JP5041732B2

JP5041732B2 - 発光体及びその製造方法

Info

Publication number: JP5041732B2
Application number: JP2006136923A
Authority: JP
Inventors: 義幸古山
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: JP2007311423A

Description

本発明は、発光体及びその製造方法に係り、特に、半導体発光素子の光取り出し面側に微細な複数の突起物の集合からなる反射防止構造を備えてなる発光体とその製造方法とに関する。

従来より、半導体発光素子の光取り出し面側に配置された透光性部材の表面における全反射を抑制して光の取り出し効率を高めるため、光取り出し面に発光層から放射される光の波長以下の周期で面方向に配列された複数の突起物の集合からなる反射防止構造を形成したＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザーダイオード）などの半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

反射防止構造を構成する突起物は、底部の直径及び底部から頂部までの高さが共に発光層から放射される光の波長以下という微細な錐状に形成されるので、外力を受けると容易に破損する。したがって、実用的な発光体においては反射防止構造を外部に露出した状態で配置することはできないのであって、何らかの反射防止構造の保護手段を必要とする。従来より、反射防止構造の保護手段を備えた発光体としては、半導体発光素子と接しない側に反射防止構造が形成された透明基板を半導体発光素子の光取り出し面に配置し、透明基板の反射防止構造形成面を蛍光樹脂体にて被覆したものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−１７４１９１号公報特開２００１−２１７４６７号公報

特許文献２に記載の技術のように、反射防止構造が形成された透明基板を半導体発光素子の光取り出し面に配置し、透明基板の反射防止構造形成面を蛍光樹脂体にて被覆する構造の発光体においては、透明基板と蛍光樹脂体との界面における光の全反射を抑制し、半導体発光素子からの光の取り出し効率を高めるためには、半導体発光素子から放射される光の屈折率が蛍光樹脂体よりも小さい材料をもって透明基板を形成する必要があるが、蛍光樹脂体を構成する樹脂材料（屈折率が約１．５）よりも屈折率が小さい光学材料は限られているので、実際上透明基板材料の選択が難しく、光の取り出し効率が高い発光体を得ることが難しいという問題がある。

なお、特許文献１に記載されているように、透明基板と蛍光樹脂体との間に適度の屈折率を有する反射防止膜を形成すれば、光の取り出し効率を高めることができるが、製造プロセスが複雑になるため、発光体が高コスト化するという別の問題を生じる。

本発明は、かかる従来技術の不備を解決するためになされたものであり、その目的は、安価にして耐久性に優れ、かつ半導体発光素子からの光の取り出し効率が高い発光体を提供すること、及びこの発光体を高能率に製造するための製造方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、発光体に関して第１に、半導体発光素子と、当該半導体発光素子の光取り出し面側に配置された透光性保護層と、これら半導体発光素子と透光性保護層との間に設けられた中空層とを有し、前記透光性保護層には、先端部が前記半導体発光素子の表面に突き当てられた支持用のピラーが一体に設けられており、前記透光性保護層の、前記中空層を介して前記半導体発光素子の光取り出し面と対向する面に、前記半導体発光素子から放射される光の波長以下の周期で面方向に配列された複数の突起物の集合からなる反射防止構造を形成するという構成にした。

このように、半導体発光素子と透光性保護層との間に中空層を設け、透光性保護層の光取り出し面と対向する面、即ち内面側に反射防止構造を形成すると、反射防止構造に直接外力が作用しないので、反射防止構造の破損を防止できる。また、半導体発光素子と透光性保護層との間に中空層を設けると、中空層の光の屈折率は約１．０であるので、透光性保護層を構成する材料の選択を容易にできる。さらに、複数の突起物の集合からなる反射防止構造だけで十分な反射防止効果が得られるので、反射防止膜の形成が不要となる。

また、本発明は、発光体に関して第２に、半導体発光素子と、当該半導体発光素子の光取り出し面側に配置された透光性保護層と、これら半導体発光素子と透光性保護層との間に設けられた中空層とを有し、前記透光性保護層には、先端部が前記半導体発光素子の表面に突き当てられた支持用のピラーが一体に設けられており、前記半導体発光素子の光取り出し面上、及び前記透光性保護層の、前記中空層を介して前記半導体発光素子の光取り出し面と対向する面の双方に、前記半導体発光素子から放射される光の波長以下の周期で面方向に配列された複数の突起物の集合からなる反射防止構造を形成するという構成にした。

このように、半導体発光素子の透光性保護層と対向する面及び透光性保護層の光取り出し面と対向する面の双方に反射防止構造を形成すると、これら２つの反射防止構造による２段階の反射防止効果が得られるので、半導体発光素子から放射された光の取り出し効率をより高めることができる。

また、本発明は、発光体に関して第３に、前記第１又は第２の構成の発光体において、前記中空層内に空気又は窒素ガスが封入されており、前記透光性保護層を前記中空層内の基体よりも屈折率が大きい材料で形成するという構成にした。

中空層内に空気又は窒素ガスを封入し、透光性保護層に中空層内の基体よりも屈折率が大きい材料を用いると、中空層と透明保護層との界面における臨界角を大きくでき、斜め入射光の全反射を抑制することができて、半導体発光素子からの光の取り出し効率を高めることができる。例えば、透光性保護層にガラス又はプラスチックを用いると、中空層内の光の屈折率を約１．０、透光性保護層の光の屈折率を約１．５にすることができる。

一方、本発明は、発光体の製造方法に関して第１に、所要の半導体プロセスを経て作製された半導体発光素子を用意する工程と、当該半導体発光素子の光取り出し面上に犠牲層を形成する工程と、当該犠牲層の外面に前記半導体発光素子から放射される光の波長以下の周期で面方向に配列された複数の突起物の集合からなる凹凸パターンを形成する工程と、当該凹凸パターンが形成された前記犠牲層の外面に透光性保護層を形成し、当該透光性保護層の前記犠牲層と接する面に前記凹凸パターンとは凹凸の向きが逆になった反射防止構造を転写する工程と、前記犠牲層をエッチングによって除去し、前記犠牲層が除去された部分に中空層を形成する工程とを含むという構成にした。

このように、反射防止構造の元になる凹凸パターンが形成された犠牲層を利用すると、透光性保護層に対する反射防止構造の形成及び半導体発光素子と透光性保護層との間における中空層の形成を容易に行うことができるので、反射防止構造を有しない半導体発光素子を用いて、半導体発光素子と透光性保護層との間に中空層が設けられ、かつ透光性保護層の内面側に反射防止構造が形成された発光体を容易かつ高能率に製造することができる。

また、本発明は、発光体の製造方法に関して第２に、所要の半導体プロセスを経て半導体発光素子が作製され、かつ当該半導体発光素子の光取り出し面に前記半導体発光素子から放射される光の波長以下の周期で面方向に配列された複数の突起物の集合からなる第１反射防止構造が形成された反射防止構造付き半導体発光素子を用意する工程と、前記反射防止構造付き半導体発光素子の第１反射防止構造形成面上に犠牲層を形成し、当該犠牲層の前記第１反射防止構造と接する面及びその反対側の面に前記第１反射防止構造を転写する工程と、当該第１反射防止構造が転写された前記犠牲層の外面に透光性保護層を形成し、当該透光性保護層の前記犠牲層と接する面に前記第１反射防止構造とは凹凸の向きが逆になった第２反射防止構造を転写する工程と、前記犠牲層をエッチングによって除去し、前記犠牲層が除去された部分に中空層を形成する工程とを含むという構成にした。

このように、光取り出し面に予め反射防止構造（第１反射防止構造）が形成された反射防止構造付き半導体発光素子を用いると、中空層を介して半導体発光素子の内面側と透光性保護層の内面側とにそれぞれ反射防止構造が形成された発光体を容易に製造することができる。

また、本発明は、発光体の製造方法に関して第３に、前記第１又は第２の発光体の製造方法において、前記犠牲層を形成する工程、前記透光性保護層を形成する工程及び前記中空層を形成する工程のそれぞれをウェーハ段階で行い、これらの各工程が完了した後にウェーハを切断して所要の発光体を得るという構成にした。

周知のようにウェーハとは、半導体製造用の基板であり、プロセス技術を適用することにより多数の半導体を一体に形成するものである。したがって、多数の半導体発光素子がウェーハに形成されている状態で犠牲層、透光性保護層及び中空層の形成を行うと、各層の形成を高能率に行うことができ、かつ１枚のウェーハから所要の発光体を多数個取りすることができる。よって、所要の発光体を個々に製造する場合に比べて発光体の製造能率を格段に高めることができる。

本発明の発光体は、透光性保護層の内面側に複数の突起物の集合からなる反射防止構造を形成したので、反射防止構造が破損しにくく、耐久性に優れる。また、半導体発光素子と透光性保護層との間に中空層を設けたので、透光性保護層を構成する材料として屈折率が約１．０以上の材料を用いることができ、透光性保護層材料の選択を容易化できて、光の取り出し効率が高い発光体の製造を容易化できる。さらに、複数の突起物の集合からなる反射防止構造だけで十分な反射防止効果が得られるので、反射防止膜の形成が不要であり、安価に実施できる。

本発明の発光体の製造方法は、犠牲層に形成された反射防止構造を透光性保護層に転写した後、エッチングにより犠牲層を除去するので、半導体発光素子と透光性保護層との間に中空層を有し、かつ透光性保護層の内面側に反射防止構造が形成された発光体を容易かつ高能率に製造することができる。

以下、本発明に係る発光体の実施形態を、図１及び図２を用いて説明する。図１は第１実施形態に係る発光体の断面図であり、図２は第２実施形態に係る発光体の断面図である。

第１実施形態に係る発光体１Ａは、図１に示すように、半導体発光素子２と、当該半導体発光素子２の光取り出し面２ａ側に配置された透光性保護層３と、これら半導体発光素子２と透光性保護層３との間に設けられた中空層４と、透光性保護層３の光取り出し面２ａと対向する面（内面）側に形成された反射防止構造５とからなる。

一方、第２実施形態に係る発光体１Ｂは、図２に示すように、半導体発光素子２と、当該半導体発光素子２の光取り出し面２ａ側に配置された透光性保護層３と、これら半導体発光素子２と透光性保護層３との間に設けられた中空層４と、半導体発光素子２の光取り出し面２ａに形成された第１反射防止構造６と、透光性保護層３の光取り出し面２ａと対向する面（内面）側に形成された第２反射防止構造７とからなる。

半導体発光素子２としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザーダイオード）などのように、半導体プロセスを経て製造されるものが用いられる。この種の半導体発光素子の構成及び製造方法については、公知の事項であり、かつ本発明の要旨でもないので説明を省略する。

透光性保護層３は、ガラスやプラスチックをもって形成することができる。なお、図１及び図２においては、透光性保護層３の外面が平面状に形成されているが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、透光性保護層３の外面を例えば球面状に形成して、透光性保護層３にレンズとしての機能を付与することもできる。

中空層４には、該部の光の屈折率を約１．０に調整するため、空気や窒素ガスなどの気体が封入される。

反射防止構造５、第１反射防止構造６及び第２反射防止構造７は、半導体発光素子２から放射される光の波長以下の周期ｐで面方向（前後左右）に配列された複数の突起物５ａ，６ａ，７ａの集合をもって構成される。これらの各突起物５ａ，６ａ，７ａは、図１及び図２に示すように錐状に形成されており、その高さｈは半導体発光素子２から放射される光の波長以下の所定の値に調整される。なお、図１及び図２においては、各突起物５ａ，６ａ，７ａの頂部が鋭角状に尖って描かれているが、必ずしもかかる形状にする必要はなく、頂部を平面状又は球面状に形成しても良い。

第１実施形態に係る発光体１Ａは、半導体発光素子２と透光性保護層３との間に中空層４を設け、透光性保護層３の内面側に反射防止構造５を形成したので、反射防止構造５の保護効果が高く、耐久性に優れる。また、本例の発光体１Ａは、半導体発光素子２と透光性保護層３との間に空気又は窒素ガスが封入された中空層４を設け、透光性保護層３をガラス又はプラスチックにて形成したので、中空層の光の屈折率を約１．０、透光性保護層３の光の屈折率を約１．５とすることができ、半導体発光素子２から放射された光の取り出し効率を高めることができる。さらに、本例の発光体１Ａは、複数の突起物５ａの集合からなる反射防止構造５だけで十分な反射防止効果が得られるので、反射防止膜の形成が不要であり、安価に製造できる。

第２実施形態に係る発光体１Ｂは、半導体発光素子２と透光性保護層３との間に中空層４を設け、透光性保護層３の内面側及び半導体発光素子２の内面側の双方に第１及び第２の反射防止構造６，７を形成したので、第１実施形態に係る発光体１Ａと同様の効果を有するほか、これら２つの反射防止構造６，７による２段階の反射防止効果が得られ、半導体発光素子２から放射された光の取り出し効率をより高めることができる。

以下、本発明に係る発光体の製造方法を、図３及び図４を用いて説明する。図３は第１実施形態に係る発光体１Ａの製造手順を示す図であり、図４は第２実施形態に係る発光体１Ｂの製造手順を示す図である。

第１実施形態に係る発光体１Ａは、図３に示すように、所要の半導体プロセスを経て作製された半導体発光素子２を用意する工程〔図３（ａ）〕と、当該半導体発光素子２の光取り出し面上に均一厚さの犠牲層８を形成した後、当該犠牲層８に反射防止構造５の元になる凹凸パターン９と半導体発光素子２の表面にまで達するピラー形成用孔１０とを形成する工程〔図３（ｂ）〕と、当該凹凸パターン９及びピラー形成用孔１０が形成された犠牲層８の外面に透光性保護層３を形成し、当該透光性保護層３の犠牲層８と接する面に凹凸パターン９とは凹凸の向きが逆になった反射防止構造５を転写すると共に、先端部が半導体発光素子２の表面に突き当てられた透光性保護層支持用のピラー１１を形成する工程〔図３（ｃ）〕と、犠牲層８をエッチングによって除去し、犠牲層８が除去された部分に中空層４を形成する工程〔図３（ｄ）〕と、半導体発光素子２と透光性保護層３とを図３（ｄ）の破線部分で切断し、所望の発光体１Ａを得る工程とを経て製造される。中空層４内に窒素ガスなどの空気以外の気体を封入する場合には、切断後、中空層４内に所要の気体を封入する工程と、中空層４を封止する工程とが加わる。

発光体１Ａの製造効率を高めるため、半導体発光素子２としては、ウェーハから切り出される前の状態、即ちウェーハ段階にあるものが用いられる。また、犠牲層８の形成、透光性保護層３の形成、及び中空層４の形成も、ウェーハ段階で行われる。

犠牲層８は、半導体発光素子２及び透光性保護層３を溶解しない特定のエッチング液を用いて選択的に溶解できる材料、例えば、ポリシリコンの化学蒸着（ＣＶＤ）膜をもって形成される。一方、ガラスからなる透光性保護層３は、ＳｉＯ２を化学蒸着することにより形成できる。また、プラスチックからなる透光性保護層３は、所要のプラスチックをスピンコーティングすることなどにより形成できる。

凹凸パターン９は、反射防止構造５の元になるものであって、凹凸の周期は、半導体発光素子２から放射される光の波長以下の値に設定される。また、凹凸の高さも、半導体発光素子２から放射される光の波長以下の値に設定される。凹凸パターン９の形成は、犠牲層８の外面に半導体発光素子２から放射される光の波長以下のピッチで小穴が開設されたマスク部材を被着し、マスク部材の外側から犠牲層８に反応性イオンエッチングを施すことにより行われる。凹凸パターン９を構成する各凹凸の形成サイズは、反応性イオンエッチング時のガス流量を変更することにより適宜調整できる。

ピラー形成用孔１０の形成は、犠牲層８の外面に所要の開口を有するマスク部材を被着し、マスク部材の外側から犠牲層８に反応性イオンエッチングを施すことにより行われる
本例の発光体の製造方法は、反射防止構造の元になる凹凸パターン９が形成された犠牲層８を利用するので、透光性保護層３に対する反射防止構造５の形成及び半導体発光素子２と透光性保護層３との間における中空層４の形成を容易に行うことができる。また、ウェーハ段階で一連の工程を実施するので、各部の形成を高能率に行うことができる。よって、反射防止構造を有しない半導体発光素子２を用いて、所要の発光体１Ａを容易かつ高能率に製造することができる。

一方、第２実施形態に係る発光体１Ｂは、図４に示すように、所要の半導体プロセスを経て半導体発光素子２が作製され、かつ当該半導体発光素子２の光取り出し面２ａ上に半導体発光素子２から放射される光の波長以下の周期で面方向に配列された複数の突起物の集合からなる第１反射防止構造６が形成された反射防止構造付き半導体発光素子２を用意する工程〔図４（ａ）〕と、反射防止構造付き半導体発光素子２の第１反射防止構造６上に犠牲層８を形成し、当該犠牲層の第１反射防止構造６と接する面及びその反対側の面に第１反射防止構造６を転写する工程〔図４（ｂ）〕と、当該犠牲層８の所定の部分に半導体発光素子２の表面にまで達するピラー形成用孔１０を形成する工程〔図４（ｃ）〕と、当該ピラー形成用孔１０が形成された犠牲層８の外面に透光性保護層３を形成し、当該透光性保護層３の犠牲層８と接する面に、当該犠牲層８に転写された第１反射防止構造６を転写して第２反射防止構造７を形成すると共に、先端部が半導体発光素子２の表面に突き当てられた透光性保護層支持用のピラー１１を形成する工程〔図４（ｄ）〕と、犠牲層８をエッチングによって除去し、犠牲層が除去された部分に中空層４を形成する工程〔図４（ｅ）〕と、半導体発光素子２と透光性保護層３とを図４（ｅ）の破線部分で切断し、所望の発光体１Ｂを得る工程とを経て製造される。中空層４内に窒素ガスなどの空気以外の気体を封入する場合には、切断後、中空層４内に所要の気体を封入する工程と、中空層４を封止する工程とが加わる。

透光性保護層３の形成方法、犠牲層８の形成方法、及び中空層４の形成方法（犠牲層８の除去方法）については、先に説明した発光体１Ａの製造方法と同じである。

本例の発光体の製造方法は、図３に示した発光体１Ａの製造方法と同様の効果を有するほか、中空層４を介して半導体発光素子２の内面側と透光性保護層３の内面側とにそれぞれ反射防止構造６，７が形成された発光体１Ｂを容易に製造することができる。

第１実施形態に係る発光体の断面図である。第２実施形態に係る発光体の断面図である。第１実施形態に係る発光体の製造工程図である。第２実施形態に係る発光体の製造工程図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ発光体
２半導体発光素子
３透光性保護層
４中空層
５，６，７反射防止構造
５ａ，６ａ，７ａ突起部
８犠牲層
９凹凸パターン
１０ピラー形成用孔

Claims

半導体発光素子と、当該半導体発光素子の光取り出し面側に配置された透光性保護層と、これら半導体発光素子と透光性保護層との間に設けられた中空層とを有し、
前記透光性保護層には、先端部が前記半導体発光素子の表面に突き当てられた支持用のピラーが一体に設けられており、
前記透光性保護層の、前記中空層を介して前記半導体発光素子の光取り出し面と対向する面に、前記半導体発光素子から放射される光の波長以下の周期で面方向に配列された複数の突起物の集合からなる反射防止構造を形成したことを特徴とする発光体。
半導体発光素子と、当該半導体発光素子の光取り出し面側に配置された透光性保護層と、これら半導体発光素子と透光性保護層との間に設けられた中空層とを有し、
前記透光性保護層には、先端部が前記半導体発光素子の表面に突き当てられた支持用のピラーが一体に設けられており、
前記半導体発光素子の光取り出し面上、及び前記透光性保護層の、前記中空層を介して前記半導体発光素子の光取り出し面と対向する面の双方に、前記半導体発光素子から放射される光の波長以下の周期で面方向に配列された複数の突起物の集合からなる反射防止構造を形成したことを特徴とする発光体。
前記中空層内に空気又は窒素ガスが封入されており、前記透光性保護層を前記中空層内の基体よりも屈折率が大きい材料で形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光体。
所要の半導体プロセスを経て作製された半導体発光素子を用意する工程と、
当該半導体発光素子の光取り出し面上に、後の工程で除去される犠牲層を形成する工程と、
当該犠牲層の外面に前記半導体発光素子から放射される光の波長以下の周期で面方向に配列された複数の突起物の集合からなる凹凸パターンを形成する工程と、
当該凹凸パターンが形成された前記犠牲層の外面に透光性保護層を形成し、当該透光性保護層の前記犠牲層と接する面に前記凹凸パターンとは凹凸の向きが逆になった反射防止構造を転写する工程と、
前記犠牲層をエッチングによって除去し、前記犠牲層が除去された部分に中空層を形成する工程
とを含むことを特徴とする発光体の製造方法。
所要の半導体プロセスを経て半導体発光素子が作製され、かつ当該半導体発光素子の光取り出し面に前記半導体発光素子から放射される光の波長以下の周期で面方向に配列された複数の突起物の集合からなる第１反射防止構造が形成された反射防止構造付き半導体発光素子を用意する工程と、
前記反射防止構造付き半導体発光素子の第１反射防止構造形成面上に、後の工程で除去される犠牲層を形成し、当該犠牲層の前記第１反射防止構造と接する面及びその反対側の面に前記第１反射防止構造を転写する工程と、
当該第１反射防止構造が転写された前記犠牲層の外面に透光性保護層を形成し、当該透光性保護層の前記犠牲層と接する面に前記第１反射防止構造とは凹凸の向きが逆になった第２反射防止構造を転写する工程と、
前記犠牲層をエッチングによって除去し、前記犠牲層が除去された部分に中空層を形成する工程
とを含むことを特徴とする発光体の製造方法。
前記犠牲層を形成する工程、前記透光性保護層を形成する工程及び前記中空層を形成する工程のそれぞれをウェーハ段階で行い、これらの各工程が完了した後にウェーハを切断して所要の発光体を得ることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の発光体の製造方法。