JP5885436B2 - 発光素子および発光素子パッケージ - Google Patents
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Description
特許文献1の図1に開示された半導体発光素子は、基板と、基板上に形成され、ナノサイズ加工された加工層と、加工層を覆うように基板上に形成されたn型半導体層と、n型半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成されたp型半導体層とを備えている。
一方、高い光散乱効果を得ることができる程度の占有率で微細凸パターンが基板の表面に直接形成されていると、互いに隣り合う微細凸部の間が狭すぎて基板の表面がほとんど露出しないため、基板上にn型窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、微細凸部の間に窒化物半導体が十分に核成長できないおそれがある。
また、屈折率が限りなく1に近い空気の層(空間)が微細凸部の間に存在するので、微細凸パターンにより光散乱効果を一層向上させることができる。
また、前記基板の前記表面の一定の領域における前記凸パターンの占有率は、50%〜55%であることが好ましい。
凸パターンの占有率が上記範囲であれば、微細凸パターンの光散乱効果を増大させることができるので、外部量子効率を一層向上させることができる。
また、本発明の発光素子において、前記基板の前記表面を基準に測定された前記凸部の高さHは、1.0μm〜3.0μmであることが好ましい。また、前記基板の前記表面を基準に測定された前記ベース部の高さh1は、前記凸部の高さHの10%〜95%であることが好ましい。また、前記ベース部の頂部を基準に測定された前記微細凸部の高さh2は、前記凸部の高さHの5%〜90%であることが好ましい。
また、前記凸パターンの前記第1ピッチは、前記ベース部の前記幅w1の1.1倍〜1.3倍であることが好ましく、前記微細凸パターンの前記第2ピッチは、前記微細凸部の前記幅w2の1.1倍〜1.3倍であることが好ましい。
また、本発明の発光素子は、前記基板の前記表面を上方に向けたフェイスアップ姿勢で用いられるものであってもよく、その場合、前記基板の裏面に形成され、前記基板を透過した光を反射させる反射メタルをさらに含むことが好ましい。
そして、本発明の発光素子を、樹脂パッケージで覆うことにより、本発明の発光素子パッケージを構成することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る発光素子1の模式的な平面図である。図2は、図1の発光素子1の模式的な底面図である。図3は、図1の発光素子1の模式的な断面図であって、図1の切断線A−Aでの断面を示している。図4Aは、図3の凸パターン20の一例を示す図である。図4Bは、図3の凸パターン20の他の例を示す図である。
発光素子1は、表面3および裏面4を有する基板2と、基板2の表面3に順に積層されたn型窒化物半導体層としてのn型GaN層6、発光層7(たとえばInGaN)およびp型窒化物半導体層としてのp型GaN層8からなる窒化物半導体積層構造部9とを含む。この実施形態では、基板2の表面3が光取出し面34(後述)側の面となっており、発光層7が発光すると、ほとんどの光は、p型GaN層8を透過して、発光層7に対して基板2の反対側(光取出し面34側)から取り出される。
基板2の裏面4には、透明接着層10、反射メタル11、バリアメタル12および接合メタル13がこの順に積層されている。透明接着層10は、その側面14(外郭)が基板2の側面5と面一に揃うように基板2の裏面4全面に形成されている。この透明接着層10上の反射メタル11、バリアメタル12および接合メタル13は、それらの側面15,16,17(外郭)が互いに面一に揃っており、揃った側面15,16,17が透明接着層10の側面14に対して内側において、個々のメタル11,12,13を区画している。したがって、図2に示すように、反射メタル11、バリアメタル12および接合メタル13は、透明接着層10の裏面に収まる大きさで形成されていて、発光素子1を光取出し面34の反対側(基板2の裏面4側)から見たときに、反射メタル11、バリアメタル12および接合メタル13を取り囲む透明接着層10の周縁部18(透明接着層10の裏面)が露出している。
透明接着層10は、たとえば、発光層7の発光波長λに対して透明な材料(たとえばITO(酸化インジウム錫)、ZnO(酸化亜鉛))からなる。
窒化物半導体積層構造部9は、平面視で発光素子1とほぼ相似な長方形となるようにp型GaN層8からn型GaN層6が露出する深さまでエッチングされている。そして、n型GaN層6は、窒化物半導体積層構造部9から、基板2の表面3に沿う横方向に引き出された引き出し部21を有している。すなわち、引き出し部21は、n型GaN層6の延長部で構成されている。
引き出し部21の外周部23は、この実施形態では、基板2の厚さ方向において反射メタル11と対向しない程度の幅で形成されている。これにより、外周部23の上に電極などの部材が形成されても、その部材が反射メタル11と対向することにならないので(つまり、部材が光取り出しの際の障害物にならないので)、反射メタル11で反射した光の取り出し効率を向上させることができる。
この実施形態では、パッドスペース25は、窒化物半導体積層構造部9の長手方向一端部に配置され、配線スペース26は、パッドスペース25から当該長手方向にパッドスペース25の反対側に延びている。また、パッドスペース25の幅(直径)は、90μm〜120μm程度であり、配線スペース26の幅は、20μm〜30μm程度である。
n側メタル配線28は、たとえば、AlやCrからなる。この実施形態では、Alを引き出し部21(n型GaN層6)に接するように形成し、そのAl上にCrを形成することでn側メタル配線28を構成している。n側メタル配線28の厚さは、たとえば、700nm程度である。
n側電極27に関しては、n側メタル配線28が、平面視で反射メタル11を長手方向に横切って、基板2の厚さ方向に反射メタル11と対向することになるが、n側メタル配線28が細線状に形成されているため、反射メタル11で反射した光の取り出し効率に与える影響が少なくて済む。一方、n側メタル配線28よりも幅が広いn側パッド29も反射メタル11に対向することになるが、このn側パッド29は反射メタル11の周縁部にしか対向していないので、n側メタル配線28と同様に、反射メタル11で反射した光の取り出し効率に与える影響が少ない。
この実施形態では、p側パッド32は、窒化物半導体積層構造部9の長手方向におけるn側パッド29の反対側に配置され、p側メタル配線33は、平面視において反射メタル11の外側を、直線部24上のn側メタル配線28と平行に敷設されている。とりわけ、p側メタル配線33は、直線部24上のn側メタル配線28を挟むように、当該n側メタル配線28に対して一方側および他方側に1本ずつ設けられ、それぞれのp側メタル配線33が、p側パッド32におけるn側パッド29から遠い側の端部に一体的に接続されている。
まず、複数の凸部19は、互いに第1ピッチp1(たとえば、4.5μm〜5.5μm)を空けて、基板2の表面3に千鳥状に配列されていて、たとえば、基板2の表面3の一定の領域における凸パターン20の占有率は、50%〜55%である。凸パターン20の占有率は、この実施形態では、互いに隣り合う3つの凸部19の中心を結んでできる三角形(図6の破線参照)からなる基本格子の内側に収まる凸パターン20の平面面積の割合を示している。
ベース部37は、直方体形状に形成されており、その高さ(基板2の表面3を基準に測定された高さ)h1は、たとえば、1.0μm〜1.5μmである。また、ベース部37は、ミクロンオーダの幅w1を有している。ミクロンオーダとは、幅w1の値が「μm」との単位で表すことが適当である場合を示し、たとえば、数μmから1000μm未満のことである。ベース部37の幅w1は、具体的には、2.0μm〜5.0μmである。
各微細凸部35は、円柱形状に形成されており、その高さ(ベース部37の表面38を基準に測定された高さ)h2は、たとえば、0.5nm〜1.0nmである。また、ベース部37の高さh1と微細凸部35の高さh2とを合わせた凸部19の高さ(基板2の表面3を基準に測定された高さ)Hは、たとえば、1.0μm〜2.0μmである。
そして、このような凸パターン20を覆うn型GaN層6は、互いに隣り合う微細凸部35の間に入り込まない一方、互いに隣り合う凸部19の間には入り込み、凸部19の間を満たしている。これにより、各凸部19には、微細凸部35の頂部の間に跨るn型GaN層6と、微細凸部35とによって区画された空間39(屈折率nAir≒1)が形成されている。
発光素子1を製造するには、たとえば、図8Aに示すように、基板ウエハ41(たとえば、350μm〜900μmのウエハ)を準備する。
次に、図8Bに示すように、基板ウエハ41の表面3全面に、凸パターン20に加工される、SiNからなる加工膜42を形成する。なお、加工膜42は、SiN以外に、たとえば、SiO2、SiON、Al2O3などであってもよい。
次に、図8Dに示すように、ナノインプリント技術に適用するナノインプリントモールド44を準備する。ナノインプリントモールド44の材料としては、Cuなどの金属、あるいは石英などを適用することができる。ナノインプリントモールド44のパターンは、電子線描画法によって形成され、ナノメータスケールである。
次に、図8Fに示すように、RIEなどのエッチング技術を用いて、レジスト43を加工して加工膜42を露出させた後、図8Gに示すように、当該加工されたレジスト43を用いて、RIEなどのエッチング技術を用いて、加工膜42を膜厚方向途中まで除去し、微細凸パターン36を形成する。
次に、図8Iに示すように、露出された基板2上に、たとえば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長)法などにより、n型GaN層6となるGaN層を成長させる。たとえば、基板2をサーマルクリーニングした後、基板温度を1000°C程度に設定して、基板2上に、n型不純物を添加したn型GaN層6を1μm〜5μm程度成長させる。n型GaN層6には、たとえばn型不純物としてSiを3×1018cm−3程度の濃度で添加したGaN膜が採用可能である。Siを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)およびシラン(SiH4)を原料ガスとして供給して、n型GaN層6を形成する。図8Iに示すように、n型GaN層6となるGaN層中には、貫通転位46が発生している。
具体的には、ミクロンオーダの凸パターン20(占有率小:50〜55%程度)の場合には、図9に示すように、互いに隣り合う凸部19の間に適当な間隔が設けられているので、核成長を十分に行うことができる。
その後は、たとえばスパッタ法により、透明電極層30の材料(ITO等)を窒化物半導体積層構造部9上に堆積させることにより、透明電極層30を形成する。
次に、所定の形状のマスクを介して、透明電極層30および窒化物半導体積層構造部9をエッチングする。これにより、窒化物半導体積層構造部9が所定の形状(平面視長方形)に成形され、同時に、n型GaN層6の延長部からなる引き出し部21が形成される。
そして、基板ウエハ41に外力を加えることにより、基板ウエハ41を各発光素子1の個片(チップ)に分割する。これにより、図3の発光素子1の個片が得られる。
発光素子パッケージ51は、発光素子1と、支持基板52と、樹脂パッケージ53とを含む。
発光素子1は、基板2の表面3が上を向くようなフェイスアップ姿勢で接合メタル13が支持基板52に接合されることにより、支持基板52に配置されている。
そして、発光素子1のn側電極27(n側パッド29)と外部n側電極55とが、n側ワイヤ57によって接続されている。また、発光素子1のp側電極31(p側パッド32)と外部p側電極56とが、p側ワイヤ58によって接続されている。
樹脂パッケージ53を構成する樹脂には、蛍光体や反射剤が含有されているものがある。たとえば発光素子1が青色光を発光する場合、当該樹脂に黄色蛍光体を含有させることで発光素子パッケージ51は白色光を発光することができる。発光素子パッケージ51は、多数が集まることによって、電球などの照明機材に用いることもでき、また液晶テレビのバックライトや自動車等のヘッドランプに用いることもできる。
そして、この発光素子1によれば、凸パターン20を構成する各凸部19の頂部に微細凸パターン36が形成されているため、頂部が平面状に形成された凸部の集合体である従来の凸パターンに比べて、より高い光散乱効果を発現することができる。その結果、従来に比べて外部量子効率を向上させることができ、輝度を向上させることができる。
一方、高い光散乱効果を得ることができる程度の占有率で微細凸パターン36が基板2の表面3に直接形成されていると、互いに隣り合う微細凸部35の間が狭すぎて基板2の表面3がほとんど露出しないため、基板2上にn型GaN層6をエピタキシャル成長させる際に、微細凸部35の間にGaNが十分に核成長できないおそれがある(図10参照)。
図14によると、互いに隣り合う凸部19の間がGaNでしっかりと埋め込まれていることが確認でき、また、そのn型GaN層6が微細凸部35の頂部の間に跨っていて、それにより、n型GaN層6と微細凸部35とによって区画された空間39が形成されていることが確認できた。図14に現れたような空間39(屈折率nAir≒1)が微細凸部35の間に存在していれば、微細凸パターン36により光散乱効果を一層向上させることができる。
さらに、前述の実験のハイブリッドタイプの凸部19の高さHの変化に応じて、輝度がどのように変化するかを調べたところ、図15に示す結果となった。すなわち、高さHが大きくなるほど輝度が向上することが確認できた。
たとえば、本発明の発光素子は、図16に示すようなフェイスダウンタイプ(フリップチップタイプ)の発光素子61に適用することもできる。
発光素子61は、フェイスアップタイプの発光素子1と異なる構成として、基板2の裏面4に反射メタル11等のメタルが形成されておらず、代わりに、反射メタル62が、p型GaN層8の表面に、透明電極層63を介して形成されている。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
2 基板
3 (基板の)表面
4 (基板の)裏面
5 (基板の)側面
6 n型GaN層
7 発光層
8 p型GaN層
9 窒化物半導体積層構造部
10 透明接着層
11 反射メタル
12 バリアメタル
13 接合メタル
14 (透明接着層の)側面
15 (反射メタルの)側面
16 (バリアメタルの)側面
17 (接合メタルの)側面
18 (透明接着層の)周縁部
19 凸部
20 凸パターン
21 引き出し部
22 (引き出し部の)側面
23 (引き出し部の)外周部
24 (引き出し部の)直線部
25 パッドスペース
26 配線スペース
27 n側電極
28 n側メタル配線
29 n側パッド
30 透明電極層
31 p側電極
32 p側パッド
33 p側メタル配線
34 光取出し面
35 微細凸部
36 微細凸パターン
37 ベース部
38 (ベース部の)表面
39 空間
41 基板ウエハ
42 加工膜
43 レジスト
44 ナノインプリントモールド
45 レジスト
46 貫通転位
51 発光素子パッケージ
52 支持基板
53 樹脂パッケージ
54 絶縁基板
55 外部n側電極
56 外部p側電極
57 n側ワイヤ
58 p側ワイヤ
59 反射部
61 発光素子
62 反射メタル
63 透明電極層
64 発光素子パッケージ
Claims (18)
- 発光層の発光波長に対して透明な基板と、
互いに第1ピッチp1を空けて前記基板の表面に離散して配置された複数の凸部の集合体からなる凸パターンと、
前記凸パターンを覆うように前記基板の前記表面に形成されたn型窒化物半導体層と、
前記n型導体層上に形成された前記発光層と、
前記発光層上に形成されたp型窒化物半導体層とを含み、
前記凸部は、互いに前記第1ピッチp1よりも小さい第2ピッチp2を空けて当該凸部の頂部に離散して形成された複数の微細凸部の集合体からなる微細凸パターンと、当該微細凸パターンを支持するベース部とを含み、前記n型窒化物半導体層は、互いに隣り合う前記微細凸部の間に入り込まず、当該微細凸部の頂部の間に跨るように形成されていて、前記発光素子は、前記微細凸部の前記頂部の間に跨る前記n型窒化物半導体層と、当該微細凸部とによって区画された空間を含む、発光素子。 - 前記基板の前記表面の一定の領域における前記凸パターンの占有率は、50%〜55%である、請求項1に記載の発光素子。
- 前記n型窒化物半導体層は、互いに隣り合う前記凸部の間に入り込み、当該凸部の間を満たすように形成されている、請求項1または2に記載の発光素子。
- 前記凸パターンは、前記ベース部がミクロンオーダの幅w1を有するマイクロパターンであり、前記微細凸パターンは、前記微細凸部がナノオーダの幅w2を有するナノパターンである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記ベース部の前記幅w1は2μm〜5μmであり、前記微細凸部の前記幅w2は前記ベース部の前記幅w1の15%〜40%である、請求項4に記載の発光素子。
- 前記基板の前記表面を基準に測定された前記凸部の高さHは、1.0μm〜2.0μmである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記基板の前記表面を基準に測定された前記ベース部の高さh1は、前記凸部の高さHの10%〜95%である、請求項6に記載の発光素子。
- 前記ベース部の頂部を基準に測定された前記微細凸部の高さh2は、前記凸部の高さHの5%〜90%である、請求項6または7に記載の発光素子。
- 前記ベース部は、直方体形状に形成されている、請求項1〜8のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記微細凸部は、円柱形状に形成されている、請求項1〜9のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記凸パターンの前記第1ピッチp1は、前記ベース部の前記幅w1の1.1倍〜1.3倍である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記微細凸パターンの前記第2ピッチp2は、前記微細凸部の前記幅w2の1.1倍〜1.3倍である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記複数の凸部は、行列状に配列されている、請求項1〜12のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記複数の凸部は、千鳥状に配列されている、請求項1〜12のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記凸部は、SiNからなる、請求項1〜14のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記発光素子は、前記基板の前記表面を上方に向けたフェイスアップ姿勢で用いられるものであり、前記基板の裏面に形成され、前記基板を透過した光を反射させる反射メタルをさらに含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記発光素子は、前記基板の前記表面を下方に向けたフェイスダウン姿勢で用いられるものであり、前記p型窒化物半導体層上に形成され、前記p型窒化物半導体層を透過した光を反射させる反射メタルをさらに含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の発光素子。
- 樹脂パッケージと、
前記樹脂パッケージに覆われた請求項16または17に記載の発光素子とを含む、発光素子パッケージ。
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