JP2010040810A - 半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】出射光の回折効率を向上させることが可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】このＬＥＤチップ１０（半導体発光装置）は、半導体発光素子層４と、半導体発光素子層４の光の出射方向（Ｃ２方向）側の表面上に形成された多孔質膜８とを備え、多孔質膜８は、膜の厚み方向（Ｃ１方向）に延びるように形成された複数の細孔８を含む。
【選択図】図３
【解決手段】このＬＥＤチップ１０（半導体発光装置）は、半導体発光素子層４と、半導体発光素子層４の光の出射方向（Ｃ２方向）側の表面上に形成された多孔質膜８とを備え、多孔質膜８は、膜の厚み方向（Ｃ１方向）に延びるように形成された複数の細孔８を含む。
【選択図】図３
Description
本発明は、半導体発光装置に関し、特に、半導体発光素子層と電極とを備えた半導体発光装置に関する。
従来、ＬＥＤチップから出射されるＬＥＤ光には指向性があり、特に、半導体素子層のｐｎ接合面に対して垂直方向に強く発光することが知られている。すなわち、ＬＥＤチップは、発光面に垂直な方向に明るく発光する一方、発光面に対して斜め方向には若干暗めに発光する傾向がある。このため、たとえば、ＬＥＤチップを液晶ディスプレイのバックライトなどに適用した場合、ＬＥＤ光の指向性に起因して、ディスプレイの視野角が狭くなるという不都合があった。また、紫外光を発するＬＥＤチップに蛍光体による波長変換を行った白色ＬＥＤでは、光強度の大きい方向において波長変換作用が飽和することにより紫外光の一部がＬＥＤチップの外部に放射されるため、ＬＥＤチップの発光観察面に色むらが発生するという不都合があった。
そこで、従来、ＬＥＤチップ上に多孔質構造を有する光透過性膜を備えた半導体発光素子が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１には、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップ上に多孔質構造を有する光透過性膜とを備えた半導体発光素子が開示されている。この半導体発光素子では、光透過性膜が、半導体素子層の発光面（上面）の所定の領域上に形成されている。したがって、光透過性膜は、出射光が光透過性膜を透過する際に内部に形成された細孔の内壁部や膜の表面の凹凸部における光の回折によって出射光を散乱させることが可能に構成されている。これにより、出射光は、半導体素子層の発光面と光透過性膜との界面における全反射が抑制された状態で光透過性膜を介して素子外部に効率よく放射されるように構成されている。なお、この光透過性膜は、凍結乾燥工程を用いたゾルゲル法によって、スポンジ状または軽石状のような多数の孔が膜内に形成されている。なお、ゾルゲル法とは、金属の無機または有機化合物の溶液を出発材料とし、この溶液を化合物の加水分解反応および重合反応を経て金属酸化物または水酸化物の微粒子が溶解したゾルと、さらに反応を促進させて形成した多孔質状のゲルとを経て膜を形成する技術である。したがって、光透過性膜は、膜内を厚み方向（縦方向）に延びる孔や面方向（横方向）に延びる孔や斜め方向に延びる孔などが混在した状態に形成されている。
しかしながら、上記特許文献１に開示された半導体発光素子では、多孔質構造を有する光透過性膜を用いることによって、回折された透過光にはある程度の光散乱効果が見込まれると考えられる一方、光透過性膜には、膜の厚み方向（縦方向）や面方向（横方向）や斜め方向に延びる孔などが混在した状態で形成されているため、ＬＥＤ光の出射方向に沿った方向に延びる孔と、ＬＥＤ光の出射方向以外の方向に延びる孔とでは、透過光の回折効率が互いに異なると考えられる。したがって、光透過性膜には、回折効率の良好な部分と回折効率の良好でない部分とが混在するので、出射光の回折効率が向上されない場合があるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、出射光の回折効率を向上させることが可能な半導体発光素子を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による半導体発光装置は、半導体発光素子層と、半導体発光素子層の光の出射方向側の表面上に形成された多孔質膜とを備え、多孔質膜は、膜の厚み方向に延びるように形成された複数の細孔を含む。
この発明の一の局面による半導体発光装置では、上記のように、半導体発光素子層の光の出射方向側の表面上に形成された多孔質膜が、膜の厚み方向に延びるように形成された複数の細孔を含むことによって、多孔質膜には、半導体発光素子層からの出射光が出射する方向に沿って複数の細孔が形成されているので、半導体発光素子層からの出射光を略一定レベルの回折効率によって回折（光散乱）させて外部に出射させることができる。また、一般的に、表面に矩形形状などからなる凹凸形状を有する回折格子では、光の出射方向に沿った凹部の深さ（凸部の高さ）の最適化が、回折効率の向上に寄与することが知られている。これにより、本発明の多孔質膜には、半導体発光素子層からの出射光が出射する方向に沿って延びる細孔が形成されているので、膜の厚み方向や面方向や斜め方向に延びる孔などが混在した多孔質膜とは異なり、良好な回折効率を有する光拡散膜として用いることができる。この結果、出射光の回折効率を向上させることができる。
また、半導体発光素子層の光の出射方向側の表面上に形成された多孔質膜が、膜の厚み方向に延びるように形成された複数の細孔を含むことによって、多孔質膜の厚みを適宜調整することによって、出射光の波長に対する細孔の深さ（長さ）を制御することができる。なお、表面に矩形形状などからなる凹凸形状を有する回折格子では、凹部の深さ（凸部の高さ）を透過光の波長よりも数倍程度長く形成することによって回折効率がより向上されることが知られている。したがって、出射光の波長に対する細孔の深さを最適化することにより、多孔質膜から外部に出射される出射光の回折効率を容易に向上させることができる。
上記一の局面による半導体発光装置において、好ましくは、複数の細孔は、平面的に見て、異なる間隔を隔てて不規則的に配置されている。このように構成すれば、出射光が多孔質膜の表面の凹凸部分において回折する際、細孔と細孔との間隔（回折格子周期）が不規則的に形成されているので、たとえば、隣接する細孔と細孔との間隔が相対的に大きい部分では小さな回折角度の回折光が生じる一方、隣接する細孔と細孔との間隔が相対的に小さい部分では大きな回折角度の回折光が生じる。したがって、細孔間の間隔が不規則性を有する多孔質膜の表面では、小さな回折角度の回折光と大きな回折角度の回折光とが重ね合わされて、多様な回折角度を有する回折光が外部に出射される。この結果、回折光をより広い角度で広範囲に散乱させることができる。
上記一の局面による半導体発光装置において、好ましくは、半導体発光素子層の光の出射方向側の表面上に形成された電極をさらに備え、多孔質膜は、少なくとも一部が電極の表面上に重なるように配置される。このように構成すれば、半導体発光素子層からの出射光が多孔質膜を透過する際、出射光が多孔質膜の表面の凹凸部分において回折を起こすので、回折による回折光（散乱光）が、電極の表面上に重なるように配置された多孔質膜の領域にも回り込みながら伝搬する。これにより、半導体発光素子層からの出射光を、電極が形成されていない発光面上の多孔質膜のみならず、電極が形成されている発光面上の多孔質膜の表面からも外部に出射させることができるので、発光面に出射光の輝度が相対的に高い領域と低い領域との差が顕著に生じるのが抑制される。この結果、発光面に色むらが発生するのが抑制されるので、出射光の均一性を向上させることができる。
上記一の局面による半導体発光装置において、好ましくは、電極上に形成された絶縁膜をさらに備え、多孔質膜は、絶縁膜を介して電極の表面上に形成されている。このように構成すれば、製造プロセス上、金属膜の陽極酸化によって多孔質膜を形成する際、金属膜のみならず電極が酸化したり半導体発光素子層を侵食（酸化）したりするのを絶縁膜によって容易に抑制することができる。
上記一の局面による半導体発光装置において、好ましくは、光の波長を変換する蛍光体を含む波長変換部をさらに備え、波長変換部は、多孔質膜の細孔内に充填されている。このように構成すれば、多孔質膜を透過するＬＥＤ光の光密度が最も高くなる細孔内に波長変換部が充填されているので、ＬＥＤ光の波長の変換効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図４は、それぞれ、本発明によるＬＥＤチップの概略的な構成を説明するための断面図および平面図である。まず、図１〜図４を参照して、本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本発明による半導体発光装置の一例であるＬＥＤチップの概略的な構成について、ＬＥＤチップ１０を例として説明する。
本発明によるＬＥＤチップ１０は、図１に示すように、第１半導体１上に、発光層２および第２半導体３が積層されることにより半導体発光素子層４が形成されている。また、半導体発光素子層４の第１半導体１の下面上には、第１電極５が形成されているとともに、第２半導体３上の所定の領域には、第２電極６が形成されている。
ここで、第２半導体３上の第２電極６が形成されていない領域４ａ上と、第２電極６の所定の領域６ａ上とを覆うように、ＳｉＯ２などからなる絶縁膜７が形成されるとともに、絶縁膜７上にアルミナなどからなる多孔質膜８が形成されている。なお、第２電極６は、本発明の「電極」の一例である。
また、図２に示すように、多孔質膜８には、大小様々な大きさ（内径）を有する複数の細孔９が、互いに不規則な間隔を隔てて配置されている。また、細孔９は、隣接する細孔９と細孔９との平均的な間隔Ｌ１（細孔９と細孔９との中心間距離）が数十ｎｍ以上数百ｎｍ以下の範囲に形成されるのが好ましく、特にＬＥＤチップ１０の発光波長と同程度の大きさを有するのがより好ましい。
また、各々の細孔９は、図３に示すように、多孔質膜８の表面から絶縁膜７に向かってＣ１方向に略直線的に延びる細孔列の状態として形成されている。また、細孔９は、平均的な内径Ｄ１の約１０倍以上の深さＨ１を有するように形成されている。また、細孔９は、ＬＥＤチップ１０が有する発光波長λの約１０倍以上の深さＨ１を有する（Ｈ１≧１０×λ）ように形成されるのが好ましい。
また、細孔９の底部９ａは、細孔９同志の間隔Ｌ１と同程度の厚みを残して多孔質膜８を貫通しないように形成されている。なお、図３では、各々の細孔９が個々に独立して形成されている状態を示しているが、製造プロセス上、隣接する細孔９同志が繋がっている場合もある。また、底部９ａ近傍の膜の内部には、多孔質膜８を形成する際に用いるＡｌの金属部分８ａが部分的に残されている。
したがって、図４に示すように、多孔質膜８では、絶縁膜７を透過してＣ２方向に出射されたＬＥＤ光が多孔質膜８を透過する際に、多孔質膜８の上面（Ｃ２方向側）の凹凸形状（細孔９の部分を凹部とすると、隣接する細孔９に挟まれた多孔質膜８の部分が凸部になる）によって回折を起こすように構成されている。また、隣接する細孔９と細孔９との間隔Ｌ１（図３参照）が不規則的であるので、隣接する細孔９と細孔９との間隔Ｌ１が相対的に大きい部分では小さな回折角度（Ｃ２方向に対する回折後の光の出射角度）の回折光が生じる一方、隣接する細孔９と細孔９との間隔Ｌ１が相対的に小さい部分では大きな回折角度の回折光が生じる。したがって、多孔質膜８の上面では、小さな回折角度の回折光と大きな回折角度の回折光とが重ね合わされて、多様な回折角度を有する回折光が外部に出射されるように構成されている。
また、図１に示すように、第２電極６の領域６ａ以外の領域６ｂは、ＬＥＤチップ１０の外部に露出するように形成されている。そして、領域６ｂに、Ａｕなどからなる金属ワイヤ（図示せず）が接続されるように構成されている。
また、一般的に、第１半導体１および第２半導体３の間に、第１半導体１および第２半導体３のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する発光層２を形成して二重ヘテロ構造を形成することによって、発光層２にキャリアを閉じ込めやすくすることができる。これにより、ＬＥＤチップ１０の発光効率を向上させることが可能である。また、発光層２を単一量子井戸（ＳＱＷ）構造や多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とすることにより、さらに発光効率を向上させることが可能である。この量子井戸構造の場合、井戸層の厚みが小さいので、井戸層が歪みを有する場合においても、井戸層の結晶性が悪化するのを抑制することができる。なお、井戸層は、発光層２の主表面２ａ（図１参照）の面内方向に圧縮歪みを有する場合であっても、面内方向に引っ張り歪みを有する場合であっても、結晶性が悪化するのが抑制される。また、発光層２は、アンドープでもよく、ドーピングされていてもよい。
また、本発明において、第１半導体１は、基板または半導体層により構成されていてもよいし、基板と半導体層との両方により構成されていてもよい。また、第１半導体１が基板と半導体層との両方により構成される場合、基板は、第１半導体１の第２半導体３が形成される側とは反対側（第１半導体１の下面側）に形成される。また、この場合、基板は、成長用基板であってもよいし、半導体層を成長させた後に半導体層の成長面（主表面）に半導体層を支持する支持基板として用いてもよい。
また、基板として、ＧａＮ基板やα−ＳｉＣ基板を用いることができる。ＧａＮ基板およびα−ＳｉＣ基板上には、基板と同じ主表面を有する窒化物系半導体層が形成される。たとえば、α−ＳｉＣ基板のｃ面、ａ面およびｍ面上には、それぞれ、ｃ面、ａ面およびｍ面を主表面とする窒化物系半導体層が形成される。また、サファイア基板やＬｉＡｌＯ２基板またはＬｉＧａＯ２基板などの絶縁性の基板を用いることも可能である。
また、ｐｎ接合型のＬＥＤチップ１０では、第１半導体１と第２半導体３とは互いに異なる導電性を有する。第１半導体１がｐ型であり第２半導体３がｎ型であってもよいし、第１半導体１がｎ型であり第２半導体３がｐ型であってもよい。
また、第１半導体１および第２半導体３は、発光層２よりもバンドギャップの大きいクラッド層（図示せず）などを含んでいてもよい。また、第１半導体１および第２半導体３は、それぞれ、発光層２側から近い順に、クラッド層とコンタクト層（図示せず）とを含んでいてもよい。この場合、コンタクト層は、クラッド層よりもバンドギャップが小さいことが好ましい。
また、量子井戸の発光層２としては、井戸層としてＧａＩｎＮ、障壁層として井戸層よりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＮ、ＧａＮおよびＧａＩｎＮを用いることができる。また、クラッド層およびコンタクト層としては、ＧａＮおよびＡｌＧａＮを用いることができる。
また、第２電極６は、第２半導体３上の一部の領域に形成してもよい。また、第２電極６は、透光性を有するのがより好ましい。
本発明のＬＥＤチップ１０では、上記のように、半導体発光素子層４の光の出射方向（Ｃ２方向）側の表面上に形成された多孔質膜８が、膜の厚み方向（Ｃ１方向）に延びる複数の細孔９を含むことによって、多孔質膜８には、半導体発光素子層４からの出射光が出射する方向に沿って複数の細孔９が形成されているので、半導体発光素子層４からの出射光を略一定レベルの回折効率によって回折（光散乱）させてＬＥＤチップ１０の外部に向けて出射させることができる。また、一般的に、表面に矩形形状などからなる凹凸形状を有する回折格子では、光の出射方向に沿った凹部の深さ（凸部の高さ）の最適化が、回折効率の向上に寄与することが知られている。これにより、本発明の多孔質膜８には、半導体発光素子層４からの出射光が出射する方向に沿って延びる細孔９が形成されているので、膜の厚み方向や面方向や斜め方向に延びる孔などが混在した多孔質膜とは異なり、多孔質膜８を良好な回折効率を有する光拡散膜として用いることができる。この結果、ＬＥＤチップ１０の出射光の回折効率を向上させることができる。
また、本発明では、半導体発光素子層４の光の出射方向（Ｃ２方向）側の表面上に形成された多孔質膜８が、膜の厚み方向（Ｃ１方向）に延びるように形成された複数の細孔９を含むことによって、多孔質膜８の厚みを適宜調整することによって、出射光の波長に対する細孔９の深さＨ１を制御することができる。なお、表面に矩形形状などからなる凹凸形状を有する回折格子では、凹部の深さ（凸部の高さ）を透過光の波長よりも数倍程度長く形成することによって回折効率がより向上されることが知られている。したがって、出射光の波長に対する細孔９の深さＨ１を最適化することにより、多孔質膜８から外部に出射される出射光の回折効率を容易に向上させることができる。
また、本発明では、複数の細孔９を、平面的に見て、異なる間隔Ｌ１を隔てて不規則的に配置することによって、出射光が多孔質膜８の表面の凹凸部分において回折する際、細孔９と細孔９との間隔（回折格子周期）が不規則的に形成されているので、隣接する細孔９と細孔９との間隔Ｌ１が相対的に大きい部分では小さな回折角度の回折光が生じる一方、隣接する細孔９と細孔９との間隔Ｌ１が相対的に小さい部分では大きな回折角度の回折光が生じる。したがって、細孔９間の間隔Ｌ１が不規則性を有する多孔質膜８の表面では、小さな回折角度の回折光と大きな回折角度の回折光とが重ね合わされて、多様な回折角度を有する回折光が外部に出射される。この結果、回折光をより広い角度で広範囲に散乱させることができる。
また、本発明では、半導体発光素子層４の表面上に形成した多孔質膜８を、第２電極６の一部の領域６ａに重なるように配置することによって、半導体発光素子層４からの出射光が多孔質膜８を透過する際、出射光が多孔質膜８の表面の凹凸部分において回折を起こすので、回折による回折光（散乱光）が、第２電極６の領域６ａに重なるように配置された多孔質膜８の領域にも回り込みながら伝搬する。これにより、半導体発光素子層４からの出射光を、第２電極６が形成されていない領域４ａ上の多孔質膜８のみならず、第２電極６が形成された領域６ａ上の多孔質膜８の表面からも外部に出射させることができるので、発光面に出射光の輝度が相対的に高い領域と低い領域との差が顕著に生じるのが抑制される。この結果、発光面に色むらが発生するのが抑制されるので、出射光の均一性を向上させることができる。
（第１実施形態）
図５および図６は、それぞれ、本発明の第１実施形態によるＬＥＤチップの構造を示した断面図および平面図である。まず、図３、図５および図６を参照して、第１実施形態によるＬＥＤチップ２０の構造について説明する。なお、図５は、図６の１００−１００線における断面を部分的に示している。
図５および図６は、それぞれ、本発明の第１実施形態によるＬＥＤチップの構造を示した断面図および平面図である。まず、図３、図５および図６を参照して、第１実施形態によるＬＥＤチップ２０の構造について説明する。なお、図５は、図６の１００−１００線における断面を部分的に示している。
本発明の第１実施形態によるＬＥＤチップ２０は、図６に示すように、Ａ（Ｂ）方向（平面方向）に約２００μｍ以上約１０００μｍ以下の範囲の長さを有するとともに、Ｃ方向（図５参照）に約１００μｍ以上約３００μｍ以下の範囲の厚みを有するように形成されている。これにより、ＬＥＤチップ２０は、上面の平面積に比べて側面の面積が小さい。したがって、ＬＥＤチップ２０の出射光は、主に、ＬＥＤチップ２０の上面（ｐ側パッド電極１６）側からこの面に垂直な方向（図５のＣ２方向）に出射する指向性を有している。また、ＬＥＤチップ２０は、発光波長ピークが約４２０ｎｍ〜約４８０ｎｍの青色光を発光するＧａＮ系半導体層により構成されている。
また、図５に示すように、ＬＥＤチップ２０は、ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ基板２１上に、約１μｍの厚みを有するｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１１と、約０．１μｍの厚みを有するＩｎＧａＮからなる発光層１２とが形成されるとともに、発光層１２上には、約０．４μｍの厚みを有するｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１３が形成されている。これにより、半導体発光素子層１４が形成されている。また、半導体発光素子層１４のｎ型クラッド層１１の下面上には、ｎ型クラッド層１１から近い順に、Ａｌ層、Ｐｔ層およびＡｕ層からなり約１μｍの厚みを有するｎ側オーミック電極１５が形成されているとともに、ｐ型クラッド層１３上の所定の領域には、ｐ型クラッド層１３から近い順に、Ｔｉ層、Ｐｄ層およびＡｕ層からなり約２μｍの厚みを有するｐ側パッド電極１６が形成されている。
ここで、第１実施形態では、ｐ型クラッド層１３上のｐ側パッド電極１６が形成されていない開口部２２（図６における破線３００の内側の領域）上と、ｐ側パッド電極１６の所定の領域（開口部２２に対応するｐ側パッド電極１６の領域）上とを覆うように、約３μｍの厚みを有するＳｉＯ２などからなる絶縁膜１７が形成されるとともに、絶縁膜１７上に約１μｍの厚みを有するアルミナからなる多孔質膜３０ａが形成されている。なお、ｐ側パッド電極１６は、本発明の「電極」の一例である。
また、第１実施形態では、図６に示すように、多孔質膜３０ａには、大小様々な大きさ（内径）を有する複数の細孔３１が、互いに不規則な間隔を隔てて配置されている。また、細孔３１は、隣接する細孔３１と細孔３１との平均的な間隔Ｌ２（細孔３１と細孔３１との中心間距離）が、ＬＥＤチップ２０の発光波長程度（約４５０ｎｍ）の大きさを有するように形成されている。
また、各々の細孔３１は、図３に示した細孔９と同様に、多孔質膜３０ａの表面から絶縁膜１７に向かってＣ１方向に略直線的に延びる細孔列の状態を形成している。また、細孔３１は、平均的な内径Ｄ２の約１０倍以上の深さＨ２を有するように形成されている。そして、細孔３１の底部３１ａは、細孔３１同志の間隔Ｌ２と同程度の厚みを残して多孔質膜３０ａを貫通しないように形成されている。なお、底部３１ａ近傍の膜の内部には、多孔質膜３０ａを形成する際に用いるＡｌの部分（図３の金属部分８ａ）が残されている。
また、図５に示すように、ｐ側パッド電極１６は、ＬＥＤチップ２０から外部に露出するワイヤボンド部１６ａを有している。このワイヤボンド部１６ａにＡｕなどからなる金属ワイヤ（図示せず）が接続されるように構成されている。
図７〜図１１は、図５に示した第１実施形態によるＬＥＤチップの製造プロセスを説明するための図である。次に、図６〜図１１を参照して、第１実施形態によるＬＥＤチップ２０の製造プロセスについて説明する。
まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＮ基板２１の上面上に、ｎ型クラッド層１１、発光層１２およびｐ型クラッド層１３をこの順に形成する。そして、真空蒸着法を用いて、ｐ型クラッド層１３上の全面にｐ側パッド電極１６を形成した後に、ｐ側パッド電極１６上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、そのレジストパターンをマスクとしてドライエッチングなどを行うことにより、ｐ側パッド電極１６に略円形状の開口部２２が形成されるようなパターニングを行う。そして、リン酸系エッチング液によるウェットエッチングにより、ｐ側パッド電極１６上に残されたレジストを除去する。この結果、図７に示すようなウェハが形成される。
その後、図８に示すように、ｐ側パッド電極１６上および開口部２２上を覆うように、ＳｉＯ２からなる絶縁膜１７を形成する。さらに、真空蒸着法を用いて、絶縁膜１７上に、メッキ法または蒸着法などを用いて、約０．７μｍの厚みを有するＡｌからなる金属膜３０を形成する。
ここで、第１実施形態の製造プロセスでは、図９に示すように、上記プロセスで形成されたウェハを、電解液４０中で陽極酸化する。具体的には、ウェハ状態のＬＥＤチップ２０の金属膜３０の部分とＰｔなどからなる陰極板４１とを硫酸などの水溶液からなる電解液４０中で通電させる。なお、ウェハの表面（ＬＥＤチップ２０の表面）および側面（ＬＥＤチップ２０の側面）が電解液４０に直接的に接触しないように、ウェハの表面および側面を保護膜４２により保護するのが好ましい。この保護膜４２によって、ｐ側パッド電極１６が酸化されるのが抑制されるとともに、金属膜３０のみを陽極酸化させることが可能である。なお、ウェハ表面および側面の保護膜４２は、加熱によって剥離が可能な材質からなる補強シートであってもよい。これにより、素子分離工程に至るまでのウェハの機械的強度を維持することができる。
また、陽極酸化の際、図１０に示すように、金属膜３０には、電解液４０に接する表面から内部方向（Ｃ１方向）に向かって酸化が進行する。これにより、金属膜３０には、表面から内部方向（Ｃ１方向）に延びるとともに、互いに隣接するような多数の細孔３１が形成される。なお、隣接する細孔３１同志の平均的な間隔Ｌ２は、陽極酸化における電圧Ｖａ（Ｖ）によって決まり、Ｌ２＝０．００２５Ｖａ（μｍ）の関係を有している。なお、第１実施形態における電圧Ｖａは、約１８０Ｖであるのが好ましい。これにより、細孔３１同志の間隔Ｌ２が、ＬＥＤチップ２０の発光波長程度の長さ（約４５０ｎｍ）に形成される。なお、金属膜３０の材料であるＡｌは、バルブ金属と呼ばれる。これは、陽極酸化により金属表面がその金属の酸化被膜で覆われる特性を有する金属として知られている。また、上記Ａｌ以外に、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）およびＴｉ（チタン）などがバルブ金属に含まれる。この金属膜３０の陽極酸化によって、図１０に示すような多孔質膜３０ａが形成される。
また、第１実施形態の製造プロセスでは、陽極酸化の時間を制御することにより、図１０に示すように、細孔３１の底部３１ａにおける金属膜３０に若干の厚み（間隔Ｌ２と同程度）を残すのが好ましい。これにより、ｐ側パッド電極１６およびｐ型クラッド層１３が電解液４０（図８参照）に直接浸されるのが回避されるとともに、素子分離工程に至るまでのウェハの機械的強度を維持することができる。なお、底部３１ａ近傍の膜の内部には、多孔質膜３０ａを形成する際に用いるＡｌの金属部分３０ｂが部分的に残される。
その後、図１１に示すように、エッチング技術を用いて、多孔質膜３０ａおよび絶縁膜１７に覆われたｐ側パッド電極１６の一部を外部に露出させてワイヤボンド部１６ａを形成する。その後、真空蒸着法を用いて、ｎ型クラッド層１１の下面上にｎ側オーミック電極１５を形成する。これにより、ウェハ状態のＬＥＤチップ２０が形成される。
最後に、図１１に示したウェハに対して素子分割を行うことにより、図６に示すようなチップ化されたＬＥＤチップ２０が形成される。なお、図１１では、１つのウェハから６つのチップ化されたＬＥＤチップ２０を得る場合を示している。
第１実施形態では、上記のように、半導体発光素子層１４の光の出射方向（Ｃ２方向）側の表面上に形成された多孔質膜３０ａが、膜の厚み方向（Ｃ１方向）に延びる複数の細孔９を含むことによって、多孔質膜３０ａには、半導体発光素子層１４からの出射光が出射する方向に沿って複数の細孔３１が形成されているので、半導体発光素子層１４からの出射光を略一定レベルの回折効率によって回折（光散乱）させてＬＥＤチップ２０の外部に向けて出射させることができる。また、多孔質膜３０ａには、回折効率の向上に寄与する方向と略同一の方向に延びる細孔３１が多数形成されているので、膜の厚み方向や面方向や斜め方向に延びる孔などが混在した多孔質膜とは異なり、多孔質膜３０ａを良好な回折効率を有する光拡散膜として用いることができる。この結果、ＬＥＤチップ１０の出射光の回折効率を向上させることができる。
また、第１実施形態では、半導体発光素子層１４の光の出射方向（Ｃ２方向）側の表面上に形成された多孔質膜３０ａが、膜の厚み方向（Ｃ１方向）に延びる複数の細孔９を含むことによって、多孔質膜３０ａの厚みを適宜調整することによって、出射光の波長に対する細孔３１の深さＨ２を制御することができる。したがって、出射光の波長に対する細孔３１の深さＨ２を最適化することにより、多孔質膜３０ａから外部に出射される出射光の回折効率を容易に向上させることができる。
また、第１実施形態では、複数の細孔３１を、平面的に見て、異なる間隔Ｌ２を隔てて不規則的に配置することによって、出射光が多孔質膜３０ａの表面の凹凸部分において回折する際、細孔３１と細孔３１との間隔（回折格子周期）が不規則的に形成されているので、隣接する細孔３１と細孔３１との間隔Ｌ２が相対的に大きい部分では小さな回折角度の回折光が生じる一方、隣接する細孔３１と細孔３１との間隔Ｌ２が相対的に小さい部分では大きな回折角度の回折光が生じる。したがって、細孔３１間の間隔Ｌ２が不規則性を有する多孔質膜３０ａの表面では、小さな回折角度の回折光と大きな回折角度の回折光とが重ね合わされて、多様な回折角度を有する回折光が外部に出射される。この結果、回折光をより広い角度で広範囲に散乱させることができる。
また、第１実施形態では、半導体発光素子層１４の表面上に形成した多孔質膜３０ａを、ｐ側パッド電極１６の表面上の一部の領域に重なるように配置することによって、半導体発光素子層１４からの出射光が多孔質膜３０ａを透過する際、出射光が多孔質膜３０ａの表面の凹凸部分（細孔３１が形成されている部分と形成されていない部分）において回折を起こすので、回折により散乱した光が、ｐ側パッド電極１６の表面上に重なるように配置された多孔質膜３０ａの領域にも回り込みながら伝搬する。これにより、半導体発光素子層１４からの出射光を、ｐ側パッド電極１６が形成されていない領域上の多孔質膜３０ａのみならず、ｐ側パッド電極１６が形成された領域上の多孔質膜３０ａの部分からも外部に出射させることができるので、発光面に出射光の輝度が相対的に高い領域と低い領域との差が顕著に生じるのが抑制される。すなわち、ＬＥＤチップ２０の発光面に色むらが発生するのが抑制されるので、出射光の均一性を向上させることができる。
また、第１実施形態では、多孔質膜３０ａをアルミナからなるように構成することによって、製造プロセス上、半導体発光素子層１４上に形成されたＡｌからなる金属膜３０を陽極酸化することによって、容易に、多孔質構造を有する金属酸化膜（多孔質膜３０ａ）を形成することができる。
また、第１実施形態では、多孔質膜３０ａを、絶縁膜１７を介してｐ側パッド電極１６の表面上に形成することによって、製造プロセス上、金属膜３０の陽極酸化によって多孔質膜３０ａを形成する際、絶縁膜１７によって、金属膜３０のみならずｐ側パッド電極１６が酸化したり、半導体発光素子層１４を侵食（酸化）したりするのを抑制することができる。
（第１実施形態の変形例）
図１２および図１３は、本発明の第１実施形態の変形例によるＬＥＤチップの構造を示した平面図である。図１２および図１３を参照して、第１実施形態の変形例によるＬＥＤチップ４５では、ｐ型クラッド層１３上に、平面的な形状が上記第１実施形態と異なるｐ側パッド電極４６を形成する場合について説明する。なお、ｐ側パッド電極４６は、本発明の「電極」の一例である。
図１２および図１３は、本発明の第１実施形態の変形例によるＬＥＤチップの構造を示した平面図である。図１２および図１３を参照して、第１実施形態の変形例によるＬＥＤチップ４５では、ｐ型クラッド層１３上に、平面的な形状が上記第１実施形態と異なるｐ側パッド電極４６を形成する場合について説明する。なお、ｐ側パッド電極４６は、本発明の「電極」の一例である。
ここで、第１実施形態の変形例によるＬＥＤチップ４５では、図１３に示すように、平面的に見て、櫛歯形状を有するｐ側パッド電極４６がｐ型クラッド層１３上に形成されている。なお、ｐ側パッド電極４６の櫛歯部４６ｂと櫛歯部４６ｂとの間にｐ型クラッド層１３が露出する複数の開口部４７（図１２では破線４００の内側の領域）が設けられている。また、図１２に示すように、櫛歯形状を有するｐ側パッド電極４６上には、上記第１実施形態と同様の多孔質膜３０ａが形成されている。
また、図１２に示すように、ｐ側パッド電極４６は、ＬＥＤチップ４５から外部に露出するワイヤボンド部４６ａを有している。このワイヤボンド部４６ａにＡｕなどからなる金属ワイヤ（図示せず）が接続されるように構成されている。なお、第１実施形態の変形例によるＬＥＤチップ４５のその他の構造および製造プロセスは、上記第１実施形態と同様である。
第１実施形態の変形例では、上記のように、半導体発光素子層１４上に平面形状が櫛歯形状を有するｐ側パッド電極４６を形成することによって、ワイヤボンド部４６ａから注入された電流を、複数の櫛歯部４６ｂを介して半導体発光素子層１４に平面的に均等に供給することができる。
また、第１実施形態の変形例では、ｐ側パッド電極４６の櫛歯部４６ｂと櫛歯部４６ｂとの間にｐ型クラッド層１３が露出する複数の開口部４７を設けることによって、ＬＥＤチップ４５の発光面の全領域にわたって略均等に開口領域を形成することができるので、開口部４７上の多孔質膜３０ａにより、出射光の拡散効果を向上させることができる。なお、第１実施形態の変形例のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
（第２実施形態）
図１４および図１５は、それぞれ、本発明の第２実施形態によるＬＥＤチップの構造を示した断面図および平面図である。図１４および図１５を参照して、第２実施形態によるＬＥＤチップ５０では、上記第１実施形態と異なり、ｐ型クラッド層１３と絶縁膜１７との間に、ｐ側パッド電極５１に接続される透明電極層５２を形成する場合について説明する。なお、図１５は、図１４の２００−２００線における断面を示す。なお、ｐ側パッド電極５１は、本発明の「電極」の一例である。
図１４および図１５は、それぞれ、本発明の第２実施形態によるＬＥＤチップの構造を示した断面図および平面図である。図１４および図１５を参照して、第２実施形態によるＬＥＤチップ５０では、上記第１実施形態と異なり、ｐ型クラッド層１３と絶縁膜１７との間に、ｐ側パッド電極５１に接続される透明電極層５２を形成する場合について説明する。なお、図１５は、図１４の２００−２００線における断面を示す。なお、ｐ側パッド電極５１は、本発明の「電極」の一例である。
ここで、第２実施形態によるＬＥＤチップ５０では、図１５に示すように、ｐ型クラッド層１３と絶縁膜１７との間に、ｐ型クラッド層１３の上面の全面を覆う約０．３μｍの厚みを有するＩＴＯなどからなる透明電極層５２が形成されている。また、透明電極層５２の上面の所定領域上にのみｐ側パッド電極５１が電気的に接続されている。また、図１５に示すように、ｐ側パッド電極５１が形成されていない透明電極層５２の上面上に絶縁膜１７を介して多孔質膜３０ａが形成されている。したがって、ＬＥＤチップ５０は、図１４に示すように、発光面のｐ側パッド電極５１を除くほとんどの領域が開口部５３（図１５参照）になるように形成されている。
また、図１４に示すように、ｐ側パッド電極５１は、ＬＥＤチップ５０から外部に露出するワイヤボンド部５１ａを有している。なお、第２実施形態によるＬＥＤチップ５０のその他の構造は、上記第１実施形態と同様である。
図１６および図１７は、図１４に示した第２実施形態によるＬＥＤチップの製造プロセスを説明するための図である。次に、図１５〜図１７を参照して、第２実施形態によるＬＥＤチップ５０の製造プロセスについて説明する。
まず、図１６に示すように、上記第１実施形態と同様の製造プロセスにより、ｎ型クラッド層１１、発光層１２およびｐ型クラッド層１３を形成する。その後、ｐ型クラッド層１３上に、透明電極層５２を形成する。
その後、真空蒸着法を用いて、透明電極層５２上の全面にｐ側パッド電極５１を形成した後に、ｐ側パッド電極５１上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、そのレジストパターンをマスクとしてドライエッチングなどを行うことにより、一辺が約１００μｍの長さを有する略正方形状のｐ側パッド電極５１が形成されるようなパターニングを行う。そして、リン酸系エッチング液によるウェットエッチングにより、ｐ側パッド電極５１上に残されたレジストを除去する。この結果、図１６に示すように、ワイヤボンド部５１ａが形成されたウェハが形成される。
その後、透明電極層５２上およびワイヤボンド部５１ａ（ｐ側パッド電極５１）上を覆うように、ＳｉＯ２などからなる絶縁膜１７（図１５参照）を形成する。また、真空蒸着法を用いて、絶縁膜１７上に、メッキ法または蒸着法などを用いて、約０．７μｍの厚みを有するＡｌからなる金属膜３０（図１５参照）を形成する。
その後、上記第１実施形態と同様の製造プロセスにより、金属膜３０の陽極酸化を行う。その後、図１７に示すように、エッチング技術を用いて、多孔質膜３０ａおよび絶縁膜１７に覆われたｐ側パッド電極５１の一部を外部に露出させてワイヤボンド部５１ａを形成する。その後、真空蒸着法を用いて、ｎ型クラッド層１１の下面上にｎ側オーミック電極１５を形成する。これにより、ウェハ状態のＬＥＤチップ５０が形成される。その後、チップ化することにより、第２実施形態によるＬＥＤチップ５０が形成される。
第２実施形態では、上記のように、ｐ型クラッド層１３と絶縁膜１７との間に、ｐ型クラッド層１３の上面の全面を覆う透明電極層５２を形成することによって、ＬＥＤチップ５０は、発光面の全ての領域から多孔質膜３０ａを介して出射光を出射させることができる。この結果、ＬＥＤチップ５０の光の取り出し効率をより向上させることができる。なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
（第３実施形態）
図１８および図１９は、それぞれ、本発明の第３実施形態によるＬＥＤランプの構造を示した断面図である。まず、図５、図１８および図１９を参照して、第３実施形態によるＬＥＤランプ７０の構造について説明する。なお、この第３実施形態では、半導体発光装置の一例であるＬＥＤランプに本発明を適用した場合について説明する。
図１８および図１９は、それぞれ、本発明の第３実施形態によるＬＥＤランプの構造を示した断面図である。まず、図５、図１８および図１９を参照して、第３実施形態によるＬＥＤランプ７０の構造について説明する。なお、この第３実施形態では、半導体発光装置の一例であるＬＥＤランプに本発明を適用した場合について説明する。
本発明の第３実施形態による砲弾型のＬＥＤランプ７０では、図１８に示すように、発光波長ピークが約４２０ｎｍ〜約４８０ｎｍの青色光を発光するＬＥＤチップ２０が、半田など（図示せず）によって金属製のリードフレーム７１の凹部底面に固定されている。これにより、ＬＥＤチップ２０のｎ側オーミック電極１５（図５参照）は、リードフレーム７１と電気的に接続されている。また、リードフレーム７１の凹部内側面７１ａは、ＬＥＤチップ２０からの出射光が反射しやすいように鏡面状態に仕上げられており、光反射部として機能するように構成されている。また、リードフレーム７１には、リード７２の一方の端部が取り付けられている。また、ＬＥＤチップ２０のｐ側パッド電極１６（ワイヤボンド部１６ａ）は、金属製のワイヤ７４を介してリード７３の一方の端部と電気的に接続されている。
また、図１８に示すように、ＬＥＤチップ２０を含むリードフレーム７１、金属製のワイヤ７４およびワイヤ７４とリード７３との接続部を密封するように、シリコン樹脂からなる砲弾状の封止部７５が形成されている。また、封止部７５には、黄色に発色する蛍光体７６が混入されている。また、リード７２および７３の他方の端部は、封止部７５からＣ１方向に露出している。なお、封止部７５は、本発明の「波長変換部」の一例である。
ここで、第３実施形態では、図１９に示すように、封止部７５は、ＬＥＤチップ２０の上面に形成された多孔質膜３０ａの細孔３１の内部に充填されている。これにより、ＬＥＤ光は、光密度が最も高くなる細孔３１内においても蛍光体７６によって波長が変換されるように構成されている。
ＬＥＤランプ７０は、上記の構成によって、ＬＥＤチップ２０からＣ２方向に出射された青色光が、多孔質膜３０ａを透過して出射する際に回折されるとともに、回折された青色光が、シリコン樹脂からなる封止部７５に入射して蛍光体７６を黄色に発光させる。これにより、ＬＥＤチップ２０の青色光と蛍光体７６の励起による黄色光とが混合されて白色光となり封止部７５をＣ２方向に透過して外部に出射されるように構成されている。なお、「白色」とは「人間の目に白色に見える」という意味である。
次に、図５、図１８および図１９を参照して、第３実施形態によるＬＥＤランプ７０の製造プロセスについて説明する。
まず、上記第１実施形態の製造プロセスにより、チップ化されたＬＥＤチップ２０（図５参照）を形成する。
次に、図１８に示すように、ＬＥＤチップ２０の下面（図５に示すｎ側オーミック電極１５）をＡｕＳｎなどからなる半田によりリードフレーム７１の凹部底面に固定する。その後、ｐ側パッド電極１６とリード７３とをワイヤ７４にてボンディング接続する。
その後、シリコン樹脂からなる封止部７５を充填した砲弾型のモールドにＬＥＤチップ２０を含むリードフレーム７１の部分を差し込むとともに、シリコン樹脂を加熱により硬化させて砲弾状の封止部７５（図１８参照）を形成する。この際、封止部７５により、ＬＥＤチップ２０を含むリードフレーム７１（リード７２）、金属製のワイヤ７４およびワイヤとリード７３との接続部が密封される。また、図１９に示すように、封止部７５は、ＬＥＤチップ２０の上面に形成された多孔質膜３０ａの細孔３１の内部にも充填される。最後に、封止部７５をモールドから取り出すことによって、図１８に示した第３実施形態によるＬＥＤランプ７０が形成される。
第３実施形態では、上記のように、青色光が有する波長を黄色光に変換する蛍光体７６を含む封止部７５を備えるとともに、封止部７５が、多孔質膜３０ａの細孔３１内に充填されるように構成することによって、多孔質膜３０ａを透過する光の光密度が最も高くなる細孔３１の内部に封止部７５が充填されているので、ＬＥＤ光（青色光）の波長の変換効率を向上させることができる。
また、第３実施形態では、ＬＥＤチップ２０から多孔質膜３０ａを介して出射される光を、封止部７５を透過して外部に出射されるように構成することによって、均一性が向上された出射光の波長を変換して、所望の発光色を有するＬＥＤランプ７０を容易に得ることができる。
また、第３実施形態では、多孔質膜３０ａを介して封止部７５を透過する光を、白色光の状態で外部に出射させることによって、均一性が向上された白色光を容易に出射させることができる。なお、第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第１および第２実施形態では、ｐ型クラッド層１３およびｐ側パッド電極１６の表面上に絶縁膜１７を介して多孔質膜３０ａを形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、絶縁膜１７を形成することなくｐ型クラッド層１３およびｐ側パッド電極１６の表面上に直接接触するように多孔質膜３０ａを形成してもよい。この場合、製造プロセスにおいて、多孔質膜３０ａを形成する陽極酸化の時間を適切に制御することによって、多孔質膜３０ａに形成される細孔３１がｐ型クラッド層１３およびｐ側パッド電極１６の表面に到達する前に陽極酸化を停止させるようにすればよい。
また、上記第３実施形態では、発光部に上記第１実施形態で示したＬＥＤチップ２０を用いた例について示したが、本発明はこれに限らず、上記第１実施形態の変形例および上記第２実施形態で示したＬＥＤチップ４５および５０などを用いてＬＥＤランプを形成してもよい。
また、上記第３実施形態では、青色光を発光するＬＥＤチップ２０と黄色に発色する蛍光体７６を含有する封止部７５とを組み合わせることにより白色光を発するＬＥＤランプ７０を形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、発光波長ピークが約３５０ｎｍ〜約４１０ｎｍの紫外光を発光するＬＥＤチップと、青色、赤色および黄色に発色する蛍光体が所定の割合で混入された封止部（シリコン樹脂モールド）とを組み合わせることにより白色光を発するＬＥＤランプを形成してもよい。
また、上記第１〜第３実施形態では、バルブ金属としてＡｌからなる金属膜３０を用いて多孔質膜３０ａを形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、Ａｌ以外の、たとえばＴａ、ＮｂおよびＴｉなどのバルブ金属を用いて多孔質膜を形成してもよい。
また、上記第１〜第３実施形態では、細孔３１が多孔質膜３０ａを貫通せずに底部３１ａを有するように形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、細孔３１が多孔質膜３０ａを完全に貫通するように構成してもよい。この場合、多孔質膜の厚みを調整することによって、細孔（貫通孔）の長さを最適化することができるので、本発明および上記実施形態と同様の効果が得られる。
また、上記第１〜第３実施形態では、窒化物系化合物半導体からなる半導体発光素子層により半導体発光装置（ＬＥＤチップ２０など）を形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、ＺｎＯ系化合物半導体を用いた半導体発光素子層により半導体発光装置（ＬＥＤチップ）を形成してもよい。
また、上記第１〜第３実施形態におけるＬＥＤチップでは、ｎ型ＧａＮ基板２１をｎ型クラッド層１１から除去せずにｎ型ＧａＮ基板２１の下面上にｎ側オーミック電極１５を設けた例について示したが、本発明はこれに限らず、ｎ型ＧａＮ基板２１をｎ型クラッド層１１から完全に除去した後にｎ型クラッド層１１の下面上にｎ側電極（ｎ側オーミック電極１５）を形成してもよい。
また、上記変形例においてｎ型ＧａＮ基板２１に相当する成長用基板にサファイア基板８１などの導電性を有しない成長用基板を使用する場合、図２０に示すような素子構造を有するＬＥＤチップ８０を形成してもよい。具体的には、図２０に示すように、導電性を有しないサファイア基板８１上に半導体発光素子層１４などを形成した後に、ｐ型クラッド層１３からｎ型クラッド層１１に向かって所定の深さだけエッチングを行うことにより、底部がｎ型クラッド層１１の部分まで達する段差部１１ａを形成して露出させる。そして、露出した段差部１１ａ上に、真空蒸着法を用いてｎ側オーミック電極８２を形成するようにしてもよい。また、他の変形例として図２１に示すＬＥＤチップ９０のように、サファイア基板８１の下面側（Ｃ１方向側）を光の出射面とするとともに、サファイア基板８１の下面上に、多孔質膜３０ａを形成してもよい。
４、１４ 半導体発光素子層
６ 第２電極（電極）
７、１７ 絶縁膜
８、３０ａ 多孔質膜
９、３１ 細孔
１６、４６、５１ ｐ側パッド電極（電極）
７５ 封止部（波長変換部）
７６ 蛍光体
６ 第２電極（電極）
７、１７ 絶縁膜
８、３０ａ 多孔質膜
９、３１ 細孔
１６、４６、５１ ｐ側パッド電極（電極）
７５ 封止部（波長変換部）
７６ 蛍光体
Claims (5)
- 半導体発光素子層と、
前記半導体発光素子層の光の出射方向側の表面上に形成された多孔質膜とを備え、
前記多孔質膜は、膜の厚み方向に延びるように形成された複数の細孔を含む、半導体発光装置。 - 前記複数の細孔は、平面的に見て、異なる間隔を隔てて不規則的に配置されている、請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記半導体発光素子層の光の出射方向側の前記表面上に形成された電極をさらに備え、
前記多孔質膜は、少なくとも一部が前記電極の表面上に重なるように配置される、請求項１または２に記載の半導体発光装置。 - 前記電極上に形成された絶縁膜をさらに備え、
前記多孔質膜は、前記絶縁膜を介して前記電極の表面上に形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。 - 光の波長を変換する蛍光体を含む波長変換部をさらに備え、
前記波長変換部は、前記多孔質膜の前記細孔内に充填されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
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