JP2015041763A - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可視光線又は紫外光線を透過可能な基板表面上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けて、発光効率・発光輝度を高めると同時に外部量子効率を高めた光半導体装置であって、高効率化・高輝度化・高光出力化が可能なものを提供する。【解決の手段】可視光線又は紫外光線を透過可能な基板表面上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けて発光した光出力を取り出す光半導体装置にあって、基板裏面側に、集光可能なレンズ面をモノリシックに形成してなる構造を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、可視光線又は紫外光線を透過可能な基板表面上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けてある光半導体装置の高効率化・高輝度化・高光出力化技術に関する。

この種の光半導体装置は、可視光線又は紫外光線を透過可能な基板表面上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けて発光した光出力を取り出す光半導体装置にあって、平面、もしくは、発光部を結像させる事のない何らかの曲面から光出力を取り出す構成となっている。

Ｍ．Ａｂｅ，Ｏ．Ｈａｓｅｇａｗａ，Ｙ．Ｋｏｍａｔｓｕ，ａｎｄ Ｙ．Ｔｏｙａｍａ著、「Ｐｒｏｃ．ｏｆ １１▲ｔｈ▼ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９７９ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｔｏｋｙｏ，１９７９；Ｊａｐａｎ．Ｊ．ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．１９（１９８０）Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ１９−１」、１９８０年出版、第３６５頁から第３６９頁

上記した光半導体装置を可視光線又は紫外光線を発光する光源として利用する場合において、以下に説明するように、発光効率・発光輝度を高めると同時に外部量子効率を高めて光出力を高く取り出す必要がある。屈折率ｎの物質から真空への光取り出し効率、つまり、通常の半導体結晶（ｎが３ないし３．５程度）の平面からの外部量子効率は、５％程度（内部量子効率１００％、内部光吸収は零、裏面反射は１００％と仮定した場合）の低い値である。発光部を結像させる事のない何らかの曲面から光出力を取り出す構成にあっては設計性もしくは制御性の向上が困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、可視光線又は紫外光線を透過可能な基板表面上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けて発光した光出力を、基板裏面側、もしくは、基板裏面側に備えた窓層に、可視光線又は紫外光線を集光可能なレンズ面をモノリシックに形成した光半導体装置であって、高効率化・高輝度化・高光出力化が可能なものを提供する点にある。

この目的を達成するための本発明に係る光半導体装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、可視光線又は紫外光線を透過可能な基板表面上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けて発光した光出力を取り出す光半導体装置にあって、基板裏面側に、もしくは、発光波長のエネルギーより大きいエネルギーバンドギャップを有する半導体材料を基板裏面側に備えた窓層に、可視光線又は紫外光線を集光可能なレンズ面をモノリシックに形成してなる構造を有する点にある。

同第二から五の特徴構成は、それぞれ特許請求の範囲の欄の請求項２から請求項５に記載した光取り出し構造を有する光半導体装置にある。

同第六から八の特徴構成は、それぞれ特許請求の範囲の欄の請求項６から請求項８に記載した発光波長のエネルギーより大きいエネルギーバンドギャップを有する半導体材料を窓層として基板裏面側に備えた材料構成による光半導体装置にあって、発光した光出力を十分に取り出す事が出来る点にある。

同第九から八の特徴構成は、それぞれ特許請求の範囲の欄の請求項９と請求項１０に記載した全反射膜もしくは無反射膜による光出力の十分な取り出し及び動作時の効率良い放熱構造による光半導体装置にあって、発光した光出力を十分に取り出す事が出来る点にある。

図１は本発明の係るエピタキシャル結晶の構成を表すものである。

第１の実施の形態は、ＳｉＣ基板表面側に、ＭＯＣＶＤエピタキシャル結晶成長法により、ｎ−ＧａＮバッファ層（膜厚０．５μｍ、ドーピング濃度Ｓｉ：５Ｅ１８／ｃｍ^３）、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮクラッド層（ｘ＝０．１５，膜厚０．５μｍ、ドーピング濃度Ｓｉ：５Ｅ１８／ｃｍ^３）、ｉ−Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ活性層（ｙ＝０．２，膜厚０．２μｍ、アンドープ濃度＜１Ｅ１６／ｃｍ^３）、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮクラッド層（ｘ＝０．１５，膜厚０．５μｍ、ドーピング濃度Ｍｇ：１Ｅ１９／ｃｍ^３）、ｐ−ＧａＮコンタクト層（膜厚０．１μｍ、ドーピング濃度Ｍｇ：１Ｅ１９／ｃｍ^３）を順次成長した。

図２は本発明の係る光半導体装置の構成を表すものである。

エピ層表面上のｐ−コンタクト層にｐ電極、ヒートシンクバンプ、次いで、基板裏面側レンズ面、ｎ−コンタクトのｎ−電極を形成した。

第２の実施の形態は、前記光半導体装置の発光波長のエネルギーより大きいエネルギーバンドギャップを有するＧａＮ半導体材料をＳｉＣ基板裏面側に窓層として備えた前記エピタキシャル層を用いて、可視光線又は紫外光線を集光可能なレンズ面をモノリシックに形成した。図３は本発明に係る前記ＧａＮ半導体材料をＳｉＣ基板裏面側に窓層として備えた前記エピタキシャル層の構成を表すものである。

図４は各種半導体のバンドギャップＥ_ｇと格子定数の関係を表すものである。前記光半導体装置の発光波長のエネルギーバンドギャップ（Ｅ_ｇ＝２．８ｅＶ）より大きい請求項６または７記載の窓層材料の関係を表すものである。

第３の実施の形態は、前記レンズ面の作製工程を図５に基ずいて説明する。
（１）前記基板裏面、もしくは、前記窓層の前記レンズ面が形成される部分に標準的なフォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜を形成する。
（２）引き続き、前記フォトレジスト膜をガラス転移温度より高い温度でベーク処理する。この結果、前記フォトレジスト膜は、その膜圧が周辺部程薄くなるように変形してレンズ形状を呈する。
（３）その後、図に示すように、前記変形したフォトレジスト膜をエッチングマスクとして用いて、前記基板裏面、もしくは、前記窓層をＡｒイオンビームエッチングする。イオンビームの入射角は５０〜６０°で、均等なエッチングを行うため、前記基板は前記基板裏面に垂直に回転させる。前記フォトレジスト膜が完全にエッチングされた時点で前記Ａｒイオンビームエッチングを終了する。前記変形したフォトレジスト膜のレンズ形状が、前記基板裏面、もしくは、窓層に転写され前記レンズ面が形成される。
（４）引き続き、図５に示すように、前記基板裏面、もしくは、窓層を軽くＢｒメタノール溶液で化学エッチングして前記レンズ面を鏡面化して、前記レンズ面の作製工程を終了する。
（５）前記変形したフォトレジスト膜のレンズ形状に対応して、目的に対応した球形レンズ、もしくは、円筒形レンズが形成される。

第４の実施の形態は、前記レンズ面の結像倍率取得を実施した。前記レンズ面の像倍率は、前記レンズ面が球面の場合、数１で与えられていることが知られている。

ここで、βは像倍率、ｒ_０は前記レンズ面の曲率半径、Ｌは前記レンズ面の頂点から発光面までの距離、ｎ_０は前記基板の屈折率である。

仮に、Ｌ＝２００μｍ、ｒ_０＝２００μｍ、ｎ_０＝３．３と想定すると、数１より、像倍率は３．３となる。前記レンズ面の開口が直径２００μｍとした場合、前記レンズ面の高さは１０〜２０μｍ程度となる。

従って、前記レンズ面が球面の場合、前記発光面の面積を約１０分の１に縮小、もしくは発光部虚像を約１０倍に拡大し、前記光半導体装置の高効率化、もしくは、高光出力化を図る事ができる。図６は１／βとＬ／ｒ_０の関係を表したものである。

第５の実施の形態は、単一電極、もしくは複数電極の電極部全体をカバーする球形レンズ、もしくは、円筒形レンズの発光ユニットを作製した。

図７は光取り出し面が平面である平面ＬＥＤと前記レンズＬＥＤの発光径ｄが同じである場合の虚像径ｄ_０を比較したものである。

前記レンズＬＥＤはｄ_０＝βｄ及びφ’＝βφの関係にあり拡大虚像による高光出力化が図れるために前記光半導体装置の高効率化が図れることを表している。

図８は光取り出し面が平面である平面ＬＥＤと前記レンズＬＥＤの虚像径ｄ_０が同じである場合発光径ｄを比較したものである。

前記レンズＬＥＤはｄ_０＝βｄ及びφ’＝βφの関係にあり発光径ｄの縮小による光ファイバとの高結合効率化が図れるために前記光半導体装置の高効率化が図れることを表している。

前記可視光線又は紫外光線を活用した光ファイバと前記発光ユニットとを一体化した前記光半導体装置は、光ファイバ通信、もしくは、情報処理技術分野のみならず
照明、防災、環境技術及び医療技術分野等への新たな適用が可能であることを表している。

本発明に係る光半導体装置の結晶構造 本発明に係る光半導体装置の構造 本発明に係る光半導体装置の結晶構造 各種半導体のバンドギャップＥｇと格子定数の関係を示す関係図 レンズ面の作製工程 １／β（１／虚像倍率）と球面レンズ寸法Ｌ／ｒ_０の関係 平面ＬＥＤと前記レンズＬＥＤの発光径ｄが同じである場合の虚像径ｄ_０の関係 平面ＬＥＤと前記レンズＬＥＤの虚像径ｄ_０が同じである場合の発光径ｄの関係

Claims (10)

1. 可視光線又は紫外光線を透過可能な基板表面上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けて発光した光出力を取り出す光半導体装置にあって、基板裏面側に、もしくは、発光波長のエネルギーより大きいエネルギーバンドギャップを有する半導体材料を基板裏面側に備えた窓層に、可視光線又は紫外光線を集光可能なレンズ面をモノリシックに形成してなる光半導体装置。
2. 可視光線又は紫外光線を透過可能な基板表面上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けて発光した光出力を取り出す光半導体装置にあって、ｐ型電極形状で発光する発光部の一部分、もしくは全部分より大きい前記レンズ面で覆う構成からなる光半導体装置。
3. 前記ｐ型電極形状が、円形、同心円、矩形、同心矩形、格子状、網目状等の各種形状にあって、各種ｐ型電極形状に個々に対応して形成された球形、もしくは、円筒形の前記レンズ面の一対の発光ユニットを、前記基板上に複数形成してなる請求項１または２記載の光半導体装置。
4. 前記ｐ型電極を複数隣接配置した電極部全体を個々に対応して形成された球形、もしくは、円筒形の前記レンズ面の一対の前記発光ユニットを、前記基板上に複数形成してなる請求項１または２記載の光半導体装置。
5. 光ファイバと前記発光ユニットとを一体化した請求項１、２、３または４記載の光半導体装置。
6. 可視光線又は紫外光線を透過可能な基板表面上にｐ型半導体を備えてなるｐ型電極とｎ型半導体を備えてなるｎ電極を夫々設けて発光した光出力を取り出す光半導体装置にあって、発光波長のエネルギーより大きいエネルギーバンドギャップを有する半導体材料を窓層として基板裏面側に備えた材料構成が、前記所定基板材料が、サファイアＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯの単結晶又は多結晶に対しての窓層材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、（ＡｌＧａ）_２Ｏ_３、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＭｇＯ、ＣｄＯ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＣｄＳｅ及びＣ（ダイアモンド）の単結晶又は多結晶の何れかである請求項１、２、３、４、または５記載の光半導体装置。
7. 前記基板として、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ等の種々の単結晶材料を使用する、もしくは、前記単結晶材料を種々の前記単結晶材料の多結晶材料の上に接合形成・一体化した材料を使用する請求項１、２、３、４、５、または６記載の光半導体装置。
8. 前記基板裏側、もしくは窓層の表面にレンズ形状に形成したレジスト等をマスクとしてイオンミリング、もしくは、反応性イオンエッチング法でレンズ面を形成した請求項１、２、３、４、５、６、または７記載の光半導体装置。
9. ｐ型半導体を備えてなるｐ電極側に全反射膜、もしくはレンズ面側に無反射膜を形成した請求項１、２、３、４、５、６、７、または８記載の光半導体装置。
10. ｐ型半導体を備えてなるｐ型電極、もしくはｎ型電極の少なくともいずれか一方に実装用バンプ層を形成した請求項１、２、３、４、５、６、７、８、または９記載の光半導体装置。