JP5572202B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置に関する。

可視〜赤外の波長範囲を有する光を放出可能な照明装置、ＬＥＤ表示装置、画像表示装置のバックライト光源、などには、高輝度発光装置が要求される。

ＩｎＡｌＧａＰ系発光層から放出される可視〜赤外の波長範囲を有する光は、基板となるＧａＡｓに吸収され輝度が低下する。このために、ＧａＡｓと格子整合容易な発光層を含む結晶成長層と、ＧａＡｓとは格子不整合であるが透光性を有するＧａＰ基板と、をウェーハ接着工程などを用いて積層し、高輝度を得る構造が用いられる。

また、高輝度化には、外部への光取り出し効率及び内部効率を高めるチップ構造が必要である。このうち光取り出し効率を高めるのに、ＩＴＯ（indium tin oxide）などの透明電極をチップ表面に設ける構造が用いられる。しかしながら、ＩＴＯなどの透明電極は、光透過率が低く且つ良好なオーミック接触を得にくいなどの問題がある。

外部量子効率を向上させる高出力の発光素子に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、素子の上面から見て細長い長方形の光取り出し窓をエッチング加工により形成する。エッチング加工により形成された凹部の側壁部には発光部の端面が露出し、外部への光取り出し効率を改善している。
しかしながら、この技術開示例では、凹部を発光層よりも深い位置までエッチングする必要があり製造プロセスが複雑となり、且つ発光部端面近傍が露出することにより結晶表面が劣化しやすいなどの問題を生じやすい。

特開２００２−１６４５７４号公報

光吸収が低減され、高輝度が可能な発光装置を提供する。

本発明の一態様によれば、発光層と、上側電極と、前記発光層と前記上側電極との間に設けられ、前記発光層の側の第１の層と、前記第１の層のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有し前記上側電極の側に設けられた第２の層と、を有する電流拡散層であって、前記上側電極の非形成領域に設けられ前記発光層の側に向かうに従って幅が狭くなる凹部を有し、前記第２の層上に前記上側電極が設けられ、前記第２の層の側面は前記凹部の側面の少なくとも一部である、電流拡散層と、前記発光層に対して前記電流拡散層とは反対の面の側に設けられた反射層と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。

光吸収が低減され、高輝度が可能な発光装置が提供される。

第１の実施形態にかかる発光装置の模式図 本実施形態にかかる発光装置の製造方法のフローチャート エピタキシャルウェーハの模式断面図 ＮＦＰを説明する図 第２の実施形態にかかる発光装置を表す図

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる発光装置の模式図である。すなわち、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図である。
ＧａＰなどからなる透光性基板１０の上に、第１のクラッド層１４、発光層１６、第２のクラッド層１８、電流拡散層２０、などからなる半導体積層体が設けられている。

電流拡散層２０の上にはボンディング電極４０と、細線電極４２と、からなる上側電極４３が設けられている。本図において、細線電極４２は、ボンディング電極４０と距離Ｌ１だけ離間し幅がＷ１である第１の細線電極４２ａと、第１の細線電極４２ａから距離Ｌ２だけ離間し幅がＷ２である第２の細線電極４２ｂと、及び第２の細線電極４２ｂから距離Ｌ３だけ離間し幅がＷ３である第３の細線電極４２ｃと、ボンディング電極４０との連結部４２ｄと、を有している。ボンディング電極４０は、連結部４２ｄにより３つの細線電極４２ａ、４２ｂ、及び４２ｃと平面的に連結している。ボンディングにおけるワイヤのつぶれなどを考慮し、ボンディング電極４０の直径Ｄは、例えば１００μｍ近傍とすることができる。

上側電極４３に印加された電圧により、電流拡散層２０を介して発光層１６にキャリアが注入される。電流拡散層２０は、電流を発光層１６の結晶成長面に沿った横方向に広げて発光領域を拡大するが、上側電極４３の直下から横方向に向かって離れるに従い電流が流れにくくなる。このために、細線電極４２をボンディング電極４０の周囲に一定距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３だけ離間してそれぞれ配置し、発光層１６のより広い横方向領域にキャリアが広がりやすくして光出力を高める。

この場合、ボンディング電極４０及び細線電極４２は発光層１６から上方へ向かう放出光を遮る。このため、横方向へ電流を拡散をしつつ上方へ放出光Ｇ１を出射可能なように、細線電極４２の幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３及び距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を適正に決定する。

他方、発光層１６からＧａＰ基板１０へ向かう光は、透光性を有するＧａＰ基板１０内を透過しつつ下側電極４５及び反射層４６により反射されるか、または直接に、側方へ向かう放出光Ｇ２となる。

ＧａＰ及びＩｎＧａＡｌＰ系材料においては、キャリア濃度を高めると結晶性低下などを生じ光吸収が増加する。本実施形態では、上側電極４３の非形成領域であり、電流密度が低くなる電流拡散層２０の領域の一部を除去して凹部２０ｃを形成し、光吸収を低減し高輝度とする。凹部２０ｃは、電流拡散層２０を貫通していない。つまり、凹部２０ｃの深さは、電流拡散層２０の厚みよりも小さい。また、細線電極４２にはワイヤボンディングを行う必要がないので、横方向へ電流を拡散可能である範囲内において、その幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を狭くし光取り出し効率を高める。なお、電流拡散層２０の構造及び作用に関しては、のちに説明する。

図２は、本実施形態にかかる発光装置の製造方法を説明するフローチャートである。
また、図３は、エピタキシャルウェーハの模式断面図である。
透光性を有しｎ型であるＧａＰ基板１０と界面１１において接着し、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰなどを含む接着層１２（厚さ０．４μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）上に、上部成長層２５が積層されている。

上部成長層２５としては、ｎ型ＩｎＡｌＰからなるクラッド層１４（厚さ０．６μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘ）_０．５Ｐ（０≦ｘ≦１）からなる発光層１６、ｐ型ＩｎＡｌＰからなるクラッド層１８（厚さ０．６μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）、ｐ型Ｉｎ_ｙ（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_１−ｙＰ（０≦ｙ≦１）からなる電流拡散層２０（厚さ１．５μｍ、キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３）、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰからなる中間層２２（厚さ０．１μｍ、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３）、及びｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層２４、をこの順序で積層する（Ｓ１００）。なお、電流拡散層２０を、例えば第１の層２０ｂ（厚さ０．２μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）と、第２の層２０ａ（厚さ１．３μｍ、キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３）と、の２つの層とすることもできる。

また、発光層１６を、例えば多重量子井戸構造とすると、動作電流の低減及び可視〜赤外光波長範囲において発光波長の制御が容易となる。この上部成長層２５は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法及びＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いて結晶成長可能である。

ＧａＰ基板１０のマウント面側に、スパッタ法または蒸着法などを用いてＡｕＧｅなどからなる下側電極４５及び反射層４６を形成する（Ｓ１０２）。この場合、下側電極４５の被覆率を３０％などとし、反射層４６を誘電体多層膜または金属などを用いて形成すると、下面において光吸収を低減し高輝度とすることが容易となる。

さらに、上部成長層２５の上に、リフトオフ法などを用いてＡｎＺｎなどからなる上側電極４３を形成する（Ｓ１０４）。のちに電流拡散層２０の表面に凹部２０ｃを形成する工程において、細線電極４２の直下がオーバーエッチングとなると、細線電極４２と発光層１６との間に高い直列抵抗を生じること、または細線電極４２が消失すること、などにより発光層１６へのキャリア注入が不十分となりやすい。細線電極４２の幅Ｗ１、Ｗ２、及びＷ３を３μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上とすると、確実にキャリアを発光層１６へ注入できる。 なお、ＧａＰ基板１０をｎ型とする場合、上側電極４３はｐ型電極、下側電極４５はｎ型電極となる。

続いて、上側電極４３と電流拡散層２０との間に設けられているコンタクト層２４及び中間層２２のうち、上側電極４３の非形成領域をエッチングにより除去する（Ｓ１０６）。コンタクト層２４を構成するＧａＡｓは、可視光を吸収し光出力を低下させるので除去することが好ましい。

このあと、シンター工程などを行いコンタクト層２４と上側電極４３との間、及びＧａＰ基板１０と下側電極４５との間、をそれぞれオーミック接触とする。続いて、電流拡散層２０のうち、上側電極４３の非形成領域の一部にエッチング法を用いて凹部２０ｃを形成する。この場合、上側電極４３をマスクとして塩酸系、燐酸系、及び硫酸系などのエッチング溶液を用いて電流が拡散されにくい領域に凹部２０ｃを形成する（Ｓ１０８）。なお、上側電極４３をマスクとせずに、凹部２０ｃをパターニングにより形成することもできる。

ウェーハ状態において凹部２０ｃに樹脂などの透光性を有する誘電体を充填するかを判断し（Ｓ１１０）、充填しない場合、素子分離工程（Ｓ１１６）へと進む。

他方、樹脂などを凹部２０ｃ内に充填する場合、スピンコート法などを用いて、ウェーハ表面に均一に樹脂を塗布する（Ｓ１１２）。必要に応じて樹脂硬化を行い、ＣＤＥ（Chemical Dry Etching)法などのドライエッチング法を用いてボンディング電極４０の表面を露出させる（Ｓ１１４）。なお、誘電体としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）などを用いる場合、スパッタ法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いることができる。

このあと素子分離を行い（Ｓ１１６）、実装部材にチップ接着及びワイヤボンディングなどを行い発光装置を組み立てる（Ｓ１１８）。この場合、チップを覆うように封止樹脂を形成すると、チップの保護が容易となり、且つ光取り出し効率を高めることが容易となる。ウェーハ状態で誘電体を形成しない場合、素子分離ののちの組立工程において、凹部２０ｃに封止樹脂を充填する。この様にして、光吸収が低減され且つ光取り出し効率が改善され、高輝度を得ることが可能な発光装置の量産性に富む製造方法が提供される。

また、本実施形態にかかる製造方法では、凹部２０ｃの深さを発光層１６に到達させる必要が無く、凹部２０ｃの形成プロセスが容易である。発光層１６を露出させると、その形成プロセスにより発光層１６の内部または表面に、結晶欠陥を生じ輝度低下または通電劣化などを生じることがある。発光層１６の発光領域が露出していない本実施形態では、結晶欠陥の発生が抑制され、より高い信頼性を確保するのが容易である。

次に、凹部２０ｃの構造及びその作用について説明する。
図４は、チップ表面近傍におけるＮＦＰ（Near Field Pattern：近視野像）を説明する図である。すなわち、図４（ａ）は第１の実施形態、図４（ｂ）は比較例をそれぞれ表す。
図４（ａ）において、ボンディング電極４０と細線電極４２ａとの距離Ｌ１、細線電極４２と細線電極４２ｂとの距離Ｌ２、及び細線電極４２ｂと細線電極４２ｃとの間の距離Ｌ３、はそれぞれ略２０μｍとしているが、もちろんこれに限定されるものではない。なお、本図では、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った径方向位置に沿ったＮＦＰの相対発光強度を表している。

ボンディング電極４０及び細線電極４２からチップの縦方向に流れる電流は、電流拡散層２０により横方向に広がり、破線で表す方向に沿ってキャリアＪが発光層１６に注入される。このため、上側電極４３の直下近傍よりも広がった発光層１６内の発光領域Ｋから放出光が出射可能となる。

例えば図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面において、エッチングにより形成された凹部２０ｃを通過した放出光により上側電極４３の端部近傍でＮＦＰの相対発光強度が極大となり、上方から見て上側電極４３に挟まれた中間近傍で極小となる。なお、図４（ａ）において、チップ上面には屈折率ｎ_１の封止樹脂５２が充填されているものとする。封止樹脂５２としては、エポキシ及びシリコーンなどがあり、これらの屈折率ｎ_１は、例えば１．４〜１．５の範囲内にある。

他方、図４（ｂ）は、比較例にかかる発光装置を表す図である。比較例において、電流拡散層１２０は、凹部を有しておらず、その上部は屈折率ｎ_１が１．４の封止樹脂で覆われているものとする。電流拡散層１２０のキャリア濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３，その厚さを１．５μｍとすると、ボンディング電極１４０と細線電極１４２ａとの間、及び細線電極１４２ａと１４２ｂとの間、のそれぞれの領域１２０ａは、電流が十分には拡散しない上に、高濃度による結晶性の低下などのため光吸収が大きい。すなわち、光取り出し効率を低下させている。この結果、領域１２０ａの中央部近傍においてＮＦＰの相対発光強度はゼロ近傍まで低下することがある。

これに対して、図４（ａ）に表す本実施形態のＮＦＰの相対発光強度は、上側電極４３の中間近傍においてもその低下量が少なく、高輝度を保つことが容易である。

なお、図４（ａ）において、凹部２０ｃの深さは電流拡散層２０の厚さよりも小さいが、凹部２０ｃが電流拡散層２０を略貫通し、クラッド層１８が露出していてもよい。また、電流拡散層２０が、キャリア濃度が４×１０^１７ｃｍ^−３且つ厚さが０．２μｍの第１の層２０ｂと、その上に設けられたキャリア濃度が１．５×１０^１８ｃｍ^−３且つ厚さが１．３μｍの第２の層２０ａと、を有する構造とすることができる。この場合、光吸収が大きい第２の層２０ａは除去されるので高い光出力を保ちつつ、残っている第１の層２０ｂにより電流を横方向へ広げることが容易となる。

なお、エッチング溶液を適正に選択し、凹部２０ｃの側壁を図４（ａ）のように傾斜させると、電流の拡散が容易となり、側壁近傍において上方への光の取り出し効率をより高めることが容易となる。

図５は、第２の実施形態にかかる発光装置を表す図である。
本実施形態では、凹部２０ｃ内に電流拡散層２０の屈折率ｎ_３と、封止樹脂５２の屈折率ｎ_１と、の間の屈折率ｎ_２（ただし、ｎ_３＞ｎ_２≧ｎ_１）を有する透光性誘電体５０を充填する。

例えば電流拡散層２０の屈折率ｎ_３を３．２とし、発光素子チップの表面を覆う封止樹脂５２の屈折率ｎ_１を１．４とすると、チップ内部から封止樹脂５２へ直接出射する場合の臨界角θ_Ｃ１は略２６°となる。また、透光性誘電体５０の屈折率ｎ_２を１．７４とすると、電流拡散層２０と透光性誘電体５０との界面の臨界角θ_ｃ３は略３４°であり、透光性誘電体５０と封止樹脂５２との界面の臨界角θ_Ｃ２は略５３°となる。

他方、図４（ｂ）の比較例では、臨界角θ_Ｃ１は略２６°であるので、光取り出し可能な放出光の角度範囲が狭く、電流拡散層１２０と封止樹脂との界面で全反射する割合が増える。界面で反射された光は、チップ内部で多重反射を繰り返し、ついには熱損失となるので光取り出し効率を低下させる。

これに対して、本実施形態では、屈折率が電流拡散層２０と封止樹脂５２との中間の範囲にある透光性誘電体５０を介して放出光を外部に取り出すことにより、それぞれの界面での全反射を低減し光取り出し効率を高め、鎖線で表すＮＦＰの相対発光強度が実線で表す第１の実施形態の相対発光強度よりも高くできる。このために、高輝度とすることがより容易となる。

なお、透光性の誘電体５０として、例えばチオウレタン系樹脂を用いることができる。この屈折率は、例えば１．７〜１．７４である。なお、透光性を有する金属酸化物などの微粒子を透光性樹脂に分散配置するとより高い屈折率とでき、より高輝度とすることが容易となる。

第２の実施形態は、透光性誘電体５０をポリイミド樹脂などとし、その屈折率ｎ_２と、封止樹脂５２の屈折率ｎ_１と、が近い場合も含むものとする。さらに透光性の誘電体５０と封止樹脂５２とが同一材料であってもよく、例えば、封止樹脂５２が凹部２０ｃ内を充填していてもよい。

以上の実施形態において、ＧａＰ基板１０の導電型をｎ型及び電流拡散層２０の導電型をｐ型としたが、本発明はこれに限定されず、ＧａＰ基板１０の導電型をｐ型及び電流拡散層の導電型をｎ型としてもよい。

なお、本明細書において、ＩｎＧａＡｌＰ系とは、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。

しかし、本発明はこれに限定されず、例えばＩｎ_ｚ（Ｇａ_ｗＡｌ_１−ｗ）_１−ｚＮ（ただし、０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。この場合、樹脂に蛍光体を分散配置すると、蛍光体による波長変換光と発光層１６からの放出光との混合光を高輝度とすることができる。

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明は、これらの実施形態に限定されない。本発明を構成する基板、発光層、電流拡散層、凹部、ボンディング電極、細線電極、下側電極、封止樹脂、透光性誘電体などの材質、サイズ、形状、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

１０ ＧａＰ基板、１６ 発光層、２０ 電流拡散層、２０ｃ 凹部、４０ ボンディング電極、４２ 細線電極、４３ 上側電極、５０ 透光性誘電体、５２ 封止樹脂、Ｇ１、Ｇ２ 放出光

Claims (4)

1. 発光層と、
   上側電極と、
   前記発光層と前記上側電極との間に設けられ、前記発光層の側の第１の層と、前記第１の層のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有し前記上側電極の側に設けられた第２の層と、を有する電流拡散層であって、前記上側電極の非形成領域に設けられ前記発光層のの側に向かうに従って幅が狭くなる凹部を有し、前記第２の層上に前記上側電極が設けられ、前記第２の層の側面は前記凹部の側面の少なくとも一部である、電流拡散層と、
   前記発光層に対して前記電流拡散層とは反対の面の側に設けられた反射層と、
   を備えたことを特徴とする発光装置。
2. 前記電流拡散層の前記凹部に設けられ、前記発光層から放出される光に対して前記電流拡散層の屈折率よりも低い屈折率と前記電流拡散層の透光性よりも高い透光性とを有する誘電体をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記凹部の深さは、前記電流拡散層の厚さよりも小さい請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記電流拡散層と、前記上側電極と、の間に設けられたコンタクト層をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。

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