JP2017050328A - 半導体発光装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
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、BxInyAlzGa1−x−y−zN(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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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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