JP2007096117A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体層にダメージを与えることなく、屈折率差に基づく光取出しの制約を解消することのできる発光素子を提供する。
【解決手段】 透明電極１５の表面に熱架橋性の樹脂からなる複数のレンズ１８Ｃを備えたレンズ部１８を設けることで、透明電極１５から入射する青色光をレンズ形状に基づいて集光し、効率良く外部放射させることができる。また、エッチング等によって半導体層や透明電極を加工しないので、エッチングダメージによる発光効率の低下が生じないものとできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体層を積層して形成された発光素子、より詳しくはＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物半導体層が積層された発光素子に関し、特に、半導体層にダメージを与えることなく、屈折率差に基づく光取出しの制約を解消することのできる発光素子に関する。

従来、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物系半導体材料を下地基板であるサファイア基板上に結晶成長させて半導体層を形成することにより、紫外から可視領域で発光する半導体発光素子（以下、「発光素子」という。）が知られている。

このような発光素子において、半導体層に電圧を印加するためのｎ側およびｐ側の電極を半導体層側に形成し、電極形成部以外の部分をＳｉＯ_２等の保護膜で覆う構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載される発光素子は、ｐ型半導体層上にＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等からなる透明電極層を形成した後、フォトレジストを設けてエッチングを行うことによりｎ型半導体層を露出させ、このｎ型半導体層の露出部を含む発光素子表面にＳｉＯ_２等の保護膜を設けたものである。

特許文献１に記載される発光素子によると、保護膜を設けることによる発光素子の保護と、マイグレーション現象による絶縁性の低下を抑制することができるが、一般に透明電極層と保護膜との屈折率差が大であり、素子内での発光に基づく光は透明電極層と保護膜との屈折率に基づく臨界角内に照射された光のみが保護膜に入射し、その他の光は直接的に入射することができない。

特に、高屈折率材料からなる半導体発光素子では、高屈折率領域から低屈折率領域への光の入射に臨界角に基づく制約が伴うことが高輝度化を阻む要因になっている。

かかる問題を解消するものとして、半導体層の光取出し側に凹凸加工を施し、光の外部への取出し効率を凹凸形状に基づいて改善するようにした発光素子がある（例えば、特許文献２参照。）。

特許文献２に記載される発光素子は、ｐ型ＧａＮ層の表面にエッチングによってシリンドリカルレンズ状の複数の凸部を形成しており、そのことによって活性層から放出された光の取出し効率を高めている。
特開２００５−１９９４５号公報（[００３０]〜[００３５]、図１） 特開２０００−１９６１５２号公報（[００２２]、[００３４]、図１）

しかし、特許文献２の発光装置によると、半導体層に対してエッチングによる表面形状加工を施しているため、半導体層にエッチングによるダメージを与えて発光むらや漏れ電流増大による発光効率の低下が生じるという問題がある。

従って、本発明の目的は、半導体層にダメージを与えることなく、屈折率差に基づく光取出しの制約を解消することのできる発光素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、第１の導電型の半導体層と第２の導電型の半導体層との間に発光する層を含む半導体積層構造部と、前記半導体積層構造部の表面に設けられる透明電極と、光透過性の材料によって前記透明電極上に配列されたレンズ部と、前記レンズ部より小なる屈折率を有して前記レンズ部を覆う保護膜とを有する発光素子を提供する。

このような構成によれば、半導体積層構造部に光取出し加工を施すことなく、透明電極と保護膜との間に設けられるレンズ部の光学形状に基づいて臨界角に制約される光低屈折率部材側への光取出し性が高められる。

また、本発明は、上記目的を達成するため、第１の導電型の半導体層と第２の導電型の半導体層との間に発光する層を含む半導体積層構造部と、前記半導体積層構造部の表面に設けられる透明電極と、前記透明電極を覆う保護膜と、光透過性の材料によって前記保護膜上に配列されたレンズ部とを有する発光素子を提供する。

このような構成によれば、半導体積層構造部に光取出し加工を施すことなく、保護膜上に設けられるレンズ部の光学形状に基づいて臨界角に制約される光低屈折率部材側への光取出し性が高められる。

本発明の発光素子によれば、半導体層にダメージを与えることなく、屈折率差に基づく光取出しの制約を解消することができる。

［第１の実施の形態］
（発光素子１の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。

この発光素子１は、フェイスアップ型の発光素子として窒化物半導体材料をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法に基づいてサファイア基板１０上に結晶成長させることにより形成されており、サファイア基板１０上には低温成長のＡｌＮバッファ層１１と、シリコン（Ｓｉ）ドープのｎ−ＧａＮ層１２と、発光する層としてＩｎＧａＮ層１３０とＧａＮ障壁層１３１とが交互に積層されて形成されたＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）１３と、マグネシウム（Ｍｇ）ドープのｐ−ＧａＮ層１４と、ＩＴＯからなる透明電極１５と、ＳｉＯ_２からなる保護膜１７と、透明電極１５上に設けられる複数のレンズ１８Ｃからなるレンズ部１８とを有し、さらにｐ−ＧａＮ層１４の表面にはｐ側電極としてのパッド電極１６と、ｐ−ＧａＮ層１４からｎ−ＧａＮ層にかけての半導体層をエッチングにより除去することで露出させたｎ−ＧａＮ層１４に設けられるｎ側電極１９とを有し、ｎ−ＧａＮ層１２からｐ−ＧａＮ層１４にかけて屈折率２．４の半導体積層構造部を構成している。

ＭＱＷ１３は、３層のＩｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層１３０と、２層のＧａＮ障壁層１３１とを交互に積層した６層構造を有する。

レンズ部１８は、光透過性の樹脂材料をレンズ１８Ｃに応じて所定のピッチでパターニング形成し、熱処理に基づいて半球状に変形させることによって形成されている。

図２は、第１の実施の形態に係る発光素子のレンズ部の形成工程を示す部分断面図である。以下に、第１の実施の形態の発光素子の製造方法について説明する。

まず、ウエハー状のサファイア基板１０を有機洗浄の後、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置内の成長炉のサセプタ上に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給して１２００℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１０上の表面に付着していた炭化水素ガスがある程度取り除かれる。

次に、サファイア基板１０の温度を４００℃程度まで降温し、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）及びＮＨ_３（アンモニア）を供給してサファイア基板１０上に５０ｎｍ程度の膜厚のＡｌＮバッファ層１１を形成する。

次に、ＴＭＡの供給を止め、基板温度を１０００℃まで上げ、ＮＨ_３、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＳｉＨ_４（シラン）を供給してキャリア濃度５×１０^１８／ｃｍ^３のｎ−ＧａＮ層１２を形成する。

次に、サファイア基板１０にＮＨ_３、ＴＭＧ、及びＴＭＩ（トリメチルインジウム）を供給して膜厚３０ÅのＩｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層１３０を形成する。

次に、サファイア基板１０にＮＨ_３及びＴＭＧを供給して１７０Åの膜厚のＧａＮ障壁層１３１を形成する。

次に、上記したＩｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層１３０及びＧａＮ障壁層１３１の成長条件に基づいて合計３層のＩｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層１３０と合計２層のＧａＮ障壁層１３１より成るＭＱＷ１３を形成する。

次に、サファイア基板１０にＴＭＡ，ＴＭＧ、ＮＨ_３、及びＣｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタディエニルマグネシウム）を供給して膜厚２００Åのマグネシウムドープのｐ−ＧａＮ層１４を形成する。

次に、所定のエッチャントを使用して、ｐ−ＧａＮ層１４、ＭＱＷ１３、及びｎ−ＧａＮ層１２の一部を除去してｎ−ＧａＮ層１２を露出させる。

次に、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１４の表面にスパッタリングによって屈折率２．０のＩＴＯを付着させることにより透明電極１５を形成する。

次に、透明電極１５の表面にＡｕからなるパッド電極１６をパターン形成する。

次に、エッチャントで露出させたｎ−ＧａＮ層１２の表面にスパッタリングによってバナジウムおよびアルミニウム合金からなるｎ側電極１９を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように透明電極１５の表面に共重合樹脂である屈折率１．６３のポリスチレン−ポリヒドロキシスチレンを主骨格とする感光性樹脂材料１８Ａを膜状に形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、感光性樹脂材料１８Ａを露光し、現像を行うことにより２μｍ角のパターン１８Ｂを２μｍ間隔で形成する。

次に、図２（ｅ）に示すように、１４０℃で５分間の熱処理を行うことで共重合樹脂のパターンを半球状に変形させる。さらに１７０℃で５分の熱処理を行い、共重合樹脂を熱架橋して透明なレンズ１８Ｃを形成する。このようにして得られたレンズ１８Ｃの径は２．４μｍであった。

次に、屈折率１．４７のＳｉＯ_２を用いて、ＣＶＤによりＳｉＯ_２膜を設け、フォトリソグラフィーによるマスクパターニング、およびエッチングを行って電極形成領域以外の部分に保護膜１７を形成する。なお、このエッチングに基づいて電極形成領域に付着した共重合樹脂も除去する。

次に、保護膜１７の形成されたウエハーに対してダイシング、スクライブ、およびブレーキングを施すことにより、規定サイズの素子単位に分割する。

このようにして形成された発光素子１に対して、パッド電極１６およびｎ側電極１９にボンディングされた図示しないＡｕワイヤを介して順方向の電圧を印加すると、ＭＱＷ１３のＩｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層１３０においてホール及びエレクトロンのキャリア再結合に基づく発光が生じる。発光に基づく光は発光波長４６０〜４７０ｎｍの青色光であり、透明電極１５、レンズ部１８、および保護膜１７を介して素子外部へ放射される。レンズ部１８を介した青色光は光学形状に基づいて集光される。なお、一部の青色光はレンズ部１８を介さずに素子外部へ放射される。

（第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態によると、透明電極１５の表面に熱架橋性の樹脂からなる複数のレンズ１８Ｃを備えたレンズ部１８を設けることで、透明電極１５から入射する青色光をレンズ形状に基づいて集光し、効率良く外部放射させることができる。また、エッチング等によって半導体層や透明電極を加工しないので、エッチングダメージによる発光効率の低下が生じないものとできる。

また、レンズ部１８を構成するポリスチレン−ポリヒドロキシスチレンの屈折率はＩＴＯより低く、また、保護膜１７の屈折率より大であるので、レンズ部１８と保護膜１７との界面で界面反射が生じ、そのことによる光取出し性の向上を図れる。本発明者によれば、半球状のレンズ１８Ｃを持たない発光素子との比較において、約２０％の全放射束の向上を確認している。

なお、第１の実施の形態では、レンズ部１８を形成する材料としてポリスチレン−ポリヒドロキシスチレンを用いたレンズ部１８を説明したが、これに限定されず、透明電極１５の屈折率と保護膜１７の屈折率との間の屈折率を有する材料であれば良い。例えば、フェノールノボラック樹脂、アダバンチルメタクリレート等の他のアクリル系樹脂、シリコン系のシロキサン樹脂、シルセスキオキサン樹脂を用いることができる。

また、レンズ部１８のサイズについても上記した数値に限定されるものではなく、適切な値を設定して設けることができる。

［第２の実施の形態］
（発光素子１の構成）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。以下の説明において、第１の実施の形態と同様の構成および機能を有する部分については共通する符号を付している。

この発光素子１は、第１の実施の形態で説明したものと同様のフェイスアップ型の発光素子であり、透明電極１５の表面保護として設けた屈折率２．０のＳｉＮからなる保護膜２０の上にレンズ部１８を設け、その上に保護膜１７を設けている点で第１の実施の形態と相違している。

図４は、第２の実施の形態に係る発光素子のレンズ部の形成工程を示す部分断面図である。なお、半導体積層構造部の形成工程については第１の実施の形態と同様であるので、透明電極１５の形成工程以降で第１の実施の形態と相違する部分について説明する。

まず、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１４の表面にスパッタリングによって屈折率２．０のＩＴＯを付着させることにより透明電極１５を形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、透明電極１５の表面に屈折率２．０のＳｉＮからなる保護膜２０を形成する。

次に、図４（ｄ）に示すように保護膜２０の表面に共重合樹脂である屈折率１．６３のポリスチレン−ポリヒドロキシスチレンを主骨格とする感光性樹脂材料１８Ａを膜状に形成する。

次に、図４（ｅ）に示すように、感光性樹脂材料１８Ａを露光し、現像を行うことにより２μｍ角のパターン１８Ｂを２μｍ間隔で形成する。

次に、図４（ｆ）に示すように、１４０℃で５分間の熱処理を行うことで共重合樹脂のパターンを半球状に変形させる。さらに１５０℃で５分の熱処理を行い、共重合樹脂を熱架橋して透明なレンズ１８Ｃを形成する。このようにして得られたレンズ１８Ｃの径は２．４μｍであった。

このようにして形成された発光素子１の発光に基づく青色光は、透明電極１５、保護膜２０、レンズ部１８、および保護膜１７を介して素子外部へ放射される。レンズ部１８を介した青色光は光学形状に基づいて集光される。なお、一部の青色光はレンズ部１８を介さずに素子外部へ放射される。

（第２の実施の形態の効果）
本発明の第２の実施の形態によると、透明電極１５の表面保護として保護膜２０を設けた上に熱架橋性の樹脂からなる複数のレンズ１８Ｃを備えたレンズ部１８を設けることで、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて透明電極１５にエッチングダメージや水分の及ばない安定した構成とすることができる。保護膜２０は透明電極１５と同等の屈折率を有するので、光透過性を阻害することはない。

なお、第２の実施の形態では、透明電極１５の表面保護としてＳｉＮからなる保護膜２０を設けた構成を説明したが、これに限定されず、屈折率１．７〜２．０のＳｉＯＮからなる保護膜２０を設けたものであっても良い。

［第３の実施の形態］
（発光素子１の構成）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。

この発光素子１は、第１および第２の実施の形態で説明したものと同様のフェイスアップ型の発光素子であり、透明電極１５の表面保護として設けた屈折率２．０のＳｉＮからなる保護膜２０の上にレンズ部１８を設け、その上に保護膜１７を設けているが、レンズ状の凸部１８０が接合部１８１で接合されている点で第２の実施の形態と相違している。即ち、第２の実施の形態では、レンズ状の凸部は各々独立（孤立）しているが、第３の実施の形態ではレンズ状の凸部が連続して形成されている。

図４は、第２の実施の形態に係る発光素子のレンズ部の形成工程を示す部分断面図である。なお、半導体積層構造部の形成工程については第１の実施の形態と同様であるので、透明電極１５の形成工程以降で第１の実施の形態と相違する部分について説明する。

まず、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１４の表面にスパッタリングによって屈折率２．０のＩＴＯを付着させることにより透明電極１５を形成する。

次に、図６（ｃ）に示すように、透明電極１５の表面に屈折率２．０のＳｉＮからなる保護膜２０を形成する。

次に、図６（ｄ）に示すように保護膜２０の表面に共重合樹脂である屈折率１．６３のポリスチレン−ポリヒドロキシスチレンを主骨格とする感光性樹脂材料１８Ａを膜状に形成する。

次に、図６（ｅ）に示すように、感光性樹脂材料１８Ａを露光し、現像を行うことにより２μｍ角のパターン１８Ｂを０．５μｍ間隔で形成する。このとき、エッチングする部分の透明樹脂材料１８Ａを完全に除去しないようにする。

次に、図６（ｆ）に示すように、１４０℃で５分間の熱処理を行うことで共重合樹脂のパターンを半球状に変形させる。このことにより形成される凸部１８０は、隣接する凸部１８０と接合部１８１を介して接合されたものとなる。さらに１５０℃で５分の熱処理を行い、共重合樹脂を熱架橋して透明なレンズ状の凸部１８０を形成する。

このようにして形成された発光素子１の発光に基づく青色光は、透明電極１５、保護膜２０、凸部１８０、および保護膜１７を介して素子外部へ放射される。凸部１８０を介した青色光は光学形状に基づいて集光される。なお、一部の青色光は凸部１８０を介さず、接合部１８１を透過して素子外部へ放射される。

（第３の実施の形態の効果）
本発明の第３の実施の形態によると、第２の実施の形態の好ましい効果に加えて、凸部１８０から放射される光だけでなく接合部１８１での光拡散による素子外部への光取出しも可能となり、より多くの光を効率良く素子外部へ放射させることができる。

なお、第３の実施の形態においても、第２の実施の形態と同様に透明電極１５の表面保護としてＳｉＮからなる保護膜２０を設けた構成を説明したが、これに限定されず、屈折率１．７〜２．０のＳｉＯＮからなる保護膜２０を設けたものであっても良い。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る発光素子のレンズ部の形成工程を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光素子のレンズ部の形成工程を示す部分断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る発光素子のレンズ部の形成工程を示す部分断面図である。

符号の説明

１…発光素子、１０…サファイア基板、１１…ＡｌＮバッファ層、１２…ｎ−ＧａＮ層、１３…ＭＱＷ、１４…ｐ−ＧａＮ層、１５…透明電極、１６…パッド電極、１７…保護膜（ＳｉＯ_２）、１８…レンズ部、１８Ａ…感光性樹脂材料、１８Ｂ…パターン、１８Ｃ…レンズ、１９…ｎ側電極、２０…保護膜（ＳｉＮ）、１３０…Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層、１３１…ＧａＮ障壁層、１８０…凸部、１８１…接合部

Claims (5)

1. 第１の導電型の半導体層と第２の導電型の半導体層との間に発光する層を含む半導体積層構造部と、
   前記半導体積層構造部の表面に設けられる透明電極と、
   光透過性の材料によって前記透明電極上に配列されたレンズ部と、
   前記レンズ部より小なる屈折率を有して前記レンズ部を覆う保護膜とを有することを特徴とする発光素子。
2. 第１の導電型の半導体層と第２の導電型の半導体層との間に発光する層を含む半導体積層構造部と、
   前記半導体積層構造部の表面に設けられる透明電極と、
   前記透明電極を覆う保護膜と、
   光透過性の材料によって前記保護膜上に配列されたレンズ部とを有することを特徴とする発光素子。
3. 前記レンズ部は、エッチングによりパターニングされた光透過性材料を熱処理に基づいて半球状に変形させた複数のレンズを有する請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記レンズ部は、半球状の複数のレンズを所定の間隔で配置して構成される請求項１または２に記載の発光素子。
5. 前記レンズ部は、半球状の複数のレンズが所定の間隔で配置され、隣接する前記レンズとの間に前記レンズ部を形成する材料による接合部が設けられている請求項１または２に記載の発光素子。