光素子が実装された回路基板を用いた電子機器を薄型にする場合、発光装置も薄型とすることが要求される。例えば、発光装置の厚さを、０．５５ｍｍ以下にする場合、実装部材の厚さやボンディングワイヤの高さを考慮すると、発光素子のチップの厚さを１５０μｍ以下とすることが好ましい。

このような薄いチップの側面に、フロスト処理などを用いて微小凹凸を形成する工程では、チップの収量が低下し、作業性も低下する。

材料・面方位によらず粗面化を行った高輝度発光ダイオードの開示例がある（特許文献１）。この例では、ＡｌＧａＩｎＰ活性層が設けられたＧａＰ基板の側面の全部をダイシングブレードを用いて粗面状に加工している。

特開２００７−２５８６７２号公報

光取り出し効率を高めるとともに、薄型化が容易な発光素子および量産性が改善可能なその製造方法、並びに発光装置を提供する。

本発明の一態様によれば、発光層を有する半導体積層体と、上面側に前記半導体積層体が設けられ、側面に平均高さおよび平均ピッチが均一に分布した凹凸を有する透光性基板と、を備えたことを特徴とする発光素子が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、発光層を有する半導体積層体と、上側面に前記半導体積層体が設けられ、側面に平均高さおよび平均ピッチが均一に分布した凹凸を有する透光性基板と、を有する発光素子と、前記発光素子が接着された第１の電極と、前記第１の電極の一方の端部と対向しかつ 前記第１の電極の他方の端部とは互いに反対方向に延在する他方の端部と、を有する第２の電極と、凹部が設けられ、前記凹部の底面には前記第１および第２の電極の一部がそれぞれ露出し、かつ前記凹部の内部に前記発光素子が設けられた絶縁部材と、前記凹部内に充填された透光性樹脂層と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、透光性基板の上面に半導体積層体を形成する工程と、前記透光性基板の下面に貫通しない溝部を前記半導体積層体側から形成する工程と、前記溝部の内側面に凹凸を形成する工程と、前記溝部に至るまで前記透光性基板を前記下面側から研磨する工程と、を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法が提供される。

光取り出し効率を高めるとともに、薄型化が容易な発光素子および量産性が改善可能なその製造方法、並びに発光装置が提供される。

本発明の実施形態にかかる発光素子の模式断面図 発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図２（ａ）は透光性基板上に接着層を形成した模式断面図、図２（ｂ）は第１の基板上に接着層までを形成した模式断面図、図２（ｃ）はウェーハを接着した模式断面図、図２（ｄ）は第１の基板を除去した模式断面図、である。 発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図３（ａ）は上部成長層を形成した模式断面図、図３（ｂ）は上部電極を形成した模式断面図、図３（ｃ）はコンタクト層をエッチングした模式断面図、である。 発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図４（ａ）は半導体積層体を分離した模式断面図、図４（ｂ）は保護層を充填した模式断面図、図４（ｃ）はハーフダイシングを行った断面図、である。 発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図５（ａ）は凹凸を形成した模式断面図、図５（ｂ）は溝部に樹脂を充填した模式断面図、図５（ｃ）は支持板を接着した模式断面図、である。 凹凸形状の分布を説明する模式図を示し、図６（ａ）は発光素子の模式斜視図、図６（ｂ）は凹凸の変化を説明する模式図、図６（ｃ）は小さい凹凸を説明する模式図、である。 発光装置の模式断面図 比較例にかかる発光装置の模式断面図を示し、図８（ａ）はパッケージを含む発光装置の模式断面図、図８（ｂ）はチップ下部領域の部分模式断面図、である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
発光素子５は、透光性基板１０の上方に、接着層１２、接着層２６、再成長下地層２４、上部成長層３５が、この順序で積層されている。上部成長層３５の上面には上部電極４２、透光性基板１０の下面には下部電極４４、がそれぞれ設けられている。
上部成長層３５は、透光性基板１０側から、第１クラッド層２８、発光層３０、第２クラッド層３２、電流拡散層３４、およびコンタクト層３６、がこの順序に積層されている。また、透光性基板１０の側面１０ａには、微小な凹凸１１が全面にわたって均一に形成されている。この場合、微小な凹凸１１の断面において、光束がより広い角度に放出されるので、全反射される領域が狭くなり、光取り出し効率が改善される。

他方、発光素子５が屈折率が１．５の封止樹脂により覆われており、屈折率が３．４５のＧａＰからなる透光性基板１０の側面が平面である場合、臨界角は略２６度となる。発光層３０からの放出光、上部電極４２や下部電極４４における反射光、およびチップと外部との界面における反射光が臨界角以上の入射角で側面１０ａに当たると、発光素子５のチップの外部に放出されない。

なお、第２クラッド層３２、電流拡散層３４、およびコンタクト層３６、は、同一導電型とし、ｐ型およびｎ型のいずれか一方とし、第１クラッド層２８、および透光性基板１０は、ｐ型およびｎ型のいずれか他方とする。

発光層３０を含む上部成長層３５は、Ｉｎ_ｙ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）やＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）、Ｇａ_ｓＩｎ_１−ｓＮ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）とすると、放出光の波長範囲を５３０〜９００ｎｍなどできる。もし、発光層３０のバンドギャップ波長を透光性基板１０のバンドギャップ波長よりも長くすると、透光性基板１０における放出光の吸収を低減できる。このような、透光性基板１０として、例えばバンドギャップ波長が５５０ｎｍであるＧａＰ、やバンドギャップ波長が５７０ｎｍであるＡｌＡｓ、などを用いることができる。

また、発光層３０は、井戸層および障壁層からなる多重量子井戸構造とすることができる。量子井戸構造を有する発光素子は、キャリアを井戸層に効率よく閉じ込め発光効率を高めるとともに、動作電流を低減し、発光波長を精度良く制御することができる。

図２は発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図２（ａ）は透光性基板上に接着層を形成した模式断面図、図２（ｂ）は第１の基板上に接着層までを形成した模式断面図、図２（ｃ）はウェーハを接着した模式断面図、図２（ｄ）は第１の基板を除去した模式断面図、である。
図２（ａ）において透光性基板１０は、ｎ型ＧａＰから成るものとし、その表面にｎ型導電型の接着層１２を形成する。また、図２（ｂ）のように、ｎ型ＧａＡｓなどからなる第１の基板２０の表面に、バッファ層２２、再成長下地層２４、および接着層２６をこの順序で形成する（図２（ｂ））。

続いて、図２（ｃ）のように、接着層１２と、接着層２６と、を向かい合わせて接触させ熱圧着により、ウェーハ接着を行う。さらに、図２（ｄ）のように、第１の基板２０を除去する。バッファ層２２は、次に結晶成長を行う直前に除去するとよい。

図３は発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図３（ａ）は上部成長層を形成した模式断面図、図３（ｂ）は上部電極を形成した模式断面図、図３（ｃ）はコンタクト層をエッチングした模式断面図、である。なお、透光性基板１０側の接着層１２、接着層２６、及び再成長下地層２４、及びその上に成長された上部成長層３５、を半導体積層体３９と呼ぶことにする。
さらに、図３（ａ）のように、透光性基板１０の上方に積層された再成長下地層２４の上方に、ｎ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなる第１クラッド層（厚さ０．６μｍ）２８、発光層３０、ｐ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなる第２クラッド層（厚さ０．６μｍ）３２、Ｉｎ_０．５（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｐからなる電流拡散層（厚さ２μｍ）３４、ｐ型Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５Ａｓからなるコンタクト層３６、およびダミー層３７をこの順序で結晶成長する。なお、それぞれの層の厚さおよび組成はこれらに限定されない。また、透光性基板１０および半導体積層体３９の導電型はそれぞれ反対の導電型であってもよい。

再成長下地層２４はＧａＡｓと格子整合している。このために、格子定数の異なる透光性基板１０と接着されても、接着側とは反対側の上方にはＧａＡｓまたはＩｎ_ｙ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）と格子整合した半導体層が結晶成長できる。なお、発光層を含む積層体を結晶成長したのちウェーハ接着を行ってもよいが、図２〜図３に説明した製造方法の方が半導体積層体３９の結晶品質を高めることが容易となる。

このような結晶結晶成長には、ＭＯＣＶＤ（Meatl Organic Chemical Vapor Depositon)法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法などを用いることができる。

続いて、図３（ｂ）のように、ダミー層３７を除去し上部成長層３５の上面のコンタクト層３６を露出する。コンタクト層３６の上に、上部電極４２をパターニングする。コンタクト層３６がｐ型Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５Ａｓからなる場合、上部電極４２は、例えばＡｕ（厚さ０．０５μｍ）／ＡｕＺｎ（Ｚｎ０．３重量％含有、厚さ０．２μｍ）／Ａｕ（厚さ）０．５μｍ）などの構成とすることができる。また、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどのノンアロイ系やＩＴＯ（Indium Tin Oxide)などの透明導電膜を用いた構成としてもよい。

コンタクト層３６がＧａＡｓからなる場合、可視光が吸収され光出力が低下する。このために、上部電極４２をマスクとして、ウェットエッチング法などを用いてコンタクト層３６を除去すると光出力を高めることができる。

図４は本実施形態にかかる発光素子の製造方法の工程断面図を示し、 図４（ａ）は半導体積層体を分離した模式断面図、図４（ｂ）は保護層を充填した模式断面図、図４（ｃ）はハーフダイシングを行った模式断面図、である。
図４（ａ）のように、フォトレジスト膜５０をパターニングし、ウェットエッチング法などを用いて半導体積層体３９のダイシングロードとする領域３９ａを除去し、フォトレジスト膜５０をさらに剥離する。なお、半導体積層体３９の上面には上部電極４２が設けられているが図示していない。

続いて、図４（ｂ）のように、エッチングにより露出した半導体積層体３９のメサ表面を、第１の保護層５２で覆う。第１の保護層５２の材質としては、耐酸性樹脂、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２のような誘電体を用いることができる。さらに、フォトレジスト膜などを用いて、第１の保護層５２の上面および半導体積層体３９の上面に第２の保護層５３を形成する。

さらに、図４（ｃ）のように、ブレードダイサーなどを用いて第２の保護層５３の側からハーフダイシング加工を行い、透光性基板１０に溝部５４を形成する。透光性基板１０の表面からの深さをＴＧは、例えば５０〜１５０μｍとする。このようにして、透光性基板１０を上方からみて、格子状に溝部５４を形成することができる。

図５は本実施形態にかかる発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図５（ａ）は凹凸を形成した模式断面図、図５（ｂ）は溝部に樹脂を充填した模式断面図、図５（ｃ）は支持板を接着した模式断面図、である。
図５（ａ）のように、溝部５４の内側面５４ａに酸の水溶液などを用いたエッチング工程を含むフロスト処理を行い、高次の結晶面からなる微小な凹凸１１を形成する。酸としては、ＨＣｌ、Ｈ_２ＳＯ_４、Ｈ_２Ｏ_２、ＨＦまたはこれらの混合液とすることができる。例えばＨＣｌ水溶液を用いると、凹凸１１のピッチや高低差が、０．１〜３μｍの範囲とすることができる。このような凹凸１１が形成された面を粗面とも言う。また、ＨＣｌ水溶液の温度や濃度を適正に選択することにより、凹凸１１のピッチおよび高低差の平均値を０．３〜２μｍの範囲とすることがより好ましい。

続いて、図５（ｂ）のように、第２の保護層５３、第１の保護層５２を剥離し、溝部５４にＰＭＭＡ（Polymethyl Methacrylate)などの樹脂５５を充填する。さらにエレクトロンワックス５７などを用いて支持板５６に貼り付けると、接着強度が増すのでより好ましい。このあと、透光性基板１０の下面側から研磨を始め、溝部５４に至り、基板１０が所望の厚さとなると研磨を終了する。さらに例えばポリッシング研磨により表面を鏡面に近づける。研磨終了面５９は、鎖線で表すようになる。

ウェーハ口径が２インチの透光性基板１０の厚さＴＷは、例えば研磨前で２５０〜４００μｍの範囲とする。また、溝部５４の深さＴＤは、例えば７０〜１７０μｍとする。この結果、透光性基板１０の溝部非形成領域の厚さＴＲは、例えば８０〜３３０μｍの範囲となる。溝部５４の下部領域の厚さＴＭとして、例えば１０μｍ分を研磨除去する。

半導体積層体３９の厚さＴＬは、例えば５〜１０μｍの範囲とする。この結果、発光素子５の厚さである（ＴＤ−ＴＭ＋ＴＬ）は、例えば６５〜１７０μｍの範囲と薄くすることができる。このようにすると、凹凸１１が均一に全面にわたって形成された側面１０ａとすることができる。また、ウェーハ口径を３インチとした場合、透光性基板１０の厚さＴＷは、例えば４００〜５００μｍの範囲とするので、研磨する部分が多くなる。

このように、透光性基板１０の下面側の研磨工程の前に、半導体積層体３９が設けられた上面側からダイシングする技術を、ＤＢＧ（Dicing Before Grinding）と呼ぶ。ブレードダイサーの代わりにレーザ加工法を用いてＤＢＧを行うと、確実にかつ正確にダイシングできるのでチップの収量を高めることが容易となる。

さらに、図５（ｃ）のように、下部電極４４を形成する。透光性基板１０がｎ型導電型である場合、電極組成は、ＡｕＧｅ（Ｇｅ０．３重量％含有、厚さ０．０５μｍ）／Ｎｉ／Ａｕ（０．５μｍ）またはＡｕＧｅ（Ｇｅ０．３ｗｔ％含有、厚さ０．０５μｍ）／Ｍｏ／Ａｕ（０．５μｍ）などとすることができる。下部電極４４を支持板５６から剥離した状態で下部電極４４のシンター工程を行い、チップ間に埋め込まれていた樹脂５５をＣＤＥ（Chemical Dry Etching)などを用いて除去し、分離面６０で分離すると、図１の発光素子５のチップを得ることができる。

図６は凹凸形状の分布を説明する模式図を示し、図６（ａ）は発光素子の模式斜視図、図６（ｂ）は凹凸の変化を説明する模式図、図６（ｃ）は小さい凹凸を説明する模式図、である。
図６（ａ）において、透光性基板１０の４つの側面１０ａには、凹凸１１が形成される。図６（ｂ）に表すように、この凹凸１１の谷から山までの差で定義する高さＨは、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４のようにＸＺ面内の位置に応じて変化する。また、山から山の間隔で定義するピッチＰは、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のようにＸＺ面内の位置に応じて変化する。しかし、フロスト処理工程の条件を同一にすれば、側面１０ａの上部のＡ領域、中間部のＢ領域、下部のＣ領域、における高さＨおよびピッチＰの平均値は均一となる。なお、フロスト処理工程を用いて形成された凹凸１１の山の先端および谷底は、図６（ｂ）よりも滑らかとなっていてもよい。

この場合、ＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)写真を用いて側面１０ａの断面形状から凹凸１１の高さＨおよびピッチＰの相対値を測定することができる。また、凹凸１１の表面形状のＳＥＭ写真などを用いても、ピッチＰの相対値を測定することができる。なお、本明細書において、「凹凸の平均高さおよび平均ピッチの分布が均一」とは、ＳＥＭ測定における相対値の最大誤差を、例えば５％として、平均高さおよび平均ピッチ値の差異が共に５％よりも小さく分布している場合を意味するものとする。

溝部５４内の下部ではフロスト処理工程において酸水溶液の流動性が不十分となり、フロスト処理条件を同一とすることが困難となり、凹凸１１が上部におけるようには均一に形成できないことがある。この場合、例えば、図６（ｃ）のように高さおよびピッチが次第に小さくなり、粗面としての効果が低下する。

これに対して本実施形態では、溝部５４の厚さＴＭの下部領域を研磨により除去するので、チップに分離した場合に透光性基板１０の側面１０ａを下部から上部にわたって高さＨおよびピッチＰの分布を均一にすることが容易となる。

もし、透光性基板１０を研磨しフルダイシングを行いチップを完全に分離したのちにフロスト処理を行う場合、チップ厚さが小さいと処理工程中にチップ剥がれなどを生じ、チップの収量が低下する。また、量産性を高めるためにウェーハを大口径化する場合、製造工程におけるウェーハの割れ、欠け、などを低減するためにウェーハ厚さを薄くには限界がある。

これに対して本製造方法によれば、チップを薄型化してもチップ収量の低下を抑制できるので、量産性が改善可能である。なお、樹脂５５の屈折率が、ＧａＰ及び封止樹脂のそれらの中間とすると、レーザ加工法を用いて樹脂５５の領域を分離しチップ側面に樹脂を残すと、光取り出し効率をより高めることが容易となる。

図７は、ＳＭＤ型パッケージにアセンブリした発光装置の模式断面図である。
第１のリード（電極）８０の一方の端部側に導電性接着剤８６などを用いて発光素子５を接着する。発光素子５の上部電極と第２のリード（電極）８２の一方の端部とをボンディングワイヤ９０を用いて接続する。熱可塑性樹脂などの絶縁部材からなる成型体８４は、凹部８４ａを有する。凹部８４ａの底面８４ｂには第１および第２のリード８０、８２の一部がそれぞれ露出し、発光素子は凹部８４ａの内部に設けられる。凹部８４ａにはシリコーンなどからなる封止樹脂９２が充填される。また、第１のリード８０の他方の端部と第２のリード８２の他方の端部とは互いに反対方向に延在している。本実施形態によりチップ厚さＴＣ１を、例えば１５０μｍ以下としてもチップ収量を高く保つことができる。このために、発光素子５の下方の成型体８４の厚さ、ボンディングワイヤ９０の高さ、ボンディングワイヤ９０の上部の封止樹脂の高さ、を加えても、発光装置の高さＴＰ１を０．５５ｍｍ以下とすることが容易となる。例えば、ＴＰ１を０．４ｍｍとすることもできる。
なお、絶縁部材をセラミックとし、電極を厚膜などからなる導電層としてもよい。

図８は比較例にかかる発光装置の模式断面図を示し、図８（ａ）はパッケージを含む発光装置の模式断面図、図８（ｂ）はチップ下部領域の部分模式断面図、である。第１のリード１８０の上に導電性接着剤１８６を用いて、厚さがＴＣ１１の発光素子１０５が接着されている。フルダイシング加工した発光素子１０５の側面に凹凸を形成する場合、透光性基板１１０を薄くするとフロスト処理以降の工程で発光素子１０５のチップが剥離や落下し収量が低下しやすい。このために、チップの厚さＴＣ１１を１５０〜３００μｍなどとしチップの収量を保つようにすることが多く、発光装置の高さＴＰ１１が０．６〜１．９ｍｍなどとなる。

また、発光素子１０５の側面の下部領域ＣＣは、フロスト処理液の流動性が低下し凹凸の高さが下方に向かうほど小さくなる。このために、全反射が生じやすくなり光取り出し効率が低下する場合がある。下部領域ＣＣの透光性基板１１０の下面からの高さは、例えば１０μｍなどとなる。

本実施形態によれば、高輝度を有し薄型化された発光素子と、量産性に富むその製造方法が提供される。このようなチップを用いて、量産性に富み、高輝度化かつ薄型化された発光装置が提供される。この結果、照明装置、表示装置、および信号機の高輝度化および薄型化が容易となる。

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明を構成する半導体積層体、発光層、電極、透光性基板、凹凸、実装部材、などの材質、サイズ、形状、配置、などに関して当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り、本発明の範囲に包含される。

５発光素子、１０ 透光性基板、１１ 凹凸、２０ 第１の基板、２４ 再成長下地層、２６ 接着層、３０ 発光層、３５ 上部成長層、３９ 半導体積層体、５４ 溝部、５６ 支持板、高さＨ、ピッチＰ

Claims (6)

1. 発光層を有する半導体積層体と、
   上面側に前記半導体積層体が設けられ、側面に平均高さおよび平均ピッチが均一に分布した凹凸を有する透光性基板と、
   を備えたことを特徴とする発光素子。
2. 前記発光層は、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）、およびＧａ_ｓＩｎ_１−ｓＮ_ｔＡｓ_１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のいずれかからなり、
   前記透光性基板は、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＧａＮ、サファイヤ、およびダイアモンドのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 発光層を有する半導体積層体と、上側面に前記半導体積層体が設けられ、側面に平均高さおよび平均ピッチが均一に分布した凹凸を有する透光性基板と、を有する発光素子と、
   前記発光素子が接着された第１の電極と、
   前記第１の電極の一方の端部と対向しかつ 前記第１の電極の他方の端部とは互いに反対方向に延在する他方の端部と、を有する第２の電極と、
   凹部が設けられ、前記凹部の底面には前記第１および第２の電極の一部がそれぞれ露出し、かつ前記凹部の内部には前記発光素子が設けられた絶縁部材と、
   前記凹部内に充填された透光性樹脂層と、
   を備えたことを特徴とする発光装置。
4. 透光性基板の一方の面側に半導体積層体を形成する工程と、
   前記透光性基板の他方の面側に貫通しない溝部を前記半導体積層体側から形成する工程と、
   前記溝部の内側面に凹凸を形成する工程と、
   前記溝部に至るまで前記透光性基板を前記他方の面側から研磨する工程と、
   を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法。
5. 前記凹凸を形成する工程のあとに、前記半導体積層側に支持板を貼り付ける工程をさらに備え、
   前記支持板を取り付ける工程のあとに、前記研磨する工程を行うことを特徴とする請求項４記載の発光素子の製造方法。
6. 前記半導体積層体を形成する工程は、第１の基板の上方に再成長下地層および接着層をこの順序で形成したのち前記透光性基板と接着し、前記第１の基板を除去する工程と、前記再成長下地層の上に発光層を含む上部成長層を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項４または５に記載の発光素子の製造方法。

Images