発光ダイオード及びその製造方法
【課題】放熱効率の高い発光ダイオードを低コストで製造する。
【解決手段】半導体層２０等がチップ間で分離された状態で金属板７０のウェットエッチングを行う（金属板切断工程）。このエッチングに際しては、放熱板３０の材料に応じたエッチング液を用いることができる。また、このウェットエッチングの際にフォトレジスト層５０が残存するような設定とされる。これにより、ダイシングシート１００上で放熱板３０も発光ダイオードチップ毎に分離され、図４（ｊ）の形態が得られる。分離後にフォトレジスト層５０を剥離液で除去することにより、最終的に図４（ｋ）のように、分離された個々の発光ダイオード１０が得られる。この製造方法において、最終的なチップの分離は、図４（ｊ）に示されるウェットエッチングにより行われる。
【解決手段】半導体層２０等がチップ間で分離された状態で金属板７０のウェットエッチングを行う（金属板切断工程）。このエッチングに際しては、放熱板３０の材料に応じたエッチング液を用いることができる。また、このウェットエッチングの際にフォトレジスト層５０が残存するような設定とされる。これにより、ダイシングシート１００上で放熱板３０も発光ダイオードチップ毎に分離され、図４（ｊ）の形態が得られる。分離後にフォトレジスト層５０を剥離液で除去することにより、最終的に図４（ｋ）のように、分離された個々の発光ダイオード１０が得られる。この製造方法において、最終的なチップの分離は、図４（ｊ）に示されるウェットエッチングにより行われる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体層を発光させて動作する発光ダイオードの構造及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体が用いられた発光ダイオードは各種の用途に用いられる。特に、ＧａＮ等の窒化物半導体が用いられた発光ダイオードは、青色ダイオードや、蛍光材料と組み合わせて白色ダイオードとして照明等の用途にも広く用いられる。
【０００３】
ＧａＮ等の窒化物半導体からなる発光ダイオードの構造としては、基板上にＧａＮのｎ型層、発光層、ＧａＮのｐ型層が順次エピタキシャル成長で形成された構成が一般的である。発光層としては、ｐｎ接合における発光をより効率的にこの層で行わせるために、超格子層、他の窒化物半導体を含む層が用いられる。この際、ｎ型層、ｐ型層に電極が接続され、これらの電極間にｐｎ接合の順方向の通電がされることによってこの発光ダイオードは発光する。良質のＧａＮ層がエピタキシャル成長によって得られる基板としては、サファイアが最も一般的に使用されている。サファイアは機械的強度も充分であるため、発光ダイオードの支持基板としても好適に用いられる。
【０００４】
こうした発光ダイオードの構造の代表例の断面図を図７に示す。図７は、サファイア基板９１上にＧａＮのｎ型層９２、発光層９３、ｐ型層９４を成長させた後に、サファイア基板９１をそのまま残した場合の発光ダイオード９０の１チップの構成である。この場合には、ｐ型層９４、発光層９３が部分的に除去されてｎ型層９２が露出した箇所にｎ電極９５が形成される。また、ｐ型層９４の表面の広い領域には透明電極９６が形成され、更に透明電極９６の上の一部分にｐ電極９７が形成される。透明電極９６はこの発光ダイオード９０が発する光に対して透明であるが電気抵抗が高い。これに対して、ｎ電極９５、ｐ電極９７はこの光に対して不透明であるが、電気抵抗が低い。また、サファイア基板９１は絶縁性であるため、図中の右側においてｐ型層９４、発光層９３が除去され、ｎ型層９２が露出した領域が形成され、この領域にｎ電極９５が形成されている。このｎ型層９２が露出した領域は発光に寄与しない。また、透明電極９６の電気抵抗が高いために別途ｐ電極９７は必要であるが、ｐ電極９７は不透明であるために、これによる遮光の影響が無視できる程度にｐ電極９７の面積は小さくされる。
【０００５】
また、実際に図７の構造の発光ダイオードを得る際には、個々の発光ダイオードチップが多数形成された構成のウェハを製造し、これを切断することによって個々の発光ダイオードチップを得るのが一般的である。ここで、単体の発光ダイオードチップの大きさは例えば１ｍｍ角程度であるのに対して、ウェハの直径は２インチ径程度と大きい。このため、１枚のウェハから多数個の発光ダイオードチップを得ることができ、個々の発光ダイオードチップを低コストで得ることができる。この際、図８（ａ）に示されるように、単一のサファイア基板９１の上で図７におけるｎ型層９２よりも上側の構造が多数形成される。隣接するチップ間の分離は、ｎ型層９２等をドライエッチングすることによってなされるが、ここではサファイア基板９１は分断されていない。その後、図８（ｂ）に示されるように、サファイア基板９１の裏面側に高分子材料からなるダイシングシート１００を貼り付けた後に、図８（ｃ）に示されるように、隣接するチップ間のサファイア基板９１に分離溝６０を形成する。分離溝６０は、例えばレーザー光の照射によって形成され、サファイア基板９１の裏面にまで達しない深さとすることにより、ダイシングシート１００の形態には影響を与えないようにすることができる。その後、図８（ｄ）に示されるようにサファイア基板９１とダイシングシート１００とを分離すれば、分離溝６０の底部で薄くされた部分でサファイア基板１１は分断（ダイシング）されるため、図７の形態の発光ダイオードチップが分離されて得られる。
【０００６】
ここで、図８（ｃ）における分離溝６０を形成するためには、レーザー光を用いる方法の他に、ブレードを用いた機械的切断も用いることができる。ただし、ブレードを用いる場合には、隣接するチップ間の間隔（分離溝６０の幅）をこのブレードの厚さ（例えば１００μｍ）よりも小さくすることができない。このため、この間隔を小さくして１枚のサファイア基板９１上から多数の発光ダイオードチップを得るという観点からは、充分に小さなスポットとされたレーザー光を走査して分離溝６０を形成することが特に好ましい。
【０００７】
こうした構造、製造方法を用いて発光ダイオードを低コストで製造することができる。
【０００８】
一方、発光ダイオードを発光させる際には、大電流が流されるため、発熱が生ずる。このため、その放熱効率が高い構成が望まれる。この観点においては、サファイア基板９１の熱伝導率は４０Ｗ／ｍ／Ｋ程度と高くないため、より熱伝導率の高い他の材料の基板を用いることが好ましい。熱伝導率が高い材料として周知なものとして、例えば熱伝導率が３９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度である銅がある。しかしながら、ＧａＮの熱膨張係数は５．６ｐｐｍ／Ｋ、サファイアの熱膨張係数は６．８ｐｐｍ／Ｋであり、これらの間に大差がないのに対して、銅の熱膨張係数は１６ｐｐｍ／Ｋ程度であり、ＧａＮと大きく異なる。このため、銅を用いた場合には、製造の際において熱膨張の差に起因したウェハの反りや、半導体層における歪み等が発生する。更に、金属材料の一般的な傾向として、熱膨張係数が小さくＧａＮに近いものの熱伝導率は小さい。
【０００９】
これに対して、銅と同等の高い熱伝導率をもち、ＧａＮに近い小さな熱膨張係数をもつクラッド材（金属の積層構造板）が特許文献１で開示されている。このクラッド材においては、銅（Ｃｕ）層とモリブデン（Ｍｏ）層とが特定の構成で積層されることにより、この特性が実現されている。このため、ＧａＮが用いられた発光ダイオードの支持基板（放熱板）としてこのクラッド材が使用されれば、良好な放熱特性をもつ発光ダイオードが得られる。ただし、サファイア基板と異なり、このクラッド材上に直接ＧａＮからなる半導体層を形成することは極めて困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許３８６２７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
半導体層をサファイア基板上に形成した後に、特許文献１に記載のクラッド材を接合し、その後でサファイア基板を除去するという工程を用いることによって、このクラッド材が接合された放熱効率の高い発光ダイオードを得ることができる。しかしながら、こうしたクラッド材に限らず、サファイア基板の代わりに金属板が支持基板として用いられた場合には、図８に示されたチップ間の分離を行うことが困難である。
【００１２】
まず、特許文献１に記載のクラッド材等の金属板をサファイア基板９１の代わりに用いて図８（ｃ）の工程を行った場合、金属板の熱伝導率が高いために、レーザー光の照射によって金属板の上側のｎ型ＧａＮ層９２、発光層９３等まで高温となる。このため、半導体層中に結晶欠陥が発生し、発光特性に劣化を生ずることがある。また、金属板の下側のダイシングシート１００も同様に高温となるため、高分子材料からなるダイシングシート１００は変形（収縮等）し、切断加工の精度が劣化する。
【００１３】
また、レーザー光を用いる場合には、レーザー光は小さなスポット状とされるため、分離溝６０を形成するためには、レーザー光が走査される。この場合、特に１枚のウェハ当たりの発光ダイオードのチップ数が多い場合には長時間を要する。この点においては、前記のブレードを用いた切断を行う場合にはこの時間は短くなるが、この場合には、前記の通りチップ間の間隔を狭くすることが困難であるため、１枚のウェハから得られるチップ数が少なくなる。
【００１４】
従って、放熱効率の高い発光ダイオードを低コストで製造することは困難であった。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記の問題点を解決する積層シート、その製造方法、加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、発光機能をもった半導体層が金属製の放熱板と接合された構成を具備する複数の発光ダイオードを、前記半導体層が形成された１枚のウェハと前記放熱板となる金属板とを接合する接合工程と、隣接する前記発光ダイオード間における前記半導体層をエッチングする半導体層エッチング工程と、隣接する前記発光ダイオード間における前記金属板を切断する金属板切断工程と、を行うことによって前記発光ダイオードを分離して得る、発光ダイオードの製造方法であって、前記金属板切断工程における前記金属板の切断を、ウェットエッチングにより行うことを特徴とすることを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、前記接合工程において、金属からなり前記半導体層の表面に形成された半導体層側接合層と、前記金属板とをはんだ層で接合することにより、前記ウェハと前記金属板とを接合することを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、前記半導体層エッチング工程において、前記隣接する発光ダイオードを分離する箇所における前記半導体層、前記半導体層側接合層、及び前記はんだ層をドライエッチングで除去することを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法において、前記ウェハは、基板上に前記半導体層がエピタキシャル成長によって形成された構成を具備し、前記接合工程において、前記半導体層における前記基板と反対側の面が前記金属板と接合され、前記接合工程の後に、前記基板を前記半導体層から剥離する剥離工程を具備することを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法において、前記半導体層は窒化物半導体で構成され、前記基板はサファイアで構成されることを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法において、前記金属板は、銅を主成分とする層と、モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とが積層されて構成されることを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、前記銅を主成分とする層と、前記モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とを積層し、印加圧力５ＭＰａ 以上１５ＭＰａ以下で、８５０℃以上１０００℃以下の温度で熱間一軸加工法によって接合して、前記金属板を製造することを特徴とする。
本発明の発光ダイオードは、前記発光ダイオードの製造方法によって製造されたことを特徴とする。
本発明の発光ダイオードは、一方の主面側に窒化物半導体のｎ型層が、他方の主面側に窒化物半導体のｐ型層が設けられた構成を具備する半導体層における前記他方の主面側に、金属製の放熱板がはんだ層を介して接合された構成を具備することを特徴とする。
本発明の発光ダイオードは、前記放熱板の前記半導体層と接合される側の面の算術平均粗さＲａが１μｍ以下であることを特徴とする。
本発明の発光ダイオードは、前記一方の主面において金を含むｎ側電極が形成されたことを特徴とする。
本発明の発光ダイオードにおいて、前記放熱板は、銅を主成分とする層と、モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とが積層されて構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は以上のように構成されているので、放熱効率の高い発光ダイオードを低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図（続き）である。
【図４】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図（続き）である。
【図５】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードにおいて用いられる放熱板の一例の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの変形例の構造を示す断面図である。
【図７】従来の発光ダイオードの一例の構造を示す断面図である。
【図８】従来の発光ダイオードの製造方法の一例の工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る発光ダイオード、及びその製造方法について説明する。この発光ダイオードには熱伝導率の高い放熱板が接合されている。この製造方法においては、単一の大きな金属板に単一の大きな半導体層が接合され、この構造が後で切断分離されることによって複数の発光ダイオードが得られる。
【００２０】
図１は、この発光ダイオード（チップ）の構成を示す断面図である。この発光ダイオード（チップ）１０においては、エピタキシャル成長で形成されたｎ型ＧａＮ層（ｎ型層）２１、発光層２２、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型層）２３からなる半導体層２０が用いられている。この半導体層２０は発光機能をもつ。ただし、これらの上下関係は図７とは逆向きであり、図１においては、ｎ型層２１が上側（一方の主面側）、ｐ型層２３が下側（他方の主面側）となっている。ｐ型層２３の下面（発光層２２がある側の反対側の面）には、ｐ型層２３との間の密着性が高くかつはんだ付けが可能である半導体層側接合層２５が形成されている。また、半導体層側接合層２５は、ｐ型層２３との間でオーミック接触がとれる材料で構成される。また、半導体層２０が図１中の下側に発した光は、この半導体層側接合層２５で反射され、上側に発せられる。ｎ型層２１上には、部分的にｎ電極２６が形成されている。ｎ電極２６は、ｎ型層２１とオーミック接触がとれる材料として例えば金を含む金属材料で構成される。
【００２１】
また、この半導体層２０の支持基板としては、高い熱伝導率をもった金属で構成された放熱板３０が接合されている。放熱板３０の上面には、放熱板３０との間の密着性が高くかつはんだ付けが可能である放熱板側接合層３１が形成されている。放熱板３０の構成は後述するが、例えば特許文献１に記載されたクラッド材を放熱板３０として用いることができる。
【００２２】
図１に示されるように、上記の構成においては、半導体層２０側と放熱板３０側が、半導体層側接合層２５と放熱板側接合層３１の間のはんだ層４０によって接合されている。この構成においては、放熱板３０とｎ電極２６との間で、半導体層２０中のｐｎ接合を順方向とする電流を流すことによって、半導体層２０（主に発光層２２）を発光させることができる。この際の発熱は、高い熱伝導率を持った放熱板３０によってなされる。すなわち、この発光ダイオード１０は高い放熱効率をもつ。
【００２３】
図２（ａ）〜（ｅ）、図３（ｆ）〜（ｉ）、図４（ｊ）〜（ｋ）は、この発光ダイオード１０の製造方法を示す工程断面図である。ここでは、１枚の大きなサファイア基板、金属板を用いて多数の発光ダイオードが製造され、最後に金属板がチップ間の分離溝に対応する箇所で分断されて図１の形態の発光ダイオード１０が得られる。
【００２４】
まず、図２（ａ）に示されるように、サファイア基板（基板）１１上に、ｎ型層２１、発光層２２、ｐ型層２３が順次エピタキシャル成長される（成長工程）。発光層２２も、窒化物半導体のヘテロ接合が用いられた層である。これらを形成する方法や構成は周知のものを用いることができる。ｎ型層２１、発光層２２、ｐ型層２３からなる半導体層２０の結晶性を高め、良好な発光特性を得るために、サファイア基板１１とｎ型層２１との間に緩衝層を挿入することもできる。サファイア基板１１の特性（面方位）等は、良質のｎ型層２１、発光層２２、ｐ型層２３が得られるように適宜設定される。また、サファイア基板１１は、例えば直径２インチ程度のウェハ状である。サファイア基板１１の厚さは３００μｍ以上であり、かつその機械的強度は高い。一方、ｎ型層２１、発光層２２、ｐ型層２３からなる半導体層２０の厚さは例えば２０μｍ以下と薄い。このため、図２（ａ）の構造は、サファイア基板１１が機械的な支持基板となったウェハである。
【００２５】
一方、図２（ｂ）に示されるように、金属板７０を準備する。金属板７０は金属材料で構成され、製造される発光ダイオード１０における前記の放熱板３０となる。金属板７０は、この段階ではサファイア基板１１と同様のウェハ形状をもつ。その厚さは例えば（ ）ｍｍ程度であり、サファイア基板１１と同様に半導体層２０の支持基板となりうる程度の機械的強度をもつ。金属板７０の具体的構成（特にその膜厚方向における構成）については後述する。金属板７０における一方の主面に、放熱板側接合層３１が形成される（放熱板側接合層形成工程）。放熱板側接合層３１は、例えば金属板７０の最表面が銅である場合には、例えばＡｕ／Ｎｉ（金属板７０の直上にニッケル（Ｎｉ）、その上に金（Ａｕ）を積層した構造）のように、金属板７０との間の密着性が良好でかつその上にはんだ付けが可能である構成が用いられる。放熱板側接合層３１は、めっきや蒸着等によって形成される。
【００２６】
なお、金属板７０の放熱板側接合層３１が形成される側の表面の面粗さは、その算術平均粗さとして１μｍ以下とすることが好ましい。これにより、接合強度を高めることができ、かつ半導体層２０側から金属板７０（放熱板３０）側への熱伝導を向上させることができる。こうした面粗さの調整は、研磨処理によって適宜行われる。
【００２７】
また、図２（ｃ）に示されるように、図２（ａ）に示された半導体層２０側の構成におけるｐ型層２３上においても、半導体層側接合層２５が形成される（半導体層側接合層形成工程）。半導体層側接合層２５としては、ｐ型層２３と密着性が高くオーミック接合が可能であり、かつこの上にはんだ付けが可能であるＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｇ層等が用いられる。その形成方法は放熱板側接合層３１と同様である。
【００２８】
その後、図２（ｄ）に示されるように、図２（ｂ）の構造（金属板７０側）と図２（ｃ）の構造（半導体層２０側）とをはんだ層４０で接合する（接合工程）。この際、はんだ層４０の材料としては例えば金−錫や金−ゲルマニウム等の合金を用いることができ、この場合には例えば３００℃程度の温度で接合を行うことができる。
【００２９】
この状態で、図２（ｅ）に示されるように、サファイア基板１１とｎ型層２１とを分離することにより、サファイア基板１１を剥離する（剥離工程）。この工程は、例えばレーザーリフトオフ法として周知の方法によって行われる。レーザーリフトオフ法においては、サファイア基板１１側（図２（ｄ）における下側）からレーザー光が照射される。レーザー光の波長をＧａＮの禁制帯幅に対応する波長よりも短く、かつサファイアの禁制帯幅に対応する波長よりも長くすれば、このレーザー光はサファイア基板１１を透過し、サファイア基板１１近辺のｎ型層２１で吸収され、熱に変換される。この熱によってＧａＮが局所的に分解し、サファイア基板１１とｎ型層２１とが分離する。以降は、金属板７０が半導体層２０の支持基板となる。なお、分離されたサファイア基板１１は研磨を施すことにより、再使用が可能である。この工程以降では、半導体層２０等の支持基板は、サファイア基板１１に代わり、金属板７０となる。
【００３０】
次に、図３（ｆ）に示されるように、露出したｎ型層２１の上にｎ電極２６を形成する。なお、図３（ｆ）以降においては便宜上図２（ｅ）までの場合と上下を反転させている。ｎ電極２６は、ｎ型層２１とオーミック接触をすることのできる材料（例えば金を含む金属層）で形成される。ｎ電極２６はこの発光ダイオード１０が発する光に対して不透明であるため、その面積は、ｎ電極２６による遮光の影響が小さくなる程度に小さくする。ｎ電極２６を形成するためには、上記の材料を露出したｎ型層２１の表面全面に蒸着等によって成膜した後に、フォトレジストをマスクとしたドライエッチングを行う。あるいは、ｎ電極２６が形成されない箇所にフォトレジストマスクを形成してから同様に上記の材料を成膜した後に、フォトレジストマスクを除去する。なお、図３（ｆ）は断面構造のみを示しているが、ｎ型層２１上のｎ電極２６のパターンは、これによる遮光の影響が小さく、かつ全面において有効に発光を行わせることができる限りにおいて任意である。
【００３１】
次に、図３（ｇ）に示されるように、フォトレジスト層（マスク）５０が、各発光ダイオードチップに対応した領域を覆うように形成される（マスク形成工程）。図８におけるチップ間の分離溝６０に対応した領域においてはフォトレジスト層５０は形成されない。図３（ｇ）は断面を示しているが、フォトレジスト層５０の平面形状は、各発光ダイオードチップの平面形状に対応している。
【００３２】
この状態で、フォトレジスト層５０をマスクとしたドライエッチングを行い、図８における分離溝６０に対応した領域における半導体層２０（ｐ型層２３、発光層２２、ｎ型層２１）を除去する（半導体層エッチング工程）。ここで除去するのは主に窒化物半導体からなる半導体層２０であり、例えば塩素系のガスを用いてこのドライエッチングを行うことができる。また、半導体層側接合層２５、はんだ層４０、放熱板側接合層３１は半導体層２０に比べて薄いため、これらも同時にエッチングされる。金属板７０は半導体層２０と比べて厚いため、上記のガスによってエッチングされる量（深さ）は少なくともその全体の厚さに比べて無視できる。このため、このドライエッチングの後の形状は、図３（ｈ）に模式的に示される通りとなる。すなわち、支持基板となる金属板７０上で、各発光ダイオードチップに対応した半導体層２０が分離された形態となる。なお、このドライエッチング後においてもフォトレジスト層５０が充分残存するように、フォトレジスト層５０の厚さは適宜設定される。
【００３３】
次に、この状態で、図３（ｉ）に示されるように、金属板７０側にダイシングシート１００を貼り付ける。
【００３４】
その後、半導体層２０等がチップ間で分離された状態で金属板７０のウェットエッチングを行う（金属板切断工程）。このエッチングに際しては、金属板７０の材料に応じたエッチング液を用いることができる。また、このウェットエッチングの際にフォトレジスト層５０が残存するような設定とされる。これにより、ダイシングシート１００上で金属板７０も発光ダイオードチップ毎に分離され、図４（ｊ）の形態が得られる。分離後にフォトレジスト層５０を剥離液で除去することにより、最終的に図４（ｋ）のように、分離された個々の発光ダイオード１０が得られる。
【００３５】
この製造方法において、最終的なチップの分離は、図４（ｊ）に示されるウェットエッチングにより行われる。この工程は、図３（ｉ）に示された構造のウェハを前記のエッチング液に浸漬することにより行われる。このため、チップ間の分離をウェハ全面におい同時にて行うことができる。このため、全てのチップ間の分離を行うのに要する時間を、レーザー光を用いて分離溝を形成する場合と比べて短くすることができる。この際、エッチングされる箇所（分離溝に対応）の位置はフォトレジスト層５０で定まり、この精度はリソグラフィの精度となるため、充分に高い。また、各発光ダイオード１０はドライエッチング（図３（ｈ）：半導体層エッチング工程）、ウェットエッチング（図４（ｊ）：金属板切断工程）の際にはフォトレジスト層５０で保護される。このため、上記の製造工程において特性が劣化しない良好な特性の発光ダイオード１０を得ることができる。また、サファイア基板１１よりも熱伝導率の高い金属板７０（放熱板３０）を用いることができるため、この発光ダイオード１０の放熱効率は高くなる。更に、単一の大きなサファイア基板１１、金属板７０を用いて多数個の発光ダイオード１０を、簡易な金属板切断工程を用いて製造することができるため、低コストでこの発光ダイオード１０を製造することができる。
【００３６】
なお、上記の製造方法においては、サファイア基板１１上にエピタキシャル成長させた半導体層２０を用いた場合につき記載したが、他の構成の半導体層を用いた場合でも同様に発光ダイオードを製造できることは明らかである。例えば、半導体層が化合物半導体ウェハ中に形成され、このウェハを直接取り扱うことができる場合においては、上記の剥離工程は不要となる。
【００３７】
また、はんだ層を用いた接合以外の方法で半導体層と放熱板とを接合した場合においても、同様に上記の半導体層エッチング工程、金属板切断工程を行うことができることは明らかである。また、この接合が可能な限りにおいて、半導体層側接合層、放熱板側接合層は不要である。これに対応して、半導体層エッチング工程において半導体層以外にエッチングされる層も変わる。
【００３８】
次に、金属板７０（放熱板３０）の具体的構成について説明する。放熱板３０としては、熱伝導率が高く半導体層２０からの放熱を効率的に行うことのできる材料が用いられる。こうした材料としては、銅や銅合金を主成分とするものが特に好ましく用いられる。ただし、例えば半導体層２０がＧａＮで構成される場合、その熱膨張係数は５．６ｐｐｍ／Ｋであるのに対して、銅の熱膨張係数は、１６ｐｐｍ／Ｋ程度と大きく異なる。この場合には、接合工程後において、反りが発生し、これよりも後の工程において障害となる場合がある。
【００３９】
このため、放熱板３０としては、銅を主成分とする層と、モリブデン（熱膨張係数が５ｐｐｍ／Ｋ程度）やタングステン（熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ程度）を主成分とする層とが交互に積層されたクラッド材が好ましく用いられる。こうしたクラッド材においては、熱伝導率や熱膨張係数は一般にはそれぞれの層の比率に応じたものとなり、この比率の設定（積層構造の構成）によって調整が可能である。例えば、積層構造の構成を調整することによって、放熱板３０の熱膨張係数を半導体層２０と等しくすることも可能である。モリブデンやタングステンの熱伝導率は銅よりも低い（銅：３９０Ｗ／ｍ／Ｋ、モリブデン：１４２Ｗ／ｍ／Ｋ、タングステン：１６７Ｗ／ｍ／Ｋ）ため、高い熱伝導率と小さな熱膨張係数は、一般的にはトレードオフの関係となる。しかしながら、これらのいずれの熱伝導率も、サファイア基板の熱伝導率（４０Ｗ／ｍ／Ｋ）よりも高い。また、はんだの熱伝導率はその組成により異なるが、一般的には数十Ｗ／ｍ／Ｋ程度である。このため、はんだ層４０を薄くすれば、放熱板３０におけるモリブデンやタングステンの比率が高い場合でも、サファイア基板１１がそのまま半導体層２０と接合された状態と比べて、高い放熱効率を得ることができる。
【００４０】
更に、特許文献１には、高い熱伝導率と小さな熱膨張係数を両立させたクラッド材が記載されている。図５は、このクラッド材を用いた放熱板３０の一例の断面構造を示す図である。この放熱板３０は、共に平板状の銅（Ｃｕ）層３０１とモリブデン（Ｍｏ）層３０２とが交互に積層されたクラッド材であり、その詳細は特許文献１に記載されている。このクラッド材においては、Ｃｕ層３０１とＭｏ層３０２とが合計で５層以上積層されている。ただし、Ｍｏ層３０２の占める体積比率（図５における合計膜厚の比率）は２．７８％〜１０％とＣｕ層３０１と比べて小さく、かつＭｏ層３０２の単層の厚さを２００μｍ以下としている。特許文献１に記載されるように、この構成においては、上記の範囲内において、Ｃｕ層３０１とＭｏ層３０２の膜厚と積層構成を調整することによって、膜厚方向の熱伝導率と膜厚方向と垂直な方向の熱膨張係数を調整することができる。この際、膜厚方向の熱伝導率をＣｕ層３０１に近く、例えば２００Ｗ／ｍ／Ｋ以上とすることができる。また、積層条件を上記の通りとした場合、上記の通りＭｏ層３０２の体積比はＣｕ層３０１よりも小さいながらも、熱膨張係数をＭｏ（５ｐｐｍ／Ｋ）に近づけることができる。このＭｏの熱膨張係数は、ＧａＮの熱膨張係数（５．６ｐｐｍ／Ｋ）と近い。
【００４１】
すなわち、図５に示された構成のクラッド材は、銅に近い高い熱伝導率をもち、かつＧａＮに近い小さな熱膨張係数をもつ。このため、上記の発光ダイオード１０における放熱板３０として特に好適である。なお、Ｍｏ層３０２の代わりにタングステン（Ｗ）層を用いても同様である。また、Ｃｕ層３０１、Ｍｏ層３０２、Ｗ層は、それぞれＣｕ、Ｍｏ、Ｗを１００％組成とする層である必要はなく、これらを主成分とする層であればよい。
【００４２】
また、図５に記載のクラッド材においては、最外層（最上層、最下層）が共にＣｕ層３０１となっている。高い熱伝導率をもち、かつ熱膨張係数をＧａＮに近づけるという観点からは、最外層となるのはＣｕ層３０１、Ｍｏ層３０２のいずれでもよい。ただし、前記の通り、最外層には放熱板側接合層３０１が形成される。一般に、Ｃｕ上にめっき等によって密着性の高い金属層を形成することは特に容易であるため、最外層をＣｕ層３０１とする構成は、特に容易に製造することができる。
【００４３】
こうしたクラッド材は、例えば、Ｃｕ層３０１、Ｍｏ層３０２を図５の順番で積層し、ホットプレス機等を用いて一軸加圧してこれらを接合することによって製造することができる。この場合、印加圧力を、５ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下の範囲とし、８５０℃以上１０００℃以下の温度でこの接合を行うことによって、剥離が発生しにくいクラッド材を得ることができる。この際、銅は酸化しやすい材料であるため、その雰囲気は、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気、あるいは真空中でこの接合を行うことが好ましい。また、この際に、積層前の各層表面に薄いめっき層を形成しておくことにより、接合をより強固とすることもできる。
【００４４】
この構成のクラッド材を放熱板３０として用いた場合、図４（ｊ）に示されたウェットエッチングにおいては、例えばＣｕ層３０１に対しては塩化第ＩＩ鉄水溶液、Ｍｏ層３０２に対しては硝酸及び燐酸を含むエッチング液を用いることができる。この場合、これらの液の組成（濃度）は、フォトレジスト層５０がエッチング中に消失しない限りにおいて、適宜設定が可能である。また、これらのエッチング液は、積層構成に対応して交互に用いてもよいが、混合して使用することも可能である。また、これらのエッチング液によるＧａＮ（半導体層２０）のエッチング速度は低いため、図４（ｊ）に示されたウェットエッチング（金属板切断工程）において、半導体層２０に悪影響を与えずにチップ間の分離を行うことができる。
【００４５】
すなわち、放熱効率が高い金属板が放熱板３０として用いられた図１の構成の発光ダイオード１０を、上記の製造方法によって容易に製造することができる。
【００４６】
なお、半導体層２０におけるサファイア基板１１と反対側に金属板７０を接合することのできる限りにおいて、発光ダイオードの形態は任意である。図６は、半導体層２０を右端部で除去し、放熱板側接合層３１を部分的に露出させた構成をもつ発光ダイオードの構成の断面図である。この場合においては、図中の上面側から、２本のボンディングワイヤ７０をそれぞれｎ電極２６、露出した放熱板側接合層３１に接続することにより、ｎ側、ｐ側との間の電気的接続をとることができる。
【００４７】
この構成の発光ダイオードは、図３（ｈ）のドライエッチングを、半導体層２０等のエッチングと、放熱板側接合層３１のエッチングの２回に分けて行えば、同様にして製造することができる。
【００４８】
このように、上記の製造方法によって、高い熱伝導率をもった金属板が半導体層に接合された構成をもつ発光ダイオードを容易に製造することができる。
【００４９】
なお、上記の例では、半導体層が主にＧａＮからなるものとしたが、発光ダイオードとして用いられ、かつヘテロエピタキシャル成長によって基板上に成長させることができる他の窒化物半導体からなる半導体層を用いた場合でも同様である。また、サファイア以外の成長基板を用いた場合においても、成長基板よりも熱伝導率の高い金属板を発光ダイオードに接合させる場合においては、上記の構造、製造方法が有効であることは明らかである。
【００５０】
更に、窒化物半導体以外の半導体からなる半導体層が用いられる場合、例えば、ＧａＡｓに代表されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が用いられる場合においても、半導体層からの放熱を高効率で行うことが必要となる発光ダイオードであれば、同様であることは明らかである。
【符号の説明】
【００５１】
１０、９０ 発光ダイオード（チップ）
１１、９１ サファイア基板（基板）
２０ 半導体層
２１、９２ ｎ型ＧａＮ層（ｎ型層）
２２、９３ 発光層
２３、９４ ｐ型ＧａＮ層（ｐ型層）
２５ 半導体層側接合層
２６、９５ ｎ電極
３０ 放熱板
３１ 放熱板側接合層
４０ はんだ層
５０ フォトレジスト層（マスク）
６０ 分離溝
７０ 金属板
９６ 透明電極
９７ ｐ電極
１００ ダイシングシート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体層を発光させて動作する発光ダイオードの構造及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体が用いられた発光ダイオードは各種の用途に用いられる。特に、ＧａＮ等の窒化物半導体が用いられた発光ダイオードは、青色ダイオードや、蛍光材料と組み合わせて白色ダイオードとして照明等の用途にも広く用いられる。
【０００３】
ＧａＮ等の窒化物半導体からなる発光ダイオードの構造としては、基板上にＧａＮのｎ型層、発光層、ＧａＮのｐ型層が順次エピタキシャル成長で形成された構成が一般的である。発光層としては、ｐｎ接合における発光をより効率的にこの層で行わせるために、超格子層、他の窒化物半導体を含む層が用いられる。この際、ｎ型層、ｐ型層に電極が接続され、これらの電極間にｐｎ接合の順方向の通電がされることによってこの発光ダイオードは発光する。良質のＧａＮ層がエピタキシャル成長によって得られる基板としては、サファイアが最も一般的に使用されている。サファイアは機械的強度も充分であるため、発光ダイオードの支持基板としても好適に用いられる。
【０００４】
こうした発光ダイオードの構造の代表例の断面図を図７に示す。図７は、サファイア基板９１上にＧａＮのｎ型層９２、発光層９３、ｐ型層９４を成長させた後に、サファイア基板９１をそのまま残した場合の発光ダイオード９０の１チップの構成である。この場合には、ｐ型層９４、発光層９３が部分的に除去されてｎ型層９２が露出した箇所にｎ電極９５が形成される。また、ｐ型層９４の表面の広い領域には透明電極９６が形成され、更に透明電極９６の上の一部分にｐ電極９７が形成される。透明電極９６はこの発光ダイオード９０が発する光に対して透明であるが電気抵抗が高い。これに対して、ｎ電極９５、ｐ電極９７はこの光に対して不透明であるが、電気抵抗が低い。また、サファイア基板９１は絶縁性であるため、図中の右側においてｐ型層９４、発光層９３が除去され、ｎ型層９２が露出した領域が形成され、この領域にｎ電極９５が形成されている。このｎ型層９２が露出した領域は発光に寄与しない。また、透明電極９６の電気抵抗が高いために別途ｐ電極９７は必要であるが、ｐ電極９７は不透明であるために、これによる遮光の影響が無視できる程度にｐ電極９７の面積は小さくされる。
【０００５】
また、実際に図７の構造の発光ダイオードを得る際には、個々の発光ダイオードチップが多数形成された構成のウェハを製造し、これを切断することによって個々の発光ダイオードチップを得るのが一般的である。ここで、単体の発光ダイオードチップの大きさは例えば１ｍｍ角程度であるのに対して、ウェハの直径は２インチ径程度と大きい。このため、１枚のウェハから多数個の発光ダイオードチップを得ることができ、個々の発光ダイオードチップを低コストで得ることができる。この際、図８（ａ）に示されるように、単一のサファイア基板９１の上で図７におけるｎ型層９２よりも上側の構造が多数形成される。隣接するチップ間の分離は、ｎ型層９２等をドライエッチングすることによってなされるが、ここではサファイア基板９１は分断されていない。その後、図８（ｂ）に示されるように、サファイア基板９１の裏面側に高分子材料からなるダイシングシート１００を貼り付けた後に、図８（ｃ）に示されるように、隣接するチップ間のサファイア基板９１に分離溝６０を形成する。分離溝６０は、例えばレーザー光の照射によって形成され、サファイア基板９１の裏面にまで達しない深さとすることにより、ダイシングシート１００の形態には影響を与えないようにすることができる。その後、図８（ｄ）に示されるようにサファイア基板９１とダイシングシート１００とを分離すれば、分離溝６０の底部で薄くされた部分でサファイア基板１１は分断（ダイシング）されるため、図７の形態の発光ダイオードチップが分離されて得られる。
【０００６】
ここで、図８（ｃ）における分離溝６０を形成するためには、レーザー光を用いる方法の他に、ブレードを用いた機械的切断も用いることができる。ただし、ブレードを用いる場合には、隣接するチップ間の間隔（分離溝６０の幅）をこのブレードの厚さ（例えば１００μｍ）よりも小さくすることができない。このため、この間隔を小さくして１枚のサファイア基板９１上から多数の発光ダイオードチップを得るという観点からは、充分に小さなスポットとされたレーザー光を走査して分離溝６０を形成することが特に好ましい。
【０００７】
こうした構造、製造方法を用いて発光ダイオードを低コストで製造することができる。
【０００８】
一方、発光ダイオードを発光させる際には、大電流が流されるため、発熱が生ずる。このため、その放熱効率が高い構成が望まれる。この観点においては、サファイア基板９１の熱伝導率は４０Ｗ／ｍ／Ｋ程度と高くないため、より熱伝導率の高い他の材料の基板を用いることが好ましい。熱伝導率が高い材料として周知なものとして、例えば熱伝導率が３９０Ｗ／ｍ／Ｋ程度である銅がある。しかしながら、ＧａＮの熱膨張係数は５．６ｐｐｍ／Ｋ、サファイアの熱膨張係数は６．８ｐｐｍ／Ｋであり、これらの間に大差がないのに対して、銅の熱膨張係数は１６ｐｐｍ／Ｋ程度であり、ＧａＮと大きく異なる。このため、銅を用いた場合には、製造の際において熱膨張の差に起因したウェハの反りや、半導体層における歪み等が発生する。更に、金属材料の一般的な傾向として、熱膨張係数が小さくＧａＮに近いものの熱伝導率は小さい。
【０００９】
これに対して、銅と同等の高い熱伝導率をもち、ＧａＮに近い小さな熱膨張係数をもつクラッド材（金属の積層構造板）が特許文献１で開示されている。このクラッド材においては、銅（Ｃｕ）層とモリブデン（Ｍｏ）層とが特定の構成で積層されることにより、この特性が実現されている。このため、ＧａＮが用いられた発光ダイオードの支持基板（放熱板）としてこのクラッド材が使用されれば、良好な放熱特性をもつ発光ダイオードが得られる。ただし、サファイア基板と異なり、このクラッド材上に直接ＧａＮからなる半導体層を形成することは極めて困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許３８６２７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
半導体層をサファイア基板上に形成した後に、特許文献１に記載のクラッド材を接合し、その後でサファイア基板を除去するという工程を用いることによって、このクラッド材が接合された放熱効率の高い発光ダイオードを得ることができる。しかしながら、こうしたクラッド材に限らず、サファイア基板の代わりに金属板が支持基板として用いられた場合には、図８に示されたチップ間の分離を行うことが困難である。
【００１２】
まず、特許文献１に記載のクラッド材等の金属板をサファイア基板９１の代わりに用いて図８（ｃ）の工程を行った場合、金属板の熱伝導率が高いために、レーザー光の照射によって金属板の上側のｎ型ＧａＮ層９２、発光層９３等まで高温となる。このため、半導体層中に結晶欠陥が発生し、発光特性に劣化を生ずることがある。また、金属板の下側のダイシングシート１００も同様に高温となるため、高分子材料からなるダイシングシート１００は変形（収縮等）し、切断加工の精度が劣化する。
【００１３】
また、レーザー光を用いる場合には、レーザー光は小さなスポット状とされるため、分離溝６０を形成するためには、レーザー光が走査される。この場合、特に１枚のウェハ当たりの発光ダイオードのチップ数が多い場合には長時間を要する。この点においては、前記のブレードを用いた切断を行う場合にはこの時間は短くなるが、この場合には、前記の通りチップ間の間隔を狭くすることが困難であるため、１枚のウェハから得られるチップ数が少なくなる。
【００１４】
従って、放熱効率の高い発光ダイオードを低コストで製造することは困難であった。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記の問題点を解決する積層シート、その製造方法、加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、発光機能をもった半導体層が金属製の放熱板と接合された構成を具備する複数の発光ダイオードを、前記半導体層が形成された１枚のウェハと前記放熱板となる金属板とを接合する接合工程と、隣接する前記発光ダイオード間における前記半導体層をエッチングする半導体層エッチング工程と、隣接する前記発光ダイオード間における前記金属板を切断する金属板切断工程と、を行うことによって前記発光ダイオードを分離して得る、発光ダイオードの製造方法であって、前記金属板切断工程における前記金属板の切断を、ウェットエッチングにより行うことを特徴とすることを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、前記接合工程において、金属からなり前記半導体層の表面に形成された半導体層側接合層と、前記金属板とをはんだ層で接合することにより、前記ウェハと前記金属板とを接合することを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、前記半導体層エッチング工程において、前記隣接する発光ダイオードを分離する箇所における前記半導体層、前記半導体層側接合層、及び前記はんだ層をドライエッチングで除去することを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法において、前記ウェハは、基板上に前記半導体層がエピタキシャル成長によって形成された構成を具備し、前記接合工程において、前記半導体層における前記基板と反対側の面が前記金属板と接合され、前記接合工程の後に、前記基板を前記半導体層から剥離する剥離工程を具備することを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法において、前記半導体層は窒化物半導体で構成され、前記基板はサファイアで構成されることを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法において、前記金属板は、銅を主成分とする層と、モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とが積層されて構成されることを特徴とする。
本発明の発光ダイオードの製造方法は、前記銅を主成分とする層と、前記モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とを積層し、印加圧力５ＭＰａ 以上１５ＭＰａ以下で、８５０℃以上１０００℃以下の温度で熱間一軸加工法によって接合して、前記金属板を製造することを特徴とする。
本発明の発光ダイオードは、前記発光ダイオードの製造方法によって製造されたことを特徴とする。
本発明の発光ダイオードは、一方の主面側に窒化物半導体のｎ型層が、他方の主面側に窒化物半導体のｐ型層が設けられた構成を具備する半導体層における前記他方の主面側に、金属製の放熱板がはんだ層を介して接合された構成を具備することを特徴とする。
本発明の発光ダイオードは、前記放熱板の前記半導体層と接合される側の面の算術平均粗さＲａが１μｍ以下であることを特徴とする。
本発明の発光ダイオードは、前記一方の主面において金を含むｎ側電極が形成されたことを特徴とする。
本発明の発光ダイオードにおいて、前記放熱板は、銅を主成分とする層と、モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とが積層されて構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は以上のように構成されているので、放熱効率の高い発光ダイオードを低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図（続き）である。
【図４】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図（続き）である。
【図５】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードにおいて用いられる放熱板の一例の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの変形例の構造を示す断面図である。
【図７】従来の発光ダイオードの一例の構造を示す断面図である。
【図８】従来の発光ダイオードの製造方法の一例の工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る発光ダイオード、及びその製造方法について説明する。この発光ダイオードには熱伝導率の高い放熱板が接合されている。この製造方法においては、単一の大きな金属板に単一の大きな半導体層が接合され、この構造が後で切断分離されることによって複数の発光ダイオードが得られる。
【００２０】
図１は、この発光ダイオード（チップ）の構成を示す断面図である。この発光ダイオード（チップ）１０においては、エピタキシャル成長で形成されたｎ型ＧａＮ層（ｎ型層）２１、発光層２２、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型層）２３からなる半導体層２０が用いられている。この半導体層２０は発光機能をもつ。ただし、これらの上下関係は図７とは逆向きであり、図１においては、ｎ型層２１が上側（一方の主面側）、ｐ型層２３が下側（他方の主面側）となっている。ｐ型層２３の下面（発光層２２がある側の反対側の面）には、ｐ型層２３との間の密着性が高くかつはんだ付けが可能である半導体層側接合層２５が形成されている。また、半導体層側接合層２５は、ｐ型層２３との間でオーミック接触がとれる材料で構成される。また、半導体層２０が図１中の下側に発した光は、この半導体層側接合層２５で反射され、上側に発せられる。ｎ型層２１上には、部分的にｎ電極２６が形成されている。ｎ電極２６は、ｎ型層２１とオーミック接触がとれる材料として例えば金を含む金属材料で構成される。
【００２１】
また、この半導体層２０の支持基板としては、高い熱伝導率をもった金属で構成された放熱板３０が接合されている。放熱板３０の上面には、放熱板３０との間の密着性が高くかつはんだ付けが可能である放熱板側接合層３１が形成されている。放熱板３０の構成は後述するが、例えば特許文献１に記載されたクラッド材を放熱板３０として用いることができる。
【００２２】
図１に示されるように、上記の構成においては、半導体層２０側と放熱板３０側が、半導体層側接合層２５と放熱板側接合層３１の間のはんだ層４０によって接合されている。この構成においては、放熱板３０とｎ電極２６との間で、半導体層２０中のｐｎ接合を順方向とする電流を流すことによって、半導体層２０（主に発光層２２）を発光させることができる。この際の発熱は、高い熱伝導率を持った放熱板３０によってなされる。すなわち、この発光ダイオード１０は高い放熱効率をもつ。
【００２３】
図２（ａ）〜（ｅ）、図３（ｆ）〜（ｉ）、図４（ｊ）〜（ｋ）は、この発光ダイオード１０の製造方法を示す工程断面図である。ここでは、１枚の大きなサファイア基板、金属板を用いて多数の発光ダイオードが製造され、最後に金属板がチップ間の分離溝に対応する箇所で分断されて図１の形態の発光ダイオード１０が得られる。
【００２４】
まず、図２（ａ）に示されるように、サファイア基板（基板）１１上に、ｎ型層２１、発光層２２、ｐ型層２３が順次エピタキシャル成長される（成長工程）。発光層２２も、窒化物半導体のヘテロ接合が用いられた層である。これらを形成する方法や構成は周知のものを用いることができる。ｎ型層２１、発光層２２、ｐ型層２３からなる半導体層２０の結晶性を高め、良好な発光特性を得るために、サファイア基板１１とｎ型層２１との間に緩衝層を挿入することもできる。サファイア基板１１の特性（面方位）等は、良質のｎ型層２１、発光層２２、ｐ型層２３が得られるように適宜設定される。また、サファイア基板１１は、例えば直径２インチ程度のウェハ状である。サファイア基板１１の厚さは３００μｍ以上であり、かつその機械的強度は高い。一方、ｎ型層２１、発光層２２、ｐ型層２３からなる半導体層２０の厚さは例えば２０μｍ以下と薄い。このため、図２（ａ）の構造は、サファイア基板１１が機械的な支持基板となったウェハである。
【００２５】
一方、図２（ｂ）に示されるように、金属板７０を準備する。金属板７０は金属材料で構成され、製造される発光ダイオード１０における前記の放熱板３０となる。金属板７０は、この段階ではサファイア基板１１と同様のウェハ形状をもつ。その厚さは例えば（ ）ｍｍ程度であり、サファイア基板１１と同様に半導体層２０の支持基板となりうる程度の機械的強度をもつ。金属板７０の具体的構成（特にその膜厚方向における構成）については後述する。金属板７０における一方の主面に、放熱板側接合層３１が形成される（放熱板側接合層形成工程）。放熱板側接合層３１は、例えば金属板７０の最表面が銅である場合には、例えばＡｕ／Ｎｉ（金属板７０の直上にニッケル（Ｎｉ）、その上に金（Ａｕ）を積層した構造）のように、金属板７０との間の密着性が良好でかつその上にはんだ付けが可能である構成が用いられる。放熱板側接合層３１は、めっきや蒸着等によって形成される。
【００２６】
なお、金属板７０の放熱板側接合層３１が形成される側の表面の面粗さは、その算術平均粗さとして１μｍ以下とすることが好ましい。これにより、接合強度を高めることができ、かつ半導体層２０側から金属板７０（放熱板３０）側への熱伝導を向上させることができる。こうした面粗さの調整は、研磨処理によって適宜行われる。
【００２７】
また、図２（ｃ）に示されるように、図２（ａ）に示された半導体層２０側の構成におけるｐ型層２３上においても、半導体層側接合層２５が形成される（半導体層側接合層形成工程）。半導体層側接合層２５としては、ｐ型層２３と密着性が高くオーミック接合が可能であり、かつこの上にはんだ付けが可能であるＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｇ層等が用いられる。その形成方法は放熱板側接合層３１と同様である。
【００２８】
その後、図２（ｄ）に示されるように、図２（ｂ）の構造（金属板７０側）と図２（ｃ）の構造（半導体層２０側）とをはんだ層４０で接合する（接合工程）。この際、はんだ層４０の材料としては例えば金−錫や金−ゲルマニウム等の合金を用いることができ、この場合には例えば３００℃程度の温度で接合を行うことができる。
【００２９】
この状態で、図２（ｅ）に示されるように、サファイア基板１１とｎ型層２１とを分離することにより、サファイア基板１１を剥離する（剥離工程）。この工程は、例えばレーザーリフトオフ法として周知の方法によって行われる。レーザーリフトオフ法においては、サファイア基板１１側（図２（ｄ）における下側）からレーザー光が照射される。レーザー光の波長をＧａＮの禁制帯幅に対応する波長よりも短く、かつサファイアの禁制帯幅に対応する波長よりも長くすれば、このレーザー光はサファイア基板１１を透過し、サファイア基板１１近辺のｎ型層２１で吸収され、熱に変換される。この熱によってＧａＮが局所的に分解し、サファイア基板１１とｎ型層２１とが分離する。以降は、金属板７０が半導体層２０の支持基板となる。なお、分離されたサファイア基板１１は研磨を施すことにより、再使用が可能である。この工程以降では、半導体層２０等の支持基板は、サファイア基板１１に代わり、金属板７０となる。
【００３０】
次に、図３（ｆ）に示されるように、露出したｎ型層２１の上にｎ電極２６を形成する。なお、図３（ｆ）以降においては便宜上図２（ｅ）までの場合と上下を反転させている。ｎ電極２６は、ｎ型層２１とオーミック接触をすることのできる材料（例えば金を含む金属層）で形成される。ｎ電極２６はこの発光ダイオード１０が発する光に対して不透明であるため、その面積は、ｎ電極２６による遮光の影響が小さくなる程度に小さくする。ｎ電極２６を形成するためには、上記の材料を露出したｎ型層２１の表面全面に蒸着等によって成膜した後に、フォトレジストをマスクとしたドライエッチングを行う。あるいは、ｎ電極２６が形成されない箇所にフォトレジストマスクを形成してから同様に上記の材料を成膜した後に、フォトレジストマスクを除去する。なお、図３（ｆ）は断面構造のみを示しているが、ｎ型層２１上のｎ電極２６のパターンは、これによる遮光の影響が小さく、かつ全面において有効に発光を行わせることができる限りにおいて任意である。
【００３１】
次に、図３（ｇ）に示されるように、フォトレジスト層（マスク）５０が、各発光ダイオードチップに対応した領域を覆うように形成される（マスク形成工程）。図８におけるチップ間の分離溝６０に対応した領域においてはフォトレジスト層５０は形成されない。図３（ｇ）は断面を示しているが、フォトレジスト層５０の平面形状は、各発光ダイオードチップの平面形状に対応している。
【００３２】
この状態で、フォトレジスト層５０をマスクとしたドライエッチングを行い、図８における分離溝６０に対応した領域における半導体層２０（ｐ型層２３、発光層２２、ｎ型層２１）を除去する（半導体層エッチング工程）。ここで除去するのは主に窒化物半導体からなる半導体層２０であり、例えば塩素系のガスを用いてこのドライエッチングを行うことができる。また、半導体層側接合層２５、はんだ層４０、放熱板側接合層３１は半導体層２０に比べて薄いため、これらも同時にエッチングされる。金属板７０は半導体層２０と比べて厚いため、上記のガスによってエッチングされる量（深さ）は少なくともその全体の厚さに比べて無視できる。このため、このドライエッチングの後の形状は、図３（ｈ）に模式的に示される通りとなる。すなわち、支持基板となる金属板７０上で、各発光ダイオードチップに対応した半導体層２０が分離された形態となる。なお、このドライエッチング後においてもフォトレジスト層５０が充分残存するように、フォトレジスト層５０の厚さは適宜設定される。
【００３３】
次に、この状態で、図３（ｉ）に示されるように、金属板７０側にダイシングシート１００を貼り付ける。
【００３４】
その後、半導体層２０等がチップ間で分離された状態で金属板７０のウェットエッチングを行う（金属板切断工程）。このエッチングに際しては、金属板７０の材料に応じたエッチング液を用いることができる。また、このウェットエッチングの際にフォトレジスト層５０が残存するような設定とされる。これにより、ダイシングシート１００上で金属板７０も発光ダイオードチップ毎に分離され、図４（ｊ）の形態が得られる。分離後にフォトレジスト層５０を剥離液で除去することにより、最終的に図４（ｋ）のように、分離された個々の発光ダイオード１０が得られる。
【００３５】
この製造方法において、最終的なチップの分離は、図４（ｊ）に示されるウェットエッチングにより行われる。この工程は、図３（ｉ）に示された構造のウェハを前記のエッチング液に浸漬することにより行われる。このため、チップ間の分離をウェハ全面におい同時にて行うことができる。このため、全てのチップ間の分離を行うのに要する時間を、レーザー光を用いて分離溝を形成する場合と比べて短くすることができる。この際、エッチングされる箇所（分離溝に対応）の位置はフォトレジスト層５０で定まり、この精度はリソグラフィの精度となるため、充分に高い。また、各発光ダイオード１０はドライエッチング（図３（ｈ）：半導体層エッチング工程）、ウェットエッチング（図４（ｊ）：金属板切断工程）の際にはフォトレジスト層５０で保護される。このため、上記の製造工程において特性が劣化しない良好な特性の発光ダイオード１０を得ることができる。また、サファイア基板１１よりも熱伝導率の高い金属板７０（放熱板３０）を用いることができるため、この発光ダイオード１０の放熱効率は高くなる。更に、単一の大きなサファイア基板１１、金属板７０を用いて多数個の発光ダイオード１０を、簡易な金属板切断工程を用いて製造することができるため、低コストでこの発光ダイオード１０を製造することができる。
【００３６】
なお、上記の製造方法においては、サファイア基板１１上にエピタキシャル成長させた半導体層２０を用いた場合につき記載したが、他の構成の半導体層を用いた場合でも同様に発光ダイオードを製造できることは明らかである。例えば、半導体層が化合物半導体ウェハ中に形成され、このウェハを直接取り扱うことができる場合においては、上記の剥離工程は不要となる。
【００３７】
また、はんだ層を用いた接合以外の方法で半導体層と放熱板とを接合した場合においても、同様に上記の半導体層エッチング工程、金属板切断工程を行うことができることは明らかである。また、この接合が可能な限りにおいて、半導体層側接合層、放熱板側接合層は不要である。これに対応して、半導体層エッチング工程において半導体層以外にエッチングされる層も変わる。
【００３８】
次に、金属板７０（放熱板３０）の具体的構成について説明する。放熱板３０としては、熱伝導率が高く半導体層２０からの放熱を効率的に行うことのできる材料が用いられる。こうした材料としては、銅や銅合金を主成分とするものが特に好ましく用いられる。ただし、例えば半導体層２０がＧａＮで構成される場合、その熱膨張係数は５．６ｐｐｍ／Ｋであるのに対して、銅の熱膨張係数は、１６ｐｐｍ／Ｋ程度と大きく異なる。この場合には、接合工程後において、反りが発生し、これよりも後の工程において障害となる場合がある。
【００３９】
このため、放熱板３０としては、銅を主成分とする層と、モリブデン（熱膨張係数が５ｐｐｍ／Ｋ程度）やタングステン（熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ程度）を主成分とする層とが交互に積層されたクラッド材が好ましく用いられる。こうしたクラッド材においては、熱伝導率や熱膨張係数は一般にはそれぞれの層の比率に応じたものとなり、この比率の設定（積層構造の構成）によって調整が可能である。例えば、積層構造の構成を調整することによって、放熱板３０の熱膨張係数を半導体層２０と等しくすることも可能である。モリブデンやタングステンの熱伝導率は銅よりも低い（銅：３９０Ｗ／ｍ／Ｋ、モリブデン：１４２Ｗ／ｍ／Ｋ、タングステン：１６７Ｗ／ｍ／Ｋ）ため、高い熱伝導率と小さな熱膨張係数は、一般的にはトレードオフの関係となる。しかしながら、これらのいずれの熱伝導率も、サファイア基板の熱伝導率（４０Ｗ／ｍ／Ｋ）よりも高い。また、はんだの熱伝導率はその組成により異なるが、一般的には数十Ｗ／ｍ／Ｋ程度である。このため、はんだ層４０を薄くすれば、放熱板３０におけるモリブデンやタングステンの比率が高い場合でも、サファイア基板１１がそのまま半導体層２０と接合された状態と比べて、高い放熱効率を得ることができる。
【００４０】
更に、特許文献１には、高い熱伝導率と小さな熱膨張係数を両立させたクラッド材が記載されている。図５は、このクラッド材を用いた放熱板３０の一例の断面構造を示す図である。この放熱板３０は、共に平板状の銅（Ｃｕ）層３０１とモリブデン（Ｍｏ）層３０２とが交互に積層されたクラッド材であり、その詳細は特許文献１に記載されている。このクラッド材においては、Ｃｕ層３０１とＭｏ層３０２とが合計で５層以上積層されている。ただし、Ｍｏ層３０２の占める体積比率（図５における合計膜厚の比率）は２．７８％〜１０％とＣｕ層３０１と比べて小さく、かつＭｏ層３０２の単層の厚さを２００μｍ以下としている。特許文献１に記載されるように、この構成においては、上記の範囲内において、Ｃｕ層３０１とＭｏ層３０２の膜厚と積層構成を調整することによって、膜厚方向の熱伝導率と膜厚方向と垂直な方向の熱膨張係数を調整することができる。この際、膜厚方向の熱伝導率をＣｕ層３０１に近く、例えば２００Ｗ／ｍ／Ｋ以上とすることができる。また、積層条件を上記の通りとした場合、上記の通りＭｏ層３０２の体積比はＣｕ層３０１よりも小さいながらも、熱膨張係数をＭｏ（５ｐｐｍ／Ｋ）に近づけることができる。このＭｏの熱膨張係数は、ＧａＮの熱膨張係数（５．６ｐｐｍ／Ｋ）と近い。
【００４１】
すなわち、図５に示された構成のクラッド材は、銅に近い高い熱伝導率をもち、かつＧａＮに近い小さな熱膨張係数をもつ。このため、上記の発光ダイオード１０における放熱板３０として特に好適である。なお、Ｍｏ層３０２の代わりにタングステン（Ｗ）層を用いても同様である。また、Ｃｕ層３０１、Ｍｏ層３０２、Ｗ層は、それぞれＣｕ、Ｍｏ、Ｗを１００％組成とする層である必要はなく、これらを主成分とする層であればよい。
【００４２】
また、図５に記載のクラッド材においては、最外層（最上層、最下層）が共にＣｕ層３０１となっている。高い熱伝導率をもち、かつ熱膨張係数をＧａＮに近づけるという観点からは、最外層となるのはＣｕ層３０１、Ｍｏ層３０２のいずれでもよい。ただし、前記の通り、最外層には放熱板側接合層３０１が形成される。一般に、Ｃｕ上にめっき等によって密着性の高い金属層を形成することは特に容易であるため、最外層をＣｕ層３０１とする構成は、特に容易に製造することができる。
【００４３】
こうしたクラッド材は、例えば、Ｃｕ層３０１、Ｍｏ層３０２を図５の順番で積層し、ホットプレス機等を用いて一軸加圧してこれらを接合することによって製造することができる。この場合、印加圧力を、５ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下の範囲とし、８５０℃以上１０００℃以下の温度でこの接合を行うことによって、剥離が発生しにくいクラッド材を得ることができる。この際、銅は酸化しやすい材料であるため、その雰囲気は、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気、あるいは真空中でこの接合を行うことが好ましい。また、この際に、積層前の各層表面に薄いめっき層を形成しておくことにより、接合をより強固とすることもできる。
【００４４】
この構成のクラッド材を放熱板３０として用いた場合、図４（ｊ）に示されたウェットエッチングにおいては、例えばＣｕ層３０１に対しては塩化第ＩＩ鉄水溶液、Ｍｏ層３０２に対しては硝酸及び燐酸を含むエッチング液を用いることができる。この場合、これらの液の組成（濃度）は、フォトレジスト層５０がエッチング中に消失しない限りにおいて、適宜設定が可能である。また、これらのエッチング液は、積層構成に対応して交互に用いてもよいが、混合して使用することも可能である。また、これらのエッチング液によるＧａＮ（半導体層２０）のエッチング速度は低いため、図４（ｊ）に示されたウェットエッチング（金属板切断工程）において、半導体層２０に悪影響を与えずにチップ間の分離を行うことができる。
【００４５】
すなわち、放熱効率が高い金属板が放熱板３０として用いられた図１の構成の発光ダイオード１０を、上記の製造方法によって容易に製造することができる。
【００４６】
なお、半導体層２０におけるサファイア基板１１と反対側に金属板７０を接合することのできる限りにおいて、発光ダイオードの形態は任意である。図６は、半導体層２０を右端部で除去し、放熱板側接合層３１を部分的に露出させた構成をもつ発光ダイオードの構成の断面図である。この場合においては、図中の上面側から、２本のボンディングワイヤ７０をそれぞれｎ電極２６、露出した放熱板側接合層３１に接続することにより、ｎ側、ｐ側との間の電気的接続をとることができる。
【００４７】
この構成の発光ダイオードは、図３（ｈ）のドライエッチングを、半導体層２０等のエッチングと、放熱板側接合層３１のエッチングの２回に分けて行えば、同様にして製造することができる。
【００４８】
このように、上記の製造方法によって、高い熱伝導率をもった金属板が半導体層に接合された構成をもつ発光ダイオードを容易に製造することができる。
【００４９】
なお、上記の例では、半導体層が主にＧａＮからなるものとしたが、発光ダイオードとして用いられ、かつヘテロエピタキシャル成長によって基板上に成長させることができる他の窒化物半導体からなる半導体層を用いた場合でも同様である。また、サファイア以外の成長基板を用いた場合においても、成長基板よりも熱伝導率の高い金属板を発光ダイオードに接合させる場合においては、上記の構造、製造方法が有効であることは明らかである。
【００５０】
更に、窒化物半導体以外の半導体からなる半導体層が用いられる場合、例えば、ＧａＡｓに代表されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が用いられる場合においても、半導体層からの放熱を高効率で行うことが必要となる発光ダイオードであれば、同様であることは明らかである。
【符号の説明】
【００５１】
１０、９０ 発光ダイオード（チップ）
１１、９１ サファイア基板（基板）
２０ 半導体層
２１、９２ ｎ型ＧａＮ層（ｎ型層）
２２、９３ 発光層
２３、９４ ｐ型ＧａＮ層（ｐ型層）
２５ 半導体層側接合層
２６、９５ ｎ電極
３０ 放熱板
３１ 放熱板側接合層
４０ はんだ層
５０ フォトレジスト層（マスク）
６０ 分離溝
７０ 金属板
９６ 透明電極
９７ ｐ電極
１００ ダイシングシート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光機能をもった半導体層が金属製の放熱板と接合された構成を具備する複数の発光ダイオードを、前記半導体層が形成された１枚のウェハと前記放熱板となる金属板とを接合する接合工程と、隣接する前記発光ダイオード間における前記半導体層をエッチングする半導体層エッチング工程と、隣接する前記発光ダイオード間における前記金属板を切断する金属板切断工程と、を行うことによって前記発光ダイオードを分離して得る、発光ダイオードの製造方法であって、
前記金属板切断工程における前記金属板の切断を、ウェットエッチングにより行うことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項２】
前記接合工程において、
金属からなり前記半導体層の表面に形成された半導体層側接合層と、前記金属板とをはんだ層で接合することにより、前記ウェハと前記金属板とを接合することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記半導体層エッチング工程において、前記隣接する発光ダイオードを分離する箇所における前記半導体層、前記半導体層側接合層、及び前記はんだ層をドライエッチングで除去することを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記ウェハは、基板上に前記半導体層がエピタキシャル成長によって形成された構成を具備し、
前記接合工程において、前記半導体層における前記基板と反対側の面が前記金属板と接合され、
前記接合工程の後に、前記基板を前記半導体層から剥離する剥離工程を具備することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項５】
前記半導体層は窒化物半導体で構成され、前記基板はサファイアで構成されることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項６】
前記金属板は、銅を主成分とする層と、モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とが積層されて構成されることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項７】
前記銅を主成分とする層と、前記モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とを積層し、
印加圧力５ＭＰａ 以上１５ＭＰａ以下で、８５０℃以上１０００℃以下の温度で熱間一軸加工法によって接合して、前記金属板を製造することを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の発光ダイオードの製造方法によって製造されたことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項９】
一方の主面側に窒化物半導体のｎ型層が、他方の主面側に窒化物半導体のｐ型層が設けられた構成を具備する半導体層における前記他方の主面側に、金属製の放熱板がはんだ層を介して接合された構成を具備することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１０】
前記放熱板の前記半導体層と接合される側の面の算術平均粗さＲａが１μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記一方の主面において金を含むｎ側電極が形成されたことを特徴とする請求項９又は１０に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記放熱板は、銅を主成分とする層と、モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とが積層されて構成されることを特徴とする請求項９から請求項１１までのいずれか１項に記載の発光ダイオード。
【請求項１】
発光機能をもった半導体層が金属製の放熱板と接合された構成を具備する複数の発光ダイオードを、前記半導体層が形成された１枚のウェハと前記放熱板となる金属板とを接合する接合工程と、隣接する前記発光ダイオード間における前記半導体層をエッチングする半導体層エッチング工程と、隣接する前記発光ダイオード間における前記金属板を切断する金属板切断工程と、を行うことによって前記発光ダイオードを分離して得る、発光ダイオードの製造方法であって、
前記金属板切断工程における前記金属板の切断を、ウェットエッチングにより行うことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項２】
前記接合工程において、
金属からなり前記半導体層の表面に形成された半導体層側接合層と、前記金属板とをはんだ層で接合することにより、前記ウェハと前記金属板とを接合することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記半導体層エッチング工程において、前記隣接する発光ダイオードを分離する箇所における前記半導体層、前記半導体層側接合層、及び前記はんだ層をドライエッチングで除去することを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記ウェハは、基板上に前記半導体層がエピタキシャル成長によって形成された構成を具備し、
前記接合工程において、前記半導体層における前記基板と反対側の面が前記金属板と接合され、
前記接合工程の後に、前記基板を前記半導体層から剥離する剥離工程を具備することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項５】
前記半導体層は窒化物半導体で構成され、前記基板はサファイアで構成されることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項６】
前記金属板は、銅を主成分とする層と、モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とが積層されて構成されることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項７】
前記銅を主成分とする層と、前記モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とを積層し、
印加圧力５ＭＰａ 以上１５ＭＰａ以下で、８５０℃以上１０００℃以下の温度で熱間一軸加工法によって接合して、前記金属板を製造することを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の発光ダイオードの製造方法によって製造されたことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項９】
一方の主面側に窒化物半導体のｎ型層が、他方の主面側に窒化物半導体のｐ型層が設けられた構成を具備する半導体層における前記他方の主面側に、金属製の放熱板がはんだ層を介して接合された構成を具備することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１０】
前記放熱板の前記半導体層と接合される側の面の算術平均粗さＲａが１μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード。
【請求項１１】
前記一方の主面において金を含むｎ側電極が形成されたことを特徴とする請求項９又は１０に記載の発光ダイオード。
【請求項１２】
前記放熱板は、銅を主成分とする層と、モリブデンを主成分とする層又はタングステンを主成分とする層とが積層されて構成されることを特徴とする請求項９から請求項１１までのいずれか１項に記載の発光ダイオード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２４３９２５（Ｐ２０１２−２４３９２５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２０８１（Ｐ２０１１−１１２０８１）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（３０２０１４４４６）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（３０２０１４４４６）
【Ｆターム（参考）】
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