JP6440392B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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図1に、実施形態の半導体発光素子の模式的な断面図を示す。図2に、図1に示す実施形態の半導体発光素子を直上から直下に見下ろしたときの模式的な平面図を示す。図1に示すように、実施形態の半導体発光素子は、縦型デバイス構造であって、基板111と、基板111上の接合部110と、接合部110上のp側電極108と、p側電極108上の半導体発光素子部115とを備えている。ここで、半導体発光素子部115は、p側電極108の側から順に、第1のp型半導体層107と、第2のp型半導体層106と、活性層105と、n型半導体層104と、半導体下地層103と、半導体バッファ層102とがこの順に積層された構造を有している。
以下、図面を参照して、実施形態の半導体発光素子の製造方法の一例について説明する。
まず、図4の模式的断面図に示すように、成長用基板101上に半導体発光素子部115を形成する。ここで、半導体発光素子部115は、たとえば、成長用基板101上に、半導体バッファ層102、半導体下地層103、n型半導体層104、活性層105、第2のp型半導体層106および第1のp型半導体層107をこの順に有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により成長させることによって形成することができる。
次に、図5の模式的断面図に示すように、半導体発光素子部115上にp側電極108を形成する。ここで、p側電極108は、たとえば、電子ビーム(EB:Electron Beam)蒸着法またはスパッタリング法により、半導体発光素子部115の第1のp型半導体層107上に形成することができる。
次に、図6の模式的断面図に示すように、半導体発光素子部115と基板111とを接合する。ここで、半導体発光素子部115と基板111との接合は、たとえば、半導体発光素子部115上のp側電極108と、基板111上の接合部110とを接合することによって行うことができる。より具体的には、たとえば以下のようにして行うことができる。
次に、図8の模式的断面図に示すように、成長用基板101および半導体バッファ層102に溝120を形成する。溝120は、たとえば、レーザスクライブ法またはブレードダイシング法により、成長用基板101を貫通して半導体バッファ層102の表面が露出するまで、成長用基板101および半導体バッファ層102を除去することにより行うことができる。この場合には、後述するレーザリフトオフ(LLO)法で半導体バッファ層102を蒸散させた際に発生する窒素ガス等のガスを溝120から外部に放出することができるため、当該ガスによって半導体発光素子部115が受ける圧力を低減することができる。これにより、後述するLLO法による成長用基板101の剥離時に、半導体発光素子部115に損傷が発生するのを抑制することができる。
次に、図9の模式的断面図に示すように、溝120の形成後の成長用基板101にエキシマレーザ光12を照射するLLO法によって、半導体発光素子部115から成長用基板101を剥離する。LLO法による成長用基板101の剥離工程は、たとえば、波長約193nm程度のエキシマレーザ光12を成長用基板101の裏面側から照射することによって行うことができる。このとき、エキシマレーザ光12のエネルギー密度は、たとえば約500mJ/cm2〜8000mJ/cm2とすることができる。
次に、上記のLLO法による成長用基板101の剥離によって露出した半導体バッファ層102の表面を40℃以上のフッ酸と接触させる。これにより、半導体バッファ層102がAlNから形成される場合には、LLO法による成長用基板101の剥離後に半導体バッファ層102の表面に残留したAlを含む残留物を除去することができる。
次に、図16および図17の模式的断面図に示すように、溝120を掘り込むことによって溝120の深さをさらに深くする。溝120の掘り込みは、たとえば以下のようにして行うことができる。まず、図16に示すように、半導体発光素子部115の半導体バッファ層102の表面上にレジストマスク131を形成する。次に、図17に示すように、レジストマスク131をマスクとして、p側電極108の表面が露出するまで、レジストマスク131が設置されていない溝120の下方の半導体発光素子部115の部分をエッチングする。これにより、溝120の深さをさらに深くすることができる。
次に、図18の模式的断面図に示すように、上記のエッチング工程後の半導体発光素子部115の表面の全面を覆うように絶縁保護膜112を形成する。絶縁保護膜112は、たとえば、スパッタ法により形成することができる。
次に、図20の模式的断面図に示すように、半導体発光素子部115の上部に開口部114を形成する。開口部114の形成は、たとえば、半導体発光素子部115の上部に位置する半導体バッファ層102および半導体下地層103をそれぞれ厚さ方向に部分的にエッチングしてn型半導体層104の表面の一部を露出することによって行うことができる。
次に、図21の模式的断面図に示すように、半導体バッファ層102の上面上の絶縁保護膜112、開口部114の内周面の一部、および開口部114において露出しているn型半導体層104の表面を被覆するようにn側パッド電極116を形成することができる。n側パッド電極116は、たとえば、フォトリソグラフィーによって任意のパターンのレジスト(図示せず)を形成した後に所定の金属層を形成し、その後、リフトオフを行うことによって、図21に示すような任意のパターンに形成することができる。
次に、図22の模式的断面図に示すように、開口部114の内部に封止材117を充填する。ここで、封止材117としては、活性層105から放射された光を透過するものであれば特に限定されないが、屈折率が2.2以下である封止材を充填することが好ましい。この場合には、封止材117が、半導体発光素子部115と外部の空気との間の屈折率を有することから、半導体発光素子部115の活性層105から放射された光が、半導体発光素子部115から空気といった屈折率の急激な変化によって反射するのを抑制することができるため、半導体発光素子の光取り出し効率を高くすることができる。なお、たとえば、封止材117としてスピンオングラス(SOG)材料を使用する場合には、封止材117は、スピンコートによるSOG材料の塗布および焼結によって形成することができる。封止材117の屈折率は、たとえば、屈折率が既知の基板上に封止材117を塗布し、屈折率測定系で屈折率測定を行うことにより求めることができる。
次に、複数の半導体発光素子に分離することによって、図1に示す実施形態の半導体発光素子を作製する。半導体発光素子の分離は、たとえば、溝120に沿って、絶縁保護膜112、接合層110および基板11を切断することにより行うことができる。絶縁保護膜112、接合層110および基板11の切断は、たとえば、ダイヤモンドスクライブ、レーザスクライブ、ブレードダイシング、ブレードブレイク若しくはローラーブレイクの1種またはこれらの2種以上を組み合わせて行うことができる。
実施形態の半導体発光素子は、n側パッド電極116が絶縁保護膜112上に形成されていることから、n側パッド電極116に金属ワイヤーを形成する際の圧力が半導体発光素子部115に直接に加わらず、絶縁保護膜112で緩和することができることから、半導体発光素子部115の損傷を抑制することができる。
まず、図4に示すように、市販されている厚さ350μmの両面研磨を施したサファイアからなる成長用基板101上に、厚さ約5μmのノンドープAlNからなる半導体バッファ層102、厚さ約1μmのノンドープn型Al0.6Ga0.4Nからなる半導体下地層103、厚さ約2μmのSiドープn型Al0.6Ga0.4Nからなるn型半導体層104、ノンドープAl0.4Ga0.6N量子井戸層とノンドープAl0.6Ga0.4N障壁層とが交互に5ペア積層されてなる活性層105、厚さ約15nmのMgドープp型Al0.7Ga0.3Nキャリアバリア層(図示せず)、厚さ約10nmのMgドープp型Al0.6Ga0.4Nからなる第2のp型半導体層106、および厚さ約20nmのMgドープp型GaNからなる第1のp型半導体層107がこの順序でMOCVD法により積層して、半導体発光素子部115を形成した。
実施例2の半導体発光素子は、半導体発光素子部115の構成を変更したこと以外は実施例1と同様にして説明した。
開口部114に封止材117を充填する前に光取出しのためのAlN膜を形成したこと以外は実施例1と同様にして実施例3の半導体発光素子を作製した。実施例3の半導体発光素子においては、実施例1の半導体発光素子と比較して、半導体発光素子部115から外部に取り出される光が通過する層の屈折率の変化がさらに多段となるため、光取り出し効率を向上することができた。
n側パッド電極116に配線用の金属ワイヤーを形成したこと以外は実施例1と同様にして実施例4の半導体発光素子を作製した。配線用の金属ワイヤーを半導体発光素子部115に直接形成する場合と比べて、半導体発光素子部115が損傷するのを抑制することができるため、歩留まりを向上させることができた。
開口部114に充填する封止材117をSiO2を主成分とする材料としたこと以外は実施例1と同様にして実施例5の半導体発光素子を作製した。このような封止材117としては、たとえばSOGなどはスピンコートにより塗布して500℃程度で硬化させたものを用いた。
実施例1の半導体発光素子をさらに樹脂またはガラスによって加圧して封止することによって実施例6の半導体発光素子を作製した。実施例1の半導体発光素子の半導体発光素子部115は絶縁保護112および封止材117で保護されているため、後工程での加圧プロセスに耐え得ることができる。これにより、砲弾型のガラスまたは樹脂形状によって発光分布を制御することが可能となった。
(1)ここで開示された実施形態は、基板と、基板上の接合部と、接合部上のコンタクト電極と、コンタクト電極上の半導体発光素子部と、半導体発光素子部上の絶縁保護膜と、絶縁保護膜上のパッド電極とを備え、半導体発光素子部は、基板側から、第1導電型半導体層と、活性層と、第2導電型半導体層とを含んでおり、半導体発光素子部には、第2導電型半導体層の一部を露出するように開口部が形成されており、絶縁保護膜は、少なくとも、半導体発光素子部の側面および半導体発光素子部の開口部以外の上面を被覆しており、パッド電極は、絶縁保護膜上から開口部における第2導電型半導体層上まで延在しており、開口部のパッド電極上に封止材が設けられている半導体発光素子である。このような構成とすることにより、n側パッド電極の下方の絶縁保護膜によって、n側パッド電極に金属ワイヤーを形成する際の衝撃を緩和することができるため、半導体発光素子部の損傷を抑制することができる。また、絶縁保護膜および封止材によって半導体発光素子部を保護することができるため、半導体発光素子部の損傷を抑制することができる。封止材が半導体発光素子部と外部の空気との間の屈折率を有する場合には、屈折率を段階的に減少させて光を外部に取り出すことができるため、半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。
Claims (10)
- 基板と、
前記基板上の接合部と、
前記接合部上のコンタクト電極と、
前記コンタクト電極上の半導体発光素子部と、
前記半導体発光素子部上の絶縁保護膜と、
前記絶縁保護膜上のパッド電極と、を備え、
前記半導体発光素子部は、前記基板側から、第1導電型半導体層と、活性層と、第2導電型半導体層と、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0<(x+y+z)≦1)からなる2つの層と、を含んでおり、
前記半導体発光素子部には、前記第2導電型半導体層の一部を露出するように開口部が形成されており、
前記絶縁保護膜は、少なくとも、前記半導体発光素子部の側面および前記半導体発光素子部の前記開口部以外の上面を被覆しており、
前記パッド電極は、前記絶縁保護膜上から前記開口部における前記第2導電型半導体層上まで延在しており、
前記開口部の前記パッド電極および前記露出された前記第2導電型半導体層の上に封止材が設けられており、
前記封止材の屈折率が2.2以下である、半導体発光素子。 - 前記パッド電極は、前記半導体発光素子部の側面上から上面上に延在する前記絶縁保護膜から前記開口部における前記第2導電型半導体層上まで延在している、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記コンタクト電極に前記第1導電型半導体層の平坦部分全域が接触する、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記パッド電極の前記絶縁保護膜に接する領域が露出するように、前記開口部の前記パッド電極上に前記封止材が設けられている、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記封止材における前記活性層から放射された光の透過率が75%以上である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記接合部は、銀を含む、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記封止材の厚さが15μm以下である、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記封止材は、珪素と酸素とを含む、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記封止材は、主成分としてシリコーンを含む、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1導電型半導体層、前記活性層および前記第2導電型半導体層は、それぞれ、窒化物半導体を含み、
前記活性層から放射される光の波長は210nm以上350nm以下である、請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
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