JP5407707B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光素子及びその製造方法の改良に関する。

半導体素子の製造方法として、基板上に半導体を成長させた後に、半導体層と導電性基板を接合層を介して接合し、レーザリフトオフ法（ＬＬＯ）やケミカルリフトオフ法（ＣＬＯ）により成長基板を剥離する方法がある。このような半導体素子の製造方法の例が、特許文献１及び２に開示されている。特許文献１及び２に開示の方法では、共晶系の金属を利用して半導体層と導電性基板を接合している。 また、半導体層や基板の接合に関する技術が特許文献３，４に開示されている。特許文献３には、金属微粒子からなる金属ペーストを焼結して得られるバンプの形成方法が開示されている。特許文献４には、半導体層の上に接合材としてＡｕ製のバンプを形成する方法が開示されている。

特開２００４−２３５５０６号公報 特開２００１−３３９１００号公報 特開２００７−１９１４４号公報 特開２００５−７９５５０号公報

引用文献１及び２の方法では、接合層が共晶系の金属であるため、融点が低く、その後の工程で高温下での処理ができない。 一方、引用文献３及び４の方法では、バンプを介して接合するため、接合時に高い位置精度が求められる。また、バンプはベタ金属層に比べて接合部材との接合面積が小さいため、高い接合強度が得られない。特に、ＬＬＯにより基板を剥離する場合、接合強度の不足によりレーザ照射時に破損する恐れがある。また、多数のバンプを形成しなければならず、コスト高となってしまう。 そこで、本発明は、熱圧着による半導体発光素子への影響が低減され、かつ半導体層や基板の接合部において高い接合強度が得られるＬＥＤチップの製造方法を提供することを目的とする。

この発明は上記課題に鑑みてなされたものである。即ち、 基板を含む半導体発光素子の半導体層を支持基板へ接合し、その後前記半導体発光素子の基板を剥離する工程を含むＬＥＤチップの製造方法において、 前記半導体素子の前記半導体層へ第１の金属層を積層するステップと、 前記支持基板へ第２の金属層を積層するステップと、 前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍであり、前記第１の金属層及び前記第２の金属層と同一及び／又は同種の金属微粒子を含むペーストを介在させるステップと、 前記ペーストを介して、前記第１の金属層と前記第２の金属層とを熱圧着するステップと、を含むことを特徴とするＬＥＤチップの製造方法である。

本発明の第１の局面であるＬＥＤチップの製造方法によれば、半導体層へ積層された第１の金属層と、支持基板へ積層された第２の金属層とが、金属微粒子を含むペーストを接合材として熱圧着される。第１の金属層と第２金属層を直接熱圧着する場合に比べて、低温と低圧で熱圧着できる。これにより、半導体発光素子への熱圧着による影響を低減できる。さらに、第１の金属層と第２の金属層を直接熱圧着する場合は両金属層に十分な厚さが必要なるが、本発明は金属微粒子を含むペーストを接合層として使用するため、第１及び第２の金属層を薄くすることができ、層厚の調整が容易となる。さらに、第１及び第２の金属層を薄くすることにより、コスト面で有利となる。また、バンプにより接合する場合よりも接合面積を広くすることができるため、高い接合強度を得ることができる。当該ペーストを第１の金属層及び第２の金属層との間に介在させることは、バンプを第１の金属層及び第２の金属層との間に所定形状で形成するのに比べて容易であるため、歩留まりが向上する。

図１はＬＥＤチップの製造方法１のフロー図である。 図２はＬＥＤチップの製造方法１による製造工程を示す図である。 図３はＬＥＤチップ５の熱圧着後の接着層１９近傍の断面図である。 図４Ａ、Ｂ変形例であるＬＥＤチップの実装体１０’の製造工程を示す是である。 図５Ａ、Ｂは実施例であるＬＥＤチップの実装体１００の製造工程を示す図である。

本発明のＬＥＤチップの製造方法は、半導体発光素子の半導体層を所定の極性にドープしたＳｉ等の半導体基板や、Ｃｕ等の金属基板や、セラミック等からなり表面に配線パターンが設けられた配線基板等の支持基板へ接合した後、半導体発光素子の基板を剥離する工程を含むＬＥＤチップの製造方法である。導体発光素子の基板は、ＬＬＯ（レーザリフトオフ）やＣＬＯ（ケミカルリフトオフ）により半導体層から剥離することができる。

本発明のＬＥＤチップの製造方法では、まず、半導体層へ第１の金属層を積層する（第１のステップ）。第１の金属層を形成する範囲は特に限定されないが、半導体層の略全域に形成することが好ましい。接合面積が十分確保されるからである。第１の金属層の厚さは０．０１μｍ〜１０．０μｍ、好ましくは０．１０μｍ〜５．０μｍ、更に好ましくは１．０μｍ〜３．０μｍである。このように第１の金属層を薄く形成することにより、コスト面で有利となる。第１の金属層の材質は、金、銀、白金、又はパラジウムから選択される少なくとも一つの金属からなる。中でも金を採用することが好ましい。金は延性及び展性が高く、半導体層と支持基板との熱膨張率差を緩和することができるからである。また、金は反応性が低いため、化学的処理に対して安定性が高いからである。

第１のステップの後に、導電性基板へ第２の金属層を積層する（第２のステップ）。第２の金属層は第１の金属層と同様に形成できる。第２の金属層は第１の金属層と同一の形態であってもよいし、異なる形態であっても良い。

第２のステップの後に、第１の金属層と第２の金属層との間に、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍであり、第１の金属層及び第２の金属層と同一及び／又は同種の金属微粒子を含むペーストを介在させる（第３のステップ）。ここで使用されるペーストに含まれる金属微粒子は、第１の金属層及び第２の金属層と同一及び／又は同種であって、金、銀、白金、又はパラジウムから選択される少なくとも一つの金属からなることが好ましい。従来、接合材として使用されるはんだや金とスズの合金などは融点が低いため、形成されたＬＥＤチップの封止工程や、実装基板への実装工程などの後工程において、当該融点以上の温度で処理できないという問題がある。一方、金、銀、白金、又はパラジウムは、はんだや金とスズの合金等に比べて融点が高い。これらの金属を当該ペーストに含まれる金属微粒子とすることにより、形成されたＬＥＤチップの後工程において、より高い温度での処理に供することができる。例えば、形成されたＬＥＤチップの封止工程においてガラス封止することが可能である。

ペーストに含まれる金属微粒子は金であることが好ましい。金は延性及び展性が高いため、熱圧着後の接合部における変形が許容されるからである。従来の金スズ合金を接合材として使用した場合には熱圧着後の接合部が硬いために変形が許容されず、ＬＬＯによる基板の剥離時にクラックが発生したり、半導体素子に反りが発生するおそれがあったが、当該金属微粒子を金とすることによって接合部における変形が許容され、クラックや反りの発生が防止される。

金属微粒子を含むペーストは、第１の金属層と第２金属層との間の全域に充填されることが好ましい。これにより、当該ペーストと第１及び第２金属層との接触面積が十分確保され、後述の熱圧着後に高い接合強度が得られるからである。

金属微粒子を含むペーストを設ける厚さ（ペースト層の厚さ）は特に限定されない。ただし、当該ペースト層の厚さが厚すぎると、熱伝導性が低下するため好ましくない。なお、ペーストに占める金属粒子の密度はペーストに対して０．４５〜０．９５倍となっている。一方、当該ペースト層の厚さが薄すぎると十分な接着力が得られないため好ましくない。これらを考慮して、当該ペースト層の厚さは、例えば、約０．５μｍ〜約２０μｍ、好ましくは約０．８μｍ〜約１０．０μｍ、さらに好ましくは約１．０μｍ〜５．０μｍとする。金属微粒子を含むペーストを介して第１の金属層と第２の金属層を接合することにより、ベタ金属層同士を直接接合する場合に比べて、弾性異方性が低減され、膨張やせん断が等方的となり、プル強度、シェア強度ともに向上する。

第３のステップ後に、金属微粒子を含むペーストを介して第１の金属層と第２の金属層を熱圧着する（第４のステップ）。当該ペーストは金属微粒子を含むため、熱圧着の条件を比較的低温かつ低圧力とすることができる。これにより、半導体素子に対する、熱圧着時の熱及び圧力の影響を低減することができる。第１及び第２の金属層と当該ペーストの金属微粒子が金からなるとき、熱圧着の温度条件は、例えば約１００℃〜約３２０℃、好ましくは約１５０℃〜約２５０℃、より好ましくは約１８０℃〜約２２０℃とする。また、圧力条件は約０．１Ｐａ〜約２．０Ｐａ、好ましくは約０．３Ｐａ〜約１．０Ｐａ、より好ましくは約０．５Ｐａ〜約０．８Ｐａとすることができる。

熱圧着するステップ（第４のステップ）は、金属微粒子間に間隙が形成され、かつ金属微粒子の一部が第１及び／又は第２の金属層に侵入するように熱圧着することが好ましい。当該間隙が金属微粒子及び熱圧着で融合した金属微粒子の移動や変形を許容することにより、半導体層と導電性基板との間の熱膨張収縮量の違いや半導体層における格子不整合により生じる内部応力が緩和される。その結果、当該内部応力によるクラックの発生や破損が防止されるからである。

本発明の第２の局面は、半導体層に導電性基板が接合された半導体発光素子であって、半導体層の上に設けられる、層厚０．３μｍ〜５．０μｍの第１の金属層と、導電性基板の上に設けられる、層厚０．３μｍ〜１０μｍの第２の金属層と、第１及び第２の金属層の間に設けられ、第１及び第２の金属層を接合する、層厚０．５μｍ〜２０μｍの金属製の接合層であって、第１及び第２の金属層と同一及び／又は同種の金属微粒子を接合してなる接合層と、を含む半導体発光素子である。第２の局面の半導体発光素子によれば、第１及び第２の金属層及び接合層が薄く形成されるため、コスト面で有利となり、熱伝導性も向上する。

第２の局面における半導体発光素子の接合層は、金属微粒子間に間隙を有し、かつ金属粒子の一部は前記第１及び／又は第２の金属層に侵入しているが好ましい。当該間隙により接合層の変形が許容されるため、半導体層と導電性基板との間の熱膨張収縮量の違いや半導体層における格子不整合により生じる内部応力が緩和される。その結果、当該内部応力によるクラックの発生や破損が防止されるからである。

第２の局面における第１及び第２の金属層は、金、銀、白金、又はパラジウムから選択される少なくとも一つの金属を含むことが好ましい。形成されたＬＥＤチップの後工程において、高温での処理に供することができるからである。

上記において半導体発光素子には、絶縁性の成長基板の上にＰ層及びＮ層を形成したIII族窒化物系化合物半導体発光素子を適用することができる。III族窒化物系化合物半導体素子とは、III族窒化物系化合物半導体からなる発光層を有する発光素子をいう。ここで、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の四元系で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができる。ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、結晶成長基板には、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）などを用いることができる。

III族窒化物系化合物半導体層は、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。 なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能であるが必須ではない。 発光素子はかかるIII族窒化物系化合物半導体を積層して構成される。発光のための層構成として量子井戸構造（多重量子井戸構造若しくは単一量子井戸構造）を採用することができる。そのほか、シングルへテロ型、ダブルへテロ型、ホモ接合型を採用することもできる。 以下、この発明の実施例について図例を参照しながら説明する。

本発明の実施例であるＬＥＤチップの製造方法のフロー図を図１に示し、ＬＥＤチップの製造方法による製造工程を示す図を図２に示す。まず、図２Ａに示すように、ウェハ状態の半導体発光素子１０を用意する。半導体発光素子１０はサファイア製の成長基板１１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮからなるｎ型半導体層１２、ＡｌＧａＩｎＮからなる発光層１３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮからなるｐ型半導体層１４をこの順に積層してなり、Ｐ型半導体層のコンタクト電極として厚さ３０００ÅのＡｇ層を蒸着により形成し、その上に、厚さ５００ÅのＮｉ層、厚さ１００ÅのＴｉ層を下からこの順で蒸着により形成する。

次に図２Ｂに示すように、Ｔｉ層の上に第１の金属層１５を積層する（図１における第１のステップ１）。第１の金属層１５は蒸着で形成される、厚さ約１．０μｍのＡｕ製の薄層である。次に、コンタクト層として、厚さ２０００ÅのＡｌ層をスパッタにより形成し、その上に厚さ５００ÅのＴｉ層、厚さ１００ÅのＰｔ層を蒸着により形成したｐ型シリコン製の導電性基板１６を用意し、図２Ｃに示すように、導電性基板１６のＰｔ層の上に第２の金属層１７を積層する（図１に示す第２のステップ２）。第２の金属層１７は、第１の金属層１５と同様に形成され、厚さ約４．０μｍのＡｕ製の薄層である。

続いて、図２Ｄに示すように、第１の金属層１５と第２の金属層１７との間に金属微粒子を含むペースト層１８を介在させる（図１における第３のステップ３）。ペースト層１８に含まれる金属微粒子は平均粒子径が約０．１〜０．５μｍのＡｕ製の微粒子である。ペースト層１８の厚さは約４．０μｍである。ペースト層１８は第１の金属層１５と第２の金属層１７との間の全域に充填されて仮焼成される。その後、図２Ｅに示すように、ペースト層１８を介して、第１の金属層１５と第２の金属層１７とを熱圧着する（図１における第４のステップ）。これにより、ペースト層１８は第４のステップ４における熱圧着の条件は、温度約２００℃、圧力約０．６Ｐａである。
第４のステップの後、図２Ｆに示すようにＬＬＯによるレーザ照射で成長基板を剥離する。その後、図２Ｇに示すようにダイシングして個片化してＬＥＤチップ５を形成する。

ＬＥＤチップ５の熱圧着後の接着層１９近傍の断面図を図３に示す。図３に示すように、接着層１９は、ペースト層１８の金属微粒子の一部が互いに融合して粒子塊１９ａが形成されて一体化して形成される。粒子塊１９ａは径約１〜２μｍであり、ランダムに配置しており、方向性を持たない粒界を形成している。さらに粒子塊の一部（例えば、符号１９ｂで示す粒子塊）は、第１の金属層１５に侵入して第１の金属層１５と融合している。同様に、粒子塊の一部（例えば、符号１９ｃで示す粒子塊）が第２の金属層１７に侵入している。これにより、接合層１９により、第１の金属層１５と第２の金属層１７とが高い接合強度で接合される。その結果、ｐ型半導体層１４と導電性基板１６とが良好に接合される。また、第１の金属層１５と第２の金属層１７は金属微粒子を含むペースト層１８を介して熱圧着して形成されるため、ベタ金属層の熱圧着に比べて低温、低圧で熱圧着できる。これにより、半導体発光素子１０への熱圧着による影響を低減できる。また、第１の金属層１５と第２の金属層１７を薄くすることができ、コスト面で有利となる。また、ペースト層１８を第１の金属層１５と第２の金属層１７との間に充填することは、バンプを形成するのに比べて容易であるため、歩留まりが向上する。

図３に示すように、接合層１９には間隙１９ｄが複数形成されている。これにより、接合層１９の変形が許容されるため、ｐ型半導体層１４と導電性基板１６との間の熱膨張収縮量の違いや半導体発光素子１０における格子不整合により生じる内部応力が緩和される。その結果、当該内部応力によるクラックの発生や破損が防止される。

本実施例では支持基板として導電性基板１６を使用したが、これに替えてセラミックからなる配線基板を使用し、当該配線基板側の片側に両電極を形成するフリップチップ型であってもよい。当該配線基板を使用する変形例であるＬＥＤチップの実装体１０’の製造工程を図４Ａ及び図４Ｂに示す。配線基板１６０はアルミナを母材とて配線パターンを有する基板である。配線基板１６０の表面に厚さ５μｍのＮｉ層をメッキにより形成し、その上に第２の金属層１７である厚さ０．５μｍのＡｕ層をメッキにより形成する。一方、実施例１と同様に成長基板１６上にｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４をこの順に積層する。一部をエッチングしてｎ型半導体層１２を露出させ、当該露出部にｎ型半導体層のコンタクト電極として厚さ１７５ÅのＶ層、厚さ２μｍのＡｌ層からなるｎ電極２１をこの順で蒸着により形成する。そして第１の金属層１５となる厚さ０．５μｍのＡｕ層をメッキにより形成し、図４Ａに示すように実施例１と同様の方法で半導体発光素子が接合される。その後ＬＬＯによるレーザ照射で成長基板１１を剥離する。これによりＬＥＤチップの実装体１０’はフリップチップ実装される。

本発明の他の実施例であるＬＥＤチップの実装体１００の製造方法を図５Ａ及び図５Ｂに示す。なお、実施例１の部材と同等の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。ＬＥＤチップの実装体１００は、その表面に厚さ５μｍのＮｉ層をメッキにより形成し、その上に第２の金属層１７である厚さ０．５μｍのＡｕ層をメッキにより形成した配線パターンを有する母材がアルミナからなる配線基板１６０に対して、実施例１と同様の方法で半導体発光素子が接合される。その後、ＬＬＯによるレーザ照射で成長基板１１を剥離し、露出したｎ層１２上にメタルマスクを用いて厚さ２００ÅのＶ層、厚さ２μｍのＡｌ層からなるｎ電極２１を隅部に形成する。そして、ｎ電極２１と配線基板１６０をワイヤを介して電気的に接続させる。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

１０ 半導体発光素子１１ 成長基板
１２ ｎ型半導体層
１３ 発光層
１４ ｐ型半導体層
１５ 第１の金属層
１６ 支持基板
１７ 第２の金属層
１８ ペースト層
１９ 接合層
１９ａ、１９ｂ 粒子塊
１９ｃ 間隙
２０ 封止部材
１０’、１００ ＬＥＤチップ

Claims (9)

1. 成長基板を含むIII族窒化物化合物半導体発光素子の半導体層を支持基板へ接合し、その後前記半導体発光素子の前記成長基板をＬＬＯ（レーザリフトオフ）により剥離する工程を含む半導体発光素子の製造方法において、
   前記半導体素子の前記半導体層の全域へ第１の金属層を積層するステップと、
   前記支持基板の全域へ第２の金属層を積層するステップと、
   前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍであり、前記第１の金属層及び前記第２の金属層に含まれる金属と同一の金属の微粒子を含むペーストを介在させるステップと、
   前記ペーストを介して、前記第１の金属層と前記第２の金属層とを熱圧着するステップと、を含み、前記熱圧着するステップにおいて、前記熱圧着の温度条件は１００℃〜３２０℃であり、圧力条件は０．１Ｐａ〜２．０Ｐａであることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
2. 前記ペーストは、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間の全域に充填される、請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記第１及び第２の金属層は、金、銀、白金、又はパラジウムから選択される少なくとも一つの金属を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記熱圧着するステップは、前記金属の粒子間に間隙が形成され、かつ前記金属の粒子の一部が前記第１及び／又は第２の金属層に侵入するように熱圧着することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 半導体層に導電性基板が接合されたIII族窒化物化合物半導体発光素子であって、
   前記半導体層の全域上に設けられる第１の金属層と、
   前記導電性基板の全域上に設けられる第２の金属層と、
   前記第１及び第２の金属層の間に設けられ、前記第１及び第２の金属層を接合する金属製の接合層であって、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍであり、前記第１及び第２の金属層に含まれる金属と同一の金属の微粒子を温度条件は１００℃〜３２０℃、圧力条件は０．１Ｐａ〜２．０Ｐａで熱圧着により接合してなる接合層と、
   を含む半導体発光素子。
6. 前記金属の微粒子間に間隙を有し、かつ前記金属の粒子の一部は前記第１及び／又は第２の金属層に侵入していることを特徴とする、請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記第１及び第２の金属層は、金、銀、白金、又はパラジウムから選択される少なくとも一つの金属を含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載の半導体発光素子。
8. 前記第１の金属層を積層するステップにおいて、前記第１の金属層は前記半導体層のｐ型半導体層上へ積層されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
9. 前記第１の金属層の層厚は０．３μｍ〜５．０μｍであり、前記第２の金属層の層厚は０．３μｍ〜１０μｍであり、前記接合層の層厚は０．５μｍ〜２０μｍであることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。