JP4947569B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば青色ＬＥＤや紫外光ＬＥＤ等の半導体発光素子及びその製造方法に関する。

近年、青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）チップや紫外光ＬＥＤチップが、例えば一般照明用光源や自動車用ヘッドライト光源などに用いられる白色ＬＥＤ光源用として用いられている。
青色ＬＥＤチップや紫外光ＬＥＤチップとしては、窒化ガリウム系化合物半導体で形成された半導体発光素子が実用化されており、この半導体発光素子では、同一面側にアノード及びカソードの両電極を設けるため、パッケージングを行う際には電極配置面の反対側ある下面を実装基板等に接着して固定する方法が一般的である。

上記実装方法の場合、半導体発光素子の下面から出る光を効率的に取り出すために透明エポキシ樹脂などの透明接着剤を使用して半導体発光素子の下面と実装基板等とを接着しているが、この透明接着剤は青色光のような比較的波長の短い光に長時間さらされると変色し、徐々に透明度が落ちてしまう不都合があった。このため、経時的に半導体発光素子から出る光を効率的に取り出し難くなり、ＬＥＤの信頼性を低下させる要因となっている。さらに、近年では、青色光や紫外光の半導体発光素子における発光強度が急速に向上しているため、早急な対策が必要になっている。

従来、例えば特許文献１では、図６に示すように、発光層１が形成された基板２の下面（裏面）に、酸化マグネシウムやアルミニウム等の金属酸化物や金属からなる光反射膜３を付着させた半導体発光素子４及びその製法が提案されている。すなわち、光反射膜３を基板２の裏面に付着させることで、半導体発光素子４で発光した光を光反射膜３で反射させて正面側の輝度を向上させている。この技術では、実装基板５上に接着剤６で固定した状態では、光反射膜３により光が遮断されるため、接着剤６における光の吸収を防ぐことができ、接着剤６の変色や劣化を防止する効果がある。また、特許文献２でも、図７に示すように、発光層１から放出される光を反射する反射層７を、発光素子の下面及び側壁の一部まで拡張して形成したＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子８及びその製造方法が提案されている。

特開平９−２９８３１３号公報（特許請求の範囲、図１） 特開２００１−３３２７６２号公報（特許請求の範囲、図１）

しかしながら、上記従来の半導体発光素子の技術には、以下の課題が残されている。すなわち、上記特許文献１に記載の技術では、光反射膜３を基板２の下面に形成しているため、下面直下の接着剤６へは光が透過し難いが、基板２の側面から放出される光が基板２の外周を覆う接着剤６に吸収されて接着剤６の変色や劣化を起こすおそれがある。また、上記特許文献２に記載の技術では、半導体発光素子８の側壁まで拡張された反射層７により側壁から放出される光をある程度遮断することができるが、反射層７が形成されていない側壁からの光によって基板２の外周を覆う接着剤６が変色や劣化を起こすおそれがある。さらに、この技術では、半導体ウェハーをチップ状に分割した後でなければ側壁に反射層を形成することができないため、作業効率が悪く、製造コストの増大を招いてしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、接着剤の変色や劣化を防止することができると共に製造時における作業効率に優れる半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に積層され発光面となるｐｎ接合面を有する複数の半導体層と、を備え、前記基板の底部の外周縁に、段差状の切り欠き部又はテーパ状の面取り部が形成され、前記基板の底部と前記切り欠き部又は前記面取り部とに遮光膜が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板と、前記基板上に形成され発光面となるｐｎ接合面を有する複数の半導体層と、を備えた半導体発光素子の製造方法であって、絶縁性ウェハー上に複数の前記半導体層を積層して半導体ウェハーを作製する工程と、前記半導体ウェハーの下面に溝を格子状に形成する工程と、前記半導体ウェハーの前記溝上を含めた下面全面に遮光膜を成膜する工程と、前記半導体ウェハーを前記溝に沿って前記溝内でダイシングしてチップ状に分割する工程と、を有することを特徴とする。

この半導体発光素子では、基板の底部の外周縁に形成した切り欠き部又は面取り部にも遮光膜が形成されているので、基板底部下の接着剤だけでなく、切り欠き部又は面取り部の下方にあって基板の外周を覆う接着剤に対しても基板からの光が遮光膜により遮光されることで接着剤の変色や劣化を防止することができる。すなわち、基板の底部に形成された遮光膜が基板底部からの光を遮光するので、光が基板の底部下の接着剤へ到達しない。また、基板の外周を覆う接着剤の上には、切り欠き部又は面取り部に形成された遮光膜が配されて基板側面からの光を遮光するので、光が基板外周を覆う接着剤にも到達しない。したがって、接着剤全体の変色や劣化を防ぐことが可能になる。さらに、遮光膜の光反射率が高い場合、遮光膜によって基板からの光が上面側に反射されて輝度に寄与することにより、遮光膜が光反射膜としても機能する。
特に、テーパ状の面取り部を底部外周縁に形成すれば、面取り部に形成された遮光膜で効率的に光が反射され、輝度をより向上させることができる。

また、この半導体発光素子の製造方法では、半導体ウェハーの下面に溝を格子状に形成した状態で下面全面に遮光膜を成膜し、その後に溝内でダイシング又は割断してチップ状に分割することで、ウェハー状態で容易に下面と切り欠き部又は面取り部とに遮光膜を一括して形成することができ、チップ状に分割した後に遮光膜を形成する必要がないことから、製造時における作業効率に優れている。

また、本発明の半導体発光素子は、前記遮光膜が、金属膜であることを特徴とする。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記遮光膜を成膜する工程で、蒸着法又はメッキ法により金属層を形成して前記遮光膜とすることを特徴とする。
すなわち、これらの半導体発光素子及びその製造方法では、金属膜の遮光膜を採用するので、高い光反射効果及び放熱効果を得ることができると共に、樹脂製接着剤だけでなくハンダ剤等を接着剤として用いることが可能になる。

また、本発明の半導体発光素子は、前記切り欠き部又は前記面取り部が、前記ｐｎ接合面の近傍まで形成されていることを特徴とする。すなわち、この半導体発光素子では、切り欠き部又は面取り部がｐｎ接合面の近傍まで形成されているので、遮光膜による遮光効果がさらに高くなり、特に金属膜を遮光膜とした場合、金属膜が発熱源となるｐｎ接合面に近づいて形成されることになり、放熱効率がさらに高くなる。

また、本発明の半導体発光素子は、前記複数の半導体層が、窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、前記ｐｎ接合面から青色光又は紫外光の発光が可能であることを特徴とする。すなわち、この半導体発光素子では、短波長で高いエネルギーを有し接着剤を変色又は劣化させ易い青色光又は紫外光の発光素子に好適である。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る半導体発光素子及びその製造方法によれば、基板の底部の外周縁に形成した切り欠き部又は面取り部にも遮光膜が形成されるので、基板底部下の接着剤だけでなく、切り欠き部又は面取り部の下方にあって基板の外周を覆う接着剤に対しても基板からの光が遮光膜により遮光されることで、接着剤全体の変色や劣化を防止することができる。また、ウェハー状態で容易に下面と切り欠き部又は面取り部とに遮光膜を一括して形成することができ、チップ状に分割した後に遮光膜を形成する必要がないことから、製造時における作業効率に優れている。
したがって、実装信頼性の向上を図ることができると共に、不透明な接着剤やハンダ剤等の接着剤なども使用可能になり、素子固定方法の選択自由度も向上する。また、作業効率の向上と共に量産性の向上を図ることができ、製造コストを低減することが可能になる。

以下、本発明に係る半導体発光素子及びその製造方法の第１実施形態を、図１及び図２に基づいて説明する。

本実施形態における半導体発光素子１０は、例えば一般照明用光源や自動車用ヘッドライト光源などの白色ＬＥＤ光源用に用いられる青色（波長λ：４７０〜４９０ｎｍ）ＬＥＤ又は紫外光（波長λ：４７０ｎｍ未満）ＬＥＤであって、図１の（ａ）〜（ｃ）に示すように、基板１２と、基板１２上に積層され発光面となるｐｎ接合面１１を有する複数の半導体層１３と、を備えている。また、この半導体発光素子１０は、基板１２の底部の外周縁に、段差状の切り欠き部１４が形成され、基板１２の底部と切り欠き部１４とに遮光膜１５が形成されている。

上記基板１２は、例えばサファイア基板などの絶縁性基板が採用される。
上記複数の半導体層１３は、窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、例えばＩｎＧａＮ系化合物半導体を結晶成長して積層したものである。この半導体層１３の上面には、図示しないｐ型半導体層に電気的に接続されたｐ側電極（図示略）と、図示しないｎ型半導体層に電気的に接続されたｎ側電極（図示略）とが形成されている。
上記遮光膜１５は、基板１２における上記半導体層１３の形成側（上面側）に対して反対側（下面側）の面（下面）に、蒸着法又はメッキ法により形成されたＡｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）などの金属膜である。

この半導体発光素子１０を実装する際、遮光膜１５側を下側（すなわち、ｐｎ接合面１１を上側）として実装基板５上に半導体発光素子１０を接着剤６で固定する。この接着剤６としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂製の絶縁性接着剤やハンダ剤やＡｇペースト等の導電性接着剤などが採用される。

次に、本実施形態の半導体発光素子１０の製造方法について、図２を参照して説明する。

まず、図２の（ａ）に示すように、サファイヤウェハー等の絶縁性ウェハー１６上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等により窒化ガリウム系化合物半導体の半導体層１３を複数積層成長し、さらに半導体層１３上にｐ側電極及びｎ側電極を形成して半導体ウェハー１７を作製する。
次に、図２の（ｂ）に示すように、絶縁性ウェハー１６の下面（半導体層１３形成面の反対面）に、ダイシング又はエッチングにより溝１８を所定の格子状にパターン形成する。

さらに、図２の（ｃ）に示すように、溝１８が形成された絶縁性ウェハー１６の下面全面に、蒸着法又はメッキ法によりＡｌ、Ａｕ、Ａｇなどの金属膜の遮光膜１５を形成する。そして、この後、図２の（ｄ）に示すように、半導体ウェハー１７を溝１８に沿って溝１８内でダイシングして略長方形又は略直方形のチップ状に分割することで、複数の半導体発光素子１０を作製する。なお、ダイシングは、溝１８の幅方向中央部分で行うことが好ましく、溝１８の幅は、少なくともダイシング時に溝１８の内壁に損傷が生じない幅に設定されている。また、ダイシング以外にスクライビング後に割断（ブレーク加工）を行ってチップ状に分割しても構わない。

このように本実施形態の半導体発光素子１０では、基板１２の底部の外周縁に形成した切り欠き部１４にも遮光膜１５が形成されているので、基板１２の底部下の接着剤６だけでなく、切り欠き部１４の下方にあって基板１２の外周を覆う接着剤６に対しても基板１２からの光が遮光膜１５により遮光されることで接着剤６の変色や劣化を防止することができる。

すなわち、基板１２の底部に形成された遮光膜１５が基板１２の底部からの光を遮光するので、光が基板１２の底部下の接着剤へ到達しない。また、基板１２の外周を覆う接着剤６の上には、切り欠き部１４に形成された遮光膜１５が配されて基板１２の側面からの光を遮光するので、光が基板１２の外周を覆う接着剤６に到達しない。したがって、接着剤６全体の変色や劣化を防ぐことが可能になる。なお、本実施形態では、接着剤６への光を遮光することができるので、変色し易い接着剤６であっても採用することが可能になる。例えば、変色し難いが接着力が比較的弱いシリコーン樹脂に代えて、変色し易いが接着力が高いエポキシ樹脂を採用することが可能になる。
さらに、金属膜のように遮光膜１５の光反射率が高い場合、遮光膜１５によって基板１２からの光が上面側に反射されて輝度に寄与することにより、遮光膜１５が光反射膜としても機能する。

また、この半導体発光素子１０の製造方法では、半導体ウェハー１７の下面に溝１８を格子状に形成した状態で下面全面に遮光膜１５を成膜し、その後に溝１８内でダイシングしてチップ状に分割することで、ウェハー状態で容易に下面と切り欠き部１４とに遮光膜１５を一括して形成することができ、チップ状に分割した後に遮光膜１５を形成する必要がない。このように、本実施形態の製造方法によれば、ウェハー状態で一括して加工及び成膜ができ、量産性に優れていると共に製造時における作業効率に優れている。
さらに、金属膜の遮光膜１５を採用するので、高い光反射効果及び放熱効果を得ることができると共に、樹脂製接着剤だけでなくハンダ剤等を接着剤として用いることが可能になる。

次に、本発明に係る半導体発光素子及びその製造方法の第２実施形態について、図３を参照して説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、基板１２の底部外周縁に段差状の切り欠き部１４を形成して切り欠き部１４を含む基板１２の下面全面に遮光膜１５を形成しているのに対し、第２実施形態の半導体発光素子２０では、図３の（ａ）〜（ｃ）に示すように、基板２２の底部の外周縁にテーパ状の面取り部２４を形成し、基板２２の底部と面取り部２４とに遮光膜１５を形成している点である。

すなわち、第２実施形態の半導体発光素子２０を製造するには、半導体ウェハー１７の下面にダイシング又はエッチングにより断面Ｖ字状の溝を格子状に形成し、遮光膜１５を半導体ウェハー１７の下面全面に形成した後、溝１８の幅方向中央部でダイシング又は割断してチップ状に分割することで、複数の半導体発光素子２０を作製する。上記面取り部２４は、基板１２の側面（壁面）に対して内側に傾斜した面を有し、この傾斜面がｐｎ接合面１１からの光を内側や上面側に反射する反射面としても機能する。

したがって、第２実施形態の半導体発光素子１０では、テーパ状の面取り部２４を基板２２の底部外周縁に形成しているので、面取り部２４に形成された遮光膜１５で効率的に光を上面側に反射させることができ、輝度をより向上させることができる。
なお、面取り部２４を形成するために断面Ｖ字状の溝を半導体ウェハー１７の下面に形成するので、割断（ブレーク加工）だけでチップ状に分割することも可能である。

次に、本発明に係る半導体発光素子及びその製造方法の第３及び第４実施形態について、図４及び図５を参照して説明する。

第３及び第４実施形態と第１及び第２実施形態との異なる点は、第１及び第２実施形態では、切り欠き部１４及び面取り部２４が基板１２、２２の下面近傍だけに形成されているのに対し、図４及び図５の（ａ）〜（ｃ）に示すように、第３及び第４実施形態の半導体発光素子３０、４０では、切り欠き部３４及び面取り部４４が基板３２、４２の下面からｐｎ接合面１１の近傍まで形成されている点である。

すなわち、第３及び第４実施形態の半導体発光素子３０、４０では、切り欠き部３４及び面取り部４４を覆う遮光膜１５が基板３２、４２の側面側の大部分を覆って形成されている。
したがって、第３及び第４実施形態の半導体発光素子３０、４０では、切り欠き部３４及び面取り部４４がｐｎ接合面１１の近傍まで形成されているので、金属膜である遮光膜１５も発熱源となるｐｎ接合面１１に近づいて形成されることになり、遮光効果及び放熱効率がさらに高くなる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

例えば、上記各実施形態のように、接着剤に変色や劣化を生じさせ易い青色又は紫外光の発光ダイオード素子に本発明の半導体発光素子を適用することが好ましいが、赤外光、赤色、緑色等の他の発光波長帯域の発光ダイオード素子に適用しても構わない。これらの場合でも、本発明を適用すれば、接着剤の変色又は劣化を防止する効果、反射による輝度向上効果及び金属膜による放熱効果を得ることができる。
また、上述したように、金属膜からなる遮光膜１５を採用することが好ましいが、単層又は複数積層され高い反射率を有する誘電体膜などを遮光膜として用いても構わない。

本発明に係る第１実施形態の半導体発光素子及びその製造方法において、半導体発光素子の基板側から見た斜視図（ａ）、半導体層側から見た斜視図（ｂ）及びａ図のＡ−Ａ線矢視で実装状態の断面図（ｃ）である。 第１実施形態の半導体発光素子及びその製造方法において、製造方法を工程順に示す斜視図である。 本発明に係る第２実施形態の半導体発光素子及びその製造方法において、半導体発光素子の基板側から見た斜視図（ａ）、半導体層側から見た斜視図（ｂ）及びａ図のＢ−Ｂ線矢視で実装状態の断面図（ｃ）である。 本発明に係る第３実施形態の半導体発光素子及びその製造方法において、半導体発光素子の基板側から見た斜視図（ａ）、半導体層側から見た斜視図（ｂ）及びａ図のＣ−Ｃ線矢視で実装状態の断面図（ｃ）である。 本発明に係る第４実施形態の半導体発光素子及びその製造方法において、半導体発光素子の基板側から見た斜視図（ａ）、半導体層側から見た斜視図（ｂ）及びａ図のＤ−Ｄ線矢視で実装状態の断面図（ｃ）である。 本発明に係る従来例（特許文献１）の半導体発光素子及びその製造方法において、実装状態の半導体発光素子を示す断面図である。 本発明に係る従来例（特許文献２）の半導体発光素子及びその製造方法において、実装状態の半導体発光素子を示す断面図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０…半導体発光素子、１１…ｐｎ接合面、１２、２２、３２、４２…基板、１３…半導体層、１４、３４…切り欠き部、１５…遮光膜、１６…絶縁性ウェハー、１７…半導体ウェハー、１８…溝、２４、４４…面取り部

Claims (4)

1. 青色光又は紫外光の半導体発光素子であって、
   絶縁性基板からなる基板と、
   前記基板上に積層され発光面となるｐｎ接合面を有する複数の半導体層と、
   前記半導体層の上面に形成されたｐ側電極及びｎ側電極とを備え、
   前記基板の底部の外周縁に、段差状の切り欠き部又はテーパ状の面取り部が形成され、前記基板の底部と前記切り欠き部又は前記面取り部とに金属膜の遮光膜が形成され、
   実装する際、前記遮光膜側を下側として、樹脂製の絶縁性接着剤で前記切り欠き部又は前記面取り部の下方にあって前記基板の外周を覆って、実装基板上に固定され、
   前記接着剤の上に前記遮光膜が配されて前記基板の側面からの光を遮光することを特徴とする半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   前記切り欠き部又は前記面取り部が、前記ｐｎ接合面の近傍まで形成され、
   前記遮光膜が、前記基板の側面側の大部分を覆っていることを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項１又は２に記載の半導体発光素子の製造方法において、
   基板と、前記基板上に形成され発光面となるｐｎ接合面を有する複数の半導体層と、を備えた半導体発光素子の製造方法であって、
   絶縁性ウェハー上に複数の前記半導体層を積層して半導体ウェハーを作製する工程と、
   前記半導体ウェハーの下面に溝を格子状に形成する工程と、
   前記半導体ウェハーの前記溝上を含めた下面全面に遮光膜を成膜する工程と、
   前記半導体ウェハーを前記溝に沿って前記溝内でダイシング又は割断してチップ状に分割する工程と、を有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３に記載の半導体発光素子の製造方法において、
   前記遮光膜を成膜する工程で、蒸着法又はメッキ法により金属膜を形成して前記遮光膜と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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