JP4151284B2

JP4151284B2 - Nitride semiconductor light-emitting element, light-emitting device, and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4151284B2
Application number: JP2002059217A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎森; 真也園部
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: JP2002335010A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化ガリウム系化合物半導体を用いて構成された発光素子チップと蛍光体とを組み合わせた、白色光の発光が可能な発光ダイオード（白色発光ダイオード）が開発され、使用されるようになってきている。この発光ダイオードは、発光素子チップから出力される青色の光の一部を蛍光体により波長変換して、その波長変換された光と発光素子チップから青色の光との混色により、白色の光を発光させるものであり、従来は、例えば、発光素子チップがマウントされたパッケージ等を蛍光体を含む樹脂でモールドすることにより作製されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の白色の発光ダイオードは、蛍光体を含む樹脂を用いて構成しているので、より波長の短い光を用いると樹脂が劣化するために、青色より波長の短い光の発光素子を用いて十分な信頼性を有する発光ダイオードを構成することが困難であった。
【０００４】
そこで、本発明は青色より波長の短い光を発光する発光素子チップと蛍光体とを用いて構成することも可能な発光ダイオードを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る発光装置は、透光性基板の一方の主面上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と発光層とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とが形成されてなる窒化物半導体発光素子と、該窒化物半導体発光素子がフリップチップ実装されるパッケージと、を有する発光装置において、上記発光層が発光する光の一部を吸収してその吸収した光の波長より長い波長の光を発光することができる蛍光体が分散されたシリカゾルを透光性基板の他方の主面にコートした後、縮合重合することによりＳｉＯ_２層が上記透光性基板の他方の主面上に形成され、該ＳｉＯ_２層が形成された透光性基板を個々の素子ごとに分割して上記窒化物半導体発光素子が作製され、該ＳｉＯ_２層を介して光が出力される。
【０００６】
また、本発明に係る発光装置において、上記発光層を紫外領域の光を発光するように構成し、上記蛍光体を、
（１）Ｒｅ_５（ＰＯ_４）_３Ｑ：Ｅｕ, Ｒｅ'（但し、ＲｅはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｎから選択される少なくとも１種と、Ｑはハロゲン元素のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選択される少なくとも１種と、Ｒｅ'はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｎから選択される少なくとも１種とを有する。）
（２）Ｒｅ_５（ＰＯ_４）_３Ｑ：Ｅｕ（但し、ＲｅはＳｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇから選択される少なくとも一種、Ｑはハロゲン元素のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選択される少なくとも１種とを有する。）、
（３）ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ、
（４）ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ，Ｍｎ、
（５）（ＳｒＥｕ）Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３、
（６）３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ_２・ＧｅＯ_２：Ｍｎ、
（７）Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、
（８）Ｍｇ_６Ａｓ_２Ｏ_１１：Ｍｎ、
（９）Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ及び
（１０）Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕからなる群から選択された少なくとも１つの蛍光体とすることができる。
このようにすると、蛍光体の発光のみが観測される発光素子を構成することができる。
【０００７】
また、本発明に係る発光装置において、上記発光層を青色の光を発光するように構成し、上記蛍光体として、Ｃｅで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体を用いて構成してもよい。
【０００８】
さらに、本発明に係る発光装置においては、上記窒化物半導体発光素子の上記透光性基板の一方の主面上にそれぞれ上記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と上記発光層と上記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を含んでなる複数の発光領域を形成するようにしてもよい。
【０００９】
また、本発明に係る発光装置においては、上記複数の発光領域をそれぞれ長方形に形成し、各発光領域を短辺方向に並置するようにしてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る発光装置においては、上記複数の発光領域を直列に接続するようにしてもよいし、上記複数の発光領域を並列に接続するようにしてもよい。
また、本発明に係る発光装置の製造方法は、透光性基板の一方の主面上にそれぞれｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と発光層とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を含んでなる複数の発光領域を形成する工程と、上記発光層が発光する光の一部を吸収してその吸収した光の波長より長い波長の光を発光することができる蛍光体が分散されたシリカゾルを透光性基板の他方の主面にコートした後、縮合重合することにより、蛍光体を含むＳｉＯ_２層を上記透光性基板の他方の主面上に形成する工程と、上記ＳｉＯ_２層が形成された透光性基板を個々の素子ごとに分割して、窒化物半導体発光素子を作製する工程と、窒化物半導体発光素子をパッケージにフリップチップ実装する工程と、を有する。
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、透光性基板の一方の主面上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と発光層とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とが形成されてなる窒化物半導体発光素子において、上記発光層が発光する光の一部を吸収してその吸収した光の波長より長い波長の光を発光することができる蛍光体が分散されたシリカゾルを透光性基板１１の他方の主面にコートした後、縮合重合することによりＳｉＯ_２層が上記透光性基板の他方の主面上に形成され、該ＳｉＯ_２層が形成された透光性基板を個々の素子ごとに分割して作製され、該ＳｉＯ_２層を介して光が出力される。
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、透光性基板の一方の主面上にそれぞれｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と発光層とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を含んでなる複数の発光領域を形成する工程と、上記発光層が発光する光の一部を吸収してその吸収した光の波長より長い波長の光を発光することができる蛍光体が分散されたシリカゾルを透光性基板１１の他方の主面にコートした後、縮合重合することにより、蛍光体を含むＳｉＯ_２層を上記透光性基板の他方の主面上に形成する工程と、上記ＳｉＯ_２層が形成された透光性基板を個々の素子ごとに分割する工程と、を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の窒化物半導体発光素子について説明する。
実施の形態１．
本実施の形態１の窒化物半導体発光素子は、図１に示すように、例えば、１０００μｍ×１０００μｍのサファイア透光性基板１１の一方の面に長方形の３つの発光素子１，２，３を互いに平行に配置して、透光性基板１１を介して光を出力するように構成した発光素子であって、透光性基板１１の他方の面（発光観測面）に蛍光体７１を含むＳｉＯ_２膜７０を形成したことを特徴とする。
ここで、発光素子１，２，３はそれぞれ、紫外領域の波長を有する紫外光を発光する素子であり、蛍光体７１は紫外光を吸収して所定の色の光を発生する蛍光体である。
また、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子において、ＳｉＯ_２膜７０に含まれる蛍光体７１の量は、ＳｉＯ_２膜７０を介して出力される光が実質的に蛍光体７１によって波長変換された光のみになるように設定することが好ましい。
【００１２】
以上のように、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子では、従来例のように発光素子チップが発生する青色光と蛍光体により波長変換された光との混色により白色光を得るのではなく、紫外線により励起された蛍光体７１が発生する所定の色の光のみを利用しているので、発光色のばらつきを非常に小さく抑えることができる。
すなわち、従来の混色を利用した白色発光ダイオードは、発光素子チップの発光輝度が変化すると、青色光と黄色光の割合が変化するので、青みを帯びた白色になったり黄色を帯びた白色光になったりするなど、色が変化する。
これに対して、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子では、紫外線により励起された蛍光体７１が発生する光のみを利用しているので、発光素子チップの発光輝度が変化しても蛍光体の発光色そのものはほとんど変化することはなく、発光色の変化を極めて小さくできる。
【００１３】
また、従来の構成では、樹脂に含まれる蛍光体の含有量がばらついた場合においても、青色光と黄色光の割合が変化するので、色が変化するが、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子では、蛍光体の含有量が変化しても蛍光体の発光色そのものはほとんど変化することはなく、発光色の変化を極めて小さくできる。
また、従来の構成では、発光素子チップを基板等に実装した後に、蛍光体を含む樹脂をモールドしているので、例えば、チップの実装位置がばらついた場合に、色むらや色度ばらつきが生じるという問題があったが、本発明の構成では、発光領域と蛍光体の位置関係は常に一定とできるので、かかる問題点を解決することができる。
【００１４】
次に、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子における蛍光体７１、及びその蛍光体７１を含むＳｉＯ_２層７０について説明する。
本実施の形態１において、蛍光体７１として紫外光により励起されて所定の色の光を発生する蛍光体であれば用いることができ、具体例として、例えば、
（１）Ｒｅ_５（ＰＯ_４）_３Ｑ：Ｅｕ, Ｒｅ'（但し、ＲｅはＭｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｎから選択される少なくとも１種と、Ｑはハロゲン元素のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選択される少なくとも１種と、Ｒｅ'はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｎから選択される少なくとも１種とを有する。）（白色）
（２）Ｒｅ_５（ＰＯ_４）_３Ｑ：Ｅｕ（但し、ＲｅはＳｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇから選択される少なくとも一種、Ｑはハロゲン元素のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選択される少なくとも１種とを有する。）（青色）、
（３）ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ（青色）、
（４）ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ，Ｍｎ（緑色）、
（５）（ＳｒＥｕ）Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３（緑色）、
（６）３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ_２・ＧｅＯ_２：Ｍｎ（赤色）、
（７）Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ（赤色）、
（８）Ｍｇ_６Ａｓ_２Ｏ_１１：Ｍｎ（赤色）、
（９）Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ（赤色）及び
（１０）Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ（赤色）等が挙げられる。
また、これらの蛍光体は、単独で用いても良いし、混合して用いてもよい。
【００１５】
以下、紫外領域の光を発生する発光素子チップと複数の蛍光体を組み合わせる場合についてより具体的に説明する。
本実施の形態では、１つのＳｉＯ_２層７０に異種の蛍光体（例えば、赤、緑、青の蛍光体）を混合して分散させるようにしてもよく、このようにすると、異なる蛍光体からの光の混色による白色光が得られる。この場合、各蛍光物質から発光される光をより良く混色しかつ色ムラを減少させるために、各蛍光体の平均粒径及び形状は類似していることが好ましく、また、各蛍光体はＳｉＯ_２層７０に均一に分散されていることが好ましい。
【００１６】
また、本発明では、各蛍光物質をそれぞれの別々のＳｉＯ_２層に分散させ、それらを積層することにより多重構造のＳｉＯ_２層７０を形成するようにしてもよい。このようにＳｉＯ_２層を多重薄膜として構成する場合、それぞれの蛍光物質の紫外光透過率を考慮して、素子上に赤色蛍光物質層、緑色蛍光物質層、及び青色蛍光物質層という順に積層すると、全ての層に均等に紫外光を吸収させることができ好ましい。更に、多重薄層であるＳｉＯ_２層７０において下層から上層にかけて各層中の蛍光物質の粒径が小さくなるように、各蛍光物質の平均粒径の大小関係を青色蛍光物質＞緑色蛍光物質＞赤色蛍光物質とすると最上層まで良好に紫外光を透過させることができると共に多重薄膜層であるＳｉＯ_２層７０に紫外光をもれなく吸収させることができる。
【００１７】
そのほか、ストライプ状、格子状、またはトライアングル状となるように各蛍光体が含まれる各色変換部を配置するようにしてＳｉＯ２層７０を形成するようにしてもよい。また、各色変換部の間に間隔を設けて配置させるようにしてもよく、これにより混色性を良好にできる。またさらに、素子の周囲を全て覆うようにＳｉＯ２層を形成すると、紫外光の漏れを防止できるので好ましい。
【００１８】
また、蛍光体７１を含むＳｉＯ_２層７０は、例えば、シラノール（Ｓｉ（ＯＥｔ）_３ＯＨ）とエタノールとを所定の割合で混合してなるシリカゾル中に蛍光体（粉体）７１を分散させて、その蛍光体が分散されたシリカゾルを透光性基板１１の他方の主面にスピンナーによりコートした後、縮合重合することにより形成することができる。
このようにして形成されたＳｉＯ_２層７０は、従来の樹脂とは異なり無機物であるため、紫外線による劣化が樹脂に比べて極めて小さく、紫外光を発光する発光ダイオード（紫外域発光ダイオード）と組み合わせて用いることができる。
これに対して、従来例のように樹脂の中に蛍光体を分散させた構成では、ほとんどの樹脂が紫外線により劣化するために長時間の使用に耐え得る素子を構成することができないので、紫外域発光ダイオードを用いた白色発光ダイオードの実用化は困難であった。
【００１９】
ここで、本実施の形態１では、ＳｉＯ_２膜７０に含まれる蛍光体７１の含有量は、ＳｉＯ_２膜７０を介して出力される光が実質的に蛍光体７１によって波長変換された白色光のみになるように、すなわち、発光素子チップにより発光された紫外光のほとんどが蛍光体７１に吸収されて該蛍光体７１を励起するように比較的大きく設定することが好ましい。このようにすると発光効率（発光素子に入力された電力に対する出力される光の比）を高くすることができる。
【００２０】
また、ＳｉＯ_２膜７０に含有させる蛍光体の量は、所望の色調に対応させて種々の値に設定されるものであり、本発明は蛍光体の含有量により限定されるものではないが、本発明者らの検討によると、ＳｉＯ_２膜７０に含まれる蛍光体７１の含有量が多くなると、透光性基板１１に対するＳｉＯ_２膜７０の付着強度が強くなることが確認されている。かかる付着強度の面を考慮すると、ＳｉＯ_２膜７０における蛍光体の含有量は、３０ｗｔ％〜８０ｗｔ％に設定することが好ましく、基板１１に対するＳｉＯ_２膜７０のより高い付着強度を得るためには、４０ｗｔ％〜８０ｗｔ％に設定することがさらに好ましい。
【００２１】
また、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子の発光素子１，２，３において、各半導体層及び電極はそれぞれ以下のように形成される。
（１）ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２（ｎ層１２）は、例えば、サファイアからなる透光性基板１１上のほぼ全面に成長されたｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層が分離溝４１により分離されて、平面形状が長方形になるように形成される。
【００２２】
（２）活性層１０は、ｎ層１２とほぼ同一の長さとｎ層１２より狭い幅を有する長方形であって、その１つの長辺がｎ層１２の１つの長辺に実質的に一致するようにｎ層１２上に形成される。このように形成することにより、ｎ層１２上に活性層１０に沿ってｎ側オーミック電極を形成するための領域が確保される。
ここで、本実施の形態１では、活性層１０の幅は、ｎ側オーミック電極から離れた側に位置する長辺とｎ側オーミック電極との距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が２２０μｍになるように設定した。
このように、距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を２２０μｍに設定した理由は、ｎ側オーミック電極から２２０μｍ以上離れた位置にある活性層に注入される電流は減少するからである。
ここで、本実施の形態１において、活性層１０はＩｎの含有量を変化させることにより発光波長を変えることができるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層により構成し、このＩｎの量を紫外光の発光が可能な値に設定する。
【００２３】
（３）ｎ側オーミック電極１４（１４ａ）は、活性層１０とほぼ同一の長さを有し、ｎ層１２上に、活性層１０に沿ってかつ活性層１０と近接して形成される。
また、ｎ側オーミック電極１４（１４ａ）は、例えば、ｎ層１２とのオーミック接触を良好にできるＷとＡｌを含む層により構成する。一例を挙げれば、Ｗ層（２００Å）、Ａｌ層（１０００Å）、Ｗ層（５００Å）、Ｐｔ層（３０００Å）、Ｎｉ層（６０Å）を順次積層することによりｎ側オーミック電極１４（１４ａ）を形成する。
【００２４】
（４）ｐ型窒化ガリウム系半導体層１３は、活性層１０と同一平面形状を有し活性層１０上に重ねて形成される。
実際には、活性層１０及びｐ型窒化ガリウム系半導体層１３は、ｎ層１２上に活性層１０及びｐ層１３を重ねて形成した後、ｎ側オーミック電極１４を形成するｎ層１２表面を露出させるために一括してエッチングすることにより形成する。
【００２５】
（５）ｐ側オーミック電極１５は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１３上のほぼ全面に形成され、ｐ層１３と良好なオーミック接触を得るために、例えば、Ｎｉ層とＰｔ層とを積層することにより構成する。
【００２６】
（６）そして、ｐパッド電極１６（１６ａ）は、例えば、膜厚３０００ÅのＰｔからなり、ｐ側オーミック電極１５上において、ｎ側オーミック電極１４とは離れた側に位置するｐ側オーミック電極１５の長辺に沿って形成される。
【００２７】
さらに、本実施の形態１の集積型窒化物半導体発光素子において、上述のように構成された発光素子１，２，３は、絶縁保護膜１７により素子間が分離され、接続電極２１により以下のように接続される。
絶縁保護膜１７は、各発光素子のｐパッド電極１６（１６ａ）上及びｎ側オーミック電極１４（１４ａ）上を除いて素子全体を覆うように形成される。
接続電極２１は、発光素子１のｎ側オーミック電極１４ａ上、分離溝４１に形成された絶縁膜１７上及び発光素子２のｐ側オーミック電極１６ａ上に連続して間の形成され、これにより、発光素子１のｎ側オーミック電極１４ａと発光素子２のｐ側オーミック電極１６ａが接続される。
また、接続電極２１は、発光素子２と発光素子３との間においても同様に形成され、これにより、発光素子２のｎ側オーミック電極１４ａと発光素子３のｐ側オーミック電極１６ａが接続される。接続電極２１は、Ｐｔ又はＡｕ等、種々の金属で構成することができる。
【００２８】
尚、本実施の形態１ではさらに、発光素子１のｐパッド電極１６上に接続電極２１と同様の材料からなる外部接続用電極２６が形成され、発光素子３のｎパッド電極１４上に接続電極２１と同様の材料からなる外部接続用電極２４が形成される。
【００２９】
以上のように構成された実施の形態１の窒化物半導体発光素子は、透光性基板１１の他方の面に、無機物でありかつ紫外線による劣化がほとんどないＳｉＯ_２層７０に蛍光体を含有させて形成しているので、発光素子チップとして紫外域発光ダイオードを用いることが可能となる。
これにより、発光素子チップの光と蛍光体の光との混色によらず、蛍光体からの光のみを利用して発光ダイオードを構成することができ、色変化の極めて少ない発光ダイオードを実現できる。
また、本実施の形態１の窒化物半導体発光素子は、蛍光体を含む無機物であるＳｉＯ_２層７０を用いて構成しているので、蛍光体を含む層を従来の樹脂層に比較して耐環境特性を良好にできるので、素子の寿命を長くできる。
【００３０】
応用例．
本実施の形態１の窒化物半導体発光素子と同様の構成において、紫外光を発光する発光素子を３５個に増やしてそれらの素子を直列に接続し、蛍光体７１として、例えば、Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６ＦＣｌ：Ｅｕ，Ｍｎを用いることにより、比較的広い発光面積を有する照明用の窒化物半導体発光素子を構成できる。
このように構成された照明用の窒化物半導体発光素子は、１００Ｖの一般家庭電源に直接接続して使用したときに、各素子の電流値を、発光効率及び寿命の点でほぼ最適な２０ｍＡ程度に設定でき、信号機や家庭用の照明等に利用できる。
【００３１】
実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２の窒化物半導体発光素子について、図４を参照しながら説明する。
本実施の形態２の集積型窒化物半導体発光素子は、以下の点で実施の形態１の窒化物半導体発光素子と異なる。
相違点１．
実施の形態１の集積型窒化物半導体発光素子において、接続電極２１及び外部接続電極２４，２６を形成することなく、素子全体を覆うように絶縁保護膜３０を形成し、発光素子１，２，３のｐパッド電極上にそれぞれ絶縁保護膜３０を貫通するスルーホール６１を形成し、発光素子１，２，３の各ｎ側オーミック電極上にそれぞれ絶縁保護膜３０を貫通するスルーホール６２を形成する。
【００３２】
相違点２．
絶縁保護膜３０に形成されたスルーホール６１を介して、発光素子１，２，３のｐパッド電極間を互いに接続電極５１で接続する。
相違点３．
絶縁保護膜３０に形成されたスルーホール６２を介して、発光素子１，２，３のｎ側オーミック電極間を互いに接続電極５２で接続する。
以上の相違点１，２，３以外は、実施の形態１の集積型窒化物半導体発光素子と同様に構成する。
すなわち、実施の形態２の集積型窒化物半導体発光素子は、実施の形態１の素子において発光素子１，２，３を並列に接続したものである。
以上のように構成された実施の形態２の窒化物半導体発光素子は、実施の形態１と同様の作用効果を有する。
【００３３】
以上の実施の形態１，２では、発光領域が３つの場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、４以上の発光領域で構成したものであってもよい。
例えば、図５に示すように、多数（ｍ個）の発光領域１〜ｍを各領域の短辺方向に並置して形成することにより、輝度が高くかつ発光色のばらつきが少なくしかも広い面積の面発光が可能な発光ダイオードを実現できる。
【００３４】
以上の実施の形態１，２では、発光領域が３つの場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、１つの発光領域のみを有する例えば、３００μｍ×３００μｍの一般的に良く用いられる大きさの発光ダイオードに適用することもできることはいうまでもない。
この場合、個々の素子への分離は、例えば、図６に示すように、分割すべき素子と素子との間のＳｉＯ_２層７０を除去して、溝７２を形成し、その溝７２において、スクライビング又はダイシングにより分割するようにすればよい。
【００３５】
以上の実施の形態１及び２では、紫外域発光素子チップを用いた本発明に係るより好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、青色の発光素子チップと該チップの青色光により励起され黄色の光を発生する、以下に説明するイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系の蛍光体とを組み合わせて白色発光ダイオードを構成してもよい。
【００３６】
本発明に用いられるＹＡＧ系蛍光体は、窒化物系半導体を発光層とする半導体発光素子から発光された光を励起させて発光できるセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質をベースとしたものである。
具体的なイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質としては、ＹＡｌＯ_３：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）やＹ_４Ａｌ_２Ｏ_９：Ｃｅ、更にはこれらの混合物などが挙げられる。イットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質にＢａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎの少なくとも一種が含有されていてもよい。また、Ｓｉを含有させることによって、結晶成長の反応を抑制し蛍光物質の粒子を揃えることができる。
【００３７】
本明細書において、Ｃｅで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質は特に広義に解釈するものとし、イットリウムの一部あるいは全体を、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ及びＳｍからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素に置換したもの、あるいは、アルミニウムの一部あるいは全体をＢａ、Ｔｌ、Ｇａ、Ｉｎの何れが又は両方で置換したものなどの蛍光作用を有する蛍光体を含む広い意味に使用する。
【００３８】
すなわち、本発明では、一般式（Ｙ_ｚＧｄ_１−ｚ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ（但し、０＜ｚ≦１）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体や一般式（Ｒｅ_１−ａＳｍ_ａ）_３Ｒｅ’_５Ｏ_１２：Ｃｅ（但し、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｓｃから選択される少なくとも一種、Ｒｅ’は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも一種である。）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体を用いることができる。
【００３９】
これらの蛍光物質は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークを４５０ｎｍ付近に設定することができる。また、発光ピークも、５８０ｎｍ付近にあり７００ｎｍまですそを引くブロードな発光スペクトルを持つ。さらに、所望に応じてＣｅに加えＴｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｅｕ、およびＰｒ等を含有させてもよい。
【００４０】
またフォトルミネセンス蛍光体は、結晶中にＧｄ（ガドリニウム）を含有することにより、４６０ｎｍ以上の長波長域の励起発光効率を高くすることができる。Ｇｄの含有量の増加により、発光ピーク波長が長波長に移動し全体の発光波長も長波長側にシフトする。すなわち、赤みの強い発光色が必要な場合、Ｇｄの置換量を多くすることで達成できる。一方、Ｇｄが増加すると共に、青色光によるフォトルミネセンスの発光輝度は低下する傾向にある。
【００４１】
しかも、ガーネット構造を持ったイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体の組成のうち、Ａｌの一部をＧａで置換することで発光波長が短波長側にシフトする。また、組成のＹの一部をＧｄで置換することで、発光波長が長波長側にシフトする。
【００４２】
Ｙの一部をＧｄで置換する場合、Ｇｄへの置換を１割未満にし、且つＣｅの含有（置換）を０．０３から１．０に設定することが好ましい。Ｇｄへの置換が２割未満では緑色成分が大きく赤色成分が少なくなるが、Ｃｅの含有量を増やすことで赤色成分を補え、輝度を低下させることなく所望の色調を得ることができる。このような組成にすると温度特性が良好となり発光ダイオードの信頼性を向上させることができる。また、赤色成分を多く有するように調整されたフォトルミネセンス蛍光体を使用すると、ピンク等の中間色を発光することが可能な発光装置を形成することができる。
【００４３】
このようなフォトルミネセンス蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ａｌ、及びＣｅの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化バリウムやフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０°Ｃの温度範囲で２〜５時間焼成して焼成品を得、つぎに焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことで得ることができる。
【００４４】
本願発明の発光ダイオードにおいて、このようなフォトルミネセンス蛍光体は、２種類以上のセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ざくろ石型）蛍光体や他の蛍光体を混合してもよい。
【００４５】
他にも青色、青緑色や緑色を吸収して赤色が発光可能な蛍光体としては、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活されたサファイア（酸化アルミニウム）蛍光体やＥｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有Ｃａ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２蛍光体（オキシナイトライド蛍光硝子）等が挙げられる。これらの蛍光体を利用して発光素子からの光と蛍光体からの光の混色により白色光を得ることもできる。
【００４６】
また、発光出力を向上させるためには、本発明で用いられる蛍光物質の平均粒径は１０μｍ〜５０μｍが好ましく、より好ましくは１５μｍ〜３０μｍである。ここで平均粒径とは、空気透過法を基本原理としてサブシーブサイザーにて測定された平均粒子径を示す。このような粒径を有する蛍光物質は光の吸収率及び変換効率が高く且つ励起波長の幅が広い。このように、光学的に優れた特徴を有する大粒径蛍光物質を含有させることにより、発光素子の主波長周辺の光をも良好に変換し発光することが可能となり、発光装置の量産性が向上される。
【００４７】
また、この平均粒径値を有する蛍光物質が頻度高く含有されていることが好ましく、頻度値は２０％〜５０％が好ましい。このように粒径のバラツキが小さい蛍光物質を用いることにより色ムラが抑制され良好な色調を有する発光装置が得られる。
【００４８】
同様に、本発明に用いられる他の具体的蛍光体として、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ-Ａｌ_２Ｏ_３-ＳｉＯ_２蛍光体が挙げられる。このＥｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ-Ａｌ_２Ｏ_３-ＳｉＯ_２蛍光体は、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、窒化珪素及び酸化カルシウムなどの原料に希土類原料を所定比に混合した粉末を窒素雰囲気下において１３００℃から１９００℃（より好ましくは１５００℃から１７５０℃）において溶融し成形させる。成形品をボールミルして洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して蛍光体を形成させることができる。これにより４５０ｎｍにピークをもった励起スペクトルと約６５０ｎｍにピークがある青色光により赤色発光が発光可能なＥｕ及び／又はＣｒで付活されたＣａ-Ａｌ-Ｓｉ-Ｏ-Ｎ系オキシナイトライド蛍光硝子とすることができる。
【００４９】
なお、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活されたＣａ-Ａｌ-Ｓｉ-Ｏ-Ｎ系オキシナイトライド蛍光硝子の窒素含有量を増減することによって発光スペクトルのピークを５７５ｎｍから６９０ｎｍに連続的にシフトすることができる。同様に、励起スペクトルも連続的にシフトさせることができる。そのため、Ｍｇ、Ｚｎなどの不純物がドープされたＧａＮやＩｎＧａＮを発光層に含む窒化ガリウム系化合物半導体からの光と、約５８０ｎｍの蛍光体の光の合成光により白色系を発光させることができる。特に、約４９０ｎｍの光が高輝度に発光可能なＩｎＧａＮを発光層に含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子との組合せに理想的に発光を得ることもできる。
【００５０】
また、上述のＣｅで付活されたＹＡＧ系蛍光体とＥｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有Ｃａ-Ａｌ-Ｓｉ-Ｏ-Ｎ系オキシナイトライド蛍光硝子とを組み合わせることにより青色系が発光可能な発光素子を利用してＲＧＢ（赤色、緑色、青色）成分を高輝度に含む極めて演色性の高い発光ダイオードを形成させることもできる。このため、所望の顔料を添加するだけで任意の中間色も極めて簡単に形成させることができる。本発明においては何れの蛍光体も無機蛍光体であり、有機の光散乱剤やＳｉＯ_２などを利用して高コントラストを有しかつ量産性に優れた発光ダイオードを構成することができる。
【００５１】
以上のように構成されたＹＡＧ系蛍光体を用いた窒化物半導体発光素子は、蛍光体を含む無機物であるＳｉＯ_２層７０を用いて構成しているので、蛍光体を含む層を従来の樹脂層に比較して耐環境特性を良好にでき、素子の寿命を長くできる。
【００５２】
【実施例】
以下、本発明に係る実施例を示す。尚、本発明はこれに限定されるものではない。
［実施例１］
（透光性基板１１）
サファイア（Ｃ面）よりなる透光性基板１１をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。この透光性基板１１としては他にＲ面、Ａ面を主面とするサファイア基板、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）のような絶縁性基板、ＧａＮ基板などでもよい。
【００５３】
（ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２）
基板をクリーニング後、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２を次の構成で成長させる。
基板の温度を５１０℃まで下げ、透光性基板１１上にＧａＮよりなるバッファ層を１００Å成長させる。
次にバッファ層成長後、温度を１０５０℃まで上昇させ、アンドープＧａＮ層１２１を１．５μｍの膜厚で成長させる。
続いて１０５０℃で、Ｓｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮ層１２２を２．２μｍの膜厚で成長させる。
【００５４】
続いて１０５０℃で、アンドープＧａＮ層１２３を３０００Åの膜厚で、さらにＳｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮ層１２４を３００Å、さらにアンドープＧａＮ層１２５を５０Åの膜厚で成長させる。
【００５５】
続いて同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる第１の層を４０Å、温度を８００℃にして、続いてアンドープＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎよりなる第２の層を２０Åの膜厚で成長させ、これらの操作を繰り返し、第１＋第２＋の順で交互に１０層ずつ積層させ、最後に第１の層を積層させた、ｎ型多層膜層１２６を成長させる。
【００５６】
（活性層１３）
次にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２を成長後、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００Åの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、Ｓｉを５×１０^１７／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎよりなる井戸層を３０Åの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・の順で障壁層を６層と、井戸層５層を交互に積層して、総膜厚１３５０Åの多重量子井戸よりなる活性層１３を積層させる。
以上のようにして、３７０ｎｍの紫外領域の光を発光する活性層を形成する。
【００５７】
（ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４）
活性層１３成長後、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体１４を次の構成で成長させる。
次に１０５０℃で、Ｍｇを５×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる第３の層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてアンドープＧａＮよりなる第４の層を２５Åの膜厚で成長させ、これらの操作を繰り返し、第３＋第４の順で交互に４層ずつ積層した超格子よりなるｐ型多層膜層を２００Åの膜厚で成長させる。
続いて１０５０℃で、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる層を２７００Åの膜厚で成長させる。
反応終了後、温度を室温まで下げ、窒素雰囲気中で７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００５８】
以上のようにして窒化ガリウム系化合物半導体を成長させたウエハーを反応容器から取り出し、分離溝を形成する部分を除きウエハ全体にＳｉＯ_２マスクを形成し、ＲＩＥによって、サファイア基板に到達するまでエッチングを行うことにより分離溝を形成する。また、上記のような窒化ガリウム系化合物半導体は、所望に応じてボロンやリンを含有させることも可能である。
さらに分離溝の形成に用いたＳｉＯ_２マスクを剥離し、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２を露出するために、露出させる部分を除くｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４の上にＳｉＯ_２マスクを形成し、ＲＩＥによって、エッチングを行い、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２（ＳｉドープＧａＮ層１２２）の表面を露出させる。
【００５９】
次にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４のほぼ全面を開口させ、他の部分を覆うようにレジスト塗布し、開口させたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上にＮｉを１００Å、Ｐｔを５００Å積層後、アニールしてｐ側オーミック電極１５を形成する。さらにｐ側オーミック電極の一部にＰｔを３０００Å、Ｎｉを６０Åからなるｐ側パッド電極１６ａ（１６）を形成する。
次にレジストを除去し、今度はｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層上にＷを２００Å、Ａｌを１０００Å、Ｗを５００Å、Ｐｔを３０００Å、Ｎｉを６０Åの順で積層したｎ側オーミック電極１４を形成する。
【００６０】
次に全面にＳｉＯ_２よりなる絶縁保護膜１７を１．５μｍの膜厚で形成し、ｐ側パッド電極とｎ側オーミック電極の一部をＲＩＥにより露出させる。
さらに表面に接続電極を形成する部分を開口させるようにマスク形成して分離溝を挟むｐ側パッド電極とｎ側オーミック電極とを電気的に接続する接続電極として、Ｔｉを４００Å、Ｐｔを６０００Å、Ａｕを１０００Å、Ｎｉを６０Åの膜厚で形成する。
最後にＳｉＯ_２からなる絶縁保護膜３０を１．５μｍの膜厚で形成し、外部と電気的に接続できるように接続電極２４、２６上の絶縁保護膜３０をＲＩＥでエッチングすることにより除去する。
【００６１】
（蛍光体７１を含むＳｉＯ_２層７０の形成）
次に、蛍光体｛Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６ＦＣｌ：Ｅｕ，Ｍｎ｝、シラノール（Ｓｉ（ＯＥｔ）_３ＯＨ）及びエタノールを混合したスラリーを作製する。
ここで、実施例１において、スラリーは、蛍光体：シラノール：エタノールが重量比で４：１：２となるように混合した。
すなわち、本実施例１において、スラリーに対する蛍光体の含有量は、５７％に設定した。
次に、そのスラリーをノズルからサファイア基板の裏面に滴下して基板を高速で回転させることにより、基板の裏面全体に均一な膜厚を有する、蛍光体、シラノール、エタノールからなるスラリー膜を形成する。
そして、スラリー膜が形成された基板を３００℃のオーブン内で３時間加熱することにより、スラリー膜内のシラノールを縮合重合して蛍光体が分散含有されたＳｉＯ_２膜とする。
このようにして、蛍光体７１を含むＳｉＯ_２層７０が形成される。
【００６２】
このようにして作製された複数の素子領域を有するサファイア基板（ウエハ）を、スクライビング及びダイシングを用いて個々の素子ごとに分割して、３５０×４００μｍの発光素子チップを作製する。
次に、その発光素子チップ８０を図７に示すように、パッケージ８１に発光素子チップ８０の正負の電極それぞれパッケージ８１の正負の電極に対向させてフリップチップ実装を行う。
そして、発光素子チップを覆うように透光性のエポキシ樹脂８３を形成して、発光素子チップを保護する。
以上のようにして紫外光を発光する発光素子チップを用いた白色発光ダイオードを形成することができる。
【００６３】
[実施例２]
実施例１において、スラリーに対する蛍光体の含有量を３０％に変更した以外は実施例１と同様に構成した。
以上の実施例２の発光ダイオードは、製造歩留まりが実施例１に比較して若干低くなったものの、実施例１と同等の性能が得られた。
【００６４】
[実施例３]
スラリーに対する蛍光体の含有量を４０％に変更した以外は実施例１と同様に構成した。
以上の実施例３の発光ダイオードは、実施例１と同等の性能が得られ、かつ実施例２に比較して製造歩留まりが向上した。
【００６５】
[実施例４]
スラリーに対する蛍光体の含有量を７０％に変更した以外は実施例１と同様に構成した。
以上の実施例４の発光ダイオードは、実施例１と同等の性能が得られ、かつ実施例１に比較して製造歩留まりが向上した。
【００６６】
[実施例５]
実施例１において、以下の点が異なる以外は実施例１と同様に構成される。
（１）実施例１において、紫外領域発光素子チップに代えて、青色発光が可能な発光素子チップを用いる。
（２）蛍光体７１として、（Ｙ_０．８Ｇｄ_０．２）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅを用いる。
以下、本実施例５の発光ダイオードについて詳細に説明する。
本実施例５では、発光素子チップとして、ＩｎＧａＮからなる発光層を有し主発光ピークが４７０ｎｍのＬＥＤチップを用いる。このＬＥＤチップは、ＭＯＣＶＤ法を利用して形成する。具体的には、反応室内に洗浄したサファイア基板を配置して、反応ガスとして、ＴＭＧ（トリメチル）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、アンモニアガス及びキャリアガスとして水素ガス、さらには不純物ガスとしてシランガス及びシクロペンタジアマグネシウムを利用して成膜する。
【００６７】
発光素子チップの層構成として、サファイア基板上に低温バッファ層であるＡｌＧａＮ、結晶性を向上させるノンドープＧａＮ（厚さ約１５０００Å）、電極が形成されｎ型コンタクト層として働くＳｉドープのＧａＮ（厚さ約２１６５０Å）、結晶性を向上させるノンドープのＧａＮ（厚さ約３０００Å）、ｎ型クラッド層としてノンドープのＧａＮ（厚さ約５０Å）、ＳｉをドープしたＧａＮ（厚さ約３００Å）の超格子からなる多層膜、その上に形成される発光層の結晶性を向上させる、ノンドープのＧａＮ（厚さ約４０Å）と、ノンドープのＩｎＧａＮ（厚さ約２０Å）の超格子からなる多層膜、多重量子井戸構造からなる発光層として、ノンドープのＧａＮ（厚さ約２５０Å）と、ＩｎＧａＮ（厚さ約３０Å）の多層膜、ｐ型コンタクト層として働くＭｇがドープされたＩｎＧａＮ（厚さ約２５Å）とＭｇがドープされたＧａＡｌＮ（厚さ約４０Å）の超格子からなる多層膜及びｐ型コンタクト層であるＭｇがドープされたＧａＮ（厚さ約１２００Å）を成膜する。
【００６８】
こうして成膜した窒化物半導体が成膜された半導体ウエハを部分的にエッチングして、ｐ型及びｎ型コンタクト層を露出させる。スパッタリング法を利用して、各コンタクト層上にｎ型及びｐ型の電極を形成させた後に、個々の発光素子に分割して青色が発光可能な発光素子チップを作製する。
そして、このようにして作製した発光素子チップと、（Ｙ_０．８Ｇｄ_０．２）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ蛍光体とを用いて、実施例１と同様にして発光ダイオードを作製する。
【００６９】
以上のようにして、作製された発光ダイオードは、混色により白色光が得られ、従来例とは異なり蛍光体を含む層を無機物で構成しているので、従来例に比較して耐環境特性が優れている。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、紫外光を発光する発光ダイオードを用い、蛍光体が発光する光のみにより発光色が白色の発光ダイオードを構成できるので、発光色のバラツキの少ない白色発光ダイオードを提供できる。
また、本発明によれば青色光を発光する発光ダイオードを用い、蛍光体との混色による発光色が白色の発光ダイオードを構成すると、蛍光体を含有する層の劣化を極めて小さくできるので、従来例に比較して寿命の長い白色発光ダイオードを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態１の窒化物半導体発光素子の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線についての部分断面図（発光素子１，２の部分）である。
【図３】図１のＡ−Ａ’線についての部分断面図（発光素子３の部分）である。
【図４】本発明に係る実施の形態２の窒化物半導体発光素子の平面図である。
【図５】本発明に係る変形例の窒化物半導体発光素子の平面図である。
【図６】実施の形態の窒化物半導体発光素子において、スクライブ又はダイシングする部分のＳｉＯ_２層を除去した時の様子を示す図である。
【図７】本発明に係る実施例の窒化物半導体発光素子の断面図である。
【符号の説明】
１，２，３…発光素子、
１０…活性層、
１１…サファイア基板、
１２…ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、
１３…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、
１４，１４ａ…ｎ側オーミック電極、
１５…ｐ側オーミック電極、
１６，１６ａ…ｐパッド電極、
１７…絶縁保護膜、
２１，５１，５２…接続電極、
２４，２６…外部接続電極、
３０…絶縁保護膜、
６１，６２…スルーホール、
４１…分離溝、
７０…ＳｉＯ２層、
７１…蛍光体。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, light emitting diodes (white light emitting diodes) capable of emitting white light, in which a light emitting element chip configured using a gallium nitride compound semiconductor and a phosphor are combined, have been developed and used. Yes. This light-emitting diode converts part of the blue light output from the light-emitting element chip with a phosphor and converts white light into white light by mixing the wavelength-converted light with the blue light from the light-emitting element chip. Conventionally, for example, a package in which a light emitting element chip is mounted is molded by a resin containing a phosphor.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since conventional white light emitting diodes are made of a resin containing a phosphor, the resin deteriorates when light having a shorter wavelength is used. Therefore, a light emitting element with light having a shorter wavelength than blue is used. It was difficult to construct a light emitting diode having sufficient reliability.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a light-emitting diode that can also be configured using a light-emitting element chip that emits light having a shorter wavelength than blue and a phosphor.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a light-emitting device according to the present invention includes an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer on one main surface of a translucent substrate. In a light emitting device having a nitride semiconductor light emitting element formed of and a package on which the nitride semiconductor light emitting element is flip-chip mounted, a part of light emitted from the light emitting layer is absorbed and absorbed. A phosphor capable of emitting light having a wavelength longer than that of light By coating the other main surface of the translucent substrate with silica sol in which is dispersed, followed by condensation polymerization SiO ₂ A layer is formed on the other main surface of the translucent substrate, and the SiO ₂ The light-transmitting substrate on which the layer is formed is divided into individual devices to produce the nitride semiconductor light emitting device, and the SiO 2 ₂ Light is output through the layer.
[0006]
Further, according to the present invention Light emitting device The light emitting layer is configured to emit light in the ultraviolet region, and the phosphor is
(1) Re ₅ (PO ₄ ) ₃ Q: Eu, Re ′ (where Re is at least one selected from Mg, Ca, Ba, Sr, Zn, and Q is at least one selected from the halogen elements F, Cl, Br, I, and Re ′ has at least one selected from Mn, Fe, Cr, and Sn.)
(2) Re ₅ (PO ₄ ) ₃ Q: Eu (where Re has at least one selected from Sr, Ca, Ba, and Mg, and Q has at least one selected from the halogen elements F, Cl, Br, and I),
(3) BaMg ₂ Al ₁₆ O ₂₇ : Eu,
(4) BaMg ₂ Al ₁₆ O ₂₇ : Eu, Mn,
(5) (SrEu) O · Al ₂ O ₃ ,
(6) 3.5MgO / 0.5MgF ₂ ・ GeO ₂ : Mn,
(7) Y ₂ O ₂ S: Eu,
(8) Mg ₆ As ₂ O ₁₁ : Mn,
(9) Gd ₂ O ₂ S: Eu and
(10) La ₂ O ₂ It can be at least one phosphor selected from the group consisting of S: Eu.
In this way, it is possible to configure a light emitting element in which only the light emission of the phosphor is observed.
[0007]
Further, according to the present invention Light emitting device In the above, the light emitting layer may be configured to emit blue light, and an yttrium aluminum garnet (YAG) phosphor activated with Ce may be used as the phosphor.
[0008]
Furthermore, according to the present invention Light emitting device In The nitride semiconductor light emitting device A plurality of light emitting regions each including the n-type gallium nitride compound semiconductor layer, the light emitting layer, and the p type gallium nitride compound semiconductor layer are formed on one main surface of the translucent substrate. Also good.
[0009]
Further, according to the present invention Light emitting device The plurality of light emitting regions may be formed in a rectangular shape, and the light emitting regions may be juxtaposed in the short side direction.
[0010]
In the light emitting device according to the present invention, the plurality of light emitting regions may be connected in series, or the plurality of light emitting regions may be connected in parallel.
The method for manufacturing a light-emitting device according to the present invention includes a plurality of n-type gallium nitride compound semiconductor layers, a light-emitting layer, and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer, respectively, on one main surface of the translucent substrate. A step of forming the light emitting region, and part of the light emitted from the light emitting layer can be absorbed to emit light having a wavelength longer than the wavelength of the absorbed light. After coating the other main surface of the translucent substrate with silica sol in which the phosphor is dispersed, condensation polymerization is performed, SiO containing phosphor ₂ Forming a layer on the other main surface of the translucent substrate; and ₂ The method includes a step of dividing the light-transmitting substrate on which the layer is formed into individual devices to manufacture a nitride semiconductor light emitting device, and a step of flip-chip mounting the nitride semiconductor light emitting device on a package.
In the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer are formed on one main surface of the translucent substrate. In the nitride semiconductor light emitting device, the phosphor capable of absorbing part of the light emitted from the light emitting layer and emitting light having a wavelength longer than the wavelength of the absorbed light By coating the other main surface of the translucent substrate 11 with silica sol in which is dispersed, followed by condensation polymerization SiO ₂ A layer is formed on the other main surface of the translucent substrate, and the SiO ₂ The transparent substrate on which the layer is formed is manufactured by dividing each element, and the SiO 2 ₂ Light is output through the layer.
The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer, respectively, on one main surface of the translucent substrate. A step of forming a plurality of light emitting regions, and a portion of the light emitted from the light emitting layer can be absorbed to emit light having a wavelength longer than the wavelength of the absorbed light. By coating the other main surface of the light-transmitting substrate 11 with silica sol in which the phosphor is dispersed, condensation polymerization is performed, SiO containing phosphor ₂ Forming a layer on the other main surface of the translucent substrate; and ₂ Dividing the light-transmitting substrate on which the layer is formed into individual elements.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment has, for example, three rectangular light emitting devices 1, 2, 3 on one surface of a sapphire translucent substrate 11 of 1000 μm × 1000 μm. A light-emitting element that is arranged in parallel and configured to output light via a light-transmitting substrate 11, and includes a phosphor 71 on the other surface (light emission observation surface) of the light-transmitting substrate 11. ₂ The film 70 is formed.
Here, each of the light emitting elements 1, 2, and 3 is an element that emits ultraviolet light having a wavelength in the ultraviolet region, and the phosphor 71 is a phosphor that absorbs ultraviolet light and generates light of a predetermined color. .
In the nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment, SiO 2 ₂ The amount of the phosphor 71 contained in the film 70 is SiO. ₂ It is preferable to set so that the light output through the film 70 is substantially only the light whose wavelength has been converted by the phosphor 71.
[0012]
As described above, in the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment, white light is not obtained by mixing the blue light generated by the light emitting device chip and the light wavelength-converted by the phosphor as in the conventional example. In addition, since only the light of a predetermined color generated by the phosphor 71 excited by ultraviolet rays is used, the variation in emission color can be suppressed to a very small level.
In other words, in the conventional white light emitting diode using color mixture, the ratio of blue light to yellow light changes when the light emission brightness of the light emitting element chip changes, so it becomes a bluish white or yellowish white light. The color changes.
On the other hand, since the nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment uses only light generated by the phosphor 71 excited by ultraviolet rays, the light is emitted even if the light emission luminance of the light emitting device chip changes. The luminescent color of the body itself hardly changes, and the change of the luminescent color can be made extremely small.
[0013]
In the conventional configuration, even when the content of the phosphor contained in the resin varies, the ratio of blue light and yellow light changes, so the color changes. However, the nitride semiconductor according to the first embodiment In the light emitting element, even if the phosphor content changes, the emission color of the phosphor hardly changes, and the change in the emission color can be made extremely small.
Further, in the conventional configuration, after the light emitting element chip is mounted on the substrate or the like, the resin containing the phosphor is molded, so that, for example, when the mounting position of the chip varies, uneven color and chromaticity variation occur. However, in the configuration of the present invention, the positional relationship between the light emitting region and the phosphor can always be constant, so that such a problem can be solved.
[0014]
Next, phosphor 71 in the nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment, and SiO including the phosphor 71 ₂ The layer 70 will be described.
In the first embodiment, any phosphor can be used as the phosphor 71 as long as it is excited by ultraviolet light and generates light of a predetermined color.
(1) Re ₅ (PO ₄ ) ₃ Q: Eu, Re ′ (where Re is at least one selected from Mg, Ca, Ba, Sr, Zn, and Q is at least one selected from the halogen elements F, Cl, Br, I, and Re ′ has at least one selected from Mn, Fe, Cr, and Sn.) (White)
(2) Re ₅ (PO ₄ ) ₃ Q: Eu (where Re has at least one selected from Sr, Ca, Ba and Mg, and Q has at least one selected from halogen elements F, Cl, Br and I) (blue),
(3) BaMg ₂ Al ₁₆ O ₂₇ : Eu (blue),
(4) BaMg ₂ Al ₁₆ O ₂₇ : Eu, Mn (green),
(5) (SrEu) O · Al ₂ O ₃ (green),
(6) 3.5MgO / 0.5MgF ₂ ・ GeO ₂ : Mn (red),
(7) Y ₂ O ₂ S: Eu (red),
(8) Mg ₆ As ₂ O ₁₁ : Mn (red),
(9) Gd ₂ O ₂ S: Eu (red) and
(10) La ₂ O ₂ S: Eu (red) and the like.
In addition, these phosphors may be used alone or in combination.
[0015]
Hereinafter, a case where a light emitting element chip that generates light in the ultraviolet region and a plurality of phosphors are combined will be described more specifically.
In the present embodiment, one SiO ₂ Different layers of phosphors (for example, red, green, and blue phosphors) may be mixed and dispersed in the layer 70. In this way, white light is obtained by mixing light from different phosphors. . In this case, in order to better mix light emitted from each phosphor and reduce color unevenness, it is preferable that the average particle diameter and shape of each phosphor are similar. ₂ It is preferable that the layer 70 is uniformly dispersed.
[0016]
Also, in the present invention, each fluorescent substance is separated into a separate SiO. ₂ Multiple layers of SiO by dispersing in layers and laminating them ₂ The layer 70 may be formed. In this way SiO ₂ When the layers are configured as multiple thin films, the red phosphor layer, the green phosphor layer, and the blue phosphor layer are stacked on the element in consideration of the ultraviolet light transmittance of each phosphor material. It is preferable because it can absorb ultraviolet light evenly. Furthermore, SiO, which is a multiple thin layer ₂ In the layer 70, the average particle size of each fluorescent substance is such that blue fluorescent substance> green fluorescent substance> red fluorescent substance so that the particle diameter of the fluorescent substance in each layer decreases from the lower layer to the upper layer. SiO that can transmit ultraviolet light and is a multiple thin film layer ₂ The layer 70 can absorb all the ultraviolet light.
[0017]
In addition, the SiO 2 layer 70 may be formed by arranging each color conversion portion including each phosphor so as to have a stripe shape, a lattice shape, or a triangle shape. In addition, the color conversion units may be arranged with an interval between them, thereby improving the color mixing property. Furthermore, it is preferable to form the SiO2 layer so as to cover the entire periphery of the element because leakage of ultraviolet light can be prevented.
[0018]
In addition, SiO containing phosphor 71 ₂ The layer 70 is made of, for example, silanol (Si (OEt)). ₃ The phosphor (powder) 71 is dispersed in a silica sol obtained by mixing OH) and ethanol at a predetermined ratio, and the silica sol in which the phosphor is dispersed is spinner on the other main surface of the light-transmitting substrate 11. It can be formed by condensation polymerization after coating.
SiO formed in this way ₂ Since the layer 70 is an inorganic substance unlike a conventional resin, deterioration due to ultraviolet rays is extremely smaller than that of the resin, and the layer 70 can be used in combination with a light emitting diode (ultraviolet light emitting diode) that emits ultraviolet light.
On the other hand, in the configuration in which the phosphor is dispersed in the resin as in the conventional example, since most of the resin is deteriorated by ultraviolet rays, it is impossible to constitute an element that can withstand long-term use. It has been difficult to put a white light emitting diode using a light emitting diode into practical use.
[0019]
Here, in the first embodiment, SiO ₂ The content of the phosphor 71 contained in the film 70 is SiO. ₂ The light output through the film 70 is substantially only white light whose wavelength is converted by the phosphor 71, that is, most of the ultraviolet light emitted by the light emitting element chip is absorbed by the phosphor 71. It is preferable to set the phosphor 71 relatively large so as to excite the phosphor 71. Thus, the light emission efficiency (ratio of output light to power input to the light emitting element) can be increased.
[0020]
In addition, SiO ₂ The amount of the phosphor contained in the film 70 is set to various values in accordance with a desired color tone, and the present invention is not limited by the phosphor content, but the present inventors. According to the study of SiO ₂ When the content of the phosphor 71 contained in the film 70 increases, SiO with respect to the translucent substrate 11 is increased. ₂ It has been confirmed that the adhesion strength of the film 70 is increased. Considering the adhesion strength, SiO 2 ₂ The content of the phosphor in the film 70 is preferably set to 30 wt% to 80 wt%. ₂ In order to obtain a higher adhesion strength of the film 70, it is more preferable to set it to 40 wt% to 80 wt%.
[0021]
In the light-emitting elements 1, 2, and 3 of the nitride semiconductor light-emitting element according to the first embodiment, each semiconductor layer and electrode are formed as follows.
(1) The n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer 12 (n-layer 12) is formed of, for example, an n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer grown on almost the entire surface of a light-transmitting substrate 11 made of sapphire by the separation groove 41. After being separated, the planar shape is formed to be rectangular.
[0022]
(2) The active layer 10 is a rectangle having substantially the same length as the n layer 12 and a width narrower than the n layer 12, and one long side thereof substantially coincides with one long side of the n layer 12. Thus formed on the n layer 12. By forming in this way, a region for forming the n-side ohmic electrode along the active layer 10 is secured on the n layer 12.
Here, in the first embodiment, the width of the active layer 10 is set so that the distances L1, L2, and L3 between the long side located on the side away from the n-side ohmic electrode and the n-side ohmic electrode are 220 μm. did.
Thus, the reason why the distances L1, L2, and L3 are set to 220 μm is that the current injected into the active layer located 220 μm or more away from the n-side ohmic electrode is reduced.
Here, in the first embodiment, the active layer 10 can change the emission wavelength by changing the In content. _x Ga _1-x An N layer is used, and the amount of In is set to a value capable of emitting ultraviolet light.
[0023]
(3) The n-side ohmic electrode 14 (14a) has substantially the same length as the active layer 10, and is formed on the n layer 12 along the active layer 10 and in proximity to the active layer 10.
Further, the n-side ohmic electrode 14 (14a) is formed of a layer containing W and Al that can satisfactorily make ohmic contact with the n layer 12, for example. For example, an n-side ohmic electrode 14 (14a) is formed by sequentially laminating a W layer (200cm), an Al layer (1000cm), a W layer (500cm), a Pt layer (3000cm), and a Ni layer (60cm). To do.
[0024]
(4) The p-type gallium nitride based semiconductor layer 13 has the same planar shape as the active layer 10 and is formed on the active layer 10 so as to overlap.
Actually, the active layer 10 and the p-type gallium nitride based semiconductor layer 13 are formed by overlapping the active layer 10 and the p layer 13 on the n layer 12, and then the surface of the n layer 12 on which the n-side ohmic electrode 14 is formed. In order to expose, it forms by etching collectively.
[0025]
(5) The p-side ohmic electrode 15 is formed on almost the entire surface of the p-type gallium nitride based semiconductor layer 13 and, for example, a Ni layer and a Pt layer are stacked in order to obtain good ohmic contact with the p layer 13. It is configured by.
[0026]
(6) The p-pad electrode 16 (16a) is made of, for example, Pt having a thickness of 3000 mm, and the p-side ohmic electrode 15 located on the p-side ohmic electrode 15 on the side away from the n-side ohmic electrode 14. It is formed along the long side.
[0027]
Furthermore, in the integrated nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment, the light emitting devices 1, 2, and 3 configured as described above are separated from each other by the insulating protective film 17, and the connection electrode 21 performs the following operation. So that they are connected.
The insulating protective film 17 is formed so as to cover the entire element except for the p-pad electrode 16 (16a) and the n-side ohmic electrode 14 (14a) of each light-emitting element.
The connection electrode 21 is continuously formed on the n-side ohmic electrode 14a of the light-emitting element 1, on the insulating film 17 formed in the separation groove 41, and on the p-side ohmic electrode 16a of the light-emitting element 2, thereby The n-side ohmic electrode 14a of the light-emitting element 1 and the p-side ohmic electrode 16a of the light-emitting element 2 are connected.
Further, the connection electrode 21 is similarly formed between the light emitting element 2 and the light emitting element 3, whereby the n-side ohmic electrode 14 a of the light emitting element 2 and the p side ohmic electrode 16 a of the light emitting element 3 are connected. . The connection electrode 21 can be made of various metals such as Pt or Au.
[0028]
In the first embodiment, an external connection electrode 26 made of the same material as that of the connection electrode 21 is further formed on the p pad electrode 16 of the light emitting element 1, and the connection electrode is formed on the n pad electrode 14 of the light emitting element 3. An external connection electrode 24 made of the same material as that 21 is formed.
[0029]
The nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment configured as described above is made of SiO 2 which is an inorganic material and hardly deteriorates due to ultraviolet rays on the other surface of the translucent substrate 11. ₂ Since the layer 70 is formed by containing a phosphor, an ultraviolet light emitting diode can be used as the light emitting element chip.
Accordingly, a light emitting diode can be configured using only light from the phosphor regardless of the color mixture of the light from the light emitting element chip and the light from the phosphor, and a light emitting diode with very little color change can be realized.
In addition, the nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment is made of an inorganic material including phosphor. ₂ Since the layer 70 is used, the layer including the phosphor can have better environmental resistance characteristics than the conventional resin layer, so that the lifetime of the element can be extended.
[0030]
Application example.
In the same configuration as the nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment, the number of light emitting devices that emit ultraviolet light is increased to 35 and these devices are connected in series. ₁₀ (PO ₄ ) ₆ By using FCl: Eu, Mn, a nitride semiconductor light emitting device for illumination having a relatively wide light emitting area can be configured.
The illumination nitride semiconductor light-emitting device configured as described above has a current value of about 20 mA, which is almost optimal in terms of light emission efficiency and life, when directly connected to a 100 V general household power supply. And can be used for traffic lights, home lighting, etc.
[0031]
Embodiment 2. FIG.
Next, the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The integrated nitride semiconductor light emitting device of the second embodiment is different from the nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment in the following points.
Differences 1.
In the integrated nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment, the insulating protective film 30 is formed so as to cover the entire device without forming the connection electrode 21 and the external connection electrodes 24, 26, and the light emitting devices 1, 2, Through-holes 61 penetrating the insulating protective film 30 are formed on the p-pad electrodes 3, and through-holes 62 penetrating the insulating protective film 30 are formed on the n-side ohmic electrodes of the light emitting elements 1, 2, and 3, respectively. To do.
[0032]
Difference 2
The p-pad electrodes of the light emitting elements 1, 2, 3 are connected to each other by the connection electrode 51 through the through hole 61 formed in the insulating protective film 30.
Difference 3
The n-side ohmic electrodes of the light emitting elements 1, 2, 3 are connected to each other by a connection electrode 52 through a through hole 62 formed in the insulating protective film 30.
Except for the above differences 1, 2, and 3, the configuration is the same as that of the integrated nitride semiconductor light emitting device of the first embodiment.
That is, the integrated nitride semiconductor light emitting device of the second embodiment is obtained by connecting the light emitting devices 1, 2 and 3 in parallel to the device of the first embodiment.
The nitride semiconductor light emitting element of the second embodiment configured as described above has the same operational effects as those of the first embodiment.
[0033]
In the first and second embodiments, the case where there are three light emitting regions has been described. However, the present invention is not limited to this and may be configured by four or more light emitting regions.
For example, as shown in FIG. 5, by forming a large number (m) of light emitting regions 1 to m juxtaposed in the short side direction of each region, the luminance is high, the variation of the light emission color is small, and a wide area is obtained. A light emitting diode capable of surface light emission can be realized.
[0034]
In the first and second embodiments described above, the case where there are three light emitting regions has been described. However, the present invention is not limited to this, and generally has only one light emitting region, for example, generally 300 μm × 300 μm. Needless to say, the present invention can be applied to a light emitting diode of a certain size.
In this case, the separation into individual elements is performed by, for example, SiO between the elements to be divided as shown in FIG. ₂ The layer 70 may be removed to form a groove 72, and the groove 72 may be divided by scribing or dicing.
[0035]
In the above Embodiments 1 and 2, a more preferable embodiment according to the present invention using an ultraviolet light emitting element chip has been described. However, the present invention is not limited to this, and a blue light emitting element chip and A white light emitting diode may be configured by combining with a yttrium, aluminum, garnet (YAG) phosphor described below, which is excited by the blue light of the chip and generates yellow light.
[0036]
The YAG phosphor used in the present invention is based on a cerium-activated yttrium / aluminum oxide phosphor capable of emitting light by exciting light emitted from a semiconductor light emitting device having a nitride semiconductor as a light emitting layer. It is what.
As a specific yttrium / aluminum oxide fluorescent material, YAlO ₃ : Ce, Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : Ce (YAG: Ce) or Y ₄ Al ₂ O ₉ : Ce, and also a mixture thereof. The yttrium / aluminum oxide fluorescent material may contain at least one of Ba, Sr, Mg, Ca, and Zn. Moreover, by containing Si, the reaction of crystal growth can be suppressed and the particles of the fluorescent material can be aligned.
[0037]
In this specification, the yttrium / aluminum oxide phosphor activated by Ce is to be interpreted in a broad sense, and a part or all of yttrium is selected from the group consisting of Lu, Sc, La, Gd and Sm. Used in a broad sense including phosphors having a fluorescent action, such as those in which at least one element is substituted, or in which a part or all of aluminum is substituted with Ba, Tl, Ga, or In or both. .
[0038]
That is, in the present invention, the general formula (Y _z Gd _1-z ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : Photoluminescence phosphor represented by Ce (where 0 <z ≦ 1) or a general formula (Re _1-a Sm _a ) ₃ Re ' ₅ O ₁₂ : Ce (where 0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, Re is at least one selected from Y, Gd, La, Sc, and Re ′ is at least one selected from Al, Ga, In) Can be used.
[0039]
Since these fluorescent materials have a garnet structure, they are resistant to heat, light and moisture, and the peak of the excitation spectrum can be set around 450 nm. In addition, the emission peak is in the vicinity of 580 nm and has a broad emission spectrum that extends to 700 nm. Further, Tb, Cu, Ag, Au, Fe, Cr, Nd, Dy, Co, Ni, Ti, Eu, Pr, and the like may be contained in addition to Ce as desired.
[0040]
Further, the photoluminescence phosphor can increase the excitation light emission efficiency in a long wavelength region of 460 nm or more by containing Gd (gadolinium) in the crystal. As the Gd content increases, the emission peak wavelength shifts to a longer wavelength, and the entire emission wavelength also shifts to the longer wavelength side. That is, when a strong reddish emission color is required, it can be achieved by increasing the amount of Gd substitution. On the other hand, as Gd increases, the emission luminance of photoluminescence by blue light tends to decrease.
[0041]
Moreover, in the composition of the yttrium / aluminum / garnet phosphor having a garnet structure, the emission wavelength is shifted to the short wavelength side by replacing a part of Al with Ga. Further, by substituting part of Y in the composition with Gd, the emission wavelength is shifted to the longer wavelength side.
[0042]
When substituting part of Y with Gd, it is preferable to set the substitution to Gd to less than 10% and to set the Ce content (substitution) from 0.03 to 1.0. If the substitution with Gd is less than 20%, the green component is large and the red component is small. However, by increasing the Ce content, the red component can be supplemented and a desired color tone can be obtained without lowering the luminance. With such a composition, the temperature characteristics are good and the reliability of the light emitting diode can be improved. In addition, when a photoluminescent phosphor adjusted to have a large amount of red component is used, a light emitting device capable of emitting an intermediate color such as pink can be formed.
[0043]
Such photoluminescent phosphors use oxides or compounds that easily become oxides at high temperatures as raw materials for Y, Gd, Al, and Ce, and mix them well in a stoichiometric ratio. Get raw materials. Alternatively, a mixed raw material obtained by mixing a coprecipitation oxide obtained by firing a solution obtained by coprecipitation of a solution obtained by dissolving a rare earth element of Y, Gd, and Ce in an acid in a stoichiometric ratio with oxalic acid and aluminum oxide. Get. A suitable amount of fluoride such as barium fluoride or ammonium fluoride is mixed as a flux and packed in a crucible, and fired in air at a temperature range of 1350 to 1450 ° C. for 2 to 5 hours to obtain a fired product, and then fired. The product can be obtained by ball milling in water, washing, separating, drying and finally passing through a sieve.
[0044]
In the light emitting diode of the present invention, such a photoluminescent phosphor may be a mixture of yttrium, aluminum, garnet (garnet type) phosphor activated with two or more kinds of cerium and other phosphors. .
[0045]
Other phosphors that can absorb blue, blue-green, and green and emit red light are sapphire (aluminum oxide) phosphors activated with Eu and / or Cr, and activated with Eu and / or Cr. Nitrogen-containing Ca-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ Examples thereof include phosphors (oxynitride fluorescent glass). Using these phosphors, white light can also be obtained by mixing the light from the light emitting element and the light from the phosphor.
[0046]
In order to improve the light emission output, the average particle size of the fluorescent material used in the present invention is preferably 10 μm to 50 μm, more preferably 15 μm to 30 μm. Here, the average particle diameter refers to an average particle diameter measured with a sub-sieving sizer based on the air permeation method. A fluorescent material having such a particle size has a high light absorption rate and conversion efficiency and a wide excitation wavelength range. Thus, by including a large particle size fluorescent material having optically superior characteristics, light around the dominant wavelength of the light emitting element can be converted and emitted well, and the mass productivity of the light emitting device can be improved. Be improved.
[0047]
Moreover, it is preferable that the fluorescent material which has this average particle diameter value is contained frequently, and the frequency value is preferably 20% to 50%. In this way, by using a fluorescent material with small variation in particle size, a light emitting device having a favorable color tone with suppressed color unevenness can be obtained.
[0048]
Similarly, other specific phosphors used in the present invention include nitrogen-containing CaO—Al activated with Eu and / or Cr. ₂ O ₃ -SiO ₂ Examples include phosphors. Nitrogen-containing CaO-Al activated with Eu and / or Cr ₂ O ₃ -SiO ₂ Phosphors are melted at 1300 ° C. to 1900 ° C. (more preferably 1500 ° C. to 1750 ° C.) in a nitrogen atmosphere by mixing a raw material such as aluminum oxide, yttrium oxide, silicon nitride and calcium oxide in a predetermined ratio with a rare earth material. Then mold. The molded product can be ball milled, washed, separated, dried, and finally passed through a sieve to form a phosphor. As a result, Ca—Al—Si—O—N-based oxynitride fluorescence activated by Eu and / or Cr that can emit red light by an excitation spectrum having a peak at 450 nm and blue light having a peak at about 650 nm. Can be glass.
[0049]
The peak of the emission spectrum is continuously shifted from 575 nm to 690 nm by increasing or decreasing the nitrogen content of the Ca—Al—Si—O—N-based oxynitride fluorescent glass activated with Eu and / or Cr. be able to. Similarly, the excitation spectrum can be shifted continuously. Therefore, white light can be emitted by the combined light of light from a gallium nitride compound semiconductor containing GaN or InGaN doped with impurities such as Mg and Zn in the light emitting layer and light of a phosphor of about 580 nm. In particular, light emission can be obtained ideally in combination with a light-emitting element made of a gallium nitride-based compound semiconductor containing InGaN capable of emitting light of about 490 nm with high luminance in a light-emitting layer.
[0050]
Further, by combining the YAG phosphor activated with Ce and the nitrogen-containing Ca—Al—Si—O—N oxynitride fluorescent glass activated with Eu and / or Cr, a blue color can be obtained. By using a light emitting element capable of emitting light, a light emitting diode having extremely high color rendering properties including RGB (red, green, blue) components with high luminance can be formed. For this reason, an arbitrary intermediate color can be formed very simply by adding a desired pigment. In the present invention, any phosphor is an inorganic phosphor, such as an organic light scattering agent or SiO. ₂ Can be used to form a light emitting diode having high contrast and excellent mass productivity.
[0051]
The nitride semiconductor light-emitting device using the YAG-based phosphor configured as described above is an inorganic substance containing phosphor. ₂ Since the layer 70 is used, the layer including the phosphor can have better environmental resistance characteristics than the conventional resin layer, and the lifetime of the element can be extended.
[0052]
【Example】
Examples according to the present invention will be described below. Note that the present invention is not limited to this.
[Example 1]
(Translucent substrate 11)
A translucent substrate 11 made of sapphire (C-plane) is set in a MOVPE reaction vessel, and the temperature of the substrate is raised to 1050 ° C. while flowing hydrogen to clean the substrate. Other examples of the translucent substrate 11 include a sapphire substrate having R and A surfaces as main surfaces, and spinel (MgAl ₂ O ₄ An insulating substrate such as) or a GaN substrate may be used.
[0053]
(N-type gallium nitride compound semiconductor layer 12)
After cleaning the substrate, the n-type gallium nitride compound semiconductor layer 12 is grown in the following configuration.
The temperature of the substrate is lowered to 510 ° C., and a buffer layer made of GaN is grown to 100 μm on the light transmitting substrate 11.
Next, after growing the buffer layer, the temperature is raised to 1050 ° C., and the undoped GaN layer 121 is grown to a thickness of 1.5 μm.
Subsequently, Si is 4.5 × 10 at 1050 ° C. ¹⁸ / Cm ³ A doped GaN layer 122 is grown to a thickness of 2.2 μm.
[0054]
Subsequently, at 1050 ° C., the undoped GaN layer 123 has a thickness of 3000 mm, and further Si is 4.5 × 10. ¹⁸ / Cm ³ A doped GaN layer 124 is grown to a thickness of 300 Å, and an undoped GaN layer 125 is grown to a thickness of 50 Å.
[0055]
Subsequently, at the same temperature, the first layer of undoped GaN is 40 ° C., the temperature is 800 ° C., and then the undoped In _0.13 Ga _0.87 A second layer made of N is grown to a thickness of 20 mm, and these operations are repeated, and 10 layers are alternately stacked in the order of 1 + 2 +, and finally the first layer is stacked. A multilayer layer 126 is grown.
[0056]
(Active layer 13)
Next, after growing the n-type gallium nitride-based compound semiconductor layer 12, a barrier layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 200 mm, subsequently the temperature is set to 800 ° C., and Si is 5 × 10 5. ¹⁷ / Cm ³ Doped In _0.03 Ga _0.97 A well layer made of N is grown to a thickness of 30 mm. Then, six barrier layers and five well layers are alternately laminated in the order of barrier + well + barrier + well,..., And the active layer 13 composed of multiple quantum wells having a total film thickness of 1350.
As described above, an active layer that emits light in the ultraviolet region of 370 nm is formed.
[0057]
(P-type gallium nitride compound semiconductor layer 14)
After the active layer 13 is grown, the p-type gallium nitride compound semiconductor 14 is grown in the following configuration.
Next, at 1050 ° C., Mg is 5 × 10 ¹⁹ / Cm ³ Doped p-type Al _0.1 Ga _0.9 A third layer made of N is grown to a thickness of 25 mm, and then a fourth layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 25 mm, and these operations are repeated, alternately in the order of 3 + 4 A p-type multilayer film composed of a superlattice layered by four layers is grown to a thickness of 200 mm.
Subsequently, Mg is 1 × 10 at 1050 ° C. ²⁰ / Cm ³ A layer made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 2700 mm.
After the reaction is completed, the temperature is lowered to room temperature, and annealing is performed at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer.
[0058]
The wafer on which the gallium nitride compound semiconductor has been grown as described above is taken out of the reaction vessel, and the entire wafer except for the portion where the separation groove is formed is SiO. ₂ A separation groove is formed by forming a mask and performing etching until reaching the sapphire substrate by RIE. Further, the gallium nitride compound semiconductor as described above can contain boron or phosphorus as desired.
Furthermore, the SiO used to form the separation groove ₂ In order to peel off the mask and expose the n-type gallium nitride compound semiconductor layer 12, SiO is deposited on the p-type gallium nitride compound semiconductor layer 14 except the exposed portion. ₂ A mask is formed and etching is performed by RIE to expose the surface of the n-type gallium nitride compound semiconductor layer 12 (Si-doped GaN layer 122).
[0059]
Next, an almost entire surface of the p-type gallium nitride compound semiconductor layer 14 is opened, a resist is applied so as to cover the other portions, and 100 nm of Ni and 500 nm of Pt are stacked on the opened p-type gallium nitride compound semiconductor layer. Thereafter, the p-side ohmic electrode 15 is formed by annealing. Further, a p-side pad electrode 16a (16) made of 3000 Pt and Ni 60 Ni is formed on a part of the p-side ohmic electrode.
Next, the resist is removed, and this time, an n-side ohmic electrode 14 is formed on the n-type gallium nitride compound semiconductor layer by laminating W in a thickness of 200 mm, Al in a thickness of 500 mm, P in a thickness of 3000 mm, and Ni in a thickness of 60 mm. To do.
[0060]
Next, SiO ₂ An insulating protective film 17 made of 1.5 μm is formed, and a part of the p-side pad electrode and the n-side ohmic electrode is exposed by RIE.
Further, as a connection electrode for electrically connecting the p-side pad electrode and the n-side ohmic electrode sandwiching the separation groove by forming a mask so as to open a portion where the connection electrode is formed on the surface, Ti is 400 mm, Pt is 6000 mm, Au is formed with a thickness of 1000 mm and Ni with a thickness of 60 mm.
Finally, SiO ₂ The insulating protective film 30 is formed to a thickness of 1.5 μm and is removed by etching the insulating protective film 30 on the connection electrodes 24 and 26 so as to be electrically connected to the outside.
[0061]
(SiO containing phosphor 71 ₂ Formation of layer 70)
Next, the phosphor {Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ FCl: Eu, Mn}, silanol (Si (OEt) ₃ OH) and ethanol are mixed.
Here, in Example 1, the slurry was mixed so that phosphor: silanol: ethanol was in a weight ratio of 4: 1: 2.
That is, in Example 1, the phosphor content with respect to the slurry was set to 57%.
Next, the slurry is dropped from the nozzle onto the back surface of the sapphire substrate and the substrate is rotated at a high speed to form a slurry film made of phosphor, silanol, and ethanol having a uniform film thickness on the entire back surface of the substrate. .
Then, the substrate on which the slurry film is formed is heated in an oven at 300 ° C. for 3 hours, so that the silanol in the slurry film is condensed and polymerized, so that the phosphor is dispersed and contained. ₂ A membrane.
In this way, SiO containing phosphor 71 ₂ Layer 70 is formed.
[0062]
A sapphire substrate (wafer) having a plurality of element regions thus manufactured is divided into individual elements by using scribing and dicing to manufacture a 350 × 400 μm light emitting element chip.
Next, as shown in FIG. 7, the light emitting element chip 80 is flip-chip mounted on the package 81 so that the positive and negative electrodes of the light emitting element chip 80 face the positive and negative electrodes of the package 81, respectively.
Then, a light-transmitting epoxy resin 83 is formed so as to cover the light-emitting element chip, thereby protecting the light-emitting element chip.
As described above, a white light emitting diode using a light emitting element chip that emits ultraviolet light can be formed.
[0063]
[Example 2]
In Example 1, it comprised similarly to Example 1 except having changed content of the fluorescent substance with respect to a slurry into 30%.
The light emitting diode of Example 2 described above had the same performance as that of Example 1 although the manufacturing yield was slightly lower than that of Example 1.
[0064]
[Example 3]
The constitution was the same as in Example 1 except that the phosphor content in the slurry was changed to 40%.
The light emitting diode of Example 3 described above has the same performance as that of Example 1, and the manufacturing yield is improved as compared with Example 2.
[0065]
[Example 4]
The constitution was the same as in Example 1 except that the phosphor content in the slurry was changed to 70%.
The light emitting diode of Example 4 described above has the same performance as that of Example 1, and the manufacturing yield is improved as compared with Example 1.
[0066]
[Example 5]
The configuration of the first embodiment is the same as that of the first embodiment except for the following points.
(1) In Example 1, a light emitting element chip capable of emitting blue light is used instead of the ultraviolet light emitting element chip.
(2) As phosphor 71, (Y _0.8 Gd _0.2 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : Use Ce.
Hereinafter, the light emitting diode of Example 5 will be described in detail.
In Example 5, an LED chip having a light emitting layer made of InGaN and having a main light emission peak of 470 nm is used as the light emitting element chip. This LED chip is formed using the MOCVD method. Specifically, a cleaned sapphire substrate is disposed in the reaction chamber, and TMG (trimethyl) gas, TMI (trimethylindium) gas, TMA (trimethylaluminum) gas, ammonia gas, and hydrogen gas as a carrier gas, Further, a film is formed using silane gas and cyclopentadiamagnesium as impurity gases.
[0067]
As a layer structure of the light emitting element chip, AlGaN which is a low-temperature buffer layer on a sapphire substrate, non-doped GaN (thickness about 15000 mm) for improving crystallinity, Si-doped GaN (thickness) in which an electrode is formed and serves as an n-type contact layer About 21650 mm), comprising a superlattice of non-doped GaN (thickness about 3000 mm) for improving crystallinity, non-doped GaN (thickness about 50 mm) as an n-type cladding layer, and Si-doped GaN (thickness about 300 mm) Multilayer film, multilayer film composed of a superlattice of non-doped GaN (thickness: about 40 mm) and non-doped InGaN (thickness: about 20 mm), which improves the crystallinity of the light emitting layer formed thereon, and a multiple quantum well structure As a light emitting layer composed of a multilayer film of non-doped GaN (thickness of about 250 mm) and InGaN (thickness of about 30 mm), p-type A multilayer film composed of a superlattice of Mg-doped InGaN (thickness of about 25 mm) and Mg-doped GaAlN (thickness of about 40 mm) and a p-type contact layer of Mg-doped GaN (working as an active layer) A thickness of about 1200 mm) is formed.
[0068]
The semiconductor wafer thus formed with the nitride semiconductor is partially etched to expose the p-type and n-type contact layers. After forming n-type and p-type electrodes on each contact layer using a sputtering method, a light-emitting element chip capable of emitting blue light is manufactured by dividing into individual light-emitting elements.
Then, the light-emitting element chip manufactured in this way and (Y _0.8 Gd _0.2 ) ₃ Al ₅ O ₁₂ A light emitting diode is produced in the same manner as in Example 1 using Ce phosphor.
[0069]
As described above, the manufactured light emitting diode can obtain white light by color mixture, and unlike the conventional example, the layer containing the phosphor is made of an inorganic material, and therefore has an environmental resistance characteristic as compared with the conventional example. Are better.
[0070]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a light emitting diode having a white emission color can be configured only by light emitted from a phosphor using a light emitting diode that emits ultraviolet light. A white light emitting diode can be provided.
In addition, according to the present invention, when a light emitting diode that emits blue light is used and a light emitting diode that emits white light due to color mixture with the phosphor is configured, deterioration of the phosphor-containing layer can be extremely reduced, so that the conventional example Compared to the above, it is possible to provide a white light emitting diode having a longer lifetime.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a nitride semiconductor light emitting element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view (a portion of light emitting elements 1 and 2) taken along line AA ′ of FIG.
3 is a partial cross-sectional view (part of the light emitting element 3) taken along the line AA ′ of FIG.
4 is a plan view of the nitride semiconductor light-emitting element according to the second embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 5 is a plan view of a modified nitride semiconductor light emitting device according to the present invention.
FIG. 6 shows a portion of SiO2 to be scribed or diced in the nitride semiconductor light emitting device of the embodiment. ₂ It is a figure which shows a mode when a layer is removed.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3... Light emitting element,
10 ... active layer,
11 ... sapphire substrate,
12 ... n-type gallium nitride compound semiconductor layer,
13 ... p-type gallium nitride based semiconductor layer,
14, 14a ... n-side ohmic electrode,
15 ... p-side ohmic electrode,
16, 16a ... p pad electrode,
17 ... Insulating protective film,
21, 51, 52 ... connection electrodes,
24, 26 ... external connection electrodes,
30: Insulating protective film,
61, 62 ... through hole,
41 ... separation groove,
70 ... SiO2 layer,
71: Phosphor.

Claims

A nitride semiconductor light emitting device in which an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, a light emitting layer, and a p type gallium nitride compound semiconductor layer are formed on one main surface of a translucent substrate, and the nitride semiconductor light emission A light emitting device having a package on which an element is flip-chip mounted;
The other main surface of the translucent substrate is coated with a silica sol in which a phosphor capable of absorbing a part of the light emitted from the light emitting layer and emitting light having a wavelength longer than the wavelength of the absorbed light is dispersed. After that, by condensation polymerization, a SiO ₂ layer is formed on the other main surface of the translucent substrate, and the translucent substrate on which the SiO ₂ layer is formed is divided into individual elements and the nitriding is performed. A semiconductor light emitting device is manufactured,
Light emitting device and a light is output through the SiO ₂ layer.

The light emitting layer emits light in the ultraviolet region, and the phosphor is
(1) Re ₅ (PO ₄ ) ₃ Q: Eu, Re ′ (where Re is at least one selected from Mg, Ca, Ba, Sr and Zn, and Q is a halogen element such as F, Cl, Br, And at least one selected from I, and Re ′ has at least one selected from Mn, Fe, Cr, and Sn.)
(2) Re ₅ (PO ₄ ) ₃ Q: Eu (where Re is at least one selected from Sr, Ca, Ba, and Mg, and Q is at least one selected from halogen elements F, Cl, Br, and I) Seeds),
(3) BaMg ₂ Al ₁₆ O ₂₇ : Eu,
_{_{_{(4) BaMg 2 Al 16 O}}} 27: Eu, Mn,
(5) (SrEu) O.Al ₂ O ₃ ,
(6) 3.5MgO · 0.5MgF ₂ · GeO ₂ : Mn
(7) Y ₂ O ₂ S: Eu,
(8) Mg ₆ As ₂ O ₁₁ : Mn
_{_{(9) Gd 2 O 2 S}} : Eu and _{_{(10) La 2 O 2 S}} : light-emitting device of claim 1 further comprising at least one phosphor selected from the group consisting of Eu.

2. The light emitting device according to claim 1, wherein the light emitting layer emits blue light, and the phosphor is an yttrium aluminum garnet (YAG) phosphor activated with Ce.

A plurality of light emitting regions are formed on one main surface of the translucent substrate of the nitride semiconductor light emitting device, and the light emitting regions are respectively the n-type gallium nitride compound semiconductor layer, the light emitting layer, and the p type. The light emitting device according to claim 1, comprising a gallium nitride compound semiconductor layer.

The light emitting device according to claim 4, wherein the plurality of light emitting regions are each formed in a rectangular shape and juxtaposed in a short side direction thereof.

The light emitting device according to claim 4 or 5, wherein the plurality of light emitting regions are connected in series.

The light-emitting device according to claim 4, wherein the plurality of light-emitting regions are connected in parallel.

Forming a plurality of light-emitting regions each including an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer on one main surface of the translucent substrate;
The other main surface of the translucent substrate is coated with a silica sol in which a phosphor capable of absorbing a part of the light emitted from the light emitting layer and emitting light having a wavelength longer than the wavelength of the absorbed light is dispersed. Then, a step of forming a SiO ₂ layer containing a phosphor on the other main surface of the translucent substrate by condensation polymerization ,
Dividing the light-transmitting substrate on which the SiO ₂ layer is formed into individual elements to produce a nitride semiconductor light emitting element;
Flip chip mounting the nitride semiconductor light emitting device on a package;
A method for manufacturing a light-emitting device, comprising:

In a nitride semiconductor light emitting device in which an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, a light emitting layer, and a p type gallium nitride compound semiconductor layer are formed on one main surface of a translucent substrate,
The other main surface of the translucent substrate is coated with a silica sol in which a phosphor capable of absorbing a part of the light emitted from the light emitting layer and emitting light having a wavelength longer than the wavelength of the absorbed light is dispersed. after, produced by the SiO ₂ layer by condensation polymerization is formed on the other main surface of the transmissive substrate, dividing the translucent substrate in which the SiO ₂ layer is formed for each individual element A nitride semiconductor light emitting device, wherein light is output through the SiO ₂ layer.

Forming a plurality of light-emitting regions each including an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer on one main surface of the translucent substrate;
The other main surface of the translucent substrate is coated with a silica sol in which a phosphor capable of absorbing a part of the light emitted from the light emitting layer and emitting light having a wavelength longer than the wavelength of the absorbed light is dispersed. Then, a step of forming a SiO ₂ layer containing a phosphor on the other main surface of the translucent substrate by condensation polymerization ,
Dividing the translucent substrate on which the SiO ₂ layer is formed into individual elements;
A method for producing a nitride semiconductor light emitting device, comprising: