説明

発光素子および半導体ウェーハ

【課題】所望のチップサイズおよびチップ形状とすることが容易な発光素子および半導体ウェーハを提供する。
【解決手段】発光素子は、基板と、前記基板の上に設けられた接着層と、第1導電形層と、前記第1導電形層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられた第2導電形層と、を含み、前記接着層の上に設けられた複数の凸部と、前記第2導電形層の上に設けられた第1電極と、前記凸部の周囲に設けられた透光性樹脂層と、前記透光性樹脂の上に設けられ、前記複数の凸部の上にそれぞれ設けられた前記第1電極どうしを接続するオーバーコート電極と、を備える。発光素子側面において、前記基板、前記透光性樹脂層、および前記オーバーコート電極、のそれぞれが露出する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、発光素子および半導体ウェーハに関する。
【背景技術】
【0002】
ヘッドランプ、信号機、照明器具などに用いる発光素子は、高出力および高い光取り出し効率が要求される。
【0003】
透光性基板を用いて基板を通過した放出光を外部に取り出すと、光出力や光取り出し効率を改善することが容易となる。
【0004】
波長や量子効率などの特性は、発光層を含む積層体の内部構造で決定できる。他方、光度、色度、指向特性、などの要求が多様化すると、チップサイズや発光領域の配置などをそれぞれの要求に合わせて決定することが必要になる。しかしながら、用途毎にチップ設計を行うと、少量多品種となり生産性が低下する問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2000−998号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
所望のチップサイズおよび所望のチップ形状とすることが容易な発光素子および半導体ウェーハを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
実施形態によれば、発光素子は、基板と、前記基板の上に設けられた接着層と、第1導電形層と、前記第1導電形層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられた第2導電形層と、を含み、前記接着層の上に設けられた複数の凸部と、前記第2導電形層の上に設けられた第1電極と、前記凸部の周囲に設けられた透光性樹脂層と、前記透光性樹脂の上に設けられ、前記複数の凸部の上にそれぞれ設けられた前記第1電極どうしを接続するオーバーコート電極と、を備える。発光素子側面において、前記基板、前記透光性樹脂層、および前記オーバーコート電極、のそれぞれが露出する。
【0008】
また、他の実施形態によれば、半導体ウェーハは、基板と、前記基板の上に設けられた接着層と、第1導電形層と、前記第1導電形層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられた第2導電形層と、を含み、前記接着層の上に設けられた複数の凸部と、前記第2導電形層の上に設けられた第1電極と、前記凸部の周囲に設けられた透光性樹脂層と、前記透光性樹脂層の上に設けられ、前記複数の凸部の上にそれぞれ設けられた前記第1電極どうしを接続するオーバーコート電極と、を備える。前記複数の凸部どうしの間の離間領域は、所望の位置を切断可能なスクライブ領域とされる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】図1(a)は第1の実施形態にかかる発光素子の模式斜視図、図1(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
【図2】図2(a)〜(d)は発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図2(a)は第1接着層を形成した模式断面図、図2(b)は第2接着層を形成した模式断面図、図2(c)はウェーハ接着した模式断面図、図2(d)は下地層を露出させた模式断面図、である。
【図3】図3(a)および(b)は発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図3(a)は半導体積層体を形成した模式断面図、図3(b)は第1電極を形成した模式断面図、である。
【図4】図4(a)〜(c)は、第1の実施形態の製造方法の工程断面図を示し、図4(a)はフォトレジストパターンを形成した模式断面図、図4(b)は半導体積層体を選択エッチングした模式断面図、図4(c)はオーバーコート電極を形成した模式断面図、である。
【図5】図5(a)〜(c)は、発光素子の模式平面図である。
【図6】図6(a)は発光装置の模式平面図、図6(b)はB−B線に沿った模式断面図、である。
【図7】図7(a)は第2の実施形態にかかる発光素子の模式斜視図、図7(b)はC−C線に沿った模式断面図、である。
【図8】図8は第2の実施形態の発光素子の製造工程の工程断面図を示し、図8(a)は凸部を形成した模式断面図、図8(b)はフォトレジストパターンを形成した模式断面図、図8(c)は透光性樹脂を選択エッチングした模式断面図、図8(d)は第2電極およびオーバーコート電極を形成した模式断面図、である。
【図9】フリップチップ型発光装置の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図1(a)は第1の実施形態にかかる発光素子の模式斜視図、図1(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
【0011】
図1(a)のように、発光素子5は、基板10と、接着層24と、接着層24の上に設けられた複数の凸部40と、凸部40の上にそれぞれ設けられた第1電極52と、透光性樹脂層50と、オーバーコート電極54と、第2電極56と、を有している。
【0012】
発光素子5の側面5aは、基板10の断面10a、透光性樹脂層50の断面50a、およびオーバーコート電極54の断面54aが露出したスクライブ面である。また、凸部40は、側面5aに露出しない。複数の凸部40の離間領域を所望のスクライブラインで切断すると、凸部40を所望の数だけ含み、所望の配置となるようなチップとすることができる。
【0013】
凸部40は、図1(b)のように、第1導電形層30と、第1導電形層30の上に設けられた発光層32と、発光層32の上に設けられた第2導電形層34と、を少なくとも含む半導体積層体からなる。1つの凸部40は、互いに離間した独立の発光領域として機能する。また、独立した凸部40の上にそれぞれ設けられた第1電極52どうしは、オーバーコート電極54により互いに接続されている。なお、半導体積層体は、第2導電形層34の上に設けられ第2導電形を有する電流拡散層36、および電流拡散層36の上に設けられ第2導電形層を有するコンタクト層38、をさらに有してもよい。
【0014】
凸部40は、一辺の長さが10〜100μmの矩形または正方形などとする。また、第1電極52は、凸部40よりも小さい円、正方形、などとする。
【0015】
それぞれの凸部40の周囲には透光性樹脂層50が設けられる。透光性樹脂50の上には、それぞれの第1電極52を接続するオーバーコート電極54が設けられている。透光性樹脂層50としては、PMMA(Polymethyl Methacrylate)やPI(Polyimide)などを用いることができる。透光性樹脂層50を設けることにより、半導体積層体の切断した側面のパッシベーションが可能である。
【0016】
図1(b)において、基板10は導電性を有しているものとし、接着層24が設けられた面とは反対側となる基板10の面に第2電極56を設けるものとする。
【0017】
発光層32の側面から放出された光G1は、直接側方から取り出し可能である。基板10が透光性を有するものとすると、下方に向かって放出された光は、基板10の側面10aから放出された光G2、および第2電極56で反射されたのち基板10の側面10aから放出される光G3を含む。例えば、凸部40の厚さは5〜10μm、凸部40の側面の離間距離は5〜20μm、基板10の厚さは70〜400μmなどとすることができる。このような構造とすると、基板10を透過した光を基板10の側面10aから効率よく取り出すことが可能である。なお、半導体積層体の上面には、第1電極52やオーバーコート電極54が設けられるので、光取り出し量は小さい。
【0018】
基板10は、発光層32からの放出光に対して透光性を有する材料であることがより好ましい。このような材料として、GaP、GaN、SiC、などとすることができる。
【0019】
また、発光層32は、In(AlGa1−y1−xP(0≦x≦1、0≦y≦1)、AlGa1−xAs(0≦x≦1)、InGaAl1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)などからなる材料とすることができる。また、これらの材料は、アクセプタやドナーとなる元素を含んでいてもよいものとする。
【0020】
基板10がGaPからなり、積層体がIn(AlGa1−y1−xP(0≦x≦1、0≦y≦1)からなるものとすると、波長範囲が500〜700nmの光を放出可能である。
【0021】
個数nの凸部40を有する発光素子5は、1つの凸部40の略n倍の光度(光出力)とすることができる。すなわち、光度の要求に応じて、凸部40の個数nを決定し、チップサイズを自由に変化させることができる。また、指向特性の要求に応じてチップ形状を決定すると、所望の指向特性とすることができる。
【0022】
図2(a)〜(d)は発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図2(a)は第1接着層を形成した模式断面図、図2(b)は第2接着層を形成した模式断面図、図2(c)はウェーハ接着の模式断面図、図2(d)は結晶成長基板を除去した模式断面図、である。
図2(a)のように、導電性を有し、GaPからなる基板10にp型GaPからなる第1接着層12を形成する。
【0023】
他方、図2(b)のように、GaAsからなる基板60の上に、格子整合用の膜22および第2接着層20を形成する。
【0024】
続いて、図2(c)のように、ウェーハ状態で第1接着層12と第2接着層20とを接触させ、加圧しつつ加熱して接着する。さらに、研磨法やエッチング法などを用いて、基板60を除去する。このようにすると、図2(d)のように、基板10の上に、膜22を表面に有する接着層24が形成され、続いて形成される結晶成長層との格子整合が容易になる。
【0025】
図3(a)および(b)は発光素子の製造方法の工程断面図を示し、図3(a)は半導体積層体を形成した模式断面図、図3(b)は第1電極を形成した模式断面図、である。
図3(a)のように、接着層24の上に、MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition:有機金属気相成長法)法やMBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシャル)法を用いて、半導体積層体58を形成する。半導体積層体58は、接着層24側から、p型In0.5Al0.5Pからなるクラッド層(厚さ0.6μm)を含む第1導電形層30、発光層32、In0.5Al0.5Pからなるクラッド層(厚さ0.6μm)を含む第2導電形層34、In0.5(Al0.7Ga0.30.5Pからなる電流拡散層(厚さ2μm)36、およびn型Ga0.5Al0.5Asからなるコンタクト層38をこの順序で有している。また、半導体積層体58の上にダミー層39を有してもよい。発光層32を、例えばMQW(Multi Quatum Well:多重量子井戸)構造とすると、発光波長の制御が容易となり、動作電流を低減することが容易となる。
【0026】
なお、半導体積層体58のそれぞれの層の厚さおよび組成などはこれらに限定されない。また、透光性基板10および半導体積層体58の導電形はそれぞれ反対の導電形であってもよい。さらに、GaAsなどからなる基板60の上に発光層32を含む積層体を結晶成長し、基板10とウェーハ接着したのち基板60を除去すると、工程が簡素となる。
【0027】
続いて、図3(b)のように、ダミー層39を除去し、半導体積層体58の上に、離間した第1電極52をそれぞれ形成する。
【0028】
図4(a)〜(c)は、第1の実施形態の製造方法の工程断面図を示し、図4(a)はフォトレジストパターンを形成した模式断面図、図4(b)は凸部を形成した模式断面図、図4(c)はオーバーコート電極を形成した模式断面図、である。
図4(a)のように、凸部40とする領域にフォトレジスト膜62のパターンを形成する。この場合、フォトレジスト膜62のパターンは、第1電極52よりも大きくするとよい。
【0029】
図4(b)のように、半導体積層体58の一部をエッチング法により除去し、例えばメサ状の凸部40を形成する。この場合、少なくともコンタクト層38、電流拡散層36、第2導電形層34までを分離すれば、複数の発光領域として独立駆動可能である。また、発光層32、第1導電形層30まで分離するとより好ましい。さらに、接着層24またはその一部までを分離してもよい。このあと、フォトレジスト膜62を除去する。
【0030】
凸部40の間の離間領域40aを充填しつつ、第1電極52を覆いかつ表面が平坦になるまで、PMMAなどの透光性樹脂層50を塗布する。さらに、CDE(Chemical Dry Etching)法などを用いて、第1電極52の表面が露出するまで、透光性樹脂層50をエッチング除去する。続いて、図4(c)のように、離間した第1の電極52を覆うように、オーバーコート電極54を形成する。オーバーコート電極54の厚さは、スクライブが容易でかつ複数の凸部40に略同一電圧が印加されるように設定する。
【0031】
続いて、基板10の裏面を研磨により薄くし、第2電極56を形成すると、半導体ウェーハが完成する。
【0032】
このような半導体ウェーハは、凸部40からなる複数の発光領域が、オーバーコート電極54と基板10の裏面の第2電極56との間に電気的に並列に接続された構造である。凸部40は、互いに離間しているので、所望の数が含まれるようにスクライブにより分離することができる。
【0033】
この場合、レーザダイシング法を用いて、所望の位置のスクライブラインに沿ってレーザービームLBを走査しつつ照射し、半導体ウェーハのダイシングを行う。または、ウォータージェットソーを用いて切断してもよい。このようにして、所望の形状、サイズを有するチップに分離できる。この場合、オーバーコート電極54は、透光性樹脂層50の上方でスクライブされ、チップ内の第1電極52は、オーバーコート電極54で共通に接続されている。
【0034】
図5(a)〜(c)は、発光素子の模式平面図である。
図5(a)は、矩形にスクライブした発光素子である。また、図5(b)は、曲がり部を有する形状にスクライブした発光素子である。このような形状は、例えばレーザビームを走査することにより容易にスクライブ可能である。図5(c)は、低光度用途に対応して、より小型の矩形にスクライブした発光素子である。このように、所望のチップ平面形状に応じた凸部40の間の離間領域40aをスクライブ領域とすることができる。
【0035】
なお、本図のように、所定の厚さを有するパッド電極55を、例えばリフトオフ法などを用いて、オーバーコート電極54の上に設けると、ワイヤボンディング強度やフリップチップ接合強度を高めることができるのでより好ましい。
【0036】
図6(a)は発光装置の模式平面図、図6(b)はB−B線に沿った模式断面図、である。
図5(b)に示す曲がり部を有する発光素子7は、破線G4で表す緑色光を放出するものとする。また発光素子8は、実線G5で表す赤色光を放出するものとする。本図のSMD(Surface Mounted Device)型発光装置において、例えば、リード80、81はカソード、リード82、83はアノード、とする。発光素子7のサイズまたは形状を変化させると、実線G5と破線G4との混合光の色度を、緑色〜赤色と変化させ、所望の色度とすることが容易である。また、発光素子7、8のサイズを大きくすると、混合光の光度を高めることができる。
【0037】
なお、透光性樹脂層50の屈折率を、凸部40の屈折率とチップを覆うシリコーンやエポキシなどからなる封止樹脂の屈折率との間とすると、光取り出し効率をより高めることができる。
【0038】
図7(a)は第2の実施形態にかかる発光素子の模式斜視図、図7(b)はC−C線に沿った模式断面図、である。
発光素子6は、基板11と、接着層24と、半導体積層体59と、第1電極52と、透光性樹脂層50と、オーバーコート電極54と、第2電極57と、オーバーコート電極58と、を有している。
【0039】
図7(a)のように、発光素子6の側面6aは、基板11の断面11a、下地層41の断面41a、透光性樹脂層50の断面50a、およびオーバーコート電極54の断面54aが露出したスクライブ面である。なお、側面6aに、凸部40は露出しない。
【0040】
また、図7(b)のように、複数の凸部40は、オーバーコート電極54を切断すると独立に駆動可能となる。すなわち、凸部40を所望の数だけ含み、所望の配置となるようなチップをスクライブ可能である。
【0041】
半導体積層体59は、接着層24の上に設けられ、第1導電形を有する下地層41と、下地層41の上に設けられた複数の凸部40と、を有している。なお、基板11は、透光性を有するサファイヤやGaPなどからなるものとする。
【0042】
第1導電形を有する下地層41は、接着層24を構成する膜22の上に結晶成長され、さらにその上には発光層32を含む凸部40が結晶成長される。第2電極57は、下地層41の上面、または段差面、の上に、第1および第2の凸部40のあいだに挟まれるように設けられる。
【0043】
図8は第2の実施形態の発光素子の製造工程の工程断面図を示し、図8(a)は凸部を形成した模式断面図、図8(b)はフォトレジストパターンを形成した模式断面図、図8(c)は透光性樹脂層を選択エッチングした模式断面図、図8(d)は第2電極およびオーバーコート電極を形成した模式断面図、である。
図8(a)のように、第2電極57を形成する所定の領域は、半導体積層体59を複数の凸部40に分離する工程において除去される。なお、凸部40の周囲の底面は、下地層41、接着層24、基板11、のいずれであってもよい。図8(b)のように、フォトレジスト膜63のパターニングを行い、所定の領域を開口部63aとする。続いて、図8(c)のように、透光性樹脂層50をエッチング法により除去して、開口部50aを設ける。
【0044】
凸部40の周囲の底面に蒸着法、メッキ法、またはこれらを組み合わせて、第2電極57を形成する。この場合、第2電極57の表面は、第1電極52と略同一面となるようにすることが好ましい。続いて、図8(d)のように、フォトレジスト膜63を除去し、第1電極52を接続するオーバーコート電極54、第2電極57を接続するオーバーコート電極58、を、例えばリフトオフ法を用いてそれぞれ形成する。続いて、所望のスクライブラインに沿って、レーザービームLBを照射し、半導体ウェーハをスクライブする。この場合、凸部40の離間領域だけでなく、第2電極57の離間領域、凸部40と第2電極57との離間領域、をスクライブラインとすることもできる。
【0045】
1つの第2電極57の平面サイズは、凸部40の1つの平面サイズと同じである必要はない。しかし、略同一とするとオーバーコート電極58で連結された第2電極57の離間領域の所望の位置を切断することができるので、ウェーハ全面にわたりスクライブラインを自由に設定できる。なお、下地層41と第2電極57との接触抵抗を低く押えることが可能な範囲で第2電極57の面積を小さくすると、発光領域の面積を広げ光出力をより高くすることが容易となる。
【0046】
基板11をサファイヤのようなモース硬度が高い材料とすると、例えば100μm以下の厚さとしても、剪断強度を含む機械的強度を高く保つことが容易となる。このために、チップ厚さを小さくすることが容易となり、SMD(Surface Mounted Device)型発光装置を薄くすることができる。
【0047】
また、積層体はInGaAl1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)からなるものとすると、波長範囲が410〜500nmの光を放出することができる。
【0048】
さらに、基板11は、導電性を有するGaPなどであってもよい。この場合、第2電極を基板11の裏面側で設けてもよく、または凸部40の間に設けてもよい。
【0049】
基板11が絶縁性の場合、チップは、凸部40の少なくとも1つと、第2電極57の少なくとも1つと、を含み、所望の凸部40の数および所望の形状となるようにスクライブを行う。
【0050】
図9は、フリップチップ型発光装置の模式断面図である。
第1のリード90および第2のリード92は、樹脂からなる成型体94に埋め込まれアウターリードが引き出されている。成型体94は、凹部94aを有し、凹部94の底面には、第1のリード90および第2のリード92がそれぞれ露出している。図7の構造を有する発光素子6のオーバーコート電極54と、第1のリード90と、を金属バンプ96により接着する。また、オーバーコート電極58と、第2のリード92と、を金属バンプ97により接着する。このようにして、フリップチップ構造発光装置とすることができる。発光素子6の裏面を透光性を有する基板11とすると、裏面電極により遮光されることなく、高い光取り出し効率とすることができる。
【0051】
第1および第2の実施形態によれば、所望のチップサイズおよびチップ形状とすることが容易な発光素子および半導体ウェーハが提供される。このため、所望の光度、色度、および指向特性を有する発光装置を得ることが容易となり、ヘッドランプ、信号機、照明器具などに広く応用することができる。また、同一仕様の半導体ウェーハを用い、異なる要求特性に応じたチップを供給できるので、発光装置の生産性を高くできる。
【0052】
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの実施形態に限定されない。本発明を構成する積層体、接着層、基板、電極、透光性樹脂、オーバーコート電極、の材質、サイズ、形状、配置などに関して、当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【0053】
5、6、7 発光素子、 10、11 基板、24 接着層、30 第1導電形層、32 発光層、34 第2導電形層、40 凸部、41 下地層、50 透光性樹脂層、52 第1電極、54、58 オーバーコート電極、56、57 第2電極

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板の上に設けられた接着層と、
第1導電形層と、前記第1導電形層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられた第2導電形層と、を含み、前記接着層の上に設けられた複数の凸部と、
前記第2導電形層の上に設けられた第1電極と、
前記凸部の周囲に設けられた透光性樹脂層と、
前記透光性樹脂の上に設けられ、前記複数の凸部の上にそれぞれ設けられた前記第1電極どうしを接続するオーバーコート電極と、
を備えた発光素子であり、
前記発光素子側面において、前記基板、前記透光性樹脂層、および前記オーバーコート電極、のそれぞれが露出したことを特徴とする発光素子。
【請求項2】
前記接着層と、前記凸部と、の間に設けられ、第1導電形の半導体を含む下地層と、
前記複数の凸部のうちの第1の凸部と第2の凸部との間において前記下地層の上に設けられ、周囲に前記透光性樹脂が設けられた第2電極と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1記載の発光素子。
【請求項3】
前記基板は、導電性を有し、前記第1導電形層と電気的に接続されたことを特徴とする請求項1または2に記載の発光素子。
【請求項4】
前記基板は、絶縁性を有することを特徴とする請求項2記載の発光素子。
【請求項5】
基板と、
前記基板の上に設けられた接着層と、
第1導電形層と、前記第1導電形層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられた第2導電形層と、を含み、前記接着層の上に設けられた複数の凸部と、
前記第2導電形層の上に設けられた第1電極と、
前記凸部の周囲に設けられた透光性樹脂層と、
前記透光性樹脂層の上に設けられ、前記複数の凸部の上にそれぞれ設けられた前記第1電極どうしを接続するオーバーコート電極と、
を備え、
前記複数の凸部どうしの間の離間領域は、所望の位置を切断可能なスクライブ領域とされたことを特徴とする半導体ウェーハ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2012−9619(P2012−9619A)
【公開日】平成24年1月12日(2012.1.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−144107(P2010−144107)
【出願日】平成22年6月24日(2010.6.24)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】