JP2006253172A - 半導体発光素子、半導体発光装置及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 外部光取り出し効率が改善された半導体発光素子、半導体発光装置および半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 光を放出する発光層を含む半導体多層構造と、前記半導体多層構造の表面に設けられ、窒化アルミニウム内における前記光の媒質内波長の半分以下の平均ピッチの凹凸を有する窒化アルミニウム層１２と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子５を提供する。または、光を放出する発光層１８を含む半導体多層構造と、前記半導体多層構造の表面に設けられた窒化アルミニウム層１２と、を備え、前記窒化アルミニウム層１２を含む複数の凸部と、前記半導体多層構造の内部に侵入した複数の凹部と、からなる凹凸が形成されたことを特徴とする半導体発光素子５を提供する。
【選択図】 図２
【解決手段】 光を放出する発光層を含む半導体多層構造と、前記半導体多層構造の表面に設けられ、窒化アルミニウム内における前記光の媒質内波長の半分以下の平均ピッチの凹凸を有する窒化アルミニウム層１２と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子５を提供する。または、光を放出する発光層１８を含む半導体多層構造と、前記半導体多層構造の表面に設けられた窒化アルミニウム層１２と、を備え、前記窒化アルミニウム層１２を含む複数の凸部と、前記半導体多層構造の内部に侵入した複数の凹部と、からなる凹凸が形成されたことを特徴とする半導体発光素子５を提供する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、半導体発光素子、半導体発光装置及び半導体発光素子の製造方法に関し、特に、光外部取り出し効率が改善された半導体発光素子、これを用いた半導体発光装置及びこの半導体発光素子の製造方法に関する。
液晶ディスプレイ用バックライト、携帯電話のボタン照明、自動車のダッシュボード表示及び信号などに、高輝度・高外部取出し効率を有する半導体発光装置が要求されている。これらの半導体装置においては、半導体発光素子（以下、ＬＥＤ）が、パッケージ内にマウントされており、ＬＥＤチップを覆うように封止樹脂が充填されている。封止樹脂として、例えばエポキシ系樹脂やシリコーン樹脂が用いられることが多い。
エポキシ系樹脂の屈折率は約１．５である。一方、ＬＥＤとしては、可視光帯においては、主としてＩｎＧａＡｌＰ系材料が用いられ、紫外光〜青色光の波長帯においては、主としてＧａＮ系材料が用いられる。ＩｎＧａＡｌＰの屈折率は約３．３であり、ＧａＮの屈折率は約２．５であり、エポキシ系樹脂との屈折率差が大きいために、境界面での反射及び、スネルの法則に従った全反射が生じる。この結果、特に、ＬＥＤ上面における光外部取り出し効率が低くなる。
これに対して、ＬＥＤ表面に微小な凹凸を設けることにより、全反射を低減して、外部取り出し効率を改善する構造が提案されている（例えば、特許文献１）。この構造においては、凹凸のピッチが微小ではあるが、光の反射・屈折に関しては、光を直進する光束として扱う幾何光学に従う。この場合、凹凸断面において、光束がより広い角度に放射されることになるので、全反射される角度領域は狭くなり、光取り出し効率が改善される。ただし、微細加工プロセスの限界により、凹凸ピッチを１／２波長に対して充分に小さくすることは、極めて困難である
すなわち、上記例においては、電子線（ＥＢ）やＸ線を用いて描画した微細エッチングマスクを用いて、微小凹凸パターンが形成される。これは、高度かつ複雑なプロセスであり、特性の均一性・生産性・再現性に問題があった。
特開２００３−２０９２８３号公報
すなわち、上記例においては、電子線（ＥＢ）やＸ線を用いて描画した微細エッチングマスクを用いて、微小凹凸パターンが形成される。これは、高度かつ複雑なプロセスであり、特性の均一性・生産性・再現性に問題があった。
本発明は、外部光取り出し効率が改善された半導体発光素子、半導体発光装置および半導体発光素子の製造方法を提供するものである。
本発明の一態様によれば、
光を放出する発光層を含む半導体多層構造と、
前記半導体多層構造の表面に設けられ、窒化アルミニウム内における前記光の媒質内波長の半分以下の平均ピッチの凹凸を有する窒化アルミニウム層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
光を放出する発光層を含む半導体多層構造と、
前記半導体多層構造の表面に設けられ、窒化アルミニウム内における前記光の媒質内波長の半分以下の平均ピッチの凹凸を有する窒化アルミニウム層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、
光を放出する発光層を含む半導体多層構造と、
前記半導体多層構造の表面に設けられた窒化アルミニウム層と、
を備え、
前記窒化アルミニウム層を含む複数の凸部と、前記半導体多層構造の内部に侵入した複数の凹部と、からなる凹凸が形成されたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
光を放出する発光層を含む半導体多層構造と、
前記半導体多層構造の表面に設けられた窒化アルミニウム層と、
を備え、
前記窒化アルミニウム層を含む複数の凸部と、前記半導体多層構造の内部に侵入した複数の凹部と、からなる凹凸が形成されたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
また、本発明のさらに他の一態様によれば、
実装部材と、
前記実装部材の上にマウントされた上記いずれかの半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を封止する封止樹脂と、
を備えたことを特徴とする半導体発光装置が提供される。
実装部材と、
前記実装部材の上にマウントされた上記いずれかの半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を封止する封止樹脂と、
を備えたことを特徴とする半導体発光装置が提供される。
また、本発明のさらに他の一態様によれば、
発光層を含む半導体多層構造の表面に多結晶状の窒化アルミニウム層を形成する工程と、
前記窒化アルミニウム層をエッチングすることにより、前記多結晶を構成する結晶粒の分布に略対応した凹凸を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法が提供される。
発光層を含む半導体多層構造の表面に多結晶状の窒化アルミニウム層を形成する工程と、
前記窒化アルミニウム層をエッチングすることにより、前記多結晶を構成する結晶粒の分布に略対応した凹凸を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法が提供される。
本発明によれば、光外部取り出し効率が改善された半導体発光素子、半導体発光装置及び半導体発光素子の製造方法が提供される。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第一の具体例の半導体発光装置の全体構造を例示する模式図である。
図１は、本発明の第一の具体例の半導体発光装置の全体構造を例示する模式図である。
また、図２は、本具体例に設けられるＬＥＤ５の断面構造を例示する模式図である。
まず、図１に表した半導体発光装置について説明すると、ＬＥＤ５が、第一のリード３２の上に、金スズ（ＡｕＳｎ）など金属共晶半田や銀ペーストなどの接着剤（図示せず）によりマウントされている。ＬＥＤ５と、第二のリード３０と、はボンディングワイヤ３８によって接続されている。第一のリード３２と第二のリード３０は、例えば埋め込み樹脂３４に埋め込まれている。さらに、ＬＥＤを取り囲むように、樹脂３６が設けられている。ＬＥＤ５とボンディングワイヤ３８は、封止樹脂２６によって封止されている。ＬＥＤ５からの放射光の一部は、直接上方に放出され、また放射光の一部は樹脂３６の表面に設けられた反射膜４０により反射されて上方に放射される。
次に、ＬＥＤ５の構造について説明する。
図２に例示したように、基板２２の上に、クラッド層２０、活性層（発光層）１８、クラッド層１６、電流拡散層１４が積層された半導体多層構造が設けられている。電流拡散層１４上部の一部には上面電極１０が形成され、基板２２の下部には下面電極２４が形成されている。例えば、クラッド層１６、２０及び活性層１８はダブルへテロ構造により構成され、可視光〜赤外光の波長帯の光を放射する場合には、これら半導体層の材料としては、ＩｎＧａＡｌＰ系またはＡｌＧａＡｓ系が用いられる。基板２２としては、ＧａＰ基板やＧａＡｓ基板などを用いることができる。
一方、紫外光〜青色光の波長帯の光を放射する場合には、ダブルへテロ構造はＧａＮ系材料を用いて形成される。
図２に例示したように、基板２２の上に、クラッド層２０、活性層（発光層）１８、クラッド層１６、電流拡散層１４が積層された半導体多層構造が設けられている。電流拡散層１４上部の一部には上面電極１０が形成され、基板２２の下部には下面電極２４が形成されている。例えば、クラッド層１６、２０及び活性層１８はダブルへテロ構造により構成され、可視光〜赤外光の波長帯の光を放射する場合には、これら半導体層の材料としては、ＩｎＧａＡｌＰ系またはＡｌＧａＡｓ系が用いられる。基板２２としては、ＧａＰ基板やＧａＡｓ基板などを用いることができる。
一方、紫外光〜青色光の波長帯の光を放射する場合には、ダブルへテロ構造はＧａＮ系材料を用いて形成される。
電流拡散層１４にＩｎＧａＡｌＰ層を用いれば、屈折率は約３．３である。エポキシ系の封止樹脂２６の屈折率は約１．５なので、その差が大きく、界面での反射率が大きくなり、また全反射が起こりやすくなるため、外部への取り出し効率が高くできない。これに対して、本具体例においては、電流拡散層１４の上部で上面電極１０が設けられていない部分に凹凸を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１２が設けられている。窒化アルミニウム層１２の凹凸のピッチは、活性層１８から放出される光の窒化アルミニウム媒質内波長の１／２以下であり、凹凸の高さは５００ｎｍ以上とすることが望ましい。なお、媒質内波長は、（自由空間波長）／（屈折率）で表される。ここで、窒化アルミニウムの屈折率は、約２．０である。
窒化アルミニウム層１２の凹凸のピッチが媒質内波長の１／２以下の場合は、光が幾何光学に従い直進する光束であるとの法則は当てはまらなくなり、回折を生じる波動光学による取り扱いが必要となる。特に、凹凸ピッチが波長に比べて充分小さくなると、波動性はますます強まる。この結果、凹凸に対して、個々の領域でスネルの法則は成立せず、エポキシ系の封止樹脂２６と窒化アルミニウム層１２との間で屈折率が実効的に連続的に変化する媒質が満たされた領域として、放射光の反射及び透過を扱うことが妥当となる。実際、波動性に伴う回折現象を電磁気学的に厳密に計算することは、きわめて困難であるので、実効屈折率による扱いが望ましい。
また、後に詳述するように、窒化アルミニウム層１２の凹凸のピッチを媒質内波長の１／２以下とするためには、凹凸の高さを５００ｎｍとすることが望ましい。
図３は、窒化アルミニウム層１２の拡大断面図である。
窒化アルミニウム層１２がピッチＰ、高さＨの凹凸状に形成され、その上にはエポキシ系の封止樹脂２６が充填されている。縦軸Ｘは、電流拡散層１４と、ＡｌＮとの境界を原点とした上方への距離を表す。前述したように、凹凸の高さＨは、５００ｎｍ以上とすることが望ましく、ピッチＰは１／２波長以下とすることが望ましい。
このＬＥＤ５の場合、活性層１８から放射された光は、電流拡散層１４を通ってＡｌＮに入射される。発光波長を６６０ｎｍとし、屈折率２．０のＡｌＮを媒質と考えると、媒質内波長は６６０ｎｍ／２．０＝３３０ｎｍとなる。したがって、ピッチＰを、１６５ｎｍ以下とすることが望ましい。
窒化アルミニウム層１２がピッチＰ、高さＨの凹凸状に形成され、その上にはエポキシ系の封止樹脂２６が充填されている。縦軸Ｘは、電流拡散層１４と、ＡｌＮとの境界を原点とした上方への距離を表す。前述したように、凹凸の高さＨは、５００ｎｍ以上とすることが望ましく、ピッチＰは１／２波長以下とすることが望ましい。
このＬＥＤ５の場合、活性層１８から放射された光は、電流拡散層１４を通ってＡｌＮに入射される。発光波長を６６０ｎｍとし、屈折率２．０のＡｌＮを媒質と考えると、媒質内波長は６６０ｎｍ／２．０＝３３０ｎｍとなる。したがって、ピッチＰを、１６５ｎｍ以下とすることが望ましい。
このように、本実施例においては、発光波長と媒質の屈折率とを考慮して、ピッチＰが決定される。後に詳述するように、このピッチＰに相当する平均結晶粒径が得られるように、窒化アルミニウム層１２の層厚および成膜条件が決定される。
図４は、距離Ｘに対する実効屈折率Ｎの関係を例示するグラフ図である。
Ｘ＝０は、電流拡散層１４と窒化アルミニウム層１２との境界である。すなわち、Ｘ＝０は、電流拡散層１４を構成するＩｎＧａＡｌＰの屈折率３．３から、ＡｌＮの屈折率２．０に変化する境界である。しかし、Ｘ＝０においては、電流拡散層１４がエポキシ系の封止樹脂２６に接する場合よりも屈折率差が小さいので、低反射となる。
一方、Ｘ＝Ｘ２においては、実効屈折率Ｎは、１．５となり、Ｘ１〜Ｘ２間は、実効屈折率Ｎは、２．０と１．５の間でＸの関数として連続的に変化する。Ｘ＝Ｘ２における屈折率差は０．５と小さいので、ここでの反射はきわめて小さい。Ｘ１〜Ｘ２の領域は、光が波動光学的振る舞いをするために、個々の凹凸形状から幾何光学的に反射率が決まらない領域である。つまり、この領域は、連続的に屈折率が変化することから、グレーデッド・インデックス（Graded Index）領域と考えるのが妥当である。
Ｘ＝０は、電流拡散層１４と窒化アルミニウム層１２との境界である。すなわち、Ｘ＝０は、電流拡散層１４を構成するＩｎＧａＡｌＰの屈折率３．３から、ＡｌＮの屈折率２．０に変化する境界である。しかし、Ｘ＝０においては、電流拡散層１４がエポキシ系の封止樹脂２６に接する場合よりも屈折率差が小さいので、低反射となる。
一方、Ｘ＝Ｘ２においては、実効屈折率Ｎは、１．５となり、Ｘ１〜Ｘ２間は、実効屈折率Ｎは、２．０と１．５の間でＸの関数として連続的に変化する。Ｘ＝Ｘ２における屈折率差は０．５と小さいので、ここでの反射はきわめて小さい。Ｘ１〜Ｘ２の領域は、光が波動光学的振る舞いをするために、個々の凹凸形状から幾何光学的に反射率が決まらない領域である。つまり、この領域は、連続的に屈折率が変化することから、グレーデッド・インデックス（Graded Index）領域と考えるのが妥当である。
この結果、反射率が低減され、外部光取り出し効率が改善される。比較のために半導体レーザの例で説明する。半導体レーザにおいて、発光層と外部空間との間に、中間の屈折率を有する誘電体を設けることにより、反射率を低減することができる。
一般的に、半導体レーザからの端面放射の場合、半導体レーザの等価屈折率をＮＥ２、外部誘電体の等価屈折率をＮＥ１とすると、境界面での反射率Ｒは、下式により表される。
Ｒ＝（ＮＥ２−ＮＥ１）２／（ＮＥ２＋ＮＥ１）２ （１）
（１）式は、反射が屈折率差の２乗に依存することを意味する。従って、中間的屈折率を有する誘電膜を設けることによって、全体の反射率が低減できる。例えば、半導体レーザからは、位相のそろった平面波が端面から垂直に放射され、外部空間が空気の場合、通常約３０％の反射率である。これに対して、約１／４波長のＳｉＯ２を中間に設けることにより、反射率を約１０％まで低減できる。
Ｒ＝（ＮＥ２−ＮＥ１）２／（ＮＥ２＋ＮＥ１）２ （１）
（１）式は、反射が屈折率差の２乗に依存することを意味する。従って、中間的屈折率を有する誘電膜を設けることによって、全体の反射率が低減できる。例えば、半導体レーザからは、位相のそろった平面波が端面から垂直に放射され、外部空間が空気の場合、通常約３０％の反射率である。これに対して、約１／４波長のＳｉＯ２を中間に設けることにより、反射率を約１０％まで低減できる。
一方、ＬＥＤの場合は、インコヒーレント光であり、光は広範囲の角度にわたって放射される。したがって、定量的な算出は困難であるが、中間の屈折率層を設けることで、反射率を低減できることは、半導体レーザと同様である。
第一の具体例においては、図４に例示したようなグレーデッド・インデックス型の実効屈折率に従い、反射率が低減され、かつ、一様な媒質が充填されているとみなせるために全反射を大幅に低減できて、光の外部取り出し効率が改善される。
次に、本具体例にかかる半導体発光装置の製造方法について説明する。
図５乃至図８は、本具体例の半導体発光装置の製造工程の要部を例示する工程断面図及び断面写真である。なおここでは、可視光であるＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光装置を例にとり説明する。
図５乃至図８は、本具体例の半導体発光装置の製造工程の要部を例示する工程断面図及び断面写真である。なおここでは、可視光であるＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光装置を例にとり説明する。
まず、図５に例示したように、ＧａＡｓ基板２２の上に、クラッド層２０、活性層１８、クラッド層１６、電流拡散層１４を、この順序で結晶成長する。電流拡散層１４としては、例えばＩｎＧａＡｌＰ層を用い、その上に上面電極１０をパターン形成する。一方、基板２２の裏面には、下面電極２４を形成する。上面電極１０の上部にＳｉＯ２のような絶縁膜１３などを形成しておくと、後の工程で便利であるが、省略しても良い。
そしてさらに、電流拡散層１４及び上面電極１０（絶縁膜１３がその上に設けられる場合もある）の上に、スパッタリングあるいはＣＶＤ法などの方法を用いて、窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮ）膜１１を形成する。この時、六方晶であるＡｌＮは、基板の主面に対して垂直な方向の結晶軸がｃ軸となるように配向した柱状の多結晶体として形成される。本発明者の検討の結果によれば、ＡｌＮ膜１１の膜厚が５００ｎｍ以下の場合は、その平均結晶粒径は５０ｎｍ以下と小さく、この傾向は、堆積条件に大きくは依存しなかった。これは、ＡｌＮの融点が約３０００℃と高いことから、成長過程でマイグレーションが起こりにくいためであると考えられる。ＡｌＮ膜１１の膜厚を５００ｎｍ以上とすると、ｃ軸方向に結晶が成長しながら結晶粒径も大きくなり、平均粒径を１００ｎｍ程度にまで大きくできる。
図６は、ＡｌＮ膜１１の成膜後の断面の一例を表すＴＥＭ（transmission electron microscopy：透過型電子顕微鏡）写真である。
ＡｌＮ膜１１の成長条件の一例を挙げると、高周波スパッタ法による場合、Ａｒ／Ｎ２流量＝１５ｓｃｃｍ／１００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー＝５ｋＷ，圧力３．３ｍＰａ、基板温度＝２００℃である。膜厚が５００ｎｍ以上と大きいために、粒径が１００ｎｍ程度であることが、理解できる。
ＡｌＮ膜１１の成長条件の一例を挙げると、高周波スパッタ法による場合、Ａｒ／Ｎ２流量＝１５ｓｃｃｍ／１００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー＝５ｋＷ，圧力３．３ｍＰａ、基板温度＝２００℃である。膜厚が５００ｎｍ以上と大きいために、粒径が１００ｎｍ程度であることが、理解できる。
次に、図７に表したように、ＡｌＮ膜１１をエッチングして凹凸状のＡｌＮ層１２を形成する。
すなわち、ＡｌＮ膜１１の粒界を選択エッチングすることにより、凹凸状のＡｌＮ層１２を形成できる。エッチングの条件として、Ｃｌ２とＢＣｌ３のガス流量比をＣｌ２／ＢＣｌ３＞０．５とした条件下で、ＲＩＥ（reactive ion etching）を行うことで、ＡｌＮの結晶粒界に沿って選択的なエッチングを生じさせることができる。このように、結晶粒界を選択的にエッチングすることで、ＡｌＮをグレーデッド・インデックス状に加工できる。
すなわち、ＡｌＮ膜１１の粒界を選択エッチングすることにより、凹凸状のＡｌＮ層１２を形成できる。エッチングの条件として、Ｃｌ２とＢＣｌ３のガス流量比をＣｌ２／ＢＣｌ３＞０．５とした条件下で、ＲＩＥ（reactive ion etching）を行うことで、ＡｌＮの結晶粒界に沿って選択的なエッチングを生じさせることができる。このように、結晶粒界を選択的にエッチングすることで、ＡｌＮをグレーデッド・インデックス状に加工できる。
図８は、ＲＩＥ後のＡｌＮ層１２の断面の一例を表すＳＥＭ（scanning electron microscopy：走査型電子顕微鏡）写真である。
エッチング条件の一例を挙げると、ＲＩＥ法による場合、Ｃｌ２／ＢＣｌ３流量＝６０ｓｃｃｍ／１９ｓｃｃｍ、ＲＦパワー＝２００Ｗ，圧力＝２０ｍＴｏｒｒ（１５Ｐａ）とすることができる。このような条件でエッチングするとＡｌＮ膜１１の粒界に沿ってエッチングが進行する。その結果として、エッチングにより形成されるＡｌＮ層１２の凹凸の平均ピッチＰは、結晶粒径に対応した大きさになる。図８に表したように、凹凸のピッチＰの平均値は１００ｎｍ前後である。この凹凸が屈折率約２．０のＡｌＮで形成されている場合、発光波長が６６０ｎｍの赤色ＬＥＤであれば、凹凸の平均ピッチである１００ｎｍは、波長の約０．３倍に相当する。このような微細な凹凸を形成することにより、ＡｌＮ層１２の凹凸は、幾何光学的扱いよりも波動光学に基づいた扱い、すなわち、実効屈折率を持つ一様な媒質と等価に扱えることが理解される。この場合、Ｘ＞Ｘ２（図３参照）のエポキシ樹脂領域においては、媒質内波長は約４４０ｎｍとなるので、平均ピッチは、媒質内波長の約０．２３倍に相当することになる。
なお、ＲＩＥの代わりにＣＤＥ（chemical dry etching）や、アルカリ系のウェットエッチングによっても、結晶粒界の選択的なエッチングは可能である。
エッチング条件の一例を挙げると、ＲＩＥ法による場合、Ｃｌ２／ＢＣｌ３流量＝６０ｓｃｃｍ／１９ｓｃｃｍ、ＲＦパワー＝２００Ｗ，圧力＝２０ｍＴｏｒｒ（１５Ｐａ）とすることができる。このような条件でエッチングするとＡｌＮ膜１１の粒界に沿ってエッチングが進行する。その結果として、エッチングにより形成されるＡｌＮ層１２の凹凸の平均ピッチＰは、結晶粒径に対応した大きさになる。図８に表したように、凹凸のピッチＰの平均値は１００ｎｍ前後である。この凹凸が屈折率約２．０のＡｌＮで形成されている場合、発光波長が６６０ｎｍの赤色ＬＥＤであれば、凹凸の平均ピッチである１００ｎｍは、波長の約０．３倍に相当する。このような微細な凹凸を形成することにより、ＡｌＮ層１２の凹凸は、幾何光学的扱いよりも波動光学に基づいた扱い、すなわち、実効屈折率を持つ一様な媒質と等価に扱えることが理解される。この場合、Ｘ＞Ｘ２（図３参照）のエポキシ樹脂領域においては、媒質内波長は約４４０ｎｍとなるので、平均ピッチは、媒質内波長の約０．２３倍に相当することになる。
なお、ＲＩＥの代わりにＣＤＥ（chemical dry etching）や、アルカリ系のウェットエッチングによっても、結晶粒界の選択的なエッチングは可能である。
この後、絶縁膜１３、絶縁膜１３上のＡｌＮ層１２を除去することにより、図２に例示したＬＥＤ５が完成する。絶縁膜１３が無くとも、電極上のＡｌＮは選択エッチングによってほぼ除去できる。しかし、絶縁膜（例えばＳｉＯ２）１３を、上面電極１０の上に設けておけば、絶縁膜１３の除去工程の際に電極上のＡｌＮを残さずに除去して、ボンディングなどが一層容易となる。
次に、ＬＥＤ５をパッケージ内に組み込む。
図９は、パッケージ内にＬＥＤ５がマウントされた状態を表す断面図である。
ＬＥＤ５は、第一のリード３２の上に、金スズ（ＡｕＳｎ）などの金属共晶半田（図示せず）や、銀ペーストなどの接着剤によりマウントされる。さらに、ＬＥＤ５と、第二のリード３０と、をボンディングワイヤ３８にて接続する。その後、ＬＥＤ５とボンディングワイヤ３８を封止樹脂２６によって封止する。このようにして、図１に例示した半導体発光装置が完成する。
図９は、パッケージ内にＬＥＤ５がマウントされた状態を表す断面図である。
ＬＥＤ５は、第一のリード３２の上に、金スズ（ＡｕＳｎ）などの金属共晶半田（図示せず）や、銀ペーストなどの接着剤によりマウントされる。さらに、ＬＥＤ５と、第二のリード３０と、をボンディングワイヤ３８にて接続する。その後、ＬＥＤ５とボンディングワイヤ３８を封止樹脂２６によって封止する。このようにして、図１に例示した半導体発光装置が完成する。
ところで、ＡｌＮ層１２を凹凸状に形成するプロセスとしては、以上説明した方法以外にも考えられる。例えば、電子線（ＥＢ）や光の描画により作成した微細加工マスクを用いてＡｌＮ層を加工する方法がある。しかし、この微細加工プロセスは高度なフォトリソグラフィー技術を用いるので、生産性及びコストの点で不利である。
また一方、他のプロセスとして、ブロックコポリマーを用いる方法がある。すなわち、ポリスチレン（ＰＳ）相とポリメチレンメタクリレート（ＰＭＭＡ）相の相間の分離現象を利用して、微細なマスクを形成することが可能である。しかし、この方法の場合は、相間分離に長時間の熱処理が必要であり、また、マスクのサイズやピッチを制御することも容易ではない。つまり、スループットや生産性などの点で不利である。
また一方、他のプロセスとして、ブロックコポリマーを用いる方法がある。すなわち、ポリスチレン（ＰＳ）相とポリメチレンメタクリレート（ＰＭＭＡ）相の相間の分離現象を利用して、微細なマスクを形成することが可能である。しかし、この方法の場合は、相間分離に長時間の熱処理が必要であり、また、マスクのサイズやピッチを制御することも容易ではない。つまり、スループットや生産性などの点で不利である。
これに対して、本具体例においては、高度なフォトリソグラフィー技術や相間分離技術などを用いることなく、また加工が短時間であり、スパッタリングやＲＩＥのような生産性の高い製造装置により、１／２波長以下の微細な凹凸を形成できる。本具体例にかかるプロセスは、加工制御性と再現性にすぐれているので、半導体発光装置の特性が均一となる。また、高度のフォトリソグラフィー技術は必要ないので、生産性においても優れている。
なお、図２、図７などには、凹凸状のＡｌＮ層１２をＬＥＤ５の上面のみに設けた構造を例示したが、これには限定されず、例えば、凹凸状のＡｌＮ層１２をＬＥＤ５の側面にも設けてもよい。このようにすれば、ＬＥＤ５の側面における光の取り出し効率も改善できる。
次に、本発明の第二の具体例について説明する。
図１０は、本発明の第二の実施例にかかるＬＥＤの断面構造を表す模式図である。
本実施例においては、ＡｌＮ層１２とその直下の電流拡散層１４の表面層が凹凸状に形成されている。この構造は、図７に関して前述した第一の実施例のエッチング工程において、ＡｌＮ膜をエッチングして凹凸状に形成した後に、さらにエッチングを進行させて、その下の電流拡散層１４に凹凸を部分的に転写することにより得られる。すなわち、ＡｌＮ膜のエッチングを進行させて、隣接する凸部の間に電流拡散層１４を露出させる。その後、凸状のＡｌＮ層１２をエッチングマスクとして、電流拡散層１４の表面をエッチングする。このエッチングは、例えば、ＲＩＥにより実施できる。
図１０は、本発明の第二の実施例にかかるＬＥＤの断面構造を表す模式図である。
本実施例においては、ＡｌＮ層１２とその直下の電流拡散層１４の表面層が凹凸状に形成されている。この構造は、図７に関して前述した第一の実施例のエッチング工程において、ＡｌＮ膜をエッチングして凹凸状に形成した後に、さらにエッチングを進行させて、その下の電流拡散層１４に凹凸を部分的に転写することにより得られる。すなわち、ＡｌＮ膜のエッチングを進行させて、隣接する凸部の間に電流拡散層１４を露出させる。その後、凸状のＡｌＮ層１２をエッチングマスクとして、電流拡散層１４の表面をエッチングする。このエッチングは、例えば、ＲＩＥにより実施できる。
本具体例においては、ＡｌＮ層１２の凹凸形状を電流拡散層１４に部分的に転写することが重要なので、ＡｌＮ層１２と電流拡散層１４のエッチング選択比が１に近いことが望ましい。電流拡散層１４がＩｎＧａＡｌＰからなる場合には、例えば、ＢＣｌ３とＡｒガス、あるいはＳｉＣｌ４とＡｒガスとを用いてＲＩＥによりエッチングできる。このようなエッチングにより、電流拡散層１４とＡｌＮ層１２に、ピッチＰ及び高さＨがほぼ同様に保たれた凹凸が形成される。
図１１は、電流拡散層１４とＡｌＮ層１２に形成された凹凸を例示する模式図であり、図１２は、凹凸の部分における実効屈折率の変化を例示するグラフ図である。なお、これら図１１及び図１２においては、Ｘ＝０を凹凸の底部としている。
本実施例の場合、凹凸の下部においては、屈折率３．３のＩｎＧａＡｌＰ層と、屈折率１．５の封止樹脂２６とのグレーデッド・インデックス構造が形成され、凹凸の上部においては、屈折率２．０のＡｌＮ層１２と屈折率１．５の封止樹脂２６とのグレーデッド・インデックス構造が形成される。これら２種類のグレーデッド・インデックス構造の境界部、すなわち、電流拡散層１４とＡｌＮ層１２との境界部においては、屈折率が不連続的に変化するが、この変化は比較的小さいために、反射率の増大も比較的小さい範囲に抑えることができる。
本実施例の場合、凹凸の下部においては、屈折率３．３のＩｎＧａＡｌＰ層と、屈折率１．５の封止樹脂２６とのグレーデッド・インデックス構造が形成され、凹凸の上部においては、屈折率２．０のＡｌＮ層１２と屈折率１．５の封止樹脂２６とのグレーデッド・インデックス構造が形成される。これら２種類のグレーデッド・インデックス構造の境界部、すなわち、電流拡散層１４とＡｌＮ層１２との境界部においては、屈折率が不連続的に変化するが、この変化は比較的小さいために、反射率の増大も比較的小さい範囲に抑えることができる。
このように、本実施例においては、ＡｌＮ層１２の凹凸の一部を電流拡散層１４に転写することより、グレーデッド・インデックス構造を形成して光取り出し効率を改善することができる。
なお、本実施例においては、凹凸のピッチをＩｎＧａＡｌＰ媒質内波長の１／２以下とすることが望ましい。ＩｎＧａＡｌＰと、ＡｌＮと、封止樹脂と、ではＩｎＧａＡｌＰが屈折率が最も大きく、媒質内波長が最も短くなるからである。発光波長を６６０ｎｍとし、屈折率３．３のＩｎＧａＡｌＰを媒質と考えると、媒質内波長は６６０ｎｍ／３．３＝２００ｎｍとなる。したがって、凹凸のピッチＰを、１００ｎｍ以下とすることが望ましい。
一方、図１０には、ＡｌＮ層１２と電流拡散層１４の凹凸をＬＥＤの上面のみに設けた構造を例示したが、これには限定されず、例えば、このような凹凸をＬＥＤの側面にも設けてもよい。つまり、ＬＥＤの側面にＡｌＮ膜を形成し、これをエッチングして凹凸状に加工し、さらにエッチングを進行させて下地の半導体層に部分的に転写することにより、ＬＥＤの側面においても、同様の凹凸を形成できる。このようにすれば、ＬＥＤの側面における光の取り出し効率も改善できる。
次に、本発明の第三の具体例について説明する。
図１３は、本発明の第三の実施例にかかるＬＥＤの断面構造を表す模式図である。
本実施例においては、電流拡散層１４の表面層が凹凸状に形成されている。この凹凸構造１５は、図７に関して前述した第一の実施例のエッチング工程において、ＡｌＮ膜をエッチングして凹凸状に形成した後に、さらにエッチングを進行させて、その下の電流拡散層１４に凹凸を完全に転写することにより得られる。
図１３は、本発明の第三の実施例にかかるＬＥＤの断面構造を表す模式図である。
本実施例においては、電流拡散層１４の表面層が凹凸状に形成されている。この凹凸構造１５は、図７に関して前述した第一の実施例のエッチング工程において、ＡｌＮ膜をエッチングして凹凸状に形成した後に、さらにエッチングを進行させて、その下の電流拡散層１４に凹凸を完全に転写することにより得られる。
図１４は、本実施例のＬＥＤの製造工程の一部を例示する工程断面図である。
すなわち、同図（ａ）に表したようにＡｌＮ膜１１をエッチングして柱状結晶に対応する凹凸を形成する。さらにエッチングを進行させて、同図（ｂ）に表したように、隣接する凸部の間に電流拡散層１４を露出させ、凸状のＡｌＮ層１２をエッチングマスクとして、電流拡散層１４の表面をエッチングする。さらに凸状に残留したＡｌＮ層１２が除去されるまでエッチングを進行させる。このようにして、図１４（ｃ）に表したように、ＡｌＮ層１２の凹凸形状をその下地の電流拡散層１４に完全に転写することができる。このエッチングは、例えば、ＲＩＥにより実施できる。
すなわち、同図（ａ）に表したようにＡｌＮ膜１１をエッチングして柱状結晶に対応する凹凸を形成する。さらにエッチングを進行させて、同図（ｂ）に表したように、隣接する凸部の間に電流拡散層１４を露出させ、凸状のＡｌＮ層１２をエッチングマスクとして、電流拡散層１４の表面をエッチングする。さらに凸状に残留したＡｌＮ層１２が除去されるまでエッチングを進行させる。このようにして、図１４（ｃ）に表したように、ＡｌＮ層１２の凹凸形状をその下地の電流拡散層１４に完全に転写することができる。このエッチングは、例えば、ＲＩＥにより実施できる。
本具体例においても、ＡｌＮ層１２の凹凸形状を電流拡散層１４に転写することが重要なので、ＡｌＮ層１２と電流拡散層１４のエッチング選択比が１に近いことが望ましい。電流拡散層１４がＩｎＧａＡｌＰからなる場合には、例えば、ＢＣｌ３とＡｒガス、あるいはＳｉＣｌ４とＡｒガスとを用いてＲＩＥによりエッチングできる。このようなエッチングにより、ＡｌＮ層１２に形成された凹凸を電流拡散層１４に転写し、ピッチＰ及び高さＨがほぼ同様に保たれた凹凸が形成される。
図１５は、電流拡散層１４に形成された凹凸を例示する模式図であり、図１６は、凹凸の部分における実効屈折率の変化を例示するグラフ図である。これら図１５及び図１６においても、Ｘ＝０は凹凸の底部とされている。
本実施例の場合、凹凸の部分においては、屈折率３．３のＩｎＧａＡｌＰ層と、屈折率１．５の封止樹脂２６とのグレーデッド・インデックス構造が形成される。
本実施例の場合、凹凸の部分においては、屈折率３．３のＩｎＧａＡｌＰ層と、屈折率１．５の封止樹脂２６とのグレーデッド・インデックス構造が形成される。
電流拡散層１４が屈折率３．３のＩｎＧａＡｌＰである場合、波長６６０ｎｍの放射光の媒質内波長は、２００ｎｍとなる。凹凸の平均ピッチが図８に例示したように１００ｎｍであれば、これは、媒質内波長の約０．５倍に相当する。屈折率１．５のエポキシ樹脂内では、凹凸のピッチ１００ｎｍは、媒質内波長の約０．２３倍に相当する。
図１６に表したように、凹凸の最下部においては、実効屈折率はＩｎＧａＡｌＰの屈折率３．３に等しく、凹凸の最上部においては、実効屈折率は樹脂の屈折率１．５に等しく、その距離Ｘが０〜Ｈの範囲で、実効屈折率が連続的に変化するグレーデッド・インデックス構造が得られる。実効屈折率の変化の仕方は、凹凸の形状により決まる。この滑らかな屈折率変化により、ＬＥＤからの放射光に対する反射率を低減でき、高い光取り出し効率が得られる。
本発明者の試作検討の結果によれば、ＩｎＧａＡｌＰからなる電流拡散層１４の表面に凹凸形状を設けることにより、光の取り出し効率を約１４％ほど改善することができた。この改善の理由は、主として反射率の低減によると考えられる。
なお、本実施例においても、凹凸のピッチをＩｎＧａＡｌＰ媒質内波長の１／２以下とすることが望ましい。したがって、第２実施例に関して前述した如く、凹凸のピッチＰを、１００ｎｍ以下とすることが望ましい。
一方、半導体多層構造の上層に設けられる電流拡散層１４には、ＩｎＧａＡｌＰなどが用いられるが、電流拡散層１４と上面電極１０との間に、例えばＧａＡｓなどからなるコンタクト層が設けられてもよい。この場合は、ＧａＡｓコンタクト層にも凹凸が形成される。
また、図１３には、電流拡散層１４の表面のみに凹凸を設けた構造を例示したが、これには限定されず、例えば、このような凹凸をＬＥＤの側面にも設けてもよい。つまり、ＬＥＤの側面にＡｌＮ膜を形成し、これをエッチングして凹凸状に加工し、さらにエッチングを進行させて下地の半導体層に完全に転写することにより、ＬＥＤの側面においても、同様の凹凸を形成できる。このようにすれば、ＬＥＤの側面における光の取り出し効率も改善できる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら具体例に限定されるものではない。
例えば、ＬＥＤとして用いることができるものは、ＩｎＧａＡｌＰ系に限定されず、ＧａＮ系やＧａＡｌＡｓ系などの化合物半導体を用いたものであっても良い。
また、ＬＥＤから放射される光についても、可視光に限らず、紫外光であっても良い。紫外光や青色光と、封止樹脂中に分散配置された蛍光体との組み合わせにより、波長変換が行われ、白色光を得ることもできる。
その他、半導体発光装置を構成するＬＥＤ、封止樹脂、ＡｌＮなど各要素の形状、サイズ、材質、配置関係などに関して、当業者が各種の設計変更を加えたものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
１０ 上面電極
１１ 窒化アルミニウム膜
１２ 窒化アルミニウム層
１３ 絶縁膜
１４ 電流拡散層
１５ 凹凸構造
１６、２０ クラッド層
１８ 活性層
２２ 基板
２４ 下面電極
２６ 封止樹脂
３０、３２ リード
３４、３６ 樹脂
３８ ボンディングワイヤ
４０ 反射膜
１１ 窒化アルミニウム膜
１２ 窒化アルミニウム層
１３ 絶縁膜
１４ 電流拡散層
１５ 凹凸構造
１６、２０ クラッド層
１８ 活性層
２２ 基板
２４ 下面電極
２６ 封止樹脂
３０、３２ リード
３４、３６ 樹脂
３８ ボンディングワイヤ
４０ 反射膜
Claims (5)
- 光を放出する発光層を含む半導体多層構造と、
前記半導体多層構造の表面に設けられ、窒化アルミニウム内における前記光の媒質内波長の半分以下の平均ピッチの凹凸を有する窒化アルミニウム層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 光を放出する発光層を含む半導体多層構造と、
前記半導体多層構造の表面に設けられた窒化アルミニウム層と、
を備え、
前記窒化アルミニウム層を含む複数の凸部と、前記半導体多層構造の内部に侵入した複数の凹部と、からなる凹凸が形成されたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記凹凸の平均ピッチは、前記半導体多層構造の前記表面の半導体部分における前記光の媒質内波長の半分以下であることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
- 実装部材と、
前記実装部材の上にマウントされた請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を封止する封止樹脂と、
を備えたことを特徴とする半導体発光装置。 - 発光層を含む半導体多層構造の表面に多結晶状の窒化アルミニウム層を形成する工程と、
前記窒化アルミニウム層をエッチングすることにより、前記多結晶を構成する結晶粒の分布に略対応した凹凸を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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