JP2016062945A - 半導体発光素子および発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光強度の低下が抑制される半導体発光素子および発光装置を提供する。【解決手段】実施形態の半導体発光素子は、第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、前記第1面および前記第2面に連なる第3面と、を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第3面の少なくとも一部に接する第1光反射膜と、前記半導体基板の前記第2面の側に設けられ、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、を有する積層体と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子および発光装置に関する。
LED(Light Emitting Diode)等の半導体発光素子を備えた発光装置は、半導体発光素子の発光層から発せられる光と、蛍光体から発せられる光とを混合させた混合色を放出する。蛍光体は、例えば、半導体発光素子の周りに設けられた樹脂層に分散されている。
しかし、発光層から発せられる光は、樹脂層に分散された蛍光体に当たり、励起されるが、一部は蛍光体や樹脂を構成する成分によって反射する。このため、発光層から発せられる光は、樹脂層内で散乱する。この散乱した光が半導体発光素子の基板に当たると、基板が半導体基板の場合には光が基板に吸収され、発光装置の光強度が低下する場合がある。
特開2014−038920号公報
本発明が解決しようとする課題は、高い発光強度を有する半導体発光素子および発光装置を提供することである。
実施形態の半導体発光素子は、第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、前記第1面および前記第2面に連なる第3面と、を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第3面の少なくとも一部に接する第1光反射膜と、前記半導体基板の前記第2面の側に設けられ、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、を有する積層体と、を備える。
図1(a)は、第1実施形態に係る半導体発光素子を表す模式的断面図であり、図1(b)は、第1実施形態に係る半導体発光素子を表す模式的平面図である。 図2(a)〜図2(c)は、第1実施形態に係る半導体発光素子の製造過程を表す模式的断面図である。 図3(a)〜図3(c)は、第1実施形態に係る半導体発光素子の製造過程を表す模式的断面図である。 図4は、第1実施形態に係る発光装置を表す模式的断面図である。 図5は、第2実施形態に係る発光装置を表す模式的断面図である。 図6(a)は、第3実施形態に係る半導体発光素子を表す模式的断面図であり、図6(b)は、第3実施形態に係る半導体発光素子および半導体発光素子が載置される基板の斜視模式図である。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
(第1実施形態)
図1(a)は、第1実施形態に係る半導体発光素子を表す模式的断面図であり、図1(b)は、第1実施形態に係る半導体発光素子を表す模式的平面図である。
図1(a)は、図1(b)のA−A’線に沿った位置での断面が表されている。また、以下に表す図面には3次元座標が導入されている。
第1実施形態に係る半導体発光素子1は、半導体基板10と、第1光反射膜(以下、例えば、光反射膜20)と、積層体30と、金属含有膜40と、を備える。
半導体基板10は、第1面(以下、例えば、下面10d)と、下面10dとは反対側の第2面(以下、例えば、上面10u)と、下面10dおよび上面10uに連なる第3面(以下、例えば、側面10sw)と、を有する。半導体基板10の厚さは、例えば、100μm〜300μmである。半導体基板10は、シリコン(Si)を含んでいる。例えば、半導体基板10はシリコンウェーハから個片化されたシリコン基板である。
光反射膜20は、半導体基板10の下面10dと、半導体基板10の側面10swの少なくとも一部と、に接している。光反射膜20は、半導体基板10の側面10swの全域に接触してもよい。さらに、光反射膜20は、金属含有膜40の側面40swの少なくとも一部に接してもよい。
光反射膜20は、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)、錫(Sn)、炭素(C)、マグネシウム(Mg)、クロム(Cr)、テルル(Te)、セレン(Se)、チタン(Ti)、酸素(O)、水素(H)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、セラミックの群から選択される少なくとも1つの元素を含む。
光反射膜20は、多層であってもよい。この場合、多層のそれぞれの層には、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)、錫(Sn)、炭素(C)、マグネシウム(Mg)、クロム(Cr)、テルル(Te)、セレン(Se)、チタン(Ti)、酸素(O)、水素(H)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、セラミックの群から選択される少なくとも1つの元素が含まれる。
光反射膜20の耐熱性、耐薬品性を向上させるには、光反射膜20の材料として、上述した金属の群の少なくとも2つを含む合金であってもよい。
積層体30は、半導体基板10の上面10uの側に設けられている。積層体30は、第1半導体層(以下、例えば、半導体層30p)と、第2半導体層(以下、例えば、半導体層30n)と、発光層(活性層)30eと、を有する。半導体層30pは、p側のクラッド層であり、半導体層30nは、n側のクラッド層である。
半導体層30p、発光層30e、および半導体層30nは、半導体基板10の下面10dから上面10uに向かう方向(図1(a)のZ方向)に並んでいる。発光層30eは、半導体層30pと半導体層30nとの間に設けられている。
半導体層30pは、窒化物半導体を含む。半導体層30pは、例えば、ドーパントとしてマグネシウム(Mg)を含む。半導体層30nは、窒化物半導体を含む。半導体層30nは、例えば、ドーパントとしてシリコン(Si)を含む。発光層30eは、窒化物半導体を含む。発光層30eは、例えば、単一量子井戸(SQW:Single Quantum Well)構造を有してもよく、多重量子井戸(MQW:Multi Quantum Well)構造を有してもよい。
また、半導体層30nの上面30nuは、発光層30eから放出される光の取り出し効果を上げるために凹凸になっている。
金属含有膜40は、積層体30と半導体基板10との間に設けられている。半導体発光素子1は、積層体30と半導体基板10とを金属含有膜40によって接合させることにより形成される(後述)。金属含有膜40は、金属、または金属の化合物を含む。
積層体30と金属含有膜40との間には、第2光反射膜(以下、例えば、光反射膜41)が設けられている。
光反射膜41は、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)、錫(Sn)、炭素(C)、マグネシウム(Mg)、クロム(Cr)、テルル(Te)、セレン(Se)、チタン(Ti)、酸素(O)、水素(H)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)の群から選択される少なくとも1つの元素を含む。
光反射膜41は、多層であってもよい。この場合、多層のそれぞれの層には、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)、錫(Sn)、炭素(C)、マグネシウム(Mg)、クロム(Cr)、テルル(Te)、セレン(Se)、チタン(Ti)、酸素(O)、水素(H)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)の群から選択される少なくとも1つの元素が含まれる。
光反射膜41の耐熱性、耐薬品性を向上させるには、光反射膜41の材料として、上述した金属群の少なくとも2つを含む合金であってもよい。
半導体層30nには、n側の電極50nが接続されている。電極50nは、Z方向から半導体発光素子1を見た場合、半導体発光素子1の略中央に位置している。また、金属含有膜40には、p側の電極50pが接続されている。
電極50p、50nは、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、金(Au)等の群から選ばれる少なくとも1つを含む。
また、積層体30の側部の上、および積層体30の側部から積層体30の内部の一部にかけては、保護膜70が設けられている。
図2(a)〜図3(c)は、第1実施形態に係る半導体発光素子の製造過程を表す模式的断面図である。
図2(a)に表すように、構造体60Aと、構造体60Bと、を対向させる。構造体60Aにおいては、半導体基板10の上に金属含有膜40Aが設けられている。構造体60Bにおいては、半導体基板11の下に積層体30が設けられ、積層体30の下に選択的に光反射膜41が設けられ、積層体30および光反射膜41の下に金属含有膜40Bが設けられている。半導体基板11は、シリコン基板、サファイヤ基板等である。
次に、図2(b)に表すように、金属含有膜40Aと金属含有膜40Bとを接触させて、半導体基板10と積層体30との間、および半導体基板10と光反射膜41との間に金属含有膜40を形成する。すなわち、半導体基板10と積層体30、および半導体基板10と光反射膜41とを金属含有膜40によって接合する。
次に、図2(c)に表すように、積層体30から半導体基板11を剥離する。
次に、図3(a)に表すように、金属含有膜40の上および光反射膜41の上に設けられた積層体30を、例えば、ドライエッチングにより分割する。また、積層体30に含まれる半導体層30nの上面30nuを凹凸に加工する。
次に、図3(b)に表すように、半導体基板10、金属含有膜40、光反射膜41、および積層体30を有する構造体60Cを、ダイシングシート80の上に載置する。ここでは、半導体基板10をダイシングシート80に接触させる。
続いて、隣り合う積層体30間に位置する金属含有膜40の一部と、さらにその下の半導体基板10の一部をダイシングによって除去する。このダイシングによって構造体60Cにトレンチ61が形成される。すなわち、構造体60Cが複数の構造体60Dに個片化される。
次に、図3(c)に表すように、樹脂シート81を準備する。樹脂シート81は、粘着性、弾性等を有する。続いて、樹脂シート81に積層体30側の構造体60Dを押し付ける。さらに、樹脂シート81を、樹脂シート81のシート面に沿って伸縮し、隣り合う構造体60Dの間隔dを調整する。
次に、構造体60Dの半導体基板10の下面10dと、側面10swの少なくとも一部とに、例えば、スパッタリング法によって光反射膜20を形成する。スパッタリングでは、光反射膜20は、半導体基板10の下面10dに形成されるほか、半導体基板10の側面10swにまで回り込む。ここでは、光反射膜20が半導体基板10の下面10dと、側面10swの少なくとも一部と、に形成されるように、間隔dまたはスパッタリング条件が適宜調整される。
この後、構造体60Dに電極50p、50n、保護膜70等が形成されて、半導体発光素子1が形成される。
図4は、第1実施形態に係る発光装置を表す模式的断面図である。
第1実施形態に係る発光装置100は、容器200と、基板201pと、基板201nと、半導体発光素子1と、樹脂層202と、蛍光体203と、ワイヤ204pと、ワイヤ204nと、を備える。発光装置100に含まれる半導体発光素子は、第1実施形態に係る半導体発光素子1に限らず、後述する半導体発光素子であってもよい。
容器200は、その上側が開口された樹脂容器である。容器200は、凹部200cを有している。基板201pおよび基板201nは、凹部200cの中に設けられている。半導体発光素子1は、基板201pの上に設けられている。基板201pおよび基板201nは、例えば、銅(Cu)を含む。
半導体発光素子1は、容器200の凹部200cの中に設けられている。半導体発光素子1の光反射膜20は、例えば、半田、銀ペースト等によって基板201pに接続されている。
半導体発光素子1の電極50pは、ワイヤ204pを経由して基板201pに電気的に接続されている。つまり、発光装置100の外部から基板201pに印加された電位は、ワイヤ204pを経由して半導体発光素子1の電極50pに伝導する。ここで、電極50pは、半導体発光素子1のp側半導体層30pに接続されている。すなわち、基板201pに印加された電位は、p側半導体層30pに伝導する。
半導体発光素子1の電極50nは、ワイヤ204nを経由して基板201nに電気的に接続されている。つまり、発光装置100の外部から基板201nに印加された電位は、ワイヤ204nを経由して半導体発光素子1の電極50nに伝導する。ここで、電極50nは、半導体発光素子1のn側半導体層30nに接続されている。すなわち、基板201nに印加された電位は、n側半導体層30nに伝導する。
樹脂層202は、基板201pの上、基板201nの上、および半導体発光素子1の上に設けられている。樹脂層202は、容器200の凹部200cの中に設けられている。樹脂層202は、蛍光体203を含む。蛍光体203は、樹脂層202に分散されている。樹脂層202には、フィラーを分散させてもよい。
発光装置100の作用について説明する。
p側の電極50pに、n側の電極50nよりも高い電位を印加すると、p側の半導体層30pとn側の半導体層30nに順バイアスが印加される。これにより、半導体発光素子1の発光層30e内では正孔と電子とが再結合する。発光層30e内で正孔と電子とが再結合すると、発光層30eは、青色光90(例えば、波長:450nm)を放出する。
青色光90は、発光装置100における一次光である。発光層30eから上側に放出された青色光90は、半導体層30nを通過して半導体発光素子1の上側に放出される。発光層30eから下側に放出された青色光90は、半導体層30pを通過して光反射膜41によって反射され、半導体発光素子1の上側に放出される。
青色光90が蛍光体203に当たると、蛍光体203は、青色光90を吸収して、例えば、黄色光91を発する。黄色光91は、発光装置100の二次光である。発光装置100からは、一次光である青色光90と二次光である黄色光91とが混色して、白色光が発せられる。
ここで、半導体発光素子1から発せられる青色光90は、蛍光体203によって吸収されるとともに、蛍光体203またフィラーによって散乱される。また、青色光90は、容器200の内壁、または樹脂層202と大気の界面によって反射され、再び樹脂層202内を走る場合がある。
このような散乱光または反射光が再び蛍光体203に当たると、蛍光体203は再び黄色光91を放出し、二次光である黄色光の光強度が高くなる。これにより、発光装置100の発光強度は高くなる。
ここで、半導体発光素子1から光反射膜20を取り除いた構造を想定する。半導体発光素子1から光反射膜20を取り除くと、半導体基板10が樹脂層202に露出される。半導体基板10が樹脂層202に露出すると、半導体基板10に青色光の散乱光または反射光が直接当たってしまう。従って、半導体発光素子1から発せられた青色光の一部が半導体基板10に吸収されてしまう。
これにより、半導体発光素子1から発せられる青色光90の光強度が低くなるとともに、一次光である青色光90の光強度が低くなることから蛍光体203から放出される黄色光91の光強度も低くなる。つまり、光反射膜20を取り除いた発光装置では、半導体発光素子1ほどの発光強度が得られず、光強度が弱くなる。
これに対して、半導体発光素子1では、光反射膜20が半導体基板10の側面10swの少なくとも一部に接している。このため、半導体基板10に青色光の散乱光または反射光が直接に当たらない。従って、半導体基板10は、青色光の散乱光または反射光を吸収し難くなる。
さらに、半導体発光素子1では、光反射膜20によって反射された青色光90が再び蛍光体203に当たる。これにより、蛍光体203は青色光90を吸収し、蛍光体203は黄色光91を再び発する。この黄色光91は、発光装置100の光強度の増加に寄与している。
(第2実施形態)
図5は、第2実施形態に係る発光装置を表す模式的断面図である。
第2実施形態に係る発光装置101は、半導体発光素子2を備える。
半導体発光素子2の電極50nは、ワイヤ204nを経由して基板201nに電気的に接続されている。つまり、発光装置101の外部から基板201nに印加された電位は、ワイヤ204nを経由して半導体発光素子2の電極50nに伝導する。すなわち、基板201nに印加された電位は、電極50nを経由して、半導体発光素子2のn側半導体層30nに伝導する。
また、半導体発光素子2の半導体基板10の導電率は、半導体発光素子1の半導体基板10の導電率よりも高く設定されている。ここで、光反射膜20は、光反射膜のほか、p側の電極になっている。従って、発光装置101の外部から基板201pに印加された電位は、光反射膜20、金属含有膜40、および光反射膜41を経由して半導体発光素子2のp側半導体層30pに伝導する。
つまり、半導体発光素子2においては、基板201pに基板201nよりも高い電位を印加することにより、電極50nと電極50nの下側に位置する光反射膜20との間で通電が可能になっている。
これにより、p側の半導体層30pからn側の半導体層30nに流れる電流は、半導体発光素子1に比べてより均一に分散される。従って、半導体発光素子2の光強度は、半導体発光素子1の光強度に比べて増加する。つまり、発光装置101の光強度は、発光装置100の光強度に比べて増加する。
第2実施形態では、光反射膜20は、半導体基板10の側面10swの一部に接触し、金属含有膜40の側面40swには接していないことが望ましい。これにより、Z方向の電流流束が増し、p側の半導体層30pからn側の半導体層30nに流れる電流がより均一に分散される。
第2実施形態では、光反射膜20をp側の電極として用いているため、p側の電極50pを要しない。従って、素子設計の自由度が増加する。なお、電極50pは、半導体発光素子2から除去せず、検査用端子として用いてもよい。
(第3実施形態)
図6(a)は、第3実施形態に係る半導体発光素子を表す模式的断面図であり、図6(b)は、第3実施形態に係る半導体発光素子および半導体発光素子が載置される基板の斜視模式図である。
第3実施形態に係る半導体発光素子3は、半導体基板10と、光反射膜20と、積層体30と、金属含有膜40と、樹脂層202と、蛍光体203と、を備える。半導体発光素子3では、電極50nと光反射膜20との間で通電が可能になっている。
樹脂層202は、光反射膜20、半導体基板10、金属含有膜40、および積層体30に接している。つまり、光反射膜20、半導体基板10、金属含有膜40、および積層体30は、樹脂層202によって封止されている。また、半導体基板10の下面10dに接する光反射膜20と、半導体基板10の側面10swに接する光反射膜20の一部と、は、樹脂層202から露出している。
半導体発光素子3では、光反射膜20が半導体基板10の側面10swの少なくとも一部に接している。このため、半導体基板10に青色光の散乱光または反射光が直接に当たらない。従って、半導体基板10は、青色光の散乱光または反射光を吸収し難くなる。つまり、半導体発光素子3は、半導体発光素子1と同様の効果を奏する。
また、図6(b)には、半導体発光素子3と、凹部201cが設けられた基板201pが表されている。半導体発光素子3の光反射膜20と基板201pの凹部201cとは、半導体発光素子3を凹部201cに向かって降下させることによって勘合する。また、半導体発光素子3では、容器200を要しない。このため、発光装置の小型化が実現する。
また、実施形態においては、発光層30eの下側にn形の半導体層30nが設けられ、発光層30eの上側にp形の半導体層30pが設けられた構造も実施形態に含まれる。
また、半導体基板10および積層体30の平面形状は矩形に限らず、円形でもよい。
また、実施形態において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。また、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他に、間に他の層が挿入されて設けられる場合も含む。
また、実施形態において、「窒化物半導体」とは、BInAlGa1−x−y−zN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z≦1)なる化学式において組成比x、y及びzをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1、2、3 半導体発光素子、 10、11 半導体基板、 10d 下面、 10sw、40sw 側面、 10u 上面、 20、41 光反射膜、 30 積層体、 30e 発光層、 30n、30p 半導体層、 30nu 上面、 40、40A、40B 金属含有膜、 40sw 側面、 50n、50p 電極、 60A、60B、60C、60D 構造体、 61 トレンチ、 70 保護膜、 80 ダイシングシート、 81 樹脂シート、 90 青色光、 91 黄色光、 100、101 発光装置、 200 容器、 200c、201c 凹部、 201n、201p 基板、 202 樹脂層、 203 蛍光体、 204n、204p ワイヤ

Claims (7)

  1. 第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、前記第1面および前記第2面に連なる第3面と、を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記第3面の少なくとも一部に接する第1光反射膜と、
    前記半導体基板の前記第2面の側に設けられ、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、を有する積層体と、
    を備えた半導体発光素子。
  2. 前記第1半導体層、前記発光層、および前記第2半導体層は、前記第1面から前記第2面に向かう方向に並び、
    前記第2半導体層に電気的に接続された電極をさらに備え、
    前記電極と前記第1光反射膜との間で通電が可能な請求項1に記載の半導体発光素子。
  3. 前記積層体と前記半導体基板との間に設けられた金属含有膜と、
    前記積層体と前記金属含有膜との間に設けられた第2光反射膜と、
    をさらに備えた請求項1または2に記載の半導体発光素子。
  4. 前記第1光反射膜、前記半導体基板、前記金属含有膜、および前記積層体に接する樹脂層をさらに備え、
    前記半導体基板の前記第1面に接する前記第1光反射膜と、前記半導体基板の前記第3面に接する前記第1光反射膜の一部と、は、前記樹脂層から露出している請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
  5. 前記樹脂層は、前記発光層から発せられる光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含む請求項4に記載の半導体発光素子。
  6. 前記半導体基板は、シリコンを含む請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
  7. 凹部を有する容器と、
    前記凹部内に設けられた基板と、
    前記基板の上に設けられ、前記凹部内に設けられた請求項1〜3、6のいずれか1つに記載の半導体発光素子と、
    前記凹部内に設けられ、前記基板の上および前記半導体発光素子の上に設けられた樹脂層と、
    を備えた発光装置。
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