説明

発光素子及びその製造方法

【課題】ガリウム酸化物の基板上に形成した発光素子を、劈開性の強い方向には劈開を利用し、劈開性の弱い方向にはダイシング加工等を行うことにより、加工部近傍で剥がれやクラック等を発生させずに、ガリウム酸化物の基板上に結晶成長させて形成され、劈開を利用して作製された発光素子、及び、その製造方法を提供する。
【解決手段】所定の面方位を有するガリウム酸化物の基板上に化合物半導体薄膜を結晶成長により形成され、矩形形状に切出された発光素子であって、発光素子の一の端面は劈開により形成されると共に、端面と垂直な他の端面は劈開以外の方法により形成されたものとする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、基板の劈開を利用して形成された発光素子、特に、ガリウム酸化物の基板上に結晶成長させて形成され、劈開を利用して作製された発光素子、及び、その製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の発光素子として、SiCからなる基板上にGaNからなるn型層およびp型層を積層したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。このSiCを用いた発光素子は、SiCの単結晶ウエハを用い、この基板上にGaNからなるn型層およびp型層を形成して、劈開を利用したダイシング加工によりこれらを切り出すことによって、複数の発光素子にすることによって製造されている。
【0003】
また、基板を紫外領域の光を透過するものとし、可視領域から紫外領域の光を透過する無色透明の導電体を得ることができ、その導電体を基板に用いて垂直電極構造とすることが可能であり、基板側をも光の取り出し面とすることができる発光素子として、ガリウム酸化物の基板を使用して発光素子を形成したものが開発されている(例えば、特許文献2参照)。
【0004】
また、ニオブ酸リチウム単結晶等の酸化物単結晶からなる母材を、劈開を利用してダイシング加工する方法や、短パルスレーザを照射して熱応力により劈開面で割断する方法等が知られている(例えば、特許文献3、4参照)。
【特許文献1】特開2002−255692号公報
【特許文献2】特開2004−56098号公報
【特許文献3】特開平10−305420号公報
【特許文献4】特開平11−224865号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、特許文献2に開示された発光素子は、ガリウム酸化物の基板を使用したもので、このガリウム酸化物の基板は、劈開性の強い面方位とそうでない面方位があり、劈開性をすべて利用して基板上に形成された複数の発光素子を切り出すことは困難である。
【0006】
一方、ガリウム酸化物の基板は、面方位により劈開性が特に強い面が存在し、従来から使用されていたダイシング加工方法では歩留まりのよい素子製製作が困難である。特に、β―Ga基板は、発光素子が形成される基板表面に平行な面も劈開性を有し、従来のダイシング加工方法で切り出そうとすると、切り出し端面の近傍で、剥がれやクラック等が発生し易い。
【0007】
また、特許文献3、4に開示された方法は、全ての面において劈開を利用してダイシング加工あるいは割断する方法であるので、ガリウム酸化物の基板及びこの基板上に形成した発光素子の切り出しには適用できないという問題があった。
【0008】
従って、本発明の目的は、ガリウム酸化物の基板上に形成した発光素子を、劈開性の強い方向には劈開を利用し、劈開性の弱い方向にはダイシング加工等を行うことにより、加工部近傍で剥がれやクラック等を発生させずに、ガリウム酸化物の基板上に結晶成長させて形成され、劈開を利用して作製された発光素子、及び、その製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、上記目的を達成するために、所定の面方位を有するガリウム酸化物の基板上に化合物半導体薄膜を結晶成長により形成され、矩形形状に切出された発光素子であって、前記発光素子の一の端面の少なくとも一部は劈開により形成されると共に、前記端面と垂直な他の端面は劈開以外の方法により形成されたことを特徴とする発光素子を提供する。
【0010】
また、本発明は、上記目的を達成するために、所定の面方位を有するガリウム酸化物基板に、化合物半導体薄膜を結晶成長により複数の発光素子領域を形成する工程と、前記ガリウム酸化物基板を劈開面により短冊状に劈開する工程と、前記短冊状に劈開されたガリウム酸化物基板を前記劈開面に垂直な方向に劈開以外の方法により切出す工程とを有することを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【0011】
本発明の発光素子及びその製造方法によれば、加工部近傍で剥がれやクラック等を発生させずに、ガリウム酸化物の基板上に結晶成長させて形成され劈開を利用して作製された発光素子、及び、その製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
(ガリウム酸化物基板)
図1は、発光素子が形成されたガリウム酸化物基板を示す図である。
【0013】
ガリウム酸化物基板であるβ―Ga基板1は、所定の面方位を有してウエハー状に加工された基板である。β―Ga基板1の場合には、基板表面は、(100)、(010)、(001)面、又は、(801)面とされ、(100)面に強い劈開性を有している。また、上記のように、基板表面を(100)、(010)、(001)面又は(801)面とした場合は、(001)面にも劈開性が認められる。
【0014】
β―Ga基板1上に結晶成長により発光素子を形成する場合は、ウエハー加工、及び、発光素子形成の容易さにより、(100)面又は(801)面を基板表面にする。この場合、(001)面を劈開を利用して割断し、(010)面をダイシング等により切断して、β―Ga基板1上に多数形成された発光素子をベアチップとして取り出す。
【0015】
尚、β―Ga基板1の面方位を識別するものとして、ノッチ、溝、又はオリエンテーションフラット等の識別部1aが形成されているのが好ましい。
【0016】
(発光素子の形成)
図2は、MOCVD法を示す概略図であり、MOCVD装置の主要部を示す概略断面を示す。MOCVD装置100は、真空ポンプおよび排気装置(図示せず)を備えた排気部106が接続された反応容器101と、β―Ga基板1を載置するサセプタ102と、サセプタ102を加熱するヒータ103と、サセプタ102を回転、上下移動させる制御軸104と、β―Ga基板1に向って斜め、または水平に原料ガスを供給する石英ノズル105と、各種原料ガスを発生する、TMG(トリメチルガリウム)ガス発生装置111、TMA(トリメチルアルミニウム)ガス発生装置112、TMI(トリメチルインジウム)ガス発生装置113等を備える。なお、必要に応じてガス発生装置の数を増減してもよい。窒素源としてNHが用いられ、キャリアガスとしてHが用いられる。GaN薄膜を形成するときは、TMGとNHが、AlGaN薄膜を形成するときは、TMA、TMGおよびNHが、InGaN薄膜を形成するときは、TMI、TMGおよびNHが用いられる。
MOCVD装置100により薄膜を形成するには、例えば、以下のように行う。まず、β―Ga基板1は、薄膜が形成される面を上にしてサセプタ102に保持され、反応容器101内に設置される。
【0017】
このとき、β―Ga基板1は、β―Ga基板1の劈開領域2とダイシング領域3に囲まれた矩形領域、すなわち、発光素子領域4に発光素子が所定の位置関係で形成されるようにサセプタ102に保持する。
【0018】
(LED素子の構成)
図3は、発光素子としてのLEDの構成を示すものである。
【0019】
このLED素子10は、n型の導電型を有するβ−Ga基板1を有し、β―Ga基板1上にSiドープのn−GaN層12と、Siドープのn−AlGaN層13と、InGaN/GaNの多重量子井戸構造を有するMQW(Multiple-Quantum Well)14と、Mgドープのp−AlGaN層15と、Mgドープのp−GaN層16と、ITO(Indium Tin Oxide)からなるp電極17とを順次積層して形成されており、β―Ga基板1の下面に設けられるn電極18とを有する。
【0020】
−GaN層12およびp−GaN層16は、1100℃の成長温度条件でキャリアガスとしてNを使用し、NHとトリメチルガリウム(TMG)をβ―Ga基板1が配置されたリアクタ内に供給することにより形成される。n−GaN層12についてはn型の導電性を付与するためのドーパントとしてモノシラン(SiH)をSi原料として使用し、p−GaN層16についてはp型の導電性を付与するためのドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)をMg原料として使用する。また、n−AlGaN層13およびp−AlGaN層15については、上記したもののほかに更にTMAをリアクタ内に供給することによって形成される。
【0021】
MQW14は、1100℃の成長温度条件でキャリアガスとしてHを使用し、トリメチルインジウム(TMI)とTMGをリアクタ内に供給することによって形成される。InGaNの形成時にはTMIとTMGが供給され、GaNの形成時にはTMGが供給される。
【0022】
(LED素子の製造工程)
まず、MOCVD装置のサセプタにβ―Ga基板1を搭載する。
【0023】
(GaN形成工程)
次に、所定の温度(400℃)に昇温して、Nの供給を開始する。続いてリアクタ内の昇温を開始し、1100℃となったときに昇温を停止し、その温度を維持するとともにTMGを60sccm供給することによって膜厚1μmのn−GaN層12を形成する。次に、リアクタへのNの供給を停止し、Hを供給する。
【0024】
以降、n−AlGaN層13、MQW14、p−AlGaN15層、p−GaN層16、p電極17、およびn電極18を順次作成するが、これらについての製造工程については説明を省略する。
【0025】
(劈開によるGa基板の割断)
上記の工程により発光素子が形成されたβ―Ga基板1は、電気特性、不良チェック等の検査後、劈開を利用して割断する。
【0026】
図4は、発光素子が形成されたβ―Ga基板1を所定の劈開領域に沿って劈開させ、短冊状のβ―Ga基板に割断する方法を説明する斜視図である。発光素子が形成されたβ―Ga基板1を識別部1aにより劈開方向を特定し、固定ベース120の所定の位置に固定する。劈開領域2に合わせて割断ブレード121を位置決めして、割断ブレード121を下方に押下げて、劈開領域2に所定のせん断力を加えることで劈開させる。この工程を繰り返すことで、発光素子が形成されたβ―Ga基板1は、短冊状チップ5となる。
【0027】
(ダイシング工程によるβ―Ga基板の切断)
図5は、劈開により形成された短冊状チップ5をダイヤモンドブレード130により切断する方法を説明する斜視図である。短冊状チップ5のダイシング領域3に沿って、ダイヤモンドブレード130を回転させて切断する。切断方向あるいは切断領域は、劈開性が小さい、あるいは劈開性が無い方向に設定するので、このダイシング工程により発光素子が形成された個々のチップにチッピング等の悪影響を与えることなく切断することができる。
【0028】
(レーザ加工によるβ―Ga基板の切断)
図6は、ダイシング工程に替えて、レーザ加工により短冊状チップの切断を行う方法を説明する斜視図である。
【0029】
光源140であるYAGレーザを所定の条件で駆動し、レーザビーム141を出射させる。駆動は、連続Qスイッチによる発振駆動による。波長変換部142により波長266nmの第4高調波に変換されたレーザビーム141を、コリメーターレンズ143で平行光にして反射ミラー144で反射させた後、集光レンズ145を光軸方向に移動させて、短冊状チップ5の表面又は表面から所定の前後位置に焦点を結ぶようにフォーカス調整を行う。
【0030】
レーザ出力、発振周波数、X方向及びY方向への加工速度、走査回数を所定の値に設定して、加工を行う。まず、XあるいはY方向へ、XYテーブル146を移動させ、設定した走査回数だけレーザビーム141を短冊状チップ5の表面に照射して、加工溝5bを形成することにより基板加工を行う。割断又は切断するために必要な所定の溝数を加工し終わったら、上記と直角なYあるいはX方向へ、XYテーブル146を移動させ、設定した走査回数だけレーザビーム141を短冊状チップ5の表面に照射して加工を行う。
【0031】
YAGレーザの第4高調波は波長266nmであり、その光透過スペクトルから、約30%はβ―Gaに吸収される。また、波長266nmは、β―Gaの吸収端248〜258nmに近接した波長である。この結果、短冊状チップ5の表面に照射されたレーザビーム141は、加工部を加熱溶融する熱加工だけではなく、β―Gaの分子間結合の少なくとも一部を断ち切り、ガス化あるいは極微粒子化させて飛散させて加工部を除去する、いわゆる、レーザアブレーション加工が行われる。
【0032】
尚、光源140によるレーザビーム141の加工波長は、上記の波長266nmに限られず、β―Gaの吸収端248〜258nmより長波長側であっても、光吸収が行われる300nm以下の波長範囲であれば、上記の基板加工が可能である。
【0033】
このようなレーザ加工により、短冊状チップ5の表面には、割断又は切断のための加工溝5aが格子状に形成される。加工溝5aに沿って、所定の力を加えることにより、短冊状チップ5は必要なチップ形状に割断される。あるいは、加工溝5aが短冊状チップ5を貫通すれば、所定の力を加えることなく、短冊状チップ5は必要なチップ形状に切断される。
【0034】
(発光素子の組立て)
上記のようにβ―Ga基板1から劈開、割断、又は、切断により取出された個々のベアチップは、以下のような工程により、発光装置として組立てられる。
【0035】
β―Ga基板1、n電極18、エピタキシャル層21、p電極17で構成される発光素子は、回路基板等へ挿入接続されるリードピン31を有するサブマウント30に導電性の金属ペースト等を介して実装される。サブマウント30は、n型のシリコン基板で形成されているので、LED素子10を静電気から保護するためのツェナーダイオードとして動作し、n電極18は、サブマウント30上に形成されたp型半導体層30aに電気的に接続され、p電極17は、ボンディング電極19、ボンディング部20を介してボンディングワイヤ22によりサブマウント30に電気的に接続される。以上の工程により、回路基板等へ実装可能な発光素子ユニットとして完成する。
【0036】
(実施の形態の効果)
本発明の実施の形態によれば、加工部近傍で剥がれやクラック等を発生させずに、ガリウム酸化物の基板上に結晶成長させて形成され劈開を利用して作製された発光素子、及び、その製造方法を提供することが可能となる。特に、劈開性の強さが異なる面を有するβ―Ga基板上に形成された発光素子を、劈開を利用して平滑な面として切出すと共に、他の面をダイシング又はレーザ加工により切出すので、歩留まりが高くなり生産性が向上する。また、上記の実施の形態では、発光素子はLEDであるとしたが、同様の工程により、レーザ素子を形成することができ、この場合には、劈開面を光共振器として利用することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】発光素子が形成されたガリウム酸化物基板を示す図である。
【図2】MOCVD法を示す概略図であり、MOCVD装置の主要部を示す概略断面を示すものである。
【図3】発光素子としてのLEDの構成を示すものである。
【図4】発光素子が形成されたβ―Ga基板を所定の劈開領域に沿って劈開させ、短冊状のβ―Ga基板に割断する方法を説明する斜視図である。
【図5】劈開により形成された短冊状チップをダイヤモンドブレードにより切断する方法を説明する斜視図である。
【図6】ダイシング工程に替えて、レーザ加工により短冊状チップの切断を行う方法を説明する斜視図である。
【符号の説明】
【0038】
1 β―Ga基板
2 劈開領域
3 ダイシング領域
4 発光素子領域
5 短冊状チップ
10 LED素子
12 n−GaN層
13 n−AlGaN層
14 MQW
15 p−AlGaN層
16 p−GaN層
17 p電極
18 n電極
19 ボンディング電極
20 ボンディング部
21 エピタキシャル層
22 ボンディングワイヤ
30 サブマウント
31 リードピン

【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の面方位を有するガリウム酸化物の基板上に化合物半導体薄膜を結晶成長により形成され、矩形形状に切出された発光素子であって、
前記発光素子の一の端面の少なくとも一部は劈開により形成されると共に、前記端面と垂直な他の端面は劈開以外の方法により形成されたことを特徴とする発光素子。
【請求項2】
前記ガリウム酸化物の基板は、β―Ga基板であることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
【請求項3】
前記劈開以外の方法は、ダイシング工程によるものであることを特徴とする請求項1又2に記載の発光素子。
【請求項4】
前記劈開以外の方法は、所定の波長のレーザ光を照射して行うレーザ加工であることを特徴とする請求項1又2に記載の発光素子。
【請求項5】
前記面方位は、前記ガリウム酸化物の基板表面が(100)、(001)、(010)、又は(801)であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の発光素子。
【請求項6】
所定の面方位を有するガリウム酸化物基板に、化合物半導体薄膜を結晶成長により複数の発光素子領域を形成する工程と、
前記ガリウム酸化物基板を劈開面により短冊状に劈開する工程と、
前記短冊状に劈開されたガリウム酸化物基板を前記劈開面に垂直な方向に劈開以外の方法により切出す工程とを有することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項7】
前記劈開以外の方法は、ダイシング工程によるものである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。
【請求項8】
前記劈開以外の方法は、所定の波長のレーザ光を照射して行うレーザ加工である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。
【請求項9】
前記所定の波長は、300nmより短い波長である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。
【請求項10】
前記所定の波長は、YAG第4高調波又はエキシマレーザである前記レーザ光により得られる波長である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。
【請求項11】
前記面方位は、前記ガリウム酸化物の基板表面が(100)、(001)、(010)、又は(801)であることを特徴とする請求項6〜10のいずれかに記載の発光素子の製造方法。

【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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【公開番号】特開2007−165625(P2007−165625A)
【公開日】平成19年6月28日(2007.6.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−360441(P2005−360441)
【出願日】平成17年12月14日(2005.12.14)
【出願人】(000241463)豊田合成株式会社 (3,467)
【出願人】(000153236)株式会社光波 (98)
【Fターム(参考)】