JP2014068042A - 半導体発光素子、半導体発光装置、半導体発光素子の製造方法、および半導体発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化物基板と、ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記窒化物基板の主面上に形成された半導体層部とを有し、式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
式 Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
(但し、tsは、前記窒化物基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記窒化物基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記窒化物基板の波長λにおける屈折率を表す。)
【選択図】図3A
Description
w/(2tan(sin−1(n1/n2)))≦t
を満たす発光素子が開示されている。
活性層スタックから周辺媒質へ入射する光の全反射の臨界角とした際に、
0<(b+b’)/h<2cot(αT)、
さらに好ましくは、
0<(b+b’)/h<cot(αT)を満たすように、
b+b’を小さくことが開示されている。
1.窒化物基板と、
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記窒化物基板の主面上に形成された半導体層部と、を有し、
下記式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
式 Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
(但し、tsは、前記窒化物基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記窒化物基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記窒化物基板の波長λにおける屈折率を表す。)
前記窒化物基板の主面と垂直な任意の平面内にあって、
光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxが少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす配光特性となる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
−90.0度 < φem max ≦−32.5度
32.5度 ≦ φem max <90.0度
前記窒化物基板の主面と垂直な任意の平面内にあって、
光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、その外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxから、スネルの法則を用いて求められる半導体発光素子内部における内部発光強度密度の最大値を示す方向θem maxが少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
−90.0度 < θem max ≦−67.5度
67.5度 ≦ θem max < 90.0度
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値が、0度における外部発光強度密度よりも20%以上大きくなる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
下記式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
式
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
前記基板主面が略三角形であり、最短辺の長さLsaおよび前記Lscが下記式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
250(μm)≦Lsa≦Lsc≦5000(μm)
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、下記式1及び下記式2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、下記式1のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式2
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、下記式3及び下記式4を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、下記式3のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式3
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式4
500(μm)≦Lsc
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部とを有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、下記式5及び下記式6を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、下記式5のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式5
450(μm)≦ts≦22(mm)
(tsは前記基板の最大物理厚み)
式6
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
前記基板主面に垂直方向に投影した半導体発光素子形状が、正多角形形状でないことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の主面が、(0001)面あるいはこれらの面からのオフ角度が5度以内の面であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の主面が、(1−10n)面、(11−2n)面(但しnは0、1、2、3)、あるいは、これらの面からのオフ角度が5度以内の面であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が第二導電型半導体層をも有し、かつ、前記活性層構造が量子井戸層と障壁層を含んでおり、
当該量子井戸層の数をNUMQW、
当該量子井戸層を構成する層の平均物理厚みをTQW(nm)、
当該量子井戸層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnQW(λ)、
当該障壁層の数をNUMBR、
当該障壁層を構成する層の平均物理厚みをTBR(nm)、
当該障壁層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnBR(λ)、
当該第二導電型半導体層の物理厚みをTP(nm)、
当該第二導電型半導体層の屈折率をnP(λ)とする際に、
以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が第二導電型半導体層をも有し、かつ、前記活性層構造が量子井戸層を含んでおり、
内部発光強度密度の最大値示す方向θ em max(度)に最近接し、内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式7を満たし、
かつ、
方向(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)における内部発光強度密度Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))と、θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max度)との比が以下の式8を満たすような、当該第二導電型側半導体層厚み、当該量子井戸層数、および量子井戸層厚みを有することを特徴とする半導体発光素子。
式7:θ em L-minimal< 90−sin−1(1/ns(λ))
式8:(Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max))≦0.9
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
下記式を満たすように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
さらに、
基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、
基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、および、
少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、
の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
前記窒化物基板をGaN基板とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
半導体発光素子の半導体層部側をサブマウントに搭載する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
半導体発光素子を封止する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
以下、基板の平面形状が略三角形(詳細後述)の実施形態について説明する。
1. 基板主面に垂直方向に投影した形状が略三角形である窒化物基板と、
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
式a1を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式a1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
式a3を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式a3
Lsc×0.418≦ts≦Lsc×2.395
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
式a5を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式a5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
式a7を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式a7
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
前記基板主面が、略三角形であり、最短辺の長さLsaおよび前記Lscが下記式を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
250(μm)≦Lsa≦Lsc≦5000(μm)
前記基板が、前記活性層構造が発するピーク発光波長λの光に対して略透明であること
を特徴とする半導体発光素子。
半導体発光素子のピーク波長λにおいて、前記基板の波長λにおける屈折率をns(λ)、
前記半導体層部を構成する層Xの波長λにおける屈折率をnLX(λ)とした際に、すべての層Xにおいて、
0.75≦(nLX(λ)/ns(λ))≦1.25
を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が窒化物のみから構成されることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の主面が、(0001)面あるいはこれらの面からのオフ角度が5度以内の面であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の主面が、(1−10n)面、(11−2n)面(但しnは0、1、2、3)あるいはこれらの面からのオフ角度が5度以内の面であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面と略平行な面、および、前記主面に対して略垂直な面によって構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面に対して略垂直な方向から傾斜している面を含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面と略平行な面をも含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面に対して略垂直な面をも含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面と略平行な面と主面に対して略垂直な面のいずれをも含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面に対して略垂直な方向から傾斜している面以外の面を含まないことを特徴とする半導体発光素子。
前記主面に対して略垂直な面から前記窒化物基板の露出面が傾斜している角度βが下記式のいずれかを満たすことを特徴とする半導体発光素子。
−22.5度 ≦ β < 0.0度
0.0度 < β ≦22.5度
前記窒化物基板の露出面が、凹凸加工されている部分を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の端部が、前記窒化物基板の主面に対して略垂直であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の端部が、前記窒化物基板の主面に対して略垂直でないことを特徴とする半導体発光素子。
前記基板の投影形状である前記略三角形に対して、当該半導体層部の端部の平面形状が、一致しているかまたは略相似形となっていることを特徴とする半導体発光素子。
前記基板の投影形状である前記略三角形に対して、当該半導体層部の端部の平面形状が、略相似形となっていないことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の端部の平面形状が、略三角形以外の形状であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の平面形状が、端部に凹凸形状を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第二導電型半導体層を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記第二導電型半導体層の厚みが10nm以上180nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第一導電型半導体層を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第一導電型側電極とは接しておらず第二導電型側電極と接し、
前記第一導電型側電極は前記窒化物基板と接していることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第一導電型側電極と第二導電型側電極とともに接していることを特徴とする半導体発光素子。
前記活性層構造が、量子井戸層と障壁層とを有することを特徴とする半導体発光素子。
前記量子井戸層数が、4層以上30層以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記量子井戸層の厚みの最大値が40nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記量子井戸層の数をNUMQW、
前記量子井戸層を構成する層の平均物理厚みをTQW(nm)、
前記量子井戸層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnQW(λ)、
前記障壁層の数をNUMBR、
前記障壁層を構成する層の平均物理厚みをTBR(nm)、
前記障壁層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnBR(λ)、
前記第二導電型半導体層の物理厚みをTP(nm)、
前記第二導電型半導体層の屈折率をnP(λ)とする際に、
以下の数2を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部のピーク発光波長λが370nm以上430nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部に形成される発光ユニットが複数存在することを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板中の酸素濃度が5×1017(cm−3)未満であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の熱伝導率が200W/m・K以上であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の転位密度が9×1016(cm−2)以下であって、当該転位の分布が略一様であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板には分極反転領域を有さないことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板が、GaN基板であることを特徴とする半導体発光素子。
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
その外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxから、スネルの法則を用いて求められる半導体発光素子内部における内部発光強度密度の最大値を示す方向θem maxが少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
−90.0度 < θem max ≦−67.5度
67.5度 ≦ θem max < 90.0度
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxが、少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす配光特性となる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
−90.0度 < φem max ≦−32.5度
32.5度 ≦ φem max <90.0度
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値が、0度における外部発光強度密度よりも20%以上大きくなる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体発光素子の半導体層部側が放熱板に近接していることを特徴とする半導体発光装置。
当該半導体発光素子が、シリコーン系材料またはガラス材料で覆われていることを特徴とする半導体発光装置。
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
式a1を満たす
ように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式a1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
波長λにおける屈折率がns(λ)であるGaN基板を準備する第一工程と、
前記GaN基板の主面上に半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記GaN基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
式a3を満たす
ように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式a3
Lsc×0.418≦ts≦ Lsc×2.395
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に最大物理厚みtLの半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
式a5のみを満たす
ように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式a5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
波長λにおける屈折率がns(λ)であるGaN基板を準備する第一工程と、
前記GaN基板の主面上に最大物理厚みtLの半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記GaN基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
式a7のみを満たす
ように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式a7
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
前記基板主面が、略三角形であり、最短辺の長さLsaおよび前記Lscが下記式を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
250(μm)≦Lsa≦Lsc≦5000(μm)
第一工程から第四工程をこの順に実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板中の酸素濃度を5×1017(cm−3)以下とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板の熱伝導率を200W/m・K以上とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板の転位密度を9×1016(cm−2)以下とし、かつ、当該転位の分布を略一様とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板は分極反転領域を有さないように、選択成長用マスクを用いないで準備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
当該窒化物基板をGaN基板とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一第二工程間工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程において形成する半導体層部をすべて窒化物とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程における窒化物基板主面上に形成される半導体層部をAlxGayIn1−(x+y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程における半導体層部の形成を、MOCVD、MBE、PLD、PED、PSD、H−VPE、LPE法のいずれかの方法、もしくはその組み合わせによって行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程で形成される半導体層部の形成初期過程を、意図的なSi原料供給がされないエピタキシャル成長過程とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程における前記半導体層部内の量子井戸層形成時のIn濃度を、そのピーク発光波長λが370nm以上430nm以下となるように調整することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二第三工程間工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、半導体層部のエッチングを行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、半導体層部に電極形成を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板に接して電極形成を行う工程をも含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、半導体層部端部形成工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程における前記半導体層部端部の加工を、前記窒化物基板の主面に対して略垂直にすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程における前記半導体層部端部の加工を、前記窒化物基板の主面に対して略垂直でないようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
前記半導体層部端部の加工を、前記半導体層部の途中まで、前記基板界面まで、または、前記基板の途中までのいずれかの深さで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
半導体層部端部の加工を、ドライエッチング、ウエットエッチング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビングのいずれかの方法、もしくはこれらの組み合わせで行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
半導体層部端部に平面的な凹凸形状を付与することすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、予定された1つの発光素子内の前記半導体層部に複数の発光ユニットを形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
複数の発光ユニットが発光ユニット間分離溝によって分離されるようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
発光ユニット間分離溝を、ドライエッチング、ウエットエッチング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビングのいずれかの方法、もしくはこれらの組み合わせで形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三第四工程間工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程において、半導体層部側に分離始点を有するようにして素子分離することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程において、窒素化物基板側に分離始点を有するようにして素子分離することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
分離始点の形成を機械的スクライビング、光学的スクライビング、ダイシング、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれかの方法、もしくはこれらの組み合わせで行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程における各素子の分離時に、窒化物基板の分離面が、当該基板の主面と略垂直となる部分を含むようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程における各素子の分離時に、窒化物基板の分離面が、当該基板の主面と略垂直な方向から傾斜している部分を含むようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
分離面の形成を、ブレーキング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビング、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれかの方法、もしくはその組み合わせで行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程後工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板厚み調整工程を、研磨、エッチングいずれかの方法もしくはその組み合わせで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板露出面形成工程を、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビング、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれかの方法もしくはこれらの組み合わせで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板上凹凸形状形成工程をウエットエッチング、ドライエッチング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビングのいずれかの方法もしくはこれらの組み合わせで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程後に前記半導体発光素子に内在する基板が、第一工程で準備された基板であるようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程後に半導体発光装置を作製する際の方法であって、
半導体発光素子の半導体層部側をサブマウントに搭載する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
第四工程後に半導体発光装置を作製する際の方法であって、
半導体発光素子を封止する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
本実施形態の半導体発光素子は、基板主面に垂直方向に投影した形状が略三角形である窒化物基板の主面上に半導体層部を有する半導体発光素子であり、下記(1)〜(3)が特定の関係を有することを主要な要件とする。
(2)基板の最大物理厚みts、または基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和tt
(3)基板主面の上にある任意の2点の作る最も長い線分長Lsc
図1Aに本発明の一形態の半導体発光素子を示す。本発明の半導体発光素子10は、図1Aに示すように、窒化物基板12と、その面上に形成された半導体層部15とを有している。窒化物基板12は、発光素子のピーク発光波長をλとした際に、波長λにおける屈折率がns(λ)で、その最大物理厚みがtsである。
〔半導体発光素子の内部発光プロファイルに関わる自然法則の導き方〕
図1Aに一般的な半導体発光素子の構造を示す。半導体発光素子10には、第一導電型側電極27aと第二導電型側電極27bとが設けられている。これらの電極27a、27bから注入された電子と正孔が活性層構造16内で、例えば量子井戸活性層構造であれば量子井戸層内で再結合し、半導体発光素子10の内部に光を放射する。
I0:双極子からの放射強度
rs:s偏光の電極表面反射における振幅反射係数
rp:p偏光の電極表面反射における振幅反射係数
δ :2πnd/λ
n:双極子面が存在する領域の波長λにおける屈折率
d:双極子面と電極との物理距離
λ:半導体発光素子のピーク波長
である。
量子井戸層、障壁層、第二導電型半導体層18の間に適度な屈折率差が存在し、例えば、後述する(式A)を満たすような量子井戸活性層構造を有することを仮定する。このような構造は実際に実現しうる構造である。等方的な向きを有する双極子放射からの内部発光プロファイルを計算すると、典型的には図2B(横軸が前記Z軸方向となす角度θem、縦軸が内部発光強度密度)のような特性、すなわち、非等方的な内部発光プロファイルとなる。図1Aに示すように、第二導電型半導体層18の厚みや第二導電型側電極27bの反射率などの条件により変動はあるものの、内部発光強度密度の最大値を示す方向は、活性層構造と平行な方向に近い方向(θemが90°寄りの方向)である。このような活性層構造と平行に近い方向に内部発光強度密度が強くなる傾向は、例えば、後述する(式A)を満たすような量子井戸活性層構造を有する発光素子で、より顕著となる。
「量子井戸層、障壁層、第二導電型半導体層18の間に適度な屈折率差が存在し、例えば、後述する(式A)を満たすような量子井戸活性層構造を有する場合、等方的な向きを有する双極子放射により、非等方的な内部発光プロファイルとなり、活性層構造と平行に近い方向に内部発光強度密度が強くなる。」
上述のように、等方的な向きを有する双極子放射からの内部発光プロファイルは、本質的に非等方的になるが、量子井戸層、障壁層、第二導電型半導体層18の間の屈折率差が適度な範囲を超えて大きくなった場合、または発光層が適度な範囲を超えて厚い場合などには、図2Cに示すように、その程度が図2C中(a)、(b)、(c)の順に例示するように活性層構造と平行な方向に近い方向に内部的に出射された光の強度が弱まっていき、これらが過度になると最終的には図2C中の線(d)のようになる。
このように、本発明の半導体発光素子は、量子井戸層、障壁層、第二導電型半導体層18の間に適度な屈折率差が存在するか、または発光層が適度な厚みを持つ場合などが好ましい。活性層構造は量子井戸活性層構造を有することが好ましく、これにより内部発光プロファイルは、活性層構造に平行な方向に内部発光強度密度の最大値を有する非等方的なものが実現できる。
NUMQWは活性層構造に含まれる量子井戸層の数を表し、
TQW(nm)は量子井戸層を構成する層の平均物理厚みを表し、
NUMBRは活性層構造含まれる障壁層の数を表し、
TBR(nm)は障壁層を構成する層の平均物理厚みを表し、
TP(nm)は第二導電型半導体層の物理厚みを表し、
nQW(λ)は量子井戸層を構成する層の波長λにおける平均屈折率を表し、
nBR(λ)は障壁層を構成する層の波長λにおける平均屈折率を表し、
nP(λ)は第二導電型半導体層の波長λにおける平均屈折率を表し、
ns(λ)は前述のとおり基板の波長λにおける屈折率を表す。
67.5度≦θem max<90度
範囲で変化させることができる。これは同時に
−90度<θem max≦−67.5度
である。
さらに、本発明者らは、前述の内部発光強度密度の最大値を有する方向を含んで、かつ、それ以外の方向に出射された内部発光も、可能な限り、半導体側壁部から外部に取り出すことが、半導体発光素子の光取り出し効率向上に効果的であることを見出した。すなわち本発明の半導体発光素子は、窒化物基板を、基板主面に垂直方向に投影した形状が略三角形であることを特徴の一つとしている。また、基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長と窒化物基板の最大物理厚みとの間で特定の関係を満たすことを特徴の一つとしている。
式a1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
このように、窒化物基板から多数の半導体発光素子を取り出すことができるということは、当業者の技術常識を大幅に越える物理厚みを有する基板を備えた形状を有する本発明の半導体発光素子にとっては、窒化物基板の有効利用、コスト削減の観点からも極めて有効である。
また、3方向からのスクライブで形成できる三角形の平面構造において、少なくとも三辺のいずれかが他の辺と異なる長さの辺を持つように設計することができるので、この辺を利用して配光制御することを目的として三角形の形状をデザインすることができる。この様なデザインは、半導体発光素子内部に出射される光を側壁面から取り出すことに特徴を有する本発明に特に有効である。
いずれか1以上の辺の一部または全部に、細かな波形形状や凹凸の形状を、規則的にまたは不規則に有する三角形としては、例えば図12に記載のものが挙げられる。
当該窒化物基板の波長λにおける屈折率をns(λ)、
基板の最も厚い部分の物理厚みをts、
半導体層部を構成する層Xの波長λにおける屈折率をnLX(λ)(即ち、層Xは、半導体層部を構成する任意の層を表し、nLX(λ)はその層Xの波長λにおける屈折率を表す。)、
基板主面から活性層構造までの最大の物理厚みをta、
半導体層部の最大の物理厚みをtLとする。
この図では、主面の平面形状が略三角形であるので、当該基板主面の略三角形の最短辺の長さをLsaとする。
臨界角αc=sin−1(nout(λ)/ns(λ))との関係において
α<αc
となる領域(点Eに対する最遠側壁部第一領域)である。ここにおいて、nout(λ)とは、半導体発光素子の発光波長λにおける周辺媒質の屈折率である。
αc≦α≦90−αc
となる領域(点Eに対する最遠側壁部第二領域、あるいは真性閉じ込め光生成領域)である。
臨界角αc=sin−1(nout(λ)/ns(λ))との関係において
90−αc<α
となる領域(点Eに対する最遠側壁部第三領域)である。
t1≦ts≦t2
とすることがさらに好ましい。
tan{sin−1(nout(λ)/ns(λ))}≦ts/Lsc
≦tan{90−sin−1(nout(λ)/ns(λ))}
である。
Lsc×tan{sin−1(nout(λ)/ns(λ))}≦ts
≦Lsc×tan{90−sin−1(nout(λ)/ns(λ))}・・・(式a1a)
となる。
さらに、式1aは、nout(λ)が小さくns(λ)が大きい場合に、最も広い範囲の窒化物基板の厚みtsを与える。
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}・・・(式a1)
となる。
また、製造コスト等の観点では、基板厚みは、これらを満たしつつ必要最低限度の厚みとすることが有利である。
(a)Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}
(b)Lsc×tan{1×(90−θem max)}
(c)Lsc×tan{1.5×(90−θem max)}
(d)Lsc×tan{2.0×(90−θem max)}
である。
(e)Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(f)2.5×Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}
(g)2.0×Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}
(h)1.5×Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}
である。
前述の式a1の具体例について説明する。ns(λ)は後述するとおり、波長が短いほど大きくなるが、吸収の大きくない範囲において選択することが必要である。さらに、窒化物基板12の中では、例えば、AlN基板やBN基板等を想定しても、同じ波長における屈折率はGaN基板よりも小さいので、GaNの場合を想定すれば十分である。
Lsc×0.418≦ts≦ Lsc×2.395・・・式a3
となる。
(a)Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}=Lsc×0.418
(b)Lsc×tan{1.0×(90−θem max)}=Lsc×0.268
(c)Lsc×tan{1.5×(90−θem max)}=Lsc×0.414
(d)Lsc×tan{2.0×(90−θem max)}=Lsc×0.577
である。
Lsc×0.418≦ts
であって、より好ましくは、
Lsc×0.577≦ts
である。
(e)Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}=Lsc×2.395
(f)2.5×Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}=Lsc×1.045
(q)2.0×Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}=Lsc×0.836
(h)1.5×Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}=Lsc×0.627
である。
ts≦Lsc×2.395
であることが好ましく、
ts≦Lsc×1.045
であることがより好ましく、
ts≦Lsc×0.836
であることがより好ましく、
ts≦Lsc×0.627
であることが最も好ましい。
Lsc×0.418≦Lsc×0.577≦ts≦Lsc×0.627
≦Lsc×0.836≦Lsc×1.045≦Lsc×2.395となる。
Lsc×0.450≦ts≦ Lsc×2.221
と、式a3よりも範囲が狭くなる。
なお、45度<sin−1(nout(λ)/ns(λ))≦90度の場合においては、式a1aは、その上限と下限の大小関係が入れ替わる。すなわち、この場合には、遠側壁部における点Eから出射された光の臨界角が45度より大きくなっている状況である。
nout(λ)<<ns(λ)
である材料が一般的であることを考えると、実際には、45度<sin−1(nout(λ)/ns(λ))≦90度となる周辺媒質中に置かれた素子であっても、nout(λ)が小さくns(λ)が大きい場合を想定すると、最も広い範囲の好ましい窒化物基板の厚みtsを得ることができる。これは、GaN基板の屈折率が、460nm程度における2.43程度の値だとしても、周辺媒質の屈折率は2.20以下程度が現実的な限界であるためである。
さて、今までの説明においてtsは、図3Bにおける考察からts+taを近似したものであった。すなわち、活性層構造16の端を窒化物基板12の端と近似した結果であった。
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}・・・式a5
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395・・・式a7
である。
次に、本発明者らは、例えば図3Aの構造の半導体発光素子10を簡便に作製する方法に関し検討を行った。前述のとおり、基板の最大物理厚みtsが式a1を満たすことが好ましいが、加えて式a2を満たしている場合に、基板主面が略三角形の半導体発光素子を容易に形成できることを見出した。
式a1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
式a2
250(μm)≦Lsa≦Lsc≦5000(μm)
ここで、Lsaは、基板主面の略三角形の最短辺の長さである。
次に本発明における半導体発光素子の配光特性に関して詳しく記載する。
32.5度 ≦ φem max < 90.0度
であることを見出した。これは同時に
−90.0度 < φem max ≦ −32.5度
である。
本発明においては、内部発光プロファイルが非等方的であるから、この発光強度密度の最大値を有する方向に半導体発光素子側壁を垂直方向となるように傾斜させ、光取り出し効率を向上させたりすることが好ましい。
|β|=90−|θem max|
を満たすように傾斜していると、内部発光強度密度の最大値を有する方向の光が効果的に取り出せるため、好ましい。
−67.5度)であるので、
0度≦|β|≦22.5度
であることがより好ましく、θem=78度の場合には|β|=12度であることがより好ましい。
90−|θem max|<|β|
の場合において、
(sin(|β|−(90−|θem max|))/nout(λ))=
(sin(|φem max|−(90−|β|))/ns(λ))
を満たす方向となる。
|β|<90−|θem max|
の場合においては、
(sin(|β|+(90−|θem max|))/nout(λ))=
(sin(−|φem max|+(90−|β|))/ns(λ))
を満たす方向となり、
90−|θem max|=|β|
の場合は、
|φem max|=90−|β|
を満たす方向となる。
本発明においては、内部発光強度密度の最大値を有する方向に出射された光が透過する側壁部が、基板主面、あるいは、活性層方向と傾斜していない場合であっても、|β|度傾斜している場合であっても、外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxは、半導体発光素子を空気中に設置し、かつ、意図しない反射等の外乱を排除した状態で計測すると、前記主面と垂直な任意の平面内にあって、32.5度 ≦ φem max <90.0度(もしくは−90.0度 < φem max ≦−32.5度)の少なくともいずれか一方を満たす平面が存在することが好ましく、より好ましくは、いずれも満たすことが好ましい。
一方、φem maxの絶対値の上限は、90.0度より小さいことが好ましく、82.5度以下であることがより好ましく、80.0度以下であることがより好ましく、77.5度以下であることがより好ましく、75.0度以下であることがより好ましく、72.5度以下であることがより好ましく、70.0度以下であることがさらに好ましい。
なお、本発明においては、半導体発光素子の側壁部、主面と対峙する面など、任意の部分を傾斜させうる。すなわち、窒化物基板の任意の部分を除去し、あるいは、任意の部分に所望の形状を付加し、新たな露出面を形成することができる。
これらの例では、主面の外形と、基板を主面に垂直方向に投影した形状の外形は一致するが、主面が加工された場合は、主面は略三角形ではない。図5Dの(e−1)は、主面と対峙する面の一部が加工され、傾斜した露出面112aとなっている。露出面が、主面と略平行な面、主面に対して略垂直な方向の面、これから傾斜している面112aを含むことを特徴とする構成である。
最も強くθem maxを変化させうるのは、前述の通り、活性層構造が量子井戸活性層構造である場合、量子井戸層と障壁層の屈折率差、量子井戸数、量子井戸層の厚み等の活性層構造内における薄膜干渉効果を支配する要素と、第二導電型側電極によって反射される内部発光の光路長を規定しうる第二導電型半導体層の薄膜干渉効果とである。
さらに本発明においては、当該窒化物基板の露出面が、凹凸加工されている部分を有することが好ましい。これにより、さらに光取り出し効率を向上させることが可能である。
一方、本発明の半導体発光素子が内在する半導体層は、任意の構成をとることが可能である。ここで本発明の半導体発光素子は、基板側から第一導電型側半導体層、活性層構造、第二導電型半導体層を含むことが好ましい。即ち、第一導電型側半導体層は、活性層構造の基板側に存在し、第二導電型半導体層は活性層構造の基板と反対側に存在する。
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
の関係によって与えられるtsは、十分な厚みを与える。よって、本発明においては、図6〜図8に例示したような種々の形態はすべて好ましい。
本発明においては、その半導体発光素子の周辺をシリコーン系封止材(1.25≦nout(λ)≦1.53)、高屈折率シリコーン組成物封止材(1.45≦nout(λ)≦1.8)、やガラス封止材(1.55≦nout(λ)≦2.10)によって覆い、半導体発光装置を構成することは、光取り出し効率のさらなる向上のために好ましい。
2)硬度が、ショアAで5以上100以下、または、ショアDで0以上85以下であること
特性1):極性基
封止材は、光・熱・物理的作用などで、半導体発光素子の間で剥離を生ずると、半導体発光装置の光維持率が低下する。これは、本発明のような基板の側面から光取り出し効果を期待する構造を有する半導体発光素子においては極めて重要な要因である。従って、これらの間で強く密着していることが重要である。
硬度測定値は、本発明で用いる封止材の硬度を評価する指標であり、以下の硬度測定方法により測定される。
<基板>
本発明の半導体発光素子は、高出力特性と高効率性を両立することが好ましいが、用いる窒化物基板においては、前述の通り、従来とは異なる特定のサイズ・形状を有するため、その材料は、以下のような点を考慮して選択することが好ましい。
また、窒化物基板は、その製法によっては、周期的に転位密度が密集している領域を有するものや、その極性がそろっていない部分を有する場合もある。このような基板は基板作成時の下地層に、選択的な成長を促すマスクを用いて基板部分の結晶成長を行った基板などがある。このような基板を本発明の半導体発光素子に用いることは好ましくない。
デバイスの安定な動作や長寿命化のためには出来る限り、温度上昇なく動作させる必要がある。
また、本発明の半導体発光素子に用いる窒化物基板は、意図しない不純物濃度の低い単結晶基板であることが好ましい。特に、酸素不純物の存在は、透明性が損なわれる、または半導体発光素子からの発光を吸収する等の原因の一要因となりうるため、本発明のように基板の側面から光を取り出そうとする場合においては、できるだけ酸素不純物の濃度が低いことが好ましい。したがって本発明に用いる窒化物基板は、酸素濃度が、通常5×1017(cm−3)以下であり、好ましくは1×1017(cm−3)以下である。
本発明の窒化物基板は、非線形作用以外の波長変換機能を有さない単結晶基板であることが好ましい。単結晶構造は熱拡散の効率がよいからである。また、単結晶構造であれば、特定の結晶面を利用してへき開等によって加工することができるので、直方体あるいは立方体への加工が比較的容易に得ることができるという利点もある。
本発明の窒化物基板は、半導体層が発するピーク波長λの光に対して、透明であることが好ましく、具体的には、その透過率は50%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましく、70%以上であることがより好ましく、80%以上であることがより好ましく、90%以上であることがより好ましく、95%以上であることが最も好ましい。
半導体発光素子においては、製造工程のうち、素子を分離する工程(後述する第四工程)におけるへき開が容易である必要がある。反り、残留歪みなどが低減された基板は、へき開等によって比較的加工しやすいため、直方体あるいは立方体への加工が比較的容易に得ることができる。また、反り、残留歪みが少ないことは、基板の加工において、加工板との密着性がよく、真空チャック、位置ずれ防止などを期待することができるが、前述のように、本発明の半導体発光素子が、そのサイズが比較的大きい、いわゆるラージチップとよばれるものである場合は、その効果が特に大きい。
窒化物基板の中では、GaN、AlN、BN、InN基板、あるいはこれらの原料からなる混晶基板が好ましいが、GaN、AlN、BN基板を用いることがより好ましく、GaN基板を用いることが最も好ましい。
上記の特性を有する窒化物基板としては、気相成長法により得られる窒化物基板を挙げることができるが、中でも特開2007−277077号公報に記載の、H−VPE(Hydride Vapor Phase Epitaxial Growth)法によって成長させる窒化ガリウム系材料を用いたものが好適である。
また、前述の気相成長法の他に、液相成長法により得られる窒化物基板も、本発明の半導体発光素子に用いる基板は好適である。液相成長法により得られる基板は、自然核発生によって得られる結晶が材料的に得られるという特性から、反りや残留歪みなどが少なく、結晶格子の周期性が高いという特性を有するが、本発明においては、特に以下の観点から、反りや残留歪みが少ないという特性が有効である。
Ga、Al、InなどのIII族元素とIII族元素以外の金属元素(好ましくはNaなどのアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素)の合金融液を窒素ガス加圧雰囲気下で加熱し、III族元素と窒素を反応させ結晶成長させると、窒化物単結晶を製造することができる。
Ga、Al、InなどのIII族元素およびIII族元素以外の金属元素(好ましくはLiなどのアルカリ金属元素またはアルカリ土類金属元素)を含有する複合窒化物を、イオン性溶媒に溶解した溶液または融液とし、この溶液または融液中で結晶成長すると、III族金属窒化物材料を得ることができる。
アンモニアなどの窒素含有溶媒を用いて、高温高圧の系に温度差を設け、温度差により溶媒への結晶溶解度の差を利用して窒化物の結晶成長を行う、いわゆるアモノサーマル法により得られる材料は、前述の液相成長法で得られる特徴に加え、大量にバルク製造ができる点で、特に厚膜基板を必要とする本発明において好適である。
超高温(2000K)のGa融液に超高圧(1〜2GPa)の窒素を溶解させGaと窒素を反応させて得られるGaN結晶は、格子不整合が少ない結晶性のよい材料という点で本発明の基板に好適に用いられる。
本発明者らの検討によれば、窒化物基板、半導体層部を構成しうる第一導電型半導体層、平均としてみた活性層構造(例えば量子井戸活性層構造であれば量子井戸層と障壁層の屈折率と厚みから求めた平均値)、第二導電型半導体層などの各層において、発光素子のピーク波長におけるそれぞれの屈折率は、窒化物基板を基準として±25%以内であることが好ましく、±10%以内であることがより好ましく、±5%以内であることがさらに好ましく、±3%以内であることが最も好ましい。
0.75≦(nLX(λ)/ns(λ))であることが好ましく、
0.90≦(nLX(λ)/ns(λ))であることがより好ましく、
0.95≦(nLX(λ)/ns(λ))であることがさらに好ましく、
0.97≦(nLX(λ)/ns(λ))であることが最も好ましい。
(nLX(λ)/ns(λ))≦1.25であることが好ましく、
(nLX(λ)/ns(λ))≦1.10であることがより好ましく、
(nLX(λ)/ns(λ))≦1.05であることがさらに好ましく、
(nLX(λ)/ns(λ))≦1.03であることが最も好ましい。
以上は、各層X(第一導電型半導体層、活性層構造、第二導電型半導体層などの各層)がそれぞれ、満たすことが好ましい。
本発明においては、基板主面に半導体層を形成する場合に、バッファ層を有することが好ましい。このバッファ層は薄膜のアンドープ層とすることが好ましい。これは特にMOCVD法によって半導体層部を形成する際に、高品質化が可能であって、好ましい。
また、窒化物基板の導電性の有無に関わらず、バッファ層の上に第一導電型半導体層を形成してもよい。このような場合には、高品質な層が形成できる点で好ましい。ここで、特に第一導電型半導体層はGaN、AlGaN、AlNのいずれかから構成されることが好ましい。
5×1017(cm−3)以上であることが好ましく、
1×1018(cm−3)以上であることがより好ましく、
3×1018(cm−3)以上であることがより好ましく、
5×1018(cm−3)以上であることがより好ましい。
また、5×1019(cm−3)以下であることが好ましく、
1×1019(cm−3)以下であることがより好ましい。
本発明においては、活性層構造は、同じ材料の接合からなる構成であってもよく、異なる材料の接合からなる構成であってもよいが、異種材料の接合を多重に有し、量子力学的なポテンシャル間の遷移によって電子―正孔対の再結合が発生する量子井戸活性層構造であることが好ましい。
1×1017(cm−3)以上であることが好ましく、
2×1017(cm−3)以上であることがより好ましく、
3×1017(cm−3)以上であることがより好ましく、
4×1017(cm−3)以上であることがより好ましい。
5×1018(cm−3)以下であることがより好ましく、
2×1018(cm−3)以下であることがより好ましく、
1×1018(cm−3)以下であることがより好ましく、
7×1017(cm−3)以下であることがより好ましい。
本発明の半導体層部には、第二導電型半導体層を有することは好ましく、また、第二導電型半導体層に接して、第二導電型側電極を有することが好ましい。
3×1018(cm−3)以上であることが好ましく、
5×1018(cm−3)以上であることがより好ましく、
7×1018(cm−3)以上であることがより好ましい。
5×1019(cm−3)以下であることがより好ましく、
3×1019(cm−3)以下であることがより好ましく、
2×1019(cm−3)以下であることがより好ましい。
本発明の半導体発光素子においては、最も強くθem maxを変化させうるのは、前述の通り、活性層構造が量子井戸活性層構造である場合には、量子井戸層と障壁層の屈折率差、量子井戸数、量子井戸層の厚み等の活性層構造内における薄膜干渉効果を支配する要素と、第二導電型側電極によって反射される内部発光の光路長を規定しうる第二導電型半導体層の薄膜干渉効果とである。
本発明の半導体発光素子は、高出力動作と高効率性を兼ね備えた素子となるので、サブマウント等の放熱機構の上に搭載されることが好ましい。特に放熱機構側には、基板側ではなく、最も発熱する半導体層部側が搭載されることが好ましい。また、半導体発光素子はサブマウント等の放熱機構には、半田によって接着される場合が好ましく、また、高密度に充填されたバンプ上に搭載される場合も好ましい。
本発明の半導体発光装置は、前述の本発明の半導体発光素子を備えていることを特徴とする。以下に、本発明の半導体発光装置の一例を示すが、本発明の半導体発光装置は、以下の実施態様のみに限定されるものではなく、公知の半導体発光装置またはそれらの組み合わせである半導体発光装置の態様にも応用することができる。
0がサブマウント101上にフリップチップ実装されている。すなわち、半導体発光素子10は、半導体層部15の第一導電型半導体層17及び第二導電型半導体層18のそれぞれに電気的に接続された第一導電型側電極27aおよび第二導電型側電極27bのそれぞれに導電性材料からなる半田またはバンプ102a、102bが設けられており、半導体発光素子10がフェースダウンで半田またはバンプ102a、102bを介してサブマウント101と電気的に接続されている。また、サブマウント101は、さらにプリント配線を有する絶縁基板103と接続されている。絶縁基板103は、半導体発光素子10を搭載するための凹部104が設けられており、凹部104の側壁105には、活性層構造18に平行な方向に内部発光強度密度の最大値を有する本発明の半導体発光素子10の内部発光プロファイルを効果的に利用できるように形状が設計され、さらに反射材料が用いられている。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する基板準備工程である第一工程と、
第一工程で準備した基板の主面上に半導体層部を形成する半導体層部形成工程である第二工程と、
少なくとも半導体層部を加工する、半導体層部加工工程である第三工程と、
当該基板と加工された半導体層部を各素子に分離する、素子分離工程である第四工程を含む。
式a1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式a5のみを満たす
ように形状加工することも好ましい。
式a5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式a3
Lsc×0.418≦ts≦ Lsc×2.395
式a7
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395
を満たすことが好ましい。
第一工程は、半導体層部形成工程の前に窒化物基板を準備する工程である。この工程においては、各種基板を作成する製法での窒化物基板の結晶成長工程、基板の外形加工工程、主面仕上げ工程、基板厚み調整工程、裏面仕上げ工程等を含むことが好ましい。
基板厚み調整は、半導体基板をバルク結晶からきり出す際に、そのおおよその厚みを決め、その後、機械的ラッピング、機械化学的ポリッシング、化学的ポリッシング等、エッチング等の種々の方法によって確定させることが可能である。
基板は、図5Aの(a)の形とする場合には、意図的な基板露出面を新規に形成することなく、通常の常識的な基板を分割するだけで、露出面を形成することができる。一方、(a)以外の形に例示されるような、基板主面と平行な面以外の面や、垂直な面以外の面を、例えば基板厚みと同等程度のオーダーとして、後述する凹凸形成と比較して大きな寸法で付与すべく加工する場合には、本発明における半導体発光素子の製造方法においては、基板露出面形成工程を実施することが好ましい。
本発明における凹凸加工とは、基板露出面形成と比較して相対的に微細な加工であって、光を散乱させる機能を有する加工である。よって、その凹凸サイズ(高低差)は、半導体発光素子のピーク波長をλとして、λ/50から50λ程度の寸法を有する加工である。好ましくはλ/10から10λ程度の寸法を有し、より好ましくはλ/7から7λ程度の寸法を有し、より好ましくはλ/5から5λ程度の寸法を有する。このような加工は光の散乱を誘発するために、加工の周期性や加工の大小が乱れていることが好ましく、ランダムであることがより好ましい。前記凹凸サイズは、例えば表面粗度Ra等により測定される。
また、第四工程内、第四工程後に行うことも、素子の露出面、分離面等すべてに凹凸加工を施す観点からは、好ましい。
第一工程は、半導体層部形成工程の前に窒化物基板を準備する工程であって、第二工程は後述するとおり、当該基板主面上に少なくとも半導体層部を形成する工程である。この間に第一第二工程間工程を有することは任意である。
本発明における第二工程内においては、少なくとも半導体層部を基板主面上に形成する工程を有する。この際には、前述の通り、本発明の基板が窒化物であるので、基板と半導体層の屈折率差が小さいためにも、半導体層部は窒化物を含むようにすることが好ましく、特に活性層部分は窒化物で構成するようにすることが好ましく、半導体層部全体が窒化物からなるようにすることがより好ましい。
本発明における第二工程は、少なくとも半導体層部を基板主面上に形成する工程を有し、本実施形態の第三工程は、少なくとも窒化物基板の主面上に形成された半導体層を加工する工程を有する。
よって、第二工程と第三工程の間に任意の工程を有することも可能である。ここで、第二第三工程間工程において基板厚み調整工程をおこなってもよく、基板露出面形成工程、基板上凹凸形状形成工程等を第二第三工程間に行うことは好ましい。
本実施形態の第三工程においては、少なくとも窒化物基板の主面上に形成された半導体層を加工する工程を有する。具体的には、少なくとも第二導電型側電極の形成、半導体層のエッチング、第一導電型側電極の形成を含み、これらは任意の順番で実施することができる。また、絶縁層の形成を含んでいてもよい。さらに、半導体層部の加工と同時に、または半導体層部の加工とは別に、基板主面を加工してもよく、主面を略三角形に加工する場合には、基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長Lsc(即ち、最長辺の長さ)および最短辺の長さLsaが、本工程において決まる場合がある。
ここで、高密度プラズマプロセスが実現可能なICP法によってプラズマを励起し、Clを含むガスによってドライエッチングを実施することが好ましい。また、エッチングマスクは、SiNx、SiOx、SrF2を含むマスクを用いることが好ましく、特にSrF2を含むマスクを用いることが好ましい。
本発明における第三工程は、少なくとも窒化物基板の主面上に形成された半導体層を加工する工程であって、第四工程は、基板と加工された半導体層部を各素子に分離する際に、所望の形状となるように素子分離を行う工程である。ここで、第三第四工程間工程において、基板厚み調整工程を行ってもよく、また、基板露出面形成工程、基板上凹凸形状形成工程等を第三第四工程間に行うことはより好ましい。
本実施形態の第四工程においては、少なくとも、基板と加工された半導体層部を各素子に分離する。主面が略三角形である場合は、基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長Lsc(即ち、最長辺の長さ)および最短辺の長さLsaは、本工程より前の工程で決まる場合もあるが、本工程において決まる場合が多い。
式a1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式a5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
また、ダイヤモンドスクライブやレーザスクライブを基板裏面側から実施することも好ましい。
較的厚膜の窒化物半導体発光素子を歩留まり良く素子分離できるため、非常に好ましい。
なお、本発明においては、後者の場合は、素子作成プロセスが簡素化可能であって、作製プロセス上好ましい。
本発明の半導体発光素子は、粘着シート等からの剥離が完了した後に、放熱性や電流注入性を容易にするために、いわゆるサブマウント等の放熱板に搭載することが好ましい。また、必要に応じて、サブマウントへの接着は、バンプ、半田等の任意の方法を用いることが可能であるが、放熱性を考慮したマウントを行い、Agが成分として含まれないようにすることが好ましい。
以下、基板の平面形状が略四角形(詳細後述)の実施形態について説明する。
1. 基板主面に垂直方向に投影した形状が略四角形である窒化物基板と、
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b1及び式b2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b1のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式b1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式b2
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b3及び式b4を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式3のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式b3
Lsc×0.418≦ts≦Lsc×2.395
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
式b4
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b5及び式b6を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b5のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式b5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式b6
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b7及び式b8を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b7のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式b7
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
式b8
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
前記基板が、前記活性層構造が発するピーク発光波長λの光に対して略透明であることを特徴とする半導体発光素子。
半導体発光素子のピーク波長λにおいて、前記基板の波長λにおける屈折率をns(λ)、
前記半導体層部を構成する層Xの波長λにおける屈折率をnLX(λ)とした際に、すべての層Xにおいて、
0.75≦(nLX(λ)/ns(λ))≦1.25
を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が窒化物のみから構成されることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の主面が、(0001)面あるいはこれらの面からのオフ角度が5度以内の面であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の主面が、(1−10n)面、(11−2n)面(但しnは0、1、2、3)あるいはこれらの面からのオフ角度が5度以内の面であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面と略平行な面、および、前記主面に対して略垂直な面によって構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面に対して略垂直な方向から傾斜している面を含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面と略平行な面をも含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面に対して略垂直な面をも含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面と略平行な面と主面に対して略垂直な面のいずれをも含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面に対して略垂直な方向から傾斜している面以外の面を含まないことを特徴とする半導体発光素子。
前記主面に対して略垂直な面から前記窒化物基板の露出面が傾斜している角度βが下記式のいずれかを満たすことを特徴とする半導体発光素子。
−22.5度 ≦ β < 0.0度
0.0度 < β ≦22.5度
前記窒化物基板の露出面が、凹凸加工されている部分を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の端部が、前記窒化物基板の主面に対して略垂直であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の端部が、前記窒化物基板の主面に対して略垂直でないことを特徴とする半導体発光素子。
前記基板の投影形状である前記略四角形に対して、当該半導体層部の端部の平面形状が、略合同または略相似形となっていることを特徴とする半導体発光素子。
前記基板の投影形状である前記略四角形に対して、当該半導体層部の端部の平面形状が、略合同でも略相似形でもないことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の端部の平面形状が、四角形以外の形状であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の平面形状が、端部に凹凸形状を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第二導電型半導体層を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記第二導電型半導体層の厚みが10nm以上180nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第一導電型半導体層を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第一導電型側電極とは接しておらず第二導電型側電極と接し、
前記第一導電型側電極は前記窒化物基板と接していることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第一導電型側電極と第二導電型側電極とともに接していることを特徴とする半導体発光素子。
前記活性層構造が、量子井戸層と障壁層とを有することを特徴とする半導体発光素子。
前記量子井戸層数が、4層以上30層以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記量子井戸層の厚みの最大値が40nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記量子井戸層の数をNUMQW、
前記量子井戸層を構成する層の平均物理厚みをTQW(nm)、
前記量子井戸層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnQW(λ)、
前記障壁層の数をNUMBR、
前記障壁層を構成する層の平均物理厚みをTBR(nm)、
前記障壁層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnBR(λ)、
前記第二導電型半導体層の物理厚みをTP(nm)、
前記第二導電型半導体層の屈折率をnP(λ)とする際に、
以下の数6を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部のピーク発光波長λが370nm以上430nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部に形成される発光ユニットが複数存在することを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板中の酸素濃度が5×1017(cm−3)未満であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の熱伝導率が200W/m・K以上であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の転位密度が9×1016(cm−2)以下であって、当該転位の分布が略一様であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板には分極反転領域を有さないことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板が、GaN基板であることを特徴とする半導体発光素子。
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
その外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxから、スネルの法則を用いて求められる半導体発光素子内部における内部発光強度密度の最大値を示す方向θem maxが少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
−90.0度 < θem max ≦−67.5度
67.5度 ≦ θem max < 90.0度
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxが、少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす配光特性となる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
−90.0度 < φem max ≦−32.5度
32.5度 ≦ φem max <90.0度
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値が、0度における外部発光強度密度よりも20%以上大きくなる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
であって、
前記半導体発光素子の半導体層部側が放熱板に近接していることを特徴とする半導体発光装置。
当該半導体発光素子が、シリコーン系材料またはガラス材料で覆われていることを特徴とする半導体発光装置。
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b1及び式b2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b1のみを満たすように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式b1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式b2
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
波長λにおける屈折率がns(λ)であるGaN基板を準備する第一工程と、
前記GaN基板の主面上に半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記GaN基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b3及び式b4を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b3のみを満たすように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式b3
Lsc×0.418≦ts≦ Lsc×2.395
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
式b4
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に最大物理厚みtLの半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b5及び式b6を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b5のみを満たす
ように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式b5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式b6
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
波長λにおける屈折率がns(λ)であるGaN基板を準備する第一工程と、
前記GaN基板の主面上に最大物理厚みtLの半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記GaN基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b7及び式b8を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b7のみを満たす
ように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式b7
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
式b8
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
第一工程から第四工程をこの順に実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板中の酸素濃度を5×1017(cm−3)以下とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板の熱伝導率を200W/m・K以上とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板の転位密度を9×1016(cm−2)以下とし、かつ、当該転位の分布を略一様とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板は分極反転領域を有さないように、選択成長用マスクを用いないで準備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
当該窒化物基板をGaN基板とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一第二工程間工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程において形成する半導体層部をすべて窒化物とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程における窒化物基板主面上に形成される半導体層部をAlxGayIn1−(x+y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程における半導体層部の形成を、MOCVD、MBE、PLD、PED、PSD、H−VPE、LPE法のいずれかの方法、もしくはその組み合わせによって行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程で形成される半導体層部の形成初期過程を、意図的なSi原料供給がされないエピタキシャル成長過程とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程における前記半導体層部内の量子井戸層形成時のIn濃度を、そのピーク発光波長λが370nm以上430nm以下となるように調整することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二第三工程間工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、半導体層部のエッチングを行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、半導体層部に電極形成を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板に接して電極形成を行う工程をも含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、半導体層部端部形成工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程における前記半導体層部端部の加工を、前記窒化物基板の主面に対して略垂直にすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程における前記半導体層部端部の加工を、前記窒化物基板の主面に対して略垂直でないようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
前記半導体層部端部の加工を、前記半導体層部の途中まで、前記基板界面まで、または
、前記基板の途中までのいずれかの深さで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
半導体層部端部の加工を、ドライエッチング、ウエットエッチング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビングのいずれかの方法、もしくはこれらの組み合わせで行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
半導体層部端部に平面的な凹凸形状を付与することすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、予定された1つの発光素子内の前記半導体層部に複数の発光ユニットを形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
複数の発光ユニットが発光ユニット間分離溝によって分離されるようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
発光ユニット間分離溝を、ドライエッチング、ウエットエッチング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビングのいずれかの方法、もしくはこれらの組み合わせで形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三第四工程間工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程において、半導体層部側に分離始点を有するようにして素子分離することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程において、窒素化物基板側に分離始点を有するようにして素子分離することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
分離始点の形成を機械的スクライビング、光学的スクライビング、ダイシング、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれかの方法、もしくはこれらの組み合わせで行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程における各素子の分離時に、窒化物基板の分離面が、当該基板の主面と略垂直となる部分を含むようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程における各素子の分離時に、窒化物基板の分離面が、当該基板の主面と略垂直な方向から傾斜している部分を含むようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
分離面の形成を、ブレーキング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビング、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれかの方法、もしくはその組み合わせで行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程後工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板厚み調整工程を、研磨、エッチングいずれかの方法もしくはその組み合わせで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板露出面形成工程を、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビング、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれかの方法もしくはこれらの組み合わせで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板上凹凸形状形成工程をウエットエッチング、ドライエッチング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビングのいずれかの方法もしくはこれらの組み合わせで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程後に前記半導体発光素子に内在する基板が、第一工程で準備された基板であるようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
88. 上記45〜86のいずれか1項に記載の方法で準備された半導体発光素子を用いて、第四工程後に半導体発光装置を作製する際の方法であって、
半導体発光素子の半導体層部側をサブマウントに搭載する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
半導体発光素子を封止する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
[1]半導体発光素子
本実施形態の半導体発光素子は、基板主面に垂直方向に投影した形状が略四角形である窒化物基板の主面上に半導体層部を有する半導体発光素子であり、下記(1)〜(5)が特定の関係を有することを主要な要件とする。
(1)半導体発光素子のピーク発光波長λ
(2)基板の最大物理厚みts、または基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和tt
(3)主面が略四角形である場合の当該略四角形の最短辺の長さLsa
(4)主面が略四角形である場合の当該略四角形の最長辺の長さLsb
(5)基板主面の上にある任意の2点の作る最も長い線分長Lsc
また、半導体発光素子各部の材質等や、製造方法についても、上記実施形態と重複する記載は省略し、以下では相違する部分を主に説明するものとする。
本実施形態の半導体発光素子は、窒化物基板を、基板主面に垂直方向に投影した形状が略四角形であることを特徴の一つとしている。また、基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長と窒化物基板の最大物理厚みとの間で特定の関係を満たすことを特徴の一つとしている。
式b1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
さらに、主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、当該基板主面の略四角形の最短辺の長さLsaと当該基板主面の略四角形の最長辺の長さLsbが下記式b2を満たす。
式b2
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
なお、この「対称性」ついては、本明細書の後半の「H:対称性について」のところで説明を補足する。
図19Fと図19Gは、それぞれ、基板部分が光学的に平坦な面で囲まれた半導体発光素子において、基板主面に垂直方向から投影した形状が正方形の場合と、図形の対称性を下げた不等辺四角形の場合おいて、光取り出し効率を計算したモデルを示したものである。この結果、前記正方形に対して、前記不等辺四角形の光取り出し効率は、1.9倍となることを確認している。
当該窒化物基板の波長λにおける屈折率をns(λ)、
基板の最も厚い部分の物理厚みをts、
半導体層部を構成する層Xの波長λにおける屈折率をnLX(λ)(即ち、層Xは、半導体層部を構成する任意の層を表し、nLX(λ)はその層Xの波長λにおける屈折率を表す。)、
基板主面から活性層構造までの最大の物理厚みをta、
半導体層部の最大の物理厚みをtLとする。
この図では、主面の平面形状が略四角形であるので、当該基板主面の略四角形の最短辺の長さをLsa、
該基板主面の略四角形の最長辺の長さをLsbとする。
次に、本発明者らは、例えば図19Aの構造の半導体発光素子10を簡便に作製する方法に関し検討を行った。前述のとおり、
i)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b1及び式b2を満たし、
ii)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b1のみを満たす場合に、基板主面が略四角形の半導体発光素子を容易に形成できることを見出した。
式b1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
式b2
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
ここで、Lsaは、基板主面の略四角形の最短辺の長さであり、Lsbは基板主面の略四角形の最長辺の長さである。
、チップ外形に過度なチッピングが発生することなどは好ましくない。
本実施形態においては、半導体層部の周辺部分、すなわち「半導体層部端部」は、図20に例示されるような形態とすることが可能であって、いずれの場合も好ましい。図20は図19Aに例示された線分Lscを含む面の形態を例示したものである。
なお、図5は第一の実施形態における説明で用いた図面であるが、本実施形態においても、側壁部や主面と対峙する面等の形態を種々変更した例を示す図として共通に用いるものとする。
本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する基板準備工程である第一工程と、
第一工程で準備した基板の主面上に半導体層部を形成する半導体層部形成工程である第二工程と、
少なくとも半導体層部を加工する、半導体層部加工工程である第三工程と、
当該基板と加工された半導体層部を各素子に分離する、素子分離工程である第四工程を含む。
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b1及び式b2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b1のみを満たすように形状加工することが好ましい。
式b1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式b2
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
ここで、Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b5及び式b6を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b5のみを満たす
ように形状加工することも好ましい。
式b5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式b6
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
ここで、Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。
式b3
Lsc×0.418≦ts≦ Lsc×2.395
式b7
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395
を満たすことが好ましい。
<第四工程>
本実施形態の第四工程においては、少なくとも、基板と加工された半導体層部を各素子に分離する。基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長Lscは、本工程より前の工程で決まる場合もあるが、本工程において決まる場合が多い。その際、主面が略四角形である場合に、略四角形の主面の最短辺の長さLsaおよび略四角形の主面の最長辺の長さLsbも、本工程において決まる場合場合が多い。
i)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b1及び式b2を満たし、
ii)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b1のみを満たす
ように形状加工される。
式b1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式b2
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
ここで、Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。
i)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式b5及び式b6を満たし、
ii)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式b5のみを満たす
ように形状加工される。
式b5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式b6
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
ここで、Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。
以下、基板の平面形状が略m角形(詳細後述)の実施形態について説明する。
また、基板の物理厚みを大きくすることに加えて基板主面に垂直方向に投影した形状を多角形状、または曲線形状を含む図形とすることは、側壁面からの光取り出し効率を相乗的に向上させ、当業者の予測できない顕著な効果を有することを見出した。
1. 基板主面に垂直方向に投影した形状が略m角形(mは5以上の整数)又は少なくとも一部に曲線を含む形状である窒化物基板と、
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式c1及び式c2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式c1のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式c1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式c2
500(μm)≦Lsc
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式c3及び式c4を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式c3のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式c3
Lsc×0.418≦ts≦Lsc×2.395
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
式c4
500(μm)≦Lsc
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式c5及び式c6を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式c5のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式c5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式c6
500(μm)≦Lsc
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式c7及び式c8を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式c7のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式c7
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
式c8
500(μm)≦Lsc
前記基板主面が、略m角形(5≦m≦18)又は少なくとも一部に曲線を含む形状であり、
前記Lscが下記式を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
500(μm)≦Lsc≦7000(μm)
前記基板が、前記活性層構造が発するピーク発光波長λの光に対して略透明であること
を特徴とする半導体発光素子。
半導体発光素子のピーク波長λにおいて、前記基板の波長λにおける屈折率をns(λ)、
前記半導体層部を構成する層Xの波長λにおける屈折率をnLX(λ)とした際に、すべての層Xにおいて、
0.75≦(nLX(λ)/ns(λ))≦1.25
を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が窒化物のみから構成されることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の主面が、(0001)面あるいはこれらの面からのオフ角度が5度以内の面であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の主面が、(1−10n)面、(11−2n)面(但しnは0、1、2、3)あるいはこれらの面からのオフ角度が5度以内の面であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面と略平行な面、および、前記主面に対して略垂直な面によって構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面に対して略垂直な方向から傾斜している面を含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面と略平行な面をも含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面に対して略垂直な面をも含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面と略平行な面と主面に対して略垂直な面のいずれをも含むことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の露出面が、前記主面に対して略垂直な方向から傾斜している面以外の面を含まないことを特徴とする半導体発光素子。
前記主面に対して略垂直な面から前記窒化物基板の露出面が傾斜している角度βが下記式のいずれかを満たすことを特徴とする半導体発光素子。
−22.5度 ≦ β < 0.0度
0.0度 < β ≦22.5度
前記窒化物基板の露出面が、凹凸加工されている部分を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の端部が、前記窒化物基板の主面に対して略垂直であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の端部が、前記窒化物基板の主面に対して略垂直でないことを特徴とする半導体発光素子。
前記基板の投影形状である前記略m角形又は少なくとも一部に曲線を含む形状に対して、当該半導体層部の端部の平面形状が、略合同または略相似形であることを特徴とする半導体発光素子。
前記基板の投影形状である前記略m角形又は少なくとも一部に曲線を含む形状に対して、当該半導体層部の端部の平面形状が、略合同でも略相似形でもないことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の端部の平面形状が、略m角形又は少なくとも一部に曲線を含む形状以外の形状であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部の平面形状が、端部に凹凸形状を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第二導電型半導体層を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記第二導電型半導体層の厚みが10nm以上180nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第一導電型半導体層を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第一導電型側電極とは接しておらず第二導電型側電極と接し、
前記第一導電型側電極は前記窒化物基板と接していることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部が、第一導電型側電極と第二導電型側電極とともに接していることを特徴とする半導体発光素子。
前記活性層構造が、量子井戸層と障壁層とを有することを特徴とする半導体発光素子。
前記量子井戸層数が、4層以上30層以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記量子井戸層の厚みの最大値が40nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記量子井戸層の数をNUMQW、
前記量子井戸層を構成する層の平均物理厚みをTQW(nm)、
前記量子井戸層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnQW(λ)、
前記障壁層の数をNUMBR、
前記障壁層を構成する層の平均物理厚みをTBR(nm)、
前記障壁層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnBR(λ)、
前記第二導電型半導体層の物理厚みをTP(nm)、
前記第二導電型半導体層の屈折率をnP(λ)とする際に、
以下の数7を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部のピーク発光波長λが370nm以上430nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体層部に形成される発光ユニットが複数存在することを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板中の酸素濃度が5×1017(cm−3)未満であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の熱伝導率が200W/m・K以上であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板の転位密度が9×1016(cm−2)以下であって、当該転位の分布が略一様であることを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板には分極反転領域を有さないことを特徴とする半導体発光素子。
前記窒化物基板が、GaN基板であることを特徴とする半導体発光素子。
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
その外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxから、スネルの法則を用いて求められる半導体発光素子内部における内部発光強度密度の最大値を示す方向θem maxが少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
−90.0度 < θem max ≦−67.5度
67.5度 ≦ θem max < 90.0度
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxが、少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす配光特性となる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
−90.0度 < φem max ≦−32.5度
32.5度 ≦ φem max <90.0度
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値が、0度における外部発光強度密度よりも20%以上大きくなる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体発光素子の半導体層部側が放熱板に近接していることを特徴とする半導体発光装置。
当該半導体発光素子が、シリコーン系材料またはガラス材料で覆われていることを特徴とする半導体発光装置。
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
i)主面を、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同であるように形成する場合は、式c1及び式c2を満たし、
ii)主面を、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同とならないように形成する場合は、式c1のみを満たす
ように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式c1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式c2
500(μm)≦Lsc
波長λにおける屈折率がns(λ)であるGaN基板を準備する第一工程と、
前記GaN基板の主面上に半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記GaN基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
i)主面を、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同であるように形成する場合は、式c3及び式c4を満たし、
ii)主面を、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同とならないように形成する場合は、式c3のみを満たす
ように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式c3
Lsc×0.418≦ts≦ Lsc×2.395
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
式c4
500(μm)≦Lsc
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に最大物理厚みtLの半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
i)主面を、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同であるように形成する場合は、式c5及び式c6を満たし、
ii)主面を、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同とならないように形成する場合は、式c5のみを満たす
ように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式c5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式c6
500(μm)≦Lsc
波長λにおける屈折率がns(λ)であるGaN基板を準備する第一工程と、
前記GaN基板の主面上に最大物理厚みtLの半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記GaN基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
i)主面を、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同であるように形成する場合は、式c7及び式c8を満たし、
ii)主面を、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同とならないように形成する場合は、式c7のみを満たす
ように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式c7
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395
(但し、
ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表す。)
式c8
500(μm)≦Lsc
(但し、
Lsaは、前記略m角形の主面の最短辺の長さを表す。)
前記基板主面を、略m角形(5≦m≦18)又は少なくとも一部に曲線を含む形状に形成し、
前記Lscが下記式を満たす
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
500(μm)≦Lsc≦7000(μm)
第一工程から第四工程をこの順に実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板中の酸素濃度を5×1017(cm−3)以下とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板の熱伝導率を200W/m・K以上とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板の転位密度を9×1016(cm−2)以下とし、かつ、当該転位の分布を略一様とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において準備する窒化物基板は分極反転領域を有さないように、選択成長用マスクを用いないで準備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
当該窒化物基板をGaN基板とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第一第二工程間工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程において形成する半導体層部をすべて窒化物とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程における窒化物基板主面上に形成される半導体層部をAlxGayIn1−(x+y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程における半導体層部の形成を、MOCVD、MBE、PLD、PED、PSD、H−VPE、LPE法のいずれかの方法、もしくはその組み合わせによって行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程で形成される半導体層部の形成初期過程を、意図的なSi原料供給がされないエピタキシャル成長過程とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二工程における前記半導体層部内の量子井戸層形成時のIn濃度を、そのピーク発光波長λが370nm以上430nm以下となるように調整することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第二第三工程間工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、半導体層部のエッチングを行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、半導体層部に電極形成を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板に接して電極形成を行う工程をも含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、半導体層部端部形成工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程における前記半導体層部端部の加工を、前記窒化物基板の主面に対して略垂直にすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程における前記半導体層部端部の加工を、前記窒化物基板の主面に対して略垂直でないようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
前記半導体層部端部の加工を、前記半導体層部の途中まで、前記基板界面まで、または、前記基板の途中までのいずれかの深さで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
半導体層部端部の加工を、ドライエッチング、ウエットエッチング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビングのいずれかの方法、もしくはこれらの組み合わせで行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
半導体層部端部に平面的な凹凸形状を付与することすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三工程において、予定された1つの発光素子内の前記半導体層部に複数の発光ユニットを形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
複数の発光ユニットが発光ユニット間分離溝によって分離されるようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
発光ユニット間分離溝を、ドライエッチング、ウエットエッチング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビングのいずれかの方法、もしくはこれらの組み合わせで形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第三第四工程間工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程において、半導体層部側に分離始点を有するようにして素子分離することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程において、窒素化物基板側に分離始点を有するようにして素子分離することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
分離始点の形成を機械的スクライビング、光学的スクライビング、ダイシング、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれかの方法、もしくはこれらの組み合わせで行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程における各素子の分離時に、窒化物基板の分離面が、当該基板の主面と略垂直となる部分を含むようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程における各素子の分離時に、窒化物基板の分離面が、当該基板の主面と略垂直な方向から傾斜している部分を含むようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
分離面の形成を、ブレーキング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビング、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれかの方法、もしくはその組み合わせで行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程後工程において、基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板厚み調整工程を、研磨、エッチングいずれかの方法もしくはその組み合わせで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板露出面形成工程を、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビング、ドライエッチング、ウエットエッチングのいずれかの方法もしくはこれらの組み合わせで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
基板上凹凸形状形成工程をウエットエッチング、ドライエッチング、ダイシング、機械的スクライビング、光学的スクライビングのいずれかの方法もしくはこれらの組み合わせで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程後に前記半導体発光素子に内在する基板が、第一工程で準備された基板であるようにすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
第四工程後に半導体発光装置を作製する際の方法であって、
半導体発光素子の半導体層部側をサブマウントに搭載する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
第四工程後に半導体発光装置を作製する際の方法であって、
半導体発光素子を封止する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
[1]半導体発光素子
本実施形態の半導体発光素子は、基板主面に垂直方向に投影した形状が略m角形又は少なくとも一部に曲線を含む形状である窒化物基板の主面上に半導体層部を有する半導体発光素子であり、下記(1)〜(3)が特定の関係を有することを主要な要件とする。
(1)半導体発光素子のピーク発光波長λ
(2)基板の最大物理厚みts、または基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和tt
(3)基板主面の上にある任意の2点の作る最も長い線分長Lsc
本実施形態の半導体発光素子は、窒化物基板を、基板主面に垂直方向に投影した形状が略m角形又は少なくとも一部に曲線を含む形状であることを特徴の一つとしている。また、基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長と窒化物基板の最大物理厚みとの間で特定の関係を満たすことを特徴の一つとしている。
式c1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
さらに、基板主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、前記Lscが下記式c2を満たす。
式c2
500(μm)≦Lsc
このように、投影形状が略m角形の場合、特にmが大きくなればなるほど、また、任意のm角形を1つ選択した場合には、その中では、その対称性が低い形状の方が光取り出しに有利であって好ましい。これは、本発明のように側面からの光の出射を主とする半導体発光素子においては格段の相乗効果を奏するという意味で好ましい。換言すると、前述の基板の物理厚みを厚くすることとの組合せにより側壁面からの光取り出し効率が相乗的に向上し、当業者の予測できない顕著な効果を実現することができ、かかる観点からも基板の物理厚みと投影形状との組合せは技術的意義が極めて大きい。
なお、本発明において「略m角形」とは、前述で定義したm角形の他、概ねm角形状を呈するが、各辺が厳密な直線でなく、いずれか1以上の辺の一部または全部に、細かな波形形状や凹凸の形状を、規則的にまたは不規則に有するものであってもよいとする趣旨である。いずれか1以上の辺の一部または全部に、細かな波形形状や凹凸の形状を、規則的にまたは不規則に有するm角形としては、例えば図34(a)、(b)に記載のものが挙げられる。
当該窒化物基板の波長λにおける屈折率をns(λ)、
基板の最も厚い部分の物理厚みをts、
半導体層部を構成する層Xの波長λにおける屈折率をnLX(λ)(即ち、層Xは、半導体層部を構成する任意の層を表し、nLX(λ)はその層Xの波長λにおける屈折率を表す。)、
基板主面から活性層構造までの最大の物理厚みをta、
半導体層部の最大の物理厚みをtLとする。
この図では、主面の平面形状が略六角形であるので、当該基板主面の略六角形の最短辺の長さをLsaとする。
次に、本発明者らは、例えば図28Aの構造の半導体発光素子10を簡便に作製する方法に関し検討を行った。前述のとおり、
i)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式c1及び式c2を満たし、
ii)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式c1のみを満たす場合に、基板主面が略m角形の半導体発光素子を容易に形成できることを見出した。
式c1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
式c2
500(μm)≦Lsc
本実施形態においては、半導体層部の周辺部分、すなわち「半導体層部端部」は、図29に例示されるような形態とすることが可能であって、いずれの場合も好ましい。図29は図28Aに例示された線分Lscを含む面の形態を例示したものである。
なお、第二の実施形態の中で留意事項として述べたように、本実施形態においても、図5を、側壁部や主面と対峙する面等の形態を種々変更した例を示す図として共通に用いるものとする。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する基板準備工程である第一工程と、
第一工程で準備した基板の主面上に半導体層部を形成する半導体層部形成工程である第二工程と、
少なくとも半導体層部を加工する、半導体層部加工工程である第三工程と、
当該基板と加工された半導体層部を各素子に分離する、素子分離工程である第四工程を含む。
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式c1及び式c2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式c1のみを満たすように形状加工することが好ましい。
式c1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式c2
500(μm)≦Lsc
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式c5及び式c6を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式c5のみを満たすように形状加工することも好ましい。
ように形状加工することも好ましい。
式c5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を
表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式c6
500(μm)≦Lsa
式c3
Lsc×0.418≦ts≦ Lsc×2.395
式c7
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395
を満たすことが好ましい。
本実施形態の第三工程においては、少なくとも窒化物基板の主面上に形成された半導体層を加工する工程を有する。具体的には、少なくとも第二導電型側電極の形成、半導体層のエッチング、第一導電型側電極の形成を含み、これらは任意の順番で実施することができる。また、絶縁層の形成を含んでいてもよい。さらに、半導体層部の加工と同時に、または半導体層部の加工とは別に、基板主面を加工してもよく、そのときに、基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長Lscが、本工程において決まる場合がある。その際、主面を略m角形に加工する場合には、略m角形の主面の最短辺の長さLsaも、本工程において決まる場合がある。
本実施形態の第四工程においては、少なくとも、基板と加工された半導体層部を各素子に分離する。基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長Lscは、本工程より前の工程で決まる場合もあるが、本工程において決まる場合が多い。その際、主面が略m角形である場合に、略m角形の主面の最短辺の長さLsaも、本工程において決まる場合場合が多い。
i)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式c1及び式c2を満たし、
ii)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式c1のみを満たす
ように形状加工される。
式c1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式c2
500(μm)≦Lsc
i)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式c5及び式c6を満たし、
ii)主面が、基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式c5のみを満たす
ように形状加工される。
式c5
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦tt
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
ここで、ttは、前記基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和を表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。
式c6
500(μm)≦Lsa
以下、「超ラージチップ」と呼ばれる範疇の素子(詳細後述)について説明する。
この実施形態においては、窒化物基板上に形成され、比較的大型で高出力動作が可能なチップ(「超ラージチップ」と呼ぶべき範疇に入るチップ)の理想的な光取り出しを、簡便な作製プロセスで実現可能な半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
1. 基板主面に垂直方向に投影した形状が略四角形である窒化物基板と、
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部とを有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式d1及び式d2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式d1のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式d1
450(μm)≦ts≦22(mm)
(tsは前記基板の最大物理厚み)
式d2
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部とを有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式d3及び式d4を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式d3のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式d3
450(μm)≦tt≦22(mm)
(ttは、前期基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和)
式d4
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
前記基板が、前記活性層構造が発するピーク発光波長λの光に対して略透明であることを特徴とする半導体発光素子。
半導体発光素子のピーク波長λにおいて、
前記基板の波長λにおける屈折率をns(λ)、
前記半導体層部を構成する層Xの波長λにおける屈折率をnLX(λ)、
とした際に、すべての層Xにおいて、
0.75≦(nLX(λ)/ns(λ))≦1.25
を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
−22.5度 ≦ β < 0.0度
0.0度 < β ≦22.5度
前記第一導電型側電極は前記窒化物基板と接していることを特徴とする半導体発光素子。
前記量子井戸層を構成する層の平均物理厚みをTQW(nm)、
前記量子井戸層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnQW(λ)、
前記障壁層の数をNUMBR、
前記障壁層を構成する層の平均物理厚みをTBR(nm)、
前記障壁層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnBR(λ)、
前記第二導電型半導体層の物理厚みをTP(nm)、
前記第二導電型半導体層の屈折率をnP(λ)とする際に、
以下の数8を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
その外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxから、スネルの法則を用いて求められる半導体発光素子内部における内部発光強度密度の最大値を示す方向θem maxが少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす平面が存在することを特徴とする半導体発光素子
−90.0度 < θem max ≦−67.5度
67.5度 ≦ θem max < 90.0度
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxが、少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす配光特性となる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子
−90.0度 < φem max ≦−32.5度
32.5度 ≦ φem max <90.0度
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値が、0度における外部発光強度密度よりも20%以上大きくなる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体発光素子の半導体層部側が放熱板に近接していることを特徴とする半導体発光装置。
当該半導体発光素子が、シリコーン系材料またはガラス材料で覆われていることを特徴とする半導体発光装置。
窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式d1及び式d2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式d1のみを満たすように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式d1
450(μm)≦ts≦22(mm)
(tsは前記基板の最大物理厚み)
式d2
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に最大物理厚みtLの半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式d3及び式d4を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式d3のみを満たすように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式d3
450(μm)≦tt≦22(mm)
(ttは、前期基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和)
式d4
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
前記窒化物基板をGaN基板とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
、前記基板の途中までのいずれかの深さで実施することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
半導体発光素子の半導体層部側をサブマウントに搭載する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
半導体発光素子を封止する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
[1]半導体発光素子
本発明の半導体発光素子は、基板主面に垂直方向に投影した形状が略四角形である窒化物基板の主面上に半導体層部を有する半導体発光素子であり、下記(1)〜(5)が特定の関係を有することを主要な要件とする。
(1)半導体発光素子のピーク発光波長λ
(2)基板の最大物理厚みts、または基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和tt
(3)主面が略四角形である場合の当該略四角形の最短辺の長さLsa
(4)主面が略四角形である場合の当該略四角形の最長辺の長さLsb
(5)基板主面の上にある任意の2点の作る最も長い線分長Lsc
以下の説明では、上記実施形態と相違する部分を中心に説明するものとする。
これまで見てきたように、本発明の半導体発光素子の内部発光強度密度の最大値を示す角度θem maxの絶対値は、好ましくは67.5度以上であって90度未満を満たす。このために、内部発光強度密度の高い方向は、半導体発光素子の活性層構造と平行に近い方向である。さて、一般に半導体発光素子を構成する基板、第一導電型半導体層、活性層構造、第二導電型半導体層などに、極端な屈折率差が存在しなければ(例えばこれら材料の屈折率が25%の差以下であれば、また、好ましくは20%の差以下、より好ましくは10%の差以下、最も好ましくは5%の差以下であれば)、内部発光強度密度の高い方向に向かう光は、次のような挙動をしめす。
ここにおいて、図面下側には半導体層部、電極等が存在し、かつ、図面上側が窒化物基板(例えば発光波長における屈折率は2.5)であるフリップチップの形態を例示し、記載しているものとする。また、実線は主たる光線の挙動を示しており、点線は強度が弱まった光線の挙動を示している。さらに、ここにおいては内部発光強度密度の最大値を示す角度θem maxを80度として図示した。
この場合には、よく知られた半導体発光素子の厚みとしても、内部発光強度密度の最大値を示す角度に出射された光は側壁面に到達し、臨界角以下の角度であるので、素子外に取り出しうる光となる。すなわち、素子の形状としての光取り出し効率は高いと考えられる。
次に、第二段階において、第一段階で計算した内部発光強度密度の角度分布に従って確率論的に発生させた光線を幾何光学的に追跡する光線追跡シミュレーションを行った。これにより、半導体発光素子からの光取り出し効率に対する素子形状の影響を計算した。
素子の一辺の長さの上限は特に制約されないが、半導体層を形成しうる基板全体の外形によって制約を受けるのが普通であって、その素子の一辺の長さは50mm以下であることが好ましく、25mm以下であることがより好ましく、10mm以下であることがより好ましく、5mm以下であることがより好ましく、3mm以下であることがより好ましい。
本発明者らは、前述の内部発光強度密度の最大値を有する方向を含んで、かつ、それ以外の方向に出射された内部発光も、可能な限り、半導体側壁部から外部に取り出すことが、半導体発光素子の光取り出し効率向上に効果的であることを見出した。すなわち本発明の半導体発光素子は、窒化物基板を、基板主面に垂直方向に投影した形状が略四角形であることを特徴の一つとしている。
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部とを有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式d1及び式d2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式d1のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式d1
450(μm)≦ts≦22(mm)
(tsは前記基板の最大物理厚み)
式d2
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
図44から明らかなように、例えば正方形の1辺の長さが0.4mm(L=0.4)の場合は、基板厚みを厚くしても、ほとんど光取り出し効率比は改善しない。たかだかその改善度合いは2%程度であった。同時に、図44から、基板主面に垂直方向に投影した形状が略四角形であって、その一辺の長さが1.7mm(L=1.7)以上ある素子においては、450μm以上の厚い基板を発光素子に内在させることで、L=0.4である通常の発光素子よりもその改善度合いを約10倍にすることが可能であることが分かる。すなわち、約20%の光取り出し効率比向上を、安定的に実現できることが分かる。図中には計算上の光取り出し効率比向上が19%から21%となる部分を破線で囲んで示してある。
さらには、基板厚みは500μm以上が好ましく、550μm以上がより好ましく、600μm以上がより好ましく、650μm以上がより好ましく、700μm以上がより好ましく、750μm以上がより好ましく、800μm以上が最も好ましいことも分かる。
特に本発明のように至極厚いGaN基板上に形成された半導体発光素子を素子分離する要請がある場合においては、後述するように素子分離に関して通常のスクライブ、ブレーキング、ダイシング等よりもレーザ加工を基礎とした方法を採用することが好ましい。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、
窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含む。
ここで、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式d1及び式d2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式d1のみを満たすように形状加工することが好ましい。
式d1
450(μm)≦ts≦22(mm)
(tsは前記基板の最大物理厚み)
式d2
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式d3及び式d4を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式d3のみを満たすように形状加工することをも好ましい。
式d3
450(μm)≦tt≦22(mm)
(ttは、前期基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和)
式d4
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
基板主面の上にある任意の2点の作る最も長い線分長をLsc、
当該基板の半導体発光素子のピーク波長λにおいて、前記基板の波長λにおける屈折率をns(λ)とする際に、基板厚みtsは、
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
の関係を満たすことはより好ましい。
この場合には、第一の実施形態、第二の実施形態、第三の実施形態において前述したような、基板の屈折率に関する考察から、それぞれ式d3および式d7:
式d3
Lsc×0.418≦ts≦ Lsc×2.395
式d7
Lsc×0.418≦tt≦ Lsc×2.395
を満たすことがより好ましい。
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
の関係によって与えられるtsは、十分な厚みを与える。よって、本発明においては、図20〜図22に例示したような種々の形態はすべて好ましい。
基板厚み調整に関し、本実施形態においては、特に超厚膜の窒化物基板が素子内に内在するようにすることが好ましいため、1つの基板に対して他の基板を厚み方向に対して貼り付けることも好ましい。この際には、前者と後者の屈折率差は25%以内であることが好ましく、10%以内であることがより好ましく、5%以内であることがより好ましく、3%以内であることがより好ましく、実効的に同じ屈折率を有することが最も好ましい。
本実施形態の第四工程においては、少なくとも、基板と加工された半導体層部を各素子に分離する。基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長Lscは、本工程より前の工程で決まる場合もあるが、本工程において決まる場合が多い。その際、主面が略四角形である場合に、略四角形の主面の最短辺の長さLsaおよび略四角形の主面の最長辺の長さLsbも、本工程において決まる場合場合が多い。
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式d1及び式d2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式d1のみを満たすように形状加工される。
式d1
450(μm)≦ts≦22(mm)
(tsは前記基板の最大物理厚み)
式d2
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、式d3及び式d4を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、式d3のみを満たすように形状加工される。
式d3
450(μm)≦tt≦22(mm)
(ttは、前期基板の最大物理厚みtsと半導体層部の最大物理厚みtLの和)
式d4
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。)
以下、第二導電型半導体層の厚みについて説明する。
67.5(度)≦ θ em max <90(度)
となることが好ましいことを説明した。また、この結果として、第二導電型半導体層の厚みは10nm以上180nm以下であることが好ましいことについて述べた。
(1)すなわち、
方針1:
内部発光強度密度Jin(θ)の最大値を与える角度θem max(度)に最近接し、
Jin(θ)に極小値を与える角度θem
L-minimal(度)が以下を満たすことが望ましい。
θem L-minimal(度)<67.5(度)
より一般的には、
θem L-minimal(度)<(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)
であることが望ましい。
臨界角が(90−sin−1(nout(λ)/ns(λ)))(度)となる場合も、
例えば、nout(λ)=1.4であればθem
L-minimal(度)<55.9(度)となるので、nout(λ)=1.0(空気や真空)としてθem L-minimal(度)<67.5(度)の場合を考えておけば十分な範囲を与えることとなる。
θ=θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θem max)と、67.5度における内部発光強度密度Jin(67.5)の比(Jin(67.5)/Jin(θ em max))が以下を満たすことが好ましい。
Jin(67.5)/Jin(θem max)≦0.9
より一般的には、
Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θem max)≦0.9
であることが望ましい。
θ=θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θem max)と、67.5度における内部発光強度密度Jin(67.5)の比(Jin(67.5)/Jin(θem max))が以下も満たすことがさらに好ましい。
Jin(67.5)/Jin(θ em max )≦0.8
より一般的には、
Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max)≦0.8
であることがさらに望ましい。
方針1、2についての理由を、図45等を参照して説明する。
図45は、GaN基板上の発光素子の場合であって、内部発光強度密度の放射方向(θem)依存性を示したグラフであって、第二導電型半導体層厚みをパラメータとしている。ここで、量子井戸層数は8、量子井戸層の厚みは2nm、バリア層は13nmと仮定した結果である。さらに、図中の67.5(度)≦θ em≦90(度)の範囲の内部発光は、半導体発光素子側壁からの光取り出しが可能な光であって、図中にはこの臨界角である67.5度の部分が明示されている。
また、素子側壁から光取り出し可能な67.5度以上90度以下の方向に向かう内部発光光の総量が過度に減少し始めてしまう。
方針1、3についての理由を、図46を参照して説明する。図46は図45と同様の図であるが、グラフ中の太線で示した部分が異なっている。
最初に、図46の例を用いて、方針1についての理由を再度説明すると、次の通りである。すなわち、同図に示すように、グラフ中の150nmの線を境として、67.5(度)≦θ em L-minimal≦90(度)であると、素子側壁から光取り出し可能な67.5度から90度までの方向に向かう内部発光光の総量が過度に減少し始めてしまう(方針1)。
また、素子側壁から光取り出し可能な67.5度以上90度以下の方向に向かう内部発光光の総量が過度に減少し始めてしまう。
よって、側壁からの光取り出しを主としうる半導体発光素子の構成において、第二導電型側半導体層の厚みを70nm以上150nm以下とすることは、格段の効果を生み出すこととなり、好ましい。また、第二導電型側半導体層18の厚みを80nm以上150nm以下とする事はより好ましい。
1.
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する量子井戸層とバリア層を有する活性層構造、第一導電型側半導体層、波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
内部発光強度密度の最大値示す方向θ em max(度)に最近接し、
内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式e1を満たし、
かつ、
方向(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)における内部発光強度密度Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))と、θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max)との比が、以下の式e2を満たすような、第二導電型側半導体層厚み、量子井戸層数、および量子井戸層厚みを有することを特徴とする半導体発光素子。
式e1:θ em L-minimal(度)<90−sin−1(1/ns(λ))(度)
式e2:(Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max))≦0.9
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する活性層構造、第一導電型側半導体層、波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
第二導電型側半導体層の厚みが70nm以上150nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する活性層構造、第一導電型側半導体層、波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
内部発光強度密度の最大値を示す方向θ em max(度)に最近接し、内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式e1を満たし、
かつ、
方向(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)における内部発光強度密度Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))と、θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max)との比が、以下の式e2を満たすような第二導電型側半導体層の厚みを有することを特徴とする半導体発光素子。
式e1:θ em L-minimal(度)<90−sin−1(1/ns(λ))(度)
式e2:(Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max))≦0.9
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する活性層構造、第一導電型側半導体層、GaN基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
内部発光強度密度の最大値示す方向θ em max(度)に最近接し、内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式e3を満たし、
かつ、
方向67.5度における内部発光強度密度Jin(67.5)と、θ em maxにおける内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max )との比が、以下の式e4を満たすような第二導電型側半導体層の厚み有することを特徴とする半導体発光素子。
式e3:θ em L-minimal(度)<67.5(度)
式e4:(Jin(67.5)/Jin(θ em max))≦0.9
上記(A)〜(C)のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記窒化物基板の主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値が、0度における外部発光強度密度よりも20%以上大きくなる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
以下、量子井戸層の数について説明を加える。
(i)極性面上の量子井戸層数に関して、その好ましい層数が、
4層以上、5層以上、8層以上、10層以上であって、
30層以下、25層以下、20層以下であること、
について述べた。
(ii)また、非極性面上の量子井戸層数に関して、その好ましい層数が、
4層以上、5層以上、8層以上であって、
20層以下、15層以下であること、
について述べた。
方針1:
内部発光強度密度Jin(θ)の最大値を与える角度θ em max(度)に最近接し、Jin(θ)に極小値を与える角度θem L-minimal(度)が以下を満たすことが望ましい。
θ em L-minimal(度)<67.5(度)
より一般的には
θ em L-minimal(度)<(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)
を満たすことが好ましい。
θ=θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max)と、67.5度における内部発光強度密度Jin(67.5)の比(Jin(67.5)/Jin(θ em max))が以下を満たすことが好ましい。
Jin(67.5)/Jin(θ em max )≦0.9
より一般的には、
Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max )≦0.9
であることが望ましい。
θ=θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max)と、67.5度における内部発光強度密度Jin(67.5)の比(Jin(67.5)/Jin(θ em max))が以下も満たすことがさらに好ましい。
Jin(67.5)/Jin(θ em max )≦0.8
より一般的には、
Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max )≦0.8
であることがさらに望ましい。
上記の方針についての理由を、図47を参照して説明する。
図47は、GaN基板上の発光素子の場合であって、内部発光強度密度の放射方向(θem)依存性を示したグラフであって、量子井戸層の数をパラメータとしている。ここで、量子井戸層の厚みは2nm、第二導電型半導体層の厚みは90nm、バリア層は13nmである。さらに、図中の67.5(度)≦θ em≦90(度)の範囲の内部発光は、半導体発光素子側壁からの光取り出しが可能な光であって、図中にはこの臨界角である67.5度の部分が明示されている。
方針1、3についての理由を、図48を参照して説明する。図48は図47と同様の図であるが、グラフ中の太線で示した部分が異なっている。まず方針1に関して再度説明すると、グラフ中の11層の線(やや太く描かれている線)を境にして、11層を超える量子井戸層があると、すなわち、67.5(度)≦θ em L-minimal≦90(度)であると、素子側壁から光取り出し可能な67.5度から90度までの方向に向かう内部発光光の総量が過度に減少し始めてしまう(方針1)。
よって、その側壁からの光取り出しを主としうる半導体発光素子の構成において、量子井戸層数を5層以上11層以下とすることは、格段の効果を生み出すこととなり、好ましい。また、量子井戸層数を7層以上11層以下とする事はより好ましい。
1.
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する量子井戸層とバリア層を有する活性層構造、第一導電型側半導体層、波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
内部発光強度密度の最大値示す方向θ em max(度)に最近接し、内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式f1−1を満たし、
かつ、
方向(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)における内部発光強度密度Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))と、θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max度)との比が、以下の式f1−2を満たすような、第二導電型側半導体層厚み、量子井戸層数、および量子井戸層厚みを有することを特徴とする半導体発光素子。
式f1−1:θ em L-minimal(度)<90−sin−1(1/ns(λ))(度)
式f1−2:(Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max))≦0.9
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する量子井戸層とバリア層を有する活性層構造、第一導電型側半導体層、波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
前記量子井戸層の層数が5層以上11層以下であることを特徴とする半導体発光素子。
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する量子井戸層とバリア層を有する活性層構造、第一導電型側半導体層、波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
内部発光強度密度の最大値を示す方向θ em max(度)に最近接し、内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式f1−1を満たし、
かつ、
方向(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)における内部発光強度密度Jin( 90−sin−1(1/ns(λ)))と、θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max)との比が、以下の式f1−2を満たすような量子井戸層数を有することを特徴とする半導体発光素子。
式f1−1:θ em L-minimal(度)<90−sin−1(1/ns(λ))(度)
式f1−2:(Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max))≦0.9
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する活性層構造、第一導電型側半導体層、GaN基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
内部発光強度密度の最大値を示す方向θ em max(度)に最近接し、内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式f1−3を満たし、
かつ、
方向67.5度における内部発光強度密度Jin(67.5)と、θ em maxにおける内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max )との比が、以下の式f1−4を満たすような量子井戸層数を有することを特徴とする半導体発光素子。
式f1−3:θ em L-minimal(度)<67.5(度)
式f1−4:(Jin(67.5)/Jin(θ em max))≦0.9
上記(A)〜(C)のいずれか記載の半導体発光素子であって、前記窒化物基板の主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値が、0度における外部発光強度密度よりも20%以上大きくなる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
以下、量子井戸層の厚みについて説明を加える。
(i)極性面上の量子井戸層厚みに関して、その好ましい厚みが、
0.5nm以上、1.0nm以上、1.5nm以上であって、
5.0nm以下、または3.0nm以下であること、
について述べた。
(ii)また、非極性面上の量子井戸層厚みに関して、その好ましい厚みが、
5.0nm以上、10nm以上、15nm以上
40nm以下、30nm以下、25nm以下、20nm以下であること、
について述べた。
本実施形態では、MQW構造に関して、さらに、下記の方針1〜方針2の技術思想を追加可能である。
方針1:
内部発光強度密度Jin(θ)の最大値を与える角度θ em max(度)に最近接し、Jin(θ)に極小値与える角度θem L-minimal(度)が以下を満たすことが望ましい。
θ em L-minimal(度)<67.5(度)
より一般的には、
θ em L-minimal(度)<(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)
を満たすことが好ましい。
高温動作時の電子−正孔対のオーバーフローを抑制するには、
各種検討を加えたところ、1.0nm以上の量子井戸層厚みが必要である。
上記の方針についての理由を、図49を参照して説明する。
図49は、GaN基板上の発光素子の場合であって、内部発光強度密度の放射方向(θem)依存性を示したグラフであって、量子井戸層の厚みをパラメータとしている。ここで量子井戸層の数は8、第二導電型半導体層の厚みは90nm、バリア層は13nmである。さらに、図中の67.5(度)≦θ em≦90(度)の範囲の内部発光は、半導体発光素子側壁からの光取り出しが可能な光であって、図中にはこの臨界である67.5度の部分が明示されている。
これに加えて、「内部発光強度密度Jin(θ)の最大値を与える角度θ em max(度)に最近接し、Jin(θ)に極小値与える角度θem L-minimal(度)が、
θ em L-minimal(度)<67.5(度)
を満たすことが、
また、より一般的には、
θ em L-minimal(度)<(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)
を満たすことが、より効率的な素子側壁からの光取り出しを可能とすることを見出している。
また、方針2から、量子井戸層の厚みを1nm以上とする事は好ましい
1.
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する量子井戸層とバリア層を有する活性層構造、第一導電型側半導体層、波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
内部発光強度密度の最大値示す方向θ em max(度)に最近接し、内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式f2−1を満たし、
かつ、
方向(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)における内部発光強度密度Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))と、θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max度)との比が、以下の式f2−2を満たすような、第二導電型側半導体層厚み、量子井戸層数、および量子井戸層厚みを有することを特徴とする半導体発光素子。
式f2−1:θ em L-minimal(度)<90−sin−1(1/ns(λ))(度)
式f2−2:(Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max))≦0.9
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する量子井戸層とバリア層を有する活性層構造、第一導電型側半導体層、波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
量子井戸層の厚みが1.0nm以上7.0nm以下であることを特徴とする半導体発光素子。
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する厚みが1.0nm以上の量子井戸層とバリア層を有する活性層構造、第一導電型側半導体層、波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
内部発光強度密度の最大値を示す方向θ em max(度)に最近接し、内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式f2−1を満たすような量子井戸層の厚みを有することを特徴とする半導体発光素子。
式f2−1:θ em L-minimal(度)<90度−sin−1(1/ns(λ))(度)
第二導電型半導体層、ピーク波長λの光を発する厚みが1.0nm以上の量子井戸層とバリア層を有する活性層構造、第一導電型側半導体層、GaN基板を有し、側壁からの光取り出しを主とする半導体発光素子であって、
内部発光強度密度の最大値を示す方向θ em max(度)に最近接し、内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式f2−3を満たすような量子井戸層の厚みを有することを特徴とする半導体発光素子。
式f2−3:θ em L-minimal(度)<67.5(度)
上記(A)〜(C)のいずれか記載の半導体発光素子であって、
前記窒化物基板の主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値が、0度における外部発光強度密度よりも20%以上大きくなる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
式f2−4:θ em L-minimal(度)<90−sin−1(1/ns(λ))(度)
式f2−5:(Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max))≦0.9
以下、基板の面方位について説明を補足する。
(1−10n)面、(11−2n)面(但しnは0、1、2、3)が好ましく、
(1−100)面、(11−20)面であることがより好ましく、
(1−100)面であることが最も好ましい、ことについて述べた。
一方、主面がこのような半極性面、特には非極性面である場合、主面そのものに対しても、また、当該主面と対峙する面に対しても、主面が極性面の場合と比較して、主面また主面と対峙する面に対する微細な凹凸加工を行いにくい。そこで、主面がこのような半極性面、特には非極性面である場合にこそ、本発明に係る技術思想、すなわち、素子形状に着目して理想的な光取り出しを実現するという思想がより効果的となる。
式b1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
式b2
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
しかしながら、基板主面が上記のとおり、
(1−10n)面、(11−2n)面(但しnは0、1、2、3)、
好ましくは、(1−100)面、(11−20)面、
最も好ましくは、(1−100)面、の場合には、この式b2を必ずしも満たす必要はない。なお、上記面方位においては、(0001)面あるいはこれらの面からオフ角度が5度以内の面において発生する前述のような素子分離の問題との関連性が低い。よって、かかる点でも上記面方位の場合は、基板の平面サイズの限定には及ばない。
以下、本明細で使用した用語について、説明を補足する。
さらに、ある図形の各頂点の角度が等しいほど「対称性が高い」と表現し、その逆を「対称性が低い」と表現する。
以下に半導体発光素子に対して、平行四辺形(ω=0の場合のみは正方形)の投影形状を適応した際の例を示す。基板主面の投影形状として図50の平行四辺形を想定し、基板厚み800μmの場合の光取り出し効率を、同図中の角度ωの関数として求めた。
このように、光取り出し効率は、本発明で定義した対称性とさらにそれぞれの個別の形状における各頂点の角度等によっても変化しうる。
好ましくは第一の実施形態に記載の事項を満たす、半導体発光素子およびその製造方法である。
好ましくは第二の実施形態に記載の事項を満たす、半導体発光素子およびその製造方法である。
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
(第一の実施形態に関する実施例1)
〔第一工程〕
窒化物基板として、(0001)面(c+面)配向したGaN自立基板を用いた。GaN自立基板は、H−VPE法により製造した。以下に製造した基板のGaN自立基板の性状を示す。
・電気特性:n型
・キャリア密度:5×1017cm−3
・X線回折による(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅:60arcsec
・(1−100)方向へのオフ角度:0°
・(11−20)方向へのオフ角度:0°
・転位密度:5×106cm−2以下であった。
・酸素濃度:検出限界以下
・熱伝導率:250W/m・K以上
・反り:0.03mm以下
・膜厚:815μm
前記第一工程で得られたc+面GaN基板上に、MOCVD法を用いて、第1のバッファ層として、成長温度1070℃で、厚み20nmのアンドープのGaN層を形成した。次に、第一導電型(n型)クラッド層として、成長温度1130℃で、厚み6.5μmのSiドープのGaN層を形成した。
薄膜結晶成長が終了したウエハーに対してp側電極を形成するために、フォトリソグラフィー法を用いてp側電極をリフトオフ法でパターニングする準備をしてレジストパターンを形成した。ここでp側電極としてPt(350nm厚)を真空蒸着法によって形成し、アセトン中で不要部分をリフトオフ法によって除去した。次いで、その後熱処理を実施してp側電極を完成させた。
次いで、ウエハー上に形成された1つ1つの発光素子を分割するために、ダイヤモンドスクライバーを用いて基板側からスクライブラインを形成した。さらにこのスクライブラインにそってGaN基板をブレーキングし、1つ1つの半導体発光素子を完成させた。
第一工程において、基板の膜厚を813μmとし、第二工程において、バリア層をアンドープGaN層とた以外は、第一の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。後述の通り、本発光素子のピーク発光波長は400nmであったので、GaN基板の屈折率は、2.5252であって、式a1の下限は776μmであって、式a1の上限は4174μmであるが、基板の物理厚み813μmは、これを満たしている。また、式a3、式a5、式a7をも満たしている。
第一工程において、H−PVE法により製造するGaN自立基板の膜厚を407μmとした以外は、第一の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。この半導体発光素子をAuバンプを用いてサブマウントと接合し、半導体発光装置を完成させた。この半導体発光装置の全放射束を測定したところ、図14の通りであった。また、ピーク発光波長を測定したところ、411nmであった。また、第一の実施形態に関する実施例1と同様に、半導体発光素子の配光特性を、(a)当該正三角形の重心を含み、正三角形の1辺に平行な方向とした場合、および(b)当該正三角形のひとつの頂点を含み、正三角形の1辺に垂直な方向とした場合について測定した。その結果、200mA電流注入時の配光特性は、図17の通りであった。ここにおいて、配光特性の形状に関わる各種結果は、それぞれ表4の通りであった。配光特性の40度から50度近傍のピークは、0度近傍の強度に比較して、第一の実施形態に関する実施例1、2でみられたような十分な強度比を有さなかった。
第一工程において、H−PVE法により製造するGaN自立基板の膜厚を407μmとし、第四工程のダイヤモンドスクライブを実施する前に基板厚みを210μmに調整した以外は、第一の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。この半導体発光素子をAuバンプを用いてサブマウントと接合し、半導体発光装置を完成させた。この半導体発光装置の全放射束を測定したところ、図14の通りであった。また、発光ピーク波長を測定したところ、409nmであった。また、第一の実施形態に関する実施例1と同様に、半導体発光素子の配光特性を、(a)当該正三角形の重心を含み、正三角形の1辺に平行な方向とした場合、および(b)当該正三角形のひとつの頂点を含み、正三角形の1辺に垂直な方向とした場合について測定した。その結果、200mA電流注入時の配光特性は、図18の通りであった。ここにおいて、配光特性の形状に関わる各種結果は、それぞれ表5の通りであった。配光特性の40度から50度近傍のピークは、0度近傍の強度に比較して、第一の実施形態に関する実施例1、2でみられたような十分な強度比を有さなかった。
図14より、第一の実施形態に関する実施例1の半導体発光装置は、それぞれ短辺Lsa、長辺Lscのサイズが同じで、かつ、半導体層の構造も同じで内部量子効率が同等と考えられる第一の実施形態に関する比較例1,2の半導体発光装置に比べ高い全放射束を示した。
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
[1]半導体発光素子の製造
〔第一工程〕
窒化物基板として、(0001)面(c+面)配向したGaN自立基板を用いた。GaN自立基板は、H−VPE法により製造した。以下に製造した基板のGaN自立基板の性状を示す。
・電気特性:n型
・キャリア密度:5×1017cm−3
・X線回折による(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅:60arcsec
・(1−100)方向へのオフ角度:0°
・(11−20)方向へのオフ角度:0°
・転位密度:5×106cm−2以下であった。
・酸素濃度:検出限界以下
・熱伝導率:250W/m・K以上
・反り:0.03mm以下
・膜厚:794μm
前記第一工程で得られたc+面GaN基板上に、MOCVD法を用いて、第1のバッファ層として、成長温度1070℃で、厚み20nmのアンドープのGaN層を形成した。
次に、第一導電型(n型)クラッド層として、成長温度1130℃で、厚み6.5μmのSiドープのGaN層を形成した。
薄膜結晶成長が終了したウエハーに対してp側電極を形成するために、フォトリソグラフィー法を用いてp側電極をリフトオフ法でパターニングする準備をしてレジストパターンを形成した。ここでp側電極としてNi(36nm厚)/Au(300nm厚)を真空蒸着法によって形成し、アセトン中で不要部分をリフトオフ法によって除去した。次いで、その後熱処理を実施してp側電極を完成させた。
次いで、ウエハー上に形成された1つ1つの発光素子を分割するために、ダイヤモンドスクライバーを用いて基板側からスクライブラインを形成した。さらにこのスクライブラインにそってGaN基板をブレーキングし、1つ1つの半導体発光素子を完成させた。
第一工程において、基板の膜厚を430μmとし、第四工程において、得られた半導体発光素子の短辺Lsaを650μm、長辺Lsbが650μmの正方形とした(即ち、当該正方形上にある任意の2点の作る最も長い線分である対角線の長さLscは919.3μmであった)以外は、第二の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。後述の通り、本発光素子のピーク発光波長は410nmであったので、GaN基板の屈折率は、2.5064であって、式b1の下限は400μmであって、式b1の上限は2113μmであるが、基板の物理厚み430μmは、これを満たしている。また、式b2−式b8をも満たしている。
第一工程において、基板の膜厚を815μmとし、第二工程において、バリア層を3×1017(cm−3)のSiドープGaN層とた以外は、第二の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。後述の通り、本発光素子のピーク発光波長は400nmであったので、GaN基板の屈折率は、2.5252であって、式b1の下限は671μmであって、式b1の上限は3608μmであるが、基板の物理厚み815μmは、これを満たしている。また、式b2−式b8をも満たしている。
第一工程において、基板の膜厚を820μmとし、第二工程において、量子井戸層を全部で10層となるように交互に成膜し、また、バリア層として3×1017(cm−3)のSiドープGaN層とし、第三工程において、p側電極としてPt(350nm厚)を真空蒸着法によって形成し、n側電極としてAl(400nm厚)を真空蒸着法によって形成した以外は、第二の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。後述の通り、本発光素子のピーク発光波長は400nmであったので、GaN基板の屈折率は、2.5252であって、式b1の下限は671μmであって、式b1の上限は3608μmであるが、基板の物理厚み820μmは、これを満たしている。また、式b2−式b8をも満たしている。
第三工程において、p側電極としてAl(350nm厚)を真空蒸着法によって形成した以外は、第二の実施形態に関する実施例4と同様にして半導体発光素子を作製した。後述の通り、本発光素子のピーク発光波長は400nmであったので、GaN基板の屈折率は、2.5252であって、式b1の下限は671μmであって、式b1の上限は3608μmであるが、基板の物理厚み820μmは、これを満たしている。また、式b2−式b8をも満たしている。
第一工程において、H−PVE法により製造するGaN自立基板の膜厚を400μmとし、第四工程のダイヤモンドスクライブを実施する前に基板厚みを240μmに調整した以外は、第二の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。この半導体発光素子をAuバンプを用いてサブマウントと接合し、半導体発光装置を完成させた。この半導体発光装置の全放射束を測定したところ、図26Aの通りであった。また、ピーク発光波長を測定したところ、411nmであった。
第一工程において、H−PVE法により製造するGaN自立基板の膜厚を400μmとし、第四工程のダイヤモンドスクライブを実施する前に基板厚みを140μmに調整した以外は、第二の実施形態に関する実施例2と同様にして半導体発光素子を作製した。
この半導体発光素子をAuバンプを用いてサブマウントと接合し、半導体発光装置を完成させた。この半導体発光装置の全放射束を測定したところ、図26Aの通りであった。また、発光ピーク波長を測定したところ、409nmであった。また、第二の実施形態に関する実施例1と同様に、半導体発光素子の配光特性を、(a)基板主面の形状である正方形のひとつの対角線方向とした場合、および(b)基板主面の形状である正方形のもうひとつの対角線方向とした場合について測定した。その結果、100mWの全放射束時の配光特性と200mA電流注入時の配光特性は、それぞれ図27E、図27Fの通りであった。第二の実施形態に関する実施例1と第二の実施形態に関する実施例2でみられら配光特性の60度近傍のピークは観測されず、0度近傍の部分にいずれの場合も最大値が確認された。
図26A〜図26Dより、第二の実施形態に関する実施例1から5の半導体発光装置は、それぞれ形状およびサイズが同じ第二の実施形態に関する比較例1,2の半導体発光装置に比べて極めて高い全放射束を示した。
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
(第三の実施形態に関する実施例1)
〔第一工程〕
窒化物基板として、(0001)面(c+面)配向したGaN自立基板を用いた。GaN自立基板は、H−VPE法により製造した。以下に製造した基板のGaN自立基板の性状を示す。
・電気特性:n型
・キャリア密度:5×1017cm−3
・X線回折による(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅:65arcsec
・(1−100)方向へのオフ角度:0°
・(11−20)方向へのオフ角度:0°
・転位密度:4×106cm−2以下であった。
・酸素濃度:検出限界以下
・熱伝導率:250W/m・K以上
・反り:0.03mm以下
・膜厚:816μm
前記第一工程で得られたc+面GaN基板上に、MOCVD法を用いて、第1のバッファ層として、成長温度1070℃で、厚み20nmのアンドープのGaN層を形成した。次に、第一導電型(n型)クラッド層として、成長温度1130℃で、厚み6.5μmのSiドープのGaN層を形成した。
薄膜結晶成長が終了したウエハーに対してp側電極を形成するために、フォトリソグラフィー法を用いてp側電極をリフトオフ法でパターニングする準備をしてレジストパターンを形成した。ここでp側電極としてNi(40nm厚)/Au(350nm厚)を真空蒸着法によって形成し、アセトン中で不要部分をリフトオフ法によって除去した。次いで、その後熱処理を実施してp側電極を完成させた。
次いで、ウエハー上に形成された1つ1つの発光素子を分割するために、ダイヤモンドスクライバーを用いて基板側からスクライブラインを形成した。さらにこのスクライブラインにそってGaN基板をブレーキングし、1つ1つの半導体発光素子を完成させた。
第一工程において、基板の膜厚を450μmとし、第四工程において、得られた半導体発光素子の一辺Lsaが500μmの正六角形とした(即ち、当該正方形上にある任意の2点の作る最も長い線分である対角線の長さLscは1000μmであった)以外は、第三の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。後述の通り、本発光素子のピーク発光波長は410nmであったので、GaN基板の屈折率は、2.5064であって、式c1の下限は435μmであって、式c1の上限は2298μmであるが、基板の物理厚み450μmは、これを満たしている。また、式c2−式c8をも満たしている。
第一工程において、基板の膜厚を804μmとし、第二工程において、バリア層を3×1017(cm−3)のSiドープGaN層とた以外は、第三の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。後述の通り、本発光素子のピーク発光波長は400nmであったので、GaN基板の屈折率は、2.5252であって、式c1の下限は776μmであって、式c1の上限は4174μmであるが、基板の物理厚み804μmは、これを満たしている。また、式c2−式c8をも満たしている。
第一工程において、基板の膜厚を820μmとし、第二工程において、量子井戸層を全部で10層となるように交互に成膜し、また、バリア層として3×1017(cm−3)のSiドープGaN層とし、第三工程において、p側電極としてPt(350nm厚)を真空蒸着法によって形成し、n側電極としてAl(400nm厚)を真空蒸着法によって形成した以外は、第三の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。後述の通り、本発光素子のピーク発光波長は400nmであったので、GaN基板の屈折率は、2.5252であって、式c1の下限は776μmであって、式c1の上限は4174μmであるが、基板の物理厚み820μmは、これを満たしている。また、式c2−式c8をも満たしている。
第三工程において、p側電極としてAl(350nm厚)を真空蒸着法によって形成した以外は、第三の実施形態に関する実施例4と同様にして半導体発光素子を作製した。後述の通り、本発光素子のピーク発光波長は400nmであったので、GaN基板の屈折率は、2.5252であって、式c1の下限は776μmであって、式c1の上限は4174μmであるが、基板の物理厚み820μmは、これを満たしている。また、式c2−式c8をも満たしている。
第一工程において、H−PVE法により製造するGaN自立基板の膜厚を400μmとし、第四工程のダイヤモンドスクライブを実施する前に基板厚みを240μmに調整した以外は、第三の実施形態に関する実施例1と同様にして半導体発光素子を作製した。この半導体発光素子をAuバンプを用いてサブマウントと接合し、半導体発光装置を完成させた。この半導体発光装置の全放射束を測定したところ、図35の通りであった。また、ピーク発光波長を測定したところ、411nmであった。また、第三の実施形態に関する実施例1と同様に、半導体発光素子の配光特性を、(a)当該正六角形の対辺の断面方向とした場合、および(b)基板主面の形状である正六角形の対角線を断面方向とした場合について測定した。その結果、200mA電流注入時の配光特性は、第三の実施形態に関する実施例1から第三の実施形態に関する実施例5でみられた配光特性の60度近傍のピークは観測されず、0度近傍の部分にいずれの場合も最大値が確認された。
第一工程において、H−PVE法により製造するGaN自立基板の膜厚を400μmとし、第四工程のダイヤモンドスクライブを実施する前に基板厚みを140μmに調整した以外は、第三の実施形態に関する実施例2と同様にして半導体発光素子を作製した。この半導体発光素子をAuバンプを用いてサブマウントと接合し、半導体発光装置を完成させた。この半導体発光装置の全放射束を測定したところ、図35の通りであった。また、発光ピーク波長を測定したところ、409nmであった。また、第三の実施形態に関する実施例1と同様に、半導体発光素子の配光特性を、(a)当該正六角形の対辺の断面方向とした場合、および(b)基板主面の形状である正六角形の対角線を断面方向とした場合について測定した。その結果、200mA電流注入時の配光特性は、第三の実施形態に関する実施例1から第三の実施形態に関する実施例5でみられた配光特性の60度近傍のピークは観測されず、0度近傍の部分にいずれの場合も最大値が確認された。
図35、図36、図38、図40より、第三の実施形態に関する実施例1から5の半導体発光装置は、形状およびサイズが同じ第三の実施形態に関する比較例1,2の半導体発光装置に比べて極めて高い全放射束を示した。
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
(第四の実施形態に関する実施例1)
〔第一工程〕
窒化物基板として、(0001)面(c+面)配向したGaN自立基板を用いた。GaN自立基板は、H−VPE法により製造した。以下に製造した基板のGaN自立基板の性状を示す。
・電気特性:n型
・キャリア密度:6×1017cm−3
・X線回折による(10−12)反射におけるロッキングカーブの半値幅:60arcsec
・(1−100)方向へのオフ角度:0°
・(11−20)方向へのオフ角度:0°
・転位密度:5×106cm−2以下であった。
・酸素濃度:検出限界以下
・熱伝導率:250W/m・K以上
・反り:0.03mm以下
・膜厚:1215μm
前記第一工程で得られたc+面GaN基板上に、MOCVD法を用いて、第1のバッファ層として、成長温度1070℃で、厚み20nmのアンドープのGaN層を形成した。
次に、第一導電型(n型)クラッド層として、成長温度1130℃で、厚み6.5μmのSiドープのGaN層を形成した。
薄膜結晶成長が終了したウエハーに対してp側電極を形成するために、フォトリソグラフィー法を用いてp側電極をリフトオフ法でパターニングする準備をしてレジストパターンを形成した。ここでp側電極としてPt(350nm厚)を電子ビーム蒸着法によって形成し、アセトン中で不要部分をリフトオフ法によって除去した。次いで、その後熱処理を実施してp側電極を完成させた。
次いで、各ウエハー片上に内在する1つ1つの発光素子を分割するために、レーザースクライバーを用いてエピタキシャル成長された側からスクライブラインを形成した。さらにこのスクライブラインにそってGaN基板をブレーキングし、1つ1つの半導体発光素子を完成させた。
第四の実施形態に関する実施例1で試作した素子の中で、発光素子厚みが1108μmである素子の配光特性を測定した。測定は50mA電流注入時に、主面投影図形の対角線方向に行った。この結果を図42に示す。その結果、配光特性は独特な双峰性の形状を呈した。この際の配光特性形状に関わる各種結果は、それぞれ表19の通りであった。
第四の実施形態に関する実施例1から、以下の内容のみを変更した。すなわち、試作した半導体発光素子の電極パターン等を変更し、これにあわせて、試作した半導体発光素子の短辺Lsaを約2500μm、長辺Lsbを約2500μmの正方形とした。即ち、当該正方形上にある任意の2点の作る最も長い線分長Lscは、当該正方形の対角線であり、約3536μmであった。また、発光素子の物理厚みは、約100μm、約463μm、約651μm、約795μm、約1104μmの5水準に変更した。また、本発光素子のピーク発光波長は418nmであった。上記以外は、第四の実施形態に関する実施例1と同様にして、5種類の異なる厚みを有する半導体発光素子を試作した。
第四の実施形態に関する実施例1から、以下の内容のみを変更した。すなわち、試作した半導体発光素子の電極パターン等を変更し、これにあわせて、試作した半導体発光素子の短辺Lsaを約350μm、長辺Lsbを約350μmの正方形とした。即ち、当該正方形上にある任意の2点の作る最も長い線分長Lscは、当該正方形の対角線であり約495μmであった。発光素子の物理厚みは、約103μm、約464μm、約652μm、約801μmの4水準に変更した。また、本発光素子のピーク発光波長は416nmであった。上記以外は、第四の実施形態に関する実施例1と同様にして、4種類の異なる厚みを有する半導体発光素子を試作した。
表18、表20、表21より以下が明らかである。350μmの正方形の投影形状を有する素子は、その基板厚みを厚くしても、103μm厚素子を基準とした全放射束比は1.03程度とほとんど改善しなかった。
一方、1辺が1700μmの正方形の投影形状を有する素子は、その発光素子厚みを約460μm以上(基板厚みは約450μm以上)に厚くすることで、107μm厚素子を基準とした全放射束比が大幅に向上することが確認された。その比は1.25から1.33であった。また、1辺が2500μmの正方形の投影形状を有する素子においても、その発光素子厚みを約460μm以上(基板厚みは約450μm以上)に厚くすることで、100μm厚素子を基準とした全放射束比が大幅に向上することが確認された。その比は1.28から1.36であった。
12 窒化物基板
12a 基板面
15 半導体層部
16 活性層構造
17 第一導電型半導体層
18 第二導電型半導体層
21 窒化物基板主面
31 量子井戸層
33 障壁層
27a、27b 電極
131〜133 領域
Claims (19)
- 窒化物基板と、
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記窒化物基板の主面上に形成された半導体層部と、を有し、
下記式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
式 Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
(但し、tsは、前記窒化物基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記窒化物基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記窒化物基板の波長λにおける屈折率を表す。) - 請求項1に記載の半導体発光素子であって、
前記窒化物基板の主面と垂直な任意の平面内にあって、
光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxが少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす配光特性となる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
−90.0度 < φem max ≦−32.5度
32.5度 ≦ φem max <90.0度 - 請求項1または2に記載の半導体発光素子であって、
前記窒化物基板の主面と垂直な任意の平面内にあって、
光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、その外部発光強度密度の最大値を示す方向φem maxから、スネルの法則を用いて求められる半導体発光素子内部における内部発光強度密度の最大値を示す方向θem maxが少なくとも以下の式のいずれか一方を満たす平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。
−90.0度 < θem max ≦−67.5度
67.5度 ≦ θem max < 90.0度 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子であって、
前記主面と垂直な任意の平面内にあって、光取り出し方向となる方向を0度、該主面と平行な一方向を90度、該90度方向と対峙する方向を−90度とし、当該素子を空気中に設置し、実効的に外乱のない状態で配光特性を計測した際に、
該発光素子から出射される外部発光強度密度の最大値が、0度における外部発光強度密度よりも20%以上大きくなる平面が存在することを特徴とする半導体発光素子。 - 基板主面に垂直方向に投影した形状が略三角形である窒化物基板と、
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
下記式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
式 Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。) - 請求項5に記載の半導体発光素子であって、
前記基板主面が略三角形であり、最短辺の長さLsaおよび前記Lscが下記式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
250(μm)≦Lsa≦Lsc≦5000(μm) - 基板主面に垂直方向に投影した形状が略四角形である窒化物基板と、
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、下記式1及び下記式2を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、下記式1のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式1
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式2
550(μm)≦Lsa≦Lsb≦1550(μm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。) - 基板主面に垂直方向に投影した形状が略m角形(mは5以上の整数)又は少なくとも一部に曲線を含む形状である窒化物基板と、
ピーク発光波長λの光を発する活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部と、を有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、下記式3及び下記式4を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、下記式3のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式3
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。)
式4
500(μm)≦Lsc - 基板主面に垂直方向に投影した形状が略四角形である窒化物基板と、
活性層構造を含み前記基板の主面上に形成された半導体層部とを有する半導体発光素子であって、
i)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同である場合は、下記式5及び下記式6を満たし、
ii)主面が、前記基板主面に垂直方向に投影した形状と略合同でない場合は、下記式5のみを満たす
ことを特徴とする半導体発光素子。
式5
450(μm)≦ts≦22(mm)
(tsは前記基板の最大物理厚み)
式6
1700(μm)≦Lsa≦Lsb≦50(mm)
(但し、
Lsaは、前記略四角形の主面の最短辺の長さを表し、
Lsbは、前記略四角形の主面の最長辺の長さを表す。) - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体発光素子であって、
前記基板主面に垂直方向に投影した半導体発光素子形状が、正多角形形状でないことを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体発光素子であって、
前記窒化物基板の主面が、(0001)面あるいはこれらの面からのオフ角度が5度以内の面であることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体発光素子であって、
前記窒化物基板の主面が、(1−10n)面、(11−2n)面(但しnは0、1、2、3)、あるいは、これらの面からのオフ角度が5度以内の面であることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体発光素子であって、
前記半導体層部が第二導電型半導体層をも有し、かつ、前記活性層構造が量子井戸層と障壁層を含んでおり、
当該量子井戸層の数をNUMQW、
当該量子井戸層を構成する層の平均物理厚みをTQW(nm)、
当該量子井戸層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnQW(λ)、
当該障壁層の数をNUMBR、
当該障壁層を構成する層の平均物理厚みをTBR(nm)、
当該障壁層を構成する層の波長λにおける平均屈折率をnBR(λ)、
当該第二導電型半導体層の物理厚みをTP(nm)、
当該第二導電型半導体層の屈折率をnP(λ)とする際に、
以下の式を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体発光素子であって、
前記半導体層部が第二導電型半導体層をも有し、かつ、前記活性層構造が量子井戸層を含んでおり、
内部発光強度密度の最大値示す方向θ em max(度)に最近接し、内部発光強度密度に極小値を与える方向θem L-minimal(度)が、以下の式7を満たし、
かつ、
方向(90−sin−1(1/ns(λ)))(度)における内部発光強度密度Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))と、θ em max(度)における内部発光強度密度の最大値Jin(θ em max度)との比が以下の式8を満たすような、当該第二導電型側半導体層厚み、当該量子井戸層数、および量子井戸層厚みを有することを特徴とする半導体発光素子。
式7:θ em L-minimal< 90−sin−1(1/ns(λ))
式8:(Jin(90−sin−1(1/ns(λ)))/Jin(θ em max))≦0.9 - ピーク発光波長λの半導体発光素子の製造方法であって、
波長λにおける屈折率がns(λ)である窒化物基板を準備する第一工程と、
前記窒化物基板の主面上に半導体層部を形成する第二工程と、
前記半導体層部を加工する第三工程と、
前記基板と加工された半導体層部を各素子に分離する第四工程を含み、
下記式を満たすように形状加工することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
式
Lsc×tan{sin−1(1/ns(λ))}≦ts
≦ Lsc×tan{90−sin−1(1/ns(λ))}
(但し、
tsは、前記基板の最大物理厚みを表し、
Lscは、前記基板主面の任意の2点の作る最も長い線分長を表し、
ns(λ)は、前記基板の波長λにおける屈折率を表す。) - 請求項15に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
さらに、
基板全体の厚みを調整する基板厚み調整工程、
基板の一部を加工して新たな露出面を形成する基板露出面形成工程、および、
少なくとも基板露出面の一部に凹凸加工を付与する基板上凹凸形状形成工程、
の少なくとも1つの工程を行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項15または16記載の半導体発光素子の製造方法であって、
前記窒化物基板をGaN基板とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項15〜17のいずれか1項に記載の方法で準備された半導体発光素子を用いて、第四工程後に半導体発光装置を作製する際の方法であって、
半導体発光素子の半導体層部側をサブマウントに搭載する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 請求項15〜18のいずれか1項に記載の方法で準備された半導体発光素子を用いて、第四工程後に半導体発光装置を作製する際の方法であって、
半導体発光素子を封止する工程を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
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