JP2011223049A - 高光抽出ｌｅｄ用の基板除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電キャリア上の発光半導体素子を製造する方法を提供する。
【解決手段】発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する方法は、基板ウェハ上に複数のＬＥＤを設けるステップを含み、各ＬＥＤはＳｉＣ基板上に形成された第ＩＩＩ族窒化物材料のｎ型およびｐ型層を有し、ｎ型層は基板とｐ型層の間に挟まれる。ＬＥＤを保持するための外側面を有する導電性キャリアが用意される。ＬＥＤは、導電性キャリアの外側面上にフリップチップ実装される。ＬＥＤからＳｉＣ基板は取り除かれ、ｎ型層が最上層となる。ＬＥＤのそれぞれのｎ型層上にそれぞれのコンタクトが堆積され、キャリアは各部分に分離され、それによりＬＥＤが他から分離され、ＬＥＤのそれぞれが前記キャリアのそれぞれの部分に取り付けられるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を製造する方法に関し、より詳細には導電キャリア上の発光半導体素子を製造する方法に関する。

第ＩＩＩ族窒化物材料系の半導体材料の製造における改良は、高効率の青色、緑色、および紫外（ＵＶ）光発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザなどのＧａＮ／ＡｌＧａＮオプトエレクトロニクス素子、および大電力マイクロ波トランジスタなどの電子素子の開発の進歩の助けとなっている。ＧａＮのいくつかの利点としては、３．４ｅＶの広い直接バンドギャップ、高い電子速度（２×１０⁷ｃｍ／ｓ）、高い降伏電界（２×１０⁶Ｖ／ｃｍ）、およびへテロ構造が利用可能であることが挙げられる。

通常のＬＥＤは、ｐ型ドープ層とｎ型ドープ層を備え、ドープ層の間にバイアスが印加されるとＬＥＤは光を放出するようになる。他のＬＥＤは、ｎ型ドープ層とｐ型ドープ層の間に挟まれた活性領域を備えることができ、ドープ層の間にバイアスが印加されると、電子およびホールが活性領域内に注入され、そこでそれらは再結合して光を発生する。ＬＥＤ光は、通常、「発光球」内で全方向に発生され、光はＬＥＤ構造体を構成する材料内のすべての方向に放射する。ＬＥＤは、光を発生するのには効率が良いが、ＬＥＤ材料と周囲の間の屈折率の違いにより、光がＬＥＤから周囲へ放出するのに困難さがある。通常の厚さの層および領域を有するＬＥＤは、表面の方向に約２０°の円錐中で形成された光子だけが、構造体を出る。残りの光は、ＬＥＤの構造体内に拘束され、最終的に半導体材料中に吸収され、それによりＬＥＤの全体的な発光効率が低下し得る。

通常のＬＥＤの発光効率を改善するための様々な方法が開発されてきており、そのいくつかは、非平面形状ＬＥＤの使用、およびＬＥＤの発光面の粗面化を含む。これら両方の手法は、様々な角度を有するＬＥＤ表面をもたらし、それによりＬＥＤの活性領域からの光が、光線と表面の間で様々な角度を有して表面に到達するようになることにより、発光効率を改善する。これにより、光が表面に到達するときに、光が２０°の円錐内に入り、それにより光がＬＥＤから放出されるようになる可能性が増大する。光が２０°の円錐内でない場合は、光は様々な角度で反射され、次に光が表面に到達するときに光が円錐内に入る可能性が高くなる。

米国特許第Ｒｅ．３４，８６１号明細書 米国特許第４，９４６，５４７号明細書 米国特許第５，２００，０２２号明細書

ＬＥＤは、ＳｉＣなどの基板上に製造され、次いでフリップチップ実装され、それにより基板がＬＥＤの主な発光表面となる。ＬＥＤの活性領域から発生された光の大部分は、ＳｉＣ基板のより高い屈折率の箇所に結合され、次いでそこから抽出されなければならない。光は、内部全反射（ＴＩＲ）によって基板内に拘束され、それにより素子の全体的な発光効率が低下し得る。

光抽出は、基板側壁をテーパ形状にするなど、ＳｉＣ基板を成形することによって改善することができる。この手法の１つの欠点は、基板の成形により、局所的に断面積を縮小することが必要となり、直列抵抗が高くなることである。さらに基板の成形は、チップの横方向寸法が増加するのに従って、すべての寸法でスケーリングしなければならない。これによりチップの横方向寸法が、比例して長くなる側壁のテーパに適合するように大きくなるので、ＳｉＣ基板をより厚くする必要がある。ＳｉＣ基板を有することには、ｎ型層との接触が難しいなど他の欠点がある。さらに、ＳｉＣ基板を有する一部の実施形態では、電流をｎ型層へ広げるために、基板とｎ型層の間に導電バッファ層が含まれる。しかし、このバッファ層は、ＬＥＤ動作時に電力を吸収し得る。

本発明は、ＬＥＤなどの固体発光素子を製造する方法であって、基板が取り除かれ、それにより以下に詳述するようないくつかの利点がもたらされる方法を提供する。本発明による半導体ベースの発光素子を製造する方法の一実施形態は、基板ウェハ上に複数の半導体発光素子を設けるステップを含み、前記発光素子のそれぞれは、エピタキシャル層を備える。キャリアが設けられ、発光素子はキャリア上にフリップチップ実装され、それにより発光素子はキャリアと基板ウェハの間に挟まれるようになる。基板ウェハは発光素子から取り除かれ、キャリアは各部分に分離され、それにより発光素子のそれぞれは他から分離され、発光素子のそれぞれはキャリアのそれぞれの部分に実装されるようになる。

本発明による方法は、ＬＥＤを製造するのに用いることができ、そのような１つの方法は、ＳｉＣ基板ウェハ上に複数のＬＥＤを設けるステップを含み、ＬＥＤのそれぞれはｎ型層とｐ型層を有し、ｎ型層は基板ウェハとｐ型層の間に挟まれる。ＬＥＤを保持するための外側面を有するキャリアが、用意される。ＬＥＤは、キャリアの外側面上にフリップチップ実装され、それによりＬＥＤは、基板ウェハとキャリアの間に挟まれるようになる。ＳｉＣ基板は、ＬＥＤから取り除かれ、それにより前記ｎ型層が最上層となり、ＬＥＤのそれぞれのｎ型層上に、それぞれのコンタクトが堆積される。キャリアは各部分に分離され、それによりＬＥＤのそれぞれは他から分離され、ＬＥＤのそれぞれはキャリアのそれぞれの部分に実装されるようになる。

本発明による方法によって製造された後、ＬＥＤ（およびその他の半導体発光素子）は通常、封止材料中に入れられる。ＬＥＤを備える半導体材料は、封止材料との屈折率の整合がＳｉＣに比べて優れており、それにより本来的に、ＬＥＤから封止材料への光抽出の改善が得られる。本発明による方法は、第ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤ、および特にＧａＮ ＬＥＤの製造に適用可能である。基板を取り除くことにより、ｎ−ＧａＮに直接、良好なオーミックコンタクトを作製することが可能になる。これは、ＳｉＣ−ＧａＮ境界面の導電バッファ層を不要にし、それによりその境界面での電力損失をなくし、ＬＥＤの壁コンセント効率を改善することができる。また、基板を取り除くことにより、側壁のテーパを有するＬＥＤのために、チップの横方向寸法が増加するのに従って基板を厚くする必要がなくなる。

本発明の上記その他の特徴および利点は、当業者には、添付の図面と共に以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明による製造方法の一実施形態の流れ図である。 ＬＥＤの一実施形態の断面図であり、本発明により基板ウェハ上に形成された様子を示す図である。 キャリアへの取り付けの準備としてＬＥＤおよび基板が反転された、図２のＬＥＤおよび基板ウェハ、ならびにキャリアの断面図である。 ＬＥＤがキャリアにフリップチップ実装された、図３のＬＥＤ、基板ウェハ、およびキャリアの断面図である。 ＬＥＤから基板ウェハが取り除かれた、図４の構造体の断面図である。 ＬＥＤ上にコンタクトが堆積された、図５の構造体の断面図である。 ＬＥＤを分離するためにキャリアが切断された後の、図６の構造体の断面図である。 ＬＥＤパッケージとして取り付けられた、図７中の１つのＬＥＤの断面図である。 ＬＥＤの本発明によるもう１つの実施形態の断面図であり、半導体キャリア上にフリップチップ実装された様子を示す図である。 ＬＥＤの本発明による別の実施形態の断面図であり、導電性キャリア上にフリップチップ実装され、ＬＥＤがテクスチャ付き表面を有する様子を示す図である。 ＬＥＤの本発明による他の実施形態の断面図であり、導電性キャリア上にフリップチップ実装され、キャリアが静電放電保護用の接合ダイオードを有する様子を示す図である。 いくつかのＬＥＤ構造体内における、本発明によるミラー層の一実施形態の断面図である。

図１は、発光半導体素子を製造するための本発明による方法１０の一実施形態を示し、方法１０は特に、個片化され、各ＬＥＤ上の基板が取り除かれた、サブマウント／キャリア（「キャリア」）上の垂直形状発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造に適合する。方法１０の一実施形態では、ＬＥＤは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮなどの第ＩＩＩ族窒化物材料系から作られ、導電性キャリア上に作製される。ステップ１２では、外側面の１つの上に複数のＬＥＤを取り付けられるような寸法を有する導電性キャリアが用意される。キャリアの望ましい特性としては、低コスト、低抵抗率、良好な熱伝導率、およびボンディングされた素子との相対的な熱膨張率が良好であることである。

様々な構造を有する、多くの異なるタイプのキャリアを用いることができる。一実施形態では、キャリアは、低抵抗率特性を実現するために、ＳｉＣまたはＳｉなどの半導体材料を含むことができる。半田付けによってＬＥＤ素子にボンディングするための、キャリアの外側面は、低抵抗率材料により金属被覆されるべきである。半導体キャリアの側面の金属被覆は、それぞれの側にオーミックコンタクトを形成する。ボンディングされるキャリアの外側面はまた、半田ボンディングが側面へのオーミックコンタクトを劣化させないように処理されるべきである。たとえば、半田付けされる表面上の金属は、チタンなどのオーミックコンタクトと、その後に続くＮｉ、ＴｉＷ、またはＷなどの半田バリア、その後に続くＮｉ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／ＡｕＳｎ、Ｎｉ／Ｓｎなどの半田付け可能な層からなるものとすることができる。半導体キャリアは、スパッタリングなどの、既知の方法を用いて金属被覆することができる。

他の実施形態ではキャリアは、これに限定するものではないが、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ、またはＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕを含む金属材料からなるものとすることができる。これらの金属材料は、低抵抗率を有し、その結果、外側面の金属被覆は必要ない。キャリアはまた、１つの単一構造とすることができ、またはいくつかの異なる構成要素を含むことができ、キャリアは、それに取り付けられたＬＥＤを駆動するためのパッシブおよびアクティブ電子部品を含むことができる。

ステップ１４では、ウェハ／基板に取り付けられたＬＥＤが用意される。ＬＥＤは、ＳｉＣ上での成長に適合する様々な材料系から作製することができ、上述のように好ましい材料系は、第ＩＩＩ族窒化物材料系である。ＳｉＣの結晶格子は、第ＩＩＩ族窒化物との整合性が高く、一般に高品質の第ＩＩＩ族窒化物被膜が得られる。ＳｉＣはまた、熱伝導率が高く、したがってＳｉＣ上の第ＩＩＩ族窒化物素子の総出力は、（サファイア上に形成された一部の素子のように）基板の熱損失によって制限されることはない。ＳｉＣ基板は、ノースカロライナ州ダーラムのＣｒｅｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社から入手可能であり、その製造方法は、科学文献等に記載されている（たとえば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。ＬＥＤと共に用いることができる第ＩＩＩ族窒化物材料のいくつかの例は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、および窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）である。

方法１０でＬＥＤ用に用いることができる市販の素子の例としては、これに限定するものではないが、ＸＢ９００（商標）Ｐｏｗｅｒ Ｃｈｉｐ、ＸＢｒｉｇｈｔ（登録商標）ＬＥＤ、ＸＢｒｉｇｈｔ（登録商標）Ｐｌｕｓ ＬＥＤであり、すべてノースカロライナ州ダーラムのＣｒｅｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社から入手可能である。方法１０で用いられる通常のＬＥＤは、ＳｉＣ基板上のｎ型層、ｎ型層上のｐ型層、ｎ型層とｐ型層の間に挟まれた任意の活性領域を有して製造される。また、最終的に製造された素子からの光抽出を、さらに高めるように構成されたミラー層を含むことができる。

個々のＬＥＤは、まずＳｉＣ基板上にｎ型層およびｐ型層（およびミラー層）を堆積させることによって形成される。次いで各層は、好ましくは、知られているメサエッチングの方法、または機械的切断、レーザ切断、およびウォータージェット切断によってＳｉＣ上の個々の素子に分割され、これらすべてはｎ型層およびｐ型層を切断するが、ＳｉＣ基板は切断しない。個々の素子は、様々な寸法を有することができ、適当な寸法範囲は２５０〜３００ミクロン四方であり、基板の寸法によっては、ウェハ上に２０，０００を超える素子を含むことができる。本発明による代替実施形態では、後述のように、ｎ型層およびｐ型層は連続な層として基板上に残され、次いでフリップチップ実装後に個々の素子に分割される。

ステップ１６では、ＬＥＤを有する基板は反転され、キャリアの外側面上にフリップチップ実装され、好ましい実施形態ではＬＥＤは、所定位置にボンディングされる。ＬＥＤは、ＬＥＤ間のキャリアの切断を可能にするために、隣接ＬＥＤ間に余裕があるように配置されるべきである。それによりＬＥＤのそれぞれを他から分離し、ＬＥＤのそれぞれが、それ自体のキャリアの区域を有するようにすることが可能になる。

本発明による一実施形態では、ＬＥＤは、半田によってキャリアにボンディングされる。半田材料は、（ＸＢｒｉｇｈｔ（登録商標）、およびＸＢｒｉｇｈｔ（登録商標）Ｐｌｕｓ ＬＥＤの場合のように）予めＬＥＤ上に堆積させることができ、あるいはＬＥＤがキャリアに取り付けられる前に、キャリアの表面上に表面堆積させることができる。上述のように、金属被覆された層を有する半導体キャリアの場合は、キャリアは、半田ボンディングがオーミックコンタクトを劣化させないように処理されるべきである。

フリップチップ実装後はＳｉＣ基板が最上層となり、ステップ１８では各ＬＥＤから基板が取り除かれる。多くの異なる除去方法を用いることができ、本発明による一実施形態では、すべてまたはほとんどのＳｉＣ基板を取り除くために、ＬＥＤを機械研削することができる。機械研削された後にＬＥＤ上に残るＳｉＣを取り除くために、フッ素ベースのプラズマなどの選択的エッチングを用いることができる。Ａｌ−Ｆ化合物が不揮発性であることにより、比較的低いＡｌ組成の層を、各ＬＥＤのｎ型層内、またはＳｉＣ基板のｎ型層との境界面に含めることもできる。Ａｌ組成は、プラズマエッチングが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのｎ型層上で、またはＳｉＣ基板境界面のＡｌで選択的に停止するのを可能にする。

別法としてＬＥＤは、ＳｉＣ基板と残りのｎ型層の間に配置することができるリフトオフ層を含むことができる。リフトオフ層は、実質的にエピタキシャル層をエッチングせずにリフトオフ層をエッチングする光電気化学エッチング（ＰＥＣ）にさらすことができる。本発明による一実施形態ではＰＥＣエッチングは、半導体素子を溶液中に浸漬するステップと、溶液を光で照射するステップとを含み、溶液の組成と光の波長により、エピタキシャル層をエッチングせずにリフトオフ層がエッチングされる。この実施形態ではリフトオフ層は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＡｓなどの材料、およびｅｍｅｒｓｉｏｎを含むことができ、好ましい溶液は、（１：３）のＫＯＨと水を含むことができ、それだけでは、実質的にリフトオフ層または第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層をエッチングしない。しかし溶液が光で照射されると、溶液は、エピタキシャル層はエッチングせずにリフトオフ層をエッチングすることができる。様々な波長の光を用いることができ、適当な波長は約４００ナノメートル（ｎｍ）である。４００ｎｍの光は、リフトオフ層内の材料に電子ホール対を形成させ、Ｉｎ原子上のホール位置が水酸化物イオンの結合を可能にすると考えられる。これによりＨ２ガスを副生成物としてＩｎ２Ｏ３が形成され、Ｉｎの除去が始まり、リフトオフ層構造を迅速に分解する。ＩｎＧａＮリフトオフ層のエッチングをさらに増進させるために、１つのプローブを基板上に、もう１つのプローブを溶液中に配置することにより、ＫＯＨと水の溶液にバイアスをかけることができる。リフトオフ層がＰＥＣエッチングされた後、ＬＥＤのそれぞれのＳｉＣ基板は、そのＬＥＤの残りの部分から分離される。

本発明によるもう１つの実施形態では、各ＬＥＤはＧａＮベースであり、またそのｎ型層とＳｉＣ基板の間にリフトオフ層を備え、リフトオフ層はＩｎＧａＮなどの材料から作製される。リフトオフ層は、リフトオフ層をエッチングするためにＰＥＣエッチングの代わりに、レーザ照射にさらされる。レーザは、ＳｉＣ基板またはＧａＮエピタキシャル層に吸収されず、ＩｎＧａＮリフトオフ層に吸収される波長の光を発生するべきである。ＳｉＣは、約３９０ｎｍ以下の波長の光を吸収し、ＧａＮは、約３６０ｎｍ以下の波長の光を吸収し、ＩｎＧａＮは、約４５０ｎｍ以下の波長の光を吸収する。本発明によるレーザ照射は、約３９０ｎｍと４５０ｎｍの間の波長を有するべきであり、適当な波長は、約４００ｎｍである。この波長のレーザ照射に対して、ＳｉＣ基板およびＧａＮ層は透明であり、照射がリフトオフ層に当たると光は吸収される。これによりリフトオフ層が加熱および放散し、エピタキシャル層とサブマウントの分離が可能になる。約３９０ｎｍと４５０ｎｍの間の他の多くの波長のレーザ照射を用い得ることが理解されるべきである。

本発明の他の実施形態では、ＬＥＤを三フッ化窒素エッチングにさらすことができ、これは第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層のエッチングより数倍速い速度で、炭化珪素をエッチングする。三フッ化窒素のイオンは、炭化珪素を、その第ＩＩＩ族窒化物材料との境界面まで容易に取り除く。炭化珪素が取り除かれた後は、エピタキシャル層のエッチング速度は非常に遅いため、エッチングはほぼ停止する。

上述した、ｎ型層およびｐ型層が基板上に連続して残される実施形態では、層を個々の発光素子に分割するために、基板が取り除かれた後に連続層を切断またはエッチングすることができる。この積層されたものを個々の素子に分割するには、知られているメサエッチング方法、または機械的切断、レーザ切断、およびウォータージェット切断を用いることができる。

ＳｉＣの除去に続いてステップ２０では、ここでは露出されているｎ型ＧａＮ表面上に、オーミックコンタクトまたはワイヤボンドが堆積される。ｎ型第ＩＩＩ族窒化物に直接、良好なオーミックコンタクトを作製できることは実証されており、ＳｉＣ基板を取り除くことによってｎ型層に直接、良好なコンタクトを作製することができる。また、ＳｉＣ基板を取り除くことで、ＳｉＣのｎ型第ＩＩＩ族窒化物層との境界面での導電バッファが不要になり、バッファによる電力損失もなくなる。バッファおよび基板でのこの電力損失がなくなることにより、ＬＥＤの効率が向上し、より良い光抽出が実現され、ＬＥＤの壁コンセント効率が改善されることになる。

また、コンタクトの上部を覆って、ボンディングパッドを堆積させることができる。この目的を果たす積層体の一実施例は、それぞれボンディングパッド上の、コンタクト用のＴｉまたはＡｌ、その後に続くＰｔ／ＡｕまたはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを含む。好ましい実施形態ではコンタクトは、反射率が高いＡｌを含む。コンタクトおよびボンディングパッドは、スパッタリングなどの知られている技法を用いて堆積させることができる。

ステップ２２では、素子は個片化すなわち分離され、多くの異なる分離の方法／装置を用いることができる。本発明による一実施形態では、ＬＥＤは、取り付けられたＬＥＤの間のキャリアを切断する、ダイヤモンドソーを用いて分離される。別の実施形態では、キャリアは、素子の間でスクライビングすなわち刻み目を付けられ、素子は、ばらばらにされる。

次いでステップ２４では、個々のＬＥＤ素子は、銀エポキシを用いてまたは、半田付けによって、従来のパッケージ内に取り付けられる。半田が用いられる場合は、素子−キャリア半田のボンディングは、等しいか、より高い溶融温度をもたなければならない。溶融温度を高くするための、ボンディング用の半田のいくつかの実施例は、Ｐｂ_0.37Ｓｎ_0.63、 その後に続くＳｎ_0.965Ａｇ_0.035、Ｓｎ、Ｓｎ_0.8Ａｕ_0.2である。キャリア上にあるＬＥＤを、パッケージにボンディングするための半田は、キャリア上に堆積させるか、またはＬＥＤおよびそのキャリアが取り付けられるリードフレーム上に分注することができる。またＬＥＤへのバイアス印加用に、ＬＥＤおよび／またはそのキャリアへのワイヤボンドが含まれる。

各ＬＥＤとキャリアの組合せがパッケージ内に取り付けられた後、これを封止材料中に入れることができる。方法１０に従ってＬＥＤからＳｉＣ基板を取り除くことの別の利点は、ＬＥＤ材料とエポキシなどの封止材料の間の屈折率の整合が、ＳｉＣ基板の場合より良く、それによってＬＥＤと封止材料の間の境界面に到達する光の、より大きな割合が脱出することが可能になることにより、改善された光抽出が実現される。

方法１０は、多くの異なる厚さをもつ多くの異なる材料からなるエピタキシャル層を有する、多くの異なる半導体素子の製造に用いることができる。しかし上述のように方法１０は、ＬＥＤの製造に特に適している。

図２は、上記方法１０の中間ステップで、基板ウェハ４２上に形成された、ＬＥＤ４０の一実施形態を示す。ＬＥＤ４０は好ましくは第ＩＩＩ族窒化物材料系から作製され、基板４２は好ましくはＳｉＣから作製されるが、共に様々な材料から作製することができる。ＬＥＤ４０のそれぞれは、それ自体のｎ型層４６とｐ型層４８を備え、ｎ型層４６は、基板４４とｐ型層４８の間にある。ＬＥＤ４０の他の実施形態は、また、ｎ型層４６とｐ型層４８の間に挟まれた活性領域（図示せず）を備えることができる。ｐ型層４８上に、第１および第２の金属層４３、４４を形成することができ、第ＩＩＩ族窒化物のｐ型層との関連において、光反射およびオーミックコンタクトの目的に最良の金属（または合金、または金属の層状の組合せ）から選択することができる。２つの金属層４３、４４が示されているが、本発明によれば層の数は増し得ることが理解されよう。

一実施形態ではＬＥＤは、まず基板ウェハ４２上に、基板ウェハ４２の上部表面をほぼ覆う連続したｎ型層、ｐ型層、金属層４６、４８、４３、４４として形成することができる。次いで積層されたものは、メサエッチング、または上述したその他の方法の１つを用いて、基板４２上の個々の素子に分離することができる。ＬＥＤ４０を３個だけ有する基板ウェハ４２が示されているが、実際には基板ウェハは、数千個のＬＥＤ４０を保持できることが理解されよう。ＬＥＤ４０を導電性キャリアにボンディングするボンディング層５０を、金属層４３、４４上に含むことができる。好ましい実施形態ではボンディング層は、キャリア半田とすることができる。

代替実施形態では、ｎ型層、ｐ型層、金属層４６、４８、４３、４４は、製造プロセスにおいて後で切断するために、基板４２上に連続したままとすることができる。それらの実施形態では素子間の層の各部分（破線で示す）は、後のステップまで残される。一実施形態では層４６、４８、４３、４４は、フリップチップ実装および基板４２の除去後に切断されるが、製造プロセスの他の段階でそれらを切断することもできる。

図３には、キャリア４５と、方法１０の別の中間ステップでキャリア４５に取り付ける準備のために方向が反転された、図２の基板ウェハ４２およびＬＥＤ４０が示される。キャリア４５は、導電性材料から作製することができ、上述のように適当な材料には、これに限定するものではないが、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｕ、ＳｉＣまたはＳｉが含まれる。図３に示されるキャリア４５は、それに３個のＬＥＤ４０が取り付けられる寸法となっているが、基板ウェハ４２と同様に、基板ウェハに取り付けられた数千個のＬＥＤを収容できる寸法とすることができる。

図４は、方法１０の別の中間ステップでの、図３のＬＥＤ４０、基板４２、およびキャリア４５を示し、ＬＥＤ４０は、キャリア４５上にフリップチップ実装されている。図示の実施形態では、ＬＥＤ４０のそれぞれは、半田５０によってキャリアに取り付けられるが、他の実装方法および材料を用いることができることが理解されよう。メサエッチングの結果、ＬＥＤ４０は、ＬＥＤ間のキャリア４５を切断できるように、隣接するＬＥＤ４０の間に余裕があるように配置される。これにより、ＬＥＤ４０を損傷せずにＬＥＤ４０のそれぞれを他から分離することが可能になり、次いでＬＥＤ４０のそれぞれが、それ自体のキャリア４５の区域に取り付けられる。

図５は、ＬＥＤ４０からＳｉＣ基板４２が取り除かれた後の、図４のＬＥＤ４０とキャリア４５の構造体を示す。図１の方法１０のステップ１８に関連して上述した方法を含む、多くの異なる除去方法を用いることができる。説明した方法のいくつかにおいては基板４２とｎ型層４６の間にリフトオフ層（図示せず）を含むことができ、一方、他の方法では基板との接合においてｎ型層４６中にＡｌ組成を含めることができる。基板が取り除かれた後では、ＬＥＤ４０のそれぞれのｎ型層４６が最上層となり、ｎ型層の表面が露出されている。層４６、４８、４３、４４が連続したまま残される実施形態では、これらの層は基板４２が取り除かれた後に、別々の素子に切断することができる。

図６は、各ＬＥＤのｎ型層４６上にコンタクト５２が堆積された状態の、図５のＬＥＤ４０とキャリア４５の構造体を示し、コンタクトは、方法１０のステップ２０に関連して上述した材料を含む。上述のようにコンタクトの上部を覆って、ボンディングパッドを堆積させることもできる。

図７は、ダイヤモンドソーを用いて、または素子間にスクライビング／刻み目付けを行い、素子をばらばらに割ることを含む、方法１０のステップ２２で上述した方法の１つを用いて、ＬＥＤ４０のそれぞれの間でキャリア４５が切断された後の、図６のＬＥＤ４０とキャリア４５の構造体を示す。ＬＥＤ４０のそれぞれは他から分離され、それぞれが、それ自体のキャリア４５の区域を有する。

図８は、次いでＬＥＤ４０のそれぞれがＬＥＤパッケージ５４内に、どのように配置することができるかを示す概略図であり、ＬＥＤは、コンタクト５２への第１の導電性リード５６を有して、リードフレーム５５内に取り付けられる。キャリア４５は、リードフレーム５５を通して、またはキャリア４５への第２の導電性リード５８を通して接触をとることができる。リード５６、５８に印加されるバイアスが、ＬＥＤ４０を発光させる。ＬＥＤ４０のそれぞれは、そのパッケージに銀エポキシを用いてまたは、半田付けによってボンディングすることができ、次いで素子は、透明エポキシなどの材料を用いてそのパッケージ内に封止することができる。ミラーは、ｎ型層およびｐ型層４６、４８から放出する光をＬＥＤ４０の上部表面に向かって反射し、それにより全体的な放出に寄与できるようにする。リードフレーム５５の表面も光を反射することができ、それによりパッケージ５４の全体の光放出に寄与する。

図９は、方法１０に従ってキャリア６４上にフリップチップ実装されたＬＥＤ６２を備える、本発明による構造体６０の他の実施形態を示す。基板ウェハ（図示せず）は取り除かれ、それぞれのコンタクト７２が堆積され、各ｎ型層６６との良好なオーミックコンタクトとなる。ＬＥＤ６２のそれぞれはまた、ｐ型層６８、第１および第２のミラー層６９、７０、およびＬＥＤをキャリア６４にボンディングするための、半田７２を備える。

キャリア６４は、ＳｉＣ、またはＳｉなどの半導体材料から作製されるが、他の半導体材料を用いることもできる。方法１０のステップ１２で上述したように、低抵抗率特性を実現するために、キャリア６４は両側に、第１および第２の金属被覆層６５ａ、６５ｂを有することができ、層６５ａ、６５ｂのそれぞれは、低抵抗率材料を含む。半導体キャリアの両面への金属被覆は、それぞれの側へのオーミックコンタクトを形成することになる。また、方法１０のステップ１２で上述したように、半田付けによってＬＥＤ素子、またはパッケージにボンディングされる半導体キャリアの両側は、半田ボンディングが表面上のオーミックコンタクトを劣化させないように処理されるべきである。キャリア６４は、キャリア６４の一部分上に乗った個々のＬＥＤを得るために、ＬＥＤ６２の間で切断することができ、個々のＬＥＤはリードフレーム内に取り付けることができる。

図１０は、キャリア８４上にフリップチップ実装され、半田８６などでキャリアにボンディングされたＬＥＤ８２を備える、本発明による構造体８０の他の実施形態を示す。基板（図示せず）は、ＬＥＤ８４から取り除かれている。図示のキャリア８４は導電性であるが、キャリア８４はまた、金属被覆層を有する半導体材料を含み得ることが理解されよう。ＬＥＤ８２のそれぞれは、やはりｎ型層８８、ｐ型層９０、ｎ型層８８上に堆積されたコンタクト９２、およびミラー層９４、９６を備える。ＬＥＤ８２のそれぞれからの光抽出をさらに高めるために、コンタクト９２の周りおよび／または下の、ＬＥＤの表面８３に、テクスチャを付けることができる。表面にテクスチャを付けるには、これに限定するものではないが、プラズマ、化学、または電気化学エッチングなどの知られているプロセスを含む多くの異なるプロセスを用いることができる。テクスチャ付き表面は、ＬＥＤからテクスチャ付き表面に向かって放出される光に対して様々な表面角度をもたらす。様々な角度により、光がその発光円錐内で表面に到達し、内部全反射（ＴＩＲ）によって反射される代わりに、ＬＥＤから脱出する可能性が高くなる。本発明による他の実施形態では、ＬＥＤ８２の他の表面にテクスチャを付けることができ、個々のＬＥＤを得るためにキャリア８４が切断される前または後に、表面にテクスチャを付けることができる。

図１１は、キャリア１０４にフリップチップ実装され、半田１０６によって所定位置にボンディングされたＬＥＤ１０２を有する、本発明による構造体１００の他の実施形態を示す。ＬＥＤ１０２のそれぞれは、第１のｎ型層１０８、第１のｐ型層１１０、コンタクト１１２、第１および第２のミラー１１４、１１６を備える。キャリア１０４は、その上に形成されたｐ−ｎ接合ダイオード１１８をさらに備え、ダイオード１１８は、第２のｐ型材料層１２２に隣接して、第２のｎ型材料層１２０を備える。ＬＥＤ１０２のそれぞれは、キャリア１０４が切断されてＬＥＤ１０２が分離される前または後に、接合ダイオード１１８に結合される。一実施形態では、それぞれのＬＥＤ１０２のアノードは、ダイオード１１８の第２のｎ型層１２０に結合され、それぞれのＬＥＤのカソードは、第２のｐ型層１２２に結合される。この構成によって各接合ダイオード１１８は、ＬＥＤ１０２のそれぞれと並列に、ただし反対極性で結合される。ダイオード１１８は、逆バイアス状態に対して保護するダイオード１１８により、静電放電（ＥＳＤ）保護をもたらす。キャリア１０４は、導電性をもたらすために金属被覆層（図示せず）を含むことができる。

ダイオード１１８は、ＬＥＤ１０２と同じまたは異なる材料系から作製することができる。ＬＥＤ１０２が分離されると、各ＬＥＤは、キャリアの一部として、それ自体のダイオード１１８の部分を有する。また、ＬＥＤ１０２は光抽出を高めるためにテクスチャ付き表面を有することができ、ダイオード１１８は導電性または半導体キャリアの一部として含めることができる。

図１２は、図２〜８に示され、図９〜１１では異なる参照番号で示された、金属層４３、４４についての詳細を示す。図１５は概略的に斜線を用いて層４３および４４を示し、曲線によって半導体層４８の位置を示す。好ましい実施形態では、金属層４３は、オーミックコンタクト１３０を形成する白金（Ｐｔ）層によって形成される３層構造である。白金オーミックコンタクト層１３０は、透明となるように、すなわち入射光の少なくとも５０％を透過するように十分薄いことが好ましい。オーミックコンタクト１３０上に、光反射のための銀（Ａｇ）ミラー層１３２が有り、バリア層１３４は、オーミックコンタクト層およびミラー層１３０、１３２を、覆うだけでなく取り囲む。冶金および半導体分野の技術者には良く知られているように、銀は、他の一部の金属および半導体材料の間でマイグレーションを起こし、次いで比較的急速にそれらと反応する傾向がある。本発明では、このようなマイグレーションは極めて有害であり、したがってバリア層１３４は、銀がミラー層１３２を超えてマイグレーションするのを防止し、同様に金属層４４が銀ミラー層１３２と反応するのを防ぐために含まれる。

構造体のこの部分には、すでに述べたものの代わりに、またはそれに加えて、他の金属を用いることができる。たとえば、バリア層１３４は、複数の層から形成することができ、各層は単一の金属、または２つ以上の金属の組合せまたは合金とすることができる。好ましい実施形態では、バリア層１３４は、チタン、タングステン、および白金の、そのような組合せまたは合金から形成される。したがって図１２に関連して説明した金属は、本発明を例示するものであり、限定するものではない。

図１２は、オーミックコンタクト層１３０およびミラー層１３２が所定位置に配置されて、バリア層１３４によって封止されているのを示し、さらに、他方の金属層４４がバリア層１３４上に有ることを示している。好ましい実施形態では、金属層４４は、優れた導電率と、他の構造層との確実なボンディングの両方を実現するために、金（Ａｕ）とスズ（Ｓｎ）の合金としている。

以上、本発明についてその特定の好ましい構成に即して、かなり詳細に説明してきたが、他の変形形態が可能である。他の実施形態では、ＬＥＤは他から分離されず、単一のキャリア上に残る。ＬＥＤは、発光させるために同時にバイアスすることができる。本発明による方法は、多くの異なる素子を製造するために用いることができ、上述した素子は、多くの異なる層構成を有することができる。したがって、添付の特許請求の範囲および趣旨は、明細書中の好ましい実施形態に限定されるべきではない。

Claims (39)

1. 半導体ベースの発光素子を製造する方法であって、
   炭化珪素（ＳｉＣ）基板ウェハ上に複数の半導体層を設けるステップであって、前記複数の半導体層は複数の発光素子用であり、前記発光素子のそれぞれはエピタキシャル層を備える、複数の半導体層を設けるステップと、
   キャリアを用意するステップと、
   前記発光素子が、前記キャリアと基板ウェハの間に挟まれるように、前記発光素子を、前記キャリア上にフリップチップ実装するステップと、
   前記発光素子から、前記ＳｉＣ基板ウェハを取り除くステップと、
   前記発光素子のそれぞれが他から分離され、前記発光素子のそれぞれが前記キャリアのそれぞれの部分に取り付けられるように、前記キャリアを各部分に分離するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記複数の半導体層は、前記フリップチップ実装の前に、前記ＳｉＣ基板上の個々の発光素子に分離されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の半導体層は、前記フリップチップ実装の後で、かつ前記ＳｉＣ基板の前記除去の後に、前記キャリア上の個々の発光素子に分離されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記発光素子のそれぞれは、半田によって前記キャリアに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記分離された素子およびその導電性キャリアのそれぞれを、素子パッケージに取り付けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記分離された素子のそれぞれは、銀エポキシまたは、半田を用いてパッケージに取り付けられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記素子は、封止材料中に入れられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記封止材料は、エポキシを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記素子から前記基板ウェハを取り除く前記ステップは、前記基板ウェハを機械研削するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記素子から前記基板ウェハを取り除く前記ステップは、前記基板ウェハの一部分を機械研削するステップと、前記基板ウェハの残りを、前記基板ウェハの残りへのエッチングにさらすステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記素子から前記基板ウェハを取り除く前記ステップは、前記基板ウェハをエッチングにさらすステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記半導体素子のそれぞれは、前記基板とエピタキシャル層の間に、リフトオフ層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記素子のそれぞれから前記基板を取り除く前記ステップは、前記リフトオフ層を光電気化学エッチングにさらすステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
14. 前記素子のそれぞれから前記基板を取り除く前記ステップは、前記リフトオフ層を溶液にさらし、かつ光源を当てるステップであって、前記溶液と光源の組合せが、周囲の材料をエッチングせずに、前記リフトオフ層をエッチングさせる、ステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記リフトオフ層はＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＡｓの群からの材料を含み、前記溶液はＫＯＨと水を含み、前記光源の波長は約４００ナノメートル（ｎｍ）であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 前記素子のそれぞれから前記基板を取り除く前記ステップは、前記素子に、前記基板およびエピタキシャル構造体には透明であるが、前記リフトオフ層には吸収されるレーザ光源を当てるステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
17. 前記基板はＳｉＣを含み、前記エピタキシャル構造体はＧａＮを含み、前記リフトオフ層はＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＡｓの群からの材料を含み、かつ前記リフトオフ層を取り除くステップは、波長が約３９０から４５０ｎｍの範囲内のレーザ光によって前記素子を照射するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
18. 前記レーザ光の波長は、約４００ｎｍであることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記基板は炭化珪素であり、前記エピタキシャル層は第ＩＩＩ族窒化物であり、前記素子のそれぞれから前記各基板を取り除く前記ステップは、前記素子を三フッ化窒素エッチングにさらすステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
20. 前記キャリアを各部分に分離する前記ステップは、前記キャリアをダイシングするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
21. 前記キャリアを各部分に分離する前記ステップは、前記キャリアに刻み目を付けるステップと、次いで前記刻み目に沿って前記キャリアを割るステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
22. 前記複数の半導体発光素子それぞれは、炭化珪素（ＳｉＣ）基板上に形成された第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を有する、発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
23. 前記キャリアは、前記半導体発光素子のそれぞれから前記キャリアに向かって放出される光を反射するために、反射層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
24. 前記半導体発光素子のそれぞれは、光抽出を高めるために、１つまたは複数のテクスチャ付き表面をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
25. 前記キャリアは接合ダイオードをさらに備え、前記分離された素子のそれぞれは前記ダイオードの一部分を有し、静電放電による損傷から前記素子を保護するために、前記素子のそれぞれが前記ダイオード部分に結合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
26. 前記キャリアは、導電性材料から作製されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
27. 前記キャリアは半導体材料から作製され、前記キャリアは導電性材料の１つまたは複数の層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
28. 発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する方法であって、
    ＳｉＣ基板ウェハ上に複数の半導体層を設けるステップであって、前記半導体層は複数のＬＥＤを形成し、前記ＬＥＤのそれぞれはｎ型層およびｐ型層を有し、前記ｎ型層は前記基板ウェハとｐ型層の間に挟まれる、複数の半導体層を設けるステップと、
    前記ＬＥＤを保持するための外側面を有するキャリアを用意するステップと、
    前記ＬＥＤが、前記基板ウェハと前記キャリアの間に挟まれるように、前記ＬＥＤを、前記キャリア外側面上にフリップチップ実装するステップと、
    前記ｎ型層が最上層になるように、前記ＬＥＤから前記ＳｉＣ基板を取り除くステップと、
    前記ＬＥＤのそれぞれの前記ｎ型層上に、それぞれのコンタクトを堆積させるステップと、
    前記ＬＥＤのそれぞれが他から分離され、前記ＬＥＤのそれぞれが前記キャリアのそれぞれの部分に取り付けられるように、前記キャリアを各部分に分離するステップと
    を含むことを特徴とする方法。
29. 前記ＬＥＤのそれぞれは、光を反射するために、複数の金属層をさらに備えることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. 前記ＬＥＤのそれぞれのための前記金属層が、前記ｐ型層と前記キャリアの間にあることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. 前記ＬＥＤのそれぞれから前記各基板を取り除く前記ステップが、前記基板のそれぞれを機械研削するステップを含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
32. 前記機械研削後に前記素子上に残る前記基板のそれぞれを取り除くために、前記素子のそれぞれを、フッ素ベースのプラズマエッチングにさらすステップをさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
33. 前記ＬＥＤのそれぞれは前記基板と前記ｎ型層の間のリフトオフ層をさらに備え、前記ＬＥＤのそれぞれから前記基板を取り除く前記ステップは、前記リフトオフ層を取り除くステップを含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
34. 前記リフトオフ層は、前記リフトオフ層を光電気化学エッチングにさらすステップと、前記リフトオフ層をエッチング溶液にさらし、光を当てるステップと、前記リフトオフ層にレーザ光源を当てるステップからなる群からの方法の１つによって取り除かれることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
35. 前記ＬＥＤのそれぞれから前記各基板を取り除く前記ステップは、前記基板を三フッ化窒素エッチングにさらすステップを含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
36. 前記キャリアを各部分に分離する前記ステップは、前記キャリアをダイシングするステップ、すなわち前記キャリアに刻み目を付け、次いで前記刻み目に沿って前記キャリアを割るステップを含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
37. 前記キャリアは、前記ＬＥＤのそれぞれから前記キャリアに向かって放出される光を、反射するために、反射層をさらに備えることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
38. 前記ＬＥＤのそれぞれは、光抽出を高めるために、１つまたは複数のテクスチャ付き表面をさらに備えることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
39. 前記キャリアは接合ダイオードをさらに備え、前記分離されたＬＥＤのそれぞれが前記接合ダイオードの一部分を有し、静電放電による損傷から前記素子を保護するために、前記ＬＥＤのそれぞれが前記接合ダイオードの部分に結合されることを特徴とする請求項２８に記載の方法。

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