JPWO2011152262A1 - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

素子内部での光の減衰を抑制し、光取出し効率の高い発光装置及びその製造方法を提供する。透光性部材と、半導体積層部を有する発光素子と、半導体積層部に設けられた電極と、を順に有し、発光素子は透光性部材側から第１領域と第２領域とを有し、透光性部材は発光素子側から第３領域と第４領域とを有し、第１領域は第２領域と比較して原子配列が不規則であり、第３領域は第４領域と比較して原子配列が不規則であり、第１領域と第３領域とが直接接合されている。

Description

本発明は、発光素子及び透光性部材を有する発光装置及びその製造方法に関する。

従来から、発光装置の光取出し効率を向上させるために様々な試みがされている。例えば特許文献１では、ｐ電極を光反射層とすることにより、ｐ電極で光を反射させ光取出し効率の向上を図っている。特許文献２では、基板面に凹凸を設けることにより、光の取り出し効率の向上を図っている。

特開２００７−１５７８５３号公報 特開２００８−０６０２８６号公報

しかしながら、例え従来の構造を用いたとしても、光を完全に取り出すことはできなかった。つまり、光の一部は発光素子の上下面で反射を繰り返した後に外部に取り出されるが、反射回数が多いほど光は電極等で吸収され、減衰してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、素子内部での光の減衰を抑制し、光取出し効率の高い発光装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る発光装置は、透光性部材と、半導体積層部を有する発光素子と、半導体積層部に設けられた電極と、を順に有する。特に、発光素子は透光性部材側から第１領域と第２領域とを有し、透光性部材は発光素子側から第３領域と第４領域とを有し、第１領域は第２領域と比較して原子配列が不規則であり、第３領域は第４領域と比較して原子配列が不規則であり、第１領域と第３領域とが直接接合されていることを特徴とする。

本発明に係る発光装置の製造方法は、電極が設けられた半導体積層部を有する発光素子を準備する発光素子準備工程と、透光性部材を準備する透光性部材準備工程と、電極が設けられた側と反対の側において発光素子と透光性部材とを直接接合する接合工程と、を有することを特徴とする。

以上のように構成された本発明によれば、素子内部での光の減衰を抑制し、光取出し効率の高い発光装置及びその製造方法を提供することができる。

本件発明に係る一発光装置の断面を説明するための図である。 図１の破線部分の拡大図である。 本件発明に係る一発光装置の製造方法における発光素子及び透光性部材準備工程の図である。 本件発明に係る一発光装置の製造方法において、発光素子と透光性部材の接合面を活性化させる工程の図である。 本件発明に係る一発光装置の製造方法において、発光素子と透光性部材とを接合する工程の図である。

以下に本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置及びその製造方法を例示するものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる例示にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。さらに説明を簡略化するために、同一もしくは同質の構成要件については同一の符号を付しており、その都度の説明は省略してある。

図１に本実施の形態に係る発光装置の光観測面に垂直をなす方向における断面図を示し、図２に図１の破線部分の拡大図を示す。
図１に示すとおり、本発明の一態様に係る発光装置は、透光性部材２０と、半導体積層部１２を有する発光素子１０と、半導体積層部１２に設けられた電極１３、１４と、を順に有する。つまり、発光素子１０を介して、透光性部材２０と電極１３、１４とが反対側に位置している。さらに、図２に示すように、発光素子１０は透光性部材２０側から第１領域１１ａと第２領域１１ｂとを有し、透光性部材２０は発光素子１０側から第３領域２０ａと第４領域２０ｂとを有する。ここで、第１領域１１ａは第２領域１１ｂと比較して原子配列が不規則であり、第３領域２０ａは第４領域２０ｂと比較して原子配列が不規則であり、第１領域１１ａと第３領域２０ａとが直接接合されている。

以上のように構成された実施形態の発光装置では、光が繰り返し反射される部分（半導体積層部１２と基板１１と透光性部材２０を合わせた厚さ）を厚くすることができるので、光が電極１３及び１４に照射される回数を減らすことができる。これにより、主に電極１３及び１４での光の吸収を低減することができ、発光装置としての光取出し効率を向上させることができる。
以下、詳細に説明する。

透光性部材２０を備えない場合、半導体積層部１２から生じた光の一部は、外部との屈折率差により、発光素子１０の内部で反射を繰り返しながら、その一部の光が外部に取り出される。一方、半導体積層部１２上に設けられた電極１３、１４は、どのような材料を用いたとしても光を完全に反射したり透過したりすることはできず、一部の光を吸収してしまう。この電極による光の吸収は、光が半導体積層部１２と電極１３、１４との界面で反射される回数が多ければ多いほど、光の一部は電極で吸収されてしまい、発光装置としての光の取り出し効率は低下する。そこで、発光素子１０に透光性部材２０を直接接合させて、透光性部材２０の厚みだけ発光素子１０の厚さを実効的に厚くすることにより、発光装置外部に取り出されるまでの電極界面での光の反射回数を低減させることができる。これにより、電極による光の吸収を抑制することができるので、光の取り出し効率に優れた発光装置とすることができる。

発光素子は１枚のウエハを個々の素子に切断することにより得られるが、現在のところ、再現性及び量産性を考慮して、切断時においてウエハの厚みはある程度薄くする必要がある。例えば、エッチング等により半導体積層部を除去しサファイア基板を露出させた状態であっても、サファイア基板の厚みを最大でも４００μｍ程度としなければ個々に切断することは難しい。このような事情により、厚い基板を用いたままで最終的に個々の発光素子を得ることできない。そこで、発光素子１０とは別に透光性部材２０を設けることにより、発光素子１０を実効的に厚くしている。

また、本発明では、発光素子１０を実効的に厚くしたことに加え、透光性部材２０が、略均一な屈折率と透過率とを有しており、半導体積層部２０からの光に対して実質的に透明であることが好ましい。尚、屈折率及び透過率が実質的に均一な透光性部材とは、内部に蛍光体、拡散材等（以下、単に蛍光体等という。）の光を反射するものを含んでおらず、光を内部で反射散乱することなく直進させることができる透光性部材をいう。
このように透光性部材２０が、略均一な屈折率と透過率とを有していると、より効果的に電極での光の吸収が抑えられ、光の取り出し効率の悪化が防止できる。透光性部材に半導体積層部からの光で発光する蛍光体等が含まれる場合、光の一部は蛍光体等の表面で電極方向に反射されるので、電極での光の吸収が生じてしまうからである。

また、本実施の形態の発光装置は、原子配列が不規則な第１領域１１ａと第３領域２０ａとが一体となって接合されるので、この接合界面での反射が抑えられる。さらに、第１領域１１ａと第３領域２０ａとが一体となって接合されることから、発光素子１０と透光性部材２０との界面における歪を緩和することができる。これにより、発光素子１０と透光性部材２０とが直接接し、発光素子１０で生じる発熱により両者間に生じる熱ストレスが大きいにも係らず、接合強度の強い発光装置とすることができる。

以上のように、本明細書において、「第１領域１１ａ」は、発光素子１０において、波長変換部材２０に直接接している領域である。また、「第２領域１１ｂ」は、発光素子１０における「第１領域１１ａ」に隣接する（直接接する）領域である。同様に、「第３領域２０ａ」は、波長変換部材２０において、発光素子１０に直接接している領域である。また、「第４領域２０ｂ」は、波長変換部材２０における「第３領域２０ａ」に隣接する領域である。
このように、第２領域１１ｂと比較して原子配列が不規則な第１領域１１ａと、第４領域２０ｂと比較して原子配列が不規則な第３領域２０ａとが直接接して接合されて、接合界面Ｘが形成され、第２領域１１ｂと第４領域２０ｂとがそれぞれ接合界面Ｘから離れている。
本明細書において、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂ（第３領域２０ａ及び第４領域２０ｂ）は互いに隣接するが、第１領域及び第２領域が異なる部材間で隣接するような場合は本願発明でいうところの第１領域及び第２領域ではない。例えば、発光素子が表面側からＧａＮ層とＡｌＧａＮ層を有する場合、ＧａＮ層を第１領域としＡｌＧａＮ層を第２領域とすることはできない。つまり、本明細書における第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂ（第３領域２０ａ及び第４領域２０ｂ）は、本来１つの部材であるが、その部材の一部を第１領域といい、その部材のうち他の一部を第２領域という。ある部材の一部であるか否かは、例えば、高分解能透過電子顕微鏡による原子レベルでの断面観察や元素分析による組成の対比により判断することができる。

第１領域１１ａと第３領域２０ａの一方、好ましくは両方とも、非晶質（アモルファス）
であることが好ましい。これにより、発光素子１０と透光性部材２０との間の歪をより抑
制することができると考えられる。

第２領域１１ｂと第４領域２０ｂの一方は、多結晶又は単結晶であることが好ましく、より好ましくは両方とも、多結晶又は単結晶とする。この場合、より好ましくは単結晶とする。第２領域１１ｂ及び／又は第４領域２０ｂが多結晶又は単結晶（特に単結晶）である場合、第２領域１１ｂと第４領域２０ｂとを直接接合したとすると両者間に歪が生じやすいので、このような場合に本実施の形態は特に効果的である。

歪緩和の観点から、第１領域１１ａ及び第３領域２０ａは、実質的に接合界面Ｘの全域
に設けられていることが好ましい。しかし、第１領域１１ａ及び第３領域２０ａが直接接
合されている領域が接合界面Ｘの一部であっても本願発明の範囲内であること言うまでも
ない。

第１領域１１ａ及び第３領域２０ａの厚さはそれぞれ、好ましくは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらに好ましくは２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。これにより、歪みを緩和する効果を十分に得ることができるので接合強度を強くすることができる。さらに、第１領域１１ａ及び第３領域２０ａの原子配列を不規則にすると光取出しに悪影響を及ぼす虞もあるが、上記範囲とすることで、光が減衰する部分の厚さを十分に薄くすることができるので、光の損失を軽減することができる。

発光素子１０における透光性部材と接する部位１１は、透光性部材２０と同一材料であることが好ましい。例えば、発光素子１０の基板１１をサファイアとし、この部位とサファイアからなる透光性部材２０を接合させることができる。また、発光素子１０から基板１１を除去してＧａＮ層を露出させ、この部位とＧａＮからなる透光性部材を接合させることもできる。これにより、屈折率差による界面反射を実質的に無くすことができるので、電極での光の吸収を抑制し、光取出し効率をより向上させることができる。さらに、基板と支持体の構成元素を同一とすることができるので、両者の接合強度がより強くなる効果が期待できる。

発光素子１０は限定されず、公知のものを用いることができる。例えば図１に示すように、発光素子１０は、基板１１と、基板１１上に設けられた半導体積層部１２と、半導体積層部１２の同一面側に設けられたｎ電極１３及びｐ電極１４（ｐ電極１４は電流拡散部１４ａとパッド部１４ｂから構成される）を有する。基板１１としては、サファイア、ＧａＮ等を用いることができる。半導体積層部１２としては、ｎ層及びｐ層を含む複数の窒化物半導体層（ＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１））が積層されたもの等を用いることができる。光取出しの観点から、透光性部材２０側を観測面側とするフェイスダウン（フリップチップ）実装とすることが好ましい。

半導体積層部１２に設けられる電極としては、ＩＴＯ、Ａｇ、Ａｌ等、公知の材料を用いることができる。例えば、比較的大きな面積を占める電流拡散部１４ａとして、反射率の高いＡｇを用いたとしても、一部の光はＡｇで吸収されてしまうので、光を完全に反射させることはできない。一方、電流拡散部１４ａとして透光性の高いＩＴＯを用いたとしても、一部の光はＩＴＯで吸収されてしまうので、光を完全に透過させることはできない。そこで、透光性部材２０を更に設けることで、発光装置を実際に厚くして光の取り出し効率を向上させることができる。なお、透光性部材２０側を観測面側とする場合、Ａｇ等の反射電極を用いると、効果的に光を取り出すことができるので好ましい。

透光性部材２０側を観測面側とする場合、透光性部材２０を凸等とし、レンズとして機能させることもできる。これにより、発光素子１０に透光性部材２０であるレンズを直接設けることになるので、発光素子１０からの光を高効率で取り出すことが可能となる。

透光性部材２０側を観測面側とする場合、発光素子１０と透光性部材２０との接合面積よりも透光性部材２０の観測面側の面積を大きくし、少なくとも透光性部材２０の観測面側に蛍光体層（図示せず）を設けることもできる。これにより、透光性部材２０が無く発光素子１０の観測面側に蛍光体層を設ける場合に比較して、蛍光体層に照射される光の密度を小さくすることができるので、蛍光体の寿命を向上させることができる。

図３に、本発明の一態様に係る発光装置の製造方法を示す。図３に示すように、本実施の形態の発光装置の製造方法は、電極１３、１４が設けられた半導体積層部１２を有する発光素子１０を準備する発光素子準備工程（図３Ａ参照）と、透光性部材２０、好ましくは蛍光体等を含まない実質的に均一な屈折率及び透過率を有する透光性部材２０を準備する透光性部材準備工程（図３Ａ参照）と、電極１３、１４が設けられた側と反対の側において発光素子１０と透光性部材２０とを直接接合する接合工程（図３Ｂ及び図３Ｃ参照）と、を有する。

これにより、透光性部材１０の厚みだけ発光素子１０の厚さを実効的に厚くすることができるので、光取出し効率の向上した発光装置を製造することができる。詳細は上記のとおりであるのでここでは説明しない。

なお、図３の例では、発光素子準備工程において既に電極１３、１４が半導体積層部１２に設けられているが、他の形態として電極形成工程を別に設けることもできる（図示せず）。つまり、半導体積層部を有する発光素子を準備する発光素子準備工程と、透光性部材を準備する透光性部材準備工程と、発光素子と透光性部材とを直接接合する接合工程と、透光性部材が接合された側と反対の側において半導体積層部に電極を形成する電極形成工程と、を有することもできる。発光素子準備工程と電極形成工程とを別に設けるか否かに係らず、上記と同様の効果を得ることができる。

発光素子１０における透光性部材２０と接する部位は、透光性部材２０と同一材料であることが好ましい。これにより、屈折率差による界面反射を実質的に無くすことができるので、光取出し効率のより向上した発光装置を製造することができる。さらに、基板と支持体の構成元素を同一とすることができるので、両者の接合強度がより強くなる効果が期待できる。

発光素子１０及び透光性部材２０の接合方法は限定されず、熱圧着や表面活性化接合法等を採用することができるが、好ましくは表面活性化接合法を採用する。表面活性化接合法により、発光素子１０と透光性部材２０とを強固に接合することができる。表面活性化接合法では、スパッタエッチングにより、第１領域１１ａ及び第３領域２０ａが形成され、両者が一体となって発光素子１０と透光性部材２０との間の歪みを吸収するためであると考えられる（図２参照）。詳細は前述のとおりなので、ここでは省略する。

ここで、「表面活性化接合法」とは、発光素子１０及び透光性部材２０の接合面をイオンビームやプラズマ等でスパッタエッチングを行い、両接合面を活性化させた後に、その接合面にて発光素子１０及び透光性部材２０を直接接合することをいう（図３Ｂ及び図３Ｃ参照）。第１領域及び第３領域は、表面を活性化させるためのスパッタエッチングにより形成される。

なお、表面活性化接合法によりサファイア（単結晶の酸化アルミニウム）表面に非晶質の第１領域又は第３領域を設けた場合、それらの領域は単結晶ではないので正確にはサファイアではなく非晶質の酸化アルミニウムとなるが、本明細書では単結晶ではない、又は非晶質の酸化アルミニウムについても単に「サファイア」と言う。

表面活性化接合法により、発光素子１０と透光性部材２０とを接合する場合、発光素子１０はウエハでなく個々に分断されたものを用いることが好ましい（本明細書では、個々に分断されたものだけでなく、ウエハ状態のものも「発光素子」とする。）。つまり、通常、ウエハの発光素子ではウエハの位置によってピーク波長や出力等の特性が異なる。しかし、ウエハを個々に分断した発光素子であれば同一又は類似した特性のものを任意に選択することができるので好ましい。

例えば、第１に１枚の粘着シートに任意に選択した個々の発光素子を配置し、第２に粘着シートに配置された個々の発光素子とウエハ状の透光性部材とを表面活性化接合法により接合し（本明細書では、個々に分断されたものだけでなく、ウエハ状態のものも「透光性部材」とする。）、第３に粘着シートを除去し、第４に必要に応じて個々の発光装置となるように透光性部材を分断することができる。個々に分断された発光素子をウエハの透光性部材に接合して、さらに透光性部材を個々に分断することにより、より容易に発光装置を厚膜とすることができる。つまり、発光素子及び透光性部材を個々に分断するには一分断工程における分断膜厚をある程度薄くする必要があるが、分断工程を別々にすることにより、発光装置としてより厚膜とすることができる。

一方、透光性部材としてサファイアを用い一分断工程でサファイアのみを分断する場合、サファイアの膜厚をある程度まで薄くしないと個々に分断することは難しい。そこで、サファイアの膜厚は２００μｍ以上６００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以上５００μｍ以下、より好ましくは３５０μｍ以上４５０μｍ以下とすることができる。これにより、透光性部材を容易に分断できると共に、光の取り出しを向上させるのに十分な膜厚とすることができる。

一方、発光素子を加熱すると電極や発光層が劣化する虞があるが、表面活性化接合法は必ずしも加熱することを要しない。よって、発光素子の特性を損なうことなく発光素子１０と透光性部材２０とを接合することができる。電極の材料及び構成や半導体積層部の材料及び構成にもよるが、表面活性化接合法の実施温度の範囲としては、好ましくは０℃以上３００℃以下、より好ましくは０℃以上２００℃以下、さらに好ましくは０℃以上１００℃以下、さらに好ましくは０℃以上５０℃以下とすることができる。これにより、発光素子の特性を損なうことなく強固に接合することができる。

表面活性化接合法を用いる場合、発光素子１０及び透光性部材２０の接合面はそれぞれ、表面粗さ（Ｒａ）を、好ましくは１０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以下とすることができる。これにより、発光素子１０及び透光性部材２０を容易且つ強固に接合することができる。

表面活性化接合法を用いる場合、発光素子１０における透光性部材２０と接する部位はサファイア又はＧａＮからなり、透光性部材２０はサファイア又はＧａＮからなることが好ましい。両者は表面を平滑にし易いので、より容易に表面活性化接合法を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る発光装置は、例えば、照明装置や表示装置などに利用することができる。

１０・・・発光素子
１１・・・基板
１１ａ・・・第１領域
１１ｂ・・・第２領域
１２・・・半導体積層部
１３・・・ｎ電極
１４・・・ｐ電極
１４ａ・・・電流拡散部
１４ｂ・・・パッド部
２０・・・透光性部材
２０ａ・・・第３領域
２０ｂ・・・第４領域

Claims (7)

1. 透光性部材と、半導体積層部を有する発光素子と、前記半導体積層部に設けられた電極と、を順に有する発光装置であって、
   前記発光素子は、前記透光性部材側から、第１領域と第２領域とを有し、
   前記透光性部材は、前記発光素子側から、第３領域と第４領域とを有し、
   前記第１領域は、前記第２領域と比較して、原子配列が不規則であり、
   前記第３領域は、前記第４領域と比較して、原子配列が不規則であり、
   前記第１領域と前記第３領域とが直接接合されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記発光素子における前記透光性部材と接する部位は、前記透光性部材と同一材料であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 電極が設けられた半導体積層部を有する発光素子を準備する発光素子準備工程と、
   透光性部材を準備する透光性部材準備工程と、
   前記電極が設けられた側と反対の側において、前記発光素子と前記透光性部材とを直接接合する接合工程と、を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
4. 半導体積層部を有する発光素子を準備する発光素子準備工程と、
   透光性部材を準備する透光性部材準備工程と、
   前記発光素子と前記透光性部材とを直接接合する接合工程と、
   前記透光性部材が接合される側と反対の側において、前記半導体積層部に電極を形成する電極形成工程と、を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
5. 前記発光素子における前記透光性部材と接する部位は、前記透光性部材と同一材料であることを特徴とする請求項３又は４に記載の発光装置の製造方法。
6. 表面活性化接合法により、前記発光素子と前記透光性部材とを接合する請求項３〜５のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
7. 前記発光素子における透光性部材と接する部位はサファイア又はＧａＮからなり、透光性部材はサファイア又はＧａＮからなることを特徴とする請求項６に記載の発光装置の製造方法。

Images