JP2015201488A

JP2015201488A - 積層体、及びこれを用いた発光素子の製造方法

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Publication number: JP2015201488A
Application number: JP2014078153A
Authority: JP
Inventors: 省三高田; Shozo Takada; 浩行辻本; Hiroyuki Tsujimoto
Original assignee: Asahi Kasei E Materials Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2015-11-12

Abstract

【課題】発光層にダメージを与えることなくダイシング可能であり、かつ、光取り出し向上のための凹凸構造を有する積層体、及び該積層体をダイシングする工程を含む発光素子の製造方法の提供。【解決手段】発光層を具備する基板と、該基板の該発光層側の面に、又は、該発光層側と反対側の面に形成された構造層とを有する積層体であって、該構造層は、構造域と、該構造域が形成されたエリアの境界線に沿って形成された隙間路とを有し、該構造域は表面に高さ５０ｎｍ以上の凹凸構造を有し、そして該隙間路の表面の平均算術粗さＲａが０ｎｍ超５０ｎｍ未満である前記積層体、及び該積層体をダイシングする工程を含む発光素子の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、発光層を具備する基板と構造層とを有する積層体、及び該積層体を用いた発光素子の製造方法に関する。

近年、有機ＥＬやＬＥＤなどの発光素子の光取り出しを向上させる取り組みが活発に行われている。発光素子は発光層、基板、封止部材などの部材からなっている。そのなかで、発光素子と封止部材との界面において全反射が起こる角度範囲が存在するため、光の取り出し効率が落ちるという問題が知られており、さまざまな対策が行われてきた。例えば、以下の特許文献１には発光素子に凹凸構造をもつ光学フィルムを張り付けることで光取り出し効率が向上することが開示されている。また、以下の特許文献２には、発光層表面に凹凸構造を形成することで光取り出し効率が向上することが開示されている。これらの光取り出し向上のための対策は、基板上に形成された多数の素子に対して一括して行われる。

一方、ＬＥＤ、半導体メモリ、表示素子などの製造工程において、基板上に作製した多数の素子を個片化するプロセスとして、ダイシング工程がある。以下の特許文献３には、レーザー光を利用して基板内部に改質層を設けることで、基板上の素子にダメージを与えずにダイシングする技術が開示されている。他のダイシング技術としては、機械的に基板に傷をつけるブレードダイシングが古くから利用されている。

特開２００９−２２９５０７号公報特開２００６−２９４９０７号公報特開２００２−１９２３６７号公報

本願発明者らは、光取り出し効率向上のために凹凸構造を形成した面からレーザーでダイシングをする場合、凹凸構造によりレーザー光が散乱してしまい、基板内部に改質層を形成できないという新たな問題に直面した。
特にフリップチップ型ＬＥＤなど光を基板側から取り出す方式の発光素子では、基板の発光層側と反対の面に凹凸構造を形成する必要があるため、構造的に避けられない重要な問題であった。発光層面からレーザーを照射して基板内部に改質層を設けることでダイシングを行うと、発光層にダメージが入り内部発光効率が落ちるという問題が発生する。また、従来から知られているブレードダイシングを行うと、凹凸構造にダメージが発生し、光取り出し効率が低下するという問題が発生する。すなわち、光を基板側から取り出す発光素子では、光取り出しのために凹凸構造を形成することで製造工程において新たな別の問題が発生してしまい、目的とする光取り出し効率の向上ができないという問題が存在した。

前記した従来技術に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、発光層にダメージを与えることなくダイシング可能であり、かつ、光取り出し向上のための凹凸構造を有する積層体を提供すること、及び該積層体をダイシングすることによる発光素子の製造方法を提供することである。

前記課題を解決すべく、本願発明者らは鋭意検討し、実験を重ねた結果、以下の解決手段により上記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は以下のとおりのものである。

［１］発光層を具備する基板と、該基板の該発光層側の面に、又は、該発光層側と反対側の面に形成された構造層とを有する積層体であって、該構造層は、構造域と、該構造域が形成されたエリアの境界線に沿って形成された隙間路とを有し、該構造域は表面に高さ５０ｎｍ以上の凹凸構造を有し、そして該隙間路の表面の平均算術粗さＲａが０ｎｍ超５０ｎｍ未満である前記積層体。

［２］前記隙間路が、発光素子を個片化する境界線の位置に配置された、前記［１］に記載の積層体。

［３］前記［１］又は［２］に記載の積層体を、該構造層の隙間路に沿ってダイシングする工程を含む、発光素子の製造方法。

［４］前記［３］に記載の方法によって製造された発光素子。

本発明に係る積層体は、光取り出し向上のために凹凸構造を形成され、かつ、発光層にダメージを与えることなくダイシング可能である。

本実施形態に係る積層体の一実施態様を示す断面図である。本実施形態に係る積層体の一実施態様を示す平面図である。本実施形態に係る積層体の他の実施態様を示す断面図である。本実施形態に係る積層体の他の実施態様を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」とも言う。）について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。また、以下の図面において、同一の符号を付した要素は同様の構成及び機能を有することが意図される。

（積層体の構成）
先ず、積層体の構成について説明する。図１に積層体の断面図を、図２に積層体の平面図を示す。積層体は、発光層１、基板２、表面に高さ５０ｎｍ以上の凹凸構造を有する構造域３Ａと、表面粗さＲａが０ｎｍ超５０ｎｍ未満である隙間路３Ｂとを有する構造層３から構成される。本実施形態の積層体は、図１に示す積層体に限定されるものではなく、例えば、他の実施態様として図３、４に示すような積層体であってもよい。発光層１は、図１、３、４において、後述の隙間路３Ｂに沿って分離された形で示すが、連続していてもよい。

（発光層）
発光層１の構成は、半導体発光素子において一般的なものを採用することができ特に限定されないが、例えばＧａＮ系半導体発光層を用いることができる。ＧａＮ系半導体発光層は、ｎ−半導体層、ｐ−半導体層、導電層、電極等から構成されている。ｎ−半導体層は、第１のｎ型クラッド層としてのＧａＮ層及び第２のｎ型クラッド層としてのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層の積層体等である。なお、半導体発光素子の構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。さらに、量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。

発光層１の形成方法は、半導体発光素子において一般的なものを採用でき特に限定されないが、例えば、周知の窒化物系化合物半導体で構成される半導体層を、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。

（基板）
基板２は、ＧａＮ等のガリウム窒化物、炭化珪素、シリコン等の半導体基板、サファイア、スピネル、酸化亜鉛、酸化マグネシウム等の酸化物基板、ホウ化ジルコニウム等を用いることができる。汎用性の点から、ＧａＮ、炭化ケイ素、サファイアが好ましく、生産性の点からサファイアが特に好ましい。

（構造層）
本実施形態における構造層３は、表面に高さ５０ｎｍ以上の凹凸構造を有する構造域３Ａと、表面粗さＲａが０ｎｍ超５０ｎｍ未満である隙間路３Ｂとを有する。

（構造域）
構造域３Ａは、典型的には、凹凸構造として、多数の突起を有する。突起は、周期的な配置であっても、周期的な配置でなくてもよく、長期的な秩序を持っていてもよい。また、各突起の形状は、同じでも異なっていてもよい。特に、凹凸構造を有する領域３Ａにおける凹凸構造の高さ（上記突起における底部から頂部までの高さ）は、５０ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは１００ｎｍ以上、更に好ましくは２００ｎｍ以上、より更に好ましくは３５０ｎｍ以上である。また、凹凸構造層における凹凸構造の高さは、１５００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１３００ｎｍ以下、更に好ましくは１２００ｎｍ以下である。凹凸構造の高さが５０ｎｍ以上である場合、発光素子と周囲の封止部材との界面でのこれらの間の屈折率差がより緩和されて光の反射が抑制されるとともに、光散乱の効果が良好に得られる。その結果、凹凸構造が存在しない場合に、発光素子と周囲の封止部材との界面で臨界角を超えて全反射し、透明層や半導体層の内部に閉じ込められていた光も、凹凸構造の存在で光の進行方向が変化するために、臨界角以内に入る割合が増加することによって光取り出し量が向上する。１５００ｎｍ以下である場合、生産性の点で有利である。

また、該凹凸構造の幅（上記突起における底部の幅）は５０ｎｍ以上が好ましく、より好ましくは１００ｎｍ以上、更に好ましくは２００ｎｍ以上、より更に好ましくは２５０ｎｍ以上である。更に該凹凸構造の幅は、２０００ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは１５００ｎｍ以下、更に好ましくは１４００ｎｍ以下である。凹凸構造の幅が５０ｎｍ以上である場合、光り取り出し性の点で有利であり、２０００ｎｍ以下である場合、歩留まり、生産性の点で有利である。

構造域３Ａの屈折率は、光取出し効率の点から１．５０以上であることが好ましく、１．６０以上であることがより好ましく、１．７０以上であることが更に好ましい。該屈折率は、凹凸微細構造層の透明性の点から、好ましくは２．００以下であり、更に好ましくは１．９５以下である。

構造域３Ａの材質は、基板２と同質であってもよく、異なっていてもよい。屈折率が高い材料としては、ＧａＮ等のガリウム窒化物や炭化珪素等の半導体、サファイア、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ等の金属酸化物、ホウ化ジルコニウム等の無機材料が挙げられる。これらの材料を含む組成物も、高い屈折率が実現できるので好適である。
構造域３Ａの材質と基板２の材質が異なる場合、構造域３Ａの厚みは、好ましくは１ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、より好ましくは３ｎｍ以上１８００ｎｍ以下、更に好ましくは５ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である。厚みが１ｎｍ以上である場合、成長基板との密着性の点で有利であり、２０００ｎｍ以下である場合、耐クラック性の点で有利である。本開示で、構造域３Ａの厚みとは、構造域３Ａに形成された凹凸構造の凹部の厚み（上記突起の底部における厚み）を意味する。

（隙間路）
隙間路３Ｂには、上記の凹凸構造は形成されておらず、ほぼ平坦化されている。平坦化度は、ＪＩＳＢ０６０１、ＪＩＳＢ００３１により定義される平均算術粗さＲａで表現でき、走査型電子顕微鏡の断面観察から得られた粗さ曲線から計算する方法や原子間力顕微鏡を用いた方法で求めることができる。本発明において、Ｒａは、０ｎｍ超５０ｎｍ未満であり、４０ｎｍ未満であることが好ましく、より好ましくは３０ｎｍ未満であり、更に好ましくは１０ｎｍ未満である。５０ｎｍ未満の場合、レーザー光の透過率が高くなり、基材に改質層を形成する上で有利である。隙間路３Ｂは、発光素子を個片化するために切断される境界線の位置に形成されることが好ましい。これにより、レーザーにより改質層を形成するダイシングにより、発光素子の個片化が可能となる。

隙間路３Ｂの幅は、レーザー光のスポットサイズより大きいことが好ましく、具体的には、０．４μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１．０μｍ以上であり、更に好ましくは１０μｍ以上であり、よりさらに好ましくは１００μｍ以上である。また、光取り出しの観点で、１００００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０００μｍ以下であり、更に好ましくは１００μｍ以下であり、より更には５０μｍ以下であることが好ましい。
平坦な隙間路３Ｂの材質は、凹凸構造を有する領域３Ａと同質であってもよく、異なっていてもよいが、生産性の観点で、同質のほうが有利である。

（構造層の製造方法）
所望の凹凸が形成された構造域３Ａと隙間路３Ｂを有する構造層３は、用いる材料に応じて、種々の方法、例えば、基板をエッチングする方法、平滑膜を形成した後にエッチングする方法、未硬化塗布膜の形成、凹凸賦形モールドを用いた転写、及び、乾燥又は光若しくは熱による硬化、を経る方法、プレス加工、射出成形等の公知の加工方法、等により形成できる。また、凹凸が形成された構造域３Ａと隙間路３Ｂを有する光学シートを別に作製し、基板に張り付けることでも形成できる。この光学シートは、種々の方法、例えば、基板をエッチングする方法、平滑膜を形成した後にエッチングする方法、未硬化塗布膜の形成、凹凸賦形モールドを用いた転写、及び、乾燥又は光若しくは熱による硬化、を経る方法、プレス加工、射出成形等の公知の加工方法、等により形成できる。この光学シートを基板に張り付ける方法が、生産性の観点で有利である。

基板の所望の位置に構造域と隙間路を形成するための位置合わせは、公知の方法を用いることができる。例えば、基板のオリフラ、又は、刻印を目印に、マスクを配置する方法、凹凸賦形モールドを配置する方法、シートを張り付ける方法などがある。シートを張り付ける方法を用いる場合には、シートに刻印をつけておくこともできる。シートに刻印をつける方法を用いると、位置合わせを簡便に行うことができ、生産性の観点で有利である。

（発光素子）
凹凸構造を有する発光素子は、上記積層体を個片化することで作製することができる。凹凸構造を有する発光素子は、界面での全反射による光のロスが低減されることで光取り出し効率が向上する点で好ましい。

（発光素子の製造方法）
上記積層体を発光素子に個片化する方法として、ダイシングを用いることができる。ダイシングの種類としては、機械的に基板を切断するブレードダイシング、レーザーを用いて基板表面でアブレーションを起こさせて基板を切断する方法、レーザーで基板内部に改質層を形成し割断するダイシング等の公知の手法が用いられる。レーザーで基板内部に改質層を形成し割断するダイシングを用いる場合、切除除去エリアが小さく、カケが発生しにくいため生産性の観点で有利である。

以下、実施例及び比較例により本実施形態を具体的に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
（ダイシング）
浜松ホトニクス製のレーザーダイシングエンジンを用い、基板への改質を実施した。装置条件は、特開２００２−１９２３６７号公報の記載に基づいた。基板の改質を形成でき所定の位置で基板を個片化できたものを○、基板の改質が出来ず所定の位置で個片化できなかったものを×とした。

（光取り出し効率）
１ｍｍ□に個片化した発光素子の上に３ｍｍφ半球レンズ型にＬＥＤ封止材（ＳＣＲ１０１６、信越シリコーン製）を成形し、１００℃で１時間、１５０℃で５時間加熱し、半導体発光素子を封止した。作製した半導体発光素子について、発光量の測定を行い、リファレンスに対して発光量が１．２倍以上のものをＡＡＡ、１．１倍以上１．２倍未満のものをＡＡ、1.０５倍以上１．１倍未満のものをＡ、１．０倍以上１．０５倍未満のものをＢ、1．０倍未満のものをＣとした。

＜発光層付基板＞
サファイア基材上に、ＭＯＣＶＤにより、ＡｌＧａＮ低温バッファ層、ｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、IｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮ層をこの順で積層し、更に電子ビーム蒸着により、ＩＴＯ層を積層した。その後、フォトリソグラフィーでレジストをパターニングし、ｐ側電極、及びｎ側電極が形成される領域の光取出し層をドライエッチングで除去した。一旦、レジストを剥離した後、ｎ側電極が形成される領域は、更にフォトリソグラフィーによるレジストパターニングとＩＴＯエッチング、塩素系ガスによるドライエッチングを行ってエッチング加工を行い、ｎ型ＧａＮ層を露出させた。再度レジスト剥離を行い、フォトリソグラフィーでレジストをパターニングし、リフトオフ法を用いて金属を蒸着して電極パッドを取り付けて、ｐ側電極及びｎ側電極を形成した。その後、サファイア基板の発光層と反対側の面を研磨した。以上により、発光層付基板を作製した。

＜凹凸部の形状、平坦部の表面粗さ＞
電子線顕微鏡ＳＥＭ（日立ハイテクノロジー製ＳＵ−８０１０）を用いて、凹凸層の高さとピッチ（幅）、隙間路の表面粗さＲａを計測した。断面を出した試料を、ＳＥＭ試料台にカーボンペーストを用いて貼り付け、オスミウム蒸着した後、加速電圧１０００Ｖ、５０，０００倍で観察した。

［実施例１］
上記の発光層付基板の発光層と反対側の面に、材質の屈折率が１．９２で、高さ７００ｎｍ、ピッチ７００ｎｍの凹凸構造を有する構造域と、１５μｍ幅の凹凸構造を形成しない隙間路とを有する光学シートを張り付けることで、積層体を形成した。隙間路のＲａは１０ｎｍ未満であった。上記積層体の隙間路に沿って、ダイシング試験を行った。続いて、個片化した発光素子を用いて、光取り出し効率を測定した。このとき、上記光学シートを張り付けていない発光素子をリファレンスとした。

［実施例２］
上記の発光層付基板の発光層と反対側の面に、材質の屈折率が１．７５で、高さ７００ｎｍ、ピッチ７００ｎｍの凹凸構造を有する構造域と、１５μｍ幅の凹凸構造を形成しない隙間路とを有する光学シートを張り付けることで、積層体を形成した。隙間路のＲａは１０ｎｍ未満であった。上記積層体の隙間路に沿って、ダイシング試験を行った。続いて、個片化した発光素子を用いて、光取り出し効率を測定した。このとき、上記光学シートを張り付けていない発光素子をリファレンスとした。

［実施例３］
上記の発光層付基板の発光層と反対側の面に、材質の屈折率が１．７２で、高さ７００ｎｍ、ピッチ７００ｎｍの凹凸構造を有する構造域と、１５μｍ幅の凹凸構造を形成しない隙間路とを有する光学シートを張り付けることで、積層体を形成した。隙間路のＲａは１０ｎｍ未満であった。上記積層体の隙間路に沿って、ダイシング試験を行った。続いて、個片化した発光素子を用いて、光取り出し効率を測定した。このとき、上記光学シートを張り付けていない発光素子をリファレンスとした。

［実施例４］
上記の発光層付基板の発光層と反対側の面に、材質の屈折率が１．６５で、高さ７００ｎｍ、ピッチ７００ｎｍの凹凸構造を有する構造域と、１５μｍ幅の凹凸構造を形成しない隙間路とを有する光学シートを張り付けることで、積層体を形成した。隙間路のＲａは１０ｎｍ未満であった。上記積層体の隙間路に沿って、ダイシング試験を行った。続いて、個片化した発光素子を用いて、光取り出し効率を測定した。このとき、上記光学シートを張り付けていない発光素子をリファレンスとした。

［実施例５］
上記の発光層付基板の発光層と反対側の面に、材質の屈折率が１．９２で、高さ７００ｎｍ、ピッチ７００ｎｍの凹凸構造を有する構造域と、１００μｍ幅の凹凸構造を形成しない隙間路とを有する光学シートを張り付けることで、積層体を形成した。隙間路のＲａは２０〜３０ｎｍであった。上記積層体の隙間路に沿って、ダイシング試験を行った。続いて、個片化した発光素子を用いて、光取り出し効率を測定した。このとき、上記光学シートを張り付けていない発光素子をリファレンスとした。

［実施例６］
上記の発光層付基板の発光層と反対側の面に、材質の屈折率が１．７２で、高さ１００ｎｍ、ピッチ１００ｎｍの凹凸構造を有する構造域と、１５μｍ幅の凹凸構造を形成しない隙間路とを有する光学シートを張り付けることで、積層体を形成した。隙間路のＲａは２０〜３０ｎｍであった。上記積層体の隙間路に沿って、ダイシング試験を行った。続いて、個片化した発光素子を用いて、光取り出し効率を測定した。このとき、上記光学シートを張り付けていない発光素子をリファレンスとした。

［比較例１］
上記の発光層付基板の発光層と反対側の面に、材質の屈折率が１．７２で、高さ７００ｎｍ、ピッチ７００ｎｍの凹凸構造を有する構造域を有する光学シートを張り付けることで、積層体を形成した。上記積層体の凹凸構造面からダイシング試験を行った。レーザーで基板内部に改質層を形成し割断することによる個片化ができなかったため、通常のブレードダイシングを行い、素子を個片化した。続いて、個片化した発光素子を用いて、光取り出し効率を測定した。このとき、上記光学シートを張り付けていない発光素子をリファレンスとした。

［比較例２］
上記の発光層付基板の発光層と反対側の面に、材質の屈折率が１．９２の平膜の光学シートを張り付けることで、積層体を形成した。上記積層体の平膜光学シート面からダイシング試験を行った。続いて、個片化した発光素子を用いて、光取り出し効率を測定した。このとき、上記光学シートを張り付けていない発光素子をリファレンスとした。

実施例１〜６、比較例１〜２の積層体の構成とダイシング試験及び光取り出し効率の結果を以下の表１に示す。

表１から、構造層に、表面粗さＲａが０ｎｍ超５０ｎｍ未満である隙間路を含むことで、レーザーで基板内部に改質層を形成し割断することが可能となることが分かる。また、凹凸構造を有することで光取り出し効率が向上することが分かる。すなわち、構造層に凹凸構造と隙間路を含むことで、ダイシングが可能であり、光取り出し効率が向上することが確認された。

本発明に係る積層体は、レーザーを用いたダイシング性に優れ、更に高い光取り出し効率によって輝度向上の効果を奏するので、白色ＬＥＤ照明、ディスプレイバックライト等の分野において好適に利用可能である。

１発光層
２基板
３構造層
３Ａ凹凸構造
３Ｂ隙間路

Claims

発光層を具備する基板と、該基板の該発光層側の面に、又は、該発光層側と反対側の面に形成された構造層とを有する積層体であって、該構造層は、構造域と、該構造域が形成されたエリアの境界線に沿って形成された隙間路とを有し、該構造域は表面に高さ５０ｎｍ以上の凹凸構造を有し、そして該隙間路の表面の平均算術粗さＲａが０ｎｍ超５０ｎｍ未満である前記積層体。
前記隙間路が、発光素子を個片化する境界線の位置に配置された、請求項１に記載の積層体。
請求項１又は２に記載の積層体を、該構造層の隙間路に沿ってダイシングする工程を含む、発光素子の製造方法。
請求項３に記載の方法によって製造された発光素子。