JP4483566B2

JP4483566B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP4483566B2
Application number: JP2004367735A
Authority: JP
Inventors: 勝紀小島; 実廣瀬; 真央神谷; 浩一五所野尾
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: JP2006173534A

Description

本発明は、発光装置に用いられる発光素子に関するものである。特に、マウント部材にフリップチップ実装する発光素子の観測面側への光取り出しを向上させた発光装置に関する。

窒化物半導体を層構造に含む発光ダイオードは、高輝度純緑色発光ＬＥＤ、青色発光ＬＥＤとして、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、バックライトなど、様々な分野で広く利用されている。

これらのＬＥＤは、一般に、サファイアなどの基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層が順に積層された構造となっている。さらに、ｐ型窒化物半導体層上にはｐ側電極が配置され、ｎ型窒化物半導体層上にはｎ側電極が配置されている。たとえば、ｐ側電極とｎ側電極とを同一面側に設ける場合は、ｐ型窒化物半導体層上にｐ側電極が配置されると共に、ｐ型窒化物半導体層、活性層、およびｎ型窒化物半導体層の一部がエッチングなどにより除去され、露出したｎ型窒化物半導体層上にｎ側電極が配置された構成となる。さらに、光取り出しを向上させることを目的として、ＬＥＤの構造として様々なものが提案されている（例えば特許文献１及び２）。
特開２００４−６６６２特開２００４−２２１５２９

しかしながら、従来の構造では、フリップ実装された発光素子側面に達する光が効率よく取り出せないという問題点があった。

そこで、本発明はフリップ実装された半導体発光素子側面に達する光を効率よく光を取り出すことが出来る発光装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る発光装置は、ｐ層、発光層及びｎ層が積層され、前記ｐ層と電気的に接続しているｐ電極及び前記ｎ層と電気的に接続しているｎ電極が同一面側に形成されている半導体発光素子と、前記半導体発光素子は前記ｐ電極及び前記ｎ電極のそれぞれに電気的に接続する回路を有するマウント部材にフリップ実装し、前記半導体発光素子は、前記ｐ層から前記ｎ層までの斜面を有し、前記斜面は前記発光層から発光した光を拡散させながら発光観測面側に全反射させる表面凹凸構造からなることを特徴としている。

本発明に係る発光装置は、フリップ実装された発光素子側面に達する光が効率よく取り出せることができる。

本発明に係る発光装置に配置される発光素子を構成する各半導体層としては種々の窒化物半導体を用いることができる。具体的には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などにより基板上にＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の半導体を複数形成させたものが好適に用いられる。また、その層構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。また、各層を超格子構造としたり、活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。

発光素子は、一般的には、特定の基板上に各半導体層を成長させて形成されるが、その際、基板としてサファイア等の絶縁性基板を用いる。この場合、通常、ｐ側電極およびｎ側電極はいずれも半導体層上の同一面側に形成されることになる。もちろん、最終的に基板を除去した上で、フリップチップ実装することもできる。なお、基板はサファイアに限定されず、スピネル、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等、公知の部材を用いることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態を窒化物半導体発光素子について説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものであって、本発明は発光装置を以下のものに特定しない。

（実施の形態１）
図１に、本発明の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体素子１００の模式的な平面図を、図２にはその断面図を示す。また、図３には、そのIII族窒化物系化合物半導体素子１００を用いた発光装置の断面図を示す。

III族窒化物系化合物半導体素子１００は、次の構成を有する発光素子である。図１に示す様に、一辺300μｍの幅を有しており、発光素子周囲にジグザグな形状を有した溝１５０を有しており、その溝１５０の一部にｎ電極１４０を形成し、また中央のジグザグ形状をした島状部分に、ほぼ全面に厚膜な反射ｐ電極１１０配置している。

次に図２に示すように、厚さ約300μｍのサファイア基板１０１の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約15ｎｍのＡｌＮバッファ層１０２が成膜され、その上に膜厚約500ｎｍのノンドープのＧａＮ層１０３が成膜され、その上にシリコン（Ｓｉ）を1×10¹⁸/cm³ドープしたＧａＮから成る膜厚約5μｍのｎ型コンタクト層１０４（高キャリア濃度ｎ⁺層）が形成されている。

また、このｎ型コンタクト層１０４の上には、シリコン（Ｓｉ）を1×10¹⁸/cm³でドープしたＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成る膜厚約25ｎｍのｎ型クラッド層１０５が形成されている。更にその上には、膜厚約3ｎｍのノンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎから成る井戸層と膜厚約20ｎｍのノンドープＧａＮから成る障壁層とを３ペア積層して多重量子井戸構造の発光層１０６が形成されている。

更に、この発光層１０６の上には、Ｍｇを2×10¹⁹/cm³ドープした膜厚約25ｎｍのｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成るｐ型クラッド層（第１のｐ層）１０７が形成されている。ｐ型クラッド層１０７の上には、Ｍｇを8×10¹⁹/cm³ドープした膜厚約100ｎｍのｐ型ＧａＮから成るｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８が形成されている。

又、ｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８の上には金属蒸着による反射ｐ電極１１０が、ｎ型コンタクト層１０４上にはｎ電極１４０が形成されている。反射ｐ電極１１０は、膜厚約300ｎｍのロジウム（Ｒｈ）より成る第１層と、このロジウム膜に接合する膜厚約10nmのチタン（Ｔｉ）と膜厚約500ｎｍの金（Ａｕ）より成る第２層とで構成されている。

多層構造のｎ電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分の上から、膜厚約20ｎｍのバナジウム（Ｖ）より成る第１層と膜厚約100ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）より成る第２層、膜厚約10nmのチタン（Ｔｉ）から成る第３層、膜厚約500nmの金（Ａｕ）からなる第４層とを積層させることにより構成されている。

上記の構成のIII族窒化物系化合物半導体素子１００は次のように製造された。III族窒化物系化合物半導体素子１００は、有機金属気相成長法（以下「ＭＯＶＰＥ」と略す）により製造された。用いられたガスは、アンモニア(ＮＨ₃)、キャリアガス(Ｈ₂及びＮ₂)、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）（以下「ＴＭＧ」と記す）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）（以下「ＴＭＡ」と記す）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）（以下「ＴＭＩ」と記す）、シラン(ＳｉＨ₄)とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅Ｈ₅）₂）（以下「ＣＰ₂Ｍｇ」と記す）である。

まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したＡ面を主面とした単結晶のサファイア基板１０１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でＨ₂を反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１０１をベーキングした。

次に、サファイア基板１０１の温度を400℃に低下させ、Ｈ₂、ＮＨ₃及びＴＭＡを供給してＡｌＮバッファ層１０２を約15ｎｍの膜厚に形成した。

次に、サファイア基板１０１の温度を1150℃に保持し、Ｈ₂、ＮＨ₃、ＴＭＧを供給して、その上にノンドープＧａＮ層１０３を形成した。次に、Ｈ₂、ＮＨ₃、ＴＭＧ、シランを供給して、その上にシリコン（Ｓｉ）を1×10¹⁸/cm³ドープしたＧａＮから成る膜厚約5μｍのｎ型コンタクト層１０４（高キャリア濃度ｎ⁺層）を形成した。

この後、Ｈ₂、ＮＨ₃、ＴＭＧ、ＴＭＡ、シランの供給量を制御して、シリコン（Ｓｉ）を1×10¹⁸/cm³でドープしたＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成る膜厚約25ｎｍのｎ型クラッド層１０５を形成した。

次に、サファイア基板１０１の温度を825℃にまで低下させて、Ｎ₂又はＨ₂、ＮＨ₃、ＴＭＧ及びＴＭＩの供給量を制御して、膜厚約3ｎｍのノンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎから成る井戸層と膜厚約20ｎｍのノンドープＧａＮから成る障壁層とを３ペア積層して多重量子井戸構造の発光層１０６が形成した。

次に、サファイア基板１０１の温度を1050℃に保持し、Ｎ₂又はＨ₂、ＮＨ₃、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣＰ₂Ｍｇを制御しながら供給して、Ｍｇを2×10¹⁹/cm³ドープした膜厚約25ｎｍのｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成るｐ型クラッド層（第１のｐ層）１０７を形成した。次にＮ₂又はＨ₂、ＮＨ₃、ＴＭＧ及びＣＰ₂Ｍｇを制御しながら供給して、Ｍｇを8×10¹⁹ドープした膜厚約100ｎｍのｐ型ＧａＮから成るｐ型コンタクト層（第２のｐ層）１０８を形成した。
以上の結晶成長工程を経たサファイア基板(以下ウェハと呼ぶ)について、ウェハ全面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりＩＩＩ族窒化物系化合物半導体素子１００の最外周部がジグザグの形状となるようにフォトレジストを除去して窓を形成し、また同時に、ｎ電極140を形成する部分のフォトレジストを除去して窓を形成した。

続いて、フォトレジストで覆われていない窓部分のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体ｐ型コンタクト層(第２のｐ層)１０８、ｐ型クラッド層１０７、活性層１０６、ｎ型クラッド層１０５、およびｎ型コンタクト層１０４の一部を、反応性イオンエッチングによってα=45度の角度を有する凸凹側面１６０を形成するようにエッチングして、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体素子１００の最外周部がジグザグの形状となるようにｎ型コンタクト層１０４を露出させ、また同時に、ｎ電極１４０を形成する部分のｎ型コンタクト層１０４を露出させた。
次に、ウェハ全面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより反射ｐ電極１１０を形成する部分のフォトレジストを除去して窓を形成し、ｐ型コンタクト層(第２のｐ層)１０８を露出させた。続いて、ウェハ全面にロジウム(Ｒｈ)を300ｎｍ蒸着した。

この後、フォトレジストおよびフォトレジスト上のロジウム(Ｒｈ)を除去し、ｐ型コンタクト層１０８上に反射ｐ電極１１０としてロジウム(Ｒｈ)膜を形成した。
次に、ウェハ全面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりｎ電極１４０を形成する部分のフォトレジストを除去して窓を形成し、ｎ型コンタクト層１０４を露出させた。続いて、ウェハ全面に膜厚約20nmのバナジウム(Ｖ)、膜厚約100nmのアルミニウム(Ａｌ)の順に、連続して蒸着した。この後、フォトレジストとともにフォトレジスト上のバナジウム(Ｖ)とアルミニウム(Ａｌ)の積層膜を除去し、ｎ型コンタクト層１０４上にｎ電極１４０としてバナジウム(Ｖ)/アルミニウム(Ａｌ)積層膜を形成し、次に、Ｎ_２雰囲気で500℃、4分程度の熱処理を行う。

次に、ウェハ全面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりｎ電極１４０の部分とｐ電極１１０の部分のフォトレジストを除去して窓を形成し、ｎ電極１４０とｐ電極１１０を露出させた。続いて、ウェハ全面に膜厚約10nmのチタン(Ｔｉ)と膜厚約500nmの金(Ａｕ)の順に蒸着した。

この後、フォトレジストとともにフォトレジスト上のチタン(Ｔｉ)と金(Ａｕ)の積層膜を除去し、ｎ電極１４０上および反射ｐ電極１１０上に厚膜電極１３０としてチタン(Ｔｉ)/金(Ａｕ)積層膜を形成した。

その後、個々の発光素子部分をダイシングにより分離する。

以上の様にして、半導体層側と反対側のサファイア側から光を取り出すフリップチップ型のIII族窒化物系化合物半導体素子１００を製造した。
次に、図３には、上記にて製造した半導体素子１００を用いた発光装置２００を示している。このIII族窒化物系化合物半導体素子１００をリフレクタ部２２０を有する樹脂ケース２１０の凹部中央に金バンプ２４０を介して固定し、樹脂ケース２１０に形成されたｐ側電極２１１とIII族窒化物系化合物半導体素子１００の反射ｐ電極１1０と、又、樹脂ケースに形成されたｎ側電極２１２とIII族窒化物系化合物半導体素子１００のｎ電極１４０をそれぞれ金バンプ２４０で電気的に接続固定した。そして、樹脂ケースの凹部に透明材料であるシリコン樹脂等の封止材料２３０を充填し、III族窒化物系化合物半導体素子１００を保護した発光装置２００を製造した。

本発明の実施の形態１に係る発光装置２００によれば、III族窒化物系化合物半導体素子１００の溝１５０の側面１６０にであるジグザグとなる凹凸を形成するため、側面１６０にて光が拡散され、かつ、側面１６０の角度α＝45度であるため、側面１６０に到達した光は、拡散されながら全反射し、発光素子のサファイア側へ導かれ、発行素子外へ取り出される。そして、溝１５０の反対側にも、同じ角度（α＝45度）で形成された反射面となるジグザグとなる凹凸面が存在するため、発光面端面から漏れた光が拡散されるため、効率よく発光観測面側に光を取り出すことが可能となる。

なお、実施の形態に示したIII族窒化物系化合物半導体素子１００の形状には、特に限らず、例えば、発光素子１００に設けられる溝１５０のジグザクは、波型に置き換えることが出来、溝１５０側面１６０の角度αは、45度に限らず、30度以上で50度未満が好ましく、さらに言えば、40度以上45度が好ましい。なぜなら、30度より角度が小さくなると、発光素子での発光面面積が少なくなり、発光面積が稼げなくなる問題点があり、50度を越える角度では、光が全反射しなくなり、発光素子の下側に取り出される恐れがあるためである。
（実施の形態２）
図４２に、本発明の実施の形態２に係るIII族窒化物系化合物半導体素子３００の模式的な平面図を示す。

III族窒化物系化合物半導体素子３００はの周囲の残余部３２０と中心の島状部分３１０を連結する連結部３３０が形成されていることを除きIII族窒化物系化合物半導体素子１００と同様に製造した。

本発明の実施の形態２に係るIII族窒化物系化合物半導体素子３００によれば、連結部分３３０が形成されるため、同一基板上で形成される多数の発光素子のｐ層側が素子分離するまで電気的に接続しているため、個々の発光素子となる部分で荷電することがないため、ｐｎ界面が静電気破壊されにくい効果がある。

図１は本発明の実施の形態１にかかる半導体発光素子の平面図である。図２は本発明の実施の形態１にかかる半導体発光素子の断面図である。図３は本発明の実施の形態１にかかる発光装置の断面図である。図４は本発明の実施の形態２にかかる半導体発光素子の平面図である。

符号の説明

１００、３００発光素子
１２０ｐ電極
１４０ｎ電極
１５０溝
１６０凹凸側面
２００発光装置

Claims

発光装置において、
ｐ層、発光層及びｎ層が積層され、前記ｐ層と電気的に接続しているｐ電極及び前記ｎ層と電気的に接続しているｎ電極が同一面側に形成されている半導体発光素子と、
前記半導体発光素子は前記ｐ電極及び前記ｎ電極のそれぞれに電気的に接続する回路を有するマウント部材にフリップ実装し、
前記半導体発光素子は、前記ｐ層から前記ｎ層までの斜面を有し、前記斜面は前記発光層から発光した光を拡散させながら発光観測面側に全反射させる表面凹凸構造からなる、
ことを特徴とする発光装置。
前記半導体発光素子の前記斜面は、溝状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記凹凸構造は、表裏方向に伸びたのこぎり歯状であることを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
前記ｎ電極は、側面が斜面により形成されたメサ状形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光装置。
前記半導体発光素子の前記斜面は、５０度以下３０度以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発光装置。