JP2007208221A - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率の向上が図れ、作製容易な窒化物系半導体発光素子を提供する。
【解決手段】発光波長の光に対し透過性を有する基板１上に、活性層を含む窒化物半導体層２が積層され、窒化物半導体層２上に透明性電極３を有する窒化物系半導体発光素子において、基板１の裏面に部分的に形成された金属層７と、金属層７が形成されていない基板１の裏面に形成された導電性金属ペーストの接着層８とからなる反射層１０を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系半導体発光素子（発光ダイオード、半導体レーザ）、特に、窒化物半導体層上に透明性電極を有し、基板裏面側が支持体に固定される窒化物系半導体発光素子に関する。

一般に、窒化物系半導体発光素子は、その発光波長において透明な基板上に、ｎ型不純物を含む窒化物半導体層、単層もしくは量子井戸からなる活性層及びｐ型不純物を含む窒化物半導体層とからなる発光部を有する窒化物半導体層を積層し、これに電極を付けた発光チップを支持体に固定することで構成される。

代表的なものとして、窒化物半導体層上に一対の電極を有する、いわゆる表面取り出し型発光ダイオードがある（例えば、特許文献１参照）。この発光ダイオードにおいては、窒化物半導体層上に、複数の金属によるｐ電極パッド、ｎ電極パッドもしくはｐ電極パッドと電気的に接続された透明性電極が設けられている。

また、表面取り出し型発光ダイオードにおいて、発光チップの基板裏面側をリードフレームまたはセラミック等の支持体に接着する場合に、支持体と接着する基板の裏面に、高い反射率を持つ反射膜を設けて、基板の裏面側に向かう光を基板表面側へと反射して外部に放出する構成の窒化物系半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。

前記の基板裏面に反射膜を形成した窒化物系半導体発光素子では、発光部で発生された光のうち、特に基板裏面に向かいほぼ垂直に進む光は、反射膜により反射され、その反射光がそのまま発光素子上面に向かい、透明性電極を透過して外部に取り出されることになる。一方、透明性電極は、電流分散層として素子動作電流をｐｎ接合面（発光面）に広く拡散させ、広範囲の発光を図り内部量子効率を高めるために必要なものであるが、発光素子上面に向かった光が、透明性電極を透過する際に光の損失があり、その分、光取り出し効率が減少してしまう。

このような問題に対して、発光素子と支持体（基台）との間に複数の粒状体を配置し、それら粒状体上に反射層を形成した構造とすることにより、発光素子の支持体面側から放出された光を、粒状体表面に形成された反射層によって乱反射させ光取り出し効率の向上を図ることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１１−１８６６０７号公報 特開平９−６４４２１号公報 特開２００４−９５９４１号公報

しかしながら、上述した粒状体上に反射層を形成した構造の発光素子では、粒状体は、シリカガラス等の無機材料やポリカーボネート樹脂等の合成樹脂からなる粒径２００ｎｍ〜１ｍｍ程度の粒状物であり、多数の粒状体を発光素子と支持体との間に配置するなど、取り扱い難く、また発光チップの放熱性も低いという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、光取り出し効率の向上が図れ、しかも作製容易な窒化物系半導体発光素子を提供することにある。

第１の発明は、発光波長の光に対し透過性を有する基板上に、活性層を含む窒化物半導体層が積層され、前記窒化物半導体層上に透明性電極を有する窒化物系半導体発光素子において、前記基板の裏面に部分的に形成された金属層と、前記金属層が形成されていない前記基板の裏面に形成された導電性金属ペーストの接着層とからなる反射層を備えたことを特徴とする窒化物系半導体発光素子である。

前記窒化物半導体層には、ｎ型不純物を含む窒化物半導体層と、単層あるいは量子井戸からなる活性層と、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層とを有する構造のものがある。

第２の発明は、第１の発明において、前記金属層が、ＡｌもしくはＡｇからなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子である。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記接着層が、ＡｇペーストもしくはＩｎペーストからなることを特徴とする窒化物系半導体発光素子である。

第４の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、前記基板の裏面が粗面であることを特徴とする窒化物系半導体発光素子である。

基板の裏面側は、規則的もしくは不規則的なパターンの金属層と、金属層が存在しない部分に入り込んだ導電性金属ペーストの接着層とからなる反射層が主要な反射面を形成するが、殊に、金属層と接着層との界面や、金属層が存在しない部分に入り込んだ接着層自身のランダムな形状・段差により、乱反射が促進される。従って、活性層から基板裏面にほぼ垂直に進む光も、乱反射される割合が多くなり、発光素子の側面からより多く取り出される。このため、透明性電極を透過して外部に取り出される光の割合を減少でき、光取り出し効率の向上が図れる。また、規則的もしくは不規則的なパターンの金属層は、例えば、フォトリソグラフィを用いて容易に形成でき、実用性が高い。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
図１に本発明に係る窒化物系半導体発光素子の一実施形態であるＬＥＤ（発光ダイオード）の構造を示す。このＬＥＤは、その発光波長に対し透明なサファイアから成る基板１上に、活性層（発光層）を含む窒化物半導体層２が積層されている。積層した窒化物半導体層２上には、透明性電極３、正負一対の電極４、５が形成され、また、基板１の裏面には、任意のパターンが形成された金属層７が形成されて発光チップ６が構成される。そして、この発光チップ６は、基板１の金属層７側が、熱伝導率が高く且つ発光する波長帯の光に対して反射率が高い銀ペーストのような導電性材料の接着剤を用いた接着層８を介して、支持体９に接着されている。この実施形態では、金属層７と接着層８とから、基板１の裏面側へ放射した光を乱反射させるように反射層１０が形成されている。

基板１としては、発光波長に対し透過性を有し且つ窒化物半導体を成長できる基板であればよく、上記サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）のような酸化物系の絶縁体基板だけでなく、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）のような半導体基板を用いてもよい。

基板１上に形成される窒化物半導体層２の発光部は、ｎ型不純物を含む窒化物半導体層（ｎ型クラッド層）と、単層あるいは多層の量子井戸からなる活性層と、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層（ｐ型クラッド層）とのダブルヘテロ接合構造を有する。この他、ｐｎ接合を有するシングルへテロ構造等で形成されていてもよい。

基板１の裏面に形成される金属層７は、発光する波長帯の光に対して反射できる反射率を持つＡｌ、Ａｇ等の金属薄膜からなり、例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すような、発光した光が乱反射する所定のパターン（模様）で形成されている。

支持体９に接着する導電性材料の接着層８は、熱伝導率が高く支持体９への放熱性を確保でき、且つ、発光する波長帯の光をよく反射する反射率の高いものが望ましい。このような接着層８の材料として、銀ペースト、Ｉｎペースト、Ｉｎ半田、錫半田等の導電性材料が挙げられる。

支持体９としては、ステム、リードフレーム等の金属支持体、またはセラミック製の支持体を用いることができる。

次に、上記の金属層７の形成方法の一例を図３に従って説明する。

まず、基板１の裏面１ａ上にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト膜１２を形成する（図３（ａ））。ここで用いられるフォトレジストは、ポジ型のレジスト、ネガ型のレジストのどちらでもよい。

次に、発光した光が乱反射するように規則的もしくは不規則的な形状に作成された所定のパターンを有するフォトマスク１３によってフォトレジスト膜１２を覆って、フォトマスク１３上方から紫外線等の光１４を照射して露光する（図３（ｂ））。

フォトマスク１３のパターンとしては、例えば、図２（ａ）に示すように、フォトマスク１３面内に、所定の角度で一方向に直線または曲線を所定間隔で形成した縞模様のものがある。このマスクパターンにおいて、直線または曲線を二方向以上に所定の角度で交差させたり、直線または曲線の角度・間隔・長短を適宜変更したり、或いは規則的若しくは不規則的に形成するかなどは任意である。また、この他にも、図２（ｂ）のように（フォトマスク１３のパターンの一部を拡大して示した）、円形や多角形のものを、散点模様状に規則的または不規則的に並べたマスクパターンでもよい。このマスクパターンにおいて、模様の形状・大きさ・数に制約はなく、直線や曲線、円形や多角形の形状の複合的な組み合わせとしてもよい。

次に、上記露光による露光部と未露光部とを現像液により分離することにより、基板１の裏面１ａ上に、上記マスクパターンが転写されたレジスト層１２ａによるパターンが形成される（図３（ｃ））。

次に、レジスト層１２ａおよび基板１の裏面１ａ上に、金属膜を真空蒸着法、スパッタリング法等の気相成膜技術により形成する（図３（ｄ））。レジスト層１２ａ上には金属膜１６ａが形成され、レジスト層１２ａ、１２ａ間に露出している基板裏面部分の上には、金属層７となる金属膜１６ｂが形成される。ここで金属膜に使われる金属は、発光する波長帯の光に対してできるだけ高い反射率を持つ、例えば、Ａｌ、Ａｇ等の金属類である。

次いで、アセトン等による有機溶剤を用いて、レジスト層１２ａを溶解させてレジスト層１２ａ上に形成された金属膜１６ａをリフトオフすることで、基板１の裏面には金属膜１６ｂだけが残り、これら金属膜１６ｂにより所定のパターンを持つ金属層７が形成される（図３（ｅ））。

上記のように金属層７が形成された発光チップ６は、導電性金属ペーストによる接着層８を介して支持体９に固定される。このとき、基板裏面の金属層７が形成されていない部分に、接着層８を形成する銀ペースト等の導電性金属ペーストが入り込む。このため、金属層７と接着層８との界面、及び、入り込んで形成される接着層８自身のランダムな形状や段差により、乱反射が促され、図１に示すように、窒化物半導体層２の発光部から金属層７へとほぼ垂直に進み金属層７及び接着層８で反射された光は、発光チップ６の側面からより多く取り出される。従って、基板裏面の金属層７及び接着層８で反射されて基板１上方の透明性電極３を透過する光の割合が減少し、光取り出し効率が向上する。

上記実施形態においては、基板１の裏面１ａは平坦であったが、粗面化されたものを用いてもよい。例えば、前記基板１の裏面１ａに切削・研削等により、一方向、又は格子状に溝を形成したり、エッチング液や反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を用いてエッチングすることにより、裏面１ａの全面若しくは一部に凹凸の深さが２０〜３０μｍ程度の微小凹凸部を形成し、その後、基板１の裏面１ａに上述した方法を用いて金属層７及び接着層８からなる反射層１０を形成する。尚、切削・研削等を用いる場合は、機械的衝撃に対する強度を考慮し、劈開面と一致しない方向を選択することが望ましい。

本発明に係る窒化物系半導体発光素子の一実施形態のＬＥＤ構造を示す概略断面図である。 本発明における金属層の形成に用いられるフォトマスクのパターンの一例を示した平面図である。 本発明における金属層の形成方法の一例を示した断面図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ 基板の裏面
２ 窒化物半導体層
３ 透明性電極
４ 電極
５ 電極
６ 発光チップ
７ 金属層
８ 接着層
９ 支持体
１０ 反射層
１２ フォトレジスト膜
１３ フォトマスク

Claims (4)

1. 発光波長の光に対し透過性を有する基板上に、活性層を含む窒化物半導体層が積層され、前記窒化物半導体層上に透明性電極を有する窒化物系半導体発光素子において、
   前記基板の裏面に部分的に形成された金属層と、
   前記金属層が形成されていない前記基板の裏面に形成された導電性金属ペーストの接着層とからなる反射層を備えたことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 前記金属層が、ＡｌもしくはＡｇからなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
3. 前記接着層が、ＡｇペーストもしくはＩｎペーストからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 前記基板の裏面が粗面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窒化物系半導体発光素子。

Images