JP2004128120A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体積層膜の端面における反射、透過、散乱等による光損失の低減を量ること及び、
基板等との界面（又は接合面、接触面）における反射、透過、散乱等による光損失を低減させることにある。
さらに、テーパ角のついた面反射による期待する方向への光出射・光取り出し効率の向上を目的とする。
【課題の解決手段】テーパ角を有するように加工された凹部を有する基板上に、半導体層が設けられている半導体発光素子において、テーパ状の斜面上にも、当該半導体層が設けられているので、この位置での基板水平面に垂直な端面が存在せず、したがって当該端面反射が存在しない。
従って、期待する光出射方向への発光出力が増大する。
テーパ状の凹を有する基板上に設けられた半導体発光素子において、積層された半導体層が前記テーパ部にも設けられていることを特徴とする半導体発光素子であり、前記基板上の凹部段差が、半導体積層膜厚より大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子とする。
【選択図】　図５

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、基板を有する半導体発光素子の光取り出し効率を向上させる構造にかかわる発明である。
【０００２】
【従来の技術】
平坦な基板上に積層された半導体発光素子の場合には、半導体積層膜面内方向に垂直な端面が存在し、この端面により反射された光の一部は反射を繰り返すうちに外部に取り出されない光の損失となり、光出力の無駄となり、いわゆる光取り出し効率が悪かった。また、こうした端面で反射・散乱された光は、たとえ外部に取り出されたとしても、期待する望まれる方向への出射とはならないで散乱光として外部に散逸・吸収されてしまい、発生した光を最大限、効率良く期待した方向へ出射できる構造にはなっていなかった。
【０００３】
また、『特公昭５８−８２５８２』に示されるように、基体に切欠きをいれて、反射面を形成させる場合においても、やはり半導体積層膜の端面は、期待する光の出射方向に平行な方向、つまり期待する光の出射方向に反射させるには不満足な反射角を有した端面状態で存在している。
【０００４】
端面や基板界面等での反射・透過等による光の損失は一説には発光層で発生した光の３割とも４割とも言われ、これを最小限に抑え、かつ期待する方向への光出射を最大限に増大させるための発光素子の構造について、さらなる改良が望まれていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
半導体積層膜の端面における反射、透過、散乱等による光損失の低減を量ること及び、
基板等との界面（又は接合面、接触面）における反射、透過、散乱等による光損失を低減させることにある。
さらに、テーパ角のついた面反射による期待する方向への光出射・光取り出し効率の向上を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本件発明は、テーパ状の凹を有する基板上に設けられた半導体発光素子において、積層された半導体層が前記テーパ部にも設けられていることを特徴とする半導体発光素子であり、
好ましくは、前記基板上の凹段差が、半導体積層膜厚より大きいことを特徴とする前記半導体発光素子である。
【０００７】
テーパ角を有するように加工された凹部を有する基板上に、半導体層が設けられている半導体発光素子において、テーパ状の斜面上にも、当該半導体層が設けられているので、この位置での基板水平面に垂直な端面が存在せず、したがって当該端面反射が存在しない。
【０００８】
本発明に関わる半導体積層膜の端面は、半導体積層膜の最上層面又は基板凸部の最上層面などに面つらがそろう形で加工されているのが望ましい。図１（ａ）（ｂ）参照。
上記構造のように、面つらをそろえると、半導体積層後工程の処理加工がしやすいということが期待できる。
【０００９】
しかし、期待する光の取り出し方向、成長条件及び処理工程等に応じて端面が形成されていれば、それで良く面つらのそろえる位置や形状は、特に問うものではない。
【００１０】
半導体発光素子の発光層で発生した光は、例えばＬＥＤの場合には通常は発光層を中心として四方八方に拡がりながら、端面や界面で反射を繰り返すことにより、半導体層内部とその近傍において吸収され損失となる光もあるが、一方、半導体外部に出射光として取り出され、観測される光も存在する。
【００１１】
本発明に関わる発光素子によれば、前記発生した光のうち、従来は端面等で反射・吸収などされ損失となっていた光も基板に設けられたテーパ部により、積層膜方向等期待する方向へ反射され、結果としてランプ素子の指向方向（又は期待する方向）への発光強度が増大し、発光効率や光取り出し効率が上がることになる。
【００１２】
つまり、本発明の特徴の一つは、半導体積層膜が基板に設けられたテーパ部にも設けられており、半導体積層膜の端面が半導体積層膜面と垂直方向にはないので、端面での光の損失が少なくなることにある。
【００１３】
さらに、本発明の第二の特徴は基板がテーパ状に加工されていることにより、半導体積層膜面内方向などの光で前記テーパ部に到達した光は、当該テーパ面により反射され、光が膜積層方向（あるいは、期待する方向）に出射されるようになり、この方向の光強度を増大させることができるものである。
すなわち、本発明においては、基板と積層半導体とのテーパ部界面（又は接合面、接触面）において、基板テーパ部界面が、期待する光の出射方向（又は指向角方向）に光を反射・散乱できる角度に加工設定されているため、この界面（又は接合面、接触面）において光があらぬ方向に散乱・反射され、つまりは損失となることを抑止することができ、期待する方向への光の出射量を増大させることができることにある。尚、基板の凹部の形成については、基板そのものへの凹部加工や基板張り合わせ加工など作製方法は限定されるものではない。
【００１４】
当該凹部の段差つまり、へこみ（又は穴）の高さ（又は深さ）は特に限定しなくても少しでも存在し、テーパ状になっていれば、このテーパ部により光は反射・散乱されるのであり、テーパ角の調整により当該テーパ部において光は期待する方向へ反射・散乱させることができるものである。
【００１５】
好ましくは、前記凹部の段差が、半導体積層膜の合計厚みよりも大きければ、積層された半導体膜の発光層の主たる部分が前記凹部内に収まることになり、この凹部内に収まった発光部で発生した光が基板に設けられたテーパ部により反射・散乱され望む方向に出射できることになる。
【００１６】
同様に、本件発明のテーパ角も特に限定するものではない。望むべく方向への光出射が増大するように、テーパ角を設定すればよく、テーパ角は素子ごとに異なっていても良いし同じでも良い。また、一つのチップにおいても、テーパ面ごとにテーパ角が異なっていても良いし同じテーパ角を有していても良い。
【００１７】
さらに、テーパ状面の数も特に限定はされない。図３（ａ）に示すように一つのチップに対し、９０度づつずれた、４面（四方）のテーパ面を有していても良いし、このテーパ面を増やせば、光の出射に関わるより細かい設定機能をテーパ面ごとに持たせることも可能である。テーパ部の存在位置は積層膜サイドのみならず、底面、その他の位置にもあっても良い。
【００１８】
多面体状のテーパ部形状以外にも、このテーパ部が曲面形状であっても良いし、さらには半導体積層膜が設けられる前記凹部が凹面鏡のようなお椀状形状であっても、お椀形状が多面体から形成されていても良い。
【００１９】
基板の種類は、屈折率や材料に関わりなく、特に種類は問わない。上記半導体発光素子を積層可能な基板、もしくは半導体積層膜を張り合わせることのできる基板であれば、請求項記載の構造にすることにより記載の作用効果を奏することができる。
【００２０】
尚、本説明は半導体積層膜が凹部を有する基板上に結晶成長される一実施態様を主として説明されているが、半導体積層膜部分を凹部を有する基板上に張り合わせた場合や基板とテーパ部を有する基板を張り合わせる場合や、その他の場合においても、本件発明の構造を有する限り、その作用効果を奏する事ができるものであり、テーパ部への半導体積層膜を設ける方法及びテーパ部の形成方法は限定されないことは言うまでもない。
【００２１】
同様に、設けられる半導体発光素子の材料、組成比、発光波長についても特に限定されることはない。一般に、屈折率や波長、材料により光の反射・透過等の性質は異なってくるものではあるが、いずれの場合においても、本件発明の構造を有することにより期待する方向への光取り出し強度の増大や、あるいは期待する方向への指向性を高めた発光素子を実現することができる。
【００２２】
本件発明の発光素子は発光層による発光でなくても、つまり発光部が層ではなく発光点、発光箱等であっても、発光領域を有する発光素子であれば、同様の作用・効果を奏することができるものである。
【００２３】
前記テーパ部は、発光部において発生した光の一部又は全部を反射・散乱させるために設けられているものであるが、レーザダイオードにおける共振器のような発振機能を積極的に期待して設けられているものではない。
【００２４】
しかし、レーザダイオードにおいても発振により出射されるコヒーレントな、いわゆる『レーザ光』以外にも、半導体発光素子及びその近傍において散乱された散乱光は存在するものであり、主たる発光以外にもこの散乱光をも含めて期待する光出射方向へ導くことのできる本発明のテーパ部は、レーザダイオード、発光ダイオード等種類を問わず全ての、基板を有する半導体発光素子に適用することができるものである。
【００２５】
さらに基板上に複数の凹部を設ければ、例えばレーザアレイのような素子として作成し、利用することも可能である。
【００２６】
【実施例】
本発明素子の実施例に関わる構成を図５に示す。
サファイア基板上にＣＶＤ膜を形成する。これに、レジストを用いたフォトリソグラフにより素子発光面積外周より小さいエッチング窓を開ける。このとき、形成時に多重露光、もしくはパターン形成後高温処理を行うことにより、レジストにテーパーを形成する。レジストにテーパー形状を作成したまま、ドライエッチングを行うことにより、ＣＶＤ膜にも同様、もしくは、より角度の小さいテーパー角を作成する。ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）により、サファイア上にも同様のテーパーを転写する。もう一つサファイア上にテーパーもしくは曲面凹部を形成する方法として、リン酸、もしくはリン酸と硫酸の混合液を３００℃付近まで加熱した液によりウエットエッチする方法もある。
【００２７】
上記のような方法で凹部を形成したサファイア基板にバッファー層、ｎ−ＧａＮ、ｐ−ＧａＮとエピ成長させる。
全面を覆うようにＣＶＤ膜を形成し、フォトリソグラフにより、Ｎ電極を形成する場所をＮ層までＲＩＥにてエッチングする。この場所は、サファイア凸部、凹部を問わないが、素子の取り数を考慮すると、凹部上に形成した方が多くのチップを形成できる。出力向上のみをねらう場合は、凸部に形成して方が、遮光部を減らせるため有効である。（図５（ｂ））
ＣＶＤ膜剥離後、正電極、負電極をフォトリソグラフを用いて、スパッタ、蒸着により形成する。
正電極、負電極の取出し窓を除き、保護膜として、透過率の高い珪素酸化物、珪素窒化物を形成する。
スクライバー、ダイサー、レーザー加工装置を用いて、凸部で切断する。
上記のようにして、作製した素子の発光出力を測定したところ、５割以上の出力増大が観測された。
【００２８】
【発明の効果】
発生した光の端面での反射等による損失を抑え、さらには基板等にとの界面等での反射・透過等による損失をも低減させ、発生した光を効率よく外部へ取り出せる。そして、期待する方向への光強度を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に関わる実施形態の実例を断面で示している。
ａ）基板凹深さが、積層膜厚より深い場合
ｂ）基板凹深さと、積層膜厚が同じ場合
ｃ）基板凹深さが、積層膜厚より深い場合
ｄ）基板凹深さが、積層膜厚より浅い場合
【図２】図２は本発明の実施態様の例で、テーパー部形状に多様性を持たせた例である。
ａ）テーパ部が曲面の実施例
ｂ）基板ディンプル凹部が全て曲面（半球状含む）構造の実施例
【図３】図３は、本件発明の一実施態様における基板凹部の形状を真上から見た鳥瞰図。
ａ）凹部が□状のディンプルである一実施態様
ｂ）凹部が円形（又は楕円形）のディンプルである一実施態様
ｃ）凹部が六角形のディンプルである一実施態様
【図４】図４は、従来構造の例を示す。
【図５】図５は実施例に関わる構造図である。
【符号の説明】
１：基板、２：半導体積層膜、３：本発明によるテーパ部により反射された反射光、４：凹部底面、５：テーパ部

Claims (2)

1. テーパ部を有する凹部を備えた基板上に設けられた半導体発光素子において、積層された半導体層が前記テーパ部にも設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記基板上の凹部段差は、半導体積層膜厚より大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。

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