JP2021036556A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取出し効率を向上させることができる半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子２は、紫外線に対して透明性を有する透明基板２１と、透明基板２１上において、ｎクラッド層２３、発光層２４、及びｐクラッド層２５が順次積層された構造を備える半導体層を備え、透明基板２１は、前記半導体層側に位置する底面２１ｃと該底面２１ｃと接続する側面２１ｂとを有し、この側面２１ｂは、底面２１ｃと接続する位置において側面２１ｂと接する面と、底面２１ｃとのなす角の外角が鋭角になるように傾斜している。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

近年、指向性を高めた発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）が提供されている（特許文献１参照。）。

特許文献１には、第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、及び第２導電型の障壁層を少なくとも備え、光取出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備える発光ダイオードが開示されている。当該発光ダイオードにおいては、リッジ構造の上部平坦面の幅が２λ（λ：発光波長）以下であり、活性層がリッジ構造の上部平坦面の幅より狭いストライプ状に形成され、活性層が結晶成長用の基板の面内方向（結晶成長方向に垂直）においてリッジ構造の上部平坦面に対応する場所に配置されている。また、この発光ダイオードの全体的な外形形状は、略直方体状となっている。

特許第６０４１２６５号公報

ところで、紫外線を発光する発光ダイオードは、結晶成長用の基板と反対側の位置にｐ型のコンタクト層としてｐ型不純物が添加されたＧａＮからなるｐＧａＮ層を含んでいる。このｐＧａＮ層は、紫外線を吸収する性質を有している。そのため、紫外線を発光する発光ダイオードは、結晶成長用の基板を光出射面とし、基板側から光を取り出せるようフリップチップ方式で実装される。

しかしながら、特許文献１に記載された従来の発光ダイオードは、略直方体状の形状を有しているため、基板側から取り出すことができる光が、出射面となる基材の上面を通過できる光に制限されるため、放射束量が低下する虞がある。

また、フリップチップ方式によって発光ダイオードを実装しても、基板と空気との屈折率差や、基板と発光層との屈折率差によって、これらの界面の近傍での全反射やフレネル反射が生じる。これらの反射によって発生した反射光は、ｐＧａＮ層に吸収されてしまい、光取出し効率が低下する虞がある。

このような全反射及びフレネル反射に関する問題に対しては、例えば、ＡＲ（Anti-Reflection）コート等の反射防止膜や、微小突起構造（すなわち、モスアイ構造）を設け、上述した屈折率差を緩和してそれぞれの界面における反射を低減する対策が考えられる。

しかしながら、ＡＲコートやモスアイによる方法は、一方向に進行する光に対する進行方向の最適化には適しているが、フリップチップ方式で実装された発光ダイオード内に存在する光のように、発光層から発光された光と反射光とが混在する基板内のランダムな光に対する進行方向の最適化には適さない場合があり、光取出し効率の低下を十分に抑制することができない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、光取出し効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、紫外光に対して透光性を備える透明基板と、前記透明基板上において、ｎクラッド層、発光層、及びｐクラッド層が順次積層された構造を備える半導体層を備え、前記透明基板は、前記半導体層側に位置する底面と該底面と接続する側面とを有し、前記側面は、前記底面と接続する位置において前記側面と接する面と、前記底面とのなす角の外角が鋭角になるように傾斜している、半導体発光素子を提供する。

本発明によれば、光取出し効率を向上することができる半導体発光素子を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の構成の一例を示す模式図である。 図１に示す半導体発光素子のシミュレーションモデルの一例を示す模式図であり、（ａ）は、側面図であり、（ｂ）は、底面図であり、（ｃ）は、俯瞰図である。 半導体発光素子から発光した光の受光範囲の一例を示す図である。 放射束のシミュレーションの結果の一例を示すグラフ図である。 放射束のシミュレーションの結果の一例を示すグラフ図である。 放射束のシミュレーションの結果の一例を示すグラフ図である。 放射束のシミュレーションの結果の一例を示すグラフ図である。 本発明の一変形例に係る半導体発光素子のシミュレーションモデルの一例を示す模式図であり、（ａ）は、側面図であり、（ｂ）は、底面図であり、（ｃ）は、俯瞰図である。 ダイシングの一例を示す模式図である。 本発明の一変形例に係る半導体発光素子のシミュレーションモデルの一例を示す模式図であり、（ａ）は、側面図であり、（ｂ）は、底面図であり、（ｃ）は、俯瞰図である。 本発明の一変形例に係る半導体発光素子の構成の一例を模式的に示す正面図である。

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

［第１の実施の形態］
〔半導体発光素子の構成〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の構成の一例を示す模式図である。本実施の形態では、半導体発光素子２として、紫外領域の波長の光（例えば、中心波長が３００ｎｍ以下の深紫外光）を発光する発光ダイオードを例に挙げて説明する。なお、半導体発光素子２は、発光ダイオードに限られず、例えば、レーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）でもよい。

半導体発光素子２は、透明基板２１、ＡｌＮからなるバッファ層２２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎクラッド層２３、ＡｌＧａＮを含む発光層２４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐクラッド層２５、及びｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２６を順次形成して構成されている。ｎクラッド層２３、発光層２４、ｐクラッド層２５及びコンタクト層２６は、半導体層である。

また、半導体発光素子２は、コンタクト層２６上に形成されたアノード側電極部（ｐ電極）２７と、ｎクラッド層２３上に形成されたカソード側電極部（ｎ電極）２８と、を有している。透明基板２１は、半導体発光素子２の高さ方向（図１の縦方向をいう。）において、バッファ層２２側から外方に向かって拡径する外周を有する円錐台形の形状を有している。

半導体発光素子２は、パッケージ（不図示）に形成されたパッケージ電極（不図示）上に、アノード側電極部２７及びカソード側電極部２８側がパッケージ電極側を向くように、透明基板２１を上向きにして実装されている（すなわち、フリップチップ実装）。かかる構成では、発光層２４で発光した紫外光は、透明基板２１を通って半導体発光素子２の外方へと導かれる。そのため、透明基板２１としては、発光した紫外光の透過率がなるべく高いものを用いることが望ましい。本実施の形態では、半導体発光素子２は、透明基板２１として、サファイアガラス（Ａｌ_２Ｏ_３）により形成されたサファイア基板を用いてもよい。

〔シミュレーションモデル〕
図２は、半導体発光素子２のシミュレーションモデルの一例を示す模式図であり、（ａ）は、側面図であり、（ｂ）は、底面図であり、（ｃ）は、俯瞰図である。図３は、半導体発光素子２から発光した光の受光範囲の一例を示す図である。このシミュレーションでは、図２に示す半導体発光素子２から出射した光が放射状に広がって空気中を伝搬したときに、略半球状の形状を有する受光範囲３で受光する放射束を見積る数値計算を実行する。

シミュレーションモデルとして、図１に示す半導体発光素子２のうちの特に透明基板２１について詳細な条件を設定した。具体的には、図２に示すように、透明基板２１の上面２１ａを、光を取り出す出射面とする。側面２１ｂは、底面２１ｃ側から上面２１ａ側に向かって外側に傾斜しているものとする。つまり、透明基板２１は、図２（ａ）に示す側面視において、底面２１ｃ側から上面２１ａ側に向かって、末広がり状に広がる形状を有しているものとする。また、底面２１ｃを発光層２４において発光した光が透明基板２１に入射する入射面とする。本実施の形態では、側面ｂは、平面状の形状を有している。

以下、側面２１ｂと底面２１ｃとのなす角の外角（以下、「側面角度」ともいう。）をθ（以下、単位は「ｄｅｇ」とする。）とする。また、底面２１ｃの図２（ａ）に示す側面視における幅をＬ_１とし、上面２１ａの図２（ａ）に示す側面視における幅をＬ_２とし、透明基板２１の高さをｈとする。

側面角度θは、底面２１ｃの側面視における幅Ｌ_１、上面２１ａの側面視における幅Ｌ_２、及び透明基板２１の高さｈを用いて以下の式（１）
で与えられる。ここで、底面２１ｃの形状が円形の場合、底面２１ｃの側面視における幅Ｌ_１は、底面２１ｃの直径に相当し、上面２１ａの形状が円形の場合、上面２１ａの側面視における幅Ｌ_２は、上面２１ａの直径に相当する。

なお、側面２１ｂは、必ずしも平面でなくてもよく、湾曲していてもよい。側面２１ｂは、例えば、所定の曲率を有する曲面状の形状を有しているものでもよい。この場合、側面角度θは、底面２１ａと接続する位置において側面２１ｂに接する平面（仮想面）と、底面２１ａとのなす角（外角）としてよい。

〔シミュレーション〕
発明者らは、上述したシミュレーションモデルを用いて、放射束を計算するシミュレーションを実施した。また、光の波長には、２６０ｎｍ、２８０ｎｍ及び３００ｎｍの３種類を用いた。

なお、観測の方位による配光の差異の影響を小さくするために、光源は、円形状の形状を有するものを用いた。また、シミュレーションには、光学設計ソフトウェア（Optic Studio（登録商標））を用いた。このシミュレーションに用いた半導体発光素子２の条件を以下の表１にまとめる。

（１）結果１Ａ
図４は、シミュレーションの結果の一例を示すグラフ図である。図４に示すグラフの横軸は、側面角度θ（ｄｅｇ）を示し、縦軸は、放射束比を示す。なお、縦軸の放射束比とは、比較例における放射束に対する比率である。

ここで、「比較例」には、側面角度θ＝９０ｄｅｇの構成、すなわち、側面２１ｂと上面２１ａ及び底面２１ｃとがそれぞれ直交する略直方体の形状を有する発光素子を用いた。実線は、２６０ｎｍの波長を有する紫外線における結果を示し、一点鎖線は、２８０ｎｍの波長を有する紫外線における結果を示し、二点鎖線は、３００ｎｍの波長を有する紫外線における結果を示す。以下、同様の説明は省略する。

図４のグラフに示されているように、３つのいずれの波長においても、放射束比は、側面角度θ＝４８〜８１ｄｅｇの範囲で１．１０以上となり、側面角度θ＝６０〜７０ｄｅｇの範囲で１．４０以上となり、側面角度θ＝６３〜６５ｄｅｇの範囲で１．４５以上となっている。

換言すれば、比較例の構成（すなわち、側面角度θ＝９０ｄｅｇ）と比較して１．１０倍以上の光取出し効率を得るために、側面角度θを４８ｄｅｇ≦θ≦８１ｄｅｇの範囲にすることが好ましく、１．４０倍以上の光取出し効率を得るために、側面角度θを６０ｄｅｇ≦θ≦７０ｄｅｇの範囲にすることがより好ましく、最も放射束が大きく効率よく出射させるために、側面角度６３ｄｅｇ≦θ≦６５ｄｅｇの範囲にすることが最適である。

なお、図示はしないが、発明者らは、光源の形状を正方形とした場合でも、上記の結果と同様に、側面角度θ＝６３〜６５ｄｅｇの範囲で最も高い光取出し効率が得られることを確認している。したがって、光源の形状は、側面角度θの範囲と比較して、光取出し効率を最適化することに対する依存性が小さいものと考えられる。また、上述の結果に示すように、３つのいずれの波長においても、放射束について略同一のプロファイルが得られていることから、光源の波長は、側面角度θの範囲と比較して、光取出し効率を最適化することに対する依存性が小さいものと考えられる。

（２）結果１Ｂ
図５は、シミュレーションの結果の一例を示すグラフ図である。この結果は、透明基板２１の高さｈについて最適化することを目的とし、図４に示す結果１Ａで最も光取出し効率が高かった条件において、透明基板２１の高さｈをパラメータとして変化させて実行したシミュレーションの結果である。このシミュレーションは、側面角度θを６３．４ｄｅｇに固定して実施した。図５に示すグラフの横軸は、透明基板２１の高さｈ（ｍｍ）を示し、縦軸は、放射束比を示している。

図５のグラフに示されているように、３つのいずれの波長においても、０．２ｍｍ≦ｈ≦０．６ｍｍの範囲でｈとともに放射束比が上昇し、ｈ≧０．５ｍｍの範囲で、放射束比が１．０以上となるとともに、ｈ≧０．６ｍｍの範囲で、放射束比が１．１以上で安定となっている。

以上を換言すれば、放射束比を比較例の構成よりも向上するために、ｈ＞０．５×Ｌ_１とすることが好ましく、放射束比を安定させるために、ｈ＞０．６×Ｌ_１とすることがより好ましい。すなわち、透明基板２１の高さｈは、底面２１ｃの側面視における幅Ｌ_１の半分よりも大きいことが好ましい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、透明基板２１として、サファイア基板に代えてＡｌＮ基板を備えている点で第１の実施の形態と相違する。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

第２の実施の形態に係る半導体発光素子２は、透明基板２１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されたＡｌＮ基板を備えている。その他の構成については、図２（ａ）に示す構成と同様であるため詳細な説明は省略する。

次に、上述の第１の実施の形態と同様に、シミュレーションモデルを用いて放射束を見積もるシミュレーションを実施した。なお、光の波長は、２６０ｎｍ及び２８０ｎｍの２種類とした。このシミュレーションに用いた半導体発光素子２の条件について、第１の実施の形態で実施したシミュレーションの条件と異なるものを以下の表２にまとめる。

（１）結果２Ａ
図６は、シミュレーションの結果の一例を示すグラフ図である。上述した図４と同様に、縦軸の放射束は、略直方体状の形状を有する比較例の発光素子の構成に相当するθ＝９０ｄｅｇでの放射束の値を基準値（すなわち、放射束比＝１）として示す。図６に示されているように、θ＝５３〜６８ｄｅｇの範囲で放射束比が１．７〜１．８となっており、ＡｌＮ基板を備える場合、θ＝５３〜６８ｄｅｇの範囲で最も放射束が大きく効率よく出射することがわかる。

また、図６に示す結果２Ａと上述した図４に示す結果１Ａとを比較すると、少なくとも４５ｄｅｇ≦θ≦８０ｄｅｇの範囲の全体に亘って、結果２Ａにおける放射束比が結果１Ａにおける放射束比よりも大きくなっている。この比較結果により、透明基板２１として、ＡｌＮにより形成されたＡｌＮ基板を備える構成の方が、Ａｌ_２Ｏ_３により形成されたサファイア基板を備える構成よりも、光取出し効率効果が高いことがわかる。

（２）結果２Ｂ
図７は、シミュレーションの結果の一例を示すグラフ図である。このシミュレーションは、図５に示す結果１Ｂと同様に、透明基板２１の高さｈを最適化するために、側面角度θを６３．４ｄｅｇに固定して実施した数値計算である。図７のグラフに示されているように、０．６ｍｍ＜ｈ＜０．８ｍｍの範囲で、放射束比が１．０よりも大きくなっている。すなわち、透明基板２１の高さｈが０．６ｍｍよりも大きく０．８ｍｍ未満の範囲で放射束の向上が見込めることがわかる。

＜変形例１＞
図８は、本発明の一変形例に係る半導体発光素子２のシミュレーションモデルの一例を示す模式図であり、（ａ）は、側面図であり、（ｂ）は、底面図であり、（ｃ）は、俯瞰図である。図９は、ダイシングイメージを示す図である。図８各図及び図９に示すように、加工性を向上させるため、ダイシング用の形状を残してもよい。

図９に示すウエハ４は、透明基板２１の一部である。一例として、透明基板２１を下降して図９に示されている形状とし、その後に図９に付した切削線４０（破線参照）の位置でウエハ４をダイシングすることにより個片化する。発明者らは、斜面である側面２１ｂの表面積が変わらない場合、上述した第１の実施の形態に係る半導体発光素子２と同程度の放射束を向上する効果が得られることを確認した。

＜変形例２＞
図１０は、本発明の一変形例に係る半導体発光素子２のシミュレーションモデルの一例を示す模式図であり、（ａ）は、側面図であり、（ｂ）は、底面図であり、（ｃ）は、俯瞰図である。半導体発光素子２の発光面の形状は、必ずしも円形状のものに限定されるものではなく、例えば、図１０各図に示すように、四角形状のものであってもよい。

四角形は、４つ辺で囲まれる形状であればよく、例えば、正方形、長方形、ひし形、又は台形等でもよい。また、図示はしないが、半導体発光素子２の発光面の形状は、上述した円形や四角形に限定されるものではなく、例えば、三角形や多角形、楕円形、あるいは星形等の特殊な形状でもよい。

＜変形例３＞
図１１は、本発明の一変形例に係る半導体発光素子２の一例を模式的に示す正面図である。例えば、図１１に示すように、正面視において、サファイア基板が円形の形状を有し、当該サファイア基板上に形成された半導体層（すなわち、バッファ層２２、ｎクラッド層２３、発光層２４、ｐクラッド層２５、コンタクト層２６）が円形の形状を有していてもよい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲
に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

（実施形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］紫外光に対して透光性を備える透明基板（２１）と、前記透明基板（２１）上において、ｎクラッド層（２３）、発光層（２４）、及びｐクラッド層（２５）が順次積層された構造を備える半導体層と、を備え、前記透明基板（２１）は、前記半導体層側に位置する底面（２１ｃ）と該底面（２１ｃ）と接続する側面（２１ｂ）とを有し、前記側面（２１ｂ）は、前記底面（２１ｃ）と接続する位置において前記側面（２１ｂ）と接する面と、前記底面（２１ｃ）とのなす角の外角が鋭角になるように傾斜している、半導体発光素子（１）。
［２］前記側面は、平面上の形状を有している、請求項１に記載の半導体発光素子。
［３］前記外角の大きさは、４８ｄｅｇ以上８１ｄｅｇ以内の範囲である、前記［２］に記載の半導体発光素子（１）。
［４］前記半導体発光素子（１）の高さは、前記底面（２１ｃ）の側面視における幅の半分よりも大きい、前記［１］乃至［３］のいずれか１つに記載の半導体発光素子（１）。
［５］前記透明基板（２１）は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）により形成されている、前記［１］から［４］のいずれか１つに記載の半導体発光素子（１）。
［６］前記透明基板（２１）は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されている、前記［１］から［４］のいずれか１つに記載の半導体発光素子（１）。

２ 半導体発光素子（ＬＥＤ）
２１ａ 上面
２１ｂ 側面
２１ｃ 底面
２１ 透明基板
２２ バッファ層
２３ ｎクラッド層
２４ 発光層
２５ ｐクラッド層
２６ コンタクト層
２７ アノード側電極部
２８ カソード側電極部
３ 受光範囲
４ ウエハ

Claims (6)

1. 紫外光に対して透光性を備える透明基板と、
   前記透明基板上において、ｎクラッド層、発光層、及びｐクラッド層が順次積層された構造を備える半導体層と、を備え、
   前記透明基板は、前記半導体層側に位置する底面と該底面と接続する側面とを有し、
   前記側面は、前記底面と接続する位置において前記側面と接する面と、前記底面とのなす角の外角が鋭角になるように傾斜している、
   半導体発光素子。
2. 前記側面は、平面上の形状を有している、
   請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記外角の大きさは、４８ｄｅｇ以上８１ｄｅｇ以内の範囲である、
   請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記半導体発光素子の高さは、前記底面の側面視における幅の半分よりも大きい、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記透明基板は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）により形成されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記透明基板は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。