JP6974702B2 - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本願は、半導体発光装置の製造方法に関する。

従来から、アレイ状の発光素子を有する発光装置が提案されている。このような、アレイ状の発光素子を有する発光装置では、個々の発光素子の発光を見切れる構造にする必要がある。
そのために、例えば、チップサイズの発光素子を有する発光装置において、個々の発光素子の半導体層の成長基板側に、チップサイズと同一サイズの透明部材を配置することが提案されている（例えば、特許文献１等）。
また、発光素子の半導体層の成長基板側に凹部を形成し、その凹部内に光学部材を配置した発光素子が提案されている（特許文献２等）。

ＷＯ２０１１−１０８６６４号 特開２０１６−１６３０１５号

本願は、チップサイズにて又は隣接する発光素子間が近接する、複数の発光素子が配置された半導体発光装置の製造方法において、微細な光学部材を、個々の発光素子に対して容易かつ高精度に配置する方法を提供することを目的とする。

本願の半導体発光装置の製造方法は、
成長基板の一面に複数の半導体積層構造を形成し、
前記成長基板のうち該半導体積層構造が形成された領域に対応する部分に、前記半導体積層構造におよぶ貫通孔を形成し、
該貫通孔内に透光性部材を形成し、
前記成長基板を除去することを含む。

本願の半導体発光装置の製造方法によれば、チップサイズにて又は隣接する発光素子間が近接する、複数の発光素子が配置された半導体発光装置の製造方法において、微細な光学部材を、個々の発光素子に対して容易かつ高精度に配置する方法を提供することができる。

Ａ〜Ｈは、発光装置の製造方法の実施形態を示す概略断面工程図である。 図１Ｂにおける成長基板の概略平面図である。 図１Ｂの貫通孔の変形例を示す概略断面工程図である。 図１Ｂの貫通孔の別の変形例を示す概略断面工程図である。

以下に説明する発光装置の製造方法は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定されるものではない。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。各図面が示す部材の大きさやアスペクト比や位置関係等は、説明を明確または容易にするため、誇張または省略していることがある。

この実施形態の半導体発光装置の製造方法は、図１に示すように、成長基板１の一面に複数の半導体積層構造２を形成し（図１Ａ）、成長基板１のうち半導体積層構造２が形成された領域に対応する部分に、半導体積層構造２におよぶ貫通孔３を形成し（図１Ｂ）、貫通孔３内に透光性部材４を形成し（図１Ｃ、１Ｄ）、成長基板１を除去する（図１Ｇ）ことを含む。
このような半導体発光装置の製造方法では、さらに、半導体積層構造２を支持基板５に搭載してもよい（図１Ｅ）し、半導体積層構造２の周辺に光反射性部材６を形成してもよい（図１Ｆ）し、隣接する透光性部材４の間に遮光性部材７を形成してもよい（図１Ｈ）。

このように、成長基板を利用することにより、チップサイズにて又は隣接する発光素子間が近接する、複数の発光素子が配置された半導体発光装置の製造方法において、微細な光学部材を、個々の発光素子に対して容易かつ高精度に配置することが可能となる。つまり、成長基板の所定部分に貫通孔をパターニングすることにより、透光性部材を構成する樹脂等の材料層上へのパターニングが不要となり、製造工程の安定化が可能となり、より一層の高精度化を図ることができる。その結果、発光面と透光性部材との位置ズレを回避し、明るさ、配光への悪影響を阻止することができる。また、個々の発光素子の発光を見切ることができるとともに、意図する配光性を備え、明るい半導体発光装置を確実に製造することが可能となる。

（半導体積層構造２の形成）
まず、図１Ａに示すように、発光素子を構成する複数の半導体積層構造２を形成する。
半導体積層構造２は、通常、成長基板１の一面上に形成する。成長基板１としては、例えば、結晶性を有する基板であることが好ましく、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）等の絶縁性基板、シリコン、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの半導体基板が挙げられる。なかでも、シリコン基板がより好ましい。成長基板１の表面には、微細な凹凸が形成されていてもよい。
半導体積層構造２としては、ｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層とがこの順に積層されて構成されるダブルヘテロ構造のものが挙げられる。活性層は、量子効果が生ずる薄膜に形成された単一量子井戸構造、多重量子井戸構造のいずれでもよい。半導体層の種類、材料は特に限定されるものではなく、例えばＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の窒化物半導体が好適に用いられる。これらのｎ型半導体層及びｐ型半導体層はいずれも、単層であってもよいし、２層以上の多層又は超格子等の積層構造であってもよい。ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層ならびにこれらの積層体の厚みは、意図する特性、使用する材料等によって適宜調整することができる。
半導体積層構造２は、さらに、同一面側（例えば、ｐ側半導体層の上面側）に、ｎ側半導体層に電気的に接続されるｎ電極と、ｐ側半導体層に電気的に接続されるｐ電極との双方を有する。

ｎ側電極及びｐ側電極は、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ等の金属又はこれらの合金の単層膜又は積層膜によって形成することができる。具体的には、半導体層側からＴｉ／Ｒｈ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｒｈ等のように積層された積層膜が挙げられる。膜厚は、当該分野で用いられる膜の膜厚のいずれでもよい。また、それぞれ第１半導体層及び第２半導体層に近い側に、発光層から出射される光に対する反射率が電極のその他の材料より高い材料層が、これら電極の一部として配置されることが好ましい。反射率が高い材料としては、銀又は銀合金やアルミニウムを有する層が挙げられる。なお、銀又は銀合金を用いる場合には、銀のマイグレーションを防止するために、その表面（好ましくは、上面及び端面）を被覆する被覆層を形成することが好ましい。このような被覆層としては、通常、導電材料として用いられている金属及び合金によって形成されるものであればよく、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル等の金属を含有する単層又は積層層が挙げられる。

半導体積層構造２の平面形状は、例えば、四角形又はこれに近似する形状が好ましい。半導体積層構造の平面視における大きさは、半導体発光装置の平面視における大きさ、得ようとする明るさ等によって適宜調整することができる。半導体積層構造２の平面形状が正方形状である場合は、例えば、半導体積層構造、つまり、半導体発光素子の一辺の長さは、５μｍ〜６００μｍ、厚みは、８０μｍ〜２００μｍが挙げられる。また、複数の半導体積層構造の数は、得ようとする半導体発光装置の明るさ等によって適宜調整することができる。例えば、数列×数列、数列×十数列、十数列×十数列、十数列×数十列、数十列×数十列等が挙げられる。

複数の半導体積層構造２は、p側半導体層及び活性層が互いに分離されていればよいが、さらに、ｎ側半導体層が完全に分離されているものが好ましい。これによって、半導体発光装置において、複数の半導体発光素子を個別に駆動させることが可能となる。

成長基板１の一面に半導体積層構造を形成した後、任意に、成長基板の一面とは反対側の他面を研磨することにより、成長基板の厚みを薄くしてもよい。これにより、後工程における貫通孔の形成を容易に行うことができる。例えば、ここでの成長基板１の厚みは、２００μｍ以下とすることが挙げられ、１００μｍ以下とすることが好ましく、７０μｍ以下とすることがより好ましい。

（成長基板１への貫通孔３の形成）
図１Ｂに示すように、成長基板１のうち半導体積層構造２が形成された領域に対応する部分に、半導体積層構造２におよぶ貫通孔３を形成する。
このような貫通孔３は、成長基板１の他面側から形成する。例えば、成長基板１の他面側において、フォトリソグラフィ及びエッチング工程において、半導体積層構造２に対応する部分に開口を有するマスクを形成し、このマスクを利用して、成長基板の厚み方向の全部を除去することにより、貫通孔３を形成することができる。成長基板の除去は、例えば、ウェットエッチング及びドライエッチング又はこれらを組み合わせて行ってもよいが、等方性エッチングを利用することが好ましく、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を利用することがより好ましい。これにより、サイドエッチによる加工バラツキ、基板の結晶方位によるエッチング形状の制約の発生を回避して、発光面と後述する透光性部材との位置ズレの発生、明るさ及び配光への悪影響を阻止することができる。また、エッチング条件を選択することによって、貫通孔の側面の形状又は傾斜を制御することができる。その結果、後述する透光性部材の形状、透光性部材の位置合わせの自由度が拡大し、要求される発光特性への対応が可能となる。

貫通孔３は、成長基板側において、半導体積層構造の成長基板側の平面形状と同じ形状を有していてもよいし、若干小さめ又は大きめでもよい。また、貫通孔３は、成長基板の厚み方向において同じ平面積及び形状であってもよいし、成長基板１の一面から他面に向かって広がる又は狭まる領域を有する形状としてもよい。図１Ｂにおいては、貫通孔３は、成長基板１の一面から他面にむかって、一旦広がり、さらに狭まる形状を有する。
貫通孔３は、例えば、図２に示したように、マトリクス状に複数形成することが好ましい。貫通孔３の大きさは、５×５μｍ〜６００×６００μｍ、貫通孔３間の間隔は、５μｍ〜６００μｍとすることが好ましい。

（透光性部材４の形成）
図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、成長基板１に貫通孔３を形成した後、貫通孔３内に透光性部材４を形成する。
透光性部材４は、上述した半導体積層構造２から出射される光の６０％以上を通過させる材料、７０％以上又は８０％以上を通過させる材料により形成することができる。
透光性部材４は、例えば、透光性樹脂、蛍光体の結晶又は焼結体等を用いて形成することができる。

透光性樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂、シリコーン変性樹脂、シリコーン変成樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ＴＰＸ樹脂、ポリノルボルネン樹脂又はこれらの樹脂を１種以上含むハイブリッド樹脂等が挙げられる。なかでもシリコーン樹脂又はエポキシ樹脂が好ましく、特に耐光性、耐熱性に優れるシリコーン樹脂がより好ましい。

蛍光体としては、当該分野で公知のものが挙げられる。例えば、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬＡＧ）系蛍光体、ユウロピウム及び／又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム（ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂）系蛍光体、ユウロピウムで賦活されたシリケート（（Ｓｒ，Ｂａ）₂ＳｉＯ₄）系蛍光体、βサイアロン蛍光体、ＫＳＦ系蛍光体（Ｋ₂ＳｉＦ₆：Ｍｎ）、量子ドット蛍光体等と呼ばれる半導体の微粒子などが挙げられる。これにより、可視波長の一次光及び二次光の混色光（例えば白色系）を出射する発光装置、紫外光の一次光に励起されて可視波長の二次光を出射する発光装置とすることができる。発光装置が液晶ディスプレイのバックライト等に用いられる場合、発光素子１２から発せられた青色光によって励起され、赤色発光する蛍光体（例えばＫＳＦ系蛍光体）と、緑色発光する蛍光体（例えばβサイアロン蛍光体）とを用いることが好ましい。これにより、発光装置を用いたディスプレイの色再現範囲を広げることができる。
蛍光体の形状は、破砕状、球状、中空及び多孔質等のいずれでもよい。
蛍光体が透光性樹脂に含有される場合は、例えば、蛍光体の平均粒径（メジアン径）は、０．０８〜１０μｍ程度が挙げられる。蛍光体は、透光性部材の重量に対して１０〜６０重量％含有されていることが好ましい。

透光性部材４は、単層構造でもよいし、積層構造でもよい。例えば、図１Ｄに示すように、半導体積層構造２に接して、蛍光体を含む波長変換層４ａを形成し、半導体積層構造２に接する面以外の波長変換層４ａの表面を、透光層４ｂで被覆する２層構造を含んでいることが好ましい。これにより、波長変換層４ａに含まれる蛍光体を外気中の水分やガスなどから保護することができる。また、図１Ｄに示すように、波長変換層４ａは、半導体積層構造２の上面の全てを覆うように形成することにより、半導体積層構造２から透光層４ｂを介して、波長変換層４ａを通らずに出射される光（漏れ光）を抑制することができる。
透光性部材４は、さらに、充填材（例えば、拡散剤、着色剤等）を含んでいてもよい。例えば、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、珪酸カルシウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化クロム、酸化マンガン、ガラス、カーボンブラック等が挙げられる。なかでも、酸化チタンは、水分などに対して比較的安定で且つ高屈折率であり、また熱伝導性にも優れるため、好ましい。

透光性部材４が、液状の樹脂と粒子状の蛍光体とを含有した材料から製造される場合、透光性部材４に微粒子シリカを混合することが好ましい。これにより、透光性部材の材料にチクソ性を付与して蛍光体の沈降を低減し、蛍光体が均一に分散した透光性部材を得ることができる。充填材の粒子の形状は、破砕状、球状、中空及び多孔質等のいずれでもよい。粒子の平均粒径（メジアン径）は、０．０８〜１０μｍ程度が好ましい。これにより、高い効率で光散乱効果を得られる。充填材は、透光性部材の重量に対して１０〜６０重量％含有されていることが好ましい。透光性部材の光取り出し面側に充填材を含む層を設けることにより、色ムラの改善が期待できる。また、透光性部材を樹脂で形成する場合には、熱伝導率の高い充填材を用いることにより、熱伝導性を改善し、半導体発光装置の信頼性を向上させることができる。

透光性部材４の厚みは、発光装置の高さに影響する一方、薄くなると破損のおそれが高まり、また、含有可能な蛍光体の量が制限される。従って、例えば、１０〜３００μｍが挙げられ、３０〜２００μｍが好ましい。透光性部材は、上述した成長基板に形成された貫通孔内に形成されることから、成長基板と同等の厚み又はそれ以上の厚みとすることが好ましい。

透光性部材４は、例えば、液状の樹脂と必要に応じて蛍光体を混合した材料を、圧縮成形、トランスファー成形、射出成形、スプレー、印刷、ポッティング、電気泳動堆積等で略均一な厚みに形成した蛍光体に樹脂を含浸すること等又はこれらの組み合わせにより形成することができる。

（半導体積層構造２の支持基板５への搭載）
後工程の成長基板を除去する前に、図１Ｅに示したように、半導体積層構造２を支持基板５に搭載することが好ましい。ただし、支持基板５への搭載は、半導体積層構造２を形成した後であれば、どの段階でもよく、例えば、透光性部材４を形成した後が挙げられる。

支持基板５としては、半導体積層構造２を等間隔で配列するためにのみ用いる基板であってもよいが、表面に正負の端子が配置された端子基板であることが好ましい。端子基板は、例えば、樹脂フィルム、金属板、セラミック板等の単体又は複合体等によって形成することができ、剛性のものであってもよいし、可撓性を有するものであってもよいし、エキスパンド性を有するものであってもよい。このような端子基板としては、当該分野で用いられている端子基板、配線基板、実装基板等を利用することができ、上述した半導体積層構造の一面側に配置されたｎ電極及びｐ電極を、導電性の接合材により、正負の各端子に接続することが好ましい。
このような支持基板に半導体積層構造を搭載することにより、後述する成長基板の除去後において、複数の半導体積層構造を一体的に保持することができる。

（光反射性部材の形成）
図１Ｆに示したように、各半導体積層構造２の側面を被覆する光反射性部材６を形成することが好ましい。ただし、光反射性部材６は、複数の半導体積層構造２を形成した後であれば、成長基板に貫通孔を形成する前後、透光性部材を形成する前後等、任意の段階で形成することができる。成長基板に貫通孔を形成する前に光反射性部材６を形成することにより、複数の半導体積層構造の保持力を高めることができるとともに、半導体積層構造の側面及び下面のエッチングによるダメージを低減することができるため、好ましい。
このように、光反射性部材６を形成することにより、隣接する半導体発光素子の間での見切り性を顕著にすることが可能となる。
ここでの各半導体積層構造の側面の被覆とは、各半導体積層構造の全ての側面を被覆することが好ましいが、一部のみ側面を被覆するものでもよい。また、光反射性部材は、半導体積層構造の側面に接触して形成することが好ましいが、一部又は全部において、透光性部材等を介して被覆していてもよい。

光反射性部材６は、例えば、上述した透光性樹脂に、光反射性物質を含有させて構成することができる。光反射性物質としては、例えば、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、珪酸カルシウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸カリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライト等が挙げられる。なかでも酸化チタンは、水分等に対して比較的安定でかつ高屈折率であるため好ましい。

光反射性部材６は、圧縮成形、トランスファー成形、射出成形等の金型成形、印刷、ポッティング等によって形成することができる。なかでも、圧縮成形、トランスファー成形を利用することがより簡便かつ容易であることから、好ましい。
また、光反射性部材６は、半導体積層構造を形成した後、成長基板１を有した状態で、ｎ電極及びｐ電極等を含む半導体積層構造２の全部を埋設し、その後、ｎ電極及びｐ電極の表面を露出するように研磨等して形成してもよい。特に、光反射性部材６は、半導体積層構造２を支持基板５に搭載した後に形成することが好ましく、半導体積層構造２を支持基板５に搭載した後であって、さらに成長基板１を除去する前に形成することがより好ましい。

（成長基板１の除去）
図１Ｇに示したように、透光性部材４を形成した後、成長基板１を除去する。
成長基板１は、成長基板１の他面側からエッチングすることにより除去することができる。なかでも、成長基板を、透光性部材と成長基板との選択比の差に基づくドライエッチングによって除去することが好ましく、成長基板がシリコン基板である場合には、透光性部材とシリコンとの選択比の差に基づくエッチングによって除去することがより好ましい。なかでも、そのようなエッチングとして、成長基板の材料と、透光性部材を構成する樹脂との間で、選択比が２０以上異なるエッチャント、より好ましくは、３０以上異なるエッチャントを用いるエッチングを利用することが好ましく、ドライエッチングを利用することが好ましい。この場合のエッチャントとしては、例えば、ＳＦ６、ＣＦ４等を用いることができる。
このような方法により成長基板を除去する場合には、透光性部材を損傷することなく、かつ、成長基板を確実に除去することができる。特に、成長基板がシリコンによって形成されている場合には、シリコンは半導体積層構造によって構成される半導体発光素子から出射される光を吸収しやすい。よって、成長基板を確実に除去することは、光の取り出し効率を向上させるために好ましい。

（遮光性部材７の形成）
図１Ｈに示すように、成長基板１を除去した後、さらに、隣接する透光性部材４間に遮光性部材７を形成することが好ましい。このような遮光性部材７を形成することにより、隣接する半導体発光素子間での見切り性をより顕著なものとすることができる。
遮光性部材７は、例えば、上述した透光性の樹脂に、遮光性物質としては、二酸化チタン、二酸化ケイ素、二酸化ジルコニウム、チタン酸カリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライト、酸化ニオブ、酸化亜鉛、硫酸バリウム、各種希土類酸化物（例えば、酸化イットリウム、酸化ガドリニウム）などの光反射材、光散乱材又はカーボンブラック等の着色材、無機フィラー等の添加物を含有させたものが挙げられる。
また、遮光性部材７は、Ａｌ、Ａｇ等の金属又は合金の単層又は積層構造の層として形成してもよい。なかでも、ＡｌＣｕを用いることが好ましい。

遮光性部材７は、圧縮成形、トランスファー成形、射出成形等の金型成形、印刷、ポッティング等によって形成することができる。
また、遮光性部材７を、透光性部材４の全部を埋設するように形成し、その後、透光性部材４の表面を露出するように研磨等して形成してもよい。
また、遮光性部材７を、透光性部材４の全部を埋設するように形成し、フォトリソグラフィの適用により、隣接する透光性部材４の間に遮光性部材７を残すようにして形成してもよい。
あるいは、上述した光反射性部材を透光性部材４の間に配置し、光反射性部材に溝を形成し、その溝内に遮光性部材を配置してもよい。

変形例１
この実施形態では、図３に示すように、成長基板１に形成する貫通孔３３を、成長基板１の一面から他面に向かって、略広がる形状となるように、ドライエッチングにて形成した。これにより、発光面からの配光を広げることができる。
上記以外の半導体発光装置の製造方法は、実質的に上記の実施形態と同様であり、上述した製造方法と同様の効果を有する。

変形例２
この実施形態では、図４に示すように、成長基板１に形成する貫通孔４３を、成長基板１の一面から他面に向かって、ほぼ一定の寸法を有する形状となるように、ドライエッチングにて形成した。これにより、横方向への光の広がりを抑えることができる。
上記以外の半導体発光装置の製造方法は、実質的に上記の実施形態と同様であり、上述した製造方法と同様の効果を有する。

本願の半導体発光装置の製造方法のでは、ＡＤＢ（配光可変ヘッドライト）など隣接する発光素子と近接し、見切りが必要となる発光装置の製造に有利に利用することができる。

１ 成長基板
２ 半導体積層構造
３、３３、４３ 貫通孔
４ 透光性部材
４ａ 波長変換層
４ｂ 透光層
５ 支持基板
６ 光反射性部材
７ 遮光性部材

Claims (9)

1. 成長基板の一面に、互いに分離された複数の半導体積層構造を形成し、
   前記複数の半導体積層構造を形成した後、前記複数の半導体積層構造の側面の全体を被覆して、該複数の半導体積層構造を一体的に保持する光反射部材を形成し、
   前記成長基板のうち該半導体積層構造が形成された領域に対応する部分に、前記半導体積層構造におよぶ貫通孔を形成し、
   該貫通孔内に透光性部材を形成し、
   前記成長基板の全部を除去することを含む半導体発光装置の製造方法。
2. 前記成長基板を除去する前に、さらに、前記半導体積層構造を支持基板に搭載する請求項１に記載の半導体発光装置の製造方法。
3. 前記成長基板を除去する前に、前記光反射性部材を形成する請求項１又は２に記載の半導体発光装置の製造方法。
4. 前記透光性部材を形成する際、
   前記半導体積層構造に接して、蛍光体を含む波長変換層を形成し、
   前記半導体積層構造に接する面以外の波長変換層の表面を、透光層で被覆する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置の製造方法。
5. 前記成長基板は、シリコン基板である請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置の製造方法。
6. 前記成長基板を除去する際、前記成長基板を、前記透光性部材と前記成長基板との選択比の差に基づくドライエッチングによって除去する請求項５のいずれか１つに記載の半導体発光装置の製造方法。
7. 前記貫通孔が前記成長基板の一面から該一面とは反対側の面に向かって広がる領域を有するように、前記貫通孔を形成する請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光装置の製造方法。
8. 前記成長基板を除去した後、さらに、隣接する前記透光性部材の間に遮光性部材を形成する請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光装置の製造方法。
9. 前記光反射性部材の上に前記遮光性部材を形成する請求項８に記載の半導体発光装置の製造方法。

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