JP5855422B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）のような発光素子は、化合物半導体（compound semiconductor）のｐｎ接合を介して、発光源を構成するものであり、多様な色の光を具現することができる半導体素子をいう。例えば、窒化物系ＬＥＤは、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮのようなIII−Ｖ族化合物半導体でもって、短波長光（紫外線ないし緑色光）、特に、青色光を出すことができる発光素子に広く使われる。このような発光素子は、寿命が長く、小型化及び軽量化が可能であり、光の指向性が強く、かつ低電圧駆動が可能であるという長所がある。また、このような発光素子は、衝撃及び振動に強く、予熱時間と複雑な駆動とが不要であり、多様な形態でパッケージングが可能であり、さまざまな用途に適用が可能である。
ＬＥＤのような発光素子を製造する１つのアプローチとして、結晶成長のための格子整合条件を最も満足すると知られているサファイア基板のような絶縁性基板を利用して、化合物半導体層を積層した後で、基板を除去する垂直型構造が提案されている。このような垂直型発光素子は、ｎ型電極とｐ型電極とが化合物半導体構造物の同一面に設けられた場合と、化合物半導体構造物の互いに異なる面に設けられた場合とに分けられる。ｎ型電極とｐ型電極とを化合物半導体構造物の同一面に位置させれば、電流拡散（current spreading）の側面で有利であり、電極によって光の移動経路がブロッキングされる現象を低減させることができるという点で有利である。
本発明は、発光素子の側面に連結層を形成することによって、製造工程を容易にしつつ、製造コストを低減させることができる発光素子及びその製造方法を提供するものである。
本発明の一側面による発光素子は、第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層を含む化合物半導体構造物；第２化合物半導体層の上面に設けられたものであり、第１化合物半導体層及び第２化合物半導体層それぞれに電気的に連結される第１電極層及び第２電極層；第１電極層及び第２電極層が位置した領域の一部を除外した残りの領域に塗布された絶縁層；非導電性基板の上面に形成され、非導電性基板を、第１電極層及び前記絶縁層に連結させる導電性接着層；導電性接着層の一側面と非導電性基板との一側面に接するように形成され、導電性接着層に連結される第１電極連結層；導電性接着層の他側面と非導電性基板との他側面上に形成され、第２電極層に連結され前記導電性接着層とは離隔されている第２電極連結層；を含む。
本発明の他の側面による垂直型発光素子の製造方法は、基板上に第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層を積層して、化合物半導体構造物を形成する段階と、化合物半導体構造物の上面に、前記第１化合物半導体層及び第２化合物半導体層にそれぞれ電気的に連結される第１電極層及び第２電極層を形成する段階と、第１電極層及び第２電極層が位置した領域の一部を除外した残りの領域に、絶縁層を塗布する段階と、絶縁層、第１電極層及び導電性接着層を利用して、非導電性基板を接合する段階と、導電性接着層の一部と、第２電極層の上面一部とを露出させる段階と、導電性接着層に第１電極連結層を連結させる段階と、第２電極層に第２電極連結層を連結させる段階と、を含む。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による発光素子を、概略的に図示した断面図である。
図１を参照すれば、本実施形態の発光素子は、化合物半導体構造物１１０と、化合物半導体構造物１１０の両側面に設けられた電極構造物と、を含む。
化合物半導体構造物１１０は、所定の基板１００（図３）上に結晶成長して形成された第１化合物半導体層１１１、活性層１１２、第２化合物半導体層１１３を含む。結晶成長の基になった基板１００は、後述するところのように除去されうる（図１２）。
このような化合物半導体構造物１１０は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮのような、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に結晶成長された窒化物半導体ダイオードでありうる。このような窒化物半導体は、結晶成長のための格子整合条件を良好に満足するサファイア基板のような絶縁性基板を利用して製造されうる。第１化合物半導体層１１１は、ｎ型導電性を有することができ、第２化合物半導体層１１３は、ｐ型導電性を有することができる。場合により、ｎ型導電性とｐ型導電性とは、入れ替わることもある。このような第１化合物半導体層１１１と第２化合物半導体層１１３との間には、活性層１１２が位置する。活性層１１２は、例えば、多重量子井戸構造によって形成されうる。多重量子井戸構造は、多数の量子井戸層と、それらの間に形成された多数の量子障壁層とからなる。具体的な例として、化合物半導体構造物１１０が窒化ガリウム系発光ダイオードである場合、第１化合物半導体層１１１は、ｎ型不純物ドーピングされたＧａＮから形成され、第２化合物半導体層１１３は、ｐ型不純物ドーピングされたＧａＮから形成され、活性層１１２は、ＩｎＧａＮからなる多重井戸層と、ＧａＮからなる量子障壁層とが多層積層されて形成されうる。第１化合物半導体層１１１と第２化合物半導体層１１３とを介して注入された電子、正孔は、活性層１１２で出合って光を放出する。
電極構造物は、第２化合物半導体層１１３側に設けられた第１電極層１３０及び第２電極層１４０と、第１電極層１３０及び第２電極層１４０それぞれに電気的に連結される第１電極連結層１８１及び第２電極連結層１８２とを含む。
第１電極層１３０は、第２化合物半導体層１１３側から第１化合物半導体層１１１に開けられたビアホール１１０ａ（図４）を介して、第１化合物半導体層１１１に電気的に連結される。ビアホール１１０ａは、メサ（mesa）構造や垂直構造にエッチングされて形成されうる。ビアホール１１０ａは、一つまたは複数個設けられうる。
第２電極層１４０は、第２化合物半導体層１１３上に設けられ、第２化合物半導体層１１３に電気的に連結される。第２電極層１４０は、第２化合物半導体層１１３のビアホール１１０ａが形成されていない領域に設けられうる。
絶縁層１２０は、化合物半導体構造物１１０の上面で、第１電極層１３０が位置した領域、及び第２電極層１４０が位置した領域の一部を除外した残りの領域に塗布されている。第１電極層１３０は、絶縁層１２０によって、活性層１１２、第２化合物半導体層１１３及び第２電極層１４０から絶縁される。
非導電性基板１６０の上面に、導電性接着層１５０を塗布し、所定温度及び圧力を加えて、非導電性基板１６０を、絶縁層１２０及び第１電極層１３０の下面に接合する。
導電性接着層１５０の上面一部と、第２電極層１４０の上面一部は、外部に露出される。非導電性基板１６０と導電性接着層１５０との両側面には、第１電極連結層１８１と第２電極連結層１８２とがそれぞれ設けられる。第１電極連結層１８１は、非導電性基板１６０と導電性接着層１５０との一側面に接触し、その一端は、露出された導電性接着層１５０の上面に接触する。第２電極連結層１８２は、非導電性基板１６０と導電性接着層１５０との他側面を覆い包むように設けられ、その一端は、露出された第２電極層１４０の上面に接触する。
第１電極連結層１８１と第２電極連結層１８２は、金属を蒸着して設けられ、蒸着方法としては、電子ビーム、スパッタリング及びメッキなどの方法が適用されうる。
このとき、第１電極連結層１８１と第２電極連結層１８２とがいずれも導電性接着層１５０に接触すれば、互いに連結されてショートするために、これを防止するために、第２電極連結層１８２と、非導電性基板１６０及び導電性接着層１５０との側面間には、絶縁膜１７０が設けられている。絶縁膜１７０は、非導電性基板１６０、導電性接着層１５０及び第２電極層１４０の側面に直接接触するように設けられており、第２電極連結層１８２は、非導電性基板１６０及び導電性接着層１５０と接触することが防止される。絶縁膜１７０は、ＳｉＯｘ、ＳｉｘＮｙなどや、ポリマー、ポリイミド及びエポキシ系が使われうる。
従って、第１電極連結層１８１は、導電性接着層１５０を介して、第１電極層１３０と電気的に連結され、第２電極連結層１８２は、第２電極層１４０に電気的に連結され、第１電極連結層１８１と第２電極連結層１８２は、絶縁膜１７０によって互いに絶縁される。
非導電性基板１６０の下面には、伝導性接着層１８３によって、パッケージ２００が接合される。このとき、第１電極連結層１８１と第２電極連結層１８２は、伝導性接着層１８３に接触して電気的に連結される。パッケージ２００及び伝導性接着層１８３には、非導電性基板１６０まで貫通するように、ビアホール２１０が形成されている。従って、第１電極連結層１８１と第２電極連結層１８２は、ビアホール２１０によって絶縁される。化合物半導体構造物１１０を覆い包むように、保護層１９０を形成する。
図２は、本発明の他の実施形態による発光素子を概略的に図示した断面図である。
図２を参照すれば、基本的な構成は、図１に図示された本発明の一実施形態による発光素子と同一である。ただし、化合物半導体構造物１１０だけではなく、露出された第１電極連結層１８１、第２電極連結層１８２及び伝導性接着層１８３を覆い包むように、保護層２９０を形成する。このような保護層２９０及び保護層１９０は、化合物半導体構造物１１０などを外部環境から保護するためのものであり、光抽出が妨害されないように、光を透過させることができる透明な材質からなりうる。
非導電性基板にビアホールを形成することは困難な作業であって経済的なものではないために、前記のような構成により、非導電性基板にビアホールを形成せずに、非導電性基板の側面に電極を形成することによって、作業工程を容易にすることができ、製造コスト側面でも経済的である。
図３ないし図１５は、本発明の一実施形態による発光素子を製造する方法について説明するために、順次に図示した工程断面図である。図３ないし図１５は、説明の便宜のために、１つの発光素子を製造する工程を図示したが、実際には、複数個の発光素子をウェーハ上に一体に形成した後、それぞれ切断して個別発光素子を製造することができる。
図３を参照すれば、基板１００の上面に、第１化合物半導体層１１１、活性層１１２及び第２化合物半導体層１１３を順次に結晶成長させ、化合物半導体構造物１１０を形成する。
基板１００は、結晶成長させようとする化合物半導体に適したものを選択することができる。例えば、窒化物半導体単結晶を成長させる場合、基板１００は、サファイア基板、酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などから選択することができる。図３には図示されていないが、基板１００と第１化合物半導体層１１１との間にはバッファ層が形成されうる。バッファ層は、第１化合物半導体層１１１を成長させる前に、基板１００との格子整合を向上させるための層であり、一般的に、ＡｌＮ／ＧａＮから形成されうる。
化合物半導体構造物１１０は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮのようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させて形成することができる。一例として、化合物半導体構造物１１０が窒化ガリウム系発光ダイオードである場合、第１化合物半導体層１１１、活性層１１２及び第２化合物半導体層１１３は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎの組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する半導体物質であって、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）設備を利用したエピタキシャル（epitaxial）成長法などで形成しうる。すなわち、第１化合物半導体層１１１は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのような第１導電型不純物がドーピングされたＧａＮまたはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層によって形成しうる。活性層１１２は、多重量子井戸（multi-quantum well）構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮ層によって形成されたり、１つの量子井戸層またはダブルヘテロ構造によっても形成されうる。第２化合物半導体層１１３は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅのような第２導電型不純物がドーピングされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層によって形成されうる。
次に、図４を参照すれば、第１電極層１３０（図１）の形成領域に対応する領域に該当する化合物半導体構造物１１０の部分を、第２化合物半導体層１１３から所定深さほどエッチングしてビアホール１１０ａを形成し、第１化合物半導体層１１１の一部を露出させる。ビアホール１１０ａは、メサ構造や垂直構造などで形成することができる。ビアホール１１０ａは、複数の第１電極層１３０に対応するように、複数個形成されうる。その後、ビアホール１１０ａを含む化合物半導体構造物１１０の上部面全域に、保護層（passivation layer）１２１を公知の蒸着方法を利用して塗布する。例えば、保護層１２１は、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced chemical vapor deposition）を利用し、ＳｉＯ２を約６，０００Å厚に蒸着して形成することができる。
次に、図５を参照すれば、保護層１２１において、ビアホール１１０ａの底に形成された部分をエッチングし、第１化合物半導体層１１１を露出させる。このようなエッチングは、例えば、ＲＩＥ（reactive ion etching）とＢＯＥ（buffered oxide echant）とを利用してなされる。その後、第１化合物半導体層１１１の露出された領域に、第１電極層１３０を形成する。例えば、第１電極層１３０は、Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ層を、２００ｎｍ／１２００ｎｍ／２０ｎｍ厚に蒸着して形成することができる。このとき、第１電極層１３０は、多数個形成し、第１化合物半導体層１１１への電流拡散（current spreading）を向上させることができる。
図６を参照すれば、第１電極層１３０を取り囲んだ領域を除外した残りの領域の保護層１２１をエッチングし、第２化合物半導体層１１３を露出させる。このようなエッチングは、例えば、ＲＩＥとＢＯＥとを利用してなされる。次に、露出された第２化合物半導体層１１３上に、第２電極層１４０を形成する。このとき、第２電極層１４０は、第１電極層１３０から離隔するように形成される。第２電極層１４０は、オーミック特性と光反射特性とを同時に有した金属から形成されて反射膜の役割を行ったり、またはオーミック特性と光反射特性とをそれぞれ有した金属が順次に積層されてなる多層によって形成することができる。例えば、第２電極層１４０は、Ｎｉ／Ａｇ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ層を、０．５ｎｍ／２５０ｎｍ／５０ｎｍ／３００ｎｍ／５０ｎｍの厚さに蒸着して形成することができる。
次に、図７を参照すれば、化合物半導体構造物１１０の上側に、所定厚に絶縁物質層１２２を塗布する。絶縁物質層１２２は、第１電極層１３０、第２電極層１４０及び保護層１２１を包括した全域に塗布される。このような絶縁物質層１２２は、例えば、ＰＥＣＶＤを利用して、ＳｉＯ２を約８，０００Å厚に蒸着して形成することができる。保護層１２１及び絶縁物質層１２２は、同一物質から形成され、第１電極層１３０及び第２電極層１４０に対する絶縁層１２０をなす。
第１電極層１３０の上側を覆っている絶縁物質層１２２の一部を除去し、除去された部分に、第１電極層１３０を形成するＡｌ／Ｔｉ／Ｐｔ層を充填して、第１電極層１３０と一体に形成する。それにより、一体になった第１電極層１３０は、絶縁物質層１２２の外部に露出される。従って、第１電極層１３０は、絶縁物質層１２２の外部に露出されるが、第２電極層１４０は、絶縁物質層１２０によって外部と遮断される。
図８を参照すれば、非導電性基板１６０の上側に、導電性接着層１５０を塗布した後、非導電性基板１６０を第１電極層１３０及び絶縁層１２０に、所定温度と圧力とを加えて接合させる。導電性接合層１５０に、３００℃以上の温度と所定の圧力とを加え、導電性接着層１５０上に非導電性基板１６０を接合する。すれにより、第１電極層１３０は、導電性接着層１６０と接触するが、第２電極層１４０は、絶縁層１２０によって導電性接着層１６０から離隔される。
非導電性基板１６０は、最終的な発光素子の支持層として、役割を行うものであり、接合時に、３００℃以上の温度が加えられるので、基板１００と熱膨張係数が類似した基板を使用することが望ましい。
図９を参照すれば、第１電極層１３０に隣接した絶縁層１２０、化合物半導体構造物１１０及び基板１００の一部をエッチングし、導電性接着層１５０の一部を露出させる。第２電極層１４０の上側に位置する化合物半導体構造物１１０及び基板１００の一部をエッチングし、第２電極層１４０の一部を露出させる。エッチングは、例えば、ＲＩＥとＢＯＥとを利用してなされうる。
図１０を参照すれば、第２伝導層１４０、導電性接着層１５０及び非導電性基板１６０の側面に、絶縁膜１７０を所定厚に形成する。従って、第２電極層１４０、導電性接着層１５０及び非導電性基板１６０の側面は、絶縁膜１７０で覆われる。絶縁膜１７０は、ＳｉＯｘ、ＳｉｘＮｙなどや、ポリマー、ポリイミド及びエポキシ系が使われうる。
図１１を参照すれば、伝導性接着層１５０の露出された上面一部と、非導電性基板１６０の側面とを覆い包むように、第１電極連結層１８１を形成する。第２電極層１４０の露出された上面一部と絶縁膜１７０とを覆い包むように、第２電極連結層１８２を形成する。第１電極連結層１８１と第２電極連結層１８２は、銅、ニッケル、クロムのような金属を蒸着することによって形成され、金属を蒸着する方法は、電子ビーム、スパッタリングまたはメッキなどである。このとき、第１電極連結層１８１の一端は、絶縁層１２０から所定間隔離隔されて、伝導性接着層１５０の上面に形成されている。第２電極連結層１８２の一端は、第２化合物半導体層１１３から所定間隔離隔され、第２電極層１４０の上面に形成されている。これは、化合物半導体構造物１１０を覆い包むように形成される保護層１９０（図１３）を形成するためのスペースを確保するためである。
次に、図１２を参照すれば、化合物半導体構造物１１０から基板１００を除去する。化合物半導体構造物１１０の上面は、光が抽出される部分であり、光抽出効率を高めるために、基板１００を除去する。併せて、図面に図示されていないが、化合物半導体構造物１１０の上面に、表面凹凸構造を形成し、光抽出効率を高めることができる。
図１３を参照すれば、化合物半導体構造物１１０を覆い包むように、保護層１９０を形成する。保護層１９０は、化合物半導体構造物１１０を外部環境から保護するためのものであり、光抽出が妨害されないように、光を透過させることができる透明な材質からなる。
図１４を参照すれば、パッケージ２００の上側に、導電性接着層１８３を塗布した後、パッケージ２００を、第１電極連結層１８１、非導電性基板１６０、絶縁膜１７０及び第２電極連結層１８２に接合させる。このとき、第１電極連結層１８１と第２電極連結層１８２は、導電性接着層１８３に接合されて連結される。
図１５を参照すれば、パッケージ２００と導電性接着層１８３とを貫通するように、ビアホール２１０を形成し、非導電性基板１６０の一部を露出させる。このとき、第１電極連結層１８１と第２電極連結層１８２は、ビアホール２１０によって絶縁される。ビアホール２１０は、機械的加工（drilling）、超音波加工、レーザ加工、サンド・ブラスティング（sand blasting）または乾式エッチングのような多様な方法を利用したり、またはそれら方法を結合して形成されうる。
１００ 基板
１１０ 化合物半導体構造物
１１０ａ，２１０ ビアホール
１１１ 第１化合物半導体層
１１２ 活性層
１１３ 第２化合物半導体層
１２０ 絶縁層
１２１，１９０，２９０ 保護層
１２２ 絶縁物質層
１３０ 第１電極層
１４０ 第２電極層
１５０ 伝導性接着層
１６０ 非導電性基板
１７０ 絶縁膜
１８１ 第１電極連結層
１８２ 第２電極連結層
１８３ 伝導性接着層
２００ パッケージ
１１０ 化合物半導体構造物
１１０ａ，２１０ ビアホール
１１１ 第１化合物半導体層
１１２ 活性層
１１３ 第２化合物半導体層
１２０ 絶縁層
１２１，１９０，２９０ 保護層
１２２ 絶縁物質層
１３０ 第１電極層
１４０ 第２電極層
１５０ 伝導性接着層
１６０ 非導電性基板
１７０ 絶縁膜
１８１ 第１電極連結層
１８２ 第２電極連結層
１８３ 伝導性接着層
２００ パッケージ
Claims (10)
- 第１化合物半導体層、活性層、及び第２化合物半導体層を含む化合物半導体構造物と、
前記化合物半導体構造物の前記第２化合物半導体層側の面に設けられて前記第１化合物半導体層に電気的に連結される第１電極層と、
前記化合物半導体構造物の前記第２化合物半導体層側の面に設けられて該第２化合物半導体層に電気的に連結される第２電極層と、
前記第１電極層及び前記第２電極層が位置する領域の一部を除外した残りの領域に塗布された絶縁層と、
非導電性基板に対向して形成され、該非導電性基板を前記第１電極層及び前記絶縁層に連結させる導電性接着層と、
前記導電性接着層の一方の側面及び前記非導電性基板の一方の側面に接するように形成されて前記導電性接着層に連結される第１電極連結層と、
前記導電性接着層の他方の側面及び前記非導電性基板の他方の側面上に形成されて前記第２電極層に連結され、前記導電性接着層とは離隔されている第２電極連結層と、
を含む発光素子。 - 前記第１電極連結層は、前記導電性接着層を介して、前記第１電極層に電気的に連結されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記第２電極連結層と前記導電性接着層との間には、絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
- 前記絶縁膜は、前記第２電極層の側面と、前記非導電性基板の前記他方の側面とを覆うように延びていることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
- 前記非導電性基板、前記第１電極連結層、及び前記第２電極連結層は、伝導性接着層によってパッケージと連結され、前記伝導性接着層及び前記パッケージにはビアホールが形成されて前記第１電極連結層と前記第２電極連結層とを絶縁させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の発光素子。
- 基板上に、第１化合物半導体層、活性層、及び第２化合物半導体層を積層して化合物半導体構造物を形成する化合物半導体構造物形成段階と、
前記化合物半導体構造物の前記第２化合物半導体層側に、前記第１化合物半導体層に電気的に連結される第１電極層及び第２化合物半導体層に電気的に連結される第２電極層を形成する電極層形成段階と、
前記第１電極層及び前記第２電極層が位置する領域以外の領域に、絶縁層を塗布する塗布段階と、
前記絶縁層及び前記第１電極層に、導電性接着層を利用して非導電性基板を接合する接合段階と、
前記導電性接着層の一部と、第２電極層の前記第２化合物半導体層に対向する面の一部とを露出させる露出段階と、
前記導電性接着層に第１電極連結層を連結させる第１電極連結層連結段階と、
前記第２電極層に第２電極連結層を連結させる第２電極連結層連結段階と
を含む発光素子の製造方法。 - 前記第２電極連結層連結段階の前に、前記非導電性基板及び前記導電性接着層の他方の側面と、前記第２電極層の側面とに絶縁膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の発光素子の製造方法。
- 前記第２電極連結層連結段階は、
前記絶縁膜を覆い包みつつ、前記第２電極層の露出面の一部に連結されるように、前記第２電極連結層を形成することを特徴とする請求項７に記載の発光素子の製造方法。 - 前記非導電性基板、前記第１電極連結層、及び前記第２電極連結層を、導電性接着層を利用してパッケージに連結させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の発光素子の製造方法。
- 前記導電性接着層と前記パッケージとを貫通して、前記非導電性基板までビアホールを形成し、前記第１電極連結層と前記第２電極連結層とを絶縁させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の発光素子の製造方法。
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