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JP2016149462A - 発光素子およびその製造方法 - Google Patents

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公康 井手
真悟 戸谷
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真悟 戸谷
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Abstract

【課題】光取り出しの向上を図ること。
【解決手段】GaN基板10の一方の表面に、III 族窒化物半導体からなる半導体層11が位置し、裏面10a(前記基板の他方の表面)側から光を取り出すフリップチップ型の発光素子であり、裏面10aには凹凸構造16が設けられている。凹凸構造16とGaN基板10側面に連続して反射防止膜15が設けられている。反射防止膜15は、屈折率がGaN基板10よりも小さく、かつ封止材よりも大きな材料であるAl2 3 からなり、単層である。また、反射防止膜15は、凹凸構造16の凹凸を埋めずに凹凸に沿って膜状に設けられている。この反射防止膜15によりGaN基板10と封止材との間の反射が防止され、光取り出しが向上する。
【選択図】図1

Description

本発明は、III 族窒化物半導体基板を用いたフリップチップ型のIII 族窒化物半導体からなる発光素子であって、光取り出しが向上されたものに関する。また、その製造方法に関する。
従来、フリップチップ型のIII 族窒化物半導体からなる発光素子では、サファイア基板の裏面(半導体層形成側とは反対側の表面)に凹凸構造を設け、光取り出しの向上を図っている。また、フリップチップ型の発光素子を樹脂封止すると、サファイア基板裏面は樹脂材に覆われるが、その際に樹脂材とサファイア基板との界面での反射があり、これにより光取り出しが悪化していた。そこでサファイア基板裏面に反射防止膜を設け、サファイア基板裏面と樹脂材との間の反射を低減し、光取り出しの向上を図っている。
また、III 族窒化物半導体からなる発光素子の成長基板としては、従来サファイア基板が広く用いられてきたが、GaN基板も採用されつつある。
特開2001−217467号公報 特開2006−128202号公報
GaN基板を用いたフリップチップ型のIII 族窒化物半導体からなる発光素子は、樹脂により封止したときにGaN基板と封止樹脂が接触する。しかし、樹脂材とGaNの屈折率差が大きいため、その界面で反射される光が多く、単にGaN基板裏面に凹凸構造を設けたり、反射防止膜を設けたりするのでは十分に光取り出しが向上しないという問題があった。
そこで本発明の目的は、III 族窒化物半導体基板を用いたフリップチップ型のIII 族窒化物半導体からなる発光素子について、光取り出しの向上を図ることである。
本発明は、III 族窒化物半導体からなる基板の一方の表面に、III 族窒化物半導体からなる半導体層が位置し、基板の他方の表面は封止材により覆われるフリップチップ型の発光素子において、基板の前記半導体層側とは反対側の表面に設けられた凹凸構造と、凹凸構造と基板側面に連続して膜状に設けられ、かつ凹凸構造の凹凸に沿って凹凸を埋めずに設けられ、屈折率が基板よりも小さく、かつ封止材よりも大きな材料からなり、光の干渉によって基板と封止材との間の反射を防止する反射防止膜と、を有し、基板側面のうち、凹凸構造側の領域は基板主面に垂直な方向に対して傾斜を有し、他の領域は基板主面に対して垂直であり、反射防止膜は、基板側面のうち傾斜を有した領域に設けられ、垂直な領域には設けられていない、ことを特徴とする発光素子である。
本明細書において、屈折率は特に断りのない限り発光素子の発光波長ピークにおける値とする。
発光素子を封止する封止材はシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ガラスなどである。
反射防止膜は、屈折率が基板よりも小さく、かつ封止材よりも大きな材料であれば任意の材料でよい。基板としてGaN基板を用いる場合には、たとえば、HfO2 、ZrO2 、AlN、SiN、TiO2 、Ta2 5 などを反射防止膜の材料として用いることができる。
反射防止膜は、単層でもよいし、複数の層で構成されていてもよい。
反射防止膜の厚さは80〜100nmとするのがよい。より反射を防止して透過率を向上させ、発光素子の光取り出しを向上させることができるためである。
反射防止膜の厚さの標準偏差は、10nm以下であることが望ましい。厚さを均一とすることで、より光取り出しを向上させることができる。このような均一な厚さの反射防止膜は、たとえばALD法によって形成することができる。
他の本発明は、III 族窒化物半導体からなる基板の一方の表面に、III 族窒化物半導体からなる半導体層が位置し、基板の他方の表面は封止材により覆われるフリップチップ型の発光素子の製造方法において、基板の裏面のうち、後にウェハを素子ごとに分離をする領域に分離溝を設ける分離溝形成工程と、基板の裏面に凹凸構造を形成する凹凸構造形成工程と、屈折率が基板よりも小さく、かつ封止材よりも大きな材料からなり、光の干渉によって基板と封止材との間の反射を防止する反射防止膜を、ALD法によって凹凸構造の凹凸に沿って、かつ基板の側面に沿って形成する反射防止膜形成工程と、を有することを特徴とする発光素子の製造方法である。
分離溝形成工程における分離溝の形成は、レーザ、ドライエッチング、ダイサーなどにより形成することができるが、特にレーザにより行うとよい。基板を破壊することなく深く分離溝を形成することができるためである。
凹凸構造形成工程における凹凸構造の形成は、たとえばウェットエッチングにより行うことができる。
本発明によれば、基板裏面の凹凸および基板側面に沿って均一な厚さの反射防止膜が形成されているため、発光素子の光取り出しを向上させることができる。
実施例1の発光素子の構成を示した図。 実施例1の発光素子の製造工程を示した図。 実施例1の発光素子と比較例の発光素子の光出力を比較したグラフ。 透過率の角度平均とAl2 3 層の厚さの関係を示したグラフ。
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
図1は、実施例1のフリップチップ型の発光素子の構成を示した図である。図1のように、実施例1の発光素子は、GaN基板10と、GaN基板10の表面に位置し、GaN基板10側からn層11a、発光層11b、p層11cの順に積層されたIII 族窒化物半導体からなる半導体層11と、p電極13と、n電極14と、反射防止膜15と、を有している。実施例1の発光素子は、発光層11bから放射される光をp電極13によって反射させ、GaN基板10を透過させてGaN基板10裏面10a側から光を取り出すフリップチップ型(フェイスダウン型)の構造である。
GaN基板10は、c面を主面とする。GaN基板10の2つの表面のうち、Ga極性の表面(以下、単に表面とする)に半導体層11が設けられている。また、GaN基板10の裏面10a(半導体層11側とは反対側の表面、N極性の面)には凹凸構造16が設けられている。
凹凸構造16は、多数の微細な突起ないし溝が不規則に二次元的に配列された構造である。突起ないし溝は、円錐、角錐などの形状である。このような凹凸構造16は、GaN基板10の裏面10aをウェットエッチングすることによって得られる。形成方法の詳細は後に説明する。GaN基板10主面に対して凹凸の側面が成す角度は110〜130°の範囲である。また凹凸の深さは0.1〜10μmである。この凹凸構造16により、GaN基板10内部に閉じ込められていた光をGaN基板10裏面10aから取り出すことができ、光取り出しが向上している。
また、凹凸構造16はモスアイ構造(突起を周期的に配列した構造であって突起の配列周期を発光波長以下としたもの)としてもよい。
GaN基板10側面10bのうち、GaN基板10裏面10a側(凹凸構造16側)の領域10b1は、GaN基板10主面に平行な断面がGaN基板10裏面10aに近づくにつれて減少するような傾斜を有している。その傾斜角度は、GaN基板10主面に対して140〜160°の範囲である。また、GaN基板10側面10bのうち、半導体層11側の領域10b2は、GaN基板10主面に対して垂直(誤差等を考慮してGaN基板主面に対して80〜90°)となっている。このようにGaN基板10側面10bの一部領域が傾斜しているのは、実施例1の発光素子の製造工程において、ウェハを素子ごとに分離するのを容易とするためにGaN基板10裏面10aに分離溝20を設けたことによるものである。詳細は後の製造工程の段において説明する。
半導体層11は、III 族窒化物半導体からなり、GaN基板10の表面に、GaN基板10側からn層11a、発光層11b、p層11cの順に積層されている。n層11aは、GaN基板10側から順にnコンタクト層、ESD層、nクラッド層が積層された構造である。発光層11bは、井戸層と障壁層が繰り返し積層されたMQW構造である。p層11cは、発光層11b側から順にpクラッド層、pコンタクト層が積層された構造である。
p電極13は、p層11cの表面のほぼ前面に設けられている。p電極13は発光層11bから放射される光をGaN基板10へと反射させる反射電極である。p電極13は、たとえばAg、Al、あるいはそれらを主とする合金などである。
半導体層11の一部はエッチングされ、p層11c表面(発光層11b側とは反対側の面)側からn層11aに達する深さの溝が設けられている。そして、溝の底面に露出したn層11a上にn電極14が設けられている。
なお、半導体層11およびp電極13、n電極14の構造は、上記に限るものではない。従来III 族窒化物半導体からなる発光素子のフリップチップ構造として採用されている任意の構造を採用することができる。
反射防止膜15は、GaN基板10裏面10aと側面10bに沿って連続して設けられている。ただし、側面10bのうち、GaN基板10裏面10a側の傾斜した領域10b1にのみ設けられ、残りの領域(半導体層11側の垂直な領域10b2)には設けられていない。また、GaN基板10裏面10aにおいては、凹凸構造16の凹凸に沿って膜状に設けられていて、凹凸を埋めずに形成されている。
反射防止膜15は、GaN基板10裏面10aと封止材との界面での反射、およびGaN基板10側面10bと封止材との界面での反射を防止し、光取り出しを向上させるために設けるものである。反射が防止される原理は光の干渉によるものであり、屈折率をGaN基板10と封止材の中間の値とし反射防止膜15の厚さを特定の値として、光の干渉により反射が弱め合うようにすることで反射を防止している。また、反射防止膜15を設けて凹凸構造16を覆うことにより、GaN基板10裏面10aに設けられた凹凸構造16の耐久性や体薬液性を向上させている。
なお、実施例1の発光素子を封止する封止材としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、などの樹脂材料や、ガラスなどが用いられる。
反射防止膜15の厚さは100nmで非常に均一であり、その標準偏差は10nm以下である。これは、反射防止膜15をALD法により形成しているためである。より望ましくは標準偏差が5nm以下である。また、反射防止膜15のうち凹凸構造16に設けられた部分、GaN基板10側面10bの領域10b1に設けられた部分とで、同等の厚さとなっている。
なお、反射防止膜15の厚さは上記厚さに限るものではなく、光の干渉によって反射が低減される厚さであれば任意である。望ましい厚さの範囲は80〜100nmである。この範囲であれば、III 族窒化物半導体からなる発光素子の発光波長(たとえばピーク波長400〜500nm、特に440〜460nm)に対して反射防止膜15は高い透過率を有するためである。さらに望ましい範囲は85〜95nmである。
なお、実施例1では反射防止膜15の材料として屈折率1.65のAl2 3 を用いているが、屈折率がGaN基板10よりも小さく封止材よりも大きな材料であれば任意の材料を用いることができる。GaNの屈折率は2.4、封止材が樹脂であればその屈折率はおよそ1.5であるから、反射防止膜15の屈折率は1.5より大きく2.4未満であればよい。より望ましくは1.6〜2.3、さらに望ましくは1.7〜2.2である。たとえば、Al2 3 以外に、HfO2 、ZrO2 、AlN、SiN、TiO2 、Ta2 5 などを反射防止膜15の材料として用いることができる。
次に、実施例1の発光素子の製造工程について図2を参照に説明する。
まず、主面をc面とするGaN基板10のGa極性面である表面上に、MOCVD法によってn層11a、発光層11b、p層11cを順に積層し、半導体層11を形成する(図2(a)参照)。
MOCVD法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア(NH3 )、Ga源として、トリメチルガリウム(Ga(CH3 3 )、In源として、トリメチルインジウム(In(CH3 3 )、Al源として、トリメチルアルミニウム(Al(CH3 3 )、n型ドーパントガスとして、シラン(SiH4 )、p型ドーパントガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5 5 2 )、キャリアガスとしてH2 とN2 である。
次に、半導体層11の一部をp層11c表面側(発光層11b側とは反対側の表面側)からドライエッチングしてn層11aに達する深さの溝を形成する。そして、p層11c表面のほぼ前面にp電極13を形成し、溝により露出したn層11a上にn電極14を形成する(図2(b)参照)。また、この溝と同時に素子分離のための溝も形成する。
次に、GaN基板10裏面10aを研磨し、GaN基板10の薄膜化を行う(図2(c)参照)。これによりGaN基板10の厚さは50〜200μmとする。研磨は、機械研磨やCMP研磨、あるいはそれらを組み合わせて用いる。GaN基板10を薄膜化することで、後のウェハを各素子ごとに分離する工程を容易に行えるようにしている。
次に、GaN基板10裏面10aのうち素子分離をする領域に、レーザの走査によって分離溝20を形成する(図2(d)参照)。分離溝20の深さはGaN基板10の厚さの半分である。この分離溝20を形成することにより、後のウェハを素子ごとに分離する工程が容易に行えるようにしている。また、分離溝20の断面形状はV字型に形成され、分離溝20の側面はGaN基板10主面に対して140〜160°の傾斜を有する。この分離溝20の側面は、GaN基板10側面10bの領域10b1に対応する(図1参照)。
なお、分離溝20の深さはGaN基板10の厚さの半分とする必要はなく、GaN基板10の厚さの0.2〜0.7倍であればよい。より望ましくは0.3〜0.6倍である。
また、分離溝20はレーザ以外にドライエッチング、ダイサーなどによって形成してもよいが、実施例1のようにレーザで形成するのがよい。GaN基板10に欠けや割れなど壊れることがなく、また分離溝20を深く形成することができるためである。レーザにはナノ秒レーザなどを用いることができ、たとえば、波長255nm、パルス幅20〜40ns、パルス周波数10〜20Hz、パルス当たりエネルギー0.06〜0.12μJとする。
次に、GaN基板10の裏面10aをTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)でウェットエッチングする。TMAHは濃度25%、温度60℃の水溶液であり、エッチングは60分間行った。TMAHによるGaNのウェットエッチングは面方位依存性があり、そのためN極性面であるGaN基板10裏面10aは微細な凹凸が残存するようにウェットエッチングされ、凹凸構造16が形成される(図2(e)参照)。ウェットエッチングによれば、凹凸が微細となるため、より光取り出しが向上する。また、凹凸構造16の形成も容易である。
なお、凹凸構造16を形成するためのウェットエッチング液には、TMAH以外にも、KOH、NaOHなどの強アルカリ溶液や、リン酸などを用いることができる。また、凹凸構造16はドライエッチングなどによって形成してもよく、ウェットエッチングとドライエッチングなどを併用してもよい。たとえば、ウェットエッチングによる微細な凹凸とドライエッチングによる大きなスケールの凹凸の2段階の凹凸を設けてもよい。
次に、ALD法(原子層堆積法)を用いて、GaN基板裏面の凹凸構造16の凹凸に沿って凹凸を埋めないようにして、かつ分離溝20の側面に沿って、Al2 3 からなる反射防止膜15を形成する(図2(f)参照)。ALD法において前躯体ガスとしてTMAとH2 Oを用い、温度は50〜300℃、圧力は1×103 Pa以下とした。また、反射防止膜15は80〜100nmの厚さに形成した。
ALD法を用いると、1原子層ずつAl2 3 を形成することができるため、反射防止膜15の厚さを均一とすることができる。また、反射防止膜15の厚さを原子層単位で精度よく制御できる。そのため、凹凸構造16の凹凸に沿って膜状に均質に形成することができる。また、ALD法を用いることで、GaN基板10裏面10aだけでなく、分離溝20の側面にも回り込んで反射防止膜15を形成することができ、分離溝20側面の反射防止膜15の厚さは、GaN基板10裏面10aにおける厚さと同等の厚さに形成することができ、かつ均一な厚さに形成することができる。
次に、GaN基板10表面の素子分離用の溝(分離溝20に対向する位置)に沿ってダイサーやスクライバーを当ててけがきを設け、応力をかけて分離溝20およびけがきの位置でウェハを素子ごとに分離する。このとき、すでに分離溝20側面として露出していた領域が、GaN基板10側面10bのうちGaN基板10主面に垂直方向に対して傾斜した領域10b1となる。また、ウェハ分離によって新たに露出する領域が、GaN基板10側面10bのうちGaN基板10主面に垂直な領域10b2となる。以上により図1に示す実施例1の発光素子が製造される。ここで、GaN基板10裏面10aの素子分離する領域に分離溝20が形成されているため、容易に個々の素子ごとにウェハの分離を行うことができる。
以上、実施例1の発光素子は、GaN基板10裏面10aの凹凸構造16の凹凸に沿って、かつGaN基板10側面10bの領域10b1に沿って反射防止膜15が設けられていて、その反射防止膜15の厚さのばらつきが非常に小さいため、GaN基板10裏面10aと封止材との界面での反射が効果的に防止されており、光取り出しが向上している。
[実験結果]
以下、実施例1の発光素子に係る各種実験結果について説明する。
図3は、実施例1の発光素子と比較例の発光素子とで光出力を比較したグラフである。比較例の発光素子は、実施例1の発光素子において反射防止膜15を省いた構造であり、他の構造は実施例1の発光素子と同様である。
図3のように、実施例1の発光素子は比較例の発光素子に比べて光出力が6.6%向上していた。この結果から、反射防止膜15によって効果的に反射が防止され、光取り出しが向上していることがわかった。
図4は、透過率の角度平均とAl2 3 層の厚さとの関係を示したグラフである。屈折率2.4のGaN層上に屈折率1.65のAl2 3 層、屈折率1.5の封止材を順に積層した構造に対して、GaN層裏面(Al2 3 層側とは反対側の面)から光を入射させたときの透過率をシミュレーションにより求め、Al2 3 層の厚さを変化させて透過率の角度平均を求めた。角度平均は入射角0〜90°で平均を取った。
図4のように、Al2 3 層が100nmのときに最も透過率の角度平均が高くなるピークを有していた。このシミュレーション結果から、実施例1の発光素子における反射防止膜15の厚さも90nm近傍とするのがよく、80〜100nm、より望ましくは85〜95nmがよいことがわかった。
[各種変形例]
本発明は、GaN基板に限らず、III 族窒化物半導体からなる基板であれば任意の材料の基板を用いることができる。また、n型、p型、真性のいずれの伝導型であってもよい。n型のIII 族窒化物半導体からなる基板を用いる場合、n型不純物にはSi、Geなどを用いることができ、p型不純物にはMgなどを用いることができる。
実施例1では反射防止膜15は単層であったが、複数の層で構成されていてもよい。その場合、従来多層の反射防止膜として用いられている種々の構造を本発明における反射防止膜として採用することができる。ただし、製造の容易さと透過率向上のバランスの点からは実施例1のように反射防止膜15を単層とするのがよい。一方、多層の反射防止膜とする場合には、その層構成によって特性を変化させることができるので、単層の場合よりも透過率を高くしたり、材料の選択性の幅などを広げることができる。
本発明の発光素子は、照明装置や表示装置の光源として利用することができる。
10:GaN基板
11:半導体層
11a:n層
11b:発光層
11c:p層
13:p電極
14:n電極
15:反射防止膜
16:凹凸構造
20:溝

Claims (9)

  1. III 族窒化物半導体からなる基板の一方の表面に、III 族窒化物半導体からなる半導体層が位置し、前記基板の他方の表面は封止材により覆われるフリップチップ型の発光素子において、
    前記基板の前記半導体層側とは反対側の表面に設けられた凹凸構造と、
    前記凹凸構造と前記基板側面に連続して膜状に設けられ、かつ前記凹凸構造の凹凸に沿って凹凸を埋めずに設けられ、屈折率が前記基板よりも小さく、かつ前記封止材よりも大きな材料からなり、光の干渉によって前記基板と前記封止材との間の反射を防止する反射防止膜と、
    を有し、
    前記基板側面のうち、凹凸構造側の領域は前記基板主面に垂直な方向に対して傾斜を有し、他の領域は前記基板主面に対して垂直であり、
    前記反射防止膜は、前記基板側面のうち傾斜を有した領域に設けられ、垂直な領域には設けられていない、
    ことを特徴とする発光素子。
  2. 前記基板はGaNからなり、
    前記反射防止膜は、Al2 3 からなる単層である、ことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
  3. 前記反射防止膜の厚さは80〜100nmであることを特徴とする請求項2に記載の発光素子。
  4. 前記反射防止膜は、厚さの標準偏差が10nm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項3に記載の発光素子。
  5. III 族窒化物半導体からなる基板の一方の表面に、III 族窒化物半導体からなる半導体層が位置し、前記基板の他方の表面は封止材により覆われるフリップチップ型の発光素子の製造方法において、
    前記基板の裏面のうち、後にウェハを素子ごとに分離をする領域に分離溝を設ける分離溝形成工程と、
    前記基板の裏面に凹凸構造を形成する凹凸構造形成工程と、
    屈折率が前記基板よりも小さく、かつ前記封止材よりも大きな材料からなり、光の干渉によって前記基板と前記封止材との間の反射を防止する反射防止膜を、ALD法によって前記凹凸構造の凹凸に沿って、かつ前記基板の側面に沿って形成する反射防止膜形成工程と、
    を有することを特徴とする発光素子の製造方法。
  6. 前記分離溝形成工程における前記分離溝の形成は、レーザにより行うことを特徴とする請求項5に記載の発光素子の製造方法。
  7. 前記凹凸形成工程における凹凸構造の形成は、ウェットエッチングにより行うことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の発光素子の製造方法。
  8. 前記反射防止膜は、Al2 3 からなる単層である、ことを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
  9. 前記反射防止膜は、80〜100nmの厚さに形成する、ことを特徴とする請求項5ないし請求項8のいずれか1項に記載の発光素子の製造方法。
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