KR20080077293A - 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법과 그것을 이용한 발광장치 - Google Patents

반도체 발광 소자 및 그 제조 방법과 그것을 이용한 발광장치 Download PDF

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니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤
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Abstract

기판 상에, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 적층되어 이루어지는 적층부를 갖고, 그 적층부에서 발광하는 질화물 반도체 발광 소자에서, 적층부의 측면은, n형 반도체층의 표면을 포함하는 경사면이며, 그 n형 반도체층의 표면에 n 전극이 형성되어 있다. 이러한 소자 구조에 의해, 발광 효율이 높고 또한 광의 사출 효율이 높아진다.
반도체층, 활성층, 발광 효율, 추출 효율, 발광 소자, 적층체, 금속 부재

Description

반도체 발광 소자 및 그 제조 방법과 그것을 이용한 발광 장치{SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE, METHOD FOR MANUFACTURING SAME AND LIGHT-EMITTING APPARATUS USING SAME}
본 발명은, 반도체를 이용한 발광 소자에 관한 것으로, 특히 질소를 포함하는 화합물 반도체인 질화물 반도체를 이용한 소자에 관한 것으로, 질화물 반도체의 발광 소자는, GaN, AlN, 혹은 InN, 또는 이들의 혼정인 Ⅲ-V족 질화물 반도체(InbAlcGa1 -b- cN, 0≤b, 0≤d, b+d<1)를 이용한 발광 소자로, 발광 장치, 투광기, 집합 램프, 일루미네이션, 광 결합 장치, 광 검지 장치, 광 통신 장치, 광 파이버 모듈의 광원 등에 이용되는 발광 소자 및 그 발광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 질화갈륨계 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드가, 자외 영역, 청색 등의 비교적 짧은 파장 영역을 중심으로 넓게 이용되도록 되고 있다. 이 질화갈륨계 화합물 반도체는 직접 천이로 발광 효율이 높기 때문에 그 적용 범위가 확대되고 있다.
그와 같은 발광 소자에는 다양한 소자 구조, 특히 반도체의 적층체의 형상, 전극 구조·배치가 제안되어 있다.
(제1 발명)
본 발명은 반도체의 적층체를 갖는 발광 소자에서, 그 적층체, 적층부의 형상을 발광 소자의 발광 효율, 특히, 광 추출 효율, 방열 특성이 우수하고, 고출력이며 고신뢰성의 발광 소자를 제공하는 것이다. 구체적인 구조로서는, 반도체층의 구조체, 예를 들면, 제1 도전형층과 제2 도전형층 사이에 끼워진 발광층을 갖는 구조체가, 발광 소자에 포함되며, 그 적층 구조체에, 발광층, 제1, 제2 도전형층의 접합부(p-n 접합부), 기판, 전극 형성면 등의 면에 경사한 측면을 갖는 구조부를 갖고, 그 경사 구조부 저면이 사각 형상, 다각 형상이며, 그 저면 각부에서, 저면 각부의 라운딩, 면취가 커지도록 상면으로 연장되는 경사 측면을 갖고 있다. 이에 의해, 저면보다 상면에 가까운 발광부를 구비한 발광 소자 구조체에서, 그 발광부에서 발생한 광을 그 발생부 근방에 있는 그 각부 경사면에서 가지므로, 광의 산란이 촉진되어, 효과적으로 광을 소자 외부로 추출할 수 있는 구조로 된다.
그 구체적인 구성은 하기와 같다.
제1 도전형층(2)과 제2 도전형층(3) 사이에 끼워진 발광층(4)을 갖는 구조를 구비한 반도체 발광 소자(10000)에서, 상기 제1, 제2 도전형층(2, 3), 발광층(4) 중 적어도 일부가 포함되며, 단면에서 구조부 폭이 큰 저면측(10g)과 작은 상면측(10f)을 구비하고, 대향하는 측면(10x, 10y)이 상호 경사한 구조부(10)가 형성됨과 함께, 상기 구조부(10) 측면(10x, 10y)이, 저면측(10g)보다 상면측(10f)의 폭이 큰 제1 측면(10x)과, 상면측보다 저면측의 폭이 큰 제2 측면(10y)을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자이다. 구체적으로는, 도 53A, 도 53C에 도시한 바와 같이, 소자의 구조부(10)에서, 저면측(10g)보다 면적이 작은 상면측(10f)에서, 도면에서의 일점쇄선부(10x-1, 10x-2) 사이에 끼워진, 구획된 측면에 대하여, 각 각부를 구성하는 측면(10x)이, 상면측을 향하여 폭이 커지는 측면으로서 형성되며, 한편, 상면측을 향하여 폭이 작아지는 측면(10y)이 형성된 구조를 가짐으로써, 도 53B에 도시한 바와 같이, 도면에서의 화살표의 발광 소자로부터의 광이, 구조부의 높이 방향으로(상면측에 근접함에 따라), 그 폭이 반대로 변화됨으로써(측면(10x)이 커짐으로써, 측면(10y)이 작아짐으로써)), 그 구조부 내에서, 구조부 높이에 의해, 그 높이의 면(상면에 평행한 면 혹은 높이 방향축을 법선으로 하는 면)에서의 각 측면에 의해 구성되는 각 변의 길이의 비가 변화되고, 또한 그 높이 면에 상면측에 형성되어 피복되는 측면의 점유 면적비가 변화되기 때문에, 이들 측면에 의한 저면측으로의 광의 반사가 분산되어, 광이 편중되는 경향에 있는 발광 소자에서, 균일성, 광 추출이 우수한 발광 소자가 얻어진다.
상기 제1 측면(10x)이, 저면(10g)에서 구성 변(10g-1, 10g-2) 사이에 끼워진 각부(10g-x)에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자이다. 그 구체예로서, 도 53A의 구조부(10), 및 그 부분 확대를 나타내는 도 53B, 다른 형태를 설명하는 도 53C에 도시한 바와 같이, 사각 형상, 다각 형상의 저면부(10g)로부터 상면에 근접함에 따라 단면 폭이 작아지는 경사 측면을 구비한 구조부(10)에서, 그 저면 혹은 상면의 각부가, 절단된 형상을 형성하는 제1 측면(10x)이 형성됨으로써, 상술한 바와 같은 발광 소자 내에 전파하는 광을 효과적으로 저면측 방향으로 반사시키는 구조, 혹은 상면측 방향으로 추출하는 구조로 할 수 있다.
상기 구조부가, 그 내부에 상기 발광층을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자이다. 도 53의 점선부(4)로서 나타낸 바와 같이, 발광 소자에서, 발광원으로 되는 발광층이 상기 특유의 형상을 갖는 구조부 내, 상기 상면과 저면 사이에 형성됨으로써, 소자 내부로의 불필요한 전파를 줄여, 광원으로부터 근거리에서, 상기 측면에 의한 반사, 광 추출 효과가 얻어져, 광 추출 효율이 우수하는 발광 소자가 얻어진다.
상기 구조부의 저면측이 사각 형상, 다각 형상이고, 그 형상의 저면측 구성 변에 상기 제2 측면이 형성되고, 그 형상의 각부가 상기 제1 측면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자이다. 상술한 바와 같이, 각부(10x)가 상면측에 근접함에 따라, 높이가 높아짐에 따라, 폭이 넓어지는 형태의 제1 측면(10x)이 형성되고, 다른쪽 저면측에 근접함에 따라 폭이 넓어지는 형태의 제2 측면(10y)이, 저면의 구성 변(10g-1, 10g-2)을 형성함으로써, 저면부를 원하는 형상으로 하고, 그 각부가 높아짐에 따라 폭이 넓어지는 형태의 측면으로서 형성되게 되며, 다양한 형상에 대하여 상기 본 발명이 가능하게 된다.
상기 구조부가 추체 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자이다. 후술 하는 제2, 제3의 발명과 마찬가지로, 추체 형상임으로써, 면내 집적도를 높여, 가공 정밀도가 우수한 적합한 발광 소자가 얻어진다.
상기 제1 측면이, 구조부 외측으로 볼록한 만곡면인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자이다. 도 53B에 도시한 바와 같이, 제1 측면과 제2 측면이 상호 다른 곡면, 곡율 반경, 혹은 제2 측면이 평면으로 형성됨으로써, 광의 반사, 추출 기능에 있어서, 다양한 방향으로의 방산이 가능하게 되어, 광의 집중을 경감한 발광 소자가 얻어진다.
상기 구조부 상면, 저면에서의 제1 측면이 라운딩을 띤 구성 변을 형성하고, 그 라운딩의 곡율 반경이 저면측보다 상면측이 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자이다. 도 53B에 도시한 바와 같이, 구체적인 구성으로서, 곡율이 상면측만큼 커짐으로써, 상면의 법선 방향에서, 경사면(그 상기 법선 방향으로의 투영 상이 중첩되는 영역)과는, 광 전파 성능이 다르지만, 도면에 도시한 바와 같이, 상면의 면내 방향으로의 광 전파를 재촉할 수 있다. 또한, 후술하는 마스크 형성에서, 상면측이 곡율 반경이 큰 각부 라운딩이 실시됨으로써, 마스크의 형성 정밀도가 높아지고, 또한, 경사면에 전극, 보호막을 형성할 때의 정밀도를 높여, 정밀한 디바이스 구조를 취할 수 있어, 특성이 우수한 소자가 얻어진다.
상기 발광 소자가, 상기 구조부를 복수 갖고, 각 구조부가 거의 동시에 발광되도록 전극 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자이다.
상기 발광 소자가, 구조부 상면에 동일 면측에 정부 한쌍의 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자이다. 후술하는 제2 발명과 마찬가지의 소자 구조로 할 수 있다.
상기 발광 소자의 한쪽의 전극은, 상기 구조부 측면의 일부를 피복하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자이다.
상기 구조부가 기판 상에 상호 분리되어 복수 형성되며, 각 구조부가 거의 동시에 발광할 수 있도록 전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자이다.
상기 발광 소자가 구조부 상면측을 실장면측으로 하여, 실장 기체에 재치되며, 상기 구조부에 설치된 한쪽의 전극은, 기판면 상에 형성되고, 다른쪽의 전극은, 상호 분리된 복수 구조부 상면에 접속하는 배선이 상기 실장 기체측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자이다. 도 16B에 도시한 바와 같이, 한쪽을 반도체층 적층 기판측, 다른쪽을 실장면측에 배선하여 접속함으로써, 공간을 유효하게 활용할 수 있어, 구조부 사이의 공간에 다양한 디바이스 기능, 예를 들면 반사막, 광 추출막, 광 변환 부재를 구비할 수 있으며, 또한, 기판측에 절연막을 개재하여 정부 전극 및 그 배선 전극을 입체 교차시킬 때의 누설의 문제도 해결된다.
상기 발광 소자가, 구조부 상면, 저면측에 대향 배치된 한쌍의 전극을 갖고, 각각 제1, 제2 도전형층 표면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자이다. 후술하는 제3 발명과 같은 대향 배치 전극 구조의 발광 소자에의 응용이 가능하게 된다.
상기 발광 소자의 구조부 측면을 피복하는 투광성 절연막을 개재하여 충전 부재를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자이다. 상술한 바와 같이, 구조부 측면은 내부 방향으로의 광 반사막으로서 기능시킬 때에, 외부로 출사한 광도 그것을 피복하는 투광성의 막, 금속 등의 반사막의 구조부측 각 면에 의해 반사되며, 소자 외부에 겹겹이 반사 구조를 구비한 발광 소자로 할 수 있어, 광 제어성, 발광 효율이 우수한 발광 소자가 얻어진다.
상기 발광 소자가, 복수의 구조부를 갖고, 그 구조부 사이에 볼록 형상의 충전 부재를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 소자이다. 충전 부재는, 후술하는 제3 발명과 같이, 금속 부재(7) 등도 이용할 수 있지만, 이에 의해, 소자의 방열성, 광 반사성, 소자의 강도가 우수한 소자가 얻어진다.
상기 발광 소자의 구조부가 발광층을 내부에 갖고, 상기 충전 부재가 상기 발광층보다 구조부 저면측으로 돌출되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자이다. 이에 의해, 상술한 방열원, 광원으로 되는 발광 소자에 인접하여, 충전제가 설치되게 되어, 이들을 개선한 구조로 할 수 있다.
(제2 발명)
질화갈륨계 화합물 반도체는 통상적으로, 절연 기판인 사파이어 기판 상에 성장되는 것에 기인하여, 종래의 질화물 반도체 발광 소자에는 이하와 같은 과제가 있었다. 첫째, 사파이어 기판이 절연체이므로, n측의 전극과 p측의 전극을 모두, 사파이어 기판 상의 질화갈륨 반도체 상에 형성할 필요가 있으며, 특히 n측의 전극 부분은, 비발광 영역으로 되고, 발광 영역으로부터 발생한 광이, GaN층을 가로 방향으로 전파할 때의 다중 반사에 의해 흡수되어, 추출 효율을 저하시킨다고 하는 문제점이 있었다. 둘째, 발광한 광은 기판면에 대하여 통상은 수직 방향으로 추출되도록 구성되지만, 발광 다이오드의 측면으로부터 출사되는 광의 비율이 비교적 높아, 발광한 광을 효과적으로 이용할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은, n측 전극 하부에서의 다중 반사를 없애, n측의 전극에 의한 흡수를 저감하고, 추출 효율이 높은 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 제1 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 발광한 광을 효과적으로 이용할 수 있는 질화물 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 제2 목적으로 한다.
이상의 종래의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명(제2 발명)에 따른 질화물 반도체 발광 소자는, 기판 상에, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 적층되어 이루어지는 적층부를 갖고, 그 적층부에서 발광하는 질화물 반도체 발광 소자에서, 상기 적층부의 측면은, 상기 n형 반도체층의 표면을 포함하는 경사면이며, 그 n형 반도체층의 표면에 n 전극이 형성된 것을 특징으로 한다. 이상과 같이 구성된 질화물 반도체 발광 소자는, 광의 출사 효율을 높게 할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자에서는, 상기 n 전극은 상기 적층부를 둘러싸도록 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 적은 면적의 전극 접촉면(반도체 구조체에의 전류 공급면)이라도 효율적인 소자 구조체로의 전류 주입이 실현된다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자에서는, 상기 n 전극을 상기 기판의 측면으로부터 상기 기판의 하면에도 연속하여 형성할 수 있다. 이와 같이 하면, p측 오믹 전극을 투광성 전극으로 하여 그 투광성 전극을 통해 광을 출사시 키는 경우에, 상기 기판의 측면 및 상기 기판의 하면에서 반사한 광도 투광성 전극을 통해 출력할 수 있기 때문에, 광의 추출 효율을 높게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자에서는, 상기 발광 영역으로 되는 적층부를 복수 형성할 수도 있고, 이에 의해, 대면적이며 발광 효율이 높은 질화물 반도체 발광 소자를 구성할 수 있다.
상기 적층부를 복수 형성한 질화물 반도체 발광 소자에서는, 상기 각 적층부에 형성된 n 전극을 상호 접속하여 공통 전극으로서 형성할 수 있다. 이에 의해, 상기 발광 영역인 적층부를 용이하게 병렬 접속하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 적층부를 복수 형성한 질화물 반도체 발광 소자에서는, 상기 n 전극을 상호 접속하여 공통 전극으로서 형성함과 함께, 상기 각 적층부에서 형성된 상기 p형 반도체층과 오믹 접촉하는 p측 오믹 전극을 상호 접속할 수도 있다. 이에 의해, 상기 발광 영역인 적층부가 소자 상에서 병렬 접속된 질화물 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다. 각 적층부를 전기적으로 접속하는 배선 전극은, 정부 모두 기판측에 배선되어 설치되어 있어도 되고, 한쪽(기판측의 제1 도전형층인 n형층)을 기판측, 예를 들면 기판면 상, 제1 도전형층의 적층부로부터 노출된 노출면(전극 형성면 상 등)에 배선하고, 다른쪽(제1 도전형층보다 기판에 먼 제2 도전형층인 p형층)을 발광 소자를 실장하는 실장 기체, 예를 들면 히트싱크, 서브 마운트 등, 혹은 발광 장치의 소자 실장부, 실장측 리드측에 발광 소자에 설치된 복수의 적층부 상부측 전극간을 상호 접속 가능한 배선을 설치해도 된다. 다른쪽을 발광 소자 외부의 실장 기체(실장 소자)측, 발광 장치 실장부측에 배선하면, 발광 소자 에서 볼록 형형의 적층부에 의한 소자 상면의 기복, 요철이 큰 경우에 양호한 정밀도로 배선 곤란한 경우에도 양호하게 복수의 적층부를 접속할 수 있고, 또한, 다른 구조물, 예를 들면 반사막, 절연막, 보호막의 형성이 용이하게 되어, 보다 적합한 소자 구조가 얻어져 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자에서, 기판측으로부터 광을 출력하도록 구성하는 경우에는, 광의 출사 효율을 높게 하기 위해, 상기 적층부를 피복하도록 반사층을 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 기판 재료는, 발광 소자가 발광하는 광·전자파에 대하여 투과성이 우수하여, 자기 흡수가 적고, 투명한 기판을 선정하면 된다.
또한, 상기 질화물 반도체 발광 소자에서, 상기 금속층은, 상기 적층부의 p형 반도체층에 각각 형성된 p 오믹 전극을 접속하는 접속 전극에 의해 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자에서, 상기 반사층은 상기 적층부를 피복하도록 절연막을 개재하여 금속층을 형성함으로서 형성해도 되고, 유전체 다층막에 의해 구성하도록 해도 된다. 또한, 광·전자파 투과성의 절연막의 굴절율과, 발광 적층부의 반도체 재료의 굴절율을 적절하게 조정함으로써, 투과성 절연막도 반사막으로 할 수 있고, 다층막으로 하는 구성도 할 수 있으며, 이들, 분포 블랙 반사막(DBR)의 유전체 다층막, 광 반사막, 절연막을 조합하여 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자에서, 상기 경사 측면은, 외측에 팽창된 볼록 곡면으로 할 수도 있다. 이와 같이 볼록면, 볼록 형상의 곡면, 굴곡면, 다면 구조로 함으로써, 상술한 제1 발명에서의 구조부의 코너부, 각부에서의 볼록 형상부와의 조합에 의해, 더욱 효과적인 광 반사 제어, 광 추출 효율 향상, 광 밀도 제어(특히 발광부)가 가능해져 바람직하다.
이러한 제2 발명의 효과로서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는, 경사한 측면을 가진 적층부를 갖고, 그 적층부의 측면의 n형 반도체층의 표면에 n 전극을 형성함으로써 n 전극에 의한 광의 흡수를 억제할 수 있어, 광의 출사 효율을 높게 할 수 있다. 특히, 기판과 적층부가 상호 굴절율이 다르고, 기판 상에 제1 도전형층의 전극(n 전극)과, 적층부의 경사 측면에 형성됨으로써, 발광 적층부의 광을 경사면에 의해, 광학적으로 접속된 기판에 전파시키고, 또한, 전극이 구조부 측면과 기판 상에 걸쳐 형성됨으로써, 소자에 접촉하는 전극 면적을 감소시킬 수 있다.
(제3 발명)
또한, 일본 특개2001-313422호 공보(제6페이지 우측란 8행∼제7페이지 좌측 란 42행, 도 8, 도 9)에 개시된 방법은, 개개의 소자로 분할하였을 때에 절단면(분할후의 소자의 측면)에서 p측의 층과 n측의 층이 단락되기 쉽다고 하는 문제가 있었기 때문에, 본 발명의 제2 과제(제1과 제2 발광 소자)로서는, 측면에서의 단락을 방지할 수 있는 질화물 반도체 발광 소자의 구조 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그 밖의 종래예로서, 일본 특개평8-330629호 공보(도 1∼도 3)가 있다.
이 목적(제2 과제)을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 제1 질화물 반도체 발 광 소자는, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에, 질화물 반도체로 이루어지는 발광층을 갖고 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자에서, 적어도 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 발광층을 포함하도록 사다리꼴 뿔 형상의 적층체가 형성되며, 그 적층체는 측면이 절연되도록 금속 부재에 매립된 것을 특징으로 한다. 이 충전 부재로 되는 금속 부재에 의해, 볼록 형상의 적층체를 웨이퍼 상, 1개의 소자 내에 복수 설치함으로써, 에피택셜층(성장층)의 강도를 보강하고, 또한, 충전부는, 볼록 형상 적층체(발광 구조부) 사이, 혹은 그 주위에 형성되는 소자의 오목부에 매립됨으로써, 비교적 소자 동작부(발광부)에 접근하여 충전 부재가 설치되게 되어, 각 동작부(적층체)로부터의 방열을 도와, 소자의 방열성을 높여, 고출력, 대전류 구동이 우수한 발광 소자가 얻어진다. 또한 이러한 충전 부재는, 발광부 근방에 설치됨으로써, 반사막, 반사 기능을 갖는 구조물, 혹은 그 기초, 토대로서 기능시킬 수도 있다.
또한, 본 발명(제3 발명)에 따른 제2 질화물 반도체 발광 소자는, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에, 질화물 반도체로 이루어지는 발광층을 갖고 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자에서, 적어도 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 발광층을 포함하도록 사다리꼴 뿔 형상의 적층체가 형성되며, 그 적층체가 그 적층체의 표면을 따라 대향하도록 설치된 금속 부재에 의해 유지된 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 구성된 질화물 반도체 발광 소자에서, 상기 적층체는 측면이 절연되도록 금속 부재에 매립되어 있어, 절단 시 또는 절단 후에 적층체의 측면이 손 상을 받지 않기 때문에, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는, 양측에 전극을 형성할 수 있으므로, 한쪽의 면에 정부의 전극을 설치한 종래의 질화물 반도체 발광 소자에 비해 발광 영역을 크게 취할 수 있다.
본 발명에 따른 제1과 제2 질화물 반도체 소자에서는, 상기 금속 부재의 상기 적층체의 반대측에 위치하는 면이, 평탄한 면인 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 소자를 실장할 때에, 실장 기판에 그 평탄한 면을 대향시켜 실장함으로써 용이하게 실장하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 제1과 제2 질화물 반도체 소자에서는, 상기 n형 질화물 반도체층의 대향하는 2개의 면 중의 상기 적층체의 반대측에 위치하는 면에 투명 전극을 형성하도록 하고, 그 투명 전극을 통해 광을 출사하도록 해도 된다. 또한, 투명 전극은, 소자의 광, 전자파를 투과하여, 주입 전류를 소자면 내로 확산시키는 투과성 전류 확산 도체로서 기능하는 것으로, 투명 도전막 외에, 광, 전자파를 통과시키는 개구부, 창부를 갖는 금속막, 예를 들면 격자 형상, 브랜치 형상, 방사 형상의 전극을 적용할 수도 있다.
이와 같이 하면 발광층 전체에 균일하게 전류를 주입할 수 있어, 균일한 발광이 가능하게 된다. 이 경우, 상기 투명 전극은 투광성을 높게 할 수 있고 또한 저항값을 낮게 할 수 있는 ITO인 것이 바람직하다. 그 밖에 산화물 도전막, 산화물 반도체막, 투명 도전막 등도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1과 제2 질화물 반도체 발광 소자에서, 상기 p형 질화물 반도체층과 오믹 접촉하도록 상기 적층체와 상기 금속 부재 사이에 형성되는 p형 전극은, Rh를 포함하는 것이 바람직하고, 이에 의해 전극의 박리를 방지할 수 있다. 이와 같이, p형 질화물 반도체의 전극으로서 우수한 재료, 예를 들면 귀금속, 백금족 원소를 이용하고, 또한 반사성, 밀착성의 점에서 Rh가 바람직하다.
또한, 본 발명의 제1과 제2 질화물 반도체 발광 소자에서, 상기 적층체는 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 포함하여 구성되어 있어도 되고, 상기 n형 질화물 반도체층의 모두를 포함하도록 구성되어 있어도 된다.
또한, 본 발명의 제1과 제2 질화물 반도체 발광 소자에서, 보다 확실하게 발광 영역의 형상을 유지하기 위해, 상기 금속 부재의 두께는 50㎛ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제1과 제2 질화물 반도체 발광 소자에서는, 상기 적층체를 복수개 구비하고 있어도 되고, 복수의 적층체를 이용하여 발광 소자를 구성함으로써, 대면적의 발광 소자를 구성할 수 있다.
또한, 상기 적층체를 복수개 구비한 발광 소자에서는, 상기 복수의 적층체는, 공통의 n형 질화물 반도체층 상에 설치되어 있어도 되고, 각 적층체마다 분리되어 있어도 된다.
이러한 제3 발명의 효과로서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는, n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에, 질화물 반도체로 이루어지는 발광층을 갖고 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자에서, 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 발광층을 포함하도록 사다리꼴 뿔 형상의 적층체를 형성하고, 그 적층체 를 측면이 절연되도록 금속 부재에 매립하고 있기 때문에, 절단 시 또는 절단 후에 적층체의 측면이 손상을 받지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자에 따르면, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
(제4 발명)
본 발명에서, 제4 발명으로서는, 상기 제1∼제3 발명에서의 발광 소자를 이용한 발광 장치에 관한 것으로, 구체적인 구성으로서는 하기와 같다.
상기 본 발명의 발광 소자가 재치되는 재치부를 갖는 발광 장치로서, 상기 재치부에, 발광 소자가 지지 기판 상에 실장되어, 재치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치이다.
상기 본 발명의 발광 소자를 이용한 발광 장치로서, 발광 장치에는, 발광 소자로부터 광의 일부를, 그것과는 다른 파장의 광으로 변환하는 광 변환 부재를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치이다.
상기 광 변환 부재가, Al을 포함하며, 또한 Y, Lu, Sc, La, Gd, Tb, Eu 및 Sm으로부터 선택된 적어도 하나의 원소와, Ga 및 In으로부터 선택된 하나의 원소를 포함하는 알루미늄·가넷계 형광체이고, 또한 희토류 원소로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 함유하는 알루미늄·가넷계 형광체를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치이다.
상기 광 변환 부재가, (Re1 - xRx)3(Al1 - yGay)5O12(0<x<1, 0≤y≤1, 단, Re는 Y, Gd, La, Lu, Tb, Sm으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종의 원소이고, R은 Ce 또는 Ce와 Pr임)로 표시되는 형광체를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치이다.
상기 광 변환 부재가, N을 포함하고, 또한 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, 및 Zn으로부터 선택된 적어도 하나의 원소와, C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, 및 Hf로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하며, 희토류 원소로부터 선택된 적어도 하나의 원소로 부활된 질화물계 형광체를 갖는 발광 장치이다.
상기 질화물계 형광체가, 일반식 LXSiYN(2/3X+4/3Y) : Eu 혹은 LXSiYOZN(2/3X+4/3Y-2/3Z) : Eu(L은, Sr 혹은 Ca, 또는, Sr 및 Ca, 중 어느 하나)로 표시되는 것을 특징으로 하는 발광 장치이다.
또한, 제1 발명은 하기 제2, 제3 발명을 포함하여, 각각에 적용할 수 있다. 예를 들면, 제2 발명은, 기판 상의 동일면측에, 정부 한쌍의 전극, 예를 들면, 제1 도전형층(p형층)의 전극(p측 전극)과 제2 도전형층(n형층)의 전극(n측 전극)을 갖는 제1 발명의 일 형태이고, 제3 발명은, 정부 한쌍의 전극, 예를 들면, 제1 도전형층(p형층)의 전극(p측 전극)과 제2 도전형층(n형층)의 전극(n 측 전극), 이 발광 소자의 구조체를 사이에 두고 대향하여 배치된 전극 구조를 갖는 제1 발명의 일 형태이다. 또한, 제2, 제3 발명에서는, 제1 발명에서의 발광 소자로서, 질화물 반도체를 이용한 발광 소자에 대하여 설명하지만 본 발명(1, 2, 3)은 이에 한정되지 않는다. 또한, 제2, 제3 발명에서는, 제1 도전형층을 n형 질화물 반도체층, 제2 도전형층을 p형 질화물 반도체층으로 하여, 구체적으로 설명하지만, 역이어도 되고, 또한, 각 도전형층(제1, 제2 도전형층)에 설치되는 전극에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 도면에서는, 그 도면 중에서, 본 명세서 중의 부호의 아래 2자릿수는, 각 발명, 각 실시 형태, 각 실시예, 및 그 도면에서의 각 구성 요소에 대해 설명하는 것이고, 부호의 아래 2자릿수가 동일한 구성 요소는, 상호 상당한 관계에 있으며, 또한 아래 2자릿수가 「00」인 경우에는 위 3자릿수 혹은 아래 4자릿수 이행의 숫자에 대하여 상기 아래 2자릿수와 마찬가지의 관계에 있다. 또한, 아래 2자릿수째는 마찬가지의 구성의 변형예를 나타내는 경우가 있으며, 구체적으로는, 발광 소자의 적층 구조(10)는, 그 10번대에서 구체적인 층 구성을 나타내고, 20번대는 제1 도전형층(n형층)의 전극(n 전극)의 각 예를 나타내며, 30번대는 제2 도전형층(p형층)의 전극(p 전극)의 각 예를 나타내고, 60번대는 접속 전극(배선 전극)의 각 예를 나타낸다. 또한 각 도면은 모식적인 도면으로서 나타내는 것도 있고, 일부를 과장하여 나타내는 것도 있다.
(제1 발명)
본 발명에서의 제1 발명은, 발광 소자 구조의 적어도 일부, 바람직하게는 소자 동작부(전류 주입부 내)에 형성되는 볼록 형상의 구조부이고, 또한, 소자 적층 구조의 비동작부(비전류 주입부), 혹은, 그 밖에, 발광 소자에 이용되는 투광성 부재에도 적용할 수 있다. 구체적으로는, 도 53에 본 발명의 구조부(10)를 모식적으로 설명하는 사시도 A, C와, 그 도 A의 일부를 확대하여 도시하는 것으로, 상면도를 도시하는 것이다.
한편, 도 52는, 제1 발명에 대하여 비교 대조하기 위한 구조부(10)의 예이다. 도 52A로부터 알 수 있는 바와 같이 저면(10g)이 사각 형상의 추체 형상 구조부에서, 도면에서의 점선(10x-1, 2)과 같이 각을 면취하여 다각 형상으로 하면, 도 52B에 도시한 바와 같이, 저면측(10g)으로부터 상면측을 향하여 폭이 좁아지게 되는 측면 형상으로 되며, 또한, 구조부의 높이에서의 높이 방향축을 법선으로 하는 절단면에서, 그것을 측면과 절단면이 이루는 구성 변에서, 각 변의 길이의 비는, 어떤 높이에서도 동일한 비율로 된다. 이러한, 볼록 형상 구조부에서는, 예를 들면 발광층(4)이 내부에 형성되는 경우에, 바로 옆에서의 측면 반사가 크고, 그 밖에는, 약한 광의 반사로 되며, 또한 상면 평면부에서는, 충분한 광의 반사 제어가 이루어지지 않기 때문에, 상면의 법선 방향에서의 광 강도는 약해지며, 또한, 발광층(4) 부근으로부터의 반사가 다른 측면 영역에서의 반사보다 강해져, 원환 형상으로 강한 발광이 치우친 광으로 되게 된다.
또한 제조상의 문제로서, 후술하는 제2 발명에 설명하는 바와 같이 측면에서 전극을 설치하는 경우에는, 도 52B의 점선(21m)으로서 나타낸 바와 같이, 그 형상 정밀도가 나빠지는 경향에 있다. 이것은, 볼록 형상부(10) 상의 마스크 M1이 형성되는 상태를 도면에 도시한 바와 같이, 상면측에서의 면취부의 폭이 작으면, 레지스트 등의 마스크의 측면에의 주회가 불충분하게 되어, 볼록 형상부(10)의 좁은 면취부의 가장자리에서, 마스크재가 가로 방향으로 돌출되는 경향에 있으며, 특히 상면(10f)의 변이 짧은 경우에, 돌출 경향이 현저해져, 전극 형상(21m)이 불안정한 형상으로서 형성된다. 이러한 전극 형상 불안정성은, 충분한 전극 형성 면적을 확 보할 수 없는 제2 발명과 같은 경우에는, 심각한 문제로 되는 경향에 있다.
또한, 도 52에 도시한 바와 같이, 상면부(10f)에서 전극 형성되어, 전류 주입되면, 작고 좁아진 영역, 예를 들면, 상면의 각, 짧은 구성 변 주변에서, 전류의 불균일이 발생하기 쉬운 경향에 있다.
본 발명에서는, 상기 문제점을 해결하는 것으로, 구체적으로는 도 25A에 도시한 바와 같이, 경사 측면을 구비한 볼록 형상부의 구조부(10)에서, 그 측면의 폭이, 상면측에 근접함에 따라 넓어지거나, 혹은 각부 라운딩에서, 그 곡율 반경이 커지는 제1 측면(10x)을 구비하는 것이며, 이에 의해, 구조부 높이에서의 절단면의 절단 형상이, 높이에 의해, 예를 들면 변의 길이의 비가 크게 변화되고, 즉, 높이에 의해, 측면을 둘러싸는 상태가 다양성이 풍부한 형상을 갖게 되며, 따라서, 상술한 바와 같이, 측면 반사·출사 영역에서의 광의 지향성의 불균일이 개선되며, 또한, 전류 주입에서는, 상면측의 각부가 충분히 큰 영역이 형성되어 있고, 전류의 불균일 발생을 개선할 수 있으며, 또한, 상면측의 구성 변이 크거나, 혹은, 만곡된 곡면으로 구성됨으로써, 레지스트 돌출이 개선되어, 소자 가공, 전극 등의 디바이스 가공이 우수한 구조부로 할 수 있어, 신뢰성, 양산성이 우수한 발광 소자로 된다.
제1 발명의 형성 방법으로서는, 도 20, 도 44 등에 설명되는 바와 같이, 마스크 M1의 막 두께 변화, 형상이 서로 다른 마스크의 다층 구조 등, 마스크 형상·막 두께를 적절하게 선택함으로써, 본 발명의 구조체를 얻을 수 있다.
본 발명에서의 측면 구성 변에 대해서는, 저면(10g)측에서, 넓은 폭에서 상 면(10f)측을 향하여 폭이 좁아지는 제2 측면(10y)과, 그것과는 역의 제1 측면(10x)을 구비하는 것이 바람직하며, 이 때, 상면측의 형상에 따라서는, 예를 들면 도 53C에 도시한 바와 같이, 저면(10g)측에서의 폭이 넓은 측면(10y)(그 구성 변(10g-1))이 형상 변화되어, 양자의 경계선인 참조 부호 10x-1, 2가 도중에서 소멸되는 경우도 있어, 반드시 제2 측면이 상면측에 도달할 필요는 없다. 그 때문에, 상면(10f)과 저면(10g)이 도 53C의 점선(10f, g)으로 도시한 바와 같이 다른 평면 형상으로 되는 경우도 있다. 또한, 상면측에 충분한 곡면을 설치함으로써, 원 형상으로 되는 경우에도 본 발명은 적용된다. 또한, 상면(10f), 저면(10g)은, 구조부에 대하여, 임의의 높이 영역에 설정할 수 있고, 바람직하게는, 소자의 적층 구조에 대응한 돌출 전체를 본 발명의 구조부의 구성으로 하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상기 상면측을 향하여 그 폭이 점점 넓어지는 형태의 제1 측면에서는, 구조부(10)의 외측을 향하여 볼록한 곡면(볼록면)을 형성하는 것이, 상기 광의 반사, 산란 작용, 마스크 형성 정밀도가 우수하여 바람직하다. 제1, 제2 측면(10x, y)의 상면측, 저면측의 구성 변의 길이의 관계는 특별히 한정되지 않지만, 도 53A에 도시한 바와 같이, 상면, 저면 모두 제1 측면에 의한 변이 제2 측면의 그것보다 작게 함으로써, 적합한 볼록부 형상이 얻어진다.
또한, 그것에 의해 형성되는 전극 형상으로서는, 도 53D의 평면도에서 해칭을 실시하여 나타내지만(전극(21)), 그 상면측 주연이, 구조부의 각부(제1 측면)의 곡율 반경, 혹은 변의 길이보다, 도면에서 점선(21g-x)으로 나타낸 바와 같이, 큰 형상으로 전극이 형성되며, 예를 들면 도 33 등, 이에 의해, 포위 전극의 절곡부에 서 구조부(10)(각부(10f-x)의 하방)보다 큰 형상으로 절곡되기 때문에, 그 장소에서의 전류 집중 경향을 경감할 수 있다.
본 발명(제1 및 그것을 이용한 제2, 제3 발명)은, 도 53에 도시한 바와 같이, 바람직하게는, 발광층(4)을 그 구조부(10) 내부에 구비함으로써, 광의 제어성이 우수한 소자로 할 수 있으며, 더 바람직하게는, 제1 도전형층(2)의 일부와 제2 도전형층(3)과 그것 사이에 끼워진 발광층(4)을 구비하는 것이고, 더 바람직하게는, 상면에 제2 전극(제2 도전형층(3)의 전극, p형층의 p 전극)을 설치하는 것이다. 또한, 구조부의 측면 형상은, 단면 형상이 도 53에 도시한 바와 같은 직선 형상의 것뿐만 아니라, 만곡한 것, 도 58에 도시한 바와 같은 계단 형상, 테라스부(2s)를 갖는 것으로 할 수 있으며, 이들 측면의 돌출부 상면(2s)의 표면과 그 하방 측면으로 전극을 연장하여 형성할 수도 있다.
(제2 발명)
이하, 도면을 참조하면서 본 발명(제1 발명)에 따른 실시 형태의 질화물 반도체 발광 소자에 대하여 설명한다.
실시 형태1(제2 발명)
본 발명에 따른 실시 형태1의 질화물 반도체 발광 소자는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 발광 영역을 구성하는 적층부(10)의 측면을 내측에 경사한 경사면(10a)으로 하고, 그 경사면(10a)에 노출된 n형 컨택트층(12)과 오믹 접촉하도록 n 전극(21)을 형성함으로써 구성되어 있다.
실시 형태1의 질화물 반도체 발광 소자에서, 적층부(10)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1) 상에, 버퍼층(11), n형 컨택트층(12), n형 클래드층(13), 발광층(14), p형 클래드층(15) 및 p형 컨택트층(16)을 순차적으로 성장시켜 적층 구조를 형성하고, 도 1에 도시한 평면 형상(대략 직사각 형상에서, 1개의 코너부가 원호 형상으로 절결된 형상)이 되도록 에칭함으로써 형성된다.
적층부(10)를 구성하는 각 층은 예를 들면 다음과 같은 것으로 형성한다.
버퍼층(11) : 400℃∼600℃의 저온에서 성장된 GaN 또는 AlGaN층,
n형 컨택트층(12) : Si 도핑의 GaN(예를 들면, 두께 6㎛),
n형 클래드층(13) : n형 AlGaN,
발광층(14) : 비도핑의 InGaN 웰층을 포함하는(예를 들면, 두께 약 30Å) 단일 또는 다중 양자 웰 구조,
p형 클래드층(15) : p형 AlGaN,
p형 컨택트층(16) : Mg가 도핑된 GaN(예를 들면, 두께 약 1200Å).
또한, 본 실시 형태1에서, 적층부(10)를 형성하기 위한 에칭은, 사파이어의 표면이 노출될 때까지 행하며, 적층부(10)가 원호 형상으로 절결된 1개의 코너부에 n 전극(21)을 형성하기 위해 사파이어 기판 표면을 노출시킨다. 또한, 본 실시 형태1에서는, n 전극(21)을 형성하기 위해 노출된 사파이어 기판의 표면과 연속하여 적층부(10)의 주위를 둘러싸도록 사파이어 기판의 표면이 노출된다.
본 실시 형태1에서, n 전극(21)은, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 적층부(10)의 1개의 코너부에 노출시킨 사파이어 기판(1)의 표면으로부터 적층부(10)의 경사면(10a)에 걸쳐 연속하여 형성하고, 경사면(10a)에 노출된 n형 컨택트층(12)과 오믹 접촉한다.
또한, p측의 전극은 전면 전극(31)과 p 패드 전극(32)으로 이루어지며, 전면 전극(31)은 적층부(10)의 최상층에 위치하는 p형 컨택트층(16)의 표면의 거의 전면에 형성되고, p 패드 전극(32)은 전면 전극(31) 상의 n측 전극(21)과 대각을 이루는 위치(다른쪽의 코너부)에 형성된다.
이상과 같이 구성된 실시 형태1의 질화물 반도체 발광 소자는, n 전극(21)에 의한 광의 흡수를 매우 적게 할 수 있기 때문에, 효율적으로 광을 출력할 수 있다.
즉, 도 21에 도시한 종래의 구조에서는, 기판(1)과 n 전극(521) 사이에 존재하는 n형 컨택트층(512)에 발광 영역에서 발광한 광이 누설되어 도파하고, 기판(1)의 상면과 n 전극(121)의 이면에 의해 반복하여 반사되는 동안에(도 21에서, Y100의 부호를 붙여 모식적으로 도시함), 대부분의 광이 n 전극(121)에 의해 흡수되어 결국 외부로 추출할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에서는, 경사 측면(10a)에 노출된 n형 컨택트층(12)의 표면에서 n 전극을 오믹 접촉시킴으로써, n형 컨택트층(12)에서 광이 도파하는 부분을 없애(도 2에서, Y1의 부호를 붙여 모식적으로 도시함), 종래의 문제점을 해결하고 있다.
또한, 발광한 광을 기판측으로부터 출사시키는 경우에, 적층부(10)의 경사 측면(10a)에서 반사한 광도 기판을 통해 출력할 수 있어, 출사 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 발광한 광을 기판측으로부터 출사시키는 경우에, 경사 측면(10a)에서 효과적으로 반사시키기 위해서는, 경사 측면(10a)에는 통상 SiO2 보호막이 형성되어 있는 것을 고려하면, 경사 측면(10a)의 경사각 α를 60도 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 45도 이하로 설정하는 것이 보다 바람직하다.
이 경사각 α는 본 명세서에서는, 도 22에 도시한 바와 같이 정의하고, 그 바람직한 범위는, 임계각 θc가 sinθc=nS/nG(nG : 활성층의 굴절율, nS : SiO2 보호막의 굴절율)로 공급되기 때문에, 구할 수 있다.
예를 들면, 파장 380㎚의 광을 발광하는 소자의 경우, 파장 380㎚의 광에 대한 AlxGa1 - xN의 굴절율은, x의 값이 1∼0의 범위인 것으로 하면 2.15∼2.80이다. 이 때, 임계각 θc가 가장 작아지는 것은, 굴절율이 2.80인 경우이고, 이 때의 임계각 θc는 약 30°이다.
따라서, 임계각 θc를 30° 이상, 즉, 경사각 α를 60° 이하로 설정하면, 적어도 반도체층에 평행하게 전파되는 가장 강한 광은 전반사되게 된다.
이상과 같이 경사각 α를 60° 이하로 설정하면 반도체층과 평행하게 전파되는 가장 강한 광은 전반사되어 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 층 내를 전파되는 광에는 반도체층에 평행하지 않은 광도 있으며, 이것들도 효과적으로 전반사시키기 위해서는, 경사각 α를 45도 이하로 설정하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 경사 측면(10a)에 n 전극을 형성하는 것을 고려한 경우에 있어서의, 경사 측면(10a)의 경사 길이 L 상으로부터 본 투영 길이 W는 10㎛ 이상인 것이 바람직하다.
이상의 설명에서는, 1개의 코너부에서, n 전극(21)과 n형 컨택트층(12)이 오믹 접촉하도록 형성한 예에 대하여 설명하였지만, 본 실시 형태1에서는, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, n 전극(22)은 적층부(10)를 둘러싸도록 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 발광 영역 전체에 균일하게 전류를 주입할 수 있어, 효율적으로 발광시킬 수 있다.
실시 형태2(제2 발명)
본 발명에 따른 실시 형태2의 질화물 반도체 발광 소자는, 도 5에 도시한 바와 같이, 발광 영역을 구성하는 적층부(110)의 형상을 원형으로 한 것이다. 본 실시 형태2의 질화물 반도체 발광 소자에서, n 전극(23)이 적층부(110)의 내측에 경사한 측면인 경사면(110a)에 노출된 n형 컨택트층(12)과 오믹 접촉하도록 형성되어 있는 점은, 실시 형태1과 마찬가지이다.
또한, 실시 형태2의 질화물 반도체 발광 소자에서, 적층부(110)의 적층 구조(반도체층의 구성)는 실시 형태1의 발광 소자와 마찬가지이고, 적층부(110)를 형성하기 위한 에칭은, 사파이어의 표면이 노출될 때까지 행한다.
실시 형태2에서, p측의 전극은 전면 전극(33)과 p 패드 전극(34)으로 이루어지며, 전면 전극(33)은 적층부(110)의 최상층에 위치하는 p형 컨택트층(16)의 원형 표면의 거의 전면에 형성되고, p 패드 전극(34)은 전면 전극(33) 중앙부에 형성된다.
여기서, 전면 전극(33), p 패드 전극(34) 및 원형의 적층부(110)는 중심이 일치하도록 동심원 형상으로 형성된다.
이상과 같이 구성된 실시 형태2의 질화물 반도체 발광 소자는, 실시 형태1의 발광 소자와 마찬가지의 작용 효과를 갖는다.
즉, n 전극(23)에 의한 광의 흡수를 매우 적게 할 수 있어, 효율적으로 광을 출력할 수 있음과 함께, 적층부(110)의 경사 측면(110a)에서 반사한 광도 기판을 통해 출력할 수 있어, 출사 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태2에서는, 도 5로부터 명백해지는 바와 같이, n 전극(23)은 적층부(110)를 둘러싸도록 형성하고 있기 때문에, 발광 영역 전체에 균일하게 전류를 주입할 수 있어, 효율적으로 발광시킬 수 있다.
실시 형태3(제2 발명)
본 발명에 따른 실시 형태3의 질화물 반도체 발광 소자는, 도 6, 도 7에 도시한 바와 같이, 발광 영역을 구성하는 적층부(110)의 형상을 원형으로 한 것이지만, 본 실시 형태2의 질화물 반도체 발광 소자와는 이하의 점이 다르다.
즉, 실시 형태3의 질화물 반도체 발광 소자에서는, p형 컨택트층의 표면에 투광성을 갖는 투광성 오믹 전극(33a)을 형성하고, 그 위에 p 패드 전극(34)을 형성하고 있다.
또한, 실시 형태3의 질화물 반도체 발광 소자에서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 경사 측면(110a)에서 n형 컨택트층과 오믹 접촉하는 n 전극(24)을 기판(1)의 측면 및 이면에 연속하여 형성하고 있다.
이 실시 형태3에서, 투광성 오믹 전극(33a)과 n 전극(24) 이외에는, 실시 형태2와 마찬가지로 구성된다.
이상과 같이 구성된 실시 형태3의 질화물 반도체 발광 소자는, 적층부(110)에서 발광한 광을 투광성 오믹 전극(33a)을 통해 출력할 수 있으며, 이하와 같은 효과를 갖는다.
즉, n 전극(24)에 의한 광의 흡수를 매우 적게 할 수 있어, 효율적으로 광을 출력할 수 있으며, 기판의 측면 및 이면에 형성된 n 전극(24)에 의해 광을 반사하여 투광성 오믹 전극(33a)을 통해 출력할 수 있으므로, 출사 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태3에서는, 도 6으로부터 명백해지는 바와 같이, n 전극(24)을 적층부(110)를 둘러싸도록 형성하고 있기 때문에, 발광 영역 전체에 균일하게 전류를 주입할 수 있어, 효율적으로 발광시킬 수 있다.
이상의 실시 형태3의 질화물 반도체 발광 소자에서는, n 전극(24)에 의해 기판 전체가 피복되도록 구성하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 도 8에 도시한 바와 같이, n 전극(25)과 기판(1)을 피복하는 전극(26)을 다른 금속으로 구성해도 된다.
이상과 같이 구성해도 실시 형태3과 마찬가지의 작용 효과가 얻어지며, 또한 이하와 같은 효과가 있다.
즉, n 전극(25)은 n형 컨택트층과 양호한 오믹 접촉이 얻어지는 금속으로부터 선택하여 구성하고, 기판(1)을 피복하는 전극(26)에는, 그 기능에 따라 적절한 금속 재료를 선택하여 구성할 수 있다.
구체적으로는, 기판(1)의 이면을 납땜에 의해 실장하는 경우에는, 전극(26) 의 재료로서 땜납 내열성이 우수한 재료를 선택하거나, 광의 반사를 중시하는 경우에는 반사율이 높은 금속을 선택하여 이용할 수 있다.
실시 형태4(제2 발명)
본 발명에 따른 실시 형태4의 질화물 반도체 발광 소자는, 도 9에 도시한 바와 같이, 발광 영역을 구성하는 적층부(111)의 형상을 직사각형으로 한 것이다.
즉, 실시 형태3의 질화물 반도체 발광 소자에서는, p형 컨택트층의 표면에 전면 전극(35)을 형성하고, 그 위에 p 패드 전극(36)을 형성하고 있다.
또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 직사각형의 적층부(111)의 경사 측면(111a)에서 n형 컨택트층과 오믹 접촉하는 n 전극(27)을 기판의 표면과 n형 컨택트층(경사 측면(111a)에 노출된 것)에 걸쳐 형성하고 있다.
또한, 실시 형태4에서, 적층부의 적층 구조는 실시 형태1∼3과 마찬가지로 구성된다.
이상과 같이 구성된 실시 형태4의 질화물 반도체 발광 소자는, 실시 형태1∼3과 마찬가지의 작용 효과를 갖는다.
또한, 도 9의 질화물 반도체 발광 소자에서는, n 전극(27)은 적층부(111)의 1변에서 n 컨택트층에 접촉하도록 형성하였지만, 본 실시 형태4에서는, 도 10에 도시한 바와 같이, 적층부(111)의 외주 전체에서 n 컨택트층과 오믹 접촉하도록 n 전극(28)을 형성할 수도 있으며, 이에 의해, 발광 영역 전체에 균일하게 전류를 주입할 수 있어, 효율적으로 발광시킬 수 있다.
실시 형태5(제2 발명)
실시 형태5의 질화물 반도체 발광 소자는, 도 11, 도 12에 도시한 바와 같이, 복수(도 11, 도 12에서는 18개)의 적층부(210)를 구비한 발광 면적이 큰 발광 소자로서, 소자 전체의 면적에 차지하는 발광 영역의 면적을 크게 할 수 있어, 발광 영역 전체를 균일하게 발광시킬 수 있다고 하는 특징을 갖는다.
도 11은 주로 n 전극(221)의 형태를 나타내기 위해, p측 본딩 전극(251) 및 p측 접속 전극(261)을 생략하여 도시하는 평면도이고, 도 12는 p측 본딩 전극(251) 및 p측 접속 전극(261)을 생략하지 않고 도시하는 평면도이다. 또한, 도 13은 도 12의 D-D'선에 대한 단면도이다.
이와 같이, 발광 영역을 복수의 부분으로 분할하여 형성하는 것은, 대면적의 발광 영역을 분할하지 않고 1개의 큰 영역으로서 형성한 경우에 발생하는, 전극으로부터 떨어진 부분에서 전류가 저하되어 발광 효율이 나빠진다고 하는 문제를 해결하기 위해서이다. 그러나, 발광 영역을 복수의 부분으로 분할하여 형성한 경우에는, 각 발광 영역간을 접속하는 전극 면적이 커지게 되어, 어떻게 발광 영역의 면적을 확보할지가 과제로 된다. 또한, 도 21에 도시한 구조의 종래의 소자를 복수개 배열한 경우에는, n형 컨택트층을 광이 도파하여 반사를 반복하는 동안에 n전극에 의해 흡수되는 광에 의해 발광 효율이 저하된다. 그러나, 본 실시 형태5의 질화물 반도체 발광 소자에서는, 제1로 각 적층부의 경사한 측면에 n형 컨택트층과 오믹 접촉하는 n 전극을 형성함으로써, n 전극이 필요로 하는 면적을 작게 하여 발광 영역의 면적을 확보하고, 또한 n 전극에 의한 광의 흡수를 방지하고 있다.
또한, 본 실시 형태5의 질화물 반도체 발광 소자에서는, p측의 전면 전극에 의한 흡수도 종래예에 비해 억제할 수 있다.
즉, 대면적의 발광 영역을 분할하지 않고 1개의 큰 영역으로서 형성한 종래예에서는, 도 23의 (b)에 도시한 바와 같이, 임계각 이상에서 p측의 전면 전극에 입사된 광은, p측의 전면 전극(731)과, 기판(1)과 반도체층 사이의 경계 사이에서 반사를 반복하는 동안에, 상당한 부분이 p측의 전면 전극에 의해 흡수된다.
또한, 발광 영역을 복수의 부분으로 분할하여 형성한 경우라도, 분할된 발광 영역이 경사한 측면을 갖고 있지 않은 경우에는, 도 23의 (c)에 도시한 바와 같이, 임계각 이상에서 p측의 전면 전극(731)에 입사된 광이 기판에 대략 수직인 측면으로부터 출사되어 인접하는 발광 영역에 재입사되는 확률이 높아진다. 그 때문에 p측의 전면 전극에 의해 흡수되는 율이 높아진다.
이에 대하여, 본 실시 형태5의 질화물 반도체 발광 소자는, 각 발광 영역이 경사 측면을 갖고 있기 때문에, 기판측으로부터 발광시키는 경우에는, 도 23의 (a)에서 A2의 부호를 붙여 나타내는 광과 같이, 또한, 전극측으로부터 발광시키는 경우에는, 도 23의 (a)에서 A3의 부호를 붙여 나타내는 광과 같이, 인접하는 발광 영역에 재입사되지 않고(인접하는 발광 영역에 재입사될 확률을 낮게 할 수 있음), 외부로 출사된다. 이에 의해, p측의 전면 전극(31)에서 흡수되는 율을 낮게 할 수 있다. 또한, 실시 형태5의 질화물 반도체 발광 소자에서는, 발광 영역을 구성하는 적층부(210)의 형상을 육각형으로 하고, 그 복수의 적층부(210)는 적층부간의 면적이 가장 작아지도록 배열된다(도 11, 도 12). 본 실시 형태5에서, 인접하는 적층부(210)간은 기판의 표면까지 에칭되어 있어(도 13), 복수의 적층부(210)는 각각 완전하게 분리되어 있다. 또한, 인접하는 적층부(210)간의 간격은, 예를 들면, 10㎛로 설정된다.
또한, 실시 형태5에서, 각 적층부(210)의 측면은, 실시 형태1 등과 마찬가지로 모두 경사면(210a)이고, 그 경사면(210a)에 노출된 n형 컨택트층에 오믹 접촉하도록 n 전극(221)이 형성된다.
실시 형태5에서, n 전극(221)은 도 11에 도시한 바와 같이 모든 적층부(210)를 둘러싸도록 일체로서 형성된다.
실시 형태5에서, 각 적층부(210)의 p형 컨택트층의 거의 전면에 전면 전극(231)이 형성되며, 그 중앙부에 p 패드 전극(232)이 형성된다. 그리고, p 패드 전극(232) 상에 개구부를 갖는 절연막(271)이 소자 전체를 피복하도록 형성되며, 그 절연막(271) 상에 p 패드 전극(232)을 상호 접속하는 접속 전극(261)(일단이 p측 본딩부에 접속)이 형성된다. 또한, 절연막(271)은 n 전극(221) 내 본딩부(241)를 개구시키는 개구부도 갖고 있다.
이상과 같이 구성된 실시 형태5의 질화물 반도체 발광 소자는, 발광 영역인 적층부(210)의 형상을 육각형으로 하고, 그 적층부(210)간의 면적이 가장 작아지도록 배열하며, 또한 각 적층부(210)의 경사한 경사 측면에 n 전극을 형성함으로써, 발광 영역의 면적이 커지도록 구성하고 있다.
이에 의해, 발광 영역을 효과적으로 발광시킬 수 있는 적절한 크기의 복수의 부분으로 분할하고, 또한 n 전극을 형성하기 위해 필요로 되는 면적을 억제하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 발광 영역의 면적을 저하시키지 않고, 또한 각 발광 영역을 효율적으로 발광시킬 수 있어, 높은 휘도를 갖는 대면적의 발광 소자를 구성할 수 있다.
실시 형태5의 질화물 반도체 발광 소자는, 기판측으로부터 광을 출사하도록 해도 되고, 전면 전극(231)을 투명 전극으로 함으로써 반도체측으로부터 광을 출사하도록 해도 된다. 어느 경우에 대해서도, 발광층에서 발광한 광은 기판측과 p형 반도체측의 양방으로 전파되기 때문에, 출사측과는 반대측에 반사막을 형성하는 것이 바람직하며, 이에 의해 출사 효율을 향상시킬 수 있다.
도 14는 본 실시 형태5의 질화물 반도체 발광 소자에서, 접속 전극(261)간을 또한 접속하는 제2 접속 전극(262)을 형성한 것이다. 이 제2 접속 전극(262)은 p측 본딩부(251)로부터 떨어진 위치에 있는 적층부(210)에서의 전류 주입량이 저하되는 것을 방지하기 위해 형성하는 것으로, 각 적층부의 발광 강도를 균일화하는 것이다.
그러나, 반도체층측으로부터 광을 출사시키는 경우에는, 이 제2 접속 전극(262)이 광을 차단하게 되기 때문에, 본 구성은 기판측으로부터 광을 출사하는 경우에 특히 적합하다.
도 15는 반도체층측으로부터 광을 출사시키는 경우에 적합한 접속 전극의 예를 도시하는 것이다. 본 예에서는, p측 본딩부(251)에 접속된 제1 접속 전극(263)을 적층부(210) 사이의 n 전극 상에 절연막을 개재하여 n 전극과 도통하지 않도록 하여 형성한다. 이 제1 접속 전극(263)은 적층부 상에는 형성되지 않기 때문에, 적층부에서 발광한 광을 차단하지 않는다. 그리고, 각 적층부(210)의 p 패드 전극 과 제1 접속 전극(263) 사이는 제2 접속 전극(264)에 의해 접속된다. 여기서, 1개의 p 패드 전극(232)과 제1 접속 전극(263) 사이는, 1개의 제2 접속 전극(264)으로 접속되어 있다.
도 16은 기판측으로부터 광을 출사하는 경우의 전극 구조의 보다 바람직한 예를 도시한 것이다.
즉, 도 16의 질화물 반도체 발광 소자에서는, 실시 형태5(도 12)의 접속 전극(261)(p측 본딩부를 포함함) 대신에, 절연막(271) 상으로부터 복수의 적층부를 모두 피복하는 전극층(265)을 형성하고 있다.
이와 같이 하면, 각 적층부의 상면, 특히 경사 측면으로부터의 광의 누설을 방지할 수 있어(각 적층부의 상면 및 경사 측면에서 반사시킬 수 있고), 기판측으로부터 효율적으로 광을 출사할 수 있다. 또한, 도 16B에 도시한 바와 같이, 그와 같은 접속 전극(265)을 실장면측, 실장 기체(10300)측에 설치함으로써, 기판측에서, 정부 전극이 입체 교차하지 않고, 복수의 구조부(210(10))를 동시에 발광시킬 수 있으며, 그 구조부 주변에, 보호막, 반사막, 투과막, 광 변환 부재 등을 배치하여, 공간의 유효 이용을 도모할 수 있고, 또한 배선의 입체 교차에 의한 누설의 문제도 해결되어, 신뢰성이 우수한 발광 소자가 얻어진다.
이상의 실시 형태5의 질화물 반도체 발광 소자에서는, 각 적층부(210)를 육각형으로 형성한 예에 의해 설명하였지만, 사각형 또는 원형 등의 다른 형상이어도 된다.
도 24는 적층부(410)를 사각형으로 한 구체예를 도시하는 평면도이다. 본 예에서는, p측 본딩부(451)를 2개의 코너부에 형성된 적층부(410) 상에 각각 형성하고, 그 p측 본딩부(451)에 접속된 접속 전극(461)에 의해, 적층부(410)의 p 패드 전극간이 접속된다. 또한, 접속 전극(461)은, 적층부(410) 사이의 n 전극 상에 절연막을 개재하여 n 전극과 도통하지 않도록 하여 형성된다.
또한, n 전극(421)은, 모든 적층부(410)를 둘러싸도록 일체로서 형성하고, 각 적층부(410)의 경사면(410a)에 노출된 n형 컨택트층과 오믹 접촉하도록 형성되며, 그 일부에 n 패드 전극(441)이 형성된다.
또한, 도 24의 변형예로서, 도 33에 도시한 바와 같이, 실장 기체(보호 소자)(10300) 상에, 전극 형성면측을 실장면측으로 하여, 플립 칩 본딩한 형상으로 할 수도 있다. 여기서 도 33A에서는, 본래 실장면측에서 기판에 숨는 부분도 실선으로 나타내고 있다. 이 도면에서는, 상술한 제1 발명에서의 구조부의 제1, 제2 측면이 형성되어 있고, 구체적으로는, 구조부 저면의 각부의 라운딩의 곡율 반경이, 상면측(p형층 표면보다)의 각부의 곡율 반경보다 작게 되어 있고, 또한, n 전극의 형성 외형도 그 형성부에서의 구조부의 각부 곡율보다 큰 각부 곡선이 형성되어 있다. 또한, 복수 있는 구조부(710(10)) 중, 참조 부호 710x는, 도 33B에 도시한 바와 같이, n 전극(721(21))이 상부까지 피복되어, 본딩(11400a)에서, 본딩면을 제공하고 있는 구조로 되어 있다. 이에 의해, 다른 구조부의 p 전극과 높이를 일치시켜, 실장 기판 등에 실장할 수 있다. 또한, 이 구조부(710x)는, 소자로서 동작하지 않는 비동작부의 구조물로 된다.
실시 형태6(제2 발명)
도 17은 실시 형태6의 질화물 반도체 발광 소자의 전체 구성을 도시하는 평면도이고, 도 18은 1개의 적층부(310)를 확대하여 도시하는 평면도이다. 또한, 도 19A는 도 18의 E-E'선에 대한 단면도이고, 도 19B는 도 18의 F-F'선에 대한 단면도이다.
실시 형태6의 질화물 반도체 발광 소자에서, 적층부(310)는 각각 원형 형상으로 형성되며, 그 중심이 종횡 모두 1개의 직선 상에 위치하도록 기판 상에 배열된다. 또한, 각 적층부(310)의 적층 구조는 다른 실시 형태와 마찬가지이며, 그 외주 측면은 내측으로 기운 경사면(외주 경사면(310a))으로 되며, 그 단면 형상은, 도 19A, 도 19B에 도시한 바와 같이, 상면을 윗변으로 하는 사다리꼴이다.
각 적층부(310)에서, n 오믹 전극(321a)은 외주 경사면(310a)에 노출된 n측 컨택트층과 오믹 접촉하도록 외주 경사면(310a)의 전체 둘레에 형성된다. 또한, 적층부(310) 사이의 기판 상에는 각각 n 접속 패드(321b)가 형성되며, 각 적층부(310)에 형성된 n 오믹 전극(321a)은 인접하는 4개의 n 접속 패드(321b)와 접속된다.
즉, 실시 형태6의 질화물 반도체 발광 소자에서, n 전극(321)은 n 오믹 전극(321a)과 n 접속 패드(321b)로 이루어진다.
또한, 각 적층부(310)의 상면(p 컨택트층의 상면)의 거의 전면에, 전면 전극(331)이 형성되며, 그 전면 전극(331)의 중앙부에 원형의 p 패드 전극(332)이 형성된다.
이상과 같이, n 오믹 전극(321a), n 접속 패드 전극(321b), 전면 전극(331) 및 p 패드 전극(332)을 형성한 후, 접속 패드 전극(321b)와 그 주변 및 p 패드 전극(332)의 상면을 제외하고 소자 전체를 피복하는 절연막(371)을 형성하고, 각 적층부(310)의 p 패드 전극(332)을 상호 접속하는 p측 접속 전극(361)을 형성한다. 또한, p측 접속 전극(361)은, p 패드 전극(332) 상에 접속된 패드 접속부(361b)와 그 패드 접속부(361b) 사이를 접속하는 접속부(361)로 이루어진다.
이상과 같이 구성된 실시 형태6의 질화물 반도체 발광 소자는, 실시 형태1과 마찬가지로, 전극에 의한 흡수를 방지할 수 있어, 발광한 광의 추출 효율을 높게 할 수 있다.
실시 형태6의 질화물 반도체 발광 소자에서의 광의 추출 효율을 확인하기 위해 이하의 비교 검토를 행하였다.
우선, 본 실시 형태6의 질화물 반도체 발광 소자로서, 도 25의 평면도에 도시하는 적층부(310)를 9개(3×3개) 형성한 소자를 제작하고, 적층부(310)가 1개인 경우의 발광 소자(도 28의 평면도에 도시함)와 추출 효율의 비교를 행하였다.
추출 효율의 측정은, 도 30에 도시한 바와 같이, 마이너스측 단자와 일체로 구성된 컵 내에 발광 소자를 다이 본딩하고, n 패드 전극과 마이너스측 단자 T2를 본딩 와이어 W21로 접속하며, p 패드 전극과 플러스측 단자 T1을 본딩 와이어 W32로 접속하여, 발광 광량에 대한 외부로 추출되는 광량을 측정하였다.
그 결과, 9개의 적층부(310)를 형성한 실시 형태6의 소자(도 25)의 추출 효율은, 적층부(310)가 1개인 경우의 발광 소자(도 28)의 추출 효율을 100으로 한 경우, 86%이었다.
이에 대하여, 비교예로서 제작한 도 26에 도시한 발광 소자(9개의 적층부를 형성한 소자)의 추출 효율은, 도 29의 (a)에 도시한 1개의 적층부를 구비한 발광 소자의 추출 효율을 100으로 한 경우, 71%이었다.
*또한, 적층부(310)가 1개인 경우의 발광 소자(도 28)의 추출 효율과, 도 29의 (a)에 도시한 1개의 적층부를 구비한 발광 소자의 추출 효율과는 거의 동일한 것이었다.
여기서, 비교예의 발광 소자에서, 각 적층부는 실시 형태6과 마찬가지의 적층 구조를 갖고, 그 평면 형상은 대략 직사각형으로 형성되어 있다. 또한, n 전극(521)은, 각 적층부의 1개의 코너부에서, n형 컨택트층의 표면을 노출시키고, 그 노출시킨 표면에 형성되어 있다. 또한, p 오믹 전극(531)은 p형 컨택트층의 거의 전면에 형성되며, p 오믹 전극(531) 상의 n 전극(521)과 대각을 이루는 위치에 p 패드 전극(532)이 형성되어 있다. 또한, 도 26에 도시한 소자에서는, 인접하는 적층부 사이에는 사파이어 기판이 노출될 때까지 에칭되어, 인접하는 적층부 사이는 완전하게 분리되어 있다. 또한, 각 적층부의 측면은, 사파이어 기판의 상면에 대하여 거의 수직으로 형성되어 있다.
이상과 같이, 복수의 적층부를 구비한 실시 형태6의 질화물 반도체 발광 소자는, 동일하게 집합 상태의 비교예의 질화물 반도체 발광 소자에 비해, 추출 효율을 높게 할 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 도 27은 다른 비교예로서 제작한 소자로서, 도 26에 도시한 비교예의 발광 소자에서, 인접하는 적층부간에서 사파이어 기판이 노출될 때까지 에칭하지 않고, n형 컨택트층을 남기도록 한 것이다. 이 도 27의 비교예의 소자의 추출 효율은, 도 29의 (b)에 도시한 1개의 적층부를 구비한 발광 소자의 추출 효율을 100으로 한 경우, 68%이었다.
또한, 도 29의 (a)의 소자의 추출 효율과, 도 29의 (b)의 소자의 추출 효율은 거의 동일한 것이었다.
이상과 같이, 복수의 적층부를 구비한 비교예의 발광 소자는, 모두 실시 형태6의 발광 소자로부터 추출 효율이 나쁜 것이었다.
또한, 실시 형태6의 질화물 반도체 발광 소자는, 실시 형태5의 발광 소자와 마찬가지의 작용 효과를 갖고, 또한 이하와 같은 특징을 갖는다.
즉, 웨이퍼 상에 각 적층부를 형성한 후에, 요구에 따라 필요한 개수의 적층부(310)를 포함하는 임의의 크기의 소자로 분할할 수 있기 때문에, 동일한 패턴에 의해 임의의 크기의 소자를 제작하는 것이 가능하게 된다.
또한, 이 경우, 어느 하나의 위치에 있는 n 접속 패드 전극(321b)과 패드 접속부(361b)를 본딩 전극으로서 이용할 수 있다.
이상의 각 실시 형태의 질화물 반도체 발광 소자는, 상술한 바와 같이, 기판측으로부터 광을 출력하도록 구성할 수도 있고, 또한, 반도체측으로부터 광을 출력하도록 구성할 수도 있다. 어느 경우에 대해서도, 광을 출사하는 방향의 반대측의 면에는, 반사층을 형성하는 것이 바람직하다. 도 7, 도 8 및 도 16에 도시한 구조의 경우에는 각각, n 전극(24), 전극(26) 또는 전극(265)을 반사층으로서 기능시킬 수 있는 것은 상술한 것과 같지만, 다른 구성의 경우에는, 반사층을 별도로 형성하는 것이 바람직하다. 이 반사층은, 반사율이 높은 금속을 이용하여 구성할 수도 있고, 유전체 다층막을 이용하여 구성할 수도 있다. 유전체 다층막을 이용하는 경우에는, 예를 들면, 도 13의 절연층(271)을 유전체 다층막에 의해 구성함으로써, 절연 기능 외에 반사 기능을 갖도록 해도 된다.
실시 형태7(제2 발명)
도 31은 실시 형태7의 질화물 반도체 발광 소자의 전체 구성을 도시하는 평면도이다. 실시 형태7의 질화물 반도체 발광 소자에서, 적층부(310)는 각각 원형 형상으로 형성되며, 그 중심이 단위 격자가 육각형인 격자점에 위치하도록 기판 상에 배치된다. 또한, 각 적층부(610)의 적층 구조는 다른 실시 형태와 마찬가지이고, 그 외주 측면은 내측으로 기운 경사면으로 되어 있다.
각 적층부(610)에서, n 오믹 전극(621a)은 외주 경사면에 노출된 n측 컨택트층과 오믹 접촉하도록 외주 경사면의 전체 둘레에 형성된다. 또한, 6개의 적층부(610)에 둘러싸인 각 육각형 격자의 중심에는, 각각 n 접속 패드(621b)가 형성되며, 각 적층부(610)에 형성된 n 오믹 전극(621a)은 인접하는 3개의 n 접속 패드(621b)와 접속된다.
즉, 실시 형태7의 질화물 반도체 발광 소자에서, n 전극은 n 오믹 전극(621a)과 n 접속 패드(621b)로 이루어진다.
또한, 각 적층부(610)의 상면(p 컨택트층의 상면)의 거의 전면에, 전면 전극이 형성되며, 그 전면 전극의 중앙부에 원형의 p 패드 전극(632)이 형성되고, 각 적층부(610)의 p 패드 전극(632)은 p측 접속 전극(361)에 의해 상호 접속된다.
또한, n 오믹 전극(621a), n 접속 패드 전극(621b) 등의 n측의 전극과, 전면 전극(631), p 패드 전극(632), p측 접속 전극(361) 등의 p측의 전극과는 실시 형태6과 마찬가지로 하여 절연된다.
이상과 같이 구성된 실시 형태7의 질화물 반도체 발광 소자에서는, 1개의 n 접속 패드 전극(621b)에 대하여 2개의 적층부가 형성되어 있으며, 1개의 n 접속 패드 전극에 대하여 1개의 적층부가 형성된 실시 형태6에 비해, 발광 소자 전체로서의 발광 영역의 면적을 크게 할 수 있다.
또한, 이 실시 형태7과 같이 적층부를 배치한 경우, 외형 형상이, 삼각형, 육각형, 마름모꼴, 평행 사변형 등으로 되도록 분할할 수 있으며, 그와 같이 분할할 때, GaN 결정의 결정축의 방향과 스크라이브 라인의 방향을 일치시킬 수 있기 때문에, 분할 시의 수율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 상기 각 실시 형태의 질화물 반도체 발광 소자에서, 경사 측면을 갖는 적층부의 형성 방법의 일례를 나타낸다.
본 방법에서는, 우선, 사파이어 기판(1) 상에, 버퍼층(11), n형 컨택트층(12), n형 클래드층(13), 발광층(14), p형 클래드층(15) 및 p형 컨택트층(16)을 순차적으로 성장시켜 적층 구조를 형성하고, 그 위에, 도 20의 (a)에 도시한 바와 같이, 단면이 사다리꼴 형상인 마스크 M1을 형성한다.
다음으로, 반응성 이온 에칭에 의해, 마스크 M1 상으로부터 적층체를 에칭한다. 이 때, 적층체를 에칭함과 동시에 마스크 그 자체도 에칭에 의해 조금씩 제거 한다. 도 20의 (b)에서, 파선과 실선 사이의 R1의 부호를 붙인 부분이 제거된 부분이다.
이 에칭을 적층부(10) 주위의 기판 표면이 노출될 때까지 계속한다(도 20의 (c)).
이와 같이 하면, 마스크 M1의 형상에 대응한 형상의, 경사 측면(10a)을 갖는 적층부(10)가 형성된다.
본 방법에서는, 마스크 재료와 질화물 반도체 재료의 RIE에 의한 에칭율을 고려하여, 마스크 M1 형상을 설정함으로써, 원하는 경사 측면을 갖는 적층부를 형성할 수 있다.
예를 들면, 마스크 M1의 측면을 외측으로 팽창된 형상으로 함으로써, 적층부의 경사 측면을 외측으로 팽창된 볼록 곡면으로 할 수 있다.
이와 같이, 경사 측면을 외측으로 팽창된 볼록 곡면으로 함으로써, 기판측으로부터 광을 출력하는 경우에 집광하여 광을 출사할 수 있다.
이상의 각 실시 형태에서는, 가장 바람직한 예로서, 적층부의 주위를 기판까지 에칭한 예를 이용하여 설명하였지만, 본 발명에서는 적층부의 주위에 광이 전송되지 않도록 하는 것이 중요하므로, 광의 전송을 억제할 수 있을 정도의 두께로 n형 반도체층이 남아 있어도 된다.
(제3 발명)
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시 형태에 대하여 설명한다.
실시 형태8(제3 발명)
본 발명에 따른 실시 형태1의 질화물 반도체 발광 소자는, 도 34에 도시한 바와 같이, 발광 영역을 구성하는 질화물 반도체층의 일부가 금속 부재(7)에 매립되도록 형성되고, 그 금속 부재(7)에 의해, 발광 소자 전체의 형상이 유지되고 있다.
본 실시 형태8의 질화물 반도체 발광 소자에서는, n형 질화물 반도체층(2)과 p형 질화물 반도체층(3) 사이에 발광층(4)을 형성함으로써 더블 헤테로 구조의 발광 영역이 구성되어 있고, 그 p형 질화물 반도체층과 발광층과 n형 질화물 반도체층의 일부는 사다리꼴 뿔 형상(재두 추체 형상)으로 가공되어 있다. 즉, 본 발명은, 적어도 p형 질화물 반도체층과 발광층이 포함되도록 사다리꼴 뿔 형상의 적층체가 형성된다. 또한, 적층체(10)에서, p형 질화물 반도체층(3) 상의 거의 전면에는 p형 오믹 전극(36)이 형성되며, p형 오믹 전극(36)의 주변부와 적층체(10)의 경사한 측면(10a) 및 그 측면(10a)에 연속한 n형 질화물 반도체층(2)을 피복하도록 절연층(72(5))이 형성되어 있다.
그리고, 이상과 같이 구성된 적층체(10)가 금속 부재(7)에 매립되도록 하여 유지되고 있다. 또한, 적층체(10)의 측면은, 절연층(72)을 개재하여 금속 부재(7)에 매립되며, 적층체(10)의 p형 오믹 전극(36)이 형성된 면은 p형 오믹 전극(36)을 개재하여 금속 부재(7)에 대향하고 있다. 또한, n형 질화물 반도체층(2)의 대향하는 2개의 면 중의 적층체(10)의 반대측에 위치하는 면에는 투명 전극(21)이 형성되고, 그 투명 전극(21)의 일부에는 n 패드 전극(29)이 형성되어 있다.
*이상과 같이 구성된 실시 형태8의 질화물 반도체 발광 소자에서, 적층체(10)의 발광층(4)에서 발광된 광은, 금속 부재(7)의 반대측으로부터 투명 전극(21)을 통해 출사된다.
다음으로, 본 실시 형태8의 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 제조 방법에서는 우선, 도 35에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(1) 상에 예를 들면 버퍼층(도시 생략)을 개재하여 n형 질화물 반도체층(2), 발광층(4) 및 p형 질화물 반도체층(3)을 그 순서로 성장시킨다.
다음으로, 소자간에서, n형 질화물 반도체층이 노출될 때까지 에칭함으로써, 사다리꼴 뿔 형상의 적층체(10)를 형성한다(도 36).
이 사다리꼴 뿔 형상의 적층체(10)는, 예를 들면, 마스크를 소정의 사다리꼴 뿔 형상으로 형성해 두고, 그 마스크를 이용하여 에칭함으로써 그 마스크의 형상에 대응한 사다리꼴 뿔 형상으로 가공할 수 있다.
구체적으로는, 우선, 도 44A에 도시한 바와 같이, p형 질화물 반도체층(3) 상에, 단면이 사다리꼴 형상인 마스크 M1을 형성한다. 이 마스크 M1은 반응성 이온 에칭에 의해 일정한 레이트로 에칭 가능한 재료를 이용하여 형성한다.
다음으로, 반응성 이온 에칭에 의해, 마스크 M1 상으로부터 사파이어 기판(1) 상에 형성된 반도체층(p형 질화물 반도체층(3), 발광층(4) 및 n형 질화물 반도체층(2))을 에칭한다. 이 에칭 공정에서는, 반도체층과 함께 마스크 M1 그 자체도 에칭에 의해 조금씩 제거된다. 또한, 도 44B에서, 파선과 실선 사이의 R1의 부 호를 붙인 부분이 제거된 부분이다.
이 에칭을 적층부(10)의 주위에 n형 질화물 반도체층(2)의 표면이 노출될 때까지 계속한다(도 44C).
이와 같이 하면, 마스크 M1의 형상에 대응한 사다리꼴 뿔 형상의 적층부(10)가 형성된다.
본 방법에서는, 마스크 재료와 질화물 반도체 재료의 RIE에 의한 에칭율을 고려하여, 마스크 M1 형상을 설정함으로써, 원하는 사다리꼴 뿔 형상의 적층부(10)를 형성할 수 있다.
상술한 방법에 의해 적층체(10)를 가공하는 에칭 수단으로서는, 반응성 이온 에칭 외에, 반응성 이온 빔 에칭, 이온 밀링 등의 드라이 에칭을 이용할 수 있다.
또한, 사다리꼴 뿔 형상의 적층부(10)의 가공은, 예를 들면 웨트 에칭 등의 등방성 에칭 수단을 이용하여, 언더 커팅(사이드 에칭) 현상을 이용하도록 해도 된다. 이 언더 커팅을 이용하면, 사다리꼴 뿔 형상의 가공을 간단하게 할 수 있지만, 가공 정밀도는 상술한 드라이 에칭을 사용한 방법에 비해 뒤떨어진다.
또한, 적층체(10)의 경사한 측면(10a)의 경사각(사파이어 기판(1)의 주면과의 이루는 각도)은, n형 질화물 반도체층을 통해 출력되는 광의 추출 효율을 높게 하기 위해, 30도∼80도의 범위로 설정되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 45도로 설정한다.
또한, 본 발명에서, 재두 추체는, 원추 사다리꼴 추체, 각추(사각추, 육각추 외) 사다리꼴 추체 등, 다양한 사다리꼴 추체를 적용할 수 있다.
이상과 같이 하여, 사다리꼴 뿔 형상의 적층부(10)를 형성한 후, 적층부(10)의 상 저면(p형 질화물 반도체층(3)의 표면)의 거의 전면에 p형 오믹 전극(36)을 형성한다.
여기서, 본 명세서에서, 상 저면이란, 사다리꼴 뿔 형상에서의 상호 평행하게 대향하는 2개의 면 중의 작은 쪽의 면을 말하고, 적층체(2)의 저면이라고 하는 경우에는, 대향하는 2개의 면 중의 큰 쪽의 면을 말한다.
p형 오믹 전극(36)은, Ni/Au, Ni/Pt, Pd/Pt로 이루어지는 전극을 이용할 수도 있지만, 본 발명에서는, Rh/Au, Rh/Pt 등과 같이, Rh층을 p형 질화물 반도체층(3)에 접하는 층으로서 형성한 전극을 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, Rh를 p형 질화물 반도체층(3)에 접하는 제1층으로서 형성하면, 금속 부재(7)를 형성한 후에, p형 오믹 전극(36)이 p형 질화물 반도체층(3)으로부터 박리되는 것을 방지할 수 있다.
또한, (/)으로 표기한 조합은, (/)의 앞에 기재한 금속을 p형 질화물 반도체층(3)에 접하는 제1층으로서 형성하고, 그 제1층 위에 형성한 제2층을 (/)의 뒤에 기재한 금속으로 형성한 것을 의미하고 있다.
각 적층체(10)의 p형 질화물 반도체층 상에 p형 오믹 전극(36)을 형성한 후, 도 38에 도시한 바와 같이, 각 p형 오믹 전극(36)의 중앙부(주변부를 제외한 부분을 말함)를 제외하고 기판 상 전체를 피복하도록, 절연막(72(5))을 형성한다.
이 절연막(72, 73, 5)은, 예를 들면, SiO2, TiO2, Al2O3, Si3N4, ZrO2 등의 무기 절연막을 이용하여 적합하게 형성할 수 있지만, 유기 절연막을 이용하여 형성해도 된다.
그 후, 필요에 따라 복수의 적층부(10) 사이를 접속하는 배선 전극(65)을 형성한다(도 39).
다음으로, 반사층(65(6))을 형성한다. 이 반사층(6)은 Ag, Pt, Rh, Al 등의 광 반사성이 높은 재료를 이용하여 형성된다. 또한, 복수의 적층부에 의해 1개의 발광 소자를 구성하는 경우에는, 이 반사층(6)이 배선용의 전극을 겸하도록 해도 된다. 특히, 사다리꼴 뿔 형상의 적층체의 측면이 경사하고 있으며, 이것에 대향하도록 반사층이 형성되어 있기 때문에, 광의 이용 효율이 비약적으로 향상된다.
또한, 본 발명에서는, 절연막(5(72, 73))이 반사층을 겸하도록 해도 된다.
반사층으로서 이용할 수 있는 절연막(5)의 구체적인 재료로서는, SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O5, ZrO2, Nb2O5, Y2O3을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는, 이들 재료 중에서, 2개의 굴절율이 서로 다른 재료를 조합하여 교대로 형성함으로써 다층 구조의 반사층을 겸한 절연막(5)을 형성한다. 예를 들면, TiO2/SiO2를 조합하여 10∼20층 적층함으로써, 다층 구조의 반사층을 형성한다.
*다음으로, 예를 들면, 도금 등에 의해 금속 부재(7)를 전면에 형성한다(도 40). 본 발명에서, 이 금속 부재(7)는, 후의 공정에서 사파이어 기판(1)을 제거한 후에 발광 소자의 형상을 유지하는 것을 제1 목적으로 하는 것으로, 그를 위해 두껍게(바람직하게는, 50㎛ 이상, 보다 바람직하게는, 100∼200㎛의 범위) 형성할 필요가 있다.
본 발명에서, 금속 부재(7)는, 첫째 이 목적을 완수할 수 있으면 되고, 그를 위해서는, 예를 들면, Ti, Ag, Al, Ni, Pt, Au, Rh, Cu, W 등의 다양한 금속을 이용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태8에서, 금속 부재(7)는, 반사막(6)과의 밀착성이 좋을 것이 요구된다. 또한, 반사막(6)이 형성되어 있지 않은 경우에는, 금속 부재(7)는, 절연막(5(73))과 p형 오믹 전극(36), 특히 절연막(5(73))과의 밀착성이 좋을 것이 요구된다. 그 경우, 상술한 재료에 의해 구성되는 절연막(5(73))과의 밀착성이 좋은 재료로서, Ti, W, Al, Ni를 들 수 있다.
또한, 금속 부재(7) 그 자체를 반사율이 높은 재료로 형성함으로써, 반사층(6)을 생략하도록 해도 된다. 그와 같은 금속 재료로서, Ag, Al, Pt, Rh를 들 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 발광 소자의 형상을 유지한다고 하는 제1 기능 외에, 광 반사 기능 등을 완수하기 위해, 금속 부재(7)는, 각각의 기능을 갖는 복수의 층을 적층한 다층 구조로 해도 된다. 예를 들면, 기초층으로서, 발광한 광에 대한 반사율이 높으며 또한 절연막(5), p형 오믹 전극(36) 등과의 밀착성이 좋은 제1 금속막을 형성하고, 그 위에 두껍게 형성하는 것이 가능한 제2 금속막을 형성하도록 하여, 금속 부재(7)를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 금속 부재(7)는, 비교적 두껍게 형성할 필요가 있기 때문에, 성막 속도가 빠른 무전해 도금이나 전기 도금을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
구체적으로는, Ni, Cu, Al, Au 등의 전기 도금, Ni, Cu 등의 무전해 도금을 이용할 수 있다.
특히, 무전해 Ni 도금은, Au, Cu, Ag에 비해 강도가 높기 때문에 웨이퍼의 휘어짐을 작게 할 수 있으며 또한 전기 접점이 불필요한 점에서 바람직하고, 또한 Ni는 도금층의 균일성, 석출 속도, 땜납 습윤성, 범프 강도, 내식성의 점에서도 우수한 재료이다.
다음으로, 도 41에 도시한 바와 같이, 기판(1)측으로부터 레이저를 조사하는 것에 의해 사파이어 기판(1)을 제거한다. 이 단계에서는, 비교적 두꺼운 금속 부재(7)가 형성되어 있기 때문에, 기판(1)을 제거하는 방법으로서는, 레이저 조사 외에, 연마나 에칭 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다.
그리고, 기판(1)이 제거되어 노출된 n형 질화물 반도체층(2)의 표면에 투명 전극인 n형 전극(21(8))을 형성한다(도 42). 이 n형 전극(21(8))은 W/Al, V/Al, W/Pt/Au, ZnO, ITO, Mo 등에 의해 형성할 수 있다. 광의 추출 효율을 높게 하기 위해서는, ZnO나 ITO를 이용하는 것이 바람직하고, 염가로 입수하기 쉬운 재료라는 점에서, ITO를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
이 ITO를 이용하여 투명 전극(21(8))을 형성하는 경우, 저항값을 내리기 위해, 열 처리를 실시하는 것이 바람직하고, 그 바람직한 열 처리 온도는, 100℃∼ 500℃이며, 보다 바람직한 열 처리 온도는 200℃∼400℃이다.
다음으로, 각 적층체(10)에 대응하여 각각 n 패드 전극(29)을 형성하고, 그 n 패드 전극(29)의 주변부와 투명 전극(21(8))을 피복하는 절연막(72(5))을 형성한다.
그리고, 웨이퍼를 적층부 사이에서 분할함으로써 개개의 발광 소자로 한다.
여기서, 본 발명에서는, 개개의 소자로 분할할 때의 분할 위치는, 적어도 적층체(10)의 경사 측면(10a)으로부터 떨어진 위치로 하고, 그 경사 측면(10a)과 분할 후의 소자의 측면이 떨어지도록 한다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 실시 형태8의 질화물 반도체 발광 소자는, 소자로 분할할 때의 분할 위치가 적층체(10)의 경사 측면(10a)으로부터 떨어져 있기 때문에, 적층체(10)의 경사 측면(10a)의 PN 접합면이 손상을 받지 않는다.
또한, 소자로 분할할 때의 분할 위치가 적층체(10)의 경사 측면(10a)으로부터 떨어져 있기 때문에, 금속 부재(7)를 절단할 때의 절단 파편에 의한 PN 접합면의 단락을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 형태8의 질화물 반도체 발광 소자에서는, 적층체(10)의 양측에 전극을 형성하고 있기 때문에, 동일 면측에 전극을 형성한 소자와 같이 한쪽의 전극을 형성하기 위해 발광층의 일부를 제거할 필요는 없다. 이에 의해, 발광층의 면적을 작게 하지 않고 발광 영역을 확보할 수 있으므로, 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 형태8의 질화물 반도체 발광 소자에서는, 적층체(10)의 양측에 전극을 형성하고 있기 때문에, 용이하게 발광층 전체에 전류를 균일하게 흘릴 수 있어, 발광층 전체를 균일하게 또한 효율적으로 발광시킬 수 있다.
특히, 복수의 적층부에 의해 1개의 발광 소자를 구성하도록 한 경우에는, 비교적 넓은 면적에서, 발광면 내에서의 균일성이 우수한 발광 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 실시 형태8의 질화물 반도체 발광 소자에서는, n형 질화물 반도체층의 거의 전면에 투명 전극(21(8))을 형성하고 있기 때문에, 발광층 전체에 균일하게 전류를 주입할 수 있어, 발광층 전체를 균일하게 발광시킬 수 있다.
그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 투명 전극(21(8)) 대신에 n형 질화물 반도체층의 거의 전면에 메쉬형(격자 형상)의 n형 전극을 형성하고, 그 격자의 사이로부터 광을 출력하도록 해도 되고, n형 질화물 반도체층의 일부에 n형 전극을 형성하도록 해도 된다.
n형 질화물 반도체는 p형 질화물 반도체에 비해 저항값을 작게 할 수 있기 때문에 n형 질화물 반도체층 내를 전류가 확산되기 쉽고, 격자 형상의 n형 전극을 이용한 경우에도, 격자(전극이 형성되어 있지 않은 부분의 면적)를 크게 할 수 있어, 전극에 의해 광을 그다지 차단하지 않고 출사할 수 있다. 또한, n형 질화물 반도체층의 일부에 n형 전극을 형성하도록 한 경우에도, 비교적 광범위한 발광층에 전류를 주입하는 것이 가능하다.
변형예(제3 발명 : 제8 실시 형태 변형예)
이상의 실시 형태8에서는, n형 질화물 반도체층(2)을 두께 방향으로 도중까지 에칭함으로써, 상기 적층체를 상기 n형 질화물 반도체층의 적어도 일부를 포함하도록 구성하였다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 도 45에 도시한 바와 같이, p형 질화물 반도체층(3)과 발광층(4)만을 에칭하도록 하여 적층부(810-1)를 형성하도록 해도 되고, 도 46에 도시한 바와 같이, p형 질화물 반도체층(3)과 발광층(4)을 에칭한 후 다시 연속하여 n형 질화물 반도체층(2)을 사파이어 기판이 노출될 때까지 에칭함으로써, p형 질화물 반도체층(3), 발광층(4) 및 n형 질화물 반도체층(2)에 의해 적층부(810-2)를 형성하도록 해도 된다.
실시 형태9(제3 발명)
본 발명에 따른 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자는, 도 47에 도시한 바와 같이, 하나의 예로 4개의 적층체(810-3)를 배열한 발광 소자이다.
즉, 본 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자는, 도 50에 도시한 바와 같이, 종횡 4개씩, 합계 16개의 사각추 사다리꼴 형상의 적층체(810-3)(p형 질화물 반도체층과 발광층에 의해 구성)를 n형 질화물 반도체층(2)의 한쪽의 면에 배열하여 비교적 대면적의 발광 소자를 구성하고 있다.
또한, 본 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자에서, n형 질화물 반도체층(2)의 다른쪽의 면의 전면에는, 모든 적층체(810)에 공통의 투명 전극(21(8))이 n형 오믹 전극으로서 형성되고, 그 중앙부에 1개의 n 패드 전극(23)이 형성되어 있다.
또한, 본 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자는, 16개의 적층체(810)로 1개의 발광 소자를 구성하도록, 또한 분할 위치가 적어도 적층체(10(810))의 경사 측면(10a)으로부터 떨어진 위치로 되도록 적층부 사이에서 분할되어 있다.
이상과 같이 구성된 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자는, 소자로 분할할 때의 분할 위치가 적층체(10)의 경사 측면(10a)으로부터 떨어져 있기 때문에, 적층체(10)의 경사 측면(10a)의 PN 접합면이 손상을 받지 않고, 또한 금속 부재(7)를 절단할 때의 절단 파편에 의한 PN 접합면의 단락도 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자에서는, 실시 형태8의 질화물 반도체 발광 소자와 마찬가지의 이유로, 발광 효율을 향상시킬 수 있어, 발광층 전체를 균일하게 또한 효율적으로 발광시킬 수 있다.
이상의 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자에서는, n형 질화물 반도체층(2)을 포함하지 않고, p형 질화물 반도체층(3)과 발광층(4)이 적층된 적층체(810)를 이용하여 발광 소자를 구성하였다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 도 48에 도시한 바와 같이, n형 질화물 반도체층(2)과 p형 질화물 반도체층(3)과 발광층(4)이 적층된 적층체(810-4)를 이용하여 구성해도 된다.
이상의 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자에서는, 1개의 발광 소자 내에서는 적층체마다 분리하지 않고, 발광 소자간에서 n형 질화물 반도체층(2)이 분리되도록 웨이퍼 상에 형성한 후, n형 질화물 반도체층(2)이 분리된 부분에서 소자마다 분할하도록 해도 된다(도 49).
또한, 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자는, 사각추 사다리꼴 형상의 적 층체(810)를 이용하여 구성하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 원추 사다리꼴 형상의 적층체(810-4)를 이용하여 구성하도록 해도 된다(도 51).
(본 발명에서의 그 밖의 구성)
(본 발명의 발광 소자(10000))
이상 설명한 각 실시 형태에서, 그 실시 형태(발광 소자(10000))의 각 구성에 대하여 이하에 자세히 설명하지만, 본 발명은 상기 실시 형태 및 그 구성에 대하여 조합하여 적용할 수도 있다.
(소자 구조체(10100))
본 발명의 발광 소자(10000)에 이용되는 소자 구조체(10100)는, 도 59의 단면도 등에 도시한 바와 같이, 기판(1) 상에, 제1 도전형층(2), 활성층(발광층(4)), 제2 도전형층(3)이 순서대로 적층된 적층 구조체(10100)이어도 되고, 제1, 제2 도전형층(2, 3)이 가로 방향으로 접합되어 있어도 되며, 이들을 조합한 것, 예를 들면 단면이 꺾은선(연속 직선) 형상, 산 형상, 계곡 형상 등의 다양한 면이 복합된 접합면이어도 된다.
구체적으로는, 본 발명의 발광 소자(10000)는, 소자 구조체(10100)로서, 도 59에 도시한 바와 같이, 소자 구조체(10100)는, 기판(1) 상에, 제1 도전형층(2), 발광층(활성층)(3), 제2 도전형층(3)이 순서대로 적층된 적층 구조(10100)를 갖는 것이고, 이 때, 전극 형성면 내에서, 발광 구조부(5110)는, 도면에 도시한 바와 같이 적층 방향으로 제1, 제2 도전형층이 발광층을 사이에 두는 구조 외에, 상술한 바와 같이, 제1, 제2 도전형층이 가로 방향으로 접합되어 있어도 되고, 또한 이들 을 조합한 세로, 가로의 복잡한 복합 접합면을 형성한 것이어도 된다. 또한, 발광 소자 구조로서, MIS 구조, p-n 접합 구조, 호모 접합 구조, 헤테로 접합 구조(더블 헤테로 구조), PIN 구조 등을 이용할 수 있으며, 또한 단일극 소자에도 적용할 수 있지만, 바람직하게는, 제1, 제2 도전형층이 상호 다른 도전형층으로 되는 p-n 접합 구조 등의 n형, p형층에서 활성층을 사이에 두는 구조를 이용하는 것이 바람직하다.
소자 구조체(10000)를 구성하는 적층 구조의 반도체 재료는, InAlGaP계 재료, InP계 재료, AlGaAs계 재료, 이들 혼정 재료이어도 되고, GaN계 질화물 반도체 재료이어도 된다. GaN계 질화물 반도체 재료로서 구체적으로 설명하면, GaN, AlN, 혹은 InN, 또는 이들 혼정인 Ⅲ-V족 질화물 반도체(InαAlβGa1 -α-βN, 0≤α, 0≤β, α+β≤1)로 표시되며, 또한 이에 덧붙여, Ⅲ족 원소로서 일부 혹은 전부에 B를 이용하거나, V족 원소로서 N의 일부를 P, As, Sb로 치환한 혼정이어도 된다. 이하, 질화물 반도체를 이용하여 설명하지만, 다른 재료계에도 적용된다.
발광층으로서는, InGaN계 재료를 이용할 수 있으며, 광대역 갭의 발광층에 의해, 녹색, 청색의 가시 광역으로부터 자색, 그것보다 단파장의 자외 영역에 발광하는 것이 얻어진다.
각 실시 형태에서는, 제1, 제2 도전형층(2, 3)을, n형층, p형층으로 하고 있지만, 이 역이어도 된다. 또한, 반도체 적층 구조(10100)의 성장 방법으로서 구체적으로는 MOVPE(유기 금속 기상 성장법), HVPE(할로겐 기상 성장법), MBE(분자선 에피택셜법), MOCVD(유기 금속 화학 기상 성장법)이 있고, 바람직하게는 MOCVD, MBE이다.
본 발명의 반도체 적층 구조(10100)의 성장 방법에 이용하는 기판, 특히 에피택셜 성장용의 기판(1)으로서는, 질화물 반도체와 다른 재료의 이종 기판으로서, 예를 들면, C면, R면, 및 A면 중 어느 하나를 주면으로 하는 사파이어, 첨정석(MgAl2O4)과 같은 절연성 기판, SiC(6H, 4H, 3C를 포함함), ZnS, ZnO, GaAs, Si, 및 질화물 반도체와 격자 정합하는 산화물 기판 등, 질화물 반도체를 성장시키는 것이 가능한 것이 종래부터 알려져 있어, 질화물 반도체와 다른 기판 재료를 이용할 수 있고, 바람직하게는 사파이어, 첨정석이며, 또한 이종 기판 이외로서, GaN, AlN 등의 질화물 반도체 기판 등도 이용할 수 있다. 다른 반도체 재료에서는 종래 알려진 동일한 재료계의 기판, 혹은 Si 등의 이종 기판을 이용할 수 있다.
(반도체 적층 구조(10100))
발광 소자(10000)를 형성하는 반도체 적층 구조(10100)로서는, 예를 들면 도 57, 도 39, 도 59에 도시한 바와 같이, 상기 기판(1) 상에 기초층(500) 등을 개재하여 성장되며, 이 때, 기초층(500)을 소자 구조(10100)로서 동작부에 포함해도 되지만, 통상 소자 구조의 성장용만 형성되어 소자로서 기능하지 않는 비동작부로서 형성된다. 기초층은, 특히 이종 기판을 이용한 경우, 결정핵 형성, 핵 성장층으로서, 저온 성장 버퍼층을 이용하고, 바람직한 조건은 AlxGa1 - xN(0≤x≤1)을 저온(200∼900℃)에서 성장시키는 것이며, 계속해서 고온에서 층 성장시켜, 막 두께 50Å∼ 0.1㎛ 정도(단결정, 고온 성장층)로 형성한다. 또한, ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)로서 알려진 바와 같이, 기판 상, 혹은 기초층 상에, 섬 형상부(볼록부, 마스크 개구부) 등의 성장부를 다른 영역에 비해 우선적, 혹은 선택적으로 성장시켜, 각 선택 성장부가 가로 방향으로 성장하여 접합, 회합함으로써 층을 형성하는 성장층을 기초층(500) 혹은, 소자 적층 구조(10100)에 이용할 수도 있으며, 이에 의해 결정성, 특히 결정 결함을 저감시킨 소자 구조로 할 수 있다.
질화물 반도체에 이용하는 도우펀트로서, n형 불순물로서는, Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr 등의 Ⅳ족, 혹은 Ⅵ족 원소를 이용할 수 있으며, 바람직하게는 Si, Ge, Sn을, 또한 가장 바람직하게는 Si를 이용한다. 또한, p형 불순물로서는, 특별히 한정되지 않지만, Be, Zn, Mn, Cr, Mg, Ca 등을 들 수 있고, 바람직하게는 Mg가 이용된다. 이들 억셉터, 도너의 각 도우펀트를 첨가함으로써, 각 도전형의 질화물 반도체층을 형성하고, 후술하는 각 도전형층을 구성한다. 또한, 질화물 반도체는 불순물을 도핑하지 않은 무첨가층이어도 n형층으로서 이용할 수 있으며, 또한 AlGaAs 등의 다른 재료계에는 그것에 적합한 도우펀트 이용한다. 본 발명에서의 제1 도전형층, 제2 도전형층에는, 부분적으로 도핑되지 않은 층, 반절연성의 층이 적층되어 있어도 되고, 전류 저지층과 같이 역도전형의 매립층에, 각 도전형층 내에 부분적으로 기생의 소자 부분을 형성해도 된다.
(제1 도전형층(2))
상기 실시 형태의 소자 구조로 나타낸 바와 같이, 제1 도전형층(2)으로서, 각 도전형의 도우펀트를 함유시켜, 전극 형성면 내 및 활성층으로의 캐리어의 공 급, 확산을 실현하는 층 구조를 형성하면 되고, 특히 전극 형성부(5200)로부터 발광 구조부(5110)에 캐리어를 면내로 확산하여 공급하는 전류 확산 도체(8)(컨택트층)에는, 다른 영역보다 고농도로 도핑되는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 전하 공급·면내 확산층(컨택트층 및 그 근방층) 외에, 상기 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 적층 방향에서 발광층으로 전하를 이동·공급시키는 개재층, 혹은 제2 도전형의 캐리어를 발광층에 가두는 클래드층 등을, 컨택트층과는 별도로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 발광층(4)과 면내 확산층(영역)의 컨택트층 사이에 형성하는 층으로서, 질화물 반도체 소자인 경우에는, 면내 확산층(영역)보다 저농도 도우펀트량 혹은 도핑되지 않은 저불순물 농도층(도핑되지 않은 층), 및/또는 다층막층을 형성하는 것이 바람직하다. 이것은, 저불순물층로써, 고불순물층(면내 확산층)에 의한 결정성 악화를 회복시켜 그 위에 성장시키는 클래드층, 발광층의 결정성을 양호하게 하고, 구동 시에는 고농도층에 인접하여 저농도층이 형성됨으로써 면내 확산을 촉진시키고, 또한, 내압성도 향상시킬 수 있다. 다층막층은, 적어도 2종의 층을 교대로 적층시킨 주기 구조로 형성하는 것, 구체적으로는, In을 포함하는 질화물 반도체층과 그것과는 다른 조성의 층의 주기 구조, 바람직하게는 InxGa1 -xN/InyGa1-yN(0≤x<y<1)으로 구성함으로써, 발광층, 특히 In을 포함하는 질화물 반도체층, 바람직하게는 그것을 웰층으로서 복수 이용한 경우에, 그 결정성을 향상시킬 수 있다. 이러한 다층막으로서는, 조성이 다른 층에 의한 주기 구조 외에, 조성 경사 구조, 또한, 이들 구조에 있어서 불순물 농도를 변조시킨 구조, 막 두께를 변 동시킨 구조 등도 채용할 수 있고, 바람직하게는, 20㎚ 이하의 막 두께의 층을 적층한 구조, 더 바람직하게는 10㎚ 이하의 막 두께의 층을 적층한 구조로 형성하는 것이, 상기 결정성에 유리하다.
(발광층[활성층](3))
본 발명의 소자 구조(10100)로서는, 제1, 제2 도전형층과의 사이에, 발광층을 형성하고, 발광층에서 발광시키는 소자 구조로 하는 것이 바람직하며, 특히 질화물 반도체에서는 In을 포함하는 질화물 반도체를 발광층에 이용한 것이, 자외 영역로부터 가시광(적색광)의 영역에서 적합한 발광 효율이 얻어져 바람직하고, 특히 InGaN층을 이용하는 것, 특히 In의 혼정비를 변화시켜 원하는 발광 파장을 얻는 것이 바람직하다. 이 외의 질화물 반도체 재료로서, GaN, AlGaN 등의 InGaN보다 고대역 갭의 재료를 이용하여, 자외 영역에서 사용하는 발광 소자로 해도 된다.
보다 바람직한 발광층으로서는, 양자 웰 구조의 활성층을 이용하는 것으로, 웰층이 1개의 단일 양자 웰 구조, 더 바람직하게는, 복수의 웰층이 장벽층을 개재하여 적층한 구조의 다중 양자 웰 구조를 채용하는 것이 바람직하다. 웰층에 대해서는 상기 발광층과 마찬가지로, 바람직하게는 InGaN층을 이용하는 것이고, 장벽층으로서, 웰층보다 대역 갭 에너지가 커지는 층으로서, 예를 들면 InGaN, GaN, AlGaN을 형성하는 것이 바람직하다. 이 때, 웰층, 장벽층의 막 두께로서는, 30㎚ 이하, 바람직하게는 20㎚ 이하, 또한 웰층에서 바람직하게는 10㎚ 이하로 함으로써, 양자 효율이 우수한 발광층이 얻어진다. 또한, 웰층, 장벽층에, 각 도전형층의 도우펀트가 도핑되어 있어도 되고, 장벽층은, 웰층간에 한층 이상 형성해도 된 다.
(제2 도전형층(3))
제2 도전형층(3)으로서는, 캐리어를 발광층에 가두는 클래드층, 전극이 형성되는 컨택트층을 형성하는 것이 바람직하고, 이 때 양 층을 각각 형성하여 컨택트층을 클래드층보다 발광층으로부터 멀리 형성하고, 고농도로 도우펀트를 도핑하는 것이 바람직하다. 질화물 반도체에서는, 클래드층으로서 바람직하게는 Al을 포함하는 질화물 반도체, 더 바람직하게는 AlGaN층을 이용하는 것이 바람직하고, 또한 발광층에 근접하여, 바람직하게는 접하여 형성됨으로써 발광층의 효율을 높일 수 있어 바람직하다. 또한, 컨택트층과 클래드층 사이에 이들 층보다 저불순물 농도의 층을 개재시킴으로써, 내압성이 우수한 소자로 할 수 있고, 또한 컨택트층을 고농도로 도핑해도 결정성을 개선할 수 있기 때문에 바람직하다. 컨택트층은, 도 58에 도시한 바와 같이, 전극 형성면 내에서 발광부(5110)로서 형성되기 때문에, 그 면 내에서 캐리어를 확산시키는 층으로서도 기능할 수 있지만, 본 발명에서는, 전극(2000)을 설치하고, 해당 면내의 일부로 연장되는 상부 전극(2200)과, 그것보다 면적이 큰, 단면 폭이 넓은 층 형상의 하부 전극(2100)에 의해 면내에서의 전류 확산 도층, 확산 도체로서 기능시킴으로써, 질화물 반도체에서의 낮은 이동도의 p형 캐리어의 확산을 보조하고, 또한, 컨택트층의 막 두께를 다른 층(클래드층, 개재 저농도층)보다 작게 하며, 또한 다른 층보다 고농도로 불순물 도핑함으로써, 고캐리어 농도의 층을 형성하여, 전극으로부터 양호한 전하 주입을 실현할 수 있어 바람직하다.
(전류 확산 도체(8, 9))
이와 같이 본 발명의 적층 구조(1000100)에서, 전류 확산 도체(8)는, 소자 구조체 내(제1 도전형층 내(8))에 형성되어도, 소자 구조체 상(의 전극(2100))에 형성되는 형태이어도 된다. 구체적으로 설명하면, 도 58 등에 도시한 바와 같이, 제1 도전형층(2)에서는, 노출 전극 형성면(5200)에 제1 전극(1000)이 설치되고, 그 제1 전극(1000)이 설치된 제1 도전형층(2) 내를 가로 방향으로 전류 확산하는 확산 도체(8)로서 기능하며, 한편, 제2 도전형층(3)측에는, 접속 전극(배선 전극, 배선부)에 전기적으로 접합하는 오믹 접촉용의 전극(2100)으로써, 면내에서, 일부에 설치된 배선 전극으로부터, 전류를 면내로 넓게 확산시키는 확산 도체로서 기능한다. 제2 도전형층(3) 내에 확산층을 형성해도 되고, 제1 도전형층 상에, 외부(전극)의 확산 도체를 설치해도 된다.
(발광 소자 면내 구조)
본 발명의 발광 소자에는, 소자 구조부(5700)에 발광 구조부(5110)와 전극 형성부(5200)가 형성된 구조이고, 소자 구조부(5700)는 전류 확산 도체(8)(제1 도전형층(2)) 상에 형성되며, 1개의 소자 구조부(5700) 내에서 1개의 발광 구조부(5110)(도 1∼도 10, 도 34, 도 45, 도 46)로 하는 형태이어도 되고, 1개의 소자 구조부(5700) 내에서 복수의 발광 구조부(5110)가 형성되는 발광 구조부(5110)의 집적 구조를 형성해도 되며, 1개의 소자 구조(5700)에 대하여 적어도 한쌍의 발광 구조부(5110)와 전극 형성부(5200)가 형성되면 되고, 또한, 소자 구조부(5700)를 복수 집적하여 집적형의 발광 소자(10000)로 할 수도 있다.
각 전극의 배선 형태로서는, 각 전극은 소자 구조체 내에 전류 공급할 수 있도록, 오믹 접촉된 오믹 접촉부를 갖는 것이 바람직하고, 그 오믹 접촉부에 일치하여 전극(배선 전극, 대좌부)이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 다른 형태로서는, 이격하여 배치된 오믹 접촉부에 대하여, 이들을 도통하도록, 배선용으로서 전극이 설치되어도 된다. 또한, 이러한 배선용 전극은, 후술하는 소자 실장 기체측에 설치되어도 된다.
이와 같이 소자 구조체의 전극 형성 위치는, 각 도전형층에 설치된 전극 형성면 상에 설치되어, 상기 소자 구조체의 형상·형태에 의존하기 때문에, 도면에 도시한 바와 같은 제2 도전형층, 발광층을 일부 제거하여 노출시킨 제1 도전형층을 전극 형성면으로 하여, 기판 상에서, 발광층의 상방, 하방에 각각 제2 전극, 제1 전극의 형성면이 형성되는 형태가 있다. 그 밖에 동일 면측에 양방의 전극을 형성하면, 다른 전극 형성면의 형태도 취할 수 있다.
(제1 전극(1000))
또한, 제1 전극(1000)은, 제1 도전형층(2)의 노출부(2s)의 적어도 일부에 전극 형성 영역(5200)으로서 형성되며, 제2 발명에서는 발광 구조부(5110)와 면내에서 분리되어 형성되며, 오믹 접촉용으로서 제1 도전형층(2) 내에 전류 주입한다. 제1 도전형층(2)의 노출부(2s)는, 도면에 도시한 바와 같이, 발광 구조부(5110)를 둘러싸도록 소자 구조부(10100)의 단부에 설치되어 있어도 되고, 도 58 등에 도시한 바와 같이 기판(1)을 소자 단부에서 노출(노출부(4s))시키고, 제1 도전형층(2)의 측면(6110a)를 경사시켜, 광 반사부, 추출부로서 기능시킬 수 있으며, 이 경우, 발광 구조부(5110)의 측면(5110a)보다, 경사 측면에서의 전극 형성면, 기판면의 법선 방향에 대한 각도를, 크게 함으로써, 제1 도전형층(2) 내를 가로 방향으로 전파하는 광을 효율적으로 추출할 수 있어 바람직하다. 또한, 노출부(2s)는, 소자 동작부(57) 내에서, 발광 구조부(5110)에 대하여, 제1 전극(1000)으로부터 노출시켜 형성함으로써(5110a), 광 추출홈으로서 기능시킬 수도 있으며, 또한 그와 같은 전극(1000)으로부터 노출된 영역에서 볼록부, 예를 들면, 전류 주입되지 않은 비발광 구조부(전극 형성부(5200) 등, 또는 소자 비동작부(5800))로서 볼록부를 형성하면, 반사 기능, 광 추출 단부에 기여한다.
제1 전극(1000)은 발광 구조부(5110)에 전류 확산, 주입하는 기능을 갖는다. 상기 제1 도전형층(2) 내의 면내 확산층(8, 9), 제2 도전형층(3) 내 및 제2 전극(2000)(하부 전극층(2100))의 면내 확산, 구체적으로는 시트 저항을 적절하게 조정함으로써, 제1 전극, 제2 전극 간격을 조정하여, 원하는 확산 상태, 발광 구조부(5110)의 폭의 발광 소자로 할 수 있다.
제1 전극(1000)은, 패드부(1100), 접속 전극부(1200) 모두 동일한 전극 구조로 해도 되고, 따로따로, 예를 들면, 오믹 접촉용의 전극으로서 전극(1000)의 형상으로 형성하고, 패드부(1100)에만 패드 전극을 형성하는 구조로서, 형성해도 된다.
(제2 전극(2000))
하부 전극(2100)은, 상술한 바와 같이, 발광 구조부(5110) 내에서 제2 도전형층(3)의 노출부(2s)의 거의 전면에 형성됨으로써, 발광 구조부(5110)에서 면내에 전류 확산시키는 확산층으로서 기능시킬 수 있다. 제2 도전형층(3) 내에 전류 확산층을 형성하는 경우에는, 면내에 확산시키는 전극(2100)이 불필요하게 되지만, 소자 구조로서 곤란한 경우가 많기 때문에, 소자 구조 내의 전류 확산층과 전극 확산층의 양방을 이용할 수도 있다. 질화물 반도체에서는 p형층에서의 면내 확산이 불충분하게 되는 경우가 많기 때문에, 외부와 접속시키는 패드부(2200p)와, 거기로부터 연장시켜 발광 구조부(5110)에 전류를 확산시키는 제2 전극(2000)의 상부 전극(2200), 배선 전극(2200a(2200b))과, 제2 전극(2000)을 면내에 확산하도록 배선 전극(2200a(2200b)) 그것보다 넓은 전극 형성면을 갖는 하부 전극(2100)을 설치하는 것이 바람직하다.
하부 전극(2100)은, 상술한 바와 같이 투광성 전극으로서 설치하는 것이 바람직하고, 도 16B, 도 33, 도 54, 도 55에 도시한 바와 같이, 기판(1)측을 광 추출면으로 하는 경우에는, 투광성 전극 상에, 또는 투광성의 절연막 등을 개재하여 반사막을 형성하거나, 투광성 전극층 상에 반사성 전극층을 형성한 전극 구조로 하거나, 반사성 전극으로 할 수 있다. 광 추출면을 기판(1)측, 제2 도전형층(3)으로 하는 경우 모두, 바람직하게는 제2 전극(2000)의 하부 전극층(2100)에 개구부를 형성하여 투광성 전극으로 하는 것, 혹은 하부 전극층(2100)의 형성부(2100a)도 투광성 전극인 것이 바람직하다.
제1, 제2 전극(1000, 2000)의 전극 재료, 특히 p형 질화물 반도체층용의 하부 전극(2100)의 재료로서는, 니켈(Ni), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나 듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 코발트(Co), 철(Fe), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 란탄(La), 구리(Cu), 은(Ag), 이트륨(Y)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 일종을 포함하는 금속, 합금, 적층 구조, 또는, 이들의 화합물, 예를 들면, 도전성의 산화물, 질화물 등이 있으며, 도전성의 금속 산화물(산화물 반도체)도, 주석을 도핑한 두께 50Å∼10㎛의 산화인듐(Indium Tin Oxide; ITO), ZnO, In2O3, 또는 SnO2를 들 수 있으며, 투광성에 유리하기 때문에 적합하게 이용된다. 산화물 반도체 재료의 경우에는, 각 도전형층(2, 3)과 그 전극(1000, 2000)의 중간적인 기능을 갖는 형태로 되며, 도전형층(2, 3)과 금속 산화물의 도전성을 동일하게 해도 되고, 다른 도전형의 산화물 반도체층을 전극으로 하는 경우에는, 소자 구조(10100) 사이에 어떠한 개재층(역도전형층, 산화물 반도체, 금속층)을 더 개재하여 사용해도 되며, 또한 확산 도체(2100(9))로서 기능하기 때문에, 제1 도전형층(2)측의 확산 도체(8)로서, 이러한 반도체층, 전극 재료를 이용해도 된다. 하부 전극(2100)이, 금속층인 경우에는, 투광성이 확보되는 박막으로 형성할 수 있으며, 또한, 본 발명의 개구부(2100b)를 갖는 하부 전극층(2100)의 경우에는, 하부 전극(2100)의 반사성이 큰 금속, 예를 들면 Al, Ag, Rh를 이용할 수 있다.
여기서, 도 60은 제2 전극(2000)과 그 하부 전극(2100), 상부 전극(2200)(배선부(2200a))의 실시 형태를 설명하는 것으로, 상술한 바와 같이, 패드부(2200p)를 열 형상(2200a)(점선부)으로 배열하여 접속 전극부(2200a)로 해도 되고(도 58), 소자 구조부(10100)의 개구부(600)에 대응시킨 전극 개구부(2100b)와, 전극 형성 부(2100a)로 하부 전극(2100)을 형성해도 되며(도 60B), 도 60D에 도시한 바와 같이, 하부 전극(2100)을 일부 개구(2100b)시켜, 개구부(2100b)(제2 도전형층(3) 표면)와 전극(2100)의 표면 상에 걸치는 전극(2200α)으로서, 배선부(2200a)(대좌부(2200p))를 형성할 수도 있으며, 산화물 등의 화합물 전극의 경우에는, 제2 전극의 접착성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 개구부(2100b)를 충전하는 제2 전극(2200α)의 형태로서는, 도 60E에 도시한 바와 같이, 제2 도전형층(3)에 오목부(600)를 형성하여 개구시켜, 하부 전극 개구부(2100b)와 함께, 제2 전극(2000)을 개구부(2100b)와 전극(2100) 상에 걸쳐 형성하는 전극(2200α)(상부 전극 대좌부(2200p-1, 2200p-2))으로 할 수도 있다.
또한, 제2 전극의 전극(2100)은, 발광 구조부(5110)에 설치되기 때문에, 광 추출, 반사가 유효하게 되도록, 투광성, 반사성을 적합하게 기능하기 위해서는, 투광성(광 투과율)이 큰 전극(형성부(2100a))으로 하거나(광 흡수가 작은 전극 재료) 혹은 그 투과율(흡수율)을 조정하여, 및/또는 투과성을 정하는 개구부(2100b)의 면적비(개구부 면적의 총합/전극 형성[5300] 면적), 개구율, 분포 상태를 조정하는 것이 어느 광 추출 방향에서도 유용하다.
또한, 도 60A에 도시한 바와 같이 전극 형성부(2s)의 광 추출면을 요철부(600)로 하는 방법, 도 60C, 도 60E에 도시한 바와 같이, 전극(2300) 개구부(2000b)에 대응하여, 제2 도전형층(3)에도 오목부(600a)를 형성하고, 볼록부 상면(600c)(전극 재료 계면)과 오목부 저면(600a)(보호막, 절연막 재료 계면)으로써, 다른 재료간의 계면에서 요철부(600)가 형성되어, 적합한 광 추출, 반사에 기여하 며, 또한, 측면(600b)의 경사각을 크게 함으로써, 측면에서의 반사가 강해져, 광 추출 효율이 향상된다. 이러한 요철부(600)는, 소자 구조(10100)의 단부면, 측면, 노출면, 계면(층간, 기판면, 금속 형성면, 절연막 등의 막 형성면) 중 어디에 형성해도 되고, 예를 들면 도 57에 도시한 바와 같이 도면에서의 화살표로 전파하는 광을 산란, 방향 제어하여 추출 효율을 높일 목적으로, 기판(1)에 요철 가공(600)을 실시하여, 그 위에 소자 구조(10100)를 적층시킴으로써, 기판(1)과 소자 구조의 반도체 사이에서 요철 계면을 형성시킬 수도, 제거부(700)에 의해 기판(1)을 제거하여 노출된 기초층(500)(제1 도전형층(2))의 제거면에 요철 계면(600)을 형성할 수도 있다. 이러한 요철면(600)을 형성하는 것이, 본 발명의 발광 소자에서, 광 추출이 향상되고, 출력이 향상되어, 바람직하다.
여기서, 요철부(600)의 형상, 상기 주기 구조의 하부 전극(2100)의 개구부(2100b)(형성부(2000a))의 형상으로서는, 면내에서, 도트 형상, 격자 형상, 6각 형상, 브랜치 형상, 직사각 형상, 다각 형상, 원 형상 등 다양한 형상의 볼록부(상면) 혹은 개구부(2000b) 및, 또는 오목부(저면) 혹은 형성부(2100a)로 할 수 있으며, 그 크기로서는, 적어도 광에 대하여 반사, 산란, 추출하도록, λ/(4n){n은 요철부의 계면을 구성하는 재료의 굴절율, λ은 발광층의 발광 파장} 이상의 크기로 하는 것이며, 구체적으로는 개구부, 볼록부, 오목부의 간격, 1변의 길이(직사각 형상, 다각 형상), 직경(도트 형상, 원 형상)을, 1∼10㎛으로 하는 것이고, 바람직하게는 2∼5㎛의 크기로 하는 것이다. 단면의 형상으로서는 특별히 한정되지 않지만, 거의 수직인 오목부 측면으로 해도, 경사면(메사 형상, 역메사 형상)으로 되어 있어도 된다. 또한, 본 발명에서 반사막은, 반사 기능을 갖게 하는 소자의 단부면, 노출면, 기판과의 계면에 형성하여, 원하는(예를 들면 기판(1)측) 광 추출을 실현시키는 것이다. 구체적으로는, 요철부(600)와 마찬가지로, 소자의 노출면인 제1, 제2 도전형층 노출면(1s(5200), 2s(5300)), 전극 개구부(2000b) 외에, 각 반도체층(제1, 제2 도전형층, 발광 구조부(5110))의 측면(5110a) 등, 또한 기판면에 형성할 수 있으며, 측면 등에서는 경사면으로서 원하는 방향으로의 반사광을 얻는 수 있고, 또한 상술한 바와 같이, 다른 금속층(예를 들면 전극)에 반사성을 갖게 할 수도 있으며, 또한 상기 요철부(600)의 각 면(600a∼600c)에도 이용할 수 있다. 또한, 반사막의 재료로서는, 금속막, 산화물막(절연막), 다층막 반사막(DBR) 등을 이용할 수 있으며, 가시광, 특히 발광층이 InxGa1 - xN(0≤x≤1)인 경우에는 Al, Ag가 고반사막 재료로서 기능하고, 그 밖에, 형성 위치, 형성 부분(소자의 단부)의 재료, 발광 파장 등에 의해, 그것에 적합한 재료가 선택된다.
여기서, 제1 전극(1000)과 제2 전극(2000), 혹은, 제1 전극(1000)과, 제2 전극(2000) 및 상부 전극(2200)(대좌부(2200p), 접속 전극)을 동일 구조, 재료의 전극으로서, 동시에 형성할 수도 있다. 구체적으로 설명하면, 노출부(2s)측으로부터 순서대로, Ti/Au, Ti/Al 등과 같이, 제1 도전형층과의 오믹용과 밀착용으로서의 Ti층(제1층)과 패드용의 패드층(제2층)으로서 금, Al, 백금족의 구성, 또한, 오믹용의 제1층(예를 들면, W, Mo, Ti가 제1 도전형층과의 오믹 접촉에 바람직함)과, 패드용의 제2층 사이에 배리어층으로서, 고융점 금속층(W, Mo, 백금족)을 형성하는 구조, 예를 들면 W/Pt/Au, Ti/Rh(제2층 a)/Pt(제2층 b)/Au가 이용되며, 특히 제1 전극(오믹 접촉용)으로서 적합하게 이용된다. 특히, 반사성, 배리어성이 우수한 Rh를 제2층에 이용하면, 광 추출 효율이 향상되어 바람직하다. 또한, 제2 도전형층(3)의 오믹용의 전극(2300)으로서는, 노출부(2s)측으로부터 순서대로, Ni/Au, Co/Au 외에, ITO 등의 도전성 산화물, 백금족 원소의 금속, Rh/Ir, Pt/Pd 등이 적합하게 이용된다.
특히, 하부 전극(2100)(형성부(2100a))으로서, 바람직하게는, Ni/Au(투광성 전극 재료)이고, Rh/Ir(반사성 전극 재료)이다.
(제4 발명)
본 발명에서의 제4 발명은, 상술한 제1∼제3 발명에서 얻어지는 발광 소자를 이용한 발광 장치의 발명이고, 특히, 발광 장치의 충전 부재, 렌즈 등에 광 변환 부재를 이용하여, 발광 소자의 광의 적어도 일부를 광 변환시키는 발광 장치에 대하여 설명하는 것이다.
실시 형태10
실시 형태10에서는, 상기 제1∼제3 발명, 실시 형태1∼실시 형태9 등의 발광 소자(10000)를, 그 전극 형성면에서 적층 기체(10400)에, 실장, 접합한 소자 적층체(10300)로서, 그 모식 단면도를 도 54A에 도시한다. 발광 소자(10000)를 소자 적층체(10300)로 하여, 다른 형태로서, 상술한 바와 같이 소자측에서 분리된 제1 전극(21)(패드부(29)){제1 도전형층(2)의 전극과 패드부}을, 도 54A에 도시한 바와 같이 기체(10400)측 전극(11200)으로 상호 접속하고, 분리된 제2 전극(31)(패드 부(32)){제2 도전형층(3)의 전극과 패드부}도 마찬가지로 기체(10400)측에서 상호 전기적으로 접속되어, 실장, 접합되어도 된다. 기체(10400)측 전극(11200)은, 발광 소자(10000)측 전극(21(29), 31(32))에 대응하여, 상호 절연막(11100) 등으로 절연 분리되어 설치되며, 외부 접속용의 전극(11300)이 설치되어 있다. 기체(10400)에 소자부(11500)를 설치해도 되고, 여기서는, 도 54B의 등가 회로에 도시한 바와 같이, 전류, 정전 보호 소자(소자 구조부(11500))로서, p형층(제1 도전형층)(11500a), n형층(제2 도전형층)(11500b)을 형성하고 있다. 여기서는, 소자부(11500)를 기체(10400)에 1개만 형성하고 있지만, 2개 이상 형성하여 외부(소자(10000), 실장 기체(20100))의 전극, 기체(10400)측 배선 등에 접속되는 형태 등이어도 되고, 또한, 보호 소자는, 기체(10400) 상, 발광 장치(20000) 내(재치부(22200))에 실장하여, 발광 소자에 와이어 접속, 배선 접속되어도 된다.
발광 소자(10000)측 전극(21, 31)과, 기체(10400)의 전극(11200)은 접합층(11400)을 개재하여 접합하고 있지만, 소자(10000)측 전극의 일부와, 혹은 기체(10400)측 전극(11200)의 일부를 접합층의 일부로 해도 되고, 패드부(11, 22p) 대신에 접합층을 형성해도 된다.
또한, 기체(10400)는, 소자 구조(11500)를 갖지 않는 통상의 서브 마운트이어도 된다. 기체(10400)와 외부는, 접속용의 전극(11300)으로 와이어 접속되어도 되고, 기체(10400)의 소자 구조부의 전극, 혹은 내부, 외부를 도통하는 전극층을, 실장면측에 형성하여, 전극(11300), 접합층(11400)으로서 형성해도 된다.
(지지 기판(900))
본 발명의 발광 소자 구조(10000)에서, 소자 적층 구조(10100)의 형성 시에 이용한 성장용 기판(1)을 제거하는 형태로 해도 되고, 구체적으로는, 도 59B에 도시한 바와 같이, 기판(400), 혹은 기판(400)과 적층 구조(10100) 사이에 형성된 개재층(500)의 일부 혹은 전부, 또는 이들 외에, 제1 도전형층(1)의 일부를 제거 영역(700)으로 하여, 제거하는 것도 가능하며, 즉, 소자 적층 구조부(10100) 이외에서 불필요한 영역을 제거하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 도 16B에 도시한 바와 같이, 서브 마운트 등의 소자 적층 기체에의 접착·실장, 도 59에 도시한 바와 같이, 지지 기판(1700)에 접합한 상태로, 연마·연삭 제거, 기판(1) 상의 일부 적층부를, 화학적인 방법(에천트)에 의한 조해, 융해, 레이저 조사(레이저박리)에 의한 분해로, 제거부(700)와 소자 적층 구조부(10100)를 분리시키는 방법, 기계적인 연마·외력을 가하여 면내, 소자 구조 내에서 기판(1)과 소자 적층 구조부(10100)와의 사이에서의 응력, 왜곡에 의한 층 파괴 등에 의한 박리 등의 방법, 및, 이들 방법의 조합에 의해 제거할 수 있다.
바람직하게는, 지지 기판(900)에, 접합층(800) 등을 개재하여 접합하는 것에 의한 전사로써, 기판(1) 등의 제거부(700)로서 제거하는 것이 바람직하다. 이 때, 지지 기판(700)의 재료로서는, 그 목적에 따라 다양한 재료를 이용할 수 있으며, 소자의 방열성을 높이기 위해서는, 방열용의 기판으로서, AlN, BN, SiC, GaAs, Si, C(다이아몬드)가 적합하게 이용된다. 그 밖의 재료로서는, Si, SiC, GaAs, GaP, InP, ZnSe, ZnS, ZnO 등의 반도체로 이루어지는 반도체 기판, 또는, 금속 단체 기판, 또는 서로 비고체 용융 혹은 고체 용융 한도계가 작은 2종 이상의 금속의 복합 체로 이루어지는 금속 기판을 이용할 수 있으며, 금속 재료로서 구체적으로는 Ag, Cu, Au, Pt 등의 고도전성 금속으로부터 선택된 1종 이상의 금속과, W, Mo, Cr, Ni 등의 고경도의 금속으로부터 선택된 1종 이상의 금속으로 이루어지는 것을 이용할 수 있다. 또한, 금속 기판으로서는, Cu-W 혹은 Cu-Mo의 복합체를 이용하는 것이 바람직하다. 기판에 의한 발광 소자의 광의 흡수·손실, 소자 구조(10100)와의 접착성(소자 구조(10100)와 기판(900) 혹은 실장 부재료(20300) 사이의 열팽창 계수차 등)을 고려하여, 지지 기판(900)의 재료, 및 접착 방법이 선택되며, 기판(900)측으로부터 광을 추출하는 경우에는, 투광성 재료를 선택하고, 또한 은 페이스트 등의 투광성의 접착층(800) 혹은 접착층을 개재하지 않은 접착 방법에 의해, 광 손실이 적어지는 구조로 하며, 또한, 제거부(700)측을 광 추출 방향으로 하는 경우에는, 접착층(800) 혹은 기판(900), 또는 적층 구조(10100)의 일부에, Al, Ag 등의 반사막을 형성하거나 하여, 외부 추출 효율을 높이면 된다. 또한, 도 59B에 도시한 바와 같이, 반도체층 적층 순서가 전사에 의해 역전되는 경우에 본 발명은, 도면에서 화살표로 나타낸 바와 같이 제1, 제2 도전형층(2, 3)을 역전시켜 본 발명에서의 소자 구조로 하는 것은 물론이다.
(접합층(800), 접합층(11400), 접착 부재(20400))
지지 기판(900)과 소자 구조(10100)의 접착, 소자 구조(10100(10000))와 적층 기체(10300)의 접착, 발광 소자(10000), 지지 기판(900), 적층 기체(10300)와 발광 장치(20000)의 실장 기체(20100)(수납부(20200))의 접착, 접합에서, 접합층(800(11400)), 접착 부재(20400)를 이용할 수 있다. 그 재료, 구조로서는, Ag 페이스트, 카본 페이스트, ITO 페이스트와 같은 혼합, 복합 조성물(유기물), 땜납 재료 외에, 발광 소자(10000)로부터의 방열성을 고려하여, 내열성이 우수한 재료, 구조로서, Au, Sn, Pd, In 등의 금속 혹은 그 적층체 및 합금 등이, 본 발명의 대면적, 대전류 구동으로 고발열성의 소자에 효과적이다. 제1 및 제2 공정 형성층의 조합은, Au-Sn, Sn-Pd, 또는 In-Pd가 바람직하다. 더 바람직하게는, 제1 공정 형성층에 Sn을, 그리고 제2 공정 형성층에 Au를 이용하는 조합이다. 그 밖에, 금속 범프, Au-Au 접합 등의 금속 접합 등도 이용할 수 있다.
또한 이러한 접합층은, 기초측(기판(400), 소자 구조(10100) 표면, 지지 기판(900), 실장 기체(20100), 적층 기체(10100))에, 밀착성이 양호한 층의 메탈라이징층 등을 개재하거나, 상기 발광 소자의 광 반사를 위해 반사층 등을 개재하거나 하여, 공정막, 공정 다층막, 합금막 등의 접착막(접합층)을 형성하거나, 그 표면측에 산화 방지의 표면 보호막을 형성해도 되고, 또한, 접착측의 실장측에도 메탈라이징층(밀착성의 층), 표면 보호층, 접착막(접합층)을 형성하여, 양자가 접착·접합되어도 된다.
구체예로서는, 도 56에 도시한 바와 같이, 발광 소자(10000)의 기판(사파이어)(10)과 실장부(20200)의 저면(예를 들면 Ag 도금의 표면 피막)에 접합층(20400)으로서는, 기판측으로부터 순서대로, Al(0.2㎛, 반사층)/W(0.2㎛)/Pt(0.2㎛)와, 그 위에 Au(0.3㎛)/Sn(0.2㎛)층을, 그 표면에 Au(10㎚)층을 형성하고, 실장부(20200)측에도 Au층을 형성하여, 가열하여 압착하여 접착층(20400)에 의해 발광 소자(10000)를 접착한다. 도 59에서, 소자 구조(10100)를 지지 기판(1700)에 접합하 는 접합층(800)의 구체예로서, 제2 도전형층(p형층)의 p측 전극 상에, Ni-Pt-Au-Sn-Au의 다층막을, 막 두께 0.2㎛-0.3㎛-0.3㎛-3.0㎛-0.1㎛로 형성하고, 막 두께가 200㎛이며, Cu 30%와 W 70%의 복합체로 이루어지는 금속 기판(1700)을 이용하여, 그 금속 기판의 표면에, Ti로 이루어지는 밀착층, Pt으로 이루어지는 배리어층, 그리고 Au로 이루어지는 제2 공정 형성층을, 이 순서로, 막 두께 0.2㎛-0.3㎛-1.2㎛로 형성하여, 가열하여 압착한다.
(소자 적층체(10300))
본 발명에서, 상기 발광 소자를 발광 장치(20000)에 실장하는 경우에, 도 16B, 도 33, 도 54, 도 55에 도시한 바와 같이, 히트 싱크, 서브 마운트 등의 적층 기체(10400)에, 발광 소자(10000)를 실장하여, 소자의 실장 적층체로서, 소자 적층체(10300)를 형성해도 된다. 이 때, 발광 소자(10000)를 적층 실장하는 기체(10400)의 재료로서는, 상기 지지 기판과 마찬가지로, 그 목적, 예를 들면, 방열성, 광 추출 구조를 고려하여 선택된다. 또한, 이러한 소자 적층체(10300)는, 발광 소자(10000)와의 접합면에 대향하는 면측을 실장측으로 하여, 발광 장치(20000)의 실장부(20200)에 접합된다.
본 발명의 적층 기체(10400)에는, 발광 소자(10000)의 전극 형성면측에 대향하여 접합하는 경우에는, 발광 소자(10000)측의 전극(21(29), 31(32))에 대응하여, 기체(10400)측에 전극 구조(11200a, 11200b)가 설치되고, 발광 소자(10000)의 전극 형성면과 대향하는 면측(기판(400))에 대향하여 기체(10400)에 접합하는 경우에는, 기체(10400)측 전극은 불필요하여, 접합용의 접착층 등이 형성되지만, 발광 소 자(10000)와 와이어 접속용의 전극을 설치해도 된다. 기체(10400)측 전극(11200)은, 도면에 도시한 바와 같이, 발광 소자(10000)와의 접합면측에만 설치되어 있어도 되고, 접합면에 대향하는 실장면측에까지 주회하는 실장측 전극, 실장면측에 설치된 기체 소자(10400)의 전극(11400), 기체(10400)에 관통 구멍, 비아홀을 형성하여 발광 소자(10000)의 접합면측으로부터 실장면측에 연통, 연결 혹은 전기적으로 접합시킨 실장면측 전극이 설치되어도 된다.
또한, 도면에서는 1개의 발광 소자(10100)를 1개의 적층 기체(10400)에 실장하고 있지만, 발광 소자(10100)를 복수 집적하여 1개의 적층 기체(10400)에, 기체(10400)측 배선 전극에 의해 병렬, 직렬, 양자 혼합으로 접속시켜, 실장한 적층체(10300)로 해도 되고, 1개의 발광 소자(10100)에 대하여 복수의 적층 기체(10400)를, 예를 들면 다른 기능의 소자를 기체로 해도 되며, 또한 이들 조합이어도 되고, 또한, 발광 소자(10100), 적층 기체(소자)(10300)를 세로 방향으로, 어느 하나를 복수 적층한 소자 적층체(10300)를 형성해도 된다.
발광 소자(10000)는, 도 55에 도시한 바와 같이, 피복막(10500)으로 피복되어 있어도 되고, 그 조성물로서는, SiO2, Al2O3, MSiO3(또한, M으로서는, Zn, Ca, Mg, Ba, Sr, Zr, Y, Sn, Pb 등을 들 수 있음) 등의 투광성 무기 부재이며, 형광체(광 변환 부재(10600))를 함유시킨 것도 적합하게 이용된다. 이들 투광성 무기 부재에 의해 형광체끼리가 결착되며, 또한 형광체는 층 형상으로 LED(10000)나 지지체(10400) 상에 퇴적되어 결착된다. 이 외에 피복층으로서는, 소자 구조(10000)를 피복하는 절연 보호막 외에, 반사막(Al, Ag 등의 금속 반사막)을 형성해도 되고, 그 밖의 반사막 재료로서는 DBR 등을 형성해도 된다.
(광 변환 부재(10600), 층(23100))
광 변환 부재(10600), 혹은 발광 장치(20000) 내의 광 변환층(23100)은, 발광 소자(10000)의 광을 일부 흡수하여, 다른 파장의 광을 발광하는 것으로, 형광체를 함유한 것을 이용할 수 있다. 이러한 광 변환 부재(10600), 광 변환층(23100)은, 상기한 바와 같이 발광 소자(10000) 일부 혹은 전체, 또는 그 외에 적층 기체(10400)의 일부에 피복하여, 피복막(10500)으로서 형성되어도 된다. 또한, 상기 제1∼제3 발명에서, 구조부 등을 피복하는 투광성 보호막 등의 외에, 발광 소자로부터의 광 경로 내, 예를 들면 투광성 부재(렌즈, 밀봉 부재) 등으로 설치할 수 있다. 형광체의 바인더로서는, 적어도 Si, Al, Ga, Ti, Ge, P, B, Zr, Y, Sn, Pb, 혹은 알칼리토류 금속의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 산화물 및 수산화물은, 적어도 Si, Al, Ga, Ti, Ge, P, B, Zr, Y, Sn, Pb, 혹은 알칼리토류 금속의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 유기 금속 화합물(바람직하게는 또한 산소를 포함함)에 의해 생성된다. 여기서, 유기 금속 화합물에는, 알킬기, 아릴기를 포함하는 화합물 등이 포함된다. 이러한 유기 금속 화합물로서, 예를 들면 금속 알콕시드, 금속디케토네이트, 금속 디케토네이트 착체, 카르복실산 금속염 등을 들 수 있다.
또한, 도 56에 도시한 바와 같이, 발광 장치(20000)의 밀봉 부재(23000)의 일부로서 형성되어도 되고, 도면에 도시한 바와 같이 발광 소자(10000)에 이격하 여, 밀봉 부재(23000a) 상, 혹은 밀봉 부재(23000b) 사이에 형성된 층(23100)으로서 형성되어도 되며, 밀봉 부재(23000) 내에 분산하여 광 변환 부재를 함유하여, 밀봉 부재(23000)를 광 변환층(23100)으로 해도 되고, 장치 기체(22000), 실장 기체(20100), 오목부 수납부(20200) 내에 침강층으로서 형성되어도 된다.
*본 발명의 광 변환 부재에 이용되는 형광체는, 발광 소자로부터 방출된 가시광이나 자외광을 다른 발광 파장으로 변환하기 위한 것이며, 소자 구조(10100)의 반도체 발광층으로부터 발광된 광으로 여기되어 발광하는 형광체 등에서, 형광체로서 자외광, 가시광에 의해 여기되어 소정의 색의 광을 발생하는 형광체도 이용할 수 있다.
구체적인 형광체로서는, 구리로 부활된 황화 카드뮴 아연이나 셀륨으로 부활된 이트륨·알루미늄·가넷계 형광체(이하, 「YAG계 형광체」라고 함)를 들 수 있다. 특히, 고휘도이며 장시간의 사용 시에 있어서는 (Re1 - xSmx)3(Al1 - yGay)5O12 : Ce(0≤x<1, 0≤y≤1, 단, Re는, Y, Gd, La로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종의 원소임) 등이 바람직하다. 이 형광체는, 가넷 구조이기 때문에, 열, 광 및 수분에 강하고, 여기 스펙트럼의 피크를 470㎚ 부근 등으로 할 수 있다. 또한, 발광 피크도 530㎚ 부근에 있으며 720㎚까지 가장자리를 연장하는 넓은 발광 스펙트럼을 갖게 할 수 있다. 본 발명에서, 형광체는, 2종류 이상의 형광체를 혼합시켜도 된다. 즉, Al, Ga, Y, La 및 Gd나 Sm의 함유량이 서로 다른 2종류 이상의 (Re1 - xSmx)3(Al1-yGay)5O12 : Ce 형광체를 혼합시켜 RGB의 파장 성분을 증가시킬 수 있다. 반도체 발광 소자의 발광 파장에는, 변동이 발생하는 것이 있기 때문에 2종류 이상의 형광체를 혼합 조정시켜 원하는 백색계의 혼색광 등을 얻을 수 있다. 구체적으로는, 발광 소자의 발광 파장에 맞춰 색도점이 서로 다른 형광체의 양을 조정하여 함유시킴으로써 그 형광체간과 발광 소자로 연결되는 색도도 상의 임의의 점을 발광시킬 수 있다. 형광체는, 발광 장치의 표면 상에서 1층으로 이루어지는 피복층(10500), 광 변환부층(22100), 부재(10600) 중에 2종류 이상 존재해도 되고, 2층으로 이루어지는 코팅층 내에 각각 1종류 혹은 2종류 이상 존재해도 된다. 이와 같이 하면, 다른 형광체로부터의 광의 혼색에 의한 백색광이 얻어진다. 이 경우, 각 형광 물질로부터 발광되는 광을 보다 양호하게 혼색하고 또한 색 불균일을 감소시키기 위해, 각 형광체의 평균 입경 및 형상은 유사하고 있는 것이 바람직하다. YAG계 형광체로 대표되는 알루미늄·가넷계 형광체와, 적색계의 광을 발광할 수 있는 형광체, 특히 질화물계 형광체를 조합한 것을 사용할 수도 있다. 이들 YAG계 형광체 및 질화물계 형광체는, 혼합하여 피복층 내에 함유시켜도 되고, 복수의 층으로 구성되는 피복층 내에 따로따로 함유시켜도 된다. 이하, 각각의 형광체에 대하여 상세히 설명한다.
본 실시 형태에 이용되는 알루미늄·가넷계 형광체는, Al을 포함하고, 또한 Y, Lu, Sc, La, Gd, Tb, Eu 및 Sm으로부터 선택된 적어도 하나의 원소와, Ga 및 In으로부터 선택된 하나의 원소를 포함하고, 희토류 원소로부터 선택된 적어도 하나 의 원소로 부활된 형광체이며, LED 칩(10100)으로부터 발광된 가시광이나 자외선으로 여기되어 발광하는 형광체이다. 예를 들면, 상술한 YAG계 형광체 외에, Tb2.95Ce0.05Al5O12, Y2 .90Ce0 .05Tb0 .05Al5O12 , Y2 .94Ce0 .05Pr0 .01Al5O12, Y2 .90Ce0 .05Pr0 .05Al5O12 등을 들 수 있다. 이들 중, 특히 본 실시 형태에서, Y를 포함하며, 또한 Ce 혹은 Pr로 부활되어 조성이 서로 다른 2종류 이상의 이트륨·알루미늄 산화물계 형광체가 이용된다.
발광층에 질화물계 화합물 반도체를 이용한 발광 소자로부터 발광한 청색계의 광과, 청색광을 흡수시키기 위해 보디 컬러가 황색인 형광체로부터 발광하는 녹색계 및 적색계의 광과, 혹은, 황색계의 광에서 보다 녹색계 및 보다 적색계의 광을 혼색 표시시키면 원하는 백색계 발광색 표시를 행할 수 있다. 발광 장치는 이 혼색을 발생시키기 위해 형광체의 분체나 벌크를 에폭시 수지, 아크릴 수지 혹은 실리콘 수지 등의 각종 수지나 산화 규소, 산화 알루미늄 등의 투광성 무기물 중에 함유시킬 수도 있다. 이와 같이 형광체가 함유된 것은, LED 칩으로부터의 광이 투과할 정도로 얇게 형성시킨 도트 형상의 것이나 층 형상의 것 등 용도에 따라 다양하게 이용할 수 있다. 형광체와 투광성 무기물과의 비율이나 도포, 충전량을 다양하게 조정하는 것 및 발광 소자의 발광 파장을 선택함으로써 백색을 포함하여 전구색 등 임의의 색조를 제공시킬 수 있다.
또한, 2종류 이상의 형광체를 각각 발광 소자로부터의 입사광에 대하여 순서대로 배치시킴으로써 효율적으로 발광 가능한 발광 장치로 할 수 있다. 즉, 반사 부재를 갖는 발광 소자 상에는, 장파장측에 흡수 파장이 있어 장파장으로 발광 가능한 형광체가 함유된 색 변환 부재와, 그것보다 장파장측에 흡수 파장이 있어 보다 장파장으로 발광 가능한 색 변환 부재를 적층시킴으로써 반사광을 유효 이용할 수 있다. 또한, 발광 피크 파장 λp도 510㎚ 부근에 있으며 700㎚ 부근까지 가장자리를 연장하는 넓은 발광 스펙트럼을 갖는다. 한편, 셀륨으로 부활된 이트륨·알루미늄 산화물계 형광체인 적색계가 발광 가능한 YAG계 형광체라도, 가넷 구조이며 열, 광 및 수분에 강하고, 여기 흡수 스펙트럼의 피크 파장을 420㎚ 내지 470㎚ 부근으로 할 수 있다. 또한, 발광 피크 파장 λp가 600㎚ 부근에 있으며 750㎚ 부근까지 가장자리를 연장하는 넓은 발광 스펙트럼을 갖는다.
가넷 구조를 가진 YAG계 형광체의 조성 중, Al의 일부를 Ga로 치환함으로써 발광 스펙트럼이 단파장측으로 시프트하고, 또한 조성의 Y의 일부를 Gd 및/또는 La로 치환함으로써, 발광 스펙트럼이 장파장측으로 시프트한다. 이와 같이 조성을 변화시킴으로써 발광색을 연속적으로 조절하는 것이 가능하다. 따라서, 장파장측의 강도가 Gd의 조성비로 연속적으로 변화되는 등 질화물 반도체의 청색계 발광을 이용하여 백색계 발광으로 변환하기 위한 이상 조건을 구비하고 있다.
(질화물계 형광체)
본 발명에서 사용되는 형광체는, N을 포함하며, 또한 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, 및 Zn으로부터 선택된 적어도 하나의 원소와, C, Si, Ge, Sn, Ti, Zr, 및 Hf로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하며, 희토류 원소로부터 선택된 적어도 하나의 원소로 부활된 질화물계 형광체도 이용할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 이용되 는 질화물계 형광체로서는, LED 칩(10100)으로부터 발광된 가시광, 자외선, 및 YAG계 형광체로부터의 발광을 흡수함으로써 여기되어 발광하는 형광체를 말한다. 예를 들면, Ca-Ge-N : Eu, Z계, Sr-Ge-N : Eu, Z계, Sr-Ca-Ge-N : Eu, Z계, Ca-Ge-O-N : Eu, Z계, Sr-Ge-O-N : Eu, Z계, Sr-Ca-Ge-O-N : Eu, Z계, Ba-Si-N : Eu, Z계, Sr-Ba-Si-N : Eu, Z계, Ba-Si-O-N : Eu, Z계, Sr-Ba-Si-O-N : Eu, Z계, Ca-Si-C-N : Eu, Z계, Sr-Si-C-N : Eu, Z계, Sr-Ca-Si-C-N : Eu, Z계, Ca-Si-C-O-N : Eu, Z계, Sr-Si-C-O-N : Eu, Z계, Sr-Ca-Si-C-O-N : Eu, Z계, Mg-Si-N : Eu, Z계, Mg-Ca-Sr-Si-N : Eu, Z계, Sr-Mg-Si-N : Eu, Z계, Mg-Si-O-N : Eu, Z계, Mg-Ca-Sr-Si-O-N : Eu, Z계, Sr-Mg-Si-O-N : Eu, Z계, Ca-Zn-Si-C-N : Eu, Z계, Sr-Zn-Si-C-N : Eu, Z계, Sr-Ca-Zn-Si-C-N : Eu, Z계, Ca-Zn-Si-C-O-N : Eu, Z계, Sr-Zn-Si-C-O-N : Eu, Z계, Sr-Ca-Zn-Si-C-O-N : Eu, Z계, Mg-Zn-Si-N : Eu, Z계, Mg-Ca-Zn-Sr-Si-N : Eu, Z계, Sr-Zn-Mg-Si-N : Eu, Z계, Mg-Zn-Si-O-N : Eu, Z계, Mg-Ca-Zn-Sr-Si-O-N : Eu, Z계, Sr-Mg-Zn-Si-O-N : Eu, Z계, Ca-Zn-Si-Sn-C-N : Eu, Z계, Sr-Zn-Si-Sn-C-N : Eu, Z계, Sr-Ca-Zn-Si-Sn-C-N : Eu, Z계, Ca-Zn-Si-Sn-C-O-N : Eu, Z계, Sr-Zn-Si-Sn-C-O-N : Eu, Z계, Sr-Ca-Zn-Si-Sn-C-O-N : Eu, Z계, Mg-Zn-Si-Sn-N : Eu, Z계, Mg-Ca-Zn-Sr-Si-Sn-N : Eu, Z계, Sr-Zn-Mg-Si-Sn-N : Eu, Z계, Mg-Zn-Si-Sn-O-N : Eu, Z계, Mg-Ca-Zn-Sr-Si-Sn-O-N : Eu, Z계, Sr-Mg-Zn-Si-Sn-O-N : Eu, Z계 등 다양한 조합의 형광체를 제조할 수 있다. 희토류 원소인 Z는, Y, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Lu 중 적어도 1종 이상이 함유되어 있는 것이 바람직하지만, Sc, Sm, Tm, Yb가 함유되어 있어도 된다. 이들 희토류 원소는, 단체 외에, 산화물, 이미드, 아미드 등의 상태로 원료 중에 혼합된다. 희토류 원소는, 주로 안정된 3가의 전자 배치를 갖지만, Yb, Sm 등은 2가, Ce, Pr, Tb 등은 4가의 전자 배치를 갖는다. 산화물의 희토류 원소를 이용한 경우, 산소의 관여가 형광체의 발광 특성에 영향을 미친다. 즉 산소를 함유함으로써 발광 휘도의 저하를 발생시키는 경우도 있다. 그 반면, 잔광을 짧게 하는 등의 이점도 있다. 단, Mn을 이용한 경우에는, Mn과 O의 플럭스 효과에 의해 입경을 크게 하여, 발광 휘도의 향상을 도모할 수 있다. 본 발명에 따른 형광체는, Mn이 첨가된 Sr-Ca-Si-N : Eu, Ca-Si-N : Eu, Sr-Si-N : Eu, Sr-Ca-Si-O-N : Eu, Ca-Si-O-N : Eu, Sr-Si-O-N : Eu계 실리콘나이트라이드이다. 이 형광체의 기본 구성 원소는, 일반식 LXSiYN(2/3X+4/3Y) : Eu 혹은 LXSiYOZN(2/3X+4/3Y-2/3Z) : Eu(L은, Sr, Ca, Sr과 Ca 중 어느 하나)로 표시된다. 일반식 중, X 및 Y는, X=2, Y=5 또는, X=1, Y=7인 것이 바람직하지만, 임의의 것도 사용할 수 있다. 구체적으로는, 기본 구성 원소는, Mn이 첨가된 (SrXCa1 -X)2Si5N8 : Eu, Sr2Si5N8 : Eu, Ca2Si5N8 : Eu, SrXCa1 - XSi7N10 : Eu, SrSi7N10 : Eu, CaSi7N10 : Eu로 표시되는 형광체를 사용하는 것이 바람직하지만, 이 형광체의 조성 중에는, Mg, Sr, Ca, Ba, Zn, B, Al, Cu, Mn, Cr 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선발되는 적어도 1종 이상이 함유되어 있어도 된다. 단, 본 발명은, 이 실시 형태 및 실시예에 한정되지 않는다.
L은 Sr, Ca, Sr과 Ca 중 어느 하나이다. Sr과 Ca는 소망에 의해 배합비를 변화시킬 수 있다.
형광체의 조성에 Si를 이용함으로써 염가로 결정성이 양호한 형광체를 제공할 수 있다. 발광 중심에 희토류 원소인 유러퓸 Eu를 이용한다. 유러퓸은, 주로 2가와 3가의 에너지 준위를 갖는다. 구체적인 조성으로서는, Sr2Si5N8 : Eu, Pr, Ba2Si5N8 : Eu, Pr, Mg2Si5N8 : Eu, Pr, Zn2Si5N8 : Eu, Pr, SrSi7N10 : Eu, Pr, BaSi7N10 : Eu, Ce, MgSi7N10 : Eu, Ce, ZnSi7N10 : Eu, Ce, Sr2Ge5N8 : Eu, Ce, Ba2Ge5N8 : Eu, Pr, Mg2Ge5N8 : Eu, Pr, Zn2Ge5N8 : Eu, Pr, SrGe7N10 : Eu, Ce, BaGe7N10 : Eu, Pr, MgGe7N10 : Eu, Pr, ZnGe7N10 : Eu, Ce, Sr1 .0Ca0 .2Si5N8 : Eu, Pr, Ba1.8Ca0.2Si5N8 : Eu, Ce, Mg1 .8Ca0 .2Si5N8 : Eu, Pr, Zn1 .8Ca0 .2Si5N8 : Eu, Ce, Sr0.8Ca0.2Si7N10 : Eu, La, Ba0 .8Ca0 .2Si7N10 : Eu, La, Mg0 .8Ca0 .2Si7N10 : Eu, Nd, Zn0.8Ca0.2Si7N10 : Eu, Nd, Sr0 .8Ca0 .2Ge7N10 : Eu, Tb, Ba0 .8Ca0 .2Ge7N10 : Eu, Tb, Mg0.8Ca0.2Ge7N10 : Eu, Pr, Zn0 .8Ca0 .2Ge7N10 : Eu, Pr, Sr0 .8Ca0 .2Si6GeN10 : Eu, Pr, Ba0.8Ca0.2Si6GeN10 : Eu, Pr, Mg0 .8Ca0 .2Si6GeN10 : Eu, Y, Zn0 .8Ca0 .2Si6GeN10 : Eu, Y, Sr2Si5N8 : Pr, Ba2Si5N8 : Pr, Sr2Si5N8 : Tb, BaGe7N10 : Ce 등을 제조할 수 있지만 이것에 한정되지 않는다.
질화물계 형광체는, LED 칩(10000)에 의해 발광된 청색광의 일부를 흡수하여 황으로부터 적색 영역의 광을 발광한다. 질화물계 형광체를 YAG계 형광체와 함께 상기의 구성을 갖는 발광 장치(20000)에 사용하여, LED 칩(10000)에 의해 발광된 청색광과, 질화물계 형광체에 의한 황색으로부터 적색광이 혼색에 의해 난색계의 백색계의 혼색광을 발광하는 발광 장치를 제공한다. 질화물계 형광체 외에 가하는 형광체에는, 셀륨으로 부활된 이트륨·알루미늄 산화물 형광 물질이 함유되어 있는 것이 바람직하다. 상기 이트륨·알루미늄 산화물 형광 물질을 함유함으로써, 원하는 색도로 조절할 수 있기 때문이다. 셀륨으로 부활된 이트륨·알루미늄 산화물 형광 물질은, LED 칩(10100)에 의해 발광된 청색광의 일부를 흡수하여 황색 영역의 광을 발광한다. 여기서, LED 칩(10000)에 의해 발광된 청색광과, 이트륨·알루미늄 산화물 형광 물질의 황색광이 혼색에 의해 창백한 백색으로 발광한다. 따라서, 이 이트륨·알루미늄 산화물 형광 물질과 적색 발광하는 형광체를, 투광성을 갖는 코팅 부재(10500) 중에 함께 혼합하고, LED 칩(10000)에 의해 발광된 청색광을 조합함으로써 백색계의 혼색광을 발광하는 발광 장치를 제공할 수 있다. 특히 바람직한 것은, 색도가 색도도에서의 흑체 방사의 궤적 상에 위치하는 백색의 발광 장치이다. 단, 원하는 색 온도의 발광 장치를 제공하기 위해, 이트륨·알루미늄 산화물 형광 물질의 형광체량과, 적색 발광의 형광체량을 적절하게 변경할 수도 있다. 이 백색계의 혼색광을 발광하는 발광 장치는, 특수 연색 평가수 R9의 개선을 도모하고 있다. 종래의 청색 발광 소자와 셀륨으로 부활된 이트륨·알루미늄 산화물 형광 물질과의 조합만의 백색계 발광 장치는, 색 온도 Tcp=4600K 부근에서 특수 연색 평가수 R9가 거의 0에 가까워, 붉은 기 성분이 부족하였다. 그 때문에 특수 연색 평가수 R9를 높이는 것이 해결 과제로 되었지만, 본 발명에서 적색 발광의 형광체를 이트륨·알루미늄 산화물 형광 물질과 함께 이용함으로써, 색 온도 Tcp=4600K 부근에서 특수 연색 평가수 R9를 40 부근까지 높일 수 있다.
(발광 장치(20000))
도 55는, 본 발명에서, 발광 소자(10000) 및 그 적층체(10300)를 실장 기체(20100)에 실장한 발광 장치(20000)로서, 본 발명의 실시 형태11에 관계된다. 발광 장치(20000)는, 장치 기체(22000)에 의해, 리드부(21000)가 고정되며, 리드부의 한쪽을 마운트 리드(21000)로 하여, 실장 기체(20100)로서 기능하고, 그 수납부(오목부)(20200) 내에 발광 소자(10000)(적층체(10400))가 접합층(11400)(접착층(20400))을 개재하여 실장되며, 오목부(개구부(22500)) 측면을 반사부(20300)로 하고, 또한, 기체(20100)는, 방열부(20500)로서 기능시켜 외부 방열기에 접속해도 된다. 또한, 장치 기체(20200)에는, 광 추출부(22300)에 개구하여(개구부(22500)), 테라스부(22200)가 기체(20100) 외부에 설치되고, 보호 소자 등의 다른 소자를 실장해도 되며, 오목부(20200), 기체(22000) 개구부에는, 투광성의 밀봉 부재(23000)로 밀봉되며, 또한 오목부(20200) 외부에도 반사부(20300)가 형성되어 있다. 또한, 리드 전극(21000)은, 기체(22000) 내부의 내부 리드(21100)와, 그것을 기체(22000) 외부로 연장시킨 외부 리드(21200)에 의해, 외부와 접속된다. 발광 소자(10000)(적층체(10300))는, 각 리드(21000)에, 와이어(25000) 접속, 전기적 접합(20400)에 의해 전기적으로 접속된다.
실시 형태11로서, 도 55에 도시한 바와 같이, 리드(21000)와 절연 분리된 실장 기체(21000)에 발광 소자(10000)를 접착 부재(20400)에 의해 실장한 발광 장치(20000)로서, 발광 소자(10000)의 수납 기체(20100)에는 반사부(20300)를 구비하 고, 방열부(20500)로서 외부 방열체에 접속해도 되고, 발광 소자(10000)는 각 내부 리드(21100)에 와이어(25000) 접속되며, 리드(21000)는 외부로 연장되어 외부에 전기적으로 접속된다. 이와 같이, 실장 기체(20100)와 리드(21000)를 분리함으로써, 열 설계가 우수한 발광 장치로 할 수 있다. 또한, 발광 장치에는, 광 투과성의 밀봉 부재(23000)로 오목부(20200), 기체(22000)의 반사부(22100), 테라스부(22200)를 밀봉하여, 형성되며, 그 밀봉 부재(23000)에 광학적으로 광학 렌즈부를 접속하거나, 혹은 광학 렌즈의 형상으로 밀봉 부재(23000)를 성형하여, 원하는 광학계(렌즈)를 설치함으로써, 원하는 지향성의 발광을 얻을 수 있다.
패키지(22000)의 오목부 내 표면(22100, 22200)은, 엠보싱 가공시켜 접착 면적을 늘리거나, 플라즈마 처리하여 몰드 부재(23000)와의 밀착성을 향상시킬 수도 있다. 또한, 패키지(22000)의 오목부는, 도면에 도시한 바와 같이 그 측면이 개구 방향을 향하여 넓어지는 형상(테이퍼 형상)을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 발광 소자로부터 출광한 광은 오목부의 측면(22100)에 반사하여 패키지 정면을 향하기 때문에, 광 추출 효율이 향상되는 등의 효과가 있다. 패키지(22000)는, 외부 전극(21200)과 일체적으로 형성시켜도 되고, 패키지(22000)가 복수로 분리되어, 삽입 등에 의해 조합하여 구성시켜도 된다. 이러한 패키지(22000)는, 인서트 성형 등에 의해 비교적 간단하게 형성할 수 있다. 패키지 재료로서 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 액정폴리머(LCP), ABS 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, PBT 수지 등의 수지나 세라믹, 금속 등을 이용할 수 있다. 자외선을 포함하는 광을 발광하는 LED 칩을 이용한 발광 장치 를 고출력으로 사용하는 경우, 수지가 자외선에 의해 열화되어, 수지의 황변 등에 의한 발광 효율 저하나, 기계적 강도의 저하에 의한 발광 장치의 수명의 저하 등이 발생하는 것이 생각된다. 따라서, 패키지 재료로서 금속을 사용하는 것은, 자외선을 포함하는 광을 발광하는 LED 칩을 고출력으로 사용한 경우라도 수지와 같이 패키지가 열화되지 않기 때문에 보다 바람직하다.
또한, 패키지(22000)를 암색계로 착색시키는 착색제로서는 다양한 염료나 안료가 적합하게 이용된다. 구체적으로는, Cr2O3, MnO2, Fe2O3이나 카본 블랙 등을 적합하게 들 수 있다.
LED 칩(10000)과 패키지(22000)의 접착은 열 경화성 수지 등에 의해 행할 수도 있다. 구체적으로는, 에폭시 수지, 아크릴 수지나 이미드 수지 등을 들 수 있다. 외부 전극(21200)으로서는, 구리나 인청동판 표면에 은, 팔라듐 혹은 금 등의 금속 도금이나 땜납 도금 등을 실시한 것이 적합하게 이용된다. 글래스 에폭시 수지나 세라믹 등의 장치 기체(22000) 상 등에 설치된 외부 전극(21200)으로서는, 동박이나 텅스텐층을 형성시킬 수 있다.
도전성 와이어(25000)의 직경은, 바람직하게는, Φ10㎛ 이상, Φ70㎛ 이하이다. 이러한 도전성 와이어(25000)로서 구체적으로는, 금, 구리, 백금, 알루미늄 등의 금속 및 이들 합금을 이용한 도전 성와이어를 들 수 있다. 이러한 도전성 와이어(25000)는, 각 LED 칩(10000)의 전극과, 내측 리드 및 마운트 리드 등을 와이어 본딩 기기에 의해 용이하게 접속시킬 수 있다.
몰드 부재(23000)는, 발광 장치의 사용 용도에 따라 LED 칩(10000), 도전성 와이어(25000), 형광체가 함유된 코팅층(22100, 10500) 등을 외부로부터 보호하기 위해, 혹은 광 추출 효율을 향상시키기 위해 설치할 수 있다. 몰드 부재(23000)는, 각종 수지나 유리(글래스) 등을 이용하여 형성시킬 수 있다. 몰드 부재(23000)의 구체적 재료로서는, 주로 에폭시 수지, 유리어 수지, 실리콘 수지, 불소 수지 등의 내후성이 우수한 투명 수지나 글래스 등이 적합하게 이용된다. 또한, 몰드 부재에 확산제를 함유시킴으로써 LED 칩(10000)으로부터의 지향성을 완화시켜 시야각을 늘릴 수도 있다. 이러한, 몰드 부재(23000)는, 코팅층의 결착제, 바인더와 동일한 재료를 이용해도 되고 다른 재료로 해도 된다.
또한, 금속 패키지를 사용하여, 질소 가스 등과 함께 LED 칩(10000)을 기밀 밀봉하는 경우에는, 몰드 부재(23000)는 본 발명에 필수적인 구성 부재가 아니다. 또한, 자외선을 발광하는 LED 칩을 사용하여 발광 장치를 형성하는 경우라도, 불소 수지 등과 같이 자외선에 강한 수지를 몰드 부재로서 사용할 수 있다.
또한, 다른 발광 장치(20000)로서, 금속제의 기체(22000)에 실장부(20100)(오목부(20200)) 혹은 리드의 한쪽에 마운트 리드를 설치하여 발광 소자(10000)(적층체(10300))를 실장하고, 기체(22000)에 절연 분리한 리드(21000)를 설치하며, 창부를 구비한 캡으로 되는 밀봉체(금속제 등)로, 질소 등의 불활성 가스, 산소 혹은 이들 혼합 가스로 기밀 밀봉한 것, COB와 같이, 금속제 등의 기판 상의 1개 혹은 복수의 오목부 수납부(20200)에 발광 소자(10000)를 직접 실장하고, 또한 각 수납부에 렌즈 등의 광학 부재를 설치한 것 등이 있다.
발광 소자(10000)(적층체(10300))의 실장 형태로서, 1개의 수납부(20200)(실장 기체(20100))에 복수의 소자(10000(10300))를 집적 실장한 것, 발광 소자(10000(10300))를 실장한 기체(20100)를 복수 설치하여(기체(20100)에 복수의 수납부(20200)를 형성하여) 1개의 장치 기체(22000)로 성형한 것 등을 예로 들 수 있으며, 원하는 특성에 따라 설계할 수 있다.
본 발명에 의해 얻어지는 반도체 발광 소자는, 원하는 방향으로의 광을 적극적으로, 또한 효율적으로 추출하는 것이 가능해져, 광 추출 효율 향상, 고출력화가 가능한 발광 소자가 얻어진다. 또한, 그 발광 소자를 이용한 발광 장치도 출력 등의 특성이 우수한 것으로 된다.
도 1은 본 발명에 따른 실시 형태1의 발광 소자의 평면도.
도 2는 도 1의 A-A'선에 대한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 실시 형태1의 변형예의 발광 소자의 평면도.
도 4는 도 3의 B-B'선에 대한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 실시 형태2의 발광 소자의 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 실시 형태3의 발광 소자의 평면도.
도 7은 도 6의 C-C'선에 대한 단면도.
도 8은 실시 형태3의 변형예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 실시 형태4의 발광 소자의 평면도.
도 10은 실시 형태4의 변형예에 따른 발광 소자의 평면도.
도 11은 본 발명에 따른 실시 형태5의 발광 소자에서, p측의 전극을 생략하여 도시하는 평면도.
도 12는 본 발명에 따른 실시 형태5의 발광 소자의 평면도(p측의 전극을 포함함).
도 13은 도 12의 D-D'선에 대한 단면도.
도 14는 실시 형태5의 제1 변형예에 따른 발광 소자의 평면도.
도 15는 실시 형태5의 제2 변형예에 따른 발광 소자의 평면도.
도 16은 실시 형태5의 제3 변형예에 따른 발광 소자의 평면도(도 16A)와, 그 G-G'선에서 발광 소자를 실장 기체에 실장한 예를 도시하는 단면도(도 16B).
도 17은 본 발명에 따른 실시 형태6의 발광 소자의 평면도.
도 18은 도 17의 일부를 확대하여 도시하는 평면도.
도 19A는 도 18의 E-E'선에 대한 단면도, 도 19B는 도 18의 F-F'선에 대한 단면도.
도 20은 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자에서, 경사 측면을 갖는 적층부의 형성 방법의 일례를 도시하는 공정도.
도 21은 종래예의 발광 소자의 단면도.
도 22는 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자에서, 경사 측면의 바람직한 경사각에 대하여 설명하기 위한 모식도.
도 23은 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자에서, (p측) 전극(731)에 의한 광의 흡수가 적층부의 형상과 그 배열에 의해 억제할 수 있는 것을 설명하기 위한 각 도면.
도 24는 실시 형태5의 제4 변형예에 따른 발광 소자의 평면도.
도 25는 본 발명에 따른 실시 형태6에서, 추출 효율의 측정에 이용한 발광 소자의 평면도.
도 26은 본 발명에 따른 실시 형태6의 비교예(그 1)로서, 추출 효율의 측정에 이용한 발광 소자의 평면도.
도 27은 본 발명에 따른 실시 형태6의 비교예(그 2)로서, 추출 효율의 측정에 이용한 발광 소자의 평면도.
도 28은 본 발명에 따른 실시 형태6의 추출 효율의 측정에서, 기준으로서 이 용한 발광 소자의 평면도.
도 29는 본 발명에 따른 실시 형태6에서, 비교예의 기준으로서 이용한 발광 소자의 평면도.
도 30은 본 발명에 따른 실시 형태6의 추출 효율의 측정 방법의 개요를 도시하는 모식도.
도 31은 본 발명에 따른 실시 형태7의 발광 소자의 평면도.
도 32는 실시 형태7의 발광 소자의 일부를 확대하여 도시하는 평면도.
도 33은 본 발명에 따른 실시 형태8의 실장 기체에 실장된 발광 소자를 설명하는 평면도(소자 구조 투시도)(도 33A)와, 그 H 방향으로부터의 측면도(도 33B).
도 34는 본 발명에 따른 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자의 단면도.
도 35는 본 발명에 따른 실시 형태9의 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법에서, 사파이어 기판 상에 반도체층을 형성한 후의 단면도.
도 36은 실시 형태9의 제조 방법에서, 사파이어 기판 상에 반도체층을 에칭하여 적층체를 형성한 후의 단면도.
도 37은 실시 형태9의 제조 방법에서, 각 적층체 상에(p측) 전극을 형성한 후의 단면도.
도 38은 실시 형태9의 제조 방법에서, 절연층(5)을 형성한 후의 단면도.
도 39는 실시 형태9의 제조 방법에서, 반사층(6)을 형성한 후의 단면도.
도 40은 실시 형태9의 제조 방법에서, 금속 부재(7)를 형성한 후의 단면도.
도 41은 실시 형태9의 제조 방법에서, 적층체(10) 성장용 기판(1)을 박리한 후의 단면도.
도 42는 실시 형태9의 제조 방법에서, 적층체(10) 성장용 기판(1)을 박리한 후에 n형 질화물 반도체층(제2 도전형층)(2) 상에 투명 전극을 형성한 후의 단면도.
도 43은 실시 형태9의 제조 방법에서, 투명 전극을 형성한 후에 n 패드 전극과 절연막(4)을 형성한 후의 단면도.
도 44는 실시 형태9의 제조 방법에서, 사다리꼴 추체 형상의 적층체의 형성 방법을 도시하는 단면도.
도 45는 실시 형태9의 변형예의 질화물 반도체 소자의 단면도.
도 46은 실시 형태9의 도 45와는 다른 변형예의 질화물 반도체 소자의 단면도.
도 47은 실시 형태10의 질화물 반도체 소자의 단면도.
도 48은 실시 형태10의 변형예1의 질화물 반도체 소자의 단면도.
도 49는 실시 형태10의 변형예2의 질화물 반도체 소자의 단면도.
도 50은 실시 형태10의 질화물 반도체 소자의 평면도.
도 51은 실시 형태10의 변형예3의 질화물 반도체 소자의 평면도.
도 52는 제1 발명에서의 구조부(10)의 형상 예를 설명하는 모식적 사시도.
도 53은 제1 발명에서의 구조부(10)의 형상 예를 설명하는 모식적 사시 도(53A, 53C)와, 도 53A의 일부(구조부 측면(10x, 10y))를 확대한 모식적 사시도와, 도 53A에 제2 전극(n 전극)(21)을 설치한 상태에서의 모식적 상면도.
도 54는 제4 발명(실시 형태10)에서의 발광 장치를 설명하는 모식적 단면도.
도 55는 제4 발명(실시 형태11)에서의 발광 장치를 설명하는 모식 단면도.
도 56은 제4 발명에서의 발광 장치를 설명하는 모식 단면도.
도 57은 본 발명의 발광 소자에서의 요철면(600)에 대하여 설명하는 모식 단면도.
도 58은 본 발명의 발광 소자에서의 소자 구조를 설명하는 모식 단면도.
도 59는 본 발명의 발광 소자에서의 기판 제거를 설명하는 모식 단면도.
도 60은 본 발명의 발광 소자에서의 소자 구조와 전극 구조를 설명하는 모식적 사시도.

Claims (8)

  1. n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층 사이에, 질화물 반도체로 이루어지는 발광층을 갖고 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자로서,
    적어도 상기 p형 질화물 반도체층과 상기 발광층을 포함하도록 사다리꼴 뿔 형상의 적층체가, 적층체 마다 n형 질화물 반도체가 분리되어 복수개 형성되며, 상기 복수의 적층체는 측면이 절연되도록 동일한 금속 부재에 매립되어 유지되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적층체의 경사 측면이, 상기 질화물 반도체 발광 소자의 측면으로부터 떨어져 형성되는 질화물 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적층체의 측면은, 상기 적층체의 경사 측면에 상기 절연막을 개재하여 대향하는 반사층에 의한 광 반사 기능을 갖고,
    상기 반사층이, 상기 경사 측면을 피복하는 상기 절연막 또는 상기 절연막 상의 제1 금속층인 질화물 반도체 발광 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속 부재의 상기 적층체의 반대측에 위치하는 면이 평탄한 면인 질화물 반도체 발광 소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공통의 n형 질화물 반도체층의 대향하는 2개의 면 중의 상기 적층체의 반대측에 위치하는 면에, 상기 복수의 적층체에 대한 공통의 투명 전극이 형성되어 있는 질화물 반도체 발광 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 적층체가, 상기 금속 부재측의 상저면에 상기 p형 질화물 반도체층과 오믹 접촉하도록 상기 각각의 적층체와 상기 금속 부재 사이에 형성된 p형 전극과, 상기 복수의 적층체 사이를 접속하는 배선 전극을 갖는 질화물 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적층체는 상기 n형 질화물 반도체층의 일부를 포함하여 구성되어 있는 질화물 반도체 발광 소자.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 부재는, Ti, Ag, Al, Ni, Pt, Au, Rh, Cu, W 등으로 이루어지는 군으로부터 선택된 금속 또는 그 금속을 적어도 포함하는 합금으로 이루어지는 질화물 반도체 발광 소자.
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