JP4334321B2 - 窒化物半導体発光ダイオードチップの作製方法 - Google Patents

Description

本発明はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子に関し、特に透光性基板上に積層された複数の窒化物系半導体層を含む発光ダイオードチップにおける光取り出し効率の改善に関するものである。

一般に、窒化物半導体発光ダイオードチップの作製においては、基板上に発光層を含む複数の窒化物半導体層が堆積されたエピタキシャルウエハが形成され、そのウエハを分割することによって複数のチップが得られる。従来の窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体発光ダイオードチップでは、主にサファイア等の基板が使用されており、現在ではそのようなチップを含む発光ダイオード装置が商品化されている。

ところで、サファイア基板を用いた発光ダイオード装置では、その基板が絶縁性であるので、基板の上下両面側にｐ側電極とｎ側電極をそれぞれ設けた構造にすることが困難であり、透光性の電極を介して発光ダイオードチップから光を取り出す必要がある。さらに、サファイア基板の硬度が高いことから、基板を薄膜状に加工した後に、ウエハからチップに分割する必要がある。

従来の代表的な窒化物半導体発光素子として、サファイア基板上にＧａＮ系半導体積層構造を形成して、その基板を１００μｍ程度の厚みにした後にチップ化されたものが商用化されている。例えば特開２００２−２７０９６２号公報に開示されていように、サファイア基板上に作製したＧａＮ系半導体発光素子層を分割する際に、基板厚さを８０μｍの薄さに加工している。さらに、特開２０００−６８５５６号公報では、サファイア基板上に堆積した複数の窒化物半導体層を含むエピタキシャルウエハを歩留まりよくチップ化する方法が検討されており、その方法によって８０μｍの厚みを有するウエハをチップ分割している。
特開２００２−２７０９６２号公報 特開２０００−６８５５６号公報

上述のように、従来の窒化物半導体発光ダイオードチップにおいては、それに含まれる半導体積層構造の表面に、透光性の電極（通常はｐ側電極下）とｐ側およびｎ側の両電極とを形成する必要がある。そして、基板の裏面は支持台上に接合される。したがって、チップから外部への光の取出し効率に関して、ｐ側およびｎ側の両電極で光が遮られることによる損失が生じる。

また、サファイア基板を含むエピタキシャルウエハから複数の発光ダイオードチップを歩留まりよく分割する場合、サファイア基板の硬度が高くてダイシングやスクライブが困難である。したがって、エピタキシャルウエハの形成後に、基板を研削するなどして１００μｍ以下の薄さにする必要がある。しかし、基板を薄くすれば、基板の側面から外部への光の取り出し効率が低下する。これらの事情から、従来のサファイア基板を含む窒化物半導体発光ダイオードチップにおいて、チップから外部へ光の取り出しを行う際の光損失が大きい。

以上のような従来技術の状況に鑑み、本発明は、光取り出し効率の改善された窒化物半導体発光ダイオードチップを歩留まりよく提供することを主要な目的としている。

本発明による窒化物半導体発光ダイオードチップを作製するための方法として、基板の上面上において発光層を含む複数の窒化物半導体層を結晶成長させたエピタキシャルウエハを形成する工程と、そのウエハを冶具に固定する工程と、レーザ光を利用してウエハからチップを分割する工程とを含み、ウエハに対するレーザ光の入射角度を治具で制御することによってチップの分割面の少なくとも一つは基板の上面に直交する面に対して傾斜させられる。

なお、レーザ光の光源として、固体レーザ装置が好ましく利用され得る。ダイオードチップは、その基板の上面に比べて下面が小さな面積を有するようにウエハから分割されることが好ましい。基板としては絶縁性基板を用いることができ、より具体的にはサファイア基板または炭化珪素基板が好ましく用いられ得る。

本発明の窒化物半導体発光ダイオードチップの作製方法によれば、ウエハに対するレーザ光の入射角度を治具で制御することによってチップの分割面の少なくとも一つが基板の上面に直交する面に対して傾斜させられ、これによって光の取り出し効率が改善されたダイオードチップを簡便かつ歩留まりよく提供することができる。

（参考例１）
図１において、本発明に密接に関連する参考例１によるＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードに関するチップ分割法が模式的な断面図で図解されている。すなわち、図１（ａ）は複数の発光ダイオード構造を含むエピタキシャルウエハを表し、図１（ｂ）はそのウエハから分割された発光ダイオードチップを表している。なお、本願の図面において、種々の層の厚さや幅などの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。

図１（ａ）のウエハにおいて、厚さ４３０μｍで、Ｃ面（０００１）の面方位をもったサファイア基板１０１上に、ＧａＮバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ量子井戸層とＧａＮ障壁層の４ペアーからなるＭＱＷ（多重量子井戸）活性層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６が順次積層されている。そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６上にｐ側コンタクト電極として透光性Ｐd電極１０７が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３上にｎ側コンタクト電極としてＴｉとＡｌを用いたｎ側電極１０８が形成されている。

図１（ａ）のウエハの作製においては、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて、サファイア基板１０１上に複数のＧａＮ系半導体層がエピタキシャル成長させられた。まず、サファイア基板１０１を反応室内のサセプター上に装着後、ＮＨ₃とＮ₂とＨ₂を混合した雰囲気にて１２００℃でその基板のベーキングを行った。

その後、すみやかに基板温度を４５０℃に降温し、Ｈ₂のキャリアガスとともにトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ₃）を用いて、厚さ３０ｎｍのＧａＮバッファ層１０２を基板上に堆積した。続いて、すみやかに基板温度を１１００℃に昇温し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＮＨ₃およびドーパントのモノシラン（ＳｉＨ₄）を用いて、バッファ層１０２上に厚さ５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層１０３を成長させた。

次に、７５０℃の基板温度にて、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧ、およびＮＨ₃を利用して、ｎ型コンタクト層１０３上において、厚さ３ｎｍのＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ井戸層と厚さ９０ｎｍのＧａＮ障壁層の４ペアーからなるＭＱＷ活性層１０４を形成した。

さらに、基板温度１１００℃にて、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、ＮＨ₃、およびドーパントのシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いて、ＭＱＷ活性層１０４上に、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層１０５を厚さ３０ｎｍに成長させた。続いて、同じ基板温度にて、ＴＭＧ、ＮＨ₃、およびＣｐ₂Ｍｇを用いて、ｐ型クラッド層１０５上に厚さ１２０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１０６を堆積し、基板温度を常温まで冷却した後にエピタキシャルウエハを大気中に取り出した。

その後、エピタキシャルウエハ中のｐ型ドーパントを活性化するために、熱処理炉を用いてＮ₂雰囲気中で８００℃にて１５分間の熱処理を行った。次に、ウエハの上面にレジストを塗布してフォトリソグラフィを行った後、ｐ型ＧａＮ層１０６上にｐ側コンタクト電極として透光性Ｐｄ電極１０７を形成した。

次に、有機洗浄を行ってレジストを除去した後にウエハ上面に再度レジストを塗布してフォトリソグラフィを行ない、続いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を利用して、ウエハのｐ型ＧａＮ層１０６からｎ型ＧａＮ層１０３に達するまで選択的にエッチングを行った。さらに、有機洗浄を行ってレジストを除去した後にウエハ上面に再度レジストを塗布してフォトリソグラフィを行ない、ｎ型ＧａＮ層１０３上にｎ側コンタクト電極としてＴｉとＡｌからなるｎ側電極１０８を形成した。

続いて、有機洗浄を行ってレジストを除去した後にウエハ上面に再度レジストを塗布してフォトリソグラフィを行ない、電極部を除いてウエハ上面がＳｉＯ₂膜（図示せず）で覆われた。

その後、ウエハをシートに貼り付けて冶具に固定し、ウエハから複数の発光ダイオードチップの分割が固体レーザ装置を用いて行われた。より具体的には、固体レーザ装置としてＹＡＧレーザ装置が利用され、２６６ｎｍまたは３５５ｎｍの高調波レーザ光が用いられた。レーザ光のエネルギに関しては、１０μＪ／ｃｍ²〜１００ｍＪ／ｃｍ²程度の範囲内のパルス状または連続な状態のレーザ光を使用することができる。なお、レーザ装置としてはＹＡＧレーザ装置に限られず、２６６ｎｎから３５５ｎｍ程度の波長範囲内のレーザ光を放射し得るレーザ装置を用いて、サファイア基板の局所的な昇華または熱膨張を利用してスクライブできればよい。

具体的には、レーザ光がサファイア基板に進入する角度を冶具によって制御して、レーザスクライブラインＬ１−１とＬ１−２に沿って、ウエハから複数の発光ダイオードチップが分割された。本参考例１においては、図１（ａ）に示されているように、スクライブラインＬ１−１とＬ１−２は、基板面に直交する破線に対して時計回りを正にしてθＡ＝０°およびθＢ＝０°の角度をなすように設定され、その状態でスクライブを行った。その結果、図１（ｂ）に示されているように、一辺が３５０μｍの正方形状平面を有するＧａＮ系発光ダイオードチップが得られた。そのような発光ダイオードチップはその基板底面が支持台上に接合され、電気的配線と樹脂モールドを介して発光ダイオード装置として完成させられる。

従来法によれば、ダイオードチップ作製において、サファイア基板を研削研磨し、裏面よりダイアモンド製のカッターによって分割した。しかし、この方法では、サファイア面に対して、分割する角度を制御して歩留まりよくチップ分割をすることは難しかったが、本参考例の方法によれば、歩留まりよく、なおかつ分割角度の制御がよくダイオードチップの作製が可能になった。

図１（ｂ）に示された本参考例１のＧａＮ系発光ダイオードチップの出力特性は、従来のＧａＮ系発光ダイオードチップの出力特性と比較された。その従来の発光ダイオードチップの作製においては、図１（ａ）と同様のエピタキシャルウエハが作製された。しかし、そのウエハから複数の発光ダイオードチップを分割する際に、従来方法に従ってウエハの厚さを１００μｍ程度まで基板裏面を研削して研磨し、その後に機械的スクライブとブレーキングによってチップ分割された。こうして得られた従来の発光ダイオードチップにおいて、順方向注入電流（Ｉｆ）＝２０ｍＡのときに、光出力（Ｐｏ）＝３．０ｍＷであった。他方、本参考例１によって作製された図１（ｂ）の発光ダイオードチップにおいては、Ｉｆ＝２０ｍＡのときにＰｏ＝５．０ｍＷであった。

すなわち、本参考例１におけるチップ分割による発光ダイオードチップは、従来に比べて光出力が顕著に改善されていることがわかる。この理由としては、従来の機械的スクライブ法では研削と研磨によってサファイア基板１０１を１００μｍ程度に薄くしなければチップ化することが困難であったが、本参考例１のようにレーザスクライブを利用する方法では基板が４３０μｍのように厚くてもチップ分割が可能であることから、発光層から放射されて基板裏面で反射された光が、基板側面から外部へ取り出されやすくなったために、光取り出し効率が向上したと考えられる。

さらなる検討の結果では、本参考例においてサファイア基板１０１の厚さが２５０μｍである場合には、Ｉｆ＝２０ｍＡのときにＰｏ＝３．８ｍＷであることがわかった。また、サファイア基板１０１の厚さが１２０μｍ以上の場合に、従来に比べて発光ダイオードチップの光出力が向上することがわかった。

（実施例１）
図２において、本発明の実施例１によるＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードに関するチップ分割法が模式的な断面図で図解されている。この図２における複数層２０１〜２０８の作製法は参考例１における複数層１０１〜１０８の作製法と同様であるので、その説明は繰り返されない。なお、本実施例１においても、サファイア基板２０１として、参考例１と同様に４３０μｍの厚さのものが使用された。また、本実施例１においても、参考例１と同様にレーザスクライブを利用して、エピタキシャルウエハから発光ダイオードチップが分割された。

本実施例１においては、レーザ光が基板へ入射する角度を冶具で制御することによって、図２の基板面に垂直な破線方向に対するレーザスクライブラインＬ２−１およびＬ２−２の傾斜角θＣおよびθＤが制御された。このとき、図２において、光を放射する半導体層の上面領域で一辺の長さｄを３５０μｍに設定し、θＣとθＤを調整することによって基板裏面側の一辺の長さｅが２００μｍになるように設定した。ただし、図２に示されているように、スクライブラインＬ２−１とＬ２−２は、それぞれ基板面に直交する破線に対して時計回りを正にしてθＣ＜０°およびθＤ＞０°の角度をなすように設定された。

こうして得られた本実施例１の発光ダイオードチップにおいて、Ｉｆ＝２０ｍＡの入力電流のもとで、光出力はＰｏ＝５．２ｍＷであった。すなわち、本実施例１の発光ダイオードチップにおける外部への光取り出し効率は、参考例１と比較しても向上したことがわかる。この理由としては、基板面に垂直な面に対して発光ダイオードチップの側面を傾斜させることによって、その傾斜側面による反射や屈折の影響によって、発光層からの光が基板側面から放射されやすくなったものと考えられる。

さらなる検討の結果、ｄ＝３５０μｍに固定してｅ＝１００μｍになるように発光ダイオードチップを作製したところ、Ｉｆ＝２０ｍＡの入力電流のもとでＰo＝５．４ｍＷの光出力が得られた。しかしながら、さらなる検討の結果では、基板底面の長さｅが１００μｍより小さな発光ダイオードチップを作製したところ、Ｉｆ＝２０ｍＡの入力電流のもとで光出力がＰo＝４．０ｍＷになった。これは、発光層から放射されて基板裏面で反射された光が、基板側面から外部へ取り出されにくくなり、光取り出し効率が悪化したためと考えられる。

（実施例２）
図３と図４において、本発明の実施例２によるＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードに関するチップ分割法が模式的な断面図で図解されている。この図３と図４における複数層３０１〜３０８の作製法も参考例１における複数層１０１〜１０８の作製法と同様であるので、その説明は繰り返されない。なお、本実施例２においても、サファイア基板３０１として、参考例１と同様に４３０μｍの厚さのものが使用された。また、本実施例２においても、参考例１と同様にレーザスクライブを利用して、エピタキシャルウエハから発光ダイオードチップが分割された。

本実施例２に係る図３と図４においても、実施例１の場合と同様に、レーザ光が基板へ入射する角度を冶具で制御することによって、基板面に垂直な破線方向に対するレーザスクライブラインＬ３−１およびＬ３−２の傾斜角θＥおよびθＦが制御された。そして、光を放射する半導体層の上面領域で一辺の長さｆを３５０μｍに設定し、θＥとθＦを調整することによって基板裏面側の一辺の長さｅが２００μｍになるように設定した。ただし、スクライブラインＬ３−１とＬ３−２は、基板面に直交する破線に対して時計回りを正にして、図３においてはθＥ＜０°およびθＦ＝０°の角度をなすようにそれぞれ設定され、図４においてはθＥ＜０°およびθＦ＜０°の角度をなすようにそれぞれ設定された。

こうして得られた図３と図４のいずれの発光ダイオードチップにおいても、Ｉｆ＝２０ｍＡの入力電流のもとで、光出力はＰo＝５．２ｍＷであった。すなわち、本実施例２の発光ダイオードチップにおける外部への光取り出し効率も、実施例１の場合と同様に参考例１と比較しても向上したことがわかる。この理由は、実施例１の場合と同様と考えられる。

なお、上述のいずれの実施例においても基板としてＣ面（０００１）の面方位を持ったサファイア基板を用いたが、この面方位によらずにＡ（１１−２０）面、Ｍ（１１００）面、またはＲ面（１１０２）の面方位を持ったサファイア基板を用いても、それらの面方位から変位させられたオフ面方位のサファイア基板であっても、同様の効果が得られる。また、基板として、ＧａＮ基板、スピネル基板、またはＳｉＣ基板を用いることもできる。さらに、上述の実施例において、サファイア基板に対するレーザ光の入射角度が基板を固定する冶具によって制御されたが、レーザ光をミラ−等で制御してサファイア基板に対する入射角度を制御してもよい。

以上のように、本発明によれば、光取り出し効率の改善された窒化物半導体発光ダイオードチップを歩留まりよく提供することができる。

本発明に密接に関連する参考例１によるエピタキシャルウエハから複数のＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードチップを分割する方法を図解する模式的断面図である。 本発明の実施例１によるエピタキシャルウエハから複数のＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードチップを分割する方法を図解する模式的断面図である。 本発明の実施例２によるエピタキシャルウエハから複数のＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードチップを分割する一態様を図解する模式的断面図である。 本発明の実施例２によるエピタキシャルウエハから複数のＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードチップを分割する他の態様を図解する模式的断面図である。

１０１，２０１，３０１ サファイア基板、１０２，２０２，３０２ ＧａＮバッファ層、１０３，２０３，３０３ ｎ型ＧａＮコンタクト層、１０４，２０４，３０４ ＭＱＷ活性層、１０５，２０５，３０５ ｐ型ＡｌＧａＮ層、１０６，２０６，３０６ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０７，２０７，３０７ 透光性Ｐｄ電極、１０８，２０８，３０８ ｎ側電極、Ｌ１−１，Ｌ１−２，Ｌ２−１，Ｌ２−２，Ｌ３−１，Ｌ３−２ レーザスクライブライン、θＡ，θＢ，θＣ，θＤ，θＥ，θＦ 基板面に垂直な方向に対するレーザ光の進入角度、ｄ，ｆ 半導体積層構造の光放射面側で一辺の長さ、ｅ，ｇ 基板裏面側の一辺の長さ。

Claims (5)

1. 窒化物半導体発光ダイオードチップを作製方法するための方法であって、
   基板の上面上において発光層を含む複数の窒化物半導体層を結晶成長させたエピタキシャルウエハを形成する工程と、
   前記ウエハを冶具に固定する工程と、
   レーザ光を利用して前記ウエハから前記チップを分割する工程とを含み、
   前記ウエハに対する前記レーザ光の入射角度を前記治具で制御することによって、前記チップの分割面の少なくとも一つは前記基板の上面に直交する面に対して傾斜させられていることを特徴とする作製方法。
2. 前記チップはその基板の上面に比べて下面が小さな面積を有するように前記ウエハから分割されることを特徴とする請求項１に記載の作製方法。
3. 前記レーザ光の光源として固体レーザ装置が利用されることを特徴とする請求項１または２に記載の作製方法。
4. 前記基板として絶縁性基板が用いられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の作製方法。
5. 前記基板としてサファイア基板または炭化珪素基板が用いられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の作製方法。

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