JP4852972B2

JP4852972B2 - 光学部品の製造方法及び発光素子

Info

Publication number: JP4852972B2
Application number: JP2005311999A
Authority: JP
Inventors: 健一郎田中; 博司福島
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: JP2007123449A

Description

本発明は、光学部品の製造方法及び発光素子に関するものである。

従来から、光学部品において、光が入射または出射する界面の反射率を低減させて透過率を向上させる方法として、界面を粗面化するという方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

詳しく説明すると、図６（ａ）に示すように、ある媒質Ｍ１（屈折率ｎ_１）から屈折率の異なる別の媒質Ｍ２（屈折率ｎ_２）に入射する光Ｌｉは、全ては界面を通過する透過光Ｌｔとはならず一部は界面で反射される反射光Ｌｒとなる。界面における反射率Ｌｒ／Ｌｉは、媒質Ｍ１，Ｍ２間の屈折率ｎ_１，ｎ_２の差が大きいほど高くなる。例えば、屈折率が１．７７のサファイア基板から空気へ光を出射させる場合、サファイア基板の内側から表面に垂直に入射する光はその７．７％が反射され、表面への入射角度が３４．４°以上の光は完全にサファイア基板の内側へ反射されてしまう。しかし、図６（ｂ）に示すように凹凸のピッチが通過する光の波長の１０分の１〜数倍となるように界面を粗面化すれば、媒質Ｍ１，Ｍ２間に、両媒質Ｍ１，Ｍ２の中間の屈折率の層を設けるのと同様の効果が得られ、入射光Ｌｉに対して反射光Ｌｒを減少させて透過光Ｌｔを増加させることができる。

凹凸のピッチが光の波長の１０分の１〜数倍となるように粗面化された界面について、凹凸を平均した面に平行なある断面において媒質Ｍ２が占める比率をｒとおくと、該断面近傍での有効屈折率は、ＴＥ波に対して次の＜ｎ_Ｅ＞となり、ＴＭ波に対して次の＜ｎ_Ｍ＞となる。

すなわち、粗面化された界面の凹凸を平均した面に平行な断面において一方の媒質Ｍ１が占める比率が、他方の媒質Ｍ２側に向かって徐々に小さくなるように、例えば界面の凹凸を三角波形状や円錐形状とすれば、有効屈折率が徐々に変化することになるから、例えば凹凸が矩形波形状や円柱形状であって上記比率が急激に変化する場合に比べ、より反射率が低減される。
特開平６−２９１３６８号公報

粗面化の方法としては、まず粗面化する面に金の薄膜を形成し、この薄膜を熱溶融の後に凝固させることで粒子状のマスクを設け、このマスクを利用してエッチングを行うという方法が知られている。また、粗面化の他の方法としては、研磨による方法がある。

しかし、従来のエッチングによる方法ではマスクを形成する工程が必要であり、研磨による方法では残留応力やクラックが発生して光学部品の機械的強度が低下してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、容易に且つ残留応力やクラックを発生させずに光学部品の表面を粗面化することができる光学部品の製造方法並びに該製造方法によって製造された発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、ＳｉＣで構成されて光が入射又は出射する被処理面を、アルカリ金属を含むハロゲンプラズマとしてのＣＦ _４プラズマを用いた反応性イオンエッチングにより粗面化する工程を備えることを特徴とする光学部品の製造方法であって、ハロゲンプラズマと被処理面とが存在する環境下に、アルカリ金属を含むガラスを配置することによりハロゲンプラズマにアルカリ金属を含ませることを特徴とする。

この発明によれば、アルカリ金属による粒子状のマスクの形成と、ハロゲンプラズマによるエッチングとが同時に行われるから、マスクを形成する工程を別途必要とせず容易である。また、研磨による粗面化と違い、残留応力やクラックが発生しない。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、被処理面を粗面化する工程の後に、被処理面に残存するアルカリ金属やハロゲン化合物をアッシングにより除去する工程を備えることを特徴とする。

この発明によれば、アッシングを行わない場合に比べ、粗面化された被処理面における透過率を向上することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の製造方法によって光の出射面が粗面化されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、発生する光の波長を変換する物質を含む蛍光体が、請求項１又は請求項２の製造方法によって粗面化された被処理面に含浸されていることを特徴とする。

本発明は、光が入射又は出射する被処理面を、アルカリ金属を含むハロゲンプラズマを用いた反応性イオンエッチングにより粗面化するので、アルカリ金属による粒子状のマスクの形成と、ハロゲンプラズマによるエッチングとが同時に行われるから、マスクを形成する工程を別途必要とせず容易である。また、研磨による粗面化と違い、残留応力やクラックが発生しない。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態では、光学部品として、図２に示すように、ＳｉＣからなる結晶成長用基板１１と、結晶成長用基板１１の一面に設けられたＧａＮ系の半導体からなる発光層１２とを有する発光素子としてのＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された金属製の基板１４とを有する発光装置を例に挙げて説明する。以下、上下方向は図２を基準として説明する。

ＬＥＤチップ１０は、発光層１２を下向きとして基板１４の上面に実装されており、発光層１２の光は結晶成長用基板１１を通じて出射されるようになっている。基板１４の材料としては、Ｃｕ，ＣｕＷ，Ａｌなどを用いることができる。また、ＬＥＤチップ１０と基板１４との間には、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの平板形状であってＬＥＤチップ１０と基板１４との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材１５を介在させてある。サブマウント部材１５の材料としては、例えばＳｉＣやＡｌＮを用いることができる。また、基板１４の上面であってサブマウント部材１５を避けた範囲には、例えばガラスエポキシ樹脂からなり上面に導電パターン１６ａが設けられたプリント配線板１６が固着されている。ＬＥＤチップ１０の上下両面には、それぞれ端子１３ａ，１３ｂが設けられており、各端子１３ａ，１３ｂはそれぞれボンディングワイヤＷを介してプリント配線板１６の導電パターン１６ａに電気的に接続されている。

本実施形態では、結晶成長用基板１１の上面を粗面化することにより、発光層１２の光が結晶成長用基板１１から出射しやすいようにして、発光層１２の光が結晶成長用基板１１の表面で反射して結晶成長用基板１１内に戻ることによる光出力の低下を抑制し、光の利用効率を向上している。つまり、結晶成長用基板１１が以下の説明において表面を粗面化される被処理体１である。

粗面化に当たっては、図１に示すように、アルカリ金属を含むガラス板２の上に被処理体１を載置し、ハロゲンプラズマ３雰囲気中で被処理体１における光の出射面に対し反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching; RIE）を施している。ハロゲンプラズマ３は、被処理体１とガラス板２とを収納した真空容器（図示せず）内に例えばＣＦ_４ガスを数Ｐａ導入し、真空容器内において被処理体１とガラス板２とを挟む両側に設けられた電極４に例えば３００Ｗの高周波電力を供給することにより発生させる。ガラス板２がハロゲンプラズマ３に晒されることにより、ガラス板２中のアルカリ金属原子は、ハロゲンプラズマ３によって叩き出された後、そのまま又はハロゲン化物として被処理体１の表面に直径数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度の粒子状に堆積する。この堆積物が反応性イオンエッチングにおけるマスクとして機能し、被処理体１の表面には直径数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度の円柱形状乃至円錐形状の突起が無数に形成される。つまり、被処理体１の表面が粗面化される。ここで、本実施形態では、被処理面を予め最大高さ粗さが数μｍ程度となるように粗面化している。本実施形態において図１の工程による粗面化が施される前のＳｉＣの表面の様子を図３に示す。また、本実施形態により粗面化された面を走査電子顕微鏡で撮影した走査二次電子像を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。本実施形態の粗面化により被処理体１に生じる凹凸のピッチはアルカリ金属の濃度やハロゲンプラズマ３の出力に依存し、例えば電極４に供給する電力やＣＦ_４のガス圧を高くしてハロゲンプラズマ３の出力を高くすれば凹凸のピッチは小さくなる。被処理体１の被処理面に残ったアルカリ金属やハロゲン化物は、例えばアッシングによって除去することができる。

上記構成によれば、ハロゲンプラズマにアルカリ金属を含ませたことでエッチングと同時にマスクが形成されているから、エッチングのためのマスクを別途に形成する場合に比べて容易である。また、研磨による粗面化と違って被処理体１に残留応力やクラックが発生しない。本発明者は、本実施形態により、光取り出し効率を約１．１倍とした発光ダイオードを得ることに成功している。

ここで、被処理面を構成する被処理体１の材料はＳｉＣ（ｎ＝２．６）やＧａＮ系半導体（ｎ＝２．５）に限られず、サファイア（ｎ＝１．７７）、ＧａＡｓ系半導体（ｎ＝３．３〜３．８）であってもよく、屈折率の高い材料ほど、外気や封止樹脂との屈折率の差が大きくなって界面での反射による損失が大きくなりやすいから粗面化の効果が高い。

また、ハロゲンプラズマ３を得るために用いるガスはＣＦ_４に限られず、他にも例えばＣ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、ＣＨ_２Ｆ_２、ＳＦ_６などを用いることができる。

さらに、ガラス板２の位置はハロゲンプラズマ３に晒される位置であれば被処理体１の下側に限られず、例えば被処理体１の上側に配置してもよい。なお、ハロゲンプラズマ３中にアルカリ金属を導入する方法としては、他に、上記真空容器内にＮａなどのアルカリ金属の塊を配置してヒータ等で加熱するという方法があるが、本実施形態のようにガラス板２を配置する方法のほうが、アルカリ金属を加熱するためのヒータ等の加熱手段が不要であるから望ましい。

また、図５に示すように、発光層１２で発生した光の波長を変換する蛍光物質を含む例えば透明な合成樹脂からなる蛍光体６を、粗面化によって形成された凹部に含浸させてもよい。発光層１２が青色光Ｌｂを発生させる場合、蛍光体６として、発光層１２で生じた青色光Ｌｂを黄色光Ｌｙに変換する蛍光物質を含むものを用いれば、青色光Ｌｂと黄色光Ｌｙとの混色による白色光を得ることができる。または、蛍光体６を、発光層１２の青色光を緑色光に変換する蛍光物質と、この緑色光を赤色光に変換する蛍光物質とを含むものとすれば、青色光と緑色光と赤色光との混色による白色光を得ることができる。また、発光層１２が例えば紫外光を発生させる場合、蛍光体６として、変換によって青色光を生じる蛍光物質と緑色光を生じる蛍光物質と赤色光を生じる蛍光物質とを含むものを用いれば、青色光と緑色光と赤色光との混色による白色光を得ることができる。

さらに、光学部品は光が入射あるいは出射するものであれば、本実施形態のような発光装置や発光素子に限られず、例えばライトガイドや受光素子などであっても、本発明は適用可能である。

本発明の実施形態を示す説明図である。同上が適用される光学部品の一例である発光装置を示す断面図である。同上の被処理面の粗面化前の状態を示す写真である。（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本実施形態によって粗面化された被処理面の走査二次電子像を示す写真である。同上の別の形態を示す説明図である。粗面化の効果を示す説明図であり、（ａ）は媒質間の界面が粗面化されていない状態を示し、（ｂ）は媒質間の界面が粗面化された状態を示す。

符号の説明

１被処理体
２ガラス板
３ハロゲンプラズマ
６蛍光体
１０ＬＥＤチップ
１１結晶成長用基板

Claims

ＳｉＣで構成されて光が入射又は出射する被処理面を、アルカリ金属を含むハロゲンプラズマとしてのＣＦ _４プラズマを用いた反応性イオンエッチングにより粗面化する工程を備えることを特徴とする光学部品の製造方法であって、
ハロゲンプラズマと被処理面とが存在する環境下に、アルカリ金属を含むガラスを配置することによりハロゲンプラズマにアルカリ金属を含ませることを特徴とする光学部品の製造方法。
被処理面を粗面化する工程の後に、被処理面に残存するアルカリ金属やハロゲン化合物をアッシングにより除去する工程を備えることを特徴とする請求項１記載の光学部品の製造方法。
請求項１又は請求項２の製造方法によって光の出射面が粗面化されていることを特徴とする発光素子。
発生する光の波長を変換する物質を含む蛍光体が、請求項１又は請求項２の製造方法によって粗面化された被処理面に含浸されていることを特徴とする請求項３記載の発光素子。