JP2009245970A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い光取り出し効率を有し、かつ、広い配光分布を有する半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】支持基板の上面の側に、金属層、第１クラッド層、発光層、第２クラッド層および第１電極層を有し、前記支持基板の下面の側に第２電極層を有する半導体発光素子において、前記金属層の、前記発光層と対向する第１表面が、凹凸形状を呈することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関するものであって、特に高い光取り出し効率および広い配光分布を有する半導体発光素子およびその製造方法に関する。

例えば、ＬＥＤ（発光ダイオードのような半導体発光素子）は、従来から広く用いられている蛍光灯等よりも発光効率が高く、低コスト化を図ることができるという理由から、照明用光源として用いられることが多くなってきている。また、一般的な白色ＬＥＤだけではなく、例えば車載部品、工場内監視カメラ、および植物栽培の照明用光源として、赤色ＬＥＤが用いられる場合もあり、ＬＥＤの用途は多様化している。

このような用途の多様化と共に、ＬＥＤには、高い光出力性能が求められている。
一般に、ＭＯＣＶＤ法等の薄膜結晶成長技術を用いてＬＥＤを製造することにより、発光層（ｐ−ｎ接合）の内部量子効率を向上させる技術が知られている。

また、特許文献１には、ＬＥＤのエピタキシャル成長層を厚く形成し、成長基板を除去してチップ化することで、チップの側面からの光を取り出し可能とし、光取り出し効率を向上させる技術が開示されている。

特開昭５９−４７７７９号公報

さらに、特許文献２には、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成された発光層で発生した光を、比較的厚膜の窓層・電流拡散層を用いることにより光の取り出し効率を向上させる技術が開示されている。

特公平６−１０３７５９号公報

ところで、ＬＥＤは点光源としての性質が強く、配光性が小さいという性質を有するのが一般的である。そのため、ＬＥＤを例えばバックライト光源のような用途に使用する場合、多数のＬＥＤを配置し、さらに、これらＬＥＤから発光した光を、例えば光分散板などにより拡散させて、配光の広がり・均一性を設計して用いる必要があり、ＬＥＤを用いることによる低コスト化という有利な効果を得ることができないという問題があった。

本発明の目的は、高い光取り出し効率を有し、かつ、広い配光分布を有する半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）支持基板の上面の側に、金属層、第１クラッド層、発光層、第２クラッド層および第１電極層を有し、前記支持基板の下面の側に第２電極層を有する半導体発光素子において、前記金属層の、前記発光層と対向する第１表面が、凹凸形状を呈することを特徴とする半導体発光素子。

（２）前記第１表面における算術平均粗さが０．０２０〜０．２５０μｍである上記（１）に記載の半導体発光素子。

（３）前記半導体発光素子は、前記金属層と前記第１クラッド層との間に光透過層をさらに有する上記（１）または（２）に記載の半導体発光素子。

（４）前記半導体発光素子は、前記支持基板と前記金属層との間に導電性を有する接着層をさらに有する上記（１）、（２）または（３）に記載の半導体発光デバイス。

（５）結晶成長基板の主表面の側に第２クラッド層、発光層、第１クラッド層を順次形成する工程と、前記第１クラッド層の上に金属層を直接または光透過層を介して間接的に形成する工程と、該金属層の上方に支持基板を接合する工程と、前記結晶成長基板を除去する工程とを具える半導体発光素子の製造方法であって、前記金属層形成工程を行うに先立ち、前記金属層がその後形成されるべき前記第１クラッド層または前記光透過層の被形成面に凹凸形状を形成する工程をさらに具えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

（６）前記被形成面への凹凸形状形成工程は、ドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いて行う上記（５）に記載の半導体発光素子の製造方法。

（７）前記凹凸形状形成工程により形成した前記被形成面の凹凸形状は、算術平均粗さが０．０２０〜０．２５０μｍである上記（５）または（６）に記載の半導体発光素子の製造方法。

（８）前記支持基板接合工程は、接着層を介して前記支持基板を接合することを含む上記（５）、（６）または（７）に記載の半導体発光素子の製造方法。

本発明の半導体発光素子は、金属層の、発光層と対向する第１表面が、凹凸形状を呈することにより、高い光取り出し効率および広い配光分布を有することができる。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、金属層形成工程を行うに先立ち、前記金属層がその後形成されるべき第１クラッド層または光透過層の被形成面に凹凸形状を形成する工程を具えることにより、高い光取り出し効率および広い配光分布を有することができる。

次に、本発明の半導導体発光素子の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明に従う半導体発光素子の断面構造を模式的に示したものである。

図１に示す半導体発光素子１は、支持基板２の上面２aの側に、金属層３、第１クラッド層４、発光層５、第２クラッド層６および第１電極層７を有し、前記支持基板２の下面２ｂの側に第２電極層８を有し、前記金属層３の、前記発光層５と対向する第１表面３ａが、凹凸形状を呈し、このような構成を採用することにより、前記発光層５で発生した光が、前記金属層３で効率よく反射・散乱されて高い光取り出し効率および広い配光分布を得ることを可能にしたものである。なお、図中のハッチングは、説明のため、便宜上施したものである。

前記支持基板２を構成する好適な材料としては、例えばＳｉ材料、ＧａＡｓ材料、ＳｉＣ材料のほか、ＡｌやＣｕなどの金属またはその合金材料等が挙げられ、また、前記半導体素子構造を構成する各層４〜６の好適な材料としては、例えば第１クラッド層４をＡｌＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＮ系材料、ＡｌＩｎＧａＰ材料等、発光層５をＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓ系材料、ＩｎＡｌＧａＮ系材料、ＡｌＩｎＧａＰ系材料等、第２クラッド層６をＡｌＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＮ系材料、ＡｌＩｎＧａＰ系材料等とする場合が挙げられる。さらに、前記金属層３を構成する好適な材料としては、例えばＡｕＺｎ系材料、ＡｕＢｅ等が挙げられる。

また、前記基板２は、好適には５０〜１０００μｍの厚さを有し、前記各層４〜６は、好適には合計で１．０〜２０．０μｍの厚さを有するのが好ましい。さらに、前記金属層３は、好適には２．０μｍ以下の厚さを有するのが好ましい。

前記半導体発光素子１は、前記第１表面３ａにおける算術平均粗さＲａが０．０２０〜０．２５０μｍであるのが好ましい。前記算術平均粗さが０．０２０μm未満だと、凹凸形状に期待される光出力値への効果および光配光の広がりの効果が見られないためであり、０．２５０μｍを超えると、支持基板接合部分の機械強度が得られず、そのため発光ダイオード素子が使用環境に耐えられる程の信頼性を持たないからである。ここで、前記算術平均粗さは、接触式段差計を用いて計測した値である。なお、前述した金属層３の、前記発光層５と対向する第１表面３ａにおける算術平均粗さＲａとは、前記金属層３がその後形成されるべき被形成面、この例においては、前記第１クラッド層４の、前記金属層３と対向する表面上で計測した算術平均粗さＲａと等しいものとする。

また、他の実施形態として、前記半導体発光素子１は、図２に示すように、前記金属層３と前記第１クラッド層４との間に光透過層９をさらに有してもよい。金属層と光透過層とを形成することで、発光層で発光された光のうち、下部へ拡散した光に対しての金属層の光反射率を更に向上し、光取り出し効率を向上することで、光出力を向上するためである。前記光透過層９を構成する好適な材料としては、高い熱伝導性を有する材料が好ましく、例えば、ＡｌＮ材料、ＳｉＣ材料等が挙げられ、好適には５〜５００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。また、前記材料が絶縁性である場合には、この光透過層９を部分的に除去して、前記金属層３と前記第１クラッド層４とを接触させる必要がある。

なお、図２には示されないが、前記光透過層９の、前記第１クラッド層４と対向する第２表面９ａが凹凸形状を呈してもよい。

前記半導体発光素子１は、前記支持基板２と前記金属層３との間に導電性を有する接着層１０をさらに有するのが好ましい。前記接着層１０を設けることにより、前記支持基板２と前記金属層３とを効果的に接着することができるためである。

前記接着層１０を構成する好適な材料としては、例えばＡｕが挙げられ、好適には０．１μｍ以上５．９０μｍ以下の厚さを有するのが好ましく、３．０μｍ未満の厚さするのがより好ましい。

次に、本発明の半導体発光素子の製造方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。図３(ａ)〜(ｆ)は、この発明に従う半導体発光素子の製造方法における主な工程をそれぞれ示したものである。

この製造方法はまず、図３(ａ)に示すように、結晶成長基板１１の主表面１１ａの側に第２クラッド層６、発光層５、第１クラッド層４を順次形成する。これら各層４〜６は、例えばＭＯＣＶＤ法等の薄膜成長法により形成されるのが好ましい。前記結晶成長基板１１を構成する好適な材料としては、例えばＳｉドープＧａＡｓ材料等が挙げられ、また、前記半導体素子構造を構成する各層４〜６の好適な材料としては、例えば第２クラッド層６をＡｌＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＮ系材料、ＡｌＩｎＧａＰ材料等、発光層５をＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓ系材料、ＩｎＡｌＧａＮ系材料、ＡｌＩｎＧａＰ系材料等、第１クラッド層４をＡｌＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＮ系材料、ＡｌＩｎＧａＰ系材料等とする場合が挙げられる。また、前記結晶成長基板１１は、好適には２５０〜４００μｍの厚さを有し、前記各層４〜６は、好適には合計で１．０〜２０．０μｍの厚さを有するのが好ましい。

次に、図３(ｂ)に示すように、金属層３がその後形成されるべき前記第１クラッド層４または光透過層の被形成面１２、図３においては、前記第１クラッド層４の前記発光層５と反対側の面４ａに凹凸形状を形成する。その後、前記第１クラッド層４の上に金属層３を直接または光透過層を介して間接的に、図３においては、金属層３を直接形成した後、図３(ｄ)に示すように、この金属層３の上方に、支持基板２を接合する。前記金属層３は、例えばボート加熱式法により蒸着した後、所定の温度で急速加熱することにより形成されるのが好ましい。前記金属層３を構成する好適な材料としては、例えばＡｕＺｎ系材料、ＡｕＢｅ等が挙げられる、好適には２．０μｍ以下の厚さを有するのが好ましい。また、前記支持基板２を構成する好適な材料としては、例えばＳｉ材料、ＧａＡｓ材料、ＳｉＣ材料のほか、ＡｌやＣｕなどの金属またはその合金材料等が挙げられ、好適には５０〜１０００μｍの厚さを有するのが好ましい。

その後、図３(ｅ)に示すように、例えば、所定のエッチング液を用いたウェットエッチング法により前記結晶成長基板１１を除去する。

前記被形成面１２への凹凸形状形成は、所定の条件下で、ドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いて行うのが好ましい。ウェットエッチング法を用いる場合、硝酸エッチング液を用いるのが好ましい。

前記被形成面１２上に形成された凹凸形状は、算術平均粗さＲａが０．０２０〜０．２５０μｍであるのが好ましい。前記算術平均粗さが０．０２０μm未満だと、凹凸形状に期待される光出力値への効果および光配光の広がりの効果が見られないためであり、０．２５０μｍを超えると、支持基板接合部分の機械強度が得られず、そのため発光ダイオード素子が使用環境に耐えられる程の信頼性を持たないからであるからである。ここで、前記算術平均粗さは、接触式段差計を用いて計測した値である。なお、前述した金属層３の、前記発光層５と対向する第１表面３ａにおける算術平均粗さＲａとは、ここでいう前記被形成面１２上に形成された凹凸形状の算術平均粗さＲａのことをいう。また、凹凸形状は前記被形成面１２の全面に形成されるのが好ましい。マスク等を用いて前記被形成面１２の一部に凹凸形状を形成しない場合は、凹凸形状の無い部分を上記Ｒａに含めない。

前記第１クラッド層４の形成後、かつ前記金属層３の形成前に、光透過層を形成するのが好ましい。金属層と光透過層とを形成することで、発光層で発光された光のうち、下部へ拡散した光に対しての金属層の光反射率を更に向上し、光取り出し効率を向上することで、光出力を向上するためである。なお、図３には示されないが、前記第１クラッド層４の上に、金属層３を光透過層を介して間接的に形成する場合、前記第1クラッド層４の、前記発光層５と反対の面４ａに凹凸形状を形成した後、この凹凸形状に沿って前記光透過層を成長させてもよい。前記光透過層を構成する好適な材料としては、高い熱伝導性を有する材料が好ましく、例えば、ＡｌＮ材料、ＳｉＣ材料等が挙げられ、好適には５〜５００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。また、前記材料が絶縁性である場合には、この光透過層を部分的に除去して、前記金属層３と前記第１クラッド層４とを接触させる必要がある。

前記支持基板２を接合する際、図３(ｃ)および図３(ｄ)に示すように、接着層１０を介して前記支持基板２を接合するのが好ましい。また、前記接着層１０は、一実施形態として示す図３(ｃ)〜図３(ｆ)において、前記金属層３上に設けられた接着材料１０ｂと、前記支持基板２の上面２ａ上に予め設けられた接着材料１０ａとを加熱圧着することにより形成されるのが好ましい。前記接着層１０を構成する好適な材料としては、例えばＡｕ等が挙げられ、前記接着層１０の前記接着材料１０ａおよび１０ｂは、それぞれ好適には０．０５μｍ以上２．９５μｍ以下、０．０５μｍ以上２．９５μｍ以下の厚さを有するのが好ましい。

前記結晶成長基板１１を除去した後、前記第２クラッド層６上に第１電極層７を、前記支持基板２の下面２ｂの側に第２電極層８を形成し、ダイシングすることにより、図１に示す本発明に従う半導体発光素子１をチップ化するのが好ましい。なお、前記結晶成長基板１１を除去した後、前記電極層の形成前に、研削・研磨工程を行ってもよい。

なお、図１〜図３は、代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

（実施例１）
ＳｉドープＧａＡｓ結晶成長基板（厚さ：３５０μｍ）の上面の側に、ｎ−第２クラッド層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層、ｘ＝０．７０、厚さ：５μｍ）、発光層（Ａｌ_0.34Ｇａ_0.66Ａｓ井戸層をＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓバリア層で挟んだ計７層からなる積層体、厚さ：５０ｎｍ）、ｐ−第１クラッド層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層、ｘ＝０．７０、厚さ：５μｍ）をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた。

その後、前記第１クラッド層上の全面に、ウェットエッチング法により凹凸形状を形成した。実施例１において、形成された凹凸形状における算術平均粗さＲａは０．０８１μｍであった。エッチング条件は次のとおりである。
エッチング条件
エッチング液：硝酸水溶液
時間：１分
温度：２２℃

なお、前記算術平均粗さＲａの測定には、接触式段差計（３次元接触式段差計「Ｐ−２」／Ｔｅｎｃｏｒ社製）を用いて測定した。

その後、凹凸形状を形成した前記第１クラッド層上にボート加熱式蒸着法によりＡｕＺｎ膜からなる金属層（厚さ：１００ｎｍ）を蒸着した。蒸着条件は次のとおりである。
蒸着条件
原料：９５ｗｔ％Ａｕ−５ｗｔ％Ｚｎ合金材料
その後、高温熱処理装置にて熱処理を施し、金属層を形成した。

次に、前記金属層上に、真空中でＡｕ材料に電子ビームを照射することにより接着層（厚さ：１μｍ）を蒸着した。蒸着条件は次のとおりである。
蒸着条件
成膜レート：１０Å／ｓｅｃ

一方、ＺｎドープＧａＡｓ支持基板上には、ボート加熱式蒸着によりＡｕＺｎ膜（厚さ：１００ｎｍ）を蒸着した。蒸着条件は次のとおりである。
蒸着条件
原料：９５ｗｔ％Ａｕ−５ｗｔ％Ｚｎ合金材料
その後、高温熱処理装置にて熱処理を施した。

前記ＡｕＺｎ膜上に、電子ビーム蒸着法により接着層（厚さ：Ｔｉ５０ｎｍ、Ａｕ１μｍ）を蒸着した。蒸着条件は次のとおりである。
蒸着条件
成膜レート：１０Å／ｓｅｃ

前記金属層と前記支持基板とを、加熱圧着することにより接着した。接着条件は次のとおりである。
接着条件
接合圧力：２．２ＭＰａ
接合温度：３５０℃
保持時間：４０分

次に、上述したように構成された構造物に対し、室温のアンモニア水：過酸化水素水：水＝１：１２：１８（体積比）の液中にて２時間揺動することによりウェットエッチングを行い、前記結晶成長基板を除去した。その後、前記ｎ−第２クラッド層上に、ボート加熱式蒸着法によりＡｕＧｅ膜（厚さ：１００ｎｍ）およびＴｉ／Ａｕ膜（厚さ：Ｔｉ５０ｎｍ，Ａｕ１μｍ）を蒸着し、フォトリソグラフィ法により円形パターン（直径：１１０μｍ）形成後、前記Ｔｉ／Ａｕ膜に対しては１％ＨＦ水溶液およびゴールドエッチング液、前記ＡｕＧｅ膜に対してはゴールドエッチング液を用いてウェットエッチングを行った後、高温熱処理装置にて熱処理を施して第１電極層を形成した。
一方、前記支持基板上にボート加熱式蒸着によりＡｕＺｎ膜（厚さ：１００ｎｍ）を蒸着し、第２電極層を形成した。
最後に、ダイサーを用いてダイシングすることにより３５０μｍ角の正方形チップを製造した。

（実施例２）
前記金属層と前記第１クラッド層との間に光透過層をさらに形成し、この光透過層上に算術平均粗さＲａが０．０２０μmとなるまでエッチングを行ったこと以外は、実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。

（実施例３）
前記金属層と前記第１クラッド層との間に光透過層をさらに形成し、この光透過層上に算術平均粗さＲａが０．１２０μmとなるまでエッチングを行ったこと以外は、実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。

（比較例１）
前記第１クラッド層上に、凹凸形状を形成しないこと以外は、実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。

（比較例２）
前記第１クラッド層、発光層および第２クラッド層をＬＰＥ法により厚膜に形成し、前記第１クラッド層上に凹凸形状を形成せず、支持基板を接合しなかったこと以外は、実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。

上記実施例１〜３および比較例１〜２の半導体発光素子に２０ｍＡの順方向電流を流した場合の光出力（ｍＷ）、発光ピーク波長（ｎｍ）および半値配光角（２θ）を測定した結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１および２はいずれも、凹凸形状を有さない比較例１に比べて光出力が向上し、および配光角が広くなっていることがわかる。また、比較例２は、基板を有さないことで配光角を広くしたものであるが、実施例１および２はいずれも、比較例２と同等の配光角を有し、かつ、高い光出力を有していることがわかる。したがって、本発明に従う半導体発光素子は、高い光取り出し効率および広い配光分布を有していることがわかる。

本発明は、金属層の、前記発光層と対向する第１表面が、凹凸形状を呈することにより、高い光取り出し効率および広い配光分布を有することができる半導体発光素子を提供することができる。

また、本発明は、金属層形成工程を行うに先立ち、前記金属層がその後形成されるべき第１クラッド層または光透過層の被形成面に凹凸形状を形成する工程をさらに具えることにより、高い光取り出し効率および広い配光分布を有することができる半導体発光素子の製造方法を提供することができる。

本発明に従う半導体発光素子の断面構造を示す模式図である。 本発明に従う半導体発光素子の製造方法における各工程を示す模式図である。 本発明に従う半導体発光素子の断面構造を示す模式図である。

符号の説明

１ 半導体発光素子
２ 支持基板
２ａ 上面
２ｂ 下面
３ 金属層
３a 金属層の第１表面
４ 第１クラッド層
４a 第１クラッド層の発光層と反対側の面
５ 発光層
６ 第２クラッド層
７ 第１電極層
８ 第２電極層
９ 光透過層
９ａ 光透過層の第２表面
１０ 接着層
１１ 結晶成長基板
１１ａ 結晶成長基板の主表面
１２ 被形成面

Claims (8)

1. 支持基板の上面の側に、金属層、第１クラッド層、発光層、第２クラッド層および第１電極層を有し、前記支持基板の下面の側に第２電極層を有する半導体発光素子において、
   前記金属層の、前記発光層と対向する第１表面が、凹凸形状を呈することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１表面における算術平均粗さが０．０２０〜０．２５０μｍである請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記半導体発光素子は、前記金属層と前記第１クラッド層との間に光透過層をさらに有する請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記半導体発光素子は、前記支持基板と前記金属層との間に導電性を有する接着層をさらに有する請求項１、２または３に記載の半導体発光デバイス。
5. 結晶成長基板の主表面の側に第２クラッド層、発光層、第１クラッド層を順次形成する工程と、前記第１クラッド層の上に金属層を直接または光透過層を介して間接的に形成する工程と、該金属層の上方に支持基板を接合する工程と、前記結晶成長基板を除去する工程とを具える半導体発光素子の製造方法であって、
   前記金属層形成工程を行うに先立ち、前記金属層がその後形成されるべき前記第１クラッド層または前記光透過層の被形成面に凹凸形状を形成する工程をさらに具えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
6. 前記被形成面への凹凸形状形成工程は、ドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いて行う請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
7. 前記凹凸形状形成工程により形成した前記被形成面の凹凸形状は、算術平均粗さが０．０２０〜０．２５０μｍである請求項５または６に記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記支持基板接合工程は、接着層を介して前記支持基板を接合することを含む請求項５、６または７に記載の半導体発光素子の製造方法。

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