JP2005268329A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 光取り出し効率が高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 半導体基板１２上にエピタキシャル層１４が積層され、そのエピタキシャル層１４の半導体基板１２とは反対側の面である素子上面２４および積層方向に平行な素子側面３０から光が出力され、素子側面３０には粗面化処理がされているが、素子上面２４には粗面化処理がされていない半導体発光素子１０において、素子側面３０の長さ（高さ）を長くする。このようにすると、全発光面の面積に対して、粗面化処理されている面である素子側面３０の面積割合が大きくなるので、高い光取り出し効率が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体発光素子に関し、特に、粗面化処理により発光素子からの光取り出し効率を高くする技術に関する。

近年、光通信や表示機器等に発光ダイオードが多用されている。かかる発光ダイオードには、一般に、半導体基板の上にクラッド層、活性層などが積層された半導体発光素子が用いられる。上記クラッド層、活性層などの基板上に積層される層はエピタキシャル層またはエピタキシャル膜と呼ばれ、液相成長法、気相成長法、分子線成長法などのエピタキシャル成長方法によって形成される。

上記半導体発光素子の発光出力を向上させる方法の一つに、一般に粗面化処理（テクスチャ処理）と呼ばれる方法がある。これは、素子内で発生した光が素子表面において全反射されて外部に出力されないという現象を少なくするために、半導体発光素子の表面を粗面化することすなわち半導体表面に多数の微小突起を形成させる処理であり、半導体表面からの光の取り出し効率が高くなるので、発光出力が向上する。この粗面化処理は、例えば、半導体発光素子を硝酸系のエッチング液に浸漬して半導体表面を浸食させることにより行う（たとえば、特許文献１）。
特開２００３−８０５５号公報

前述のように、粗面化処理は表面を浸食させる処理であるので、ある程度の厚さを必要とする。そのため、半導体発光素子の上面となるエピタキシャル層の上面に粗面化処理を行う場合には、エピタキシャル層のうち、活性層よりも上の部分が３μｍ以上、望ましくは５μｍ以上必要である。従って、エピタキシャル層が薄い場合には、素子上面には粗面化処理を行うことができないので、素子側面にのみ粗面化処理が行われる。素子上面に粗面化処理が行われていないと、素子上面からの光の取り出し効率が悪く、結果として、半導体発光素子の全体としての光取り出し効率が十分ではないという問題があった。特に、エピタキシャル層の成長速度が遅いＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）を用いた場合には、エピタキシャル層を厚くすることが困難であるので、上記問題点が大きい。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであって、その目的とするところは、光取り出し効率が高い半導体発光素子を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、半導体基板上にエピタキシャル層が積層され、積層方向に平行な素子側面およびそのエピタキシャル層の前記半導体基板とは反対側の面である素子上面から光が出力される半導体発光素子において、前記素子側面には粗面化処理がされているが、前記素子上面には粗面化処理がされていない半導体発光素子であって、前記積層方向における前記素子側面の長さが、前記素子上面の最大長さの１／３、好ましくは７／１０よりも長くされていることを特徴とする。

本発明によれば、積層方向における素子側面の長さすなわち素子側面の高さが、素子上面の最大長さの１／３よりも長くされていることから、全発光面の面積に対して、粗面化処理されている面である素子側面の面積割合が大きいので、高い光取り出し効率が得られる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明が適用された半導体発光素子１０の斜視図であり、図２は、その半導体発光素子１０の垂直断面図である。半導体発光素子１０は、半導体基板１２の上にエピタキシャル層１４が積層されており、エピタキシャル層１４は、半導体基板１２側から順に、第１クラッド層１６、活性層１８、第２クラッド層２０、コンタクト層２２が平行に積層された構造となっている。本実施例では、活性層１８はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの多量子井戸構造を有し、９８０ｎｍの波長の光を発光する。半導体基板１２は上記発光波長に対して透明なｎ−ＧａＡｓ半導体からなり、第１クラッド層１６はｎ−ＡｌＧａＡｓ半導体からなり、第２クラッド層２０はｐ−ＡｌＧａＡｓ半導体からなり、コンタクト層２２はｐ−ＧａＡｓ半導体からなる。

そして、素子上面２４（すなわちコンタクト層２２の上面）には上部電極２６が蒸着あるいはスパッタにより形成されている。一方、半導体基板１２の下面は鏡面加工されており、その面に、下部電極２８が蒸着あるいはスパッタにより形成されている。なお、上部電極２６は、たとえばＡｕＺｎ／Ａｕ共晶からなり、下部電極２８は、たとえば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ共晶からなる。また、下部電極２８は電極での光吸収を少なくするためメッシュ状構造とされている。

上記半導体発光素子１０の形状は、図１に示されるように、積層方向に長い角柱状であり、素子上面２４および下面の形状は正方形とされており、この素子上面２４の一辺の長さは、本実施例では、３００μｍとされている。従って、素子上面２４の最大長さＮ（すなわち対角線の長さ）は、約４２０μｍとなっている。一方、積層方向に平行な４つの素子側面３０は、その積層方向の長さ（すなわち高さ）ｈが、上記素子上面２４の最大長さＮの１／３よりも大きくなるように、たとえば、３００μｍ〜４００μｍ程度とされている。また、これら４つの素子側面３０には、後述するテクスチャエッチング処理（粗面化処理）が行われることにより、数μｍ〜５μｍ程度の微小な凹凸形状が形成されている。

このように構成された半導体発光素子１０においては、第１クラッド層１６、活性層１８、第２クラッド層２０によってダブルへテロ構造が構成され、活性層１８から光が発せられる。活性層１８からの光は、素子上面２４、素子側面３０、および下部電極２８へと射出される。それらの光のうち、活性層１８から素子上面２４へ向けて射出された光は、その入射角が臨界角以下である場合には外部へ出力されるが、臨界角以上である場合には素子上面２４で反射されて外部へ出力されない。下部電極２８へ向けて射出された光は、その一部が下部電極２８において吸収されてしまうが、半導体基板１２の下面が鏡面加工されているので、その下面にて反射される。一方、活性層１８から素子側面３０へ向けて射出された光も、素子側面３０への入射角が臨界角以上である場合には素子側面３０で反射されて外部へ出力されないが、素子側面３０には、その全面にテクスチャエッチング処理により微小な凹凸形状が形成されているので、臨界角以上となる光が少ない。そのため、素子上面２４へ向けて射出された光よりも多くの割合の光が外部へ出力される。従って、この半導体発光素子１０は、素子上面２４から出力される光に比較して素子側面３０から出力される光の割合が相対的に大きい。

図３は、上記の構造を有する半導体発光素子１０において、素子側面３０の高さｈを変化させたときの発光強度の変化を示す図である。図３において、半導体発光素子Ａは本発明が適用された半導体発光素子ではなく、基準として用いる半導体発光素子であり、図３（ｂ）にその斜視図を示すように、いずれの面にもテクスチャ処理がされていない半導体発光素子である。半導体発光素子Ｂは、その半導体発光素子Ａと同一の寸法を有するが４つの素子側面にテクスチャ処理がされたもの、半導体発光素子Ｃは、素子側面の高さｈが半導体発光素子Ｂよりも高くされたもの、半導体発光素子Ｄは、半導体発光素子Ｃよりもさらに素子側面の高さｈが高くされたものであり、括弧内の数値は、全表面積に対するテクスチャ処理がされている面の割合を示している。半導体発光素子ＡとＢとを比較すると分かるように、同一の寸法を有していても、テクスチャ処理がされることにより、発光強度は強くなることが分かる。また、半導体発光素子Ｂ、Ｃ、Ｄを比較すると分かるように、テクスチャ処理されている面の割合が大きくなるほど、発光強度は強くなることが分かる。

図４は、上記半導体発光素子Ａ〜Ｄの発光遠視野像（far field pattern;FFP）を測定した結果を示す図である。なお、図４における相対光強度は、半導体発光素子Ｄにおける最大強度を基準としている。図４から、素子側面の高さｈを高くするほど、素子側面からの発光強度が強くなることが分かる。

図５は、図１の半導体発光素子１０の製造工程の一例を示す工程図である。まず、第１工程Ｐ１では、切り分けられる前の半導体基板１２すなわち半導体ウェーハの上に、ＭＯＣＶＤ法などによって前記エピタキシャル層１４、すなわち、第１クラッド層１６、活性層１８、第２クラッド層２０、コンタクト層２２が順次成長させられる。

続く第２工程Ｐ２では、上記コンタクト層２２の上面すなわち素子上面２４に上部電極２６が所定の間隔で蒸着あるいはスパッタにより形成される。続く第３工程Ｐ３では、半導体ウェーハの裏面（下面）が研磨により鏡面加工される。そして、第４工程Ｐ４では、その鏡面加工された面において上部電極２６と対応する位置に下部電極２８が蒸着あるいはスパッタにより形成される。

続く第５工程Ｐ５では、上記下部電極２８の上に二酸化珪素（ＳｉＯ_２）などの保護膜が、たとえばプラズマＣＶＤ法によって形成される。続く第６工程Ｐ６では、ダイシング装置により前記半導体ウェーハがダイシングされて、個々の半導体発光素子１０に切り分けられる。続く第６工程Ｐ６は転写工程であり、保護膜が形成されていない側である上部電極２６側の面が、ダイシングテープに貼り付けられる。この状態では、半導体発光素子１０は、上下の面がダイシングテープおよび保護膜によりそれぞれ覆われている。そして、この状態で、続く第８工程Ｐ８において、硝酸系のエッチング液に半導体発光素子１０が浸漬されることによりテクスチャエッチング処理が行われる。従って、テクスチャエッチング処理が行われるのは素子側面のみであり、上下の面にはテクスチャエッチング処理が行われない。

続く第９工程Ｐ９では、緩衝化フッ酸（buffered hydrogen fluoride;BHF）、たとえばフッ酸／フッ化アンモニウム水溶液に浸漬することにより前記保護膜を除去する。

図６は、上記半導体発光素子１０を含む発光ダイオード装置４０の概略構成を示す拡大図である。発光ダイオード装置４０は、軸方向の一方の端が凸状とされた透明樹脂製の円柱形のハウジング４２を備え、そのハウジング４２に、一対のリード線４４、４６、カップ４８、ボンディングワイヤ５０、および半導体発光素子１０が固定された構造を有している。上記一対のリード線４４、４６は、それぞれ、ハウジング４２の軸と平行とさ、且つ、一方の端がハウジング４２内に位置させられている。カップ４８は、リード線４４の端に固定されており、半導体発光素子１０はカップ４８内においてそのカップ４８の底面に接触させられている。また、ボンディングワイヤ５０は、たとえば金製であり、半導体発光素子１０の上部電極２６と他方のリード線４６とを接続している。

上記カップ４８は、一方向に開口する円筒形であり、開口側へ向かうほど半径が大きなっている。また、このカップ４８の内周面は、銀などによりメッキされることにより鏡面とされている。このような構造を有する発光ダイオード装置４０において半導体発光素子１０が発光させられると、矢印に示すように、半導体発光素子１０の素子側面３０から出力された光はカップ４８の内周面で反射されることにより進行方向が変化させれられ、図６に示す上方向（すなわち素子上面２４に垂直な方向）に出力される。従って、この発光ダイオード装置４０は、図６に示す上方向からの視認性（すなわち、正面からの視認性）に優れている。

なお、上記発光ダイオード装置４０において、カップ４８の側面を取り除いたり、開口面の面積が大きくなるようにカップ４８の底面に対する側面の角度を大きくすれば、発光ダイオード装置４０の側面から出力される光の強度が強くなるので、簡単な構造により、斜め方向の視認性に優れた発光ダイオード装置が得られる。

以上説明したように、本実施例の半導体発光素子１０によれば、素子側面３０の高さｈが、素子上面２４の最大長さＮの１／３よりも長くされていることから、全発光面の面積に対して、粗面化処理されている面である素子側面３０の面積割合が大きいので、高い光取り出し効率が得られる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例の半導体発光素子１０は角柱状であったが、円柱状であってもよい。円柱状である場合には、半導体発光素子の軸心回りの周方向において、素子側面から出力される光の強度が均等になる利点がある。

また、前述の実施例の半導体発光素子１０は、ＧａＡｓ系の半導体を用いていたが、ＧａＰ系の半導体を用いてもよい。たとえば、活性層がＡｌＩｎＧａＰの多量子井戸構造を有し、６２０ｎｍの波長の光を発光するものであり、半導体基板が上記発光波長に対して透明なＧａＰ半導体からなり、第１クラッド層および第２クラッド層がＡｌＩｎＧａＰ半導体からなり、コンタクト層がＩｎＧａＰ半導体からなる半導体発光素子であってもよい。なお、この半導体発光素子は、たとえば、ＧａＡｓ系の半導体基板上に上記活性層、第１クラッド層、第２クラッド層、およびコンタクト層からなるエピタキシャル層を成長させ、そのエピタキシャル層を剥がして、ＧａＰ系の半導体基板上に接着する、所謂、ウェハーボンディングにより製造される。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

本発明が適用された半導体発光素子の斜視図である。 図１の半導体発光素子の垂直断面図である。 （ａ）は、素子側面の高さを変化させたときの発光強度の変化、および素子側面にテクスチャ処理が行われることによる発光強度の変化を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の半導体発光素子Ａの斜視図である。 図３の半導体発光素子Ａ〜Ｄの発光遠視野像を測定した結果を示す図である。 図１の半導体発光素子の製造工程の一例を示す工程図である。 図１の半導体発光素子を含む発光ダイオード装置の概略構成を示す拡大図である。

符号の説明

１０：半導体発光素子
１２：半導体基板
１４：エピタキシャル層
２４：素子上面
３０：素子側面

Claims (1)

1. 半導体基板上にエピタキシャル層が積層され、積層方向に平行な素子側面および該エピタキシャル層の前記半導体基板とは反対側の面である素子上面から光が出力される半導体発光素子において、前記素子側面には粗面化処理がされているが、前記素子上面には粗面化処理がされていない半導体発光素子であって、
   前記積層方向における前記素子側面の長さが、前記素子上面の最大長さの１／３よりも長くされていることを特徴とする半導体発光素子。
   

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