JP2002368261A - 窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物系化合物半導体発光素子Info
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- JP2002368261A JP2002368261A JP2001168910A JP2001168910A JP2002368261A JP 2002368261 A JP2002368261 A JP 2002368261A JP 2001168910 A JP2001168910 A JP 2001168910A JP 2001168910 A JP2001168910 A JP 2001168910A JP 2002368261 A JP2002368261 A JP 2002368261A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 透光性電極を有する窒化物系化合物半導体発
光素子において、基板外部への光取り出しが透光性電極
を通して行われるため、透光性電極による光の取り出し
損失がある。 【解決手段】 基板裏面に凹凸を設けて、光を基板側面
に向けて反射させることによって、基板側面からの光の
取り出し効率を上げる。
光素子において、基板外部への光取り出しが透光性電極
を通して行われるため、透光性電極による光の取り出し
損失がある。 【解決手段】 基板裏面に凹凸を設けて、光を基板側面
に向けて反射させることによって、基板側面からの光の
取り出し効率を上げる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系半導体素子
に関し、特に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた外部
光取り出し効率を向上させ、光出力が増大した半導体発
光素子に関する。
に関し、特に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた外部
光取り出し効率を向上させ、光出力が増大した半導体発
光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】図８は、特開平９−２９８３１３号公報
の半導体発光素子のＬＥＤチップをリードボンディング
した状態の説明図である。図において発光素子８００
は、基板８０１の上にｎ型半導体層８０５、ｐ型半導体
層８０４が設けられ、基板８０１の裏面側に光反射膜８
０２が設けられている。この発光素子８００をリードフ
レーム８０８Ａのダイパッド８０６上に銀ペーストなど
からなる接着剤８０７で台座に固定する。そして、ｎ型
電極８０９とダイパット８０６とを、また、ｐ型電極８
１０とリードフレーム８０８Ｂを金線によりワイヤーボ
ンディングする。このように、基板裏面に、反射率の高
い反射膜を設けることで、基板側に出た光を基板表面、
すなわち半導体成長面側に戻すことによって、基板表面
からの光取り出しを効率良く行える。
の半導体発光素子のＬＥＤチップをリードボンディング
した状態の説明図である。図において発光素子８００
は、基板８０１の上にｎ型半導体層８０５、ｐ型半導体
層８０４が設けられ、基板８０１の裏面側に光反射膜８
０２が設けられている。この発光素子８００をリードフ
レーム８０８Ａのダイパッド８０６上に銀ペーストなど
からなる接着剤８０７で台座に固定する。そして、ｎ型
電極８０９とダイパット８０６とを、また、ｐ型電極８
１０とリードフレーム８０８Ｂを金線によりワイヤーボ
ンディングする。このように、基板裏面に、反射率の高
い反射膜を設けることで、基板側に出た光を基板表面、
すなわち半導体成長面側に戻すことによって、基板表面
からの光取り出しを効率良く行える。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来例によれば、基板
裏面に反射膜を形成し外部光取りだしを改善しようとし
ている。しかし、この構造では、基板裏面の反射膜で反
射した光は、まっすぐ上に返っていくため、最終的には
成長膜表面の透光性電極を通って外部へと出て行くこと
になる。そのため、透光性電極による外部光取り出しの
損失が避けられない。
裏面に反射膜を形成し外部光取りだしを改善しようとし
ている。しかし、この構造では、基板裏面の反射膜で反
射した光は、まっすぐ上に返っていくため、最終的には
成長膜表面の透光性電極を通って外部へと出て行くこと
になる。そのため、透光性電極による外部光取り出しの
損失が避けられない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】以上の点に鑑み、本発明
の発光素子は、サファイア基板、炭化珪素基板または、
ＧａＮ基板という発光波長に対して透光性を有する基板
を用いることを特徴とし、この基板上に窒化物系半導体
膜を成長して、基板裏面に凹凸を研削研磨により形成す
ることにより外部光取り出し効率のよい発光素子を得る
ことを目的とする。この時、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）
は、発光層の発光波長をλｎｍとしたとき、１０λ以
上、なおかつ、３０μｍ以下にし、凹凸の中心線平均粗
さ（Ｒａ）は、３００ｎｍ以上なおかつ１０μｍ以下に
し、Ｓｍと凹凸のＲａの比Ｓｍ：Ｒａが０．３以上６以
下にすることで、台座及び、成長層、透光性電極、保護
膜に特殊な細工をすることなく、外部取り出し効率を向
上させる窒化物系化合物半導体発光素子を提供すること
ができる。
の発光素子は、サファイア基板、炭化珪素基板または、
ＧａＮ基板という発光波長に対して透光性を有する基板
を用いることを特徴とし、この基板上に窒化物系半導体
膜を成長して、基板裏面に凹凸を研削研磨により形成す
ることにより外部光取り出し効率のよい発光素子を得る
ことを目的とする。この時、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）
は、発光層の発光波長をλｎｍとしたとき、１０λ以
上、なおかつ、３０μｍ以下にし、凹凸の中心線平均粗
さ（Ｒａ）は、３００ｎｍ以上なおかつ１０μｍ以下に
し、Ｓｍと凹凸のＲａの比Ｓｍ：Ｒａが０．３以上６以
下にすることで、台座及び、成長層、透光性電極、保護
膜に特殊な細工をすることなく、外部取り出し効率を向
上させる窒化物系化合物半導体発光素子を提供すること
ができる。
【０００５】より具体的には次のような発光素子であ
る。
る。
【０００６】本発明の窒化物系化合物半導体発光素子
は、発光波長に対して透明基板と、基板とは反対側に透
光性電極を有する窒化物系化合物半導体発光素子におい
て、透明基板の裏面に凹凸を形成することを特徴とする
窒化物系化合物半導体発光素子。
は、発光波長に対して透明基板と、基板とは反対側に透
光性電極を有する窒化物系化合物半導体発光素子におい
て、透明基板の裏面に凹凸を形成することを特徴とする
窒化物系化合物半導体発光素子。
【０００７】本発明の窒化物系化合物半導体発光素子
は、一つ以上形成され、凹凸の平均間隔Ｓｍは、発光波
長λｎｍとしたときに、１０λ以上１０μｍ以下である
ことを特徴とする。
は、一つ以上形成され、凹凸の平均間隔Ｓｍは、発光波
長λｎｍとしたときに、１０λ以上１０μｍ以下である
ことを特徴とする。
【０００８】本発明の窒化物系化合物半導体発光素子
は、前記凹凸は、一つ以上形成され、平均粗さＲａは３
００ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
は、前記凹凸は、一つ以上形成され、平均粗さＲａは３
００ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】本発明の窒化物系化合物半導体発光素子
は、前記凹凸は、凹凸の平均間隔をＳｍ、平均粗さをＲ
ａとしたときに、Ｓｍ：Ｒａが０．３以上６以下である
ことを特徴とする。
は、前記凹凸は、凹凸の平均間隔をＳｍ、平均粗さをＲ
ａとしたときに、Ｓｍ：Ｒａが０．３以上６以下である
ことを特徴とする。
【００１０】本発明の窒化物系化合物半導体発光素子
は、前記基板は、凹凸を形成した後にさらに反射膜を形
成することを特徴とする。
は、前記基板は、凹凸を形成した後にさらに反射膜を形
成することを特徴とする。
【００１１】本発明の窒化物系化合物半導体発光素子
は、前記透明基板は、サファイア基板、ＧａＮ基板であ
ることを特徴とする。
は、前記透明基板は、サファイア基板、ＧａＮ基板であ
ることを特徴とする。
【００１２】なお、本明細書において凹凸の平均間隔
（Ｓｍ）とは、測定部分において一つの凸及びそれに隣
り合う一つの凹に対応する平均線の長さの和を求め、こ
の多数の凹凸平均間隔の算術平均を表したものであり、
一つの凹凸の平均線の長さをＦ（ｘ）として凹凸の個数
をｌ個としたとき、
（Ｓｍ）とは、測定部分において一つの凸及びそれに隣
り合う一つの凹に対応する平均線の長さの和を求め、こ
の多数の凹凸平均間隔の算術平均を表したものであり、
一つの凹凸の平均線の長さをＦ（ｘ）として凹凸の個数
をｌ個としたとき、
【００１３】
【数１】
【００１４】で表される。ここで、例えば、一つの凸及
びそれに隣り合う一つの凹とは、図１においてａを表
す。
びそれに隣り合う一つの凹とは、図１においてａを表
す。
【００１５】また、本明細書において粗さとは、凸から
凹までの高さを表している。例えば図１においてｂにあ
たる。凹凸の平均粗さ（Ｒａ）とは、一般に、断面曲線
から得られる粗さ曲線からその中心線の方向に測定長さ
１の部分を抜き取り、この部分の中心線をｘ軸、粗さ曲
線をｙ＝ｆ（ｘ）、凹凸の個数をｌ個で表わした時、
凹までの高さを表している。例えば図１においてｂにあ
たる。凹凸の平均粗さ（Ｒａ）とは、一般に、断面曲線
から得られる粗さ曲線からその中心線の方向に測定長さ
１の部分を抜き取り、この部分の中心線をｘ軸、粗さ曲
線をｙ＝ｆ（ｘ）、凹凸の個数をｌ個で表わした時、
【００１６】
【数２】
【００１７】という式で求められる値である。
【００１８】また、本明細書において、凹凸の凸部の角
度とは、図１におけるｃの角度を表す。
度とは、図１におけるｃの角度を表す。
【００１９】また、本明細書において、基板裏面の凹凸
の平均間隔（Ｓｍ）と基板裏面の凹凸中心線平均粗さ
（Ｒａ）については、段差計（ＶＥＥＣＯ社Ｓｌｏａｎ
技術部製ＤＥＫＴＡＫ３ＳＴ）を用いて測定した値であ
り、平均粗さについては、長さ３５０μｍに渡って３５
００ポイントの測定点から求めた算術平均値を表してい
る。平均間隔については、段差計のデータをもとに算出
している。このときの針圧は１０ｍｇであり、走査速度
は４３．７５μｍ／秒であった。
の平均間隔（Ｓｍ）と基板裏面の凹凸中心線平均粗さ
（Ｒａ）については、段差計（ＶＥＥＣＯ社Ｓｌｏａｎ
技術部製ＤＥＫＴＡＫ３ＳＴ）を用いて測定した値であ
り、平均粗さについては、長さ３５０μｍに渡って３５
００ポイントの測定点から求めた算術平均値を表してい
る。平均間隔については、段差計のデータをもとに算出
している。このときの針圧は１０ｍｇであり、走査速度
は４３．７５μｍ／秒であった。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施の形
態に基づいて説明する。 （実施例１）図１に本発明に係わる半導体発光素子構造
を示す。サファイア基板上１０１に、ＧａＮバッファ層
１０２を成長させ、ｎ型ＧａＮ層１０３、ノンドープの
Ｉｎ 0.02Ｇａ0.98Ｎ活性層１０４、ｐ型Ａｌ0.08Ｇａ
0.92Ｎ層１０５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層１０６を順に
積層させる。ｐ型透光性電極１０７には、Ｐｄからなる
金属薄膜を用い、その後Ａｕ電極パッド１０８を設け
る。また、ｎ型電極１０９は、ｎ型ＧａＮ層１０３を露
出させて設けている。次に、電極の保護膜として複数の
半導体層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せず）を
形成する。
態に基づいて説明する。 （実施例１）図１に本発明に係わる半導体発光素子構造
を示す。サファイア基板上１０１に、ＧａＮバッファ層
１０２を成長させ、ｎ型ＧａＮ層１０３、ノンドープの
Ｉｎ 0.02Ｇａ0.98Ｎ活性層１０４、ｐ型Ａｌ0.08Ｇａ
0.92Ｎ層１０５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層１０６を順に
積層させる。ｐ型透光性電極１０７には、Ｐｄからなる
金属薄膜を用い、その後Ａｕ電極パッド１０８を設け
る。また、ｎ型電極１０９は、ｎ型ＧａＮ層１０３を露
出させて設けている。次に、電極の保護膜として複数の
半導体層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せず）を
形成する。
【００２１】その後、基板裏面よりダイヤモンド製砥粒
を含む砥石で基板厚が１００μｍ以下になるように削っ
た。さらに、スクライブ、またはダイシング装置により
３５０μｍ□のチップを作製した。この素子の発光波長
λは、４６０ｎｍであった。
を含む砥石で基板厚が１００μｍ以下になるように削っ
た。さらに、スクライブ、またはダイシング装置により
３５０μｍ□のチップを作製した。この素子の発光波長
λは、４６０ｎｍであった。
【００２２】基板裏面の凹凸は、基板を所望の厚さに研
削する際に形成した。この時、ダイヤモンド製砥粒を含
む砥石の粗さを変えて研削を行うことで、基板裏面の凹
凸の粗さ及び平均間隔を制御した。この方法により作製
された基板裏面の凹凸は、個々の凹凸におけるａとｂは
一定でなく、さまざまな値の混在したものであった。基
板裏面に作製された平均間隔Ｒａは０．５μｍで平均粗
さＳｍは５μｍのもので構成されていた。
削する際に形成した。この時、ダイヤモンド製砥粒を含
む砥石の粗さを変えて研削を行うことで、基板裏面の凹
凸の粗さ及び平均間隔を制御した。この方法により作製
された基板裏面の凹凸は、個々の凹凸におけるａとｂは
一定でなく、さまざまな値の混在したものであった。基
板裏面に作製された平均間隔Ｒａは０．５μｍで平均粗
さＳｍは５μｍのもので構成されていた。
【００２３】図６に本発明の半導体発光素子の光出力の
駆動電流依存性を示す。６１が従来例、６２が本実施例
の素子を表している。これによれば、実施例１に基づい
た発光素子は、従来例による発光素子の光出力よりも高
くなった。これは、凹凸の形成を基板裏面に行うことに
より、発光層から基板裏面へ到達した光は、基板側面に
向かって反射し、従来例より多く基板側面を通して光が
外部へ取り出されたためである。
駆動電流依存性を示す。６１が従来例、６２が本実施例
の素子を表している。これによれば、実施例１に基づい
た発光素子は、従来例による発光素子の光出力よりも高
くなった。これは、凹凸の形成を基板裏面に行うことに
より、発光層から基板裏面へ到達した光は、基板側面に
向かって反射し、従来例より多く基板側面を通して光が
外部へ取り出されたためである。
【００２４】更に実施例１の素子の光出力とＳｍの関係
を検討した結果を図７に示す。これによれば、Ｓｍが１
０λよりも小さいときは、Ｒａに依存せず、一様に光出
力が弱かった。また、Ｓｍが、３０μｍよりも大きくな
ると、基板が等価的に平坦になってしまうため、基板裏
面に凹凸を作製することによる光取り出しの効果が見ら
れなかった。故に、基板裏面に作製した凹凸のＳｍは１
０λ以上なおかつ３０μｍ以下が望ましい。
を検討した結果を図７に示す。これによれば、Ｓｍが１
０λよりも小さいときは、Ｒａに依存せず、一様に光出
力が弱かった。また、Ｓｍが、３０μｍよりも大きくな
ると、基板が等価的に平坦になってしまうため、基板裏
面に凹凸を作製することによる光取り出しの効果が見ら
れなかった。故に、基板裏面に作製した凹凸のＳｍは１
０λ以上なおかつ３０μｍ以下が望ましい。
【００２５】次に、図７において、基板裏面のＲａによ
る光出力特性は、Ｒａが０．３μｍより小さいときで
は、基板裏面の凹凸の粗さが個々で小さいときか、また
は、基板裏面に凹凸の粗さの大きい部分が、少ないとき
であるため、結果として平坦な裏面状態と等しくなっ
た。このため基板裏面を凹凸にした効果による外部への
光取り出しの向上はなかった。
る光出力特性は、Ｒａが０．３μｍより小さいときで
は、基板裏面の凹凸の粗さが個々で小さいときか、また
は、基板裏面に凹凸の粗さの大きい部分が、少ないとき
であるため、結果として平坦な裏面状態と等しくなっ
た。このため基板裏面を凹凸にした効果による外部への
光取り出しの向上はなかった。
【００２６】また、Ｒａが１０μｍよりも大きいとき
は、凹凸の凸部にあたる角度が極端に小さいものが基板
裏面中に多く存在するため、基板裏面で反射した発光層
からの光は、基板裏面の凹凸内で散乱させられた形にな
り、側面を通らず、基板内部へ反射する光が増加するの
で外部へ光を効率良く取り出せなかった。よって、Ｒａ
は０．３以上１０μｍ以下であることが望ましい。
は、凹凸の凸部にあたる角度が極端に小さいものが基板
裏面中に多く存在するため、基板裏面で反射した発光層
からの光は、基板裏面の凹凸内で散乱させられた形にな
り、側面を通らず、基板内部へ反射する光が増加するの
で外部へ光を効率良く取り出せなかった。よって、Ｒａ
は０．３以上１０μｍ以下であることが望ましい。
【００２７】次にＳｍとＲａの比について検討したとこ
ろ、Ｓｍ：Ｒａは、０．３以上で凹凸による外部への光
取り出し効率が大きくなるため好ましく、Ｓｍ：Ｒａが
６より大きいものは、凹凸の凸部の角度が大きくなり、
基板裏面が等価的に平坦になってしまい、凹凸作製によ
り効率良く側面を通って外部へ光が取り出せず、基板裏
面を凹凸にした効果がえられなかったため、基板裏面に
形成した凹凸のＳｍとＲａの比Ｓｍ：Ｒａは、０．３以
上６以下が好ましい。
ろ、Ｓｍ：Ｒａは、０．３以上で凹凸による外部への光
取り出し効率が大きくなるため好ましく、Ｓｍ：Ｒａが
６より大きいものは、凹凸の凸部の角度が大きくなり、
基板裏面が等価的に平坦になってしまい、凹凸作製によ
り効率良く側面を通って外部へ光が取り出せず、基板裏
面を凹凸にした効果がえられなかったため、基板裏面に
形成した凹凸のＳｍとＲａの比Ｓｍ：Ｒａは、０．３以
上６以下が好ましい。
【００２８】実施例において、活性層は、単一及び多重
量子井戸層で構成されていてもよく、ノンドーブでもＳ
ｉ、Ａｓ、Ｐドープでも良い。また多重量子井戸層のウ
ェルとバリア層はＩｎＧａＮのみからなってもＩｎＧａ
ＮとＧａＮからなっても良い。
量子井戸層で構成されていてもよく、ノンドーブでもＳ
ｉ、Ａｓ、Ｐドープでも良い。また多重量子井戸層のウ
ェルとバリア層はＩｎＧａＮのみからなってもＩｎＧａ
ＮとＧａＮからなっても良い。
【００２９】また、基板裏面に凹凸面を形成すると、基
板裏面が鏡面のときと比べ、台座との密着性の向上が確
認された。
板裏面が鏡面のときと比べ、台座との密着性の向上が確
認された。
【００３０】また、基板裏面の凹凸は、エピタキシャル
成長を行う前に形成しても同様の効果がえられ、検討の
結果基板の大きさは２００μｍ□及び３００μｍ□でも
同様の効果がえられた。 （実施例２）図２に本発明に係わる半導体発光素子構造
を示す。サファイア基板２０１上に、ＧａＮバッファ層
２０２を成長させ、ｎ型ＧａＮ層２０３、Ｓｉまたはノ
ンドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ活性層２０４、ｐ型Ａｌ
0.08Ｇａ0.92Ｎ層２０５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層２０
６を順に積層させる。ｐ型透光性電極２０７には、Ｐｄ
からなる金属薄膜を用い、その後Ａｕ電極パッド２０８
を設ける。また、ｎ型電極２０９は、ｎ型ＧａＮ層２０
３を露出させて設けている。次に、電極の保護膜として
複数の半導体層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せ
ず）を形成する。この素子の発光波長λは、実施例１と
同じ４６０ｎｍであった。
成長を行う前に形成しても同様の効果がえられ、検討の
結果基板の大きさは２００μｍ□及び３００μｍ□でも
同様の効果がえられた。 （実施例２）図２に本発明に係わる半導体発光素子構造
を示す。サファイア基板２０１上に、ＧａＮバッファ層
２０２を成長させ、ｎ型ＧａＮ層２０３、Ｓｉまたはノ
ンドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ活性層２０４、ｐ型Ａｌ
0.08Ｇａ0.92Ｎ層２０５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層２０
６を順に積層させる。ｐ型透光性電極２０７には、Ｐｄ
からなる金属薄膜を用い、その後Ａｕ電極パッド２０８
を設ける。また、ｎ型電極２０９は、ｎ型ＧａＮ層２０
３を露出させて設けている。次に、電極の保護膜として
複数の半導体層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せ
ず）を形成する。この素子の発光波長λは、実施例１と
同じ４６０ｎｍであった。
【００３１】その後、ダイヤモンド製砥粒を含む砥石で
基板裏面より基板厚が１００μｍ以下になるように削っ
た。次に、スクライブ、またはダイシング装置により３
５０μｍ□のチップを作製した。基板裏面の凹凸は、基
板を所望の厚さに研削する際に形成する。この時、ダイ
ヤモンド製砥粒を含む砥石の粗さを変えて研削を行うこ
とで、基板裏面の凹凸の粗さ及び平均間隔を制御した。
形成された凹凸は図２に示すようにすべての凹凸の高さ
と間隔が一定になり、Ｓｍは４μｍでＲａは１μｍであ
った。
基板裏面より基板厚が１００μｍ以下になるように削っ
た。次に、スクライブ、またはダイシング装置により３
５０μｍ□のチップを作製した。基板裏面の凹凸は、基
板を所望の厚さに研削する際に形成する。この時、ダイ
ヤモンド製砥粒を含む砥石の粗さを変えて研削を行うこ
とで、基板裏面の凹凸の粗さ及び平均間隔を制御した。
形成された凹凸は図２に示すようにすべての凹凸の高さ
と間隔が一定になり、Ｓｍは４μｍでＲａは１μｍであ
った。
【００３２】図６の６３に本実施例の素子の光出力の電
流依存性を表している。これによれば、実施例２に基づ
いた発光素子は、従来例による発光素子よりも、光出力
が高くなった。これは、実施例１と同様、凹凸の形成を
基板裏面に行うことにより、発光層から基板裏面へ到達
した光は、基板側面に向かって反射し、従来例より多く
基板側面を通して光が外部へ取り出されたためである。
流依存性を表している。これによれば、実施例２に基づ
いた発光素子は、従来例による発光素子よりも、光出力
が高くなった。これは、実施例１と同様、凹凸の形成を
基板裏面に行うことにより、発光層から基板裏面へ到達
した光は、基板側面に向かって反射し、従来例より多く
基板側面を通して光が外部へ取り出されたためである。
【００３３】そして、なおかつ実施例１より光出力が高
くなったのは、基板裏面の凹凸を整え、揃えることで、
基板裏面へ到達した発光層の光が更に効率良く、透光性
電極を経由せず、基板側面を通して外へ出たためと考え
る。
くなったのは、基板裏面の凹凸を整え、揃えることで、
基板裏面へ到達した発光層の光が更に効率良く、透光性
電極を経由せず、基板側面を通して外へ出たためと考え
る。
【００３４】実施例２において、活性層は、単一及び多
重量子井戸層で構成されていてもよく、ノンドープでも
Ｓｉ、Ａｓ、Ｐドープでも良い。また多重量子井戸層の
ウェルとバリア層はＩｎＧａＮのみからなってもＩｎＧ
ａＮとＧａＮからなっても良い。
重量子井戸層で構成されていてもよく、ノンドープでも
Ｓｉ、Ａｓ、Ｐドープでも良い。また多重量子井戸層の
ウェルとバリア層はＩｎＧａＮのみからなってもＩｎＧ
ａＮとＧａＮからなっても良い。
【００３５】また、基板裏面の凹凸は、エピタキシャル
成長を行う前に形成しても同様の効果がえられた。 （実施例３）図３に本発明に係わる発光半導体素子構造
を示す。サファイア基板３０１上に、ＧａＮバッファ層
３０２を成長させ、ｎ型ＧａＮ層３０３、ノンドープの
Ｉｎ 0.02Ｇａ0.98Ｎ活性層３０４、ｐ型Ａｌ0.08Ｇａ
0.92Ｎ層３０５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層３０６を順に
積層させる。ｐ型透光性電極３０７には、Ｐｄからなる
金属薄膜を用い、その後Ａｕ電極パッド３０８を設け
る。また、ｎ型電極３０９は、ｎ型ＧａＮ層を露出させ
て設けている。次に、電極の保護膜として複数の半導体
層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せず）を形成す
る。本実施例の素子の発光波長は４６０ｎｍである。
成長を行う前に形成しても同様の効果がえられた。 （実施例３）図３に本発明に係わる発光半導体素子構造
を示す。サファイア基板３０１上に、ＧａＮバッファ層
３０２を成長させ、ｎ型ＧａＮ層３０３、ノンドープの
Ｉｎ 0.02Ｇａ0.98Ｎ活性層３０４、ｐ型Ａｌ0.08Ｇａ
0.92Ｎ層３０５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層３０６を順に
積層させる。ｐ型透光性電極３０７には、Ｐｄからなる
金属薄膜を用い、その後Ａｕ電極パッド３０８を設け
る。また、ｎ型電極３０９は、ｎ型ＧａＮ層を露出させ
て設けている。次に、電極の保護膜として複数の半導体
層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せず）を形成す
る。本実施例の素子の発光波長は４６０ｎｍである。
【００３６】その後、基板裏面よりダイヤモンド製砥粒
を含む砥石で基板厚が１００μｍ以下になるように削っ
た。基板裏面の凹凸は、基板を所望の厚さに研削する際
に形成した。この時、ダイヤモンド製砥粒を含む砥石の
粗さを変えて研削を行うことで、基板裏面の凹凸の粗さ
を制御し、実施例２と同様凹凸は形のそろったものとな
った。これにより基板裏面に作製された凹凸の形状を測
定した所、Ｓｍは１０μｍでＲａは３μｍであった。そ
の後、基板裏面に反射膜３１０を形成するためにアルミ
ニウムを蒸着した。その後、スクライブ、またはダイシ
ング装置により３５０μｍ□のチップを作製した。
を含む砥石で基板厚が１００μｍ以下になるように削っ
た。基板裏面の凹凸は、基板を所望の厚さに研削する際
に形成した。この時、ダイヤモンド製砥粒を含む砥石の
粗さを変えて研削を行うことで、基板裏面の凹凸の粗さ
を制御し、実施例２と同様凹凸は形のそろったものとな
った。これにより基板裏面に作製された凹凸の形状を測
定した所、Ｓｍは１０μｍでＲａは３μｍであった。そ
の後、基板裏面に反射膜３１０を形成するためにアルミ
ニウムを蒸着した。その後、スクライブ、またはダイシ
ング装置により３５０μｍ□のチップを作製した。
【００３７】図６の６４は本実施例の光出力の駆動電流
依存性である。これによれば、実施例３に基づいた発光
素子は従来例による発光素子の光出力特性よりも、光出
力比が高くなった。これは、凹凸の形成を基板裏面に行
うことにより、発光層から基板裏面へ到達した光は、基
板側面に向かって反射し、従来例より多く基板側面を通
して光が外部へ取り出されたためである。
依存性である。これによれば、実施例３に基づいた発光
素子は従来例による発光素子の光出力特性よりも、光出
力比が高くなった。これは、凹凸の形成を基板裏面に行
うことにより、発光層から基板裏面へ到達した光は、基
板側面に向かって反射し、従来例より多く基板側面を通
して光が外部へ取り出されたためである。
【００３８】そして、なおかつ実施例１及び実施例２よ
り高くなったのは、基板裏面の凹凸を整え、さらに、基
板裏面に光反射率の高い金属膜を形成することにより、
基板裏面へ到達した発光層の光の反射が高反射率の反射
膜により効率良く行なわれ、なおかつ、基板裏面の凹凸
によって透光性電極を経由せず、基板側面から効率良く
外へ出たものと考える。
り高くなったのは、基板裏面の凹凸を整え、さらに、基
板裏面に光反射率の高い金属膜を形成することにより、
基板裏面へ到達した発光層の光の反射が高反射率の反射
膜により効率良く行なわれ、なおかつ、基板裏面の凹凸
によって透光性電極を経由せず、基板側面から効率良く
外へ出たものと考える。
【００３９】本実施例３においては、実施例２と同様、
裏面の凹凸の形状のそろった基板にさらに反射膜を設け
ているが、実施例１のように、凹凸形状のそろっていな
い基板裏面に反射膜を形成した場合においても、反射膜
のない場合よりも光出力の増大が観察された。
裏面の凹凸の形状のそろった基板にさらに反射膜を設け
ているが、実施例１のように、凹凸形状のそろっていな
い基板裏面に反射膜を形成した場合においても、反射膜
のない場合よりも光出力の増大が観察された。
【００４０】実施例３において、活性層は、単一及び多
重量子井戸層で構成されていてもよく、ノンドープでも
Ｓｉ、Ａｓ、Ｐドープでも良い。また多重量子井戸層の
ウェルとバリア層はＩｎＧａＮのみからなってもＩｎＧ
ａＮとＧａＮからなっても良い。
重量子井戸層で構成されていてもよく、ノンドープでも
Ｓｉ、Ａｓ、Ｐドープでも良い。また多重量子井戸層の
ウェルとバリア層はＩｎＧａＮのみからなってもＩｎＧ
ａＮとＧａＮからなっても良い。
【００４１】また、基板裏面の凹凸は、エピタキシャル
成長を行う前に形成しても同様の効果がえられた。
成長を行う前に形成しても同様の効果がえられた。
【００４２】また、反射膜としては、光反射率の高い
銀、酸化アルミニウム、硫酸バリウム、酸化マグネシウ
ム、酸化チタンといった金属や、金属酸化物を蒸着やス
パッ夕によって用いても同様の効果がえられた。 （実施例４）図４に本発明に係わる発光半導体素子構造
を示す。サファイア基板４０１上に、ＧａＮバッファ層
４０２を成長させ、ｎ型ＧａＮ層４０３、Ｓｉまたはノ
ンドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ活性層４０４、ｐ型Ａｌ
0.08Ｇａ0.92Ｎ層４０５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層４０
６を順に積層させる。ｐ型透光性電極４０７には、Ｐｄ
からなる金属薄膜を用い、その後Ａｕ電極パッド４０８
を設ける。また、ｎ型電極４０９は、ｎ型ＧａＮ層４０
３を露出させて設けている。次に、電極の保護膜として
複数の半導体層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せ
ず）を形成する。
銀、酸化アルミニウム、硫酸バリウム、酸化マグネシウ
ム、酸化チタンといった金属や、金属酸化物を蒸着やス
パッ夕によって用いても同様の効果がえられた。 （実施例４）図４に本発明に係わる発光半導体素子構造
を示す。サファイア基板４０１上に、ＧａＮバッファ層
４０２を成長させ、ｎ型ＧａＮ層４０３、Ｓｉまたはノ
ンドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ活性層４０４、ｐ型Ａｌ
0.08Ｇａ0.92Ｎ層４０５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層４０
６を順に積層させる。ｐ型透光性電極４０７には、Ｐｄ
からなる金属薄膜を用い、その後Ａｕ電極パッド４０８
を設ける。また、ｎ型電極４０９は、ｎ型ＧａＮ層４０
３を露出させて設けている。次に、電極の保護膜として
複数の半導体層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せ
ず）を形成する。
【００４３】その後、ダイヤモンド製砥粒を含む砥石で
基板裏面より基板厚が６０μｍ以下になるように削り、
その後、裏面を研磨により鏡面にした。次に、スクライ
ブ、またはダイシング装置により３５０μｍ□のチップ
を作製した。
基板裏面より基板厚が６０μｍ以下になるように削り、
その後、裏面を研磨により鏡面にした。次に、スクライ
ブ、またはダイシング装置により３５０μｍ□のチップ
を作製した。
【００４４】その後、接着剤４１０としてエポキシ樹脂
を用いて、裏面に凹凸を形成した貼り付け用基板４１１
であるＧａＮ基板と張り合わせることでチップを形成し
た。この時形成した凹凸は、測定の結果、Ｓｍは５μｍ
でＲａは５μｍであった。
を用いて、裏面に凹凸を形成した貼り付け用基板４１１
であるＧａＮ基板と張り合わせることでチップを形成し
た。この時形成した凹凸は、測定の結果、Ｓｍは５μｍ
でＲａは５μｍであった。
【００４５】図６の６５は本実施例素子の光出力の駆動
電流依存性である。これによれば、実施例４に基づいた
発光素子は従来例による発光素子の光出力よりも、高く
なった。これは、発光層からの光が、貼り付け用基板の
凹凸面で反射し、発光素子上の透光性電極を通らずに、
基板側面を通って素子外部へ出て行ったためである。
電流依存性である。これによれば、実施例４に基づいた
発光素子は従来例による発光素子の光出力よりも、高く
なった。これは、発光層からの光が、貼り付け用基板の
凹凸面で反射し、発光素子上の透光性電極を通らずに、
基板側面を通って素子外部へ出て行ったためである。
【００４６】実施例１から３の素子より光出力がさらに
高くなっているのは、サファイア基板を薄くして、その
分、サファイア基板よりも発光波長の透過率の高いＧａ
Ｎ基板を貼り付けることで、発光層からの光を更に効率
良く貼り付け用基板を通して光を外部へ取り出せたため
と考える。
高くなっているのは、サファイア基板を薄くして、その
分、サファイア基板よりも発光波長の透過率の高いＧａ
Ｎ基板を貼り付けることで、発光層からの光を更に効率
良く貼り付け用基板を通して光を外部へ取り出せたため
と考える。
【００４７】実施例４において、活性層は、単一及び多
重量子井戸層で構成されていてもよく、ノンドープでも
Ｓｉ、Ａｓ、Ｐドープでも良い。また多重量子井戸層の
ウェルとバリア層はＩｎＧａＮのみからなってもＩｎＧ
ａＮとＧａＮからなっても良い。 （実施例５）図５に本発明に係わる半導体発光素子構造
を示す。ＧａＮ基板５０１上に、ｎ型ＧａＮ層５０２、
ノンドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ活性層５０３、ｐ型Ａ
ｌ0. 08Ｇａ0.92Ｎ：Ｍｇ層５０４、ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層
５０５を順に積層させる。その後、ダイヤモンド製砥粒
を含む砥石で基板裏面より基板厚が１００μｍになるよ
うに研削した。
重量子井戸層で構成されていてもよく、ノンドープでも
Ｓｉ、Ａｓ、Ｐドープでも良い。また多重量子井戸層の
ウェルとバリア層はＩｎＧａＮのみからなってもＩｎＧ
ａＮとＧａＮからなっても良い。 （実施例５）図５に本発明に係わる半導体発光素子構造
を示す。ＧａＮ基板５０１上に、ｎ型ＧａＮ層５０２、
ノンドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ活性層５０３、ｐ型Ａ
ｌ0. 08Ｇａ0.92Ｎ：Ｍｇ層５０４、ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層
５０５を順に積層させる。その後、ダイヤモンド製砥粒
を含む砥石で基板裏面より基板厚が１００μｍになるよ
うに研削した。
【００４８】基板裏面の凹凸は、基板を所望の厚さに研
削する際に形成した。この時、ダイヤモンド製砥粒を含
む砥石の粗さを変えて研削を行うことで、基板裏面の凹
凸の粗さを制御した。このとき、基板裏面に作製された
凹凸は、測定の結果、Ｒａは４μｍで、Ｓｍは６μｍで
あった。
削する際に形成した。この時、ダイヤモンド製砥粒を含
む砥石の粗さを変えて研削を行うことで、基板裏面の凹
凸の粗さを制御した。このとき、基板裏面に作製された
凹凸は、測定の結果、Ｒａは４μｍで、Ｓｍは６μｍで
あった。
【００４９】ｐ型透光性電極５０６には、Ｐｄからなる
金属膜を用い、その後、Ａｕ電極パッド５０７を設け
る。ｎ型電極５０８は、凹凸を形成した後のＧａＮ基板
裏面に設けている。次に、電極の保護膜として複数の半
導体層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せず）を形
成する。
金属膜を用い、その後、Ａｕ電極パッド５０７を設け
る。ｎ型電極５０８は、凹凸を形成した後のＧａＮ基板
裏面に設けている。次に、電極の保護膜として複数の半
導体層を覆うようにＳｉＯ2誘電体膜（図示せず）を形
成する。
【００５０】その後、ウェハをシートに固定し、ダイア
モンドスクライブ装置によりチップが３５０μｍ□にな
るようにウェハを表面よりスクライブを行った。次に、
素子を分離するために、ブレーキング装置により、スク
ライブした線に沿ってブレークを行った。
モンドスクライブ装置によりチップが３５０μｍ□にな
るようにウェハを表面よりスクライブを行った。次に、
素子を分離するために、ブレーキング装置により、スク
ライブした線に沿ってブレークを行った。
【００５１】図６の６６は、従来例及び実施例における
基板厚の光出力依存性である。これによれば、実施例５
は、他の従来例や、実施例１〜４と比べ光出力が高くな
った。これは、凹凸の形成を基板裏面に行うことによ
り、発光層から基板裏面へ到達した光は、基板側面に向
かって反射し、従来例より多く基板側面を通して光が外
部へ取り出されたためである。そして、実施例１と比較
して、サファイア基板より、ＧａＮ基板の方が光透過率
が高いためにより効率が良くなったものと考えられる。
基板厚の光出力依存性である。これによれば、実施例５
は、他の従来例や、実施例１〜４と比べ光出力が高くな
った。これは、凹凸の形成を基板裏面に行うことによ
り、発光層から基板裏面へ到達した光は、基板側面に向
かって反射し、従来例より多く基板側面を通して光が外
部へ取り出されたためである。そして、実施例１と比較
して、サファイア基板より、ＧａＮ基板の方が光透過率
が高いためにより効率が良くなったものと考えられる。
【００５２】本実施の形態の半導体発光素子において
は、基板裏面に凹凸面と、ＧａＮ基板を用いることによ
り、従来例よりも、外部への光の取り出しを向上でき
た。実施例において、活性層は、単一及び多重量子井戸
層で構成されていてもよく、ノンドープでもＳｉ、Ａ
ｓ、Ｐドープでも良い。また多重量子井戸層のウェルと
バリア層はＩｎＧａＮのみからなってもＩｎＧａＮとＧ
ａＮからによりなっても良い。また基板裏面の凹凸はエ
ピタキシャル成長を行う前に形成しても、ｎ型電極を形
成する直前に形成しても同様の効果がえられた。
は、基板裏面に凹凸面と、ＧａＮ基板を用いることによ
り、従来例よりも、外部への光の取り出しを向上でき
た。実施例において、活性層は、単一及び多重量子井戸
層で構成されていてもよく、ノンドープでもＳｉ、Ａ
ｓ、Ｐドープでも良い。また多重量子井戸層のウェルと
バリア層はＩｎＧａＮのみからなってもＩｎＧａＮとＧ
ａＮからによりなっても良い。また基板裏面の凹凸はエ
ピタキシャル成長を行う前に形成しても、ｎ型電極を形
成する直前に形成しても同様の効果がえられた。
【００５３】なお、本発明において用いられる発光素子
は、その基板として、サファイアやＧａＮに限定され
ず、ＳｉＣ、等からなる、発光波長に対して透明な基板
を用いたものでも良い。
は、その基板として、サファイアやＧａＮに限定され
ず、ＳｉＣ、等からなる、発光波長に対して透明な基板
を用いたものでも良い。
【００５４】
【発明の効果】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光
素子、特にＬＥＤでは、透光性電極として金属膜が用い
られており、発光層からの発光は、この透光性電極を通
して行うことが必要であった。このため、外部への光取
り出しは、金属膜の材料と、膜厚による透過率に依存し
ていた。そこで、基板裏面に凹凸を形成することで従来
と比較して、基板側面より光を取り出せるようにするこ
とで容易にかつ歩留良く発光素子を提供することができ
た。
素子、特にＬＥＤでは、透光性電極として金属膜が用い
られており、発光層からの発光は、この透光性電極を通
して行うことが必要であった。このため、外部への光取
り出しは、金属膜の材料と、膜厚による透過率に依存し
ていた。そこで、基板裏面に凹凸を形成することで従来
と比較して、基板側面より光を取り出せるようにするこ
とで容易にかつ歩留良く発光素子を提供することができ
た。
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる発光ダイオー
ドの概略模式図である。
ドの概略模式図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係わる発光ダイオー
ドの概略模式図である。
ドの概略模式図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係わる発光ダイオー
ドの概略模式図である。
ドの概略模式図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係わる発光ダイオー
ドの概略模式図である。
ドの概略模式図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係わる発光ダイオー
ドの概略模式図である。
ドの概略模式図である。
【図６】本発明の半導体発光素子の光出力の駆動電圧依
存性である。
存性である。
【図７】本発明の実施例１の半導体発光素子の光出力の
Ｓｍ依存性である。
Ｓｍ依存性である。
【図８】従来例による発光ダイオードの概略模式図であ
る。
る。
１０１ サファイア基板 １０２ ＧａＮバッファ層 １０３ ｎ型ＧａＮ層 １０４ ＩｎＧａＮ活性層 １０５ ｐ型ＡｌＧａＮ層 １０６ ｐ型ＧａＮ層 １０７ 透光性電極 １０８ Ａｕ電極パツド １０９ ｎ型電極 ａ 一つの凸及びそれに隣り合う一つの凹 ｂ 凹凸の粗さ ｃ 凹凸の凸部の角度 ２０１ サファイア基板 ２０２ ＧａＮバッファ層 ２０３ ｎ型ＧａＮ層 ２０４ ＩｎＧａＮ活性層 ２０５ ｐ型ＡｌＧａＮ層 ２０６ ｐ型ＧａＮ層 ２０７ 透光性電極 ２０８ Ａｕ電極パツド ２０９ ｎ型電極 ３０１ サファイア基板 ３０２ ＧａＮバッファ層 ３０３ ｎ型ＧａＮ層 ３０４ ＩｎＧａＮ活性層 ３０５ ｐ型ＡｌＧａＮ層 ３０６ ｐ型ＧａＮ層 ３０７ 透光性電極 ３０８ Ａｕ電極パッド ３０９ ｎ型電極 ３１０ 反射膜 ４０１ サファイア基板 ４０２ ＧａＮバッファ層 ４０３ ｎ型ＧａＮ層 ４０４ ＩｎＧａＮ活性層 ４０５ ｐ型ＡｌＧａＮ層 ４０６ ｐ型ＧａＮ層 ４０７ 透光性電極 ４０８ Ａｕ電極パッド ４０９ ｎ型電極 ４１０ 接着剤 ４１１ 貼り付け用基板 ５０１ ＧａＮ基板 ５０２ ｎ型ＧａＮ層 ５０３ ＩｎＧａＮ活性層 ５０４ ｐ型ＡｌＧａＮ層 ５０５ ｐ型ＧａＮ層 ５０６ 透光性電極 ５０７ Ａｕ電極パツド ５０８ ｎ型電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辰巳 正毅 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 筆田 麻祐子 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA05 CA34 CA40 CA46 CA75 CA77 CA83 CA88 CB11 CB15
Claims (6)
- 【請求項１】 発光波長に対して透明基板と、基板とは
反対側に透光性電極を有する窒化物系化合物半導体発光
素子において、透明基板の裏面に凹凸を形成することを
特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記凹凸は、一つ以上形成され、凹凸の
平均間隔Ｓｍは、発光波長λｎｍとしたときに、１０λ
以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記
載の窒化物系化合物半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記凹凸は、一つ以上形成され、平均粗
さＲａは３００ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴
とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体発光素
子。 - 【請求項４】 前記凹凸は、凹凸の平均間隔をＳｍ、平
均粗さをＲａとしたときに、Ｓｍ：Ｒａが０．３以上６
以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系
化合物半導体発光素子。 - 【請求項５】 前記基板は、凹凸を形成した後にさらに
反射膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の窒
化物系化合物半導体発光素子。 - 【請求項６】 前記透明基板は、サファイア基板、Ｇａ
Ｎ基板であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物
系化合物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001168910A JP4046485B2 (ja) | 2001-06-05 | 2001-06-05 | 窒化物系化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001168910A JP4046485B2 (ja) | 2001-06-05 | 2001-06-05 | 窒化物系化合物半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002368261A true JP2002368261A (ja) | 2002-12-20 |
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ID=19011048
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001168910A Expired - Fee Related JP4046485B2 (ja) | 2001-06-05 | 2001-06-05 | 窒化物系化合物半導体発光素子 |
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Cited By (33)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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