JP4758857B2 - 垂直構造発光ダイオードの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光素子の製造方法に関するものであって、特に個別素子へのチップ分離工程を容易に遂行することが出来る垂直構造発光ダイオードの製造方法に関する。

Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表現されるＧａＮ系半導体は、青色、紫外線領域の発光に好適な化合物半導体物質として、青色或いは緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）素子に使用されている。現在使用されているＧａＮ系ＬＥＤには、水平構造ＧａＮ系ＬＥＤと垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤがある。水平構造ＧａＮ系ＬＥＤでは、ｐ側電極及びｎ側電極が全て素子の上部に（素子の同一側に）配置されている。そのために、充分に発光面積を提供できるようにＬＥＤ素子の面積が比較的広くなされるべきである。また、ｐ側電極とｎ側電極が相互に近くに位置しているため、静電気放電（ＥＳＤ）に弱い問題がある。

上記の短所を有する水平構造ＧａＮ系ＬＥＤの代わりに、垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤが使用され得る。垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤではｐ側電極とｎ側電極がＧａＮ系エピタキシャル層を介して相互に対向して配置されている。垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤは、通常伝導性基板（例えば、ＳｉまたはＧａＡｓ基板）の接合工程と成長用絶縁基板（例えば、サファイア基板）の分離工程を通じて製造される。特許文献１には、Ｓｉ基板の接着工程、サファイア基板の分離工程及びＳｉ基板のダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）工程を含む垂直構造ＧａＮ系ＬＥＤの製造方法が開示されている。

図１ａ乃至図１ｆは、従来技術による垂直構造ＧａＮ系発光ダイオード製造方法の一例を示す断面図である。先ず、図１ａを参照すると、サファイア基板１１上にＧａＮ系半導体から成るｎ型クラッド層１５ａ、活性層１５ｂ及びｐ型クラッド層１５ｃを順次形成して発光構造物１５を得る。その後、図１ｂに図示された通り、トレンチ２０を形成して発光構造物１５を個別素子領域に分離し、各ｐ型クラッド層１５ｃ上にｐ側電極１６をそれぞれ形成する。その後、図１ｃに図示された通り、Ａｕ等の導電性接着層１７を用いてＳｉ等の導電性基板２１を各ｐ側電極１６上に跨って接合する。その後、レーザ光１８を照射してサファイア基板１１を分離する（レーザリフトオフ工程）。これによって、図１ｄに図示された通り、サファイア基板１１が除去された構造物を得ることとなる。その後、図１ｅに図示された通り、各ｎ型クラッド層１５ａ上にｎ側電極１９をそれぞれ形成する。次に、図１ｆに図示された通り、図１ｅの結果物を個別素子に切断する（チップ分離工程）。これによって、多数の垂直構造発光ダイオード１０が同時に得られることとなる。

上記従来の製造方法によると、チップ分離のために導電性基板２１を個別素子に機械的に切断する工程を遂行する。導電性基板２１を切断するためには、切断ホイールで基板２１をカットするダイシング工程を遂行したり、スクライビング及びブレイキング（ｓｃｒｉｂｉｎｇ ａｎｄ ｂｒｅａｋｉｎｇ）工程等の複雑な工程を遂行する必要がある。従って、このような切断工程により、製造費用が高くなされたり全体の工程時間が遅延されたりする。また、導電性基板２１としてＳｉ基板またはＧａＡｓ基板を使用する場合、基板２１の熱伝導が優れていないため、熱放出効率が悪く高電流印加時素子特性が劣化される。さらに、導電性基板２１の接合工程が２００℃以上の高温で遂行されるため、発光構造物１５にクラック等が発生されやすい。このような問題は、ＧａＮ系ＬＥＤだけでなくＡｌＧａＩｎＰ系またはＡｌＧａＡｓ系など他の３−５族化合物半導体を使用した垂直構造ＬＥＤの製造工程でも発生し得る。
大韓民国公開特許公報２００４−５８４７９号

本発明は上記の問題点を解決するためのものであって、本発明の目的はチップ分離工程が容易で、発光構造物におけるクラック発生を抑えることができ、熱放出特性を向上させることができる垂直構造発光ダイオードの製造方法を提供することにある。

上述の技術的課題を達成すべく、本発明による垂直構造発光ダイオードの製造方法は、複数の素子領域と少なくとも一つの素子分離領域を有する成長用基板上にｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が順次配置された発光構造物を形成する段階と、上記発光構造物上にｐ側電極を形成する段階と、上記ｐ側電極上に、貫通孔が加工（形成）されたガラス基板を形成して、上記貫通孔が上記素子領域の上記ｐ側電極上に位置するようにする段階と、上記貫通孔において金属物質をメッキして上記素子領域の上記ｐ側電極上にメッキ層のパターンを形成する段階と、上記成長用基板を除去し、上記ｎ型クラッド層上にｎ側電極を形成する段階と、上記ガラス基板を蝕刻して除去する段階とを含む。

本発明の一実施形態によると、上記ｐ側電極上に上記ガラス基板を形成する段階は、貫通孔が加工されたガラス基板を上記ｐ側電極上に接合する段階を含む。

本発明の他の実施形態によると、上記ｐ側電極上に上記ガラス基板を形成する段階は、ガラス基板を上記ｐ側電極上に接合する段階と、上記ガラス基板に貫通孔を形成して、上記貫通孔が上記素子領域の上記ｐ側領域上に位置するようにする段階を含む。

本発明の一実施形態によると、上記発光構造物を形成する段階と上記ｐ側電極を形成する段階との間に、上記素子分離領域の上記発光構造物にトレンチを形成して上記発光構造物を個別素子領域に分離することができる。

本発明の他の実施形態によると、上記ｐ側電極を形成する段階後に、上記素子分離領域の上記発光構造物にトレンチを形成して上記発光構造物を個別素子領域に分離することもできる。

上記メッキ層はＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｍｏ及びこれらのうち２以上の合金から成るグループから一つ以上選択された金属材料を含むことができる。

本発明の好ましい実施形態によると、上記メッキ層のパターンを形成する前に、上記素子領域の上記ｐ側電極の上面にメッキシード層を形成することができる。該メッキシード層は、例えば無電解メッキまたはスパッタリング等の蒸着によって形成され得る。

本発明によると、上記成長用基板を除去する段階は物理的、化学的または機械的な方法によって遂行されることができる。例えば、上記成長用基板は、レーザリフトオフ（Ｌａｓｅｒ Ｌｉｆｔ−Ｏｆｆ；ＬＬＯ）、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）または蝕刻等の方法によって除去されることができる。上記成長用基板除去時、上記ガラス基板とメッキ層パターンは一種の支持用部材として使用される。

上記ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料で形成されることができる。この場合、上記成長用基板は絶縁性基板または導電性基板であることができる。

本発明の実施形態によると、上記ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料で形成される。この場合、上記成長用基板としてはサファイア基板を使用することができる。

本発明の他の実施形態によると、上記ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料で形成されることができる。本発明のまた異なる実施形態によると、上記ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）半導体材料で形成されることができる。

本発明によると、ガラス基板の蝕刻によって、別途のダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）工程やスクライビング（ｓｃｒｉｂｉｎｇ）工程が無く、個別素子へのチップ分離工程を容易に遂行することができる。従って、製造コスト（費用）及び時間を節約できることとなる。また、メッキ工程を通じ導電性基板を形成するため、従来の導電性基板の接合工程時発生するクラック等の問題を防止することができる。

本発明によると、別途のダイシング工程やスクライビングが無くともガラス基板の蝕刻によってチップ分離工程を容易に遂行することができる。これによって、ダイシング工程やスクライビングによる製造コスト及び工程時間の増加を抑えることが可能となる。また、接合工程の代わりにメッキ工程を用いて導電性基板部を形成するため、基板の接合工程によるクラック発生の恐れがない。さらに、熱伝導度に優れた金属材料を個別発光ダイオードの導電性基板として使用するため、優れた熱放出効果が得られる。

以下、添付の図面を参照に本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明される実施形態で限定されるのではない。本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有しているものに本発明をより完全に説明するため提供される。従って、図面における要素の形状及び大きさ等はより明確な説明のため誇張されることができ、図面上の同一符号で表示される要素は同一要素である。

図２乃至図８は、本発明の一実施形態による垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。発光ダイオードを製造するため、成長用基板としてサファイア基板を使用し、発光構造物としてＧａＮ系半導体（即ち、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体）を使用する。

先ず、図２を参照すると、成長用基板としてのサファイア基板１０１上にｎ型クラッド層１１５ａ、活性層１１５ｂ及びｐ型クラッド層１１５ｃを順次形成する。これによって、サファイア基板１０１上に形成された発光構造物１１５が得られる。上記発光構造物１１５が形成されたサファイア基板１０１は、複数の素子領域Ａと少なくとも一つの素子分離領域Ｂを有する。素子領域Ａは、発光ダイオードチップが形成される領域に相当し、素子分離領域Ｂは、このようなチップ間の境界部分に相当する。

次に、図３に図示されたように、素子分離領域Ｂから発光構造物１１５を除去して素子分離用トレンチ１２０を形成する。これによって、発光構造物１１５は個別素子領域（図中素子分離領域Ｂを境にして成長用基板面に沿う方向に左右に分離された２つの発光構造物１１５が現れる）に分離される。その後、各ｐ型クラッド層１１５ｃ上にｐ側電極１０６をそれぞれ形成する。各ｐ側電極１０６は例えば、Ｐｔ／Ａｕ層、Ｎｉ／Ａｕ層またはＮｉ／Ａｇ／Ｐｔ層から成ることができる。前記各ｐ側電極１０６は、半導体である各ｐ型クラッド層１１５ｃとそれぞれオーミック接触を成す。

他の方法として、上記素子分離用トレンチ１２０形成工程とｐ側電極１０６形成工程の順番は相互に変えることもできる。即ち、先にｐ型クラッド層１１５ｃ上にｐ側電極１０６を形成し、その後、素子分離領域Ｂに素子分離用トレンチ１２０を形成して発光構造物１１５を個別素子領域に分離することも出来る。

なお、前記トレンチ１２０は、化学的または物理的或いはこれらの組合わせからなるエッチング技術などによって形成することができる。

次に、図４に図示された通り、各素子領域Ａの各ｐ側電極１０６上に無電解メッキまたはスパッタリング等の蒸着を実施してメッキシード層１０８を形成する。該メッキシード層１０８は後続の電気メッキを円滑に遂行できるようにするためのシードの役割をする。

その後、ガラス基板１１０をｐ側電極１０６上に形成して設けるが、具体的には、ドライフィルム（ｄｒｙ ｆｉｌｍ）等から成る接着層１１０ａを使用してｐ側電極１０６上にガラス基板１１０を接合する。該ガラス基板１１０には、接合される前に各素子領域Ａや各ｐ側電極１０６にそれぞれ対応する貫通孔１３０を有するように予め加工が施される。ガラス基板１１０の接合時、貫通孔１３０が各素子領域Ａのｐ側電極１０６上に位置するように上記ガラス基板１１０とｐ側電極１０６を整列する。これによって、メッキシード層１０８は、各貫通孔１３０を通じて露出される。

他の方法として、貫通孔が加工されていないガラス基板１１０をｐ側電極１０６上に接合し、その後に湿式または乾式蝕刻を利用してガラス基板１１０に各貫通孔１３０を形成することもできる。ｐ側電極１０６上に接合されたガラス基板１１０に貫通孔１３０を形成する際、貫通孔１３０が素子領域Ａのｐ側電極１０６上に位置するようにする。

次に、図５に図示された通り、上記各貫通孔１３０をそれぞれ通じて金属物質をメッキして素子領域Ａでのみｐ側電極１０６上に選択的にメッキされたメッキ層１１６のパターンを形成する。即ち、貫通孔１３０を有するガラス基板１１０を一種のマスクとして使用しｐ側電極１０６のメッキシード層１０８上に電気メッキを施す。メッキ層１１６は例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｍｏ及びこれらのうち２以上の合金から成るグループから一つ以上選択された金属材料で形成されることができる。図５にはメッキ層１１６が単一層構造で形成されているが、多層構造で形成されることもできる。

次に、図６に図示された通り、物理的、化学的または機械的方法を使用して（例えば、レーザリフトオフを用いて）、サファイア基板１０１を発光構造物１１５から分離または除去する。この際、ガラス基板１１０とメッキ層１１６は、支持基板の役割をすることと成る。レーザリフトオフ以外にも、蝕刻、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）またはラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）等の方法を使用して上記サファイア基板１０１を除去することができる。

次に、図７に図示された通り、サファイア基板１０１が除去され露出された各ｎ型クラッド層１１５ａ上にｎ側電極１１９をそれぞれ形成する。前記各ｎ側電極１１９はＴｉ、ＣｒまたはＡｌで形成されることができ、リフトオフ工程を利用した金属層のパターニングによって得ることもできる。図７には、図６の構造が上下逆転して図示されている。好ましくは、ｎ側電極１１９を形成する前にサファイア基板１０１の除去によって露出されたｎ型クラッド層１１５ａ上面を洗浄して蝕刻する。

次に、図８に図示された通り、ガラス基板１１０を蝕刻して除去する。ガラス基板１１０は例えば、ＨＦ系列の蝕刻液を使用して容易に蝕刻除去することができる。そのために、個別素子に分離された複数の垂直構造発光ダイオード１００が得られる。

以上説明した通り、本実施形態によると、ガラス基板１１０の蝕刻によって別途のダイシング工程やスクライビングが無くとも容易に個別素子に分離された発光ダイオード１００を得ることができる。その結果、ダイシング工程などによる製造コスト及び工程時間の増加を抑えることが可能となる。

また、本実施形態では従来とは異なり導電性基板の接合工程の代わりに常温大気圧下でのメッキ工程を利用するため、導電性基板の接合工程によるｐ側電極特性の劣化やクラック発生の恐れがない。さらに、熱伝導度が優秀な金属材料（例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ等）から成るメッキ層１１６を個別ダイオード１００の導電性基板として使用するため、優れた熱放出効果が得られる。これによって、高電流においてもＬＥＤチップ特性の劣化を防止することができる。

前述の実施形態においては、成長用基板としてサファイア基板１０１を使用し発光構造物としてＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料を使用したが、本発明はこれに限定されない。本発明は他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を使用する場合にも適用することができる。

例えば、本発明の他の実施形態として、サファイア基板１０１の代わりにＧａＡｓ基板を使用し、発光構造物１１５としてＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料の代わりにＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料を使用することもできる。また異なる実施形態として、サファイア基板１０１の代わりにＧａＡｓ基板を使用し、発光構造物１１５としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）半導体材料を使用することもできる。

本発明は上述の実施形態及び添付の図面によって限定されず、添付の請求範囲によって限定されるものとする。また本発明は、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能ということは当技術分野の通常の知識を有している者には自明である。

従来の垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 従来の垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 従来の垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 従来の垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 従来の垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 従来の垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による垂直構造発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。

符号の説明

１０１ 成長用基板（サファイア基板）
１１５ａ ｎ型クラッド層
１１５ｂ 活性層
１１５ｃ ｐ型クラッド層
１１５ 発光構造物
１０６ ｐ側電極
１１０ ガラス基板
１１６ メッキ層
１１９ ｎ側電極
１３０ 貫通孔
Ａ 素子領域
Ｂ 素子分離領域

Claims (13)

1. 複数の素子領域と少なくとも一つの素子分離領域を有する成長用基板上にｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が順次配置された発光構造物を形成する段階と、
   前記発光構造物上にｐ側電極を形成する段階と、
   前記ｐ側電極上に貫通孔が加工されたガラス基板を形成して、前記貫通孔が前記素子領域の前記ｐ側電極上に位置するようにする段階と、
   前記貫通孔に金属物質をメッキして前記素子領域の前記ｐ側電極上に互いに分離されたメッキ層のパターンを形成する段階と、
   前記メッキ層のパターンを形成した後に、前記成長用基板を除去し前記ｎ型クラッド層上にｎ側電極を形成する段階と、
   前記成長用基板の除去及び前記ｎ側電極の形成後に、前記ガラス基板を蝕刻して除去することで、個別素子にチップ分離する段階とを含み、
   前記発光構造物を形成する段階と前記ｐ側電極を形成する段階との間に、または前記ｐ型電極を形成する段階と前記ｐ側電極上にガラス基板を形成する段階との間に、前記素子分離領域の前記発光構造物にトレンチを形成して前記発光構造物を個別素子領域に分離する段階をさらに含むことを特徴とする垂直構造発光ダイオードの製造方法。
2. 前記ｐ側電極上に前記ガラス基板を形成する段階は、貫通孔が加工されたガラス基板を前記ｐ側電極上に接合する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
3. 前記ｐ側電極上に前記ガラス基板を形成する段階は、
   ガラス基板を前記ｐ側電極上に接合する段階と、
   前記ガラス基板に貫通孔を形成して、前記貫通孔が前記素子領域の前記ｐ側領域上に位置するようにする段階と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
4. 前記メッキ層は、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｍｏ及びこれらのうち２以上の合金から成るグループから一つ以上選択された金属材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
5. 前記メッキ層のパターンを形成する前に、前記素子領域の前記ｐ側電極の上面にメッキシード層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
6. 前記メッキシード層は、無電解メッキまたは蒸着によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
7. 前記成長用基板を除去する段階は、物理的、化学的または機械的な方法によって遂行されることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
8. 前記成長用基板は、レーザリフトオフによって除去されることを特徴とする請求項７に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
9. 前記ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
10. 前記ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙｌｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
11. 前記成長用基板としてはサファイア基板を使用することを特徴とする請求項１０に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
12. 前記ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙｌｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。
13. 前記ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）半導体材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造発光ダイオードの製造方法。

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