JP2015138836A - 発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し構造を均一に形成する発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子の製造方法は、成長基板１１上に第１の導電型の第１の半導体層１５、発光層１７、第１の導電型とは反対導電型の第２の導電型の第２の半導体層１９をこの順に形成する工程と、半導体構造層上に第１の半導体層に接続された第１の電極２７及び第２の半導体層に接続された第２の電極２１を形成する電極形成工程と、表面が絶縁性の支持体上に並置され、かつ第１の電極及び第２の電極に対応し、互いに電気的に分離した金属接合部を形成する工程と、第１の電極及び第２の電極の各々と金属接合部の各々とを対向させつつ加熱圧着して接合させる工程と、成長基板を除去する工程と、第１の電極と第２の電極とを短絡させる短絡配線を形成する短絡工程と、第２の半導体層の表面をウェットエッチングして凹凸構造を形成する工程と、短絡配線を除去する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）の製造方法に関する。

ＬＥＤ素子を搭載した発光装置が、照明、バックライト、産業機器等に従来から用いられてきた。特許文献１に記載されているＬＥＤ素子は、ＧａＡｓ基板またはサファイア基板等の成長基板上にＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法等を用いてＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＮ等の半導体層をエピタキシャル成長させ、成長基板上に成長した半導体層を導電性の支持基板に貼り合わせた後、成長基板を除去して製造されている。特許文献１に記載のＬＥＤ素子には、成長基板を除去した後に、さらに成長基板が除去された表面である光取り出し面にＫＯＨを用いたウェットエッチングにより光取り出し効率を高める凹凸からなる光取り出し構造が形成されている。

特表２００７−５２１６４１号公報

ＬＥＤを直列に複数接続した発光素子を形成する場合、素子のｐ電極パッドとｎ電極パッドの間には比較的大きな電位差が発生する。この電位差により上記した凹凸構造を形成する際のウェットエッチングにおいては、一方の電極パッド（例えば、ｐ側の電極パッド）付近において光取り出し面に露出した半導体層のエッチング速度が低下し、凹凸からなる光取り出し構造の形成が不十分か、または光取り出し構造がほとんど形成されない領域が生じていた。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ等の発光素子の製造において、光取り出し構造を均一に形成し、光取り出し効率に優れた発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の発光素子の製造方法は、成長基板上に第１の導電型の第１の半導体層、発光層、当該第１の導電型とは反対導電型の第２の導電型の第２の半導体層をこの順に形成して半導体構造層を形成する工程と、当該半導体構造層上に当該第１の半導体層に接続された第１の電極及び当該第２の半導体層に接続された第２の電極を形成する電極形成工程と、
表面が絶縁性の支持体上に並置されかつ当該第１の電極及び当該第２の電極に対応し、互いに電気的に分離した金属接合部を形成する工程と、当該第１の電極及び当該第２の電極の各々と当該金属接合部の各々とを対向させつつ加熱圧着して接合させる工程と、
当該成長基板を除去する工程と、当該第１の電極と当該第２の電極とを短絡させる短絡配線を形成する短絡工程と、当該第２の半導体層の表面をウェットエッチングして凹凸構造を形成する工程と、当該短絡配線を除去する工程と、を含むことを特徴とする。

図１（ａ）−（ｃ）は本発明の実施例である発光素子の製造工程を示す断面図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施例である発光素子の製造方法の各工程を示す断面図である。 図３（ａ）は本発明の実施例である発光素子の製造方法の一工程における上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の３ｂ−３ｂ線に沿った断面図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施例である発光素子の製造方法の各工程を示す断面図である。 図５（ａ）は、従来の製造方法で製造した発光素子のｐ電極周辺の上面写真であり、図５（ｂ）は、本発明の製造方法で製造した発光素子のｐ電極周辺の上面写真である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の変形例である発光素子の製造方法の一工程を示す上面図である。

以下に、本発明の実施例である発光素子の製造方法について、図１−図４を参照しつつ説明する。以下の実施例においては、４つの発光素子構造体が直列に配置されている発光素子について説明する。また、明確さのために１つの発光素子の製造方法について説明を行うが、同時に複数の発光素子が並置して形成されてもよい。

［発光素子構造体の形成］
まず、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて成長基板１１上に結晶成長を行い、半導体構造層１３を形成する。具体的には、サファイア基板等の成長基板１１をＭＯＣＶＤ装置に投入し、サーマルクリーニング後、図１（ａ）に示すように、第１の半導体層１５、発光層１７、及び第２の半導体層１９を順に成膜する。第１の半導体層１５は、ＧａＮバッファ層、アンドープのＧａＮ層及びＳｉのようなｎ型ドーパントが添加されたｎ型半導体層が順に積層された層である。発光層１７は、例えばＧａＮの層とＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の層が繰り返し積層されることで構成された多重量子井戸構造を有する層である。第２の半導体層１９は、Ｍｇのようなｐ型ドーパントが添加されたｐ型半導体層である。なお、半導体構造層１３の構成は任意であり、発光効率を向上させるために、電流拡散層、クラッド層、コンタクト層等を任意に挿入してもよい。また、発光層１７は、多重量子井戸(ＭＱＷ)に限らず、単一量子井戸(ＳＱＷ)、あるいは単層（いわゆるバルク層）でもよい。

次に半導体構造層１３を形成した成長基板１１をＭＯＣＶＤ反応炉から取り出し、素子化工程を行う。はじめに第２の半導体層の活性化を行う。上記結晶成長後の第２の半導体層１９内において、ドーパントであるＭｇは、成長過程において混入した水素とＭｇ−Ｈ結合を形成している。このような状態においては、Ｍｇはドーパントとしての機能を十分に果たさず、第２の半導体層１９は抵抗が高い状態になっている。そのため、第２の半導体層１９の水素を層内から除去する活性化工程を行う。具体的には、熱処理炉を用いて真空または不活性ガス雰囲気下、４００℃以上で熱処理を行う。

次に、図１（ｂ）に示すように、ｐ電極２１及びキャップ層２３を形成し、孔部１３Ｈ及び溝部１３Ｖを形成する。ｐ電極２１は、例えば、第２の半導体層１９の表面に、スパッタ法で１０〜２０ｎｍのＩＴＯ膜、ＩＺＯ膜等の透明導電層を形成して所望の形状にパターニングし、当該形成されたＩＴＯ膜を覆うように、例えばスパッタ法または電子ビーム（ＥＢ）蒸着法で、高い光反射性を有するＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ等からなる反射金属層を積層することによって形成する。なお、反射金属層は、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ等を含む合金であってもよい。また、反射金属層は、透明導電層上にＴｉまたはＮｉを積層し、その上に上記Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ等の単層膜またはこれらを含む合金を積層したものであってもよい。

キャップ層２３は、ｐ電極２１を埋設するように例えばスパッタ法等でＡｕを２００ｎｍの厚さで成膜し、ｐ電極２１と同様の所定の形状にパターニングすることで形成する。なお、キャップ層には、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ａｕ等の金属、またはこれらを含む合金（例えば、ＴｉＷ等）を用いてもよい。

孔部１３Ｈは、後に素子として個片化される素子領域ＥＡの中央に、第２の半導体層１９及び発光層１７を貫通して第１の半導体層１５が孔部１３Ｈから露出するように形成する。溝部１３Ｖは、素子領域ＥＡの端部に沿って、第２の半導体層１９及び発光層１７を貫通して第１の半導体層１５を露出するように形成する。孔部１３Ｈ及び溝部１３Ｖは、例えば、第２の半導体層１９、発光層１７及び第１の半導体層１５を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等でドライエッチングすることで形成する。

次に、図１（ｃ）に示すように、第２の半導体層１９の表面、キャップ層２３、並びに孔部１３Ｈ及び溝部１３Ｖの側面から露出している第２の半導体層１９及び発光層１７を覆うように絶縁層２５を形成し、その後、ｎ電極２７、ｐ側接合電極２８及びｎ側接合電極２９を形成する。

絶縁層２５は、半導体構造層１３の表面にＳｉＯ₂またはＳｉＮ等の絶縁性材料を、例えばスパッタ法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等で成膜し、孔部１３Ｈの底面を露出させる開口部２５Ａ及びｐ側接合電極２８を形成する領域のキャップ層２３の一部を露出させる開口部２５Ｂの部分の絶縁性材料を除去することで形成する。開口部２５Ａ、２５Ｂは、絶縁性材料をウェットエッチングまたはドライエッチングで一部除去することで形成してもよい。

ｎ電極２７は、孔部１３Ｈの底部にある開口部２５Ａから露出している第１の半導体層１５の表面を覆い、絶縁層２５の孔部１３Ｈの側面に形成された部分を覆うように形成する。ｎ電極２７は、例えばスパッタ法で、第１の半導体層１５の表面からＴｉを厚さ１ｎｍ、Ａｌを厚さ２００ｎｍ、Ｔｉを厚さ１００ｎｍ、Ｐｔを厚さ２００ｎｍ、Ａｕを厚さ２００ｎｍで成膜して形成する。

ｐ側接合電極２８及びｎ側接合電極２９は、まず、絶縁層２５、ｎ電極２７及び開口部２５Ｂから露出したキャップ層２３を覆うように、例えばＴｉを厚さ５００ｎｍで、Ｐｔを厚さ２００ｎｍで、Ａｕを厚さ５００ｎｍでこの順にＥＢ蒸着法等で成膜した後に所定形状にパターニングすることで形成する。この際、ｐ側接合電極２８とｎ側接合電極２９が互いに離間して電気的に絶縁されるようにパターニングする。その後、素子領域ＥＡ（図１（ｂ））の各々をドライエッチングで個片化する。具体的には、図１（ｂ）の溝部１３Ｖに沿って半導体構造層１３の表面から成長基板１１の表面に至る溝を形成することにより個片化を行い、個々の素子部としての発光素子構造体２０を完成する。

［支持体の形成］
次に、図２（ａ）に示すように支持体３０を形成する。具体的には、Ｓｉ等からなる支持基板３１の一方の面に例えばＳｉＯ₂またはＳｉＮからなる絶縁層３３を形成して支持体３０を形成する。その後、絶縁層３３上に接合部としての接合層３５を形成する。具体的には、厚さ１μｍのＡｕＳｎ層を、例えば、抵抗加熱及びＥＢ蒸着法、スパッタ法などから適当な手法を用いて形成することで接合層３５を形成する。接合層３５は、発光素子構造体２０のｐ側接合電極２８及びｎ側接合電極２９に対応した位置（図２（ｂ））に互いに離間して、すなわち電気的に分離して複数並置されるように形成する。複数の接合層３５のうちの支持基板３１の端部領域の各々に形成された接合層３５の両端部は、それぞれｐ電極パッド３５Ａ及びｎ電極パッド３５Ｂとなっている。なお、支持体３０は接合層３５を形成する表面が絶縁性であればよく、支持基板３１に絶縁性基板を用いてもよい。この場合、絶縁層３３は形成しなくともよい。

［発光素子構造体と支持体との接合及び成長基板の除去］
次に、発光素子構造体２０と支持体３０を、例えば熱圧着により接合させる。より詳細には、発光素子構造体２０のｐ側接合電極２８及びｎ側接合電極２９の最表層にあるＡｕと接合層３５を形成するＡｕＳｎとを熱圧着して、いわゆる共晶接合を行う。この接合によって、隣り合う発光素構造体２０のｐ側接合電極２８とｎ側接合電極２９とを接合層３５によって電気的に接続し、複数の発光素子構造体２０を電気的に直列に接続する。

発光素子構造体２０と支持体３０とを接合した後、成長基板１１を除去する。成長基板１１の除去した後の状態を図２（ｂ）に示す。成長基板１１の除去は、成長基板１１の半導体構造層１３が形成されている面と反対側の面から成長基板と第１の半導体層１５との界面領域に対してレーザを照射することによって行うレーザリフトオフ（ＬＬＯ）法を用いて行う。なお、成長基板１１の除去は、ＬＬＯ法に限らず、ウエットエッチングドライエッチング、機械研磨法、化学機械研磨（chemical mechanical polishing（ＣＭＰ））もしくはそれらのうち少なくとも１つの方法を含む組み合わせにより行ってもよい。

［短絡配線の形成］
成長基板１１の除去後、支持体３０上に短絡配線３７を形成する。図３（ａ）は、短絡配線３７を形成した後の発光素子構造体２０及び支持体３０の上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の３ｂ−３ｂ線に沿った断面図である。短絡配線３７は、発光素子１０のｐ電極パッド３５Ａ及びｎ電極パッド３５Ｂを電気的に接続するように形成される。詳細には、ｐ電極パッド３５Ａからｎ電極パッド３５Ｂまで、直列に配置されている発光素子構造体２０が並んでいる方向に、発光素子構造体２０の側方を通過するように短絡配線３７を形成する。短絡配線３７は、支持体３０上にＴｉまたはＡｕ等のエッチング溶液（アルカリ）に腐食されない金属からなる金属層を１０−１００ｎｍの厚さで成膜することで形成する。

なお、短絡配線３７は、ｐ電極２１（ｐ側接合電極２８）とｎ電極２７（ｎ側接合電極２９）を電気的に短絡させて電位差を無くす構造であればよい。例えば上記したようにパッド電極が設けられている場合には、ｐ電極パッド３５Ａとｎ電極パッド３５Ｂ間を電気的に短絡させることが可能であれば、図示した形状に限られない。また、短絡配線３７は、ＴｉまたはＡｕ以外の金属材料等の他の導電性材料で形成することとしてもよい。

［光取り出し構造の形成及び短絡配線の除去］
短絡配線３７の形成後、図４（ａ）に示すように、光取り出し構造３９（破線で囲まれた部分）を形成する。具体的には、成長基板１１を除去することによって露出した第１の半導体層１５の表面を、ＫＯＨまたはＴＭＡＨ等のアルカリ溶液でウェットエッチングして、錐形状または柱形状の複数の凹凸を形成する。光取り出し構造３９の形成後、短絡配線３７を除去する。短絡配線３７の除去は、例えばＲＩＥによるドライエッチングによって行う。

［素子保護膜の形成］
短絡配線３７の除去後、図４（ｂ）に示すように素子保護膜４１を形成する。素子保護膜４１は、半導体構造層１３の表面及び側面、接合層３５の上面のｐ電極パッド３５Ａ及びｎ電極パッド３５Ｂ以外の領域に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によってＳｉＯ₂またはＳｉＮ等の絶縁性材料を堆積することで形成する。以上の工程をもって、発光素子１０が完成する。

上記実施例の製造方法によれば、光取り出し構造３９の形成前に、発光素子１０の両端電極であるｐ電極パッド３５Ａとｎ電極パッド３５Ｂとを短絡配線３７で電気的に接続することにより、発光素子１０のｐ電極パッド３５Ａとｎ電極パッド３５Ｂとの間に発生する電位差が解消される。従って、光取り出し構造３９を形成する際のウェットエッチングにおいて、電位差によるｐ電極パッド３５Ａ付近におけるエッチング速度の低下を防止することが可能である。従って、上記実施例の製造方法によれば、ウェットエッチングによって発光素子の半導体層の表面全体に均一に光取り出し構造を形成し、発光素子の光取り出し効率を向上させることが可能である。

実際に上記実施例の製造方法で発光素子を製造したところ、光取り出し（凹凸）構造を均一に形成することができた。図５（ａ）は、短絡配線３７を形成せずに従来の方法で光取り出し構造３９を形成した場合の実際の発光素子のｐ電極パッド周辺の上面写真であり、図５（ｂ）は、本発明の製造方法に従って短絡配線３７を形成して光取り出し構造３９を形成した場合の実際の発光素子のｐ電極パッド周辺の上面写真である。なお、図５（ａ）及び（ｂ）に示す発光素子は、図内破線領域にｐ電極パッドが形成されている。

図５（ａ）において、ｐ電極パッド周辺でハレーションが起きているのがわかる。これは、図５（ａ）に示す発光素子において、ｐ電極パッドの半導体構造層の表面に光取り出し（凹凸）構造が形成されずに半導体構造層の表面が平坦になり、撮影のための照明光が多く反射しているためである。その一方、図５（ｂ）においては、半導体構造層の縁がしっかりと見えている。これは、図５（ｂ）の発光素子においては、ｐ電極パッド付近まで光取り出し（凹凸）構造が均一に形成されており、半導体構造層の表面での撮影のための照明光の反射が比較的少なかったためである。

なお、上記実施例においては、孔部１３Ｈを素子領域ＥＡの中央に１つ形成することとしたが、第２の半導体層１９及び発光層１７を貫通して第１の半導体層１５を露出させる孔部１３Ｈを素子領域ＥＡ内に複数点在するように形成し、孔部１３Ｈの各々にｎ電極２７を形成してもよい。

また、上記実施例においては、ｐ電極パッド３５Ａとｎ電極パッド３５Ｂを接続するように短絡配線３７を形成する場合について説明したが、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、互いに離間している複数の接合層３５の各々を接続するように、すなわち発光素子構造体２０の各々のｐ側接合電極２８とｎ側接合電極２９と電気的に接続するように短絡配線３７を形成してもよい。

また、上記実施例においては、成長基板１１の除去の後に短絡配線３７を形成する場合について説明したが、支持体３０上に接合層３５を形成した後、発光素子構造体２０と支持体３０との接合の前に短絡配線３７を形成してもよい。また、接合層３５及び短絡配線３７の材料を同一のものとして、接合層３５の形成における金属材料の堆積において短絡配線３７を同時に形成してから支持体３０と発光素子構造体２０とを接合させてもよい。

また、上記実施例においては、直線上に整列した４つの発光素子構造体２０からなる発光素子１０を例に挙げたが、発光素子１０を構成する発光素子構造体２０の個数または配列パターンは任意である。

１０ 発光素子
１１ 成長基板
１３ 半導体構造層
１３Ｈ 孔部
１３Ｖ 溝部
１５ 第１の半導体層
１７ 発光層
１９ 第２の半導体層
２０ 発光素子構造体
２１ ｐ電極
２３ キャップ層
２５ 絶縁層
２５Ａ 開口部
２５Ｂ 開口部
２７ ｎ電極
２８ ｐ側接合電極
２９ ｎ側接合電極
３０ 支持体
３１ 支持基板
３３ 絶縁層
３５ 接合層
３５Ａ ｐ電極パッド
３５Ｂ ｎ電極パッド
３７ 短絡配線
３９ 光取り出し構造
４１ 素子保護膜

Claims (4)

1. 成長基板上に第１の導電型の第１の半導体層、発光層、前記第１の導電型とは反対導電型の第２の導電型の第２の半導体層をこの順に形成して半導体構造層を形成する工程と、
   前記半導体構造層上に前記第１の半導体層に接続された第１の電極及び前記第２の半導体層に接続された第２の電極を形成する電極形成工程と、
   表面が絶縁性の支持体上に並置されかつ前記第１の電極及び前記第２の電極に対応し、互いに電気的に分離した金属接合部を形成する工程と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極の各々と前記金属接合部の各々とを対向させつつ加熱圧着して接合させる工程と、
   前記成長基板を除去する工程と、
   前記第１の電極と前記第２の電極とを短絡させる短絡配線を形成する短絡工程と、
   前記第２の半導体層の表面をウェットエッチングして凹凸構造を形成する工程と、
   前記短絡配線を除去する工程と、
   を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
2. 前記半導体構造層の上面から前記成長基板に至る溝を形成し、複数の素子部を形成する工程をさらに含み、前記電極形成工程は前記複数の素子部の各々に前記第１の電極及び前記第２の電極を形成する工程を含み、前記金属接合部を形成する工程は、前記複数の素子部の前記第１及び第２の電極に対応し前記接合工程によって前記複数の素子部の少なくとも２つを直列接続するように配置された金属接合部を形成し、前記接合させる工程において前記複数の素子部の前記第１の電極及び前記第２の電極の各々と前記金属接合層の各々と対向させつつ加熱圧着し、前記短絡配線は、当該直列接続された素子部の一端の素子部の前記第１の電極と前記直列接続の他端の素子部の前記第２の電極とを短絡させるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子の製造方法。
3. 前記短絡配線は、前記金属接合層を形成する工程の金属材料の堆積によって形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子の製造方法。
4. 前記短絡配線を前記素子部の各々の前記第１の電極と前記第２の電極とを短絡するように形成することを特徴とする請求項２に記載の発光素子の製造方法。