JP2005183911A - 窒化物半導体発光素子及び製造方法 - Google Patents

窒化物半導体発光素子及び製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
本発明は窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関し、本発明による発光素子は望まぬ方向に向かって消失される光を効果的に集束させ、発光効率を極大化させるばかりでなく、素子の側面にまで形成された電気的絶縁層により保護されるのでESD特性を大幅に向上させることができる。
【解決手段】
本発明は、窒化物半導体単結晶成長のための透光性基板と、上記基板上面に順次に形成された第1窒化物半導体層、活性層、及び第2窒化物半導体層を含む発光構造物と、上記基板の下面に形成され、第1屈折率を有する第1誘電体膜と第1屈折率より大きい第2屈折率を有する第2誘電体膜とが一対以上交互に積層されてなる誘電体ミラー層と、上記基板と上記発光構造物の外部側面に形成された側部絶縁体層と、を含む窒化物半導体発光素子を提供する。
【選択図】図2

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関するもので、より詳しくは高反射層を形成して発光損失を最少化させる同時に優れた静電気放電(ESD)特性を有する窒化物半導体発光素子とその製造方法に関するものである。
一般に、窒化物半導体発光素子は青色または緑色などの短波長光を生成してフルカラー具現を可能にした高出力光素子として、業界において大きな脚光を浴びている。窒化物半導体発光素子を構成する物質はAlxInyGa(1-x-y)N組成式(ここで0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有する半導体単結晶であり、こうした半導体単結晶はサファイア基板のように制限された窒化ガリウム成長用基板上において成長させることができる。
こうした窒化ガリウム成長用基板に主に用いられるサファイア基板は絶縁基板なので、基板背面に電極が形成されるGaAs系赤色発光素子と異なり、図1(a)のように二つの電極が結晶成長させられた半導体層上に形成される構造を有する。
図1(a)によると、窒化物半導体発光素子(10)はサファイア基板(11)とそのサファイア基板(11)上に順次に形成された第1窒化物半導体層(13)、活性層(15)、及び第2窒化物半導体層(17)を含む。また、先に説明したように、両電極とも半導体層上に形成するために、所定の領域に該当する第2窒化物半導体層(17)と活性層(15)をエッチングして半導体構造物をメサ構造に形成する。上記エッチング工程により露出した第1窒化物半導体層(13)と上記第2窒化物半導体層(15)の上面に第1及び第2電極(18a、18b)が配置される。
図1(a)の窒化物半導体発光素子(10)は図1(b)のように印刷回路基板(21)上に搭載させられた後樹脂(28)が塗布されることにより発光素子パッケージ(20)として製造されることができる。上記印刷回路基板(21)上には第1及び第2導電パターン(22a、22b)を含む所定の回路パターンが配置され、上記発光素子(10)は上記第2導電パターン(22b)上にAgのような導電性ペースト(16)を用いて接着され、上記発光素子(10)の電極(18b、18a)はワイヤ(24a、24b)を通して第1及び第2導電パターン(22a、22b)に夫々連結される。
図1(b)に示したパッケージ構造において、上記窒化物半導体発光素子から生成された光は所望の発光方向である上端部に向かうばかりでなく、透光性サファイア基板を透過して下方にも向かう。下方に向かう光は部分的に透過中吸収されて消滅し、他方の一部は発光素子(10)と第2導電パターン(22b)とを接合させる導電性ペースト層(16)に到達して上端部に反射されることもあるが、導電性ペースト層(16)にAgのような優れた反射率を有する物質を使用してもペースト層自体が均一な表面を成していないので、高い反射率は期待しがたく、むしろ不均一な表面により散乱し損失されかねない。
したがって、当技術分野においては適切な反射構造物を通して発光損失を最小化することにより、発光効率を極大化できる窒化物半導体発光素子及びその製造方法が要求されてきた。
本発明は上述した従来の技術の問題を解決するためのもので、その目的は誘電体ミラー層の高反射率特性を利用して発光損失を最少化するばかりでなく、その電気的絶縁特性によりESD特性が大きく改善される窒化物半導体発光素子を提供することにある。
また、本発明の他目的はウェーハレベルの窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
上記した技術的課題を成し遂げるために、本発明は、窒化物半導体単結晶成長のための透光性基板と、上記基板の上面に順次に形成された第1窒化物半導体層、活性層、及び第2窒化物半導体層を含む発光構造物と、上記基板の下面に形成され、第1屈折率を有する第1誘電体膜と第1屈折率より大きい第2屈折率を有する第2誘電体膜とが少なくとも一対交互に積層されてなる誘電体ミラー層と、上記基板と上記発光構造物の外部側面に形成された側部絶縁体層とを含んだ窒化物半導体発光素子を提供する。
好ましくは、上記側部絶縁体層は上記基板の下面に形成された誘電体ミラー層と同一な誘電体ミラー層であることができる。上記第1及び第2誘電体膜は夫々Si、Zr、Ta、Ti及びAlから成るグループから選択された元素の酸化物または窒化物であることが好ましい。上記第1及び第2誘電体膜は構成物質の屈折率と発光素子の波長に応じてやや異なるが、夫々約300Å〜約900Åの厚さを有することができる。
代表的に、上記第1及び第2誘電体膜は夫々SiO2膜とSi3N4膜であることができ、この場合上記SiO2膜は約600Å〜約800Åの厚さを有し、上記Si3N4膜は約400Å〜約600Åの厚さを有することができる。
本発明に用いられる誘電体ミラー層は、好ましくは少なくとも90%の反射率、より好ましくは少なくとも95%の反射率を有する。
本発明はウェーハレベルにおいて複数個の窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。上記方法は、窒化物半導体単結晶成長のための透光性ウェーハを用意する段階と、上記ウェーハ上に順次に積層された第1窒化物半導体層、活性層、及び第2窒化物半導体層を含んだ発光構造物を形成する段階と、個別発光素子の側面が露出するよう上記発光構造物が形成されたウェーハを発光素子の大きさに切断する段階と、上記各発光素子の下面と側面に上記第1屈折率を有する第1誘電体物質と第1屈折率より大きい第2屈折率を有する第2誘電体物質とを1回以上交互に積層する段階とを含む。上記方法の積層段階の結果、少なくとも上記発光素子の下面に積層された上記第1及び第2誘電体物質から成る膜は誘電体ミラー層を形成することになる。
ここで、上記発光構造物が形成されたウェーハを発光素子単位に切断する段階は、上記発光構造物の上面にテープを付着する段階と、上記ウェーハの下面に対して発光素子単位への切断工程を施す段階と、上記切断された発光素子の各側面が十分に露出するよう上記テープを引張する段階とで具現することができる。
また好ましくは、上記発光素子の側面に積層された第1誘電体物質と第2誘電体物質は上記発光素子の下面に積層された第1誘電体物質と第2誘電体物質とほぼ同一な厚さで同一回数繰り返し形成された同一な誘電体ミラー層であることができる。
上述したように、本発明によると、相異する屈折率を有する誘電体膜を交互に積層した、高反射率の誘電体ミラー層を素子の下面と共にその側面まで形成することにより望まない方向に消失される光を効果的に集束させ発光効率を極大化できるばかりでなく、素子の側面まで電気的絶縁層により保護でき、ESD特性を大きく向上させることができる。
以下、添付の図を参照しながら本発明をより詳しく説明する。
図2(a)は本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図である。
図2(a)によると、上記窒化物半導体発光素子(30)は窒化物半導体成長用透光性基板(31)とその基板(31)上に順次に形成された第1窒化物半導体層(33)、活性層(35)、及び第2窒化物半導体層(37)を含む。第1及び第2電極(38a、38b)は夫々メサエッチング工程により露出した第1窒化物半導体層(33)と上記第2窒化物半導体層(35)の上面に夫々形成される。
例えば、上記透光性基板(31)はサファイア基板であることができ、上記第1窒化物半導体層(33)はn型GaN層で具現することができる。また、上記活性層(35)は多重量子井戸(Multi-Quantum Well)構造のアンドープInGaN層からなることができ、上記第2窒化物半導体層(37)はp型GaN層とp型AlGaN層から構成することができる。
本発明による窒化物半導体発光素子(30)は素子の下面と外部側面に形成された誘電体ミラー層(39)を含む。上記誘電体ミラー層(39)は図2(b)に示したように、相異する屈折率を有する第1及び第2誘電体膜(39a、39b)が交互に積層され成り、これに限定されるわけではないが、3対で具現されている。上記第1誘電体膜(39a)は第1屈折率を有し、上記第2誘電体膜(39b)は第1屈折率より高い第2屈折率を有する。上記誘電体ミラー層(39)は発振波長に応じて適合な反射率を有するよう物質の種類、厚さ及び交番回数(対数)を設定することができる。
好ましくは、上記誘電体膜(39a、39b)はSi、Zr、Ta、Ti及びAlから成るグループから選択された元素の酸化物または窒化物であることができる。こうした誘電体物質は吸収率が0に近いので発光損失がほぼ無く、屈折率の差を利用した多層コーティング膜である誘電体ミラー構造を採用することにより高い反射率を得ることができる。本発明に用いることのできる誘電体ミラー層(39)は約80%、好ましくは90%、より好ましくは98%以上の反射率を得ることもできる。
上記第1及び第2誘電体膜(39a、39b)は窒化物半導体発光素子から発振される通常の波長範囲(約350〜550ｎｍ)を考慮して約300Å〜約900Åの厚さを有するよう形成することが好ましい。代表的に用いる誘電体膜にはSiO2膜とSi3N4膜が挙げられる。上記SiO2膜は上記Si3N4膜に比して相対的に低屈折率層を構成する膜に用いられる。上記SiO2膜と上記Si3N4膜は窒化物半導体発光素子の発振波長を考慮して夫々約600Å〜約800Å、約400Å〜約600Åの厚さで形成することが好ましい。下記表1は各発振波長に対して98%以上の高反射率を得るための誘電体ミラー層の構造を例示する。
Figure 2005183911
 上記表1に例示した条件から構成された誘電体ミラー層(39)は390ｎｍないし470ｎｍの発振波長に対して98%以上の高い反射率を有することが分かった。このように、本発明による誘電体ミラー層により素子下端部に進む光は不良な反射面により散乱したり吸収されることなく殆ど上方に反射して発光効率を向上させることができる。
また、本発明による半導体発光素子は側面に形成された追加的な絶縁層を有する。こうした絶縁層は電気的絶縁性を有する誘電体ミラー層と共に素子の外部面を保護する役目を果たす。即ち、図2(a)に示した発光素子(30)の側面が露出しサージ電圧により素子が破壊される恐れがあるが、側面まで絶縁層を形成することによりESD特性の優れた信頼性の良い発光素子を提供することができる。
上記側面絶縁層は誘電体ミラー層の形成工程と別途に異なる絶縁物質を素子の側面に限って形成してもよいが、図2(a)に示したように上記誘電体ミラー層形成時側面にも同一な誘電体ミラー層(39)に形成してもよい。
図3は本発明の窒化物半導体発光素子を含んだパッケージの断面図である。
図3によると、上記窒化物半導体発光素子パッケージ(40)は印刷回路基板(41)とその上に実装された窒化物半導体発光素子(30)とを含む。上記印刷回路基板(41)に実装された発光素子の周囲には透明な樹脂層(48)が形成される。
上記印刷回路基板(41)はその上面に用意された第1及び第2導電パターン(42a、42b)を含む。上記発光素子(30)はその側面と下面に形成された誘電体ミラー層(39)が具備され上記第2導電パターン(42b)上にAgのような導電性ペーストなどの接着剤(図示せず)を用いて接着される。また、上記発光素子(30)の電極(図2(a)の38b、38a)はワイヤ(44a、44b)を通して第1及び第2導電パターン(42a、42b)に夫々連結される。
本発明による発光素子(30)を用いたパッケージ(40)構造においては、上記窒化物半導体発光素子(30)から生成された光(a)は透光性であるサファイア基板を透過して下方に向かっても、上記接着剤による不均一な表面において散乱したり消失せず、高反射率を有する誘電体ミラー層(39)により上部に反射する。また、本発明の誘電体ミラー層(39)が側面まで形成されているので、発光素子の側面に向かう一部光(b)も上部に再反射することができる。したがって、本発明による発光素子においては高反射率を有する誘電体ミラー層を効果的に素子の側面まで形成させることにより、所望の方向に向かわず実質的に消滅する光を最小化して実質的な発光効率を極大化することができ、本パッケージに用いられた発光素子の側面と下面すべてが電気的絶縁性である誘電体ミラー層により保護されるので、ESD特性を向上させ高い素子信頼性を図ることができる。
図4(a)ないし図4(e)は本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための工程断面図である。ここに図示説明した窒化物半導体発光素子の製造方法はウェーハレベルの製造工程を示す。複数個の窒化物半導体発光素子を製造するためのウェーハレベル製造工程においては、本発明に用いる誘電体ミラー層をより容易に形成できる利点がより良く理解されるであろう。
先ず図4(a)のように、サファイアのような窒化物成長のための透光性ウェーハ(101)上に第1窒化物半導体層、活性層、及び第2窒化物半導体層を含んだ発光構造物(105)を形成する。上記発光構造物(105)が形成されたサファイアウェーハ(101)は点線で表示されたように、個別発光素子単位(110)に区分することができる。
次いで、図4(b)のように、上記各発光素子単位で第1窒化物半導体層の一部が露出するようメサエッチングにより露出した第1窒化物半導体層に第1電極(111a)を形成し、第2窒化物半導体層上に第2電極(111b)を形成する工程を行う。例えば、第2窒化物半導体層がp型窒化物半導体層である場合には、その上面に接触抵抗を改善するための別途の透明電極層を形成しボンディングメタルを形成してp側電極部を形成することもできる。
次に、上記発光構造物が形成されたウェーハを発光素子の大きさに切断して個別発光素子の側面を露出させ、所望の誘電体物質を利用して適切な誘電体ミラー層を形成する工程を行う。好ましくは、こうした工程は図4(c)と図4(e)に示した段階のように具現することができ、図4(c)のように上記発光構造物の上面にテープを付着する工程から始まる。テープが付着された結果物は切断工程が容易なよう反転状態で配置される。
次いで図4(d)のように、上記ウェーハの下面に対して切断工程を適用し発光素子単位で分離し、上記テープを引張することにより上記切断された発光素子の各側面を露出させる。上記各発光素子の下面と側面に上記第1屈折率を有する第1誘電体物質と第1屈折率より大きい第2屈折率を有する第2誘電体物質とを少なくとも1回交互に積層させる。本積層工程は誘電体ミラー層を得るために第1誘電膜と第2誘電体膜を所望の厚さに適宜に形成する方式で行われる。
図4(d)に示した誘電体膜積層工程を通して、図4(e)のように、上記発光素子の側面と下面に上記第1屈折率を有する第1誘電体膜と第2屈折率を有する第2誘電体膜とで成る誘電体ミラー層(119)が形成された複数個の発光素子(110)を得ることができる。本実施形態においては段差率を十分に克服可能な物質と工程を採用することにより、各発光素子の側面まで同一な誘電体ミラー層(119)を形成した場合を例示する。こうした形態においては、素子の側面においても反射率を向上させ発光効率より大きく向上させることができる。これと異なり、段差率により素子の側面に各誘電体膜が適切な厚さに形成されず誘電体ミラー層の反射効果を期待できなくても、少なくとも発光素子の側面に十分な絶縁層として塗布されることができるので、ESD特性を向上させ高い信頼性を有する発光素子が期待できるであろう。
(実施例)
本発明によるLEDの発光効率の向上を確認すべく、GaN LEDを製造した。
先ず、サファイア基板上にn型GaN層、多重量子井戸構造の活性層、p型GaN層を形成し、次に下面と側面に誘電体ミラー層を形成することにより図2(a)と同様なLED構造を製造した。本実施例による誘電体ミラー層は7対のAl2O3とSi3N4を交互に積層して構成し、Al2O3とSi3N4の各厚さは700Å、540Åにした。
(比較例)
本比較例においては、上記実施例と同一なGaN窒化物半導体LEDを製造しながら、別途の誘電体ミラー層は採用しなかった。
続いて、本発明による実施例と比較例の各輝度をチッププローバ(chip prober、日本国opto社製造)を利用して測定した後、その結果を図5に示した。図5からわかるように、本発明による実施例のLEDが約90.2％の輝度向上特性を示した。
本発明は上述した実施形態及び添付の図により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定されるもので、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者には自明であろう。
図1(a)は従来の窒化物半導体発光素子を示した断面図で、図1(b)は(a)のパッケージを示した断面図である。 図２(a)は本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図で、図2(b)は(a)の発光素子に用いられるミラー層の多層構造を示した断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子を含んだパッケージの断面図である。 図4(a)ないし(e)は本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための工程断面図である。 従来の比較例によるLEDと本発明の一実施例によるLEDの光出力を比較したグラフである。
符号の説明
31 サファイア基板
33 第1窒化物半導体層
35 活性層
37 第2窒化物半導体層
38a、38b 第1及び第2電極
39 誘電体ミラー層
41 印刷回路基板

Claims (17)

  1. 窒化物半導体単結晶成長のための透光性基板と、
    上記基板の上面に順次に形成された第1窒化物半導体層、活性層、及び第2窒化物半導体層を含んだ発光構造物と、
    上記基板の下面に形成され、第1屈折率を有する第1誘電体膜と第1屈折率より大きい第2屈折率を有する第2誘電体膜とが一対以上交互に積層されて成る誘電体ミラー層と、
    上記基板と上記発光構造物の外部側面に形成された側部絶縁体層と、を含んだ窒化物半導体発光素子。
  2. 上記側部絶縁体層は上記基板の下面に形成された誘電体ミラー層と同一な誘電体ミラー層であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 上記第1及び第2誘電体膜は夫々Si、Zr、Ta、Ti及びAlから成るグループから選択された元素の酸化物または窒化物であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 上記第1及び第2誘電体膜は夫々約300Å〜約900Åの厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 上記第1及び第2誘電体膜は夫々SiO2膜とSi3N4膜であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 上記SiO2膜は約600Å〜約800Åの厚さを有し、上記Si3N4膜は約400Å〜約600Åの厚さを有することを特徴とする請求項5に記載の半導体発光素子。
  7. 上記誘電体ミラー層は少なくとも90%の反射率を有することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 上記誘電体ミラー層は少なくとも95%の反射率を有することを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体発光素子。
  9. ウェーハレベルにおいて複数個の窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    窒化物半導体単結晶成長のための透光性ウェーハを用意する段階と、
    上記ウェーハ上に、順次に積層された第1窒化物半導体層、活性層、及び第2窒化物半導体層を含んだ発光構造物を形成する段階と、
    個別発光素子の側面が露出するよう上記発光構造物が形成されたウェーハを発光素子の大きさに切断する段階と、
    上記各発光素子の下面と側面に上記第1屈折率を有する第1誘電体物質と第1屈折率より大きい第2屈折率を有する第2誘電体物質とを1回以上交互に積層する段階と、を含み、
    これにより少なくとも上記発光素子の下面に積層された上記第1及び第2誘電体物質から成る膜は誘電体ミラー層を構成する窒化物半導体発光素子の製造方法。
  10. 上記発光構造物が形成されたウェーハを発光素子単位に切断する段階は、
    上記発光構造物の上面にテープを付着する段階と、上記ウェーハの下面に対して発光素子単位への切断工程を施す段階と、上記切断された発光素子の各側面が十分に露出するよう上記テープを引張する段階と、を含む請求項9に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  11. 上記発光素子の側面に積層された第1誘電体物質と第2誘電体物質は上記発光素子の下面に積層された第1誘電体物質と第2誘電体物質とほぼ同一な厚さで同一回数繰り返し形成された誘電体ミラー層であることを特徴とする請求項9に記載の窒化物発光素子の製造方法。
  12. 上記第1及び第2誘電体物質は夫々Si、Zr、Ta、Ti及びAlから成るグループから選択された元素の酸化物または窒化物であることを特徴とする請求項9に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  13. 上記第1及び第2誘電体物質から形成された膜は夫々約300Å〜約900Åの厚さを有することを特徴とする請求項9に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  14. 上記第1及び第2誘電体物質は夫々SiO2膜とSi3N4膜であることを特徴とする請求項9に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  15. 上記SiO2から成る膜は約600Å〜約800Å厚さを有し、上記Si3N4から成るた膜は約400Å〜約600Åの厚さを有することを特徴とする請求項13に記載の半導体発光素子の製造方法。
  16. 上記誘電体ミラー層は少なくとも90%の反射率を有することを特徴とする請求項9に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  17. 上記誘電体ミラー層は少なくとも95%の反射率を有することを特徴とする請求項16に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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