JP2010087292A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の発光素子は、基板10と、基板10の表面上に設けられ発光層24を有する化合物半導体層20と、基板10の裏面に形成される凹部12と、凹部12の内部に配置され発光層24が発する光により励起されると当該光と異なる波長の光を発する蛍光体40と、凹部12を覆い蛍光体40が発する光に対して透過性を有し無機材料からなる透明層30と、を備える。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の第1の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。また、図2は、本発明の第1の実施形態の発光素子の裏面の概要を示す。
第1の実施形態の発光素子1は、図1に示すように、裏面(図1中下面)に凹部12を有する基板10と、基板10の表面(図1中上面)上の所定の領域に設けられる化合物半導体層20とを備える。化合物半導体層20は、基板10上に設けられるn型コンタクト層21と、n型コンタクト層21上に設けられるn型クラッド層22と、n型クラッド層22上に設けられる発光層24と、発光層24上に設けられるp型クラッド層26と、p型クラッド層26上に設けられるp型コンタクト層27とを有する。発光素子1の凹部12には、蛍光体40を含むバインダー50が充填され、基板10の裏面に当該裏面を覆って凹部12を遮蔽する透明層30を備えられている。さらに、発光素子1は、p型コンタクト層27上に、p側電極60と、p側電極60上の一部の領域に設けられるp側パッド電極61とを備える。また、発光素子1は、p型コンタクト層27からn型コンタクト層21の一部まで除去されて露出したn型コンタクト層21の表面に、n側電極65を備える。
基板10は、光透過性を有し、導電性を有する化合物半導体基板である。基板10は、一例として、c面((0001)面)を主面とする窒化ガリウム(GaN)基板である。また、基板10としては、屈折率が2.4であるGaN基板の他に、屈折率が2.6であるシリコンカーバイド(SiC)基板、屈折率が1.9であるノンドープの酸化亜鉛(ZnO)基板、屈折率が1.9である酸化ガリウム(Ga2O3)基板を用いることができる。ここで、化合物半導体層20をGaN系半導体(屈折率:2.4)から形成する場合、基板10としては、GaN系半導体の屈折率に近い屈折率を有するGaN基板又はSiC基板を用いることが好ましい。また、GaN系半導体からなる化合物半導体層20を基板10上に形成する場合、バッファ層を形成せずに結晶性の良い化合物半導体層20を形成すべく、GaN基板を用いることが好ましい。尚、基板10は、導電性を有していなくてもよいし、不純物がドープされていてもノンドープであってもよい。
化合物半導体層20は、具体的に、基板10上に設けられる第1導電型のn型コンタクト層21と、n型コンタクト層21上に設けられ第1導電型の第1半導体層としてのn型クラッド層22と、n型クラッド層22上に設けられる発光層24と、発光層24上に設けられ第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体層としてのp型クラッド層26と、p型クラッド層26上に設けられるp型コンタクト層27とを有する。本実施形態においては、化合物半導体層20の各層は、InXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y<1)で示される窒化物化合物半導体から形成される。
蛍光体40は、発光層24が発する光により励起されると当該光とは異なる波長の可視光を放射する。本実施形態においては、蛍光体40として、発光層24が発する青色光により励起されると、黄色領域の光を発するYAG(Yttrium Aluminum Garnet)が用いられる。尚、蛍光体40は、ケイ酸塩蛍光体、YAGとケイ酸塩蛍光体を所定の比率で混合した混合物等を用いることもできる。蛍光体40は、バインダー50に添加されてバインダー50中に分散される。
また、青色光により励起される赤色蛍光体としては、例えば(Ca,Sr)S:Eu等が挙げられる。また、紫外光により励起される赤色蛍光体としては、例えばLa2O2S:Eu,Sm(YOS:Eu),Ba3MgSi2O8:Eu2+、Mn2+等が挙げられる。また、青色光及び紫外光により励起される赤色蛍光体としては、例えばCaAlSiN3:Eu2+等が挙げられる。
また、青色光により励起される緑色蛍光体としては、例えば(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+等が挙げられる。また、紫外光により励起される緑色蛍光体としては、例えば3(Ba,Mg,Eu,Mu)O・8Al2O3等が挙げられる。
また、紫外光により励起される青色蛍光体としては、例えば(Sr,Ca,Ba,Eu)10(PO4)6・Cl2、(Ba、Sr、Ca)10(PO4)6C13:Eu2+等が挙げられる。
透明層30は、凹部12の開口を被覆して、凹部12内の蛍光体40を含有したバインダー50を外部から遮蔽する。透明層30は、水分、酸素等を発光素子1の外部と遮断する機能を有する。透明層30は、蛍光体40が放射する可視光に対して所定の透過率を有する酸化物材料又は窒化物材料からなり、当該可視光の少なくとも一部を透過する。例えば、透明層30は、酸化物材料としての二酸化シリコンからなる膜(SiO2膜)、窒化物材料としての窒化ケイ素からなる膜(SixNy、例えば、Si3N4膜)、酸化物材料且つ窒化物材料であり酸窒化物材料としてのシリコン酸窒化膜(SiON膜)等から形成することができる。
図3及び図4は、本発明の第1の実施形態の発光素子の製造工程の概要を示す。
まず、図3(a)に示すように、基板10上に化合物半導体層20が形成されたエピタキシャル基板を準備する。エピタキシャル基板は、ノンドープのGaNからなる基板10上に、n+−GaNからなるn型コンタクト層21と、n−AlGaNからなるn型クラッド層22と、発光層24と、p−AlGaNからなるp型クラッド層26と、p+−GaNからなるp型コンタクト層27とがこの順にエピタキシャル成長されて形成される。
次に、図3(b)に示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、化合物半導体層20のp型コンタクト層27の表面からn型コンタクト層21の一部までを除去する。すなわち、p+−GaNから形成されるコンタクト層27の表面からn+−GaNから形成されるn型コンタクト層21の一部までエッチングにより除去して、メサ形状を形成する。この後、図3(c)に示すように、フォトリソグラフィー法及びスパッタ法又は真空蒸着法を用いて、p型コンタクト層27の表面にp側電極60を形成した後、p側電極60上の一部にp側パッド電極61を形成する。また、露出したn型コンタクト層21の表面の所定の領域にn側電極65を形成する。
次に、図4(a)に示すように、基板10における化合物半導体層20が形成されている面の反対の面に、凹部12を形成する。凹部12は、基板10がGaNから形成されている場合、所定のエッチャントを用いてウェットエッチング又はドライエッチングにより形成する。これにより、最深部の底面12bと、この底面12bに連続的に形成され開口へ向かって拡がるよう傾斜した斜面12aと、を含む凹部12が、基板10に形成される。尚、凹部12をエッチングにより形成する場合、エッチングにより露出する面であるので、斜面12a及び底面10bはそれぞれ略平坦な面となる。
続いて、図4(b)に示すように、蛍光体40を含有するバインダー50を、ポッティング等により凹部12に充填する。尚、バインダー50が十分な流動性を有する場合、バインダー50が有する自己水平性(セルフレべリング)を利用して、バインダー50の表面を略平坦にできる。バインダー50を凹部12内に充填した後、バインダー50を加熱して硬化させる。
次に、図4(c)に示すように、バインダー50が充填された凹部12の開口側に、透明層30を形成する。透明層30は、例えば、ゾルゲル法、真空蒸着法、スパッタ法等の成膜法を用いて形成する。これにより、凹部12内の蛍光体40を外部から遮蔽する透明層30が形成される。以上の各工程を経て、白色LEDチップとしての発光素子1が製造される。
図5(a)及び(b)は、本発明の第1の実施形態の発光素子の使用例を示す。
本発明の第1の実施形態の発光素子1によれば、凹部12に充填された蛍光体40を含有するバインダー50は、透明層30により外部から遮蔽される。これにより、本実施形態によれば、空気中に含まれる水分等が凹部12に侵入することはなく、水分等により蛍光体40が変質・分解することを抑制できるので、発光素子1の経時劣化を抑制することができる。そして、凹部12を透明層30によって覆ったので、透明層30側からも光を取り出すことができる。これにより、本実施の形態においては、FU型又はFC型のいずれの搭載形態も採用することができる発光素子1を提供できると共に、透明層30における光の損失を低減できる。
第1の実施形態において、n型コンタクト層21上にn側電極65を形成したものを示したが、n側電極65を導電性を有する基板10に直接形成するようにしてもよい。
図10は、本発明の第2の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。また、図11は、本発明の第2の実施形態の発光素子の裏面の概要を示す。
図12は、本発明の第3の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。
第3の実施形態の発光素子1bは、透明層30を形成する材料を蛍光体40aのバインダーとする点が、主に第1の実施形態の発光素子1と異なっている。この発光素子1bの製造方法について説明する。
本実施形態においては、バインダー無しで蛍光体40を凹部12内に圧入する圧入工程と、蛍光体40が圧入された凹部12上に透明層30の原料を塗布する塗布工程と、塗布した原料から、透明層30を形成する透明層形成工程とを含む。
図13は、本発明の第4の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。また、図14は、本発明の第4の実施形態の発光素子の裏面の概要を示す。
図15は、本発明の第4の実施形態の変形例の発光素子の断面の概要を示す。
第4の実施形態の変形例の発光素子1dは、第4の実施形態の発光素子1cとは凹部の数が異なる点が、第4の実施形態の発光素子1cと異なっている。第4の実施形態の変形例の発光素子1dは、基板11の裏面10bに複数の凹部18a,18b,18cが形成される。各凹部18a,18b,18cは、図11において説明した第2の実施形態の発光素子1aと同様の構成となっている。
図16は、本発明の第5の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。
第5の実施形態の発光素子1eは、凹部12にバインダー50が充填されていない点が、主として第1の実施形態の発光素子1と異なっている。本実施形態においては、図16に示すように、蛍光体40を含有するバインダー50は凹部12の底部側に所定の厚さだけ塗布されており、バインダー50は凹部12の全体に充填されてはいない。そして、透明層30は、バインダー50の表面にのみ設けられる。
図17は、本発明の第6の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。
第6の実施形態の発光素子1fは、凹部12内に複数の蛍光体層を備える点が、主として第1の実施形態と異なっている。第6の実施形態の発光素子1fは、凹部12内が第1蛍光体層44と第2蛍光体層44とにより充填される。第1蛍光体層44は、第1蛍光体42を含有するバインダー50を、凹部12の底部側に充填して形成される。また、第2蛍光体層45は、第2蛍光体43を含有するバインダー50を、凹部12の第1蛍光体層44上で凹部12の開口側に充填して形成される。
図18は、本発明の第7の実施形態の発光素子の部分断面の概要を示す。
第7の実施の形態の発光素子1gは、凹部12を覆う透明層がDBR構造を有する点が、主として第1の実施形態と異なっている。第7の実施形態の発光素子1gは、発光層24が発する光に対して所定の反射率を有するDBR層32を基板10の裏面に備える。DBR層32は、互いに異なる屈折率の第1透明層32a及び第2透明層32bのペアを所定の繰り返し単位数だけ含んだ積層構造とされる。なお、第1透明層32a及び第2透明層32bは、例えば、SiO2、TiO2、SiN及びSiONからなる群から選択される材料から形成できる。
図19は、本発明の第8の実施形態の発光素子の部分断面の概要を示す。
第8の実施の形態の発光素子1hは、DBR層32が保護層34を有して設けられ、DBR層32が開口33を有する点が、主として第7の実施形態と異なっている。第8の実施形態の発光素子1hのDBR層32は、基板10の裏面に形成されるSiO2等からなる保護層34と、保護層34上に発光層24が発する青色領域の光に対して所定の反射率を有するDBR構造とを含む。DBR層32のDBR構造は、互いに異なる屈折率の第1透明層32a及び第2透明層32bのペアを所定の繰り返し単位数だけ含んだ積層構造とされる。
10 基板
10b 底面
11 導電性基板
12、13、14、15、16 凹部
12a 斜面
12b 底面
17a、17b 凹部
18a、18b、18c、18d、18e、18f、18g、18h、18i 凹部
19a、19b、19c 凹部
20、20a 化合物半導体層
21 n型コンタクト層
22 n型クラッド層
23 n型半導体層
24 発光層
25 p型半導体層
26 p型クラッド層
27 p型コンタクト層
30 透明層
30a 侵入部
31 導電膜
32 DBR層
32a 第1透明層
32b 第2透明層
33 開口
34 保護層
40、42、43 蛍光体
40a 空隙
44 第1蛍光体層
45 第2蛍光体層
50 バインダー
60 p側電極
61 p側パッド電極
70 実装基板
80 接着剤
85 バンプ
111 バッファ層
112 n型コンタクト層
Claims (7)
- 基板と、
前記基板の表面上に設けられ、発光層を有する化合物半導体層と、
前記基板の裏面に形成される凹部と、
前記凹部の内部に配置され、前記発光層が発する光により励起されると当該光と異なる波長の光を発する蛍光体と、
前記凹部を覆い、前記蛍光体が発する光に対して透過性を有し、無機材料からなる透明層と、を備える発光素子。 - 前記凹部は、前記基板の前記裏面に、間隔をおいて複数形成される請求項1に記載の発光素子。
- 前記間隔は、前記各凹部の粗密が異なるように、前記基板の前記裏面の領域に応じて変化する請求項2に記載の発光素子。
- 前記各凹部は、
前記発光層が発する光により励起されると第1波長変換光を発する第1蛍光体が配置される第1凹部と、
前記発光層が発する光により励起されると前記第1波長変換光と異なる波長の第2波長変換光を発する第2蛍光体が配置される第2凹部と、を含む請求項3に記載の発光素子。 - 前記透明層は、前記発光層が発する光に対して反射性を有する請求項4に記載の発光素子。
- 前記無機材料は、導電性材料である請求項5に記載の発光素子。
- 前記無機材料は、酸化物又は窒化物である請求項6に記載の発光素子。
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