JP2005101230A

JP2005101230A - 半導体素子用単結晶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

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Publication number: JP2005101230A
Application number: JP2003332303A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Watanabe; 健一渡辺
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】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複数の凹凸を形成し、該基板上にＧａＮ系ＬＥＤを作成し、該ＬＥＤから放射される光を効率的にサファイア基板側に入射させることにより、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】クロムまたはクロム及びチタンをドープしたサファイア基板上に複数の凹凸を形成し、ＧａＮ系の半導体結晶層を成長させてＬＥＤを作成し、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。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子用単結晶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６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特開２００２−２８０６１１特開２００３−６０２２７ JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PYSICS VOL.5,No.11,NOVEMBER,1966 日経エレクトロニクス２００３年３月３１日号ｐ１２８〜ｐ１３３

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７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。これは、発光層から上下方向に発せられた光の一部はサファイア基板内に入射してサファイアのドーパントに吸収されるが、発光層から横方向に向かって生じた光の多くは、例えば側壁で反射され、反射を繰り返すなどにより、素子内で吸収され減衰し消滅してしまう為である。従って、この方法得られた赤色の発光は演色性の良い白色ＬＥＤを得るには不十分である。

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、０．０１％〜１０％の濃度のクロムまたはクロム及びチタンを含有し、かつ主面に複数の凹凸を形成した基板上にＧａＮ系ＬＥＤを作製することにより、白色ＬＥＤの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でき、該基板を用いて演色性の良い白色ＬＥＤ素子を作成することが出来ることを見出した。

即ち本発明は、少なくともクロムを含有するサファイアから成り、波長が３５０〜６００ｎｍの光を吸収し、かつ少なくともルビーのＲ１線（波長６９４ｎｍ）及びＲ２線（波長６９３ｎｍ）の光を含む赤色の光を放射するサファイア基板であって、主面上に複数の凹凸を有する半導体素子用単結晶サファイア基板としたとを特徴とする。

また、前記凹凸がストライプ状の溝または少なくとも側面あるいは底面を持つ多角形状であることを特徴とする。

さらに、前記凹凸の少なくとも底面または側面に複数のエッチピットを有することを特徴とする。

また、前記凹凸の側面とサファイア基板の主面とのなす角度が１０°〜９０°であることを特徴とする。

さらに、前記エッチピットが角錐状であり主面に垂直な方向から見た時の底辺の少なくとも一辺が、サファイアのＡ軸に平行であるかまたはＡ軸に垂直であるか、もしくはサファイアのＭ軸に平行であるかまたはＭ軸に垂直であることを特徴とする。

また、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。

さらに、少なくとも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。

また、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。

さらに、厚みが０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、前記凹凸をドライエッチング法により形成して上記半導体素子用単結晶サファイア基板を製造することを特徴とする。

さらに、前記凹凸は単結晶サファイアの主面に所定のパターン形状の保護膜を密着し、主面をウェットエッチングすることによって形成することを特徴とする。

また、前記保護膜をＥＣＲスパッター法によって形成することを特徴とする。

さらに、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。

また、前記サファイア基板の主面上に、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１，Ｘ≧０，Ｙ≧０）のバッファ層を形成した後、その上にサファイア基板とは異なる屈折率を有するＧａＮ系の半導体結晶層を成長させ、その中に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有するＧａＮ系半導体発光素子としたことを特徴とする。

さらに、前記凹凸の凹部において、前記ＧａＮ系の半導体層と前記サファイア基板との間に空洞を有することを特徴とする。

また、前記発光層から発せられる光の波長における、単結晶サファイア基板の屈折率と半導体結晶層の屈折率との差が、０．０５以上であることを特徴とする。

さらに、前記半導体発光素子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。

また、前記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。

さらに、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。

また、前記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ようにしてＧａＮ系半導体白色発光素子を構成したことを特徴とする。

さらに、前記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ようにしてＧａＮ系半導体白色発光素子を構成したことを特徴とする。

また、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。

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複数の凹凸を形成し、該基板上にＧａＮ系ＬＥＤを作成し、該ＬＥＤから放射される光を効率的にサファイア基板側に入射させることにより、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。

図１に示す単結晶サファイア基板６は、少なくともクロムを含有するサファイアから成り、波長が３５０〜６００ｎｍの光を吸収し、かつ少なくともルビーのＲ１線（波長６９４ｎm）及びＲ２線（波長６９３ｎm）の光を放射するサファイア基板であって、主面６ａ上に複数の凹凸６ｃを有する。

クロムを含有するサファイアは、上記のように波長３５０〜６００ｎｍの光を吸収し、Ｒ１線、Ｒ２線を放射するので、通常の蛍光体では変換効率の悪い赤色系の光を効率良く放射させることが出来る。

また、基板の主面上に複数の凹凸６ｃを作成し、この基板の上にＬＥＤ等の半導体発光素子を作製することにより、ＬＥＤから放射され基板側に向かう光を凹凸６ｃによって散乱させることができるので、ＧａＮ系半導体層とサファイア基板との界面で反射される光を低減させることが出来、光を効率良くサファイア基板側に導くことが出来る。また、この効果を高めるために、前記凹凸６ｃはストライプ状の溝であるか、または少なくとも側面あるいは底面を持つ多角形状であることが好ましい。

また、前記半導体素子用単結晶サファイア基板６は、前記凹凸６ｃの少なくとも底面または側面に複数のエッチピット６ｂを有することが好ましい。エッチピットを有する基板を用いることにより、散乱の効果をさらに高めることが出来るためである。これによって、ＬＥＤから放射された光の内、ＧａＮ層とサファイア基板６の界面で反射される光が減少し、サファイア基板６側に入射する光が増え、サファイア基板６側に入射した光は、サファイア基板６にドープされたクロムまたはクロム及びチタンを励起して、赤色の光を放射するので、結果的にＬＥＤからは本来の発光である青色あるいは青紫色の光と基板から二次的に放射される赤色の光が混合された光が放射される。

また、前記凹凸６ｃの側面とサファイア基板６の主面とのなす角度が１０°〜９０°であることが好ましい。これは、この単結晶サファイア基板６を利用して作製するＬＥＤ等の発光素子から放射される光を有効にサファイア基板６側に導くために有効である。

また、前記エッチピット６ｂが角錐状であり主面に垂直な方向から見た時の底辺の少なくとも一辺が、サファイアのＡ軸に平行であるかまたはＡ軸に垂直であるか、もしくはサファイアのＭ軸に平行であるかまたはＭ軸に垂直であることが好ましい。これは、当該基板の上に成長させるＧａＮなどの欠陥の低減に有効である。これはサファイア基板を適切な条件でエッチングを行うことにより達成できる。

エッチピット６ｂの数と大きさは熱リン酸等の温度と処理時間に依って決まる。また、エッチピット６ｂの向きは単結晶サファイア基板６の結晶方位と軸方位とによって決まる。このエッチピット６ｂの向きと形状を一定にするために単結晶サファイア６の主面６ａ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必要がある。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もある。

また、前記半導体素子用単結晶サファイア基板６の厚みは０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。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。

ここで、上記サファイア基板６の複数の凹凸６ｃは、上記サファイア基板をエッチングして形成する。この基板の上にＬＥＤ等の半導体発光素子を作製することにより、ＬＥＤから放射され基板側に向かう光を凹凸によって散乱させることができる。

前記凹凸はドライエッチング法によって形成しても良く、あるいはウェットエッチング法によって形成してもよい。

ドライエッチング法に於いては、単結晶サファイア基板６の主面６ａにニッケルを主成分とする保護膜をスパッタ法で形成し、これにフォトレジストを塗布して通常の半導体露光プロセスを用いてストライプ状または、三角形、四角形、五角形、六角形などの所定のパターン状に加工し、残されたニッケルを主成分とする保護膜をマスクとして、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）または逆スパッタ法によりサファイア基板をエッチング加工を行う。

また、ウェットエッチング法に於いては、単結晶サファイア基板６の主面６ａにＳｉＯ_２を主成分とする保護膜を密着して積層する。この保護膜の形成には通常のスパッタ法を用いても良いが、ウェットエッチングに用の保護膜としては、ＥＣＲスパッタ法を用いる方がより好ましい。次に、該保護膜を通常の半導体プロセスを用いてストライプ状または、三角形、四角形、五角形、六角形などの所定のパターン状に加工し、残された該ＳｉＯ_２を主成分とする保護膜をマスクとして、熱リン酸または熱リン酸と熱硫酸の混酸または熱溶融水酸化カリウムを用いて該サファイア基板６の主面６ａをウェットエッチングすることにより凹凸６ｃを形成する。この製造工程に於いては、ＳｉＯ_２をマスクとして200℃〜400℃の熱リン酸でウェットエッチングを行うという比較的簡単な工程で凹凸付きの基板を比較的安価に量産することが出来ることができる。即ち、適切な治具を用いることにより、一度に多数枚を処理できるため、従来のＲＩＥ法による方法に比べて非常に生産性が高く、量産に適している。この時の、熱リン酸によるエッチング温度と単位時間当たりのエッチング量との関係を図３に示す。

なお、この時エッチング条件によって凹凸６ｃの底面または側面にエッチピット６ｂが発生することがあるが、これはこの後の工程であるＧａＮ半導体層の形成には悪影響を及ぼすことは無く、発光素子から放射される光を基板側に導く為にはかえって有用である。

このエッチピット６ｂの密度をさらに上げたい場合は単結晶サファイア基板６に熱や圧力を加えて故意に結晶欠陥を導入した後、エッチング処理を行っても良い。例えば、１２００℃〜１４００℃で２０気圧を加えた後、更に熱処理を行う等の処理を行っても良い。

また、このエッチピット６ｂの大きさは一辺が３００μｍ以下となるように温度と時間の条件を調整することが好ましい。これは、ＬＥＤ素子の大きさが通常３００μｍ×３００μｍ程度であり、横方向の光を効率よく取り出すためにはエッチピット６ｂの大きさが少なくともこのサイズ以下に成るようにコントロールする必要が有るためである。ここでエッチピット６ｂの深さの好ましい範囲は、幾何学的な考察から２５０μｍ以下が好ましく、また、ＬＥＤの製造工程で、一般的にダイシング工程の前に基板をバックグラインドを行い、厚みを薄くすることからもエッチピットの深さは２５０μｍ以下が好ましい。

さらに、前記単結晶サファイア基板６は、クロムの含有量が０．０１％以上かつ１０％以下であることが好ましい。また、前記単結晶サファイア基板６は、少なくとも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％以下であってもよい。前記クロムまたはクロム及びチタンの含有量は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、適正な含有量の範囲がある。

さて、この様な単結晶サファイア基板は、ＥＦＧ法、チョクラルスキー法（Ｃｚ法）、カイロポーラス法などによって軸方位の定まったサファイア素材を引き上げて作製する。ここではチョクラルスキー法による場合を説明する。

図２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３の周りには、アルミナ製の断熱材４が配置されている。

原料５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この原料にさらに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。

さらにこの素材を適宜切断、研削加工、研磨加工、洗浄を施した後、前記エッチング加工を行い、前記複数の凹凸６ｃを有するサファイア基板６を作製する。

次に、図４に示すように、クロムまたはクロム及びチタンをドープし、凹凸を有するサファイア基板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を介してサファイア基板とは異なる屈折率を有するＧａＮ系の半導体結晶層を形成する。即ち、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、鏡面研磨を施す。

なお、ＧａＮ系の半導体結晶層の形成条件により、前記凹凸の凹部において、ＧａＮ系の半導体層と前記サファイア基板との間に空洞を無くすこともでき、また空洞をを有するようにすることもできる。

ＧａＮ系の半導体層を成長させる際に凹凸と半導体層の間に空洞が無い場合は、光は半導体層とサファイア基板の界面で散乱され、効率よく基板側に光を導入し、凹凸が無い場合よりもより多くの赤色の光を取り出すことが出来る効果がある。

このとき、前記発光層から発せられる光の波長における、単結晶サファイア基板の屈折率と半導体結晶層の屈折率との差が、０．０５以上であることが好ましい。

一方ＧａＮ系の半導体層を成長させる際に凹凸と半導体層の間に空洞が有る場合は、光を散乱させる効果の他に、ＧａＮ系の半導体層が成長する場合にＥＬＯの効果により、ＧａＮ系の半導体層の結晶欠陥を減少させる効果も合わせ持つので、ＬＥＤの発光強度は増すことになる。

さらに、図５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でモールドを行う。このように前記ＧａＮ系半導体発光素子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。

フリップチップ実装により、ＧａＮ系発光素子からの光を効率よく前面に取り出すことができる。なおこの時、光はＬＥＤの前面からだけではなく、側面からも放射されるが、この側面から放射される光も有効に利用する構造、例えば側面にも蛍光体を配置し、さらに反射鏡を設置する等により、発光効率をさらに改善することが出来る。

図８にこのフリップチップ実装されたＧａＮ系半導体発光素子３７の詳細を示す。当該ＧａＮ系半導体発光素子３７の発光層から放射された光３６はサファイア基板側から取り出される。その光の一部は、発光層からの放射光４１としてそのまま外部に取り出される。残りの光の一部はクロムまたはクロムおよびチタンを含有するサファイア基板４０のクロムまたはチタンを励起し、その結果赤色の光４２が放射される。さらに残りの光は、樹脂モールド３８中の蛍光体３９を励起し、その結果蛍光体から放射された光４３が放射される。このようにして、外部にはこれらの４１，４２，４３の３種類が混合された光が放射され、全体として白色に光るＬＥＤとなる。

このとき、前記発光層の組成と構成は該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になるように決められる。

また、前記ＧａＮ系半導体発光素子のサファイア基板側から取り出された光は、緑色系、青色系、青紫色系の少なくとも一つの光であり、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。

このとき、前記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、白色発光素子として機能する。

あるいは、前記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が放射され、白色発光素子として機能する。

さらに、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により、演色性の良いＧａＮ系半導体白色発光素子を作製することが出来る。

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及びそれを用いて作製した白色ＬＥＤについて説明する。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。

次に、基板の主面にＳｉＯ_２を主成分とする保護膜を密着して積層し、該保護膜を通常の半導体プロセスを用いてストライプ状または、三角形、四角形、五角形、六角形などの所定のパターン状に加工し、残された保護膜をマスクとして、当該基板を熱リン酸中３００℃で３０分間エッチング処理を行い、当該サファイア基板の主面をウェットエッチングすることにより凹凸６ｃを形成した。この時、凹凸６ｃの底面には多数のエッチピット６bが形成された。この時エッチピット６bの形状は三角錐であった。

このサファイア基板を用いて、図４に示すような構造のＧａＮ系ＬＥＤを作製し、裏面を鏡面研磨した後、個々のＬＥＤチップに分割し、図５に示すようにフリップチップ実装し、その外側を蛍光体で覆った。

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。

本発明のサファイア基板を示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）中のＡ部の拡大図、（ｃ）はＡ部の断面図である。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。熱リン酸によるサファイア基板のエッチング量とエッチング温度との関係を示すグラフである。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。本発明のＧａＮ系半導体白色発光素子の詳細を示す図である。

符号の説明

１：イリジウムルツボ
２：高周波誘導コイル
３：サファイア結晶
４：アルミナ製断熱材
５：原料
６：サファイア基板
６ａ：主面
６ｂ：エッチピット
６ｃ：凹凸
７：サファイア基板
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
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
３６：発光層から放射された光
３７：ＧａＮ系半導体発光素子
３８：樹脂モールド
３９：蛍光体
４０：サファイア基板
４１：発光層から放射された光
４２：赤色発光
４３：蛍光体から放射された光

Claims

少なくともクロムを含有するサファイアから成り、波長が３５０〜６００ｎｍの光を吸収し、かつ少なくともルビーのＲ１線及びＲ２線の光を放射するサファイア基板であって、主面上に複数の凹凸を有することを特徴とする半導体素子用単結晶サファイア基板。
前記凹凸がストライプ状の溝または少なくとも側面あるいは底面を持つ多角形状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
前記凹凸の少なくとも底面または側面に複数のエッチピットを有することを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
前記凹凸の側面とサファイア基板の主面とのなす角度が１０°〜９０°である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単結晶サファイア基板。
前記エッチピットが角錐状であり主面に垂直な方向から見た時の底辺の少なくとも一辺が、サファイアのＡ軸に平行であるかまたはＡ軸に垂直であるか、もしくはサファイアのＭ軸に平行であるかまたはＭ軸に垂直であることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
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１〜５のいずれかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
少なくとも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１〜５のいずれかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
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１〜７のいずれかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
厚みが０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板。
前記凹凸はドライエッチング法により形成することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板の製造方法。
前記凹凸は単結晶サファイアの主面に所定のパターン形状の保護膜を密着し、主面をウェットエッチングすることによって形成することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板の製造方法。
前記保護膜をＥＣＲスパッター法によって形成することを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子用単結晶サファイア基板の製造方法。
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１〜９の何れかに記載の半導体素子用単結晶サファイア基板の製造方法。
請求項１〜９の何れかに記載のサファイア基板の主面上に、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ（Ｘ＋Ｙ＝１，Ｘ≧０，Ｙ≧０）のバッファ層を形成した後、その上にサファイア基板とは異なる屈折率を有するＧａＮ系の半導体結晶層を成長させ、その中に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有することを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
前記凹凸の凹部において、前記ＧａＮ系の半導体層と前記サファイア基板との間に空洞を有することを特徴とする請求項１４記載のGaN系半導体発光素子。
前記発光層から発せられる光の波長における、単結晶サファイア基板の屈折率と半導体結晶層の屈折率との差が、０．０５以上であることを特徴とする請求項１４〜１５のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子。
前記半導体発光素子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請求項１４〜１６のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子。
前記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１４〜１７のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子。
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１７に記載のＧａＮ系半導体発光素子。
請求項１４〜１９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。
請求項１４〜１９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。
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２０〜２１のいずれかに記載のＧａＮ系半導体白色発光素子。