JP2007123450A

JP2007123450A - 光学部品の製造方法及び発光素子

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Publication number: JP2007123450A
Application number: JP2005312001A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Tanaka; 健一郎田中
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: JP4852973B2

Abstract

【課題】容易に且つ残留応力やクラックを発生させずに光学部品の表面を粗面化することができる光学部品の製造方法並びに該製造方法によって製造された発光装置を提供する。
【解決手段】光学部品を構成する被処理体１において光が入射又は出射する被処理面１ａ上に、例えば金からなる直径２００ｎｍ程度の金属ナノ粒子２を複数個設ける。次に、被処理面１ａに例えば波長８００ｎｍのレーザ光Ｌ１を照射して、金属ナノ粒子２の位置にそれぞれ凹部１ｂを形成することにより被処理面１ａを粗面化する。金属ナノ粒子２が凹部１ｂの形成とともに除去されることにより、金属ナノ粒子２をマスクとして用いた反応性イオンエッチングによって粗面化する従来の方法に比べ、エッチング後に金属ナノ粒子２を除去する工程が不要となるから容易である。また、研磨による粗面化と違って被処理体１に残留応力やクラックが発生しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学部品の製造方法及び発光素子に関するものである。

従来から、光学部品において、光が入射または出射する界面の反射率を低減させて透過率を向上させる方法として、界面を粗面化するという方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

詳しく説明すると、図８（ａ）に示すように、ある媒質Ｍ１（屈折率ｎ_１）から屈折率の異なる別の媒質Ｍ２（屈折率ｎ_２≠ｎ_１）に入射する光Ｌｉは、全ては媒質Ｍ１，Ｍ２間の界面を通過する透過光Ｌｔとはならず一部は界面で反射される反射光Ｌｒとなる。界面における反射率Ｌｒ／Ｌｉは、媒質Ｍ１，Ｍ２間の屈折率ｎ_１，ｎ_２の差が大きいほど高くなる。例えば、屈折率が１．７７のサファイア基板から空気へ光を出射させる場合、サファイア基板の内側から表面に垂直に入射する光はその７．７％が反射され、表面への入射角度が３４．４°以上の光は完全にサファイア基板の内側へ反射されてしまう。しかし、図８（ｂ）に示すように凹凸のピッチが通過する光の波長の１０分の１〜数倍となるように界面を粗面化すれば、媒質Ｍ１，Ｍ２間に、両媒質Ｍ１，Ｍ２の中間の屈折率の層を設けるのと同様の効果が得られ、入射光Ｌｉに対して反射光Ｌｒを減少させて透過光Ｌｔを増加させることができる。

凹凸のピッチが光の波長の１０分の１〜数倍となるように粗面化された界面について、凹凸を平均した面に平行なある断面において媒質Ｍ２が占める比率をｒとおくと、該断面近傍での有効屈折率は、ＴＥ波に対して次の＜ｎ_Ｅ＞となり、ＴＭ波に対して次の＜ｎ_Ｍ＞となる。

すなわち、粗面化された界面の凹凸を平均した面に平行な断面において一方の媒質Ｍ１が占める比率が、他方の媒質Ｍ２側に向かって徐々に小さくなるように、例えば界面の凹凸を三角波形状や円錐形状とすれば、有効屈折率が徐々に変化することになるから、例えば凹凸が矩形波形状や円柱形状であって上記比率が急激に変化する場合に比べ、より反射率が低減される。
特開平６−２９１３６８号公報

粗面化の方法としては、まず粗面化する面に金の薄膜を形成し、この薄膜を熱溶融の後に凝固させることで粒子状のマスクを設け、このマスクを利用して反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching、以下「ＲＩＥ」と呼ぶ。）を行うという方法が知られている。また、粗面化の他の方法としては、研磨による方法がある。

しかし、従来のＲＩＥによる方法ではマスクを除去する工程が必要であり、研磨による方法では残留応力やクラックが発生して光学部品の機械的強度が低下してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、容易に且つ残留応力やクラックを発生させずに光学部品の表面を粗面化することができる光学部品の製造方法並びに該製造方法によって製造された発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、光が入射又は出射する被処理面上に金属ナノ粒子を複数個設ける工程と、被処理面上に設けられた金属ナノ粒子の直径よりも波長が長いレーザ光を透光体に照射し、表面プラズモン共鳴によって被処理面の金属ナノ粒子近傍に凹部を形成することで被処理面を粗面化する工程とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、金属ナノ粒子をマスクとして用いたＲＩＥによって粗面化する従来の方法に比べ、金属ナノ粒子が粗面化と同時に除去されることにより金属ナノ粒子を除去する工程が不要となるから容易である。また、研磨による粗面化と違って残留応力やクラックが発生しない。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、金属ナノ粒子として表面が有機物でコーティングされたものを用いることを特徴とする。

この発明によれば、金属ナノ粒子同士が集合してレーザ光の波長以上の大きさとなることを防ぐことができる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、被処理面を粗面化する工程で用いるレーザ光のパルス幅を１ｆｓ〜１００００ｆｓとしたことを特徴とする。

この発明によれば、より長いパルス幅のレーザ光を用いる場合に比べ、被処理面において金属ナノ粒子が設けられていない部位への影響を低減することができる。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、被処理面を粗面化する工程で直線偏光のレーザ光を用いることを特徴とする。

この発明によれば、粗面化の際に生じる凹部を、直線偏光の向きに応じた向きの溝形状とすることができる。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの発明において、被処理面上に金属ナノ粒子を設ける工程において、金属ナノ粒子を分散させた液体媒質中に光学部品を浸漬した後、被処理面が媒質の液面に対して交差する向きで光学部品を引き上げることにより被処理面上に複数個の金属ナノ粒子を設けることを特徴とする。

この発明によれば、金属ナノ粒子の密度を略均一とすることができる。

請求項６の発明は、請求項１〜４のいずれかの発明において、被処理面上に金属ナノ粒子を設ける工程として、被処理面上に金属の薄膜を形成する工程と、金属の薄膜を加熱溶融後に凝固させることにより被処理面上に複数個の金属ナノ粒子を形成する工程とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、金属の薄膜を溶融時に均一に加熱することにより、金属ナノ粒子の密度を略均一とすることができる。

請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかの製造方法によって光の出射面が粗面化されていることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項７の発明において、発生する光の波長を変換する物質を含む蛍光体が、請求項１〜６のいずれかの製造方法によって形成された粗面に含浸されていることを特徴とする。

本発明は、光が入射又は出射する被処理面上に金属ナノ粒子を複数個設ける工程と、金属ナノ粒子の直径よりも波長が長いレーザ光を透光体に照射して表面プラズモン共鳴で被処理面において金属ナノ粒子近傍に凹部を形成することにより被処理面を粗面化する工程とを備えるので、金属ナノ粒子をマスクとして用いたＲＩＥによって粗面化する従来の方法に比べ、金属ナノ粒子が粗面化と同時に除去されることにより金属ナノ粒子を除去する工程が不要となるから容易である。また、研磨による粗面化と違って残留応力やクラックが発生しない。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態では、光学部品として、図２に示すように、ＳｉＣからなる結晶成長用基板１１と、結晶成長用基板１１の一面に設けられたＧａＮ系の半導体からなる発光層１２とを有する発光素子としてのＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された金属製の基板１４とを有する発光装置を例に挙げて説明する。以下、上下方向は図２を基準として説明する。

ＬＥＤチップ１０は、発光層１２を下向きとして基板１４の上面に実装されており、発光層１２の光は結晶成長用基板１１を通じて出射されるようになっている。基板１４の材料としては、Ｃｕ，ＣｕＷ，Ａｌなどを用いることができる。また、ＬＥＤチップ１０と基板１４との間には、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの平板形状であってＬＥＤチップ１０と基板１４との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材１５を介在させてある。サブマウント部材１５の材料としては、例えばＳｉＣやＡｌＮを用いることができる。また、基板１４の上面であってサブマウント部材１５を避けた範囲には、例えばガラスエポキシ樹脂からなり上面に導電パターン１６ａが設けられたプリント配線板１６が固着されている。ＬＥＤチップ１０の上下両面には、それぞれ端子１３ａ，１３ｂが設けられており、各端子１３ａ，１３ｂはそれぞれボンディングワイヤＷを介してプリント配線板１６の導電パターン１６ａに電気的に接続されている。

本実施形態では、結晶成長用基板１１の上面を粗面化することにより、発光層１２の光が結晶成長用基板１１から出射しやすいようにして、発光層１２の光が結晶成長用基板１１の表面で反射して結晶成長用基板１１内に戻ることによる光出力の低下を抑制し、光の利用効率を向上している。つまり、結晶成長用基板１１が以下の説明において表面を粗面化される被処理体１である。

粗面化に当たっては、まず、図１（ａ）に示すように被処理体１において光が入射又は出射する被処理面１ａ上に、例えば金からなる直径２００ｎｍ程度の金属ナノ粒子２を複数個設ける。次に、被処理面１ａに例えば波長８００ｎｍのレーザ光Ｌ１を照射して、図１（ｂ）に示すように金属ナノ粒子２の位置にそれぞれ凹部１ｂを形成することにより被処理面１ａを粗面化する。金属ナノ粒子２の直径は、レーザ光Ｌ１の波長の１０分の１以上２分の１以下が望ましい。また、金属ナノ粒子２の材料としては、金の他、銀、銅などを用いることができる。

ここで、金属ナノ粒子２の直径はレーザ光Ｌ１の波長よりも小さくする必要がある。また、レーザ光Ｌ１としては波長が近赤外光以下であるものが望ましく、例えばＳＨＧ−ＹＡＧレーザ（波長５３２ｎｍ）、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザ（波長３５５ｎｍ）、ＦＨＧ−ＹＡＧレーザ（波長２６６ｎｍ）、５ｔｈＨＧ−ＹＡＧレーザ（波長２１３ｎｍ）、６ｔｈＨＧ−ＹＡＧレーザ（波長１７７ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、Ｆ２レーザ（波長１５７ｎｍ）、Ｔｉサファイアレーザ（波長８００ｎｍ）、ＳＨＧ−Ｔｉサファイアレーザ（波長４００ｎｍ）、ＴＨＧ−Ｔｉサファイアレーザ（波長２６７ｎｍ）、ＦＨＧ−Ｔｉサファイアレーザ（波長２００ｎｍ）などを用いることができる。

また、レーザ光の振動数ωは、金属ナノ粒子２の誘電関数ε（ω）と透光材１の誘電率εｍとがε（ω）＝−２εｍの共振条件を満たすものであることが望ましい。

さらに、レーザ光Ｌ１として、超短パルスレーザやフェムト秒レーザと呼ばれる、パルス幅が１ｆｓ〜１００００ｆｓのレーザ光を用いれば、被処理体１において金属ナノ粒子２から離れた部位に影響を与えにくく粗面化の程度を制御しやすいから望ましい。

被処理体１において被処理面１ａ付近を構成する材料としては、上記のＳｉＣやＧａＮの他、石英ガラスやサファイア、又は、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＯ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＡｌＮなどの半導体及びこれらとＳｉＣとＧａＮとの複数を組み合わせたもの及びこれらに不純物をドープさせたものが考えられる。

本実施形態によれば、図３に示すように金属ナノ粒子２近傍において発生し表面プラズモン共鳴によりもとのレーザ光Ｌ１よりも強度が増した近接場光の、破線で示す電場により、被処理体１に凹部１ｂが形成される。近接場光の電場の強度は金属ナノ粒子２の近傍において急峻なピークを有するため、金属ナノ粒子２から離れた位置では被処理体１は殆ど損傷を受けず、凹部１ｂの開口の直径は金属ナノ粒子２の直径と同程度となる。ここで、金属ナノ粒子２は、凹部１ｂの形成とともに飛散して除去されるから、金属ナノ粒子２を除去するためのエッチングは不要である。

被処理面１ａ上に金属ナノ粒子２を設ける方法としては、例えば図４に示すように、金属ナノ粒子２が分散された液体からなる溶媒３中に被処理体１を浸漬した後、溶媒３の液面に対して被処理体１の被処理面１ａを略直交させる向きで図４の矢印で示すように被処理体１を徐々に溶媒３から引き上げるという方法がある。すると、溶媒３の表面張力により、被処理面１ａ上に金属ナノ粒子２が略均一に配置される。溶媒３としては、例えばメタノール、エタノール、２−プロパノール、テロラヒドロフラン、トルエン、１，２−ジブロモメタンなどの有機溶媒を用いることができる。

また、金属ナノ粒子２を設ける他の方法としては、図５（ａ）に示すように被処理面１ａ上に金属の薄膜４を形成した後、被処理面１ａに例えばレーザ光Ｌ２を照射することにより金属の薄膜４を溶融させ、その後冷却することにより図５（ｂ）に示すように金属ナノ粒子２を形成するという方法がある。金属の薄膜４の溶融時に、レーザ光Ｌ２を用いる場合にはレーザ光Ｌ２のエネルギー密度を均一として、金属の薄膜４を均一に加熱することにより、被処理面１ａ上に金属ナノ粒子２を均一な密度で設けることができる。

上記構成によれば、金属ナノ粒子２をマスクとして用いたＲＩＥによって粗面化する従来の方法に比べ、金属ナノ粒子２を除去する工程が不要となるから容易である。また、研磨による粗面化と違って被処理体１に残留応力やクラックが発生しない。

なお、先に述べたように金属ナノ粒子２を除去するためのエッチングは基本的に不要であるが、より確実に金属ナノ粒子２を除去するために上記工程後にエッチングを行ってもよい。この場合であっても、ＲＩＥを用いる従来例に比べ、除去されるべき金属ナノ粒子２の量が少ないため、金属ナノ粒子２を完全に除去するために必要な時間は短くなる。

また、図６に示すように、金属ナノ粒子２を予め有機物２１によってコーティングしてもよい。有機物２１としては、例えば脂肪酸、トリオクチルホスフィン（ＴＯＰ）、トリオクチルホスフィンオキサイド（ＴＯＰＯ）などを用いることができる。この構成を採用すれば、金属ナノ粒子２同士が集合してレーザ光Ｌ１の波長以上の大きさとなることを防ぐことができる。

さらに、図７（ａ）（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌ１として直線偏光のものを用いれば、凹部１ｂを向きの揃った溝状とすることができる。

また、光学部品は光が入射あるいは出射するものであれば、本実施形態のような発光装置や発光素子に限られず、例えばライトガイドや受光素子などであっても、本発明は適用可能である。

本実施形態を示す説明図であり、（ａ）（ｂ）はそれぞれ異なる段階を示す。本実施形態が適用される光学部品の一例である発光装置を示す断面図である。同上の原理を示す説明図である。被処理面上に金属ナノ粒子を設ける方法の一例を示す説明図である。被処理面上に金属ナノ粒子を設ける方法の別の例を示す説明図である。同上の別の形態を示す説明図である。同上の更に別の形態を示す説明図であり、（ａ）（ｂ）はそれぞれ異なる段階を示す。粗面化の効果を説明する図であり、（ａ）は媒質間の界面が粗面化されていない状態を示し、（ｂ）は媒質間の界面が粗面化された状態を示す。

符号の説明

１被処理体
２金属ナノ粒子
３溶媒
４薄膜
１０ＬＥＤチップ
１１結晶成長用基板
Ｌ１，Ｌ２レーザ光

Claims

光が入射又は出射する被処理面上に金属ナノ粒子を複数個設ける工程と、被処理面上に設けられた金属ナノ粒子の直径よりも波長が長いレーザ光を透光体に照射し、表面プラズモン共鳴によって被処理面の金属ナノ粒子近傍に凹部を形成することで被処理面を粗面化する工程とを備えることを特徴とする光学部品の製造方法。
金属ナノ粒子として表面が有機物でコーティングされたものを用いることを特徴とする請求項１記載の光学部品の製造方法。
被処理面を粗面化する工程で用いるレーザ光のパルス幅を１ｆｓ〜１００００ｆｓとしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光学部品の製造方法。
被処理面を粗面化する工程で直線偏光のレーザ光を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の光学部品の製造方法。
被処理面上に金属ナノ粒子を設ける工程において、金属ナノ粒子を分散させた液体媒質中に光学部品を浸漬した後、被処理面が媒質の液面に対して交差する向きで光学部品を引き上げることにより被処理面上に複数個の金属ナノ粒子を設けることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の光学部品の製造方法。
被処理面上に金属ナノ粒子を設ける工程として、被処理面上に金属の薄膜を形成する工程と、金属の薄膜を加熱溶融後に凝固させることにより被処理面上に複数個の金属ナノ粒子を形成する工程とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の光学部品の製造方法。
請求項１〜６のいずれかの製造方法によって光の出射面が粗面化されていることを特徴とする発光素子。
発生する光の波長を変換する物質を含む蛍光体が、請求項１〜６のいずれかの製造方法によって形成された粗面に含浸されていることを特徴とする請求項７記載の発光素子。