JP2007157850A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基板と、基板上に形成された半導体部であって、基板上に形成された第1半導体層と、第1半導体層上に形成された発光層と、発光層上に形成された第2半導体層を含み、第2半導体層と発光層とを貫通し、第1半導体層に至るループ状凹部によって、その内側に画定された発光領域と、凹部を介して発光領域と隣接し凹部と反対側の端部が、第2半導体層、発光層、及び第1半導体層の少なくとも一部において基板の法線方向から傾いて形成された非発光領域とを備えた半導体部と、凹部に充填された絶縁性透明部材と、非発光領域において凹部と反対側の端部のうち基板法線方向から傾いて形成された部分上に形成され、第1半導体層と電気的に接続された第1電極と、発光領域において第2半導体層上に形成された第2電極を有し、発光層で発せられた光が基板側から取り出される半導体発光素子を提供する。
【選択図】 図3
Description
LEDの高出力化は、内部量子効率の向上、光取り出し効率の向上、パッケージ損失の低減、素子の放熱性向上などにより実現されてきた。
図9(A)及び(B)に示した構造のLEDを、約1mm2サイズで製作した場合、光取り出し効率の低下、不均一発光、電力効率の低下、発熱量の増加などの問題が発生する。
図10を参照して行った説明から理解されるように、半導体発光素子300の内部で発せられた光は、半導体発光素子300のサファイア基板面、及び半導体発光素子300端面より放出される。出力向上のために、たとえばLEDランプでは、反射ホーン301を用いて、半導体発光素子300端面より放出される光をランプ上面に誘導する。
そのため、LEDランプにおいては、出力および配光が、反射ホーン301の形状によって大きく左右される、反射ホーン301を配置するため、LEDランプのサイズや形状に制約が発生する、などの問題が生じる。また、n型窒化物半導体層の電極側の面より放出された光、発光層とp型窒化物半導体層の端面より放出された光が、迷光となりLEDランプの出力向上に寄与しないなどの問題も生じる。
フリップチップの光取り出し効率を向上させるために、発光領域の端面に多層反射膜を設ける構造(たとえば、特許文献1参照)、半導体層から透光性基板の端面に反射層を設ける構造(たとえば、特許文献2参照)、傾斜面に反射層を有する構造(たとえば、特許文献3参照)などが提案されている。
本図を参照して説明した電極分離溝225はアスペクト比(深さ0.65/幅2=0.325)が小さい。またV字形状に形成された各区画溝は、薬液や洗浄液の侵液性が良好である。このため、製造過程において、薬液の除去ムラや洗浄ムラが発生しにくい。
電極分離溝225は、p側電極205とn側電極204より供給されたホールと電子が、それぞれp型窒化物半導体層203、n型窒化物半導体層201を通って発光層202へ注入され発光が行われるように、p型窒化物半導体層203と発光層202とが、発光領域側と、電極分離溝225をはさんだ発光領域の外側とで、電気的に完全分離される深さに形成される必要がある。本願発明者らの検討によれば、リアクティブ・イオン・エッチング(reactive ion etching ; RIE)法を用いたエッチングでは、発光層202とn型窒化物半導体層201の境界面から0.1〜0.3μm程度の深さまでn型半導体層201を取除けば、電気的分離が完全に実現されることが確認された。
電極分離溝225の幅は、電極分離溝225に透光性絶縁部材207を充填可能である広さであることに加えて、フォトリソグラフィー工程で形成するレジストマスクの限界パターン幅より広いことが要求される。レジストマスクのパターン幅は、1〜1.5μm以上であれば製作することができた。歩留まりを考慮すると、たとえば深さが0.5μmの場合、幅2〜3μmに形成することが適当であろうと考えられる。
以下、電極分離溝225に窒化物半導体層198と屈折率が一致する、または近似する透光性絶縁部材207を充填することにより、電極分離溝225における透過率低下を防ぐことができる理由を簡単に説明する。
光は、一方の媒質(媒質1)から他方の媒質(媒質2)へ入射する際に、一部が反射され媒質1に戻り、残りが透過し媒質2へ進入する。垂直入射以外の光は屈折し進路を変える。
ここで、REは垂直電解の反射率、RHは垂直磁場の反射率、n1は媒質1の屈折率、n2は媒質2の屈折率を示す。
窒化物半導体結晶(媒質1)の屈折率は2.5である。透光性絶縁部材207を充填しない場合、媒質2は空気(屈折率は1.0)となる。また、酸化ケイ素、及び酸化チタンの屈折率はそれぞれ1.5、及び2.5である。したがって、透光性絶縁部材207を充填しない場合、透光性絶縁部材207として酸化ケイ素を用いた場合、透光性絶縁部材207として酸化チタンを用いた場合、伝搬(導波)光は、それぞれ界面で18.4%、6.3%、0%の割合で反射される。
また、本願発明者らの計算によると、上記3通りの場合の界面における光の透過率は、それぞれ66.6%、87.9%、100%となる。以上より、電極分離溝225に屈折率が窒化物半導体層198と一致する、または近似する値の透光性絶縁部材207を充填すると、溝部に入射する光の透過率低下を防ぐことができる。なお、電極分離溝225に屈折率1.4以上の材料を充填することで透過率を85%以上とすることができる。このように窒化物半導体層198の屈折率と、屈折率の差が1.1以下の材料を充填することが望ましい。
透光性絶縁部材207の充填は、p型窒化物半導体層203と発光層202との界面、及び、n型窒化物半導体層201と発光層202との界面を保護する効果もある。透光性絶縁部材207を充填することで、共晶工程、パッケージ工程、または実装工程の際に、溝部へ進入する汚れや、埃などの付着を防止することができる。このため歩留まりの向上にも役立つ。
たとえばn型窒化物半導体層201上にのみn側電極204を設ける構造の半導体発光素子においては、p型窒化物半導体層203端面、及び発光層202端面から放出される光を反射により利用すること、さらに基板200面側へ伝搬(導波)光を導くことが困難である。しかしながら、第1及び第2の実施例による半導体発光素子においては、n側電極204が、p型窒化物半導体層203、発光層202、n型窒化物半導体層201に渡る傾斜面上を含む領域に形成されているため、そのような困難性はない。
前述のように、発光層202から放射された光の多くは、窒化物半導体層198内を伝搬(導波)する。このことからも、伝搬(導波)光をより多く窒化物半導体層198端面に導く構造(透光性絶縁部材207を電極分離溝225に充填する構造)、及び、窒化物半導体層198端面により広く、入射角に依存しない反射電極を設ける構造を備える、第1及び第2の実施例による半導体発光素子が、優れた外部への光取り出し効率を有する半導体発光素子であることが理解される。
隙間被覆層216は、たとえば放射光が半導体素子部と支持基板部の接合隙間に漏れることを防止することができる。たとえば図8(B)を用いて後述するようなLEDランプにおいては、半導体素子部と支持基板部の接合隙間にアンダーフィルという樹脂を充填することがある。p側電極とn側電極の間より、半導体素子部と支持基板部の接合隙間に洩れる光は、素子全体の光量に対する割合は多くはないが、単位面積当たりの光密度は高く、樹脂(アンダーフィル)を劣化させやすい。隙間被覆層216は樹脂(アンダーフィル)劣化の防止にも寄与する。
隙間被覆層216は、セラミック、金属等で好ましく形成される。セラミック材料で形成する場合には、光反射率の高いセラミック材料を用いることが望ましい。たとえば積分球の反射材として用いられる、硫酸バリウム(BaSO4)または耐候性の高いアルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(SiN)、窒化ホウ素(BN)などを使用することが好ましい。
図6(A)及び(B)は、それぞれ第3に実施例による半導体発光素子の変形例を示す概略的な断面図である。両図に示した変形例においては、ともに隙間被覆層216が形成されていない点において共通する。
図6(A)を参照する。図6(A)に示す変形例においては、p側電極205が、透光性絶縁部材207上にも、n側電極204の上方の位置まで形成され、隙間被覆層216と同様の機能を果たす。
図6(B)を参照する。図6(B)に示す変形例においては、n側電極204が、透光性絶縁部材207上にも、p側電極205の上方の位置まで形成され、隙間被覆層216と同様の機能を果たす。
本願発明者らは、第1〜第3の実施例による半導体発光素子を作製し、比較例による半導体発光素子と特性の比較を行った。
表中の「比較LED1」とは、図9(A)及び(B)に断面を示した構造の、発光エリア数が1のLEDを指す。ダイサイズを0.3mm×0.3mmに形成し、20mAの電流を流して、発光を行った。
表中の「比較LED2」とは、図9(A)及び(B)に断面を示した構造の発光エリアが、第1の実施例のように9箇所形成されているLEDを指す。ダイサイズを1.0mm×1.0mmに形成し、350mAの電流を流して、発光を行った。
「実施例2のLED」及び「実施例3のLED」の値は、「比較LED1」の値の1.1倍である。また、「実施例1のLED」の値は、「比較LED2」の値の1.3倍である。第1〜第3の実施例による半導体発光素子においては、素子外部に取り出される光量が増加していることがわかる。
「比較LED1」の前面光束比が55%、「比較LED2」の前面光束比が65%であるのに対し、第1〜第3の実施例による半導体発光素子のそれは85%であることが確認された。素子外部に取り出される光量が増加しているだけではなく、サファイア基板表面から取り出される光の割合も増加していることがわかる。
「実施例1のLED」は、「比較LED2」と比較したとき、全光束、前面光束比、駆動電圧のすべてにおいて、性能の向上が見られる。全光束については3割増、前面光束については約7割増の改善が見られる。このことから、第1の実施例による半導体発光素子の有する構造は、0.3mm×0.3mmのレギュラーサイズ素子においてよりも、大電流・高出力タイプLEDである1mm×1mm素子において、高い効果を奏するということが可能である。
大型素子では、伝搬(導波)光の減衰量が大きい。光取り出し効率の向上(全光束の増加)は、伝搬(導波)光の伝搬路を区切るようにn側反射電極を格子状に配置し、減衰前に伝搬光が基板側に取出される構造としたことに主に起因すると考えられる。
また、配光性の向上(前面光束比の増加)は、n側反射電極の反射面の角度を、基板面を基準にして35°〜50°、望ましくは40°〜45°に形成することにより、n側反射電極に入射する光の入射角によらず、効果的に基板側に光を反射することができたことが主たる理由であると考えられる。
さらに、n側反射電極を格子状に配置した結果、素子面内に隈なく電流が拡散され、発光出力を高く、駆動電圧を低く抑えることができたものと考えられる。
アンダーフィル、またはサイドフィルについて、説明を追加する。図8(A)に示すLEDランプには、耐光性の高い樹脂(透光性樹脂302)を使用することができるが、図8(B)に示す超小型LEDランプを製作する場合、発光素子部と支持基板部の隙間が非常に狭いため耐光性の高い樹脂を使用することが難しい。このような狭い隙間を埋めるには、アンダーフィル、サイドフィルと呼ばれる浸透性の高い樹脂が用いられる。
21 窒化物半導体層
22 n側電極
23 p側電極
24 保護膜
30 支持基板
31 絶縁膜
32 p側引出し電極
33 接続部材
34 n側引出し電極
40 n型窒化物半導体層
41 発光層
42 p型窒化物半導体層
195 発光素子部
196 発光領域
198 窒化物半導体層
199 緩衝層
200 基板
201 n型窒化物半導体層
201a n型クラッド層
201b n型コンタクト層
202 発光層
203 p型窒化物半導体層
203a p型クラッド層
203b p型コンタクト層
204 n側電極
205 p側電極
207 透光性絶縁部材
208 n側電極露出部
210 支持基板
211 絶縁膜
212 n側引出し電極層
213 n側接続部材層
214 p側引出し電極層
215 p側接続部材層
216 隙間被覆層
220 輪郭溝
221 外周枠
222 外周枠区画溝
223 矩形部区画溝
224 外周枠切欠き部
225 電極分離溝
226 矩形部
300 半導体発光素子
301 反射ホーン
302 透光性樹脂
303 ランプ基板
304 p側ランプ引出し電極
305 n側ランプ引出し電極
306 半導体発光素子
307 アンダーフィル
310 半導体発光素子
Claims (17)
- 透光性を備えた基板と、
前記基板上に形成された半導体部であって、前記基板上に形成された第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成された発光層と、前記発光層上に形成された第2導電型の第2の半導体層とを含み、前記第2の半導体層と前記発光層とを貫通し、前記第1の半導体層に至るループ状の凹部によって、その内側に画定された発光領域と、前記凹部を介して前記発光領域と隣接し、前記凹部と反対側の端部が、前記第2の半導体層、前記発光層、及び前記第1の半導体層の少なくとも一部において、前記基板に近づくに従って幅が広がるように、前記基板の法線方向から傾いて形成された非発光領域とを備えた半導体部と、
前記凹部に充填された絶縁性の透明部材と、
前記非発光領域において、前記凹部と反対側の端部のうち、前記基板の法線方向から傾いて形成された部分上に形成され、前記第1の半導体層と電気的に接続された第1の電極と、
前記発光領域において、前記第2の半導体層上に形成された第2の電極と
を有し、
前記発光層で発せられた光が前記基板側から取り出される半導体発光素子。 - 前記第1の電極は、前記非発光領域において、前記第2の半導体上にも形成されている請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記透明部材は、前記第2の半導体層上及び前記第1の電極上にも延在し、前記第2の電極は、前記凹部の上方から前記第1の電極の上方に至る領域の前記透明部材上にも形成されている請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記透明部材は、前記第2の半導体層上及び前記第2の電極上にも延在し、前記第1の電極は、前記凹部の上方から前記第2の電極の上方に至る領域の前記透明部材上にも形成されている請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記透明部材は、前記第2の半導体層上、前記第1の電極上、及び、前記第2の電極上にも延在し、更に、前記第1の電極の上方、前記凹部の上方、及び前記第2の電極の上方に渡る領域の前記透明部材上に形成された非透明部材を有する請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部は、前記発光層と前記第1の半導体層との界面から、前記第1の半導体層に0.1μm以上の深さに形成された請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体部の屈折率と、前記透明部材の屈折率との差が1.1以下である請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記非発光領域の前記凹部と反対側の端部が、前記第2の半導体層、前記発光層、及び前記第1の半導体層の少なくとも一部において、前記基板面から35°〜50°傾いて形成されている請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記非発光領域の前記凹部と反対側の端部が、前記第2の半導体層、前記発光層、及び前記第1の半導体層の少なくとも一部において、前記基板面から40°〜45°傾いて形成されている請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1の電極は、前記発光層から発せられた光を60%以上の垂直入射反射率で反射する材料で形成されている請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の電極は、前記発光層から発せられた光を80%以上の垂直入射反射率で反射する材料で形成されている請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記非透明部材は、前記発光層から発せられた光を60%以上の垂直入射反射率で反射する材料で形成されている請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1導電型がn型である請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- (a)透光性基板と、前記透光性基板上に形成された半導体部であって、前記透光性基板上に形成された第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成された発光層と、前記発光層上に形成された第2導電型の第2の半導体層とを含む半導体部とを有する素子基板を準備する工程と、
(b)前記第2の半導体層上に画定される第1の閉曲線に沿って、前記第2の半導体層と前記発光層とを貫通し、前記第1の半導体層に至る凹部を形成するとともに、前記第1の閉曲線を囲むように、前記第2の半導体層上に画定される第2の閉曲線に沿って、前記第2の半導体層、前記発光層、及び前記第1の半導体層の少なくとも一部において、前記透光性基板に近づくに従って幅が広がるように、前記透光性基板の法線方向から傾いている傾斜面を形成する工程と、
(c)前記傾斜面上に、前記第1の半導体層と電気的に接続された第1の電極を形成し、前記第1の閉曲線の内部の前記第2の半導体層上に第2の電極を形成するとともに、前記凹部及びその近傍の前記第2の半導体層上に、透明部材層を形成する工程と
を有する半導体発光素子の製造方法。 - 前記工程(c)において、前記透明部材層を、前記第1の電極上、及び、前記第2の電極上にも形成し、更に、前記工程(c)が、前記第1の電極の上方、前記凹部の上方、及び前記第2の電極の上方に渡る領域の前記透明部材層上に非透明部材層を形成する工程を含む請求項14に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記工程(c)において、前記透明部材層を、前記第1の電極上にも形成し、前記第2の電極を、前記凹部の上方から前記第1の電極の上方に至る領域の前記透明部材層上にも形成する請求項14に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記工程(c)において、前記透明部材層を、前記第2の電極上にも形成し、前記第1の電極を、前記凹部の上方から前記第2の電極の上方に至る領域の前記透明部材層上にも形成する請求項14に記載の半導体発光素子の製造方法。
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