JP2010225945A

JP2010225945A - 発光素子及びその製造方法

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Publication number: JP2010225945A
Application number: JP2009072930A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Niimura; 忠新村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】光取り出し効率が改善された発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板１０上に、発光層１４を有する半導体層１７を結晶成長する工程と、前記半導体層の表面に、前記発光層からの放出光を透過可能な導電膜を形成するためのコート材１８を塗布する工程と、凹凸を有するモールド２６を前記コート材に押しつけることにより前記凹凸を転写する工程と、前記コート材を焼成して、前記導電膜１８、１８ａを形成する工程と、を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法及びこれを用いた発光素子が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。

照明装置及び表示装置などに用いる発光素子には、高輝度であることが要求される。発光素子の光取り出し面に、微小凹凸を形成し粗面化すると光取り出し効率が改善可能となる。例えば、表面がＡｌＧａＡｓなどの場合、フロスト処理などにより微小凹凸を形成することができる。

微小凹凸のピッチが放出光の波長よりも長い場合、放出光は幾何光学的にその進行方向が決定される。他方、微小凹凸のピッチが波長よりも短くなると、放出光は回折などを生じるやすくなり波動光学的に振る舞う。この場合、微小凹凸領域の屈折率はその形状に応じて変化する。すなわち形状で決定される実効屈折率を有する誘電体が均一に充填されたものとして扱うことができる。

表面に凹凸を有する発光素子の技術開示例がある（特許文献１）。この例では、半導体多層構造の表面は窒化アルミニウムにより構成され、その表面には平均ピッチが光の媒質内波長の半分以下の凹凸が形成されている。
しかしながら、エッチング法などを用いて窒化アルミニウムの表面に微小凹凸を形成する製造方法はその制御性及び量産性きが十分であるとは言えない。

特開２００６−２５３１７２号公報

光取り出し効率が改善された発光素子及びその製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、基板上に、発光層を有する半導体層を結晶成長する工程と、前記半導体層の表面に、前記発光層からの放出光を透過可能な導電膜を形成するためのコート材を塗布する工程と、凹凸を有するモールドを前記コート材に押しつけることにより前記凹凸を転写する工程と、前記コート材を焼成して、前記導電膜を形成する工程と、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。

また、本発明の他の一態様によれば、基板と、前記基板上に設けられ、発光層を有する半導体層と、前記半導体層の上に設けられ、凹凸を介して前記発光層からの放出光を放出可能とする導電膜と、前記凹凸の領域の一部に設けられた電極と、を備えたことを特徴とする発光素子が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、基板と、前記基板の上に設けられ、前記基板を透過可能な放出光を放出する発光層を有する半導体層と、前記半導体層の上に設けられ、第１の凹凸を介して前記放出光を放出可能とする第１の導電膜と、前記第１の凹凸の領域の一部に設けられた第１の電極と、前記基板の下に設けられ、第２の凹凸を介して前記放出光を放出可能とする第２の導電膜と、前記第２の凹凸の領域の一部に設けられた第２の電極と、を備えたことを特徴とする発光素子が提供される。

光取り出し効率が改善された発光素子及びその製造方法が提供される。

第１の実施形態にかかる発光素子の模式図本実施形態の製造方法の工程断面図比較例にかかる発光素子のＩＴＯ加工プロセスを説明する模式断面図屈折率の分布を表すグラフ図矩形凹凸の平面配置の例を表す模式図第１の実施形態の変形例の模式断面図第２の実施形態にかかる発光素子の模式図第２の実施形態の製造方工程のフロー図

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、第１の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
ＧａＡｓなどからなる基板１０の上に、半導体層１７が設けられている。半導体層１７は、ｎ型クラッド層１２、発光層１４、及びｐ型クラッド層１６を含み、その第１の面１７ａ側が基板１０と隣接している。発光層１４をＩｎＧａＡｌＰ系材料とすると、波長が可視光範囲の光を放出可能である。もし、基板１０をＧａＰなど透光性材料とすると、下方または側方から光を取りだし、より高出力とできる。

なお、本明細書において、ＩｎＧａＡｌＰ系材料とは、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。

半導体層１７は、発光層１４がバンドギャップの大きなｐ型及びｎ型クラッド層１６、１２により挟まれたダブルヘテロ接合を有する。発光層１４は、バンドギャップ及び発光波長が所定の範囲となるようにその組成が決定される。この場合、井戸層と障壁層とが交互に積層されたＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とすると、発光波長の制御及び動作電流の低減が容易となるので好ましい。

半導体層１７の第２の面１７ｂには、電気伝導性を有し、かつ発光層１４からの放出光に対して透光性を有する導電膜１８が設けられている。導電膜１８は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウム錫)、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide：酸化インジウム亜鉛)、酸化亜鉛などの金属酸化物や、窒化チタンなどの金属窒化物、その他金属化合物などとすることができる。なお、以下の本実施形態において、導電膜１８は、ＩＴＯからなるものとして説明する。

導電（ＩＴＯ）膜１８の表面の光取り出し面としない領域にはｐ側電極２０、基板１０の裏面にはｎ側電極２２がそれぞれ設けられる。ｐ側電極２０から注入された電流Ｊ１はＩＴＯ膜１８で広げられたのち縦方向へ流れ、発光領域Ｆにおいて発光を可能とする。発光層１４から上方への放出光Ｇ１は、ｐ側電極２０の非形成領域とされる光取り出し面１８ｃから取り出し可能となる。

また、本実施形態では、ＩＴＯ膜１８の表面に、高さＨの凹凸１８ａが形成されている。この凹凸１８ａは周期構造に限定されず、非周期構造であってもよい。本明細書において、周期構造及び非周期構造のピッチＰは、山（位置Ｘ２）から山、または谷（位置Ｘ１）から谷の長さの平均値と定義する。

なお、ｐ側電極２０からの電流Ｊ１は、ＩＴＯ膜１８のうち凹凸１８ａが形成されていない下方領域を図１の横方向へ拡散され、広がって縦方向に流れる電流ＪＴとなる。すなわち、横方向への電流経路が確保可能なように、ＩＴＯ膜１８の厚さと凹凸１８ａの高さＨとの差を適正に保つことが好ましい。

また、図１（ａ）のチップが実装部材にマウントされ、チップを覆うように透光性を有する封止樹脂２４が塗布される。なお、発光層１４からの放出光がｐ型クラッド層１６からＩＴＯ膜１８へ入射する角度を、図１（ｃ）のように入射角θｉで表す。

図２は、第１の実施形態の製造方法を表す工程断面図である。
図２（ａ）のように、基板１０の上に、ＩｎＡｌＰまたはＩｎＧａＡｌＰなどからなるｎ型クラッド層１２（厚さ：０．６μｍ）、発光層１４、及びＩｎＡｌＰまたはＩｎＧａＡｌＰなどからなるｐ型クラッド層１６（厚さ：０．６μｍ）が、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法などを用いて結晶成長したエピタキシャルウェーハ３０が形成される。

また、発光層１４を、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘ）_０．５ＰからなるＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とすると、発光波長の制御及び動作電流の低減が容易となる。ＭＱＷの構造は、例えば、ｘ＝０．９６かつ幅５ｎｍの井戸層と、ｘ＝０．２かつ幅８ｎｍの障壁層と、を複数配置すると実現できる。

続いて、スピンコート法を用いて、半導体層１７の第２の面１７ｂにＩＴＯ膜となるペースト１８を塗布する。ペースト１８は、樹脂バインダーやアルコールなどの溶剤のなかにＩＴＯの微粒子が分散されたものである。このようなペースト１８を焼成することにより、ＩＴＯ膜１８を形成することができる。ただし、本実施形態においては、ペースト１８を焼成する前に、凹凸が形成されたモールド（型）２６を押しつけることにより（図２（ｂ））、ＩＴＯ膜１８に凹凸を転写し（図２（ｃ））、そののち焼成を行う。または、基板１０を加熱しつつ加圧すると、パターンの転写とＩＴＯ膜１８の焼成を同時におこなうことができる。いずかの方法により、図２（ｄ）のように凹凸１８ａが形成される。なお、モールド２６の凹凸は、フォトリソグラフィー法及びドライエッチング法などを用いることにより形成可能である。

続いて、ｐ側電極２０及びｎ側電極２２を形成すると、図２（ｅ）に表す発光素子が完成する。ｐ側電極２０は、高さＨの凹凸１８ａの段差を埋め込むように厚く設けることが好ましい。

一般に、ＩＴＯ膜１８はスパッタリング法や蒸着法などで形成することができる。この場合、２５０℃以上で成膜を行うか、または低温で形成した非晶質の膜を２００〜５００℃の範囲で熱処理を行うと多結晶化したＩＴＯ膜とし低抵抗とできる。このために、発光層１４の面内に電流を広げることができる。

しかしながら、このようにして得られた結晶質ＩＴＯ膜は、薬品耐性が高く、溶液エッチングが困難となることが多い。例えば、非晶質ＩＴＯ膜の代表的なエッチャントである蓚酸では、抵抗率の低い結晶質ＩＴＯ膜をエッチングすることができない。結晶質ＩＴＯ膜のエッチングは、フッ酸や塩酸など強酸を用いて行うことができ、その加工速度は、酸濃度やエッチング溶液温度が高くなるほど速くできる。しかしながら、これらの酸によるＩｎＧａＡｌＰ層のエッチングレートは、ＩＴＯ膜のエッチングレートに比べて略２桁以上大きい。

図３は、比較例にかかる発光素子のＩＴＯ加工プロセスを説明する模式断面図である。
比較例では、スパッタリング法や蒸着法などで形成した結晶質のＩＴＯ膜を形成し凹凸を形成するものとする。フォトレジスト１５０を用いて、ＩｎＧａＡｌＰからなるクラッド層１５６上のＩＴＯ膜１５２を塩酸によりウェットエッチングする場合、もしクラッド層１５６が露出するとアンダーカット量が本図のように大きくなり所望の凹凸形状を形成することが困難となる。

これに対して、本実施形態では、スピンコート法を用いて塗布されたペースト（コート材）１８に、モールド２６を押しつけてその凹凸を転写する。すなわち、クラッド層を露出すること無くＩＴＯ膜となるペースト１８に凹凸１８ａを確実に形成可能である。さらに、モールド２６を一旦用意しておけば、簡素な工程により凹凸１８ａが形成できるので、発光素子製造工程の量産性を高めることが容易となる。
なお、本実施形態において、ＩＴＯ膜１８となるペースト（コート材）１８の塗布の方法は、スピンコート法には限定されず、その他、スクリーン印刷、インクジェット印刷、ワイヤーオーバーコート、ブレードコート、ロールコート、ディップコートをはじめとした各種の塗布方法を用いることができる。

次に、ＩＴＯ膜の表面に設けられた凹凸の作用について説明する。
凹凸のピッチＰが媒質内波長λｍよりも長い場合、光の反射や屈折に関しては、光を直進する光束として扱う幾何光学に従うと考えることができる。この場合、凹凸の断面において、光束がより広い角度範囲に放射可能となるので、全反射される角度範囲を狭くすることができ、光取り出し効率が改善される。また、表面の凹凸により薄膜干渉を抑制することが容易となる。

他方、ピッチＰが媒質内波長λｍよりも短い場合、放出光は回折や散乱を生じ、幾何光学よりも波動光学の法則に基づいて従うと考えることができる。すなわち、凹凸１８ａ領域は実効屈折率ｎ_ｅｆｆを有する媒質が上方からみて均一に一様に分布しているとして扱うことができる。なお、媒質内波長λｍ近傍では、波動光学性と幾何光学性の両面が現れる。

図４は、屈折率ｎの分布を表すグラフ図である。すなわち、図４（ａ）は本実施形態、図４（ｂ）は比較例である。
ＩＴＯ膜１８の屈折率は略２．０、ｐ型クラッド層１６の屈折率は略３．３、封止樹脂２４の屈折率は略１．３とする。
実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、含まれている媒質の構成比率により変化するので、縦方向への相対距離Ｘに応じて変化する（グレーデッド・インデックス：ＧＩ）。他方、凹凸領域が形成されない場合、図４（ｂ）のように屈折率は、ＩＴＯ膜１８と封止樹脂２４との界面で階段状に変化する。なお、媒質内波長λｍは、λ_０／ｎ_ｅｆｆから求められる（λ_０：自由空間波長）。例えば、波長が６４０ｎｍの赤色光の場合、屈折率が２．０のＩＴＯ膜中における媒質内波長λｍは、３２０ｎｍに短縮される。

屈折率がｎ１である媒質から屈折率がｎ２である媒質への入射角θｉが略ゼロと見なせる場合、フレネルの式を用いると、その界面におけるパワー反射率Ｒは、近似的に式（１）で表すことができる。

Ｒ＝［（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２）］^２式（１）

すなわち、パワー反射率Ｒは、屈折率差（ｎ１−ｎ２）に対して２次関数的に増大する項を有しており、屈折率がｎ１からｎ２に変化する構造において、屈折率を数段階に分割して変化させると、パワー反射率Ｒの低減が容易となることを表している。特に、凹凸により屈折率がｎ１からｎ２に変化するＧＩ領域を形成すると、パワー反射率を低減し、光取り出し効率を高めることがより容易となる。

なお、ピッチＰが大きすぎるとＧＩ領域としての効果が低下し、ピッチＰが小さすぎるとその形成プロセスが困難となる。また、凹凸１８ａのピッチＰを媒質内波長λｍ以下とすると、光取り出し面側からみてＩＴＯ膜１８はより均一な実効屈折率となり放射パターンが凹凸断面に依存しないようにできるので好ましく、媒質内波長λｍの４分の１から４分の３の範囲とするとより好ましい。短いピッチＰのパターンを、リソグラフィー法を用いてウェーハ毎に形成すると量産性を高く保つことは容易ではないが、本製造方法では、モールドを精度良く形成することにより微小凹凸が高い量産性で形成可能である。

図５は、矩形断面状凹凸の平面配置の例を表す模式図である。すなわち、図５（ａ）はストライプ状パターン、図５（ｂ）は矩形パターンの２次元配置、図５（ｃ）はＡ−Ａ線に沿った断面図である。
断面形状は、図１（ｂ）のような正弦波状に限定されることなく、例えば本図のように矩形状や階段状断面であってもよい。図５（ａ）では、ストライプ状の凸部１８ｂが、媒質内波長λｍよりも短いピッチＰで平行配置されている。また、図５（ｂ）では、矩形平面を有する凸部１８ｂが２次元的に、ピッチＰ１及びピッチＰ２を有して配置されている。図５（ｃ）は、Ａ−Ａ線に沿った断面図である。図５の凹凸の場合、屈折率ｎの分布は、例えば図４（ａ）の破線のようになる。すなわち、凹凸断面形状及び平面パターンを変化すると実効屈折率の分布を変えることができる。

図６は、第１の実施形態の変形例の模式図である。すなわち、図６（ａ）は断面図、図６（ｂ）は凹凸近傍の拡大断面図、である。
本実施形態では、半導体層１７は、ｎ型クラッド層１２、発光層１４、ｐ型クラッド層１６、及び電流拡散層２９を有している。電流拡散層２９は、例えば、ｐ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐ（厚さ：１．５μｍ、キャリア濃度：１．５×１０^１８ｃｍ^−３）からなり、ｐ型クラッド層１６と、ＩＴＯ膜１８と、の間に設けられる。ｐ側電極２０からの電流Ｊ２は、主として電流拡散層２９を横方向に流れ、発光領域Ｆを広げることができる。このために、ＩＴＯ膜１８は横方向へ電流を必ずしも流す必要はない。このために、凹凸１８ａの高さＨは、ＩＴＯ膜１８の厚さまで大きくすることが可能となる。すなわち、ＧＩ領域を形成可能な厚みを有していればよいことになる。

図７は、第２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７（ａ）は平面図、図７（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
本実施形態は、発光層１４を有する半導体層１７と、発光層１４からの放出光を透過可能であり、かつ半導体層１７の第１の面１７ａの側に設けられた基板６０と、基板６０の裏面に設けられ、放出光を透過可能であり、かつ凹凸１９ａを有する第１の導電膜１９と、半導体層１７の第２の面１７ｂの側に設けられ、放出光を透過可能であり、かつ凹凸１８ａを有する第２の導電膜１８と、を備えている。

基板６０は、例えばＧａＰなどとする。また、半導体層１７は、ＩｎＧａＡｌＰなどからなるｎ型クラッド層１２、発光層１４、及びＩｎＧａＡｌＰなどからなるｐ型クラッド層１６を有する。さらに、ＩＴＯ膜１９を介して発光層１４へ電流を供給可能なｎ側電極６２が設けられている。

また、ｐ側電極２０は、ワイヤボンディングのためのパッド部２０ａと、細線部２０ｂ、とを有している。細線部２０ｂはパッド部２０ａと接続されているので電流をＩＴＯ膜１８に注入可能であり、発光領域Ｆを広げることができる。細線部２０ｂの幅は、例えば３〜１０μｍとすることができる。また、パッド部２０ａの直径は、例えば７０〜１５０μｍとすることができる。このようにして、光取り出し面１８ｃは、ｐ側電極２０の非形成領域とされる。本実施形態ではチップの両面から光を放出可能であるので、光出力をより高めることが容易となる。

図８は、第２の実施形態にかかる発光素子の製造工程のフロー図である。
ＧａＡｓのような基板上に、格子整合が容易な半導体層１７をＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などを用いて結晶成長する（Ｓ１００）。

透光性を有するＧａＰなどの基板６０と、ＧａＡｓ基板上に形成された半導体層１７と、を重ね合わせて加熱接着する（Ｓ１０２）。ＧａＰ基板とＩｎＧａＡｌＰ系半導体とは、格子が不整合であり直接結晶成長することが困難である。このように発光層１４を含む半導体層１７を形成したのち、ＧａＰ基板と接着することが好ましい。

続いて、ＧａＡｓ基板を除去し（Ｓ１０４）、ＧａＰ基板を、例えば２００μｍに薄層化する（Ｓ１０６）。

続いて、スピンコート法を用いてＩＴＯ膜１９となるペースト（コート材）１９を塗布し、モールド２６の凹凸を転写し凹凸１９ａを形成する（Ｓ１０８）し、さらにｎ側電極６２を形成する（Ｓ１１０）。なお、ｎ側電極６２は、下方からみて円環状のパターンとしてもよい。

続いて、ｎ側電極６２とは反対側の半導体層１７の面１７ｂに第２のＩＴＯ膜１８となるペースト（コート材）１８を塗布し、モールド２６の凹凸を転写し凹凸１８ａを形成し（Ｓ１１２）、さらに、ｐ側電極２０を形成する（Ｓ１１４）。このようにして、第２の実施形態の発光素子が完成する。

本製造方法によれば、スピンコート法を用いてＩＴＯ膜を塗布し、かつモールド転写を行うことにより、ウェーハの両面に凹凸を有する透光性導電膜が量産性高く形成できる。

第１及び第２の実施形態及びこれに付随する変形例において、発光層１４はＩｎＧａＡｌＰからなるものとしたが、本発明はこれに限定されず、例えばＧａＡｌＡｓ系またはＩｎＧａＡｌＮ系半導体としてもよい。また、導電型は、本実施形態に限定されず、反対の導電型であってもよい。

第１及び第２の実施形態にかかる発光素子は高出力（高輝度）を得ることが容易であり、照明装置、表示装置、及び信号機などの用途に広く用いることができる。

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。本発明を構成する発光層、半導体層、凹凸、透明電極、電極、及びモールドのサイズ、形状、材質、及び配置などに関して、当業者が各種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。

１０基板、１４発光層、１７半導体層、１８、１９導電膜（ペースト、コート材）、１８ａ、１９ａ凹凸、２０、６２電極、２６モールド、６０基板、λｍ媒質内波長、Ｐピッチ、Ｇ１、Ｇ２放出光

Claims

基板上に、発光層を有する半導体層を結晶成長する工程と、
前記半導体層の表面に、前記発光層からの放出光を透過可能な導電膜を形成するためのコート材を塗布する工程と、
凹凸を有するモールドを前記コート材に押しつけることにより前記凹凸を転写する工程と、
前記コート材を焼成して、前記導電膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法。
転写による凹凸が設けられた領域のうち、前記放出光の取り出し面を除いた領域に電極を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
前記転写による凹凸のピッチは、前記導電膜内における前記放出光の媒質内波長以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子の製造方法。
前記導電膜は、酸化インジウム錫、酸化インジウム亜鉛、酸化亜鉛、及び窒化チタンのいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載に発光素子の製造方法。
基板と、
前記基板上に設けられ、発光層を有する半導体層と、
前記半導体層の上に設けられ、凹凸を介して前記発光層からの放出光を放出可能とする導電膜と、
前記凹凸の領域の一部に設けられた電極と、
を備えたことを特徴とする発光素子。
前記凹凸は、前記導電膜内における前記放出光の媒質内波長以下のピッチを有することを特徴とする請求項５記載の発光素子。
前記導電膜は、酸化インジウム錫、酸化インジウム亜鉛、酸化亜鉛、及び窒化チタンのいずれかを含むことを特徴とする請求項５または６に記載の発光素子。
基板と、
前記基板の上に設けられ、前記基板を透過可能な放出光を放出する発光層を有する半導体層と、
前記半導体層の上に設けられ、第１の凹凸を介して前記放出光を放出可能とする第１の導電膜と、
前記第１の凹凸の領域の一部に設けられた第１の電極と、
前記基板の下に設けられ、第２の凹凸を介して前記放出光を放出可能とする第２の導電膜と、
前記第２の凹凸の領域の一部に設けられた第２の電極と、
を備えたことを特徴とする発光素子。
前記第１の凹凸は、前記第１の導電膜内における前記放出光の媒質内波長以下のピッチを有し、
前記第２の凹凸は、前記第２の導電膜内における前記放出光の媒質内波長以下のピッチを有することを特徴とする請求項８記載の発光素子。