JP4151282B2 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる窒化物半導体から成る基板を用いる窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、屋内あるいは屋外でフルカラー発光可能なＬＥＤディスプレイ、各種センサ、そしてインジケータ等の電子機器への窒化物半導体発光素子の利用が注目されている。窒化物半導体発光素子は、チップ抵抗等の他の電子部品とともに配線パターンを有する実装基板の上に実装されて使用されている。ここで、サファイヤ等の透光性基板を用いる窒化物半導体発光素子では、基板を光出射面とするように実装基板に実装するフェイスダウン実装が可能である。フェイスダウン実装によれば、広範囲から視認できるので視野角を広くすることができる、また、実装面積を小さく回路配線を短くできるので、高密度実装に適し、電子機器の小型化が可能である等の特徴を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイヤ基板を用いた窒化物半導体発光素子をフェイスダウン実装したものは、輝度が十分ではなく、一層の輝度の向上が必要とされている。
【０００４】
そこで、本発明は、フェイスダウン実装に用いる発光素子であって、輝度の向上した窒化物半導体発光素子を提供することを目的とした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の窒化物半導体発光素子は、対向する一対の主面を有する基板を備え、該基板の一方の主面上に１以上のｎ型窒化物半導体層と、活性層と、１以上のｐ型窒化物半導体層とが積層して形成され、上記基板の他方の主面を光出射面にして配線基板に実装される窒化物半導体発光素子であって、上記基板は一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる窒化物半導体から成り、上記ｐ型窒化物半導体層の上にはそのほぼ全面にｐ電極、上記光出射面にはその一端部にｎ電極がそれぞれ設けられており、上記活性層のほぼ全面が発光領域であり、上記光出射面が光出射方向に突出した凸部を有し、該凸部が粗面を有することを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、基板の光出射面に凸部を設けたので、発光素子からの出射光の取出し効率を向上させることができる。すなわち、通常、発光素子は外部環境からの保護のため、その周囲がエポキシ樹脂等の封止樹脂により覆われており、発光素子を構成する窒化物半導体の屈折率は封止樹脂の屈折率よりも大きい。ここで、基板の光出射面に凸部を設けると、光出射面が発光層に平行な平面である場合に比べ、光出射面と封止樹脂との界面における発光層からの入射光の入射角を小さくすることができる。そのため、光出射面と封止樹脂との界面における全反射が抑制されるので、光の取出し効率を向上させることができる。
さらに、基板に一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる窒化物半導体を用いたので、基板上に成長させる窒化物半導体層との格子整合性を向上させ結晶欠陥を低減させることにより光出力を向上させることができる。また、窒化物半導体はサファイヤに比べ熱伝導率が大きいので発光素子の放熱性を向上させることもできる。
このように、光の取出し効率及び光出力を高めることにより、発光素子の輝度を向上させることが可能となる。
【０００７】
また、本発明の発光素子は、凸部に曲面を有するものを用いることができる。ここで、曲面には、凸レンズ状、半円柱状、ドーム状、半球状等を用いることができる。
【０００８】
また、本発明の発光素子は、凸部に階段面を有するものを用いることもできる。さらに、階段面には、所望の段差で配列された１以上の段面から成るものを用いることができる。また、階段面には、２以上の段面が同心円状に形成されて成るものを用いることができる。
【０００９】
また、本発明の発光素子は、凸部の表面が粗面であるものを用いることができる。粗面により発光層からの光が散乱されて全反射が抑制され、光の取出し効率を向上させることができる。
【００１０】
また、本発明の発光素子は、ＳｉをドープされたＧａＮから成る基板を用いることができる。
【００１１】
本発明の窒化物半導体発光素子は、以下の方法を用いて作製することができる。すなわち、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、対向する一対の主面を有する基板を備え、該基板の一方の主面上に１以上のｎ型窒化物半導体層と、活性層と、１以上のｐ型窒化物半導体層とが積層して形成され、上記基板の他方の主面を光出射面にして配線基板に実装される窒化物半導体発光素子の製造方法であって、上記基板が一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる窒化物半導体から成り、上記ｐ型窒化物半導体層上のほぼ全面にｐ電極を形成し、上記活性層のほぼ全面を発光領域とする工程と、上記光出射面をエッチングして光出射方向に突出した凸部を形成する工程と、上記光出射面の一端部にｎ電極を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の製造方法は、凸部を形成する工程を、光出射面となる主面の上に、光出射面より小面積の第１のマスク層を形成する工程と、光出射面をエッチングして第１の段面を形成する工程とで構成することができる。
【００１３】
また、本発明の製造方法は、さらに、光出射面の残部に第１のマスク層よりも小面積の第２のマスク層を形成する工程と、光出射面の残部をエッチングして第２の段面を形成する工程とを含むことができる。さらに、当該第２のマスク層を形成する工程と、当該第２の段面を形成する工程とを繰返して、所望の段差で複数の段面が配列されて成る階段面を形成することができる。また、上記第１の段面及び第２の段面を同心円状に形成することもできる。
【００１４】
また、本発明の製造方法は、凸部を形成するにあたり、光出射面より小面積であって、曲面形状の表面を有し、その曲面形状を光出射面に転写する転写層を光出射面上に形成する工程と、転写層と光出射面に対して反応性イオンエッチングを行って、曲面形状を光出射面に転写する工程とを含む方法を用いることもできる。
【００１５】
また、転写層を形成する工程は、上側のレジスト層が下側のレジスト層を覆うように複数のレジスト層を積層する工程を含むことができる。また、複数のレジスト層を同心円状に積層することもできる。
【００１６】
また、転写層を形成する工程は、光出射面上に１以上のレジスト層を形成する工程と、その１以上のレジスト層を加熱により流動化せしめて曲面形状を転写層に付与する工程とを含むこともできる。
【００１７】
また、転写層の曲面形状には球面を用いることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子Ａの構造を示す模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。窒化物半導体発光素子Ａは、窒化物半導体から成る基板１と、その基板１の一方の主面１ｂ上に順次形成されたｎ型窒化物半導体層２と、活性層３と、ｐ型窒化物半導体層４とを有し、さらに、ｐ型窒化物半導体層４の上にはほぼ全面にｐ電極５、そして基板１の他方の主面１ａ（光出射面）の一端部にｎ電極６が設けられている。基板１のｎ電極６を除く光出射面１ａは光出射方向に突出した階段面２１から成る凸部２０を有している。ここで、階段面２１は、所定の段差で連続する段面２２、２３、２４とで構成されている。そして発光素子Ａは、図示しない実装基板とｐ電極５を対向させるようにフェイスダウン実装され、さらに図示しない封止樹脂により光出射面１ａが覆われている。
【００１９】
光出射面１ａは凸部２０を有しているので、光出射面１ａが発光層３に平行な平面である場合に比べ、光出射面１ａと封止樹脂との界面における発光層３からの光の入射角が小さくなる。これにより光出射面１ａと封止樹脂との界面での発光層３からの光が全反射するのを抑制して、光の取出し効率を向上させることができる。
【００２０】
また、基板には、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる窒化物半導体を用いることができる。基板に窒化物半導体を用いることにより、基板上に成長させる窒化物半導体との格子整合性を向上させ、かつ、熱膨張差を小さくすることができるので、結晶欠陥を低減させて光出力を向上させることが可能となる。窒化物半導体としては、好ましくはＧａＮ、より好ましくはＳｉをドープしたＧａＮである。Ｓｉをドープし抵抗率を小さくしたＧａＮを基板に用いると、ｎ電極を光出射面上に形成することができる。一般に、ｐ型窒化物半導体層は高抵抗であるため、ｐ電極の電流がｐ型窒化物半導体層全面に拡散せず電界の集中が起こるので、発光する部分がｐ電極の下付近に限られるという問題がある。これに対し、ｎ電極を光出射面上に形成することにより、ｐ電極をｐ型窒化物半導体層のほぼ全面に形成することができるので、電流を均一に拡散させて均一に発光させる効果も得られる。
【００２１】
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、例えば、以下の方法を用いて作製することができる。
窒化物半導体基板の作製
窒化ガリウム系化合物半導体から成る基板の作製は、ハイドライド気相成長法（以下、ＨＶＰＥ法と呼ぶ。）を用いることができる。ＨＶＰＥ法は、ガリウム、アルミニウム、インジウム等のＩＩＩ族元素と、塩化水素等のハロゲンガスとを反応させて、ＩＩＩ族元素の塩化物、臭化物、ヨウ化物等のハロゲン化物を生成させ、そのハロゲン化物をアンモニアやヒドラジン等の窒素源と高温で反応させて窒化物半導体を得る方法である。ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）に比較して成長速度が数倍以上速いので、短時間で基板として使用可能な厚さまで成長させることができる。
例えば、サファイア基板上にＨＶＰＥ法により窒化ガリウムの厚膜を形成した後、サファイア基板を研磨して除去したものを窒化ガリウム基板として用いることができる。
【００２２】
窒化物半導体層の形成
本発明の窒化物半導体素子を構成する窒化物半導体としては特に限定されず、少なくとも１以上のｎ型窒化物半導体、活性層、及び１以上のｐ型窒化物半導体が積層されていれば良い。例えば、ｎ型窒化物半導体層として、超格子構造を有するｎ型窒化物半導体層を有し、この超格子構造のｎ型層にｎ電極を形成することのできるｎ型窒化物半導体が形成されているものを挙げることができる。活性層としては、例えば、ＩｎＧａＮを含有して成る多重量子井戸構造の活性層を挙げることができる。
【００２３】
本発明に用いる窒化物半導体層を成長させる方法は、特に限定されないがＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ法等の、窒化物半導体を成長可能な公知のいずれの方法を用いることができる。
【００２４】
凸部の形成
凸部を設ける方法としては、光出射面のマスク層以外の残部を取除くことができる方法であれば良く、例えば、エッチングやダイシングが挙げられる。エッチングにより基板に凸部を形成する場合、フォトリソグラフィー技術における種々の形状のマスクパターンを用い、ドット状のフォトマスクを作製し、レジストパターンを基板上に形成してエッチングすることにより形成できる。フォトマスクはエッチング後に除去する。
【００２５】
基板のエッチングには、ドライエッチングあるいはウエットエッチングを用いることができるが、ドライエッチングが好ましい。平滑な面を形成することができるからである。ドライエッチングには、例えば、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、電子サイクロンエッチング、イオンビームエッチングがあるが、エッチングガスを適宜選択することによりいずれのエッチング方法も用いることができる。また、エッチングにより凸部を形成する場合、エッチング面（凸部側面）は、エッチング面が基板に対してほぼ垂直となる形状でも、順メサ形状又は逆メサ形状でも良い。
【００２６】
窒化物半導体発光素子Ａは、例えば、以下の方法で作製することができる。
図２の（ａ）〜（ｌ）は、図１の窒化物半導体発光素子Ａの作製工程の一例を示す模式断面図である。窒化物半導体から成る基板１の一方の主面１ｂ上にｎ型窒化物半導体層２、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４、そしてｐ型窒化物半導体層４のほぼ全面にｐ電極５を順次形成し、さらに光出射面となる基板１の他方の主面１ａ上のほぼ全面にレジスト層８ａを形成する（図２（ａ））。次に、フォトリソグラフィーにより主面１ａより小面積の所定パターンの第１のマスク層８ｂを形成する（図２（ｂ））。主面１ａの露出した残部をエッチングして第１段面２２を形成し（図２（ｃ））、その後、第１のマスク層８ｂを除去する（図２（ｄ））。
【００２７】
次に、主面１ａ上のほぼ全面にレジスト層９ａを形成する（図２（ｅ））。次に、フォトリソグラフィーにより第１のマスク層８ｂより小面積の所定パターンの第２のマスク層９ｂを形成する（図２（ｆ））。主面１ａの露出した残部をエッチングし第の段面２２と所定の段差で連続する第２の段面２３を形成し（図２（ｇ））、その後、第２のマスク層９ｂを除去する（図２（ｈ））。
【００２８】
次に、主面１ａ上のほぼ全面にレジスト層１０ａを形成する（図２（ｉ））。次に、フォトリソグラフィーにより第２のマスク層９ｂより小面積の所定パターンの第３のマスク層１０ｂを形成する（図２（ｊ））。主面１ａの露出した残部をエッチングし第２の断面２３と所定の段差で連続する第３の段面２４を形成し（図２（ｋ））、その後、第３のマスク層１０ｂを除去し、複数の段面が配列された階段面２１を形成する（図２（ｌ））。
さらに、図示しないｎ電極を光出射面の凸部２１以外の領域に形成して窒化物半導体発光素子Ａを得る。
【００２９】
本実施の形態によれば、光出射面を階段面を有する凸部で構成したので、光出射面が発光層に平行な平面である場合に比べ、光出射面と封止樹脂との界面における発光面からの光の入射角を小さくすることができる。これにより、光出射面と封止樹脂との界面における発光層からの光の全反射が抑制され、光の取出し効率を向上させることができる。また、基板に窒化物半導体を用いているので、基板上に成長させる窒化物半導体との格子整合性を向上させ、かつ、熱膨張差を小さくすることができるので、結晶欠陥を低減させて光出力を向上させることが可能となる。
【００３０】
本実施の形態では、光出射面上に形成する段面の数が３個の場合を示したが、これに限定されるものではなく、フォトリソグラフィーを繰返してエッチングすることにより複数の段面からなる階段面を有する凸部を形成することができる。
【００３１】
また、複数の段面を同心円状に形成することが好ましい。全方位に均等に光を放出することができるからである。また、凸部をエッチングにより形成したので、光出射面は粗面を有しており、発光層からの光の全反射をより抑制する効果も有している。
【００３２】
実施の形態２．
図３は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子Ｂの構造を示す模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。窒化物半導体発光素子Ｂは、光出射面１ａが光出射方向に突出した凸レンズ状の曲面からなる凸部２０を有している以外は、実施の形態１と同様の構成を有する。
【００３３】
図４の（ａ）〜（ｄ）は、図３の窒化物半導体発光素子Ｂの作製工程の一例を示す模式断面図である。窒化物半導体から成る基板１の一方の主面１ｂ上にｎ型窒化物半導体層２、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４、そしてｐ型窒化物半導体層４のほぼ全面にｐ電極５を順次形成する。次に、光出射面となる基板１の他方の主面１ａ上にフォトリソグラフィーにより第１のレジスト層７ａを形成する（図４（ａ））。次に、第１のレジスト層７ａの全面を覆うように第２のレジスト層７ｂを積層し（図４（ｂ））、さらに、第２のレジスト層７ｂの全面を覆い、かつ主面１ａの外縁部をエッチング可能に露出させて第３のレジスト層７ｃを積層する（図４（ｃ））。これにより、第１から第３のレジスト層から成り、光出射面１ａより小面積で、曲面形状の表面を有する転写層１１を形成することができる。
【００３４】
次に、光出射面１ａ及び転写層１１に対して反応性イオンエッチングを行って、転写層１１の曲面形状を光出射面１ａに転写する。ここで、転写層１１と光出射面１ａに対し、選択比（光出射面に対する侵刻速度／転写層に対する侵刻速度）を所定比率に制御して反応性イオンエッチング（異方性エッチング）を行うことにより光出射面に曲面形状を転写することができる。ここで、エッチングガスには塩素系ガス、例えば、Ｃｌ_２、ＳｉＣｌ_４、Ｃｌ_２／ＳｉＣｌ_４の混合ガス、そしてＣｌ_２／ＣＨ_４の混合ガス等を用いることができる。これにより、曲面形状から成る凸部２０′を形成する（図４（ｄ））。さらに、図示しないｎ電極を光出射面の凸部２０′以外の領域に形成して窒化物半導体発光素子Ａを得る。
【００３５】
本実施の形態によれば、光出射面を曲面形状を有する凸部で構成したので、発光層からの光の全反射を実施の形態１よりも一層抑制することができ、光の取出し効率をさらに向上させることが可能となる。また、基板に窒化物半導体を用いているので、基板上に成長させる窒化物半導体との格子整合性を向上させ、かつ、熱膨張差を小さくすることができるので、結晶欠陥を低減させて光出力を向上させることが可能となることは言うまでもない。
【００３６】
ここで、転写層を構成する複数のレジスト層を同心円状に形成することが好ましい。全方位に均等に光を放出することができるからである。また、凸部をエッチングにより形成したので、光出射面は粗面を有しており、発光層からの光の全反射をより抑制する効果も有している。また、曲面形状は光出射方向に凸であれば特に限定されるものではなく、例えば凸レンズ状、球面状、あるいはドーム状等を用いることができるが、球面が好ましい。全方位により均等に光を放出することが可能となるからである。
【００３７】
上記の方法では、曲面形状を有する転写層を形成するに際し、上側の層が下側の層の全面を覆うようにして複数のレジスト層を積層して転写層とする方法を用いたが、レジスト層を加熱流動化させる曲面形状を付与する方法を用いることもできる。例えば、光出射面上にフォトリソグラフィーにより凸形状のレジスト層を形成し、そのレジスト層を加熱して流動化させ、所定の曲面形状を有し光出射面より小面積の転写層を形成することができる。上記の凸形状のレジスト層は所定の曲面形状が得られれば、１層でも複数の層でも良い。この方法の場合、フォトリソグラフィーを繰返す必要がないので、発光素子の作製プロセスを効率化することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体発光素子は、基板に一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる窒化物半導体を用いるようにしたので、基板上に成長させる窒化物半導体層との格子整合性を向上させ結晶欠陥を低減させることにより光出力を向上させることができる。さらに、基板の光出射面に凸部を有しているので、光出射面と封止樹脂との界面における全反射を抑制して光の取出し効率をさらに向上させることができる。以上の効果により輝度の向上した窒化物半導体発光素子を提供することができる。また、窒化物半導体基板はサファイヤ基板に比べ熱伝導率が大きいため、放熱性の向上した窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【００３９】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、窒化物半導体基板の光出射面をエッチングして光出射方向に突出した凸部を形成するようにしたので、光出力を向上させた窒化物半導体発光素子を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す側面図（ａ）と上面図（ｂ）である。
【図２】 本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体発光素子の作製工程を示す模式段面図である。
【図３】 本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す側面図（ａ）と上面図（ｂ）である。
【図４】 本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体発光素子の作製工程を示す模式段面図である。
【符号の説明】
１ 基板、１ａ 主面（光出射面）、１ｂ 主面、２ ｎ型窒化物半導体層、３活性層、４ ｐ型窒化物半導体層、５ ｐ電極、６ ｎ電極、７ａ 第１のレジスト層、７ｂ 第２のレジスト層、７ｃ 第３のレジスト層、８ａ，９ａ，１０ａ レジスト層、８ｂ 第１のマスク層、９ｂ 第２のマスク層、１０ｂ 第３のマスク層、２０，２０′ 凸部、２１ 階段面、２２，２３，２４ 段面、Ａ，Ｂ 窒化物半導体発光素子。

Claims (7)

1. 対向する一対の主面を有する基板を備え、該基板の一方の主面上に１以上のｎ型窒化物半導体層と、活性層と、１以上のｐ型窒化物半導体層とが積層して形成され、上記基板の他方の主面を光出射面にして配線基板に実装される窒化物半導体発光素子であって、
   上記基板は一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる窒化物半導体から成り、
   上記ｐ型窒化物半導体層の上にはそのほぼ全面にｐ電極、上記光出射面にはその一端部にｎ電極がそれぞれ設けられており、
   上記活性層のほぼ全面が発光領域であり、
   上記光出射面が光出射方向に突出した凸部を有し、該凸部が粗面を有する窒化物半導体発光素子。
2. 上記凸部が曲面を有する請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. 上記曲面が球面である請求項２記載の窒化物半導体発光素子。
4. 上記凸部が階段面を有する請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
5. 上記階段面が所望の段差で配列された１以上の段面から成る請求項４記載の窒化物半導体発光素子。
6. ２以上の段面が同心円状に形成されて成る請求項５記載の窒化物半導体発光素子。
7. 上記基板はＳｉをドープされたＧａＮから成る請求項１から６のいずれか一つに記載の窒化物半導体発光素子。

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