JP2016134501A - 半導体発光装置 - Google Patents

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拓也 風間
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Abstract

【課題】
複数の波長の光を狭指向角化ないし広指向角化して放出する半導体発光装置を提供する。
【解決手段】
当該半導体発光装置は、光反射性を備える支持基板と、前記支持基板上に配置され、量子サイズ効果が発現する半導体ナノ粒子を含む波長変換層と、前記波長変換層上に配置され、発光性を備える光半導体積層と、前記光半導体積層上に配置されるフォトニック結晶層であって、第１の屈折率を有する第１の部分と、該第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の部分と、が２次元周期的に配置されているフォトニック結晶層と、を具備する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、フォトニック結晶技術及び半導体量子ドット技術を利用した半導体発光装置に関する。
ＧａＮ等の窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、青色光（または紫外光）を発光することができ、さらに蛍光体を利用することにより複数の波長の光（白色光）を放出することができる（たとえば特許文献１）。このような半導体発光素子は、画像表示装置や照明器具などに用いられる。
半導体発光素子をプロジェクタや車両用灯具（ヘッドライト）などに用いる場合、当該素子から放出される光は、一般に、狭指向角化されることが好ましい。半導体発光素子の表面に、いわゆるフォトニック結晶構造を形成することにより、当該半導体発光素子から放出される光の指向角を調整する（狭くするか、または広くする）ことができる（たとえば特許文献２）。
特表２００２−５２８８９０号公報 特開２００６−０５９８６４号公報
本発明の主な目的は、複数の波長の光を狭指向角化して放出する半導体発光装置を提供することにある。また、複数の波長の光を広指向角化して放出する半導体発光装置を提供することにある。
本発明の主な観点によれば、光反射性を備える支持基板と、前記支持基板上に配置され、量子サイズ効果が発現する半導体ナノ粒子を含む波長変換層と、前記波長変換層上に配置され、発光性を備える光半導体積層と、前記光半導体積層上に配置されるフォトニック結晶層であって、第１の屈折率を有する第１の部分と、該第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の部分と、が２次元周期的に配置されているフォトニック結晶層と、を具備する半導体発光装置、が提供される。
複数の波長の光を狭指向角化ないし広指向角化して放出する半導体発光装置を実現できる。
図１Ａおよび図１Ｂは、成長基板上にデバイス構造体を形成する様子を示す断面図である。 図２Ａおよび図２Ｂは、デバイス構造体を支持基板と貼り合わせる様子を示す断面図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、デバイス構造体から成長基板を除去する様子を示す断面図である。 図４Ａは、デバイス構造体の表面にフォトニック結晶層を設ける様子を示す断面図であり、図４Ｂは、フォトニック結晶層の表面状態を示す平面図である。 図５Ａは、デバイス構造体と支持基板との間に波長変換層を設ける様子を示す断面図であり、図５Ｂは、デバイス構造体から放出される光をスクリーンに投影する様子を示す模式図である。
以下、図１〜図５を参照して、実施例による半導体発光装置（ＬＥＤ装置）の製造方法および動作原理について説明する。実施例によるＬＥＤ装置の製造方法は、成長基板上にデバイス構造体を形成する工程（図１）、そのデバイス構造体を支持基板と貼り合わせて、貼り合せ構造体を形成する工程（図２）、貼り合せ構造体から成長基板を除去して、デバイス構造体の表面を露出する工程（図３）、露出したデバイス構造体の表面にフォトニック結晶層を設ける工程（図４）、および、デバイス構造体と支持基板との間に波長変換層を設ける工程（図５Ａ）、を有する。なお、図中に示す各構成要素の相対的なサイズや位置関係などは、実際のものとは異なっている。
図１Ａおよび図１Ｂに、成長基板１１上に、デバイス構造体１０１を形成する様子を示す。成長基板１１には、たとえばＣ面サファイア基板が用いられる。なお、サファイア基板のほかにも、たとえばスピネル基板やＺｎＯ基板などを用いることができる。
図１Ａに示すように、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法などにより、成長基板１１上に、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表現される窒化物系（ＧａＮ系）半導体層（光半導体積層２０）を形成する。まず、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ３を用いて、成長基板１１上にＧａＮからなる下地バッファ層２１を形成する。
その後、原料ガスにＴＭＧ，ＮＨ３およびＳｉＨ４を用いて、下地バッファ層２１上に、ＳｉドープＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層）を成長させる。ｎ型ＧａＮ層の厚みは、たとえば５μｍ程度である。ｎ型ＧａＮ層は、ｎ型半導体層２２を構成する。
その後、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＴＭＧおよびＮＨ３を用いてＩｎＧａＮからなる井戸層を成長させる。井戸層の厚みは、たとえば２ｎｍ程度である。続いて、原料ガスにＴＭＧおよびＮＨ３を用いてＧａＮからなる障壁層を成長させる。障壁層の厚みは、たとえば１０ｎｍ程度である。そして、井戸層および障壁層の成長を交互に（たとえば５周期分）繰り返して、ｎ型半導体層２２上に、多重量子井戸構造を有する活性層２３を形成する。
その後、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＭＧ，ＮＨ３およびＣＰ２Ｍｇ（ビスシクロペンタディエニルマグネシウム）を用いて、活性層２３上に、ＭｇドープＡｌＧａＮ層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）を成長させる。ｐ型ＡｌＧａＮ層の厚みは、たとえば１５ｎｍ程度である。続いて、原料ガスにＴＭＧ，ＮＨ３およびＣＰ２Ｍｇを用いて、ｐ型ＡｌＧａＮ層上に、ＭｇドープＧａＮ層（ｐ型ＧａＮ層）を成長させる。ｐ型ＧａＮ層の厚みは、たとえば２０ｎｍ程度である。ｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層は、ｐ型半導体層２４を構成する。
以上により、成長基板１１上に、下地バッファ層２１を介して、ｎ型半導体層２２、活性層２３、および、ｐ型半導体層２４、が順次積層する光半導体積層２０が形成される。なお、光半導体積層２０の平面形状は、たとえば一辺約１ｍｍの正方形状である。
次に、図１Ｂに示すように、レジストマスクを用いた塩素ガスによるドライエッチング法により、光半導体積層２０の一部を除去してビア（穴）２０ｄを形成する。ビア２０ｄは、少なくともｐ型半導体層２４および活性層２３を貫通して形成され、その底面にはｎ型半導体層２２が表出する。
次に、リフトオフ法などにより、ビア２０ｄを通ってｎ型半導体層２２に接続するｎ側電極３２、および、光半導体積層２０表面においてｐ型半導体層２４に接続するｐ側電極３４を形成する。ｎ側電極３２およびｐ側電極３４には、たとえばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透光性を有する部材が用いられる。
なお、ｎ側電極３２を介して、光半導体積層２０の各層が電気的に短絡しないように、予め、ビア２０ｄの内側面を覆う保護絶縁層３２ｉを形成しておいてもかまわない。保護絶縁層３２ｉは、たとえばＳｉＯ２からなり、スパッタ法およびレジストマスクを用いたＣＦ４／Ａｒ混合ガスによるドライエッチング法などを用いて形成することができる。
次に、リフトオフ法などにより、ｎ側電極３２およびｐ側電極３４各々の上に、Ａｕなどからなるｎ側バンプ３３およびｐ側バンプ３５を形成する。バンプ３３，３５の厚み（高さ）は、たとえば１０μｍ程度である。
以上により、成長基板１１上に、光半導体積層２０，ｎ側電極３２，ｎ側バンプ３３，ｐ側電極３４およびｐ側バンプ３５を含むデバイス構造体１０１が形成される。
図２Ａおよび図２Ｂに、成長基板１１上のデバイス構造体１０１を支持基板４０と貼り合わせる様子を示す。ここで、デバイス構造体１０１は、図１Ｂに示すそれを上下反転して示している。
まず、図２Ａに示すように、支持基板４０を準備する。支持基板４０は、基材４１表面に、光反射電極４２が設けられた構造を有する。基材４１には、たとえばＳｉ基板を用いることができる。光反射電極４２には、たとえばＡｇ，Ａｕ，Ａｌなどの高い光反射率を有し、導電性を有する部材が用いられる。なお、光反射電極４２は、相互に離隔して電気的に導通していない第１および第２の領域（ｎ側およびｐ側領域）４２ａ，４２ｂを有している。
次に、図２Ｂに示すように、支持基板４０とデバイス構造体１０１とを対向配置する。このとき、光反射電極４２の第１の領域（ｎ側領域）４２ａがデバイス構造体１０１のｎ側バンプ３３と対向し、光反射層４２の第２の領域（ｐ側領域）４２ｂがデバイス構造体１０１のｐ側バンプ３５と対向するように配置する。
続いて、支持基板４０とデバイス構造体１０１とを接触させて、たとえば融着接合により、それらを貼り合わせる。支持基板４０とデバイス構造体１０１とを貼り合せたものを、貼り合せ構造体１０２と呼ぶこととする。
図３Ａおよび図３Ｂに、貼り合せ構造体１０２から成長基板１１を除去する様子を示す。成長基板１１は、たとえばレーザリフトオフ法により除去することができる。
図３Ａに示すように、成長基板１１（サファイア基板）側からＫｒＦエキシマレーザを照射する。このレーザ光は、成長基板１１を透過して、下地バッファ層２１（ＧａＮ層）に吸収される。下地バッファ層２１は、光吸収に伴う発熱により分解される。これにより、成長基板１１と光半導体積層２０（デバイス構造体１０１）とが分離し、図３Ｂに示すように、ｎ型半導体層２２が露出する。
図４Ａに、露出したｎ型半導体層２２（デバイス構造体１０１）表面にフォトニック結晶層２２ｐを形成する様子を示す。ｎ型半導体層２２表面に、ナノインプリント法により、所望のパターンを有するレジストマスクを形成する。その後、そのレジストマスクを利用した塩素ガスによるドライエッチング法により、ｎ型半導体層２２表面の一部を除去して、２次元周期的に分布する凹部２２ｈを形成する。凹部２２ｈの深さは、たとえば３６０ｎｍ程度である。なお、ｎ型半導体層２２表面において除去されずに残される部分を凸部２２ａと呼ぶこととする。
図４Ｂに、凹部２２ｈの平面形状および平面配列状態を示す。凹部２２ｈの平面形状は、たとえば直径Ｄ（約２００ｎｍ）の円形状である。また、凹部２２ｈは、たとえば、ピッチＰ（約４５０ｎｍ）で三角格子状に配列している。
このように、フォトニック結晶層２２ｐは、ｎ型半導体層２２と同じ部材からなる凸部２２ａと、ｎ型半導体層２２が除去されて大気（空気）が充填される凹部２２ｈと、を有する。凸部２２ａを構成するＧａＮ（Ｓｉドープ）の屈折率は約２．４であり、凹部２２ｈに充填する大気の屈折率は約１．０である。フォトニック結晶層２２ｐは、屈折率が異なる部分が２次元周期的に配置される構造を有している。
図５Ａに、光半導体積層２０と支持基板４０との間隙に、波長変換層５０を充填する様子を示す。波長変換層５０は、バインダ５１中に、量子サイズ効果を発現する半導体ナノ粒子５２が分散する構造を有する。なお、半導体ナノ粒子５２は、粒径が異なる（つまり発光波長が異なる）複数種類の半導体ナノ粒子５２ａ，５２ｂを含んでいてもよい。バインダ５１には、たとえばシリコーン樹脂を用いることができる。また、半導体ナノ粒子５２には、たとえばＩｎＰナノ粒子を用いることができる。
具体的には、まず、一般に市販されている熱硬化型のシリコーン樹脂に、発光波長が５４５ｎｍおよび６３５ｎｍであるＩｎＰナノ粒子（ＮＮ−Ｌａｂｓ社製）を約４６体積％で混合する。次に、ＩｎＰナノ粒子を混合したシリコーン樹脂を、光半導体積層２０と支持基板４０との間隙に注入し、その後、シリコーン樹脂を熱硬化させる。これにより、光半導体積層２０と支持基板４０との間隙に、波長変換層５０を設けることができる。
以上により、実施例によるＬＥＤ装置１００が完成する。ＬＥＤ装置１００は、電力が供給されることにより、フォトニック結晶層２２ｐ（光出射面）から狭指向角化された白色光（青・緑・赤色光）を出射する。
光反射電極のｎ側領域４２ａ（それに接続するｎ側バンプ３３およびｎ側電極３２）ならびに光反射電極のｐ側領域４２ｂ（それに接続するｐ側バンプ３５およびｐ側電極３４）を介して、光半導体積層２０に電力（電流）を供給する。このとき、ｎ側電極３２からｎ型半導体層２２に注入される電子と、ｐ側電極３４からｐ型半導体層２４に注入される正孔と、が活性層２３において再結合し、その再結合にかかるエネルギが光（および熱）として放出される。
活性層２３から放出される光の一部は、直接、ｎ型半導体層２２表面（フォトニック結晶層２２ｐ）から出射される。実施例における光半導体積層２０は青色光（波長４５０ｎｍ）を発光するから、ｎ型半導体層２２表面（フォトニック結晶層２２ｐ）から青色光が出射される。
また、活性層２３から放出される光の他の一部は、波長変換層５０を透過して、光反射電極４２に反射された後、ｎ型半導体層２２表面（フォトニック結晶層２２ｐ）から出射される。波長変換層５０に含まれる半導体ナノ粒子５２ａ，５２ｂは、光半導体積層２０から放出される光を吸収して、粒径に対応した波長の光を放出する。実施例において、半導体ナノ粒子５２ａ，５２ｂは、光半導体積層２０から放出される光（波長４５０ｎｍ）を吸収して、波長５４５ｎｍおよび波長６３５ｎｍの光を放出する。つまり、波長変換層５０は、光半導体積層２０から放出される光（青色光）を、緑色光および赤色光に変換する。したがって、ｎ型半導体層２２表面（フォトニック結晶層２２ｐ）から緑色光および赤色光も出射される。
図５Ｂに、ＬＥＤ装置１００から出射した青・緑・赤色光、つまり白色光ＬｗがスクリーンＳｃに投影される様子を示す。ＬＥＤ装置１００の光出射面にはフォトニック結晶層２２ｐ（図５Ａ参照）が設けられている。
ＬＥＤ装置１００から出射される光の強度は、スクリーンＳｃ上において、正面方向（光出射面の法線方向）で最も高く、周囲に広がるにつれて徐々に低くなる。光強度が正面方向における光強度の半分になる位置を、正面方向に対する傾き角度（指向角）θとして示す。指向角θは、一般に、発光素子の出射光の指向性を表すパラメータとして用いられている。
ＬＥＤ装置１００の光出射面にフォトニック結晶層２２ｐを設けない場合、つまり、光出射面が平坦なｎ型半導体層２２により構成される場合、その指向角θはおよそ６０°程度になる。ＬＥＤ装置１００の光出射面にフォトニック結晶層２２ｐを設けると、実施例の条件において、その指向角θはおよそ３０°程度となる。フォトニック結晶層２２ｐが設けられていることにより、ＬＥＤ装置１００から出射される白色光は狭指向角化される。
単一の波長の光を放出する光半導体積層２０（デバイス構造体）において、白色光など複数の波長の光を放出させたい場合、半導体ナノ粒子等を含む波長変換層５０と組み合わせることが有効である。このとき、波長変換層５０を、光半導体積層２０に対して、フォトニック結晶層２２ｐ側（光出射面側）に設けると、フォトニック結晶層２２ｐによる出射光の狭指向角化の効果が低減してしまう。このため、波長変換層５０は、図５Ａに示すように、光半導体積層２０に対して、フォトニック結晶層２２ｐ（光出射面）とは反対側に設けられることが望ましい。
また、このとき、波長変換層５０の全体的な屈折率が、光半導体積層２０（特にｐ型半導体層２４）の屈折率よりも低いと、光半導体積層２０から放出された光が、波長変換層５０との界面において反射されてしまい、効率的に波長変換層５０に入射されない。したがって、波長変換層５０の全体的な屈折率は、光半導体積層２０の屈折率以上であることが望ましい。
実施例の場合、すなわち、光半導体積層２０をＧａＮ系半導体（屈折率約２．４）で構成する場合であって、波長変換層５０において、バインダ５１にシリコーン（屈折率１．４〜１．５）、半導体ナノ粒子５２にＩｎＰ（屈折率約３．５）、を用いる場合、バインダに対する半導体ナノ粒子の体積比率を４６％以上にすることで、波長変換層の屈折率を光半導体積層の屈折率以上にすることができる。
また、光半導体積層２０をＧａＮ系半導体で構成する場合、波長変換層５０に含まれる半導体ナノ粒子５２には、少なくともＧａＮ系半導体の屈折率よりも大きい屈折率を有する部材を用いることが好ましい。半導体ナノ粒子５２は、たとえば、ＡｇＩｎＳ２，ＣｕＩｎＳ２，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮおよびＩｎＰ、ならびに、ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮおよびＧａＩｎＮからなる群より選択される少なくとも１つの部材を含むことが好ましい。
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、実施例では、ビア電極タイプ（フリップチップタイプ）のＬＥＤ装置について説明したが、ＬＥＤ装置は表面電極タイプなどであってもかまわず、光半導体積層に電力（電流）を供給できる構造であれば、どのような電極構造であってもかまわない。また、フォトニック結晶層の２次元周期構造は、出射光を狭指向角化できれば、どのような構造（凹部の形状・配列パターン）であってもよい。ＬＥＤ装置の用途によっては、出射光を広指向角化するような構造であってもよいであろう。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
１１…成長基板、２０…光半導体積層、２１…下地バッファ層、２２…ｎ型半導体層、２３…活性層、２４…ｐ型半導体層、３２…ｎ側電極、３３…ｎ側バンプ、３４…ｐ側電極、３５…ｐ側バンプ、４０…支持基板、４１…基材、４２…光反射電極、５０…波長変換層、５１…バインダ、５２…半導体ナノ粒子、１００…半導体発光装置（ＬＥＤ装置）、１０１…デバイス構造体、１０２…貼り合せ構造体。

Claims (5)

  1. 光反射性を備える支持基板と、
    前記支持基板上に配置され、量子サイズ効果が発現する半導体ナノ粒子を含む波長変換層と、
    前記波長変換層上に配置され、発光性を備える光半導体積層と、
    前記光半導体積層上に配置されるフォトニック結晶層であって、第１の屈折率を有する第１の部分と、該第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２の部分と、が２次元周期的に配置されているフォトニック結晶層と、
    を具備する半導体発光装置。
  2. 前記半導体ナノ粒子の屈折率は、前記光半導体積層の屈折率よりも大きい請求項１記載の半導体発光装置。
  3. 前記波長変換層の全体的な屈折率は、前記光半導体積層の屈折率以上である請求項２記載の半導体発光装置。
  4. 前記光半導体積層は、ＧａＮ系半導体を含み、
    前記半導体ナノ粒子は、ＡｇＩｎＳ２，ＣｕＩｎＳ２，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮおよびＩｎＰ、ならびに、ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮおよびＧａＩｎＮからなる群より選択される少なくとも１つの部材を含む、
    請求項１〜３いずれか１項記載の半導体発光装置。
  5. 前記光半導体積層は、前記波長変換層側から、ｐ型半導体層、発光性を有する活性層、および、ｎ型半導体層が順次積層する構造を有し、
    前記フォトニック結晶層において、前記第１の部分が前記ｎ型半導体層を構成する部材により構成され、前記第２の部分が大気により構成される、
    請求項１〜４いずれか１項記載の半導体発光装置。
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