JP2009177008A - 発光素子及びその製造方法、発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チップ側面及び裏面における接着剤による光吸収を低減し、光取り出し効率が改善できる発光素子及びその製造方法、発光装置を提供する。
【解決手段】上面と、前記上面に対向する裏面と、前記裏面に略垂直な側面と、を有し、第１の波長帯の光に対する透光性と、導電性と、を有する基板と、前記上面の上に設けられ、前記第１の波長帯の光を放出する発光層を含む積層体と、前記側面のうちの前記裏面に隣接する少なくとも一部と、前記裏面の少なくとも一部と、に設けられた反射層と、を備えたことを特徴とする発光素子及びその製造方法、並びに発光装置が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子及びその製造方法、発光装置に関する。

照明、車載、信号機などの用途において、可視光半導体発光装置の輝度や光出力を高めることが要求されている。

発光層から基板側へ放出される光は、裏面側電極と基板との間に生じる合金層に吸収されると光損失となる。また、入射角が臨界角よりも小さくチップ外部に取り出された光でも、チップを実装部材に接着する接着剤に吸収されると有効に発光装置の外部に光を取り出せない。例えば、接着剤がチップ側面へ這い上がり、光取り出し効率が約２５％低下することもある。

発光装置の光取り出し効率を高めるには、裏面側電極と基板との間の合金層及び接着剤による光吸収を低減しつつ、基板の側面下部及び裏面において光をチップ外部に向かって効果的に反射する構造とすることが重要である。

活性層から放出される光の取り出し効率を改善した半導体発光装置に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、透光性を有する基板の裏面に粗面を形成し、粗面上の少なくとも一部に反射膜を形成し、活性層から下方に向かって放出された光を粗面により散乱させると共に反射膜により反射させ、側面からの光を取り出しやすくしている。
しかしながら、この技術開示例を用いても、側面に這い上がった接着剤による光吸収を抑制し、かつチップの上方及び側方に向かって効果的に光を取り出すには十分ではない。
特開２００６−２５３２９８号公報

チップ側面及び裏面における接着剤による光吸収を低減し、光取り出し効率が改善できる発光素子及びその製造方法、発光装置を提供する。

本発明の一態様によれば、上面と、前記上面に対向する裏面と、前記裏面に略垂直な側面と、を有し、第１の波長帯の光に対する透光性と、導電性と、を有する基板と、前記上面の上に設けられ、前記第１の波長帯の光を放出する発光層を含む積層体と、前記側面のうちの前記裏面に隣接する少なくとも一部と、前記裏面の少なくとも一部と、に設けられた反射層と、を備えたことを特徴とする発光素子が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、実装部材と、前記実装部材の上に設けられた請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子と、前記発光素子の前記裏面側と前記実装部材との間に介在し導電性を有する接着剤と、を備え、前記接着剤の上端は、前記側面に設けられた前記反射層の上端よりも低いことを特徴とする発光装置が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、上記の発光素子の製造方法であって、前記基板の前記裏面に溝部を形成する工程と、前記溝部及び前記裏面を覆うように前記反射層を形成する工程と、前記溝部に沿って前記基板を切断する工程と、を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法が提供される。

チップ側面及び裏面における接着剤による光吸収を低減し、光取り出し効率が改善できる発光素子及びその製造方法、発光装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる発光素子の模式図である。すなわち、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図であり、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面を表す。発光素子４０は、透光性を有し、ｎ型ＧａＰからなる基板１０と、基板１０の上面１０ａに設けられ、発光層を含む積層体１３と、積層体１３の上面に設けられたｐ側電極１８と、基板１０の裏面１０ｂ及び基板１０の側面１０ｃ、１０ｄに設けられた反射層１６と、基板１０の裏面１０ｂに設けられたｎ側電極１４と、を備えている。なお、反射層１６は、基板１０の側面の全体を覆うのではなく、下方の一部のみを覆うように設けられる。すなわち、反射層１６は、図１（ｂ）の模式平面図に表した４つの側面の下部にそれぞれ設けることが好ましい。

図１（ｂ）に表すように、積層体１３の表面に設けられるｐ側電極１８は、幅がＷの細線電極部１８ａと、直径がＤの円形であるボンディング電極部１８ｂと、を有しており、これらは電気的に接続されている。発光層から放出される光は、ｐ側電極１８が形成されていない積層体１３の表面から上方に向けて、及び側面から側方に向けて放出される。

ｎ側電極１４は、基板１０との接触抵抗が低い材料により形成され、基板１０とオーミック接合していることが望ましい。一方、反射層１６は、積層体１３の発光層から放出される光に対する反射率が、ｎ側電極１４の接触部における反射率よりも高い材料により形成されている。具体的には、反射層１６は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３などの誘電体材料からなる単層膜または多層膜とすることができる。また、反射層１６は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｔｉ、これらが積層された多層膜、これらの合金などとすることもできる。基板１０の裏面１０ｂから反射層１６の上端までの高さＴを、例えば１００μｍとする。

本実施形態の発光素子４０は、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いた可視光発光素子とするが、もちろんこれに限定されるものではない。ｎ型ＧａＰからなる基板１０上に、ｎ型ＩｎＧａＰ層、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層からなる下地層が設けられており、上部成長層１２を結晶成長する下地基板とする。

下地層１１の上に、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層１２ａ（厚さ０．６μｍ、不純物濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）、ｐ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘ）_０．５Ｐからなる発光層１２ｂ、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１２ｃ（厚さ０．６μｍ、不純物濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）、ｐ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐからなる電流拡散層１２ｄ（厚さ１．５μｍ、不純物濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３）、ｐ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．７Ａｌ_０．３）_０．５Ｐ中間層（厚さ１０ｎｍ、不純物濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層（厚さ０．１μｍ、不純物濃度２×１０^１８ｃｍ^−３）をこの順序で成長し上部成長層１２とする。但し中間層及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層を図示していない。

なお、本明細書では、下地層１１と、その上に設けられた上部成長層１２と、を合わせて積層体１３と呼ぶことにする。すなわち、積層体１３は基板１０の上面１０ａ上に設けられている。

電流拡散層１２ｄは、注入電流を上部成長層１２の面内に広げるが、注入電流はｐ側電極１８電極の直下に集中しやすく、発光層１２ｂから上方へ向かって放出される光の一部はｐ側電極１８により遮蔽される。

発光層１２ｂを多重量子井戸構造とすると、発光波長の制御性が改善でき、しきい値電流の低減が容易となる。この場合、例えば井戸層はＧａ組成比ｘ＝０．９６、井戸幅を５ｎｍとし、バリア層はＧａ組成比ｘ＝０．２、バリア幅を８ｎｍとし、４０対の多重量子井戸とする。また、不純物濃度は、井戸層及びバリア層において、例えば８×１０^１６ｃｍ^−３とする。このようにすると、発光波長が約６２０ｎｍ帯の赤色光を放出することができ、ＧａＰからなる基板１０のバンドギャップ波長（約５５０ｎｍ）よりも長波長であるので基板１０における光吸収を抑制できる。

図２は、本発明の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。発光素子４０のチップが、金属リードフレームなど実装部材３０のマウント面３０ａに、銀（Ａｇ）ペーストのような接着剤３２を用いて接着されている。発光層１２ｂからは、上方へ向かう光Ｇ１、下方へ向かう光Ｇ２、側方に向かう光Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５が放出される。

注入電流は、Ｊ１及びＪ２のように、ｐ側電極１８の直下に集中しやすく、上方へ向かう光の一部はｐ側電極１８により遮蔽されるが、それ以外の光Ｇ１を外部に取り出すことができる。また側方に向かう光のうちＧ３は、外部に取り出すことが容易である。

下方に向かう光のうち、側面１０ｃに対して臨界角θｃよりも小さい角度で入射した光は外部に取り出すことができる。また、θ１＞θｃの場合、一方の側面１０ｃで全反射を生じるが、裏面１０ｂの反射層１６で反射された光Ｇ４は他方の側面１０ｄから出射させることが容易である。この場合、入射角θ２と出射角θ３との間にはスネルの法則が成り立っている。なお、θ２＜θｃである。

また、発光層１２ｂから一方の側面１０ｃに向かい反射層１６により反射された光Ｇ５は、裏面１０ｂで反射したのち、他方の側面１０ｄから容易に取り出すことができる。なお、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体の内、側面の大半を占めるＧａＰ基板の屈折率を３．３とし、チップが屈折率１．５のモールド樹脂に覆われている場合、臨界角θｃは約２７度となり、これより入射角が大きいと全反射を生じ、チップの外部には光が放出されない。

図２において、ｎ側電極１４と基板１０との接触抵抗を低く保つことができる範囲内で接触面積を小さくすると、ｎ側電極１４と基板１０との合金化による光吸収の影響を低減できる。この場合、裏面１０ｂの面積に対するｎ側電極１４の面積を、例えば３０％以下とすることができる。

本図において、実装部材３０のマウント面３０ａから側面１０ｃ、１０ｄに沿って這い上がった接着剤３２の上端は、反射層１６の上端よりも低くなるように設けられている。すなわち、反射層１６の上端は接着剤３２に覆われず露出しており、接着剤３２が基板１０の側面１０ｃ、１０ｄと直接には接触しない。このために、側面１０ｃに沿って接着剤３２が這い上がっても、光Ｇ４及びＧ５などの放出光が接着剤３２に吸収されることはなく、反射層１６で反射し対向する側面１０ｄの反射層が設けられていない領域から外部へ取り出される。

発光素子４０の裏面１０ｂに設けられた反射層１６においても全反射され、接着剤３２による光吸収が抑制される。ｎ側電極１４における反射率が反射層１６よりも低い場合もあるが、接着剤３２における光吸収による損失のように大きい損失を生じることはない。

図３は、比較例にかかる発光装置の模式断面図である。発光素子１４０の側面１１０ｃ、１１０ｄ、裏面１１０ｂに反射層が設けられていない。このために、発光層１１２ｂから下方に向かう光Ｇ１０６は破線領域近傍において接着剤１３２により吸収されやすくなり、損失が増大する。また、側面１１０ｃにおいて、臨界角θｃよりも大きな入射角を有する光Ｇ１０４は、側面１１０ｃにおいて全反射され、側面１１０ｄの下部近傍において接着剤１３２により吸収され、損失を生じる。また側面１１０ｃに向かう光Ｇ１０５は、側面１１０ｃの下部近傍において接着剤１３２により吸収され、損失を生じる。

ＩｎＧａＡｌＰ系発光素子の場合、発光層から上方へ向かう光の一部は、ｐ側電極により遮られるか、または吸収され、上面からと側面からとの光出力比が、例えば３：７のようになり側方から取り出される光が多い。従って、比較例の場合、接着剤１３２による光吸収が増大し、光取り出し効率を低下させるので好ましくない。

これに対して、２５０μｍ×２５０μｍ×２９０μｍ（チップ高さ）の直方体状の発光素子チップを用いた発光装置の場合、誘電体からなる高さがＴである反射層１６を有する本実施形態では、誘電体反射層を設けない比較例に対して約１３５％の光出力を得ることができる。なお、量産実装工程において接着剤３２の這い上がりの高さを１００μｍ以下とすることは容易である。この場合、側面において反射層１６の高さＴを１００μｍとすると、反射層の非形成領域の高さを１９０μｍ程度とすることができるので、この非形成領域から光を外部に取り出すことが容易である。

本実施形態では、基板１０にｎ型ＧａＰを用いているが、これに限定されずｐ型ＧａＰであってもよい。ｐ型ＧａＰ基板の場合、不純物濃度を（０．５〜２）×１０^１８ｃｍ^−３と高くし導電性を保つことが必要であるが、光吸収の増大を生じ出力が低下する。これに対して、ｎ型ＧａＰ基板の場合、不純物濃度を３×１０^１７ｃｍ^−３と低くしても導電性を高く保つことができ、かつ光吸収を低減することができる。このために側方からの光出力を高めることが容易となり、ｐ型基板を用いた場合に対して光出力を約１４０％と高めることができる。

他方、基板を下方向かって狭いテーパ状に加工してチップの側面からの光の取り出し効率を高める構造がある。このテーパ状構造では、高温下において封止樹脂の膨張による上向き応力は、チップ剥がれを生じる方向に作用する。これに対して、本実施形態では、封止樹脂の膨張による上向き応力を生じても側面は実装部材３０のマウント面３０ａに対して略垂直であり、応力を逃がしやすい構造であり、高温においても高い接着強度を保つことが容易である。

本実施形態の発光素子４０のチップをエポキシ樹脂を用いてモールド成型を行った砲弾型ランプなどにより、光出力が改善された可視光発光装置が提供され、テールランプを含めた車載用途、種々の照明用途、信号機などに広く用いることができる。

図４は、本実施形態の発光装置製造方法にかかるフローチャートである。
仮基板であるＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などを用いて、ＩｎＡｌＰバッファ層、ｎ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）_０．５Ｐ層（厚さ０．３μｍ、不純物濃度８×１０^１８ｃｍ^−３）、ｎ型Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ層（厚さ０．０２μｍ、８×１０^１８ｃｍ^−３）をこの順序で結晶成長する（Ｓ１００）。

結晶成長された下地層１１のＩｎＧａＰの表面とｎ型ＧａＰ基板１０とを対向して密着し、水素雰囲気中において７５０℃の熱処理により接着する（Ｓ１０２）。

仮基板／ＩｎＡｌＰバッファ層を除去し、ｎ型ＧａＰ基板１０上に、ｎ型ＩｎＧａＰ層／ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層からなる下地層１１が積層された下地基板とする（Ｓ１０４）。このようにｎ型ＧａＰ基板１０の上に下地層１１が設けられることにより、ＩｎＧａＡｌＰ系積層を含む上部成長層１２の格子欠陥を抑制することが容易となる。

下地層１１の上に、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて、格子整合された上部成長層１２を結晶成長する（Ｓ１０６）。ＭＯＣＶＤ装置において、原料ガスの切り替え及び成長温度の設定を自動制御すると、上部成長層１２を連続的に形成できる。なお、結晶成長には、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法を用いることもできる。

図５は、チッププロセスの工程断面図であり、チップが２つ連結された模式断面を表す。
上部成長層１２の表面であるｐ型ＧａＡｓコンタクト層（図示せず）の上に、リフトオフ法を用いて、ＡｕＺｎからなるｐ側細線電極１８ａ（例えばＷ＝３μｍ）及びｐ側ボンディング電極１８ｂ（例えばＤ＝１００μｍの円形）を形成すると（Ｓ１０８）、図５（ａ）のようになる。

ブレードダイサのダイシングブレード（円形回転刃）を回転させ、図５（ｂ）のように、基板１０の裏面１０ｂ側から３０μｍの幅で、深さ１００μｍの厚さまでのハーフダイシングを行う（Ｓ１１０）。ブレードによるダイシングでは破砕層を生じやすいので、塩酸系溶液を用いて表面破砕層を除去し、表面を平坦にすることが好ましい。

続いて、 図５（ｃ）のように、 裏面１０ｂ及びダイシングにより形成した溝部１０ｅの表面に、スパッタ法などを用いてＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３などの誘電体膜からなる反射層１６を、例えば厚さ０．２μｍで形成する（Ｓ１１２）。溝部１０ｅは段差を有しているので、これらの誘電体膜を熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤを用いて形成すると、ステップカバレッジが改善でき厚さを均一にできるのでより好ましい。なお、反射層１６は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｔｉなど反射率が高い金属膜であってもよい。

続いて、図５（ｄ）のように、ｎ側電極１４の形成領域の誘電体膜を選択除去し、リフトオフ法などを用いて、ＡｕＧｅなどのｎ側電極１４を形成する（Ｓ１１４）。４５０℃の熱処理でｐ側電極１８及びｎ側電極１４におけるオーミック接触の接触抵抗を低減した後、ｐ側電極１８で覆われた領域以外のｐ型ＧａＡｓコンタクト層（図示せず）をエッチングにより除去し、表面のｐ型ＧａＡｓコンタクト層における光吸収損失を低減する。

続いて、ｐ側電極１８がある表面側から、溝部１０ｅの位置に合わせてダイシングを行いチップに分離し（Ｓ１１６）、さらにダイシングにより生じる破砕層を塩酸系溶液を用いてエッチング除去し、側面を滑らかにする。

発光素子４０のチップを、導電性ペーストのように導電性を有する接着剤３２を用いて実装部材３０のマウント面３０ａ上にマウントする（Ｓ１１８）。導電性ペーストとして、例えば高分子樹脂に銀（Ａｇ）粒子を分散したポリマー型ペーストを用いることができる。この場合、接着剤３２の這い上がりを、反射層１６の高さＴよりも小さくなるように接着剤３２の塗布量を調整することが好ましい。なお、マウント温度が高くなるが、接着剤３２としてＡｕＳｎやＡｕＧｅのような金属共晶半田でもよい。続いて透光性を有するエポキシ樹脂などを用いてモールド成型する。

本実施形態による製造方法は、光を散乱するために素子表面を粗面化する必要がなく、また放出光の方向を変えるために基板１０の下部をテーパ状に加工する必要がない。すなわち、チッププロセスが簡素であり量産性に富んでいる。さらに、導電性の接着剤３２を用いることができるので、マウント工程の昇温及び降温の時間短縮が容易であり、生産性の高い組立工程とできる。

図６は、本実施形態の第１の変形例にかかる発光素子の模式断面図である。誘電体膜である反射層１６にｎ側電極１４を取り出すためのコンタクトホールを形成した後、リフトオフ法を用いずにｎ側電極１４を、反射層１６の表面及びコンタクトホールに形成する。この構造は、リフトオフ工程が不要であるので製造方法を簡素にでき、また、実装部材３０との接着面積を大きくし接着強度を高めることが容易となる。また、図６において、反射層１６を、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、及びこれらの合金のいずれかとしてもよい。これらの金属及びその合金を反射層とし、ｎ側電極１４としてＡｕＧｅなどを用いると接触抵抗を低減することが容易となる。

図７は、本実施形態の第２の変形例にかかる発光素子の模式断面図である。反射層１７として、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、及びこれらの合金を、側面１０ｃ、１０ｄの下部及び裏面１０ｂを覆うように形成する。このようにすると、反射層１７をｎ側電極として用いることができるので、工程が簡素にできる。また、これらの金属は、基板１０とのオーミック接触を保つことができる。

本実施形態では、ＩｎＧａＡｌＰ系発光装置について説明したが、本発明はこれに限定されない。紫外〜緑色光を放出する窒化物系発光装置、赤色〜赤外光を放出するＡｌＧａＡｓ系発光装置、赤外光を放出するＧａＡｓ系発光装置であってもよい。また、封止樹脂に蛍光体を分散配置し、波長変換光を生成し、発光素子からの放出光と、波長変換光と、の混合光を放出する発光装置であってもよい。

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態に限定されない。発光素子及び発光装置を構成する基板、半導体上部成長層、実装部材、接着剤、電極、反射層の材質、形状、サイズ、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

本発明の実施形態にかかる発光素子の模式図 本発明の実施形態にかかる発光装置の模式断面図 比較例にかかる発光装置の模式断面図 本実施形態の発光装置にかかる製造方法のフローチャート チッププロセスの工程断面図 第１の変形例にかかる発光素子の模式断面図 第２の変形例にかかる発光素子の模式断面図

符号の説明

１０ 基板、１０ａ 上面、１０ｂ、裏面、１０ｃ、１０ｄ 側面、１０ｅ 溝部、１２ｂ 発光層、１３ 積層体、１６、１７ 反射層、３０ 実装部材、３２ 接着剤、４０ 発光素子

Claims (5)

1. 上面と、前記上面に対向する裏面と、前記裏面に略垂直な側面と、を有し、第１の波長帯の光に対する透光性と、導電性と、を有する基板と、
   前記上面の上に設けられ、前記第１の波長帯の光を放出する発光層を含む積層体と、
   前記側面のうちの前記裏面に隣接する少なくとも一部と、前記裏面の少なくとも一部と、に設けられた反射層と、
   を備えたことを特徴とする発光素子。
2. 前記基板の前記裏面に接触して設けられた電極をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記反射層は、前記基板の前記裏面において前記電極を覆うように設けられたことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
4. 実装部材と、
   前記実装部材の上に設けられた請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子と、
   前記発光素子の前記裏面側と前記実装部材との間に介在し導電性を有する接着剤と、
   を備え、
   前記接着剤の上端は、前記側面に設けられた前記反射層の上端よりも低いことを特徴とする発光装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法であって、
   前記基板の前記裏面に溝部を形成する工程と、
   前記溝部及び前記裏面を覆うように前記反射層を形成する工程と、
   前記溝部に沿って前記基板を切断する工程と、
   を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法。

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