(57)【要約】【課題】基板裏面の粗面化による光取り出し効率向上化がなされた半導体発光素子として、パッケージ基板などの基体に結合する際の結合不良や割れが抑制され、安定的に光出力向上効果が得られるものを提供する。【解決手段】基板１１上に形成された半導体層１２を有する半導体発光素子１であって、基板１１の半導体層１２が形成されている面１１ａの反対面１１０の８０面積％以上が粗面であり、粗面を構成する凸部の一部が平坦になっている。つまり、粗面を構成する凸部として、先端が平坦になっている凸部１１２を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された半導体層を有する半導体発光素子であって、
前記基板の前記半導体層が形成されている面の反対面の８０面積％以上が粗面であり、
前記粗面を構成する凸部の一部として、先端が平坦になっている凸部を有する半導体発光素子。
【請求項２】
前記粗面を構成する凸部のうち前記先端が平坦になっている凸部の割合が１０％以上である領域が、前記粗面の２０面積％以上を占める請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記粗面の最大粗さＲzが１００ｎｍ以上１００μｍ以下である請求項１または２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板の前記反対面にレンズが樹脂層を介して接合されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記レンズが半球レンズである請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
発光波長が紫外線領域であり、前記レンズが石英製またはサファイア製である請求項４または５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
発光波長が紫外線領域であり、前記樹脂層は非晶質フッ素樹脂層である請求項４〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
発光波長が２８０ｎｍ以下である請求項４〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記樹脂層の厚さが０．１μｍ以上１．０ｍｍ以下である請求項４〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
基板上に形成された半導体層を有し紫外線を発光する半導体発光素子と、前記半導体発光素子が実装された基体と、を備えた半導体発光装置の製造方法であって、
前記基板の前記半導体層が形成されている面の反対面を、先端が尖っている凸部で構成された粗面にする第一工程と、
前記第一工程の前記粗面を構成する先端が尖っている凸部の一部を平坦化する第二工程と、
前記第二工程後の前記半導体発光素子を、前記反対面を吸着装置の押さえ面に接触させて移動して前記基体の上方に配置した後、前記押さえ面で前記反対面を押し付けながら前記半導体発光素子を前記基体に実装する第三工程と、
を有する半導体発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子の光取り出し効率を改善することを目的として、半導体発光素子の光取り出し面（素子が形成されている基板の裏面）にレンズを接合することが提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献１および２を参照）。
非特許文献１には、ＡｌＧａＮ系窒化物半導体を用いた深紫外ＬＥＤが記載されているとともに、ＬＥＤチップのサファイア研磨面とレンズを室温で直接接合することが記載されている。
【０００３】
特許文献１には、例えば、シリコーンオイルおよび／またはシリコーン樹脂からなる封止剤の薄層を使用して、レンズをＬＥＤダイに直接取り付ける方法が記載されている。
特許文献２には、紫外線発光素子の封止樹脂として、紫外線発光素子のパッド電極を構成する金属に対する結合性を呈しない、非反応性の末端官能基を有する非晶性フッ素樹脂を用いることが記載されている。
一方、半導体発光素子の光取り出し効率を改善する方法には、素子が形成されている基板の裏面（光取り出し面）を粗面化する方法もある。特に、粗面の最大粗さＲzが発光波長以上である場合に、光取り出し効率向上効果が高くなることが期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１７−５２１８７２号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１４／１７８２８８号パンフレット
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】第62回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集 17-255  2015年（講演番号14p-B1-5）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
基板の裏面を粗面化する方法を採用した場合、粗面を構成する凹凸の寸法にバラツキがあると、半導体チップ（半導体発光素子）をパッケージ基板などの基体に、素子の基板裏面側から圧力を付与する方法で結合する際に、結合不良が生じたりチップに割れが生じたりする可能性がある。また、上記圧力付与時に粗面を構成する凸部の先端が欠けて、生じた破片が凹部に残留すると、光出力の低下の原因になる可能性もある。
本発明の課題は、基板裏面の粗面化による光取り出し効率向上化がなされた半導体発光素子として、パッケージ基板などの基体に結合する際の結合不良や割れが抑制され、安定的に光出力向上効果が得られるものを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために、本発明の一態様は、基板上に形成された半導体層を有する半導体発光素子であって、基板の半導体層が形成されている面の反対面（基板裏面）の８０面積％以上が粗面であり、粗面を構成する凸部の一部として、先端が平坦になっている凸部を有する半導体発光素子を提供する。
本発明の別の態様は、基板上に形成された半導体層を有し紫外線を発光する半導体発光素子と、上記半導体発光素子が実装された基体と、を備えた半導体発光装置の製造方法であって、上記基板の上記半導体層が形成されている面の反対面を、先端が尖っている凸部で構成された粗面にする第一工程と、上記第一工程の上記粗面を構成する先端が尖っている凸部の一部を平坦化する第二工程と、上記第二工程後の上記半導体発光素子を、上記反対面を吸着装置の押さえ面に接触させて移動して上記基体の上方に配置した後、上記押さえ面で上記反対面を押し付けながら上記半導体発光素子を上記基体に実装する第三工程と、を有する半導体発光装置の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
一態様の半導体発光素子は、基板裏面の粗面化による光取り出し効率向上化がなされた半導体発光素子であり、基板裏面が「８０面積％以上が粗面であり、粗面を構成する凸部の一部として、先端が平坦になっている凸部を有する」ことで、パッケージ基板などの基体に結合する際の結合不良や割れの抑制と、安定的な光出力向上効果を得ることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第一実施形態の半導体発光素子を模式的に示す断面図である。
【図２】粗面を構成する凸部のうち先端が平坦になっている凸部の割合が多い領域（ａ）と少ない領域（ｂ）との違いを説明する図である。
【図３】第一実施形態の半導体発光素子の実装方法を説明する図である。
【図４】第一実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明する図である。
【図５】第二実施形態の半導体発光素子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
【００１１】
［第一実施形態］
図１に示すように、第一実施形態の半導体チップ（半導体発光素子）１は、基板１１、半導体層１２、第一電極層１３、および第二電極層１４を有する。半導体チップ１は、例えば、波長が２８０ｎｍ以下であるＵＶＣを発光可能な素子である。
基板１１は、例えばＡｌＮ基板である。半導体層１２は、ｎ型窒化物半導体層（第一導電型の窒化物半導体層）、窒化物半導体発光層、およびｐ型窒化物半導体層（第二導電型の窒化物半導体層）を有する積層体である。ｎ型窒化物半導体層は例えばｎ−ＡｌＧａＮ層である。窒化物半導体発光層は、例えば、ＡｌＧａＮからなる量子井戸層とＡｌＮからなる電子バリア層とからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する層である。ｐ型窒化物半導体層は例えばｐ−ＧａＮ層である。第一電極層１３はｎ型窒化物半導体層上に、第二電極層１４はｐ型窒化物半導体層上に形成されている。
【００１２】
半導体チップ１の光取り出し面である基板１１の裏面（半導体層１２が形成されている面である表面１１ａの反対面）１１０は、面積の８０％以上が粗面である。粗面の最大粗さＲzが１００ｎｍ以上１μｍ以下になっている。この粗面を構成する凸部には、先端が尖っている凸部１１１と、平坦になっている凸部１１２がある。先端が平坦になっている凸部１１２の上面は、基板１１の表面１１ａと平行な面である。
このように、半導体チップ１の基板１１の裏面１１０は、粗面を構成する凸部の一部として、先端が平坦になっている凸部１１２を有することで、粗面を構成する凸部の全てが、先端が尖っている凸部１１１である場合と比較して、粗面を構成する凹凸の寸法のバラツキが小さくなっている。
【００１３】
図２に示すように、裏面１１０には、粗面を構成する凸部のうち、先端が平坦になっている凸部１１２の割合が１０％以上である第一領域（ａ）と、先端が平坦になっている凸部１１２の割合が１０％未満である第二領域（ｂ）が存在する。先端が平坦になっている凸部１１２は、第一領域内および第二領域内で、それぞれ均一に存在していることが好ましい。
第一実施形態の半導体チップ１では、第一領域が粗面の２０面積％以上を占めており、先端が平坦になっている凸部１１２は、第一領域内および第二領域内で、それぞれ均一に存在している。
【００１４】
〔実装方法〕
第一実施形態の半導体チップ１は、以下の方法でパッケージ基板に対してフリップチップ実装される。
先ず、図３（ａ）に示すように、コレット（吸着装置）２を用いてパッケージ基板３の上方に半導体チップ１を配置する。パッケージ基板３はステージ上に設置されている。コレット２は、半導体チップ１に接触させる押さえ面２１と、吸引穴２２を有する。パッケージ基板３の第一電極３１上および第二電極３２上には、それぞれ金属バンプ（第一接続体）４および金属バンプ（第二接続体）５が形成されている。
【００１５】
パッケージ基板３を載せたステージを加熱し、半導体チップ１の外縁部をコレット２により真空吸着して、半導体チップ１をパッケージ基板３の上方に運び、金属バンプ４と半導体チップ１の第一電極３１、金属バンプ５と半導体チップ１の第二電極１４がそれぞれ向かい合うように、位置決めする。この状態で、コレット２を下降して、半導体チップ１を、金属バンプ４，５を介してパッケージ基板３に押し付けると同時に、コレット２を超音波振動させることで、超音波接合を行う。この超音波接合の条件は、例えば、コレットの押し付け圧力３０Ｎ〜１５０Ｎ、超音波振動強度５０ｍＷ〜１５０ｍＷとする。
【００１６】
その結果、図３（ｂ）に示すように、半導体チップ１は、パッケージ基板３に対してフリップチップ実装される。その際に、半導体チップ１の基板１１の裏面１１０は、粗面を構成する凹凸の寸法のバラツキが小さいため、パッケージ基板３に対する結合不良や半導体チップ１の割れが抑制されるとともに、圧力付与時に粗面を構成する凸部の先端が欠けにくくなる。この先端が欠けて生じた破片が凹部に残留すると、光出力の低下の原因になるが、この破片が生じにくくなることで、光出力向上効果が安定的に得られる。
また、半導体チップ１は、粗面の最大粗さＲzが１００ｎｍ以上１μｍ以下であり、先端が平坦になっている凸部１１２の割合が１０％以上である領域が、粗面の２０面積％以上を占めているため、これらを満たさないものよりも、粗面を構成する凹凸の寸法のバラツキがさらに小さい。よって、パッケージ基板３に対する結合不良や半導体チップ１の割れが抑制される効果と、光出力向上効果が安定的に得られる効果が高い。
【００１７】
〔製造方法〕
半導体チップ１は、例えば、以下の方法で製造することができる。
先ず、ウェハ（切断される前の基板）１０の表面１１ａ上に、半導体層１２などを形成する通常の製造方法で、ウェハ１０の面内に多数の半導体発光素子を形成する。この状態で、ウェハ１０の裏面１１０は平滑面（最大粗さＲzが３７ｎｍ程度）である。図４（ａ）はこの状態を示す。
次に、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いたエッチングを行うことで、ウェハ１０の裏面１１０の全体を粗面化（最大粗さＲzを１００ｎｍ以上１μｍ以下に）する。図４（ｂ）はこの状態を示す。この状態では、裏面１１０の粗面を構成する凸部の先端は全て尖っている。
【００１８】
次に、ウェハ１０を切断して多数の半導体チップ１を得る。これにより、基板１１の裏面１１０が粗面化され、粗面を構成する凸部の先端が全て尖っている半導体チップ１が得られる。つまり、この状態では、基板１１の裏面１１０には、先端が尖っている凸部１１１のみが存在する。
図４（ｃ）に示すように、フリップチップ実装の際に使用するコレット２の押さえ面２１を、例えば、コレットの押し付け圧力３０Ｎ〜１５０Ｎで、基板１１の裏面１１０に押し付ける。
【００１９】
その結果、押さえ面２１で押し付けられた部分は、先端が尖っている凸部１１１の状態から、平坦になっている凸部１１２に変化する。つまり、凸部１１１の先端が欠けて破片１１３が発生する。図４（ｄ）はこの状態を示す。
次に、例えば、超音波洗浄を５分間行って破片１１３を取り除く。その結果、図４（ｅ）に示すように、第一実施形態の半導体チップ１が得られる。
【００２０】
［第二実施形態］
図５に示すように、第二実施形態の半導体発光素子６は、第一実施形態の半導体チップ１の基板１１の裏面１１０に、樹脂層７を介して半球レンズ８が接合されたものである。半球レンズ８は石英製またはサファイア製である。樹脂層７としては、シリコーン樹脂層または非晶質フッ素樹脂層が挙げられるが、これらに限定されない。樹脂層７の厚さは０．１μｍ以上１．０ｍｍ以下である。
半球レンズ８の接合は、例えば、非晶質フッ素樹脂と溶媒を含む熱可塑性接着剤である旭硝子製の「サイトップ（登録商標）」を使用し、以下の方法で行うことができる。サイトップ（登録商標）は、厚さ５０μｍで、波長２６５ｎｍにおける透過率が９８％であり、２１０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の全範囲における透過率は９０％以上である。
【００２１】
先ず、サイトップ（登録商標）を半導体チップ１の基板１１の裏面１１０に塗布して、溶媒を蒸発させることで、表面張力により中央部が盛り上がった形状の樹脂層を形成する。次に、２６０〜２７０℃に加熱して樹脂層の粘性を高くし、その状態で、平坦面側を樹脂層に向けて半球レンズ８を置き、半球レンズ８を押し付けることで樹脂層を押しつぶす。これにより、樹脂層に気泡が入らない状態で半球レンズ８を半導体チップ１に接合することができる。
また、基板１１の裏面１１０が粗面になっていることで、裏面１１０が平滑面である場合と比較して、樹脂層７による半導体チップ１と半球レンズ８との接合強度が高くなる。
【００２２】
［備考］
上記実施形態では、水酸化カリウム水溶液を用いたエッチングにより基板の裏面を粗面化しているが、これ以外の方法として、例えば、サンドブラスト研削で基板裏面を処理する（物理的な力で削り取る）方法が採用できる。
実施形態の半導体発光素子１は、基板裏面の粗面の最大粗さＲzが、好ましい範囲である１００ｎｍ以上１μｍ以下になっているが、１μｍを超え１００μｍ以下の範囲であってもよい。
【００２３】
一態様の半導体発光素子は、基板の裏面の８０面積％以上が粗面であり、粗面を構成する凸部の一部として、先端が平坦になっている凸部を有するが、基板の裏面の９０面積％以上が粗面であることが好ましい。
光取り出し効率を改善する観点から、先端が平坦になっている凸部の高さは、凸部を平坦化する前の高さの６０％以上になっていることが好ましい。
得られた粗面の面積はＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）によって測定できる。測定の際には、粗面の垂直方向または斜め方向から観察する。撮影倍率は粗面を構成する凹凸の大きさに応じて１００倍〜４００００倍とする。先ず、凹凸が判別できる倍率でチップ全体をＳＥＭ観察し、チップ内の粗面の割合を計測する。
【００２４】
次に、チップ内を１６分割した領域毎に、凹凸が１００個以上入る倍率で、その領域の画像を撮影する。１枚の画像に１００個以上の凹凸が入らなかった領域では、画像を複数枚撮影し、合計で１００個以上の凹凸が入るようにする。そして、各領域内で先端が平らになっている凸部の数を計測し、それぞれの画像内で先端が平らになっている凸部の割合が１０％以上である領域の数を算出する。
粗面の最大粗さ（Ｒz）は、断面をＳＥＭまたはＳＴＥＭ（走査透過型電子顕微鏡；ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で撮影した画像から計測できる。撮影倍率は粗面を構成する凹凸の大きさに応じて１０００倍〜４００００倍とする。例えば、２０個以上凹凸が含まれる任意の五ヶ所の領域について断面を撮影し、それぞれ最も高い山の高さ（Ｚp）と最も深い谷の深さ（Ｚv）の和を求め、その和を各領域における粗面の最大高さ（Ｚz）とする。これらの算出された五ヶ所の領域でのＺzの最大値を最大粗さ（Ｒz）とする。
【００２５】
なお、粗面とは、最大粗さ（Ｒz）が１００ｎｍ以上である面を意味する。
レンズと基板を接合する樹脂としては、半導体発光素子のパッド電極（通常、第一電極層１３および第二電極層１４の上に、それぞれ所定厚さで形成されている電極）を構成する金属に対する結合性を呈しない、非反応性の末端官能基を有するものを用いることがより好ましい。
【実施例】
【００２６】
［実施例１］
実施例１の半導体発光素子として、実施形態の半導体チップ１を作製した。基板１１はＡｌＮ基板であり、半導体層１２は、ｎ−ＡｌＧａＮ層、ＡｌＧａＮからなる量子井戸層とＡｌＮからなる電子バリア層とからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する窒化物半導体発光層、およびｐ−ＧａＮ層を有する積層体である。第一電極層１３はＡｕ電極であり、第二電極層１４はＡｕ電極である。
【００２７】
また、基板１１の裏面１１０の全面が粗面になっていて、粗面を構成する凸部のうち、先端が平坦になっている凸部１１２の割合が１０％以上である第一領域が、粗面の１００面積％を占めている。裏面１１０の粗面化は、濃度０．２Ｍの水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液に８分浸して、ＡｌＮ基板の裏面１１０を六角錐の凹凸構造にした後、コレット２を用いた押し付けにより、裏面１１０の全領域において、先端が平坦になっている凸部１１２の割合を１０％以上にした。この状態は、コレット２を用いた押し付け工程の条件を、押し付け圧力１５０Ｎとすることにより実現した。
実施例１の半導体チップに３５０ｍＡの電流を流して光出力を調べた結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られ、光出力は１５．０ｍＷであった。この半導体チップを、実施形態の方法でパッケージ基板３に実装したところ、結合不良や割れは生じなかった。
【００２８】
［実施例２］
実施例２の半導体チップは、基板１１の裏面１１０の全面が粗面になっていて、粗面を構成する凸部のうち、先端が平坦になっている凸部１１２の割合が１０％以上である第一領域が、粗面の２０面積％を占めていて、先端が平坦になっている凸部１１２の割合が１０％未満である第二領域が粗面の８０面積％を占めている。これ以外の点は実施例１の半導体チップと同じである。上記第一領域と第二領域の割合は、コレット２を用いた押し付け工程の条件を、押し付け圧力３０Ｎ、超音波振動強度１５０ｍＷとすることにより実現した。
実施例２の半導体チップに３５０ｍＡの電流を流して光出力を調べた結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られ、光出力は１６．０ｍＷであった。この半導体チップを、実施形態の方法でパッケージ基板３に実装したところ、結合不良や割れは生じなかった。
【００２９】
［実施例３］
実施例２の半導体チップ１を、実施形態に記載した方法でパッケージ基板３に実装した後に、半導体チップ１の裏面に、サイトップ（登録商標）ＣＴＸ−８０９ＳＰ２を用いて、石英製の半球レンズ８を接合した。サイトップ（登録商標）ＣＴＸ−８０９ＳＰ２に含まれる樹脂は、パーフルオロアルキル基を有する非晶質フッ素樹脂である。
これにより、図５に示す構造の半導体発光素子６を得た。樹脂層７の厚さは１μｍであった。
実施例３の半導体発光素子６に３５０ｍＡの電流を流して光出力を調べた結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られ、光出力は３１．２ｍＷであった。
【００３０】
［比較例１］
比較例１の半導体チップは、基板１１の裏面１１０の全面が粗面になっていて、粗面を構成する凸部が全て、先端が尖っている凸部１１１となっている。つまり、水酸化カリウムに浸してＡｌＮ基板の裏面１１０を六角錐の凹凸構造にした後、コレット２を用いた押し付け工程を行わなかった。これ以外の点は実施例１の半導体チップと同じである。
比較例１の半導体チップに３５０ｍＡの電流を流して光出力を調べた結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られ、光出力は１４．０ｍＷであった。この半導体チップを、実施形態の方法でパッケージ基板３に実装したところ、半導体チップの傾きによる結合不良が生じた。
【００３１】
［比較例２］
比較例２の半導体チップは、基板１１の裏面１１０の全面が平滑面になっている。つまり、基板１１の裏面１１０を水酸化カリウムに浸す工程もコレット２を用いた押し付け工程も行わなかった。これ以外の点は実施例１の半導体チップと同じである。
比較例１の半導体チップに３５０ｍＡの電流を流して光出力を調べた結果、波長２７０ｎｍ近傍にピーク波長を持つ発光が得られ、光出力は１２．０ｍＷであった。この半導体チップを、実施形態の方法でパッケージ基板３に実装したところ、結合不良や割れは生じなかった。
【符号の説明】
【００３２】
１  半導体チップ（半導体発光素子）
１０  ウェハ
１１  基板
１１ａ  基板の表面（半導体層が形成されている面）
１１０  基板の裏面（半導体層が形成されている面の反対面）
１１１  先端が尖っている凸部
１１２  先端が平坦になっている凸部
１１３  破片
１２  半導体層
１３  ｎ型電極層（第一電極層）
１４  ｐ型電極層（第二電極層）
２  コレット（吸着装置）
２１  押さえ面
２２  吸引穴
３  パッケージ基板
３１  第一電極
３２  第二電極
４  金属バンプ
５  金属バンプ
６  半導体発光素子
７  樹脂層
８  半球レンズ
【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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