JP2011233754A - 発光素子及び発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型のサイドエミッタ型の発光素子及び発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る発光素子１は、基板１０と、基板１０の上に設けられ、活性層１５を有する化合物半導体層１１と、化合物半導体層１１の上に設けられ、化合物半導体層１１の表面から放射される活性層１４からの光を基板１０に水平な方向に向けて反射する反射部２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子及び発光素子の製造方法に関する。特に、本発明は、サイドエミッタ型の発光素子及び発光素子の製造方法に関する。

従来、発光ダイオードチップを有する表面実装型の発光ダイオードと、当該発光ダイオードの外周部分を覆い、当該発光ダイオードから入射した光を実装面に対して略平行光に変換するレンズと、当該発光ダイオードの上方部分を覆い、発光ダイオードからの光を実装面に対して略平行光に変換するミラーに表面を覆われたリフレクタと、円筒状の透光性部材を有し、レンズとリフレクタとが透光性部材を介して嵌合されている光学装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載の光学装置は、発光ダイオードチップの周囲にリフレクタが形成されているので発光ダイオードチップから放射される光はリフレクタによって反射される。これにより、特許文献１に記載の光学装置においては、発光ダイオードチップから放射される光の進行方向をリフレクタに反射される前後で異なる方向に変換することができる。

特開２００７−４２９３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光学装置は、発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）とは別にリフレクタを設けることを要するので、光学装置の小型化に限界がある。

したがって、本発明の目的は、小型のサイドエミッタ型の発光素子及び発光素子の製造方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、基板と、基板の上に設けられ、活性層を有する化合物半導体層と、化合物半導体層の上に設けられ、化合物半導体層の表面から放射される活性層からの光を基板に水平な方向に向けて反射する反射部とを備える発光素子が提供される。

また、上記発光素子において、反射部が、反射部の側面に開口を有し、反射部で反射された光が開口から外部に放射されることが好ましい。

また、上記発光素子において、反射部が、活性層への電流を注入する電極であることが好ましい。

また、上記発光素子において、反射部が、化合物半導体層側に凹部を有し、凹部の端に外部に開放されている開口が形成されることができる。

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、基板と、基板の上に設けられ、活性層を有する化合物半導体層とを有する半導体基板を準備する半導体基板準備工程と、凹部を有する反射部を準備する反射部準備工程と、凹部を半導体基板側に向けて反射部と半導体基板とを貼り合わせ、半導体基板と反射部とを一体化させる貼り合わせ工程とを備える発光素子の製造方法が提供される。

本発明に係る発光素子及び発光素子の製造方法によれば、小型のサイドエミッタ型の発光素子及び発光素子の製造方法を提供できる。

本発明の実施の形態に係る発光素子の斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程の一部を示す図である。 図２の（ｂ）の平面視による発光素子の製造工程の一部を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程で準備する反射部の図である。 （ａ）は本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程の貼り合わせ工程を示す図であり、（ｂ）は本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程の裏面電極形成工程を示す図であり、（ｃ）は本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程のチップ間分離工程を示す図である。 実施例に係る発光素子が搭載されたステムの図である。 （ａ）〜（ｆ）は、実施例に係る発光素子の光放射パターンを示す図である。 光放射パターンのθ軸及びφ軸の模式的な図である。

［実施の形態の要約］
サイドエミッタ型の発光素子において、基板と、前記基板の上に設けられ、活性層を有する化合物半導体層と、前記化合物半導体層の上に設けられ、前記化合物半導体層の表面から放射される前記活性層からの光を前記基板に水平な方向に向けて反射する反射部とを備える発光素子が提供される。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の斜視図の一例を示す。

本発明の実施の形態に係る発光素子１は、サイドエミッタ型の発光ダイオードである。すなわち、発光素子１は、基板１０と、基板１０上に設けられる化合物半導体層１１と、化合物半導体層１１の上に設けられ、化合物半導体層１１の表面の一部を露出させる露出領域３０ａを有する金属多層膜３０と、金属多層膜３０上に設けられ、露出領域３０ａに対応する部分に凹部２１０を有する反射部２０と、基板１０の裏面（すなわち、基板１０の化合物半導体層１１が設けられている面の反対側の面）に設けられる裏面電極４０と、反射部２０上に設けられる表面電極５０とを備える。

（基板１０及び化合物半導体層１１）
基板１０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓから構成することができる。また、化合物半導体層１１は、基板１０上に設けられる第１導電型のクラッド層としてのｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層１２上に設けられる活性層１４と、活性層１４上に設けられる第２導電型のクラッド層としてのｐ型クラッド層１６と、ｐ型クラッド層１６上に設けられるｐ型コンタクト層１８とを有する。化合物半導体層１１は、例えば、基板１０がＧａＡｓ系の化合物半導体から形成される場合、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ系（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の化合物半導体から形成することができる。

なお、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成される基板１０を用いる場合、化合物半導体層１１をＧａＮ系の化合物半導体から形成することもできる。また、基板１０と化合物半導体層１１との間にバッファ層を設けることもできる。更に、発光素子１の光取り出し効率の向上を目的として、基板１０と化合物半導体層との間、又はバッファ層と化合物半導体層１１との間に、互いに異なる屈折率を有する複数の化合物半導体膜の積層構造からなるＤＢＲ層、若しくは金属材料から構成される単一層又は複数層からなる金属反射層を設けることもできる。

（反射部２０）
反射部２０は、化合物半導体層１１の上に設けられる。そして、反射部２０は、化合物半導体層１１の表面から放射される活性層１４からの光を基板１０に水平な方向に向けて反射する。すなわち、反射部２０は、活性層１４又は基板１０に垂直な方向、つまり、基板１０の表面の法線方向に放射された光を、活性層１４又は基板１０に水平な方向に向けて反射させる。更に、反射部２０は、反射部２０の４つの側面のうちの一つの側面に光取出口としての開口２００を有する。反射部２０で反射された光は、開口２００から発光素子１の外部に放射される。

具体的に反射部２０は、銅板２２と銅板２２の表面に設けられるＡｕ膜２４とを有して構成される。より具体的に、反射部２０は、銅板２２の化合物半導体層１１側に凹部２１０を有する。凹部２１０は、開口２００に対して基板１０の水平方向に沿った反対側に湾曲部２１０ａを有する。すなわち、凹部２１０は、平面視にて馬蹄形状（すなわち、平面視にて、発光素子１の一の辺に水平な第一の部分と、当該一の辺の対辺に水平な第二の部分と、当該一の辺及び当該対辺に垂直な二つの辺のうち、一方の辺側に第一の部分の端部と第二の部分の端部とを結合する湾曲部分とを有した形状）を有する。更に、反射部２０は、化合物半導体層１１側の表面にＡｕ膜２４を有する。そして、凹部２１０の一端が発光素子１の外部に開放されており、この開放されている部分に開口２００が形成される。

なお、反射部２０を導電性材料から形成することで、反射部２０を、活性層１４へ電流を注入する電極として機能させることができる。また、本実施の形態において反射部２０は、銅板２２とは異なる導電性材料を用いて構成することもできる。更に、発光素子が、発光素子の上下方向（すなわち、基板１０の法線方向）に電流を流す形態の発光素子である場合、本実施の形態のように、銅板２２等の導電性材料を用いて反射部２０を構成することが好ましい。一方、発光素子の一方の側に正負両電極を設ける場合、導電性材料ではない材料を用いて反射部２０を構成することもできる。

（金属多層膜３０）
金属多層膜３０は、化合物半導体層１１の表面に設けられる。本実施の形態において金属多層膜３０は、ｐ型コンタクト層１８の表面の一部に設けられる。具体的に、金属多層膜３０は、ｐ型コンタクト層１８の表面に、発光素子１の上下方向にて、凹部２１０に対応する領域を露出させる形状（例えば、平面視にて馬蹄形状）を有して設けられる。金属多層膜３０は、例えば、ｐ型コンタクト層１８に接触するオーミックコンタクト電極としてのオーミックコンタクト層と、オーミックコンタクト層上に設けられる拡散防止バリア層と、拡散防止バリア層上に設けられ、Ａｕ層２４に接合する接合層とを含んで構成することができる。

（裏面電極４０及び表面電極５０）
裏面電極４０は、基板１０の裏面、すなわち、基板１０の化合物半導体層１１が設けられる面の反対側の面に設けられる。裏面電極４０は、基板１０にオーミック接触する材料（例えば、合金を含む金属材料）から構成することができる。また、表面電極５０は、反射部２０の凹部２１０が設けられている側の反対側の表面に設けられる。

（発光素子１の製造方法）
図２の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程の一部の概要を示す。また、図３は、図２の（ｂ）の平面視による発光素子の製造工程の一部を示す。

まず、図２（ａ）に示すように、基板１０上に化合物半導体層１１が形成された半導体基板としてのエピタキシャルウェハを準備する（半導体基板準備工程）。化合物半導体層１１は、例えば、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ（ＭＯＶＰＥ））法を用いて基板１０上に形成することができる。これにより、エピタキシャルウェハを作製することができる。

次に、ＭＯＶＰＥ装置からエピタキシャルウェハを取り出す。そして、図２の（ｂ）に示すように、エピタキシャルウェハのｐ型コンタクト層１８の表面に、フォトリソグラフィ法及び真空蒸着法を用い、オーミックコンタクト電極としての機能を有する接合用の金属多層膜３０を形成する。具体的には図３に示すように、馬蹄形状の複数の露出領域３０ａを含む金属多層膜３０をｐ型コンタクト層１８の表面に形成する。露出領域３０ａの平面視におけるサイズは、横が「Ａ（μｍ）」であり、縦が「Ｂ（μｍ）」であり、各露出領域３０ａは、ピッチ「Ｐ（μｍ）」でｐ型コンタクト層１８の表面に配列している。

図４は、本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程で準備する反射部の概要を示す。具体的に図４の（ａ）は、反射部の平面図を示し、（ｂ）は、図４（ａ）のＩ−Ｉ線における断面を示す。また、図５の（ａ）は、本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程の貼り合わせ工程の概要を示し、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程の裏面電極形成工程の概要を示し、（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程のチップ間分離工程の概要を示す。

次に、エピタキシャルウェハの作製とは別の工程で反射部２０を作製する。まず、所定厚ｔの銅板２２を準備する。次に、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用い、銅板２２の一方の表面に、所定の深さｄの馬蹄形状の複数の凹部２１０を形成する。凹部２１０の平面視におけるサイズは、横が「Ａ（μｍ）」であり、縦が「Ｂ（μｍ）」であり、各凹部２１０はピッチ「Ｐ（μｍ）」で銅板２２の表面に配列している。また、銅板２２の凹部２１０が形成されている側の表面に、真空蒸着法を用いてＡｕ膜２４を形成する。銅板２２の凹部２１０を除く部分に形成されるＡｕ膜２４は、接合用の金属膜として機能する。また、凹部２１０に形成されるＡｕ膜２４は、活性層１４からの光を反射する反射鏡として機能する。これにより、反射部２０を準備することができる（反射部準備工程）。

続いて、反射部２０の凹部２１０をエピタキシャルウェハ側に向けて反射部２０とエピタキシャルウェハとを貼り合わせることにより、エピタキシャルウェハと反射部２０とを一体化させる（貼り合わせ工程：図５（ａ）参照）。具体的には、まず、エピタキシャルウェハの金属多層膜３０と反射部２０のＡｕ膜２４とを接触させ、エピタキシャルウェハと反射部２０とを重ね合わせる。そして、真空中で所定の圧力を印加しつつ、所定の温度で所定の時間の熱処理を施す。これにより、エピタキシャルウェハと反射部２０とが一体化する。なお、貼り合わせ工程において、金属多層膜３０が形成されていない露出領域３０ａと凹部２１０とが平面視にて一致するように互いの位置を調整してからエピタキシャルウェハと反射部２０とを一体化させる。また、貼り合わせは、エピタキシャルウェハと反射部２０とを接着剤で一体化することにより実施することもできる。

次に、基板１０の裏面（すなわち、化合物半導体層１１が設けられている面の反対側の面）を研磨した後、フォトリソグラフィ法及び真空蒸着法を用い、図５（ｂ）に示すように、基板１０の研磨面の所定の領域に裏面電極４０を形成する。例えば、平面視にて、正方形の裏面電極４０を、基板１０の裏面に所定のピッチで形成する。この場合において、馬蹄形状を有する凹部２１０の湾曲部２１０ａの円周部分を円周として含む円を想定した場合、この想定による円の中心が、裏面電極４０の正方形の中心位置に一致することが好ましい。

続いて、図５（ｃ）に示すように、裏面電極４０をマスクとして、基板１０からｐ型コンタクト層１８までをドライエッチング法で除去する。これにより、チップ間が分離される。一方、銅板２２の表面には、真空蒸着法を用いて表面電極５０を形成する。そして、チップ間を分離した後、チップ間を分離した際に形成される溝に沿って銅板２２を切断することにより、図１に示すような本実施の形態に係る複数の発光素子１を得ることができる。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る発光素子１は、当該発光素子１自体に反射部２０を備えており、反射部２０の開口２００から発光素子１の側方に光が放射されるので、発光素子１単体でサイドエミッタ型の光放射パターンを有することができる。これにより、従来のようなリフレクタを用いずにサイドエミッタ型の光放射パターンを有する発光素子１を実現できるので、発光素子１自体、及び発光素子１を用いる機器の小型化に資することができる。

また、本実施の形態に係る発光素子１は、活性層１４から発せられた光が反射部２０において発光素子１の上面に対して略水平な方向に反射されるので、基板１０に水平な方向に向けて光を放射させることができる。これにより、サイドエミッタ型の放射パターンが望まれる特殊なイルミネーション、導光板を用いたＬＥＤバックライト、又は小型電子機器のインジケータ等に本実施の形態に係る発光素子１を応用することができる。

実施例に係る発光素子である発光ダイオードとして、発光ピーク波長が６２４ｎｍ付近である赤色発光ダイオードを作製した。具体的には、実施の形態に係る発光素子の製造方法で説明した製造方法を用い、実施例に係る発光素子を作製した。実施例に係る発光素子の構成の詳細は以下の通りである。

実施例においては、基板１０としてｎ型のＧａＡｓ基板を用いた。そして、ｎ型のＧａＡｓ基板上に、ｎ型（ただし、Ｓｉドープ）の（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層と、アンドープの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの活性層と、ｐ型（ただし、Ｍｇドープ）の（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層と、ｐ型（ただし、Ｍｇドープ）のＧａＰコンタクト層とを、ＭＯＶＰＥ法を用い、この順でエピタキシャル成長した。これにより、赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハを得た。

次に、赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハのｐ型のＧａＰコンタクト層の表面に、金属多層膜を形成した。具体的に、ｐ型のＧａＰコンタクト層側から、ＡｕＺｎ層、Ｔｉ層、Ａｕ層の順に形成した。ＡｕＺｎ層がオーミックコンタクト層であり、Ｔｉ層が拡散防止バリア層であり、Ａｕ層が接合層である。なお、実施例における図３に示すような馬蹄形状の複数の露出領域のサイズについては、横のサイズＡを２００μｍに、縦のサイズＢを２７５μｍにした。また、各露出領域のピッチＰを３２５μｍにした。

一方、反射部２０は、図４に示すような反射部２０を作製した。反射部２０の各サイズは以下の通りにした。すなわち、銅板２２の厚さｔを３００μｍ、凹部２１０の深さｄ（ただし、銅板２２のＡｕ膜２４を除く表面から凹部２１０のＡｕ膜２４を除く底部までの深さ）を１０μｍ、凹部２１０の横のサイズＡを２００μｍ、縦のサイズＢを２７５μｍ、凹部２１０のピッチＰを３２５μｍにした。なお、銅のエッチングには、塩化第二鉄を用いた。

ここで、凹部２１０の深さｄを１０μｍにした理由を説明する。まず、凹部２１０の深さｄが浅い場合、例えば、ｄが発光ピーク波長程度になると、凹部２１０内で光が干渉する。これにより、発光素子１の外部に効率よく光を取り出すための凹部２１０の形状の設計が複雑になる場合がある。そこで、凹部２１０の深さｄは、発光波長の数倍から１０倍以上程度にすることが好ましい。

一方、凹部２１０の深さｄが深すぎる場合、銅板２２の加工が困難になる場合が想定されると共に、反射部２０の機械的強度が低下する可能性がある。したがって、斯かる観点からは凹部２１０の深さｄは浅い方が好ましい。

以上を考慮した結果、凹部２１０の深さｄは発光ピーク波長の約１６倍である１０μｍに設定した。この深さであれば、光の干渉を略無視することができ、かつ、板厚３００μｍに対して約３．３％程度の変形量で機械的強度の低下の懸念も極めて小さいからである。

次に、反射部２０と赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハとを貼り合わせた。貼り合わせ工程における条件は以下の通りにした。すなわち、圧力を２４５Ｎ／ｃｍ^２（２５ｋｇｆ／ｃｍ^２）に設定し、温度を３００℃に設定し、熱処理時間を３０分間に設定した。

続いて、ＧａＡｓ基板の裏面に研磨加工を施し、ＧａＡｓ基板の厚さを１００μｍ程度まで薄くした。そして、ＧａＡｓ基板の裏面に、平面視にて縦３００μｍ、横３００μｍの大きさの正方形状の裏面電極を、３２５μｍピッチで形成した。そして、実施の形態と同様に、裏面電極をマスクとしてＧａＡｓ基板からＧａＰコンタクト層までをドライエッチングで除去した。また、表面電極としては、Ａｕ膜を銅板２２の表面に形成した。

次に、銅板２２を切断し、３００μｍ角の発光ダイオードチップとしての発光素子を得た。実施例に係る発光素子の側壁の一面には、開口２００が露出しており、当該開口２００が光取り出し口になる。

図６は、実施例に係る発光素子が搭載されたステムの概要を示す。

実施例に係る発光素子１をステム５（具体的には、ＴＯ−１８ステム）に導電性の銀ペーストを用いて実装した。更に、発光素子１の表面電極とステム５とをＡｕワイヤ７で接続した。これにより、発光素子１に直流電源を用いて通電できるようにした。

この発光素子１に２０ｍＡの電流を通電し、その光放射パターンを測定した。

図７の（ａ）〜（ｆ）は、実施例に係る発光素子の光放射パターンを示す。また、図８は、光放射パターンのθ軸及びφ軸の模式的な図を示す。

図８に示すように、発光素子１に垂直な方向から水平な方向にかけての傾きがθ軸（θ＝０°を垂直、θ＝９０°を水平と規定する）、発光素子１に垂直な軸を回転する方向がφ軸（φ＝０°を光取出口としての開口２００の向きとし、反時計回りにφの値が大きくなるとする）である。

図７を参照すると、発光素子１からの光は、発光素子１に水平かつ馬蹄形状の凹部２１０の開放部である開口２００側にのみに強く放射され、発光素子１に垂直な方向にはほとんど放射されていないことが測定された。すなわち、実施例に係る発光素子１は、サイドエミッタ型の光放射パターンを有していることが示された。なお、この光放射パターンは、実施例に係る発光素子１の構成を参照すれば発光素子１単体で実現されていることは明らかである（すなわち、リフレクタ等を用いていない）。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１ 発光素子
５ ステム
７ Ａｕワイヤ
１０ 基板
１１ 化合物半導体層
１２ ｎ型クラッド層
１４ 活性層
１６ ｐ型クラッド層
１８ ｐ型コンタクト層
２０ 反射部
２２ 銅板
２４ Ａｕ膜
３０ 金属多層膜
３０ａ 露出領域
４０ 裏面電極
５０ 表面電極
２００ 開口
２１０ 凹部
２１０ａ 湾曲部

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の上に設けられ、活性層を有する化合物半導体層と、
   前記化合物半導体層の上に設けられ、前記化合物半導体層の表面から放射される前記活性層からの光を前記基板に水平な方向に向けて反射する反射部と
   を備える発光素子。
2. 前記反射部が、前記反射部の側面に開口を有し、前記反射部で反射された光が前記開口から外部に放射される請求項１に記載の発光素子。
3. 前記反射部が、前記活性層への電流を注入する電極である請求項２に記載の発光素子。
4. 前記反射部が、前記化合物半導体層側に凹部を有し、前記凹部の端に外部に開放されている前記開口が形成される請求項３に記載の発光素子。
5. 基板と、前記基板の上に設けられ、活性層を有する化合物半導体層とを有する半導体基板を準備する半導体基板準備工程と、
   凹部を有する反射部を準備する反射部準備工程と、
   前記凹部を前記半導体基板側に向けて前記反射部と前記半導体基板とを貼り合わせ、前記半導体基板と前記反射部とを一体化させる貼り合わせ工程と
   を備える発光素子の製造方法。

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