JP4189710B2

JP4189710B2 - 発光ダイオードの製造方法

Info

Publication number: JP4189710B2
Application number: JP20339799A
Authority: JP
Inventors: 晃大塚; 茂佐々木
Original assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Current assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: JP2001036129A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は少なくともｎ型の第一の半導体領域とｐ型の第二の半導体領域を有するｐｎ接合を備えた発光ダイオード及びその製造方法に係り、特に、光出射面を凹凸化処理して発光効率を高めると共に、広角度で発光し得るようにした発光ダイオードとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような発光ダイオードは、半導体基板上に、例えばエピタキシャル成長によって複数の半導体層を積層させて、ｎ型の第一の半導体領域とｐ型の第二の半導体領域を有する少なくとも１つのｐｎ接合を備え、ＧａＡｓ系のｎ層又はｐ層が上面に配設された複数個の発光ダイオードチップを構成し、この半導体チップの上面及び裏面に電極を形成した後、半導体基板を切断することによって各半導体チップ毎に分離することにより、製造されている。
【０００３】
このような構成の発光ダイオードによれば、電極間に駆動電圧を印加することによって半導体チップ上面のｎ層又はｐ層及び側面のｐｎ接合部から光が出射するようになっている。
【０００４】
ところで、このような構成の発光ダイオードにおいて、その発光効率を高めるためには、従来、半導体チップ表面の凹凸化、そして半導体チップ表面への特定の屈折率を持つ薄膜形成が効果的であることが知られている。
例えばＧａＡｌＡｓ発光ダイオードの場合には、半導体チップの分離前に、ｐ側においては、マスク等により電極を保護して、例えば９５：５の硝酸：硫酸により凹凸化が行なわれ、またｎ側においては、同様にマスク等により電極を保護して、例えば９０：１０の硝酸：水により凹凸化が行なわれている。また、特定の屈折率を持つ薄膜形成としては、半導体チップの半導体構成物以外の組成物、例えば窒化シリコン，酸化シリコン等により形成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように凹凸化され、薄膜が形成された発光ダイオードにおいては、凹凸化等の際にマスク等による電極保護が必要であり、凹凸化等の処理後には、電極保護のためのマスク等の除去が必要になるため工程が複雑になって、そのためにコストも高くなってしまう。
また、凹凸化及び薄膜形成が別工程であることから、工程数が多くなり、処理時間も長くなることによってもコスト高の要因になる。
さらに、凹凸化及び薄膜形成を行なった後に、半導体チップの分離作業が必要になることから、半導体チップ分離の際の切断箇所における凹凸化及び薄膜形成が不可能であり、発光効率の向上が十分ではなくなってしまう。
【０００６】
このため、半導体チップの分離後に凹凸化及び薄膜形成を行なう方法も考えられるが、この場合、電極保護のためのマスク等の電極保護材の取付け及び除去が必要となり、作業が煩雑になってしまう。
【０００７】
この発明は、以上の点にかんがみて、電極保護を行なう必要なしに、半導体チップの上表面及び側面の凹凸化及び薄膜形成を同時に行なうことにより、広角度に発光し得ると共に、格段に発光効率を高めた発光ダイオードを得るに際し、製造工程を削減し得ると共に、コストを低減するようにした、優れた発光ダイオードの製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した発明では、半導体基板上にＧａＡｓ系半導体材料からなる複数の半導体層を積層させて、少なくともｎ型の第一の半導体領域とｐ型の第二の半導体領域とがｐｎ接合を形成するように配設された複数個の半導体チップを形成する第一の段階と、上記半導体チップの上面及び裏面に電極を形成する第二の段階と、上記半導体チップの電極以外の上面及び／又は側面を凹凸化すると共に、その凹凸化された表面に、光の出射効率を向上させるための水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる薄膜を付着させる第三の段階と、を含み、上記第三の段階における凹凸化及び水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる薄膜形成が、半導体チップの上面及び／又は側面を、１５乃至８０重量％の硝酸水溶液を用い、温度１０℃〜５０℃で１秒乃至６００秒浸漬し、その後で水洗し、さらに塩酸と水とからなる水溶液で洗浄した後、再び水洗し乾燥することで行なわれるように、発光ダイオードを製造することを特徴としている。前記凹凸化は、好ましくは、前記ｎ型の第１の半導体領域で行なう。
【００１１】
この発明による発光ダイオードの製造方法は、好ましくは、上記第三の段階の前に、半導体基板を切断して各半導体チップ毎に分離する第四の段階を備えている。
この発明による発光ダイオードの製造方法は、好ましくは、上記第四の段階にて、半導体基板の裏面に粘着テープを貼着した後半導体基板の切断を行ない、さらにその後、粘着テープを伸長することにより、各半導体チップを互いに切断面長以上の、例えば３０μｍ以上の間隔を備えるように構成している。
【００１３】
上記構成によれば、光が出射する半導体チップの電極を除く上面及び／又は側面を、電極と反応しない薬液を使用して凹凸化すると共に、同時に水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる薄膜を形成し、その後で水洗し、さらに塩酸と水とからなる水溶液で洗浄した後、再び水洗し乾燥することで、発光ダイオードの発光効率を効果的に高めることができ、さらに工程数が少なくて済み、処理時間が短くなるので生産効率が向上する。
【００１４】
上記第三の段階にて、凹凸化及び水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる薄膜形成が、電極と反応せずＧａＡｓ系半導体材料とのみ反応する硝酸水溶液によって行なわれる場合には、凹凸化及び水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる薄膜形成の際に電極保護が不要となるので、電極保護材の取付け及び除去を行なう必要がなく、工程が簡略化されコストを低減することができる。
上記第三の段階の前に、半導体基板を切断して各半導体チップ毎に分離する第四の段階を備えており、上記第四の段階にて、半導体基板の裏面に粘着テープが貼着された後、半導体基板の切断が行なわれ、さらにその後、粘着テープが伸長されることにより、各半導体チップが互いに、例えば３０μｍ以上の間隔を備える場合には、半導体チップの分離後に、粘着テープの伸長によって各半導体チップが粘着テープにより相互に連結された状態のままで、容易に所定の半導体チップ間隔を設定することができる。従って、半導体チップの取扱いが容易になる。
上記第三の段階における凹凸化及び水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる薄膜形成が、半導体チップの上面及び／又は側面を、１５乃至８０重量％の硝酸水溶液を用い、温度１０℃〜５０℃で１秒乃至６００秒浸漬し、その後で水洗し、さらに塩酸と水とからなる水溶液で洗浄した後、再び水洗し乾燥することで行なわれる場合には、所望の表面粗さの凹凸化及び水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる厚さを０．０１μｍ〜５μｍとした薄膜形成を実現することができる。
また、水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる薄膜の形成において、凹凸化の際に硝酸水溶液中に溶解したＧａＡｓ系半導体材料が硝酸水溶液中で反応して化合物となって、凹凸化された半導体チップ上面及び／又は側面に付着するので、凹凸化及び水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる薄膜形成が一種類の薬液、即ち硝酸水溶液のみによって行なわれ得るので、製造コストを低減することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１はこの発明による発光ダイオードの一実施形態を示している。
図１において、発光ダイオード１０は、ｐｎ接合の発光ダイオードチップとして、ｐ型の半導体領域１２とその上に配設されたｎ型の半導体領域１３とで形成された半導体チップ２０と、これらを挟むように半導体チップ２０の上面及び裏面に備えられた電極１４，１５と、から構成されている。
ここで、ｐｎ接合は半導体チップ２０の上面及び下面に対して平行に形成されており、ｐｎ接合の端部は半導体チップの側面に露出している。そして、このｐｎ接合を含む半導体チップ２０の側面は、斜めに切り取られた傾斜面１６を備えたメサ構造に形成され、これによりｐｎ接合から出射する光に対する全反射を減少させ、上方への光の取り出し量の増加を図っている。
【００１６】
上記ｐ型の半導体領域１２は、例えばＧａ_0.7Ａｌ_0.3Ａｓの半導体材料に対して、不純物として例えば１０¹⁷乃至１０¹⁸／ｃｍ³程度のＺｎ等を添加したものである。
また、上記ｎ型の半導体領域１３は、例えばＧａ_0.7Ａｌ_0.3Ａｓの半導体材料に対して、不純物として例えば１０¹⁷乃至１０¹⁸／ｃｍ³程度のＴｅ等を添加したものである。
ここで、上記ｐ型の半導体領域１２及びｎ型の半導体領域１３は、その境界において互いにｐｎ接合を形成している。
なお、上記ｐ型の半導体領域１２及びｎ型の半導体領域１３は、図示しない半導体基板の例えば（１００）面上に順次に例えばエピタキシャル成長によって積層して形成されることにより、その（１００）面が表面の方位と一致するようになっている。
【００１７】
さらに、上記発光ダイオード１０の表面（上面）側において、電極１５を除く半導体チップ２０の上面及び側面（図面にて、符号Ａで示す領域）が、凹凸化処理されて凹凸面１７が形成されており、少なくともその凹凸面１７に半導体材料の組成の一部を含む化合物、例えば水酸化ヒ素などを主組成とした薄膜１８が形成されている。凹凸面１７は、半導体チップ２０の光を出射する面に形成するのが効果的であり、通常は半導体チップ２０の上面か側面の少なくとも一方に形成される。本実施の態様では、半導体チップ２０の上面と側面、とくにメサ構造を形成する傾斜面１６に形成されている。
【００１８】
この凹凸面１７は、半導体チップ２０の上面及び／又は側面の内部に窪みを形成することにより凹凸構造が形成され、その窪みの深さは例えば０．５乃至５．０μｍ程度の表面粗さとなるように例えば薬液処理によるエッチングによって行なわれる。また、少なくともその凹凸面１７に形成される水酸化ヒ素などを主組成とした薄膜１８は、０．０１μｍ以上の厚さ、最適値としては０．０１μｍ〜５μｍ程度の厚さを有している。図１に示す模式図では、薄膜１８は凹凸面１７のみならず、両電極１４，１５を除く半導体チップ２０の全表面に形成されているものとして描かれている。
【００１９】
上述した発光ダイオード１０は、本発明による製造方法によれば以下のようにして製造される。
即ち、図２に示すフローチャートに従って、先ずステップＳＴ１において、半導体基板上に、ｐ型の半導体領域１２及びｎ型の半導体領域１３が順次に積層して形成される。
続いて、ステップＳＴ２にて、半導体基板を取り除いたｐ型の半導体領域１２の裏面とｎ型の半導体領域１３の上面にて、半導体チップ領域に、それぞれ電極１４，１５をパターン形成する。
上述したステップＳＴ１乃至ステップＳＴ２は、従来の発光ダイオードの製造方法と同じである。
【００２０】
次に、ステップＳＴ３にて、積層した半導体を半導体チップ領域毎に切断して各半導体チップ２０を分離する。この場合、切断作業の前に、裏面の電極１４側には粘着テープ２１を貼着しておく。これにより、切断後に各半導体チップ２０が切り離されずに、所定間隔で一体に保持されるようになっている。
【００２１】
その後、ステップＳＴ４にて、所謂エキスパンドが行なわれる。これは、図３に示すように、粘着テープ２１を矢印Ｘで示すように横方向に伸長させることにより行なわれる。これにより、粘着テープ２１が横方向に延びて、各半導体チップ２０の間隔が拡げられる。ここで、各半導体チップ２０の間隔ｄは、後の凹凸化処理にて、各半導体チップ２０の側面の凹凸化が容易に行なわれ得るように、切断面長以上の間隔、例えば３０μｍ以上にされる。
【００２２】
この状態から、ステップＳＴ５にて、凹凸化処理及び薄膜形成工程が行なわれる。この工程においては、先ず各半導体チップ２０が粘着テープ２１に固定保持された状態で、少なくとも各半導体チップ２０の上面及び側面の領域を、例えば１０秒間水洗する。
続いて、各半導体チップ２０の上面或いは側面、好ましくは上面及び側面の領域が硝酸水溶液によって凹凸化処理される。この凹凸化は、少なくともｎ型の半導体領域１３の上面と側面のｐｎ接合部を含む傾斜面１６とに形成される。
ここで、硝酸水溶液としては１５乃至８０重量％の硝酸水溶液が使用され、処理時間は、温度１０℃〜５０℃、好ましくは２５℃にて例えば６０秒である。
なお、この処理時間は例示したものであり、これに限定されることなく所望の表面粗さの凹凸化が得られるように、例えば１秒乃至６００秒の間で適宜に設定されればよい。ここで、処理時間が１秒以下の場合には、十分な凹凸化が行なわれず、また、６００秒以上の処理時間の場合には、過度の凹凸化が行なわれてしまう。
【００２３】
これにより、各半導体チップ２０の上面及び傾斜面１６を含む側面の領域が硝酸水溶液と反応することにより凹凸化処理されて凹凸面１７が生じると共に、同時進行的に、硝酸水溶液中に溶解した半導体材料が硝酸水溶液中で反応することにより、水酸化ヒ素を主成分としたヒ素化合物が生成され、この水酸化ヒ素等が各半導体チップ２０の上面及び側面の領域に付着して、薄膜１８を形成する。
その後、例えば３０秒間の水洗を行ない、さらに例えば１：１．２５の塩酸：水によって表面の清浄化を行なった後、再び例えば３０秒間の水洗を行ない、乾燥することにより、各半導体チップ２０の凹凸化及び薄膜形成が完了し、各半導体チップ２０が完成する。
【００２４】
ここで上記実施例に代えて、本発明者らは、下側をｎ型の半導体領域とし上面側をｐ型の半導体領域としてｐｎ接合を形成した半導体チップを用いて、硝酸水溶液によって上面及び側面を凹凸化処理する実験を試みたが、薬液を適用すると上面側のｐ層にパターン形成した電極の周囲部分が大きくえぐれてしまい、結局、電極が剥離してしまって、本発明の効果を達成し得るような好ましい凹凸構造を生じなかった。従って、この発明により最適な凹凸面を得るためには、上記実施例のように、下側をｐ型の半導体領域とし、上面側をｎ型の半導体領域としたｐｎ接合の半導体チップを用いるのが好ましい。
【００２５】
この発明による発光ダイオード１０は以上のように構成されており、図４（Ａ），（Ｂ）に示す電子顕微鏡写真（３１００倍）によく表れているように、半導体チップ２０の電極１５を除く上面領域及び側面（傾斜面１６を含む）が、図４（Ａ）の状態から、図４（Ｂ）に示す如くに凹凸化処理され、同時に薄膜１８が形成される（図１）。この薄膜１８は、凹凸面の窪みを埋めてさらに堆積していることが分かる。なお、図４（Ｃ）は、本発明により処理した半導体チップ２０の外表面の一部を撮影した電子顕微鏡写真（５００倍）である。
【００２６】
この発明により得られた発光ダイオード１０によれば、図５（Ａ）の指向特性図に示すように、発光ダイオード１０の発光効率が格段に向上する。なお、比較のために、従来構成の発光ダイオード１０の指向特性図を図５（Ｂ）に示す。従来構成の発光ダイオードでは横及び斜め方向からの出射効率はかなり低下しているが、本発明で処理した発光ダイオードでは前方のみならず、ほぼ１８０°の広角度で出射効率が格段に向上しており、発光光量としては従来構成品と比較して４０〜５０％の割合で向上している。なお、発光電流は２０ｍＡである。
ここで、半導体チップの上面及び／又は側面に凹凸面を形成しただけでは、半導体チップ内部のｐｎ接合から出射した光は、この凹凸構造をもつ半導体チップの屈折率と空気の屈折率との関係で大部分が反射してしまって外部へあまり出射しないが、凹凸面に薄膜を付着することにより極めて効率よく光が出射する。これは、半導体チップの屈折率より小さい薄膜を形成することにより、この薄膜が光を空気中へ導くことになるため、この薄膜を通過して光が効率よく出射するものと考えられる。
なお、上記指向特性は、図６に示すように発光ダイオード１０を発光させて、光測定部３０を発光ダイオード１０の周りに−９０度から＋９０度まで回転させながら、この光測定部３０によって発光ダイオード１０からの入射光量を測定することにより得られる。
【００２７】
この場合、上記凹凸化処理及び薄膜形成は、同一工程において、同じ処理用の薬液（硝酸水溶液）によって行なわれる。従って、別工程とすることなく１つの工程で行なえるので工程数が少なくて済み、また薬液も一種類でよいことから、コストが低減され得ると共に、処理時間が短縮されることになる。
さらに、凹凸化処理及び薄膜形成のための薬液が硝酸水溶液であることから、半導体チップ２０を構成する電極１４，１５と反応しない。したがって、電極保護のためのマスク等が不要になると共に、このマスク等の処理前の取付け及び処理後の除去も不要になり、作業が簡略化されてより一層コストが低減される。
【００２８】
なお、上述した実施形態においては、発光ダイオード１０のｐ型の半導体領域１２及びｎ型の半導体領域１３の半導体材料及び不純物は、例示したものに限定されず、発光ダイオード１０の発光色等に応じて、他の任意の半導体材料及び不純物の種類，濃度等を選定することが可能であることは明らかである。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、光が出射する半導体チップの電極を除く上面領域及び側面を、電極と反応しない薬液を使用して凹凸化すると共に、その凹凸化された表面に同時に薄膜を形成するので、発光ダイオードの発光効率を高めることができ、さらに工程数が少なくて済み処理時間も短くなるので、生産効率が向上する。
このようにして本発明によれば、電極保護を行なう必要なしに、半導体チップ上面及び側面の凹凸化及び薄膜形成を同時に行なうことにより、コストを低減するようにした、発光効率に優れ、かつ、広角度で出射し得る発光ダイオード及びその製造方法が提供されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発光ダイオードの一実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の発光ダイオードの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図３】図２のフローチャートにおけるエキスパンドを示す概略断面図である。
【図４】図２のフローチャートにおける凹凸化処理及び薄膜形成の電子顕微鏡写真（３１００倍）であり、（Ａ）は処理前の、（Ｂ）は処理後の切断表面を倍率３１００倍で撮影したもの、（Ｃ）は処理後の発光ダイオード表面の一部を示す倍率５００倍で撮影したものである。
【図５】発光ダイオードの指向特性図であり、（Ａ）は本発明による発光ダイオードの、（Ｂ）は従来の発光ダイオードの指向特性データである。
【図６】図６の発光特性を測定するための測定装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０発光ダイオード
１２ｐ型の半導体領域
１３ｎ型の半導体領域
１４，１５電極
１６傾斜面
１７凹凸面
１８薄膜
２０半導体チップ
２１粘着テープ
３０光測定部

Claims

発光ダイオードの製造方法であって、
半導体基板上にＧａＡｓ系半導体材料からなる複数の半導体層を積層させて、少なくともｎ型の第一の半導体領域とｐ型の第二の半導体領域とがｐｎ接合を形成するように配設された複数個の半導体チップを形成する第一の段階と、
上記半導体チップの上面及び裏面に電極を形成する第二の段階と、
上記半導体チップの電極以外の上面及び／又は側面を凹凸化すると共に、その凹凸化された表面に、光の出射効率を向上させるための水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる薄膜を付着させる第三の段階と、を含み、
上記第三の段階における凹凸化及び水酸化ヒ素を主成分とするヒ素化合物からなる薄膜形成が、半導体チップの上面及び／又は側面を、１５乃至８０重量％の硝酸水溶液を用い、温度１０℃〜５０℃で１秒乃至６００秒浸漬し、その後で水洗し、さらに塩酸と水とからなる水溶液で洗浄した後、再び水洗し乾燥することで行なわれることを特徴とする、発光ダイオードの製造方法。
前記凹凸化を、前記ｎ型の第１の半導体領域で行なうことを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
前記第三の段階の前に、前記半導体基板を切断して、各半導体チップ毎に分離する第四の段階を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
前記第四の段階にて、前記半導体基板の裏面に粘着テープが貼着された後前記半導体基板の切断が行なわれ、さらにその後、粘着テープが伸長されることにより、前記各半導体チップが互いに３０μｍ以上の間隔を備えることを特徴とする、請求項３に記載の発光ダイオードの製造方法。