JP2015188039A

JP2015188039A - 半導体発光装置およびその製造方法

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Publication number: JP2015188039A
Application number: JP2014065345A
Authority: JP
Inventors: 保晴菅原; Yasuharu Sugawara
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-10-29
Also published as: US20150280084A1; CN104952985A; TW201537774A

Abstract

【課題】実施形態は、製造歩留りを向上させることが可能な半導体発光装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体発光装置は、半導体層と、第１配線部と、第２配線部と、第１絶縁膜と、第２絶縁膜と、を備える。前記半導体層は、第１の側と、前記第１の側とは反対の第２の側と、を有し、第１導電形層と、第２導電形層と、前記第１導電形層と前記第２導電形層との間に設けられた発光層と、を含む。前記第１配線部は、前記第２の側に設けられ、前記第１導電形層に電気的に接続される。前記第２配線部は、前記第２の側に設けられ、前記第２導電形層に電気的に接続される。前記第１絶縁膜は、前記半導体層と前記第１配線部との間、および、前記半導体層と前記第２配線部との間に設けられる。前記第２絶縁膜は、前記半導体層の前記第１の側に接し、前記第１絶縁膜とは異なる膜密度を有する。【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体発光装置およびその製造方法に関する。

半導体発光装置を小型化したチップサイズデバイスの開発が進められている。これらのデバイスは、成長基板から分離された半導体層と、その周りを覆う樹脂と、を含む。そして、半導体層と樹脂との接着強度を向上させるため、半導体層と樹脂との間に、例えば、シリコン酸化膜などの絶縁膜を介在させることが望ましい。しかしながら、絶縁膜は、その応力により、半導体発光装置の製造歩留りを低下させる場合がある。

特開２０００−２４４０１２号公報

実施形態は、製造歩留りを向上させることが可能な半導体発光装置を提供する。

実施形態に係る半導体発光装置は、半導体層と、第１配線部と、第２配線部と、第１絶縁膜と、第２絶縁膜と、を備える。前記半導体層は、第１の側と、前記第１の側とは反対の第２の側と、を有し、第１導電形層と、第２導電形層と、前記第１導電形層と前記第２導電形層との間に設けられた発光層と、を含む。前記第１配線部は、前記第２の側に設けられ、前記第１導電形層に電気的に接続される。前記第２配線部は、前記第２の側に設けられ、前記第２導電形層に電気的に接続される。前記第１絶縁膜は、前記半導体層と前記第１配線部との間、および、前記半導体層と前記第２配線部との間に設けられる。前記第２絶縁膜は、前記半導体層の前記第１の側に接し、前記第１絶縁膜とは異なる膜密度を有する。

実施形態の半導体発光装置を例示する模式断面図。実施形態における絶縁膜の特性を例示するグラフ。実施形態の半導体発光装置を例示する模式平面図。実施形態の半導体発光装置の製造過程を例示する模式断面図。図４に続く製造過程を例示する模式断面図。図５に続く製造過程を例示する模式断面図。図６に続く製造過程を例示する模式断面図。図７に続く製造過程を例示する模式断面図。図８に続く製造過程を例示する模式断面図。図９に続く製造過程を例示する模式断面図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１は、実施形態の半導体発光装置１を例示する模式断面図である。
図２は、実施形態における絶縁膜の特性を例示するグラフである。
図３（ａ）および（ｂ）は、実施形態の半導体発光装置１を例示する模式平面図である。図１は、図３（ａ）中に示すＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、図１に示す半導体発光装置１の下面側を示す平面図である。図３（ａ）は、半導体装置１における下面側の構造体を除去した面を表しており、後述する図５（ｂ）の上面に対応する。

半導体発光装置１は、発光層１３を含む半導体層１５を備えている。半導体層１５は、第１の側１５ａと、その反対の第２の側１５ｂ（図４（ａ）参照）とを有する。また、半導体層１５は、第１導電形層（以下、ｎ形層１１）と、第２導電形層（以下、ｐ形層１２）と、を含む。発光層１３は、ｎ形層１１と、ｐ形層１２との間に設けられる。

この例では、第１導電層をｎ形層、第２導電形層をｐ形層として説明するが、これに限定される訳ではない。第１導電層をｐ形層、第２導電形層をｎ形層としても良い。

半導体層１５の第２の側１５ｂは、図５（ａ）に示すように、発光層１３を含む部分（以下、発光領域１５ｅ）と、発光層１３を含まない部分（以下、非発光領域１５ｆ）とを有する。発光領域１５ｅは、半導体層１５のうちで、発光層１３が積層されている部分である。非発光領域１５ｆは、半導体層１５のうちで、発光層１３が積層されていない部分である。発光領域１５ｅは、発光層１３の発光光を外部に取り出し可能な積層構造となっている。

半導体層１５の第２の側１５ｂは、凹凸形状に加工される。その凸部は、発光領域１５ｅであり、凹部は、非発光領域１５ｆである。この例では、発光領域１５ｅは、第２の側１５ｂにｐ形層１２を含み、ｐ形層１２の表面にｐ側電極１６が設けられる。非発光領域１５ｆは、ｎ形層１１を含み、ｎ形層１１の第２の側１５ｂの表面にｎ側電極１７が設けられる。

さらに、半導体発光装置１は、第２の側１５ｂに設けられた、ｐ側配線部４１（第２配線部）と、ｎ側配線部４３（第１配線部）と、を備える。ｐ側配線部４１は、ｐ側配線層２１と、ｐ側金属ピラー２３と、を含み、ｐ側電極１６を介してｐ形層１２に電気的に接続される。ｎ側配線部４３は、ｎ側配線層２２と、ｎ側金属ピラー２４と、を含み、ｎ側電極１７を介してｎ形層１１に電気的に接続される。

半導体層１５とｐ側配線部４１との間、および、半導体層１５とｎ側配線部４３との間には、第１絶縁膜（以下、絶縁膜１８）が設けられる。一方、第１の側１５ａ側には、第２絶縁膜（以下、絶縁膜１９）が設けられる。絶縁膜１９は、半導体層１５の第１の側１５ａに接し、絶縁膜１８とは異なる膜密度を有する。

ここで、「膜密度」とは、膜の粗密を表す概念である。例えば、絶縁膜がシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である場合、「膜密度」が高いとは、膜中のシリコン原子の密度が高いことを言う。言い換えれば、膜中におけるシリコン原子間の平均間隔が狭い場合は、「膜密度」が高く、平均間隔が広い場合は、「膜密度」が低い。また、膜中のシリコン原子と、酸素原子もしくは窒素原子と、の結合数が多い場合は「膜密度」が高く、それらの結合数が少ない場合は「膜密度」が低い。

例えば、図２は、シリコン酸化膜をＸＲＲ（X-ray Reflectivity）を用いて分析した結果を表している。縦軸は、反射されたＸ線の強度であり、横軸は、角度２θである。

ＸＲＲ法では、絶縁膜が形成されたサンプルの表面で全反射されたＸ線の強度を測定する。そして、Ｘ線の測定データに理論値をフィッティングするシミュレーションを行う。図２では、全反射されたＸ線の測定データおよびシミュレーション結果を、その入射角θに対して表している。そして、このシミュレーション結果に基づいて絶縁膜の膜密度（ｇ／ｃｍ^３）を算出することができる。例えば、プラズマＣＶＤ法（Plasma enhanced Chemical Vapor Deposition）を用いて形成したシリコン酸化膜の膜密度は、２．２３ｇ／ｃｍ^３である。また、スパッタ法を用いて形成したシリコン酸化膜の膜密度は、２．２５ｇ／ｃｍ^３であり、ＰＥＣＶＤ法を用いて形成したシリコン酸化膜よりも膜密度が高い。このように、ＸＲＲ法を用いることにより、膜密度の粗密を判定することができる。

半導体層１５は、第１の側１５ａと、第２の側１５ｂと、をつなぐ側面１５ｃをさらに有する。そして、絶縁膜１８は、側面１５ｃを覆う。すなわち、絶縁膜１８と絶縁膜１９とは、半導体層１５の全表面を覆う。

本明細書において、「覆う」とは、「覆うもの」が「覆われるもの」に直接接する場合に限定される訳ではなく、他の要素を介在させて覆う場合も含む。

図１に示すように、半導体層１５の第２の側１５ｂには、支持体１００が設けられる。支持体１００は、ｐ側金属ピラー２３と、ｎ側金属ピラー２４と、樹脂層２５と、を含む。半導体層１５、ｐ側電極１６およびｎ側電極１７を含む発光体は、第２の側１５ｂに設けられた支持体１００によって支持される。

樹脂層２５は、第２の側１５ｂにおいて、ｐ側配線部４１と、ｎ側配線部４３と、の間に設けられる。さらに、樹脂層２５は、絶縁膜１８を介して半導体層１５の第２の側１５ｂおよび側面１５ｃを覆う。

半導体発光装置１では、ｐ側配線部４１とｎ側配線部４３との間に電圧が印加され、ｐ側電極１６およびｎ側電極１７を介して発光層１３に電流が供給される。これにより、発光層１３は発光し、発光層１３から放射される光は、第１の側１５ａから外部に出射される。

第１の側１５ａには、半導体発光装置１の放出光に所望の光学特性を与える光学層として、蛍光体層３０が設けられる。蛍光体層３０は、複数の粒子状の蛍光体３１を含む。蛍光体３１は、発光層１３の放射光により励起され、その放射光とは異なる波長の光を放射する。

複数の蛍光体３１は、結合材３２により一体化されている。結合材３２は、発光層１３の放射光および蛍光体３１の放射光を透過する。ここで「透過」とは、透過率が１００％であることに限らず、光の一部を吸収する場合も含む。

図３（ａ）は、ｐ側電極１６およびｎ側電極１７の配置を例示する模式平面図である。すなわち、図１に示す半導体発光装置１の第２の側１５ｂにおいて、樹脂層２５、ｐ側配線部４１、ｎ側配線部４３および絶縁膜１８を除去した面を表している。

図３（ａ）に示すように、ｎ側電極１７は、ｐ側電極１６を囲むように設けられる。すなわち、非発光領域１５ｆは、発光領域１５ｅを囲むように設けられる。そして、発光領域１５ｅの上にｐ側電極１６が形成され、ｎ側電極１７は、非発光領域１５ｆ上においてｐ側電極１６を囲むように形成される。

第２の側１５ｂにおいて、発光領域１５ｅの面積は、非発光領域１５ｆの面積よりも広く設けられる。また、発光領域１５ｅの表面に設けられたｐ側電極１６の面積は、非発光領域１５ｆの表面に設けられたｎ側電極１７の面積よりも広い。これにより、広い発光面が得られ、光出力を高くできる。

図３（ａ）に示すように、ｎ側電極１７は、第２の側１５ｂ上で異なる方向に延びる複数の直線部１７ａが角部（コーナー部）１７ｂを介してひとつながりに接続された形状に形成されている。ｐ側電極１６は、全面にわたってｐ形層１２の表面に接している。

図３（ａ）に示す例では、例えば４本の直線部１７ａが４つの角部１７ｂを介して接続された矩形の輪郭を形成している。なお、角部１７ｂは曲率をもっていてもよい。

また、ｎ側電極１７の複数本の直線部１７ａのうちの１本の直線部１７ａには、その直線部１７ａの幅方向に突出したコンタクト部１７ｃが設けられている。すなわち、直線部１７ａの一部の幅が太くなっている。そのコンタクト部１７ｃの表面には、後述するｎ側配線層２２のビア２２ａが接続される。

半導体層１５の第２の側１５ｂ、ｐ側電極１６およびｎ側電極１７は、図１に示すように、絶縁膜１８で覆われる。絶縁膜１８は、例えば、シリコン酸化膜などの無機絶縁膜である。絶縁膜１８は、発光層１３の側面及びｐ形層１２の側面にも設けられ、それら側面を覆う。

また、絶縁膜１８は、半導体層１５における第１の側１５ａから続く側面（ｎ形層１１の側面）１５ｃにも設けられ、その側面１５ｃを覆う。

さらに、絶縁膜１８は、半導体層１５の側面１５ｃの周囲にも設けられる。側面１５ｃの周囲に設けられた絶縁膜１８は、第１の側１５ａで、側面１５ｃから側面１５ｃの反対側に向けて延在する。

絶縁膜１８上には、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２とが互いに分離して設けられている。絶縁膜１８には、図６（ｂ）に示すように、ｐ側電極１６に通じる複数の第１の開口１８ａと、ｎ側電極１７のコンタクト部１７ｃに通じる第２の開口１８ｂが形成される。なお、第１の開口１８ａは、より大きな１つの開口でも良い。

ｐ側配線層２１は、絶縁膜１８上および第１の開口１８ａの内部に設けられている。ｐ側配線層２１は、第１の開口１８ａ内に設けられたビア２１ａを介してｐ側電極１６と電気的に接続されている。

ｎ側配線層２２は、絶縁膜１８上および第２の開口１８ｂの内部に設けられている。ｎ側配線層２２は、第２の開口１８ｂ内に設けられたビア２２ａを介してｎ側電極１７のコンタクト部１７ｃと電気的に接続されている。

ｐ側配線層２１及びｎ側配線層２２が、第２の側１５ｂの面積の大部分を占めて絶縁膜１８上に広がっている。ｐ側配線層２１は、複数のビア２１ａを介してｐ側電極１６と接続している。

また、半導体層１５の側面１５ｃを、絶縁膜１８を介して金属膜５１が覆っている。金属膜５１は側面１５ｃに接しておらず、半導体層１５に対して電気的に接続されていない。金属膜５１は、ｐ側配線層２１及びｎ側配線層２２に対して分離している。金属膜５１は、発光層１３の放射光及び蛍光体３１の放射光に対して反射性を有する。

金属膜５１、ｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２は、共通の下地金属膜６０上に、例えば、めっき法により同時に形成される銅膜を含む。後述する図７（ａ）は、その下地金属膜６０の模式断面図である。

下地金属膜６０は、絶縁膜１８側から順に積層された、アルミニウム（Ａｌ）膜６１と、チタン（Ｔｉ）膜６２と、銅（Ｃｕ）膜６３とを有する。アルミニウム膜６１は反射膜として機能し、銅膜６３はめっきのシード層として機能する。アルミニウム及び銅の両方に対するぬれ性に優れたチタン膜６２は、密着層として機能する。

例えば、下地金属膜６０の厚さは１μｍ程度であり、金属膜５１、ｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２のそれぞれの厚さは数μｍである。

また、半導体層１５の側面１５ｃの周囲において、下地金属膜６０上にめっき膜（銅膜）を形成しなくても良い。例えば、金属膜５１は、下地金属膜６０からなる膜であっても良い。金属膜５１は、少なくともアルミニウム膜６１を含む。これにより、発光層１３の放射光及び蛍光体３１の放射光に対して高い反射率を有する。

また、ｐ側配線層２１及びｎ側配線層２２の下にもアルミニウム膜６１が残されるので、第２の側１５ｂの大部分の領域にアルミニウム膜（反射膜）６１が広がって形成される。これにより、蛍光体層３０側に向かう光の量を増大できる。

ｐ側配線層２１における半導体層１５とは反対側の面には、ｐ側金属ピラー２３が設けられる。ｐ側配線層２１及びｐ側金属ピラー２３は、ｐ側配線部４１を形成している。

ｎ側配線層２２における半導体層１５とは反対側の面には、ｎ側金属ピラー２４が設けられる。ｎ側配線層２２及びｎ側金属ピラー２４は、ｎ側配線部４３を形成している。

ｐ側配線部４１とｎ側配線部４３との間には、絶縁膜として樹脂層２５が設けられる。樹脂層２５は、ｐ側金属ピラー２３の側面とｎ側金属ピラー２４の側面に接する。すなわち、ｐ側金属ピラー２３とｎ側金属ピラー２４との間に、樹脂層２５が充填されている。

また、樹脂層２５は、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２との間、ｐ側配線層２１と金属膜５１との間、およびｎ側配線層２２と金属膜５１との間において、絶縁膜１８に接して設けられる。また、樹脂層２５は、半導体層１５の側面１５ｃの周囲にも設けられ、金属膜５１を覆う。

ｐ側金属ピラー２３におけるｐ側配線層２１とは反対側の端部（面）は、樹脂層２５から露出し、実装基板等の外部回路と接続可能なｐ側外部端子２３ａとして機能する。ｎ側金属ピラー２４におけるｎ側配線層２２とは反対側の端部（面）は、樹脂層２５から露出し、実装基板等の外部回路と接続可能なｎ側外部端子２４ａとして機能する。ｐ側外部端子２３ａ及びｎ側外部端子２４ａは、例えば、はんだ、または導電性の接合材を介して、実装基板のランドパターンに接合される。

図３（ｂ）は、半導体発光装置１の第２の側１５ｂの下面２５ａを例示する模式平面図である。
図３（ｂ）に示すように、ｐ側外部端子２３ａ及びｎ側外部端子２４ａは、樹脂層２５の同じ面（図１における下面２５ａ）に露出し、相互に離間して並んで形成される。

半導体発光装置１は、例えば、正方形の外形を有する。樹脂層２５から露出したｐ側外部端子２３ａとｎ側外部端子２４ａとの間隔は、絶縁膜１８上におけるｐ側配線層２１とｎ側配線層２２との間隔よりも広い（図１参照）。ｐ側外部端子２３ａとｎ側外部端子２４ａとの間隔は、実装時のはんだの広がりよりも大きくする。これにより、はんだを通じた、ｐ側外部端子２３ａとｎ側外部端子２４ａとの間の短絡を防ぐことができる。

これに対し、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２との間隔は、プロセス上の限界まで狭くすることができる。このため、ｐ側配線層２１の面積、およびｐ側配線層２１とｐ側金属ピラー２３との接触面積の拡大を図れる。これにより、発光層１３の熱の放散を促進できる。

また、複数のビア２１ａを通じてｐ側配線層２１がｐ側電極１６と接する面積は、ビア２２ａを通じてｎ側配線層２２がｎ側電極１７と接する面積よりも広い。これにより、発光層１３に流れる電流の分布を均一化できる。

絶縁膜１８上に広がるｎ側配線層２２の面積は、ｎ側電極１７の面積よりも広くできる。そして、ｎ側配線層２２の上に設けられるｎ側金属ピラー２４の面積（ｎ側外部端子２４ａの面積）をｎ側電極１７よりも広くできる。これにより、信頼性の高い実装に十分なｎ側外部端子２４ａの面積を確保しつつ、ｎ側電極１７の面積を小さくすることが可能となる。すなわち、半導体層１５における非発光領域１５ｆの面積を縮小し、発光領域１５ｅの面積を広げて光出力を向上させることが可能となる。

ｎ形層１１は、ｎ側電極１７及びｎ側配線層２２を介してｎ側金属ピラー２４と電気的に接続されている。ｐ形層１２は、ｐ側電極１６及びｐ側配線層２１を介してｐ側金属ピラー２３と電気的に接続されている。

ｐ側金属ピラー２３の厚さ（ｐ側配線層２１とｐ側外部端子２３ａとを結ぶ方向の厚さ）は、ｐ側配線層２１の厚さよりも厚い。ｎ側金属ピラー２４の厚さ（ｎ側配線層２２とｎ側外部端子２４ａとを結ぶ方向の厚さ）は、ｎ側配線層２２の厚さよりも厚い。ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および樹脂層２５のそれぞれの厚さは、半導体層１５よりも厚い。

金属ピラー２３、２４のアスペクト比（平面サイズに対する厚みの比）は、１以上であっても良いし、１より小さくても良い。すなわち、金属ピラー２３、２４は、その平面サイズより厚くても良いし、薄くても良い。

ｐ側配線層２１、ｎ側配線層２２、ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および樹脂層２５を含む支持体１００の厚さは、半導体層１５、ｐ側電極１６およびｎ側電極１７を含む発光体（ＬＥＤ素子）の厚さよりも厚い。

半導体層１５は、後述するように基板上にエピタキシャル成長法により形成される。その基板は、支持体１００を形成した後に除去され、半導体層１５は第１の側１５ａに基板を含まない。半導体層１５は、剛性の高い基板ではなく、金属ピラー２３、２４と樹脂層２５との複合体からなる支持体１００によって支持されている。

ｐ側配線部４１及びｎ側配線部４３の材料として、例えば、銅、金、ニッケル、銀などを用いることができる。これらのうち、銅を用いると、良好な熱伝導性、高いマイグレーション耐性および絶縁材料に対する密着性を向上させることができる。

樹脂層２５は、ｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４を補強する。樹脂層２５は、実装基板と熱膨張率が同じもしくは近いものを用いるのが望ましい。そのような樹脂層２５として、例えば、エポキシ樹脂を主に含む樹脂、シリコーン樹脂を主に含む樹脂、フッ素樹脂を主に含む樹脂を挙げることができる。

また、樹脂層２５のベースとなる樹脂に遮光材（光吸収剤、光反射剤、光散乱剤など）が含まれ、樹脂層２５は発光層１３の発光光に対して遮光性を有する。これにより、支持体１００の側面及び実装面側からの光漏れを抑制することができる。

半導体発光装置の実装時の熱サイクルにより、ｐ側外部端子２３ａおよびｎ側外部端子２４ａを実装基板のランドに接合させるはんだ等に起因する応力が半導体層１５に加わる。ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および樹脂層２５は、その応力を吸収し緩和する。特に、半導体層１５よりも柔軟な樹脂層２５を支持体１００の一部として用いることで、応力緩和効果を高めることができる。

金属膜５１は、ｐ側配線部４１及びｎ側配線部４３に対して分離している。このため、実装時にｐ側金属ピラー２３及びｎ側金属ピラー２４に加わる応力は、金属膜５１には伝達されない。したがって、金属膜５１の剥離を抑制することができる。また、半導体層１５の側面１５ｃ側に加わる応力を抑制することができる。

後述するように、半導体層１５の形成に用いた基板は、半導体層１５から除去される。これにより、半導体発光装置は低背化される。また、基板の除去により、半導体層１５の第１の側１５ａに微小凹凸を形成することができ、光取り出し効率の向上を図れる。

例えば、第１の側１５ａに対して、アルカリ系溶液を使ったウェットエッチングを行い微小凹凸を形成する。これにより、第１の側１５ａでの全反射成分を減らして、光取り出し効率を向上できる。

基板が除去された後、第１の側１５ａ上に絶縁膜１９を介して蛍光体層３０が形成される。絶縁膜１９は、半導体層１５と蛍光体層３０との密着性を高める密着層として機能する。絶縁膜１９には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜または酸化アルミニウム（アルミナ）を用いることができる。

蛍光体層３０は、結合材３２中に複数の粒子状の蛍光体３１が分散された構造を有する。結合材３２には、例えば、シリコーン樹脂を用いることができる。

蛍光体層３０は、半導体層１５の側面１５ｃの周囲にも形成される。したがって、蛍光体層３０の平面サイズは、半導体層１５の平面サイズよりも大きい。半導体層１５の側面１５ｃの周囲において、絶縁膜１８及び絶縁膜１９上に蛍光体層３０が設けられる。

蛍光体層３０は、半導体層１５の第１の側１５ａ上、および半導体層１５の側面１５ｃの周囲に限定され、半導体層１５の第２の側１５ｂ、金属ピラー２３、２４の周囲、および支持体１００の側面にまわりこんで形成されない。蛍光体層３０の側面と、支持体１００の側面（樹脂層２５の側面）とが揃っている。

すなわち、実施形態の半導体発光装置１は、チップサイズに小型化されたデバイスである。このため、例えば照明用灯具などへの適用に際して、灯具デザインの自由度を高めることが可能である。

また、光を外部に取り出さない実装面側には蛍光体層３０が無駄に形成されず、コスト低減が図れる。また、第１の側１５ａに基板がなくても、第２の側１５ｂに広がるｐ側配線層２１及びｎ側配線層２２を介して発光層１３の熱を実装基板側に放散させることができ、小型でありながらも放熱性に優れている。

一般的なフリップチップ実装では、ＬＥＤチップを実装基板にバンプなどを介して実装した後に、チップ全体を覆うように蛍光体層が形成される。あるいは、バンプ間に樹脂がアンダーフィルされる。

これに対して実施形態によれば、実装前の状態で、ｐ側金属ピラー２３の周囲及びｎ側金属ピラー２４の周囲には、蛍光体層３０と異なる樹脂層２５が設けられ、実装面側に応力緩和に適した特性を与えることができる。また、実装面側にすでに樹脂層２５が設けられているため、実装後のアンダーフィルが不要となる。

第１の側１５ａには、光取り出し効率、色変換効率、配光特性などを優先した設計の層が設けられ、実装面側には、実装時の応力緩和や、基板に代わる支持体としての特性を優先した層が設けられる。例えば、樹脂層２５は、ベースとなる樹脂にシリカ粒子などのフィラーが高密度充填された構造を有し、支持体として適切な硬さに調整されている。

発光層１３から第１の側１５ａに放射された光は蛍光体層３０に入射し、一部の光は蛍光体３１を励起し、発光層１３の光と、蛍光体３１の光との混合光として、例えば、白色光が得られる。

ここで、第１の側１５ａ上に基板があると、蛍光体層３０に入射せずに、基板の側面から外部に漏れる光が生じる。すなわち、基板の側面から発光層１３の光の色みの強い光が漏れ、蛍光体層３０を上面から見た場合に、外縁側に青色光のリングが見える現象など、色割れや色ムラの原因になり得る。

これに対して、実施形態によれば、第１の側１５ａと蛍光体層３０との間には基板がないため、基板側面から発光層１３の光の色みが強い光が漏れることによる色割れや色ムラを防ぐことができる。

さらに、実施形態によれば、半導体層１５の側面１５ｃに、絶縁膜１８を介して金属膜５１が設けられている。発光層１３から半導体層１５の側面１５ｃに向かった光は、金属膜５１で反射され、外部に漏れない。このため、基板が第１の側１５ａ側にない特徴とあいまって、半導体発光装置の側面側からの光漏れによる色割れや色ムラを防ぐことができる。

また、半導体層１５は、第２の側１５ｂから第１の側１５ａの方向において、例えば、第１の側１５ａに平行な断面の面積が広くなるように設けられる。したがって、金属膜５１は、第２の側１５ｂから第１の側１５ａの方向に拡開するように設けられる。そして、金属膜５１で反射された光は、第１の側１５ａの方向に向う。これにより、半導体発光装置１の光出力を向上させることができる。

また、半導体層１５の側面１５ｃの周囲において、金属膜５１を半導体発光装置の外側に向かって延在させてもよい。すなわち、半導体層１５の側面１５ｃの周囲に、第１の側１５ａ上からはみ出した蛍光体層３０に対向して金属膜５１が設けられている。

このため、半導体発光装置の端部領域の蛍光体３１の放射光において、支持体１００側に向かう光を金属膜５１で反射させて蛍光体層３０側に戻すことができる。

したがって、半導体発光装置の端部領域において、蛍光体３１の放射光が樹脂層２５に吸収されることによる損失を防ぎ、蛍光体層３０側からの光取り出し効率を高めることができる。

金属膜５１と、半導体層１５の側面１５ｃとの間に設けられた絶縁膜１８は、金属膜５１に含まれる金属の半導体層１５への拡散を防止する。これにより、半導体層１５の金属汚染を防ぐことができ、半導体層１５の劣化を防ぐことができる。

また、金属膜５１と蛍光体層３０との間に設けられた絶縁膜１８、１９は、金属膜５１と蛍光体層３０のベース樹脂との密着性を高める。

絶縁膜１８及び絶縁膜１９は、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化アルミニウムなどの無機絶縁膜である。すなわち、半導体層１５の第１の側１５ａ、第２の側１５ｂ、ｎ形層１１の側面１５ｃ、ｐ形層１２の側面、発光層１３の側面は、無機絶縁膜で覆われている。無機絶縁膜は半導体層１５を囲み、金属や水分などから半導体層１５をブロックする。

次に、図４（ａ）〜図１０（ｂ）を参照して、半導体発光装置の製造方法について説明する。図４（ａ）〜図１０（ｂ）の各断面図は、図１に示す断面、すなわち、図３（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿った断面に対応する。

図４（ａ）に示すように、例えば、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法により、基板１０の主面上に、ｎ形層１１、発光層１３およびｐ形層１２が順にエピタキシャル成長される。

半導体層１５において、基板１０側の面が第１の側１５ａであり、基板１０の反対側の面が第２の側１５ｂである。

基板１０は、例えばシリコン基板である。または、基板１０はサファイア基板であってもよい。半導体層１５は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む窒化物半導体層である。

ｎ形層１１は、例えば、基板１０の主面上に設けられたバッファ層と、バッファ層上に設けられたｎ型ＧａＮ層とを含む。ｐ形層１２は、例えば、発光層１３の上に設けられたｐ形ＡｌＧａＮ層と、その上に設けられたｐ形ＧａＮ層とを有する。発光層１３は、例えば、ＭＱＷ（Multiple Quantum well）構造を有し、例えば、４３０〜４７０ｎｍの波長範囲にピーク波長を有する光を放射する。

図４（ｂ）は、ｐ形層１２および発光層１３を選択的に除去した状態を表している。例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により、ｐ形層１２及び発光層１３を選択的にエッチングし、ｎ形層１１を露出させる。

次に、図５（ａ）に示すように、ｎ形層１１を選択的に除去し、溝９０を形成する。基板１０の主面上で、溝９０によって半導体層１５は複数に分離される。溝９０は、基板１０上に例えば格子状パターンで形成される。また、溝９０は、その底部に向かって幅が狭くなる形状に設けることが好ましい。例えば、等方性のＲＩＥを用いて形成する。

溝９０は、半導体層１５を貫通し、基板１０に達する。エッチング条件によっては、基板１０の主面も少しエッチングされ、溝９０の底面が、基板１０と半導体層１５との界面よりも下方に後退する場合もある。なお、溝９０は、ｐ側電極１６およびｎ側電極１７を形成した後に形成してもよい。

図５（ｂ）に示すように、ｐ形層１２の表面にｐ側電極１６が形成される。また、ｐ形層１２及び発光層１３が選択的に除去された領域のｎ形層１１の表面に、ｎ側電極１７が形成される。

発光層１３が積層された領域に形成されるｐ側電極１６は、発光層１３の放射光を反射する反射膜を含む。例えば、ｐ側電極１６は、銀、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を含む。また、反射膜の硫化、酸化防止のため、ｐ側電極１６は、金属保護膜（バリアメタル）を含む。

次に、図６（ａ）に表すように、基板１０の上に設けられた構造体を覆うように絶縁膜１８を形成する。絶縁膜１８は、半導体層１５の第２の側１５ｂ、ｐ側電極１６及びｎ側電極１７を覆う。また、絶縁膜１８は、半導体層１５の第１の側１５ａに続く側面１５ｃを覆う。さらに、絶縁膜１８は、溝９０の底面の基板１０の表面にも形成される。

絶縁膜１８は、例えば、ＰＥＣＶＤ法により形成されるシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。絶縁膜１８は、例えば、ｐ側電極１６およびｎ側電極１７を変質させないように、低温で形成することが好ましい。絶縁膜１８の膜密度は、例えば、熱ＣＶＤ法により高温で成長した膜に比べて低くなる。このため、以後の製造過程におけるウェーハの反りなどに起因する応力を緩和することが可能となる。

絶縁膜１８には、例えば、レジストマスクを用いたウェットエッチングにより、図６（ｂ）に示すように第１の開口１８ａと第２の開口１８ｂが形成される。第１の開口１８ａはｐ側電極１６に達し、第２の開口１８ｂはｎ側電極１７のコンタクト部１７ｃに達する。

次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁膜１８の表面、第１の開口１８ａの内壁（側壁および底面）、および第２の開口１８ｂの内壁（側壁および底面）に、下地金属膜６０を形成する。下地金属膜６０は、図７（ａ）に示すように、アルミニウム膜６１と、チタン膜６２と、銅膜６３とを有する。下地金属膜６０は、例えば、スパッタ法により形成される。

次に、下地金属膜６０上に、図７（ｂ）に示すレジストマスク９１を選択的に形成した後、下地金属膜６０の銅膜６３をシード層として用いた電解銅めっき法により、ｐ側配線層２１、ｎ側配線層２２及び金属膜５１を形成する。

ｐ側配線層２１は、第１の開口１８ａ内にも形成され、ｐ側電極１６と電気的に接続される。ｎ側配線層２２は、第２の開口１８ｂ内にも形成され、ｎ側電極１７のコンタクト部１７ｃと電気的に接続される。

次に、レジストマスク９１を、例えば、溶剤もしくは酸素プラズマを使って除去した後、図８（ａ）に示すレジストマスク９２を選択的に形成する。あるいは、レジストマスク９１を除去せずに、レジストマスク９２を形成してもよい。

レジストマスク９２を形成した後、ｐ側配線層２１及びｎ側配線層２２をシード層として用いた電解銅めっき法により、ｐ側金属ピラー２３及びｎ側金属ピラー２４を形成する。

ｐ側金属ピラー２３は、ｐ側配線層２１上に形成される。ｐ側配線層２１とｐ側金属ピラー２３とは同じ銅材料で一体化される。ｎ側金属ピラー２４は、ｎ側配線層２２上に形成される。ｎ側配線層２２とｎ側金属ピラー２４とは同じ銅材料で一体化される。

レジストマスク９２は、例えば溶剤もしくは酸素プラズマを使って除去される。この時点で、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２は下地金属膜６０を介してつながっている。また、ｐ側配線層２１と金属膜５１も下地金属膜６０を介してつながり、ｎ側配線層２２と金属膜５１も下地金属膜６０を介してつながっている。

そこで、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２との間の下地金属膜６０、ｐ側配線層２１と金属膜５１との間の下地金属膜６０、および、ｎ側配線層２２と金属膜５１との間の下地金属膜６０をエッチングにより除去する。

これにより、図８（ｂ）に示すように、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２との電気的接続、ｐ側配線層２１と金属膜５１との電気的接続、およびｎ側配線層２２と金属膜５１との電気的接続が分断される。

半導体層１５の側面１５ｃの周囲に形成された金属膜５１は、電気的にはフローティングであり、電極として機能せず、反射膜として機能する。金属膜５１は、少なくともアルミニウム膜６１を含めば、反射膜としての機能は確保される。

次に、図８（ｂ）に示す構造体の上に、図９（ａ）に示す樹脂層２５を形成する。樹脂層２５は、ｐ側配線部４１及びｎ側配線部４３を覆う。また、樹脂層２５は、金属膜５１を覆う。

樹脂層２５は、ｐ側配線部４１及びｎ側配線部４３とともに支持体１００を構成する。その支持体１００に半導体層１５が支持された状態で、基板１０が除去される。

例えば、シリコン基板である基板１０が、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより除去される。あるいは、基板１０がサファイア基板の場合には、レーザーリフトオフ法により除去することができる。

基板１０上にエピタキシャル成長された半導体層１５は、大きな内部応力を含む場合がある。また、ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および樹脂層２５は、例えばＧａＮ系材料の半導体層１５に比べて柔軟な材料である。したがって、エピタキシャル成長時の内部応力が基板１０の剥離時に一気に開放されたとしても、ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および樹脂層２５は、その応力を吸収する。このため、基板１０を除去する過程における半導体層１５の破損を回避することができる。

基板１０の除去により、図９（ｂ）に示すように、半導体層１５の第１の側１５ａが露出される。露出された第１の側１５ａには、微小凹凸が形成される。例えば、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等で、第１の側１５ａをウェットエッチングする。このエッチングでは、結晶面方位に依存したエッチング速度の違いが生じる。このため、第１の側１５ａに凹凸を形成することができる。第１の側１５ａに微小凹凸を形成することにより、発光層１３の放射光の取り出し効率を向上させることができる。

次に、基板１０を除去して露出させた第１の側１５ａに接するように、絶縁膜１９を形成する。絶縁膜１９は、例えば、スパッタ法を用いて形成されるシリコン酸化膜である。前述したように、スパッタ法を用いて形成されるシリコン酸化膜は、例えば、ＰＥＣＶＤ法を用いて形成されるシリコン酸化膜に比べて膜密度が高い。すなわち、絶縁膜１９は、絶縁膜１８よりも膜密度が高くなるように形成される。また、膜密度の高い絶縁膜１９を用いることにより、第１の側１５ａに設けられた微細な凹凸をコンフォーマルに覆うことができる。

続いて、図１０（ａ）に示すように、第１の側１５ａ上に絶縁膜１９を介して蛍光体層３０が形成される。蛍光体層３０は、例えば、印刷、ポッティング、モールド、圧縮成形などの方法により形成される。絶縁膜１９は、半導体層１５と蛍光体層３０との密着性を高める。また、蛍光体層３０として、蛍光体を結合材を介して焼結させた焼結蛍光体を、絶縁膜１９を介して蛍光体層３０に接着してもよい。

また、蛍光体層３０は、半導体層１５の側面１５ｃの周囲にも形成される。半導体層１５の側面１５ｃの周囲にも樹脂層２５が設けられている。その樹脂層２５の上に、絶縁膜１８及び１９を介して、蛍光体層３０が形成される。

蛍光体層３０を形成した後、樹脂層２５の表面（図１０（ａ）における下面）が研削され、図１０（ｂ）に示すように、ｐ側金属ピラー２３及びｎ側金属ピラー２４が樹脂層２５から露出される。ｐ側金属ピラー２３の露出面はｐ側外部端子２３ａとなり、ｎ側金属ピラー２４の露出面はｎ側外部端子２４ａとなる。

次に、複数の半導体層１５を分離するための溝９０が形成された領域において、図１０（ｂ）に示す構造体を切断する。すなわち、ウェーハ状につながった複数の半導体発光装置１を切断し、個片化する。隣り合う半導体層１５の間において、蛍光体層３０、絶縁膜１９、絶縁膜１８、および樹脂層２５が切断される。これらは、例えば、ダイシングブレード、またはレーザ光により切断される。

半導体層１５は、ダイシング領域に存在しないためダイシングによるダメージを受けない。さらに、本実施形態では、個片化の際に、蛍光体層３０の剥離を抑制することができる。例えば、絶縁膜１８と、絶縁膜１９と、が同じ膜密度となるように形成した場合、ダイシングブレードによる巻き込みが生じ、蛍光体層３０が剥離することがある。本願発明者は、絶縁膜１８および絶縁膜１９を、その膜密度が異なるように形成することにより、蛍光体層３０の剥離が抑制されることを見出した。そして、半導体発光装置１の製造歩留りを向上させることが可能となった。

個片化される前の前述した各工程は、多数の半導体層１５を含むウェーハ状態で行われる。ウェーハは、少なくとも１つの半導体層１５を含む半導体発光装置として個片化される。なお、半導体発光装置は、ひとつの半導体層１５を含むシングルチップ構造でも良いし、複数の半導体層１５を含むマルチチップ構造であっても良い。

個片化される前の各工程は、ウェーハ状態で一括して行われるため、個片化された個々のデバイスごとに、配線層の形成、ピラーの形成、樹脂層によるパッケージング、および蛍光体層の形成を行う必要がなく、大幅なコストの低減が可能になる。

ウェーハ状態で、支持体１００および蛍光体層３０を形成した後に、それらが切断されるため、蛍光体層３０の側面と、支持体１００の側面（樹脂層２５の側面）とは揃い、それら側面が個片化された半導体発光装置の側面を形成する。したがって、基板１０がないこともあいまって、チップサイズパッケージ構造の小型の半導体発光装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・半導体発光装置、１０・・・基板、１１・・・ｎ形層、１２・・・ｐ形層、１３・・・発光層、１５・・・半導体層、１５ａ・・・第１の側、１５ｂ・・・第２の側、１５ｃ・・・側面、１５ｅ・・・発光領域、１５ｆ・・・非発光領域、１６・・・ｐ側電極、１７・・・ｎ側電極、１７ａ・・・直線部、１７ｂ・・・角部、１７ｃ・・・コンタクト部、１８、１９・・・絶縁膜、１８ａ、１８ｂ・・・開口、２１・・・ｐ側配線層、２１ａ、２２ａ・・・ビア、２２・・・ｎ側配線層、２３・・・ｐ側金属ピラー、２３ａ・・・ｐ側外部端子、２４・・・ｎ側金属ピラー、２４ａ・・・ｎ側外部端子、２５・・・樹脂層、３０・・・蛍光体層、３１・・・蛍光体、３２・・・結合材、４１・・・ｐ側配線部、４３・・・ｎ側配線部、５１・・・金属膜、６０・・・下地金属膜、６１・・・アルミニウム膜、６２・・・チタン膜、６３・・・銅膜、９０・・・溝、９１、９２・・・レジストマスク、１００・・・支持体

Claims

第１の側と、前記第１の側とは反対の第２の側と、を有し、第１導電形層と、第２導電形層と、前記第１導電形層と前記第２導電形形層との間に設けられた発光層と、を含む半導体層と、
前記第２の側に設けられ、前記第１導電形層に電気的に接続された第１配線部と、
前記第２の側に設けられ、前記第２導電形層に電気的に接続された第２配線部と、
前記半導体層と前記第１配線部との間、および、前記半導体層と前記第２配線部との間に設けられた第１絶縁膜と、
前記半導体層の前記第１の側に接し、前記第１絶縁膜とは異なる膜密度を有する第２絶縁膜と、
を備えた半導体発光装置。
前記第２絶縁膜は、前記第１絶縁膜よりも膜密度が高い請求項１記載の半導体発光装置。
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は、シリコン原子を含み、
前記第２絶縁膜のシリコン原子密度は、前記第１絶縁膜のシリコン原子密度よりも高い請求項２記載の半導体装置。
前記半導体層は、前記第１の側と前記第２の側とをつなぐ側面を有し、
前記第１絶縁膜は、前記側面を覆う請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
前記半導体層は、前記第１の側に設けられた凹凸構造を有し、
前記第２絶縁膜は、前記凹凸構造を覆う請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
前記第２絶縁膜の前記半導体層とは反対側に設けられ、前記発光層とは異なる波長の光を放射する蛍光体を含む蛍光体層をさらに備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
基板上に半導体層を選択的に形成し、
前記基板上に設けられた前記半導体層を含む構造体を覆う第１絶縁膜を形成し、
前記基板を選択的に除去して、前記半導体層の表面を露出させ、
前記半導体層の露出した前記表面に接し、前記第１絶縁膜とは膜密度が異なる第２絶縁膜を形成する半導体発光装置の製造方法。