JP4584785B2 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

半導体発光素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、例えば照明、情報表示装置および情報伝送装置等の光源に用いられる半導体発光素子の製造方法に関する。
従来より、発光ダイオード(以下、LED:Light Emitting Diodeという)において内部で発生した光を外部に取り出す効率、すなわち外部出射効率を向上させることは、非常に重要である。
LEDの外部出射効率を向上させるためには、LEDの基板として発光波長に対して透明なものを用いることが一般的である。
発光波長に対して不透明な基板をLEDに用いた場合には、その基板により発光光が吸収されるため、発光層に関して基板と反対側の面(以下、この面を上面という)にしか実質的に光を出射できない。
これに対して、発光波長に対して透明な基板をLEDに用いた場合には、上面だけでなく他の面からも光を出射させることが可能となる。また、LEDの基板側の面(以下、この面を下面という)をボンディングした場合であっても、発光層から基板側に向かう光を上記下面で反射させて、上面および側面等から出射させることが可能となる。
このような透明な基板を有するLEDは、従来よりInGaAsP系の半導体材料を用いた赤外LEDや、AlGaAs系の半導体材料を用いた赤外・赤色LEDや、GaAsP系の半導体材料を用いた黄色LEDや、GaP系の半導体材料を用いた緑色LED等に適用されている。
また、近年では、AlGaInP系の半導体材料を用いた赤・黄・緑色LED等の開発において、複数の基板を互いに直接接合するウェハボンディング技術が急速に実用化され始めている。このウェハボンディング技術により、発光波長に対して透明な基板をLED基板に接合することによって、LEDの外部出射効率の向上が図られている。
この種の第1の従来技術としては特許第3230638号公報(特許文献1)に記載されている。上記第1の従来技術では、GaAs(ガリウム砒素)基板上に形成したAlGaInP(アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン)系の半導体層の表面に、GaP(ガリウム・リン)透明基板を、加圧と高温処理によって直接接合している。
また、第2の従来技術としては特許第3532953号公報(特許文献2)に記載されている。上記第2の従来技術では、In(インジウム)を含むボンディング層を介して、LED発光層と透明層とをウェハボンディングしている。
また、第3の従来技術としては特開2001−53056号公報(特許文献3)に記載されている。上記第3の従来技術では、まず、第1の基板上に成長した第1のエピタキシャル層上に、マスクを介して第2のエピタキシャル層を成長し、この第2のエピタキシャル層に、上記マスクに達するトレンチを形成する。次に、上記第2のエピタキシャル層上に第2の基板をウェハボンディングした後、エッチング液をトレンチ内に流し、上記マスクをエッチング除去する。これにより、上記第2のエピタキシャル層および第2の基板を、上記第1の基板および第1のエピタキシャル層から分離している。
また、第4の従来技術としては特開2001−57441号公報(特許文献4)に記載されたものがある。上記第4の従来技術では、第1の半導体基板と第2の半導体基板との少なくとも一方の接合すべき表面に溝を形成した後、第1の半導体基板と第2の半導体基板とを接合している。
しかしながら、上記各従来技術には、以下のような問題点が有る。
すなわち、上記第1の従来技術では、LEDの製造に一般的に用いられる直径2インチや3インチのウェハに透明基板の全面を歩留まり良く均一に接着することが困難であるという問題がある。
本出願人が行った試験では、図11Aの概略正面図および図11Bの概略平面図に示すような治具50を用いて、GaAs基板とこのGaAs基板上に形成されたAlGaInP系の半導体層とから成る第1のウェハ122の表面に、GaP透明基板である第2のウェハ123を密着させて加圧し、加熱炉で高温処理を行った。ここで、上記第1,第2のウェハ122,123は共に直径2インチのウェハである。
上記高温処理の後に加熱炉から第1,第2のウェハ122,123を取り出したところ、第1,第2のウェハ122,123に割れが生じて次の工程に移ることができなかった。
図12Aに、接合前の第1のウェハ122の概略平面図を示し、また、図12Bに、図12AのXIIB−XIIB線から見た概略断面図を示す。
図13Aに、接合を行った後の第1,第2のウェハ122,123の概略平面図を示し、また、図13Bに、図13AのXIIIB−XIIIB線から見た概略断面図を示す。なお、図13Aでは接合されていない部分をハッチングで示している。
図13A,図13Bに示すように、第1,第2のウェハ122,123に割れ112が生じ、また、接合部分110がウェハの中央および径方向外側に島状に生じて、これ以外の部分が接合されなくて接合不良が生じている。
以上のように、上記第1の従来技術は、LEDの量産には適用し難いという問題がある。
また、上記第2の従来技術では、成長基板上にLED層を形成した後、透明基板をウェハボンディングする前に、上記成長基板を除去する。この成長基板が除去された状態のLED層は、薄くて破損し易いので、歩留まりの低下を招くという問題がある。
さらに、上記第2の従来技術では、ウェハボンディングを行うとき、ウェハの破損や亀裂を抑制するため、ウェハが柔軟となる温度に達したときに、空気圧ピストンで上記ウェハを加圧する装置が必要である。したがって、製造装置の複雑化や、その製造装置の制御の複雑化を招くという問題がある。
また、上記第3の従来技術には、ウェハボンディング工程の具体的な内容が記載されていない。
また、上記第4の従来技術では、本出願人が行った試験によると、治具50を用いて、GaAs基板上にAlGaInP系の半導体層が形成されてなる厚さ270μmの第1のウェハ122の表面に、幅30μm、深さ30μm,280μm間隔にダイシングで溝を形成し、GaP透明基板である第2のウェハ123を第1のウェハ122に密着させて加圧し、加熱炉で高温処理を行った。ここで、上記第1,第2のウェハ122,123は共に直径2インチのウェハである。
上記高温処理の後に加熱炉から第1,第2のウェハ122,123を取り出したところ、溝を形成する方向に沿ってウェハに割れが生じることがあった。例えば、上記第1のウェハ122の表面に、<110>方向と平行な方向に延びる溝と、<110>に垂直な方向に延びる溝とを形成した場合は、第1,第2のウェハ122,123が10分割程度に割れて、製品として使用できなくなった。
特許第3230638号公報 特許第3532953号公報 特開2001−53056号公報 特開2001−57441号公報
そこで、本発明の課題は、外部発光効率が高い半導体発光素子を、接合不良およびウェハ割れを生じることなく、簡易かつ高い歩留まりで製造できる半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の半導体発光素子は、
少なくとも発光層を含む複数の半導体層と、上記発光層からの光を透過する透明層とが積層された半導体発光素子において、
上記半導体層と上記透明層とは結晶軸が略合っており、
上記透明層の側面の方向は<100>に対して−15°から+15°の範囲内にあることを特徴としている。
ここで、「側面の方向」とは側面の法線が延びる方向を意味する。
上記構成の半導体発光素子をウェハに形成する場合、上記透明層の側面の方向が<100>に対して−15°から+15°の範囲内に入るようにすることによって、ウェハの劈開にかかる応力は軽減し、ウェハの割れを防止できる。
したがって、外部発光効率が高い半導体発光素子を、接合不良およびウェハ割れを生じることなく、簡易かつ高い歩留まりで製造することができる。
一実施形態の半導体発光素子では、
上記透明層が多層構造を有している。
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記透明層が多層構造を有していても、外部発光効率が高い半導体発光素子を簡単かつ高い歩留まりで製造することができる。
一実施形態の半導体発光素子では、
上記透明層の側面が粗面である。
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記透明層の側面が粗面であるから、光外部取り出し効率が高くなっている。
一実施形態の半導体発光素子では、
上記透明層の側面に凹凸が形成されている。
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記透明層の側面に凹凸が形成されているから、光外部取り出し効率が高くなっている。
一実施形態の半導体発光素子では、
上記半導体層の4つの角がトリミングされている。
上記実施形態の半導体発光素子によれば、上記発光層を含む少なくとも1つの半導体層が形成された第1のウェハの表面に、丸くトリミングした形のフォトマスクを付けた後、第1のウェハにエッチングを行って、第1のウェハの半導体層の角を丸くする(図7A参照)。特に、上記半導体層の表面が4角形状であると、第1,第2のウェハの貼り付け後の強度不足で半導体層の欠けが生じやすいが、第1,第2のウェハの貼り付け前に、半導体層のコーナーをトリミングすることで半導体層の欠けを防止できる。
また、上記トリミングは、その後の取り扱いでも、半導体層の欠けの発生を防止する効果がある。
上記課題を解決するため、本発明の半導体発光素子の製造方法は、
発光層を含む少なくとも1つの半導体層が形成された第1のウェハの表面と、上記発光層の発光波長に対して透明な第2のウェハの表面との少なくとも一方に、接合不良防止用溝を形成する工程と、
上記第1のウェハの表面と上記第2のウェハの表面とが接触し、かつ、上記第1のウェハの結晶軸と上記第2のウェハの結晶軸とが略一致するように、上記第1のウェハの表面に上記第2のウェハを配置する工程と、
上記第1のウェハと上記第2のウェハとが互いに接する接触面に圧縮力を作用させると共に、上記接触面を加熱する工程と、
上記第1のウェハと上記第2のウェハとから、少なくとも上記発光層が上記第2のウェハに残るように上記第1のウェハの一部を除去する工程と
を備え、
上記接合不良防止用溝は、ウェハ劈開面である{110}面に対して30度以上60度以下の角度を成すように延びていることを特徴としている。
上記構成の半導体発光素子の製造方法によれば、上記第1のウェハの表面と第2のウェハの表面との少なくとも一方に接合不良防止用溝を形成する。この接合不良防止用溝は、ウェハ劈開面である{110}面に対して30度以上60度以下の角度を成すように延びている。このような状況下で、第1のウェハと第2のウェハとが互いに接する接触面に圧縮力を作用させると共に、その接触面を加熱する。このとき、上記第1のウェハの熱膨張係数が第2のウェハの熱膨張係数と異なっている場合、接合不良防止用溝の部分に引っ張り・収縮応力がかかるが、接合不良防止用溝は最も割れ易いウェハ劈開面である{110}面に対して30度以上60度以下の角度を成す方向に延びているので、第1,第2のウェハの劈開にかかる応力は軽減し、ウェハ割れを防止できる。
すなわち、上記第1のウェハの表面と第2のウェハの表面との少なくとも一方に、ウェハ劈開面である{110}面に対して例えば45度の角度を成すように延びる接合不良防止用溝を形成することによって、膨張・収縮で生じる応力を劈開方向から分散させることができるので、ウェハ割れを起こすことなく、第1のウェハと第2のウェハとを均一に接合することができる。
したがって、外部発光効率が高い半導体発光素子を、接合不良およびウェハ割れを生じることなく、簡易かつ高い歩留まりで製造することができる。
上記接合不良防止用溝は、ウェハ劈開面である{110}面に対して45度の角度を成すように延びるのが、最も膨張・収縮で生じる応力を劈開方向から分散させることができるので望ましい。
また、上記接合不良防止用溝が延びる方向は、第1のウェハの表面と第2のウェハの表面との少なくとも一方に略平行であることが望ましい。
上記第1,第2のウェハが気相成長でよく使用されるオフアングル基板であっても、外部発光効率が高い半導体発光素子を簡単かつ高い歩留まりで製造することができる。
上記半導体発光素子の製造方法は、貼付型の半導体発光素子を形成する場合に用いることができる。
上記接触面を加熱する工程では、例えば700℃〜1000℃の範囲内の加熱処理を第1,第2のウェハに施す。また、上記加熱処理を終えた第1,第2のウェハは例えば室温まで降温させる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記第2のウェハが多層構造を有する。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記第2のウェハが多層構造を有していても、外部発光効率が高い半導体発光素子を簡単かつ高い歩留まりで製造することができる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記第1のウェハと上記第2のウェハとの少なくとも一方に関して、上記接触面と逆側の面に応力緩衝膜を配置する。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記第1のウェハと第2のウェハとの少なくとも一方に関して、接触面と逆側の面に応力緩衝膜を配置した状態で、その接触面に圧縮力を作用させると共に、この接触面を加熱する。これにより、上記接触面における応力の分布の偏りを更に低減させることができる。
したがって、熱処理時の昇温・降温時の第1,第2のウェハの膨張係数差で生ずる応力を第1,第2のウェハのウェハ劈開面から均等に分散する効果を発揮すると共に、接触面における第1,第2のウェハの接合不良を防止できる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記応力緩衝膜は、締め付け面圧が5kg/cm〜500kg/cmの範囲内において、応力緩和率が1.5%〜3.0%の範囲内である。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、締め付け面圧が5kg/cm〜500kg/cmの範囲内において、応力緩和率が1.5%〜3.0%の範囲内である応力緩衝膜により、第1のウェハと第2のウェハとの接合面における応力の偏りを効果的に低減することができる。
より好ましくは、上記応力緩和率は、締め付け面圧が5kg/cm〜20kg/cmの範囲内において1.8%〜2.5%の範囲内である。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記応力緩衝膜の厚みは0.2mm以上2.0mm以下である。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、0.2mm以上2.0mm以下の厚みを有する応力緩衝膜により、第1,第2のウェハの接合面における応力の偏りを効果的に低減することができる。
出願人が行った実験では、0.2mm未満の応力緩衝膜では十分に圧力緩和できない一方、2mmより厚い応力緩衝膜では圧力を第1,第2のウェハに伝え難くなる。
ただし、上記応力緩衝膜の材質によっては、応力緩衝膜にとって0.2mm〜2.0mmの範囲外の厚みが最適な場合も考えられる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記接合不良防止用溝は上記接触面に臨むように所定間隔をおいて複数形成する。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記接触面に臨むように所定間隔をおいて形成された複数の接合不良防止用溝の存在の下、上記接触面に圧縮力を作用させると共に、この接触面を加熱する。これにより、上記接触面における応力の分布の偏りが低減するから、上記接触面における第1,第2のウェハの接合不良を防止できる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記所定間隔は、上記第1,第2のウェハを分割して得るチップの幅に略等しい。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記接合不良防止用溝を、第1,第2のウェハを分割して得るチップの幅に略等し間隔を置いて設けるので、この接合不良防止用溝に沿って第1,第2のウェハを分割することにより、半導体発光素子のチップを容易に得ることができる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記接合不良防止用溝はダイシングで形成する。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記接合不良防止用溝をダイシングで形成するので、第1,第2のウェハの少なくとも一方の表面に接合不良防止用溝を容易に設けることができると共に、第1のウェハのPN接合部をチップサイズと同じく分断できるので途中工程のテストが容易になる利点がある。
また、上記接合不良防止用溝をダイシングで形成するので、接合不良防止用溝の溝幅を狭くできるため切り代が少なくできると共に、劈開からの角度も正確に合わせることができる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記接合不良防止用溝はエッチングで形成する。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記接合不良防止用溝は、エッチングで形成されるので、第1,第2のウェハの少なくとも一方の表面に接合不良防止用溝を容易に設けることができると共に、エッチング前にはウェハエッチング面にレジスト塗布して保護膜を付けるので、そのレジストに所望の発光層形状をパターン作製ししておくことで様々な発光パターンが溝形成と同時に作製できる利点があるとともに、第1のウェハのPN接合部をチップサイズと同じく分断できるので途中工程のテストが容易になる利点がある。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記接合不良防止用溝の深さは5μm以上80μm以下である。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記接合不良防止用溝の深さを5μm以上80μm以下にするので、上記接触面における応力の分布の偏りを効果的に低減できる。
もし、上記接合不良防止用溝が浅すぎると、つまり、接合不良防止用溝の深さが5μm未満であると、上記接着面が均一にならず、上記接触面において付かない部分が発生する。
もし、上記接合不良防止用溝が深すぎると、つまり、接合不良防止用溝の深さが80μmを越えると、第1,第2のウェハの少なくとも一方が応力に耐え切れず、ウェハ割れが発生してしまう。
なお、上記接合不良防止用溝は、この接合不良防止用溝が設けられた第1のウェハまたは第2のウェハにおいて、接合不良防止用溝の底から接触面とは反対側の面までの厚みが100μm以上になる深さであるのが好ましい。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記第1のウェハと上記第2のウェハとの少なくとも一方の厚みが100μm以上300μm以下である。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記第1のウェハと第2のウェハとの少なくとも一方の厚みが100μm以上300μm以下であるから、ウェハ割れを防止できる効果を確実に得られる。
すなわち、上記第1,第2のウェハの厚みは薄ければ薄いほど、しなりが良くなり接合不良低減に効果があるが、第1,第2のウェハは割れ易くなる。ここで、上記接合不良防止用溝を上記接触面に形成することで、この接触面の応力を軽減できるので、第1,第2のウェハがより薄くても割れを防ぐことができる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記第1のウェハの熱膨張係数は上記第2のウェハの熱膨張係数と異なる。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記第1のウェハの熱膨張係数が第2のウェハの熱膨張係数と近似でなくとも、第1のウェハと第2のウェハとの接合時に応力で第1,第2のウェハが破壊されるのを防ぐことができる。
上記第1のウェハの熱膨張係数が第2のウェハの熱膨張係数と近似でない場合としては、AlGaInP系エピタキシャル層を含むGaAs基板を第1のウェハの一例として用い、かつ、GaP基板を第2のウェハの一例として用いる場合がある。
図14Aに、接合前の第1の実験用ウェハ222の概略平面図を示し、また、図14Bに、図14AのXIVB−XIVB線から見た概略断面図を示す。
図14A,図14Bに示すように、<110>方向に延びる接合不良防止用溝226を表面に設けた第1の実験用ウェハ222と、第2の実験用ウェハ223とを貼り合わせた場合、第1,第2の実験用ウェハ222,223は、図15に示すように膨張・収縮応力により割れた。
これに対して、<110>方向に対して45°の角度で接合防止不良溝を表面に設けた第1の実験用ウェハと、第2の実験用ウェハとを貼り合わせた場合は、第1,第2の実験用ウェハは両方とも割れなかった。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記第1のウェハの一部を除去した後、粒度が#7000〜#2000の範囲内のダイシングブレードを使って、上記第1のウェハの残りと上記第2のウェハとを複数のチップに分割し、このチップの側面に凹凸を形成する。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記チップの側面に凹凸を形成するから、光外部取り出し効率を上げることができる。
実験によると、チップの側面に凹凸を形成しない場合に比べて、チップの側面に凹凸を形成した場合の光外部取り出し効率が1.3倍であった。
また、上記ダイシングブレードの粒度は#7000から#2000(4/6μm)が望ましい。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記ダイシングブレードを用いた分割を行った後、上記チップの側面をエッチングする。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記チップの側面に凹凸を形成した後に、その側面の表面層のダメージを除去するために、エッチング処理を行うと、ダメージ層で吸収されて取り出せずにいた発光光を外部へ放出できるので、更に外部取り出し効率が上がることを確認した。
実験によれば、上記エッチング処理ありの素子の全光束は、処理なしの素子と比較して2倍に向上した。ここでは、上記第2のウェハの一例としてGaP基板を用い、このGaP基板を容積比で濃硫酸3:過酸化水素水1:水1の混合液に浸漬して、GaP基板のダメージ層を除去した。なお、このダメージ層の除去効果は側面に凹凸が無い場合でも同様に発揮される。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記接合不良防止用溝で囲まれた四角領域の4つの角をエッチングでトリミングする。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記四角領域の4つの角をエッチングでトリミングして丸めるから、四角領域の欠けの発生を防止できる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記第1のウェハと上記第2のウェハとの少なくとも一方に電流阻止層を形成する。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記第1のウェハと第2のウェハとの少なくとも一方には電流阻止層を形成するから、この電流阻止層に重なるように電極を第1のウェハまたは第2のウェハに形成することにより、その電極側からの光の取り出し効率を上げることできる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記第1のウェハの一部を除去した後、上記電流阻止層に重なるように上記電流阻止層と略同じ大きさのワイヤボンド側電極を上記第1のウェハの残りに形成する。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記電流阻止層に重なるように電流阻止層と略同じ大きさのワイヤボンド側電極を第1のウェハの残りに形成するから、ワイヤボンド側電極側からの光の取り出し効率を上げることができる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記電流阻止層は、上記第1のウェハと上記第2のウェハとの少なくとも一方に形成した窪みである。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記電流阻止層は、第1のウェハと第2のウェハとの少なくとも一方に形成した窪みであるから、窪みの形成に例えばエッチングを用いることができる。
したがって、上記第1のウェハと第2のウェハとの少なくとも一方への窪みの形成は容易である。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記窪みは複数個ある。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記窪みが複数個であるから、窪まない部分を残すことができる。
したがって、上記ワイヤボンド側電極を介して受けるワイヤボンディング荷重に対する第1のウェハの残りの機械的強度の低下を防ぐことができる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記複数の窪みに重なるように、上記複数の窪みが形成された領域と略同じ大きさのワイヤボンド側電極を上記第1のウェハの残りに形成する。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記複数の窪みに重なるように、複数の窪みが形成された領域と略同じ大きさのワイヤボンド側電極を第1のウェハの残りに形成するから、ワイヤボンド側電極側から光を取り出す効率を上げることができる。
一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、
上記複数の窪みは、上記電流阻止層と重なる領域内に収まるように形成する。
上記実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、上記複数の窪みは、電流阻止層と重なる領域内に収まるように形成するから、ワイヤボンド側電極側からの光の取り出し効率を確実に上げることができる。
本発明の半導体発光素子をウェハに形成する場合、透明層の側面は{100}面に対して−15°から+15°の範囲内に入るようにすることによって、ウェハの劈開にかかる応力は軽減し、ウェハの割れを防止できるから、外部発光効率が高い半導体発光素子を、接合不良およびウェハ割れを生じることなく、簡易かつ高い歩留まりで製造することができる。
本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、ウェハ劈開面である{110}面に対して30度以上60度以下の角度を成すように延びている接合不良防止用溝を、第1のウェハの表面と第2のウェハの表面との少なくとも一方に形成することによって、膨張・収縮で生じる応力を劈開方向から分散させることができるので、ウェハ割れを起こすことなく、第1のウェハと第2のウェハとを均一に接合することができる。
したがって、外部発光効率が高い半導体発光素子を、ウェハ割れを生じることなく、簡易かつ高い歩留まりで製造することができる。
以下、本発明を図示の実施の形態により説明する。
以下の本発明の一実施の形態では、4元の量子井戸を含む発光層を有するAlGaInP(アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン)系の半導体発光素子としての発光ダイオードを製造する。
図1に、本発明の一実施の形態の発光ダイオードの製造方法における接合工程を示す。
この接合工程は、第1のウェハ22と、第2のウェハ23とを接合する工程であり、応力緩衝膜の一例としての緩衝膜29を介して、第1のウェハ22と第2のウェハ23との間の接触面に圧縮力を作用させると共に、上記接触面を加熱する。
上記第1のウェハ22は、n型GaAs(ガリウム・砒素)基板と、このn型GaAs基板上に形成され、発光層を含む複数の半導体層とを有している。
上記第2のウェハ23は、上記発光層からの光に対して透明なp型GaP基板からなる。つまり、上記第2のウェハ23の透明層の一例である。
以下、図2A乃至2Fを参照して、上記発光ダイオードの製造方法を説明する。なお、図2A乃至2Eでは、上記第1のウェハ22および第2のウェハ23のうち、チップ状に分離すべき部分を示している。
先ず、図2Aに示すように、n型GaAs基板1上に、n型GaAsバッファー層2、n型AlGaAsエッチングストップ層3、n型AlGaAs電流拡散層4、n型AlGaInPバッファー層5、n型AlInPクラッド層6、発光層の一例としてのAlGaInP活性層7(MQW(多重量子井戸)構造,井戸数4)、スペーサ層16、p型AlInPクラッド層17、中間層18、p型GaInP第1貼付けコンタクト層19、p型GaP第2貼付けコンタクト層20およびGaAsキャップ層21を形成する。上記各層は、MOCVD(有機金属気相成長)法により成長している。
続いて、図2Bに示すように、キャップ層21を除去すると共に、このキャップ層21の除去により露出した第2の貼付コンタクト層20のうち、2μm程度の厚みに相当する部分(図2Bの二点鎖線で示す部分)を除去する。そして、上記部分が除去された第2の貼付コンタクト層20の表面20aを、CMP(化学機械研磨)法で研磨して鏡面にする。これにより、第1のウェハ22が得られる。
上記第1のウェハ22は、接合不良をより防止するために基板を削って加工するとよい。本実施形態では、n型GaAs基板を削って、基板厚みを270μmとした。この基板厚みは、薄くしすぎると、第1のウェハ22が割れるので、第1のウェハ22の材質と、第1のウェハ22に加える圧力とに応じて適切な値が決められる。
次に、上記第1のウェハ22のエピ表面、つまり、第2の貼付コンタクト層20の表面20aに、ダイシングあるいはフォトマスクとエッチングによって、図3A,図3B,図4に示す複数の接合不良防止用溝26を形成する。この接合不良防止用溝26は、夫々、(0−11)面に対して略45°の角度を成している。つまり、上記接合不良防止用溝26の各々はウェハ劈開方向と約45°の角度を成している。換言すれば、上記各接合不良防止用溝26は、ウェハ劈開面に対して約45度の角度を成すように延びている。
この後、図2Cに示すように、上記第1のウェハ22の表面である第2の貼付コンタクト層20の表面20aに第2のウェハ23を配置する。これにより、上記第2のウェハ23の表面23aが第2の貼付コンタクト層20の表面20aに接触する。
また、上記貼付コンタクト層20の表面20aへの第2のウェハ23の配置は、第1のウェハ22のオリエンテーションフラット面と第2のウェハ23のオリエンテーションフラット面とを略一致させる。つまり、上記第1のウェハ22のオリエンテーションフラット面の法線と、第2のウェハ23のオリエンテーションフラット面の法線とが略平行になるように、貼付コンタクト層20の表面20aに第2のウェハ23を配置する。これにより、上記第1のウェハの結晶軸と第2のウェハの結晶軸とが略一致する。ここで、上記第1のウェハ22のオリエンテーションフラット面と第2のウェハ23のオリエンテーションフラット面とは共に(0−11)面である。
次に、上記第1のウェハ22と第2のウェハ23との接合工程を行う。この接合工程では、図1に示す治具50を用いて、第1のウェハ22と第2のウェハ23とを接合する。
上記治具50は石英からなり、第1のウェハ22を支持する下台51と、第2のウェハ23の図1において上側の面を覆う押さえ板52と、所定の大きさの力を受けて押さえ板52を押圧する押圧部53とを有している。
上記押圧部53は、正面から見て概略コ字状を有する枠体54によって上下方向に案内されるようになっている。上記枠体54は下台51に係合して、この下台51と押圧部53との間に位置する押さえ板52に力を適切に伝達するようになっている。
上記下台51と第1のウェハ22との間にはPBN(熱分解チッ化ホウ素:パイロリティックボロンナイトライド)24を配置する。
上記第2のウェハ23の表面23aは鏡面研磨して、第1のウェハ22の鏡面研磨した表面20aに接触させる。
上記第1のウェハ22の表面20aの成長軸に対して第2のウェハ23の表面23aの成長軸が一致するように、第2のウェハ23の表面23aを第1のウェハ22の表面20aに接触させる。
上記第2のウェハ23の上側面であって、第1のウェハ22と第2のウェハ23との接触面と逆側の面に、緩衝膜29を配置する。つまり、上記第2のウェハ23の第1のウェハ23側の面とは反対側の面に緩衝膜29を接触させる。
上記緩衝膜29は、締め付け面圧5kg/cm〜500kg/cmの範囲において、応力緩和率1.5〜3.0%を有する材料から形成されており、1mmの厚みを有する。
また、上記緩衝膜29の上側面(第2のウェハ23側の面とは反対側の面)にPBN25を配置し、このPBN25の上側面(緩衝膜29側の面とは反対側の面)に治具の押さえ板52を接触させる。そして、上記治具の押圧部53に適度な力を加えて、押さえ板52および緩衝膜29を介して、第1のウェハ22と第2のウェハ23との接触面に圧縮力を作用させる。この状態で、上記第1,第2のウェハ22,23を治具50と共に加熱炉にセットして、750℃の温度で1時間加熱する。ここで、上記第1,第2のウェハ22,23の接触面には、緩衝膜29によって、応力の偏りが低減された状態で圧縮力がかかる。これにより、図2Dに示すように、上記接触面の略全面に亘って良好な接合界面40が形成される。
また、上記接合不良防止用溝26が、割れやすい劈開方向への応力を軽減し、ウェハ割れを防止するのはもちろん、第1,第2のウェハ23の全体にわたり良好な接合状態が得られる。
上記加熱が終了し、冷却の後、接合された第1,第2のウェハ22,23を加熱炉から取り出す。このようにしてウェハボンディング(直接接合)が行われた第1,第2のウェハ22,23の接合体は、図13Aに示すような割れや接合不良等が生じることが無い。
この後、上記第1のウェハ22が含むn型GaAs基板1およびn型GaAsバッファー層2を、NHOH−H混合溶液によってエッチング除去する。
続いて、図2Eに示すように、第1のウェハ22が含むn型AlGaAsエッチングストップ層3をエッチング除去する。
そして、上記エッチングストップ層3の除去により露出した電流拡散層4の表面に、図2Fに示すように、ワイヤボンド側電極45を形成する。一方、上記第2のウェハ23の第1のウェハ22側の面とは反対側の面にバックグラインド研削を行って、第2のウェハ23の厚みを所定の厚みとする。このバックグラインド研削後、上記第2のウェハ23の第1のウェハ22側の面とは反対側の面にダイボンド側電極46を形成する。
続いて、ウェハと電極との接続部分を合金化するため、約450℃の温度の下で15分間熱処理を行う。
そして、電極が形成された第1,第2のウェハ22,23を、ダイシングによってチップに分割して、発光ダイオードが完成する。
このように、上記第1のウェハ22の接合面となる表面20aに、ウェハ劈開方向に対して約45°の角度を成す接合不良防止用溝26を形成していることによって、第1,第2のウェハ22,23の接合体に割れや接合不良等が生じるのを防ぐことができる。
したがって、上記第1,第2のウェハ22,23を、比較的簡易な方法によって、ウェハ割れをおこすことなく、全面に均一に接合することができる。その結果、発光強度が高い発光ダイオードを、従来よりも歩留まり良く製造できる。
また、上記接合不良防止用溝26同士の間隔をチップサイズに対応させることにより、第1,第2のウェハ22,23の接合体を接合不良防止用溝26に沿って比較的容易にチップに分離することができる。
また、上記チップに分割するのに用いるダイシングの粒度は#7000〜#2000(7000番〜2000番)の範囲内であることが好ましい。
また、上記接合不良防止用溝26の形成をエッチングで行うと、フォトマスクを用いて第1のウェハ22の表面20aに電流阻止層を簡易に作製できる利点がある。
上記実施の形態では、MQW構造の発光層を有する発光ダイオードを作成したが、量子井戸構造以外の構造の発光層を有する発光ダイオードを作成してもよい。
また、本発明は、上記実施の形態とは異なる組成の発光ダイオードにも広く適用可能である。すなわち、本発明は、赤(AlGaAs等)、青(GaN、InGaN、SiC等)、黄色(AlGaInP等)、緑(AlGaInP等)等の組成および発光色に限られず、あらゆる発光ダイオードに関して適用できる。
上記実施の形態では、第1のウェハ22の接合面となる表面20aに、ウェハ劈開方向に対して約45°の角度を成す接合不良防止用溝26を形成していたが、ウェハ劈開方向に対して接合不良防止用溝26が成す角は45°に限定されない。つまり、上記第1のウェハ22の接合面となる表面20aには、ウェハ劈開面である{110}面に対して30度以上60度以下の角度を成すように延びる接合不良防止用溝を形成してもよい。
この接合不良防止用溝を第1のウェハ22の接合面となる表面20aに形成した場合、図5に示すような発光ダイオードが得られる。この発光ダイオードでは、第2のウェハ23の側面(ハッチングをかけた面)の方向が<100>に対して−15°から+15°の範囲内となる。つまり、上記第2のウェハ23の側面の法線は、<100>に対して−15°から+15°の範囲内の方向と平行となる。このとき、上記第2のウェハ23の側面の一例としては(100)面または(−100)面または(010)面または(0−10)面または(001)面または(00−1)面がある。つまり、上記第2のウェハ23の側面の一例としては{100}面がある。また、上記発光ダイオードでは、<110>方向と平行な法線を有する面は二点鎖線で示すようになる。
これに対して、従来の製造方法で製造した発光ダイオードでは、<110>方向と平行な法線を有する面は図16の二点鎖線で示すようになる。
なお、図5の30は、n型AlGaAs電流拡散層4、n型AlGaInPバッファー層5、n型AlInPクラッド層6、AlGaInP活性層7、スペーサ層16、p型AlInPクラッド層17、中間層18、p型GaInP第1貼付けコンタクト層19およびp型GaP第2貼付けコンタクト層20から成るエピタキシャル層である。また、図16において、図5の構成部に対応する構成部には、図5における構成部と同一参照番号を付している。
また、上記実施の形態では、GaPからなる第2のウェハ23を用いていたが、GaP以外の材料からなる第2のウェハを用いてもよい。
また、本発明の第2のウェハは、発光層からの光に対して不透明な基板上に、上記光に対して透明な透明層が形成されたものであってもよく、この場合、上記透明層を第1のウェハの表面に接合すればよい。
また、本発明は、発光ダイオード以外の半導体レーザ等にも本発明は適用可能である。
上記実施の形態では、緩衝膜29は、締め付け面圧5kg/cm〜500kg/cmの範囲において、応力緩和率1.5%〜3.0%を有したが、締め付け面圧5kg/cm〜500kg/cmの範囲において、応力緩和率1.5%〜5.0%を有していればよい。より好ましくは、上記締め付け面圧5kg/cm〜20kg/cmの範囲においては、応力緩和率1.8%〜2.5%である。
また、上記緩衝膜29の厚みは、1mmに限られず、0.2mm以上2.0mm以下の間で適宜設定することができる。
また、上記緩衝膜29は、第2のウェハ23の上側面(押圧部53側の面)ではなくて、第1のウェハ22の下側面(下台51側の面)に配置してもよい。
また、上記実施の形態の発光ダイオードにおいては、第2のウェハ23の側面を粗面としてもよいし、図6に示すように、第2のウェハ23の側面(網掛け面を含む側面)に凹凸を形成してもよい。
また、図7A,図7Bに示すように、エピタキシャル層30の4つの角をトリミングして丸めてもよい。
また、図8A,図8Bに示すように、第2のウェハ23の表面23aに、ワイヤボンド側電極45と重なる電流阻止層27を形成してもよい。ここでは、上記電流阻止層27はワイヤボンド側電極45と略同形状である。つまり、上記電流阻止層のサイズはワイヤボンド側電極45と略同じサイズである。また、上記ワイヤボンド側電極45と重ならない領域には電流阻止層27が形成されていない。つまり、上記電流阻止層27は、ワイヤボンド側電極45と重なる領域内に収まるように形成されている。
上記電流阻止層27は例えば絶縁材料で形成することができる。
上記電流阻止層27を回避した電流がAlGaInP活性層7に流れる。そのため、上記発光してもワイヤボンド側からは取り出せないワイヤボンド側電極45下を避けて、その周囲であって光を取り出せる領域で発光させるので、ワイヤボンド側から光の取り出し効率を上げることができる。
また、図9A,図9B,図9Cに示すように、第2のウェハ23の表面23aに、ワイヤボンド側電極45と重なる窪み28を1つ形成してもよい。ここでは、上記ワイヤボンド側電極45と重ならない領域には窪み28が形成されていない。つまり、上記窪み28は、ワイヤボンド側電極45と重なる領域内に収まるように形成されている。また、上記窪み28は、第2のウェハ23の表面23aの略中央に形成されている。
上記窪み28はエッチング等の手法で簡単に形成することができる。言うまでもないが、上記窪み28の形成は第1のウェハ22と第2のウェハ23とを貼り合わせる前に行う。
上記窪み28を形成した場合も、電流阻止層27を形成した場合と同様の効果を奏する。
また、上記窪み28は、図10A,図10B,図10Cに示すように複数形成してもよい。この場合も、上記ワイヤボンド側電極45と重なる領域内に収まるように全ての窪み28を形成する。また、上記複数の窪み28は、第2のウェハ23の表面23aの略中央に集まるように形成されている。
なお、図10Cの二点鎖線円は、ワイヤボンド側電極45と重なる領域を示している。この領域には、窪み28が形成されていない領域が存在する。つまり、上記領域には窪んでいない部分が残っている。
図9A,図9B,図9および図10A,図10B,図10Cの窪み28の深さは、上部からのワイヤボンディング荷重に第2のウェハ23が耐えられるように設定されている。
図1は本発明の一実施の形態の半導体発光素子の製造方法における接合工程を示す図である。 図2Aは基板上に発光層を含む複数の半導体層を形成するための概略図である。 図2Bは第1のウェハの形成を説明するための概略図である。 図2Cは、第1のウェハの表面への第2のウェハの配置の様子を示す概略図である。 図2Dは、第2のウェハが接合された第1のウェハから基板およびバッファー層を除去する様子を示す概略図である。 図2Eは、第1のウェハのエッチングストップ層をエッチング除去する様子を示す概略図である。 図2Fは発光ダイオードの完成品を示す概略図である。 図3Aは接合前の上記第1のウェハの概略平面図である。 図3Bは図3AのIIIB−IIIB線から見た概略断面図である。 図4は接合を行った後の上記第1,第2のウェハの概略平面図である。 図5は本発明の一実施の形態の発光ダイオードの概略斜視図である。 図6は本発明の他の実施の形態の発光ダイオードの概略斜視図である。 図7Aは本発明の他の実施の形態の発光ダイオードの概略平面図である。 図7Bは図7Aの発光ダイオードの概略正面図である。 図8Aは本発明の他の実施の形態の発光ダイオードの概略平面図である。 図8Bは図8Aの発光ダイオードの概略正面図である。 図9Aは本発明の他の実施の形態の発光ダイオードの概略平面図である。 図9Bは図9Aの発光ダイオードの概略正面図である。 図9Cは図9Aの発光ダイオードの第2のウェハの概略平面図である。 図10Aは本発明の他の実施の形態の発光ダイオードの概略平面図である。 図10Bは図10Aの発光ダイオードの概略正面図である。 図10Cは図10Aの発光ダイオードの第2のウェハの概略平面図である。 図11Aは従来の半導体発光素子の製造方法における接合工程の様子を示す概略正面図である。 図11Bは従来の半導体発光素子の製造方法における接合工程の様子を示す概略平面図である。 図12Aは接合前の従来の第1のウェハの概略平面図である。 図12Bは図12AのXIIB−XIIB線から見た概略断面図である。 図13Aは接合を行った後の従来の第1,第2のウェハの概略平面図である。 図13Bは図13AのXIIIB−XIIIB線から見た概略断面図である。 図14Aは接合前の第1の実験用ウェハの概略平面図である。 図14Bは図14AのXIVB−XIVB線から見た概略断面図である。 図15は接合を行った後の第1,第2の実験用ウェハの概略平面図である。 図16は従来の半導体発光素子の概略斜視図である。
7 AlGaInP活性層
22 第1のウェハ
23 第2のウェハ
26 接合不良防止用溝
27 電流阻止層
28 窪み
29 緩衝膜
30 エピタキシャル層

Claims (21)

  1. 発光層を含む少なくとも1つの半導体層が形成された第1のウェハの表面と、上記発光層の発光波長に対して透明な第2のウェハの表面との少なくとも一方に、接合不良防止用溝を形成する工程と、
    上記第1のウェハの表面と上記第2のウェハの表面とが接触し、かつ、上記第1のウェハの結晶軸と上記第2のウェハの結晶軸とが略一致するように、上記第1のウェハの表面に上記第2のウェハを配置する工程と、
    上記第1のウェハと上記第2のウェハとが互いに接する接触面に圧縮力を作用させると共に、上記接触面を加熱する工程と、
    上記第1のウェハと上記第2のウェハとから、少なくとも上記発光層が上記第2のウェハに残るように上記第1のウェハの一部を除去する工程と
    を備え、
    上記接合不良防止用溝は、ウェハ劈開面である{110}面に対して30度以上60度以下の角度を成すように延びていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  2. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記第2のウェハが多層構造を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  3. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記第1のウェハと上記第2のウェハとの少なくとも一方に関して、上記接触面と逆側の面に応力緩衝膜を配置することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  4. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記応力緩衝膜は、締め付け面圧が5kg/cm〜500kg/cmの範囲内において、応力緩和率が1.5%〜3.0%の範囲内であることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  5. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記応力緩衝膜の厚みは0.2mm以上2.0mm以下であることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  6. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記接合不良防止用溝は上記接触面に臨むように所定間隔をおいて複数形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  7. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記所定間隔は、上記第1,第2のウェハを分割して得るチップの幅に略等しいことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  8. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記接合不良防止用溝はダイシングで形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  9. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記接合不良防止用溝はエッチングで形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  10. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記接合不良防止用溝の深さは5μm以上80μm以下であることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  11. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記第1のウェハと上記第2のウェハとの少なくとも一方の厚みが100μm以上300μm以下であることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  12. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記第1のウェハの熱膨張係数は上記第2のウェハの熱膨張係数と異なることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  13. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記第1のウェハの一部を除去した後、粒度が#7000〜#2000の範囲内のダイシングブレードを使って、上記第1のウェハの残りと上記第2のウェハとを複数のチップに分割し、このチップの側面に凹凸を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  14. 請求項13に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記ダイシングブレードを用いた分割を行った後、上記チップの側面をエッチングすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  15. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記接合不良防止用溝で囲まれた四角領域の4つの角をエッチングでトリミングすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  16. 請求項に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記第1のウェハと上記第2のウェハとの少なくとも一方に電流阻止層を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  17. 請求項16に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記第1のウェハの一部を除去した後、上記電流阻止層に重なるように上記電流阻止層と略同じ大きさのワイヤボンド側電極を上記第1のウェハの残りに形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  18. 請求項16に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記電流阻止層は、上記第1のウェハと上記第2のウェハとの少なくとも一方に形成した窪みであることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  19. 請求項16に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記窪みは複数個あることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  20. 請求項19に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記複数の窪みに重なるように、上記複数の窪みが形成された領域と略同じ大きさのワイヤボンド側電極を上記第1のウェハの残りに形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  21. 請求項19または2に記載の半導体発光素子の製造方法において、
    上記複数の窪みは、上記電流阻止層と重なる領域内に収まるように形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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