JP5017399B2 - 半導体発光装置および半導体発光装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光装置および半導体発光装置の製造方法に関する。
窒化物系III−Ｖ族化合物半導体をサファイア基板やＳｉＣ基板上に結晶成長させることで、レーザーダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光デバイスを作製することができる。この種の光デバイスが抱える技術上の課題として、放熱性と光取り出し効率の向上が挙げられている。この種の光デバイスは、大電流を流した場合の安定動作が難しかった。
近年、サファイア基板上に形成されたIII−Ｖ族化合物半導体をサブマウント基板にフリップチップ実装した後にアンダーフィル材で固定化し、その後に、レーザリフトオフ法によりサファイア基板を剥離し、化合物半導体の上面を粗面化処理して光取り出し効率向上を図った半導体発光装置が提案されている。
しかしながら、アンダーフィル材がサファイア基板の側面に付着している場合には、レーザリフトオフ法によりサファイア基板を剥離するのに余計な力が必要となり、強引に剥離すると、化合物半導体が割れるおそれがある。
このため、サファイア基板の側面にアンダーフィル材が付着しないようにした技術も提案されている（特許文献1参照）。
しかしながら、特許文献１の場合は、サファイア基板の側面にはアンダーフィル材は付着していないものの、サファイア基板の底面にはアンダーフィル材が付着しているため、やはりサファイア基板を剥離するのに余計な力が必要となり、場合によっては化合物半導体やアンダーフィル材に亀裂が入ったり、割れるおそれがある。また、特許文献１に開示されている形状のアンダーフィル材を形成するには、より多くの製造工程が必要となり、製造コストの増大につながる。
本発明は、レーザリフトオフ法にて基板を剥離する際に、基板上の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体が損傷しないようにした半導体発光装置および半導体発光装置の製造方法を提供するものである。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様によれば、支持基板と、
前記支持基板上にバンプを介して接合される窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層からなる発光素子と、
前記支持基板と前記発光素子との間に配置されるアンダーフィル材と、を備え、
前記アンダーフィル材は、前記発光素子の端面よりも外側に配置されて前記発光素子の端面を取り囲むように配置されるリブ部を有することを特徴とする半導体発光装置が提供される。
前記支持基板上にバンプを介して接合される窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層からなる発光素子と、
前記支持基板と前記発光素子との間に配置されるアンダーフィル材と、を備え、
前記アンダーフィル材は、前記発光素子の端面よりも外側に配置されて前記発光素子の端面を取り囲むように配置されるリブ部を有することを特徴とする半導体発光装置が提供される。
また、本発明の一態様では、剥離対象基板の上に窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程と、
前記剥離対象基板および前記化合物半導体層を、発光素子の単位で分断して複数の発光部を形成する工程と、
前記複数の発光部のそれぞれをシート材に接合した状態で、前記発光部の端面全体を保護膜で覆う工程と、
前記保護膜で覆われた前記発光部から前記シート材を除去した後に、前記発光部内の前記化合物半導体層と支持基板とをバンプを介して接合する工程と、
前記支持基板の表面から前記保護膜の側面の少なくとも一部までをアンダーフィル材で覆う工程と、
前記保護膜を除去して、前記発光部の端面よりも外側に配置されて前記発光部の端面を取り囲むように配置されるリブ部を前記アンダーフィル材にて形成する工程と、
レーザリフトオフ法により前記剥離対象基板を剥離する工程と、
前記剥離対象基板と接触されていた前記発光層の表面を粗面化する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光装置の製造方法が提供される。
前記剥離対象基板および前記化合物半導体層を、発光素子の単位で分断して複数の発光部を形成する工程と、
前記複数の発光部のそれぞれをシート材に接合した状態で、前記発光部の端面全体を保護膜で覆う工程と、
前記保護膜で覆われた前記発光部から前記シート材を除去した後に、前記発光部内の前記化合物半導体層と支持基板とをバンプを介して接合する工程と、
前記支持基板の表面から前記保護膜の側面の少なくとも一部までをアンダーフィル材で覆う工程と、
前記保護膜を除去して、前記発光部の端面よりも外側に配置されて前記発光部の端面を取り囲むように配置されるリブ部を前記アンダーフィル材にて形成する工程と、
レーザリフトオフ法により前記剥離対象基板を剥離する工程と、
前記剥離対象基板と接触されていた前記発光層の表面を粗面化する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、レーザリフトオフ法にて基板を剥離する際に、基板上の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層の損傷を防止することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態による半導体発光装置の断面図である。図１の半導体発光装置は、支持基板となるサブマウント基板１上に、接着金属層２とバンプ３を介してそれぞれ接続されるｐ電極層４およびｎ電極層５と、ｐ電極層４およびｎ電極層５に接続される窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層６とを備えている。
化合物半導体層６は、図１の上方から下方にかけて、ｎ型コンタクト層７、ｎ型半導体層８、発光層９、ｐ型半導体層１０およびｐ型コンタクト層１１からなる積層構造である。化合物半導体層６を構成する各層は、サファイア基板上に高品質な結晶成長を行うＧａＮ系単結晶で形成するのが望ましい。各層の具体的な材料の一例は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮである（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）。
ｎ型コンタクト層７の上面は、光取り出し効率を向上させるための粗面化された光取り出し面１２であり、この光取り出し面１２上には屈折率差を緩和するための絶縁膜１３が形成されている。
図１の半導体発光装置を製造する前段階で、サファイア基板上に化合物半導体層６が結晶成長される。図２はサファイア基板２０上に結晶成長した化合物半導体層６の一例を示す断面図である。図２では、図１と共通する層には同一符号を付している。図２の化合物半導体層６は、サファイア基板２０上に順に積層される、バッファ層２１、ｎ型コンタクト層７、ｎ型半導体層８、発光層９、ｐ型半導体層１０およびｐ型コンタクト層１１と、を備え、ｐ型コンタクト層１１の上にはｐ電極層４が形成され、ｎ型コンタクト層７の上にはｎ電極層５が形成される。また、化合物半導体層６の表面は、ｐ電極層４とｎ電極層５の形成箇所を除いて、絶縁膜２２で覆われている。
バッファ層２１は、サファイア基板２０上に直接結晶成長することで形成される。このバッファ層２１には不純物を添加する必要はないが、ゲルマニウム（Ｇｅ）等のｎ型不純物を約２×１０１８ｃｍ−３添加する場合もある。バッファ層２１の成長温度は、例えば約１０００〜１１００℃である。
発光層９は、膜厚が数ｎｍのＩｎＧａＮからなる量子井戸層と、この量子井戸層を挟んで両側に数ｎｍのアンドープＩｎＧａＮからなるバリア層を積層したＳＱＷ構造、あるいは量子井戸層とバリア層を交互に積層したＭＱＷが用いられる。この積層構造の成長温度は、約７００〜８００℃である。
ｐ型半導体層１０は、ＧａＮ系半導体層に、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）等のｐ型不純物を約４×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の不純物濃度で添加した層である。ｐ型コンタクト層１１は、ＧａＮ系半導体層に、Ｍｇ等のｐ型不純物を約１×１０１９ｃｍ−３の不純物濃度で添加した層である。成長温度は、約１０００〜１１００℃である。ｐ型コンタクト層１１上にはｐ電極層４が形成される。
ｐ電極層４は、ｐ型オーミック電極層と高反射電極層を積層して熱処理した層である。ｐ型オーミック電極層は、ｐ型半導体層１０との接触抵抗が小さくなければならないため、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ等の白金族、あるいはＡｇが望ましい。Ａｇは反射率が高いことから、反射率の点でも望ましい。高反射電極層もＡｇなどで形成される。
ｎ型半導体層８は、ＧａＮ系半導体層にｎ型不純物（例えばＳｉ）を添加した層であり、Ｓｉの添加量はｎ型コンタクト層７よりも少ない。
ｎ型コンタクト層７は、ｎ型半導体層８よりもｎ型不純物濃度が高い層であり、ｎ電極層５とオーミック接触をする。ｎ型コンタクト層７は、ＧａＮ系半導体層にＳｉを大量に添加した層である。
ｎ電極層５は、ｎ型コンタクト層７とオーミック接触を取れる材料である必要があり、Ｔｉ／Ａｌ、またはＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕが望ましい。
図１および図２に示すように、化合物半導体層６の表面は絶縁膜２２で覆われるため、ｎ電極層５とｐ電極層４をサファイア基板２０の同じ主面側に配置したとしても、両者が電気的に接続されるおそれはない。
絶縁膜２２としてはＳｉＯ２が望ましく、ＣＶＤ法とＰＶＤ法のいずれで形成してもよい。ＳｉＮを用いて絶縁膜２２を形成してもよいが、膜応力が大きいため、膜厚を１００ｎｍ以下にする必要がある。
ｐ電極層４とｎ電極層５の各表面には、バンプやＡｕワイヤとの接触性をよくするために、パッド電極（不図示）がそれぞれ形成される。パッド電極の最表層はＡｕであり、その膜厚は約１００ｎｍ以上であることが望ましい。この最表層まで形成すれば、クリーンルーム工程は終了であり、これにより図１の半導体発光装置が作製される。
図３および図４は本実施形態による半導体発光装置の製造工程の一例を示す工程図である。まず、サファイア基板２０上に、図２の構造の化合物半導体層６を形成する。図３では、化合物半導体層６を簡略化して図示しているが、実際には図２と同様の構造であり、ｐ電極層４とｎ電極層５も形成されている。そして、化合物半導体層６のサファイア基板２０側を上にして粘着性のシート材３０に接着し、レーザダイサやスクライバ等を用いて発光素子単位に個片化する。本明細書では、個片化された単位を発光部と呼ぶ。発光部は、サファイア基板２０と、その上に形成された化合物半導体層６とを有する。
次に、図３（ａ）に示すように、個片化された発光部内の化合物半導体層６およびサファイア基板２０の少なくとも側面、好ましくは側面と上面に保護膜３１を塗布して乾燥させる。この保護膜３１は、有機溶剤に溶融するフォトレジスト、あるいは熱湯に溶けるＰＶＡ（PolyVinyl Alcohol）やＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）が望ましい。
保護膜３１を形成した化合物半導体層６の表面には図２に示すようにｐ電極層４とｎ電極層５が形成されており、これらｐ電極層４とｎ電極層５にそれぞれバンプ３を形成して、サブマウント基板１と接合する（図３（ｂ））。なお、図３（ｂ）では、簡略化のために接着金属層２を省略している。バンプ３の材料としては、Ａｕが望ましいが、作業効率の点ではワイヤボンディングが望ましい。
サブマウント基板１上には、バンプ３の接合位置に合わせて、予めＡｕＳｎ等からなる接着金属層を形成しておく必要がある。これにより、化合物半導体層６とサブマウント基板１とは熱圧着により接合される。
次に、図３（ｃ）に示すように、接合された化合物半導体層６とサブマウント基板１の間に、アンダーフィル材３２を充填する。このアンダーフィル材３２としては、エポキシ系やシリコン系などの樹脂を用いるのが望ましい。
次に、図４（ａ）に示すように、アンダーフィル材３２を熱硬化させた後、保護膜３１を溶剤やお湯等で除去する。このとき、アンダーフィル材３２が溶けないように、その材料を選定する必要がある。
保護膜３１を除去することにより、アンダーフィル材３２の端面に沿ってリブ部３２ａが形成され、このリブ部３２ａで取り囲まれた内部に化合物半導体層６とサファイア基板２０が配置される。アンダーフィル材３２のリブ部３２ａは、化合物半導体層６の端面とサファイア基板２０の端面のいずれにも接触していない。これがアンダーフィル材３２の構造的な特徴である。
次に、図４（ｂ）に示すように、サファイア基板２０に裏面側（図４（ｂ）の上方側）からレーザ（例えば、ＫｒＦレーザ）を照射して、レーザリフトオフ法によってサファイア基板２０を剥離する。レーザの照射パワー密度は、化合物半導体層６の面積やレーザービームの面内強度分布やビーム面積にも依存するが、０．６５Ｊ／ｃｍ２乃至０．８０Ｊ／ｃｍ２程度が望ましい。
上述したように、アンダーフィル材３２のリブ部３２ａは、サファイア基板２０の端面に接触していないため、レーザリフトオフ法でサファイア基板２０を剥離したときに、無理な力がかかるおそれがなく、化合物半導体層６にも損傷は生じない。
次に、図４（ｃ）に示すように、露出した化合物半導体層６のバッファ層２１およびｎ型コンタクト層７に対して、ＩＣＰ−ＲＩＥ等のドライエッチング、または強アルカリ水溶液によるウエットエッチングを行い、ｎ型コンタクト層７の表面を粗面化処理する。
この粗面化処理では、バッファ層２１を消失させて、ｎ型コンタクト層７が最表面となる程度まで粗面化させるのが望ましい。この粗面化処理により、光取り出し効率が向上し、半導体発光装置の光出力が増大する。
粗面化処理に加えて、光取り出し面１２の屈折率差を緩和する処理を行ってもよい。例えば、粗面化処理を行ったｎ型コンタクト層７の上に絶縁膜１３を塗布すると、光出力の更なる増大を実現することができる。屈折率緩和用の絶縁膜１３は、膜厚が５０〜２００ｎｍで、屈折率が１６以上で２．５以下、透過率が８０％以上が望ましい。
以上の工程により、図１の構造の半導体発光装置が得られる。上述したように、特に特徴的な構造は、アンダーフィル材３２のリブ部３２ａである。このリブ部３２ａは、図４（ａ）の工程で保護膜３１を除去することにより得られ、発光部の端面よりも外側に配置されるため、化合物半導体層６とサファイア基板２０の側面には決して接触しない。
図１の半導体発光装置が完成すると、パッケージング処理が行われる。図５はパッケージングされた半導体発光装置の断面図である。アンダーフィル材３２のリブ部３２ａと化合物半導体層６の側面の間には、蛍光体を添加した樹脂３３が塗布される。また、化合物半導体層６とアンダーフィル材３２の上方はドーム状の封止樹脂３４で覆われるが、この封止樹脂３４にも蛍光体を添加するのが望ましい。
本実施形態による化合物半導体層６は、発光波長が４０５ｎｍ〜４７０ｎｍのいわゆる青色領域の発光を行うのに適しており、この発光波長の場合は、蛍光体の材料としてはＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）かＳＯＳＥ（ストロンチウム・バリウム・オルソシリケート・ユーロピウム）が望ましい。青色領域の化合物半導体層６と蛍光体の組合せにより、白色で発光させることも可能である。
化合物半導体層６の発光波長が４０５ｎｍより短い場合は、封止樹脂３４の劣化速度が著しく速く、４７０ｎｍ以上の場合は、黄色の蛍光体の励起効率が低下し、混色によって白色ＬＥＤの作製が困難になるため、本実施形態では上述した４０５ｎｍ〜４７０ｎｍの発光波長が望ましい。
また、蛍光体を設けることで、発光層９から化合物半導体層６の側面方向に発光した光を光らせることができ、発光効率の向上が図れる。
上述したアンダーフィル材３２の材料の選定にあたっては、その硬度と粘度に着目する必要がある。硬度の基準は、ＫｒＦレーザの衝撃でＧａＮ薄膜が割れないことである。一般に、硬度が低い樹脂３３は、ＫｒＦレーザの衝撃でＧａＮ薄膜が割れてしまう。本発明者が種々の樹脂３３について硬度に関する実験を行った結果、エポキシ系の樹脂３３では硬度Ｄ６０乃至Ｄ８５程度が望ましいことがわかった。
一方、粘度の基準は二つあり、一つはＡｌＮからなるサブマウント基板１と化合物半導体層６との間に隙間（ボイド）ができないことであり、もう一つはサファイア基板２０側への樹脂３３の這い上がりを極力抑えることである。
本発明者が種々の樹脂３３について粘度に関する実験を行った結果、粘度０．８乃至１．４Ｐａ・ｓ程度が望ましいことがわかった。
上記の基準で選定した材料のアンダーフィル材３２を用いて、図１の半導体発光装置を製造したところ、アンダーフィル材３２のリブ部３２ａの高さｈは、５μｍ＜ｈ＜１００μｍの範囲に収まった。このとき、サファイア基板２０の厚さは１００〜１５０μｍであり、化合物半導体層６の厚さは約５μｍとした。また、リブ部３２ａの内壁から化合物半導体層６までの距離は、約２０μｍであった。
このように、本実施形態では、化合物半導体層６をサブマウント基板１に接合するアンダーフィル材３２がサファイア基板２０と化合物半導体層６の側面に接触しないように、アンダーフィル材３２にリブ部３２ａを設けたため、レーザリフトオフ法によりサファイア基板２０を剥離する際に、アンダーフィル材３２とサファイア基板２０との接触によりサファイア基板２０の剥離に無理な力を要するといった不具合が生じなくなり、サファイア基板２０の剥離時の化合物半導体層６の損傷を防止できる。
また、アンダーフィル材３２のリブ部３２ａと化合物半導体層６との間に蛍光体を充填するスペースが得られるため、化合物半導体層６から側面方向に漏れた光を蛍光体で発光させることができ、光出力の増大が図れる。
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれない。したがって、本発明の態様は、上述した個々の実施形態には限定されない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
１ サブマウント基板
４ ｐ電極層
５ ｎ電極層
６ 化合物半導体層
７ ｎ型コンタクト層
８ ｎ型半導体層
９ 発光層
１０ ｐ型半導体層
１１ ｐ型コンタクト層
１２ 光取り出し面
２０ サファイア基板
３１ 保護膜
３２ アンダーフィル材
３２ａ リブ部
４ ｐ電極層
５ ｎ電極層
６ 化合物半導体層
７ ｎ型コンタクト層
８ ｎ型半導体層
９ 発光層
１０ ｐ型半導体層
１１ ｐ型コンタクト層
１２ 光取り出し面
２０ サファイア基板
３１ 保護膜
３２ アンダーフィル材
３２ａ リブ部
Claims (5)
- 支持基板と、
前記支持基板上にバンプを介して接合される窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層からなる発光素子と、
積層方向において前記支持基板と前記発光素子との間に配置され、かつ基板面方向において前記発光素子の側面に接触せずに、前記側面より外側に、前記発光素子の前記側面を取り囲むように配置されるリブ部を有するアンダーフィル材と、を備え、
ることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記アンダーフィル材の上方かつ前記リブ部の内側に配置され、かつ前記発光素子の端面の少なくとも一部を覆うように配置される蛍光体を含有する樹脂部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記発光素子の表面全体を含めて、前記リブ部の外側端面よりも内側を覆う、前記蛍光体を含有する樹脂からなるパッケージ部材を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
- 前記アンダーフィル材は、硬度Ｄ６０乃至Ｄ８５で、かつ粘度０．８乃至１４Ｐａ・ｓのエポキシ系樹脂であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体発光装置。
- 剥離対象基板の上に窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程と、
前記剥離対象基板および前記化合物半導体層を、発光素子の単位で分断して複数の発光部を形成する工程と、
前記複数の発光部のそれぞれをシート材に接合した状態で、前記発光部の端面全体を保護膜で覆う工程と、
前記保護膜で覆われた前記発光部から前記シート材を除去した後に、前記発光部内の前記化合物半導体層と支持基板とをバンプを介して接合する工程と、
前記支持基板の表面から前記保護膜の側面の少なくとも一部までをアンダーフィル材で覆う工程と、
前記保護膜を除去して、前記発光部の側面に接触せずに、前記側面よりも外側に配置されて前記発光部の側面を取り囲むように配置されるリブ部を前記アンダーフィル材にて形成する工程と、
レーザリフトオフ法により前記剥離対象基板を剥離する工程と、
前記剥離対象基板と接触されていた前記発光層の表面を粗面化する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
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