JP2011035275A - Nitride semiconductor light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関するものである。 The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device.
例えば照明器具または液晶表示装置のバックライト光源等に白色光源がある。近年、白色光源の低消費電力化のために、発光ダイオード(LED)を用いた白色発光素子が盛んに研究されている。その中でも特に、例えば窒化物半導体等のワイドバンドギャップ半導体を用いた発光ダイオードが白色光を出射する白色発光素子の光源として盛んに開発されている。これは、発光ダイオードが紫外光または青色光を放射することができるためである。また、白色発光素子を実現する構成としては、紫外光を放射する発光ダイオード(以下、「紫外発光ダイオード」と称す)、または青色光を放射する発光ダイオード(以下、「青色発光ダイオード」と称す)等を用いて、主に、以下に示す(1)〜(3)の構成が挙げられる。 For example, a white light source is used as a backlight source of a lighting fixture or a liquid crystal display device. In recent years, white light emitting elements using light emitting diodes (LEDs) have been actively researched in order to reduce the power consumption of white light sources. Among them, in particular, light emitting diodes using wide band gap semiconductors such as nitride semiconductors have been actively developed as light sources for white light emitting elements that emit white light. This is because the light emitting diode can emit ultraviolet light or blue light. In addition, as a configuration for realizing a white light emitting element, a light emitting diode that emits ultraviolet light (hereinafter referred to as “ultraviolet light emitting diode”) or a light emitting diode that emits blue light (hereinafter referred to as “blue light emitting diode”). The following configurations (1) to (3) are mainly used.
(1)青色発光ダイオードと黄色蛍光体とを組み合わせた構成
(2)紫外発光ダイオードと青色、緑色、および赤色蛍光体とを組み合わせた構成
(3)青色、緑色、および赤色発光ダイオードを組み合わせた構成
(1) Configuration combining blue light emitting diode and yellow phosphor (2) Configuration combining ultraviolet light emitting diode and blue, green, and red phosphor (3) Configuration combining blue, green, and red light emitting diode
上記(1)〜(3)の構成において、(3)の構成においてはコストが高いという問題と、混色性が悪いという問題がある。そのため、現在のところ(1)および(2)の構成すなわち発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせた構成の開発が進んでいる。その中でも特に、高い発光効率が得られるという理由で(1)の構成すなわち青色発光ダイオードと黄色蛍光体とを組み合わせた白色発光素子の開発が進んでいる。 In the configurations (1) to (3), the configuration (3) has a problem of high cost and a problem of poor color mixing. Therefore, at present, the development of the constitutions (1) and (2), that is, the constitution combining the light emitting diode and the phosphor is proceeding. Among them, the development of a white light emitting element in which the structure (1), that is, a combination of a blue light emitting diode and a yellow phosphor, is progressing particularly because high luminous efficiency can be obtained.
黄色等の蛍光体を組み合わせた白色発光素子では、白色発光素子を小型化および薄型化するために、蛍光体を集積化した発光ダイオードの開発が進められている(例えば、特許文献1)。特許文献1では、白色発光素子を小型化および薄型化するための白色発光素子の形状が提案されている。
In a white light emitting element in which yellow and other phosphors are combined, a light emitting diode in which phosphors are integrated is being developed in order to reduce the size and thickness of the white light emitting element (for example, Patent Document 1).
以下、この特許文献1に開示されている従来技術の発光素子の構成および製造方法について説明する。図17は、従来技術の発光素子の構成および製造方法を説明するための図である。
Hereinafter, the structure and manufacturing method of the light emitting element of the prior art disclosed in
従来の白色発光素子は、第1電極1001、第2電極1002、蛍光体薄膜1003、エピタキシャル層1004および基板1005を備える。図17において、従来の白色発光素子は、LEDウェハ1000を切断面1006において切断され個片化されたLEDチップ(発光素子)である。具体的には、従来の白色発光素子は、基板1005と、基板1005上に形成されたエピタキシャル層1004と、エピタキシャル層1004上および基板1005下面(すなわち、エピタキシャル層1004の形成面と反対側の面)に形成された蛍光体薄膜1003とで構成されている。また、従来の白色発光素子は、第1電極1001と第2電極1002とが形成されている。
A conventional white light emitting device includes a
そして、従来の白色発光素子は、次のように製造される。
まず、エピタキシャル成長により、基板1005上に、複数の半導体層が積層されたエピタキシャル層1004を形成する。その後、エピタキシャル層1004のうち不要な部分をエッチングにより除去し、エピタキシャル層1004に凹部を形成する。ここで、エピタキシャル層1004は、上側に位置する複数の半導体層からなる半導体層と下側に位置する複数の半導体層からなる半導体層とで構成されている。また、その凹部は、その凹部内に、エピタキシャル層1004を構成する複数の半導体層のうち下側に位置する半導体層(以下、「下側半導体層」と称す)の上面が露出するように形成されている。
And the conventional white light emitting element is manufactured as follows.
First, an
次に、塗布、蒸着またはスパッタリング等の半導体技術を用いて、基板1005の下面に蛍光体を主に含む蛍光体薄膜(または蛍光体からなる蛍光体膜)1003を形成する。
Next, a phosphor thin film (or a phosphor film made of a phosphor) 1003 mainly containing a phosphor is formed on the lower surface of the
次に、塗布、蒸着またはスパッタリング等の半導体技術を用いて、エピタキシャル層1004上に、蛍光体を主に含む蛍光体薄膜1003を形成する。ここで、蛍光体薄膜1003は、凹部内を埋め込むようにエピタキシャル層1004の下側半導体層上にも形成されている。その後、蛍光体薄膜1003のうち不要な部分をエッチングにより除去して、蛍光体薄膜1003に第1凹部および第2凹部を形成する。ここで、第1凹部は、その第1凹部内に、エピタキシャル層1004の上面を露出させるように形成され、第2凹部は、その第2凹部内に、下側半導体層の上面を露出させるように形成される。
Next, a phosphor
次に、スパッタリングまたは蒸着により、第1凹部内に露出するエピタキシャル層1004の上面に、第1電極1001を形成するとともに、第2凹部内に露出する下側半導体層の上面に、第2電極1002を形成する。
Next, the
次に、このようにして形成された複数のLEDチップ(発光素子)が組み合わされて構成されたLEDウェハ1000を、切断面1006において切断することで、各LEDチップすなわち従来の白色発光素子に個片化する。
Next, the
以上のようにして、従来技術の白色発光素子を製造する。 As described above, the white light emitting element of the prior art is manufactured.
しかしながら、従来の白色発光素子では、以下に示す課題を有する。
すなわち、従来の白色発光素子では、蒸着またはスパッタリングなどにより成膜された蛍光体薄膜1003の結晶性が低いため波長の変換効率が悪いという課題を有する。そのため、蛍光体から十分な量の光を得るために蛍光体薄膜1003の厚さを増す必要があり、白色発光素子の厚みの増加とともに高コストとなってしまう。
However, the conventional white light emitting device has the following problems.
That is, the conventional white light emitting device has a problem that the wavelength conversion efficiency is poor because the phosphor
また、従来の白色発光素子の構造においては、エピタキシャル層1004で発生された青色光が蛍光体薄膜1003を透過する回数が少ない。そのため、青色光と組み合わせ白色を実現するために十分な黄色光を蛍光体薄膜1003から得ることが困難であるという課題を有する。
In the structure of the conventional white light emitting device, the number of times that the blue light generated in the
そこで、本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a nitride semiconductor light-emitting device that has high phosphor wavelength conversion efficiency in the phosphor layer and enables white light emission excellent in color rendering. For the purpose.
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、n型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層と、前記n型窒化物半導体層および前記p型窒化物半導体層で挟まれた発光部とで構成される窒化物半導体発光層と、前記窒化物半導体発光層上に形成された誘電体層と、前記誘電体層上に形成された金属層と、前記金属層および前記誘電体層の間にまたは前記金属層上に形成され、前記窒化物半導体発光層が発する光を吸収して蛍光を発する蛍光体層とを備える。 In order to achieve the above object, a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes an n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, the n-type nitride semiconductor layer, and the p-type nitride semiconductor layer. A nitride semiconductor light emitting layer composed of a light emitting portion sandwiched between, a dielectric layer formed on the nitride semiconductor light emitting layer, a metal layer formed on the dielectric layer, and the metal layer And a phosphor layer which is formed between the dielectric layers or on the metal layer and emits fluorescence by absorbing light emitted from the nitride semiconductor light emitting layer.
この構成により、蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を実現できる。 With this configuration, it is possible to realize a nitride semiconductor light-emitting element that has high phosphor wavelength conversion efficiency in the phosphor layer and enables white light emission with excellent color rendering.
具体的には、金属層の構造、材料、膜厚を調整することにより、発光部からの放たれた光の一部が透過して素子外部に取り出される。一方、窒化物半導体発光層と誘電体層との界面において発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により金属中に表面プラズモンが励起される。発生した表面プラズモンと蛍光体層内のキャリアとカップリングする。それにより、蛍光体層内での発光再結合を促進するため、蛍光体における波長の変換効率が向上する。その結果、蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を実現できる。 Specifically, by adjusting the structure, material, and film thickness of the metal layer, part of the light emitted from the light emitting portion is transmitted and extracted outside the device. On the other hand, surface plasmons are excited in the metal by the evanescent light generated when the light emitted from the light emitting part is totally reflected at the interface between the nitride semiconductor light emitting layer and the dielectric layer. The generated surface plasmon is coupled with the carrier in the phosphor layer. Thereby, since the light emission recombination in the phosphor layer is promoted, the wavelength conversion efficiency in the phosphor is improved. As a result, it is possible to realize a nitride semiconductor light emitting device that has high phosphor wavelength conversion efficiency in the phosphor layer and enables white light emission with excellent color rendering.
ここで、前記誘電体層、前記金属層および蛍光体層は、前記窒化物半導体発光層上に順に形成されているとしてもよい。 Here, the dielectric layer, the metal layer, and the phosphor layer may be sequentially formed on the nitride semiconductor light emitting layer.
また、前記誘電体層、蛍光体層および金属層は、前記窒化物半導体発光層上に順に形成されていとしてもよい。 The dielectric layer, the phosphor layer, and the metal layer may be sequentially formed on the nitride semiconductor light emitting layer.
また、前記誘電体層は、前記窒化物半導体発光層が発する光に対して透明であるとしてもよい。 The dielectric layer may be transparent to light emitted from the nitride semiconductor light emitting layer.
この構成により、窒化物半導体発光層が放つ光を吸収することなく白色発光素子外部へ取り出すことができる。 With this configuration, the light emitted from the nitride semiconductor light emitting layer can be extracted outside the white light emitting element without absorbing light.
また、前記誘電体層は、アンドープの窒化物半導体からなるとしてもよい。
この構成により、金属層からのキャリアの拡散が抑制されるため、表面プラズモンの強度を向上させることができ、蛍光体層における蛍光体の変換効率を向上させることができる。ここで、表面プラズモンは、誘電体層と金属層の界面において発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により励起される。
The dielectric layer may be made of an undoped nitride semiconductor.
With this configuration, since carrier diffusion from the metal layer is suppressed, the strength of the surface plasmon can be improved, and the conversion efficiency of the phosphor in the phosphor layer can be improved. Here, the surface plasmon is excited by evanescent light generated when the light emitted from the light emitting part is totally reflected at the interface between the dielectric layer and the metal layer.
また、前記誘電体層と前記金属層と前記蛍光体層とは、前記窒化物半導体発光層を構成するn型窒化物半導体層側に設けられているとしてもよい。 The dielectric layer, the metal layer, and the phosphor layer may be provided on the n-type nitride semiconductor layer side that constitutes the nitride semiconductor light emitting layer.
この構成により、n型側に設けられているので、透明導電層を設ける必要がなく、容易に表面プラズモンを励起させる構成を実現できる。 With this configuration, since it is provided on the n-type side, it is not necessary to provide a transparent conductive layer, and a configuration for easily exciting surface plasmons can be realized.
また、前記誘電体層の厚みは、前記窒化物半導体発光層が発する光が前記窒化物半導体発光層と前記誘電体層との界面において全反射した際に生じるエバネッセント光のしみ出し深さ以下であるとしてもよい。 Further, the thickness of the dielectric layer is not more than a penetration depth of evanescent light generated when the light emitted from the nitride semiconductor light emitting layer is totally reflected at the interface between the nitride semiconductor light emitting layer and the dielectric layer. There may be.
この構成により、効果的に金属層に表面プラズモンを励起することができる。
また、前記金属層は、AlまたはAgを含む金属で構成されているとしてもよい。
With this configuration, surface plasmons can be effectively excited in the metal layer.
The metal layer may be made of a metal containing Al or Ag.
この構成により、AlおよびAgにおいては表面プラズモンが効果的に励起されるため、蛍光体層の変換効率を向上させることができる。 With this configuration, since surface plasmon is effectively excited in Al and Ag, the conversion efficiency of the phosphor layer can be improved.
また、前記蛍光体層は、Y(イットリウム)、Ce(セリウム)、Al、Si、Ca、Eu(ユーロビウム)の少なくとも1つを含む酸化物から構成されるとしてもよい。 The phosphor layer may be made of an oxide containing at least one of Y (yttrium), Ce (cerium), Al, Si, Ca, and Eu (eurobium).
この構成によれば、蒸着やスパッタリングにより成膜したこれらの酸化物蛍光体層において表面プラズモンを用いることにより波長の変換効率を向上させることができる。したがって、蒸着やスパッタリングという従来の半導体プロセス技術を用いて高変換効率な蛍光体層を有する低コストな白色発光素子を実現できる。 According to this configuration, the wavelength conversion efficiency can be improved by using surface plasmons in these oxide phosphor layers formed by vapor deposition or sputtering. Therefore, a low-cost white light-emitting element having a phosphor layer with high conversion efficiency can be realized by using a conventional semiconductor process technology such as vapor deposition or sputtering.
また、前記窒化物半導体発光層は、前記誘電体層が形成されている側に凹凸形状を有するとしてもよい。 The nitride semiconductor light emitting layer may have an uneven shape on the side where the dielectric layer is formed.
この構成により、凹凸部において発光部からの放たれた光に全反射を繰り返させ、効果的に表面プラズモンを励起することが可能となる。 With this configuration, the light emitted from the light emitting portion is repeatedly reflected in the concavo-convex portion, and surface plasmons can be effectively excited.
また、前記金属層は、金属微粒子から構成されるとしてもよい。
このような構成にすることにより、金属微粒子で表面プラズモンを効率よく励起すると同時に、窒化物半導体表面の被覆率を低下させることができる。それにより、金属薄膜に被覆されている場合と比較して青色光を効果的に発光素子外部に取り出すことができ、演色性を向上させることができる。
The metal layer may be composed of metal fine particles.
With such a configuration, the surface plasmon can be efficiently excited by the metal fine particles, and at the same time, the coverage of the nitride semiconductor surface can be reduced. Thereby, compared with the case where it is coat | covered with the metal thin film, blue light can be taken out outside a light emitting element effectively, and color rendering property can be improved.
本発明によれば、蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the nitride semiconductor light-emitting device which has high conversion efficiency of the wavelength of the fluorescent substance in a fluorescent substance layer, and enables white light emission excellent in color rendering property is realizable.
以下に、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
まず、実施の形態1について説明する。図1は、実施の形態1における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図2Aおよび図2Bは、蛍光体内でのキャリアの再結合を説明するための図である。図3A〜図3Cおよび図4A〜図4Cは、実施の形態1における動作および効果を説明するための図である。図5A〜図5Cは、実施の形態1における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。以下、詳細に本実施の形態について説明する。
(Embodiment 1)
First, the first embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor light emitting device in the first embodiment. 2A and 2B are diagrams for explaining carrier recombination in a phosphor. FIGS. 3A to 3C and FIGS. 4A to 4C are diagrams for explaining operations and effects in the first embodiment. 5A to 5C are diagrams for illustrating the method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting element in the first embodiment. Hereinafter, the present embodiment will be described in detail.
(構造)
図1に示す窒化物半導体発光素子100は、基板2上に積層された窒化物半導体発光層10、金属層50および蛍光体層60を備える。また、窒化物半導体発光素子100は、n型電極20およびp型電極30を備える。
(Construction)
A nitride semiconductor
基板2は、例えば面方位が<111>であるSi基板、面方位が<0001>であるサファイア基板、または面方位が<0001>である6H−SiC基板から成る。
The
窒化物半導体発光層10は、n型窒化物半導体層5a、発光部5b、p型窒化物半導体層5c、高濃度n型窒化物半導体層5d、およびアンドープ窒化物半導体層6が順に積層されている。なお、窒化物半導体発光層10は、高濃度n型窒化物半導体層5dにかえて、ITO(Indium Tin Oxide)などの透明電極で構成されていてもよい。また、窒化物半導体発光層10では、アンドープ窒化物半導体層6にかえて、例えば150nm程度の厚さのSiO2などからなる誘電体層で構成されていてもよい。
The nitride semiconductor
n型窒化物半導体層5aは、基板2上にバッファ層を介して形成され、例えばSiがドープされたGaNからなる。
The n-type
発光部5bは、n型窒化物半導体層5a上に形成され、例えば波長470nmを中心とする青色発光を示すように調整されたInGaNおよびGaNの多重量子井戸からなる。すなわち、発光部5bは、InxGa1-xN井戸層とGaN障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造からなり、発光する。
The
p型窒化物半導体層5cは、発光部5b上に形成され、例えばMgがドープされたp型のGaNからなる。
The p-type
高濃度n型窒化物半導体層5dは、高濃度n型GaNからなり、p型窒化物半導体層5c上に形成される。高濃度n型窒化物半導体層5dは、導電性を有し、トンネル電流によりp型窒化物半導体にキャリアを供給する働きをする。そのため、高濃度n型窒化物半導体層5dは、ドーパントとして例えばSiを1×1019cm-3以上含むことが好ましい。
The high concentration n-type
アンドープ窒化物半導体層6は、アンドープGaNからなり、高濃度n型窒化物半導体層5d上に形成される。アンドープ窒化物半導体層6は、高濃度n型窒化物半導体層5dに接する形で形成されている。
The undoped
金属層50は、窒化物半導体発光層10上に形成され、例えばAl、Ag等の金属により構成される金属薄膜である。具体的には、金属層50は、窒化物半導体発光層10のアンドープ窒化物半導体層6に接する形で形成されており、例えば5〜25nmの薄い金属膜である。なお、金属層50は、金属微粒子から構成されていてもよく、さらに、開口部を有していてもよい。また、金属層50の厚さは、好ましくは5〜25nmであるが、それに限らない。金属層50と蛍光体層60の界面に表面プラズモンを発生させることができる厚さであればよい。
The
蛍光体層60は、金属層50上に、金属層50に接する形で形成されている。ここで、蛍光体層60は、発光部5bで発生した光を吸収してその補色となる蛍光を発生する材料、例えばYAG(Yttrium Aliminum Garnet)やサイアロン蛍光体等からなる。すなわち、蛍光体層60は、Y(イットリウム)、Ce(セリウム)、Al、Si(シリコン)、Ca(カルシウム)、Eu(ユーロビウム)の少なくとも一つの酸化物である構成からなっていればよい。
The
n型電極20は、例えばTi、Al、Ni、Au等の金属の多層膜で構成され、n型窒化物半導体層5aに電気的に接続するように形成されている。具体的には、n型電極20は、p型窒化物半導体層5cおよび発光部5bの一部を選択的に除去されて露出したn型窒化物半導体層5aに接する形で形成されている。
The n-
p型電極30は、窒化物半導体発光層10上すなわち高濃度n型窒化物半導体層5d上に形成され、例えばTi、Al、Ni、Au等の金属の多層膜で構成される。
The p-
以上のように、実施の形態1における窒化物半導体発光素子100は構成される。
As described above, nitride semiconductor
(動作および効果)
次に、本実施の形態1における窒化物半導体発光素子100の動作について説明する。
(Operation and effect)
Next, the operation of the nitride semiconductor
まず、発光部5bは、発光する。ここで、発光部5bは、例えば出射光70aおよび出射光70bを発生したとする。出射光70aおよび出射光70bは、金属層50に対して一定の角度をもち入射し、窒化物半導体発光層10と金属層50との界面において、透過(出射光70a)、反射(出射光70b)、吸収のいずれかを生じる。
First, the
図1に示すように、出射光70aは、窒化物半導体発光層10および金属層50の界面を透過し、さらに金属層50を透過して、蛍光体層60に入射する。そして、蛍光体層60に入射された出射光70aの一部は、蛍光体層60内の蛍光体を励起するため、蛍光体内にキャリアが生じる。このようにして、蛍光体層60は、出射光70aにより生じたキャリアが再結合することにより黄色光を発光する。
As shown in FIG. 1, the outgoing light 70 a passes through the interface between the nitride semiconductor
また、金属層50が前記のように十分薄い場合、金属層50に入射した出射光70aの一部は、金属層50および蛍光体層60を透過し、窒化物半導体発光素子100の外部へ出力する。すなわち、金属層50に入射した出射光70aの一部は、蛍光体層60を透過し、青色光として外部へ出力する。
In addition, when the
一方、出射光70bは、図1に示すように、窒化物半導体発光層10および金属層50の界面で反射する。そして、出射光70bが全反射する際、アンドープ窒化物半導体層6と金属層50との界面には、界面に沿って伝播するエバネッセント光が発生する。このエバネッセント光がアンドープ窒化物半導体層6と金属層50との界面に表面プラズモンを励起する。ここで、金属層50が例えば5nm〜25nmの厚さであるなど十分薄い場合、金属層50と蛍光体層60との界面にも表面プラズモンが励起される。そして、金属層50表面に励起された表面プラズモンと、出射光70aにより生じた蛍光体層60内のキャリアとがカップリング(連動)することにより、蛍光体層60からの発光(蛍光)を増強することができる。このようにして、窒化物半導体発光素子100では、蛍光体層60における波長の変換効率を向上させることが可能となる。
On the other hand, the emitted light 70b is reflected at the interface between the nitride semiconductor
このようにして、実施の形態1では、蛍光体層60を透過した青色光と、蛍光体層60で変換された黄色光とを混色することにより、蛍光体層60における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子100を実現できる。
Thus, in
続いて、蛍光体層60内でのキャリアの再結合に対する表面プラズモンの効果について説明する。図2Aは、表面プラズモンが励起されない場合における蛍光体層内でのキャリアの再結合を説明するための図である。図2Bは、表面プラズモンが励起される場合における蛍光体層内でのキャリアの再結合を説明するための図である。
Next, the effect of surface plasmons on carrier recombination in the
図2Aで示すように、表面プラズモンが存在しない場合、励起光によって蛍光体層内に生成されたキャリアは、発光または非発光して再結合する。ここで、発光再結合確率をkr、非発光再結合確率をknrとすると、蛍光体層における波長の変換効率ηintは、式1のように表される。
As shown in FIG. 2A, in the absence of surface plasmon, carriers generated in the phosphor layer by the excitation light recombine by emitting light or not emitting light. Here, assuming that the emission recombination probability is k r and the non-light emission recombination probability is k nr , the wavelength conversion efficiency η int in the phosphor layer is expressed as shown in
ηint = kr/(kr + knr) (式1) η int = k r / (k r + k nr) ( Equation 1)
それに対して、図2Bで示すように、表面プラズモンが存在する場合、図2Aで説明した蛍光体層内でのキャリアの再結合に加えて、表面プラズモンと蛍光体層内のキャリアとがカップリングすることにより発光再結合が発生する。ここでこの表面プラズモンとキャリアとのカップリングによる発光再結合確率をkSPとすると、ηintは式2のように変化する。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, when surface plasmon exists, in addition to the carrier recombination in the phosphor layer described in FIG. 2A, the surface plasmon and the carrier in the phosphor layer are coupled. As a result, luminescence recombination occurs. Here, if the emission recombination probability due to the coupling between the surface plasmon and the carrier is k SP , η int changes as shown in
ηint = (kr + kSP)/(kr + kSP + knr) (式2) η int = (k r + k SP) / (k r + k SP + k nr) ( Equation 2)
以上のように、表面プラズモンを発生させることによりkSPの値を増大させることができるので、蛍光体層内における波長の変換効率が向上することがわかる。 As described above, since the value of k SP can be increased by generating surface plasmons, it can be seen that the wavelength conversion efficiency in the phosphor layer is improved.
続いて、窒化物半導体発光素子100を構成するアンドープ窒化物半導体層6、金属層50および蛍光体層60が表面プラズモンを発生させることを説明する。具体的には、窒化物半導体発光素子のモデル構造を用いて、金属層50への入射される光の角度(入射角)と、吸収率との関係について計算結果を用いて説明する。ここで、図3A〜図3Cは、計算に用いた構造およびパラメータを示している。図4A〜図4Cは、その計算結果を示している。
Next, it will be described that the undoped
図3Aでは、窒化物半導体層6aと金属層50aと蛍光体層60aとが順に積層された窒化物半導体発光素子のモデル構造を示している。図3Bでは、窒化物半導体層6aと誘電体層40aと金属層50aと蛍光体層60aとが順に積層された窒化物半導体発光素子のモデル構造を示している。また、図3Cでは、図3Aおよび図3Bで示すモデル構造に用いられる材料の計算パラメータを示している。
FIG. 3A shows a model structure of a nitride semiconductor light emitting device in which a
具体的には、アンドープのGaNからなる窒化物半導体層6aでは、設定波長470nmにおいて、複素屈折率は、n=2.42、k=0である。また、ドープありのGaNからなる窒化物半導体層6aでは、設定波長470nmにおいて、複素屈折率は、n=2.42、k=0.004である。また、SiO2からなる誘電体層40aでは、設定波長470nmにおいて、複素屈折率は、n=1.40、k=0である。SiO2からなる誘電体層40aでは、設定波長470nmにおいて、複素屈折率は、n=1.40、k=0である。Alからなる金属層50aでは、設定波長470nmにおいて、複素屈折率は、n=0.675、k=5.60である。また、YAGからなる蛍光体層60aでは、設定波長470nmにおいて、複素屈折率は、n=1.83、k=0である。
Specifically, in the
まず、図4Aでは、誘電体層40aのない図3Aに示すモデル構造において、窒化物半導体層6aがドープなしのGaNからなる場合の計算結果が示されている。また、図4Aでは、Alからなる金属層50aの膜厚が0nm(図中、Al薄膜なしと記載)と、5nmと、15nmと、25nmとの場合の計算結果が示されている。
First, FIG. 4A shows a calculation result when the
図4Aの計算結果に示されるように、すなわち入射光が窒化物半導体層6aを透過して金属層50aに入射する場合の金属層50aの吸収率に示されるように、金属層50aに表面プラズモンを励起することに伴う吸収は観測されない。これは、金属層50aからドープあり窒化物半導体層6aへのキャリアの拡散が発生するためである。
As shown in the calculation result of FIG. 4A, that is, as indicated by the absorptance of the
一方、図4Bでは、誘電体層40aのない図3Aに示すモデル構造において、窒化物半導体層6aがドープありGaNからなる場合の計算結果が示されている。また、図4Bでは、Alからなる金属層50aの膜厚が0nm(Al薄膜なし)と、5nmと、15nmと、25nmとの場合の計算結果が示されている。
On the other hand, FIG. 4B shows the calculation result when the
図4Bの計算結果に示されるように、すなわち入射光が窒化物半導体層6aを透過して金属層50aに入射する場合の金属層50aの吸収率に示されるように、金属層50aに表面プラズモンを励起することに伴う吸収が観測される。具体的には、金属層50aに表面プラズモンの励起に伴う急峻な吸収ピークが入射角54度付近に発生する。これは、金属層50aから窒化物半導体層6aへのキャリアの拡散が抑制されるためである。
As shown in the calculation result of FIG. 4B, that is, as indicated by the absorptance of the
また、図4Cでは、誘電体層40aのある図3Bに示すモデル構造において、窒化物半導体層6aがドープありGaNからなる場合の計算結果が示されている。また、図4Cでは、Alからなる金属層50aの膜厚が0nm(Al薄膜なし)と、5nmと、15nmと、25nmとの場合の計算結果が示されている。ここで、誘電体層40aは、厚さ150nmのSiO2からなると設定している。
FIG. 4C shows a calculation result when the
図4Bの計算結果に示されるように、すなわち入射光が窒化物半導体層6aを透過して、誘電体層40aおよび金属層50aに入射する場合の金属層50aの吸収率に示されるように、金属層50aに表面プラズモンを励起することに伴う吸収が観測される。具体的には、金属層50aに表面プラズモンの励起に伴う急峻な吸収ピークが入射角40度付近に発生する。これは、誘電体層40aのため金属層50aから窒化物半導体層6aへのキャリアの拡散が抑制されるためである。また、入射角45度以上において、吸収はほとんど観測されない。これは、誘電体層40aから金属層50aへ入射された際に、金属層50aで反射された入射光が窒化物半導体層6aと誘電体層40aの界面で全反射するためである。この結果、反射による入射光のロスを抑制することができる。
As shown in the calculation result of FIG. 4B, that is, as indicated by the absorptance of the
以上より、アンドープ窒化物半導体層6、金属層50および蛍光体層60を備えるまたはアンドープ窒化物半導体層6、誘電体層、金属層50および蛍光体層60を備える窒化物半導体発光素子100は、表面プラズモンを発生させることができることがわかる。
As described above, the nitride semiconductor
このとき、図4Bおよび図4Cの結果から、金属層50の材料がAlの場合、その膜厚は5nmから25nmであることが望ましい。金属層50の膜厚を範囲に膜厚を設定することにより、表面プラズモンを励起すると同時に発光部5bから放たれた青色光の透過率を高めることができる。
At this time, from the results of FIGS. 4B and 4C, when the material of the
(製造方法)
次に、上記のように構成された窒化物半導体発光素子100の製造方法を説明する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor
まず、例えば面方位が<111>であるSi基板からなる基板2の主面上に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いたエピタキシャル成長により、AlNや低温成長GaN層などのバッファ層(図示せず)を介在して窒化物半導体発光層10を形成する(図5A)。ここで、窒化物半導体発光層10は、基板2の主面上に、バッファ層を介してn型GaNからなるn型窒化物半導体層5aと、InxGa1-xN井戸層およびGaN障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造から成る発光部5bと、p型GaNからなるp型窒化物半導体層5cと、高濃度n型GaNからなる高濃度n型窒化物半導体層5dと、アンドープGaNからなるアンドープ窒化物半導体層6とが順次積層されてなる。なお、基板2は、面方位が<111>であるSi基板だけでなく、面方位が<0001>であるサファイア基板、または面方位が<0001>である6H−SiC基板などからなっていてもよい。
First, for example, a buffer layer such as AlN or a low-temperature growth GaN layer is formed on the main surface of the
次に、真空蒸着法により窒化物半導体発光層10上に金属層50、蛍光体層60を順次形成する。そして、蛍光体層60、金属層50および窒化物半導体発光層10の一部をフォトリソグラフィー技術とドライエッチ法とを用いて選択的にエッチングし、n型GaNからなるn型窒化物半導体層5aの一部を露出する第1の開口部15を形成する。続いて、蛍光体層60、金属層50および窒化物半導体発光層10の一部をフォトリソグラフィー技術とドライエッチ法を用いて選択的にエッチングし、高濃度n型GaN層からなる高濃度n型窒化物半導体層5dの一部を露出する第2の開口部25を形成する(図5B)。
Next, the
次に、フォトリソグラフィーと真空蒸着法とにより、第1の開口部15の上面の一部にn型電極20を選択的に形成する。続いて、フォトリソグラフィーと真空蒸着法とにより、第2の開口部25の上面の一部にp型電極30を選択的に形成する。そして最後に、ブレードを用いたダイシングによりチップ分離を行うことで、窒化物半導体発光素子100を形成する(図5C)。
Next, the n-
以上のように、窒化物半導体発光素子100を形成する。
以上のように、本実施の形態1の窒化物半導体発光素子100では、金属層50の構成、材料および膜厚を調整することにより、発光部5bからの放たれた光の一部が透過して窒化物半導体発光素子100外部に取り出される。一方、窒化物半導体発光層10のアンドープ窒化物半導体層6と金属層50の界面において発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により金属層50中に表面プラズモンが励起される。そして、発生した表面プラズモンと蛍光体層60内のキャリアとカップリングする。それにより、蛍光体層60内での発光再結合を促進するため、蛍光体における波長の変換効率が向上する。
As described above, the nitride semiconductor
As described above, in the nitride semiconductor
また、本実施の形態1の窒化物半導体発光素子100では、金属層50と接する窒化物半導体発光層10にアンドープ窒化物半導体層6を構成することにより、金属層からのキャリアの拡散が抑制されるため、表面プラズモンの強度を向上させることができ、蛍光体層60における蛍光体の変換効率を向上させることができる。
In the nitride semiconductor
また、本実施の形態1の窒化物半導体発光素子100では、アンドープ窒化物半導体層6は、透明であり窒化物半導体発光層10が発光する光を吸収しないので、窒化物半導体発光層10の発光部5bが放つ光を吸収することなく窒化物半導体発光素子100の外部へ取り出すことができる。
In the nitride semiconductor
また、本実施の形態1の窒化物半導体発光素子100では、金属層50はAlまたはAgから構成され、AlおよびAgにおいては表面プラズモンが効果的に励起されるため、蛍光体層60の変換効率を向上させることができる。
In the nitride semiconductor
また、本実施の形態1の窒化物半導体発光素子100では、蛍光体層60は、Y、Ce、Al、Si、Ca、Euの少なくとも1つの酸化物から構成される。それにより、蒸着やスパッタリングにより成膜したこれらの酸化物で構成される蛍光体層60でも表面プラズモンを用いることにより波長の変換効率を向上させることができる。したがって、蒸着やスパッタリングという従来の半導体プロセス技術を用いて高変換率の蛍光体層60を有し低コストな白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子100を実現できる。
In the nitride semiconductor
以上、本実施の形態1によれば、蛍光体層60における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を実現できる。
As described above, according to the first embodiment, it is possible to realize a nitride semiconductor light emitting element that has high phosphor wavelength conversion efficiency in the
なお、上述したが、窒化物半導体発光素子100では、高濃度n型窒化物半導体層5dにかえて、ITO(Indium Tin Oxide)などの透明電極で構成されていてもよい。また、アンドープ窒化物半導体層6にかえて、例えば150nm程度の厚さのSiO2などからなる誘電体層で構成されていてもよい。
As described above, the nitride semiconductor
(実施の形態2)
次に、実施の形態2について説明する。実施の形態2では、窒化物半導体発光層と金属層との間に誘電体層が構成される場合の例について説明する。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment will be described. In the second embodiment, an example in which a dielectric layer is formed between a nitride semiconductor light emitting layer and a metal layer will be described.
図6は、実施の形態2における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図1と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図7A、図7B、図8Aおよび図8Bは、実施の形態2の動作および効果を説明するための図である。 FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor light emitting device in the second embodiment. Elements similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. 7A, 7B, 8A and 8B are diagrams for explaining the operation and effect of the second embodiment.
(構造)
図6に示す窒化物半導体発光素子101は、基板2上に積層された窒化物半導体発光層110、誘電体層140、金属層150、および蛍光体層60を備える。また、窒化物半導体発光素子101は、n型電極20およびp型電極30を備える。図6に示す窒化物半導体発光素子101は、実施の形態1に係る窒化物半導体発光素子100に対して、窒化物半導体発光層110と金属層150との構成が異なり、誘電体層140を備えている。
(Construction)
A nitride semiconductor
具体的には、窒化物半導体発光層110は、実施の形態1に係る窒化物半導体発光層10が備えるアンドープ窒化物半導体層6が構成されていない。すなわち、窒化物半導体発光層110は、n型窒化物半導体層5a、発光部5b、p型窒化物半導体層5c、および高濃度n型窒化物半導体層5dが順に積層されている。
Specifically, the nitride semiconductor
誘電体層140は、GaNよりも低屈折率のSiO2などから構成され、窒化物半導体発光層110上すなわち高濃度n型窒化物半導体層5dに接する形で形成されている。このため、誘電体層140では、高濃度n型窒化物半導体層5dから誘電体層140に入射される光のうちの一部は、誘電体層140と高濃度n型窒化物半導体層5dに吸収されることなく全反射される。
The
また、誘電体層140は、例えば150nmと十分薄い厚さで構成されている。なお、誘電体層140の厚さは、150nmに限定されない。窒化物半導体発光層110と誘電体層140との界面において、窒化物半導体発光層110が放つ光が誘電体層140で全反射した際に生じるエバネッセント光のしみ出し深さ以下の厚さであればよい。
The
金属層150は、例えばAl、Ag等の金属により構成され、誘電体層140に接する形で形成されている。このとき、金属層150には周期的な開口が設けられている。また、金属層150は、例えば20nmの十分薄い厚さで構成されている。
The
以上のように、実施の形態2における窒化物半導体発光素子101は構成される。
As described above, nitride semiconductor
(動作および効果)
次に、実施の形態2における窒化物半導体発光素子101の動作および効果について説明する。
(Operation and effect)
Next, the operation and effect of nitride semiconductor
まず、発光部5bにおいて発生した光は、誘電体層140に対して一定の角度をもち入射する。ここで、誘電体層140は、窒化物半導体発光層110の屈折率よりも低い屈折率を有する。このため、高濃度n型窒化物半導体層5dから誘電体層140に入射する光のうちの一部は、誘電体層140と高濃度n型窒化物半導体層5dとに吸収されることなく全反射される。
First, light generated in the
したがって、誘電体層140に対して一定の角度をもち入射された光は、高濃度n型窒化物半導体層5dと誘電体層140との界面において、一部が全反射される。そして、入射された光の一部が全反射する際、高濃度n型窒化物半導体層5dと誘電体層140との界面には、界面に沿って伝播するエバネッセント光が発生する。
Therefore, a part of the light incident at a certain angle with respect to the
ここで、誘電体層140が例えば150nmの厚さであるように十分薄い場合、高濃度n型窒化物半導体層5dと誘電体層140との界面に発生したエバネッセント光が誘電体層140内にもしみ込み、誘電体層140と金属層150との界面に表面プラズモンを励起する。また、金属層150が例えば20nmの厚さであるように十分薄い場合、金属層150と蛍光体層60との界面にも表面プラズモンが励起される。
Here, when the
このように励起された表面プラズモンと蛍光体層60内のキャリアとがカップリングすることにより、蛍光体層60からの発光(蛍光)を増強することができる。すなわち、窒化物半導体発光素子101では、蛍光体層60における変換効率を向上させることが可能となる。さらに、金属層150に周期的な開口を設けることで、金属層150に効果的に表面プラズモンを励起することができる。これにより、さらに蛍光体層60の変換効率を向上させることが可能となる。
By coupling the excited surface plasmon and the carrier in the
一方、金属層150は例えば20nmの厚さであるように十分薄いので、金属層150に入射した青色光は、その一部が金属層150またはその開口部を透過し、発光素子外部へ効果的に青色光を取り出すことができる。
On the other hand, since the
このようにして、実施の形態2では、蛍光体層60を透過した青色光と、蛍光体層60で変換された黄色光とを混色することにより、蛍光体層60における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子101を実現できる。
Thus, in
続いて、窒化物半導体発光素子101を構成する窒化物半導体発光層110、誘電体層140、金属層150および蛍光体層60が表面プラズモンを発生させることを説明する。具体的には、窒化物半導体発光素子のモデル構造を用いて、金属層150への入射される光の角度(入射角)と、吸収率との関係について計算結果を用いて説明する。図7A、図7B、図8Aおよび図8Bは、実施の形態2における動作および効果を説明するための図である。
Next, it will be described that the nitride semiconductor
図7Aでは、窒化物半導体層110aと誘電体層140aと金属層150aと蛍光体層60aとが順に積層された窒化物半導体発光素子のモデル構造を示している。図7Bでは、図7Aに示すモデル構造に用いられる材料の計算パラメータを示している。
FIG. 7A shows a model structure of a nitride semiconductor light emitting device in which a
図8Aおよび図8Bでは、ドープありGaNからなる窒化物半導体層110aと150nmのSiO2からなる誘電体層140aと20nmのAlからなる金属層150aとYAGからなる蛍光体層60aとが順に積層された窒化物半導体発光素子のモデル構造の計算結果が示されている。このモデル構造では、入射光は窒化物半導体層110aを透過して、誘電体層140aおよび開口部を有する金属層150aおよび蛍光体層60aに入射する。また、図8Aでは、金属層150aは、開口率50%であって、その周期が0.5μmと、1μmと、1.5μmとの場合の計算結果が示されている。図8Bでは、金属層150aは、周期が1μmであって、その開口率が25%と、50%と、75%との場合の計算結果が示されている。
8A and 8B, a
図8Aおよび図8Bの計算結果に示されるように、金属層150aが周期1μmで開口率50%以上の周期構造をとる場合、金属層150aにおいて効果的に表面プラズモンが励起される。この表面プラズモンの励起のため、入射角37.5度付近に急峻な吸収ピークが発生する。この結果、金属層150aに開口部を設けることにより青色光を効果的に発光素子外部へ取り出すとともに、励起された表面プラズモンにより蛍光体層60aの変換効率を向上させることができる。
As shown in the calculation results of FIGS. 8A and 8B, when the
以上のように、本実施の形態2の窒化物半導体発光素子101では、金属層150の構成、材料および膜厚を調整することにより、発光部5bからの放たれた光の一部が透過して窒化物半導体発光素子101外部に取り出される。一方、窒化物半導体発光層110と誘電体層140との界面において発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により、金属層150中に表面プラズモンが励起される。そして、発生した表面プラズモンと蛍光体層60内のキャリアとカップリングする。それにより、蛍光体層60内での発光再結合を促進するため、蛍光体における波長の変換効率が向上する。
As described above, in the nitride semiconductor
また、本実施の形態2の窒化物半導体発光素子101では、誘電体層140は、透明であり窒化物半導体発光層110が発光する光を吸収しないので、窒化物半導体発光層110の発光部5bが放つ光を吸収することなく窒化物半導体発光素子101の外部へ取り出すことができる。
In the nitride semiconductor
また、本実施の形態2の窒化物半導体発光素子101では、誘電体層140は、例えば150nmと十分薄い厚さで構成されている。すなわち誘電体層140は、窒化物半導体発光層110と誘電体層140との界面において、窒化物半導体発光層110が放つ光が誘電体層140で全反射した際に生じるエバネッセント光のしみ出し深さ以下の厚さで構成されている。この構成により、効果的に金属層150に表面プラズモンを励起することができる。
Moreover, in the nitride semiconductor
また、本実施の形態1の窒化物半導体発光素子101では、金属層150はAlまたはAgから構成され、AlおよびAgにおいては表面プラズモンが効果的に励起されるため、蛍光体層60の変換効率を向上させることができる。
In the nitride semiconductor
また、本実施の形態1の窒化物半導体発光素子101では、金属層150には、周期的な開口が設けられている。それにより、青色光を効果的に窒化物半導体発光素子101外部へ取り出すとともに、励起された表面プラズモンにより蛍光体層60の変換効率を向上させることができる。
In the nitride semiconductor
また、本実施の形態1の窒化物半導体発光素子101では、蛍光体層60は、Y、Ce、Al、Si、Ca、Euの少なくとも1つの酸化物から構成される。それにより、蒸着やスパッタリングにより成膜したこれらの酸化物で構成される蛍光体層60でも表面プラズモンを用いることにより波長の変換効率を向上させることができる。したがって、蒸着やスパッタリングという従来の半導体プロセス技術を用いて高変換率の蛍光体層60を有し低コストな白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子101を実現できる。
In the nitride semiconductor
以上、本実施の形態2によれば、蛍光体層60における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子101を実現できる。
As described above, according to the second embodiment, it is possible to realize the nitride semiconductor
(実施の形態3)
続いて、実施の形態3について説明する。
(Embodiment 3)
Subsequently, Embodiment 3 will be described.
図9は、実施の形態3における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図6と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図10A〜図10Fは、実施の形態3における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。以下、詳細に本実施形態について説明する。 FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor light emitting device in the third embodiment. Elements similar to those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. 10A to 10F are diagrams for illustrating the method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting element in the third embodiment. Hereinafter, this embodiment will be described in detail.
(構造)
図9に示す窒化物半導体発光素子200は、支持基板217上に積層された反射膜216、窒化物半導体発光層210、誘電体層240、金属層250および蛍光体層260を備える。また、窒化物半導体発光素子200は、n型電極220およびp型電極230を備える。
(Construction)
A nitride semiconductor
図9に示す窒化物半導体発光素子200は、実施の形態2に係る窒化物半導体発光素子101に対して、窒化物半導体発光層210の構成が異なり、誘電体層240と金属層150と蛍光体層260との形状が異なる。また、窒化物半導体発光素子200は、実施の形態2に係る窒化物半導体発光素子101に対して、反射膜216および支持基板217を備える点で異なり、p型電極230の構成が異なる。
The nitride semiconductor
窒化物半導体発光層210は、p型窒化物半導体層5c、発光部5bおよびn型窒化物半導体層205aが順に積層されている。
In the nitride semiconductor
n型窒化物半導体層205aは、例えばSiがドープされたGaNから構成されている。また、n型窒化物半導体層205aは、発光部5bとは反対側すなわち誘電体層240が積層される側に凹凸が形成されている。
The n-type
発光部5bは、n型窒化物半導体層205a下に形成され、例えば波長470nmを中心とする青色発光を示すように調整されたInGaNおよびGaNの多重量子井戸からなる。すなわち、発光部5bは、InxGa1-xN井戸層とGaN障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造からなり、発光する。
The light-emitting
p型窒化物半導体層5cは、発光部5b下に形成され、例えばMgがドープされたGaNからなる。
The p-type
反射膜216は、例えばPt、Ag、Ni、Cuなどの金属の多層膜で構成され、p型窒化物半導体層5cに電気的に接続される形で形成される。また、反射膜216は、支持基板217に電気的に接続されている。
The
支持基板217は、例えばAu、Cu等の金属メッキにより構成される基板であり、反射膜216に電気的に接続される形で形成される。
The
p型電極230は、例えばTi、Al、Ni、Au等の金属の多層膜で構成され、支持基板217の反射膜216と反対側の面に電気的に接続される形で形成されている。
The p-
誘電体層240は、窒化物半導体発光層210の屈折率よりも低い屈折率を有する例えばSiO2、MgF2等の誘電体から構成され、n型窒化物半導体層205aに接する形で形成される。誘電体層240は、例えば150nm程度の厚さの誘電体である。また、誘電体層240は、n型窒化物半導体層205aの誘電体層240の側に形成されている凹凸形状に沿って凹凸形状に形成されている。
The
金属層250は、例えばAl、Ag等の金属から構成され、誘電体層240に接する形で形成される。金属層250は、例えば5〜25nmの薄い金属膜である。また、金属層250は、誘電体層240の形状に沿って凹凸形状に形成されている。
The
蛍光体層260は、例えばYAGやサイアロン蛍光体等から構成され、金属層250に接する形で形成される。また、蛍光体層260は、金属層250の形状に沿って凹凸形状に形成されている。
The
n型電極220は、例えばTi、Al、Ni、Au等の金属の多層膜で構成され、n型窒化物半導体層205aに電気的に接続される形で形成されている。具体的には、n型電極220は、蛍光体層260、金属層250および誘電体層240の一部を選択的に除去されて露出したn型窒化物半導体層205aに接する形で形成されている。
The n-
以上のように、実施の形態3における窒化物半導体発光素子200は構成される。
なお、窒化物半導体発光素子200では、上述したが、n型窒化物半導体層205aと誘電体層240との界面、および、n型窒化物半導体層205aとn型電極220との界面には、凹凸が形成されている。
As described above, nitride semiconductor
In the nitride semiconductor
(動作および効果)
次に、本実施の形態3における窒化物半導体発光素子200の動作および効果について説明する。
(Operation and effect)
Next, the operation and effect of nitride semiconductor
まず、発光部5bにおいて発生した光は、誘電体層240に対して一定の角度をもち入射する。ここで、誘電体層240は、窒化物半導体発光層210の屈折率よりも低い屈折率を有する。このため、n型窒化物半導体層205aから誘電体層240に入射する光のうちの一部は、吸収されることなく全反射される。
First, the light generated in the
したがって、誘電体層240に対して一定の角度をもち入射された光は、n型窒化物半導体層205aと誘電体層240との界面において、一部が全反射される。そして、入射された光の一部が全反射する際、n型窒化物半導体層205aと誘電体層240との界面には、界面に沿って伝播するエバネッセント光が発生する。
Therefore, part of the light incident at a certain angle with respect to
ここで、誘電体層240が例えば150nm程度の厚さであるように十分薄い場合、n型窒化物半導体層205aと誘電体層240との界面に発生したエバネッセント光が誘電体層240内にもしみ込み、誘電体層240と金属層250との界面に表面プラズモンを励起する。また、金属層250が例えば5〜25nm程度の厚さであるように十分薄い場合、金属層250と蛍光体層260との界面にも表面プラズモンが励起される。
Here, when the
このように励起された表面プラズモンと蛍光体層260内のキャリアがカップリングすることにより、蛍光体層260からの発光(蛍光)を増強することができる。すなわち、窒化物半導体発光素子101では、蛍光体層260における波長の変換効率を向上させることが可能となる。
By coupling the excited surface plasmon and the carrier in the
一方、金属層250は例えば5〜25nm程度の厚さであるように十分薄いので、金属層250に入射した入射光(青色光)は、その一部が金属層250を透過し、窒化物半導体発光素子200の外部へ取り出される。
On the other hand, since the
このように、実施の形態3における窒化物半導体発光素子200は、金属層250を透過した入射光(青色光)と、蛍光体層260で変換された黄色光とを混色することにより、白色光を実現できる。
As described above, the nitride semiconductor
また、n型窒化物半導体層205aと誘電体層240との界面には凹凸が設けられており、入射光が凹凸により多数回反射されるため、表面プラズモンを効率的に励起することができる。
In addition, unevenness is provided at the interface between the n-type
また、全反射はn型窒化物半導体層205aと誘電体層240との界面で生じるため、金属界面での反射時に生じる反射ロスが発生せず、青色光を窒化物半導体発光素子200外部へ効率よく取り出すことができる。
Further, since total reflection occurs at the interface between the n-type
さらに、窒化物半導体発光素子200において、n型窒化物半導体層205aは、容易に導電性を得ることができる。そのため、図9のようにn型電極220とn型窒化物半導体層205aとを電気的に接続させることで、透明導電層等を用いずともキャリアをn型窒化物半導体層205a内に拡散させることができる。すわなち、透明導電層による光の吸収を抑制し、効率よく青色光を発光素子外部へ取り出すことができる。
Furthermore, in the nitride semiconductor
このように、窒化物半導体発光層210、誘電体層240、金属層250および蛍光体層260を透過してきた青色光と、蛍光体層260で変換された黄色光とを混色することにより、蛍光体層260における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子200を実現できる。
In this way, the blue light transmitted through the nitride semiconductor
(製造方法)
次に、上記のように構成された窒化物半導体発光素子200の製造方法を説明する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor
まず、例えば面方位が<111>であるSi基板からなる基板2の主面上に、MOCVD法を用いたエピタキシャル成長により、AlNや低温成長GaN層などのバッファ層(図示せず)を介在して窒化物半導体発光層210を形成する(図10A)。ここで、窒化物半導体発光層210は、基板2の主面上に、バッファ層を介してn型GaNからなるn型窒化物半導体層205aと、InxGa1-xN井戸層およびGaN障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造から成る発光部5bと、p型GaNからなるp型窒化物半導体層5cとが順次積層されてなる。なお、基板2は、面方位が<111>であるSi基板だけでなく、面方位が<0001>であるサファイア基板、または面方位が<0001>である6H−SiC基板などから成っていてもよい。
First, a buffer layer (not shown) such as AlN or a low-temperature growth GaN layer is interposed on the main surface of the
次に、真空蒸着法により、窒化物半導体発光層210上に、Ni、Ti、Al、Pt、Ag、Cuからなる反射膜216を形成する。続いて、Cuを電界メッキすることで、反射膜216上に支持基板217を形成する。続いて、支持基板217上に、Ni、Auからなるp型電極230を形成する(図10B)。
Next, a
次に、窒化物半導体発光素子200におけるp型電極230を形成した側の表面を覆う形で接着層(図示せず)を塗布し、接着層を介して窒化物半導体発光素子200に第2の支持基板(図示せず)を接着する。ここで、接着層を構成する接着剤としては、水酸化カリウム(KOH)など強アルカリ溶液に耐性がある例えばシリコーン樹脂接着剤などを用いる。そして、第2の支持基板上へ窒化物半導体発光素子200を接着後、基板2を除去する。これにより、n型GaNからなるn型窒化物半導体層205aを露出させる(図10C)。
Next, an adhesive layer (not shown) is applied so as to cover the surface of nitride semiconductor
なお、基板2がSi基板の場合、フッ酸と硝酸の混合液を用いたウェットエッチングによって基板2を除去することができる。また、基板2がサファイア基板であれば、レーザーリフトオフ法によって基板除去を行うことができる。
When the
次に、KOH水溶液と紫外光照射を併用したPEC(Photoelectrochemical)エッチング法を用いて、露出したn型GaNからなるn型窒化物半導体層205aをウェットエッチングする。具体的には、水酸化カリウム(KOH)水溶液を入れた容器内に第2の支持基板上に接着した窒化物半導体発光素子200を浸し、紫外光を照射した状態でウェットエッチングを行う。それにより、n型窒化物半導体層205aに斜面を有する凹凸面(図10D)を形成する。
Next, the exposed n-type
なお、このPECエッチングによる窒化物半導体のエッチングは面方位の異方性があり、面方位がn型GaNからなるn型窒化物半導体層205aの結晶方位面の一種で、半極性面のひとつである{1−101}面が形成される。これにより、n型窒化物半導体層205aに{1−101}面で構成された斜面を有する凹凸面を形成することができる。
This nitride semiconductor etching by PEC etching has anisotropy in the plane orientation, and the plane orientation is a kind of crystal orientation plane of the n-type
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、n型窒化物半導体層205aの凹凸面上の一部にn型電極220を選択的に形成する(図10E)。
Next, an n-
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とを用いて、n型窒化物半導体層205aの凹凸面上に、誘電体層240、金属層250および蛍光体層260を順次形成する。続いて、接着剤の剥離液を用いて接着層を除去することで第2の支持基板を分離する。最後に、ブレード(図示せず)を用いたダイシングによりチップ分離を行い、窒化物半導体発光素子200を形成する(図10F)。
Next, a
以上のようにして、窒化物半導体発光素子200を形成する。
以上のように、本実施の形態3の窒化物半導体発光素子200では、金属層250の構成、材料および膜厚を調整することにより、発光部5bからの放たれた光の一部が透過して窒化物半導体発光素子200外部に取り出される。一方、窒化物半導体発光層210と誘電体層240との界面において発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により、金属層250中に表面プラズモンが励起される。そして、発生した表面プラズモンと蛍光体層260内のキャリアとカップリングする。それにより、蛍光体層260内での発光再結合を促進するため、蛍光体における波長の変換効率が向上する。
As described above, the nitride semiconductor
As described above, in the nitride semiconductor
また、本実施の形態3の窒化物半導体発光素子200では、誘電体層240は、透明であり窒化物半導体発光層210が発光する光を吸収しないので、窒化物半導体発光層210の発光部5bが放つ光を吸収することなく窒化物半導体発光素子200の外部へ取り出すことができる。
In the nitride semiconductor
また、本実施の形態3の窒化物半導体発光素子200では、金属層250はAlまたはAgから構成され、AlおよびAgにおいては表面プラズモンが効果的に励起されるため、蛍光体層260の変換効率を向上させることができる。
In the nitride semiconductor
また、本実施の形態2の窒化物半導体発光素子101では、蛍光体層260は、Y、Ce、Al、Si、Ca、Euの少なくとも1つの酸化物から構成される。それにより、蒸着やスパッタリングにより成膜したこれらの酸化物で構成される蛍光体層260でも表面プラズモンを用いることにより波長の変換効率を向上させることができる。つまり、表面プラズモンを用いた蛍光体層260の変換効率向上の効果は欠陥準位や表面準位が存在する蛍光体において顕著となる。そのため、蒸着やスパッタリングなどの一般的な半導体プロセス技術を用いて蛍光体層260を成膜することが可能となり、白色発光素子の低コスト化を実現できる。したがって、蒸着やスパッタリングという従来の半導体プロセス技術を用いて高変換率の蛍光体層260を有し低コストな白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子200を実現できる。
In the nitride semiconductor
また、本実施の形態2の窒化物半導体発光素子101では、誘電体層240と誘電体層240が設けられている窒化物半導体発光層210とが凹凸形状を有している。この構成により、誘電体層240と窒化物半導体発光層210とに形成された凹凸において窒化物半導体発光層210の発光部5bからの放たれた光に全反射を繰り返させ、効果的に表面プラズモンを励起することが可能となる。
In the nitride semiconductor
以上、本実施の形態3によれば、蛍光体層260における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子100を実現できる。
As described above, according to the third embodiment, it is possible to realize the nitride semiconductor
(実施の形態4)
次に、実施の形態4について説明する。実施の形態4では、実施の形態3と構成は同じものの、製造方法が違う場合の例について説明する。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment will be described. In the fourth embodiment, an example in which the configuration is the same as that of the third embodiment but the manufacturing method is different will be described.
図11は、実施の形態4における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図9と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図12A〜図12Fは、実施の形態4における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor light emitting device in the fourth embodiment. Elements similar to those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. 12A to 12F are diagrams for illustrating the method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting element in the fourth embodiment.
(構造)
図11に示す窒化物半導体発光素子300は、支持基板217上に積層された反射膜216、窒化物半導体発光層310、誘電体層340、金属層250、蛍光体層260を備える。また、窒化物半導体発光素子300は、n型電極220およびp型電極230を備える。図11に示す窒化物半導体発光素子300は、実施の形態3に係る窒化物半導体発光素子200に対して、構成は同じものの窒化物半導体発光層310と誘電体層340との製造方法が異なる。
(Construction)
A nitride semiconductor
窒化物半導体発光層310は、n型窒化物半導体層305a、発光部5b、p型窒化物半導体層5cが積層されている。この窒化物半導体発光層310は、面方位がGaN結晶の(0001)面以外の面、例えば{1−101}面に沿って結晶成長している。
In the nitride semiconductor
誘電体層340は、例えばAlN等の窒化物から構成されており、n型窒化物半導体層305aに接する形で形成される。また、誘電体層340は、例えば150nm程度の薄い誘電体である。
The
以上のように、実施の形態4における窒化物半導体発光素子300は構成される。
なお、実施の形態4における窒化物半導体発光素子300の動作および効果については、実施の形態3における窒化物半導体発光素子200と同様のため、説明を省略する。
As described above, nitride semiconductor
Since the operation and effect of nitride semiconductor
なお、この窒化物半導体発光素子300は、窒化物半導体発光層310の成長面がC面に対して傾いた面となる。このため、発光部5bでの電子と正孔の再結合確率が向上し、発光部5bにおける発光効率が高くなるという効果を有する。
In the nitride semiconductor
以上のように、窒化物半導体発光層310、誘電体層340、金属層250および蛍光体層260を透過してきた青色光と、蛍光体層260で変換された黄色光とを混色することにより、蛍光体層260における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子300を実現できる。
As described above, by mixing the blue light transmitted through the nitride semiconductor
(製造方法)
次に、上記のように構成された窒化物半導体発光素子300の製造方法を説明する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor
まず、例えば面方位が7°オフの<100>であるSi基板からなる基板302の主面上に、熱酸化法によりSiO2からなる酸化膜(図示せず)を形成する。続いて、フォトリソグラフィー技術と例えばCHF3ガスによるドライエッチングとにより、形成した酸化膜にパターニングを施し、Siを露出させる。
First, an oxide film (not shown) made of SiO 2 is formed on a main surface of a
続いて、基板302を加熱したTMAH(Tetramethylammonium Hydroxide)、KOH等のアルカリ水溶液中に浸漬することで、基板302に異方性エッチングを施す。ここで、例えばTMAHの濃度は2.38%、温度は80℃、ウェットエッチング時間は20分である。このように、基板302に施した異方性エッチングによりSi(111)が露出するため、基板302の主面上に凹凸が形成される。
Subsequently, the
続いて、真空蒸着法やフォトリソグラフィーなどの半導体プロセス技術を用いて、基板302の主面上に形成された凹凸の一方の傾斜面を例えばSiO2等の誘電体膜にて形成する(図示せず)。続いて、基板302上に、MOCVD法を用いたエピタキシャル成長により、AlNからなる誘電体層340および低温成長GaN層などのバッファ層(図示せず)を介在して窒化物半導体発光層310を形成する(図12A)。ここで、窒化物半導体発光層310は、基板302上に、バッファ層を介して、n型GaNからなるn型窒化物半導体層305aと、InxGa1-xN井戸層およびGaN障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造からなる発光部5bと、p型GaNからなるp型窒化物半導体層5cとが順次積層されてなる。
Subsequently, by using a semiconductor process technology such as vacuum deposition or photolithography, one inclined surface of the unevenness formed on the main surface of the
次に、真空蒸着法により、窒化物半導体発光層310上に、Ni、Ti、Al、Pt、Ag、Cuからなる反射膜216を形成する。続いて、Cuを電界メッキすることで、反射膜216上に、支持基板217を形成する。続いて、支持基板217上に、Ni、Auからなるp型電極230を形成する(図12B)。
Next, a
次に、窒化物半導体発光素子300におけるp型電極230を形成した側の表面を覆う形で接着層(図示せず)を塗布し、前記接着層を介して窒化物半導体発光素子300に第2の支持基板(図示せず)を接着する。ここで、接着層を構成する接着剤としては水酸化カリウム(KOH)など強アルカリ溶液に耐性がある例えばシリコーン樹脂接着剤などを用いる。そして、第2の支持基板上へ前記窒化物半導体発光素子300を接着後、基板302を除去する。これにより、誘電体層340を露出させる(図12C)。
Next, an adhesive layer (not shown) is applied so as to cover the surface of the nitride semiconductor
なお、基板302がSi基板であれば、フッ酸と硝酸の混合液を用いたウェットエッチングによっても除去することができる。また、基板302がサファイア基板であれば、レーザーリフトオフ法によって基板除去を行うことができる。
Note that if the
次に、フォトリソグラフィー技術とCHF3ガスによるドライエッチング技術とを用いて、誘電体層340に開口部325を形成する。これにより、n型窒化物半導体層305aを露出させる(図12D)。
Next, an
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、n型窒化物半導体層305aの凹凸面上の一部にn型電極220を選択的に形成する(図12D)。
Next, the n-
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とを用いて、誘電体層340の凹凸面上に、金属層250および蛍光体層260を順次形成する。続いて、接着剤の剥離液を用いて接着層を除去することで第2の支持基板を分離する。最後に、ブレード(図示せず)を用いたダイシングによりチップ分離を行うことで、窒化物半導体発光素子300を形成する(図12F)。
Next, the
以上のように、窒化物半導体発光素子300を、製造する。窒化物半導体発光素子300では、基板302の形状を引き継いで凹凸を形成することが可能となるため、製造工程の簡略化が実現できる。
As described above, the nitride semiconductor
以上、本実施の形態4によれば、蛍光体層260における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子300を実現できる。
As described above, according to the fourth embodiment, it is possible to realize the nitride semiconductor
(実施の形態5)
次に、実施の形態5について説明する。
(Embodiment 5)
Next, a fifth embodiment will be described.
図13は、実施の形態5における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図1と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図14A〜図14Fは、実施の形態5における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。以下、詳細に本実施形態について説明する。 FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor light emitting device in the fifth embodiment. Elements similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. 14A to 14F are diagrams for illustrating the method for manufacturing the nitride semiconductor light-emitting element in the fifth embodiment. Hereinafter, this embodiment will be described in detail.
(構造)
図13に示す窒化物半導体発光素子400は、支持基板470上に積層された金属層460、蛍光体層450、誘電体層440、窒化物半導体発光層410および透明導電層415を備える。また、窒化物半導体発光素子400は、n型電極20およびp型電極30を備える。図13に示す窒化物半導体発光素子400は、実施の形態1に係る窒化物半導体発光素子100に対して、窒化物半導体発光層410の構成が異なり、誘電体層440、金属層460および蛍光体層450の積層方向および積層順序が異なる。また、窒化物半導体発光素子400は、実施の形態1に係る窒化物半導体発光素子100に対して、透明導電層415、支持基板470の構成が追加されている点が異なる。
(Construction)
A nitride semiconductor
窒化物半導体発光層410は、n型窒化物半導体層405a、発光部5bおよびp型窒化物半導体層5cが積層されている。なお、窒化物半導体発光層410は、実施の形態1に係る窒化物半導体発光層10が有する高濃度n型窒化物半導体層5dおよびアンドープ窒化物半導体層6は備えていない。
In the nitride semiconductor
n型窒化物半導体層405aは、例えばSiがドープされたGaNから構成されている。また、n型窒化物半導体層405aには、発光部5bとは反対側すなわち誘電体層440が積層される側に凹凸が形成されている。
The n-type
透明導電層415は、例えばITOからなり、窒化物半導体発光層410上に形成される。透明導電層415は、p型窒化物半導体層5cに電気的に接続される形で形成されている。
The transparent
誘電体層440は、例えばSiO2からなり、n型窒化物半導体層405aの凹凸面上に沿って形成されている。すなわち、n型窒化物半導体層405aと誘電体層440との界面には、凹凸が形成されている。また、誘電体層440は、例えば150nm程度の厚さの誘電体である。
The
蛍光体層450は、例えばYAGやサイアロン蛍光体等からなり、誘電体層440の凹凸面上に沿って形成されている。
The
金属層460は、例えばAl、Ag、Cuなどの金属多層膜で構成され、蛍光体層450の凹凸面上に沿って形成されている。金属層460は、例えば5〜25nm程度の厚さで構成されている。
The
n型電極20は、例えばTi、Al、Ni、Au等の金属の多層膜で構成され、n型窒化物半導体層405aに電気的に接続される形で形成されている。
The n-
p型電極30は、例えばTi、Al、Ni、Au等の金属の多層膜で構成され、透明導電層415に電気的に接続される形で形成されている。
The p-
支持基板470は、例えばAu、Cu等の金属メッキにより構成される基板である。
以上のように、実施の形態5における窒化物半導体発光素子400は構成される。
The
As described above, nitride semiconductor
(動作および効果)
次に、本実施の形態5における窒化物半導体発光素子400の動作および効果について説明する。
(Operation and effect)
Next, the operation and effect of nitride semiconductor
まず、発光部5bは発光して光を発生する。発生した光の一部は、n型窒化物半導体層405aと誘電体層440との界面において、全反射する。この際に発生したエバネッセント光は、誘電体層440および蛍光体層450を伝播し、金属層460の表面に表面プラズモンを励起する。一方、誘電体層440においてすなわちn型窒化物半導体層405aと誘電体層440との界面において、全反射しなかった光は、誘電体層440を透過し、蛍光体層450にキャリアを励起する。
First, the
そして、金属層460の表面に励起された表面プラズモンと、蛍光体層450に励起されたキャリアとがカップリングすることで、効率よくキャリアが再結合し、蛍光体層450の変換効率が向上する。
Then, by coupling the surface plasmon excited on the surface of the
このようにして、透明導電層415を透過した青色光と、蛍光体層450で変換され、誘電体層440、窒化物半導体発光層410および透明導電層415を透過してきた黄色光とを混色することにより、蛍光体層450における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子400を実現できる。
In this way, the blue light transmitted through the transparent
(製造方法)
次に、上記のように構成された窒化物半導体発光素子400の製造方法を説明する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor
まず、例えば面方位が<111>であるSi基板からなる基板402の主面上に、MOCVD法を用いたエピタキシャル成長により、AlNや低温成長GaN層などのバッファ層(図示せず)を介在して窒化物半導体発光層410を形成する(図14A)。ここで、窒化物半導体発光層410は、基板402の主面上に、バッファ層を介してn型GaNからなるn型窒化物半導体層405aと、InxGa1-xN井戸層およびGaN障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造から成る発光部5bと、p型GaNからなるp型窒化物半導体層5cとが順次積層されてなる。なお、基板402は、面方位が<111>であるSi基板だけでなく、面方位が<0001>であるサファイア基板、あるいは面方位が<0001>である6H−SiC基板などからなっていてもよい。
First, a buffer layer (not shown) such as AlN or a low-temperature growth GaN layer is interposed on the main surface of a
次に、フォトリソグラフィー技術と例えばCl2ガスによるドライエッチングとにより、窒化物半導体発光層410に、第1の開口部425を形成する(図14B)。
Next, a
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばITOからなる透明導電層415を、p型GaNからなるp型窒化物半導体層5cに電気的に接続される形で形成する。さらに、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばTi、Al、NiまたはAuの多層膜からなるp型電極30を、透明導電層415に電気的に接続される形で形成する。さらに、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばTi、Al、NiまたはAuの多層膜からなるn型電極20を、第1の開口部425により露出したn型GaNからなるn型窒化物半導体層405aに電気的に接続される形で形成する(図14C)。
Next, a transparent
次に、窒化物半導体発光素子400におけるp型電極30を形成した側の表面を覆う形で接着層(図示せず)を塗布し、接着層を介して窒化物半導体発光素子400に第2の基板(図示せず)を接着する。ここで、接着層を構成する接着剤としては水酸化カリウム(KOH)など強アルカリ溶液に耐性がある例えばシリコーン樹脂接着剤などを用いる。そして、第2の基板上へ窒化物半導体発光素子400を接着後、基板402を除去する。これにより、n型GaNからなるn型窒化物半導体層405aを露出させる(図14D)。
Next, an adhesive layer (not shown) is applied so as to cover the surface of the nitride semiconductor
なお、基板402がSi基板の場合、フッ酸と硝酸の混合液を用いたウェットエッチングによって基板402を除去することができる。また、基板402がサファイア基板の場合、レーザーリフトオフ法によって基板除去を行うことができる。
Note that in the case where the
次に、KOH水溶液と紫外光照射を併用したPEC(Photoelectrochemical)エッチング法を用いて、露出したn型GaNからなるn型窒化物半導体層405aをウェットエッチングする。具体的には、水酸化カリウム(KOH)水溶液を入れた容器内に、図14Cで形成した第2の基板上に接着した窒化物半導体発光素子400を浸し、紫外光を照射した状態でウェットエッチングを行う。それにより、n型窒化物半導体層405aに斜面を有する凹凸面を形成する(図14E)。
Next, the exposed n-type
なお、このPECエッチングによる窒化物半導体のエッチングは面方位の異方性があり、面方位がn型GaNからなるn型窒化物半導体層405aの結晶方位面の一種で、半極性面のひとつである{1−101}面が形成される。これにより、n型窒化物半導体層405aに前記{1−101}面で構成された斜面を有する凹凸面を形成することができる。
The etching of the nitride semiconductor by this PEC etching has a plane orientation anisotropy, which is a kind of crystal orientation plane of the n-type
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、n型窒化物半導体層405aの凹凸面上に、例えばSiO2からなる誘電体層440と、例えばYAGからなる蛍光体層450と、例えばAl、AgまたはCuなどの金属の多層膜からなる金属層460とを順次形成する。さらに、例えばAuやCuメッキにより、金属層460上に支持基板470を形成する。そして、接着剤の剥離液を用いて接着層を除去することで第2の基板を分離する。最後に、ブレード(図示せず)を用いたダイシングによりチップ分離を行い、窒化物半導体発光素子400を形成する(図14F)。
Next, a
以上のようにして、窒化物半導体発光素子400を形成する。
以上、本実施の形態5によれば、蛍光体層450における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子400を実現できる。
As described above, the nitride semiconductor
As described above, according to the fifth embodiment, it is possible to realize the nitride semiconductor
(実施の形態6)
次に、実施の形態6について説明する。
(Embodiment 6)
Next, a sixth embodiment will be described.
図15は、実施の形態6における窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。図9と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図16A〜図16Fは、実施の形態6における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 FIG. 15 is a cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor light emitting device in the sixth embodiment. Elements similar to those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. 16A to 16F are views for explaining the method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting element in the sixth embodiment.
(構造)
図15に示す窒化物半導体発光素子500は、窒化物半導体発光層210上に積層された誘電体層240、金属層250および蛍光体層260を備える。また、窒化物半導体発光素子500は、反射膜516とn型電極520とp型電極530とを備える。図15に示す窒化物半導体発光素子500は、実施の形態3に係る窒化物半導体発光素子200に対して、反射膜516とn型電極520とp型電極530との構成が異なる。
(Construction)
A nitride semiconductor
反射膜516は、例えばNi、Agなどからなり、窒化物半導体発光層210のp型窒化物半導体層5cに電気的に接続される形で形成されている。
The
p型電極530は、例えばTi、Al、Ni、Au等の金属の多層膜で構成され、反射膜516に電気的に接続される形で形成されている。p型電極530は、窒化物半導体発光層210に対して下部となるように反射膜516の窒化物半導体発光層210が積層される面とは反対の面に形成され、かつ、支持基板(図示せず)上に形成される。このようにして、p型電極530は、外部へ配線が可能となるように設置される。
The p-
n型電極520は、例えばTi、Al、Ni、Au等の金属の多層膜で構成され、n型窒化物半導体層205aに電気的に接続される形で形成されている。n型電極520は、窒化物半導体発光層210に対して下部となるように窒化物半導体発光層210の誘電体層240が積層される面とは反対の面に形成され、かつ、支持基板(図示せず)上にされる。このようにして、外部へ配線が可能となるように設置される。
The n-
以上のように、実施の形態6における窒化物半導体発光素子500は構成される。
なお、図15に示すように、窒化物半導体発光素子500では、窒化物半導体発光素子400と同様に、n型窒化物半導体層205aと誘電体層240との界面、および、n型窒化物半導体層205aとn型電極520との界面には、凹凸が形成されている。
As described above, nitride semiconductor
As shown in FIG. 15, in the nitride semiconductor
(動作および効果)
次に、本実施の形態6における窒化物半導体発光素子500の動作および効果について説明する。
(Operation and effect)
Next, the operation and effect of nitride semiconductor
まず、発光部5bは発光して光を発生する。発生した光の一部は、n型窒化物半導体層205aと誘電体層240との界面において、全反射する。この際に発生したエバネッセント光は、誘電体層240を伝播し、金属層250の表面に表面プラズモンを励起する。一方、誘電体層240においてすなわちn型窒化物半導体層205aと誘電体層240との界面において全反射しなかった光は、誘電体層240および金属層250を透過し、蛍光体層260にキャリアを励起する。
First, the
このように金属層250の表面に励起された表面プラズモンと、蛍光体層260に励起されたキャリアとがカップリングすることで、効率よくキャリアが再結合し、蛍光体層260の変換効率が向上する。
Thus, by coupling the surface plasmon excited on the surface of the
このようにして、窒化物半導体発光層210、誘電体層240、金属層250および蛍光体層260を透過してきた青色光と、蛍光体層260で変換された黄色光とを混色することにより、蛍光体層260における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子500を実現できる。
In this way, by mixing the blue light transmitted through the nitride semiconductor
(製造方法)
次に、上記のように構成された窒化物半導体発光素子500の製造方法を説明する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor
まず、例えば面方位が<111>であるSi基板からなる基板502の主面上に、MOCVD法を用いたエピタキシャル成長により、AlNや低温成長GaN層などのバッファ層(図示せず)を介在して窒化物半導体発光層210を形成する(図16A)。ここで、窒化物半導体発光層210は、基板502の主面上に、バッファ層を介してn型GaNからなるn型窒化物半導体層205aと、InxGa1-xN井戸層およびGaN障壁層が交互に複数形成された多重量子井戸構造からなる発光部5bと、p型GaNからなるp型窒化物半導体層5cとが順次積層されてなる。なお、基板502は、面方位が<111>であるSi基板だけでなく、面方位が<0001>であるサファイア基板、あるいは面方位が<0001>である6H−SiC基板などからなっていてもよい。
First, a buffer layer (not shown) such as AlN or a low-temperature growth GaN layer is interposed on the main surface of a
次に、フォトリソグラフィー技術と例えばCl2ガスによるドライエッチングとにより、窒化物半導体発光層210上に、第1の開口部525を形成する(図16B)。
Next, a
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばNi、Agなどからなる反射膜516を、p型GaNからなるp型窒化物半導体層5cに電気的に接続される形で形成する。続いて、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばTi、Al、Ni、Auの多層膜からなるp型電極530を、反射膜516に電気的に接続される形で形成する。そして、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、例えばTi、Al、NiまたはAuの多層膜からなるn型電極520を、前記第1の開口部525により露出したn型GaNからなるn型窒化物半導体層205aに電気的に接形で形成する(図16C)。
Next, a
次に、窒化物半導体発光素子500のp型電極530およびn型電極520を、それぞれ電気的に外部に配線ができるように、第2の基板(図示せず)に接着する。そして、第2の基板上へ窒化物半導体発光素子500のp型電極530およびn型電極520を接着後、基板502を除去する。これにより、n型GaNからなるn型窒化物半導体層205aを露出させる(図16D)。
Next, the p-
なお、基板502がSi基板の場合、フッ酸と硝酸の混合液を用いたウェットエッチングによって基板502を除去することができる。また、基板502がサファイア基板の場合、レーザーリフトオフ法によって基板除去を行うことができる。これにより、n型GaNからなるn型窒化物半導体層205aを露出させる。
Note that in the case where the
次に、KOH水溶液と紫外光照射を併用したPEC(Photoelectrochemical)エッチング法を用いて、図16Dで露出したn型GaN層からなるn型窒化物半導体層205aをウェットエッチングする。具体的には、水酸化カリウム(KOH)水溶液を入れた容器内に、図16Cで形成した第2の基板上に接着した窒化物半導体発光素子500を浸し、紫外光を照射した状態でウェットエッチングを行う。それにより、n型窒化物半導体層205aに斜面を有する凹凸面を形成する(図16E)。
Next, the n-type
なお、PECエッチングによる窒化物半導体のエッチングは面方位の異方性があり、面方位がn型GaNからなるn型窒化物半導体層205aの結晶方位面の一種で、半極性面のひとつである{1−101}面が形成される。これにより、n型窒化物半導体層205aに{1−101}面で構成された斜面を有する凹凸面を形成することができる。
Note that nitride semiconductor etching by PEC etching has anisotropy in the plane orientation, and is a kind of crystal orientation plane of the n-type
次に、フォトリソグラフィー技術と真空蒸着法とにより、n型窒化物半導体層205aの凹凸面上に、例えばSiO2からなる誘電体層240と、例えばAl、AgまたはCuなどの金属の多層膜からなる金属層250と、例えばYAGからなる蛍光体層260とを順次形成する。最後に、ブレード(図示せず)を用いたダイシングによりチップ分離を行い、窒化物半導体発光素子500を形成する(図16F)。
Next, a
以上のようにして、窒化物半導体発光素子500を形成する。
以上、本実施の形態5によれば、蛍光体層260における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子100を実現できる。
As described above, the nitride semiconductor
As described above, according to the fifth embodiment, it is possible to realize the nitride semiconductor
以上、本発明によれば、窒化物半導体発光素子は、金属層の構成、材料および膜厚を調整することにより、発光部5bからの放たれた光の一部が透過して窒化物半導体発光素子外部に取り出される。一方、窒化物半導体発光層のアンドープ窒化物半導体層6または誘電体層と、金属層との界面において、発光部からの放たれた光が全反射する際に発生するエバネッセント光により金属層中に表面プラズモンが励起される。そして、発生した表面プラズモンと蛍光体層内のキャリアとカップリングする。それにより、蛍光体層内での発光再結合を促進するため、蛍光体における波長の変換効率が向上する。
As described above, according to the present invention, in the nitride semiconductor light emitting device, by adjusting the configuration, material, and film thickness of the metal layer, a part of the light emitted from the
また、本発明の窒化物半導体発光素子では、アンドープ窒化物半導体層および誘電体層膜は、透明であり窒化物半導体発光層が発光する光を吸収しないので、窒化物半導体発光層の発光部5bが放つ光を吸収することなく窒化物半導体発光素子の外部へ取り出すことができる。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the undoped nitride semiconductor layer and the dielectric layer film are transparent and do not absorb the light emitted by the nitride semiconductor light emitting layer. Can be taken out of the nitride semiconductor light emitting device without absorbing the light emitted from it.
また、本発明の窒化物半導体発光素子では、誘電体層は、例えば150nmと十分薄い厚さで構成される。すなわち誘電体層は、例えば窒化物半導体発光層と誘電体層との界面において、窒化物半導体発光層が放つ光が誘電体層で全反射した際に生じるエバネッセント光のしみ出し深さ以下の厚さで構成されている。この構成により、効果的に金属層に表面プラズモンを励起することができる。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the dielectric layer is formed with a sufficiently thin thickness of, for example, 150 nm. That is, the dielectric layer has a thickness equal to or less than the penetration depth of evanescent light generated when, for example, the light emitted from the nitride semiconductor light emitting layer is totally reflected by the dielectric layer at the interface between the nitride semiconductor light emitting layer and the dielectric layer. It is composed of. With this configuration, surface plasmons can be effectively excited in the metal layer.
また、本発明の窒化物半導体発光素子では、金属層はAlまたはAgから構成され、AlおよびAgにおいては表面プラズモンが効果的に励起されるため、蛍光体層の変換効率を向上させることができる。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the metal layer is made of Al or Ag, and surface plasmons are effectively excited in Al and Ag, so that the conversion efficiency of the phosphor layer can be improved. .
また、本発明の窒化物半導体発光素子では、蛍光体層は、Y、Ce、Al、Si、Ca、Euの少なくとも1つの酸化物から構成される。それにより、蒸着やスパッタリングにより成膜したこれらの酸化物で構成される蛍光体層でも表面プラズモンを用いることにより波長の変換効率を向上させることができる。したがって、蒸着やスパッタリングという従来の半導体プロセス技術を用いて高変換率の蛍光体層60を有し低コストな白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子100を実現できる。
In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the phosphor layer is composed of at least one oxide of Y, Ce, Al, Si, Ca, and Eu. Thereby, the wavelength conversion efficiency can be improved by using the surface plasmon even in the phosphor layer formed of these oxides formed by vapor deposition or sputtering. Therefore, the nitride semiconductor
以上、本発明によれば、蛍光体層における蛍光体の波長の変換効率が高く、演色性にすぐれた白色発光を可能にする窒化物半導体発光素子を実現できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a nitride semiconductor light emitting device that has high phosphor wavelength conversion efficiency in the phosphor layer and enables white light emission excellent in color rendering.
なお、本発明の窒化物半導体発光素子を構成する金属層は、金属微粒子から構成されていてもよい。その場合、金属微粒子で表面プラズモンを効率よく励起すると同時に、窒化物半導体表面の被覆率を低下させることができる。薄い金属層に被覆されている場合と比較して青色光を効果的に発光素子外部に取り出すことができ、演色性を向上させることができる。 The metal layer constituting the nitride semiconductor light emitting device of the present invention may be composed of metal fine particles. In this case, the surface plasmon can be efficiently excited by the metal fine particles, and at the same time, the coverage of the nitride semiconductor surface can be reduced. Blue light can be effectively extracted outside the light emitting element as compared with the case where it is covered with a thin metal layer, and color rendering can be improved.
また、本発明の窒化物半導体発光素子では、上述したように、窒化物半導体発光層上に誘電体層、金属層および蛍光体層が順に積層されても、窒化物半導体発光層上に誘電体層、蛍光体層および金属層が順に積層されてもよい。すなわち、窒化物半導体発光層と誘電体層とが積層されており、誘電体層上に、金属層と蛍光体層とがどちらの順でも積層されていればよい。なお、誘電体層に替えて、窒化物半導体発光層にアンドープ窒化物半導体層を備える場合も、同様である。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, as described above, even if the dielectric layer, the metal layer, and the phosphor layer are sequentially stacked on the nitride semiconductor light emitting layer, the dielectric is formed on the nitride semiconductor light emitting layer. A layer, a phosphor layer, and a metal layer may be sequentially laminated. That is, the nitride semiconductor light emitting layer and the dielectric layer are laminated, and the metal layer and the phosphor layer may be laminated in either order on the dielectric layer. The same applies when the nitride semiconductor light emitting layer includes an undoped nitride semiconductor layer instead of the dielectric layer.
以上、本発明の窒化物半導体発光素子およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。 As described above, the nitride semiconductor light emitting device and the manufacturing method thereof according to the present invention have been described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to this embodiment. Unless it deviates from the meaning of this invention, the form which carried out the various deformation | transformation which those skilled in the art can think to this embodiment, and the structure constructed | assembled combining the component in different embodiment is also contained in the scope of the present invention. .
本発明は、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に利用でき、特に、各種表示用または照明用の高輝度窒化物半導体発光ダイオードなどの窒化物半導体発光素子およびその製造方法に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, and in particular, can be used for a nitride semiconductor light emitting device such as a high brightness nitride semiconductor light emitting diode for various displays or illumination and a method for manufacturing the same.
2、302、402、502、1005 基板
5a、205a、405a n型窒化物半導体層
5b 発光部
5c p型窒化物半導体層
5d 高濃度n型窒化物半導体層
6 アンドープ窒化物半導体層
6a、110a 窒化物半導体層
10、110、210、310、410 窒化物半導体発光層
15、425、525 第1の開口部
20、220、520 n型電極
25 第2の開口部
30、230、530 p型電極
40a 誘電体層
50、150、250、460 金属層
50a、150a 金属層
60、260、450 蛍光体層
60a 蛍光体層
70a、70b 出射光
100、101、200、300、400、500 窒化物半導体発光素子
140、240、340、440 誘電体層
140a 誘電体層
150a 金属層
216、516 反射膜
217、470 支持基板
305a n型窒化物半導体層
325 開口部
415 透明導電層
1000 LEDウェハ
1001 第1電極
1002 第2電極
1003 蛍光体薄膜
1004 エピタキシャル層
2, 302, 402, 502, 1005
Claims (13)
前記窒化物半導体発光層上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層上に形成された金属層と、
前記金属層および前記誘電体層の間にまたは前記金属層上に形成され、前記窒化物半導体発光層が発する光を吸収して蛍光を発する蛍光体層と
を備える
窒化物半導体発光素子。 a nitride semiconductor light-emitting layer including an n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, and a light-emitting portion sandwiched between the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer;
A dielectric layer formed on the nitride semiconductor light emitting layer;
A metal layer formed on the dielectric layer;
A nitride semiconductor light emitting device comprising: a phosphor layer that is formed between or on the metal layer and on the metal layer and emits fluorescence by absorbing light emitted from the nitride semiconductor light emitting layer.
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the dielectric layer, the metal layer, and the phosphor layer are sequentially formed on the nitride semiconductor light emitting layer.
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the dielectric layer, the phosphor layer, and the metal layer are sequentially formed on the nitride semiconductor light emitting layer.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the dielectric layer is transparent to light emitted from the nitride semiconductor light emitting layer.
請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the dielectric layer is made of an undoped nitride semiconductor.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The said dielectric material layer, the said metal layer, and the said fluorescent substance layer are provided in the n-type nitride semiconductor layer side which comprises the said nitride semiconductor light emitting layer. Nitride semiconductor light emitting device.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The thickness of the dielectric layer is equal to or less than a penetration depth of evanescent light generated when light emitted from the nitride semiconductor light emitting layer is totally reflected at an interface between the nitride semiconductor light emitting layer and the dielectric layer. Item 4. The nitride semiconductor light emitting device according to any one of Items 1 to 3.
請求項1〜7のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the metal layer is made of a metal containing Al or Ag.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The said fluorescent substance layer is comprised from the oxide containing at least 1 of Y (yttrium), Ce (cerium), Al, Si, Ca, and Eu (eurobium). Nitride semiconductor light emitting device.
前記誘電体層が形成されている側に凹凸形状を有する
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting layer is
The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the nitride semiconductor light-emitting element has an uneven shape on a side where the dielectric layer is formed.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the metal layer has a thickness of 15 to 20 nm.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the metal layer is composed of metal fine particles.
n型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層と、前記n型窒化物半導体層および前記p型窒化物半導体層で挟まれた発光部とで構成される窒化物半導体発光層を形成する工程と、
前記窒化物半導体発光層上に誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層上に金属層を形成する工程と、
前記金属層および前記誘電体層の間にまたは前記金属層上に、前記窒化物半導体発光層が発する光を吸収して蛍光を発する蛍光体層を形成する工程と
を含む
製造方法。 A method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device, comprising:
A nitride semiconductor light emitting layer including an n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer, and a light emitting portion sandwiched between the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer is formed. Process,
Forming a dielectric layer on the nitride semiconductor light emitting layer;
Forming a metal layer on the dielectric layer;
Forming a phosphor layer that emits fluorescence by absorbing light emitted from the nitride semiconductor light emitting layer between or on the metal layer and the dielectric layer.
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