JP2008016556A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光取り出し効率の高い、発光効率が向上した半導体発光素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 基板（１）の底面に形成された発光層（２）と、前記発光層（２）上に形成された第２の電極（３）と、前記基板（１）の上面に形成されたＶ字型の断面形状の凹部の内面に形成された高反射層（４）と、前記高反射層（４）上に形成された第１の電極（５）とを具備することを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 基板（１）の底面に形成された発光層（２）と、前記発光層（２）上に形成された第２の電極（３）と、前記基板（１）の上面に形成されたＶ字型の断面形状の凹部の内面に形成された高反射層（４）と、前記高反射層（４）上に形成された第１の電極（５）とを具備することを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に係り、特に、光取り出し効率を向上させた半導体発光素子及びその製造方法に関する。
近年、半導体発光素子、中でも発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ディスプレイ用バックライト、車載用、照明用などに幅広く用いられている。これらの用途において、半導体発光素子は、発光効率の高いものが要求されている。半導体発光素子の発光効率を高めるための有力な手段として、素子からの光取出し効率を上げることが考えられ、これに関し、これまで多くの研究が重ねられている。
例えば、基板にＶ字状若しくは階段状の加工を施すことによって、チップ底面方向に向かう光を側面方向に取り出し、光取り出し効率を高めることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、フリップチップにすることによって電極による光の吸収を事実上無効化することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−５６０８８号公報
特開２００４−３１９６８５号公報
しかしながら、特許文献１及び２に示されている従来の半導体発光素子の構造では、同一平面にｎ電極およびｐ電極の双方を有しており、ｎ電極の直上は発光しないためにチップの実質的な発光面積が小さくなったり、通電領域の一部の電流密度が高くなり励起効率が低下するなど、発光効率低下の要因になるという問題がある。また、特許文献１に示される構造では、基板表面の電極によって光が吸収され、発光効率にロスがあるという問題もある。
本発明は、以上のような事情の下になされ、光取り出し効率の高い、発光効率が向上した半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、相互に対向する第１面と第２面とを有し前記第１面にＶ字型の断面形状の凹部が形成された半導体基板と、前記凹部の内面に形成された反射層と、前記反射層上に形成された第１の電極と前記半導体基板の第２面下に設けられた発光層と、前記発光層下に設けられた第２の電極と、を具備することを特徴とする半導体発光素子を提供する。
このような半導体発光素子において、基板の側面の垂直軸からの傾斜角をθとしたとき、Ｖ字型の断面形状の凹部のV字の角度は、（９０−θ）°であることが望ましい。また、Ｖ字型の断面形状の凹部の深さは、基板の厚さの１／３以下であることが望ましい。
Ｖ字型の断面形状の凹部の形状は、円錐状、角錐状、及び溝状からなる群から選ばれた1種とすることができる。
なお、第２の電極は、高反射層上の凹部内に充填された水平面を有する導電性材料からなるものであってもよい。
本発明の第２の態様は、相互に対向する第１面と第２面とを有する半導体基板の第１の面を、ダイサーによる加工、エッチング、レーザー加工、及びドリル加工からなる群から選ばれた少なくとも1種により加工して凹部を形成する工程と、前記凹部の内面に反射層を形成する工程と、前記反射層上に第１の電極を形成する工程と、前記半導体基板の第２面上に発光層を形成する工程と、前記発光層上に第２の電極を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法を提供する。
本発明によると、基板の第１面にＶ字型の断面形状の凹部を設け、その内面に反射層を形成しているので、発光層から第１の電極に向かう光を反射層において反射し、外部へ取り出すことが出来る。そのため、光取り出し効率が向上し、即ち発光効率が向上した半導体発光素子を得ることができる。
以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。図１において、半導体基板１の下面には、発光層２及び第２の電極３が形成されている。半導体基板１の上面にはＶ字型の断面形状の凹部が形成され、この凹部の内面に、高反射層４が形成され、この高反射層４の上に第１の電極５が形成されている。第１の電極５には、ワイヤ６が接続されている。
本実施形態の半導体発光素子によれば、基板１の上面に設けられたＶ字型の断面形状を有する凹部の内面に高反射層４が形成されているので、発光層２から第１の電極５に向かう光を高反射層４において反射し、外部へ取り出すことが出来る。そのため、光取り出し効率が向上し、即ち発光効率が向上した半導体発光素子を得ることができる。
さらに、凹部の内面の高反射層４上に第１の電極５が設けられているので、半導体基板１の反対側に設けられた第２の電極３とこの第１の電極５との間の半導体基板１内において通電を均一に行うことができ、発光層２において面内均一性良く発光を生じさせることが可能となる。その結果、発光層２からの光が凹部内面の高反射層４に均一に照射されることとなり、光を半導体基板１の外部へ均一性良く取り出すことが可能となる。
以上のように構成される半導体発光素子において、半導体基板１に適した材料としては、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯなど、導電性を有する材料を用いることができる。
また、発光層２としては、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等のＧａＮ系半導体材料や、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ等のＧａＡｓ系半導体材料や、その他、ＧａＩｎＮＡｓ系材料、ＺｎＯ系材料等を用いることができる。有機金属気相成長法、塩化物を用いた気相成長法、その他の気相成長法を用いて、これらの材料からなる膜をエピタキシャル成長させることが可能である。発光層２の構造としては、ｐｎ接合で構成したもの、活性層をｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層で挟んだ構造等様々なものを用いることができる。
また、第１及び第２の電極を構成する材料としては、金、チタン、ニッケル、白金、インジウム、アルミニウム、パラジウム、スズなどの金属、又はこれらの合金を用いることができる。
なお、基板は、その側面が図１に示すように傾斜した断面台形状であることが、光の取り出し効率の向上のためには望ましいが、図２に示すように、傾斜していない、垂直な側面を有するものであってもよい。
高反射層４を構成する材料としては、高反射率を有する導電性材料が使用される。そのような材料として、銀、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金、金、金合金、チタン、白金、ロジウムなどが挙げられる。実用的には、銀、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ロジウムが望ましい。また、基板１との密着性や電気抵抗などの観点から、上記に挙げた金属のほか、電極材料として用いられるニッケル、インジウム、パラジウム、スズ、亜鉛、銅などの金属および合金などを複数層重ねた多層膜を用いることが望ましい。さらに、ワイヤボンディング用に、第１の電極５の上に金薄膜を形成することが望ましい。
高反射層４は、基板１の上面にＶ字型の断面形状の凹部の加工を行なった後、上で挙げた材料をスパッタ、蒸着、メッキすることにより、或いは化学反応等を利用した方法により製膜される。
Ｖ字型の断面形状の凹部の作製方法としては、実用的には、ダイサーによる加工、エッチング、レーザー加工、ドリル加工などの方法を用いることができる。エッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでもよい。例えば、ウェットエッチングは、フォトレジストなどのパターンをマスクとしてリン酸系エッチング液により行うことができる。この際、光を当てながらエッチング量を調整することで、任意形状の凹部を形成することができる。ドライエッチングとしては、同様にマスクを形成した後に、反応性イオンビームエッチング(ECR-RIBE)を用いることが望ましい。この場合、基板に角度をつけて２方向以上からビームを当てることで、基板１の上面を断面がV字形状となるように加工することができる。
なお、凹部の形状は、一定の方向に延びる溝型、円錐型、多角錐型等、ある垂直面で切断した断面がＶ字状であって、傾斜面を有するものであればよい。光の取り出し効率を改善するためには、凹部の形状は、円錐型、多角錐型であるのが好ましい。
図１及び図２に示すように、凹部の内面に形成された第１の電極５には、ワイヤ６が接続されるが、凹部内において第１の電極５とワイヤ６とを接続することは、その領域が狭小であることから困難である。そのため、ワイヤ６の接続を容易にするために、図３に示すように、その内面に高反射層４が形成された凹部内を導電材料７で充填することが望ましい。導電材料としては、電極材料と同じように、金、銀、チタン、ニッケル、白金、アルニミウム、スズ、パラジウム、亜鉛、銅などの金属および合金等が挙げられる。
なお、図３では、導電材料７に直接ワイヤ６を接続し、導電材料７を第１の電極として用いているが、導電材料７上に別途第１の電極を形成し、この第１の電極にワイヤ６を接続してもよい。
様々な凹部の変形例を図４〜図１１に示す。図４では、様々な形状の６種のＶ字型の断面形状を有する凹部が示されており、（ａ）〜（ｆ）は平面図を、（ｇ）はそれらの断面図である。なお、斜線の部分は、第１の電極５で覆われた領域を示す。図５及び図６は、一方の方向に延びる４種の溝状のＶ字型の断面形状を有する凹部を示し、（ａ）及び（ｂ）は平面図を、（ｃ）はそれらの断面図である。なお、斜線の部分は、第１の電極５で覆われた領域を示す。図７は、一方の方向に延び、導電材料７で充填された溝状のＶ字型の断面形状の凹部を示し、（ａ）は平面図を、（ｂ）はその断面図である。なお、斜線の部分は、導電材料が充填された領域を示す。図８〜１１は、直行する２つの溝状のＶ字型断面形状を有する凹部を示し、（ａ）は平面図を、（ｂ）はそれらの断面図である。なお、斜線の部分は、第１の電極５で覆われた領域を示す。
溝状の凹部は、適当な角度の先端角を有するブレードを用いて、ダイサーによる加工により形成することができる。溝状の凹部のほうが、多角錐型の溝を作るよりも加工が容易であり、量産に向いている。また、V字の角度および深さの調整が行いやすいという利点がある。
Ｖ字型の断面形状の凹部のＶの角度は、素子側面の傾斜角度によって最適値が異なる。上面の第１の電極およびV字溝に対して、加工される基板１に充分な厚さがある場合には、図１２に示すように、素子側面の傾斜角が垂直軸からθ°であるとき、V字型溝のＶの角度は（９０−θ）°が最適値になる。
例えば、素子の側面が傾斜していなければ、V字型溝のＶの角度の最適値は９０°であり、素子の側面が３０°傾斜していれば、V字型溝のＶの角度の最適値は６０°になる。ただし、基板１の厚さが充分ではない場合には、V字型溝のＶの角度が小さくなるほど掘り深さが大きくなり、本来電極で吸収されない光を阻害してしまうため、上記で求められる値よりも大きい角度にして、図１３に示すように、溝深さＤが、チップ上面の端と、その逆サイドの底面の端を繋いだ線Ｌを越えないように（実際に使われる範囲としては最大で基板厚さのおよそ１／３以下になるように）、溝を浅くすると良い。
以上のような所望のV字型溝の深さやV字型溝のＶの角度は、１回の加工により得ることが困難な場合がある。そのような場合、最初に加工を行って所望の値に近いV字型溝の深さやV字型溝のＶの角度を得た後、２回目の加工で所望の値を得ることができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、Ｖ字型の断面形状を有する凹部の先端部分における電界集中を緩和するため、この先端部分には高反射層や第１の電極を設けない構成も採用可能である。図１４はその構成を示す断面図である。４´は高反射層、５´は第１の電極である。図１におけるＶ字型断面形状の凹部の先端部分に位置する高反射層４や第１の電極５を部分的に除去すること等により製造することが可能である。
また、上記各実施形態の半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた白色発光の発光装置とすることもできる。図１５はその構成を示す断面図であり、図１の半導体発光素子をＬＥＤとしてその上に蛍光体層を設けて白色ＬＥＤを構成した例を示すものである。図１５において図１に対応する部分には同一の符号を付して示す。
図１５に示すように、プラスチック製のカップ１０の底面にはパッド電極１１とパッド電極１２が設けられており、パッド電極１１上には図１の発光ダイオードが搭載されている。パッド電極１１は半導体発光素子の第２の電極３に対して直接又は導電性の接着剤等を間に介して電気的に接続されている。一方、パッド電極１２は第１の電極５に対してボンディングワイヤー６によって電気的に接続されている。
また、半導体発光素子やボンディングワイヤー６を覆うように蛍光体層１５が塗布形成されている。この蛍光体層１５には、赤色の蛍光体、緑色の蛍光体がフッ素系ポリマーに分散した層からなっている。赤色の蛍光体としてはＬａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｓｍ（：の後の元素は付活元素を示す。以下同じ。）等が、緑色の蛍光体としてはInGaNやＢａＭｇＡｌ２７Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ等が用いられる。半導体発光素子から発光される光によりこれらの色の蛍光体が励起されて発光を生じ、半導体発光素子による発光及び各色の蛍光体による発光が重ね合わされることにより白色光を得ることができる。なお、緑色の蛍光体の代わりに或いはこれと併せて黄色の蛍光体を用いることも可能であり、例えば（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ等が用いられる。また、黄色の蛍光体を用いる場合は、必要に応じて赤色の蛍光体を省略することもできる。
カップ１０の側面にはＡｇからなる反射膜１４が設けられている。また、カップ１０の上面には光透過窓としての蓋部１６が設けられている。半導体発光素子による発光及び各色の蛍光体による発光は、その一部が光透過窓１６を介して外部に取り出され、他の一部が反射膜１４に向かって放出され反射膜１４において反射されて外部に取り出されることになる。
本実施形態の白色発光の発光装置によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる他、均一性の良い発光により優れた演色性を有する発光装置を得ることができ、従来の蛍光灯に代わる新規な照明システムを提供することが可能である。
以上の実施形態によれば、光の透過を妨げてしまう高反射層４及び第２の電極５が、Ｖ字型の断面形状を有する凹部の内面のみに形成されており、半導体発光素子の凹部以外の上面領域には形成されていないので、発光層２から放出される光を当該上面領域を通じても取り出すことができ、光取り出し効率が向上する。
１…基板、２…活性層、３…第２の電極、４…高反射層、５…第１の電極、６…ワイヤ、７…導電材料。
Claims (6)
- 相互に対向する第１面と第２面とを有し前記第１面にＶ字型の断面形状の凹部が形成された半導体基板と、
前記凹部の内面に形成された反射層と、
前記反射層上に形成された第１の電極と
前記半導体基板の第２面下に設けられた発光層と、
前記発光層下に設けられた第２の電極と、
を具備することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記半導体基板の側面が前記第１面の垂直軸から傾斜する傾斜角をθとしたとき、前記凹部のV字の先端の角度は、（９０−θ）°であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の深さは、前記半導体基板の厚さの１／３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の形状は、円錐状、角錐状、及び溝状からなる群から選ばれた1種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発光素子。
- 前記第１の電極は、前記反射層上の凹部内に充填された水平面を有する導電性材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 相互に対向する第１面と第２面とを有する半導体基板の第１の面を、ダイサーによる加工、エッチング、レーザー加工、及びドリル加工からなる群から選ばれた少なくとも1種により加工して凹部を形成する工程と、
前記凹部の内面に反射層を形成する工程と、
前記反射層上に第１の電極を形成する工程と、
前記半導体基板の第２面上に発光層を形成する工程と、
前記発光層上に第２の電極を形成する工程と、
を具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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