JP2005079171A - 半導体素子用サファイア基板とその製造方法及びこれを用いたＧａＮ系半導体発光素子並びにＧａＮ系半導体白色発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】クロムを含有するサファイア基板上にＧａＮ系ＬＥＤを作成し、フリップチップ実装を行い、サファイア基板を通して光を取り出し、さらに該ＬＥＤの少なくとも上部または側面部に蛍光体を設置することにより、演色性の良い白色ＬＥＤを作製する。
【解決手段】クロムをドープしたサファイア基板上にＧａＮ系の半導体結晶層を成長させてＬＥＤを作成し、該ＬＥＤをフリップチップ実装し、基板側から光を取り出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子用サファイア基板とその製造方法及びこれを用いた半導体発光素子（ＬＥＤ）に関する物であり、特にその半導体発光素子がＧａＮ系半導体結晶からなる青色ＬＥＤ、紫外ＬＥＤ、及びこれらを用いた演色性の良い白色ＬＥＤに関する。

ＧａＮ系半導体は、青色発光可能なバンドギャップの大きな材料として注目され、青色から紫外のＧａＮ系ＬＥＤが実用化されたことから、これに蛍光体を組み合わせ、白色発光可能なＬＥＤ（白色ＬＥＤ）が検討されている。

その１つの例として、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤが挙げられる。この白色ＬＥＤの構成は、図４に模式的に示すように、青色ＬＥＤチップ２６を覆う樹脂モールド２７中に、黄色蛍光体２８（青色光２５で励起され黄色光を発する蛍光体）を分散させたものである。このような構成によって、蛍光体に吸収されず樹脂モールドを通過する青色光２９と、蛍光体からの黄色光３０とが混ざり合い、白色に近い光が出力され、白色ＬＥＤとして使われている。
特開平１０−２４２５１３ 特開２００３−１９７９６９ 特開２００２−１４１６１５ 特表２００３−５１４４０１ JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PYSICS VOL.5,No.11,NOVEMBER,1966

しかし、青色光と黄色光とを組み合わせた白色光は、色純度が悪く（即ち、３原色の光を完全には含んでおらず）、照明として用いるには好ましくない。

一方図５に模式的に示すように、紫外ＬＥＤ３２と、ＲＧＢ蛍光体３３とを組み合わせ、色純度の良好な白色光３４を発生させる試みもなされている。ＲＧＢ蛍光体３３は、紫外ＬＥＤからの主発光３１に励起されて３原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ、３波長）の蛍光を発する蛍光体成分を含むものである。３原色の混色による色純度の良好な白色光は、演色性が高く、好ましい照明用光源となり得る。

しかし、このようなＲＧＢ白色蛍光体を用いたものは、特定色の蛍光についての変換効率、特に赤色についての変換効率が悪いために、該赤色蛍光体の含有量を増加して補正する必要がある。よって、そのために白色光の出力が弱くなるという問題がある。

尚、特許文献４には、サファイアに希土類あるいは遷移金属をドープすることによりＬＥＤから出た光がサファイアのドーパントに吸収され、ドーパントが放出する赤色の発光がＬＥＤの表面から放射されると記載されている。しかし、この場合ＬＥＤから放射された光の多くは窒化ガリウムとサファイアの屈折率の違いから、サファイアの表面で反射されてしまい、実際にはＬＥＤの表面から放射される赤色の光は非常に弱いものであり、実用には適さないレベルのものである。また、特許文献４にはドーパントとして非常に多くの元素が挙げられているが、これらの元素の内の、どの元素が最も効果が大きいのか明確ではなく、また複数の組み合わせについても述べられていない。

本発明の課題は、上記問題に鑑み、演色性の良い白色光を発するＬＥＤ用のサファイア基板を提供すること、及び該サファイア基板を用いた演色性の良い白色発光ＬＥＤ素子を提供することにある。

本発明者は、上記問題を解決すべく研究を行った結果、クロムをドープしたサファイア基板が中心波長４１０ｎｍおよび５６０ｎｍの光を吸収して中心波長が６９４ｎｍ（いわゆるＲ１線）及び６９３ｎｍの光（いわゆるＲ２線）を放出することに着目し、０．０１％〜１０％の濃度のクロムを含有するサファイア基板上にＧａＮ系ＬＥＤを作成し、フリップチップ実装を行い、光を基板を通して取り出すことにより、演色性を高めるために必要な赤色の光を効率よく取り出すことが出来ることを見出した。

更にクロムとチタンを同時にドープしたサファイア基板は、４００〜６００ｎｍの光を吸収して中心波長が６９４ｎｍ（いわゆるＲ１線）及び６９３ｎｍの光（いわゆるＲ２線）及び７９４ｎｍの光を放出することに着目し、０．０１％〜１０％の濃度のクロム及びチタンを同時に含有するサファイア基板上にＧａＮ系ＬＥＤを作成し、フリップチップ実装を行い、光を基板を通して取り出すことにより、前記クロムのみをドープしたサファイア基板を用いたＬＥＤよりも更に演色性を高めるためた赤色の光を更に効率よく取り出すことができ、理想的な白色ＬＥＤを作製できることを見出した。

即ち本発明は、少なくともクロムまたはクロム及びチタンを含有するサファイアから成り、波長が３５０〜４７５ｎｍまたは４７５〜６００ｎｍまたは４００〜６００ｎｍの光を吸収し、中心発光波長が６９３ｎｍ及び６９４ｎｍまたは６９３ｎｍ及び６９４ｎｍ及び７９４ｎｍである赤色の光を放出する半導体素子要サファイア基板としたことを特徴とする。

前記クロムまたはクロム及びチタンの含有量は０．０１％以上かつ１０％以下とすることが好ましい。これはＬＥＤから放射される青紫色、青色、緑色などの発光強度と赤の発光とのバランスによって決まるものであり、また、クロムまたはクロム及びチタンを１０％以上ドープするとサファイアの結晶が悪化恐れがあるためである。

また、前記サファイア基板の主面は、Ｃ面±２°以内、Ａ面±２°以内、Ｒ面±２°以内、Ｍ面±２°以内またはＭ面から３０°±２°以内のいずれかを満たすことが好ましい。これは、ＧａＮ系半導体を適正な結晶性でエピタキシャル成長させるために必要な範囲である。

さらに、前記サファイア基板の厚みは０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることが好ましいが、これは赤色の発光強度を調整するために必要な厚さの範囲である。

前記サファイア基板はＥＦＧ法、チョクラルスキー法、またはカイロポーラス法の何れかの方法で作製することが好ましい。これらの方法に依れば用いる原料にあらかじめクロムまたはクロム及びチタンをドープした原料を用いることができ、あるいは原料にドーパントの酸化物である酸化クロムまたは酸化クロム及び酸化チタンを添加することによりサファイアにクロムまたはクロム及びチタンをドープしてクロムの濃度を調整することも可能である。

さらに、前記サファイア基板上にＡｌ_ＸＧａ_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１，Ｘ≧０，Ｙ≧０）のバッファ層とその上にＧａＮ系の半導体結晶層を成長させてＬＥＤを作成し、該ＬＥＤをフリップチップ実装し、基板側から光を取り出すことにより、効率よく赤色の光を取り出すことが出来る。

前記ＧａＮ系ＬＥＤに於いて、その発光層から放射される光は緑色系、青色系、青紫色
系の何れかであることが適切である。

前記フリップチップ実装されたＬＥＤは、基板側から取り出された光が緑色系、青色系、青紫色系の何れかの光と、これらの光が基板を通過する際にクロムまたはクロム及びチタンを励起することによって発光する中心発光波長が６９３ｎｍ及び６９４ｎｍまたは６９３ｎｍ及び６９４ｎｍ及び７９４ｎｍである赤色の光とが混合した光が放射される。

さらに前記ＬＥＤの少なくとも上部または側面部に少なくともＣｅを含有するＹＡＧ系蛍光体を設置することにより、該蛍光体が前記ＬＥＤから放射される光の一部を吸収し、且つ黄色系の光を放射することにより、緑色系、青色系、青紫系の何れかの光と中心発光波長が６９３ｎｍ及び６９４ｎｍまたは６９３ｎｍ及び６９４ｎｍ及び７９４ｎｍである赤色の光と上記黄色系の光との混色が放射されることにより、演色性の良い白色光を得ることが出来る。

また、前記ＬＥＤの少なくとも上部または側面部に青色または青紫色の光の一部を吸収し緑色を発光する蛍光体を設置することにより、青色系、青紫系の何れかの光と中心発光波長が６９３ｎｍ及び６９４ｎｍまたは６９３ｎｍ及び６９４ｎｍ及び７９４ｎｍである赤色の光とこれらの光が上記蛍光体に照射されることにより放射される緑色系の光とが混合した光を放射することにより、演色性の良い白色ＬＥＤを作製することが出来る。

さらに、前記ＧａＮ系半導体白色発光素子において、青紫色、青色、緑色のいずれかのＬＥＤの発光強度に合わせて、白色の演色性が最も良くなるように、あらかじめドープするクロムまたはクロム及びチタンの濃度と基板の厚みを設計して作製した、適切なサファイア基板を用いることにより、白色の演色性を最適化したＧａＮ系半導体白色発光素子を作製することが出来る。

以上のように本発明によれば、クロムまたはクロム及びチタンを含有するサファイア基板上にＧａＮ系ＬＥＤを作成し、フリップチップ実装を行い、サファイア基板を通して光を取り出し、さらに該ＬＥＤの少なくとも上部または側面部に蛍光体を設置することにより、演色性の良い白色ＬＥＤを作製することが出来る。

以下、ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤ（ＧａＮ系ＬＥＤ）を例として挙げ、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の単結晶サファイア基板１はクロムまたはクロム及びチタンを０．０１％〜１０％の範囲でドープしたものである。この様な単結晶サファイア基板は、チョクラルスキー法（Ｃｚ法）によって軸方位の定まったサファイア素材を引き上げる。

図１に示すように、引き上げ炉はイリジウムルツボ１と、その周りに断熱材として配置したジルコニアの粉末と、その外側に備えたアルミナルツボと、高周波誘導コイル２から構成されている。また、イリジウムルツボ１の下側には温度測定のためのサファイアロッド３が設置されている。さらに、引き上げられたサファイア結晶４の周りには、アルミナ製の断熱材５が配置されている。

原料６として、例えばベルヌーイ法で作られたクロムドープされたサファイアを粉砕して用いる。あるいは、高濃度のクロムをドープする必要がある場合には酸化クロムを添加する。引き上げは、酸化雰囲気中で２０７０〜２１５０℃で行う。

次に、この素材を適宜切断、研削加工、研磨加工、洗浄を施して、窒化物半導体を成膜するためのサファイア基板を作製する。

次に、図２に示すように、このサファイア基板７を用いて、ＭＯＣＶＤ法によってこの基板上に、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１，Ｘ≧０，Ｙ≧０）のバッファ層８を介してｎ型ＧａＮコンタクト層９、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１、ＧａＮ系半導体発光層１２（ＭＱＷ構造）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１３、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４を形成し、この上に上部電極１５（通常はｐ型電極）を、上記ｎ型ＧａＮコンタクト層上に下部電極１０（通常はｎ型電極）を形成し、ＧａＮ系ＬＥＤを作製する。その後、サファイア基板７の裏面に基板側から光を取り出すために、鏡面研磨を施した。

さらに、図３に示すように、このＬＥＤのｐ型電極とｎ型電極のそれぞれにマイクロバンプ１８及び２４を形成し、これらのＬＥＤを個別のチップに切断、分離し、その後マイクロバンプを基板またはリードフレームのｐ側１７及びｎ側１６に接続することによって、サファイア基板側を主光取り出し面とするフリップチップ型のＬＥＤとする。

次に、このフリップチップ型のＬＥＤを覆うように蛍光体粒子を含む樹脂２２でモールドを行い、白色の光が放射されるような構造を持つＬＥＤとする。

本実施例では半導体素子用のクロムをドープしたサファイア基板の製造方法を説明する。結晶成長方法としてはＥＦＧ法、チョクラルスキー法、またはカイロポーラス法等がありどの方法によっても作製することは出来るが、ここでは図１に示すようにチョクラルスキー法（Ｃｚ法）による方法で作製した。

種結晶として、Ｃ軸方向に方位を制御したサファイア単結晶を用いた。引き上げ速度は３０〜２００ミクロン／分とし、その時の回転数は１０〜６０ｒｐｍであった。引き上げ速度をこれ以上に上げると微少な泡が多数混入した。原料中のクロムの濃度と引き上げたサファイア中のクロムの濃度の比はおよそ１対０．７５であった。

この様にして引き上げたクロムドープしたサファイアロッドをアニール処理を行った後、結晶方位の測定を行い、Ｃ軸方向に成長していることを確認すると同時に、微少な角度のズレの正確な値を測定した。その後、このサファイアロッドからワイヤソーを用いて、軸方位が正確にＣ軸となるように基板を切り出し、研削加工、研磨加工、洗浄を施し、窒化物半導体を成膜するためのサファイア基板を作製した。

このサファイア基板を用いて、 図２、図３に示すように、ＧａＮ系ＬＥＤを作製した。

本実施例で作製したＬＥＤは、発光層から放射される光の中心波長が青色であり、フリップチップ実装されたＬＥＤの基板側に放射された光が基板を通過する際にクロムを励起することによってＲ１線及びＲ２線とが混ざった光が放射され、結果的に青と赤の２色が混合された光が放射された。

さらにこのＬＥＤの少なくとも上部及び側面部に設置した青色を吸収して緑色の光を放射する蛍光体により、緑色の光が放射されるので、結果的に青、緑、赤の光の三原色が混合された、演色性の良い白色の光が放射された。

また、青、緑、赤の光の強度のバランスは、ＬＥＤに流す電流の強度と、その発光強度に合わせて、白色の演色性が最も良くなるように、あらかじめドープするクロムの濃度と基板の厚みを設計して作製した、適切なサファイア基板を用いることにより、最も白色の演色性が良くなるように調整が可能であった。

本発明は特に白色ＬＥＤの分野に有用な物であり、演色性の良い白色ＬＥＤの製造に有用であり、照明分野に於ける省エネルギーに寄与出来るものである。

チョクラルスキー法によるサファイア基板の製造方法を示す図である。 本発明のＧａＮ系半導体発光素子を示す図である。 本発明のＧａＮ系半導体白色発光素子を示す図である。 従来のＹＡＧ蛍光体を用いた白色ＬＥＤを示す図である。 従来のＲＧＢ蛍光体を用いた白色ＬＥＤを示す図である。

符号の説明

１：イリジウムルツボ
２：高周波誘導コイル
３：サファイアロッド
４：サファイア結晶
５：アルミナ製断熱材
６：原料
７：サファイア基板（クロムドープ）
８：バッファ層
９：ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０：下部電極
１１：ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１２：ＧａＮ系半導体発光層（ＭＱＷ構造）
１３：ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１４：ｐ型ＧａＮコンタクト層
１５：上部電極
１６：リードフレームｎ側
１７：リードフレームｐ側
１８：マイクロバンプ（ｐ側）
１９：ｐ型電極
２０：ＧａＮ層
２１：サファイア基板（クロムドープ）
２２：蛍光体を含む樹脂
２３：ｎ型電極
２４：マイクロバンプ（ｎ側）
２５：青色光
２６：青色ＬＥＤチップ
２７：樹脂モールド
２８：黄色蛍光体
２９：青色光
３０：黄色光
３１：紫外ＬＥＤからの主発光
３２：紫外ＬＥＤ
３３：ＲＧＢ蛍光体
３４：白色光
３５：樹脂モールド

Claims (13)

1. 少なくともクロムをドーパントとして含有するサファイアから成り、波長が３５０〜４７５ｎｍまたは４７５〜６００ｎｍの光を吸収し、かつルビーのＲ１線及びＲ２線の光を放出することを特徴とする半導体素子用サファイア基板。
2. 前記クロムの含有量が０．０１％以上かつ１０％以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用サファイア基板。
3. ドーパントとしてクロム及びチタンを含有し、クロムとチタンの合計含有量が０．０１％以上かつ１０％以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用サファイア基板。
4. サファイアの主面が、Ｃ面±２°以内、Ａ面±２°以内、Ｒ面±２°以内、Ｍ面±２°以内またはＭ面から３０°±２°以内のいずれかを満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子用サファイア基板。
5. 厚みが０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体素子用サファイア基板。
6. ＥＦＧ法、チョクラルスキー法、またはカイロポーラス法の何れかの方法で作製することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の半導体素子用サファイア基板の製造方法。
7. あらかじめ上記ドーパントが含有されている原料を用いるか、または原料に上記ドーパントの酸化物を添加した後、結晶成長を行うことを特徴とする請求項６に記載の半導体素子用サファイア基板の製造方法。
8. 請求項１〜５の何れかに記載のサファイア基板上に、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１，Ｘ≧０，Ｙ≧０）のバッファ層と、その上にＧａＮ系の半導体結晶層を成長させてＬＥＤを作成し、該ＬＥＤをフリップチップ実装してサファイア基板側から光を取り出すようにしたことを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
9. 前記ＬＥＤの発光層から放射される光が緑色系、青色系、青紫色系の少なくとも一つであることを特徴とする請求項８記載のＧａＮ系半導体発光素子。
10. 前記サファイア基板側から取り出された光が、緑色系、青色系、青紫色系の少なくとも一つの光と、これらの光がサファイア基板を通過する際にクロムまたはクロム及びチタンを励起することによって発光する中心発光波長が６９３ｎｍ及び６９４ｎｍまたは６９３ｎｍ及び６９４ｎｍ及び７９４ｎｍである赤色の光とが混合した光が放射されることを特徴とする請求項８または９記載のＧａＮ系半導体発光素子。
11. 請求項８〜１０の何れかに記載のＧａＮ系半導体発光素子の少なくとも上部または側面部に、少なくともＣｅを含有するＹＡＧ系蛍光体を設置し、該蛍光体が前記ＧａＮ系半導体発光素子から放射される光の一部を吸収し、かつ黄色系の光を放射することにより、緑色系、青色系、青紫系の少なくとも一つの光と、中心発光波長が６９３ｎｍ及び６９４ｎｍまたは６９３ｎｍ及び６９４ｎｍ及び７９４ｎｍである赤色の光と、上記黄色系の光とが混合した光が放射されることを特徴とするＧａＮ系半導体白色発光素子。
12. 請求項８〜１０の何れかに記載ＧａＮ系半導体発光素子の少なくとも上部または側面部に青色または青紫色の光の一部を吸収し緑色を発光する蛍光体を設置することにより、青色系、青紫系の少なくとも一つの光と、中心発光波長が６９３ｎｍ及び６９４ｎｍまたは６９３ｎｍ及び６９４ｎｍ及び７９４ｎｍである赤色の光と、これらの光が上記蛍光体に照射されることにより放射される緑色系の光とが混合した光を放射することを特徴とするＧａＮ系半導体白色発光素子。
13. 前記ＧａＮ系半導体発光素子から放射される、青紫色、青色、緑色の少なくとも一つの光の発光強度に合わせて、白色の演色性が最も良くなるように、あらかじめドープするクロムまたはクロム及びチタンの濃度と、基板の厚みを調整して作製されたサファイア基板を用いることを特徴とする請求項１１〜１２のいずれかに記載のＧａＮ系半導体白色発光素子。

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