JP2015165532A - 光デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】光の取り出し効率を高めることができる光デバイスを提供すること。【解決手段】本発明の光デバイス(1)は、基台(21)と、基台の表面に形成された発光層(22)とを備えている。基台は、四角形の表面(21a)と、表面と平行で同等形状の四角形の裏面(21b)と、表面及び裏面を連結する4つの側面(21c)とを有している。側面には、外側に突起した複数の凸部(26)が、基台の表面の辺の延在方向に並んで形成されている。各凸部には、基台の厚み方向に凹凸が交互に形成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、基台の表面に発光層が形成された光デバイスに関する。
レーザーダイオード(LD)や発光ダイオード(LED)等の光デバイスの製造プロセスでは、サファイアやSiC等からなる結晶成長用基板の上面に、例えばエピタキシャル成長によって発光層(エピタキシャル層)を積層することで、複数の光デバイスを形成するための光デバイスウェーハが製造される。LD,LED等の光デバイスは、光デバイスウェーハの表面において、格子状をなす分割予定ラインで区画された各領域に形成され、かかる分割予定ラインに沿って光デバイスウェーハを分割して個片化することで、個々の光デバイスが製造される。
従来、光デバイスウェーハを分割予定ラインに沿って分割する方法として、特許文献1及び2に記載された方法が知られている。特許文献1の分割方法では、先ず、分割予定ラインに沿ってウェーハに対して吸収性を有する波長のパルスレーザービームを照射してレーザー加工溝を形成する。その後、ウェーハに外力を付与することによりレーザー加工溝を分割起点に光デバイスウェーハを割断している。
特許文献2の分割方法は、光デバイスの輝度向上のため、光デバイスウェーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザービームをウェーハの内部に集光点を合わせて照射して内部に分割予定ラインに沿った改質層を形成している。そして、改質層で強度が低下した分割予定ラインに外力を付与することにより、光デバイスウェーハを分割している。
特開平10−305420号公報 特開2008−006492号公報
特許文献1,2の光デバイスウェーハの分割方法では、レーザービームを光デバイスウェーハに対して略垂直に入射し、レーザー加工溝又は改質層を分割起点に光デバイスウェーハを個々の光デバイスに分割している。かかる光デバイスの側面は、表面に形成された発光層に対して略垂直になり、光デバイスは直方体形状に形成される。よって、光デバイスの発光層から出射した光において、側面への入射角が臨界角度より大きくなる光の割合が高くなる。このため、側面で全反射する光の割合が高くなり、全反射を繰り返すうちに最終的に光デバイスの内部で削光してしまう割合も高くなる。この結果、光デバイスにおける光の取り出し効率が低下し、輝度も低下してしまう、という問題がある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、光の取り出し効率を向上することができる光デバイスを提供することを目的とする。
本発明の光デバイスは、基台と、基台の表面に形成された発光層と、を含む光デバイスであって、基台は四角形の表面と、表面と平行で四角形の裏面と、表面及び裏面を連結する4つの側面とを有し、側面には、外側に突起した複数の凸部が、表面の辺の延在方向に並んで形成され、各凸部には、基台の厚み方向に凹凸が交互に形成されていること、を特徴とする。
この構成によれば、基台の側面に複数の凸部を形成し、凸部には基台の厚み方向に凹凸を交互に形成したので、側面に入射した光のうち、臨界角度以下で側面に入射する光の割合を多くすることができる。これにより、全反射して発光層に戻る光の割合を低く抑え、側面から出る光の割合を多くすることができ、光の取り出し効率の向上を図ることができる。
本発明によれば、光の取り出し効率を向上することができる。
本実施の形態に係る光デバイスの構成例を模式的に示す斜視図である。 図2Aは、図1のA−A切断面の模式図であり、図2Bは、光デバイスを模式的に表した側面図である。 本実施の形態に係る光デバイスにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。 比較構造に係る光デバイスにおける光が放出される様子を示す断面模式図である。 図5Aは、本実施の形態に係るレーザー加工装置の斜視図であり、図5Bは、レーザー加工装置におけるレーザー光線照射の説明図である。 貼着工程の説明図である。 改質層形成工程の説明図であり、図7Aは、改質層形成前の説明図、図7Bは、レーザー光線の集光点の説明図、図7Cは、改質層が形成された分割予定ラインを上から見た説明図、図7Dは、改質層形成後の説明図である。 図8Aは、光デバイスウェーハの概略斜視図であり、図8B及び図8Cは、図8AのB−B切断面の模式図である。 改質層形成工程の説明用斜視図である。 分割工程の説明図である。
以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係る光デバイスついて説明する。図1は、本実施の形態に係る光デバイスの構成例を模式的に示す斜視図である。図2Aは、図1のA−A切断面の模式図であり、図2Bは、光デバイスを模式的に表した側面図である。図3は、光デバイスの光の放出状態の説明用断面模式図である。
図1及び図2に示すように、光デバイス1は、基台21と、基台21の表面21aに形成された発光層22とを含んで構成されている。基台21は、結晶成長用基板としてサファイア基板(Al基板)、窒化ガリウム基板(GaN基板)、シリコンカーバイド基板(SiC基板)、酸化ガリウム基板(Ga基板)を用いて形成されたものを例示できる。図3に示すように、光デバイス1は、ベース11上にワイヤボンディング実装、或いは、フリップチップ実装される。
発光層22は、基台21の表面21aに電子が多数キャリアとなるn型半導体層(例えば、n型GaN層)、半導体層(例えば、InGaN層)、正孔が多数キャリアとなるp型半導体層(例えば、p型GaN層)を順にエピタキシャル成長させることで形成される。そして、n型半導体層とp型半導体層とのそれぞれに外部取り出し用の2個の電極(不図示)が形成され、2個の電極に対して外部電源からの電圧が印加されることで発光層22から光が放出される。
図1及び図2に戻り、基台21の表面21a及び裏面21bは、平面視で略同一の四角形状をなし、相互に平行となるように形成されている。基台21は、表面21a及び裏面21bの各四辺を連結する4つの側面21cを備えている。
各側面21cには、外側に突起した複数の凸部26が表面21aの四辺の延在方向に並んで形成されている。これにより、図2Aに示すように、基台21を表面21aと平行な面(図1のA−A切断面)で切断して見た場合の各側面21cの断面形状は、波形状に形成される。図1及び図2Bに示すように、各凸部26においては、基台21の厚み方向(上下方向)に凹凸が交互に形成された形状をなす。従って、基台21を正面から見た場合の左右両側に位置する凸部26の形状は、交互に形成された凹凸によって波形状に形成されている。本実施の形態では、凸部26に形成された凹凸のピッチ間隔に比べ、凸部26の並び方向(表面21aの四辺の延在方向)のピッチ間隔を小さく形成しているが、これを同一としたり、大きく形成したりしてもよい。なお、上記したそれぞれの波形状は、図示したように、緩やかに湾曲した形状に限られるものでない。例えば、凸部26や、凸部26に形成された凹凸の凸部分の断面形状が、台形状(等脚台形状)に隆起したり、三角形状に尖ったりしてもよい。
次に、本実施の形態に係る光デバイス1による輝度改善効果について、図3及び図4を参照しながら説明する。図4は、実施の形態と比較するための比較構造に係る光デバイスから光が放出される様子を示す断面模式図である。比較構造に係る光デバイス3は、実施の形態に係る光デバイス1に対し、基台の側面の形状が変わる点を除き共通の構成を備える。すなわち、比較構造に係る光デバイス3は、表面31a及び裏面31bが略同一の四角形状をなす基台31と、基台31の表面31aに形成された発光層32とからなり、ベース33上に実装される。そして、基台31の4つの側面31cは、表面31a及び裏面31bに垂直となる平面状に形成されている。
図3に示すように、本実施の形態に係る光デバイス1において、発光層22で生じた光は、主に、表面22a及び裏面22bから放出される。発光層22の表面22aから放出された光(例えば、光路A1)は、レンズ部材(不図示)等を通じて外部に取り出される。一方で、例えば、発光層22の裏面22bから出射されて光路A2を伝播する光は、基台21の側面21cと空気層との界面に対し、入射角θ1で入射する。ここで、側面21cの凸部26には基台21の厚み方向に凹凸が交互に形成されるので、凸部26において光路A2が入射する面が垂直面より発光層22側を向くように傾斜する。これにより、光路A2を伝播する光の入射角θ1が小さくなって基台21の臨界角度以下となる。従って、光路A2を伝播する光は、一部が空気層側へ透過して放出され(光路A3)、残りが反射される(光路A4)。
光路A3を伝播する光は、空気層側へ透過されてからベース11の表面で反射され、外部に取り出される。光路A4を伝播する光は、入射角θ1が上記のように小さくなるので、基台21を透過する進行方向が図2中横方向に近付くようになり、反対側(図3中右側)の側面21cに入射して空気層側へ放出される。
これに対し、図4に示すように、比較構造に係る光デバイス3の光路B1,B2は、実施の形態に係る光デバイス1の光路A1,A2と同様となる。ところが、基台31の側面31cが表面31a及び裏面31bに垂直な平面となるので、側面31cと空気層との界面に対する光路B2の入射角θ2は、実施の形態の入射角θ1より大きくなる。従って、光路B2を伝播する光の入射角θ2が基台21の臨界角度より大きくなり、側面31cと空気層との界面で全反射される(光路B3)。光路B3を伝播する光は、ベース33の表面で反射される(光路B4)。光路B4を伝播する光の進行方向は、光路A4を伝播する光に比べ、図4中縦方向に近付くようになり、基台31を透過してから発光層32に入射して吸収され、外部に取り出すことができなくなる。
以上のように、本実施の形態の光デバイス1によれば、基台21の側面21cに複数の凸部26を形成し、各凸部26に凹凸を交互に形成したので、発光層22から出射して光路A2と同様に伝播する光を、光路A3,A4と同様にして外部に取り出すことができる。従って、光路A2と同様に伝播する光は、比較構造の光路B2と同様に伝播する光に比べ、側面21cで全反射する光の割合を低減することができる。これにより、基台21の内部で反射を繰り返して発光層22に戻る光の割合を少なくし、基台21から出る光の割合を多くでき、光の取り出し効率を高めて、輝度の向上を図ることができる。
続いて、本発明の実施の形態に係る光デバイスの加工方法について説明する。本実施の形態に係る光デバイスの加工方法は、貼着工程、レーザー加工装置による改質層形成工程、分割装置による分割工程を経て実施される。貼着工程では、発光層が形成された光デバイスウェーハの表面に粘着シートが貼着される。改質層形成工程では、光デバイスウェーハの内部に分割予定ラインに沿った改質層が形成される。分割工程では、改質層が分割起点となって個々の光デバイスに分割される。以下、本実施の形態に係る加工方法の詳細について説明する。
図5を参照して、光デバイスウェーハの内部に改質層を形成するレーザー加工装置について説明する。図5Aは、本実施の形態に係るレーザー加工装置の斜視図であり、図5Bは、レーザー加工装置におけるレーザー光線照射の説明図である。なお、本実施の形態に係るレーザー加工装置は、図5Aに示す構成に限定されない。レーザー加工装置は、光デバイスウェーハに対して改質層を形成可能であれば、どのような構成でもよい。
図5Aに示すように、レーザー加工装置100は、レーザー光線を照射するレーザー加工ユニット102と光デバイスウェーハWを保持したチャックテーブル(保持手段)103とを相対移動させて、光デバイスウェーハWを加工するように構成されている。
レーザー加工装置100は、直方体状の基台101を有している。基台101の上面には、チャックテーブル103をX軸方向に加工送りすると共に、Y軸方向に割出送りするチャックテーブル移動機構104が設けられている。チャックテーブル移動機構104の後方には、立壁部111が立設されている。立壁部111の前面からはアーム部112が突出しており、アーム部112にはチャックテーブル103に対向するようにレーザー加工ユニット102が支持されている。
チャックテーブル移動機構104は、基台101の上面に配置されたX軸方向に平行な一対のガイドレール115と、一対のガイドレール115にスライド可能に設置されたモータ駆動のX軸テーブル116とを有している。また、チャックテーブル移動機構104は、X軸テーブル116上面に配置されたY軸方向に平行な一対のガイドレール117と、一対のガイドレール117にスライド可能に設置されたモータ駆動のY軸テーブル118とを有している。
Y軸テーブル118の上部には、チャックテーブル103が設けられている。なお、X軸テーブル116、Y軸テーブル118の背面側には、それぞれ図示しないナット部が形成され、これらナット部にボールネジ121、122が螺合されている。そして、ボールネジ121、122の一端部に連結された駆動モータ123、124が回転駆動されることで、チャックテーブル103がガイドレール115、117に沿ってX軸方向及びY軸方向に移動される。
チャックテーブル103は、円板状に形成されており、θテーブル125を介してY軸テーブル118の上面に回転可能に設けられている。チャックテーブル103の上面には、ポーラスセラミックス材により吸着面が形成されている。チャックテーブル103の周囲には、一対の支持アームを介して4つのクランプ部126が設けられている。4つのクランプ部126がエアアクチュエータ(不図示)により駆動されることで、光デバイスウェーハWの周囲のリングフレームFが四方から挟持固定される。
レーザー加工ユニット102は、アーム部112の先端に設けられた加工ヘッド127を有している。アーム部112及び加工ヘッド127内には、レーザー加工ユニット102の光学系が設けられている。加工ヘッド127では、不図示の発振器から発振されたレーザー光線を不図示の分光手段によって常光LB1と異常光LB2(図5B参照)との2つのレーザー光線に分光する。そして、分光した常光LB1及び異常光LB2それぞれを不図示の集光レンズによって集光し、チャックテーブル103上に保持された光デバイスウェーハWをレーザー加工する。この場合、常光LB1及び異常光LB2のレーザー光線は、光デバイスウェーハWに対して透過性を有する波長であり、光学系において光デバイスウェーハWの内部に集光するように調整される。なお、常光LB1及び異常光LB2に分光する分光手段については、特開2007−000931号公報に開示された装置の対応部分を適用することができる。
かかるレーザー光線の照射により光デバイスウェーハWの内部に分割起点となる改質層R(図7D、図8B参照)が形成される。改質層Rは、レーザー光線の照射によって光デバイスウェーハWの内部の密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲と異なる状態となり、周囲よりも強度が低下する領域のことをいう。改質層Rは、例えば、溶融処理領域、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域であり、これらが混在した領域でもよい。
光デバイスウェーハWは、略円板状に形成されている。光デバイスウェーハWは、基台W1と、基台W1の表面に形成された発光層W2とを含んで構成される。光デバイスウェーハWは、複数の交差する分割予定ラインSTによって複数の領域に区画され、この区画された各領域にそれぞれ光デバイス1が形成されている(図6及び図8A参照)。また、図5Aにおいて、光デバイスウェーハWは、発光層W2が形成された表面を下向きにして、環状のリングフレームFに張られた粘着シートSに貼着されている。
図6から図10を参照して、本実施の形態に係る光デバイスウェーハの加工方法の流れについて説明する。なお、下記の各工程は、あくまでも一例に過ぎず、この構成に限定されるものではない。
まず、図6に示す貼着工程が実施される。貼着工程では、まず、フレームFの内側に光デバイスウェーハWが発光層W2側となる表面を上向きとした状態で配置される。その後、光デバイスウェーハWの表面(上面)とフレームFの上面とが粘着シートSによって一体に貼着され、粘着シートSを介してフレームFに光デバイスウェーハWが装着される。
貼着工程が実施された後、図7に示す改質層形成工程が実施される。図7Aは、改質層形成前の説明図、図7Bは、レーザー光線の集光点の説明図、図7Cは、改質層が形成された分割予定ラインを上から見た説明図、図7Dは、改質層形成後の説明図である。改質層形成工程では、図7Aに示すように、光デバイスウェーハWの粘着シートS側がチャックテーブル103によって保持され、フレームFがクランプ部126に保持される。次いで、光デバイスウェーハWにおける所定の分割予定ラインSTを加工ヘッド127の直下に位置付ける。そして、加工ヘッド127から照射されるレーザー光線の常光LB1の集光点Paおよび異常光LB2の集光点Pbを光デバイスウェーハWの内部に位置付ける(図5B参照)。なお、加工ヘッド127から照射されるレーザー光線の常光LB1の集光点Paおよび異常光LB2の集光点Pbは、図7Bに示すように、X軸方向に間隔Xa、Y軸方向に間隔Ybをもって位置付ける。
次に、加工ヘッド127から、光デバイスウェーハWに対して透過性を有する波長となるレーザー光線の常光LB1と異常光LB2とが照射される。この照射を行いながら、光デバイスウェーハWがX軸方向に移動されることで、図7Cに示すように、光デバイスウェーハWの内部に分割予定ラインSTに沿った改質層Rが形成される。改質層Rでは、レーザー光線の常光LB1による改質部Raと、異常光LB2による改質部RbがX軸方向にXa、Y軸方向にYbの間隔をあけ、且つ、レーザー光線の波長に基づくパルスピッチP毎にX軸方向に並んで複数形成される。
図8Aは、光デバイスウェーハの概略斜視図であり、図8B及び図8Cは、図8AのB−B切断面の模式図である。図9は、改質層形成工程の説明用斜視図である。図7D及び図8B、図9に示すように、上記のようなレーザー光線による改質層Rの形成は、上下位置を変えて複数回繰り返し行われる。最初の改質層R1は、図9における上下方向(Z軸方向)の形成位置が、光デバイスウェーハWの裏面Wa(上面)からデフォーカス量DF1分、表面方向(下方向)となる位置に設定される。かかる上下位置で全ての分割予定ラインSTに沿って改質部Ra,Rbからなる改質層R1を形成した後、2回目の改質層R2の形成を行うべく、デフォーカス量DF1より小さいデフォーカス量DF2が設定される。そして、レーザー光線の照射によって2回目の改質層R2の形成が行われ、その形成位置は、最初の改質層R1の裏面側(上側)に隣接する位置であって、分割予定ラインSTの幅方向(Y軸方向)にインデックスIn分、離隔させた位置に設定される。3回目以降の改質層R(R3,R4)の形成では、その直前の改質層R(R2,R3)の形成に対し、デフォーカス量を小さく設定しつつ、分割予定ラインSTの幅方向にインデックスIn分離隔させてレーザー光線が照射される。これにより、光デバイスウェーハWの表面側(下面側)から裏面側(上面側)に渡って複数の改質層R(本実施の形態では、R1〜R4の4層)が形成され、上下方向で隣接する改質層R同士が分割予定ラインSTの幅方向に互い違いに形成される。このようにして、光デバイスウェーハWの内部に分割予定ラインSTに沿った分割起点が形成される。
改質層形成工程の後、図10に示すように、分割工程が実施される。分割工程では、ブレーキング装置(不図示)の一対の支持台35に光デバイスウェーハWの基台W1側を下に向けた状態で載置され、光デバイスウェーハWの周囲のフレームFが環状テーブル36に載置される。環状テーブル36に載置されたフレームFは、環状テーブル36の四方に設けたクランプ部37によって保持される。一対の支持台35は、一方向(紙面に垂直方向)に延在しており、一対の支持台35の間には、撮像手段38が配置されている。この撮像手段38によって、一対の支持台35の間から光デバイスウェーハWの裏面(下面)が撮像される。
光デバイスウェーハWを挟んだ一対の支持台35の上方には、光デバイスウェーハWを上方から押圧する押圧刃39が設けられている。押圧刃39は、一方向(紙面に垂直方向)に延在しており、不図示の押圧機構によって上下動される。撮像手段38によってウェーハWの裏面が撮像されると、撮像画像に基づいて一対の支持台35の間かつ押圧刃39の直下に分割予定ラインSTが位置付けられる。そして、押圧刃39が下降されることで、粘着シートSを介して押圧刃39が光デバイスウェーハWに押し当てられて外力が付与され、改質層Rを分割起点として光デバイスウェーハWが分割される。このとき、押圧刃39が押し当てられた分割予定ラインSTでは、分割予定ラインSTの幅方向に互い違いに形成されて光デバイスウェーハWの厚み方向に隣接する改質層R間に亀裂K(図8C参照)が形成される。この亀裂Kによって、分割予定ラインSTでは、図1及び図2に示した側面21cの形状、すなわち、複数の複数の凸部26が並んで形成され、各凸部26に凹凸を交互に形成された形状に表面から裏面に渡って分割される。このとき、改質層Rは、分割予定ラインSTを挟む一方の光デバイス1の凸部26と、他方の光デバイス1の凸部26との両方を形成することとなる(図8C参照)。光デバイスウェーハWは、全ての分割予定ラインSTに押圧刃39が押し当てられることで個々の光デバイス1に分割される。
なお、特に限定されるものでないが、改質層形成工程におけるレーザー加工条件としては、以下の実施例1〜3を例示することができる。下記の表1に実施例1、表2に実施例2、表3に実施例3の加工条件を示す。なお、全ての実施例において、改質層Rの形成回数:4回、加工送り速度:600mm/s、ピッチP(1つの凸部26の幅):3μmとし、光デバイスの平面サイズ:0.65mm×0.65mmの条件で加工した。
Figure 2015165532
Figure 2015165532
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上記実施例1〜3の条件の光デバイスは、放射される全ての光の強度(パワー)の合計値を測定(全放射束測定)したところ、上記比較構造と同様に基台の側面を平面状に形成した光デバイスに比べ、輝度が1〜2%向上した。
以上のように、本実施の形態に係る加工方法によれば、光デバイスウェーハWの厚みが薄厚になっても、複数の凸部26を形成し、光デバイスウェーハWの厚み方向において各凸部26に凹凸を交互に形成することができる。しかも、改質層形成工程において、光デバイスウェーハWの厚み方向で隣接する改質層Rを互い違いに形成したので、分割工程では光デバイスウェーハWに外力を付与するだけで、上述した形状に分割することができる。これにより、上記の各工程が複雑になったり、工程時間が長くなることを抑制して効率よく光デバイス1を製造することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
例えば、上記実施の形態では、ブレーキング装置により分割工程を行ったが、これに限られるものでなく、光デバイスウェーハWを分割予定ラインSTに沿って個々の光デバイス1に分割可能であればよい。
また、上記した実施の形態においては、上記各工程は別々の装置で実施されてもよいし、同一の装置で実施されてもよい。
本発明は、基台の表面に発光層が形成された光デバイスの光取り出し効率を高めるために有用である。
1 光デバイス
21 基台
21a 表面
21b 裏面
21c 側面
22 発光層
26 凸部
ST 予定分割ライン
W 光デバイスウェーハ
W1 基台
W2 発光層

Claims (1)

  1. 基台と、該基台の表面に形成された発光層と、を含む光デバイスであって、
    該基台は四角形の表面と、該表面と平行で四角形の裏面と、該表面及び該裏面を連結する4つの側面とを有し、
    該側面には、外側に突起した複数の凸部が、該表面の辺の延在方向に並んで形成され、各該凸部には、該基台の厚み方向に凹凸が交互に形成されていることを特徴とする光デバイス。
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