JP2017050328A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実施形態は、光取り出し効率を向上させた半導体発光装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体発光装置は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を含む発光体と、前記発光体上に設けられ、蛍光体を含む蛍光体層と、前記蛍光体層上に設けられ、前記発光層および前記蛍光体の放射光を透過する透明層と、前記透明層の上に設けられた複数の突起と、を備える。
【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体発光装置に関する。

半導体発光装置は、半導体中に設けられた発光層を備える。半導体発光装置の高輝度化のためには、半導体から外部へ発光層の放射光を取り出すことが重要である。例えば、半導体と外部との境界において、半導体側から臨界角よりも大きな角度を持って入射する光は全反射される。このため、発光層から放射される光の全てを外部に取り出すことはできない。半導体表面を粗面化し、樹脂層などの低屈折率材料によりその表面を覆うことにより、外部に取り出される光の割合を大きくすることが可能である。しかしながら、これではまだ十分とは言えない。そこで、発光層から放射される光をさらに効率良く取り出す技術が必要とされている。

特開２０１２−１９５４０２号公報

実施形態は、光取り出し効率を向上させた半導体発光装置を提供する。

実施形態に係る半導体発光装置は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を含む発光体と、前記発光体上に設けられ、蛍光体を含む蛍光体層と、前記蛍光体層上に設けられ、前記発光層および前記蛍光体の放射光を透過する透明層と、前記透明層の上に設けられた複数の突起と、を備える。

第１実施形態に係る半導体発光装置を示す模式断面図である。 第１実施形態に係る半導体発光装置の製造過程を示す模式断面図である。 図２に続く製造過程を示す模式断面図である。 図３に続く製造過程を示す模式断面図である。 図４に続く製造過程を示す模式断面図である。 図５に続く製造過程を示す模式断面図である。 第２実施形態に係る半導体発光装置を示す模式断面図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。

実施形態の記載は例示であり、本願請求項に係る発明は、これらに限定される訳ではない。また、各実施形態に記載の構成要素は、技術的に可能であれば、共通に適用できるものである。以下の説明では、第１導電形をｎ形、第２導電形をｐ形として説明するが、これに限定される訳ではない。第１導電形をｐ形、第２導電形をｎ形としても良い。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る半導体発光装置１を示す模式断面図である。図１に示すように、半導体発光装置１は、発光体１０と、蛍光体層２０と、透明層３０と、を備える。

発光体１０は、ｎ形半導体層１３と、発光層１５と、ｐ形半導体層１７と、を含む。発光層１５は、ｎ形半導体層１３とｐ形半導体層１７との間に設けられる。ｎ形半導体層１３は、例えば、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む。発光層１５は、例えば、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）とＧａＮとを含む量子井戸構造を有する。ｐ形半導体層１７は、例えば、ｐ形窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）と、ｐ形ＧａＮと、を含む。ｐ形ＡｌＧａＮは、発光層１５とｐ形ＧａＮとの間に設けられる。

発光体１０は、ｎ形半導体層１３の表面である第１面１０ａと、ｐ形半導体層１７の表面である第２面１０ｂと、を有する。第１面１０ａは、光取り出し効率を向上させるために、粗面化される。蛍光体層２０は、絶縁層２５を介して第１面１０ａの上に設けられる。絶縁層２５は、発光体１０に対する蛍光体層２０の密着性を向上させる。絶縁層２５は、例えば、シリコン酸化層である。

蛍光体層２０は、蛍光体２１と母材２３とを含む。蛍光体２１は、例えば、ＹＡＧ系もしくは窒化物系の蛍光物質を含み、発光層１５から放射される青色光の一部を黄色光もしくは緑色光に変換する。母材２３は、例えば、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂であり、発光層１５の放射光および蛍光体２１の放射光に対して透明である。蛍光体２１は、母材２３中に分散される。ここで「透明」とは、放射光の全てを透過する場合に限定されず、その一部を吸収する場合も含む。

透明層３０は、蛍光体層２０の上に設けられる。透明層３０は、発光層１５の放射光および蛍光体２１の放射光に対して透明である。透明層３０は、例えば、シリコーン樹脂もしくはメチル系樹脂である。透明層３０には、蛍光体層２０の母材２３と同じ材料、または、母材２３よりも屈折率が低い材料を用いることが好ましい。

半導体発光装置１は、透明層３０の上に設けられた複数の突起４０をさらに備える。突起４０は、例えば、Ｘ方向の幅１００〜５００ナノメートル（ｎｍ）、Ｚ方向の高さ１００〜５００ｎｍを有する。突起４０には、透明層３０と同じ材料、または、透明層３０よりも屈折率の小さい材料を用いる。突起４０は、例えば、シリコーン樹脂もしくはメチル系樹脂である。複数の突起４０は、透明層３０の中を外部に向かって伝播する光の全反射を抑制する。これにより、発光層１５および蛍光体２１から放射される光の取り出し効率を向上させることができる。

次に、図１を参照して、半導体発光装置１の構造をさらに詳細に説明する。半導体発光装置１は、絶縁層２７、ｐ側電極５０、ｐ側配線５３、ｎ側電極６０、ｎ側配線６３および遮光層７０を備える。

ｐ側電極５０は、発光体１０の第２面１０ｂ側において、ｐ形半導体層１７上に設けられる。ｐ側電極５０は、ｐ形半導体層１７に接し、電気的に接続される。そして、ｐ側電極５０には、ｐ形半導体層１７に対する接触抵抗が低い材料が用いられる。また、ｐ側電極５０には、発光層１５の放射光に対して高い反射率を有する材料を用いる。ｐ側電極５０には、例えば、銀（Ａｇ）を用いる。

ｎ側電極６０は、発光体１０の第２面１０ｂ側において、ｎ形半導体層１３の上に設けられる。ｎ側電極６０は、ｎ形半導体層１３に接する。そして、ｎ側電極６０には、ｎ形半導体層１３に対する接触抵抗が低い材料が用いられる。また、ｎ側電極６０には、発光層１５の放射光に対して高い反射率を有する材料を用いる。ｎ側電極６０には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を用いる。

発光体１０は、第２面１０ｂ側において絶縁層２７に覆われる。絶縁層２７は、例えば、シリコン酸化層である。絶縁層２７は、発光体１０の第２面側の表面および側面、ｐ側電極５０およびｎ側電極６０を覆う。

ｐ側配線５３は、絶縁層２７およびｐ側電極５０を介して発光体１０の第２面１０ｂを覆う。ｎ側配線６３は、絶縁層２７およびｎ側電極６０を介して発光体１０の第２面側を覆う。また、ｐ側配線５３は、絶縁層２７に設けられた開口部中に延在するコンタクト部５３ａを有し、コンタクト部５３ａを介してｐ側電極５０に電気的に接続される。ｎ側配線６３は、絶縁層２７に設けられた別の開口部中にコンタクト部６３ａを有し、コンタクト部６３ａを介してｎ側電極６０に電気的に接続される。

遮光層７０は、絶縁層２７を介して発光体１０の側面を覆うように設けられる。遮光層７０は、発光体１０の側面から放射される光を遮る。また、遮光層７０は、好ましくは、発光層１５の放射光を反射する材料を含む。遮光層７０は、例えば、アルミニウムを含む。

半導体発光装置１は、ｐ側ピラー５５、ｎ側ピラー６５および絶縁層８０をさらに備える。絶縁層８０は、発光体１０の第２面１０ｂ側および遮光層７０を覆う。絶縁層８０には、例えば、カーボンなどを含む黒樹脂、または、酸化チタニウムなどを含む白樹脂を用いる。すなわち、絶縁層８０は、発光層１５から放射される光を遮光する。

ｐ側ピラー５５は、例えば、絶縁層８０を貫通し、ｐ側配線５３に接続される。ｎ側ピラー６５は、例えば、絶縁層８０を貫通し、ｎ側配線６３に接続される。ｐ側ピラー５５およびｎ側ピラー６５には、例えば、銅（Ｃｕ）を用いる。

図１に示すように、透明層３０は、蛍光体層２０の上面２０ａ、蛍光体層２０の側面２０ｓおよび絶縁層８０の側面８０ｓを覆うように設けられる。

次に、図２（ａ）〜図６（ｃ）を参照して、第１実施形態に係る半導体発光装置１の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図６（ｃ）は、半導体発光装置１の製造過程を順に示す模式断面図である。

図２（ａ）に示すように、基板１００の上に発光体１０、ｐ側電極５０およびｎ側電極６０を形成する。発光体１０は、基板１００の上に順に積層されたｎ形半導体層１３、発光層１５およびｐ形半導体層１７を、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いて選択的にエッチングすることにより形成される。

基板１００は、例えば、シリコン基板である。ｎ形半導体層１３、発光層１５およびｐ形半導体層１７は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて基板１００の上にエピタキシャル成長される。ｎ形半導体層１３は、例えば、基板１００の上に形成されたバッファ層と、その上に形成されたｎ形ＧａＮ層を含む。バッファ層は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＡｌＧａＮなどを含む。

発光体１０は、ｎ形半導体層１３、発光層１５およびｐ形半導体層１７を含む発光部１０ｅと、発光層１５およびｐ形半導体層１７が除去された非発光部１０ｆと、を含む。ｐ側電極５０は、発光部１０ｅ上においてｐ形半導体層１７の上に設けられる。ｎ側電極６０は、非発光部１０ｆ上においてｎ形半導体層１３の上に設けられる。

図２（ｂ）に示すように、発光体１０を覆う絶縁層２７、ｐ側配線５３、ｎ側配線６３および遮光層７０を形成する。絶縁層２７は、例えば、シリコン酸化層であり、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を用いて形成される。絶縁層２７は、発光体１０および基板１００の表面を覆う。

ｐ側配線５３は、発光部１０ｅにおいて絶縁層２７の上に設けられる。ｐ側配線５３は、絶縁層２７に設けられたコンタクトホール２７ａを介してｐ側電極５０に電気的に接続される。

ｎ側配線６３は、絶縁層２７の上において非発光部１０ｆおよび発光部１０ｅに跨がって設けられる。非発光部１０ｆにおいて、ｎ側配線６３は、絶縁層２７に設けられたコンタクトホール２７ｂを介してｎ側電極６０に電気的に接続される。

遮光層７０は、絶縁層２７を介して発光体１０の側面を覆うように形成される。ｐ側配線５３、ｎ側配線６３および遮光層７０は、例えば、同時に形成され、絶縁層２７に接するアルミニウム層と、その上に形成される銅層と、を含む。

図２（ｃ）に示すように、ｐ側ピラー５５およびｎ側ピラー６５を形成する。例えば、発光体１０および基板１００を覆うレジスト層１０１を形成する。レジスト層１０１は、例えば、フォトリソグラフィを用いて形成される開口５５ａおよび６５ａを有する。開口５５ａおよび６５ａは、それぞれｐ側配線５３およびｎ側配線６３にそれぞれ連通する。続いて、レジスト層１０１の開口５５ａおよび６５ａの内部に、例えば、銅メッキ法を用いてｐ側ピラー５５およびｎ側ピラー６５を形成する。

図３（ａ）に示すように、絶縁層８０を形成する。レジスト層１０１を除去した後、例えば、遮光材を含んだシリコーン樹脂もしくはエポキシ樹脂を基板１００の上に塗布し硬化させる。これにより、ｐ側ピラー５５、ｎ側ピラー６５および発光体１０を覆う絶縁層８０を形成する。なお、図３（ａ）以下の各図では、図２（ｃ）の上下を逆にして表示している。

図３（ｂ）に示すように、発光体１０から基板１００を除去する。基板１００は、例えば、研削により薄層化した後、ウェットエッチングを用いて除去する。基板１００として、例えば、サファイア基板を用いた場合には、レーザリフトオフを用いて基板１００を除去することができる。

図３（ｃ）に示すように、発光体１０の第１面１０ａを粗面化する。例えば、基板１００を除去した後に露出した第１面１０ａを、アルカリ系のエッチング液によりウェットエッチングすることにより粗面化する。

図４（ａ）に示すように、第１面１０ａの上に絶縁層２５を形成する。絶縁層２５は、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて形成されるシリコン酸化層である。絶縁層２５は、隣接する発光体１０の間に露出する絶縁層２７の上にも形成される。絶縁層２５と絶縁層２７とが同じシリコン酸化層であれば、両者は一体化される。

図４（ｂ）に示すように、発光体１０の上に蛍光体層２０を形成する。蛍光体層２０は、例えば、蛍光体を含む樹脂シートを発光体１０の上に貼り付けることにより形成することができる。

図４（ｃ）に示すように、蛍光体層２０とは反対側の絶縁層８０の下面８０ａにおいて、絶縁層８０の一部を、例えば、研削もしくは研磨により除去する。これにより、ｐ側ピラー５５の端面５５ｓおよびｎ側ピラー６５の端面６５ｓを露出させる。

図５（ａ）に示すように、絶縁層８０の下面８０ａに、例えば、ダイシングシート１０３を貼り付ける。続いて、図５（ｂ）に示すように、蛍光体層２０および絶縁層８０を分断し、隣接する発光体１０間に溝１０５を形成する。溝１０５は、例えば、ダイシングブレードを用いて形成される。

図５（ｃ）に示すように、蛍光体層２０の上面を覆い、溝１０５の内部を埋め込む樹脂層１３０を形成する。樹脂層１３０は、例えば、真空成形を用いて形成することができる。

図６（ａ）に示すように、樹脂層１３０の上に樹脂層１１０を形成し、さらに、成形シート１２０を圧着させる。樹脂層１１０は、樹脂層１３０の上に塗布後、例えば、熱処理を加えて半硬化状態、所謂、Ｂステージにする。続いて、成形シート１２０の微細な複数の凹部１２０ｐを有する表面を樹脂層１１０に接触させ、圧力を加えて貼り付ける。さらに、樹脂層１１０に熱処理を加え、硬化させる。

図６（ｂ）に示すように、隣接する蛍光体層２０間に溝１１５を形成し、樹脂層１１０および１３０を分断する。これにより、樹脂層１３０は、蛍光体層２０を覆う透明層３０に分割される。溝１１５は、例えば、ダイシングブレードを用いて形成することができる。この場合、図５（ｂ）に示す工程において、溝１０５の形成に用いるダイシングブレードよりも薄いダイシングブレードを用いる。

図６（ｃ）に示すように、透明層３０の表面から成形シート１２０を剥離する。成形シート１２０を剥離した後の透明層３０の上には、複数の突起４０が形成される。すなわち、成形シート１２０の凹部１２０ｐが反転して転写され、結果として、樹脂層１１０は、複数の突起４０に成形される。

このように、本実施形態では、透明層３０の上に複数の突起４０を形成することが可能となり、透明層３０から外部への光の取り出し効率を向上させることができる。また、成形シート１２０は、樹脂層１３０を分割する際に、透明層３０の表面を保護する。

突起４０の形成方法は、上記の例に限定される訳ではない。例えば、樹脂層１３０の上に感光性レジストを塗布し、フォトリソグラフィを用いて所定の形状を有する感光性レジストからなる突起を形成しても良い。

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態に係る半導体発光装置２を示す模式断面図である。図７に示すように、半導体発光装置２は、リード２０１、２０３および半導体発光素子２００を備える。半導体発光素子２００は、リード２０１の上にボンディングメタル２０５を介してマウントされる。

半導体発光素子２００は、基板２１０と、発光体２２０と、を有する。発光体２２０は、接合層２３０を介して基板２１０の上に設けられる。基板２１０は、例えば、導電性を有するシリコン基板である。接合層２３０は、例えば、ハンダ材などを含み、基板２１０と発光体２２０とを接合する。発光体２２０は、例えば、ｎ形半導体層２２１と、発光層２２３と、ｐ形半導体層２２５と、を含む。発光層２２３は、ｎ形半導体層２２１とｐ形半導体層２２５との間に設けられる。

半導体発光素子２００は、ｐ側電極２４０と、ｎ側電極２５０と、をさらに有する。ｐ側電極２４０は、ｐ形半導体層２２５と接合層２３０との間に設けられる。ｐ側電極２４０は、ｐ形半導体層２２５に電気的に接続される。ｐ側電極２５０は、例えば、発光層２２３から放射される光を反射するように設けられる。

接合層２３０は、ｐ側電極２４０を覆うキャップ層２４５に接し、ｐ側電極２４０に電気的に接続される。キャップ層２４５は、例えば、アルミニウムなどを含む金属層である。すなわち、ｐ側電極２４０は、接合層２３０、基板２１０およびボンディングメタル２０５を介してリード２０１に電気的に接続される。

ｎ側電極２５０は、発光体２２０の上面に設けられ、ｎ形半導体層２２１に電気的に接続される。また、ｎ側電極２５０は、金属ワイヤ２５５を介してリード２０３に電気的に接続される。

さらに、半導体発光装置２は、封止層２６０と、蛍光体層２７０と、透明層２８０と、を備える。封止層２６０は、リード２０１、２０３および半導体発光素子２００を覆い、外気から遮断する。封止層２６０は、例えば、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂であり、真空成形を用いて形成される。封止層２６０は、発光層２２３から放射される光に対して透明である。

蛍光体層２７０は、封止層２６０の上に形成される。蛍光体層２７０は、蛍光体２１と母材２３とを含む。母材２３には、封止層２６０と同じ材料、もしくは、封止層２６０よりも屈折率が低い材料を用いる。母材２３は、例えば、シリコーン樹脂である。

透明層２８０は、蛍光体層２７０の上に形成される。透明層２８０は、発光層２２３および蛍光体２１の放射光に対して透明である。透明層２８０には、蛍光体層２７０の母材２３と同じ材料、もしくは、母材２３よりも屈折率が低い材料を用いる。透明層２８０は、例えば、シリコーン樹脂もしくはメチル系樹脂である。

半導体発光装置２は、透明層２８０の上に設けられた複数の突起２９０をさらに備える。突起２９０は、例えば、Ｘ方向の幅１００〜５００ｎｍ、Ｚ方向の高さ１００〜５００ｎｍを有する。突起２９０は、例えば、シリコーン樹脂もしくはメチル系樹脂である。また、突起２９０には、透明層２８０と同じ材料、または、透明層２８０よりも屈折率の小さい材料を用いる。複数の突起２９０は、透明層２８０中を外部に向かって伝播する光の全反射を抑制する。これにより、発光層２２３および蛍光体２１から放射される光の取り出し効率を向上させることができる。

なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。さらに、上記の組成を有し、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２・・・半導体発光装置、 １０・・・発光体、 １０ａ・・・第１面、 １０ｂ・・・第２面、 １０ｅ・・・発光部、 １０ｆ・・・非発光部、 １３、２２１・・・ｎ形半導体層、 １５、２２３・・・発光層、 １７、２２５・・・ｐ形半導体層、 ２０、２７０・・・蛍光体層、 ２０ａ・・・上面、 ２０ｓ、８０ｓ・・・側面、 ２１・・・蛍光体、 ２３・・・母材、 ２５、２７、８０・・・絶縁層、 ２７ａ、２７ｂ・・・コンタクトホール、 ３０、２８０・・・透明層、 ４０、２９０・・・突起、 ５０、２４０・・・ｐ側電極、 ５３・・・ｐ側配線、 ５３ａ、６３ａ・・・コンタクト部、 ５５・・・ｐ側ピラー、 ５５ａ・・・開口、 ５５ｓ、６５ｓ・・・端面、 ６０、２５０・・・ｎ側電極、 ６３・・・ｎ側配線、 ６５・・・ｎ側ピラー、 ７０・・・遮光層、 ８０ａ・・・下面、 １００、２１０・・・基板、 １０１・・・レジスト層、 １０３・・・ダイシングシート、 １０５、１１５・・・溝、 １１０、１３０・・・樹脂層、 １２０・・・成形シート、 １２０ｐ・・・凹部、 ２００・・・半導体発光素子、 ２０１、２０３・・・リード、 ２０５・・・ボンディングメタル、 ２２０・・・発光体、 ２３０・・・接合層、 ２４５・・・キャップ層、 ２５５・・・金属ワイヤ、 ２６０・・・封止層

Claims (5)

1. 第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を含む発光体と、
   前記発光体上に設けられ、蛍光体を含む蛍光体層と、
   前記蛍光体層上に設けられ、前記発光層および前記蛍光体の放射光を透過する透明層と、
   前記透明層の上に設けられた複数の突起と、
   を備えた半導体発光装置。
2. 前記蛍光体層は、前記蛍光体が分散された母材を含み、
   前記発光層の放射光に対する前記透明層の屈折率は、前記放射光に対する前記母材の屈折率よりも小さい請求項１記載の半導体発光装置。
3. 前記透明層は、前記母材と同じ材料を含む請求項１記載の半導体発光装置。
4. 前記複数の突起の前記発光層の放射光に対する屈折率は、前記放射光に対する前記透明層の屈折率よりも小さい請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
5. 前記複数の突起は、前記透明層と同じ材料を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
   

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