JP2005347700A - Light emitting device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は発光素子およびその製造方法に関し、特に、光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a light emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a light emitting device capable of promoting external radiation without stopping light in a layer having a large light absorption coefficient and a method for manufacturing the same.
従来、サファイア等の下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶を成長させることによって発光素子を製造する方法が知られている。このような発光素子において、発光層で生じた光が光吸収係数の高い層に閉じ込められ、層内で吸収されることによって外部放射効率が低下することが問題となっている。 Conventionally, a method of manufacturing a light emitting device by growing a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor on a base substrate such as sapphire is known. In such a light-emitting element, there is a problem that light generated in the light-emitting layer is confined in a layer having a high light absorption coefficient and is absorbed in the layer, thereby reducing external radiation efficiency.
このような問題を解決するものとして、サファイア基板の表面に凹凸面を形成し、その上にIII族窒化物系化合物半導体層を設けた発光素子がある(例えば、特許文献1参照。)。 As a solution to such a problem, there is a light emitting element in which an uneven surface is formed on the surface of a sapphire substrate and a group III nitride compound semiconductor layer is provided thereon (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載される発光素子は、基板表面の上にIII族窒化物系化合物半導体で形成されてその表面がテクスチャ構造、断面台形状、若しくはピット状であるバッファ層を形成し、このバッファ層の上にIII族窒化物系化合物半導体層を形成している。
The light emitting device described in
特許文献1に記載される発光素子によれば、サファイア基板とIII族窒化物系化合物半導体層との界面へ大きな角度をもって入射する光(当該界面と光進行方向との挟角が小さな光)であっても、当該段差面(側面)から外部へ放出できることとなり、光の取り出し効率が向上するとしている。
しかし、特許文献1に記載された発光素子によれば、III族窒化物系化合物半導体層から直接取り出される光以外の、層内に閉じ込められた光(層内閉込光)の取り出しについては凹凸加工を施したとしても層内閉込光の反射性が充分でなく、III族窒化物系化合物半導体層とサファイア基板の屈折率差に依存するため、光取り出し効率に限界がある。また、III族窒化物系化合物半導体層は光吸収係数が大であることにより、層内閉込光となると減衰して有効に活用することができない。
However, according to the light-emitting element described in
従って、本発明の目的は、光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる発光素子およびその製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a light emitting device capable of promoting external radiation without stopping light in a layer having a large light absorption coefficient, and a method for manufacturing the same.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、発光層を含み、凹凸面を有する半導体層と、前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、前記透過性材料は、前記半導体層より低い屈折率を有することを特徴とする発光素子を提供する。 In order to achieve the above object, a first invention includes a semiconductor layer including a light emitting layer and having an uneven surface, and a transparent material attached to the uneven surface side of the semiconductor layer, The material provides a light-emitting element having a refractive index lower than that of the semiconductor layer.
また、第2の発明は、上記の目的を達成するため、発光層を含み、凹凸面を有する半導体層と、前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、前記透過性材料は、前記半導体層との間に凹凸形状に応じた空気層を有することを特徴とする発光素子を提供する。 In order to achieve the above object, the second invention includes a semiconductor layer including a light emitting layer and having an uneven surface, and a transparent material attached to the uneven surface side of the semiconductor layer, The light-transmitting material is characterized in that the transmissive material has an air layer corresponding to the uneven shape with the semiconductor layer.
また、第3の発明は、上記の目的を達成するため、下地基板を準備する基板準備工程と、前記下地基板に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、前記凹凸加工が施された前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、透過性材料を設けられた前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a substrate preparation step for preparing a base substrate, a concavo-convex processing step for performing concavo-convex processing on the base substrate, and the base substrate subjected to the concavo-convex processing to achieve the above object. A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer; a lift-off step of lifting off the base substrate from the semiconductor layer; and a transparent material that provides a transparent material on the base substrate mounting side of the semiconductor layer lifted off the base substrate There is provided a method for manufacturing a light-emitting element, including a bonding step and an electrode formation step of forming an electrode on the semiconductor layer provided with a transmissive material.
また、第4の発明は、上記の目的を達成するため、下地基板を準備する基板準備工程と、前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、前記凹凸加工を施された前記半導体層の加工面に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、透過性材料を接合された前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a substrate preparing step for preparing a base substrate, a semiconductor layer forming step for forming a semiconductor layer on the base substrate, and lifting off the base substrate from the semiconductor layer. A lift-off process, a concavo-convex process process in which a concavo-convex process is performed on the base substrate mounting side of the semiconductor layer lifted off the base substrate, and a transmissive material is provided on a processed surface of the semiconductor layer subjected to the concavo-convex process There is provided a method for manufacturing a light-emitting element, comprising: a transparent material bonding step; and an electrode formation step of forming an electrode on the semiconductor layer bonded with the transparent material.
本発明によれば、半導体層内に留まる層内閉込光を凹凸部の形状および透過性材料の屈折率に基づいて放射方向を変化させることによって光取り出し性を高めており、そのことによって光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる。 According to the present invention, the light extraction property is enhanced by changing the radiation direction of the confinement light within the semiconductor layer that remains in the semiconductor layer based on the shape of the concavo-convex portion and the refractive index of the transmissive material. External radiation can be promoted without keeping light in the layer having a large absorption coefficient.
(第1の実施の形態)
(LED素子1の構成)
図1は、第1の実施の形態に係るLED素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のLED素子1は、発光層14を有するGaN系半導体層100より低屈折率の透過性材料であるガラス部材11と、GaN半導体化合物によって形成されるn−GaN層13と、n−GaN層13上に積層される発光層14と、発光層14上に積層されるp−GaN層15と、p−GaN層15からn−GaN層13にかけてエッチングにより除去されたn−GaN層13に設けられるn−電極16と、p−GaN層15上に設けられる透明電極17と、透明電極17上に設けられるp−電極18とを有する。
(First embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the first embodiment. The face-
III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法(MOCVD法)、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。なお、発光素子の構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。さらに、量子井戸構造(単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造)を採用することもできる。 The formation method of the group III nitride compound semiconductor layer is not particularly limited, but the well-known metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), molecular beam crystal growth method (MBE method), halide vapor phase epitaxy method (HVPE method). It can be formed by sputtering, ion plating, electron shower, or the like. Note that a light-emitting element having a homo structure, a hetero structure, or a double hetero structure can be used. Furthermore, a quantum well structure (single quantum well structure or multiple quantum well structure) can also be adopted.
ガラス部材11は、屈折率n=1.5、熱膨張率6×10−6/℃、ガラス点移点540℃で構成されており、図示しないサファイア基板上に成長させたGaN系半導体化合物をレーザ光線の照射に基づいて剥離することによりサファイア基板から分離し、露出したn−GaN層13に熱融着されている。このガラス部材11には、発光層14の発光に基づいてn−GaN層13を介して入射する光を透明電極17側の光取り出し方向に反射させる凹部11Aを有する。
The glass member 11 has a refractive index n = 1.5, a thermal expansion coefficient of 6 × 10 −6 / ° C., and a glass point transition point of 540 ° C., and a GaN-based semiconductor compound grown on a sapphire substrate (not shown). It is separated from the sapphire substrate by being peeled off based on the laser beam irradiation, and is thermally fused to the exposed n-
凹部11Aは、逆台形状の形状を有し、n−GaN層13との熱融着に基づいてn−GaN層13に設けられる凸部が転写されることにより設けられる。n−GaN層13の凸部は、サファイア基板に予めエッチング等によって逆台形状の凹部を形成しておき、その上層にGaN系半導体化合物を成長させることにより形成される。凹部11Aの傾斜面は図の中心軸Aに対し45度で形成されている。
The concave portion 11 </ b> A has an inverted trapezoidal shape, and is provided by transferring a convex portion provided on the n-
(LED素子1の製造工程)
図2は、LED素子の製造工程を示す図である。以下にLED素子1の製造工程について説明する。
(Manufacturing process of LED element 1)
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the LED element. Below, the manufacturing process of the
(基板準備工程)
図2(a)は、基板準備工程を示す図である。まず、下地基板となるウエハー状のサファイア基板10を準備する。
(Board preparation process)
FIG. 2A is a diagram illustrating a substrate preparation process. First, a wafer-
(凹凸加工工程)
図2(b)は、サファイア基板への凹凸加工工程を示す図である。サファイア基板10に対してエッチングを施すことにより、サファイア基板10に逆台形状の凹部10Aを所定の間隔で形成する。次に、凹部10Aを形成されたサファイア基板10の表面にAlNバッファ層12を形成する。
(Rough process)
FIG. 2B is a diagram showing a concavo-convex processing step on the sapphire substrate. By etching the
(半導体層形成工程)
図2(c)は、GaN系半導体層の形成工程を示す図である。AlNバッファ層12上にn−GaN層13と、発光層14と、p−GaN層15と、透明電極17とを順次設けた後、p−GaN層15からn−GaN層13にかけてをエッチングにより除去することによってn−GaN層13を露出させる。
(Semiconductor layer formation process)
FIG. 2C is a diagram showing a process for forming a GaN-based semiconductor layer. An n-
(リフトオフ工程)
図2(d)は、サファイア基板とGaN系半導体層とのリフトオフ工程を示す図である。図2(c)に示すGaN系半導体層100を積層されたサファイア基板10に対し、サファイア基板10側からレーザ光線をウエハー全面に照射する。ここで照射されるレーザ光線は、サファイア基板を透過し、GaN系半導体層100を透過しない波長のものが使用される。このようなレーザ光線の照射に基づいてサファイア基板10とn−GaN層13の界面が局所的に加熱され、その結果、n−GaN層13からサファイア基板10が剥離する。ここでn−GaN層13側に残留したAlNバッファ層12は酸洗浄に基づいて除去される。
(Lift-off process)
FIG. 2D is a diagram showing a lift-off process between the sapphire substrate and the GaN-based semiconductor layer. A
(ガラス準備工程)
図2(e)は、サファイア基板が剥離されたGaN系半導体層に熱融着されるガラス部材を準備するガラス準備工程を示す図である。図2(e)でサファイア基板10をリフトオフされたGaN系半導体層100に対し、n−GaN層13側にn=1.5のガラス部材11を配置する。
(Glass preparation process)
FIG.2 (e) is a figure which shows the glass preparation process which prepares the glass member heat-sealed to the GaN-type semiconductor layer from which the sapphire substrate was peeled. With respect to the GaN-based
(ガラス圧着工程)
図2(f)は、n−GaN層13にガラス部材を熱融着するガラス圧着工程を示す図である。n−GaN層13にガラス部材11をホットプレスすることにより、ガラス部材11には、n−GaN層13に形成されている凸部が転写されることによって凹部11Aが形成されるとともに熱融着される。
(Glass crimping process)
FIG. 2 (f) is a diagram showing a glass crimping process for thermally fusing a glass member to the n-
(電極形成工程)
図2(g)は、電極を形成する電極形成工程を示す図である。エッチングにより露出させたn−GaN層13にn−電極16を形成し、透明電極17上にp−電極18を形成する。電極形成後、ダイサーで個々のLED素子1に切断し、電極を除く表面に図示しない絶縁膜が形成される。なお、LED素子1の切断は、ダイサーによるカット以外の他の方法、例えば、スクライブによって行うこともできる。
(Electrode formation process)
FIG. 2G is a diagram showing an electrode forming process for forming an electrode. An n-
このようにして形成されたLED素子1を用いて、LEDランプを形成するには、まず、銅合金等により形成されたリードにLED素子1を実装し、n−電極16及びp−電極18をAuワイヤでリードにそれぞれボンディングする。次に、封止樹脂で一体的に封止してパッケージ化する。
In order to form an LED lamp using the
(LED素子1の動作)
上記したLEDランプのリードを図示しない電源部に接続して通電すると、リードからAuワイヤを介してn−電極16及びp−電極18に順方向の電圧が印加されて発光層14においてホール及びエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光する。この発光に基づいて生じた青色光のうち、発光層14から透明電極17側に放射される青色光は、透明電極17を介して封止樹脂に入射し、封止樹脂から外部放射される。
(Operation of LED element 1)
When the LED lamp lead is connected to a power source (not shown) and energized, a forward voltage is applied from the lead to the n-
また、発光層14からn−GaN層13側に放射された青色光のうち、ガラス部材11の臨界角の範囲にある光はガラス部材11との界面で反射されることによって透明電極17側に導かれてLED素子1の外部に放射される。
Of the blue light radiated from the
また、n−GaN層13の横方向(層方向)に伝搬する層内閉込光の一部は、ガラス部材11に設けられた凹部11Aに入射することにより透明電極17側に反射されて外部放射される。
Further, a part of the in-layer confined light propagating in the lateral direction (layer direction) of the n-
(第1の実施の形態の効果)
第1の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
(1)LED素子1のn−GaN層13からサファイア基板をリフトオフし、サファイア基板よりも低屈折率で、かつ凹部11Aを有するガラス部材11をn−GaN層13に接合したので、GaN層内を伝搬する層内閉込光を凹部11Aで効率良く反射させて透明電極17側に導くことができ、その結果、光取り出し性を向上させることができる。サファイア基板10を用いた場合、n−GaN層13との屈折率差に基づく臨界角θcは、1.7(サファイア)/2.4(GaN):θc=45度となるが、上記したガラス部材11を用いた場合には、1.5(ガラス)/2.4(GaN):θc=39度となり、ガラス部材11へ透過しうる青色光が小になる。このため、光吸収係数の大なる層に青色光を留めることなく外部放射を促進させることができる。
(Effects of the first embodiment)
According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Since the sapphire substrate is lifted off from the n-
(2)n−GaN層13からサファイア基板10をレーザ光線でリフトオフして、透過性材料であるガラス部材11を一体化するようにしたので、発光波長や、所望の光取り出し性に応じたLED素子1を容易に形成することができる。
(2) Since the
(3)透過性材料として熱変形自在なガラス材料をホットプレスにより熱融着しているので、n−GaN層13との接着性に優れるとともに接合作業を容易に行うことができる。
(3) Since a heat-deformable glass material as a permeable material is heat-sealed by hot pressing, it has excellent adhesion to the n-
なお、第1の実施の形態のLED素子1では、サファイア基板10に凹部10Aを形成し、その上にGaN系半導体層100を形成する工程を説明したが、例えば、サファイア基板10に凹部を形成せずにGaN系半導体層100を形成した後、サファイア基板10をリフトオフし、露出したn−GaN層13にエッチング等によって凹凸部を形成しても良い。
In the
(第2の実施の形態)
(LED素子1の構成)
図3は、第2の実施の形態に係るLED素子の縦断面図である。以下の説明において、第1の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分については共通の引用数字を付している。このフェイスアップ型のLED素子1は、第1の実施の形態で説明したガラス部材11の凹部11Aに代えて、ガラス部材11にn−GaN層13側へ突出した凸部11Bを設けた構成において第1の実施の形態と相違している。
(Second Embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the second embodiment. In the following description, parts having the same configuration and function as those of the first embodiment are denoted by common reference numerals. The face-up
ガラス部材11の凹部11Bは、第1の実施の形態と同様にサファイア基板10に対するエッチングによって形成されている。
The concave portion 11B of the glass member 11 is formed by etching the
(第2の実施の形態の効果)
第2の実施の形態によると、第1の実施の形態の好ましい効果に加えて、n−GaN層13内を伝搬する層内閉込光がn−GaN層13側に突出した凸部11Bに至り易くなるので、凸部11Bでの反射に基づく反射光を透明電極17側に導くことができ、その結果、光取り出し性が向上する。
(Effect of the second embodiment)
According to the second embodiment, in addition to the preferable effects of the first embodiment, the confinement light in the layer propagating in the n-
なお、第2の実施の形態についても、第1の実施の形態のLED素子1と同様に、表面が平坦なサファイア基板10にGaN系半導体層100を形成した後、サファイア基板10をリフトオフし、露出したn−GaN層13にエッチング等によって凹凸部を形成しても良い。
In the second embodiment, as in the
(第3の実施の形態)
(LED素子1の構成)
図4は、第3の実施の形態に係るLED素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のLED素子1は、第1の実施の形態で説明したガラス部材11およびn−GaN層13の界面に微細な凹凸部11Cを設けた構成において第1の実施の形態と相違している。
(Third embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the third embodiment. This face-up
ガラス部材11の凹凸部11Cは、サファイア基板10の表面に対する粗面化加工、エッチング処理等に基づいて不規則かつ微細に形成されている。
The concavo-convex portion 11C of the glass member 11 is irregularly and finely formed based on a roughening process, an etching process, or the like on the surface of the
(第3の実施の形態の効果)
第3の実施の形態によると、凹凸形状を第1の実施の形態のように制御しなくてもGaN層における層内閉込光量は多いので、GaN層13内を伝搬する層内閉込光を、ガラス部材11およびn−GaN層13の界面に形成された微細な凹凸部11Cで反射させることによって光取り出し性を向上させる効果を得ることができる。
(Effect of the third embodiment)
According to the third embodiment, the in-layer confinement light propagating in the
なお、第3の実施の形態についても、第1の実施の形態のLED素子1と同様に、表面が平坦なサファイア基板10にGaN系半導体層100を形成した後、サファイア基板10をリフトオフし、露出したn−GaN層13にエッチング等によって微細な凹凸部を形成しても良い。
In the third embodiment, as in the
(第4の実施の形態)
(LED素子1の構成)
図5は、第4の実施の形態に係るLED素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のLED素子1は、第2の実施の形態で説明したn−GaN層13に平坦なガラス部材11を熱融着し、その際にガラス部材11とn−GaN層13との間にテーパー状の空気層を形成する凹部13Bをn−GaN層13に所定の間隔で設けている構成において第2の実施の形態と相違している。
(Fourth embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the fourth embodiment. In this face-up
凹部13Bは、GaN系半導体層100を形成する際の下地基板となるサファイア基板にエッチング等の表面加工によって予め形成された凸部に対応してn−GaN層13に形成され、n−GaN層13からサファイア基板をリフトオフすることによりn−GaN層13の下面に露出する。
The recess 13B is formed in the n-
ガラス部材11は、n−GaN層13に形成された凹部13Bを塞ぐことのないようにn−GaN層13に熱融着される。
The glass member 11 is thermally fused to the n-
図6(a)から(e)は、n−GaN層内を伝搬する青色光の挙動について示す図である。図6(a)に示すように、ガラス部材11とn−GaN層13との間に形成される凹部13Bの内部には、屈折率n=1.0の空気層が形成される。この空気層の存在により、n−GaN層13を層方向に伝搬して凹部13Bの傾斜面130に入射する青色光の挙動は以下のようになる。
FIGS. 6A to 6E are diagrams showing the behavior of blue light propagating in the n-GaN layer. As shown in FIG. 6A, an air layer having a refractive index n = 1.0 is formed inside the
(青色光L1の挙動)
凹部13Bの傾斜面130に対して斜め下方向から入射する青色光L1は、空気層との界面において全反射され、そのことによって透明電極が設けられるLED素子の光取り出し方向に放射される。
(Behavior of the blue light L 1)
Blue light L 1 incident from obliquely downward with respect to the
(青色光L2の挙動)
凹部13Bの傾斜面130に対してほぼ水平方向から入射する青色光L2についても、空気層との界面において全反射され、そのことによって透明電極が設けられるLED素子の光取り出し方向に放射される。
(Behavior of the blue light L 2)
For even the blue light L 2 incident from substantially horizontal direction with respect to the
(青色光L3の挙動)
さらに、凹部13Bの傾斜面130に対して斜め上方向から入射する青色光L3についても、空気層との界面において全反射され、そのことによって透明電極が設けられるLED素子の光取り出し方向に放射される。
(Behavior of the blue light L 3)
Furthermore, for the blue light L 3 incident from an obliquely upward direction with respect to the
(青色光L4の挙動)
凹部13Bの傾斜面130に対して垂直入射する青色光L4は、屈折せずに空気層界面13Cへ至り、図6(a)の下方へ屈折し、LED素子から光取り出しされやすい方向の光となる。
(Behavior of the blue light L 4)
Blue light L 4 of normal incidence with respect to the
図6(b)は、GaN層の発光層における点Oで生じた光の放射を示す概略図である。発光層の任意点Oで発光した青色光は、全方向に放射される。そのうち発光素子封止材料(n=1.5)ないしはサファイア基板(n=1.7)へ外部放射される光は、中心軸に対し、約40〜45度以内の範囲に放射される光である。それ以外の方向へ放射される光はGaN層における層内閉込光となる。そして層内閉込光となる方向の立体角は全体の70%以上である。 FIG. 6B is a schematic diagram showing the emission of light generated at point O in the light emitting layer of the GaN layer. Blue light emitted at an arbitrary point O of the light emitting layer is emitted in all directions. Among them, the light emitted to the light emitting element sealing material (n = 1.5) or the sapphire substrate (n = 1.7) is light emitted within a range of about 40 to 45 degrees with respect to the central axis. is there. The light emitted in the other direction becomes the confinement light in the GaN layer. And the solid angle of the direction used as a confinement light in a layer is 70% or more of the whole.
図6(c)は、(a)に示した状態で空気層の代わりにサファイア基板(n=1.7)が設けられるときの臨界角の関係を示す図である。凹部13Bの傾斜面130に対する臨界角θcは、1.7/2.4:θc=45度となる。このため、GaN層13から外部放射されない層内閉込光のうち斜線で示した方向の範囲から入射する青色光を全反射することでGaN層内から外部放射される方向の青色光とすることができる。そして、立体角Aで見た場合、全体の36%、GaN層13から外部放射されない層内閉込光についてはその50%に相当する方向からの青色光をGaN層内から外部放射される方向の青色光とすることができる。
FIG. 6C is a diagram showing a relationship of critical angles when a sapphire substrate (n = 1.7) is provided instead of the air layer in the state shown in FIG. The critical angle θc of the recess 13B with respect to the
図6(d)は、(a)に示した状態で空気層の代わりにガラス部材(n=1.5)が設けられるときの臨界角の関係を示す図である。凹部13Bの傾斜面130に対する臨界角θcは、1.5/2.4:θc=40度となる。また、立体角Aで見た場合、全体の43%、層内閉込光についてはその60%に相当する方向からの青色光をGaN層内から外部放射される方向の青色光とすることが可能になる。
FIG.6 (d) is a figure which shows the relationship of a critical angle when a glass member (n = 1.5) is provided instead of an air layer in the state shown to (a). The critical angle θc of the recess 13B with respect to the
図6(e)は、空気層の場合の臨界角の関係を示す図である。凹部13Bの傾斜面130に対する臨界角θcは、1.0/2.4:θc=24.6度となる。また、立体角Aで見た場合、全体の56%、層内閉込光についてはその79%に相当する方向からの青色光をGaN層内から外部放射される方向の青色光とすることが可能になる。
FIG. 6 (e) is a diagram showing the relationship of the critical angle in the case of an air layer. The critical angle θc of the recess 13B with respect to the
(第4の実施の形態の効果)
第4の実施の形態によると、ガラス部材11とn−GaN層13との間に凹部13Bを設け、その内部に空気層を形成したので、凹部13Bの傾斜面130に入射した青色光の多くを全反射に基づいて透明電極側に導くことができる。また、臨界角の範囲に入射した青色光については、空気層によってガラス部材11側に放射方向を変えることによりガラス部材11に入射し、ガラス部材11の底面で反射されて透明電極側に導かれることから、全反射光と合わせてGaN系半導体層から効率良く光を取り出すことができる。
(Effect of the fourth embodiment)
According to the fourth embodiment, since the recess 13B is provided between the glass member 11 and the n-
(第5の実施の形態)
(LED素子1の構成)
図7は、第5の実施の形態に係るLED素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のLED素子1は、第4の実施の形態で説明したLED素子1のガラス部材11を薄型化してn−GaN層13に熱融着しているとともに、ガラス部材11の下側に高反射率を有するAg反射層20と、Ag反射層20との間に熱膨張率差を緩和するためのMo箔21を介して放熱用の銅部材22を設けている構成において第2の実施の形態と相違している。
(Fifth embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the fifth embodiment. This face-up
Ag反射層20は、蒸着法によって薄膜状にAgを付着させることにより形成されている。 The Ag reflection layer 20 is formed by depositing Ag in a thin film by a vapor deposition method.
(第5の実施の形態の効果)
第5の実施の形態によると、n−GaN層13とAg反射層20とが薄型化されたガラス部材11を介して直接接することなく接着されるので、n−GaN層13の層内閉込光がAg反射層20に直接入射せず、そのことによって吸収損失を生じることなしに透明電極側への光取り出し性を高めることができる。即ち、高反射率のAgとはいえ薄膜のGaN層内伝搬の際には、多数回の反射が繰り返されるために、大きな吸収損失が生じるが、ガラス部材11を介すことにより、全反射によるGaN層内伝搬とすることができるため、反射時の吸収損失をなくすことができる。また、薄型化されたガラス部材11によって銅部材22への放熱性が向上する。
(Effect of 5th Embodiment)
According to the fifth embodiment, since the n-
(第6の実施の形態)
(LED素子1の構成)
図8は、第6の実施の形態に係るLED素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のLED素子1は、LED素子1のn−GaN層13に設けられる凹部13Bに第5の実施の形態で説明した薄型のガラス部材11とAg反射層20とを配置し、更に半田層23を介して銅部材22を固定した構成において第5の実施の形態と相違している。
(Sixth embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the sixth embodiment. In the face-up
(第6の実施の形態の効果)
第6の実施の形態によると、n−GaN層13の凹部13Bに高反射率のAg反射層20が配置されるので、第5の実施の形態の好ましい効果に加えて凹部13Bに入射した層内閉込光を反射させて透明電極側に効率良く取り出せるとともに、ガラス部材11を透過した青色光についてもAg反射層20で反射させて透明電極側に反射させることができ、その結果、n−GaN層13の層内閉込光に対する光取り出し性を向上させることができる。
(Effect of 6th Embodiment)
According to the sixth embodiment, since the high-reflectance Ag reflecting layer 20 is disposed in the recess 13B of the n-
図9は、第6の実施の形態のLED素子の変形例を示す縦断面図である。この変形例では、n−GaN層13に高反射率のAg反射層20を接合した構成を有している。このようにガラス部材11を設けない構成としても青色光を透明電極側に効率良く取り出すことができる。また、ガラス部材11を設けないことで製造工程数を低減でき、コストダウンに有効であるとともにLED素子1の薄型化を図れる。
FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing a modification of the LED element of the sixth embodiment. In this modification, the n-
(第7の実施の形態)
図10は、第7の実施の形態に係るフリップチップ型のLED素子を示し、(a)は縦断面図、(b)はn−GaN層における青色光の挙動を示す図である。このLED素子1は、(a)に示すように発光層を有する半導体層より低屈折率(n=1.9)の透過性材料であるガラス部材11と、GaN半導体化合物によって形成されるn−GaN層13と、n−GaN層13上に積層される発光層14と、発光層14上に積層されるp−GaN層15と、p−GaN層15からn−GaN層13にかけてエッチングにより除去されたn−GaN層13に設けられるn−電極16と、p−GaN層15上に設けられるp−電極19とを有する。
(Seventh embodiment)
FIG. 10 shows a flip-chip type LED element according to the seventh embodiment, wherein (a) is a longitudinal sectional view and (b) is a diagram showing the behavior of blue light in an n-GaN layer. The
発光層14は、GaN系半導体層100を成長させる下地基板として、図示しないサファイア基板上にGaN系半導体を結晶成長させることにより形成される。また、結晶成長時にサファイア基板に設けられる凸部に応じた形状(円柱状)の凹部13Bがn−GaN層13に形成される。この凹部13Bは、格子状あるいは千鳥状等の配列でn−GaN層13に設けることができる。
The
この発光層14は、サファイア基板側から照射されるレーザ光線の照射に基づいてn−GaN層13からサファイア基板がリフトオフされ、代わりにガラス部材11がn−GaN層13に熱融着される。熱融着されたガラス部材11とn−GaN層13との間には、凹部13Bの形状に応じて空気層が形成される。なお、ウエハー状態でこの工程を行った後、電極形成、ダイシング等の工程を行う。
In the
n−GaN層13は、(b)に示すようにガラス部材11とn−GaN層13との間に形成される凹部13Bによって、内部に屈折率n=1.0の空気層が形成される。この空気層の存在により、n−GaN層13を層方向に伝搬する青色光の挙動は以下のようになる。
In the n-
(青色光L1,L1’の挙動)
GaN層13からガラス部材11へ全反射とならない角度で入射する青色光は、凹部13Bの側面に臨界角より大なる角度で入射する。凹部13Bの側面に臨界角より大なる角度で入射する青色光L1は、空気層との界面において全反射される。この青色光L1は、(a)に示すp−電極19で再度上方に反射されることによりガラス部材11を介して外部放射される。また、n−GaN層13からガラス部材11に向かう青色光L1’についても空気層との界面において全反射されることにより、ガラス部材11を介して外部放射される。凹部13Bの側面は略垂直面であるために、GaN層13からガラス部材11へ全反射とならない角度で入射する青色光は、全反射してもGaN層13からガラス部材11へ全反射とならない角度で入射する青色光のままであるためである。
(Behavior of blue light L 1 , L 1 ′)
Blue light incident from the
(青色光L2,L2’の挙動)
凹部13Bの側面に対して斜め上方向から入射する青色光L2は、空気層との界面を透過してn−GaN層13との界面で垂直方向側に放射方向を変えられることによりp−電極19で反射され、n−GaN層13を透過して空気層との界面で再び放射方向を変えられてガラス部材11に入射し、ガラス部材11から外部放射される。また、n−GaN層13から空気層との界面に斜め下方向から入射する青色光L2’は、空気層とガラス部材11との界面において更に上方に放射方向を変えられてガラス部材11に入射し、ガラス部材11から外部放射される。
(Behavior of blue light L 2 , L 2 ′)
Blue light L 2 incident from an obliquely upward direction with respect to the side face of the recess 13B, by changed radiation direction vertical side passes through the interface between the air layer at the interface between the n-GaN layer 13 p- The light is reflected by the electrode 19, passes through the n-
(青色光L3,L3’の挙動)
凹部13Bの側面に対してほぼ水平でやや斜め上方向から入射する青色光L3は、空気層との界面においてn−GaN層13側に放射方向を変えられ、更にn−GaN層13との界面において垂直方向側に放射方向を変えられることによりp−電極19で反射され、n−GaN層13を透過してガラス部材11に入射し、ガラス部材11から外部放射される。また、n−GaN層13から空気層との界面にほぼ水平でやや斜め上方に入射する青色光L3’は、空気層とガラス部材11との界面において更に上方に放射方向を変えられてガラス部材11に入射し、ガラス部材11から外部放射される。
(Behavior of blue light L 3 , L 3 ′)
Blue light L 3 incident from an oblique upper direction nearly horizontal to the side face of the recess 13B is the n-
(第7の実施の形態の効果)
第7の実施の形態によると、n−GaN層13の凹部13Bに入射する青色光がガラス部材11側あるいはp−電極19に放射方向を変えることにより、フリップチップ型のLED素子1であっても光取り出し性を向上させることができる。
(Effect of 7th Embodiment)
According to the seventh embodiment, the blue light incident on the
ただし、この場合、第1から第6の実施の形態でフェイスアップ型のLED素子1を用い、界面反射を利用したものとは異なり、半導体層からガラス部材11へ取り出しが容易になるよう、更にここで界面屈折を利用するものである。このため、ガラス部材11は元の基板であるサファイアのn=1.7より高い屈折率とすることで、サファイアに凹凸形成したものをそのまま用いるより大きな効果を得ることができる。
However, in this case, unlike the case where the face-up
なお、フリップチップ型のLED素子では、光取り出し面側に電極が存在しないので、高屈折率媒体からの光取り出しという意味以外でも、発光素子から外部への光取り出しが有利である。 Note that in the flip-chip type LED element, since no electrode is present on the light extraction surface side, it is advantageous to extract light from the light emitting element to the outside other than the meaning of light extraction from the high refractive index medium.
なお、第7の実施の形態では、凹部13Bの形状に応じた空気層を形成するとして説明したが、空気層がなくても光取り出しの効果を得ることができる。この場合も上述のようにガラス部材11の屈折率は大である方が望ましい。凹部13Bを円柱状とした構成を説明したが、四角柱状や六角柱状等の他の形状を有していても良い。 In the seventh embodiment, the air layer corresponding to the shape of the recess 13B is formed. However, the light extraction effect can be obtained without the air layer. Also in this case, it is desirable that the refractive index of the glass member 11 is large as described above. Although the configuration in which the concave portion 13B is cylindrical has been described, it may have other shapes such as a quadrangular prism shape or a hexagonal prism shape.
また、他の形状として円錐や角錐状等としても良い。この場合、凹部13Bの側面で全反射する光の挙動は同様ではなくなるが、ガラス部材11の屈折率がサファイアより大であれば、GaN層とサファイア基板とが平坦状に形成されている状態ではGaN層から外部反射できない光、あるいは同一形状で凹凸形成されたGaN層とサファイア基板との界面から外部反射できない光を外部放射することができ、光取り出し効果を得ることができる。 Moreover, it is good also as a cone, a pyramid shape, etc. as another shape. In this case, the behavior of the light totally reflected on the side surface of the recess 13B is not the same, but if the refractive index of the glass member 11 is larger than that of sapphire, the GaN layer and the sapphire substrate are formed in a flat state. Light that cannot be externally reflected from the GaN layer, or light that cannot be externally reflected from the interface between the GaN layer and the sapphire substrate that are formed in the same shape, and the sapphire substrate can be emitted externally, and a light extraction effect can be obtained.
また、凹部13Bを平面のサファイア基板をリフトオフした後に、ドライエッチング等によって形成するとしてもよい。 Further, the recess 13B may be formed by dry etching or the like after the planar sapphire substrate is lifted off.
第1から第7の実施の形態では、GaNからなる半導体層を有するLED素子として説明したが、GaAs、AlInGaP等他の材料を用いたものとしてもよい。また、サファイア基板をリフトオフしたものとして説明したが、エピ層と基板とが同等の屈折率であれば、必ずしも基板を除去する必要はなく、基板に直接凹凸加工したものでもよい。 In the first to seventh embodiments, the LED element having the semiconductor layer made of GaN has been described. However, other materials such as GaAs and AlInGaP may be used. In addition, the sapphire substrate has been described as being lifted off. However, if the epi layer and the substrate have the same refractive index, the substrate does not necessarily have to be removed, and the substrate may be directly processed to be uneven.
1、LED素子 10、サファイア基板 10A、凹部 11、ガラス部材
11A、凹部 11B、凸部 11C、凹凸部 12、AlNバッファ層
13、n−GaN層 13B、凹部 13C、空気層界面 14、発光層
15、p−GaN層 16、n−電極 17、透明電極 18、p−電極
19、p−電極20、Ag反射層 21、Mo箔 22、銅部材
23、半田層 100、GaN系半導体層 130、傾斜面
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、
前記透過性材料は、前記半導体層より低い屈折率を有することを特徴とする発光素子。 A semiconductor layer including a light emitting layer and having an uneven surface;
A transparent material attached to the uneven surface side of the semiconductor layer,
The light-emitting element, wherein the transparent material has a lower refractive index than the semiconductor layer.
前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、
前記透過性材料は、前記半導体層との間に凹凸形状に応じた空気層を有することを特徴とする発光素子。 A semiconductor layer including a light emitting layer and having an uneven surface;
A transparent material attached to the uneven surface side of the semiconductor layer,
The light-emitting element, wherein the transmissive material has an air layer corresponding to a concavo-convex shape between the semiconductor layer and the semiconductor layer.
前記下地基板に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、
前記凹凸加工が施された前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、
前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、
透過性材料を設けられた前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。 A substrate preparation step of preparing a base substrate;
An unevenness processing step for applying unevenness to the base substrate;
A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer on the base substrate subjected to the uneven processing;
A lift-off step of lifting off the base substrate from the semiconductor layer;
A transparent material bonding step of providing a transparent material on the base substrate mounting side of the semiconductor layer lifted off the base substrate;
An electrode formation step of forming an electrode on the semiconductor layer provided with a transmissive material.
前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、
前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、
前記凹凸加工を施された前記半導体層の加工面に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、
透過性材料を接合された前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。 A substrate preparation step of preparing a base substrate;
A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer on the base substrate;
A lift-off step of lifting off the base substrate from the semiconductor layer;
A concavo-convex processing step of performing concavo-convex processing on the base substrate mounting side of the semiconductor layer lifted off the base substrate;
A permeable material joining step of providing a permeable material on the processed surface of the semiconductor layer that has been subjected to the uneven processing;
An electrode forming step of forming an electrode on the semiconductor layer bonded with a transparent material.
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