JP3917619B2

JP3917619B2 - 半導体発光素子の製法

Info

Publication number: JP3917619B2
Application number: JP2004343711A
Authority: JP
Inventors: 毅筒井; 俊次中田; 幸男尺田; 雅之園部; 範和伊藤
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2017-05-08
Also published as: JP2005094031A

Description

本発明は発光層を形成すべく半導体層が積層される半導体発光素子チップの薄型化に関する。さらに詳しくは、半導体層が積層される方向の厚さを非常に薄くし、発光面積を充分に確保した高輝度で超薄型の半導体発光素子の製法に関する。

従来半導体発光素子の発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップという）は、たとえば図６（ａ）に示されるように、ｎ形のＧａＰ基板１１上にｐ形のＧａＰ層１２がエピタキシャル成長されてｐｎ接合を形成し、積層された半導体層の表面側にｐ側電極１３、基板の裏面側にｎ側電極１４が設けられる構造のものが用いられている。

また、たとえば青色系の半導体発光素子のように、サファイアなどからなる絶縁性の基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される構造のものは、図６（ｂ）にそのＬＥＤチップの一例の概略図が示されるように、その表面側にｐ側電極２８およびｎ側電極２９の両方が設けられることにより形成されている。この構造のものは、たとえばウェハ状のサファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とが積層され、その表面のｐ形層２５に電気的に接続してｐ側電極２８が、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ形層２３と電気的に接続してｎ側電極２９が設けられることにより、ＬＥＤチップが形成されている。

これらのＬＥＤチップは、たとえば図６（ａ）に示されるものでは、たとえば２６０μｍ程度四方で３００μｍ程度の厚さに形成され、図６（ｂ）に示される構造のものでは、たとえば３６０μｍ程度四方で、１００μｍ程度の厚さに形成される。そして、これらのＬＥＤチップ３０がたとえば図７に示されるように、両端に端子電極３２、３３が設けられた絶縁基板３１の一方の端子電極３２と一方の電極が電気的に接続されるようにマウントされ、ＬＥＤチップ３０の他方の電極１３が他方の端子電極３３と金線３４によりワイヤボンディングされて、樹脂パッケージ３５などにより被覆されることにより、チップ型の発光素子が形成されている。
特開平９−８４０３号公報

近年、携帯電話機やＰＨＳなどの携帯機器の発展および小形化に伴い、電子部品の小形化の要請が一層高まり、チップ型発光素子においてはとくに薄型のものが要求され、全体の厚さが０.５ｍｍ程度以下のものが要求されている。しかし、従来のＬＥＤチップは前述のように、その厚さが１００〜３００μｍ程度はあり、絶縁基板の厚さ、ワイヤボンディングのためのスペース、樹脂パッケージの厚さなどを考慮すると、ＬＥＤチップの厚さが少なくとも０.１ｍｍ程度以下にならないと全体の厚さを０.５ｍｍ程度以下にすることができない。

また、ＧａＡｓなどのように、導電性の半導体が基板として用いられるＬＥＤチップは、発光層で発光する光を吸収するものが多く、基板の厚さが厚いと、発光層で発光し四方に放射される光のうち、基板側に進んだ光が殆ど吸収されて無駄になり、発光効率が低下するという問題がある。

さらに、前述の図６（ｂ）に示されるような絶縁性の基板上に半導体層が積層されるＬＥＤチップでは、ＬＥＤチップの裏面側に一方の電極を設けることができず、両方の電極をワイヤボンディングにより接続しなければならない。そのため、小形化の妨げになると共に、組立ての工数増の原因にもなっている。

一方、絶縁性の基板上に半導体層が積層されるＬＥＤチップで、劈開性を利用してチップ化することができると共に、両方の電極をワイヤボンディングしなくてＬＥＤチップの両面から電極を取り出すことができるように積層された半導体層の表面に半導体からなる導電性基板を貼着して半導体層を積層するための基板を除去する半導体素子およびその製法が、知られている（たとえば特許文献１参照）。しかし、半導体基板を貼着する方法では、積層される半導体層の表面にオーミックコンタクトをとる金属を設けるだけでなく、貼着する半導体基板にもオーミックコンタクトをとることができる金属を設けてから貼着しなければならないと共に、貼着した半導体基板の反対側の面にさらに電極を設けなければならない。このオーミックコンタクトを得るためには半導体基板に適した金属を付着すると共にアニール処理をしなければならず、工数が非常に増加するという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、半導体を積層する基板を非常に薄くすることにより、ＬＥＤチップの厚さを薄くし、薄型化した半導体発光素子を製造する方法を提供することを目的とする。

本明細書で、チッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部もしくは全てがＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。

本発明の半導体発光素子の製法は、（ａ）ウェハ状のサファイア基板上に発光層を形成すべくチッ化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層を積層して半導体積層部を形成し、（ｂ）該半導体積層部の表面側に一対の電極を形成した後に支持基板を貼着し、（ｃ）前記半導体積層部が設けられたサファイア基板を裏面側から研磨することによりサファイア基板の厚さを１０〜５０μｍにし、（ｄ）ウェハから各発光素子チップに切断分離し、（ｅ）該発光素子チップの研磨された面を下にして両端部に一対の端子電極を有する絶縁基板上にマウントした後に前記支持基板を除去し、（ｆ）露出した前記半導体積層部の表面側の一対の電極を前記絶縁基板の両端部の端子電極とワイヤボンディングをすることを特徴とする。この方法によれば、前述の厚さが薄いＬＥＤチップを容易に得ることができる。

ここに第１導電形および第２導電形とは、半導体の極性のｎ形およびｐ形のいずれか一方を第１導電形としたとき、他方のｐ形またはｎ形が第２導電形であることを意味する。

本発明による半導体発光素子の製法の他の形態は、（ａ）ウェハ状のサファイア基板上に発光層を形成すべくチッ化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層を積層して半導体積層部を形成し、（ｂ）該半導体積層部の表面側に一対の電極を形成した後に支持基板を貼着し、（ｃ）前記半導体積層部が設けられたサファイア基板を裏面側から研磨することによりサファイア基板の厚さを１０〜５０μｍにし、（ｄ）ウェハから各発光素子チップに切断分離し、（ｅ’）該発光素子チップの研磨された面を保持して前記支持基板を除去し、（ｆ’）該支持基板の除去により露出した前記半導体積層部の表面側の一対の電極が、両端部に端子電極を有する絶縁基板上に該端子電極のそれぞれと直接接続されるように前記発光素子チップをマウントすることを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤチップが非常に薄く形成されているため、最近の電子機器の軽薄短小の要求にマッチした超薄型の半導体発光素子が得られる。その結果、携帯電話機やＰＨＳなどの携帯機器のスイッチボタンなどに用いられる光源を非常に薄くすることができ、電子機器の軽薄短小化に大きく寄与する。

さらに、ＬＥＤチップの基板が非常に薄くされているため、その基板がＬＥＤチップで発光する光を吸収する材料からなる場合でも、その光の吸収が少なくなり、基板側に進んだ光も反射により利用することができ、外部に取り出せる光の割合である外部発光効率が向上する。逆に、基板が薄くても残されているため、半導体積層部に取扱い時の応力による歪みが入って結晶性を阻害し、発光効率を下げるという問題が生じない。この問題は、チッ化ガリウム系化合物半導体の場合に応力により結晶性を損ないやすいため、とくに効果が大きい。

さらに、本発明の製法によれば、非常に薄型の発光素子チップをマウントする場合でも、マウントするまで、またはマウント直前まで支持基板に保持されているため、半導体積層部へのダメージを抑制することができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子の製法について説明をする。図１には、たとえば青色系の発光に適するチッ化ガリウム系化合物半導体が積層されたＬＥＤチップを用いた本発明の製法の一実施形態により得られる半導体発光素子の断面および平面説明図と、そのＬＥＤチップの断面説明図が示されている。

本発明の製法により得られる半導体発光素子は、たとえば図１（ａ）〜（ｂ）にチップ型発光素子の説明図が示されるように、ＬＥＤチップをマウントして形成される半導体発光素子のＬＥＤチップ３０が非常に薄く形成されていることに特徴がある。このＬＥＤチップ３０は、たとえば図１（ｃ）に断面説明図で示されるように、基板１が薄くされて基板１の裏面からｐ側電極の上面までの厚さＴが５０μｍ以下と非常に薄く形成されている。この厚さＴの下限は、小さいほど好ましいが、積層される半導体層の厚さが２〜３μｍ程度はあり、図示しない電流拡散層やｐ側電極８の厚さ１〜２μｍ程度などを考慮すると、３〜５μｍ程度は少なくとも必要である。

チップ型発光素子の基本構造は従来の構造と同じであるが、両端に端子電極３２、３３が設けられたセラミックスなどからなる絶縁基板３１の一方の端子電極３２上にＬＥＤチップ３０がマウントされ、ＬＥＤチップ３０のｎ側電極９が第１の端子電極３２と、ｐ側電極８が第２の端子電極３３とそれぞれ接続手段としての金線３４などによるワイヤボンディングがなされ、その周囲が樹脂パッケージ３５により覆われることにより形成されている。本発明のチップ型発光素子は、前述のように、ＬＥＤチップ３０が５０μｍ程度以下と非常に薄く形成されているため、絶縁基板３１の裏面から樹脂パッケージ３５の上面までの厚さも０.５ｍ以下と非常に薄く形成されている。

ＬＥＤチップ３０は、図１（ｃ）に断面説明図が示されるように、厚さが１０〜５０μｍ程度のサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）などからなる基板１の表面に発光層を形成する半導体積層部１０が形成されて、その表面側のｐ形層５に、図示しない電流拡散層を介してｐ側電極８が電気的に接続されている。また、半導体積層部１０の一部が除去されて露出するｎ形層３に電気的に接続されるようにｎ側電極９が形成されている。半導体積層部１０は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層、クラッド層となるｎ形のＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体の積層構造からなるｎ形層３、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４、およびｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層および／またはＧａＮ層からなるｐ形層（クラッド層）５が、基板１上にそれぞれ順次積層されることにより構成されている。

このＬＥＤチップ３０を製造するには、図２（ａ）に示されるように、厚さが１００〜３００μｍ程度のウェハ状のサファイア基板１上に、たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、反応ガスおよび必要なドーパントガスを導入してｎ形層３を１〜５μｍ程度、活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度、およびｐ形層５を０.２〜１μｍ程度、それぞれエピタキシャル成長する。その後、電流拡散層を設ける場合は、たとえばＮｉおよびＡｕをそれぞれ真空蒸着などにより積層してシンターすることにより合金化し、２〜１００ｎｍ程度の厚さに形成する。

ついで、表面にレジスト膜を設け、パターニングをして塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングにより、積層された半導体層の一部を図２（ｂ）に示されるように除去してｎ形層３を露出させ、たとえばリフトオフ法により、ｐ形層５と電気的に接続されるようにＴｉとＡｕとを積層して両金属の積層構造からなるｐ側電極８を形成する。また同様に、たとえばリフトオフ法により、ｎ形層３と電気的に接続されるように、ＴｉとＡｌをそれぞれ積層してシンターすることにより両金属の合金層からなるｎ側電極９を形成する。

つぎに、図２（ｃ）に示されるように、ｎ側電極９およびｐ側電極８が設けられた側に低温で融けるロウなどからなるワックスなどの接着剤３７を塗布して、厚さが１００〜３００μｍ程度でウェハ状のアルミニウム板からなる支持基板３６を貼着する。支持基板３６としては、アルミニウム板でなくても、他の金属板、エポキシ樹脂板、セラミックスなどの絶縁基板など、ウェハ状態での機械的強度を有し、後でチップに切断分離するのに容易な材料であれば何でもよい。ただし、後述する支持基板を残存させて一方の電極として使用する場合には、金属板を使用し、接着剤も導電性接着剤を使用することが好ましい（この場合は、ｎ側電極は基板１を除去して露出するｎ形層に設けられる）。接着剤も、このような導電性材料が要求される場合の他は、接着強度がある程度得られ、その後容易に除去できるものであれば何でもよい。また、除去する方法は、エッチング液などの化学処理による方法でも、半導体層と選択エッチングをすることができればよい。

その後、支持基板３６側をラッピング板にワックスなどにより貼着し、サファイア基板側を研磨盤に当て付け、ラッピング板を回転させてサファイア基板１を研磨する。サファイア基板１の厚さが１０〜５０μｍ程度に薄くなったところで、研磨を中止し、ラッピング板から取り外し、各チップに切断分離する。ついで、切断分離されたチップを図１（ａ）〜（ｂ）に示されるように、たとえばチップ型発光素子用の絶縁基板３１上に、サファイア基板１が裏面になるように接着剤により接着してマウントし、その後湯などに浸すことによりワックスを溶かして支持基板を除去する。その結果、絶縁基板３１上などにマウントされた超薄型のＬＥＤチップ３０が得られる。

本発明によれば、ＬＥＤチップを形成するハンドリングの途中においては、半導体層を積層するサファイアなどの基板、またはアルミニウム板などの支持基板により保持され、一応の機械的強度を保ちながらウェハ工程が進められ、各チップに切断分離され、使用目的の状態にチップがマウントされた後に支持基板が除去されるため、製造工程で破損したり、発光に寄与する半導体層にクラックなどを生じさせることなく超薄型のＬＥＤチップが得られる。

前述の例では、サファイア基板の一部を残存させたが、サファイア基板のように、電気的絶縁性の基板の場合、その基板の部分を全部除去してｎ形層３を露出させてもよい。その場合、その露出した半導体層の表面にオーミックコンタクトが得られる電極金属を設け、たとえば図１に示される一方の端子電極３２上に導電性接着剤によりＬＥＤチップをマウントすれば直接ｎ形層３が第１の端子電極３２と電気的に接続される。そのため、図１（ｃ）に示されるように、積層された半導体積層部１０の一部をエッチングしてｎ形層３を露出させる必要がなく、ｐ側電極８のみを形成しておけばよい。そのため、ＬＥＤチップ３０の製造工程も単純化されると共に、ＬＥＤチップ３０をマウントした後のワイヤボンディングも少なくて簡単に組立てをすることができる。この場合、露出した半導体層の表面に設けられる電極は、サファイア基板などが除去されたウェハの状態で設けられるため、通常の導電性の半導体基板に半導体層を積層する半導体発光素子と同様の工程で行うことができる。

また、本発明の超薄型のＬＥＤチップを使用する半導体発光素子は、前述のチップ型発光素子に限らず、リードの先端にＬＥＤチップをマウントし、ドーム状の樹脂パッケージにより被覆されるランプ型の発光素子や、回路基板などに直接マウントされる発光素子においても同様に背の低いランプ型発光素子や薄型の発光素子として利用できる。

また、図１に示される例では、ＬＥＤチップ３０の各電極と絶縁基板３１の各端子電極３２、３３との電気的接続がワイヤボンディングによりなされているが、ＬＥＤチップ３０の基板が前述のサファイア基板やＧａＰ基板などのように発光する光を透過させる場合には、図３に示されるようにハンダや銀などからなるバンプ３８もしくは導電性接着剤などの接続手段により直接電気的に接続してＬＥＤチップ３０の基板の裏面側から光を取り出すことができる。図３に示されるような発光素子を得るには、前述のように支持基板３６を貼着してチップ化した後に、ＬＥＤチップ３０の支持基板と反対側を吸着コレットなどにより吸着して湯などに浸漬して接着剤を溶かし、支持基板を除去してから絶縁基板３１上のバンプなどの上にマウントしてハンダ付けすることにより得られる。このような構造にすることにより、ワイヤボンディングの必要がなくなるため、一層薄型化することができる。なお、図３において図１と同じ部分には同じ符号を付してある。また、この構造はチッ化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子には限定されない。すなわち、ＬＥＤチップの基板にその基板での光の吸収を少なくする材料および／または厚さの薄いものを使用すれば、ＧａＰやＧａＡｓなどのＬＥＤチップでも片面から２つの電極を取り出す構造にすることにより、ワイヤボンディングをせずに非常に薄型の半導体発光素子とすることができる。

さらに、図１に示される例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟持されるダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造の半導体発光素子でも同様である。また、積層される半導体層の材料も一例であって、その材料には限定されない。さらに、前述の例では、サファイア基板などの絶縁性の基板上に半導体層が積層された例であったが、絶縁性基板上に半導体層が積層される場合に限らない。すなわち、図４にｎ形ＧａＰ基板１１上にｐ形ＧａＰ層１２が積層され、ｐ側電極１３が形成されてＧａＰ基板１１が薄くされた例が示されているように、ＧａＰやＧａＡｓ基板などの導電性基板上に半導体層が積層される半導体発光素子においても、同様に支持基板を貼着してＧａＰやＧａＡｓなどの基板を研磨して薄くし、その研磨面を下にしてマウントした後に支持基板を除去することにより、緑色、黄色、赤色、赤外などの薄型の半導体発光素子が得られる。なお、裏面側の電極は、研磨した後にウェハの状態で研磨面に電極金属を蒸着することにより、全面に設けられる。

図５に示される例は、支持基板３６を除去しないで、そのまま残存させる例である。すなわち、この場合は支持基板も含めると超薄型のＬＥＤチップとはならないが、前述の青色系の半導体発光素子のように、絶縁性の基板上に半導体層が積層される場合でも、ＬＥＤチップの両面からそれぞれｎ側電極９およびｐ側電極８が取り出される構造とすることができる。

この構造のＬＥＤチップを製造するには、前述の図１（ｃ）に示されるように、サファイア基板上１にｎ形層３、活性層４、ｐ形層５を順次積層して半導体積層部１０を形成した後、ｐ形層５とオーミックコンタクトをとりやすいＮｉとＡｕの合金層からなる金属膜（図示せず）を全面に設ける。そしてその後に、Ａｇペーストなどの導電性接着剤（図示せず）により支持基板３６としてのＡｌなどからなる金属板を貼着する。その後前述のサファイア基板を研磨して薄くする技術を利用して、サファイア基板を研磨して完全に除去する。そして、サファイア基板の除去により露出したｎ形層３の表面に、たとえばＴｉとＡｕの合金層を設けてパターニングしてｎ側電極９を形成する。その後、各チップに切断分離することにより、図５に示されるように、ｐ形層５側に貼着される支持基板３６をｐ側電極８とし、ＬＥＤチップの両面にｎ側電極９とｐ側電極８とをそれぞれ設けることができる。なお、この場合は積層された半導体層の表面側から光を取り出すわけではないので、ＮｉとＡｕの合金層からなる金属膜（図示せず）を前述の電流拡散層のように電流を拡散させながら光を透過させる必要がなく、直接電極とすることができるため、充分に厚く形成することができる。

その結果、従来の絶縁性の基板上に半導体層が積層される半導体発光素子においては、ｎ側電極およびｐ側電極の両方を基板の表面側に設けて、両方をワイヤボンディングにより接続しなければならないが、この構造にすることにより、ＬＥＤチップの両面からそれぞれｐ側電極とｎ側電極とを取り出すことができ、ＬＥＤチップをリードもしくは端子電極上にダイボンディングするだけで一方の電極が電気的に接続され、ワイヤボンディングは一方だけですむ。しかも、貼着する基板にＡｌなどの金属基板を用いているため、半導体からなる導電性基板と異なり、金属基板をそのまま電極として使用することができ、非常に簡単な製造工程で安価に得られる。すなわち、導電性の半導体基板を貼着する場合はその貼着面における半導体基板とのオーミックコンタクトを得る必要があると共に、半導体基板の反対面にもオーミックコンタクトをとって電極金属を設ける必要があるが、本発明によれば金属基板３６を導電性接着剤により貼着するだけでよいからである。

また、この構造にすることにより、発光面側に両方の電極を設ける必要がないため、電極による光の遮断面積が少なくなり、小さいチップ面積で必要な発光量が得られ、１枚のウェハから取れるチップの個数が多くなり、コストダウンに寄与する。さらに、裏面側の電極はチップの全面に設けられるため、半導体層とのオーミック接触が得られやすい。とくにｐ形のチッ化ガリウム系化合物半導体はドーパントが充分に入り難く抵抗が大きいため、全面に電極金属が設けられることは、電気的特性の向上に非常に大きく寄与する。従来、サファイア基板の一部にコンタクト孔を設けて一方の電極を基板の裏面側から取るものもあるが、本発明によるチッ化ガリウム系化合物半導体層の全面に、しかもｐ形層の全面に電極金属が設けられる構造は、電流を拡散させる効果を大幅に向上させるという利点がある。

本発明の製法により得られる半導体発光素子の一例の断面および平面説明図である。図１のＬＥＤチップの製造工程を示す図である。図１の半導体発光素子の変形例を示す断面説明図である。図１に用いられるＬＥＤチップの他の構造例の斜視説明図である。半導体発光素子の他の構造例のＬＥＤチップの断面説明図である。従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。従来のチップ型発光素子の断面説明図である。

符号の説明

１基板
３ｎ形層
４活性層
５ｐ形層
８ｐ側電極
９ｎ側電極
１０半導体積層部
３０ＬＥＤチップ
３１絶縁基板
３２端子電極
３３端子電極
３４金線
３５樹脂パッケージ

Claims

（ａ）ウェハ状のサファイア基板上に発光層を形成すべくチッ化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層を積層して半導体積層部を形成し、
（ｂ）該半導体積層部の表面側に一対の電極を形成した後に支持基板を貼着し、
（ｃ）前記半導体積層部が設けられたサファイア基板を裏面側から研磨することによりサファイア基板の厚さを１０〜５０μｍにし、
（ｄ）ウェハから各発光素子チップに切断分離し、
（ｅ）該発光素子チップの研磨された面を下にして両端部に端子電極を有する絶縁基板上にマウントした後に前記支持基板を除去し、
（ｆ）露出した前記半導体積層部の表面側の一対の電極を前記絶縁基板の両端部の端子電極とワイヤボンディングをする
ことを特徴とする半導体発光素子の製法。
（ａ）ウェハ状のサファイア基板上に発光層を形成すべくチッ化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層を積層して半導体積層部を形成し、
（ｂ）該半導体積層部の表面側に一対の電極を形成した後に支持基板を貼着し、
（ｃ）前記半導体積層部が設けられたサファイア基板を裏面側から研磨することによりサファイア基板の厚さを１０〜５０μｍにし、
（ｄ）ウェハから各発光素子チップに切断分離し、
（ｅ’）該発光素子チップの研磨された面を保持して前記支持基板を除去し、
（ｆ’）該支持基板の除去により露出した前記半導体積層部の表面側の一対の電極が、両端部に端子電極を有する絶縁基板上に該端子電極のそれぞれと直接接続されるように前記発光素子チップをマウントする
ことを特徴とする半導体発光素子の製法。