JP6073988B2 - 光学デバイス用のガリウム及び窒素含有三角形又は菱形形状の構成 - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本出願は、米国仮出願Ｎｏ．６１／３５６，４７３号（出願日：２０１０年６月１８日）に対する優先権を主張する。本明細書中、同出願を参考のため及び全ての目的のために援用する。

本発明は、主に照明技術に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、肉厚のガリウム及び窒素含有基板部材（例えば、極性結晶配向面に構成されたＧａＮ）の分離プロセスを用いた光学デバイス（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ））の製造技術を含む。いくつかの実施形態において、前記ガリウム及び窒素含有基板は、三角形形状又は菱形形状に構成される。本発明は、白色照明、多色照明、一般照明、装飾照明、自動車用ランプ及び航空機用ランプ、街灯、植物成長用照明、表示灯、フラットパネルディスプレイ及び他の光電子デバイス用の照明に適用することができる。

１８００年代後半に 、トーマスエジソンが電球を発明した。「エジソン電球」と一般的に呼ばれる従来の電球は百年を超える期間にわたって用いられている。このような従来の電球では、タングステンフィラメントがガラス球中に封入され、ガラス球がベース中に密封され、ベースがソケットにねじ込まれている。前記ソケットは、ＡＣ電源又はＤＣ電源に接続される。従来の電球は、住宅照明、建物照明、及び屋外照明並びに照明を必要とする他の領域において一般的に用いられている。残念なことに、従来のエジソン電球には欠点が存在する。すなわち、用いられるエネルギーのうち９０％を越えるエネルギーが、熱エネルギーとして消散する。さらに、従来の電球の場合、フィラメント要素の熱膨張及び収縮に起因して、頻繁に故障する。

固体照明技術は公知である。固体照明は、発光ダイオード（ＬＥＤと称される）の製造において、半導体材料に依存する。先ず、赤色ＬＥＤが実証され、商品化された。赤色ＬＥＤでは、アルミニウムインジウムガリウムリン化物、すなわちＡｌＩｎＧａＰ半導体材料が用いられる。最近、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ（中村修二）により、青色発光ＬＥＤの青色範囲のＬＥＤ発光を生じるＩｎＧａＮ材料の使用法が開発された。この青色ＬＥＤをきっかけにして、固体白色照明及び青色レーザーダイオードなどの技術革新がもたらされ、青色レーザーダイオードにより、ブルーレイ（ブルーレイディスクアソシエーションの登録商標）、ＤＶＤプレーヤ及び他の開発が可能となった。他の色のＬＥＤも提案されている。

ＧａＮ系高輝度ＵＶＬＥＤ、青色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤが提案及び実証されており、一定の成功を収めている。一般に、効率は紫外線において最高となり、発光波長が青色又は緑色領域に上昇するにつれて下降する。残念なことに、高輝度かつ高効率のＧａＮ系緑色ＬＥＤの達成は特に困難とされてきた。さらに、ＧａＮ系ＬＥＤを大規模かつ効率的に製造するのは高コストで困難とされてきた。

従来のＬＥＤ作製プロセスにおいては、典型的にはウェーハをスクライビング（溝加工）し切断（ブレーキング）することにより、個々のＬＥＤチップを製造する。これらのウェーハは、典型的には２本の実質的に直交する軸に沿ってスクライブされ、これらの個々の軸は、前記ウェーハの２つの非等価な結晶配向面と平行でかつ同一平面上にある。例えば、サファイア上にＧａＮを含むＬＥＤウェーハをシンギュレート（個別切断）して正方形または長方形チップとする場合、前記２つの直交するスクライブ軸は、サファイアウェーハのｍ面及びａ面とそれぞれ平行でかつ同一平面上にある。ここで、前記ｍ面及びａ面は本質的に等価ではない。

特定の実施形態において、本方法は、バルクｃ面ＧａＮウェーハのためのスクライブ及び切断プロセスを含む。前記ウェーハは、２つ以上の非直交軸に沿ってスクライブされる。これらの２つ以上の軸は、前記ＧａＮウェーハの等価結晶面とそれぞれ平行でかつ同一平面上にある。例えば、バルクｃ面ＧａＮウェーハは、３本の軸に沿ってスクライブされる（これら３本の軸のなす角度は、それぞれ６０°である）。これらの３本の軸は、前記ｃ面ＧａＮウェーハの３つのｍ面にそれぞれ平行でかつ同一平面上にある。特定の実施形態において、前記３つのｍ面は、本質的に等価である。１つ以上の局面において、本発明は、ｃ面ＧａＮウェーハの場合、三角形状又は菱形形状のチップジオメトリを作製する方法を含む。この方法は、従来の正方形または長方形のジオメトリと比較していくつかの利点を持ち得る。本発明は、面内の６回対称と、ｃ面ＧａＮウェーハ独自の結晶構造とを利用する。すなわち、ＧａＮは、特定の実施形態によりウルツ鉱結晶構造を有する。別の好適な実施形態において、前記バルクｃ面ＧａＮウェーハは、３本の軸に沿ってスクライブされ得る（これら３本の軸のなす角度は、それぞれ６０°である）。これらの３本の軸は、前記ｃ面ＧａＮウェーハの３つのａ面とそれぞれ平行でかつ同一平面上にある。前記３つのａ面は、本質的に等価である。

特定の実施形態において、本発明は、ガリウム及び窒素含有基板を提供する。前記ガリウム及び窒素含有基板は、５つを超えない表面領域からなる三角形形状に構成される。好適には、前記５つの表面領域は、それぞれ第1の等価面から構成された３つの表面領域と、第２の等価面から構成された２つの表面領域とから構成される。

別の実施形態において、本発明は、６個を超えない表面領域からなる菱形形状基板を提供する。好適には、前記６個の表面領域は、それぞれ第1の等価面から構成された４つの表面領域と、第２の等価面から構成された２つの表面領域とから構成される。第１の表面領域はｃ面に構成され、第２の表面領域は前記ｃ面に構成される。前記方法はまた、少なくとも第１のｍ面領域と、第２のｍ面領域と、第３のｍ面領域とを露出させる工程を含む。さらに、本発明は、ガリウム及び窒素含有基板からダイを分離する方法を提供する。本発明はまた、ガリウム及び窒素含有光学デバイスを含む。前記デバイスは、ガリウム及び窒素含有基板を含む。前記ガリウム及び窒素含有基板は、ベース領域と、３つを越えない主要平面側部領域とを有する。前記３つを越えない主要平面側部領域は、前記ベース領域により形成された三角形配置で構成される。

好適な実施形態において、本方法及び構造は、以下の要素のうち１つ以上を含み得る。以下の要素は、変形、変更、代替などを含み得る。

１．ＬＥＤエピタキシャル構造を積層し、ｐ型及びｎ型層を形成したバルクｃ面ＧａＮウェーハに、３方向（相互になす角度は６０°）に沿って「スクライブストリート」を形成し、スクライブストリートにより、前記ウェーハを個々のＬＥＤトレースに分離する。これらのスクライブストリートは、前記ｃ面ＧａＮウェーハの３つのｍ面に対してそれぞれ平行となるように配置され、３本のスクライブ線によって規定される三角形形状が正三角形となるように交差するように設計される。

２．前記ＬＥＤウェーハの第１の表面を、第１の「スクライブストリート」方向に沿ってレーザスクライブする。前記第１の表面上のスクライブ領域内におけるスクライブ深さは典型的には、前記ＬＥＤウェーハの厚さの２０−５０％である。

３．その後、前記ＬＥＤウェーハの第１の表面を、第２の「スクライブストリート」方向に沿ってレーザスクライブする。前記第１の表面上のスクライブ領域内におけるスクライブ深さは典型的には、前記ＬＥＤウェーハの厚さの２０−５０％である。

４．前記ＬＥＤウェーハの第１の表面を、第３の「スクライブストリート」方向に沿ってレーザスクライブする。前記第１の表面上のスクライブ領域内におけるスクライブ深さは典型的には、前記ＬＥＤウェーハの厚さの２０−５０％である。

５．前記第２の表面上のスクライブ領域内のスクライブ深さは典型的には、前記ＬＥＤウェーハの厚さの２０〜５０％である。

６．その後、前記３つの「スクライブストリート」の方向に沿ってアンビル切断器機構を用いて前記スクライブされたＬＥＤウェーハを切断する。特定の実施形態において、切断は、前記ウェーハの第１の表面上のスクライブ領域に規定された面に沿って行われる。前記第３の「スクライブストリート」の方向に沿った切断を行うことにより、個々の三角形状ＬＥＤチップが得られる。

特定の実施形態において、本発明は、肉厚のｃ面ＧａＮウェーハを三角形状ＬＥＤチップにシンギュレート（個別切断）する方法を提供する。前記三角形状ＬＥＤチップは、側壁に位置する３つの等価なｍ面によって規定される。１つ以上の実施形態において、ｃ面ＧａＮウェーハでは、前記ｍ面は容易に劈開する自然破壊面であるため、１組のｍ面配向に沿った切断を主に行うシンギュレーションプロセスを行うことにより、ｍ面配向及びａ面配向双方に沿った切断を行うプロセスよりも高い歩留まりが得られる。別の特定の実施形態において、本発明は、ｃ面ＧａＮウェーハを三角形状ＬＥＤチップにシンギュレーションする方法を提供する。前記三角形状ＬＥＤチップは、側壁に位置する３つの等価ｍ面によって規定される。１つ以上の実施形態において、前記ａ面に沿って切断を行うことにより、特徴的表面テクスチャを得ることができ、その結果、光取り出し（抽出）効率が向上する。

本発明によって提供される三角形状チップは、従来の正方形または長方形のチップと比較して光取り出し効率が向上したことが特徴である。これは、前記側壁における全内部反射の確率が低減することに起因して面内発光漏れのパスあたりの確率が増加することによる。さらに、三角形状チップを用いることにより、正方形または長方形のチップの場合よりも光閉じ込め軌道が少数となるため、チップの光取り出し効率を向上させることができる。

図１〜図３は、三角形状ガリウム及び窒素含有材料を形成する方法を示す図である。

図４〜図６は、菱形形状ガリウム及び窒素含有材料を形成する方法を示す図である。

図７は、ＧａＮ（ウルツ鉱）結晶構造のｍ面（赤色線）及びａ面（緑色線）の相対的配置を示す図であり、前記図の面は、ｃ面を示す。

図８は、光学デバイスのレーザスクライビングプロセスを示す側面図である。

図９は、光学デバイスの切断プロセスを示す側面図である。

図１０は、正方形及び三角形チップにおける光抽出のモデル化から得られた光抽出図である。

図１１は、側壁表面粗度に対する三角形チップの光取り出し効率のシミュレーションである。

図１〜図３は、本発明の実施形態による三角形状ガリウム及び窒素含有材料を形成する方法を示す簡単な図である。図１に示すように、本発明は、ガリウム及び窒素含有基板部材を提供する。前記部材は、ガリウム及び窒素を含有する一定厚さの材料を含む。前記材料は、５つを超えない表面領域からなる三角形形状に構成される。好適には、前記５つの表面領域は、それぞれ第1の等価面から構成された３つの表面領域を含む。前記３つの表面領域を除く前記５つの表面領域は、第２の等価面から構成された２つの表面領域を含む。図示された三角形状チップの上面図には、特定の実施形態によるＧａＮのｍ面に相当する３つの縁部の向きが示されている（破線又は赤色線を参照）。

特定の実施形態において、前記ガリウム及び窒素含有基板は三角形状である。前記三角形状基板は、押し出された三角形形状であり得る。特定の実施形態において、前記三角形状領域の３つの表面領域はそれぞれ第１の等価面であり、前記第１の等価面はｍ面又はａ面である（図２を参照）。前記三角形状領域の第２の表面領域はそれぞれ第２の等価面である。前記第２の等価面は、ｃ面である。特定の実施形態において、前記ガリウム及び窒素含有基板はＧａＮ基板である。もちろん、他の変形、変更、代替などが可能である。

特定の実施形態において、前記三角形状領域の３つの表面領域は、それぞれ第１の等価面上に設けられたそれぞれのスクライブから構成される。一例として、前記３つの表面領域は、１８０度の内部領域によって構成される。他の例において、前記２つの表面領域は、相互に平行な配置となるように構成される。

次に、図３を参照すると、三角形状ＬＥＤチップの光学顕微鏡写真が示されている。図示のように、前記ＧａＮ基板は、露出した３つのｍ面を有するバルクｃ面ＧａＮから構成される。また図示するように、少なくとも１つの特定の実施形態において、前記ガリウム及び窒素含有部材上には、少なくとも一つの光学デバイスが載置される。前記光学デバイスとしては、発光ダイオード、レーザデバイス又は他のデバイス並びに光学デバイス及び電気デバイスの組み合わせがあり得る。他の種類のデバイスとしては、電気切り換えデバイス、機械デバイス、及びこれらの組み合わせなどが挙げられる。

図４〜図６は、本発明の実施形態による三角形状ガリウム及び窒素含有材料を形成する方法を示す簡単な図である。図示のように、前記基板には、ＧａＮｍ面に相当する４つの縁部が示される（点線又は赤色線を参照）。前記基板部材は、６個を超えない表面領域からなる菱形形状に構成されたガリウム及び窒素を含有する一定厚さの材料を含む。好適には、前記６個の表面領域は、それぞれ第１等価面から構成された４つの表面領域を含む。前記４つの表面領域を除く前記６個の表面領域は、第２の等価面から構成された２つの表面領域を含む。

特定の実施形態において、前記菱形形状である基板の前記６個の表面領域のうち第１の４つの表面領域のいずれの２つの間も９０度の交差にはならない。特定の実施形態において、前記菱形形状は、図５に示すようにｍ面又はａ面である第１の等価面を含む。図示のように、前記４つの縁部は、ＧａＮａ面に相当する（緑色破線線又は破線線）。特定の実施形態において、前記菱形形状は、ｃ面である第２の等価面を含む。

特定の実施形態において、前記菱形形状の４つの表面領域は、それぞれ第１の等価面上に設けられたそれぞれのスクライブから構成される。好適には、前記４つの表面領域は、９０度とならないような内部領域によって構成される。好適には、前記２つの表面領域は、相互に平行な配置となるよう構成される。

次に図６を参照すると、菱形形状ＬＥＤチップの光学顕微鏡写真が示されている。図示のように、前記ＧａＮ基板は、露出した４つのｍ面を有するバルクｃ面ＧａＮから構成される。また図示するように、少なくとも１つの特定の実施形態において、前記ガリウム及び窒素含有部材上に少なくとも一つの光学デバイスが載置される。前記光学デバイスとしては、発光ダイオード、レーザデバイス又は他のデバイス並びに光学デバイス及び電気デバイスの組み合わせがあり得る。

図７は、本発明の実施形態によるＧａＮ（ウルツ鉱）結晶構造におけるｍ面（赤色線）及びａ面（緑色線）の相対的配置を示す簡単な図である。図中、図の面は、ｃ面を示す。

図８は、本発明の実施形態による光学デバイスのレーザスクライビングプロセスを示す簡単な側面図である。特定の実施形態において、特定の実施形態に従って、前記ウェーハの第１の表面の「スクライブストリート」内において１つ以上の軸に沿って前記ＬＥＤウェーハがレーザスクライブされる。他の実施形態において、前記スクライビングは、鋸、ダイヤモンドスクライブ、化学エッチング（光アシストを含むか又は含まない）、反応性イオン又はプラズマエッチング、粉砕又は組み合わせを用いて行うことができる。特定の実施形態によれば、前記第１の表面上のスクライブ領域内におけるスクライブ深さは典型的には、前記ＬＥＤウェーハの厚さの２０〜５０％である。他の実施形態において、前記スクライブ深さを変更してもよく、他の寸法とすることもできる。

特定の実施形態において、その後前記ＬＥＤウェーハをひっくり返し、前記ウェーハの第２の表面の「スクライブストリート」内において１つ以上の軸に沿ってレーザスクライブする。その際、前記第２の表面上のスクライブが、前記ウェーハの第１の表面上のスクライブと重なった配置となるように注意を払う。特定の実施形態において、前記第２の表面上のスクライブ領域内のスクライブ深さは典型的には、前記ＬＥＤウェーハの厚さの２０〜５０％である。その後、前記スクライブされたＬＥＤウェーハをアンビル切断器機構（例えば、以下にさらに説明するようなもの）を用いて切断する。

図９は、本発明の実施形態による光学デバイスの切断プロセスを示す簡単な側面図である。図示のように、ウェーハの両側に配列した２つのスクライブ領域によって規定された面に沿って切断する。特定の実施形態において、本方法で、肉厚のＧａＮウェーハをシンギュレーションすることにより、ＬＥＤ作製プロセスにおける高コストでかつ時間のかかるラッピング工程及び研磨工程をを省くことができる。

図１０は、正方形チップ及び三角形チップの光取り出し効率Ｃｅｘを比較したモデル化結果を示す。シミュレーションにより、光抽出図が得られた（例えば、抽出効率対光子出射方向（ｋｘ、ｋｙ））。図示のように、正方形チップの場合、５個の抽出円錐が（１面あたりに）得られており、Ｃｅｘ＝４６％となる。三角形チップの場合、７個の抽出円錐が得られており（各垂直側壁は、面内光を直接又は別の側壁からの反射の後に抽出することができ）、その結果Ｃｅｘ＝５７％となる。これらの数は、実際の構造（金属及びＧａＮ基板中の損失を含む）に関連し、チップ壁面のいかなる表面粗面化とも積算されない。

図１１は、光取り出し効率に対する側壁粗面化の影響をモデル化によって予測した結果を示す。効果的な側壁粗さにより、三角形チップの光取り出し効率は８０％を超え得る（平滑な側壁の場合には５７％）。

特定の実施形態において、肉厚のＧａＮウェーハを個々のＬＥＤチップにシンギュレーションするための方法を提供する。前記個々のＬＥＤチップの横寸法は、標準的な片面スクライブ方法によって得られるチップの横寸法よりもずっと小さい。他の実施形態において、本方法を用いれば、スクライブ及び切断プロセス工程において、従来の方法より高いプロセス歩留まりが得られる。さらに、チップアウトおよびダブレット（切断工程において分離されなかった複数対のチップ）の発生も低減する。他の実施形態において、前記スクライブ領域に起因して、前記生成されたＬＥＤチップの側壁上において表面が粗面化され、その結果、片面上のスクライビングによって生成されたチップと比較して前記チップからの光抽出が向上し得る。

他の実施形態において、本方法は、以下に記載するような他の変更、組み合わせ及び改変も含み得る。

１．ＬＥＤウェーハとしては、ｃ面ＧａＮウェーハを用いることができる。

２．他の実施形態においては、複数のスクライブ方法のうち少なくとも１つを用いて、個々のＬＥＤウェーハの２つの表面の少なくとも１方にスクライブすることができる。前記スクライブ方法は、レーザスクライビング、ダイヤモンドスクライビングおよび鋸切り／ダイシングから選択された少なくとも２つ以上の方法を含み得る。

３．特定の実施形態において、前記ＬＥＤウェーハのいずれか一方の面上のスクライブ深さは、前記ＬＥＤウェーハの厚さの０．５％〜９９．５％の範囲で変更することができる。

４．別の実施形態において、前記スクライブ領域は、連続スクライブ線を含んでもよいし、あるいは破線又は点線のスクライブ線を含んでもよい。２つ以上の軸に沿ったスクライブ領域は、特定の実施形態による設計によって「スクライブストリート」を交差させることによって規定された領域内において交差してもよいし、交差しなくてもよい。

５．また、特定の実施形態によれば、第１の表面上の少なくとも１つの「スクライブストリート」の向き及び第２の表面上の少なくとも１つの「スクライブストリート」向きに沿ってスクライビングを行うことができ、これにより、選択された少なくとも２つの「スクライブストリート」の向きが非平行となる。

６．前記スクライブされたＬＥＤウェーハは、アンビル切断器、ローラーブレーカー又はブレーカーバー、組み合わせなどを含む群から選択された１つの方法又は複数の方法を用いて切断することができる。

上記において特定の実施形態について詳細に説明してきたが、多様な改変、別の構造及び均等物が利用可能である。本明細書中においては、１つ以上の特定のガリウム及び窒素含有表面配向について記述しているが、面配向の複数のファミリのうちいずれか１つが利用可能であることが認識される。上記の記載及び例示は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を制限するものとしてとられるべきではない。

Claims (13)

1. 発光素子であって、当該発光素子は、
   ＩＩＩ族窒化物含有基板と、ここで、当該基板はウルツ鉱型結晶構造を有し、当該結晶構造は、少なくとも第１のａ面、第２のａ面、および第３のａ面を規定する、
   前記基板上に形成された発光エピタキシャル構造と、
   を有し、
   前記素子は、前記第１のａ面、第２のａ面、および第３のａ面に沿った第１の面、第２の面、および第３の面を有し、当該第１の面、第２の面、および第３の面は三角形を形成し、
   前記素子は、第４の面および第５の面を有し、これら第４の面および第５の面は、三角形をなしている、
   発光素子。
2. 前記基板はバルクＧａＮを含む、請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第１の面、第２の面、および第３の面は、それぞれ、前記第１のａ面、第２のａ面、および第３のａ面に沿って切断することによって定義される、請求項１に記載の発光素子。
4. 前記第４の面および第５の面は互いに平行であり、前記第１の面、第２の面、および第３の面は、前記第４の面および第５の面に対して直角をなしている、請求項１に記載の発光素子。
5. 前記第４の面および第５の面は、ｃ面に沿って配向している、請求項４に記載の発光素子。
6. 前記発光素子は、面を５つしか有していない、請求項１に記載の発光素子。
7. 前記第１の面、第２の面、および第３の面は粗面であり、これにより、光抽出効率が８０％を超える、請求項１に記載の発光素子。
8. ウェーハーから発光素子のダイを少なくとも１つ分離する方法であって、
   前記ウェーハーは、互いに平行な第１の表面と第２の表面とを規定し、
   前記ウェーハーは、
   ＩＩＩ族窒化物含有基板と、ここで、当該基板はウルツ鉱型結晶構造を有し、当該結晶構造は、少なくとも第１のａ面、第２のａ面、および第３のａ面を規定する、
   前記基板上に形成された発光エピタキシャル構造と、
   を少なくとも有し、
   当該方法は、
   前記第１のａ面、第２のａ面および第３のａ面で構成されたスクライビング線に沿って、少なくとも前記第１の表面に対してスクライビングを行う工程と、
   前記ウェーハーに対して、前記スクライブ線に沿ってブレーキングを行うことにより、前記ウェーハーからダイを分離する工程と、ここで、当該ブレーキングによって前記ダイには第１の面、第２の面、および第３の面が形成され、これら第１の面、第２の面、および第３の面は三角形を形成している、
   を含む、方法。
9. 前記第１の表面は前記基板の底面である、請求項８に記載の方法。
10. 前記ブレーキングによって、前記第１の面、第２の面、および第３の面は粗面となる、請求項８に記載の方法。
11. 前記ダイは、第４の面および第５の面を有し、当該第４の面および第５の面は、前記第１の表面の一部、および前記第２の表面の一部で構成される、請求項８に記載の方法。
12. 前記第１の表面および第２の表面は、ｃ面に沿って配向している、請求項１１に記載の方法。
13. 前記基板はバルクＧａＮを含む、請求項８に記載の方法。