JP2008053263A - 発光素子及びこれを備えた光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射光の配光範囲を広くする。
【解決手段】直方体状に形成され平面視における最も短い辺の寸法が厚さに対して０．３〜０．６であるサファイア基板１０と、サファイア基板１０上に積層され発光層を有するIII族窒化物系化合物半導体層２０と、を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体層が形成された発光素子及びこれを備えた光源装置に関する。

従来から、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層した発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ等の発光素子が知られている。III族窒化物系化合物半導体層は、青色光或いは緑色光を発する発光層を有している。この発光素子は、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体層が積層されたウェハから複数のチップを切り出すことにより製造される（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、ウェハのサファイア基板側、一般式Ｇａ_ｘＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｎ（０≦X≦１）で表される半導体層側、または両側をスクライブして切断することが開示されている。特許文献１では、サファイア基板の厚さを１００〜２５０μｍとすることにより歩留率が向上するとされている。また、サファイア基板の最短辺が厚さよりも短いと、スクライブラインを引いた後、外力により切断する際に、切断面にクラック、チッピングが入りやすくなるとされている。

このような切断面のクラック、チッピングを防止するIII族窒化物系化合物半導体ウェハの切断方法として、特許文献２に記載のものが知られている。特許文献２に記載の切断方法は、ダイサーによりIII族窒化物系系化合物半導体層の上からサファイア基板に溝を切り込んでおき、サファイア基板の厚さを研磨により薄くした後に、予め形成されたサファイア基板の溝の上からスクライバーによりスクライブラインを入れるというものである。特許文献２では、研磨後にサファイア基板の厚さが５０μｍより薄いと、ウェハ全体が割れ易くなったり、ウェハに反りが生じたりするため、スクライブすることが困難になるとされている。また、サファイア基板の厚さが３００μｍよりも厚いと、細かいチップが出来難くなり、チップの分離が困難になるとされている。
特開平５−１６６９２３号公報 特開平５−３１５６４６号公報

しかしながら、特許文献１及び２では、サファイア基板の厚さがスクライブ加工に適した寸法に限定され、発光素子から出射される光の配光範囲については考慮されていない。すなわち、スクライブ加工によりウェハを分割するため、サファイア基板を所定の厚さ寸法以上にすることができず、サファイア基板の厚さが薄くなってしまう。このようにサファイア基板の厚さが薄くなると、発光素子から出射される光の配光範囲の角度が狭くなる傾向にある。光の配光範囲が狭い場合は、発光素子を封止する樹脂等の外面をレンズ状に形成したり、発光素子の外側に透明なレンズ部材を配置するなどして、他の光学機能部材等を用いて配光範囲を広げる必要があり、発光素子を備える光源装置の部品に設計上の制約が加わって実用上不利となる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出射光の配光範囲を広くすることのできる発光素子及びこれを備えた光源装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、
直方体状に形成され、平面視における最も短い辺の寸法に対して厚さが０．３〜０．６であるサファイア基板と、
前記サファイア基板上に積層され、発光層を有するIII族窒化物系化合物半導体層と、を備えたことを特徴とする発光素子が提供される。

本願発明者は、鋭意検討の結果、平面視における最も短い辺の寸法に対して厚さが０．３〜０．６であるサファイア基板を用いると、他の寸法のサファイア基板に比して出射光の配光範囲が広くなることを見出した。

また、前記目的を達成するため、本発明では、
上記発光素子と、
前記発光素子が実装される実装基板と、を備えたことを特徴とする光源装置が提供される。

この光源装置によれば、出射光の配光範囲が広い上記発光素子を備えているので、他の光学機能部材により配光範囲を広げる必要がなくなるか、若しくは、他の光学機能部材による配光範囲を広げる角度を小さくすることができる。

また、上記光源装置において、
前記発光素子は、前記実装基板にフリップチップ実装されることが好ましい。

この光源装置によれば、発光素子がフリップチップ実装されることから、III族窒化物系化合物半導体層側が実装基板側となるので、発光層にて生じた熱を実装基板へ放散することができる。
また、光の主取出面がサファイア基板側となりサファイア基板を通じて発光層からの光を取り出す必要があるところ、サファイア基板が上記の寸法に形成されていることから、発光素子をフリップチップ実装した従来のものに比して、光量が格段に向上する。

また、上記光源装置において、
前記発光素子は、前記実装基板にフェイスアップ実装されることが好ましい。

この光源装置によれば、発光素子がフェイスアップ実装されることから、実装基板側へ出射される光について配光範囲が広がるので、当該光を実装基板に反射させることができ、実装基板側へ出射される光の取り出し効率が向上する。

本発明によれば、出射光の配光範囲を広くすることができ、例えば照明等のように周囲に対して角度によらず均一な光を出射する光源装置に発光素子を用いる場合に、他の光学部品に要求される光学性能を緩和したり、他の光学部品を省略することができ、実用に際して極めて有利である。

図１から図５は本発明の一実施形態を示すもので、図１はＬＥＤ素子の概略模式断面図である。

図１はＬＥＤ素子の模式断面図である。以下、ＬＥＤ素子１の構成について説明する。
図１に示すように、発光素子としてのＬＥＤ素子１は、サファイア基板１０と、サファイア基板１０上に積層されたIII族窒化物系化合物半導体層２０と、を備えている。本実施形態においては、ＬＥＤ素子１はフリップチップ型である。III族窒化物系化合物半導体層２０は、バッファ層２１、ｎ型層２２、発光層を含む層２３及びｐ型層２４がこの順でサファイア基板１０上に形成されている。そして、ＬＥＤ素子１は、ｐ電極２５がｐ型層２４上に形成され、ｎ電極２６がｎ型層２２上に形成されている。ＬＥＤ素子１は、ｐ電極２５及びｎ電極２６が電力が供給されると、発光層を含む層２３から青色領域にピーク波長を有する光を出射する。

ここで、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ、Ａｌ_ＸＩｎ_１−ＸＮ及びＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ（以上において０＜Ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。すなわち、III族窒化物系化合物半導体として、窒化ガリウム系化合物半導体を例示することができる
。ここで、III族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。

本実施形態においては、バッファ層２１はＡｌＮからなり、ｎ型層２２はｎ型不純物としてＳｉをドープしたＧａＮからなり、ｐ型層２４はｐ型不純物としてＭｇをドープしたＧａＮからなる。バッファ層２１はこれに限定されることはなく、材料としてはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いてもよい。また、ｎ型層２２及びｐ型層２４をＧａＮで形成しているが、これらを形成するのにＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮを用いてもよい。さらに、ｎ型不純物としてＧｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いてもよいし、ｐ型不純物としてＺｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いてもよい。

また、発光層を含む層２３は、多重量子井戸構造をとっており、ＩｎＧａＮからなる複数の発光層と、これらの間に介在しＧａＮからなるバリア層とを有している。発光層とバリア層については、発光波長に応じてＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮが適宜選択される。

また、ｐ電極２５は、金を含む材料で構成されており、ｐ型層２５の上に蒸着により形成される。ｎ電極２６は、ＡｌとＶの２層で構成され、ｐ型層２４を形成した後、ｐ型層２４、発光層を含む層２３及びｎ型層２２の一部をエッチングにより除去し、蒸着によりｎ型層２３上に形成される。ここで、ｐ電極２５及びｎ電極２６の材質もまた適宜に変更が可能である。

図２は、ＬＥＤ素子の模式外観斜視図である。
図２に示すように、サファイア基板１０は、平面視にて正方形を呈する直方体状に形成される。ここで、サファイア基板１０の厚さｄは、サファイア基板１０の研磨状態を調整することにより任意に設定することができる。また、サファイア基板１０の側面１０ａはレーザ加工により形成されており、平面視における一辺の長さａもまた任意に設定することができる。

以上のように構成されたＬＥＤ素子１において、サファイア基板１０の厚さｄと一辺の長さａを変化させて取得したデータを図３及び図４に示す。図３の横軸は一辺の長さａに対する厚さｄの割合であり、縦軸はＬＥＤ素子１から出射される光の配光角度の相対値である。また、図４の横軸は一辺の長さａに対する厚さｄの割合であり、縦軸はＬＥＤ素子１から出射される光の全体光量の相対値である。

ここで、図３及び図４のデータを取得する手順を説明する。まず、一辺の長さａに対する厚さｄが異なるサファイア基板１０のＬＥＤ素子１を複数作成し、作成されたＬＥＤ素子１ごとにから出射された光の強度を光度測定積分球にて測定する。図５に示すように、ＬＥＤ素子１の発光部分からサファイア基板１０に対して垂直な方向を０°とし、この垂直方向を基準としＬＥＤ素子１の発光部分を中心にして−９０°から＋９０°までの範囲の光の強度を取得する。ここで、図５はデータ取得の実験状態を示す説明図である。このとき取得された光の強度のうち、最大値に対する所定割合の強度が得られている角度を求めてこれを配光角度とする。本実施形態においては、光の強度の最大値を１としたときに、相対的に０．８の強度が得られている角度を配光角度としている。そして、横軸における所定値を基準とし、配光の相対角度を縦軸としたものが図３である。また、横軸における所定値を基準とし、全光量の相対値を縦軸としたものが図４である。

ここで、図３及び図４には、上述のようにして取得された実験値とともに本願発明者による解析値を示している。解析値については、光線追跡方法を用い、模擬的にＬＥＤ素子１における光学系を設定することにより取得した。図３に示すように、厚さｄの寸法ａに対する割合が０．３〜０．６の範囲で上方に凸となる曲線が得られ、この範囲で配光角度が良好となっている。

このように、本実施形態のＬＥＤ素子１によれば、厚さｄの寸法ａに対する割合を０．３〜０．６とすることにより、出射光の配光範囲を広くすることができる。

ここで、図６はＬＥＤ素子を実装基板にフリップチップ実装した光源装置の模式図である。また、図８は従来のＬＥＤ素子を実装基板にフリップチップ実装した光源装置の模式図であって、（ａ）は光がサファイア基板内と半導体層内へ繰り返し進入して減衰する状態を示し、（ｂ）は光がサファイア基板内から半導体層内へ進入した光が半導体層内に閉じ込められて減衰する状態を示している。

図６に示すように従来のＬＥＤ素子３０２（図８参照）に比して厚さｄの割合が一辺の長さａに対して大きく形成されていることから、図６中の矢印に示すように、III族窒化物系化合物半導体層２０から出射した光がサファイア基板１０の底面１０ｂに到達する前に側面１０ａに到達する確率が高く、サファイア基板１０の底面１０ｂにて全反射する光量を減じられ、従来に比して光取り出し効率が向上している。

ここで、図８の光源装置３００は、サファイア基板３０３及びIII族窒化物系化合物半導体層３０４を有する従来のＬＥＤ素子３０２が実装基板３０１に搭載されている。ここで、図８の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、半導体層３０４から出射してサファイア基板３０３内を進む光が、サファイア基板３０３の半導体層３０４と反対側の表面へ入射角θ_１をもって進入し、この光が反射して半導体層３０４へ入射する状態を示している。ここで、サファイア基板３０３の屈折率をｎ_３とし、サファイア基板３０３と隣接する部材（例えば、空気、封止部材等）の屈折率をｎ_１とすると、サファイア基板３０３における半導体層３０４と反対側の表面で反射する条件は、θ_１＞ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_１）である。
図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体層３０４へ入射した光は、サファイア基板３０３と半導体層３０４の界面で屈折した後、半導体層３０４内を進んで実装基板３０１にて全反射し、サファイア基板３０３へ入射角θ_２をもって進入する。このときに光がサファイア基板３０３へ進入する条件は、半導体層３０４の屈折率をｎ_２とすると、θ_２＜ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ_２）である。この場合、図８（ａ）に示すように、光はサファイア基板３０３内と半導体層３０４内へ繰り返し進入して減衰する。また、θ_２＞ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ_２）である場合、図８（ｂ）に示すように、光は半導体層内に閉じ込められて減衰する。このように、従来のフリップチップ型のＬＥＤ素子３０２では、III族窒化物系化合物半導体層３０４から出射された光は、ＬＥＤ素子３０２内で全反射及び屈折を繰り返し、減衰した状態で外部へ放射されるため、光取り出し効率が悪い。

また、図６に示すように、この光源装置１０１によれば、ＬＥＤ素子１がフリップチップ実装されることから、III族窒化物系化合物半導体層２０側が実装基板１０１側となるので、発光層を含む層２３にて生じた熱を実装基板１０１へ放散することができる。
また、光の主取出面がサファイア基板１０側となりサファイア基板１０を通じて発光層を含む層２３からの光を取り出す必要があるところ、サファイア基板１０が前述の寸法に形成されていることから、ＬＥＤ素子１をフリップチップ実装した従来のものに比して、光量が格段に向上する。

尚、前記実施形態においては、ＬＥＤ素子１がフリップチップ型であるものを示したが、例えば、図７に示すように、ＬＥＤ素子１はフェイスアップ型であってもよいことは勿論である。図７は変形例を示しＬＥＤ素子を実装基板にフェイスアップ実装した光源装置の模式図である。また、図９は従来のＬＥＤ素子を実装基板にフェイスアップ実装した光源装置の模式図であって、（ａ）は光がサファイア基板内と半導体層内へ繰り返し進入して減衰する状態を示し、（ｂ）は光がサファイア基板内から半導体層内へ進入した光が半導体層３０４内に閉じ込められて減衰する状態を示している。

図７の光源装置２００は、実装基板２０１にＬＥＤ素子１が実装されている。ここでは特に図示していないが、ＬＥＤ素子１のｐ型層２４上には透明電極層が形成され、ｐ電極２５は透明電極層上に形成されている。この光源装置２００では、実装基板２０１側へ出射される光について配光範囲が広がるので、当該光を実装基板２０１に反射させることができ、実装基板２０１側へ出射される光の取り出し効率が向上する。

また、図７に示すように従来の発光素子（図９参照）に比して厚さｄの割合が一辺の長さａに対して大きく形成されていることから、図７中の矢印に示すように、III族窒化物系化合物半導体層２０から出射した光がサファイア基板１０の底面１０ｂに到達する前に側面１０ａに到達する確率が高く、サファイア基板１０の底面１０ｂにて全反射する光量を減じられ、フェイスアップ実装の場合であっても従来に比して光取り出し効率が向上している。

ここで、図９の光源装置４００は、サファイア基板４０３及びIII族窒化物系化合物半導体層４０４を有する従来のＬＥＤ素子４０２が実装基板４０１に搭載されている。ここで、図９の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、半導体層４０４から出射してサファイア基板４０３内を進む光が、実装基板４０１にて反射した後に半導体層４０４内を進む状態を示している。そして、半導体層４０４内へ進入した光は、半導体層４０４のサファイア基板４０３と反対側の表面へ入射角θ_１をもって進入する。ここで、半導体層４０４の屈折率をｎ_２とし、半導体層４０４と隣接する部材（例えば、空気、封止部材等）の屈折率をｎ_３とすると、半導体層４０４におけるサファイア基板４０３と反対側の表面で反射する条件は、θ_１＞ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２）である。図９（ａ）及び（ｂ）には、この条件を満たすものをそれぞれ図示している。
半導体層４０４におけるサファイア基板４０３と反対側の表面で反射した光は、サファイア基板４０３へ入射角θ_１をもって進入する。このときに光がサファイア基板４０３へ進入する条件は、サファイア基板４０３の屈折率をｎ_１とすると、θ_１＜ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ_２）である。この場合、図９（ａ）に示すように、光はサファイア基板４０３内と半導体層４０４内へ繰り返し進入して減衰する。また、θ_１＞ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ_２）である場合、図９（ｂ）に示すように、光は半導体層４０４内に閉じ込められて減衰する。このように、従来のフェイスアップ型のＬＥＤ素子４０２では、III族窒化物系化合物半導体層４０４から出射された光は、ＬＥＤ素子４０２内で全反射及び屈折を繰り返し、減衰した状態で外部へ放射されるため、光取り出し効率が悪い。

また、前記実施形態においては、ＬＥＤ素子１のサファイア基板１０が平面視にて正方形状に形成されたものを示したが、平面視にて長方形状に形成されるものであってもよい。この場合、平面視における短辺の寸法に対して厚さが０．３〜０．６であれば、出射光の配光範囲を広くすることができる。また、青色光を発するＬＥＤ素子１に本発明を適用したものを示したが、例えば緑色光を発するＬＥＤ素子であってもよいし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明の一実施形態を示すＬＥＤ素子の概略模式断面図である。 ＬＥＤ素子の模式外観斜視図である。 横軸をサファイア基板の一辺の長さａに対する厚さｄの割合とし、縦軸をＬＥＤ素子から出射される光の配光の相対角度としたグラフである。 横軸をサファイア基板の一辺の長さａに対する厚さｄの割合とし、縦軸をＬＥＤ素子から出射される光の全光量の相対値としたグラフである。 データ取得の実験状態を示す説明図である。 ＬＥＤ素子を実装基板にフリップチップ実装した光源装置の模式図である。 変形例を示しＬＥＤ素子を実装基板にフェイスアップ実装した光源装置の模式図である。 従来のＬＥＤ素子を実装基板にフリップチップ実装した光源装置の模式図であって、（ａ）は光がサファイア基板内と半導体層内へ繰り返し進入して減衰する状態を示し、（ｂ）は光がサファイア基板内から半導体層内へ進入した光が半導体層内に閉じ込められて減衰する状態を示している。 従来のＬＥＤ素子を実装基板にフェイスアップ実装した光源装置の模式図であって、（ａ）は光がサファイア基板内と半導体層内へ繰り返し進入して減衰する状態を示し、（ｂ）は光がサファイア基板内から半導体層内へ進入した光が半導体層内に閉じ込められて減衰する状態を示している。

符号の説明

１ ＬＥＤ素子
１０ サファイア基板
１０ａ 側面
１０ｂ 底面
２０ III族窒化物系化合物半導体層
２１ バッファ層
２２ ｎ型層
２３ 発光層を含む層
２４ ｐ型層
２５ ｐ電極
２６ ｎ電極
１００ 光源装置
１０１ 実装基板
２００ 光源装置
２０１ 実装基板

Claims (4)

1. 直方体状に形成され、平面視における最も短い辺の寸法に対して厚さが０．３〜０．６であるサファイア基板と、
   前記サファイア基板上に積層され、発光層を有するIII族窒化物系化合物半導体層と、を備えたことを特徴とする発光素子。
2. 請求項１に記載の発光素子と、
   前記発光素子が実装される実装基板と、を備えたことを特徴とする光源装置。
3. 前記発光素子は、前記実装基板にフリップチップ実装されることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記発光素子は、前記実装基板にフェイスアップ実装されることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。