JP5206803B2 - 半導体素子、発光素子及びその基板の製造方法 - Google Patents
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Description
好ましい凹部及び/又は凸部の基板面内形状は、半導体層の成長安定面に対してほぼ平行な面と交叉する直線を構成辺とする形状である。成長安定面に対してほぼ平行な面と交叉する直線とは、より具体的に言えば、基板上面から見て、即ち基板面内において、成長安定面と平行でない直線のこと、別の観点では、基板面と成長安定面との交線に平行でなく、傾斜した基板面内の直線のことである。なお、成長安定面は、成長させる結晶において、一般に、成長の途中に、比較的平滑な面として形成されるファセット面となる。例えば、窒化ガリウム系化合物半導体の場合、A軸に平行な平面(特にM面)が成長安定面となる。従って、基板上面から見て、A軸に平行な平面に平行でない直線(=A軸に平行でない直線)を構成辺とする多角形で凹部又は凸部を形成することが好ましい。ここで、A軸とは、A面に垂直な法線方向を指し、A軸が基板面に傾斜する場合、そのA軸方向を基板面に投影した方向が基板面内のA軸方向であり、A軸に平行な平面とそれに平行でない直線とは、基板面において、前記A軸方向若しくはその基板面内方向に、平行と成らずに傾斜した方向の直線であり、またA軸に平行な平面とは、基板面において、A軸方向若しくはその基板面内方向に平行な直線を、基板面と成す交線とする面である。これは、凹部及び/又は凸部が半導体層の成長安定面に対してほぼ平行な直線を構成辺としていると、半導体層の成膜時にその部位で結晶の欠陥が発生し、これが内部量子効率を低下させ、結果的に外部量子効率を低下させる原因となるからである。
尚、本件明細書において、凹部又は凸部を多角形や円形にするとは、基板上面から観察した場合の平面形状を多角形や円形にすることを指す。また、凹凸の平面形状は、幾何学的に完全な多角形である必要はなく、加工上の理由等から角が丸みを帯びていても良い。
尚、十分に光を散乱又は回折させるためには、凹部又は凸部の相互の間隔が上記と同様にλ/4以上であることが好ましい。具体的には0.5μm以上5μm以下である。好ましくは1μm以上3μm以下である。この範囲であれば、半導体層を効率よく成長させることができ、更には散乱又は回折の効果を高くすることができる。尚、凹凸の相互の間隔とは、隣接する凹部同士又凸部同士における最短の距離をいう。
また、本発明の半導体素子は半導体発光素子とすることで光の取出し効率を向上させた発光素子を提供することができる。また半導体発光素子における光取り出し面に形成されるオーミック電極は全面に形成してもよいが、開口部を有する形状とすることが好ましい(図8a、図8b)。即ち、本発明のように、凹凸を設けた基板上に、半導体層を形成し、その上に開口部を設けた全面電極を形成すると、両者の相乗的な効果によって光の取出し効率は格段に向上する。特に、電極の開口部に、基板表面の凹凸の段差部が少なくとも1つ含まれるようにすることが好ましい。
従って、上記凸部形状、第1,2傾斜面、凸曲面を有する形状、であっても、すなわち、凹部結晶成長が円滑となる側面を凸部が有していても、基板上の半導体の結晶及び素子特性は、基板面内の凸部の配列にも依存しているため、好ましくは、上述したように、図19A、Cのように、狭い経路を有していない凸部平面形状であること、更には、第1〜3領域の直径が上記関係にあり、好ましくは第1,3領域が互いに重なり合うように、高密度で配列された凸部構造であることで、上記凸部形状に加えて、半導体の結晶性に優れた半導体素子を得ることができる。
本発明の第1の実施形態としては、上述したように、図4(a)、図5Aに示すように、基板面からの凸部側面の傾きにおいて、上面側の傾斜角θ2が、底面側の傾斜角θ1より小さくなるものであり、また、基板面からの凹部内壁側面の傾きについては、上面側の内壁傾斜角φ2(図示せず)が底面側の内壁傾斜角φ1(図示せず)よりも大きくなるものである。ここで、凹部の内壁傾斜角φ1、φ2は、凸部の傾斜角θ1、θ2の補角、φi=180°−θi(i=1,2)であり、上面が基板面にほぼ並行である場合、凹部の内壁傾斜角φ2は、凸部上面からの傾斜角θ3にほぼ等しい。
本発明の第2の実施形態としては、上述したように、凸部側面に、凸曲面を形成することであり、具体的には、凸部側面全体に1つの曲面を形成する場合、上面側に凸曲面を形成し、底面側は上記第1傾斜面のように、それよりも平坦な面としたもの、すなわち、側面の一部が曲面状で、一部が平坦状とすることもでき、更に、曲面部を複数、平坦部を複数設けることもできる。例えば、上記第1の実施形態のように第1,2傾斜面が形成された構造において、第2傾斜面部分を曲面として、第1傾斜面をほぼ平坦な面とした構造とすることもできる。基板材料、エッチング条件、半導体層の材料、などにより、側面の状態は適宜変更できる。
また本発明における半導体発光素子の各構成を以下に詳細を示す。前記基板10は、窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる基板であればよく、該基板10の大きさや厚さ等は特に限定されない。この基板としては、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板、また炭化珪素(6H、4H、3C)、シリコン、ZnS、ZnO、Si、GaAs、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。また、デバイス加工が出来る程度の厚膜(数十μm以上)であればGaNやAlN等の窒化物半導体基板を用いることもできる。異種基板はオフアングルしていてもよく、サファイアC面を用いる場合には、0.01°〜3.0°、好ましくは0.05°〜0.5°の範囲とする。
実施形態4では、上記発光素子100を、その電極形成面で積層基体104に、実装、接合した素子積層体103であって、その模式断面図を図22Bに示す。発光素子100を素子積層体103として、他の形態として、上述したように素子側で分離された複数の電極14,16、発光構造部151を、基体104側電極で互いに電気的に接続し、実装、接合されても良い。基体104側電極は、発光素子100側電極14,16に対応して、互いに絶縁膜などで絶縁分離されて設けられ、外部接続用の電極が設けられている。基体104に素子部115を設けても良く、ここでは、図22Bの等価回路図に示すように、電流、静電保護素子(素子構造部115)として、p型層(第1導電型層)115a、n型層(第2導電型層)115bを設けている。ここでは、素子部115を基体104に1つだけ設けているが、2つ以上設けて外部(素子100、実装基体201)の電極、基体104側配線などで接続される形態などでも良く、また、保護素子は、基体104上、発光装置200内(載置部222)に実装して、発光素子にワイヤ接続、配線接続されても良い。
図23,24は、本発明において、発光素子100及びその積層体103を実装基体201に実装した発光装置200である。発光装置200の一例としては、図24に示すように、装置基体220により、リード部210が固定され、リード部の一方をマウント・リード210として、実装基体201として機能し、その収納部(凹部)202内に発光素子100(積層体104)が接合層114(接着層204)を介して実装され、凹部(開口部225)側面を反射部203とし、且つ、基体201は、放熱部205として機能させて外部放熱器に接続しても良い。また、装置基体202には、光取出し部223に開口して(開口部225)、テラス部222が基体201外部に設けられ、保護素子などの他の素子を実装しても良く、凹部202、基体220開口部には、透光性の封止部材230で封止され、また凹部202外部にも反射部203が設けられている。また、リード電極210は、基体220内部の内部リード211と、それを基体220外部に延在させた外部リード212により、外部と接続される。発光素子100(積層体103)は、各リード210に、ワイヤ250接続、電気的接合204により電気的に接続される。
図23,24の発光装置に示すように、光変換部材106、若しくは発光装置200内の光変換層231は、発光素子100の光を一部吸収して、異なる波長の光を発光するものであり、蛍光体を含有したものを用いることができる。このような光変換部材106、光変換層231は、上記のように発光素子100一部若しくは全体、又はそれに加えて積層基体104の一部に被覆して、被覆膜105として形成されてもよい。蛍光体のバインダーとしては、少なくともSi、Al、Ga、Ti、Ge、P、B、Zr、Y、Sn、Pb、あるいはアルカリ土類金属の群から選択される1種以上の元素を含む酸化物及び水酸化物は、少なくともSi、Al、Ga、Ti、Ge、P、B、Zr、Y、Sn、Pb、あるいはアルカリ土類金属の群から選択される1種以上の元素を含む有機金属化合物(好ましくはさらに酸素を含む)により生成される。ここで、有機金属化合物には、アルキル基,アリール基を含む化合物等が含まれる。このような有機金属化合物として、例えば金属アルコキシド、金属ジケトナート、金属ジケトナート錯体、カルボン酸金属塩等が挙げられる。図23に示すように、発光装置200の封止部材230の一部として設けられても良く、図に示すように発光素子100に離間して、封止部材230a上、若しくは230bとの間に設けられた層231として形成されても良く、封止部材230内に分散して光変換部材を含有して、封止部材230を光変換層231としても良く、装置基体220、実装基体201、凹部収納部202内に沈降層として設けられても良い。また、図24に示すように、凸部が設けられた基板、及び/又は発光素子構造100を被覆する膜105に光変換部材106が設けられる形態でも良い。本発明の発光素子において、基板の素子構造形成面に対向する面、すなわち裏面と、側面に上記被覆膜が設けられる場合、基板側面と基板裏面とで出射する光強度の差が大きいと、変換された光及びそれと発光素子光との混合光が、指向角において色むらが発生する傾向にあるが、上述したように本発明の発光素子に設けられた凸部20を備えた基板であることで、この問題を抑えることができる。更に、光変換部材に、2種類以上の蛍光体、具体的には、変換光の波長の異なる2種以上の蛍光体を用いる場合に、そのような色むらの問題は深刻化する傾向にあるが、本発明の発光素子では、発光素子の指向性を改善するため、この問題を改善することができる。以上では、チップの被覆膜105について述べたが、上記封止部材中における光変換部材の場合でも、また発光素子構造側を光取り出し面側とする場合でも同様な効果が得られる。
本発明について、以下に実施例を示すが、本発明はこれに限定されず、上記本発明の技術思想に基づいて、他の態様にも適用できる。
図20,21に示す実施例A,B,Cは、それぞれ、以下のように形成でき、ここで、各基板は、C面を主面として、A面をオリフラ面とするサファイア基板を用いる。
基板としてA面(11 2− 0)にオリフラのあるC面(0001)を主面とするサファイア基板を用いる。まずサファイア基板10上に図2aに示されるようにエッチングマスクとなるSiO2膜25を成膜する。
これを、反射鏡を備えたリードフレームに実装して、砲弾型のLEDを作製する。
比較例として、サファイア基板の表面に凹凸を1段階で設け、他の構成は実施例1と同様にして砲弾型LEDを形成したところ、順方向電流20mAにおいて、外部への発光出力が9.8mWであった。
基板としてA面(11−20)にオリフラのあるC面(0001)を主面とするサファイア基板を用いる。サファイア基板10に形成する凸部を円形であって、直径φ=3μmの保護膜を用いる。凸部の最上面を直径φ=2μm、凸部と凸部の間隔を1.0μmとする。また、凸部側面の傾斜角θ1は70°、傾斜角θ2は20°である。この凸部の配列は図7bの形状とする。その他は実施例1と同様にする。以上より得られるLEDは、順方向電流20mAにおいて、外部への発光出力が14.0mWとなる。
実施例1において、以下の条件で基板に凸部を形成する。1辺5μmの正三角形のフォトマスクを使用し、正三角形の1辺がオリフラと垂直となるようにフォトマスクをあわせ、正三角形の各辺をサファイアの(1−100)、(01−10)、(−1010)、すなわちM面にほぼ平行となるようにし、図2b、2cに示されるようにSiO2から成る保護膜25とサファイア基板10をRIEで1μmエッチングした後、保護膜25を除去する。さらに、サファイア基板10の表面部分にエッチングをすることで図2dに示される凸部20(斜線部がエッチングされていない領域)の繰り返しパターンが形成される。凸部の一辺の長さa=2μm、凸部と凸部の間隔b=1.5μmとする。また、凸部側面の傾斜角θ1は70°、傾斜角θ2は20°とする(図13)。その他は実施例1と同様にする。以上より得られるLEDは、順方向電流20mAにおいて、外部への発光出力が12.0mWとなる。
11・・・n型半導体層(第1導電型層)
12・・・活性層
13・・・p型半導体層(第2導電型層)
14・・・p側オーミック電極
15・・・p側パッド電極
17・・・保護膜
20・・・凸部
Claims (3)
- 複数の凸部を有する基板と、前記基板の凸部を有する面側に形成される半導体層と、を有する半導体素子であって、
前記凸部は上面と側面とからなり、
前記凸部の側面は、前記基板の底面側に縦方向の溝が形成された傾斜面と、上面側に底面側よりも表面粗さの小さい傾斜面と、を有することを特徴とする半導体素子。 - 前記凸部の側面は、前記基板の底面側から第1の傾斜面と第2の傾斜面とを有し、
前記第2の傾斜面における前記基板の底面に対する傾斜角θ2が、前記第1の傾斜面における前記基板の底面に対する傾斜角θ1よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。 - 前記凸部の側面は、1つの凸曲面を有することを特徴とする請求項1又は2記載の半導体素子。
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