JP2001177145A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子およびその製造方法

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light emitting
phosphor
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semiconductor light
gan
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川 千 里 古
Hideto Sugawara
原 秀 人 菅
Nobuhiro Suzuki
木 伸 洋 鈴
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Toshiba Development and Engineering Corp
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 選択成長で形成される半導体発光素子の発光
効率を向上させる。 【解決手段】 サファイア基板１１上に少なくとも一層
はＥＬＯで成長が行われるＧａＮ系層１２〜１４が積層
形成されるが、その際用いられる選択成長マスク材層１
５に紫外光を可視光に変換する蛍光体が含ませられる。
この蛍光体が紫外光を可視光に変換するため、中心発光
型、ＵＶ発光型のいずれの発光素子においても紫外光と
蛍光体との結合効率が向上する。パッシベーション膜２
１に蛍光体をさらに含ませるようにすることによりさら
に効率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子お
よびその製造方法に関するもので、特に発光効率の高い
半導体発光装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】光を利用した記憶装置は記憶容量が大き
く、非接触による長寿命および高信頼性という特徴があ
るため、広く利用されている。ここで用いる光は短波長
のものほど記録密度が上げられることから、青色から緑
色の発光素子が使用されようとしている。また、青色Ｌ
ＥＤとＹＡＧ蛍光体とを組み合わせることによって白色
光を得る白色ＬＥＤ等新しい発光素子が実現している。
【０００３】青色から緑色にかけての発光素子として
は、現在、ＧａＮ系材料で高輝度の発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）が得られている。
【０００４】このＧａＮ系発光素子の結晶成長技術に、
最近ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ Ｌａｔｅｒａｌ
ｌｙ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ）が注目されている。
【０００５】図１１はＥＬＯにおける成長の様子の概要
を示す断面図である。まず、サファイア基板１の上に選
択成長マスク２を形成し（図１１（ａ））、ＥＬＯでＧ
ａＮ系膜の成長を行うと、結晶欠陥はＧａＮ系膜はＥＬ
Ｏにおける横方向と縦方向との成長速度の差により、選
択成長マスクを埋め込むように成長する（図１１（ｂ）
および図９（ｃ））。そしてこの際、結晶欠陥は速い横
方向成長に沿って発生するため、選択成長マスク上のＥ
ＬＯによるＧａＮ膜には転移が非常に少なくなる。この
上にエピタキシャル層を積層して素子構造を得た場合、
下地の欠陥密度が非常に低いため、発光特性に優れた半
導体発光素子を得ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このようなＧａＮ系材
料を用いる高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）のうち発
光中心（Ｄ／Ａ）型の青色ＬＥＤ構造では、活性層であ
るＩｎＧａＮにドナーとしてのＳｉおよびアクセプタと
してのＺｎ、Ｍｇ等をドープしており、バンド端ではな
く発光中心で所望の発光波長を得ようとするものである
ため、可視光以外にも多くの紫外（Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏ
ｌｅｔ：ＵＶ）光が発生している。すなわち、この活性
層の組成ではＩｎ１３％で中心波長４００ｎｍのバンド
端の発光波長は３６５ｎｍ程度であるが、発光中心だけ
でなくこのバンド端のからの紫外光も存在し、注入電流
を増加させるほどバンド端発光の割合は増加する。しか
しながら、この紫外光は有効に利用されておらず、光取
り出し効率は低いままにとどまっている。
【０００７】また、Ｉｎ組成を減少させて活性層から紫
外光のみを発生するようにしたＵＶ発光ＬＥＤでは発生
した紫外光は有効に取り出されておらず、外部量子効率
は低いままにとどまっている。また、上述したＥＬＯ技
術は低転移化のみに利用されている。
【０００８】本発明はこれらの問題を解決するためにな
されたもので、光取り出し効率の高い半導体発光装置を
提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、絶縁基
板と、前記絶縁基板の上に積層形成されたＧａＮ系積層
膜であって、その一つの層が紫外光を可視光に変換する
蛍光体を含む選択成長マスク材層を用いて成長されたＧ
ａＮ系膜であるＧａＮ系積層膜と、このＧａＮ系積層膜
の上に形成された、少なくとも紫外光成分を発光する活
性層と、を積層構造として有する半導体発光素子が提供
される。
【００１０】この半導体発光素子によれば、ＥＬＯ用の
選択成長マスク層の中に、予め蛍光体を混入させてある
ため、従来有効に利用されていなかった紫外光を活性層
付近で可視光に変換させることが可能となり、蛍光体と
の結合効率を著しく向上させることができる。
【００１１】最上層に蛍光体を含む保護膜をさらに備え
ると良く、紫外光から可視光への変換効率を上昇させて
発光効率をさらに向上させることができる。
【００１２】発光層はＡｌｘInｙ Ga１−ｘ−ｙ N(0≦x
≦0.1≦y≦1)膜、若しくはBｚGa１− ｚN(0≦z≦1)膜を含
むことが好ましい。
【００１３】蛍光体を含む選択成長マスク層は、ストラ
イプ状、格子状、水玉模様状のいずれかに形成されてい
ることが好ましい。
【００１４】絶縁基板裏面側にレンズを形成すると良
く、これにより裏面側からの光取り出しが可能となり、
フリップチップ実装等にも適用することが可能となる。
【００１５】蛍光体を含む選択成長マスク層の厚みが５
０ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であると良い。
【００１６】また、本発明にかかる半導体発光素子の製
造方法によれば、絶縁基板上にＧａＮ系半導体層の積層
体を形成する工程であって、その一部に蛍光体若しくは
蛍光体を含むコート材を母材とする選択成長用のマスク
材を積層させる工程およびこのマスク材層を用いてＧａ
Ｎ系膜を成長させる工程を含む工程と、このＧａＮ系半
導体層積層体の上方に少なくとも紫外光を発光する活性
層を積層させる工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】マスク材を積層させる工程は、蛍光体を含
むマスク材を溶剤と共に供給し、５００℃付近で溶剤成
分を蒸発させて得、あるいは酸化シリコン等の無機バイ
ンダと共に供給され、加熱固着させて得ることが好まし
い。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
【００１９】図１は本発明にかかる半導体発光素子１０
の構造を示す断面図である。サファイア基板１１の上に
ＧａＮバッファ層１２、ｎ−ＧａＮ層１３が積層され、
その上に蛍光体を均一に混入したＳｉＯ２でなるＥＬＯ
のためのマスク層１５、その上にこのマスクを用いてＥ
ＬＯにより形成されたｎ−ＧａＮ層１６、さらにＩｎＧ
ａＮ活性層１７、ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層１８、ｐ−
ＧａＮクラッド層１９、ｐ＋−ＧａＮコンタクト層２０
が積層され、ｐ＋−ＧａＮコンタクト層２０の光取り出
し面には透明電極２２が形成され、この透明電極に接す
るようにｐ電極２４が、露出されたｎ−ＧａＮ層１６に
はｎ電極２５がそれぞれ形成され、表面全体はパッシベ
ーション膜２１および２３で覆われている。このパッシ
ベーション膜にも蛍光体が混入されている。
【００２０】なお、活性層としてはここではＡｌｘInｙ
Ga１−ｘ−ｙ N(0≦x≦0.1≦y≦1)膜であるが、BｚGa
１−ｚN(0≦z≦1)膜等の種々の膜を用いることができ
る。
【００２１】図２は本発明にかかる半導体発光素子１０
を用いる半導体発光装置３０の構成を示す断面図であ
る。
【００２２】半導体発光素子１０はステム３１上に搭載
され、半導体発光素子１０のｐ電極２４はこのステム３
１と、ｎ電極２５はリード３２とそれぞれワイヤ３３で
接続されている。そして、全体はキャップ３５で覆われ
ている。
【００２３】図３は図１に示した半導体発光素子の発光
動作を示す模式図である。ここでは発光中心型の場合に
ついて述べる。
【００２４】発光層であるＩｎＧａＮ活性層１７で発せ
られた光は全方向（球状）に放出されるが、そのうち紫
外光成分はパッシベーション膜２３に含まれる蛍光体に
当たることにより可視光に変換される。すなわち、蛍光
体も発光源となる。
【００２５】なお、活性層１７から直接基板側へ向かう
光４３は絶縁基板の底面、すなわち、リードフレームの
反射面で反射し、上方から取り出される。
【００２６】この結果、最終的にこの発光素子から放出
する光４４のうち紫外光成分の一部が可視光成分となる
ため、可視光としての発光量が増加することとなる。
【００２７】図４はこの様子を示したグラフであり、実
線で描かれた通常の中心発光型の発光装置では活性層か
らの発光が可視光帯域と紫外光領域にそれぞれピークを
有しているのに対し、波線で描かれた本願発明による発
光装置ではＥＬＯマスク中の蛍光体を用いて変換を行う
ことによりピークが一つとなり、可視光帯域での発光量
が増加している事がわかる。
【００２８】なお、ＧａＮ系材料も、サファイア基板１
１も可視光に対しては透明であるため、これらの変換光
はサファイア基板側、すなわち素子の下面側から有効に
取り出しを行うこともできる。
【００２９】図５は図１に示す半導体発光素子の変形例
を示すもので、活性層１７から下方へ向かう光を積極的
に利用するものである。ここでは取り出し効率の向上を
図るため、サファイア基板１１の下面にレンズ５０を形
成している。
【００３０】また、表面からの光取り出しが不要である
ので、図１の構成では必要であった透明電極は省略さ
れ、コンタクト層２０に直接ｐ電極２４が接続されてい
る。このため、コンタクト抵抗の低減を図ることができ
る。
【００３１】このような構成を採用することで、これま
で取り出すことができなかった裏面側からの光を効果的
に取り出すことが可能となる。したがって、光取り出し
を裏面から行う、いわゆるフリップチップマウント裏面
発光型のＬＥＤを製作することが可能となる。なお、フ
リップチップマウントは、組み立て工程が簡便になって
コストダウン効果が大きい。
【００３２】図６はＵＶ発光ＬＥＤに本発明を適用した
例における発光動作を説明するものである。活性層１８
からは全方向に紫外線が放射されるが、ＥＬＯマスク１
５中の蛍光体にこの紫外線が照射されたとき、この蛍光
体が発光体となって可視光を発光させる。換言すればこ
の蛍光体が可視光の光源として作用する。
【００３３】図７ないし９はマスク層のパターンの具体
例を示すもので、図７に示すようなストライプ状パター
ン５１、図８に示すような格子状パターン５２、図９に
示すような水玉模様状パターン５３などのパターンを選
択することができる。
【００３４】図１０は本発明にかかる半導体発光素子の
製造方法を示す工程別断面図である。
【００３５】まず、サファイア基板１１を準備し、この
表面にＧａＮバッファ層１２、ｎ−ＧＡｎ層１３を順次
成長させる（図１０（ａ））。
【００３６】続いて液状のＳｉＯ２、例えば商品名ＯＣ
Ｄ（東京応化社製）に蛍光体を均一に混入した材料をス
ピンナ等で均一に塗布し、膜厚が５０ｎｍ以上、２０ｎ
ｍ以下であるマスク層１４を形成する（図１０
（ｂ））。このマスク層の材料については後述する。
【００３７】次にこのマスク層１４をフォトリソグラフ
ィによってパターニングし、ＥＬＯのためのマスクパタ
ーン１５を形成する（図１０（ｃ））。
【００３８】そして、このマスクを用いてＥＬＯを行っ
てｎ−ＧａＮ層１６を成長させ、さらにその上にＩｎＧ
ａＮ活性層１７、ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層１８、ｐ−
ＧａＮクラッド層１９、ｐ＋−ＧａＮコンタクト層２０
を順次成長する（図１０（ｄ））。
【００３９】次に、図１０に示すように素子の一部をエ
ッチングしてｎコンタクト面を露出させ、パッシベーシ
ョン膜２１を全面に形成した後、ｐ＋−ＧａＮコンタク
ト層２０上の大部分のパッシベーション膜２１を除去
し、この部分に透明電極２２を選択的に形成し、この透
明電極２２を覆うようにパッシベーション膜２３を形成
する。これらのパッシベーション膜２１および２３には
蛍光体が混入されている。
【００４０】続いて、透明電極の端部の一部およびｎコ
ンタクト面の一部が露出するようにパッシベーション膜
２１および２３を選択的に除去し、これらの場所にそれ
ぞれｐ電極２４およびｎ電極２５をそれぞれ形成し、発
光素子３０を得る。
【００４１】この実施の形態ではパッシベーション膜２
１および２３は蛍光体が混入されたものであるとした
が、透明電極上部のパッシベーション膜２３のみ蛍光体
が混入されていれば機能的には十分であり、また、パッ
シベーション膜を蛍光体を含まないものとしても良い。
【００４２】さらに、透明電極上に形成されるパッシベ
ーション膜２３の代わりに蛍光体層を形成するようにし
ても良い。
【００４３】このようにしてできた半導体発光素子を用
いて、半導体発光装置を製造するには、この半導体発光
素子をリードフレーム等の実装部材３１にマウントし、
ｐ電極２４とフレーム３１とを金ワイア３３で接続し、
ｎ電極２５をリード３２と金ワイヤで接続し、リードフ
レーム上で半導体発光素子１０を樹脂３４等で充填す
る。この樹脂３４には蛍光体を含めることができる。そ
して全体を少なくとも上面が透明体であるキャップ３５
内に収納することにより半導体発光装置が完成する。
【００４４】ここで、ＥＬＯマスクパターンやパッシベ
ーション膜に混入される蛍光体としては例えば(Ba, Ca)
B４O７（商品名 ＣＭＺ−１５２ 旭化成製）および
（Ｃａ、Ｓｒ）２Ｐ２Ｏ７（商品名 ＣＭＺ−１６５
旭化成製）を用いる。
【００４５】この蛍光体を塗布するための蛍光体スラリ
は次のようにして作成される。
【００４６】まず、硝化綿（例えば旭化成Ｈ１２００
０）を１．５重量パーセント、酢酸ブチルを９８．５％
混合した１．５パーセントのＮＣバインダを準備してお
き、前述した蛍光体(Ba, Ca)B４O７（商品名 ＣＭＺ−
１５２ 旭化成製）および（Ｃａ、Ｓｒ）２Ｐ２Ｏ
７（商品名 ＣＭＺ−１６５ 旭化成製）の混合物を計
１００ｇ、前述したＮＣバインダを１００ＣＣ、さらに
ミリングにより細かく粉砕したガラスビーズを含む結着
剤ミクスチャ５ＣＣを混合し、粘度調整用として酢酸ブ
チルを加えて２４時間以上混合撹拌し、２００または２
５０メッシュのフィルタを通過させることにより蛍光体
スラリが得られる。
【００４７】この蛍光体スラリは塗布されるが、十分な
ミリングが行われているにもかかわらず結着力が弱い場
合にはＮＣバインダの添加量を増加させ、結着力が強す
ぎるときには蛍光体の配合比を変えることにより対処す
ればよい。
【００４８】塗布後の蛍光体スラリは５５０℃前後の温
度でベーキングされることにより固化する。
【００４９】なお、このような無機バインダを用いるこ
となく、有機溶剤等を用いて蛍光体を塗布し、加熱によ
り溶剤を蒸発させて蛍光体を残存させることもできる。
【００５０】
【発明の効果】以上のように、本発明にかかる半導体発
光装置によれば、選択成長マスク材の中に、予め蛍光体
を混入させてあるため、発光層から発せられる紫外光の
一部を活性層付近で可視光に変換させることが可能とな
り、発光装置全体としての発光効率を著しく向上させる
ことができる。
【００５１】また、最上層に蛍光体を含む保護膜をさら
に備えたことにより、紫外光から可視光への変換効率が
さらに向上し、発光効率はさらに向上する。
【００５２】また、本発明に係る半導体発光装置の製造
方法によれば、蛍光体を含む選択成長マスクを無機バイ
ンダや有機溶剤の蒸発により確実に形成しており、発光
効率の高い半導体発光素子を安定して製造することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の構成を示す素子
断面図である。
【図２】図１に示す半導体発光素子を用いる半導体発光
装置の構造を示す断面図である。
【図３】本発明に係る半導体発光素子における発光動作
を示す模式図である。
【図４】図３に示した半導体発光素子の発光強度分布を
示すグラフである。
【図５】半導体発光素子の変形例を示す素子断面図であ
る。
【図６】ＵＶ発光型の半導体発光素子における発光動作
を示す模式図である。
【図７】選択成長マスクのパターン形状を示す平面図で
ある。
【図８】選択成長マスクの他のパターン形状を示す平面
図である。
【図９】選択成長マスクのさらに他のパターン形状を示
す平面図である。
【図１０】本発明にかかる半導体発光素子の製造工程を
示す工程別断面図である。
【図１１】ＥＬＯマスクおよびＥＬＯによる成長の様子
を示す工程別断面図である。
【符号の説明】
１１ サファイア基板 １２ ＧａＮバッファ層 １３ ｎ−ＧａＮ層 １５ ＳｉＯ２ １６ ｎ−ＧａＮ層 １７，４０ ＩｎＧａＮ活性層 １８ ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層 １９ ｐ−ＧａＮクラッド層 ２０ ｐ＋−ＧａＮコンタクト層 ２１ ｎコンタクト面 ２２ 透明電極 ２３ ｐ電極 ２４ ｎ電極 ２５ パッシベーション膜 ３０ 発光素子 ３１ リードフレーム ３４ Ａｕワイア ３５ 蛍光体 ４１ 活性層上面 ４２ パッシベーション膜
フロントページの続き (72)発明者 菅 原 秀 人 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 (72)発明者 鈴 木 伸 洋 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA40 CA34 CA40 CA46 CA65 CA67 EE11

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】絶縁基板と、 前記絶縁基板の上に積層形成されたＧａＮ系積層膜であ
    って、その一つの層が紫外光を可視光に変換する蛍光体
    を含む選択成長マスク材層を用いて成長されたＧａＮ系
    膜であるＧａＮ系積層膜と、 このＧａＮ系積層膜の上に形成された、少なくとも紫外
    光成分を発光する活性層と、 を積層構造として有する半導体発光素子。
  2. 【請求項２】最上層に蛍光体を含む保護膜をさらに備え
    たことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項３】前記発光層はＡｌｘInｙ Ga１−ｘ−ｙ N
    (0≦x≦0.1≦y≦1)膜、若しくはBｚGa １−ｚN(0≦z≦1)
    膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光
    素子。
  4. 【請求項４】前記蛍光体を含む選択成長マスク材層は、
    ストライプ状に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。
  5. 【請求項５】前記蛍光体を含む選択成長マスク材層は、
    格子状に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。
  6. 【請求項６】前記蛍光体を含むマスク材層は、水玉模様
    状に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。
  7. 【請求項７】前記絶縁基板裏面側に形成されたレンズを
    さらに備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいず
    れかに記載の半導体発光素子。
  8. 【請求項８】前記蛍光体を含むマスク層の厚みが２０ｎ
    ｍ以上、５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１
    ないし７のいずれかに記載の半導体発光素子。
  9. 【請求項９】絶縁基板上にＧａＮ系半導体層の積層体を
    形成する工程であって、その一部に紫外光を可視光に置
    換する蛍光体若しくは蛍光体を含むコート材を母材とす
    る選択成長用のマスク材を積層させる工程およびこのマ
    スク材層を用いてＧａＮ系膜を成長させる工程を含む工
    程と、 このＧａＮ系半導体層積層体の上方に少なくとも紫外光
    を発光する活性層を積層させる工程と、 を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  10. 【請求項１０】前記マスク材を積層させる工程は、前記
    蛍光体を含むマスク材を溶剤と共に供給し、５００℃付
    近で溶剤成分を蒸発させて得ることを特徴とする請求項
    ９に記載の半導体発光素子の製造方法。
  11. 【請求項１１】前記蛍光体を含むマスク材は、無機バイ
    ンダと共に供給され、加熱固着させて得ることを特徴と
    する請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
  12. 【請求項１２】無機バインダは酸化シリコンであること
    を特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子の製造
    方法。
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