JP6199281B2 - 半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法、半導体発光装置及び基板 - Google Patents
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Description
[全体構成]
図1を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子100は、窒化物半導体を用いて形成された発光ダイオード素子(LED:Light Emitting Diode)からなる。この半導体発光素子100は、自身が発する光に対して透光性を有する透明基板110を備えている。透明基板110は、主面110a及び側面110bを有する。透明基板110の主面110a上には、半導体多層膜を含む多層構造体150が形成されている。この多層構造体150は、透明基板110側から順に形成された、n型層120、MQW(Multiple Quantum Well)構造を有するMQW発光層130、及び、p型層140を含む。
図3を参照して、光散乱構造200は透明基板110中に形成された複数の光散乱部210により構成される。光散乱部210は、透明基板110中に入射した光を散乱させる微小な領域である。これら光散乱部210は、レーザ光の照射によって透明基板110の局所領域を加熱することで形成された熱変性領域からなる。レーザ光が透明基板110に照射されると、照射された領域に存在する原子の多光子吸収により、当該領域が局所的に加熱され、周囲の領域に対して結晶構造及び結晶性等が変化して周囲と屈折率が異なる領域が形成される。
図8を参照して、サファイア基板310中に光散乱構造が形成されていない場合、活性層(発光層130)から下方に出射された光は、サファイア基板310に入射し、基板裏面にて反射されてサファイア基板310の上方(上面側)へと戻っていく。また、サファイア基板310に入射した光の一部は、サファイア基板310の側面へと出射される。半導体発光素子は、通常、屈折率が1.4〜1.5程度の透明樹脂で封止される。例えば、屈折率1.5の透明樹脂により半導体発光素子を封止した場合、サファイア基板310(屈折率=1.78)の側面と透明樹脂との界面において、その全反射角度は、θside≧57.43°となる。すなわち、サファイア基板310の裏面で鏡面反射すると仮定すると、0°≦θtop≦32.57°の角度でサファイア基板310の上面から入射した光は、サファイア基板310の側面から取出されることはなく、サファイア基板310上に形成された多層構造体150に戻ることになる。
図5、図6及び図10〜図16を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子100の製造方法について説明する。
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に係る半導体発光素子100は、以下に述べる効果を奏する。
上記実施の形態で示した半導体発光素子100と同様の構成を有する半導体発光素子を作製し、この発光素子を実施例1とした。透明基板中の光散乱構造は、散乱構造面を2段とした。散乱構造面を構成する各光散乱部は、高さt=7μm、幅d=2μm、ピッチp1=6μm、ピッチp2=8μmであった。各散乱構造面の位置(透明基板の厚み方向の位置)は、上記実施の形態と同様、T1=100μm、T2=90μmとした。
[構成]
図18を参照して、本実施の形態に係る半導体発光装置1000は、光源として、第1の実施の形態で示した半導体発光素子100を含む。半導体発光装置1000はさらに、半導体発光素子100が搭載される基体1010と、基体1010上に搭載された半導体発光素子100を封止する蛍光体層1020と、蛍光体層1020を覆う透明樹脂層1030とを含む。
R>r・n1 ・・・(1)
ここで、Rは透明樹脂層1030の半径、rは蛍光体層1020の半径、n1は透明樹脂層1030の屈折率である。
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に係る半導体発光装置1000は、以下に述べる効果を奏する。
[構成]
図21を参照して、本実施の形態に係る半導体発光装置2000は、第2の実施の形態で示した半導体発光装置1000とほぼ同様の構成を有している。ただし、本実施の形態では、放熱性の高い放熱体(以下「高放熱体」と記す。)2020を含む基体2010を用いている点において、上記第2の実施の形態とは異なる。
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に係る半導体発光装置2000は、以下に述べる効果を奏する。
図22を参照して、本実施の形態に係る半導体発光装置3000は、上記第3の実施の形態に係る半導体発光装置2000において、反射部材3050をさらに備える。反射部材3050は、半導体発光素子100及び蛍光体層1020から発せられた光を反射させて配光を制御する。反射部材3050は、半導体発光素子100を囲むように、基体2010の主表面2012上に取付けられている。反射部材3050は、光を反射する反射面3052を持つ。反射部材3050が基体2010の主表面2012上に取付けられることによって、反射面3052が蛍光体層1020の外側に設けられる。反射面3052は、上方向(基体2010と反対側の方向)に出射光の向きを制御するために、傾斜面となっている。
[構成]
図23を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子400は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子100とほぼ同様の構成を有している。ただし、本実施の形態に係る半導体発光素子400は、光散乱部210が多層構造体150側の領域に形成されている点において、多層構造体150とは反対側の領域に形成されている第1の実施の形態とは異なる。
図24〜図27を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子400の製造方法について説明する。
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に係る半導体発光素子400及びその製造方法は、以下に述べる効果を奏する。
本実施の形態に係る半導体発光素子は、第1の実施の形態に係る半導体発光素子100と同様の構成を有している。ただし、本実施の形態に係る半導体発光素子は、その製造方法が、第1の実施の形態とは異なる。
図29〜図32を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、以下に述べる効果を奏する。
本実施の形態に係る半導体発光素子は、窒化物半導体からなる透明基板を用いている点において、上記第1の実施の形態とは異なる。窒化物半導体からなる透明基板には、c面GaN基板を用いている。その他の構成は、上記第1の実施の形態と同様である。
本実施の形態に係る半導体発光素子と同様の発光素子を作製し、この発光素子を実施例2とした。また、透明基板中に光散乱構造を形成していない点以外は実施例2と同様の半導体発光素子を作製し、これを比較例2(リファレンス素子)とした。
本実施の形態に係る半導体発光素子は発光波長290nmの紫外光LEDである。この半導体発光素子では、透明基板は、上記第1の実施の形態で示した透明基板110と同様、サファイア基板からなる。透明基板中には、上記第1の実施の形態と同様の光散乱構造が形成されている。透明基板上には、窒化物半導体からなる半導体多層膜が形成されている。
本実施の形態に係る半導体発光素子と同様の発光素子を作製し、この発光素子を実施例3とした。また、透明基板中に光散乱構造を形成していない点以外は実施例3と同様の半導体発光素子を作製し、これを比較例3(リファレンス素子)とした。
本実施の形態に係る半導体発光素子は、上記第1の実施の形態に係る半導体発光素子100と同様の発光素子である。ただし、本実施の形態では、散乱構造面が1段である点において、散乱構造面が2段である上記第1の実施の形態とは異なる。
本実施の形態に係る半導体発光素子と同様の発光素子を作製し、この発光素子を実施例4とした。散乱構造面を構成する各光散乱部は、高さt=7μm、幅d=2μm、ピッチp1=6μm、ピッチp2=8μmであった。散乱構造面(光散乱部)は、透明基板の主面(上面)からその厚み方向に20μm隔てた位置に形成した。また、透明基板中に光散乱構造を形成していない点以外は実施例4と同様の半導体発光素子を作製し、これを比較例4(リファレンス素子)とした。
図33を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子500は、上記第1の実施の形態に係る半導体発光素子100と同様の発光素子である。ただし、本実施の形態では、透明基板110の裏面上に反射膜510が形成されている点において、第1の実施の形態とは異なる。
図34を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子600は、p側電極180が形成された側を下側にして実装する、いわゆるフリップチップマウント型のLED発光素子である。この半導体発光素子600は、上記第1の実施の形態に係る半導体発光素子100と同様の構成を有している。ただし、本実施の形態では、透明電極170の上面上に反射膜610が形成されている点において、そのような反射膜が形成されていない上記第1の実施の形態とは異なる。
本実施の形態に係る半導体発光素子と同様の発光素子を作製し、この発光素子を実施例5とした。実施例5では、透明電極上にAg反射膜を形成した。また、透明基板中に光散乱構造を形成していない点以外は実施例5と同様の半導体発光素子を作製し、これを比較例5(リファレンス素子)とした。
本実施の形態に係る半導体発光素子は、上記第7の実施の形態と同様、透明基板に窒化物半導体からなる基板を用いている。ただし、本実施の形態では、透明基板に無極性基板であるm面GaN基板を用いている点において、透明基板にc面GaN基板を用いている第7の実施の形態とは異なる。その他の構成は、上記第1及び第7の実施の形態と同様である。
本実施の形態に係る半導体発光素子と同様の発光素子を作製し、この発光素子を実施例6とした。また、透明基板中に光散乱構造を形成していない点以外は実施例6と同様の半導体発光素子を作製し、これを比較例6(リファレンス素子)とした。
本実施の形態に係る半導体発光素子は、上記第1の実施の形態に係る半導体発光素子100と同様の発光素子である。ただし、本実施の形態に係る半導体発光素子は、透明基板中に形成された光散乱部の配列が上記第1の実施の形態とは異なる。
図36を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子は、上記第13の実施の形態に係る半導体発光素子において、隣接する光散乱部210を結ぶ線の少なくとも1つ(例えばラインA4)が透明基板110の劈開面に対して平行となっている。
図38を参照して、本実施の形態に係る半導体発光素子700は、上記第1の実施の形態に係る半導体発光素子100と同様の発光素子である。ただし、本実施の形態では、散乱構造面Eが3段である点において、散乱構造面Eが2段である上記第1の実施の形態とは異なる。
上記実施の形態では、透明基板に、サファイア基板、c面GaN基板及びm面GaN基板を用いた例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。透明基板は、その透明基板を含む発光素子が発する光に対して透光性を有する基板であればよい。そのような透明基板として、上記以外に、例えば窒化物半導体基板、SiC基板及び石英基板等の基板を用いることができる。窒化物半導体基板としては、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)からなる基板を用いることができる。窒化物半導体基板中に、Si、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、Mg又はBeがドーピングされていてもよい。n型窒化物半導体としては、これらのドーピング材料のうちでも、Si、O及びClが特に好ましい。さらに、窒化物半導体基板には、非極性基板を用いることもできる。非極性基板は、無極性基板及び半極性基板を含む。無極性基板の主面方位には、A面{11−20}、M面{1−100}及び{1−101}面等がある。半極性基板の主面方位には、緑色領域等での発光効率が高いことで知られる{20−21}等がある。これらの主面方位を持つ窒化物半導体基板についても本発明を適用できる。
110 透明基板
110a 主面
110b 側面
120 n型層
130 MQW発光層
140 p型層
150 多層構造体
160 n側電極
160a、180a パッド部
160b、180b 突出部
170 透明電極
180 p側電極
190 透明保護膜
200、200A〜200H 光散乱構造
210、210a、210b 光散乱部
220 加工部
1000、2000、3000 半導体発光装置
Claims (30)
- 光を発する半導体発光素子であって、
前記半導体発光素子の発する光に対して透光性を有する透明基板と、
前記透明基板上に形成され、半導体多層膜を含む多層構造体と、
前記透明基板中に形成され、当該透明基板中に入射した光を散乱する複数の光散乱部とを含み、
前記複数の光散乱部は、熱変性領域からなるとともに、前記透明基板中に面状に分散されており、
面状に分散された前記複数の光散乱部によって散乱構造面が形成されており、
前記透明基板中には、互いに対向するように多段で配置された、複数の前記散乱構造面が形成されている、半導体発光素子。 - 光を発する半導体発光素子であって、
前記半導体発光素子の発する光に対して透光性を有する透明基板と、
前記透明基板上に形成され、半導体多層膜を含む多層構造体と、
前記透明基板中に形成され、当該透明基板中に入射した光を散乱する複数の光散乱部とを含み、
前記複数の光散乱部は、熱変性領域からなるとともに、前記透明基板中に面状に分散されており、
前記透明基板中には、面状に分散された前記複数の光散乱部によって散乱構造面が多段で形成されており、
各散乱構造面を構成する前記光散乱部は、平面的に見た場合に、他の段の散乱構造面の前記光散乱部に対して重なり合わないように配置されている、半導体発光素子。 - 前記光散乱部は、前記透明基板の側面に対する光の入射角度を小さくするように光を反射させる、請求項1又は請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記複数の光散乱部の各々は、前記透明基板の厚み方向に延びる略長楕円体形状である、請求項1又は請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記多層構造体上に形成された透光性電極層をさらに含み、
前記複数の光散乱部は、前記透光性電極層の直下の領域に形成されている、請求項1又は請求項2に記載の半導体発光素子。 - 前記透光性電極層と重なるように形成された金属電極層をさらに含み、
前記複数の光散乱部は、前記金属電極層の直下の領域を除く、前記透光性電極層の直下の領域に形成されている、請求項5に記載の半導体発光素子。 - 前記透明基板は、10μmより大きい厚みを有しており、
前記複数の光散乱部の各々は、前記透明基板における前記多層構造体が形成される面に対して厚み方向に10μm以上の距離を隔てた位置に形成されている、請求項1又は請求項2に記載の半導体発光素子。 - 前記複数の光散乱部の少なくとも一部は、ライン状に配列されている、請求項1〜請求項7のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記ライン状に配列された前記光散乱部の延び方向は、前記透明基板の劈開面に対して交差する方向である、請求項8に記載の半導体発光素子。
- 前記透明基板の側面は、当該側面に沿って直線状に形成された加工部を含み、
前記透明基板において、厚み方向における前記散乱構造面の位置は、厚み方向における前記加工部の位置とは異なる、請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記透明基板は、サファイア基板、窒化物半導体基板、SiC基板及び石英基板のいずれかである、請求項1〜請求項10のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 基板の一方の面上に半導体多層膜を含む多層構造体を形成する工程と、
前記基板における前記多層構造体が形成されていない他方の面を当該基板の厚みが所定の厚みになるまで除去する工程と、
前記他方の面側からレーザ光を前記基板内部に照射することにより、前記基板内部に、前記基板中に入射した光を散乱する光散乱部を形成する工程と、
前記基板を個々の半導体発光素子に分割する工程とを含み、
前記光散乱部を形成する工程は、熱変性領域によって、前記基板中に、前記光散乱部を面状に分散するよう形成するとともに、面状に分散された前記光散乱部によって散乱構造面を形成し、かつ、複数の前記散乱構造面を、互いに対向するように多段で配置する、半導体発光素子の製造方法。 - 基板の一方の面上に半導体多層膜を含む多層構造体を形成する工程と、
前記基板における前記多層構造体が形成されていない他方の面を当該基板の厚みが所定の厚みになるまで除去する工程と、
前記他方の面側からレーザ光を前記基板内部に照射することにより、前記基板内部に、前記基板中に入射した光を散乱する光散乱部を形成する工程と、
前記基板を個々の半導体発光素子に分割する工程とを含み、
前記光散乱部を形成する工程は、熱変性領域によって、前記基板中に、前記光散乱部を面状に分散するよう形成するとともに、面状に分散された前記光散乱部によって散乱構造面を多段で形成し、かつ、各散乱構造面を構成する前記光散乱部を、平面的に見た場合に、他の段の散乱構造面の前記光散乱部に対して重なり合わないように配置する、半導体発光素子の製造方法。 - 前記光散乱部を形成する工程は、前記基板の前記他方の面の近傍に前記光散乱部を形成する工程をさらに含む、請求項12又は請求項13に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記他方の面の近傍に前記光散乱部を形成する工程は、前記基板の厚み方向における前記一方の面と前記他方の面との中間位置より前記他方の面側に前記光散乱部を形成する工程を含む、請求項14に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 基板の一表面側からレーザ光を照射することにより、前記基板内部に、前記基板中に入射した光を散乱する光散乱部を形成する工程と、
前記基板上に半導体多層膜を含む多層構造体を形成する工程と、
前記基板における前記多層構造体が形成されていない面を当該基板の厚みが所定の厚みになるまで除去する工程と、
前記基板を個々の半導体発光素子に分割する工程とを含み、
前記光散乱部を形成する工程は、熱変性領域によって、前記基板中に、前記光散乱部を面状に分散するよう形成するとともに、面状に分散された前記光散乱部によって散乱構造面を形成し、かつ、複数の前記散乱構造面を、互いに対向するように多段で配置する、半導体発光素子の製造方法。 - 基板の一表面側からレーザ光を照射することにより、前記基板内部に、前記基板中に入射した光を散乱する光散乱部を形成する工程と、
前記基板上に半導体多層膜を含む多層構造体を形成する工程と、
前記基板における前記多層構造体が形成されていない面を当該基板の厚みが所定の厚みになるまで除去する工程と、
前記基板を個々の半導体発光素子に分割する工程とを含み、
前記光散乱部を形成する工程は、熱変性領域によって、前記基板中に、前記光散乱部を面状に分散するよう形成するとともに、面状に分散された前記光散乱部によって散乱構造面を多段で形成し、かつ、各散乱構造面を構成する前記光散乱部を、平面的に見た場合に、他の段の散乱構造面の前記光散乱部に対して重なり合わないように配置する、半導体発光素子の製造方法。 - 前記光散乱部を形成する工程は、前記基板における前記多層構造体が形成される面の近傍に前記光散乱部を形成する工程をさらに含む、請求項16又は請求項17に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記基板における前記多層構造体が形成される面を一方の面とし、前記基板における前記多層構造体が形成される面とは反対側の面を他方の面とした場合に、
前記光散乱部を形成する工程は、前記基板の厚み方向における前記一方の面と前記他方の面との中間位置より前記他方の面側に前記光散乱部を形成する工程をさらに含む、請求項16又は請求項17に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記除去する工程は、前記光散乱部が前記基板の前記他方の面の近傍に設けられるように、前記基板の他方の面を除去する工程を含む、請求項19に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記光散乱部を形成する工程は、前記基板における前記多層構造体が形成される面側からレーザ光を照射する工程をさらに含む、請求項16又は請求項17に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が搭載される搭載部とを含み、
前記半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成され、半導体多層膜を含む多層構造体とを含み、
前記基板の内部には、基板中に入射した光を散乱する、熱変性領域からなる光散乱部が面状に分散されているとともに、面状に分散された前記複数の光散乱部によって散乱構造面が形成されており、
前記基板の内部には、複数の前記散乱構造面が互いに対向するように多段で配置されている、半導体発光装置。 - 半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が搭載される搭載部とを含み、
前記半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成され、半導体多層膜を含む多層構造体とを含み、
前記基板の内部には、基板中に入射した光を散乱する、熱変性領域からなる光散乱部が面状に分散されているとともに、面状に分散された前記複数の光散乱部によって散乱構造面が多段で形成されており、
各散乱構造面を構成する前記光散乱部は、平面的に見た場合に、他の段の散乱構造面の前記光散乱部に対して重なり合わないように配置されている、半導体発光装置。 - 前記搭載部は、前記半導体発光素子からの熱を放出する放熱体により形成されている、請求項22又は請求項23に記載の半導体発光装置。
- 前記放熱体は、Al、Ag、Au、Cu、Mo、W、Sn、C、SiC、AlN及びSiからなる群から選択される少なくとも一つを含む材料により形成されている、請求項24に記載の半導体発光装置。
- 前記半導体発光素子を前記搭載部に結合するための、低融点金属材料からなる結合層をさらに含む、請求項22〜請求項25のいずれかに記載の半導体発光装置。
- 前記半導体発光素子からの光を波長変換する波長変換部と、
前記波長変換部の外側に設けられ、前記半導体発光素子から出射された光を反射する光反射部とをさらに含む、請求項22〜請求項26のいずれかに記載の半導体発光装置。 - 前記波長変換部は、一種類以上の蛍光体を含有する、請求項27に記載の半導体発光装置。
- 光を透過する基板であって、
前記基板の内部に形成され、当該基板中に入射した光を散乱する複数の光散乱部を含み、
前記複数の光散乱部は、熱変性領域からなり、当該基板内部において面状に分散されているとともに、面状に分散された前記複数の光散乱部によって散乱構造面が形成されており、
前記基板の内部には、複数の前記散乱構造面が互いに対向するように多段で配置されている、基板。 - 光を透過する基板であって、
前記基板の内部に形成され、当該基板中に入射した光を散乱する複数の光散乱部を含み、
前記複数の光散乱部は、熱変性領域からなり、当該基板内部において面状に分散されており、
前記基板の内部には、面状に分散された前記複数の光散乱部によって散乱構造面が多段で形成されており、
各散乱構造面を構成する前記光散乱部は、平面的に見た場合に、他の段の散乱構造面の前記光散乱部に対して重なり合わないように配置されている、基板。
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