JP2013062555A - 半導体発光素子及び半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、第1、第2半導体層と、それらの間に設けられた発光層と、を有する積層構造体と、積層構造体の主面側に設けられ、第1、第2半導体層にそれぞれ接続された第1、第2電極と、主面側において、第1、第2電極により覆われていない第1、第2半導体層に設けられ、第1、第2電極の周縁に設けられた部分を有し、屈折率の異なる誘電体膜が積層された誘電体積層膜と、誘電体積層膜に覆われていない第1、第2電極、第1、第2電極の周辺部の誘電体積層膜、並びに、誘電体積層膜の側面に設けられた導電膜と、を備えた半導体発光素子が提供される。
【選択図】図1
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光装置の製造工程を例示する工程順模式的断面図である。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光装置の製造工程に適用される半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図3は、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光装置の製造工程によって製造される半導体発光装置の構成を例示する模式的断面図である。
図4は、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光装置の製造工程を例示するフローチャート図である。
図2(a)に表したように、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子101においては、例えばサファイアからなる基板10の上にn型半導体層(第1半導体層)1、発光層3及びp型半導体層(第2半導体層)2がこの順に積層された積層構造体1sが形成されている。
図2(b)に表した具体例においては、n側電極7は、四角形状の半導体発光素子101の一角を占めるが、n側電極7の形状はこれに限定されるない。
また、誘電体積層膜11の一部は、n側電極7及びp側電極4の少なくとも一部の上に設けられていても良い。
この突出部11bは、n側電極7及びp側電極4の少なくともいずれかの周縁の少なくとも一部に立設される。
なお、前記突出部11bは、n側電極7及びp側電極7の少なくともいずれかの周縁の少なくとも一部に設けられている。従って、上記の製造方法においては、上記の突出部11bをガイドとして、接続部材14を、突出部11bが設けられた方のn側電極7及びp側電極4(すなわち、前記少なくともいずいれか)に接触させ接合する。
まず、図1(a)に表したように、例えば、コレットなどを用いて、半導体発光素子101を真空チャックで吸着し、実装部材13の上方に運び、実装部材13と半導体発光素子101とを概略の位置合わせを行う。
すなわち、図4に表したように、凹部11cと接続部材14とを概略に位置合わせした状態で、半導体発光素子101と実装部材13とを接触させる(ステップS110)。
すなわち、主面1aに平行な面内における接続部材14の形状は、主面1aに平行な面内における凹部11cの形状よりも小さい。
これにより、光取り出し効率が高い半導体発光素子101と実装部材13とを高精度で、高速に組み立て、半導体発光装置201を製造することができる。また、このような製造方法を用いることによって、精度が向上し、半導体発光装置201の光取り出し効率が高まる。
すなわち、上記のステップS120における嵌め合わせ工程の後、接続部材14と、n側電極7及びp側電極4の少なくともいずれかと、が実用的に必要とされる接触抵抗と信頼性によって電気的に接続されれば、上記のステップS130は省略可能である。また、ステップS120の後に、例えば、半導体発光素子101と実装部材13とが、別のホルダなどの内部に格納され、ホルダからの力によって、接続部材14と、n側電極7及びp側電極4の少なくともいずれかと、が実用的に必要とされる接触抵抗と信頼性によって電気的に接続されれば、ステップS130は省略可能である。
まず、基板10の上に形成される半導体層の積層構造の具体例について説明する。
本実施形態に係る半導体発光素子101は、例えば、サファイアからなる基板10の上に形成された窒化物半導体から構成される。
また、高純度第2AlNバッファ層は、表面が原子レベルで平坦化する。そのため、この上に成長するノンドープGaNバッファ層の欠陥が低減されるが、そのためには高純度第2AlNバッファ層の膜厚は、1μmよりも厚いことが好ましい。また、歪みによるそり防止のためには、高純度第2AlNバッファ層の厚みは4μm以下であることが望ましい。高純度第2AlNバッファ層は、AlNに限定されず、AlxGa1−xN(0.8≦x≦1)でも良く、ウェーハのそりを補償することができる。
以下では、半導体発光素子101のp側電極4が、必ずしも高効率反射特性を必要としない金属からなる第1金属膜(第1p側電極膜)4aと、第1金属膜(第1p側電極膜)4aとp型半導体層2との間に設けられ、高効率反射膜となる第2金属膜(第2p側電極膜)4bと、を有する場合として説明する。
図6は、図5に続く工程順模式的工程断面図である。
まず、図5(a)に表したように、p型半導体層2の一部の領域において、n型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによってp型半導体層2と発光層3を取り除く。その際、マスクの形状やドライエッチング条件を最適化することで、p型半導体層2とn型半導体層1の段差を任意の角度のテーパ形状に加工することができる。すなわち、半導体層にはテーパ形状部1tを設けることができる。なお、ここで、テーパ形状部1tの斜面と、半導体層の層面とのなす角度をテーパの角度θ(°)と言うことにする。すなわちテーパの角度θが小さいほど、テーパ形状部1tの傾斜が緩やかな斜面となり、テーパの角度θが90度の時は、n型半導体層1及びp型半導体層2の段差部は階段状の側面を有する。
既に説明したように、誘電体積層膜11は、屈折率の異なる2種類以上の誘電体として、第1誘電体層(例えば、SiO2)と、第2誘電体層(例えば、TiO2)と、の積層膜の組み合わせを例えば5組み、すなわち、例えば合計10層の誘電体層からなる積層膜を用いることができる。この時、第1誘電体層及び第2誘電体層のそれぞれの膜厚は、それぞれの屈折率をnとし、発光層3からの発光波長をλとした時、λ/(4n)の厚さに設定される。
すなわち、同図は、GaNから誘電体積層膜11へ垂直に入射した発光光の反射率に関するシミュレーション結果を例示しており、同図(a)は、反射率の屈折率比依存性を例示しており、同図(b)は、反射率のペア数依存性を例示している。なお、同図(a)の横軸は、誘電体積層膜11における2種類の組み合わせの誘電体の屈折率比を表し、同図(b)の横軸は、誘電体積層膜11における2種類の組み合わせの誘電体のペア数を表し、同図(a)、(b)の縦軸は、反射率を表す。
なお、本シミュレーションにおいては、既に説明した半導体発光素子101の誘電体積層膜11の材料の物性値を用いて、各パラメータを変化させている。
例えば、図7(a)に表したように、反射率が95%以上とするには、屈折率比は1.4以上が望ましい。
また、図7(b)に表したように、反射率が95%以上とするには、ペア数は3以上とすることが望ましい。
すなわち、同図は、テーパの角度と誘電体積層膜11の反射率の関係の計算結果を例示しており、横軸はテーパの角度を表し、縦軸は誘電体積層膜11の反射率を表す。そして、同図は、半導体発光素子101に関して既に説明した設計条件を用いた計算結果を例示している。
なお、このテーパの角度に対する高い反射特性のマージンは、積層する2種類の誘電体の屈折率比が大きいほど広くなる。
特に、引っ張り応力と圧縮応力を有する誘電体を積層することにより、応力緩和効果は促進される。
また、サファイア基板上での結晶型の差異を緩和するために、非晶質または多結晶のAlN層を設けた場合には、バッファ層自体が光の吸収体となるため、発光素子としての光の取り出し効率が低下してしまう。これに対して、サファイアからなる基板10上に、高炭素濃度単結晶AlNバッファ層、高純度単結晶AlNバッファ層を介して、n型半導体層1、発光層3及びp型半導体層2が形成されることにより、バッファ層は光の吸収体とはなりにくく、結晶欠陥も大幅に減らせることから、結晶内における吸収体を大幅に減らすことができる。この場合、発光した光は結晶内で何度も反射を繰り返すことが可能となり、電極形成面の反射領域を増やした効果が高くなる。これらの効果により、発光強度の向上が見込まれる。
図9に表したように、比較例の半導体発光素子90においては、誘電体積層膜11が設けられていない。すなわち、誘電体積層膜11の代わりに、図示されていない単層の誘電体膜として、例えばSiO2が400nm形成されている。このため、n側電極7及びp側電極4との間に段差が設けられず、ガイド部となる突出部がない。
まず、n側電極7を形成するため、パターニングされたリフトオフ用レジストを露出したn型コンタクト層上に形成し、真空蒸着装置を用いてオーミックコンタクト領域となる、例えば、Ti/Al/Ni/Auからなるn側電極7を500nmの膜厚で形成し、550℃の窒素雰囲気でシンター処理を行う。
このようにして、比較例の半導体発光素子90が作製できる。
実装部材13へのマウント工程は、まず、半導体発光素子101を、コレットなどを用いて、実装部材13の上方に運び、実装部材13上の接続部材(ハンダ)14と各電極の位置合わせした後、実装部材13上に押し付ける。その後、接続部材(ハンダ)14の融点以上の温度まで実装部材を昇温して、接続部材(ハンダ)14と、p側電極4及びn側電極7と、をそれぞれ溶接する。
図10に表したように、半導体発光装置202においては、接続部材14(n側接続部材14a及びp側接続部材14b)が、誘電体積層膜11の一部を覆っている。
図12は、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法に適用される別の半導体発光素子の製造工程を例示する工程順模式的工程断面図である。
図13は、図12に続く工程順模式的工程断面図である。
図11に表したように、本実施形態に係る半導体発光装置の製造方法に適用される別の半導体発光素子102においては、誘電体積層膜11と、n型半導体層1及びp型半導体層2と、の間に、誘電体膜11aが設けられている。この誘電体膜11aは、段差に対しての被覆性が、誘電体積層膜11よりも高く、これにより、発光層3を挟む半導体層断面が垂直(テーパの角度θが90°)の場合でも、その断面を誘電体膜11aよって良好に被膜することができる。これ以外は、既に説明した半導体発光素子101と同様なので説明を省略する。
なお、図11では省略されているが、p側電極4は、第1p側電極膜4aと、第1p側電極膜4aとp型半導体層2との間に設けられた第2p側電極膜4bと、を有する。
まず、図12(a)に表したように、p型半導体層2の一部の領域において、n型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いてドライエッチングによってp型半導体層2と発光層3を取り除く。
図14に表したように、本実施形態に係る半導体発光装置の製造方法に適用される別の半導体発光素子103においては、p側電極4は、第1p側電極膜4aと、第1p側電極膜4aとp型半導体層2との間に設けられた第2p側電極膜4bと、を有し、さらに、第1p側電極膜4aと第2p側電極膜4bの間に、第3p側電極膜4cが設けられている。これ以外は、既に説明した半導体発光素子101と同様なので説明を省略する。
この第3p側電極膜4cは、第1p側電極膜4aや、マウント時の接続部材14のハンダなどに含まれる材料が、第2p側電極膜4bへ拡散する、または、第1p側電極膜4aや接続部材14に含まれる材料と、第2p側電極膜4bに含まれる材料と、が反応するのを防ぐ機能を有する。なお、第3p側電極膜4cは、第1p側電極膜4aと第2p側電極膜4bと電気的に接続されている。
第3p側電極膜4cに用いられる材料としては、拡散防止層として使用可能な高融点金属、例えば、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)などの単層膜または積層膜が挙げられる。
図15に表したように、本実施形態に係る半導体発光装置の製造方法に適用される別の半導体発光素子104においては、誘電体積層膜11に覆われていないp側電極4及びn側電極7の上、p側電極4及びn側電極7の周辺部の誘電体積層膜11の上面(誘電体積層膜11の半導体層とは反対の側)の上、並びに、誘電体積層膜11の側面の上、にガイド部導電膜12mが設けられている。これ以外は、既に説明した半導体発光素子101と同様なので説明を省略する。
n側電極7の周辺部においては、誘電体積層膜11とこのガイド部導電膜12mとで、n側ガイド部12aが形成される。また、p側電極4の周辺部においては、誘電体積層膜11とこのガイド部導電膜12mとで、p側ガイド部12bが形成される。すなわち、誘電体積層膜11の側面に設けられたガイド部導電膜12mにより凹部11cが形成され、この凹部11cと接続部材14とが嵌め合わされて、半導体発光素子104と実装部材13とが組み立てられる。
このように、誘電体積層膜11の突出部の一部にガイド部導電膜12mが設けられる場合も、誘電体積層膜11の突出部11bをガイドとして、接続部材14を、n側電極7及びp側電極4の前記少なくともいずれかに接触させ接合することができる。
図16は、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光装置の製造工程を例示するフローチャート図である。
図16に表したように、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法においては、図4に例示したステップS110の前に以下の工程をさらに備える。
そして、前記第2半導体層と前記発光層の一部を除去して前記第1半導体層を露出させる(ステップS220)。
そして、前記露出した前記第1半導体層の上に、第1電極(n側電極7)を形成する(ステップS230)。
そして、前記第2半導体層の上に、第2金属膜(p側電極4)を形成する(ステップS240)。
前記第1金属膜及び前記第2金属膜に覆われていない露出した前記第1半導体層及び前記第2半導体層の上に、屈折率の異なる複数種の誘電体膜を交互に積層し、前記誘電体積層膜11を形成する(ステップS250)。
上記のステップS210〜ステップS250においては、例えば、図5及び図6に関して説明した方法を用いることができる。
図17は、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光装置の製造工程を例示するフローチャート図である。
図17に表したように、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法においては、図4に例示したステップS110の前に以下の工程をさらに備える。
そして、前記第2半導体層と前記発光層の一部を除去して前記第1半導体層を露出させる(ステップS320)。
そして、前記露出した前記第1半導体層の一部の上と、前記第2半導体層の一部の上と、に、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層して、前記誘電体積層膜11を形成する(ステップS330)。
そして、誘電体積層膜11に覆われていない前記第1半導体層の上に、前記第1電極(n側電極7)を形成する(ステップS340)。
そして、誘電体積層膜11に覆われていない前記第2半導体層の上に、前記第2電極(p側電極4)を形成する(ステップS350)。
上記のステップS310〜ステップS350の各工程においては、例えば、図5及び図6に関して説明した方法を変形して用いることができる。
図18は、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光装置の製造工程を例示するフローチャート図である。
図18に表したように、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法においては、第1半導体層を露出させた後で、誘電体積層膜11を形成する前に、既に説明した誘電体膜11aを設ける。
本具体例においては、ステップS225は、第1半導体層を露出させる工程(ステップS220)と、第1電極を形成する工程(ステップS230)との間に実施される。この場合、ステップS230〜ステップS250の順序は入れ替えが可能であり、また、同時に実施することができる。
図19は、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光装置の製造工程を例示するフローチャート図である。
図19に表したように、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法においても、第1半導体層を露出させた後で、誘電体積層膜11を形成する前に、既に説明した誘電体膜11aを設ける。
なお、上記において、ステップS330〜ステップS350の順序は入れ替えが可能であり、また、同時に実施することができる。
本具体例の半導体発光装置301は、上記の実施形態に係る半導体発光素子のいずれかと、蛍光体と、を組み合わせた白色LEDである。すなわち、本実施形態に係る半導体発光装置301は、上記のいずれかの半導体発光素子と、前記半導体発光素子で発光された光が照射される蛍光体層と、を備える。
なお、以下では、上記の半導体発光素子101と、蛍光体と、を組み合わせた場合として説明する。
赤色蛍光体としては、例えばY2O3、YVO4、Y2(P,V)O4等を母材として用いることができ、これに3価のEu(Eu3+)を付活物質として含ませる。すなわち、Y2O3:Eu3+、YVO4:Eu3+等を赤色蛍光体として用いることができる。Eu3+の濃度は、モル濃度で1%〜10%とすることができる。赤色蛍光体の母材としては、Y2O3、YVO4の他に、LaOSやY2(P, V)O4等を用いることができる。また、Eu3+の他にMn4+等を利用することもできる。特に、YVO4母体に、3価のEuと共に少量のBiを添加することにより、380nmの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。
緑色蛍光体としては、例えば3価のTbを発光中心とするY2SiO5:Ce3+,Tb3+を用いることができる。この場合、CeイオンからTbイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。緑色蛍光体としては、例えば、Sr4Al14O25:Eu2+等を用いることができる。
黄色蛍光体としては、例えばY3Al5:Ce3+等を用いることができる。
また、樹脂として、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。
特に、3価のTbは、視感度が最大となる550nm付近に鋭い発光を示すので、3価のEuの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
また、第2蛍光体層212に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が、効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。
これらの混色として、白色光やその他様々な色の光を、高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
なお、半導体発光素子101を作製する工程は、既に説明した方法を用いることができるので、以下では、半導体発光素子101が出来上がった後の工程について説明する。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
1a 主面
1s 積層構造体
1t テーパ形状部
2 p型半導体層(第2半導体層)
3 発光層
4 p側電極(第2電極)
4a 第1p側電極膜
4b 第2p側電極膜
4c 第3p側電極膜
7 n側電極(第1電極)
10 基板
11 誘電体積層膜
11a 誘電体膜
11b 突出部
11c 凹部
12a n側ガイド部
12b p側ガイド部
12m ガイド部導電膜
13 実装部材
14 接続部材(ハンダ)
14a n側接続部材
14b p側接続部材
22 容器
23 反射膜
24 サブマウント
26 ボンディングワイヤ
27 蓋部
90、101、102、103、104 半導体発光素子
201、202、301 半導体発光装置
211、212 蛍光体層
Claims (6)
- 第1半導体層と、第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する積層構造体と、
前記積層構造体の主面側に設けられ、前記第1半導体層に接続された第1電極と、
前記積層構造体の前記主面側に設けられ、前記第2半導体層に接続された第2電極と、
前記主面側において、前記第1電極及び前記第2電極により覆われていない前記第1半導体層及び前記第2半導体層に設けられ、前記第1電極及び前記第2電極の周縁に設けられた部分を有し、屈折率の異なる誘電体膜が積層された誘電体積層膜と、
前記誘電体積層膜に覆われていない前記第1電極及び前記第2電極、前記第1電極及び前記第2電極の周辺部の前記誘電体積層膜、並びに、前記誘電体積層膜の側面に設けられた導電膜と、
を備えた半導体発光素子。 - 前記誘電体積層膜の前記第1電極及び前記第2電極の前記周縁に設けられた部分は、誘電体の突出部である請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記積層構造体の側面は、テーパ状である請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極に接続された第1接続部材と、
前記第2電極に接続された第2接続部材と、
をさらに備えた請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第1接続部材は、前記第1電極の周辺部の前記誘電体積層膜の少なくとも一部を覆い、
前記第2接続部材は、前記第2電極の周辺部の前記誘電体積層膜の少なくとも一部を覆う請求項4記載の半導体発光素子。 - 請求項4または5に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の前記主面に対向して設けられ、前記第1接続部材及び前記第2接続部材とを介して前記第1電極及び前記第2電極と接続された実装部材と、
を備えた半導体発光装置。
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