(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１００）又は（８０１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が形成された矩形形状の発光素子であって、
前記β−Ｇａ２Ｏ３基板は、前記発光素子の一端面を形成する（００１）面と、前記発光素子の他の端面を形成する（０１０）面とを有することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
（００１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が形成された矩形形状の発光素子であって、
前記β−Ｇａ２Ｏ３基板は、前記発光素子の一端面を形成する（１００）面と、前記発光素子の他の端面を形成する（０１０）面とを有することを特徴とする発光素子。
【請求項３】
（１００）又は（８０１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が結晶成長により形成された後に、矩形形状に切出された発光素子の製造方法であって、
前記発光素子の一端面の少なくとも一部は（００１）面の劈開により形成されるとともに、
前記端面と垂直な他の端面は（０１０）面のダイシングにより形成されたことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項４】
（１００）又は（８０１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が結晶成長により形成された後に、矩形形状に切出された発光素子の製造方法であって、
前記発光素子の一端面の少なくとも一部は（００１）面の劈開により形成されるとともに、
前記端面と垂直な他の端面は所定の波長のレーザ光を照射して行う（０１０）面のレーザ加工により形成されたことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記レーザ加工は、前記所定の波長のレーザ光として３００ｎｍより短い波長のレーザ光によって実行される請求項４に記載の発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ加工は、前記所定の波長のレーザ光としてＹＡＧ第４高調波又はエキシマレーザのレーザ光によって実行される請求項４に記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
（００１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が結晶成長により形成された後に、矩形形状に切出された発光素子の製造方法であって、
前記発光素子の一端面の少なくとも一部は（１００）面の劈開により形成されるとともに、
前記端面と垂直な他の端面は（０１０）面のダイシングにより形成されたことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項８】
（００１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が結晶成長により形成された後に、矩形形状に切出された発光素子の製造方法であって、
前記発光素子の一端面の少なくとも一部は（１００）面の劈開により形成されるとともに、
前記端面と垂直な他の端面は所定の波長のレーザ光を照射して行う（０１０）面のレーザ加工により形成されたことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記レーザ加工は、前記所定の波長のレーザ光として３００ｎｍより短い波長のレーザ光によって実行される請求項８に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記レーザ加工は、前記所定の波長のレーザ光としてＹＡＧ第４高調波又はエキシマレーザのレーザ光によって実行される請求項８に記載の発光素子の製造方法。
【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―Ｇａ２Ｏ３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、（１００）又は（８０１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が形成された矩形形状の発光素子であって、前記β−Ｇａ２Ｏ３基板は、前記発光素子の一端面を形成する（００１）面と、前記発光素子の他の端面を形成する（０１０）面とを有することを特徴とする発光素子を提供し、また、（００１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が形成された矩形形状の発光素子であって、前記β−Ｇａ２Ｏ３基板は、前記発光素子の一端面を形成する（１００）面と、前記発光素子の他の端面を形成する（０１０）面とを有することを特徴とする発光素子を提供する。
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、（１００）、又は（８０１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が結晶成長により形成された後に、矩形形状に切出された発光素子の製造方法であって、前記発光素子の一端面の少なくとも一部は（００１）面の劈開により形成されるとともに、前記端面と垂直な他の端面は（０１０）面のダイシングにより形成されたことを特徴とする発光素子の製造方法を提供し、また、（１００）又は（８０１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が結晶成長により形成された後に、矩形形状に切出された発光素子の製造方法であって、前記発光素子の一端面の少なくとも一部は（００１）面の劈開により形成されるとともに、前記端面と垂直な他の端面は所定の波長のレーザ光を照射して行う（０１０）面のレーザ加工により形成されたことを特徴とする発光素子の製造方法を提供し、また、（００１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が結晶成長により形成された後に、矩形形状に切出された発光素子の製造方法であって、前記発光素子の一端面の少なくとも一部は（１００）面の劈開により形成されるとともに、前記端面と垂直な他の端面は（０１０）面のダイシングにより形成されたことを特徴とする発光素子の製造方法を提供し、また、（００１）の面方位を有するβ−Ｇａ２Ｏ３基板上にＧａＮ系化合物半導体薄膜が結晶成長により形成された後に、矩形形状に切出された発光素子の製造方法であって、前記発光素子の一端面の少なくとも一部は（１００）面の劈開により形成されるとともに、前記端面と垂直な他の端面は所定の波長のレーザ光を照射して行う（０１０）面のレーザ加工により形成された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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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ＮＨ３が用いられ、キャリアガスとしてＨ２が用いられる。ＧａＮ薄膜を形成するときは、ＴＭＧとＮＨ３が、ＡｌＧａＮ薄膜を形成するときは、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＮＨ３が、ＩｎＧａＮ薄膜を形成するときは、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＮＨ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３基板１は、β―Ｇａ２Ｏ３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−Ｇａ２Ｏ３基板１を有し、β―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３基板１の下面に設けられるｎ電極１８とを有する。
【００２０】
ｎ＋−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Ｎ２を使用し、ＮＨ３とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をβ―Ｇａ２Ｏ３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（ＳｉＨ４）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（Ｃｐ２Ｍｇ）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Ｈ２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―Ｇａ２Ｏ３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、Ｎ２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Ｎ２の供給を停止し、Ｈ２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Ｇａ２Ｏ３基板の割断）
上記の工程により発光素子が形成されたβ―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３基板１を所定の劈開領域に沿って劈開させ、短冊状のβ―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３に吸収される。また、波長２６６ｎｍは、β―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３基板を所定の劈開領域に沿って劈開させ、短冊状のβ―Ｇａ２Ｏ３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―Ｇａ２Ｏ３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
【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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