JP4669216B2 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体をサファイアなどの透明結晶基板に形成して構成される半導体発光素子の製造方法に関するものである。

近年、注目されている半導体発光素子は、１．９５〜６ｅＶの高エネルギーバンドギャップを有し、青色、緑色や紫外の発光を可能とする窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_ＸＧａ_ＹＡｌ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ，０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）を、サファイアなどの透明結晶基板に形成して構成される。

しかし、この種の半導体発光素子は、特許文献１で指摘されているように、透明結晶基板とエピタキシャル膜との屈折率の違いにより、外部量子効率が悪くなるという欠点を有している。

特許文献１では、その欠点を克服する方法として、窒化ガリウム系化合物半導体の最上層を非鏡面とすることにより、その面での多重反射を抑制し、干渉を少なくして、発光を効率よく外部に取り出す技術を提案している。具体的には、Ｃ面（０００１）から０．２〜１５°ずらしたサファイアのオフ基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることにより非鏡面とする方法（以下「第１の方法」という）と、エッチングまたは研磨により非鏡面とする方法（以下「第２の方法」という）とが示されている。

なお、特許文献２には、半導体ウエハの表面に格子状露出部を残すパターンの耐ブラストマスクを形成する工程と、ノズルから半導体ウエハに微粒子ブラスト材をブラストして格子状露出部に基板の所定深さにまで至る分割用溝を形成する工程とを含む半導体ウエハの分割方法が開示されている。
特開平６−２９１３６８号公報 特開２００１−２８４２９０号公報

しかしながら、上記第１の方法では、非鏡面とはなるものの、粗面化としてはその度合いが低いため、同文献（段落００１３）に記載されているように、良くて１０％程度の発光強度の向上にとどまっている。

第２の方法では、同文献（段落００１６）に記載されているように、第１の方法よりも５％低下した発光強度になっている。また、第２の方法のように、エッチングまたは研磨で非鏡面とする場合、残留応力やクラックの発生により、半導体発光素子の強度の信頼性が低下するという問題がある。また、微小な半導体発光素子の表面を精度良く加工することは困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも発光強度を増強することができる半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１記載の発明は、透明結晶基板を複数含むウエハの一の面に、前記複数の透明結晶基板に対して複数の半導体をそれぞれ積層する積層工程と、前記複数の透明結晶基板の各々におけるその半導体が積層される面に対する少なくとも裏面に、ブラスト材のブラストにより粗面化して粗面を形成する粗面化工程とを含む半導体発光素子の製造方法であって、前記積層工程と前記粗面化工程との間に、前記複数の透明結晶基板および半導体を個々に分割するための分割用溝を形成する溝形成工程の後、前記複数の透明結晶基板および半導体を個々に分割する分割工程を行い、その後、透明結晶基板の各々における半導体が積層される面に対する側面全面の角度が鋭角となるようにレーザにより前記側面を形成する工程を含むことを特徴とする。

この方法では、各透明結晶基板の半導体積層面に対する少なくとも裏面に粗面を形成することにより、従来の非鏡面の対象となる半導体の最上層よりも大きい、透明結晶基板と外界との界面でのそれら両者の屈折率の違いによる反射を抑制することができ、しかも、ブラスト材のブラストにより、従来の第１の方法および第２の方法に比べて、上記裏面の粗面化の度合いが高くなるとともに、各透明結晶基板の側面全面の角度が、半導体層が積層される面に対して鋭角となるように形成されるので、発光強度を一層増強することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子の製造方法において、前記粗面化工程で、前記複数の透明結晶基板の各々におけるその半導体が積層される面に対する裏面および側面の全面を、ブラスト材のブラストにより粗面化することを特徴とする。この方法では、各透明結晶基板の側面も粗面となることにより、発光強度をより一層増強することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の半導体発光素子の製造方法において、前記溝形成工程で、前記分割用溝をレーザにより形成することを特徴とする。この方法でも、従来よりも発光強度を増強することができるほか、分割用溝をレーザにより形成することにより、残留応力やクラックの発生を無くすことができる。

請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載の半導体発光素子の製造方法において、前記溝形成工程で、前記分割用溝をブレードにより形成することを特徴とする。この方法でも、従来よりも発光強度を増強することができる。

本発明によれば、従来よりも発光強度を増強することができる。

（参考例１）
図１は参考例１の半導体発光素子の製造方法の説明図、図２，図３は参考例１の半導体発光素子の製造方法において特徴となる各工程の説明図、図４は参考例１の半導体発光素子の反射抑制の説明図、図５は半導体発光素子の効果の説明図である。

先ず、参考例１の半導体発光素子の製造方法について、特徴となる各工程を説明する。参考例１の半導体発光素子の製造方法には、図２，図３に示すように、透明結晶基板１１を複数含むウエハ１０の一の面１０ａに、複数の透明結晶基板１１に対して複数の半導体１２をそれぞれ積層する積層工程と、複数の透明結晶基板１１の各々におけるその半導体１２が積層される面（以下「半導体積層面」という）１１ａに対する少なくとも裏面１１ｂの全面を、微粒子ブラスト材（図１（ｃ）の２参照）のブラストにより粗面化する粗面化工程とが含まれる。

次に、参考例１の半導体発光素子の製造方法について説明すると、先ず図１（ａ）に示すように積層工程に入る。ウエハ１０には例えば厚さ約３３０μｍのサファイアを使用し、その一の面１０ａに各半導体１２を積層する。一の面１０ａは、特許文献１と同様にｃ面（０００１）に設定してもよいが、参考例１ではａ面（１１−２０）に設定する。半導体１２は、有機金属気相成長法で形成される窒化ガリウム系化合物半導体であり、例えば、バッファ層、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層によりなる主要層１２０と、電極１２１とにより構成される。活性層には、使用
用途によって、適宜に組成、材料、構造が変更されるため、特に限定されないが、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層が交互に積層される単一または多重量子井戸構造とする。また、半導体層２には、フォトリソグラフィなどにより所望のパターンが形成される。

次いで、図１（ｂ）に示すように溝形成工程に移る。参考例１では、分割用溝１０ｃ（図１（ｃ）参照）の形成前に、分割用溝１０ｃを利用して行われるウエハ１０のブレーキングを補助するための少なくとも深さ２μｍの補助ラインを、レーザにより、ウエハ１０の一の面１０ａにおける各半導体１２の周囲に格子状に形成する。具体的には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長３５５ｎｍ）を図１（ｂ）の直交方向Ｄ１で照射する。レーザは、例えば、出力３．０Ｗ、周波数６０ｋＨｚ、走査速度３ｍｍ／秒に設定される。なお、補助ラインは必ずしも形成する必要はない。

この後、ウエハ１０の一の面１０ａに対する裏面１０ｂに、分割用溝１０ｃを、各透明結晶基板１１の断面形状が台形状になるように断面Ｖ字状に形成するとともに、各透明結晶基板１１における半導体積層面１１ａに対する側面１１ｃの角度θを、半導体層１２からの光に対する側面１１ｃでの反射を抑制する鋭角にする。ここで、分割用溝１１ｃは、ブレードにより形成するようにしてもよいが、参考例１ではレーザにより形成する。具体的には、ウエハ１０に対して、裏面１０ｂ側から図１（ｂ）の傾斜方向Ｄ２で、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を照射することにより、半導体積層面１１ａに対する側面１１ｃの角度θが例えば６０°の鋭角となる分割用溝１０ｃを、裏面１０ｂ側から見て上記補助ラインに対応する格子状となるように形成する。分割用溝１０ｃは、深さが１５０μｍよりも浅ければ、ウエハ１０の分割時に結晶内にクラック等のダメージが生じうるので、１５０μｍ以上であって上記補助ラインと連通しない深さに設定される。また、格子ピッチは、一般的な３００μｍ程度でもよいが、例えば１ｍｍ程度に設定され、レーザは、例えば、出力４．０Ｗ、周波数３０ｋＨｚ、走査速度１ｍｍ／秒に設定される。透明結晶基板１１の裏面１１ｂが発光観測面となる。

なお、分割用溝１０ｃと補助ラインは連通してもよい。この場合には、裏面１０ｂに接着シートなどを張るか吸引によりウエハ１０がばらばらにならないように処置をすればよい。

次いで、図１（ｃ）に示すように粗面化工程に移る。参考例１では、各透明結晶基板１１における半導体積層面１１ａに対する裏面１１ｂおよび側面１１ｃの全面を、微粒子ブラスト材２のブラストにより粗面化して微小な凹凸を形成する。モース硬度が８〜９のサファイアなどの高硬度材を透明結晶基板１１に使用する場合には、微粒子ブラスト材２は、ビッカース硬度を２０００以上にするために、アルミナ、炭化珪素、ボロンまたはダイアモンドなどが望ましい。参考例１では、例えば、粒子径２０μｍのアルミナが使用され、ブラスト圧力は０．５ＭＰａ、照射時間は１０秒に設定される。

次いで、図１（ｄ）に示すように、複数の透明結晶基板１１および半導体１２を、分割用溝１０ｃおよび補助ラインを利用して個々に分割することにより、発光ダイオードなどの半導体発光素子１を複数得る分割工程に移る。なお、分割は、粗面化工程における微粒子ブラスト材２の衝撃を利用するようにしてもよく、また、分割用溝１０ｃをブラストで形成する場合には、そのブラストによる微粒子ブラスト材を粗面化にも兼用し、さらにその微粒子ブラスト材の衝撃を分割に利用するようにしてもよい。

次に、半導体発光素子１の特徴について説明する。図４（ａ）に示すように、半導体１２の活性層から出た光は、屈折率の大きな物質（サファイア）から小さな物質（外界）へと進行するので、透明結晶基板１１が図のような平角状であってその裏面および側面が平面である場合、その界面となる側面に対して臨界角以下で入射する光が多くなるため、多くの光がその側面で反射することになる。この後、側面で反射した光は、屈折率の大きな物質（サファイア）から小さな物質（外界）へと進行するので、上記と同様に多くの光が裏面で反射することになる。つまり、半導体１２の光源を理想的な点光源の集合体と考えたとき、透明結晶基板１１の側面または裏面の法線に対して、点光源からの光のなす角度θ_１，θ_２が臨界角以上の角度になれば、その点光源からの光は、透明結晶基板１１の側面または裏面で反射する。そして、図４（ａ）のように、透明結晶基板１１の側面および裏面で反射する多重反射となれば、活性層から出た光は、ＧａＮ系化合物半導体層で吸収されて減衰するので、光の取り出し効率が悪くなる。例えば、外界の屈折率が１であり、透明結晶基板（サファイア）１１の屈折率が１．７７であるすれば、法線に対する臨界角は約３５°になる。

これに対して、半導体発光素子１では、図４（ｂ）に示すように、半導体１２の活性層から出た光は、屈折率の大きな物質（サファイア）から小さな物質（外界）へと進行しようとするが、角度θが６０°となる断面台形状になっているため、透明結晶基板１１の側面１１ｃの法線に対して点光源からの光のなす角度（入射角）θ_３が小さくなり、その法線に対して臨界角未満の入射角となる点光源を多くすることができるので、半導体層１２からの光に対する側面１１ｃでの反射を抑制することができる。また、側面１１ｃが粗面になっているので、半導体層１２からの光をより多く外界に射出させることができる。さらに、半導体１２の活性層から出た光のうち、一部の光が側面１１ｃで反射して裏面１１ｂに到来したとしても、裏面１１ｂが粗面になっているので、その到来した光を外界に射出させることができる。なお、角度θは、半導体発光素子１のサイズおよび透明結晶基板１１の厚みなどに依存するので、上記６０°に限定されるものではない。

これにより、半導体発光素子１では、図５に示すように、発光強度が７．９１ｍＷとなる光出力“Ａ”が得られ、図４（ａ）の場合の４．５８ｍＷとなる光出力“Ｄ”よりも、光の取り出し効率を飛躍的に高めることができる。また、分割用溝１０ｃをＶ字状に加工したものだけの場合の６．０４ｍＷとなる光出力“Ｂ”よりも光の取り出し効率が高くなっている。

以上、参考例１によれば、各透明結晶基板１１の半導体積層面１１ａに対する裏面１１ｂおよび側面１１ｃの全面が粗面となることにより、従来の非鏡面の対象となる半導体の最上層よりも大きい、透明結晶基板１１と外界との界面でのそれら両者の屈折率の違いによる反射を抑制することができ、しかも、微粒子ブラスト材２のブラストにより、従来の第１の方法および第２の方法に比べて、裏面１１ｂおよび側面１１ｃの全面の粗面化の度合いが高くなるから、従来よりも発光強度を一層増強することができる。

また、各透明結晶基板１１の側面１１ｃの角度がその半導体積層面１１ａからの光に対する当該側面１１ｃでの反射を抑制する鋭角になることになり、透明結晶基板１１の側面１１ｃと外界との界面での反射を抑制することができるので、発光強度を一層増強することができる。

さらに、分割用溝１０ｃをレーザにより形成することにより、残留応力やクラックの発生を無くすことができる。また、微粒子ブラスト材２を噴射することにより、レーザ加工時に生じた汚れを除去することも可能となる。

なお、参考例１では、透明結晶基板１１は、断面台形状になっているが、半球状でもよい。この構造の場合、点光源から発した光の取り出し効率を最もよくすることが可能となる。

また、分割用溝１０ｃを形成するため、ウエハ１０に対して、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を照射するようにしたが、これに限らず（以下の参考例２および実施形態においても）、波長５３２ｎｍの２倍高調波、波長２６６ｎｍの４倍高調波または波長２１３ｎｍの５倍高調波を照射するようにしてもよく、あるいはパルス幅が極めて短い１ｐｓ以下の超短パルスレーザを照射するようにしてもよい。超短パルスレーザの場合、レーザ波長として、近赤外レーザであるＴｉ：サファイアレーザ（波長８００ｎｍ）やＮｄ：ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）でも加工することが可能である。

また、分割用溝１０ｃ形成用のレーザの出力は、４．０Ｗを例示したが、これに限らず（以下の参考例２および実施形態においても）、２．０Ｗより小さければ所要の深さまで分割用溝を形成することができず、２０Ｗより大きければ熱によって透明結晶基板１１の結晶にダメージが入ってしまうので、２．０〜２０Ｗ程度の範囲内に設定するのが望ましい。

また、分割用溝１０ｃ形成用のレーザの周波数は、３０ｋＨｚを例示したが、これに限らず（以下の参考例２および実施形態においても）、５ｋＨｚより低ければ所要の深さまで分割用溝を形成することができず、６０ｋＨｚより高ければ熱によって透明結晶基板１１の結晶にダメージが入ってしまうので、５〜６０ｋＨｚ程度の範囲内に設定するのが望ましい。

また、分割用溝１０ｃ形成用のレーザの走査速度は、１ｍｍ／秒を例示したが、これに限らず（以下の参考例２および実施形態においても）、１ｍｍ／秒より遅ければ、熱によって透明結晶基板１１の結晶にダメージが入り、また加工時間が長くなる一方、２０ｍｍ／秒程度より速ければ所要の深さまで分割用溝を形成することができないので、１〜２０ｍｍ／秒程度の範囲内に設定するのが望ましい。

また、微粒子ブラスト材２の粒子径は、２０μｍを例示したが、これに限らず（以下の参考例２および実施形態においても）、１０μｍより小さければ粗面化の凹凸の度合いが低くなり、１００μｍより大きければ、透明結晶基板１１の結晶への衝撃ダメージが大きくなるので、１０〜１００μｍ程度の範囲内に設定するのが望ましい。このとき、微粒子ブラスト材２の粒子径と表面の粗面化の度合いは比例するので、粒子径が大きいほど凹凸の度合いが大きくなる。

また、微粒子ブラスト材２のブラスト圧力は、０．５ＭＰａを例示したが、これに限らず（以下の参考例２および実施形態においても）、０．３ＭＰａより低ければ加工速度が遅くなり、０．７ＭＰａより高ければ、透明結晶基板１１の結晶への衝撃ダメージが大きくなるので、０．３〜０．７ＭＰａ程度の範囲内に設定するのが望ましい。

さらに、微粒子ブラスト材２の照射時間は、１０秒を例示したが、これに限らず（以下の参考例２および実施形態においても）、５秒よりも短ければ粗面化の凹凸の度合いが低くなり、２０秒よりも長ければ、透明結晶基板１１の結晶への衝撃ダメージが大きくなるので、５〜２０秒程度の範囲内に設定するのが望ましい。

（参考例２）
図６は参考例２の半導体発光素子の製造方法の説明図である。

参考例２の半導体発光素子の製造方法は、図６に示すように、参考例１との相違点として、溝形成工程で、分割用溝１０ｃを井戸（ストレート）状に形成することを特徴とする。つまり、図６（ｂ）に示すように溝形成工程に移れば、参考例１と同様に補助ラインを形成し、この後、ウエハ１０に対して、裏面１０ｂ側から同図の垂直方向Ｄ３で、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を照射することにより、井戸状の分割用溝１０ｃ（図６（ｃ）参照）を、裏面１０ｂ側から見て上記補助ラインに対応する格子状となるように形成する。レーザは、例えば、出力６．０Ｗ、周波数３０ｋＨｚ、走査速度１ｍｍ／秒に設定される。ただし、粗面化工程では、図６（ｃ），（ｄ）に示すように、裏面１１ｂの全面が微粒子ブラスト材２のブラストにより粗面化される。

以上、参考例２によれば、先の図５に示すように、発光強度が５．９７ｍＷとなる光出力“Ｃ”が得られ、図４（ａ）の場合の４．５８ｍＷとなる光出力“Ｄ”よりも、光の取り出し効率を高めることができる。

なお、参考例２では、裏面１１ｂの全面を微粒子ブラスト材２のブラストにより粗面化するようになっているが、これに限らず、参考例１と同様に、裏面１１ｂおよび側面１１ｃの全面を微粒子ブラスト材２のブラストにより粗面化するべく、微粒子ブラスト材２を鉛直下向きに限らず斜め下向きにして側面１１ｃに噴射するようにしてもよい。このように、裏面１１ｂおよび側面１１ｃの全面を微粒子ブラスト材２のブラストにより粗面化すれば、図５に示す光出力“Ｃ”よりも光の取り出し効率を高めることが期待できる。

これに対して、参考例１では、裏面１１ｂおよび側面１１ｃの全面を微粒子ブラスト材２のブラストにより粗面化するようにしたが、参考例２と同様に、裏面１１ｂの全面を微粒子ブラスト材２のブラストにより粗面化するようにしてもよい。この場合でも、図５の光出力“Ｃ”，“Ｄ”の関係から、光の取り出し効率が参考例１よりも悪くなるものの、図４（ａ）の場合の光出力“Ｄ”よりも光の取り出し効率を高めることができる。

（実施形態）
図７は本発明による実施形態の半導体発光素子の製造方法の説明図である。

実施形態の半導体発光素子の製造方法は、図７に示すように、参考例１，２（図７の例では参考例１）との相違点として、参考例１，２と同様の図７（ｂ）に示す粗面化工程の前に分割工程に移り、複数の透明結晶基板１１および半導体１２を個々に分割することを特徴とする。

実施形態では、参考例１と同様の積層工程の後、分割工程に移り、複数の透明結晶基板１１および半導体１２を個々に分割し、製造途中における平角状の個々の半導体発光素子１を、図７（ａ）に示すような真空などによるチャックが可能な装置３で固定し、傾斜方向Ｄ２で、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍高調波を照射することにより、半導体積層面１１ａに対する側面１１ｃ全面の角度θが例えば６０°の鋭角となるようにする。

実施形態によれば、分割用溝１０ｃにより側面を形成する参考例１，２に比べ、レーザにより側面１１ｃを直接形成するので、高精度で側面１１ｃ全面を所望の角度に設定することができる。なお、半導体発光素子１の形状は、図７の形状に限定されない。

なお、上記参考例１，２および実施形態において、残存する微粒子ブラスト材２を除去するため、溶剤を用いた超音波洗浄やウオータージェットによる洗浄、酸やアルカリによる化学的エッチングを実行するようにしてもよい。

また、参考例１では、分割用溝１０ｃの形成にレーザを使用したが、図８（ａ）に示すような刃先の角度が６０°のブレード４を使用して断面Ｖ字状の分割用溝１０ｃを形成するようにしてもよい。同様に、参考例２では、分割用溝１０ｃの形成にレーザを使用したが、図８（ｂ）に示すような刃先の角度が９０°のブレード５を使用して井戸状の分割用溝１０ｃを形成するようにしてもよい。

また、参考例１，２において、分割用溝１０ｃの形成時に完全にブレーキングし、その後で、製造途中の各半導体発光素子１を例えば装置３で固定して、透明結晶基板１１における半導体積層面１１ａに対する少なくとも裏面１１ｂに微粒子ブラスト材２を噴射するようにしてもよい。

さらに、図９に示すように、粗面化工程での微粒子ブラスト材２のブラストの前に、複数の各透明結晶基板１１の少なくとも裏面１１ｂの全面における粗面化の凹凸差を大きくするため、例えば１００μｍの格子ピッチのマスク（ブラストマスク）６を形成するようにしてもよい。この方法では、各透明結晶基板１１の少なくとも裏面１１ｂの全面における粗面化の度合いを高くすることができるので、発光強度をより一層増強することができる。

参考例１の半導体発光素子の製造方法の説明図である。 参考例１，２および本発明による実施形態の半導体発光素子の製造方法にお いて特徴となる各工程の説明図である。 参考例１，２および本発明による実施形態の半導体発光素子の製造方法にお いて特徴となる各工程の説明図である。 参考例１の半導体発光素子の反射抑制の説明図である。 半導体発光素子の効果の説明図である。 参考例２の半導体発光素子の製造方法の説明図である。 本発明による実施形態の半導体発光素子の製造方法の説明図である。 参考例１，２の変形例の説明図である。 参考例１，２および実施形態の変形例の説明図である。

１ 半導体発光素子
１０ ウエハ
１０ａ 一の面
１０ｂ 裏面
１０ｃ 分割用溝
１１ 透明結晶基板
１１ａ 半導体積層面
１１ｂ 裏面
１１ｃ 側面
１２ 半導体
１２０ 主要層
１２１ 電極
２ 微粒子ブラスト材

Claims (4)

1. 透明結晶基板を複数含むウエハの一の面に、前記複数の透明結晶基板に対して複数の半導体をそれぞれ積層する積層工程と、前記複数の透明結晶基板の各々におけるその半導体が積層される面に対する少なくとも裏面に、ブラスト材のブラストにより粗面化して粗面を形成する粗面化工程とを含む半導体発光素子の製造方法であって、前記積層工程と前記粗面化工程との間に、前記複数の透明結晶基板および半導体を個々に分割するための分割用溝を形成する溝形成工程の後、前記複数の透明結晶基板および半導体を個々に分割する分割工程を行い、その後、透明結晶基板の各々における半導体が積層される面に対する側面全面の角度が鋭角となるようにレーザにより前記側面を形成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。
2. 前記粗面化工程で、前記複数の透明結晶基板の各々におけるその半導体が積層される面に対する裏面および側面の全面を、ブラスト材のブラストにより粗面化することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記溝形成工程で、前記分割用溝をレーザにより形成することを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記溝形成工程で、前記分割用溝をブレードにより形成することを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子の製造方法。

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