JP4505794B2

JP4505794B2 - 発光素子の製造方法

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Publication number: JP4505794B2
Application number: JP2004068040A
Authority: JP
Inventors: 和徳萩本; 淳池田; 雅人山田
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: TW200531317A; CN100421270C; TWI367570B; JP2005259910A; CN1667849A

Description

この発明は発光素子の製造方法に関する。

日経エレクトロニクス２００２年１０月２１日号１２４頁〜１３２頁

発光ダイオードや半導体レーザー等の発光素子において高輝度化を図ろうとした場合、素子からの光取出し効率が極めて重要となる。そこで、非特許文献１には、発光層部から成長用のＧａＡｓ基板を除去する一方、補強用の導電性基板を反射用の金属層を介して除去面に貼り合わせる技術が開示されている。

上記の方法では、発光層部側と導電性基板との双方にＡｕ層を形成し、これらＡｕ層同士を貼り合わせる方式を採用しているが、これには以下のような欠点がある。
（１）２つのＡｕ層を形成しなければならないので工数がかかる。
（２）形成するＡｕ層の膜厚ムラや発光層部の厚さムラ、あるいは基板の反りなどがあると均一な貼り合わせ状態が得られず、貼り合わせウェーハのダイシングにより得られる素子チップの歩留まりが低下する。
（３）Ａｕ層同士を強固に貼り合せるためには、Ａｕ層同士を密着させて貼り合わせ熱処理する必要がある。この熱処理時に、発光層部と反射層（非特許文献１ではＡｌ層）の間に形成したコンタクト層（接合合金化層）の成分が反射層面内に拡散し、反射率を落としやすくなる。

本発明の課題は、発光層部に反射用の金属層を介して補強用の導電性基板を貼り合わせた構造を有するとともに、製造が容易であり、かつ金属層が形成する反射面の反射率も良好に維持することができる発光素子の製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明に関連する発光素子は、
発光層部を有した化合物半導体層の第一主表面を光取出面とし、該化合物半導体層の第二主表面側に反射金属層を介して導電性の素子基板が結合されるとともに、反射金属層と素子基板とが、導電性粒子を高分子結合材にて結合した導電性接着材層を介して貼り合わされてなることが考えられる。

また、本発明の発光素子の製造方法は、第一主表面が光取出面とされる、発光層部を有した化合物半導体層の第二主表面側に反射金属層を形成し、導電性の素子基板の第一主表面と反射金属層の第二主表面とを、導電性粒子を高分子結合材にて結合した導電性接着材層を介して貼り合わせることにより貼り合わせ基板を作製し、該貼り合わせ基板を素子チップにダイシングする発光素子の製造方法であって、導電性接着材層の高分子結合材を加熱硬化型高分子材料にて形成し、未硬化の導電性接着材層を素子基板の第一主表面と反射金属層の第二主表面との間に配置して重ね合わせ、その状態で導電性接着材層を加熱硬化処理することにより貼り合わせ、化合物半導体層の第二主表面に接触抵抗低減用の金属層を分散形成し、その後合金化熱処理を行うことにより金属層を接合合金化層とするとともに、導電性接着材層の加熱硬化処理を、合金化熱処理よりも後において該合金化熱処理よりも低温で行なうことを特徴とする。

上記本発明に関連する発光素子及び上記本発明の発光素子の製造方法によると、発光層部を含む化合物半導体層側に反射金属層が形成され、これを導電性の素子基板に導電性接着材層を介して貼り合わせるので、非特許文献１のごとく、素子基板側に貼り合わせを目的とした余分な金属層を形成する必要がなくなり、金属層形成の工数が減るので製造が容易である。

また、導電性接着材層は可撓性が良好なため、導電性接着材層側あるいは素子基板側に多少の凹凸や反り等が発生していても、両者を均一かつ高強度に貼り合わせることができ、ひいては貼り合わせウェーハのダイシングにより得られる素子チップの歩留まりも向上する。特に、導電性接着材層の高分子結合材を加熱硬化型高分子材料にて形成すれば、未硬化の導電性接着材層の可撓性は特に良好であり、上記凹凸や反り等を容易に吸収できるので効果的である。この場合、素子基板の第一主表面と反射金属層の第二主表面との間に未硬化の導電性接着材層を配置して重ね合わせ、その状態で導電性接着材層を加熱硬化処理することにより貼り合わせを行なうことができる。

より具体的には、未硬化の導電性接着材からなるペーストを反射金属層又は素子基板のいずれかに塗布することにより導電性接着材層を形成することができる。導電性接着材のペーストは凹凸や反りを充填する効果が高い利点ある。他方、未硬化の導電性接着材からなる可撓性シートを反射金属層又は素子基板のいずれかに貼り付けることにより導電性接着材層を形成することもできる。予めシート状に形成した未硬化の導電性接着材は厚さが極めて均一であり、ペーストのような塗布ムラも生じないので、均一な貼り合わせ状態をより容易に得ることができる。

本発明の発光素子においては、反射金属層と化合物半導体層との間に接触抵抗低減用の接合合金化層を分散形成することができる。これにより、金属反射層は素子基板とともに発光層部への電圧印加用の電極に兼用できる。また、化合物半導体層の第二主表面に接触抵抗低減用の金属層を分散形成し、その後合金化熱処理を行なうことにより金属層を接合合金化層とするとともに、導電性接着材層を加熱硬化処理を、合金化熱処理よりも後において該合金化熱処理よりも低温で行なうことができる（つまり、高分子結合材は、接合合金化層の合金化熱処理温度よりも低温にて加熱硬化処理されたものとなる）。

導電性接着材層の高分子結合材は、１液型のものと２液型のものとのいずれを用いてもよい。１液型は溶媒の蒸発により高分子の硬化を行なうものであり、例えばアクリル系高分子材料を用いたものを使用できる。１液型の場合、塗付により層形成するには、導電性接着材を、相当量の溶媒添加により塗料状に構成する必要があり、溶媒蒸発時の気泡発生により化合物半導体層の剥離やクラック発生などを引き起こす懸念もありうる。他方、２液型は主剤と硬化剤との混合により硬化開始するもので、硬化（キュアリング）温度を室温から高くとも１８０℃程度までの範囲で任意に設定でき、溶媒量も少なくて済む。また、シート状形態への加工も容易である。２液型の代表的なものにエポキシ系高分子材料やウレタン系高分子材料がある。特にエポキシ系高分子材料を採用すると、接着性が良好であり、また、１６０℃程度までの低温でも迅速かつ十分に硬化処理が可能であり、さらに硬化温度調整も容易であるため本発明に好適である。また、エポキシ系高分子材料は未硬化シートなどへの加工も容易である利点がある。

１液型及び２液型のいずれを用いる場合でも、導電性接着材層の加熱硬化処理温度は、一般に３００℃を超える合金化熱処理の温度よりもはるかに低く留めることができる。その結果、導電性接着材層の加熱硬化処理時に、化合物半導体層と反射金属層との間に形成した接合合金化層の成分が反射面内に拡散して反射率を落とす不具合を極めて効果的に抑制することができる。この場合、合金化熱処理の後、接合合金化層が分散形成された化合物半導体層の第二主表面を覆うように反射金属層を形成し、さらにその後、導電性接着材層の加熱硬化処理を行なうようにすれば、合金化熱処理のときに接合合金化層の成分が反射面内に拡散することも防止でき、より効果的である。

導電性粒子としては、Ａｇ系金属粒子、Ａｌ系金属粒子、Ｃｕ系金属粒子あるいはＮｉ系金属粒子などの採用が可能であり、導電性や耐酸化性の性能と価格とのバランスを考慮すればＡｇ系金属粒子が最も好ましい。また、カーボンブラックなど、非金属の導電性粒子を採用することも可能である。

素子基板としては、従来の発光素子と同様のＳｉ基板を採用することも可能であるが、これが金属基板にて構成されていれば、該素子基板がヒートシンクとして機能し、発光素子駆動時において素子の放熱を促進することができるので、素子の長寿命化を図ることができる。金属基板の主表面はＳｉ基板に比べると平坦化が容易ではないが、本発明の採用により、導電性接着材層が金属基板側の凹凸や反りを吸収できるので、これらの不具合に悩まされることなく、発光素子にヒートシンク機能を有効に付与することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の発光素子の一実施形態を示すものである。該発光素子１００は、発光層部２４と、該発光層部２４の第一主表面上に形成された電流拡散層２０とを有する化合物半導体層５０を備える。該化合物半導体層５０の第二主表面が、導電性素子基板をなすＳｉ基板７の第一主表面上に、反射金属層１０を介して結合されている。反射金属層１０は、Ａｕ、ＡｇあるいはＡｌのいずれかを主成分（特に、これら主成分元素の含有率が９５質量％以上であるのがよい）とする金属からなる。

反射金属層１０とＳｉ基板７とは、Ａｇ、Ａｌ、ＣｕあるいはＮｉを主成分とする金属粒子、あるいはカーボンブラックなどからなる導電性粒子を、エポキシ系高分子材料、ウレタン系高分子材料あるいはアクリル系高分子材料などからなる高分子結合材にて結合した導電性接着材層１１を介して貼り合わされている。導電性粒子と高分子結合材との配合比は、両者の合計に対する導電性粒子の体積比にて例えば２０％以上８０％以下に調整され、導電性粒子の平均粒径は１μｍ以上５０μｍ以下に調整される。

発光層部２４は、ノンドープ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｐ型（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６と、ｎ型（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有し、活性層５の組成に応じて、発光波長を、黄緑色から赤色領域（発光波長（ピーク発光波長）が５５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下）にて調整できる。本実施形態においては、光取出側電極９側にｐ型クラッド層６が配置されており、結合金属層１０側にｎ型クラッド層４が配置されている。また、電流拡散層２０はｐ型ＧａＰからなり、その第一主表面の略中央に、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための光取出側電極（例えばＡｕ電極）９が、該主表面の一部を覆うように形成されている。電流拡散層２０の主表面における、光取出側電極９の周囲の領域は、発光層部２４からの光取出領域ＰＦをなす。また、電流拡散層２０と光取出側電極９との間にはＡｕＢｅ合金等からなる光取出側接合合金化層９ａが配置されている。

Ｓｉ基板７はＳｉ単結晶インゴットをスライス・研磨して製造されたものであり、その厚みは例えば１００μｍ以上５００μｍ以下である。該Ｓｉ基板７の第二主表面は裏面電極（例えばＡｕ電極である）１５で覆われている。裏面電極１５とＳｉ基板７との間には、ＡｕＳｂなどからなる基板側接合合金化層１６が介挿される。また、化合物半導体層５０と反射金属層１０との間には、ＡｕＧｅＮｉなどからなる発光層部側接合合金化層３１が形成されている。いずれも接触抵抗低減に貢献している。また、Ｓｉ基板７と導電性接着材層１１との間には、ＡｕＳｂなどからなる基板側接合合金化層３２が介挿されている。

発光素子１００は、光取出側電極９と裏面電極１５との間に通電することにより、発光層部２４が発光駆動される。該発光層部２４からの光は、光取出面側にへの直接光束に、反射金属層１０での反射光束が重畳される形で取り出される。

以下、上記発光素子１００の製造方法の具体例について説明する。
まず、図２の工程１に示すように、成長用基板をなすＧａＡｓ単結晶基板１の主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２を例えば０．５μｍ、ＡｌＡｓからなる剥離層３を例えば０．５μｍ、この順序にてエピタキシャル成長させる。その後、発光層部２４として、ｎ型クラッド層４（厚さ：例えば１μｍ）、ＡｌＧａＩｎＰ活性層（ノンドープ）５（厚さ：例えば０．６μｍ）、及びｐ型クラッド層６（厚さ：例えば１μｍ）を、この順序にエピタキシャル成長させる。発光層部２４の全厚は２．６μｍである。また、さらにｐ型ＡｌＧａＡｓよりなる電流拡散層２０を例えば５μｍエピタキシャル成長させる。これら各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行なうことができる。

これによって、ＧａＡｓ単結晶基板１上に発光層部２４及び電流拡散層２０からなる化合物半導体層５０が形成される。該化合物半導体層５０の厚さは７．６μｍであり、ＧａＡｓ単結晶基板１を除去した場合、これを単独で無傷にハンドリングすることは事実上不可能である。なお、化合物半導体層５０の第一主表面には、この段階でＡｕＢｅ合金等からなる金属層９ａ’とこれを覆う光取出面側電極９をパターニング形成する。このあと引き続き光取出側合金化熱処理を行って金属層９ａ’を光取出側接合合金化層９ａとしてもよいが、本実施形態では該光取出側合金化熱処理を、発光層部側接合合金化層３１を形成する際の合金化熱処理に兼用させている。

次に、工程２に示すように、化合物半導体層５０の第一主表面に高分子材料結合層１１１を、光取出面側電極９を覆う形態で塗付形成し、工程３に示すように、高分子材料結合層１１１を加熱軟化させた状態で、別途用意した仮支持基板１１０を重ね合わせて密着させ、その後冷却して該高分子材料結合層１１１を硬化させることにより、化合物半導体層５０と仮支持基板１１０とを高分子材料結合層１１１を介して貼り合わせた仮支持貼り合わせ体１２０を作成する（工程３）。この時点では、化合物半導体層５０の第二主表面側には、成長用基板であるＧａＡｓ単結晶基板１が付随した状態となっている。

仮支持基板１１０の材質は、後述の合金化熱処理時においても剛性を保ち、かつ、ガス発生等が少ない材料で構成する。具体的には、シリコン基板やセラミック板（例えばアルミナ板）、あるいは金属板等で構成することができる。他方、高分子材料結合層１１１としては、ホットメルト型接着剤やワックス類を用いることができる。

次に、図３の工程４に示すように、仮支持貼り合わせ体１２０に付随している成長用基板としてのＧａＡｓ単結晶基板１を除去する。該除去は、例えば仮支持貼り合わせ体１２０（工程３参照）をＧａＡｓ単結晶基板１とともにエッチング液（例えば１０％フッ酸水溶液）に浸漬し、バッファ層２と発光層部２４との間に形成したＡｌＡｓ剥離層３を選択エッチングすることにより、該ＧａＡｓ単結晶基板１を仮支持貼り合わせ体１２０から剥離する形で実施することができる。なお、ＡｌＡｓ剥離層３に代えてＡｌＩｎＰよりなるエッチストップ層を形成しておき、ＧａＡｓに対して選択エッチング性を有する第一エッチング液（例えばアンモニア／過酸化水素混合液）を用いてＧａＡｓ単結晶基板１をＧａＡｓバッファ層２とともにエッチング除去し、次いでＡｌＩｎＰに対して選択エッチング性を有する第二エッチング液（例えば塩酸：Ａｌ酸化層除去用にフッ酸を添加してもよい）を用いてエッチストップ層をエッチング除去する工程を採用することもできる。

このようにして、ＧａＡｓ単結晶基板１が除去された化合物半導体層５０は、高分子材料結合層１１１を介して仮支持基板１１０と貼り合わされ、仮支持貼り合わせ体１２０を形成している。従って、化合物半導体層５０がごく薄いにもかかわらず、ＧａＡｓ単結晶基板１のエッチング除去時に泡等の衝撃で破壊される不具合を生じにくく、かつ、ＧａＡｓ単結晶基板１の除去後も仮支持貼り合わせ体１２０の形で補強されているために、以降の工程に供する際のハンドリングを容易に行なうことが可能となる。

次に、工程５に示すように、上記仮支持貼り合わせ体１２０の状態で、ＧａＡｓ単結晶基板１の除去により露出した化合物半導体層５０の第二主表面にＡｕＧｅＮｉ合金等からなる金属層を分散形成し、さらに該金属層を発光層部側接合合金化層３１とするための合金化熱処理を行なう。このとき、光取出面側電極９に対する金属層９ａ’の合金化も同時に行なうことができる。合金化熱処理は、３００℃以上４５０℃以下の温度の不活性ガス雰囲気下で実施される。その後、発光層部側接合合金化層３１の形成された化合物半導体層５０の第二主表面に反射金属層１０を蒸着等により形成する。

また、シリコン基板７を別途用意し、その両主表面にＡｕＳｂ合金等からなる金属層を形成して、さらに２５０℃以上３６０℃以下の温度域で合金化熱処理を行なうことにより、それぞれ基板側接合合金化層３２，１６とする。また、基板側接合合金化層１６上には裏面電極１５を形成する。

次に、素子基板貼り合わせ工程を行なう。具体的には、図３の工程６に示すように、Ｓｉ基板７の第一主表面（化合物半導体層５０の第二主表面でもよい）に、未硬化の導電性接着材層１１’を形成する。図５に示すように、導電性接着材層１１’は、ペースト（あるいは塗料）状の導電性接着材１１’を塗布することにより形成することができる。また、図６に示すように、未硬化の導電性接着材からなる可撓性シート２１１を貼り付けることにより導電性接着材層を形成することもできる。例えば、エポキシ系高分子材料などの２液型の高分子結合材を含有した導電性接着材を用いる場合は、最高到達硬さの９０％に１時間で到達する温度を硬化温度として定義した場合、該硬化温度が３０℃以上１８０℃以下（望ましくは５０℃以上１６０℃以下）の範囲に設定されたものを用いることができる。

次に、図４の工程７に示すように、シリコン基板７と反射金属層１０とを、未硬化の導電性接着材層１１’を介して重ね合わせて圧迫し、上記の硬化温度（例えば３０℃以上１
８０℃以下）にて加熱硬化処理する。これにより、シリコン基板７と反射金属層１０とが硬化済みの導電性接着材層１１を介して十分な強度にて貼り合わされ、貼り合わせ結合体１３０が得られる。この段階で既に光取出側及び貼り合わせ側の各合金化熱処理が既に終わっており、加熱硬化処理がそれよりも低温で実施されることにより、接合合金化層からの合金成分が反射金属層１０からなる反射面内に拡散することが効果的に抑制され、ひいてはより反射率の高い反射面を得ることができる。

加熱硬化処理が完了したら仮支持基板分離工程を行なう。仮支持基板分離工程は、図４の工程８に示すように、高分子材料結合層１１１を加熱・軟化させ、仮支持基板１１０を分離・除去する。なお、この分離は、工程７の貼り合わせ熱処理の際に同時に行なうことも可能である。その後、工程９に示すように、化合物半導体層５０の第一主表面上に残存している高分子材料結合層１１１を有機溶剤を用いて溶解・除去する。なお、有機溶剤としては高分子材料結合層１１１を溶解し、導電性接着材層１１を溶解しないもの（例えば、トルエン等）を用いる必要がある。

以上においては、理解を容易にする便宜上、貼り合わせ結合体１３０を作る工程を素子単体の積層形態にて図示しつつ説明していたが、実際は、複数の素子チップがマトリックス状に配列した形で一括形成された貼り合わせウェーハが作成される。導電性接着材層１１は可撓性が良好なため、導電性接着材層１１側あるいはＳｉ基板７側に多少の凹凸や反り等が発生していても、両者を均一かつ高強度に貼り合わせることができ、ひいては貼り合わせウェーハのダイシングにより得られる素子チップの歩留まりが向上する。また、発光層部２４を含む化合物半導体層５０側に反射金属層５０が形成され、これをＳｉ基板７に導電性接着材層１１を介して貼り合わせるので、Ｓｉ基板７側に貼り合わせを目的とした余分な金属層を形成する必要がなくなり、金属層形成の工数を減らすことができる。そして、この貼り合わせウェーハを通常の方法によりダイシングして素子チップとし、これを支持体に固着してリード線のワイヤボンディング等を行った後、樹脂封止をすることにより最終的な発光素子が得られる。

なお、素子基板としてＳｉ基板７に代え、図７に示す発光素子２００のように、金属基板１０７を用いることもできる。これにより、素子の放熱特性を改善することができる。金属基板１０７は、Ｃｕ、Ａｌもしくはそれらのいずれかを主成分とする合金（例えばＣｕ−Ｗ合金）にて構成できる。

本発明の発光素子の第一例を示す断面模式図。図１の発光素子の製造工程説明図。図２に続く説明図。図３に続く説明図。導電性接着材層を形成する第一の方法を示す模式図。導電性接着材層を形成する第二の方法を示す模式図。本発明の発光素子の第二例を示す断面模式図。

符号の説明

１００，２００発光素子
７Ｓｉ基板（素子基板）
１０金属反射層
１１導電性接着材層
３１接合合金化層（裏面電極部）
１０７金属基板（素子基板）

Claims

第一主表面が光取出面とされる、発光層部を有した化合物半導体層の第二主表面側に反射金属層を形成し、導電性の素子基板の第一主表面と前記反射金属層の第二主表面とを、導電性粒子を高分子結合材にて結合した導電性接着材層を介して貼り合わせることにより貼り合わせ基板を作製し、該貼り合わせ基板を素子チップにダイシングする発光素子の製造方法であって、
前記導電性接着材層の前記高分子結合材を加熱硬化型高分子材料にて形成し、未硬化の導電性接着材層を前記素子基板の第一主表面と前記反射金属層の第二主表面との間に配置して重ね合わせ、その状態で前記導電性接着材層を加熱硬化処理することにより貼り合わせ、
前記化合物半導体層の第二主表面に接触抵抗低減用の金属層を分散形成し、その後合金化熱処理を行うことにより前記金属層を接合合金化層とするとともに、
前記導電性接着材層の加熱硬化処理を、前記合金化熱処理よりも後において該合金化熱処理よりも低温で行なうことを特徴とする発光素子の製造方法。
未硬化の導電性接着材からなるペーストを前記反射金属層又は前記素子基板のいずれかに塗布することにより前記導電性接着材層を形成することを特徴とする請求項１に記載の発光素子の製造方法。
未硬化の導電性接着材からなる可撓性シートを前記反射金属層又は前記素子基板のいずれかに貼り付けることにより前記導電性接着材層を形成することを特徴とする請求項１に記載の発光素子の製造方法。
前記合金化熱処理の後、前記接合合金化層が分散形成された前記化合物半導体層の第二主表面を覆うように前記反射金属層を形成し、さらにその後、前記導電性接着材層の前記加熱硬化処理を行なうことを特徴とする請求項１に記載の発光素子の製造方法。