(57)【要約】【課題】  紫外光を吸収するＧａＮ層を除去したＧａＮ系化合物半導体薄膜層からなる発光効率の高い紫外ＬＥＤ素子及び、高い歩留まりで製造できるその製造方法を提供する。【解決手段】  紫外ＬＥＤ素子１は、透光性酸化物層であるケイ酸塩ガラス層９の下に、前記２つのＧａＮ層を除き、紫外光を発光する発光層を含むＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層したエピ層８と、前記エピ層側の電極面１５に形成されたｎ側電極１２およびｐ側電極１１を有して、エピ層８から発光される紫外光をケイ酸塩ガラス層９を介して外部に発光する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系化合物半導体薄膜層からなる発光層を有する発光素子において、
一方の面上にｎ側電極及びｐ側電極を有し、ｎ側電極上にＧａＮ層を除くＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層した発光層を有し、前記ＧａＮ系化合物半導体薄膜層の上に透光性酸化物層または蛍光体を含有した酸化物層が形成されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記酸化物層は、酸化珪素または酸化アルミニウムを主成分とするガラス質層からなることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記蛍光体は、紫外光を、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の光に変換する３種類の蛍光体からなる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】
請求項１から３に記載の発光素子を単体発光素子として、該単体発光素子を行列状に配列し、それをブロック単位としたことを特徴とするブロック発光素子。
【請求項５】
ＧａＮ系化合物半導体薄膜層からなる発光層を有する単体発光素子またはブロック発光素子の製造方法であって、
透光性結晶基板上にエピタキシャル気相成長法でＧａＮバッファ層，ｎ型ＧａＮ層，及び、紫外光を発する発光層を含むＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層し（この積層構造をエピ層，その上面をエピ面と記す）、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造としたエピ済みＬＥＤウエハーを用意する準備工程と、
前記エピ済みＬＥＤウエハーの前記エピ面上に透光性酸化物層を形成する酸化物形成工程と
前記透光性結晶基板をＧａＮバッファ層から剥離させる基板剥離工程と
前記エピ層から、紫外光を吸収するＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層を除去するＧａＮ層除去工程と、
前記エピ層の前記酸化物層側と反対の面上に、ｐ側電極とｎ側電極を形成し、紫外ＬＥＤ素子とする電極形成工程と
前記単体発光素子または前記ブロック発光素子の境界に沿って分割するチップ化工程と、
から成ることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の発光素子の製造方法であって、
前記酸化物形成工程を、前記透光性酸化物層の中に前記蛍光体を含有させて酸化物層を形成する蛍光体層形成工程とすることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の発光素子の製造方法であって、
前記透光性酸化物層及び蛍光体を含有させた酸化物層の上面に溝加工を施す溝加工工程が更に加わることを特徴とする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、紫外光を発光する紫外発光素子とそれを用いた白色発光素子及びその製造方法に係り、特に、ＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層した発光層を有する発光素子（ＬＥＤ素子）において、発光効率の高い紫外発光素子とそれを用いた白色発光素子及びその発光素子を高い歩留まりで製造する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）等の３族元素を化合さ
せたＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系（ＧａＮ系）
化合物半導体は、近年、可視光発光デバイス等のための半導体材料として多用され、特に
青色ＬＥＤの分野での展開が進んでいる（この種の従来のＬＥＤ（を利用した発光装置）
の一例として、その基本構造の詳細は、例えば下記の特許文献１参照）。
【０００３】
この場合、例えば図７に示すように（詳細は下記文献等に譲るが）、この種のハイブリッド構造の白色発光素子１００では、青色を発光する発光素子（青色ＬＥＤ素子）６０からの光とその光で補色光を発光する蛍光体層６３を介した光との混合で白色光として外部に発光する。また、この場合、半導体膜を成長させるための結晶基板５９としては、一般的に絶縁性のサファイア基板が利用され、その青色ＬＥＤ素子６０からの電極を取り出せるように（導通可能に）、Ｓｉ（シリコン）基板から成るサブマウント部材（ツェナーダイオード）６４上に、フリップチップ方式により実装（フリップチップ実装）する（このための例えば製造方法（製造フロー）については下記の特許文献２参照、サファイア基板の表面研削については下記の特許文献３参照）。
【特許文献１】特許第３２５７４５５号公報
【特許文献２】特開２００１−１５８１７号公報
【特許文献３】特開２００２−１５８３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば図７に示す青色ＬＥＤ素子６０を用いた従来のハイブリッド白色発光素子１００の場合、ツェナーダイオードのサブマウント素子６４上に、フリップチップ実装された青色ＬＥＤ素子６０のサファイア基板５９側から青色光を取り出し、青色ＬＥＤ素子６０の周囲に塗布されたＹＡＧ蛍光体６３で、青色光がその補色となる黄緑色の光に変換され、それらの光の加算混合で、白色光として外部に取り出される。この場合、青色ＬＥＤ素子６０からの光の取り出し効率は、このハイブリッド構造が最も高く、良好な構造であった。その理由は、次の４つがあげられる。
【０００５】
１つは、主光取り出し面となるサファイア基板５９の上面には、光の取り出しを妨げる電極等などの障害物がないため、電極形成面側から透明電極を介して光を取り出すタイプの発光素子に比べて、光の取り出し効率は３０％以上高くなる。
【０００６】
２つは、電極が、主光取り出し面となるサファイア基板５９上面の反対側である下面に来るので、電極に反射率の良い材料を用いることにより、光の反射鏡として働き、下方に向かう光をこの反射鏡（反射電極）で上方に反射させることができ、これにより光の取り出し効率は、５０％以上向上する。
【０００７】
３つは、屈折率が、ＧａＮ系発光層の２．１，サファイア基板の１．７，蛍光体層バイ
ンダー樹脂の１．５と段階的に小さくなり、その界面での光の損失が抑えられるという効
果も付加される。
【０００８】
４つは、サファイア基板５９の主光取り出し面となる上面を、すりガラス状に荒らすことや溝加工など光の取り出し効率が良くなるような形状に加工することが可能となり、これにより光の取り出し効率は、２０％以上向上する。
【０００９】
上記効果に加えて、更に大きなメリットとして、静電気に弱い青色ＬＥＤ素子６０をサブマウントであるツェナーダイオード６４が、静電気の保護素子として働き、順方向及び逆方向の１ｋＶサージに対して青色ＬＥＤ素子６０を保護することを保証してきた。このように、図７のフリップチップ実装されたハイブリッド白色発光素子１００は、透明電極側から光を取り出す構造の発光素子に比べて、構造は複雑になるが、多くのメリットを有するために、青色ＬＥＤ素子６０を用いる段階までは、優れた構造の発光素子であった。
【００１０】
しかし、紫外ＬＥＤ素子になるとこの構造に大きな問題が生じてきた。それは、波長が３７０ｎｍ以下になると、エピ層のＧａＮ層が、バンドギャップの関係から、紫外光を吸収するようになり、発光効率を極めて悪くするのである。例えば、波長が３６５ｎｍの紫外ＬＥＤ素子の場合、従来の透明電極側から光を取り出す構造の紫外ＬＥＤ素子の場合、ＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層を付けたままの構造だと、２ｍＷの光出力であったものが、この２つのＧａＮ層を除くことによって、１０ｍＷの光出力になることがわかった。この光出力の向上には、ＧａＮ層を除くこと以外に、反射電極の効果や光取り出し面側の電極の効果などが含まれているが、これらを差し引いてＧａＮ層除去の効果のみを考慮すると、光出力は少なくとも５ｍＷ以上になる。すなわち、２．５倍の効果である。
【００１１】
前記ハイブリッド構造の場合、エピ層とサファイア基板界面に、前記２つのＧａＮ層が存在するので、その効果は、透明電極側から光を取り出す構造のものよりも大きくなる。すなわち、発光層から上方に向かう光も、下方に向かう光（反射電極で反射されて上方に向かう光）も、ともにＧａＮ層が関所となって光は吸収されてしまい、その効果は致命的になる。この２つのＧａＮ層を除くことができれば、ハイブリッド構造のメリットが、また発揮されるのである。
【００１２】
また、図８に示す製造方法では（詳細は上記文献（特に特許文献２）に譲るが）、まず、サファイアを基板５９とする青色ＬＥＤ素子６０の各単体を用意して、サブマウント素子６４となるＳｉウェハー６２上に、各青色ＬＥＤ素子６０のｐ側電極とｎ側電極と接続するためのバンプ電極６１を形成し（工程（ａ））、青色ＬＥＤ素子６０のｐ側電極とｎ側電極をバンプ電極６１の位置に位置合わせをし、バンプを介してフリップチップ実装で接合し（工程（ｂ））、上面（サファイア基板５９側）を研削具６５により研削して平坦（均一）にし（工程（ｃ））、その上面及び側面に蛍光体材料（蛍光体ペースト）をスクリーン印刷して、蛍光体層６３を有する複数のハイブリッド白色光発素子とする（工程（ｄ））。
【００１３】
次に、上記の複数のハイブリッド白色発光素子の上面つまり蛍光体層６３を研削具６６
で研削して、目的の色度が得られる厚みに均一にし、（工程（ｅ））、ハイブリッド白色発光
素子を光らせ、その光を光ファイバー６７で色度測定器６８に入力して色度を検査し、（工
程（ｆ））、目的の色度が得られていない場合は、再度、工程ｅにより蛍光体層６３の微調
整研削を行う。そして、各ハイブリッド白色発光素子の境界を切断具（ダイサー）６９を使用して切断（ダイシング）して、個別のハイブリッド白色発光素子を得た後（工程（ｇ））、最後の検査を行う（工程（ｈ）：図には、描かれていない）。上記の従来の製造方法では、工法上、歩留を悪くする次の４つの課題が存在する。
【００１４】
１つは、青色ＬＥＤ素子６０をサブマウント素子６４となるＳｉウエハー６２上にフリ
ップチップ実装する工程（ｂ）の後に、青色ＬＥＤ素子６０のサファイア基板５９を研削
する工程（ｃ）を実施した場合、研削具６５の切れ味の劣化によって、バンプ電極の接合
部に研削時の応力がかかり、接合部にクラックが発生する可能性もある。この場合、後の
検査工程で静特性異常で除去されれば歩留低下でおさまるが、検出されなかった場合は、
市場不良につながり、信頼性的に極めて重大な欠陥要因を含んだ工法である。
【００１５】
２つは、蛍光体ペーストをスクリーン印刷して蛍光体層６３を形成する工程（ｄ）にお
いて、蛍光体層６３は青色ＬＥＤ素子６０の天面と側面に塗布することが必要であるが、
青色ＬＥＤ素子６０がフリップチップ実装されたサブマウント素子６４のすぐ横には、ワイヤーボンディングパッド領域が存在するため、スクリーン印刷時、高精度のパターン認識が必要で、これに誤差があると、ワイヤーボンディングパッドの位置に蛍光体ペーストが塗布され、その場合、蛍光体層６３を除去してのリトライが困難であり、Ｓｉウエハー１枚がロットアウトになってしまうという大きな歩留低下が生じる。
【００１６】
３つは、蛍光体層６３を研削具６６で研削して均一な厚みとし、目的の色度を得る工程（ｅ）において、蛍光体層６３の厚みを目的の色度が出る厚みに制御することは、蛍光体ペーストの蛍光体濃度にも依存するが、高濃度の場合、１μｍ厚の制御が必要となり、かなり高精度の研削機が必要となるし、研削しすぎる場合も発生する。その場合、再度、蛍光体層６３を除去してのリトライは困難であり、また、蛍光体ペーストの追加塗布は、上記１で述べたように、ワイヤーボンディングパッドのためにこれも困難である。つまりこの場合も、Ｓｉウエハー１枚がロットアウトになってしまうという大きな歩留低下が生じる。
【００１７】
４つは、青色ＬＥＤ素子６０の各単体が用意された後の後工程だけでも、上記のように複雑で手間の掛かる工程が必要であり、また、この煩雑さが歩留まり向上の妨げの一因ともなっている。
【００１８】
この製造方法の課題は、紫外ＬＥＤ素子に限ったものではなく、青色ＬＥＤにおいても問題の多い製造方法である。そこで、本発明は、この製造方法の問題点も含めて、紫外ＬＥＤ素子の問題点を解決し、発光効率の高い紫外ＬＥＤ素子と、そのＬＥＤ素子を高い歩留りで製造することができる製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の請求項１の発光素子は、ＧａＮ系化合物半導体薄膜層からなる発光層を有する発光素子において、一方の面上にｎ側電極及びｐ側電極を有し、ｎ側電極上にＧａＮ層を除くＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層した発光層を有し、前記ＧａＮ系化合物半導体薄膜層の上に透光性酸化物層または蛍光体を含有した酸化物層が形成されていることを特徴とする発光素子である。
【００２０】
この発光素子では、従来のハイブリッド構造１００に用いられていた発光素子６０（青色ＬＥＤ素子）とは次の点で異なっている。つまり、従来の青色ＬＥＤ素子６０では、p側電極上にＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層した発光層があるのに対して、本発明の構造は、ｎ側電極上にＧａＮ層を除く前記発光層があること、また、結晶性サファイア基板５９の代わりに透光性酸化物層または蛍光体を含有した酸化物層が形成されている点で、その製造方法は後述するが、従来の結晶性サファイア基板５９の上に前記エピ層を形成した青色ＬＥＤ素子６０とは異なり、前記サファイア基板を除去して、前記エピ層からＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層を除去し、露出した紫外光を吸収しないｎ型ＡｌＧａＮ層の下面にｎ側電極を形成している。また、その横に位置するｐ側電極は、更にｎ型層とＭＱＷ層をパターンエッチング（選択エッチング）で除去し、露出したｐ型ＡｌＧａＮ層の下面に形成している。更に、このエピ層の上に透光性酸化物層または蛍光体を含有した酸化物層を形成し、その上面を主光取り出し面とした構造にしている。
【００２１】
この構造にすることにより、発光層から上方に向かう光も、下方に向かいｎ側電極で反射されて上方に向かう光も、ともにＧａＮ層を通過しない（ＧａＮ層は除去されている）ので、吸収は起こらない。また、この場合、ｎ側電極が反射電極になるので、Ａｇのマイグレーションは電場が逆のため発生することはなく、オーミックが取れる方法で形成できれば、この波長においてもまだ反射率の高い（８８％）Ａｇ電極を用いることも可能となる。
【００２２】
更に、この構造は、透光性酸化物層を形成する工程において、蛍光体、これは、紫外光をＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の光に変換する３種類の蛍光体から成るが、この３種類の蛍光体を混ぜて酸化物層を形成してやれば、その層が白色変換層となり、紫外ＬＥＤ素子と蛍光体層が一体化された白色発光素子となる。
【００２３】
また、請求項２の発光素子は、前記酸化物層は、酸化珪素または酸化アルミニウムを主成分とするガラス質層からなり、これにより、ＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層した前記エピ層の線膨張係数は５．２×１０−６／℃で、これに近い線膨張係数を持ち、かつ５００〜７００℃で形成されるガラスは存在し（例えばケイ酸塩ガラスやホウケイ酸低アルカリガラス）、１００μｍ以上の厚みで形成可能であるので、サファイア基板に代わる基板の代用を十分に果たす。また、酸化アルミニウム（アルミナ）もサファイア基板と同じ線膨張係数を持ち、ＣＶＤやＰＶＤ法で厚く付けることが可能であれば、一つの方法である。また、ゾルゲル法による形成方法も良い方法である。
【００２４】
また、請求項３の発光素子は、  前記蛍光体は、紫外光を、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の光に変換する３種類の蛍光体からなり、これにより、前記透光性酸化物層形成時にその層に該３種類の蛍光体を含有させてやれば、この層で紫外光が白色光に変換される白色変換層となり、紫外ＬＥＤ素子と蛍光体層が一体化された白色発光素子となる。
【００２５】
また、請求項４の発光素子は、請求項１から３に記載の発光素子を単体発光素子として、該単体発光素子を行列状に配列し、それをブロック単位としたことを特徴とするブロック発光素子である。
【００２６】
これにより、ブロック発光素子とすることによって、照明用などの大きな光度が必要な用途に対して、その構成が取りやすくなる。例えば、単に発光素子の面積を大きくする場合では、発光素子の各部にＶＦのバラツキがあるために、各部で電流が均一に流れにくくなるが、ブロック化し、各単体発光素子を直列に接続すると、各単体発光素子には、同じ電流が流れるため各部により均一に電流を流せるような構成となる。また、各単体発光素子に分割する必要がないので工数的にも削減できる。
【００２７】
また、本発明の請求項５の製造方法は、ＧａＮ系化合物半導体薄膜層からなる発光層を有する単体発光素子またはブロック発光素子の製造方法であって、透光性結晶基板上にエピタキシャル気相成長法でＧａＮバッファ層，ｎ型ＧａＮ層，及び、紫外光を発する発光層を含むＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層し（この積層構造をエピ層，その上面をエピ面と記す）、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造としたエピ済みＬＥＤウエハーを用意する準備工程と、前記エピ済みＬＥＤウエハーの前記エピ面上に透光性酸化物層を形成する酸化物形成工程と、前記透光性結晶基板をＧａＮバッファ層から剥離させる基板剥離工程と、前記エピ層から、紫外光を吸収するＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層を除去するＧａＮ層除去工程と、前記エピ層の前記酸化物層側と反対の面上に、ｐ側電極とｎ側電極を形成し、紫外ＬＥＤ素子とする電極形成工程と、前記単体発光素子または前記ブロック発光素子の境界に沿って分割するチップ化工程と、から成ることを特徴とする発光素子の製造方法である。
【００２８】
この製造方法では、まず、サファイアなどの透光性結晶基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などのエピタキシャル気相成長法で、前記エピ層（ＧａＮバッファ層，ｎ型ＧａＮ層，及び、紫外光を発する発光層を含むＧａＮ系化合物半導体薄膜層の積層構造）を形成したエピ済みＬＥＤウェハーを用意する（準備工程）。このウェハーの前記エピ面上に透光性酸化物層、例えばケイ酸塩ガラスまたはホウケイ酸低アルカリガラスを形成する（酸化物形成工程）。その方法は、シリコンアルコキシドを用いたゾルゲル法や、水ガラス（ケイ酸ナトリウム溶液）にシリカ微粉末（アエロジル）を混ぜて熱処理する方法で形成することができる。この厚みは、１００μｍ以上になるようにする。そして、形成した透光性酸化物層の上面がサファイア基板の底面と平行になるように平面研削機（研磨機）で平らに研削（研磨）する。次に、レーザー照射により、前記透光性結晶基板（サファイア基板）をＧａＮバッファ層から剥離させる（基板剥離工程）。これに使用されるレーザーは、ＧａＮ層で吸収されような波長帯を用いており、そこで熱を発生させ、その熱膨張の差でサファイア基板が剥がれるのである。
【００２９】
次に、前記エピ層から、紫外光を吸収するＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層を除去する（ＧａＮ層除去工程）。その方法は、塩素系のエッチングガスを用いたプラズマエッチング法により行う。除去する膜厚は数μｍ程度で、この方法であれば、精度よくＧａＮ層を除くことができる。次に、前記エピ層の前記酸化物層側と反対の面上に、ｐ側電極とｎ側電極を形成する（電極形成工程）。この場合、ＧａＮ層を除去して露出した面が、ｎ型ＡｌＧａＮ層で、この面にｎ側電極を形成し、更にパターンエッチング（選択エッチング）でｎ型層とＭＱＷ層を除去し、ｐ型ＡｌＧａＮ層を露出させその面上にｐ側電極を形成する。ｎ側電極は、光の反射鏡も兼ね備える（反射電極）ので、反射率が高くオーミックの取れる電極材料を使用することが重要である。波長が３６５ｎｍの光に対して反射率の高い電極材料は、ＡｌとＡｇでそれぞれ反射率は９２．５％と８９％で、Ａｌはオーミックが取れる材料である。次に、前記単体発光素子または前記ブロック発光素子の境界に沿ってダイシングなどで分割し，チップ化されたＬＥＤ素子とする（チップ化工程）。この場合、チップの外形形状を、光の取り出し効率が良いような形状に形状加工することもできる。例えば断面略台形形状にすることもできる。
【００３０】
この製造方法によれば、紫外光を吸収する２つのＧａＮ層を高い精度で除去することができ、しかも反射電極をｎ側電極とすることができるので、反射率の高いＡｌやＡｇも使用することができる。Ａｇの場合、マイグレーションは、ｎ側電極なので電場が逆となり発生しないし、また、ｎ型ＡｌＧａＮに対するオーミック性は、次の方法で形成するとよい。
【００３１】
ＧａＮ系化合物半導体発光素子のｎ側電極に通常に用いられているＴｉの薄膜（透明電極）をｎ型ＡｌＧａＮ層の上に形成後、その上にＡｇを析出する方法により、Ａｇ電極膜を形成するとオーミック性は保たれたままＡｇの反射率を有した電極膜となり、その上にＮｉ及びＡｕを積層した構造とする。Ｔｉの代わりにバナジウムなどのオーミックの取れる他の電極材料でもよい。
【００３２】
また、請求項６の製造方法は、請求項５に記載の発光素子の製造方法であって、前記酸化物形成工程を、前記透光性酸化物層の中に前記蛍光体を含有させて酸化物層を形成する蛍光体層形成工程とすることを特徴とする。
【００３３】
この製造方法によれば、前記透光性酸化物層を形成時に、前記３種類の蛍光体（紫外光でそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの光に変換する蛍光体）を混ぜて形成することにより、前記透光性酸化物層が蛍光体層となり、紫外ＬＥＤ素子（エピ層）と蛍光体層（透光性酸化物層）が一体化させた白色発光素子となる。この場合、白色の色度は、３種類の蛍光体の含有比により調整され、また、蛍光体層の厚みは、最適の輝度をだすためのパラメーターとなる。
【００３４】
これにより、前記で述べた４つの課題を簡単に解決できる。
【００３５】
１と２は、サブマウント素子上に発光素子をフリップチップ実装することなく白色発光素子を形成できるので、バンプ部およびボンディングパッド領域はなく、またスクリーン印刷時のパターン認識精度も全面に蛍光体含有のガラスペーストを塗布するために全くいらなくなり課題はなくなる。従って、バンプ部のクラックなどに関する信頼性の向上およびウエハー単位のロットアウトなどに関する歩留まりの向上になる。
【００３６】
３は、蛍光体層の厚みを削りすぎた場合でも、色度に影響はなく不良になることはない。そのため、ウエハー単位のロットアウトがなくなり、歩留まりの向上になる。
【００３７】
４は、サブマウント素子上に発光素子をフリップチップ実装することなく白色発光素子を形成できるため工程が簡素化して、高い歩留りで製造でき、コストも削減できる。また、切削や切断が困難なサファイアウエハーの加工に代わり、加工が容易なガラスとなるのでフルダイシングが容易にでき、チップ化加工の歩留まりが向上する。
【００３８】
また、請求項７の製造方法は、請求項５または６に記載の発光素子の製造方法であって、前記透光性酸化物層及び蛍光体を含有させた酸化物層の上面に溝加工を施す溝加工工程が更に加わることを特徴とする。
【００３９】
この溝加工は、チップの外形形状を、光の取り出し効率が良いような形状に、形状加工することを目的としたものであり、例えば、断面略台形形状にすることにより、屈折率の大きい物質から小さい物質に、光が出る場合に起こる全反射を小さくして、光の取り出し効率を高くすることができる。
【発明の効果】
【００４０】
上述のように、本発明の発光素子によれば、透光性酸化物層の下にＧａＮ層を除いたＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層したエピ層を有し、その下にｐ側電極およびｎ側電極を有する電極面とを備えている。この構造により、次の３つの項目が発光効率の向上に効果がある。
【００４１】
１つは、紫外光を吸収する２つのＧａＮ層（ＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層）が除去されているので、紫外ＬＥＤ素子で問題となっていた紫外光の吸収がなくなり、発光効率が少なくとも２．５倍以上向上する。
【００４２】
２つは、前記電極面を接合面としてサブマウント素子上にフリップチップ実装すれば、前記ハイブリッド構造となり、主光取り出し面となる透光性酸化膜層の上面には光を妨げる障害物はなく、また、発光層の下に位置するｎ側電極が反射電極となるので、反射率の高いＡｌやＡｇを電極材料に用いれば、発光効率は更に２倍以上向上する。
【００４３】
３つは、主光取り出し面である透光性酸化物層の上面をすりガラス状に荒らしたり、溝加工を施し、チップの形状を断面略台形形状にすることによって、光の取り出し効率を良好にし、発光効率を向上することができる。
【００４４】
更に、透光性酸化物層の中に、紫外光でＲ，Ｇ，Ｂの光に変換する３種類の蛍光体を混ぜて形成することにより、その層が白色変換層となり、紫外ＬＥＤ素子と蛍光体層が一体化された白色発光素子となる。これにより、製造方法において、次の３つの効果がある。
【００４５】
１つは、サブマウント素子上に発光素子をフリップチップ実装することなく白色発光素子を形成できるので、フリップチップ実装後に白色化の工程を行う製造方法に比べ、バンプ接合部のクラックの心配がなくなるとともに、ワイヤーボンディングパッド領域も同一面近くにないので、蛍光体層形成時の高精度パターン認識も要らず、ウエハー単位のロットアウトはなくなり、歩留まりが向上する。
【００４６】
２つは、蛍光体層の厚みを削りすぎた場合でも、色度に影響はなく不良になることはない。そのため、ウエハー単位のロットアウトがなくなり、歩留まりの向上になる。
【００４７】
３つは、更に、サブマウント素子上に発光素子をフリップチップ実装することなく白色発光素子を形成できるため、工程が簡素化して、高い歩留りで製造でき、コストも削減できる。また、蛍光体層はガラスなどの透光性酸化物層に蛍光体を含有した層であるので、従来のように、加工が困難なサファイア基板を加工する必要がなく、チップ化工程の歩留まりが向上する。
【００４８】
さらに、白色発光素子またはブロック白色発光素子とすることにより、パッケージの形状には依存しないで、白色発光装置が構成できるパッケージフレーとすることができるとともに、照明光源など大きな光度が必要な用途に対してその構成が取りやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明の発光素子とその製造方法の実施の形態について、第１から第４実施形態の順に、図面を参照して詳細に説明する。
【００５０】
まず、第１実施形態の発光素子を図１に示す。また、その製造方法は、図３に示すように工程（ａ）〜（ｈ）から成り、発光素子１を、複数個一括製造する製造方法である。
【００５１】
この場合の発光素子１は、図１に示すように、単体発光素子として照明用光源に用いる大型の紫外ＬＥＤ素子である。紫外ＬＥＤ素子１は、透光性酸化物層であるケイ酸塩ガラス層９の下に、前記２つのＧａＮ層を除き、紫外光を発光する発光層を含むＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層したエピ層８と、前記エピ層側の電極面１５に形成されたｎ側電極１２およびｐ側電極１１を有して、エピ層８から発光される紫外光をケイ酸塩ガラス層９を介して外部に発光する形式、且つ実装面である電極面１５と反対側の天面を主光取出面とする形式（いわゆるフェイスダウン形式）の紫外ＬＥＤ素子である。そして、ｎ側電極１２は、発光層から下に向かう紫外光を上方に効率よく反射させるために、反射率の高いＡｌがｎ型ＡｌＧａＮ層との界面に使用されている。また、主光取り出し面のケイ酸塩ガラス層９の上面は、紫外光の取り出し効率が良いように溝１３が加工されており、４つに区分されたｎ側電極１２の各1区分の断面形状は、略台形形状になっている。
【００５２】
以下、この発光素子の製造方法を図３の工程（ａ）〜（ｈ）の順で説明する。まず、工程（ａ）では、サファイア基板５上にＧａＮバッファ層６，ｎ型ＧａＮ層７及び（ｎ型ＡｌＧａＮ層，ＭＱＷ層，ｐ型ＡｌＧａＮ層，ｐ型キャップ層などから成る）ＧａＮ系化合物半導体薄膜層８から成るエピ層を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などで形成した１枚のエピ済みＬＥＤウェハーを用意する（準備工程）。
【００５３】
次に、工程（ｂ）では、前記エピ層の上面にＣＶＤ法で酸化アルミニウム膜を数μｍ形成することによりエピ層を保護し、その上にシリコンアルコキシドを用いたゾルゲル法でケイ酸塩ガラスを１００μｍ以上形成する。ここで、厚みを稼ぐためにシリカ微粉末（アエロジル）を混ぜて、窒素雰囲気中で５００〜７００℃の温度で熱処理を行う。または、水ガラス（ケイ酸ナトリウム溶液）にシリカ微粉末を混ぜて、乾燥させた後に、窒素雰囲気中で５００〜７００℃の温度で焼成することによりガラス層９とする（酸化物形成工程）。そして、形成したガラス層９の上面をサファイア基板の底面と平行にするために、平面研削盤やラップ盤で研削（研磨）する。
【００５４】
次に、工程（ｃ）では、紫外域の光を発振するレーザー（例えば、気体レーザーの３２５ｎｍＨｅ−Ｃｄレーザーや３３７ｎｍＮ２レーザー）を用いて、サファイア基板側から光を照射してやれば、ＧａＮバッファ層６で吸収され、ＧａＮバッファ層６が急に加熱される。そして、サファイア基板との界面に熱膨張による歪が生じ、その界面で剥離が生じ、サファイア基板を切り離すことができる（基板剥離工程）。これ以降、ガラス層９が基板の役目を果たす。
【００５５】
次に、工程（ｄ）では、表面に現れたＧａＮバッファ層６とｎ型ＧａＮ層７を塩素系ガスを用いたプラズマエッチング（ＲＩＥ）で除去し（ＧａＮ層除去工程）、ｎ型ＡｌＧａＮ層を露出させる。この工程は、μｍオーダーの制御が可能である。
【００５６】
次に、工程（ｅ）では、ｐ側電極１１を形成するための領域１０を、更にパターンエッチング（選択エッチング）により、塩素系ガスを用いたプラズマエッチング（ＲＩＥ）で、ｎ型ＡｌＧａＮ層とＭＱＷ層を除去し、ｐ型ＡｌＧａＮ層を露出させる。
【００５７】
次に、工程（ｆ）では、前記領域１０のｐ型ＡｌＧａＮ層表面にＮｉ/Ａｕから成るｐ側電極をｎ型ＡｌＧａＮ層表面に反射率の高いＡｌから成るｎ側電極を形成する（電極形成工程）。
【００５８】
次に、工程（ｇ）では、主光取出し面となる前記ガラス層９の上面に、光の取り出し効率が良くなるように、大型の紫外ＬＥＤ素子１（単体発光素子）の境界とその中央に沿って、幅約３００μｍで深さ約７０μｍの溝１３を形成する。この加工は、サファイア基板にするより容易にできる。また、大型の紫外ＬＥＤ素子の４つに区分されたｎ側電極１２の各1区分の断面形状は、略台形形状になっており、光の取り出し効率が向上する。
【００５９】
次に、工程（ｈ）では、フルダイシングにより、紫外ＬＥＤ素子の境界に沿って切断し、チップ化する（チップ化工程）。フルダイシングがチッピングなどで困難な場合は、前記溝１３の底面に幅約３０μｍで深さ約１０μｍの筋を入れ、その筋に沿ってブレイクする方法でチップ化する。
【００６０】
上述のように、本実施形態（第１実施形態）によれば、エピ層からサファイア基板を剥離させ、紫外光を吸収するＧａＮ層をプラズマエッチングで精度良く除去することが可能となる。それが可能となるのは、サファイア基板に代わるガラス層９を形成できるからである。
【００６１】
次に、第２実施形態の発光素子とその製造方法で、図２に示すブロック発光素子２を複数個一括製造する製造方法について説明する。
【００６２】
この場合のブロック発光素子２は、図２に示すように、単体発光素子として１辺が０．３２ｍｍの紫外ＬＥＤ素子で、それが２行２列に配置されたブロック発光素子である。単体発光素子の構造は、素子サイズと電極パターンが異なるだけで、その他の素子構造は図１と同じである。
【００６３】
また、製造方法においても、前記の第１実施形態とほぼ同じ工程からなるために、図示していない。異なる点は、紫外ＬＥＤ素子のパターンとチップ化の単位が異なるだけである。
【００６４】
このように、発光素子を大型にする場合、図１のように単に面積を大きくして、電極の面積を大きくする方法と、図２のように小型の発光素子をブロック化して、それを直列に接続する方法とがあるが、発光素子の各部に電流を均一に流す方法としては、発光素子内にＶＦ（順方向電圧）のバラツキがない場合には、差は生じないが、ＧａＮ系半導体発光素子の場合は、そのバラツキが大きいので、図２のようにブロック化した方が、より電流を発光素子の各部に均一に流すことができ、発光効率を向上できる。また、照明用光源などを考えると駆動電圧を１００Ｖにすることが好ましいが、直列接続の方が照明用光源を構成しやすい。
【００６５】
次に、第３実施形態の白色発光素子を図４に示す。また、その製造方法は、図６に示すように工程（ａ）〜（ｈ）から成り、白色発光素子３を、複数個一括製造する製造方法である。
【００６６】
この場合の白色発光素子３は、図４に示すように、単体発光素子として照明用光源に用
いる大型の紫外ＬＥＤ素子で、それに蛍光体層１９を一体化させたものである。蛍光体層１９は、ＧａＮバッファ層６とｎ型ＧａＮ層７を除去した前記エピ層の上に形成された透光性酸化物層の中に紫外光を受けてＲ，Ｇ，Ｂの光に変換する３種類の蛍光体を混ぜて形成された層である。すなわち、図１の発光素子１の透光性酸化物層９を蛍光体層１９に置き換えたもので、例えばケイ酸塩ガラス層に前記３種類の蛍光体を混ぜた層である。それ以外は、第１実施形態と同じである。
【００６７】
また、この発光素子の製造方法を図６の工程（ａ）〜（ｈ）の順で説明する。ただし、図３に示す製造方法とほぼ同じで、異なる点は、工程（ｂ）の酸化物形成工程のみで、これについて説明する。工程（ｂ）では、前記エピ層の上面にＣＶＤ法で酸化アルミニウム膜を数μｍ形成することによりエピ層を保護し、その上にシリコンアルコキシドを用いたゾルゲル法でケイ酸塩ガラスをバインダーとして、３種類の蛍光体粉末（例えば、Ｒは、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｒ，Ｇは、（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ，Ｂは、（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ）を固めた蛍光体層１９を１００μｍ以上の厚みで形成する。ここで、色度を調整するためにシリカ微粉末（アエロジル）を適正量混ぜ、窒素雰囲気中で５００〜７００℃の温度で熱処理を行う。または、水ガラス（ケイ酸ナトリウム溶液）に前記３種類の蛍光体粉末とシリカ微粉末を混ぜて、乾燥させた後に、窒素雰囲気中で５００〜７００℃の温度で焼成することにより蛍光体層１９とする（蛍光体層形成工程）。そして、形成した蛍光体層１９の上面をサファイア基板の底面と平行にするために、平面研削盤やラップ盤で研削（研磨）する。
【００６８】
この製造方法では、フリップチップ実装することなく、紫外光をＲ，Ｇ，Ｂの光に変換する蛍光体層１９を一体化し、複数の白色発光素子３を形成することができるので、前記従来のハイブリッド白色発光素子１００の製造方法における４つの課題に関する信頼性の向上および歩留まりの向上になるとともに、工程が簡素化して、サイズが均一でかつ発光効率の高い白色発光素子３が、複数個一括して製造でき、コストも削減できる。
【００６９】
次に、第４実施形態の発光素子とその製造方法で、図５に示すブロック白色発光素子４を複数個一括製造する製造方法について説明する。
【００７０】
この場合のブロック白色発光素子４は、図５に示すように、単体発光素子として１辺が０．３２ｍｍの紫外ＬＥＤ素子で、それが２行２列に配置されたブロック白色発光素子である。単体発光素子の構造は、素子サイズと電極パターンが異なるだけで、その他の素子構造は図４と同じである。また、サイズはこれに限ったものではなく、単体発光素子のサイズも行列の数（ブロックサイズ）も任意でよい。
【００７１】
また、製造方法においても、前記の第３実施形態とほぼ同じ工程からなるために、図示していない。異なる点は、紫外ＬＥＤ素子のパターンとチップ化の単位が異なるだけである。
【００７２】
このブロック白色発光素子４は、フリップチップ実装することなく白色発光素子とすることができるので、第３実施形態で記述したものと同様なメリットがあるとともに、このブロック白色発光素子４は、照明用光源などの大電流用白色発光素子として、最適な構造をしている。それは、ブロック発光素子とすることによって、照明用などの大きな光度が必要な用途に対して、その構成が取りやすくなる。例えば、単に発光素子の面積を大きくする場合では、発光素子の各部にＶＦのバラツキがあるために、各部で電流が均一に流れにくくなるが、ブロック化し、各単体発光素子を直列に接続すると、各単体発光素子には、同じ電流が流れるため各部により均一に電流を流せるような構成となる。また、各単体発光素子に分割する必要がないので工数的にも削減できる。また、すでに白色発光素子となっているので、パッケージ封止時に白色化する場合に制限されていた、パッケージの種類には依存しないパッケージフリーとなる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明に係る第１実施形態の発光素子の詳細であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ｃ）のＡ−Ａ線矢視による縦断面図、（ｃ）は下平面図である。
【図２】本発明に係る第２実施形態の発光素子の詳細であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ｃ）のＢ−Ｂ線矢視による縦断面図、（ｃ）は下平面図である。
【図３】本発明に係る第１実施形態の発光素子の製造方法を示す工程別断面図である。
【図４】本発明に係る第３実施形態の発光素子の詳細であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ｃ）のＡ−Ａ線矢視による縦断面図、（ｃ）は下平面図である。
【図５】本発明に係る第４実施形態の発光素子の詳細であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ｃ）のＢ−Ｂ線矢視による縦断面図、（ｃ）は下平面図である。
【図６】本発明に係る第３実施形態の発光素子の製造方法を示す工程別断面図である。
【図７】従来の一般的な発光素子を利用した白色発光素子（ハイブリッド白色発光素子）の構造を示す正面断面図である。
【図８】従来の発光素子の製造方法の一例を示す工程別断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１、２  発光素子
３、４  白色発光素子
５  サファイア基板
６  ＧａＮバッファ層
７  ｎ型ＧａＮ層
８  発光層を含むエピ層
９  透光性酸化物層
１０  エッチング部
１１  ｐ側電極
１２  ｎ側電極
１３  溝
１５  電極面
１９  蛍光体層
３２  レーザー
３３  ＲＩＥ(プラズマエッチング）
３４  ダイサー
【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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