KR102238351B1 - 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

발광 피크 파장이 395nm 이상 425nm 이하인 반도체 발광 소자는, 제1 면과 제2 면을 구비하고, 제1 면 및 제2 면으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 한개 면이 요철을 갖는 기판과, 제1 면에 접하는 반도체층과, 제2 면 또는 반도체층의 표면에 접하는 다층 반사막을 구비한다. 다층 반사막은, 복수의 제1 유전체막과 복수의 제2 유전체막을 갖고, 또한 제1 유전체막 및 제2 유전체막이 교대로 적층된 구조를 구비한다.

Description

반도체 발광 소자
실시 형태는, 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED) 등의 반도체 발광 소자는 긴 수명이나 에너지 절약의 관점에서 보급되고 있다. 활성층이 되는 반도체층을 개량함으로써, 여러가지 발광 피크를 갖는 반도체 발광 소자가 개발되어 있다. 주류의 발광 다이오드는, 청색, 녹색, 적색 중 어느 단색으로 발광한다. 청색 LED는 형광체와 조합함으로써, 백색광을 얻고 있다. 청색 LED를 사용한 백색 LED는, 의사 백색이라고 불리고 있고, 자연광(태양광)의 재현성은 낮았다. 자연광의 백색은 청색 성분, 녹색 성분, 적색 성분이 혼합함으로써 이룰 수 있다. 청색 LED를 사용한 반도체 발광 소자는 청색 피크가 자연광과 상이하기 때문에 재현성에는 한계가 있었다.
이것에 대신하여, 청자색 LED를 사용하여 자연광을 재현하는 것이 시도되고 있다. 청자색 LED는 발광 피크가 400nm 전후에 있다. 여기에 청색 형광체, 녹색 형광체, 적색 형광체 등의 각종 형광체를 조합함으로써, 자연광을 재현하고 있다. 예를 들어, 발광 피크 파장 400nm 전후의 LED와 형광체를 조합함으로써, 자연광을 재현하는 예가 알려져 있다. 이와 같이 청자색 LED를 사용함으로써, 자연광을 재현한 백색 LED를 제공할 수 있도록 되어 있다.
한편, 청자색 LED에 관해서는 발광 출력이 반드시 충분하지 않았다. LED의 발광 출력이 불충분하면, 백색 LED의 발광 출력도 커지지 않는다. LED의 발광 출력을 향상시키기 위해, 예를 들어 다층 반사막을 형성하는 것을 들 수 있다. 다층 반사막에 의해 360nm 전후의 반사율을 95％ 정도까지 향상시킬 수 있다. 다층 반사막을 사용함으로써, 500nm 전후의 반사율을 향상시킬 수 있다.
다층 반사막을 마련함으로써, 특정 파장의 반사율을 크게 하고 있다. 이에 의해, LED의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 다층 반사막을 청자색 LED에 적용하였다고 해도, 반드시 반사율의 향상이 보이지는 않았다. 그 때문에, 청자색 LED의 발광 출력의 향상에는 한계가 있었다.
일본 특허 제5823416호 공보 일본 특허 공개 제2016-201525호 공보 일본 특허 공개 제2016-1740호 공보
본 발명의 일 형태가 해결하고자 하는 과제는, 발광 출력이 우수한 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
발광 피크 파장이 395nm 이상 425nm 이하인 실시 형태의 반도체 발광 소자는, 제1 면과 제2 면을 구비하고, 제1 면 및 제2 면으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 면이 요철을 갖는 기판과, 제1 면에 접하는 반도체층과, 제2 면 또는 반도체층의 표면에 접하는 다층 반사막을 구비한다. 다층 반사막은, 복수의 제1 유전체막과 복수의 제2 유전체막을 갖고, 또한 제1 유전체막 및 제2 유전체막이 교대로 적층된 구조를 구비한다.
도 1은 반도체 발광 소자의 구조예를 나타내는 단면 모식도이다.
도 2는 기판의 구조예를 나타내는 단면 모식도이다.
도 3은 다층 반사막의 구조예를 나타내는 단면 모식도이다.
도 4는 반도체 발광 소자의 다른 구조예를 나타내는 단면 모식도이다.
도 5는 반도체 발광 소자의 다른 구조예를 나타내는 단면 모식도이다.
도 6은 다층 반사막의 반사율을 나타내는 도면이다.
도 1에 반도체 발광 소자의 구조예를 나타내는 단면 모식도이다. 도 1에 나타내는 반도체 발광 소자(1)는, 기판(2)과, 반도체층(3)과, 다층 반사막(4)과, 전극(5)(p 패드 전극)과, 전극(6)(n 패드 전극)과, 투광 전극(7)과, 실장 기판(8)을 구비한다. 도 1은, 페이스 업형의 반도체 발광 소자를 예시하고 있지만, 실시 형태에 관한 반도체 발광 소자는 페이스 업형에 한정되지 않고, 플립 칩형의 반도체 발광 소자여도 된다.
반도체 발광 소자(1)의 발광 피크 파장은 395nm 이상 425nm 이하이다. 395nm 미만의 파장 영역은 자외 영역이다. 425nm를 초과하는 파장 영역은 청색 영역이다. 395nm 이상 425nm 이하의 파장 영역은 청자색 영역이다. 발광 피크 파장은 400nm 이상 420nm 이하가 더 바람직하다.
기판(2)의 표면(제1 면)측에 반도체층(3)을 갖고 있다. 기판(2)의 표면측이란 반도체층(3), 즉 발광층이 형성되는 표면측이다. 반도체층(3)은, 발광 피크 파장이 395 내지 425nm의 범위에 있으면, 그 구조는 특별히 한정되지 않는다. 반도체층(3)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 버퍼층(31)과, n형층(32)과, 활성층(33)과, p형층(34)을 갖는 것이 바람직하다.
버퍼층(31)은, 그 위에 마련되는 활성층(33) 등의 반도체층의 결정성을 향상시키기 위해 마련된다. 버퍼층(31)은, 예를 들어 질화갈륨(GaN)계, 질화알루미늄(AlN)계의 재료 등을 포함하는 것이 바람직하다. 버퍼층(31)은, 필요에 따라 마련된다.
n형층(32)은, n형 반도체층이다. n형 반도체층은, 예를 들어 n형 클래드층이나, n형 콘택트층과 n형 클래드층을 조합한 층 등을 들 수 있다. n형 클래드층은, Si 도프 GaN, AlGaN 등을 들 수 있다. n형 콘택트층은, Si 도프 GaN 등을 들 수 있다.
활성층(33)은, 발광층이다. 발광층은, 예를 들어 InGaN막, GaN막, InAlGaN막, AlGaN막 또는 그것들을 적층한 적층막 등을 들 수 있다. 활성층(33)과 n형층(32) 사이에 완화층을 마련해도 된다. 완화층은, InGaN막, GaN막, InAlGaN막, AlGaN막 또는 그것들을 적층한 초격자층 등을 들 수 있다.
p형층(34)은, p형 반도체층이다. p형 반도체층은, p형 콘택트층, p형 클래드층 또는 p형 콘택트층과 p형 클래드층을 조합한 층 등을 들 수 있다. p형 콘택트층은, 불순물 원소를 도핑한 GaN층 등을 들 수 있다. 불순물 원소로서는, Mg(마그네슘) 등을 들 수 있다. p형 클래드층은, 불순물 원소를 도핑한 GaN층, AlGaN층 등을 들 수 있다.
상기와 같이 반도체층(3)은, 다층 구조를 갖고 있다. n형 반도체층은 캐리어가 전자, p형 반도체층은 캐리어가 정공이다. pn 접합부에서 전자와 정공이 부딪쳐서 소멸함으로써 재결합이 일어난다. 재결합 시에, 전자가 갖는 에너지와 정공이 갖는 에너지의 차에 대응하는 에너지를 광으로서 방출한다. 반도체층(3)을 p형층(34)과 n형층(32)을 직접 접합하지 않고 사이에 다른 층을 마련한 다층 구조로 함으로써, 전자와 정공을 효율적으로 모을 수 있다. 이에 의해 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 바꾸어 말하면, 다층 구조가 균질하지 않으면, 발광 피크 파장의 어긋남이 생기기 쉬운 구조이다.
반도체층(3) 상에는, 전극(5) 및 전극(6)이 마련되어 있다. 필요에 따라, 반도체층(3)과 전극(5) 사이, 반도체층(3)과 전극(6) 사이에 투광 전극을 마련해도 된다. 도 1에서는, 반도체층(3)과 전극(5) 사이에 투광 전극(7)을 마련하고 있지만, 전극(6) 아래에 마련해도 된다. 도 1에서는, 전극(5)은 p 패드 전극, 전극(6)은 n 패드 전극이 된다. 전극(5) 및 전극(6)은, 와이어 본딩에 의해 다른 구성 요소와 전기적으로 접속할 수 있다.
전극(5) 및 전극(6)은, Au막, Au 합금막, Au/Ti 적층막, Au/Pd 적층막, Au/Al 적층막, Ni/Pd 적층막, Au/Ni 적층막 등을 들 수 있다. 이들의 전극은 본딩 와이어와의 밀착성이 양호하다. 투광 전극(7)은, 광을 투과하는 막인 것이 바람직하다. 투광 전극으로서는, 인듐-주석-산화물(Indium Tin Oxide: ITO)막, 인듐-아연-산화물(Indium Zinc Oxide: IZO)막, 산화아연막, 산화주석막 등을 들 수 있다.
도시하고 있지 않지만, 반도체층(3)에 보호막을 마련해도 된다. 보호막은, 산화규소막 등의 산화물막, 질화규소막 등의 질화물막을 들 수 있다. 보호막은, 반도체층(3)뿐만 아니라 반도체 발광 소자(1) 전체를 덮도록 마련해도 된다.
반도체층(3)은 기판(2) 상에 마련되어 있다. 기판(2)은, 예를 들어 사파이어 기판, SiC 기판, GaN 기판 등 여러가지 기판을 들 수 있다. 기판(2)은 표면(제1 면)측 또는 이면(제2 면)측의 적어도 한쪽에 미세 요철을 갖는다. 도 2에, 미세 요철의 일례를 나타낸다. 도 2는, 기판(2)과, 반도체층(3)을 도시한다. 도 2는 기판(2)의 표면측, 요컨대 반도체층(3)을 형성한 측에 미세 요철을 형성한 구조이다. 미세 요철을 마련함으로써, 광을 반사하는 효과가 얻어진다. 활성층(33)으로부터의 광은 발광 소자의 외부로 나오는 광과, 소자의 내부로 향하는 광이 있다. 소자의 내부로 향하는 광을 반사시켜 소자의 외부로 나오도록 함으로써, 발광 소자의 발광 출력을 향상시킬 수 있다.
미세 요철은, 기판(2) 표면에 볼록부를 갖는 것이 바람직하다. 볼록부는, 원뿔 형상이나 다각추 형상을 들 수 있다. 볼록부는, 단면이 삼각형이나 사다리꼴이 되는 다각형이 바람직하다. 볼록부가 경사면을 가짐으로써 반사 효과를 향상시킬 수 있다. 볼록부는 주기적으로 마련하는 것이 바람직하다. 미세 요철을 형성한 사파이어 기판은 Patterned Sapphire Substrate(PSS)라 불리고 있다. 미세 요철 구조로서는, 볼록부의 직경이 0.5 내지 5㎛, 높이가 0.5 내지 5㎛, 피치가 0.5 내지 5㎛의 범위 내인 것이 바람직하다. 피치란, 인접하는 볼록부의 정점간의 거리이다. 볼록부의 선단이 평면 형상(볼록부의 단면이 사다리꼴)인 경우, 선단의 평면 중심 간의 거리를 피치로 한다. 볼록부의 사이즈가 상기 범위 이외가 되면, 반사 효과나 광 취출 효과가 불충분해질 우려가 있다.
기판(2)의 이면(제2 면)측에는 제1 유전체막과 제2 유전체막을 교대로 적층한 구조를 갖는 다층 반사막(4)을 갖고 있다. 기판(2)의 이면측과는 반도체층(3)이 마련되어 있는 면과는 반대측의 면이다. 도 3에 다층 반사막을 예시하는 단면도를 도시하였다. 도 4는, 제1 유전체막(41)과, 제2 유전체막(42), 실장 기판(8)을 도시한다. 후술하는 바와 같이 플립 칩형의 경우에는, 기판(2)/반도체층(3)/다층 반사막(4)의 순번으로 된다.
다층 반사막(4)은 제1 유전체막(41)과 제2 유전체막(42)이 교대로 적층된 다층막이다. 굴절률이 상이한 제1 유전체막(41)과 제2 유전체막(42)을 교대로 적층함으로써 반사율을 향상시킬 수 있다.
적층수는 3회 이상이 바람직하다. 적층수란, 하나의 제1 유전체막(41)과 하나의 제2 유전체막(42)을 페어로 하고, 이 페어가 반복된 횟수를 나타낸다. 예를 들어, 제1 유전체막(41)/제2 유전체막(42)/제1 유전체막(41)/제2 유전체막(42)을 포함하는 다층 반사막(4)의 적층수는 2회가 된다. 제1 유전체막(41)과 제2 유전체막(42)이 교대로 5회 이상 적층된 구조란, 제1 유전체막(41)과 제2 유전체막(42)의 페어가 3회 이상 적층된 다층 반사막임을 나타낸다. 교대로 적층함으로써 광의 반사율을 향상시킬 수 있다. 적층수의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 50회 이하가 바람직하다. 50회를 초과하면 반사율 향상의 효과가 적고, 비용 상승의 요인이 된다. 후술하는 금속 반사막(9)을 사용함으로써 적층수를 30회 이하로 할 수도 있다. 이하의 식 1 내지 식 6을 만족하는 파장 λ1 및 λ2가 1세트 이상 있으면 된다.
제1 유전체막(41)의 굴절률을 n1, 막 두께를 d1(nm)로 하고, 제2 유전체막(42)의 굴절률을 n2, 막 두께를 d2(nm)라 하고, 파장 380 내지 430nm 중 임의의 파장 λ1 및 파장 380 내지 430nm 중 임의의 파장 λ2의 관계가 이하의 식 1 내지 식 6을 만족하는 것이 바람직하다.
식 1: 0.9(λ1/(4×n1))≤d1≤1.1(λ1/(4×n1))
식 2: 0.9(λ2/(4×n2))≤d2≤1.1(λ2/(4×n2))
식 3: n1>n2
식 4: 20≤|λ1-λ2|
식 5: 380≤λ1≤430
식 6: 380≤λ2≤430
n1>n2이기 때문에, 제1 유전체막(41)의 굴절률 n1은 제2 유전체막(42)의 굴절률 n2보다도 크다.
파장 λ1(nm), λ2(nm)는 380 내지 430nm 중에서 선택되는 임의의 파장이다. λ1과 λ2는 20≤|λ1-λ2|의 관계를 갖고 있다. 이것은, 먼저 380 내지 430nm 중에서 λ1(nm)을 고정한다. λ2는 20≤|λ1-λ2|(nm) 또한 380≤λ2≤430(nm)을 만족하는 범위 모두가 대상으로 된다. 예를 들어, λ1을 405nm로 하였을 때, λ2는 380 내지 385nm 및 425 내지 430nm로 된다.
반사막의 막 두께 d(nm), 반사막의 굴절률 n, 발광 소자의 피크 파장 λp(nm)라 하였을 때, 막 두께 d=λp/(4×n)로 설계된다. 발광 소자의 피크 파장 λp를 기준으로 한 것은 반사시키고 싶은 광이기 때문이다. 막 두께를 반사시키고 싶은 광의 1/4 파장을 기준으로 하고 있다. 이와 같이 함으로써, 고굴절률의 매질 안에서 저굴절률의 매질에 광이 입사되면, 그 반사파의 위상은 경계면에 있어서 변화되지 않지만, 저굴절률의 매질 안에서 고굴절률의 매질에 광이 입사되면, 반사파의 위상은 경계면에서 π(180°: λ/2 파장 분)만큼 변화한다. 이 때문에, 각각의 매질의 막 두께를 파장 λ의 1/4 광학 두께로, 교대로 주기적으로 배열시키면, 각 경계면으로부터의 반사파의 위상이 정렬되기 때문에, 높은 반사율이 얻어진다. 이 때문에, 반사막은 막 두께 d=λp/(4×n)를 이론값(이상적인 반사막)으로 생각되고 있다.
이에 비해, 실시 형태에 관한 다층 반사막은, 파장 380 내지 430nm 중 임의의 파장을 λ1 및 λ2라고 하고 있다. λ1은, 이 범위이면 임의로 선택할 수 있다. λ2는, 20≤|λ1-λ2| 및 380≤λ2≤430의 양쪽을 만족하는 범위가 된다. 그 상태에서, 0.9(λ1/(4×n1))≤d1≤1.1(λ1/(4×n1)) 또한 0.9(λ2/(4×n2))≤d2≤1.1(λ2/(4×n2))가 되도록 막 두께가 제어되어 있다. 20≤|λ1-λ2|를 만족하기 때문에 λ1과 λ2는 적어도 20nm의 차가 있다. 실시 형태의 다층 반사막은, 반사하고 싶은 파장을 2종류 설정하고 있다. 이에 의해, 380 내지 430nm의 범위의 반사율을 향상시킬 수 있다. 실시 형태에 관한 반도체 발광 소자는 발광 피크 파장이 395 내지 425nm의 범위에 있다. 그것에 비하여, 380 내지 430nm의 범위의 반사율을 향상시킬 수 있는 다층 반사막을 형성하고 있는 것이다.
LED 등의 반도체 발광 소자는 전술한 바와 같이 발광 피크 파장 λp를 기준으로 반사막의 막 두께 d가 설계되어 있다(반사막 두께 d=λp/(4×n)). 한편, 발광 피크 파장 395 내지 425nm의 청자색 LED에서는, 그 발광 피크는 소정의 반값폭을 갖기 때문에 자외 영역으로부터 가시광 영역까지 포함하고 있다. λ1과 λ2와 같은 두 파장을 기준으로 한 다층 반사막을 형성함으로써, 380 내지 430nm의 범위의 반사율을 향상시킬 수 있다.
이에 비해, 이론값(반사막 두께 d=λp/(4×n))만으로 제작된 반사막에서는 피크 파장만의 반사율이 향상될 뿐이며, 반사율의 향상이 불충분하였다. LED는, 그 제조 변동에 의해 피크 파장이 5 내지 15nm 정도 어긋나기 쉽다. 목적으로 하는 피크 파장의 이론값에 맞추어 반사막을 설계해 버리면, 피크 파장이 약간 어긋나면 반사율이 저하되어 버린다. 이 때문에, 발광 소자의 발광 출력이 저하되어 버린다. 실시 형태와 같이 380 내지 430nm의 반사율이 향상되도록 설계함으로써, 피크 파장이 어긋났다고 해도 반사율을 높일 수 있다. 즉, 반도체 발광 소자의 피크 파장이 어긋났다고 해도 발광 출력을 높일 수 있다. 실시 형태의 반사막을 가짐으로써 각 파장별로 설계할 필요가 없어지고, 저비용으로 발광 강도가 높은 반도체 발광 장치를 제조하는 것이 가능하게 된다.
발광 피크 파장을 λp(nm)라 하였을 때, 복수의 제1 유전체막(41)은, 식 7:d1=λp/(4×n1)로 표시되는 막 두께 d1(nm)의 값으로부터 1nm 이상 어긋난 막 두께를 갖는 제1 유전체막(41)을 갖는 것이 바람직하다. 발광 피크 파장을 λp(nm)라 하였을 때, 복수의 제2 유전체막(42)은, 식 8: d2=λp/(4×n2)로 표시되는 제2 유전체막(42)의 막 두께 d2(nm)의 값으로부터 1nm 이상 어긋난 막 두께를 갖는 제2 유전체막(42)을 갖는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이 반사막의 막 두께는 d=λp/(4×n)를 기준값으로 하여 설계된다. 이 기준값을 최적인 이론값으로 되어 있다. 다층 반사막(4)은, 제1 유전체막(41)과 제2 유전체막(42)을 교대로 적층하였을 때, 적어도 하나의 유전체막은 이론값으로부터 어긋난 막 두께를 갖고 있는 것을 나타내고 있다. 이론값으로부터의 어긋남이 1nm 이상이란, 1nm 이상 두꺼워도 되고 얇아도 된다. 이론값으로부터 어긋난 막 두께를 가짐으로써, 380 내지 430nm의 범위의 반사율을 더 향상시킬 수 있다. 이론값으로부터의 어긋남은 1nm 이상, 나아가 3nm 이상인 것이 바람직하다.
제1 유전체막(41)끼리의 막 두께 변동이 5nm 이상인 것도 유효하다. 제2 유전체막(42)의 막 두께 변동이 5nm 이상인 것도 유효하다. 제1 유전체막(41)의 막 두께 변동이 5nm 이상이란, 제1 유전체막(41)끼리의 막 두께차가 5nm 이상 있음을 나타낸다. 마찬가지로, 제2 유전체막(42)의 막 두께 변동이 5nm 이상이란, 제2 유전체막(42)끼리의 막 두께차가 5nm 이상 있음을 나타낸다.
이론값으로부터의 어긋남 또는 막 두께의 변동은, 제1 유전체막(41) 또는 제2 유전체막(42)의 어느 한쪽 또는 양쪽에 적용할 수 있다. 제1 유전체막(41) 및 제2 유전체막(42)의 양쪽에 적용하는 것이 가장 바람직하다.
제1 유전체막(41)은, 산화티타늄, 산화지르코늄, 질화규소, 산화니오븀 및 산화탄탈륨으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 산화티타늄은 TiO2 등을 들 수 있다. 산화지르코늄은, ZrO2 등을 들 수 있다. 질화규소는, Si3N4 등을 들 수 있다. 산화니오븀은 Nb2O5 등을 들 수 있다. 산화탄탈륨은 Ta2O5 로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 산화티타늄(TiO2), 산화지르코늄(ZrO2), 질화규소(Si3N4), 산화니오븀(Nb2O5), 산화탄탈륨(Ta2O5)은, 스퍼터링 등의 박막 기술에 의해 성막할 수 있기 때문에 막 두께의 제어를 행하기 쉽다.
제2 유전체막(42)은, 산화규소, 불화마그네슘 및 불화칼슘으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 산화규소는 SiO2 등을 들 수 있다. 불화 마그네슘은 MgF 등을 들 수 있다. 불화칼슘은 CaF2 등을 들 수 있다. 산화규소(SiO2), 불화 마그네슘(MgF), 불화칼슘(CaF2)은, 스퍼터링 등의 박막 기술에 의해 성막할 수 있기 때문에 막 두께를 제어하기 쉽다. 상기 재료는, 제1 유전체막(41)과 제2 유전체막(42)의 굴절률 관계를 n1>n2로 조정하기 쉽다.
기판(2) 사이에서 굴절률의 차가 큰 유전체막을 제1 유전체막(41)으로 하는 것이 바람직하다. 사파이어 기판의 380 내지 430nm 부근의 굴절률은 1.8정도이다. n1>n2로 함으로써, 기판(2)과의 굴절률의 차를 크게 할 수 있다. 기판(2)과의 굴절률의 차를 크게 함으로써, 기판(2)을 투과한 광의 반사율을 크게 할 수 있다. 제1 유전체막(41)과 제2 유전체막(42)의 굴절률차가 큰 편이 바람직하다. 필요에 따라, 기판(2)과 제1 유전체막(41) 사이에 다른 층을 마련해도 된다. 예를 들어, 제2 유전체막(42), 금속막, 금속 산화막, 금속 질화막 등의 다른 층을 기판(2)에 마련함으로써, 밀착성을 향상시키는 방법도 있다.
다층 반사막(4)의 표면에 금속 반사막을 갖는 것이 바람직하다. 다층 반사막(4)의 표면이란 실장 기판(8)측의 면이다. 도 4는 다층 반사막(4)과, 실장 기판(8)과, 금속 반사막(9)을 예시한다. 도 4에서는, 다층 반사막(4)의 표면에 금속 반사막(9)을 마련하고, 실장 기판(8)에 실장한 구조이다.
금속 반사막(9)을 마련함으로써, 추가로 반사율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 다층 반사막(4)의 적층수를 저감시킬 수도 있다. 금속 반사막(9)은 Au, Ag, 및 Al로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 주성분으로서 포함하는 것이 바람직하다. 주성분과는 질량비로 50％ 이상 100％ 이하로 되어 있음을 나타낸다. 그 때문에, Au 단체, Au 합금, Ag 단체, Ag 합금, Al 단체, Al 합금을 들 수 있다. 예를 들어, Ag 합금으로서는, AgPdCu 합금을 들 수 있다. 380 내지 430nm의 반사율은 Ag, Ag 합금, Al, Al 합금쪽이 높기 때문에 바람직하다. Au에 비하여 가격도 싸다.
실장 기판(8)은, 반도체 발광 소자(1)를 실장하기 위한 기판이다. 이 때문에, 반도체층(3)을 성장시키기 위한 기판(2)과는 구별된다. 실장 기판(8)은 반도체층(3)으로부터 방사되는 광을 효율적으로 반사할 필요가 있기 때문에, 반사율이 높은 것이 바람직하다. 반도체 발광 소자(1)를 사용한 발광 장치의 휘도를 보다 높이는 것이 요구되고 있다. 그 때문에, 고출력형의 발광 장치는, 투입 전력이 큰 것이나 정션 온도가 높아진다고 하는 특징을 가지고 있고, 그 때문에 실장 기판의 방열성이 높은 것이 요구된다. 이들의 특징으로부터, 실장 기판(8)은, 금속 기판을 들 수 있다. 금속 기판으로서는, Al판이 바람직하다. 은(Ag), 알루미늄(Al) 또는 산화알루미늄(Al2O3)으로 피복된 세라믹스 기판도 유효하다. 세라믹스 기판으로서는, 질화규소 기판이나 질화알루미늄 기판, 산화알루미늄 기판이 바람직하다. 실장 기판(8) 상에 반도체 발광 소자(1)를 실장할 때에는, 직접 실장해도 되고, 접착제층 등을 통하여 실장해도 된다.
이상과 같은 반도체 발광 소자는 발광 피크 파장이 395 내지 425nm에 있고, 다층 반사막에 의해 반사율이 개선되기 때문에 발광 효율이 향상된다.
반도체 발광 소자(1)의 면적은 0.1㎟ 이상인 것이 바람직하다. 발광 소자의 면적이란, 발광 소자를 위에서 보았을 때의 반도체층의 면적이다. 도 1을 예로 하면 반도체층(3)을 상측 방향에서 보았을 때의 면적이다.
실시 형태에 관한 반도체 발광 소자는, 발광 효율을 개선하고 있기 때문에, 소자의 면적이 커졌다고 해도 발광 효율이 향상된다. 소자가 커지면, 반도체층(3)의 제조 변동이 생기기 쉽다. 소위 결정층의 불균일 등이 원인이다. 이에 의해, 발광 피크의 어긋남이 생긴다. 다층 반사막(4)에 의해 380 내지 430nm의 반사율을 향상시키도록 하고 있기 때문에, 발광 피크가 어긋났다고 해도 반사율을 높일 수 있다.
반도체 발광 소자(1)의 발광 피크의 반값폭은 10nm 이상인 것이 바람직하다. 발광 피크 파장이 395 내지 425nm이며 또한 발광 피크의 반값폭이 10nm 이상이면 발광 피크는 자외 영역과 가시광 영역의 양쪽을 갖게 된다. 전술한 바와 같은 다층 반사막을 형성함으로써, 자외 영역과 가시광 영역의 양쪽 반사율을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 발광 피크의 반값폭이 10nm 이상 있는 발광 소자에 유효하다. 발광 피크의 반값폭의 상한은 특별히 한정되지 않지만 30nm 이하가 바람직하다. 반값폭이 30nm를 초과하여 크면, 발광 피크의 일부가 380 내지 430nm의 범위로부터 벗어나는 비율이 많아져, 반사 효과가 불충분해질 우려가 있다. 발광 다이오드(LED)에 한정되지 않고 반도체 레이저 등의 발광 소자에 적용할 수도 있다.
실시 형태에 관한 반도체 발광 소자는, 플립 칩형에도 적합하다. 도 5에 플립 칩형의 반도체 발광 소자의 구조예를 나타내는 단면 모식도이다. 도 5에 나타내는 반도체 발광 소자(1)는, 기판(2)과, 반도체층(3)과, 다층 반사막(4)과, 전극(5)(p 패드 전극)과, 전극(6)(n 패드 전극)과, 투광 전극(7)과, 실장 기판(8)을 구비한다. 도 5에서는, 기판(2)/반도체층(3)/다층 반사막(4)의 적층 구조로 되어 있다. 도 5에서는, 다층 반사막(4)끼리의 사이에 전극(5)을 각각 마련한 구조이다. 전극 구조에 관해서는, 이와 같은 구조에 한정되지 않고, n 패드 전극 및 p 패드 전극을 필요한 개소에 마련해도 된다. 필요에 따라, 투광 전극(7), 금속 반사막(9) 등을 마련해도 된다. 기판(2), 반도체층(3), 다층 반사막(4), 전극(5), 전극(6), 투광 전극(7), 실장 기판(8)의 구성에 있어서, 전술한 페이스 업형의 반도체 발광 소자(1)의 구성과 동일 부분은, 적절하게 설명을 원용할 수 있다.
이상과 같은 반도체 발광 소자는, 발광 피크 파장이 395 내지 425nm이며, 발광 효율이 높다. 이 때문에, 단독의 발광 소자나, 형광체와 조합한 백색 발광 장치에 적합하다. 형광체와 조합하는 경우에는, 백색에 한정되지 않고, 청색, 황색, 녹색, 적색 등 목적으로 하는 가시광을 발하는 발광 장치에 적용할 수 있다. 형광체는, 395 내지 425nm의 파장을 여기원으로서 청색 내지 적색의 범위에서 발광한다.
청색 형광체란 발광 피크 파장이 450nm 이상 520nm 이하에 갖는 형광체이다. 이와 같은 형광체로서는, 할로인산염 형광체, 인산염 형광체, 알칼리 토류 금속 알루민산염 형광체 등을 들 수 있다.
할로인산염 형광체는, (Sr, Ca, Ba, Mg)5(PO4)3(Cl, Br):Eu, (Sr, Ca, Ba, Mg)5(PO4)3Cl:Eu 등을 들 수 있다. 인산염 형광체로서는, 2SrOㆍ0.84P2O5ㆍ0.16B2O3:Eu 등을 들 수 있다. 알칼리 토류 금속 알루민산염 형광체로서는, BaMgAl10O17:Eu, BaMg2Al16O27:Eu, BaMgAl10O17:Eu, Mn 등을 들 수 있다.
녹색 형광체 및 황색 형광체는, 520nm 이상 580nm 이하의 파장 영역에 주 발광 피크를 갖는 형광체이다. 이와 같은 형광체로서는, 규산염 형광체, 알루민산염 형광체, 황화물 형광체, 알칼리 토류산 질화물 형광체 등을 들 수 있다. 규산염 형광체는 (Sr, Ca, Ba)2SiO4:Eu, Ca3(Sc, Mg)2Si3O12:Ce 등을 들 수 있다. 알루민산염 형광체는 (Y, Gd)3(Al, Ga)5O12:Ce 등을 들 수 있다. 황화물 형광체는, (Ca, Sr, Ba)Ga2S4:Eu 등을 들 수 있다. 알칼리 토류산 질화물 형광체는, (Ca, Sr, Ba)Si2O2N2:Eu, (Ca, Sr)-αSiAlON:Eu, β-SiAlON:Eu 등을 들 수 있다.
적색 형광체는 580nm 이상 680nm 이하의 주황색으로부터 적색의 파장 영역에 주 발광 피크를 갖는 형광체라고 할 수 있다. 적색 형광체로서는, 규산염 형광체, 산 불화물 형광체, 불화물 형광체, 산화물 형광체, 산 황화물 형광체, 황화물 형광체, 질화물 형광체 등을 들 수 있다.
규산염 형광체는 (Sr, Ca, Ba)2SiO4:Eu 등을 들 수 있다. 산 불화물 형광체는, 3.5MgOㆍ0.5MgFㆍGeO2:Mn4+ 등을 들 수 있다. 불화물 형광체는 (Na, K, Rb, Cs)2(Si, Ti, Ge)F:Mn4+ 등을 들 수 있다. 산화물 형광체는, YVO4:Eu 등을 들 수 있다. 산 황화물 형광체는, (La, Gd, Y)2O2S:Eu 등을 들 수 있다. 황화물 형광체는, (Ca, Sr, Ba)S:Eu 등을 들 수 있다. 질화물 형광체는, (Sr, Ba, Ca)2Si5N8:Eu, (Sr, Ca)AlSiN3:Eu 등을 들 수 있다.
형광체로서는, 상기 형광체에 한정되지 않고, 여러가지 형광체를 사용할 수 있다. 발광 장치는, 조명이나 백라이트 등, 다양한 용도로 사용할 수 있다.
다음에, 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대하여 설명한다. 실시 형태에 관한 반도체 발광 소자는 전술한 구성을 갖고 있으면 그 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 효율적으로 얻기 위한 방법으로서 다음의 방법을 들 수 있다.
우선, 기판(2)을 준비한다. 기판(2)의 반도체층(3)을 마련하는 면에는 미세 요철을 형성한다. 기판(2)은, 사파이어, SiC, GaN 등을 들 수 있다. 기판(2)은 승화법, 화학 기상 성장법 등에 의해 제작된다.
다음에, 미세 요철 구조를 갖는 면 상에 반도체층(3)을 마련한다. 반도체층(3)의 형성 방법은, 유기 금속 기상 성장(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE)법이 바람직하다. MOVPE법은, 복수의 유기 금속 가스를 반응시켜 목적으로 하는 반도체층을 형성하는 방법이다. GaN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 등 여러가지 반도체층을 형성할 수 있다. 유기 금속 가스로서는, Ga의 원료로서 트리메틸 갈륨(TMGa) 또는 트리에틸 갈륨(TEGa)을 들 수 있다. Al의 원료로서 트리메틸알루미늄(TMAl), In의 원료로서 트리메틸 인듐(TMIn) 등을 들 수 있다. MOVPE 장치 내에서 가열한 기판(2) 상에 유기 금속 가스를 공급하고, 반도체층을 순차적으로 성장시켜 갈 수 있다. 버퍼층(31), n형층(32), 활성층(33), p형층(34)을 각각 형성할 수 있다. 필요에 따라, 불순물 원소를 도핑하는 공정을 행해도 된다.
반도체층(3)을 형성한 후, 전극(5)(p 패드 전극), 전극(6)(n 패드 전극)을 형성한다. 필요에 따라, 반도체층(3) 상에 투광 전극(7)을 형성한다. 전극(5) 및 전극(6)은, 예를 들어 스퍼터링이나 전자 빔(Electron Beam: EB) 증착에 의해 형성할 수 있다. 투광 전극(7)은, 예를 들어 스퍼터링에 의해 형성할 수 있다.
다음에, 다층 반사막(4)을 형성한다. 페이스 업형의 경우에는, 기판(2)의 반도체층(3)을 마련하고 있지 않은 면에 다층 반사막(4)을 형성한다. 이 때, 필요에 따라 기판(2)의 연삭 연마를 행하고, 기판(2)의 박막화나 조도의 제어를 행하고 나서, 다층 반사막(4)을 형성한다. 플립 칩형의 경우에는, 반도체층(3) 상에 다층 반사막(4)을 형성한다.
다층 반사막(4)은 제1 유전체막(41)과 제2 유전체막(42)을 교대로 적층한 구조를 갖고 있다. 다층 반사막(4)은, 예를 들어 물리 증착법(PVD)에 의해 형성할 수 있다. 물리 증착법은, 진공 증착, 분자선 증착(MBE), 이온 플레이팅, 이온 빔 증착, 스퍼터링 등을 들 수 있다. 이온 빔 어시스트 증착(Ion-beam Assisted Deposition: IAD)도 유효하다. IAD법은 진공 증착 중에 이온 총으로 가스 이온을 조사하여, 치밀한 막으로 하는 방법이다. 가스 이온을 조사할 때 동량의 전자를 날려서 중화하는 것도 유효하다. IAD법에 사용함으로써, 치밀하고 평탄한 다층막을 형성할 수 있다.
다층 반사막(4)은, 기판(2)측에 제1 유전체막(41)을 마련하고, 이하, 제2 유전체막(42)과 제1 유전체막(41)을 교대로 성막함으로써 형성된다.
필요에 따라 금속 반사막(9)을 형성해도 된다. 금속 반사막(9)은, 예를 들어 스퍼터링법이나 전자 빔(Electron Beam: EB) 증착에 의해 형성할 수 있다. 필요에 따라, 반도체층(3) 또는 반도체 발광 소자(1) 전체를 덮는 보호막을 형성해도 된다.
다음에, 실장 기판(8)에, 반도체 발광 소자(1)를 실장한다. 실장 공정에서는, 다층 반사막(4) 또는 금속 반사막(9)과 실장 기판(8)의 밀착성이 불충분한 경우에는 접착층을 마련해도 된다.
실시예
(실시예 1 내지 7, 비교예 1 내지 2)
실장 기판으로서 유리 기판을 준비하였다. 유리 기판 상에 표 1에 나타낸 다층 반사막을 형성하였다. 자외 가시 분광 광도계(시마즈 세이사쿠쇼제 UV-2600)을 사용하여 형성한 반사막의 반사율 측정을 행하였다.
Figure 112019094787391-pct00001
표 1의 굴절률은 390 내지 430nm 부근의 굴절률이다. 표 1에 나타내는 실시예 1 내지 7의 다층 반사막은, 이하의 관계를 만족하고 있었다.
0.9(λ1/(4×n1))≤d1≤1.1(λ1/(4×n1)),
0.9(λ2/(4×n2))≤d2≤1.1(λ2/(4×n2)),
n1>n2,
20≤|λ1-λ2|, 380≤λ1≤430, 380≤λ2≤430.
한편, 비교예 1은 제1 유전체막 및 제2 유전체막 모두에 피크 파장 400nm에 있어서의 이론값(d=λp/(4×n))으로 설계된 예이다. 막 두께의 변동도 제로로 억제되어 있다. 비교예 2는, 20≤|λ1-λ2|을 만족하지 않는다.
다음에, 상기 반사막의 반사율 측정을 실시하여, 표 2에 나타내는 파장의 반사율을 측정하였다. 측정 방법은 표 1과 동등한 방법에 의해 실시하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure 112019094787391-pct00002
표로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예에 따른 다층 반사막은 파장 380 내지 430nm의 반사율이 80％ 이상 100％ 이하였다. 최대 반사율은 95％ 초과였다. 이것으로부터 발광 피크 파장이 어긋났다고 해도 반사율이 높음을 알 수 있다. 도 6에 실시예 3의 360nm로부터 460nm의 파장 범위의 반사율을 나타낸다. 한편, 비교예 1이나 비교예 2에서는 피크 파장 400nm에서는 우수한 반사율을 나타내지만, 그 이외의 파장에서는 반사율의 저하가 보였다.
다음에, 실시예 및 비교예에 관한 다층 반사막의 표면에 표 3에 나타내는 금속 반사막을 마련하였다. 표 1과 동등한 방법으로 반사율의 측정을 행하였다. 그 결과를 표 4에 나타내었다.
Figure 112019094787391-pct00003
Figure 112019094787391-pct00004
표로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예에 따른 다층 반사막은, 반사율이 92％ 이상 100％ 이하로 향상되었다. 최대 반사율은 100％였다. 한편, 비교예 3, 비교예 4는 금속 반사막을 마련하였다고 해도, 이것 이상의 효과를 얻지 못하였다.
(실시예 15 내지 28, 비교예 5, 6)
사파이어 기판은 PSS로 하여 미세 요철을 형성하였다. 그 위에 반도체층을 마련하였다. 전극이나 투광 전극을 마련하여 반도체 발광 소자를 제작하였다. 각각 반도체 발광 소자의 면적을 표 5에 나타내었다. 반도체 발광 소자의 면적은 발광층을 위에서 보았을 때의 면적으로 하였다. 제작한 반도체 발광 소자의 사파이어 기판에, 반도체 발광 소자와는 반대측에 실시예 1 내지 14 및 비교예 3, 4의 다층 반사막을 마련하였다. 제작한 각 반도체 발광 소자에 대하여, 발광 효율을 구하였다. 발광 효율의 측정 방법은 이하와 같다. 제작한 반도체 발광 소자를 표 5의 면적으로 절단하고, 실장 기판 상에 은 페이스트나 땜납, 투명한 접착제 등을 사용하여 고정하고, 금 와이어 등을 사용하여 실장 기판과의 도통을 확보하였다. 실장한 반도체 발광 소자를 적분구를 갖는 전체 광속 측정 시스템(오츠카 덴시제MCPD9800)을 사용하여, 전체 광속 측정을 실시하고, 얻어진 결과로 반도체 발광 소자의 외부 양자 효율을 산출하였다.
각 반도체 발광 소자의 발광 강도의 대비를 행하였다. 대비는 비교예 5의 반도체 발광 소자의 외부 양자 효율을 100으로 하였을 때의 상대적인 효율 값으로서 기재하였다. 각 반도체 발광 소자는, 피크 파장 400nm±5nm(반값폭 15nm±3nm) 및 피크 파장 415nm±10nm(반값폭 15nm±3nm)의 반도체 발광 소자를 사용하였다. 결과를 표 5에 나타내었다.
Figure 112019094787391-pct00005
표로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예에 따른 반도체 발광 소자는 발광 효율이 향상되었다. 그것에 비하여, 비교예의 반도체 발광 소자는 향상되지 않았다. 다층 반사막의 개선은, 발광 효율의 향상에 유효함을 알 수 있다. 소자가 커져도 유효하였다.
(실시예 15A 내지 28A, 비교예 5A, 6A)
실시예 15 내지 28 및 비교예 5, 6의 반도체 발광 소자와 형광체를 조합하여 실시예 15A 내지 28A, 비교예 5A, 6A의 백색 발광 장치를 제작하였다. 형광체는, 청색 형광체로서 할로 인산염 형광체(피크 파장 480nm), 녹색 형광체로서 규산염 형광체(피크 파장 560nm), 적색 형광체로서 질화물 형광체(피크 파장 620nm)를 사용하였다. 3종류의 형광체를 수지에 혼합하여, 반도체 발광 소자 상에 도포, 건조시켜 백색 발광 장치로 하였다. 각 발광 장치에 대하여, 전체 광속을 측정하였다. 전체 광속의 측정은, 실시예 15와 마찬가지의 방법으로 측정하였다. 비교예 5A의 발광 효율을 100으로 하였을 때의 상대 효율로 나타낸다. 결과를 표 6에 나타내었다.
Figure 112019094787391-pct00006
표로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예에 따른 발광 장치는, 발광 효율이 향상되었다. 이것은, 반도체 발광 소자의 성능을 향상시키는 것은, 발광 장치의 성능을 향상시키는 것에 연결되는 것을 나타낸다.
이상, 본 발명의 몇몇 실시 형태를 예시하였지만, 이들 실시 형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는, 그밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경 등을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그의 변형예는, 발명의 범위와 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그의 균등의 범위에 포함된다. 전술한 각 실시 형태는, 상호 조합하여 실시할 수 있다.

Claims (11)

  1. 발광 피크 파장이 395nm 이상 425nm 이하인 반도체 발광 소자이며,
    제1 면과 제2 면을 구비하고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 면이 요철을 갖는 기판과,
    상기 제1 면에 접하는 반도체층과,
    상기 제2 면 또는 상기 반도체층의 표면에 접하는 다층 반사막을 구비하고,
    상기 다층 반사막은, 복수의 제1 유전체막과 복수의 제2 유전체막을 갖고, 또한 상기 제1 유전체막 및 상기 제2 유전체막이 교대로 적층된 구조를 구비하고,
    상기 제1 유전체막 및 상기 제2 유전체막은,
    식 1: 0.9(λ1/(4×n1))≤d1≤1.1(λ1/(4×n1)),
    식 2: 0.9(λ2/(4×n2))≤d2≤1.1(λ2/(4×n2)),
    식 3: n1>n2,
    식 4: 20≤|λ1-λ2|,
    식 5: 380≤λ1≤430 및
    식 6: 380≤λ2≤430
    (식 1 내지 식 6 중, 상기 d1은, 상기 제1 유전체막의 막 두께(nm)를 나타내고, 상기 n1은, 상기 제1 유전체막의 굴절률을 나타내고, 상기 d2는, 상기 제2 유전체막의 막 두께(nm)를 나타내고, 상기 n2는, 상기 제2 유전체막의 굴절률을 나타내고, 상기 λ1은, 380nm 이상 430nm 이하의 파장 범위로부터 선택되는 제1 파장(nm)을 나타내고, 상기 λ2는, 상기 파장 범위로부터 선택되는 제2 파장(nm)을 나타냄)
    을 만족하며,
    상기 복수의 제1 유전체막의 적어도 하나의 막 두께는,
    식 7: d1=λp/(4×n1)
    (식 7 중, 상기 d1은, 상기 제1 유전체막의 막 두께(nm)를 나타내고, 상기 n1은, 상기 제1 유전체막의 굴절률을 나타내고, 상기 λp는, 상기 발광 피크 파장을 나타냄)
    으로 표시되는 상기 d1의 값으로부터 1nm 이상 어긋난 값인,
    반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 페이스 업형인, 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서, 발광 피크의 반값폭이 10nm 이상인, 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제1 유전체막의 하나의 막 두께와 상기 복수의 제1 유전체막의 다른 하나의 막 두께와의 차이는 5nm 이상이고,
    상기 복수의 제2 유전체막의 하나의 막 두께와 상기 복수의 제2 유전체막의 다른 하나의 막 두께와의 차이는 5nm 이상인, 반도체 발광 소자
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제2 유전체막의 적어도 하나의 막 두께는,
    식 8: d2=λp/(4×n2)
    (식 8 중, 상기 d2는, 상기 제2 유전체막의 막 두께(nm)를 나타내고, 상기 n2는, 상기 제2 유전체막의 굴절률을 나타내고, 상기 λp는, 상기 발광 피크 파장을 나타냄)
    으로 표시되는 상기 d2의 값으로부터 1nm 이상 어긋난 값인, 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 유전체막은, 산화티타늄, 산화지르코늄, 질화규소, 산화니오븀 및 산화탄탈륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 유전체막은, 산화규소, 불화 마그네슘 및 불화칼슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제1 유전체막은, 3 이상의 상기 제1 유전체막을 갖고,
    상기 복수의 제2 유전체막은, 3 이상의 상기 제2 유전체막을 갖는, 반도체 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다층 반사막의 표면에 마련된 금속 반사막을 추가로 구비하는, 반도체 발광 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 금속 반사막은, Au, Ag 및 Al로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는, 반도체 발광 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반도체 발광 소자의 면적은, 0.1㎟ 이상인, 반도체 발광 소자.
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