JP4125738B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光素子に関するもので、光取り出し効率を向上させるためにパターン化された基板上面を有する半導体発光素子に関するものである。

一般に、半導体発光素子は、基板上に順次に形成された第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層を備えて構成されている。上記第１及び第２導電型クラッド層上に接続された電極を通して電圧が印加されると、上記半導体発光素子は、上記活性層において電子と正孔が再結合して特定波長台の光を発生させる。

上記半導体発光素子の光効率は、内部量子効率（internal quantum efficiency）と光取り出し効率（light extraction efficiency、または外部量子効率ともいう）により決定される。とりわけ、光取り出し効率は、発光素子の光学的因子、即ち各構造物の屈折率及び／または界面の平滑度（flatness）などにより決定される。

こうした光取り出し効率の面において、半導体発光素子は根本的な制限事項を抱えている。即ち、半導体発光素子を構成する半導体層は、外部大気や基板に比して大きい屈折率を有するので、光の放出可能な入射角範囲を決定する臨界角が小さくなり、その結果活性層から発生した光のかなりの部分は、内部全反射し実質的に側面方向に伝播され、一部は内部において損失されたり望まない側面方向に放出される。

例えば、窒化物系半導体発光素子において、ＧａＮの屈折率は２．４なので、活性層において発生した光はＧａＮ／大気界面における臨界角である２３．６°より大きいと、内部全反射を起こしながら側面方向に進行し損失されたり所望の方向に放出されなくなり、光取り出し効率が６％に過ぎず、これと同様にサファイア基板の屈折率 は１．７８なので、ＧａＮ／サファイア基板界面における光取り出し効率は１３％に過ぎない。

こうした問題を改善しようと、特許文献１においては、図１のように発光素子の基板１１上面に凹状また凸状の凹凸部１３を形成する方案を提案している。上記方案によると、基板１１上の凹凸部１３を通してＧａＮ／サファイア基板界面における実質的な臨界角を増加させることにより光取り出し効率を向上させられると説明している。

米国特許出願公開第２００３−５７４４４号明細書

上記従来の方案は、基板の内部領域において凹凸部による光取り出し効率を増加させ発光効率を一定の水準（光効率約２０％）まで向上させられるが、チップスケール発光素子の視点から凹凸部の適切な位置を考慮していないので、側面部を通して放出される光による損失に対する充分な解決策にはなっていない。より具体的には、素子側面の活性領域において発生したり内部全反射を通して側面まで到達した光を所望の方向に取り出すための方案を提供できていないのである。

図２によると、図１の凹凸部１３を有する基板１１から製造された、チップスケールの発光ダイオード構造が概略的に示してある。基板１１上には、第１導電型クラッド層１４と活性層１５及び第２導電型クラッド層１６を順次に形成する。図２に示したように、基板１１の側部、即ちその上面の縁端には凹凸部１３が存在しないので、素子側面の活性領域において発生したり内部全反射を通して側面まで到達した光の相当部分は損失されたり素子の上部または下部方向に取り出されなくなることがある。このことから、光取り出し効率の増加に限界があった。

このように、発光効率を効果的に向上させるためにチップスケール発光素子の視点から考慮された光取り出し効率の改善方案は、未だ提案されていない。

本発明は上述した従来の技術の問題を解決するためのものとして、その目的は、チップスケール発光素子の視点から、その側面領域において発生したり内部全反射を通して側面まで到達した光を素子の上部または下部へ効果的に放出させることにより、光取り出し効率を大きく向上させた半導体発光素子を提供することにある。

前記した技術的課題を成し遂げるために、本発明は、基板並びに、前記基板上に順次に形成された第１導電型クラッド層、活性層、及び、第２導電型クラッド層を備えた半導体発光素子において、前記基板上には、その上面の各辺に沿って連続的に形成されていて、当該発光素子の側面方向に放出される光を当該発光素子の上部または下部へ散乱または回折させるよう、***部または沈下部から成る側部パターンと、前記基板上面の内部領域に不連続的に形成され、前記活性層から発生した光を散乱または回折させるための凹部または凸部からなる内部パターンと、を有することを特徴とする半導体発光素子を提供する。

より好ましくは、前記基板の上面は四角形である場合に、前記側部パターンは、前記四角形の基板上面の４辺に沿って延長されるよう形成されていることができる。

好ましくは、前記側部パターンは、前記基板上面の内部に向かって傾斜された面を有する***部で構成されているか、前記基板の外部に向かって傾斜された面を有する沈下部で構成されていることができる。また、その組合せも可能である。即ち、ある一辺には前記***部が形成されていて、他辺には前記沈下部が形成されていることができる。

さらに、前記側部パターンを、前記基板上面の結晶面と同一な上面または底面を有する***部または沈下部で形成することもできる。

本発明は、前記第１導電型クラッド層、前記第２導電型クラッド層、及び、前記活性層が窒化物系半導体層である窒化物系半導体発光素子に、有利に採用されることができ、前記基板は、サファイア、ＳｉＣ、ＳｉまたはＧａＡｓ基板であることができるが、これに限定されるわけではない。

上述したように、本発明によると、チップスケールの半導体発光素子に用いられる基板上面の各辺に沿って連続的に形成された側部パターンを提供することにより、側面部において生成されたり側面部まで導波した光を回折または散乱させて上部または下部へ放出させると同時に、側面領域において内部全反射する光をより効果的に取り出すことにより光取り出し効率が大きく向上された半導体発光素子を提供することができる。

以下、添付の図を参照して本発明をより詳しく説明する。

図３及び図４は、本発明に用いられる光取り出し効率の改善原理を説明するための、高屈折率層における光取り出し経路を示すシミュレーショングラフである。

ここで、図３及び図４に示した高屈折率層２１は、半導体発光素子において活性層を含んだ半導体層で解され、図４において側面に突出した部分２２は基板の側部パターン（沈下した形態又は***した形態）に対応する部分で解されることができる。

図３と図４のシミュレーション条件で総１０００個の光が発生すると仮定すると、図３の場合には７４７個の光が放出されるが、図４の場合には８９１個の光が放出され、約１９％の光取り出し効率の改善が確認された。これは、図４が一側面にのみ突出部分を形成した条件であることを考慮すると、大変高いレベルの光取り出し効率の改善である。

さらに、外部に取り出される光を増加させるばかりでなく、側面方向に進行する光を所望の光放出面である上部または下部へ放出させることができるといった利点があることが分かる。即ち、図３のように、平坦な面を有する高屈折率層２１の内部において光が発生すると、光のかなりの部分Ｌ１は、先に説明したように側面方向に放出される。これに比して、図４のように、高屈折率層２１の一側面縁端に突出部分２２が形成された場合には、図３と異なって、側面方向へ向かった光の相当部分Ｌ２が上部か下部へ向き、有効光効率を大きく向上させることができる。

図３及び図４に説明した原理を応用した光取り出し効率の改善方案は、単に従来のウェーハ単位の基板上に凹凸部を形成する方案と異なって、チップスケールの半導体発光素子次元において側面方向に放出される光を効果的に制御して、光効率を画期的に改善させることができる。

本発明は、チップスケールの半導体発光素子において、素子の側面方向へ放出される光を素子の上部または下部へ散乱または回折させるために、基板側面の少なくとも一辺に連結された、少なくとも一つの側部パターンを形成する方案を提供する。

本参考例において提案された側部パターンは、単位チップにおいて基板の少なくとも一辺に連結された少なくとも一つの***部または沈下部で形成されることができ、好ましくは、少なくとも一隅から他の一隅へ延長された***部または凹部として形成されることができる。

図５及び図６は、本発明の参考例による、側部パターンを有する基板とこれを利用したチップスケール半導体発光素子とを示す。

図５によると、チップスケール発光素子に用いられる基板３１が示してある。基板３１上には、４辺に連結された突出形態の側部パターン３２が複数個で形成されている。複数の側部パターン３２は、各々基板３１の側端縁に連結されるよう配置されるので、側面方向へ放出される光を散乱または回折させることができる。

図６は、図５に示した側部パターン３２を有する基板３１を利用して製造された、チップスケールの発光素子の断面を示す。基板３１上には、第１導電型クラッド層３４、活性層３５、及び、第２導電型クラッド層３６が順次に形成される。

図６によると、図２と異なり、複数個の側部パターン３２は、素子の側面方向に露出された形態を有する。このように、素子の外郭に位置した側部パターン３２は、素子の側面活性領域において発生した光と内部全反射を通して側方向に放出される光とを、散乱または回折させ、素子の上部または下部方向へ向かう光を増加させることができる。

本参考例において提案された側部パターンは、少なくとも一辺に沿って一隅から他隅に延長された形態で形成されることができ、より好ましくは、四角形の上面を有する基板である場合、４辺全てに亘って延長された形態の側部パターンで提供することができる。

他の参考例に用いられる多様な基板が図７ないし図９に例示してある。

図７によると、本発明の一参考例による、略四角形の上面４１ａを有する基板４１が示してある。基板上面４１ａには、全４辺に沿って延長された側部パターン４２が形成されている。側部パターン４２は、基板上面４１ａの内部に向かって所定の角θ１で傾斜した面４２ａと、基板上面４１ａと同一な結晶面を有する上面４２ｂとを有する。側部パターン４２は、通常の選択的エッチング工程により得ることができ、傾斜面４２ａは、側部パターン形成のためのエッチング工程により、基板４１の物質（結晶）の特定結晶面に提供され（特定結晶面を有するように提供され）、こうして傾斜角度θ１が定められることができる。上記傾斜面の結晶面は、発光素子を構成する半導体層が適切に成長するよう選択されることが好ましい。

こうした基板は、窒化物系半導体発光素子に主に使用されるサファイアまたはＳｉＣであることができ、通常的なＳｉ、ＧａＡｓ基板であることができるが、これに限られるわけではない。

本発明の他の参考例においては、図７と異なって、少なくとも一辺を選択して側部パターンを形成することができ、その形態も変更させることができる。図８には本発明の異なる参考例による、略四角形の上面５１ａを有する基板５１が示してある。

基板５１は、その上面５１ａに、２辺に沿って延長され形成された側部パターン５２を有する。側部パターン５２が形成された２辺は、最上部半導体層（主に、ｐ型半導体層）に形成されたボンディング電極（図示せず）と隣接する辺であることができる。上記ボンディング電極に隣接した部分が主発光領域に提供されるので、側部パターン５２をそれと隣接した２辺にのみ形成しても、光取り出し効率を大きく改善させることができる。さらに、側部パターン５２は、基板上面５１ａの内部に向かって、所定の角θ１で傾斜された面５２ａのみを有するよう形成されることができる。

図７及び図８の側部パターン４２、５２は***部で提供されたが、本発明のさらに他の参考例においては、沈下部形態で側部パターン６２を提供することもできる。

図９によると、本参考例による、略四角形の上面６１ａを有する基板６１が示してある。上記基板は、その上面６１ａに全４辺に沿って延長された側部パターン６２を有し、側部パターン６２は、図５及び図６（図７及び図８）と異なり沈下部で提供される。側部パターン６２は、基板６１の外部に向かって所定の角θ２で傾斜された面６２ａと、基板上面６１ａと同一な結晶面を有する底面６２ｂとを有する。先に説明したように、傾斜面６２ａは、側部パターンの形成に適用されるエッチング工程により、基板６１の物質（結晶）の特定結晶面に提供され、こうして傾斜角度θ２が定められる。さらに、本参考例の側部パターン６２の上面６２ｂと、図７に示した側部パターン４２の上面４２ａ（上面４２ｂ又は傾斜された面４２ａ）とは、ウェーハレベル工程において、エッチング工程を通して側部パターン４２、６２を形成する際に、所定の公差を提供する役目を果たすこともできる。これについては、図１０ないし図１２（図１３ないし図１６）に詳しく説明する。

さらに、側部パターンを、従来の凹凸部と類似する内部パターンと結合させることによって、より大きい光取り出し効率の改善効果を図ることができる。図１０ないし図１２は、側部パターンと従来の内部パターンとが全て形成された基板の形態を例示する。

図１０によると、図５に示した基板と類似する側部パターン７２と共に、円錐形である複数の内部パターン７３とが形成された基板が示してある。側部パターン７２は、４辺に連結された複数個の突出形態を有し、内部パターン７３は、各々円錐形を有し一定周期の間隔に応じて配列される。本参考例において、側部パターン７２の効果と共に、内部パターン７３は内部領域において光取り出し効率をさらに向上させるので、素子の発光効率をより大きく改善することができる。

図１１に示した基板８１は、図７に示した側部パターン４２と類似する側部パターン８２と共に、円錐形である複数の内部パターン８３が形成された、上面８１ａを有する。側部パターン８２は、基板上面８１ａの内部に向かって傾斜された面８２ａと、基板上面８１ａと同一な結晶面を有する上面８２ｂとを有し、内部パターン８３は、各々円錐形を有し一定周期の間隔に応じて配列されることができる。

図１２に示した基板９１は、図９に示した側部パターン６２と類似した側部パターン９２と共に、メサ形の複数の内部パターン９３が形成された、上面９１ａを有する。側部パターン９２は、基板上面９１ａの外部に向かって傾斜された面９２ａと、基板上面９１ａと同一な結晶面を有する上面９２ｂ（底面９２ｂ）とを有し、内部パターン９３は、各々メサ形を有し一定周期の間隔で配列されることができる。

上記した参考例および実施形態の内部パターン７３、８３、９３は円錐形またはメサ形で例示されるが、多様な形態の凸部または凹部として提供されることができる。例えば、上部から見た断面が円形でなく三角形や四角形などの多角形であることができ、側断面が直方形、台形などであることができるが、これらに限定されず、その配列も多様な形態で配置されることができる。

図１３ないし図１６は、本発明の好ましき実施形態による、半導体発光素子の製造工程を説明するための工程断面図である。ここで説明される工程は、図１２に該当する発光素子を製造するためのウェーハレベル工程として、図１３に示してある基板はウェーハの一部分と解されるであろう。

先ず、図１３のように、基板１０１に複数個（３個のみ図示）の発光素子のための、側部パターン１０２と内部パターン１０３とを形成する。ここで、内部パターン１０３は、側断面が台形状で例示されている。側部パターン１０２と、内部パターン１０３とは、各々別途のエッチング工程により形成されることができる。例えば、上面内部の複数領域（の一部）が（選択的に）開放された第１マスクを形成した後、１次エッチング工程を通して内部パターン１０３を形成してから、側端縁（側部パターン１０２が形成される領域）のみ開放された第２マスクを形成した後２次エッチング工程を施して側部パターン１０２を形成することができる。ここに示された側部パターン１０２は、隣接した発光素子のための基板領域と連結されるよう形成される。隣接した両側部パターン１０２の底面の幅Ｗは、切断工程時の誤差を考慮して、両基板に傾斜面を有する側部パターン１０２がより安定的に形成される機会を提供する。

次いで、図１４のように、側部パターン１０２及び内部パターン１０３が形成された基板１０１上に、第１導電型クラッド層１０４、活性層１０５、及び、第２導電型クラッド層１０６を順次に形成する。第１導電型クラッド層１０４が成長される面は、パターン化されているが、成長条件（成長速度及び圧力など）を調節することにより、適切な側面方向成長を通して所望の結晶性を得ることができる。

次に、図１５のように、メサエッチングを行って、各素子領域に第１導電型クラッド層１０４の一部領域を露出させ、第１導電型クラッド層１０４の露出した上面と第２導電型クラッド層１０６の上面とに各々第１及び第２電極１０７、１０８（第１及び第２電極１０８、１０７）を形成する。

最後に、図１５の点線で表示されたように、切断工程を行って、個別チップの発光素子１００に分離させる。図１６、図１７、１８において得られた半導体発光素子１００は、各基板上面の各辺に沿って形成された沈下した形態の側部パターン１０２と、内部領域に凸部形態の内部パターン１０３を有する。

内部パターン１０３は、先に説明した従来の方式のように臨界角を調整して内部全反射する光成分を減少させ光取り出し効率を改善し、側部パターン１０２は、図４に説明したように、側面部の活性層１０５において発生した光の取り出し効率を改善すると同時に、素子の側面方向へ放出される光をできるだけ上部または下部方向（フリップチップ構造）へ進行するよう調整して有効光効率を大きく改善させることができる。

本発明は窒化物系発光素子に限定されず、ＡｌＧａＡｓ系またはＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子などにも有利に用いることができる。

本発明は詳細な実施形態及び添付の図に限定されるわけではなく、添付の請求範囲により限定される。したがって、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において当技術分野の通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これらもまた本発明の範囲に属するものといえるであろう。

（発明の効果）
上述したように、本発明によると、チップスケールの半導体発光素子に用いられる基板上面の各辺に沿って連続的に形成された側部パターンを提供することにより、側面部において生成されたり側面部まで導波した光を回折または散乱させて上部または下部へ放出させると同時に、側面領域において内部全反射する光をより効果的に取り出すことにより光取り出し効率が大きく向上された半導体発光素子を提供することができる。

従来の凹凸パターンを有する基板を示す図である。 従来の凹凸パターンを有する基板を利用したチップスケール半導体発光素子の断面図を示す。 平坦な面を有する高屈折率層における光取り出し経路を示す図である。 本発明に用いられる光取り出し効率の改善原理を説明するための、高屈折率層における光取り出し経路を示す図である。 本発明の一参考例による、側部パターンを有する基板を示す図である。 本発明の一参考例による、側部パターンを有する基板を利用したチップスケール半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の他の参考例に用いられる基板を示す斜視図である。 本発明の他の参考例に用いられる基板を示す斜視図である。 本発明の他の参考例に用いられる基板を示す斜視図である。 本発明のさらに他の参考例に用いられる基板を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に用いられる基板を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に用いられる基板を示す斜視図である。 本発明の好ましき実施形態による半導体発光素子の製造工程を説明するための工程断面図である。 本発明の好ましき実施形態による半導体発光素子の製造工程を説明するための工程断面図である。 本発明の好ましき実施形態による半導体発光素子の製造工程を説明するための工程断面図である。 本発明の好ましき実施形態による半導体発光素子の製造工程を説明するための工程断面図である。 本発明の好ましき実施形態による半導体発光素子の製造工程を説明するための工程断面図である。 本発明の好ましき実施形態による半導体発光素子の製造工程を説明するための工程断面図である。

符号の説明

１１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、９１、１０１ 基板
１３ 凹凸部
１４、３４、１０４ 第１導電型クラッド層
１５、３５、１０５ 活性層
１６、３６、１０６ 第２導電型クラッド層
２１ 高屈折率層
２２ 突出部分
３２、４２、５２、６２、７２、８２、９２、１０２ 側部パターン
４１ａ、５１ａ、６１ａ、８１ａ、９１ａ 基板上面
４２ａ、５２ａ、６２ａ、８２ａ、９２ａ 傾斜された面
４２ｂ、８２ｂ 上面
６２ｂ、９２ｂ 底面
７３、８３、９３、１０３ 内部パターン
１００ 発光素子
１０７、１０８ 電極

Claims (8)

1. 基板並びに、前記基板上に順次に形成された第１導電型クラッド層、活性層、及び、第２導電型クラッド層を備えた半導体発光素子において、
   前記基板上には、その上面の各辺に沿って連続的に形成されていて、当該発光素子の側面方向へ放出される光を当該発光素子の上部または下部へ散乱または回折させるよう、***部または沈下部から成る側部パターンと、
   前記基板上面の内部領域に不連続的に形成され、前記活性層から発生した光を散乱または回折させるための凹部または凸部からなる内部パターンと、
   を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記基板の上面は四角形であり、
   前記側部パターンは、４辺に沿って形成されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記側部パターンは、前記基板上面の内部に向かって傾斜された面を有する前記***部で構成されていること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記側部パターンを構成する前記***部は、前記基板上面の結晶面と同一な上面を有すること、
   を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
5. 前記側部パターンは、前記基板の外部に向かって傾斜された面を有する前記沈下部で構成されていること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
6. 前記側部パターンを構成する前記沈下部は、前記基板上面の結晶面と同一な底面を有すること、
   を特徴とする請求項１、２及び５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
7. 前記第１導電型クラッド層、前記第２導電型クラッド層、及び、前記活性層は、窒化物系半導体層であること、
   を特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
8. 前記基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、または、ＧａＡｓ基板であること、
   を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。

Images