JP5075786B2 - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置及びその製造方法に関する。

照明装置、表示装置、ストップランプやテールランプなどの自動車、及び信号機などの用途に用いる発光装置は、高輝度化が要求される。

ＩｎＡｌＧａＰなどの四元系半導体を用いて可視〜赤外の波長範囲の光を放出する場合、基板としてＧａＡｓを用いると基板における光吸収が大きく輝度が低下する問題がある。

このために、ＧａＰのような透光性基板を用いるか、または発光層と基板との間に反射層を設けるなどとすると、基板における光吸収を低減し高輝度化が容易となる。

また、チップ上方または側方において光取り出し効率を高めると高輝度化がさらに容易となる。例えば、チップ表面にＩＴＯ（Indium Tin Oxide)などの透明電極を設けると構造がある。しかしながら、ＩＴＯなどの透明電極は光透過率が低くかつ良好なオーミックコンタクトを得ることが困難な問題がある。

外部量子効率を向上させる高出力の発光素子に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、素子の上面から見て細長い長方形の光取り出し窓をエッチング加工により形成する。エッチング加工により形成された凹部の側壁部には発光部の端面が露出し、外部への光取り出し効率を改善している。
しかしながら、この技術開示例では、凹部を発光層よりも深い位置までエッチングする必要があり製造プロセスが複雑となり、且つ発光層端面近傍を露出することにより結晶表面が劣化し十分な信頼性を得ることが困難である。
特開２００２−１６４５７４号公報

光吸収が低減され、高輝度化が容易な発光装置及びその製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、導電性を有する第１の基板と、下地層と、前記下地層の一方の主面と前記第１の基板とを接着する接着金属層と、前記下地層の他方の主面上に設けられ、窓部を有し且つ絶縁体からなるマスク層と、前記窓部に露出した前記下地層の上に選択的に設けられ、発光層を有する積層体と、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、上記の発光装置の製造方法であって、前記第１の基板に第１の金属層を形成する工程と、第２の基板の上に、半導体からなる前記下地層を形成する工程と、前記下地層の前記一方の主面上に第２の金属層を形成する工程と、前記第１の金属層と前記第２の金属層とを接着して前記接着金属層を形成したのち前記第２の基板を除去し、前記下地層の前記他方の主面を露出させる工程と、前記他方の主面に前記窓部を有する前記マスク層を形成する工程と、前記窓部に露出した前記下地層の上に前記積層体を結晶成長する工程と、を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法が提供される。

光吸収が低減され、高輝度化が容易な発光装置及びその製造方法が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる発光装置の模式図である。すなわち、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図である。
発光装置は、第１の基板１０と、下地層２４と、下地層２４の一方の主面と第１の基板１０とを接着する接着金属層２７と、下地層２４の他方の主面上に設けられ窓部３０ａを有するマスク層３０と、窓部３０ａに露出した下地層２４の上に結晶成長され発光層３４を有する積層体３７と、を備えている。

第１の基板１０に形成される第１の金属層１２と、下地層２４に形成される第２の金属層２６と、は接着界面２８において接着され接着金属層２７を構成する。

積層体３７は、窓部３０ａに露出した下地層２４の上に、ＩｎＡｌＰからなるｐ型クラッド層３２（厚さ０．７μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘ）_０．５Ｐ(０≦ｘ≦１）からなる発光層３４、及びＩｎＡｌＰからなるｎ型クラッド層３６（厚さ０．６μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）などを、この順序で結晶成長することにより形成される。

なお、発光層３４の組成はこれに限定されず、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ_ｙＡｓ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表されるいずれかであってもよく、さらにこれらからなるＭＱＷ構造であってもよい。これら発光層３４は、可視〜赤外の波長範囲の光を放出可能である。

また、積層体３７の上にはｎ側電極４０、第１の基板１０の裏面にはｐ側電極４２がそれぞれ形成される。ｐ側電極４２は、リード４４に銀ペーストなどを用いて接着されている。また、チップは、屈折率ｎ_１（略１．４）のシリコーン樹脂などにより覆われている。

ｐ側電極４２からｎ側電極４０への電流Ｊは、第１の基板１０、接着金属層２７、下地層２４、積層体３７、の経路で流れる。９つの分かれている積層体３７から、上方、側方などの方向へ放出光がそれぞれ放出される。この場合、下地層２４と第２の金属層２６との界面において放出光を上方及び側方へ向かって反射可能であり、光取り出し効率を高めることが容易となる。

図２及び図３は、第１の実施形態にかかる発光装置の工程断面図である。すなわち、図２は基板を接着するまでの工程をウェーハ状態で表し、図３は結晶成長及び電極形成を含む工程を１つのチップの単位で表している。

図２（ａ）のように、ｐ型ＧａＡｓなどからなる第２の基板２０上に、ｐ型ＧａＡｓからなるバッファ層２２（厚さ０．５μｍ）、及びＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰなどからなる下地層２４（厚さ０．５μｍ）がＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法を用いて形成される。さらに図２（ｂ）のように、下地層２４の一方の主面２４ａに第２の金属層２６が形成される。

他方、図２（ｃ）のように、ｐ型Ｓｉなどからなる第１の基板１０の上に第１の金属層１２が形成される。第１及び第２の金属層１２、２６は、結晶成長条件下の高温において化学的に安定な金属とする。このような金属として、例えばＴｉ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｗ、Ｖ，Ｍｏ、などを用いることができる。また、第１の金属層１２と、第２の金属層２６と、が異なる金属であってもよい。さらに、第１の基板は、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＮ、及びＧａＰのうちのいずれかであってもよい。

第１の金属層１２と、第２の金属層２６と、が互いに対向するように貼り合わされた状態で圧着などにより接着され、接着金属層２７となる。こののち、第２の基板２０及びバッファ層２２を溶液エッチング法などを用いて除去すると、図２（ｄ）のように、接着界面２８において接着された再成長用の下地基板ができる。この場合、真空雰囲気において接着するとボイドを抑制することが容易となる。

なお、再成長種層となる下地層２４は、凝集による組成不均一を生じやすいＩｎ、酸化しやすいＡｌ、蒸気圧が高いＰなどを含む場合が多い。このために、下地層２４の他方の主面２４ｂに厚さ７０ｎｍ以下のＧａＡｓを形成しておくと、再成長開始時の下地層２４の表面を安定に保ち結晶性が良好な積層体３７を成長することが容易となる。すなわち、図２に表す下地基板形成工程において、７０ｎｍ以下のＧａＡｓ層をバッファ層２２と下地層２４との間に設けることが好ましい。

続いて、図３（ａ）のように、下地層２４の他方の主面２４ｂにマスク層３０を形成する。マスク層３０の材質としては、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ、及びＡｌＮなどのような絶縁膜とすることができる。
この場合、マスク層３０にはフォトリソグラフィ法を用いて窓部３０ａが形成される。

続いて、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法を用いて、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）などからなる積層体３７の結晶成長を行う。この場合、マスク層３０上における横方向成長を抑制可能な結晶成長条件とすると、図３（ｃ）のように、窓部３０ａに露出した下地層２４の他方の主面２４ｂに選択的に積層体３７を結晶成長することができる。積層体３７には、少なくともｐ型クラッド層３２、発光層３４、及びｎ型クラッド層３６、がこの順序で積層されている。また、ｎ型クラッド層３６と、ｎ側電極４０と、の間に電流拡散層及びコンタクト層などを設けることもできる。

ＭＯＣＶＤ法における結晶成長温度は、例えば７００℃以上とする。他方、ＭＢＥ法における結晶成長温度は、７００℃よりも低く、例えば５００〜６５０℃の範囲とすることができる。もし、７００℃よりも低い温度で結晶成長を行うと、金属接着層２７と積層体３７との間の線膨張係数差により生じる応力を低減することが容易となる。このために結晶性を高め、信頼性を高めることが容易となる。

続いて、図３（ｄ）のように、積層体３７の上部にスピンコート法などを用いてポリイミド樹脂３８などを均一に塗布し、硬化後に積層体３７の上部が露出した状態となるようにする。

さらに、図３（ｅ）のように積層体３７とオーミックコンタクトを形成可能なｎ側電極４０を形成し、図３（ｆ）のように溶液エッチング法やＣＤＥ（Chemical Dry Etching)法などを用いてポリイミド樹脂３８を除去する。この場合、すでに形成されている発光層３４の側面に与える加工ダメージを抑制しつつ、ポリイミド樹脂３８を選択的に除去可能なエッチング条件を選ぶことは容易である。なお、ｎ側電極４０の中央部近傍は、例えば円形状に厚くし、ボンディング領域４０ａとすることが好ましい。

また、第１の基板１０の裏面にはｐ側電極４２を形成する。このあと、シンター工程などを行い、ｎ側電極４０と積層体３７との間、及びｐ側電極４２と第１の基板１０との間にオーミックコンタクトをそれぞれ形成する。このあと、ダイシング法などを用いて、ウェーハをチップに分離する。

チップのｐ側電極４２はリードフレーム上に銀ペーストなどを用いてマウントされ、ｎ側電極４０とリードフレームとはボンディングワイヤにより電気的に接続される。リードフレームが埋め込まれた成型体は凹部を有しており、この凹部の底面にはチップが露出している。凹部にシリコーンのような封止樹脂が埋め込まれ、硬化ののちリードカットにより発光装置に分離される。このようにして、図１の発光装置が完成する。なお、ｎ側電極４０と、マスク層３０と、の間の空隙には封止樹脂が入り込み発光層３４からの光取り出し効率を高めることができる。また、図３（ｅ）のようにポリイミド樹脂３８を残したチップを封止樹脂で覆うことができる。この場合、ポリイミド樹脂３８の屈折率を、封止樹脂の屈折率と半導体の屈折率との間にすると、光取り出し効率をさらに高めることができる。

本実施形態では、硬度が高いＳｉを基板として用いておりウェーハ工程における割れた欠けを抑制することが容易なので、大口径化が可能となり量産化を高めることができる。この結果として価格低減が容易となる。また、硬度が高いＳｉを用いると、チップ化した場合の厚さを小さくできるので、薄型発光装置とすることが容易となる。

図４は、比較例にかかる発光装置の発光強度を説明する図である。すなわち、図４（ａ）はＮＦＰを表すグラフ図、図４（ｂ）は発光装置の模式断面図である。
ｐ型ＧａＰ基板１１０上に、ｐ型クラッド層１１４、発光層１１６、ｎ型クラッド層１１８、及び電流拡散層１２０、がこの順序で形成されている。

数μｍ幅の細線電極１４２ａ、１４２ｂの間の電流拡散層１２０ａ、及びボンディング電極１４０と細線電極１４２ａとの間の電流拡散層１２０ａは、例えば１．５×１０^１８ｃｍ^−３となる高濃度のｎ型キャリア濃度を有しており結晶欠陥が多い。このために、発光層１１６から上方に向かう放出光が多く吸収される。また、チップを屈折率ｎ_１が略１．４のシリコーンなどからなる封止樹脂１５２で覆うと臨界角θ_Ｃ１が略２６度となり、臨界角θ_Ｃ１以上の入射角の光を外部に取り出すことができない。

このために、チップ表面の近傍におけるＮＦＰ（Near Field Pattern:近視野像）が、図４（ａ）のように、領域１２０ａの中央部近傍においてＮＦＰの相対発光強度はゼロ近傍まで低下することがある。このように、比較例においては高輝度とすることが困難となる。

これに対して、本実施形態では、発光層３４の側方には電流拡散層が存在しないために光吸収を低減できる。また、発光層３４の側面は、屈折率ｎ_１が半導体よりも低い封止樹脂に直接隣接しているが、封止樹脂への入射角度を小さくできるので全反射を低減することが容易である。また、接着金属層２７は、発光層３４からの放出光を上方に向かって反射可能であり、さらに光取り出し効率を高めることが容易である。

これらのために、本実施形態の光取り出し効率を、比較例の光取り出し効率の１３０％以上とすることが容易となる。なお、マスク層３０を絶縁体多層膜などからなる高反射膜とすると、窓部３０ａの非形成領域において発光層３４からの光を上方に反射し光取り出し効率をさらに高めることが容易となる。

ウェーハに凹部を形成し、凹部の内壁側面に発光層３４を露出する構造とする場合、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching)などのドライエッチング法を用いると露出面には加工ダメージが残り、輝度低下、ＥＳＤ（Electrostatic Discharge)耐量の低下、寿命の低下などを生じることがある。またドライエッチングの代わりに、溶液エッチング用いるとエッチングが等方的でないことが多く、結晶欠陥を生じ輝度低下及び寿命低下などを生じることがある。これに対して第１の実施形態では、選択成長工程ののち、発光層３４の側面が既に形成されているのでエッチング加工ダメージを生じることはなく、特性及び信頼性の低下を抑制することが容易である。

図５は、第１の実施形態にかかる発光装置の変形例を表す。
窓部３０ａを上方から見た平面形状は円形に限定されず、矩形、楕円、多角形などであってもよい。本変形例では、細長い矩形状の窓部３０ａが、チップ中心部に設けられた円形状の窓部３０ａから略９０度の角度をなすように放射状に広がっている。このようにすると、矩形状の窓部３０ａ上の積層体３７が円形状の窓部３０ａ上の発光層３４からの放出光を遮ることを抑制可能である。また、矩形状の窓部３０ａ上の発光層３４からの放出光が、円形状の窓部３０ａ上に形成された積層体３７により遮られることを抑制可能である。このために、光取り出し効率を高めることが容易となる。

図６は、第２の実施形態にかかる発光装置をあらわす模式図である。すなわち、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は Ａ−Ａ線に沿った断面図である。
本実施形態において、窓部３０ａ上に、積層体３７が形成されるが、マスク層３０の窓部非形成領域上にも横方向成長によるディポジッション状の成長膜が窓部３０ａ側から次第に堆積する。この横方向成長膜は、エピタキシャル膜ではなく、例えば成長温度を低くするか、または原料ガスのＶ／III比を低くするなどにより堆積が促進される。他方、窓部３０ａ上には発光層３４を含みエピタキシャル膜からなる積層体３７が成長される。

本実施形態において、積層体３７はｎ型クラッド層３６の上に電流拡散層４８、電流拡散層４８の上にコンタクト層３９、をそれぞれ有している。この場合、ｎ側電極４０及びコンタクト層３９の面積を小さくすると上方への放出光を高めることが容易となる。このために、ｎ型クラッド層３６の上に、ｐ型Ｉｎ_ｙ（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_１−ｙＰ（０≦ｙ≦１）からなる電流拡散層４８（厚さ１．５μｍ、キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３）を設け、注入されたキャリアを横方向に広げ、発光層３４の面内に広げることが好ましい。

すなわち、ｐ側電極４２からｎ側電極４０への電流Ｊは、第１の基板１０、接着金属層２７、下地層２４、（凹部３０ａ）、積層体３７、電流拡散層４８、及びコンタクト層３９、の経路で流れる。このようにして９つの積層体３７から、上方、側方などの方向へ放出光がそれぞれ放出される。このうち下方へ向かう光は接着金属層２７により上方及び側方に反射可能となる。このために、高い光取り出し効率とできる。

また電流拡散層４８の上に設けられたｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層３９により、ｎ側電極４０との間でオーミックコンタクトを形成することが容易となる。なお、ｎ側電極４０の直下以外の領域のＧａＡｓ膜を除去すると光吸収を低減できるので、より好ましい。

この場合、発光層３４の側面は露出しないので信頼性をより良好に保つことが容易となる。また、ポリイミド樹脂形成及び加工を省略でき、製造工程を簡素にできる。

第１及び第２の実施形態及びそれに付随した変形例において第１の基板をｐ型としたが、本発明はこれに限定されることはなく、ｎ型であってもよい。

以上、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明を構成する基板、下地層、接着金属層、マスク層、窓部、積層体、発光層、電極などの材質、サイズ、形状、配置などの関して当業者が各種の設計変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

第１の実施形態にかかる発光装置の模式図 第１の実施形態にかかる発光装置の工程断面図 第１の実施形態にかかる発光装置の工程断面図 比較例にかかる発光装置の発光強度を説明する図 第１の実施形態にかかる発光装置の変形例 第２の実施形態にかかる発光装置を表す模式図

符号の説明

１０ 第１の基板、１２ 第１の金属層、２０ 第２の基板、２４ 下地層、２６ 第２の金属層 ２７ 接着金属層、３０ マスク層、３０ａ 凹部、３４ 発光層、３７ 積層体、J 電流、

Claims (5)

1. 導電性を有する第１の基板と、
   下地層と、
   前記下地層の一方の主面と前記第１の基板とを接着する接着金属層と、
   前記下地層の他方の主面上に設けられ、窓部を有し且つ絶縁体からなるマスク層と、
   前記窓部に露出した前記下地層の上に選択的に設けられ、発光層を有する積層体と、
   を備えたことを特徴とする発光装置。
2. 前記発光層は、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ_ｙＡｓ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記積層体は、前記窓部を除く前記マスク層上に設けられないことを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記第１の基板は、シリコンからなり、
   前記接着金属層は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｈｆ、Ｗ、Ｖ、及びＭｏよりなる群から選択されたいずれか含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置の製造方法であって、
   前記第１の基板に第１の金属層を形成する工程と、
   第２の基板の上に、半導体からなる前記下地層を形成する工程と、
   前記下地層の前記一方の主面上に第２の金属層を形成する工程と、
   前記第１の金属層と前記第２の金属層とを接着して前記接着金属層を形成したのち前記第２の基板を除去し、前記下地層の前記他方の主面を露出させる工程と、
   前記他方の主面に前記窓部を有する前記マスク層を形成する工程と、
   前記窓部に露出した前記下地層の上に前記積層体を結晶成長する工程と、
   を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法。

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