JP5267462B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
しかし、窒化物半導体層は、通常、サファイア基板からなるウェハ上に積層され、サファイア基板はオリフラ(多くはA面、C面)に対する平行方向で劈開性を有していないことから、スクライバー等で分割することは困難であった。
さらに、レーザースクライバーを用いて溝を形成し、その溝を用いてブレイキングする場合においても、劈開性のないサファイア基板は膜厚方向に斜めに、つまり、傾斜するように割れが入り、素子として機能する半導体層の一部にまで割れが掛かり、不良品となる場合があった。
さらに、サファイア基板の裏面からレーザによって内部加工をし、さらにサファイア基板裏面にスクライビングやレーザ照射により表面を加工し、チップ化する方法が提案されている(例えば、特許文献3)。
また、単に、レーザをサファイア基板内部に照射して、基板内部に割り溝を形成しても、やはり、意図するようにサファイア基板が垂直に劈開せず、斜め方向への割れが依然として出現するという課題がある。
a面であるオリフラ面を有するサファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層したウェハの半導体層側に第1の破断溝を形成し、該第1の破断溝内に設定した分割予定線で分割して半導体発光素子を製造する方法であって、
前記オリフラ面に平行な方向Xoにオフ角θを有するサファイア基板の第1主面上に半導体層を積層し、
前記半導体層側に、前記方向Xoに対して略垂直な方向Yに延びる第1破断溝を形成し、
前記サファイア基板の内部に、前記第1破断溝に平行に、かつオフ角θの傾きに対応して第1破断溝内の前記分割予定線から±Xo方向に所定距離シフトさせて、レーザ光の照射により第2破断線を形成し、
前記第1破断溝及び第2破断線に沿ってウェハを分割する工程を含み、
前記オリフラ面を手前に配置したサファイア基板の第1主面側からの平面視において、右側へ向かう方向をXo、左側へ向かう方向を−Xoとし、
第2破断線を、前記サファイア基板がXo方向に−θのオフ角の場合には前記第1破断溝内の分割予定線から−Xo方向に所定距離シフトさせ、前記サファイア基板がXo方向に+θのオフ角の場合には前記第1破断溝内の分割予定線から+Xo方向に所定距離シフトさせて形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
前記サファイア基板の第1主面に、エッチングによって底面形状が多角形の凸部を形成し、
前記サファイア基板の第1主面に半導体層を積層し、
前記サファイア基板の第1主面側からの平面視において、前記凸部底面の多角形の重心から1つの鋭角状の頂点に向う方向Xに対して略垂直な方向Yに延びる第1破断溝を、前記半導体層側に形成し、
前記サファイア基板の内部に、前記第1破断溝に平行に、かつ該第1破断溝内の分割予定線から−X方向に所定距離シフトさせて、レーザ光の照射により第2破断線を形成し、
前記第1破断溝及び第2破断線に沿ってウェハを分割する工程を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
サファイア基板と、
該基板の第1主面に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層とを備える略四角形状の半導体発光素子であって、
該半導体発光素子の対向する1組の側面は、前記サファイア基板の第1主面に対して略垂直であり、
他の1組の側面は、前記サファイア基板の第1主面側に、該第1主面に対して傾斜した面と、前記サファイア基板の第2主面側に、該第2主面に対して略垂直な面とを有することを特徴のひとつとする。
サファイア基板と、
該基板の第1主面に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層を有する略四角形状の半導体発光素子であって、
前記サファイア基板の第1主面に、底面形状が多角形の凸部を有し、かつ、
前記サファイア基板の第1主面側からの平面視において、前記凸部底面の多角形の重心から1つの鋭角状の頂点に向う方向Xに対して略垂直な方向Yに延びる、前記半導体発光素子の対向する1組の側面は、前記サファイア基板の第1主面側に、該第1主面に対して傾斜した面と、前記サファイア基板の第2主面側に、該第2主面に対して略垂直な面とを有し、
他の1組の側面は、前記サファイア基板の第1主面に対して略垂直であることを特徴のひとつとする。
さらに、分割面の確実な制御によって、意図しない分割等を見越したマージン領域を設ける必要がなく、1枚のウェハから得られるチップ数を最大限にして、生産効率の向上を図ることができる。
サファイア基板は、通常、ウェハとして、略円盤状でオリエンテーションフラット(OF)を有している。サファイア基板は、例えば、六方晶のAl2O3からなる基板、C面、A面、R面、M面のいずれかを主面とするサファイアによる基板、a軸に対してr軸が直交する基板であり得る。オリフラ面は、A面又はC面であることが好ましい。なかでも、C面(0001)を主面とし、オリフラ面をA面(11−20)とするサファイア基板であることがより好ましい。
これにより、この上に形成される半導体層を結晶性よく成長させることができる。
また、後述する第1破断溝及び第2破断線を最適な位置に形成するために、サファイア基板の第1主面及び/又は第2主面のオフ角を有効に利用することができる。
オフ角は、このオリフラ面に対して平行な方向Xo(図7(b)中、矢印Xo)での傾斜角θを指す。
本明細書においては、特に断りのない限り、オリフラ面を手前に配置したサファイア基板の第1主面側からの平面視において、右側へ向かう方向をXo(+Xo)、左側へ向かう方向を−Xoとする。また、このオリフラ面を手前に配置して(実線で示す)、図7(b)に示すように、これら図面に向って右側が下がる場合(破線で示す)、つまり、Xo方向に下がる場合を−θと定義する。図7(a)に示すように、右側が上がる場合、つまり、Xo方向に上がる場合をθまたは+θと表す(図5(a)及び(b)参照)。
オフ角に対する基板分割の傾斜方向の関係はかなり精度が高いものであることが確認されている。つまり、上述したように、C面を主面とし、A面をオリフラ面としたウェハを用いると、略オリフラ面に平行な方向以外のオフ角θの有無、オフ角θの程度、サファイア基板の表面粗さ等の種々の要因との相互関係による影響が考えられるものの、所定方向へのオフ角θの角度及び方向によって、サファイア基板分割の傾斜(例えば、r軸の方向性)を決定し、それに従って分割することができることを見出した。これによって、サファイア基板表面のオフ角を測定するという非常に簡便な方法を利用することにより、サファイア基板の分割を制御することが可能となり、歩留まりを飛躍的に向上させることができる。
また、この凸部は、特に第2主面に形成される場合には、製造工程の間にドライエッチング又はウェットエッチング、研磨等により、凸部を部分的に又は完全に除去してもよい。
形成する凸部の形状及び大きさは特に限定されないが、例えば、凸部のサファイア基板の第1主面側からみた平面形状(最も第1主面に近い部分の形状:底面形状)が、多角形であることが適している。特に、三角形又は六角形が挙げられる。この場合の六角形は、例えば、鋭角と鈍角が交互に配置された変形形状の六角形が例示される。なお、本願明細書においては、多角形等の形状表現は、幾何学的に完全な多角形等の形状を指すのみならず、加工上等の理由から、角に丸みを帯びているもの等、近似する形状、若干の変形形状をも包含する。
つまり、上述したように、C面を主面とし、A面をオリフラ面としたウェハを用いると、マスクパターンの形状、エッチング条件(エッチャントの種類、エッチング時間等)によって、サファイア基板の第1主面側からの平面視において、底面が三角形又は六角形等の多角形の凸部を形成することができる。この凸部底面おけるその1つの鋭角の向きが、オリフラ面に対して平行な方向(例えば、この方向をXo方向とする)と一致する傾向があり、さらに、サファイア基板のオフ角θの±に対応して、形成される凸部の1鋭角が±X方向を向く傾向があることを見出した。
また、サファイア基板の表面がオフ角を有していない場合、つまり、オフ角が0°の場合でも、ウェットエッチングによって凸部を形成することにより、凸部における底面形状によってオフ角での決定よりもさらに精度よく、第1及び第2破断線の位置を決定し、サファイア基板の分割を制御することができる。よって、より高い確率で歩留まりを向上させることが可能となる。
その幅は特に限定されないが、例えば、10〜50μm程度が挙げられる。その深さは、上述したように、半導体層が第1導電型層、発光層及び第2導電型層の順で積層されている場合には、第1導電型層が露出する程度に設定することが適している。また、半導体層の構成にかかわらず、サファイア基板が露出する程度に設定することが好ましい。
あるいは、第1破断溝は、サファイア基板の第1主面側からの平面視において、図1A及び図2Aに示すように、先の工程で形成したサファイア基板10における凸部11の底面11aの三角形の重心Gから1つの鋭角状の頂点11bに向う方向Xに対して少なくとも、略垂直な方向Yに延びるように形成する。
この場合のピッチは、得ようとする半導体発光素子の大きさによって適宜調整することができる。例えば、80μm〜2000μm程度が挙げられる。
また、サファイア基板の第1主面側からの平面視において、凸部の形状が、例えば、図1B及び図2Bに示すように、略六角形の形状の場合には、凸部21の底面21aの六角形の重心Gから1つの鋭角状の頂点21bに向う方向Xに対して略垂直な方向Yに延びるように形成する。
特に、サファイア基板に対して透過するレーザ光の照射により形成することが好ましい。ここで透過するとは、レーザ光をサファイア基板に照射した直後、つまり、サファイアが変質していない状態において透過率が70%以上であること、さらに80%以上、90%以上であることを意味する。
また、レーザ光の照射は、半導体層側から行ってもよいが、半導体層での吸収を考慮して、第2主面側から行うことが好ましい。半導体層、特に発光層へのレーザ光の照射を回避することによって、発光効率の低下を最小限にとどめるためである。
また、その深さは、サファイア基板の厚みの4分の1程度以上とすることが適している。さらに好ましくは、サファイア基板の厚みの30%程度以上、70%程度以下、60%程度以下、50%程度以下が挙げられる。具体的には、10〜60μm程度が挙げられる。これにより、サファイア基板の厚みにかかわらず、分割面の傾斜を制御することが容易となる。また、不要なサファイアの変質を伴わず、変質部分における光の吸収を最小限にとどめて、発光効率の低下を抑制することが可能となる。
具体的には、図5(a)のように、オフ角が−θの場合、つまり、サファイア基板のオリフラ面を手前に配置した際に左側から右側に下がっている場合には、上がっている(−Xo)方向に第2破断線を所定距離シフトさせることが好ましい。また、図5(b)のように、オフ角が+θの場合、つまり、サファイア基板のオリフラ面を手前に配置した際に左側から右側に上がっている場合には、上がっている(Xo)方向に第2破断線を所定距離シフトさせることが好ましい。
その後、第1破断溝及び/又は第2破断線に沿ってウェハを分割する。分割方法自体は、当該分野で公知の方法によって行うことができる。これによって、第1破断溝から第2破断線に至る分割面がサファイア基板の第1主面に対する法線方向から意図するとおり傾斜させることができる。この傾斜角度αは、例えば、8°±5°程度が挙げられる(図3(a)、図4及び図6中、α)。
このように、サファイア基板の側面において、一方の対向する側面が一様に垂直な面を有し、他方の対向する側面が第1主面側に傾斜した面と第2主面側に垂直な面とを有する(垂直面と傾斜面とを混在して有する)ことで、外部への光取出し効率を向上させることができると共に、サファイア基板側を実装するような、第2主面を実装面とする形態において、実装時また実装された発光装置における半導体発光素子の重心安定性を確保することができる。
また、凸部が、サファイア基板の第1主面に対して、傾斜した側面、特に、2段階に傾斜した側面を有することが好ましい。 さらに、凸部は、底面において、X方向に前記鋭角状の頂点を有しているとともに、Xと反対の方向である−X方向に湾曲状の突出部、例えば、図1A及びB、図2A及びBのmを有することが好ましい。このように、湾曲状の突出部がサファイア基板の傾斜した側面と対向することにより、基板側に進んだ光を、突出部を構成する辺(面)で屈折させ、早期に外部へ取り出すことができる。つまり、突出部と傾斜した側面とが対向することにより、光を側面に垂直に入射させることができる。また、X方向と垂直な方向(Y方向)の基板側面は垂直な面であることで、Y方向の側面は突出部と対向していない。従って、Y方向の側面には垂直に光が入射せず、比較的早期に外部に取出すことができる。
実施例1〜12
まず、基板としてA面(11−20)にオリフラのあるC面(0001)を第1主面とし、A面方向に平行な方向Xoに、表1に示すオフ角を有するサファイア基板(厚み400μm程度)を、それぞれ準備した。
まず、n型半導体層12としてAlxGa1−xN(0≦x≦1)の低温成長バッファ層を10nm、アンドープのGaNを3μm、SiドープのGaNを4μm、アンドープのGaNを300nm積層した。
その上に、発光領域となる多重量子井戸の活性層13として、(井戸層/障壁層)=(アンドープのInGaN/SiドープのGaN)をそれぞれの膜厚を(6nm/25nm)として井戸層が6層、障壁層が7層となるように交互に積層した。
活性層の上に、p型半導体層14として、MgドープのAlGaNを20nm、アンドープのGaNを100nm、MgドープのGaNを20nm積層した。p型半導体層として形成するアンドープのGaN層は、隣接する層からのMgの拡散によりp型を示す。
その後、p型半導体層の表面全面にITOからなる透光性のp電極を、さらに透光性のp電極上に、n型半導体層の露出面と対向する位置にpパッド電極を形成した。n型半導体層の露出面には、W/Al/Wからなるn電極と、nパッド電極とを形成した。pパッド電極及びnパッド電極はいずれもTi/Rh/W/Auとした。
続いて、第1破断溝15及び第2破断線16に沿って、ウェハをチップ状に分割し、一辺が350μm程度の半導体チップを得た。この際、ウェハは、図6に示すように、サファイア基板の表面に対する法線方向から、−Xo方向に、α°傾斜して、破線に沿って斜めに分割した。この分割面の角度αは、19°程度であった。
この際、サファイア基板が意図する方向に傾斜して分割できた半導体チップは、約92%であり、非常に高い歩留まりであることを確認した。
これを反射鏡を備えたリードフレームに実装し、砲弾型のLEDを作製した。
なお、オフ角がXo方向に0°である場合には、上述したように、略オリフラ面に平行な方向以外のオフ角θの有無、そのオフ角θの程度、サファイア基板の表面粗さ等の種々の要因との相互関係による影響が考えられるものの、所定の規則性があることを確認している。
まず、基板としてA面(11−20)にオリフラのあるC面(0001)を第1主面とするサファイア基板を準備した。
厚み400μm程度のサファイア基板10上に、膜厚0.5μm程度のSiO2膜を成膜し、円形のパターンが均等に配置する繰り返しパターンを形成した。
次に、凸部11の繰り返しパターンのついたサファイア基板10の上に、図3(a)に示すように、半導体層を形成した。
続いて、第1破断溝15及び第2破断線16に沿って、ウェハをチップ状に分割し、一辺が350μm程度の半導体チップを得た。この際、ウェハは、図3(a)に示すように、サファイア基板の表面に対する法線方向から、−X方向、つまり、サファイア基板10の凸部11底面11aにおける頂点11bが向いている方向とは逆の方向に、α°傾斜して、破線に沿って斜めに分割した。この分割面の角度αは、19°程度であった。
このように、得られた半導体発光素子は、サファイア基板の規則性を、その製造工程において判断し、第1破断溝に対して、適切な方向に第2破断線をシフトさせることができるために、ウェハの分割を容易に制御することができ、ウェハ分割に関する歩留まりを略100%と飛躍的に向上させることができる。また、意図しない分割等を見越したマージン領域を設ける必要がなく、1枚のウェハから得られるチップ数を最大限にして、生産効率の向上を図ることができる。その結果、予め分割面を試し割りによって確認する必要がなく、サファイア基板の全厚み方向及び面内方向への相当の多段のレーザ照射を行うことなく、製造コストの低減を図ることが可能となる。
基板としてA面(11−20)にオリフラのあるC面(0001)を第1主面とするが、実施例1とは異なるサファイア基板を準備し、同様にマスクパターンを形成し、エッチング条件を変更して、硫酸とリン酸との混酸を用いたウェットエッチングによって、サファイア基板10表面をエッチングした。これにより、図2に示したように、サファイア基板10の表面に、凸部21を形成した。この凸部21は、底面21aの形状が変形した略六角錘台形状であり、その底面11aの六角形の鋭角同士を結ぶ一辺の長さが5μm程度、隣接する凸部21の重心G間の距離が7μmであった。また、凸部21側面の傾斜角は120°であった。凸部21の底面11aの六角形の一つの頂点21bは、所定の方向であるX方向を向いている。このX方向は、オリフラに対して平行な方向であった。
次に、実施例1と同様に半導体層を形成した。
図4(a)に示すように、n型半導体層12の一部として、例えば、SiドープのGaNまでをエッチングした溝状の第1破断溝15を、実施例13と同様に形成した。
続いて、実施例13と同様にサファイア基板を研磨し、粘着シートに貼り合わせた。
図4(a)及び(b)に示すように、サファイア基板10の裏面側から、上述した方向Xと逆方向である−X方向に、オリフラ面に対して略垂直方向の第1破断溝15の分割予定線から、第1破断溝15と平行に距離βシフトさせた位置であって、かつ、サファイア基板10の内部に、第2破断線16を、実施例13と同様に形成した。
これを反射鏡を備えたリードフレームに実装し、砲弾型のLEDを作製した。
このように、得られた半導体発光素子は、実施例13の半導体発光素子と同様の効果が得られるとともに、発光効率も実施例13と同様であった。
11b、21b 頂点 12 n型半導体層 13 発光層
14 p型半導体層 15 第1破断溝 16 第2破断線
17 レーザ光
Claims (24)
- a面であるオリフラ面を有するサファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層したウェハの半導体層側に第1の破断溝を形成し、該第1の破断溝内に設定した分割予定線で分割して半導体発光素子を製造する方法であって、
前記オリフラ面に平行な方向Xoにオフ角θを有するサファイア基板の第1主面上に半導体層を積層し、
前記半導体層側に、前記方向Xoに対して略垂直な方向Yに延びる第1破断溝を形成し、
前記サファイア基板の内部に、前記第1破断溝に平行に、かつオフ角θの傾きに対応して第1破断溝内の前記分割予定線から±Xo方向に所定距離シフトさせて、レーザ光の照射により第2破断線を形成し、
前記第1破断溝及び第2破断線に沿ってウェハを分割する工程を含み、
前記オリフラ面を手前に配置したサファイア基板の第1主面側からの平面視において、右側へ向かう方向をXo、左側へ向かう方向を−Xoとし、
第2破断線を、前記サファイア基板がXo方向に−θのオフ角の場合には前記第1破断溝内の分割予定線から−Xo方向に所定距離シフトさせ、前記サファイア基板がXo方向に+θのオフ角の場合には前記第1破断溝内の分割予定線から+Xo方向に所定距離シフトさせて形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層したウェハの前記窒化ガリウム系化合物半導体側に第1の破断溝を形成し、該第1の破断溝内に設定した分割予定線で分割して半導体発光素子を製造する方法であって、
前記サファイア基板の第1主面に、エッチングによって底面形状が多角形の凸部を形成し、
前記サファイア基板の第1主面に半導体層を積層し、
前記サファイア基板の第1主面側からの平面視において、前記凸部底面の多角形の重心から1つの鋭角状の頂点に向う方向Xに対して略垂直な方向Yに延びる第1破断溝を、前記半導体層側に形成し、
前記サファイア基板の内部に、前記第1破断溝に平行に、かつ該第1破断溝内の分割予定線から−X方向に所定距離シフトさせて、レーザ光の照射により第2破断線を形成し、
前記第1破断溝及び第2破断線に沿ってウェハを分割する工程を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - サファイア基板がオリフラ面を有し、第1主面及び/又は第2主面は、該オリフラ面に平行な方向Xoにオフ角θを有する請求項2に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 凸部底面の多角形の重心から1つの鋭角状の頂点に向う方向Xを、サファイア基板のオリフラ面に対してほぼ平行とする請求項2又は3に記載の方法。
- エッチングがウェットエッチングである請求項2〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子の製造方法。
- レーザ光が、サファイア基板に対して透過する光である請求項1〜5のいずれか1つに記載の方法。
- 半導体層を、サファイア基板側から、第1導電型層、発光層及び第2導電型層の順で積層して形成し、第1破断溝を第1導電型層が露出するように形成する請求項1〜6のいずれか1つに記載の方法。
- 第1破断溝を、サファイア基板が露出するように形成する請求項1〜6のいずれか1つに記載の方法。
- 第2破断線を形成する際のサファイア基板の厚みを、50〜400μmとする請求項1〜8のいずれか1つに記載の方法。
- 第2破断線を、サファイア基板の厚みの4分の1以上の深さで形成する請求項1〜9のいずれか1つに記載の方法。
- 第2破断線を、サファイア基板の厚み方向に多段でレーザ光を照射して形成する請求項1〜10のいずれか1つに記載の方法。
- 第1破断溝から第2破断線に至る分割面がサファイア基板の第1主面に対する法線方向から8°±5°傾斜するように、第1破断溝から第2破断線をシフトさせて形成する請求項1〜11のいずれか1つに記載の方法。
- 前記サファイア基板の第1主面側からの平面視において、第1破断溝の分割予定線から第2破断線を2〜12μmシフトさせて形成する請求項1〜12のいずれか1つに記載の方法。
- 第2破断線を、サファイア基板の第2主面側から形成する請求項1〜13のいずれか1つに記載の半導体発光素子の製造方法。
- サファイア基板と、
該基板の第1主面に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層とを備える略四角形状の半導体発光素子であって、
該半導体発光素子の対向する1組の側面は、前記サファイア基板の第1主面に対して略垂直であり、
他の1組の側面は、前記サファイア基板の第1主面側に、該第1主面に対して傾斜した面と、前記サファイア基板の第2主面側に、該第2主面に対して略垂直な面とを有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記他の1組の側面は、傾斜した面及び略垂直な面のいずれにおいても互いに平行である請求項15の半導体発光素子。
- サファイア基板と、
該基板の第1主面に積層された窒化ガリウム系化合物半導体層を有する略四角形状の半導体発光素子であって、
前記サファイア基板の第1主面に、底面形状が多角形の凸部を有し、かつ、
前記サファイア基板の第1主面側からの平面視において、前記凸部底面の多角形の重心から1つの鋭角状の頂点に向う方向Xに対して略垂直な方向Yに延びる、前記半導体発光素子の対向する1組の側面は、前記サファイア基板の第1主面側に、該第1主面に対して傾斜した面と、前記サファイア基板の第2主面側に、該第2主面に対して略垂直な面とを有し、
他の1組の側面は、前記サファイア基板の第1主面に対して略垂直であることを特徴とする半導体発光素子。 - 傾斜した面が、サファイア基板の第1主面に対する法線方向から8°±5°傾斜してなる請求項15〜17のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- サファイア基板が、X方向にオフ角θを有する請求項17又は18に記載の半導体発光素子。
- 凸部が、サファイア基板の第1主面に対して、傾斜した側面を有する請求項17〜19のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 凸部が、サファイア基板の第1主面に対して、2段階の傾斜した側面を有する請求項20に記載の半導体発光素子。
- 凸部は、底面において、X方向に前記鋭角状の頂点を有し、
Xと反対の方向である−X方向に、前記多角形を構成する隣り合う二辺がなす鈍角状の頂点又は前記多角形を構成する湾曲状の隣り合う二辺がなす頂点を有する請求項17〜21のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - サファイア基板の第1主面側の傾斜した面が、第2主面側の垂直な面よりも平滑な面である請求項15〜22のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- サファイア基板の第2主面側の垂直な面が、サファイア基板の厚みの4分の1以上で形成されてなる請求項15〜23のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
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