(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板の一面に半導体層を形成する第１工程と、
前記透明基板の他面側から所定の光を照射して、前記透明基板と前記半導体層とを分離する第２工程とを備え、
前記第２工程は、所定の光として、紫外領域の１ｆｓ〜１０００ｆｓの極短パルスのレーザ光を用いて、前記半導体層と前記透明基板との界面をアブレーション加工して、前記透明基板と前記半導体層とを分離するものであり、
前記レーザ光は、少なくとも２種類以上の異なる波長のレーザ光であり、これらのレーザ光の強度分布で、前記半導体層の前記透明基板の一面との界面に微細凹凸構造を形成することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記レーザ光の強度分布を制御する手段として、前記透明基板の他面に、組成比が可変であるパターニング材料をエピタキシャル成長させ、このパターニング材料によりレーザ光の透過率を制御することを特徴とする請求項１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、発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光素子の製造方法として、透明基板にダイシング溝を形成し、その上に半導体層を成長させて、レーザ光の照射時に、透明基板の分離を容易にする技術がある（特許文献１参照）。
【０００３】
この技術では、半導体層に微細凹凸構造が形成されないので、光の取り出し効率の向上が望めない。
【０００４】
そこで、透明基板にレーザ光を照射して、半導体層から分離するとともに、この半導体層の分離面を擦ることで、スクラッチ痕による凹凸形状を形成する技術がある（特許文献２参照）。
【０００５】
この技術では、半導体層に対する凹凸形状の形成と透明基板の分離とが行えるので、光の取り出し効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２０００−１０１１３９号公報
【特許文献２】特開２００３−２１８３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献２の技術では、半導体層に対する凹凸形状がランダムなものとなり再現性が得られにくいので、予めシミュレーション等のデバイス設計で得られる最適形状の光学設計を実現することが困難であった。
【０００７】
本発明は、前記問題を解消するためになされたもので、デバイス設計性を向上させた発光素子の製造方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、透明基板の一面に半導体層を形成する第１工程と、前記透明基板の他面側から所定の光を照射して、前記透明基板と前記半導体層とを分離する第２工程とを備え、前記第２工程は、所定の光として、紫外領域の１ｆｓ〜１０００ｆｓの極短パルスのレーザ光を用いて、前記半導体層と前記透明基板との界面をアブレーション加工して、前記透明基板と前記半導体層とを分離するものであり、前記レーザ光は、少なくとも２種類以上の異なる波長のレーザ光であり、これらのレーザ光の強度分布で、前記半導体層の前記透明基板の一面との界面に微細凹凸構造を形成することを特徴とする発光素子の製造方法を提供するものである。
【００１０】
前記発光素子の製造方法において、請求項２のように、前記レーザ光の強度分布を制御する手段として、前記透明基板の他面に、組成比が可変であるパターニング材料をエピタキシャル成長させ、このパターニング材料によりレーザ光の透過率を制御することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、極短パルスのレーザ光によるアブレーション加工によって、透明基板を半導体層から容易に分離することができるから、発光素子の放熱性が向上するとともに、発光素子を小型化でき、デバイス設計性も向上するようになる。また、極短パルスのレーザ光であるので、加工時の熱発生を抑制することができ、クラック発生の防止、加工精度の向上等によって、歩留まりを向上することができる。
【００１２】
また、異なる波長のレーザ光の強度分布によって、半導体層の透明基板の一面との界面に予めデバイス設計にて決めた微細凹凸構造を精度良く形成できるから、光の取り出し効率が向上するようになる。
【００１３】
また、１回の光照射のみで、半導体層に対する微細凹凸構造の精度良い形成と透明基板の分離とが同時に行えるから、製造時間や製造コストを大幅に削減することが可能になる。
【００１４】
請求項２によれば、異なる波長のレーザ光とパターニング材料による異なる透過率のレーザ光との併用で、分解物層の厚みにも空間的分布を待たせることが可能となる。したがって、塩酸等によって分解物層を除去すると、半導体層の透明基板の一面との界面に、請求項２の場合よりも高アスペクト比の予めデバイス設計にて決めた微細凹凸構造を精度良く形成できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
図１は、実施形態の発光素子１の製造方法である。
【００１７】
図１（ａ）の第１工程では、透明基板〔例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板〕２の一面（図では下面）に、半導体層〔例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）層…Ｎ型ＧａＮ＋Ｐ型ＧａＮ〕３を形成する。かかる発光素子１の構造自体は公知である。
【００１８】
図１では、製造工程で用いる発光素子１は、簡略のため１つの発光素子１のチップを用いた例を示しているが、ウエハ上に複数個の発光素子のチップを設けたものを使用しても良い。
【００１９】
図１（ｂ）の第２工程では、前記透明基板２の他面側から所定の光Ｌを照射して、前記透明基板２と前記半導体層３とを分離する。なお、図１（ｂ）では、前記透明基板２を分離する途中の傾けた状態で描いているが、所定の光Ｌを照射する際は、透明基板２は水平状態である。
【００２０】
ここで、所定の光Ｌとは、透明基板２を透過して、半導体層３で吸収されるような光であり、この所定の光Ｌによって半導体層３の透明基板２との界面をアブレーション加工することで、半導体層３から透明基板２が分離（剥離）されるようになる。この透明基板２を分離した後の半導体層３の界面に残る分解物（ガリウム）層は、塩酸や燐酸等によって除去することが可能である。
【００２１】
ところで、透明基板２を分離する際に、透明基板２と半導体層３との界面において、半導体（窒化ガリウム）層３が分解されて生成する分解物（ガリウム）層の厚みは、照射される光の強度に大きく依存する。
【００２２】
したがって、光照射強度に空間的分布〔図１（ｂ）の強照射領域ａと弱照射領域ｂ〕を持たせることで、分解物（ガリウム）層の厚みにも空間的分布〔図１（ｂ）の凹部ｃと凸部ｄ〕を待たせることが可能となる。したがって、塩酸等によって分解物（ガリウム）層を除去すると、図１（ｃ）のように、半導体層３の透明基板２の一面との界面に微細凹凸構造３ａを形成することが可能となる。なお、微細凹凸構造３ａは、例えば、発光素子１から光取り出し効率が最適となるように、シミュレーション等のデバイス設計を用いて予めその形状が決められている。
【００２３】
図２（ａ）の第２工程では、前記透明基板２の他面側から所定の光Ｌを照射して、前記透明基板２と前記半導体層３とを分離する。
【００２４】
ここで、前記所定の光Ｌとは、紫外領域の１ｆｓ〜１０００ｆｓの極短パルスのレーザ光であり、このレーザ光によって半導体層３の透明基板２との界面をアブレーション加工することで、半導体層３から透明基板２が分離（剥離）されるようになる。
【００２５】
極短パルスのレーザ光を発生する紫外光源としては、フェトム秒ＴＨＧ−Ｔｉ−Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ、フェトム秒パルス励起したフェトム秒ＸｅＣｌエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、Ｆ２エキシマレーザ、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザ、ＦＨＧ−ＹＡＧレーザなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
なお、各英字の略称は、通常使われているものであるが、ＴＨＧはＴｈｉｒｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ（３倍高調波）、Ｔｉ−Ｓａｐｐｈｉｒｅはチタンサファイア、ＸｅＣｌは塩化キセノン、ＫｒＦはフッ化クリプトン、ＡｒＦはフッ化アルゴン、ＹＡＧはＹｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ（イットリウム  アルミニウム  ガーネット）、ＦＨＧはＦｏｕｒｔｈ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ（４倍高調波）をそれぞれ意味するものである。
【００２７】
透明基板２としては、サファイアが用いられている場合、サファイアは赤外線から波長１４０ｎｍ程度までの光に対して透明であるので、この範囲のレーザ光であれば、サファイア製の透明基板２を分離することが可能である。
【００２８】
サファイア製の透明基板２に、窒化ガリウム製の半導体層３が積層形成されている場合、加工条件としては、透明基板２と半導体層３の温度を３０〜１００℃に制御し、加工面でのレーザエネルギー密度が０．１〜１Ｊ／ｃｍ２程度であることが適切である。レーザ照射方法としては、集光ビームを走査する方法や均一なビーム強度を持つ大口径のレーザを照射することが挙げられる。
【００２９】
前記実施形態の発光素子１の製造方法では、極短パルスのレーザ光Ｌ３によるアブレーション加工によって、透明基板２を半導体層３から容易に分離することができるから、発光素子１の放熱性が向上するとともに、発光素子１を小型化でき、デバイス設計性も向上するようになる。
【００３０】
また、極短パルスのレーザ光であるので、加工時の熱発生を抑制することができ、クラック発生の防止、加工精度の向上等によって、歩留まりを向上することができる。
【００３１】
前記実施形態の発光素子１の製造方法において、図２（ｂ）の第１変形例のように、少なくとも２種類以上の異なる波長のレーザ光Ｌ３を用いると、これらのレーザ光Ｌ３の強度分布で、半導体層３の透明基板２の一面との界面に予めデバイス設計にて決めた微細凹凸構造３ａを精度良く形成することができる。
【００３２】
一般的に、レーザ光は波長が短いほど光照射強度が小さく、吸収率が大きく、生成する半導体層３の厚さが小さくなる。
【００３３】
そこで、レーザ光Ｌ３として、波長の異なるＦＨＧ−ＹＡＧレーザ（λ＝２６６ｎｍ）とＴＨＧ−ＹＡＧレーザ（λ＝３５５ｎｍ）とを用いて、光照射強度に空間的分布（強照射領域ａと弱照射領域ｂ）を持たせることで、分解物（ガリウム）層の厚みにも空間的分布（凹部ｃと凸部ｄ）を待たせることが可能となる。したがって、塩酸等によって分解物（ガリウム）層を除去すると、半導体層３の透明基板２の一面との界面に予めデバイス設計にて決めた微細凹凸構造３ａ〔図１（ｃ）を参照〕を精度良く形成できるようになる。
【００３４】
第１変形例の発光素子１の製造方法では、異なる波長のレーザ光の強度分布によって、半導体層３の透明基板２の一面との界面に予めデバイス設計にて決めた微細凹凸構造３ａを精度良く形成できるから、光の取り出し効率が向上するようになる。
【００３５】
また、１回の光照射のみで、半導体層３に対する微細凹凸構造３ａの精度良い形成と透明基板２の分離とが同時に行えるから、製造時間や製造コストを大幅に削減することが可能になる。
【００３６】
さらに、ＦＨＧ−ＹＡＧレーザは、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザよりも出力が小さいため、この２種類のレーザを選択することで、微細凹凸構造３ａのアスペクト比が得やすくなる。なお、この他に、ＸｅＣｌエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、Ｆ２エキシマレーザ等を適宜に組み合わせることもできる。
【００３７】
図２（ｃ）の第２変形例は、図２（ｂ）の第１変形例と同様に、少なくとも２種類以上の異なる波長のレーザ光Ｌ３を用いる。これに加えて、レーザ光Ｌ３の強度分布を制御する手段として、透明基板２の他面に、組成比が可変であるパターニング材料７をエピタキシャル成長させ、このパターニング材料７によりレーザ光Ｌ３の透過率を制御することができる。
【００３８】
具体的には、パターニング材料７として、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）をエピタキシャル成長させた後、フォトリソグラフィ等を利用してパターニングする。
【００３９】
パターニング材料７としては、３元系の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）の他に、硫化カドミウム亜鉛（ＺｎｘＣｄ１−ｘＳ）、窒化アルミニウムホウ素（ＡｌｘＢ１−ｘＮ）、窒化インジウムホウ素（ＩｎｘＢ１−ｘＮ）、窒化ガリウムホウ素（ＧａｘＢ１−ｘＮ）、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎｘＡｌ１−ｘＮ）が可能である。
【００４０】
また、４元系の窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムホウ素（ＡｌＩｎＢＮ）、窒化インジウムガリウムホウ素（ＩｎＧａＢＮ）、窒化アルミニウムガリウムホウ素（ＡｌＧａＢＮ）が可能である。
【００４１】
レーザ光Ｌ３として、波長の異なるＫｒＦエキシマレーザ光（λ＝２４８ｎｍ）とＸｅＣｌエキシマレーザ（λ＝３０８ｎｍ）とを用いて、光照射強度に空間的分布（強照射領域ａと弱照射領域ｂ）を持たせることができる。なお、レーザ光Ｌ３としては、ＦＨＧ−ＹＡＧレーザ、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、Ｆ２エキシマレーザ等を適宜に組み合わせることもできる。
【００４２】
また、パターニング材料７の窒化アルミニウムガリウムの組成比ｘをλ＞２４８ｎｍとなるように変化させれば、窒化アルミニウムガリウムを透過するレーザ光は減衰して、光照射強度に空間的分布（強照射領域ａと弱照射領域ｂ）を持たせることができる。
【００４３】
第２変形例の発光素子１の製造方法では、異なる波長のレーザ光Ｌ３とパターニング材料７による異なる透過率のレーザ光Ｌ２との併用で、分解物（ガリウム）層の厚みにも空間的分布〔図２（ｂ）の凹部ｃと凸部ｄ〕を待たせることが可能となる。したがって、塩酸等によって分解物（ガリウム）層を除去すると、半導体層３の透明基板２の一面との界面に、第１変形例よりも高アスペクト比の予めデバイス設計にて決めた微細凹凸構造３ａ〔図１（ｃ）を参照〕を精度良く形成できるようになる。
【００４４】
なお、上述した実施形態と第１変形例との組み合わせ、実施形態と第１変形例と第２変形例との組み合わせの他に、実施形態と第２変形例との組み合わせも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る発光素子の製造工程の基本原理図である。
【図２】（ａ）は、本発明に係る発光素子の製造工程図、（ｂ）（ｃ）はそれぞれ変形例の製造工程図である。
【符号の説明】
【００４６】
１    発光素子
２    透明基板
３    半導体層
３ａ  微細凹凸構造
７    パターニング材料
Ｌ    所定の光
Ｌ２  異なる透過率の光
Ｌ３  異なる波長のレーザ光
【図１】
0004915598.tif 000002
【図２】
0004915598.tif 000003