(57)【要約】      （修正有）【課題】サファイア基板上に半導体膜を構成する発光素子において、素子の熱的特性を改善する事により、大電流でも良好な光学特性を持つ発光素子を提供する。【解決手段】サファイア絶縁基板上に下部半導体層が形成され、その上部に活性層（Ｐ−Ｎ接合部）、その上部に上部半導体層が設けられた半導体素子であって、サファイア層が薄膜であり、下部電極が下部半導体の素子周縁上面部、素子側面部およびサファイア層底面に渡って設けられ、上部電極が上部半導体層の上面に設けられる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア絶縁基板上に下部半導体層が形成され、その上部に活性層（Ｐ−Ｎ接合部）、その上部に上部半導体層が設けられた半導体素子であって、サファイア層が薄膜であり、下部電極が下部半導体の素子周縁上面部、素子側面部およびサファイア層底面に渡って設けられ、上部電極が上部半導体層の上面に設けられている、半導体発光素子。
【請求項２】
サファイア層の厚みが、１０μｍ以内である、請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
上下の半導体層およびその間に在るＰ−Ｎ接合部を有し、Ｐ電極およびＮ電極が素子中央を通る垂直軸に対して軸対称の配置で設置された半導体素子であって、下半導体層はサファイア層の上に形成され、該サファイア層の厚みは１０μ以内であり、電気通路となる電極がサファイア層の側面に−つ以上の並列構造で配置され、下部半導体と半導体素子が載置される平面とを接続する構造を持つ半導体発光素子。
【請求項４】
P層側から、N電極を設置するための溝を、溝底面がN層内に位置するように形成した後、サファイア基盤をグラインデイング、ラッピングまたは湿式腐刻を利用して薄膜化した後、このサファイア薄膜側から上記N層へ向かうフラットフォームを上記のN層に接するところまで設置し、さらにP層側からN電極を設置するための上記溝よりも幅広のフラットフォームおよび上記N層に接するところまで設置したフラットフォームと接するところまでN層を更に除去した溝を設置する、またはPとNを入れ替えた同様のものである、請求項１〜３のいずれかの半導体発光素子を製造する方法。
【請求項５】
サァイア基板を薄膜にするために、仮支持基板を反対側面に貼ることをさらに含む、請求項４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源用半導体発光素子およびその製法に関する。より詳しくいえば、大電力による使用、高密度配置が可能となる、光源用半導体発光素子およびその製法に関する。本発明によれば、現在のサファイア基板の長所をそのまま維持しながら、大電流で駆動した場合に発生する熱および電気的な特性の問題を解決することができる。したがって、非常に性能の向上した発光素子が得られ、また既存のリフトオフ方法に比べて歩留まりが向上し、大量生産が可能となる新たな方法である。
【背景技術】
【０００２】
従来の窒化物半導体発光素子は、通常、サファイア基板上に素子を構成するが、サファイア基板は電気的に絶縁体であり、熱伝導特性は良いものではない。したがって、ＰおよびＮの両電極を、共に上側に配置して使っている。しかしながら、熱的には、熱伝導率が良くないため、効率的に熱放出ができず、素子の性能が十分に発揮できていない。
サファイア基板の熱伝導の特性は約２５Ｗ/ｍＫであるが、サファイア基板の厚みを約８０μと仮定すると、熱の抵抗値は3.5℃/Ｗ程度となり、素子のシステム全体の熱抵抗の約９０％を占めることになる。特にこの特性は、最近の高密度、大電力光源を実現するための大電流駆動時において、素子の信頼性を悪くさせる重要な原因になる。
【０００３】
最近、高出力レーザーの高密度の工ネルギーを用いて、サファイア基板と窒化物半導体の活性層の下段のバファー層の間の窒素化合物を分解して分離するレーザーリフトオフ工法が開発されている。
【０００４】
これについては、例えば日本のＨ社の、TiN薄膜をサファイア基板と窒化物半導体の間に入れて分離する方法、日本のＳ社が開発し、生産中である、Ｓｉ基板上に薄膜を形成した後、研磨分離する方法、または日本の東北大学の湿式腐刻技術を用いたリフトオフ技法など、多くの技法が存在する。
【０００５】
しかしながら、レーザー照射時に発生する機械的損傷および熱的損傷、さらにこれらによる電気的な特性変化と生産歩留まり等の問題の故に、利用は小規模であり、新たな発想による技術開発が急務である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の従来技術に関して記述した問題点が示す様に、半導体素子の特性上、電気的および光学的特性は、機械的な損傷に対して敏感である。そのため、発光素子のP−N接合部は勿論、これを含む活性層と周りのバファー層に亘る部分においても、機械的損傷および電気的損傷発生しないように注意しなければならない。
特に、電気的および光学的な特性を毀損せずに、熱的特性を改善することが最も重要である。
【０００７】
また、製造工程上においても、普通サファイア基板と窒化物半導体の間の格子定数の差異、即ち、窒化物半導体の格子定数がより小さいために、サファイア基板上に窒化物半導体薄膜を製作した場合、窒化物半導体の格子定数が増えて格子が歪むことになる。続いて窒化合物半導体の厚みを数ミクロン単位の厚みで作ると、全体的に大きく曲がる。従ってこのような基板を貼ったり接合したりすることが困難となり、結局歩留まりの問題が発生することになる。
【０００８】
従来、サファイア基板全体を除去したり、−部除去することを試しているが、全体を除去した場合、窒化物半導体内に存在する多くの結晶欠陥、特にバファー層に存在する欠陥および電気的特性が良好でないことの故に、均−な素子を製作したり、生産の再現性を得る事は困難であった。また、一部を除去して電極を形成する方法においても、バファー層に存在する結晶欠陥のために、素子全体の電気抵抗が再現性の低いものとなり、特に素子システムにおいて電流の均一な分布を得ることが困難であるため、電圧上昇と再現性の低さという、解決が困難な根本的な問題が起きていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は次の特徴を持つ。本発明では放熱の経路を最短経路で持つ構造を有し、レーザーや乾式腐刻を通じて素子の一部を除去して電極を形成させるためにフラットフォームを作る第１工程と、上記１工程が完了された基板の上に臨時支持基板、即ち代理基板を付ける第２工程、続いて下層サファイア基板を薄膜化する第３工程、上記３工程を完了した後、金属工程でボンドする第４工程、他のダイシングなどの技法を用いた素子分離工程によって製造される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、従来素子の構造と比較して熱抵抗特性を数℃/Ｗ以上下げることができ、特に上記のレーザーリフトオフ工法の歩留まりの問題も解決できる。さらに、サファイア基板を除去する際の素子活性層の損傷、接合部における電気的抵抗による駆動電圧上昇とこれによるエネルギー損失の問題を解決できる。特に本発明では電気的な通路を別途設置して機械的な加工を行う必要がないから、熱的な問題と電気的な問題を同時に解決する。
【００１１】
したがって、本発明は従来の関連製品に比べて同一電力駆動の時、素子の熱的特性が向上しているので効率が非常に高い。特に、放熱特性が大きく向上しているために、発光効率および光学性能が大きく向上した効果として、大電力、大電流で駆動することが可能となる。また、高反射率を持つ金属層の反射構造の設置も可能で、追加の光利用効率および光性能の向上が改善できる。
【００１２】
量産を行う際にも、一気に多量を同時に製造できるという長所があり、また、少量を生産する場合であっても均一性、歩留まりが向上するので製造単価も安価となる。従って特に高出力の光源製品であるにもかかわらず、原資材料として特別のものを必要とせず、結局エネルギーの低減ができる。そのため今後巨大な照明市場における実用化および活性化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】サファイア絶縁基板上に構成された従来素子技術
【図２】レーザーを用いて絶縁基板であるサファイアを除去した従来の素子技術
【図３】サファイア絶縁基板の一部を除去して電極を形成し、熱伝導および電気的通路を構成した素子構造の例
【図４】本発明の素子の側面構造
【図５】本発明の他の実施例１
【図６】本発明の他の実施例２
【図７】本発明の他の実施例３
【図８−１】工程図
【図８−２】工程図
【図８−３】工程図
【図８−４】工程図
【図８−５】工程図
【図８−６】工程図
【図８−７】工程図
【図８−８】工程図
【図８−９】工程図
【図８−１０】工程図
【図８−１１】工程図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図４に本発明の一実施例の側面図を示す。電気の絶縁層であるサファイアは最小限の厚みとし、その下面に電気導電性および熱伝導性が優れた基板を接合して、従来のサファイア基板利用の長所をそのまま維持することによって素子の電気的な特性を維持しながら、熱伝導性が優れているために熱特性が良好で、光学的特性も、特に大電流駆動が可能であるために良好な構造となっている。
図４においては、下側電極、反射メタル、電極メタル、Si基板を通して熱および電流が伝導する。
また、サファイアと窒化物半導体の間にはバッファ層を有してもよい。
【００１５】
従来の素子構造は、素子の周りまたは上部の一部面積に電極を設置していたが、本発明のこの構造においては、電気的絶縁層であるサファイア基板の厚みは薄くされており、電極リードを素子側面全体またはその一部、および底面全体に設置して、平面図で見た場合に電極構成が対称形をなしているという、電流が上下方向に流れる垂直電極構造となっている。そして、底面全体に設置した電極から、Si基板等の熱および電流を通す基板を通じて電流および熱が、本発明のダイオードを実装した基板に流れることによって、大電流駆動が可能になっている。
【００１６】
以下に、図４に例示した本発明の実施例を製造する、図８の「工程図」を参照して、本願発明の製法を説明する。熱伝導が良好でない基板であるサファイアは、最小限の厚みだけ残して除去するが、場合によって完全に除去してもよい。電流の非均一分布と電気抵抗の莫大な増加という問題点は、全ての側面に窒化物半導体層または電気的構造と並列に繋がれる金属電極を配置することによって解決される。
【００１７】
（８−１）素子の製作は最初レーザーや乾式腐刻を通じて素子の一部を除去し、電極を形成させるためのフラットフォームを作る。
（８−２）除去した箇所は溝状であり、互いに直角な二組の平行溝状に掘り込んでもよい。この時に基板の曲がれ現象も大部分解消されるので、その後のサファイア基板の薄膜化および代理基板への接合、さらには伝射などの工法がとても易しくなる。
【００１８】
（８−３）上記の工程が完了されると、基板上に臨時支持基板、即ち代理基板を貼る。この時通常の電気ワックスを用いることによって、その後の再転写、二次代理基板を接合した後、再分離する場合の洗浄工程などが容易となる。
【００１９】
（８−４）続いて下層サファイア基板を薄くする工程が必要である。通常のグラインデイング、ラツピングまたはポリッシングをした後、基板の平坦性均一度を約５％に維持して湿式腐刻し、サファイア層の除去の最高再現性が得られるようにして薄膜化または除去工程が行われる。
【００２０】
（８−５）上記のサファイア薄膜化および除去工程を完了した後、反射メタルである金属層を設ける工程をおこなう。金属接合をすることが可能であり、普通ユーテクティック工程を使うことができる。
（８−６）金属層を設けた後に、金属層の上にＳｉ基板をボンディングし、
（８−７）臨時支持基板を除去する。
（８−８）Ｐ半導体の表面に透明電極を形成する。（第5図、6図のもののように、透明電極を用いないものもありうる。）
（８−９）臨時支持基板を除去することによって露出した面の、電極形成のためのフラットフォーム部分を、上記金属層が露出する深さまで、再度除去し、発光素子の下側電極の上面となるべき平坦部も設ける。
（８−１０）金属層が露出した部分および電極が設けられる平坦部に金属層を積層して一方の電極を形成し、また発光素子の上面に、他方の電極を形成し、それぞれの電極をＮおよびＰ電極とする。
（８−１１）ダイシングなどの技法を用いて素子を分離する。
ダイシングにより切断した箇所は、電極のための金属層が存在するから、分離した半導体素子の四方の側面が金属層となり、下側電極が素子の四辺に存在することになる。
【００２１】
本発明の他の実施例として、つぎのものがある。各図においては、上に位置する窒化物半導体がＰ型で下に位置する半導体がＮ型であるとする。
図３に示すように、サファイア層の素子中央部における一部分を完全に除去し、除去した部分を含む面に金属層を設けて下部のＮ電極とする。
図５に示すように、上記素子の製造方法による構造において、絶縁層であるサファイア基板を完全に除去する。Ｓｉ基板の電極メタルも下部Ｎ電極となる。
この時、窒化物半導体の電気的な特性に非均一分布が発生する可能性があるが、図８の工程図に示すような、窒化物半導体バファー層を設けたり、または金属電極を該バッファ層等の電気的高抵抗層と並列で繋ぐことによって、特性を補完することもできる。
図７に示すように、サファイア層を薄膜化するが、Ｎ電極は素子上面側であって素子四囲を取り囲むように位置するようにしてもよい。熱放散は薄膜化したサファイア層を通して下部基板に有効に放散される。
【００２２】
図６に示すように、上記素子の構造で熱伝導の経路をそのまま維持しながら電極および電極リードを窒化合物半導体上層または側面に設置してワイヤーボンドで連結することもできる。この場合には、サファイア基板を囲んだり、一部を除去して電極リードを下層の基板に直接導通させる必要が無くなる。
また、図６に示すように、反射メタルに凹凸を形成し、光の散乱効果を持たせることもできる。
【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８−１】
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【図８−２】
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【図８−３】
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【図８−４】
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【図８−５】
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【図８−６】
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【図８−７】
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【図８−８】
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【図８−９】
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【図８−１０】
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【図８−１１】
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