JP2013038208A - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率の向上を図りつつ、製造安定性が確保できる発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子１０は、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層が半導体層として積層された光透過性のＧａＮによるによる単結晶基板を分割して個片化したものである。この発光素子１０の単結晶基板を分割した個片基板である光透過性基板１１は、天面がｍ面（１−１００）面であれば、一方の側面Ｓ１とこの一方の側面Ｓ１と反対側の側面Ｓ２とがｍ面（１−１００）面であり、一方の側面Ｓ１と隣接する他方の側面Ｓ３とこの他方の側面Ｓ４と反対側の側面とが半極性面（１−１０１）面である。また、天面がｃ面（０００１）面であれば、一方の側面Ｓ１とこの一方の側面Ｓ１と反対側の側面Ｓ２とが半極性面（１−１０１）面であり、一方の側面Ｓ１と隣接する他方の側面Ｓ３とこの他方の側面Ｓ３と反対側の側面Ｓ４とが半極性面（１１−２１）面である。
【選択図】図２

Description

本発明は、光透過性の単結晶基板に化合物半導体層を積層し、前記単結晶基板を分割して個片化することにより形成された発光素子およびその製造方法に関するものである。

光透過性の基板に、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を積層させ、発光層からの光を基板から出射させる発光素子が知られている。

発光層からの光は、基板から出射する際に界面で屈折するが、その界面への入射角度によっては全反射が起き、基板から出射せずに戻り光となってしまうことがある。このような全反射を少なくするために、基板の表面（天面）に微細な凸凹加工を施すことが知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、図７に示すように、基板の天面に微細な凸凹加工を施しても、一部の光は出射した後に、再度入射してしまう。

一方、基板の側面を傾斜面にした発光素子が知られている（例えば、特許文献２〜３参照）。これらの特許文献２〜３には、基板の側面を傾斜面（テーパ状）とすることで、側面に対する入射角が大きくなるため、効率よく素子外部に発光層からの光を取り出すことができることが記載されている。

特表２００７−５２１６４１号公報 特許第３７０７２７９号公報 特開２００４−２８９１８２号公報

しかし、単に基板の側面を傾斜面とするために基板をブレードで切削すると、基板に割れや欠けが生じたり、切削面にダメージ層ができ、側面部分の透明度が低下したりして、安定的な製造が困難である。

そこで本発明は、光取り出し効率の向上を図りつつ、製造安定性が確保できる発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層が半導体層として積層された光透過性の単結晶基板を分割して個片化した発光素子について、前記単結晶基板を個片化した個片基板は、結晶面で分割された側面が傾斜面となることで四角錐台状に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、個片基板の側面を結晶面による傾斜面とすることで、効率よく素子外部に光を取り出すことができ、意図しない方向に単結晶基板が割れたり、欠けたりすることを防止することができるので、光取り出し効率の向上を図りつつ、製造安定性が確保できる。

本発明の実施の形態に係る発光素子を示す断面図 図１に示す発光素子の斜視図 （Ａ）および（Ｂ）は、図１に示す発光素子の透過性基板の側面に対する傾斜角度を説明するための断面図 透過性基板の結晶面を説明するための図 図１に示す発光素子の製造方法の各工程を説明するための図、（Ａ）は積層工程を示す図、（Ｂ）は個片化工程にてブレードによる切削を示す図、（Ｃ）は個片化工程にてブレードにより切削した状態を示す図、（Ｄ）は個片化して多数個取りした発光素子を示す図 単結晶基板を切削するブレードの刃先を示す拡大図 従来の発光素子で透過性基板の天面に微細な凹凸加工を施したときの光の進行状態を説明するための図

本願の第１の発明は、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層が半導体層として積層された光透過性の単結晶基板を分割して個片化した発光素子において、単結晶基板を個片化した個片基板は、結晶面で分割された側面が傾斜面となることで四角錐台状に形成されていることを特徴とした発光素子である。

第１の発明によれば、個片基板の側面が傾斜面に形成されているため、発光層からの光が側面に対して入射角が大きくなるので、効率よく素子外部に光を取り出すことができる。また、傾斜面からなる側面は、結晶面により形成されているため、スムーズに切削することができるので、意図しない方向に単結晶基板が割れたり、欠けたりすることを防止することができる。

本願の第２の発明は、第１の発明において、単結晶基板は、ＧａＮにより形成されていることを特徴とした発光素子である。

第２の発明によれば、単結晶基板をＧａＮとすることができる。

本願の第３の発明は、第２の発明において、個片基板の天面がｍ面（１−１００）面であり、天面を中心とした４つの側面のうち、一方の側面とこの一方の側面と反対側の側面とがｍ面（１−１００）面であり、一方の側面と隣接する他方の側面とこの他方の側面と反対側の側面とが半極性面（１−１０１）面であることを特徴とした発光素子である。

第３の発明によれば、天面がｍ面（１−１００）面であれば、側面をｍ面（１−１００）面と半極性面（１−１０１）面とすることで、側面を傾斜面とすることができると共に、スムーズに切削することができる。

本願の第４の発明は、第２の発明において、個片基板の天面がｃ面（０００１）面であり、天面を中心とした４つの側面は、一方の側面とこの一方の側面と反対側の側面とが半極性面（１−１０１）面であり、一方の側面と隣接する他方の側面とこの他方の側面と反対側の側面とが半極性面（１１−２１）面であることを特徴とした発光素子である。

第４の発明によれば、天面がｃ面（０００１）面であれば、側面を半極性面（１−１０１）面と半極性面（１１−２１）面とすることで、側面を傾斜面とすることができると共に、スムーズに切削することができる。

本願の第５の発明は、第２の発明において、個片基板の天面がｃ面（０００１）面であり、天面を中心とした４つの側面は、一方の側面とこの一方の側面と反対側の側面とが半極性面（１−１０２）面であり、一方の側面と隣接する他方の側面とこの他方の側面と反対側の側面とが半極性面（１１−２２）面であることを特徴とした発光素子である。

第５の発明によれば、天面がｃ面（０００１）面であれば、側面を半極性面（１−１０２）面と半極性面（１１−２２）面とすることで、側面を傾斜面とすることができると共に、スムーズに切削することができる。

本願の第６の発明は、第２の発明において、個片基板の天面がｃ面（０００１）面であり、天面を中心とした４つの側面は、一方の側面とこの一方の側面と反対側の側面とが半極性面（１−１０１）面であり、一方の側面と隣接する他方の側面とこの他方の側面と反対側の側面とが半極性面（１１−２２）面であることを特徴とした発光素子である。

第６の発明によれば、天面がｃ面（０００１）面であれば、側面を半極性面（１−１０１）面と半極性面（１１−２２）面とすることで、側面を傾斜面とすることができると共に、スムーズに切削することができる。

本願の第７の発明は、第２の発明において、個片基板の天面がｃ面（０００１）面であり、天面を中心とした４つの側面は、一方の側面とこの一方の側面と反対側の側面とが半極性面（１１−２１）面であり、一方の側面と隣接する他方の側面とこの他方の側面と反対側の側面とが半極性面（１−１０２）面であることを特徴とした発光素子である。

第７の発明によれば、天面がｃ面（０００１）面であれば、側面を半極性面（１１−２１）面と半極性面（１−１０２）面とすることで、側面を傾斜面とすることができると共に、スムーズに切削することができる。

本願の第８の発明は、単結晶基板にｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層とを半導体層として積層する積層工程と、単結晶基板を半導体層と共に、単結晶基板側から、刃先が先鋭なブレードにより切削して単結晶基板を個片化して個片基板とするときに、個片基板の側面が結晶面で分割された四角錐台状の傾斜面となるように切削する個片化工程とを含むことを特徴とした発光素子の製造方法である。

第８の発明によれば、個片基板の側面が傾斜面に形成されているため、発光層からの光が側面に対して入射角が大きくなるので、効率よく素子外部に光を取り出すことができる。また、傾斜面からなる側面は、結晶面により形成されているため、スムーズに切削することができるので、意図しない方向に単結晶基板が割れたり、欠けたりすることを防止することができる。

（実施の形態）
本発明の実施の形態に係る発光素子を図１に基づいて説明する。

図１に示す発光素子１０は、光透過性基板１１に半導体層１２が積層され、電源を供給する電極が形成されたフリップチップタイプのＬＥＤである。

本実施の形態の光透過性基板１１はｎ型ＧａＮ基板である。この光透過性基板１１は、厚みが３００μｍ〜４００μｍである。

光透過性基板１１上には、半導体層１２として、Ｎ−ＧａＮ層により形成されたｎ型半導体層１２ａと、発光層１２ｂと、Ｐ−ＧａＮ層により形成されたｐ型半導体層１２ｃとが積層されている。光透過性基板１１とｎ型半導体層１２ａとの間にバッファ層を設けてもよい。ｎ型半導体層１２ａへのｎ型ドーパントとしては、ＳｉまたはＧｅ等を好適に用いることができる。このｎ型半導体層１２ａは膜厚２μｍで形成されている。

発光層１２ｂは、少なくともＧａとＮとを含み、必要に応じて適量のＩｎを含ませることで、所望の発光波長を得ることができる。また、発光層１２ｂとしては、１層構造とすることもできるが、例えば、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に少なくとも一対積層した多量子井戸構造とすることも可能である。発光層１２ｂを多量子井戸構造とすることで、更に輝度を向上させることができる。

ｐ型半導体層１２ｃは、発光層１２ｂの上に直接あるいは少なくともＧａとＮを含んだ半導体層を介して積層されたものである。また、ｐ型半導体層１２ｃへのｐ型ドーパントとしては、Ｍｇ等が好適に用いられる。このｐ型半導体層１２ｃは膜厚０．１μｍで形成されている。この半導体層１２には、ｎ電極１３とｐ電極１４とが形成されている。

ｎ電極１３は、ｐ型半導体層１２ｃと発光層１２ｂとｎ型半導体層１２ａの一部とをエッチングしたｎ型半導体層１２ａ上の領域に設けられている。ｎ電極１３は、Ａｌ層とＴｉ層とＡｕ層とが積層されて形成されている。

ｐ電極１４は、エッチングされた残余のｐ型半導体層１２ｃ上に積層されている。ｐ電極１４は、Ｎｉ層とＡｇ層とを積層することで形成されている。ｐ電極１４は、反射率の高いＡｇ層を含むことで反射電極として機能する。Ｎｉ層は、ｐ型半導体層１２ｃとＡｇ層との密着度を向上させる接着層として機能するものである。Ｎｉ層の膜厚は０．１ｎｍから５ｎｍの範囲とすることが可能である。

ここで、光透過性基板１１について、図２、図３、図４に基づいて詳細に説明する。

光透過性基板１１は、水平面である矩形状の天面Ｔと、天面Ｔの各辺（稜線）から広がるように平面が傾斜した傾斜面である４つの側面Ｓ１〜Ｓ４とにより、外形が四角錐台（切頭四角錐または四角錐切頭体）状に形成されている。

天面Ｔがｍ面（１−１００）面の場合では、光透過性基板１１を天面Ｔ側から見て、天面Ｔを中心とした４つの側面のうち、一方の側面Ｓ１とこの一方の側面Ｓ１と反対側の側面Ｓ２とがｍ面（１−１００）面とすることができ、一方の側面Ｓ１と隣接する他方の側面Ｓ３とこの他方の側面Ｓ３と反対側の側面Ｓ４とが半極性面（１−１０１）面とすることができる。

したがって、側面Ｓ１，Ｓ２（ｍ面（１−１００）面）と仮想水平面Ｖとのなす角θ１は３０．０°となり、側面Ｓ３，Ｓ４（半極性面（１−１０１）面）と仮想水平面Ｖとのなす角θ２は２８．０°となる。

また、天面Ｔがｃ面（０００１）面の場合では、側面Ｓ１〜Ｓ４を以下のような傾斜面とすることができる。
（１）光透過性基板１１を天面Ｔ側から見て、天面Ｔを中心とした４つの側面のうち、一方の側面Ｓ１とこの一方の側面Ｓ１と反対側の側面Ｓ２とを半極性面（１−１０１）面とすることができ、一方の側面Ｓ１と隣接する他方の側面Ｓ３とこの他方の側面Ｓ３と反対側の側面Ｓ４とを半極性面（１１−２１）面とすることができる。

したがって、側面Ｓ１，Ｓ２（半極性面（１−１０１）面）と仮想水平面Ｖとのなす角θ１は６２．０°となり、側面Ｓ３，Ｓ４（半極性面（１１−２１）面）と仮想水平面Ｖとのなす角θ２は７２．９°となる。
（２）一方の側面Ｓ１とこの一方の側面Ｓ１と反対側の側面Ｓ２とを半極性面（１−１０２）面とすることができ、一方の側面Ｓ１と隣接する他方の側面Ｓ３とこの他方の側面Ｓ３と反対側の側面Ｓ４とを半極性面（１１−２２）面とすることができる。

したがって、側面Ｓ１，Ｓ２（半極性面（１−１０２）面）と仮想水平面Ｖとのなす角θ１は４３．２°となり、側面Ｓ３，Ｓ４（半極性面（１１−２２）面）と仮想水平面Ｖとのなす角θ２は５８．４°となる。
（３）光透過性基板１１を天面Ｔ側から見て、天面Ｔを中心とした４つの側面のうち、一方の側面Ｓ１とこの一方の側面Ｓ１と反対側の側面Ｓ２とを半極性面（１−１０１）面であり、一方の側面Ｓ１と隣接する他方の側面Ｓ３とこの他方の側面Ｓ３と反対側の側面Ｓ４とを半極性面（１１−２２）面とすることができる。

したがって、側面Ｓ１，Ｓ２（半極性面（１−１０１）面）と仮想水平面Ｖとのなす角θ１は６２．０°となり、側面Ｓ３，Ｓ４（半極性面（１１−２２）面）と仮想水平面Ｖとのなす角θ２は５８．４°となる。
（４）光透過性基板１１を天面Ｔ側から見て、天面Ｔを中心とした４つの側面のうち、一方の側面Ｓ１とこの一方の側面Ｓ１と反対側の側面Ｓ２とを半極性面（１１−２１）面であり、一方の側面Ｓ１と隣接する他方の側面Ｓ３とこの他方の側面Ｓ３と反対側の側面Ｓ４とを半極性面（１−１０２）面とすることができる。

したがって、側面Ｓ１，Ｓ２（半極性面（１１−２１）面）と仮想水平面Ｖとのなす角θ１は７２．９°となり、側面Ｓ３，Ｓ４（半極性面（１−１０２）面）と仮想水平面Ｖとのなす角θ２は４３．２°となる。

天面Ｔは、ＫＯＨによるエッチングにより粗面とすることで微小の凹凸面を形成してもよい。

以上のように構成された本発明の実施の形態に係る発光素子の製造方法について、図５に基づいて説明する。

まず、本実施の形態に係る発光素子の製造方法は、ウエハ状態の単結晶基板を準備して積層工程を行う。

積層工程は、図５（Ａ）に示すように、単結晶基板Ｋに、ＭＯＣＶＤエピタキシャル成長により、ｎ型半導体層１２ａとなるＮ−ＧａＮ層１２１、発光層１２ｂとなるＩｎＧａＮ層１２２と、ｐ型半導体層１２ｃとなるＰ−ＧａＮ層１２３とを順次積層して半導体層１２となる原膜１２０を一様に連続的に形成する。

次に、Ｐ−ＧａＮ層１２３（ｐ型半導体層）と、ＩｎＧａＮ層１２２（発光層）と、Ｎ−ＧａＮ層１２１（ｎ型半導体層）の一部をドライエッチングにて除去して、Ｎ−ＧａＮ層１２１（ｎ型半導体層）上にｎ電極１３を形成するための領域を露出して、ｎ電極１３を形成すると共に、Ｐ−ＧａＮ層１２３上にｐ電極１４を形成する。ｎ電極１３とｐ電極１４とは、個片化して個々の発光素子となる位置に対応させて形成される。

次に、図５（Ｂ）に示すように、単結晶基板Ｋ側からダイサーのブレードＢをダイシングレーンに当てて、単結晶基板Ｋを切削することで個片化する個片化工程を行う。切削する際には、ブレードＢに向けて砥粒Ｒを吹き付けることにより、ダイシングのアシストを行う。

ここで、単結晶基板Ｋを切削するブレードＢについて、図６に基づいて説明する。図６に示すように、単結晶基板Ｋを切削するダイサーのブレードＢとしては、刃先面Ｈと中心軸Ｃとのなす刃先角度θ_Hが（９０°−θ１）または（９０°−θ２）となる角度のものを使用している。つまり、側面Ｓ１または側面Ｓ２を形成する際にはブレードＢの刃先角度θ_Hが（９０°−θ１）となるものを使用し、側面Ｓ３または側面Ｓ４を形成する際にはブレードＢの刃先角度θ_Hが（９０°−θ２）となるものを使用して、単結晶基板Ｋを切削してＶ字状の溝を形成すると、天面Ｔの端辺からの傾斜面が側面Ｓ１，Ｓ２または側面Ｓ３，Ｓ４として形成される。

したがって、このようなブレードＢで、単結晶基板Ｋを切削すると、単結晶基板ＫがＧａＮ基板で、天面Ｔがｍ面（１−１００）面であれば、一方の側面Ｓ１とこの一方の側面Ｓ１と反対側の側面Ｓ２とに、ｍ面（１−１００）面が表れ、他方の側面Ｓ３とこの他方の側面Ｓ３と反対側の側面Ｓ４とに半極性面（１−１０１）面が表れる。

また、天面Ｔがｃ面（０００１）面であれば、刃先角度θ_Hの角度に応じて、半極性面（１−１０１）面、半極性面（１１−２１）面、半極性面（１−１０２）面、（１１−２２）面が表れる。

ｍ面（１−１００）面や半極性面（１−１０１）面、半極性面（１１−２１）面、半極性面（１−１０２）面、（１１−２２）面は、比較的、結合力の弱い面である。

したがって、切削してできる側面Ｓ１〜Ｓ４を、図４に示すように天面Ｔに応じた面とすることで、スムーズに切削することができるので、意図しない方向に単結晶基板Ｋが割れたり、欠けたりすることを防止することができる。ブレードＢよる切削は、本実施の形態では切断して分離するまでせずに、図５（Ｃ）に示すように深溝Ｍとする。

そして、図５（Ｄ）に示すように、単結晶基板Ｋに押圧力を掛けると、溝位置から単結晶基板Ｋが分割され、個片化されて、それぞれが個片基板（光透過性基板１１）となり、図２に示すような発光素子１０を多数個取りすることができる。

このように、本実施の形態に係る発光素子１０では、光透過性基板１１の側面Ｓ１〜Ｓ４が傾斜面に形成されているため、発光層１２ｂからの光の内部多重反射ロスを低減することができ、その結果、効率よく素子外部に光を取り出すことができる。また、傾斜面からなる側面Ｓ１〜Ｓ４は、結晶面により形成されているため、スムーズに切削することができるので、意図しない方向に単結晶基板Ｋが割れたり、欠けたりすることを防止することができる。

また、光透過性基板１１がＧａＮ基板であり、半導体層１２がＧａＮ系半導体により形成されているため、屈折率を実質的に同じとすることができるため、界面で全反射を発生し難くすることができる。

なお、本実施の形態に係る発光素子１０では、フリップチップタイプのＬＥＤを例に説明したが、ｎ電極が光透過性基板上に設けられている発光素子でも、光透過性基板を本実施の形態と同様に側面が傾斜面となる結晶面とすることで、同じ効果を得ることができる。

本発明は、光取り出し効率の向上を図りつつ、製造安定性が確保できるので、光透過性の単結晶基板に化合物半導体層を積層し、前記単結晶基板を分割して個片化することにより形成された発光素子およびその製造方法に好適である。

１０ 発光素子
１１ 光透過性基板
１２ 半導体層
１２ａ ｎ型半導体層
１２ｂ 発光層
１２ｃ ｐ型半導体層
１３ ｎ電極
１４ ｐ電極
１２１ Ｎ−ＧａＮ層
１２２ ＩｎＧａＮ層
１２３ Ｐ−ＧａＮ層
Ｂ ブレード
Ｃ 中心軸
Ｈ 刃先面
Ｋ 単結晶基板
Ｍ 深溝
Ｓ１〜Ｓ４ 側面
Ｔ 天面
Ｖ 仮想水平面
θ１ 側面Ｓ１，Ｓ２と仮想水平面とのなす角
θ２ 側面Ｓ３，Ｓ４と仮想水平面とのなす角
θ_H 刃先角度

Claims (8)

1. ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層が半導体層として積層された光透過性の単結晶基板を分割して個片化した発光素子において、
   前記単結晶基板を個片化した個片基板は、結晶面で分割された側面が傾斜面となることで四角錐台状に形成されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記単結晶基板は、ＧａＮにより形成されている請求項１記載の発光素子。
3. 前記個片基板の天面がｍ面（１−１００）面であり、
   前記天面を中心とした４つの側面のうち、一方の側面とこの一方の側面と反対側の側面とがｍ面（１−１００）面であり、前記一方の側面と隣接する他方の側面とこの他方の側面と反対側の側面とが半極性面（１−１０１）面である請求項２記載の発光素子。
4. 前記個片基板の天面がｃ面（０００１）面であり、
   前記天面を中心とした４つの側面は、一方の側面とこの一方の側面と反対側の側面とが半極性面（１−１０１）面であり、前記一方の側面と隣接する他方の側面とこの他方の側面と反対側の側面とが半極性面（１１−２１）面である請求項２記載の発光素子。
5. 前記個片基板の天面がｃ面（０００１）面であり、
   前記天面を中心とした４つの側面は、一方の側面とこの一方の側面と反対側の側面とが半極性面（１−１０２）面であり、前記一方の側面と隣接する他方の側面とこの他方の側面と反対側の側面とが半極性面（１１−２２）面である請求項２記載の発光素子。
6. 前記個片基板の天面がｃ面（０００１）面であり、
   前記天面を中心とした４つの側面は、一方の側面とこの一方の側面と反対側の側面とが半極性面（１−１０１）面であり、前記一方の側面と隣接する他方の側面とこの他方の側面と反対側の側面とが半極性面（１１−２２）面である請求項２記載の発光素子。
7. 前記個片基板の天面がｃ面（０００１）面であり、
   前記天面を中心とした４つの側面は、一方の側面とこの一方の側面と反対側の側面とが半極性面（１１−２１）面であり、前記一方の側面と隣接する他方の側面とこの他方の側面と反対側の側面とが半極性面（１−１０２）面である請求項２記載の発光素子。
8. 単結晶基板にｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層とを半導体層として積層する積層工程と、
   前記単結晶基板を前記半導体層と共に、前記単結晶基板側から、刃先が先鋭なブレードにより切削して前記単結晶基板を個片化して個片基板とするときに、前記個片基板の側面が結晶面で分割された四角錐台状の傾斜面となるように切削する個片化工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。

Images