(57)【要約】【課題】  光取り出し効率の高い発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】  発光素子の構造を、半導体により形成された発光部と、この発光部の表面に形成された透明保護膜と、発光部および透明保護膜を封止する充填材と、を備え、透明保護膜の少なくとも充填材に接する層は、発光部側から柱状に延びる複数のナノ構造体の集合層であり、このナノ構造体は、蒸着材料からなるものとする。ナノ構造体の集合層は、基板を傾斜かつ回転させながら蒸着する斜方蒸着により得られる。【選択図】図１
2015204363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体により形成された発光部と、
この発光部の表面に形成された透明保護膜と、
前記発光部および前記透明保護膜を封止する充填材と、
を備え、
前記透明保護膜の少なくとも前記充填材に接する層は、前記発光部側から柱状に延びる複数のナノ構造体の集合層であり、
前記ナノ構造体は、蒸着材料からなる
ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の発光素子において、前記ナノ構造体は、前記発光部の発光波長以下の周期で形成されている、ことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の発光素子において、前記集合層は、蒸着材料の膜充填密度が異なって積層された複数の層を含む、ことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
請求項３記載の発光素子において、前記複数の層は、前記発光部側よりも前記充填材に近い層ほど膜充填度が低く成膜されている、ことを特徴とする発光素子。
【請求項５】
半導体基板上に形成された発光部の表面に透明保護膜を形成する保護膜形成工程を有し、
前記保護膜形成工程は、
前記半導体基板を回転可能に配置する配置工程と、
前記配置工程で配置された前記半導体基板と蒸着材料源との角度を調整する角度調整工程と、
角度が調整された前記半導体基板上の前記発光部に、前記蒸着材料源からの蒸着材料を蒸着させる蒸着工程と、
を有し、
前記蒸着工程では、前記半導体基板を継続的または断続的に回転させながら前記発光部上に蒸着材料を蒸着させる、
ことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の発光素子の製造方法において、前記蒸着工程では、前記発光部上に蒸着材料をらせん状、または、ジグザグ状に蒸着させ、最終的に、前記発光部から柱状に延びる複数のナノ構造体の集合層を形成する、ことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項７】
請求項５または６記載の発光素子の製造方法において、前記角度調整工程では、前記半導体基板の角度を調整することにより、前記発光部に蒸着される蒸着材料の膜充填密度を設定する、ことを特徴とする発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子は、一般に、半導体により形成された発光部が、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの充填材で封止された構造を有する。また、発光部と充填材との間に、透明保護膜を設けたものも知られている。このような構造において、発光部を構成する半導体とその外側の保護膜または充填材との間の屈折率差、さらには保護膜と充填材との間の屈折率差が、光を有効に取り出す上で問題となる。すなわち、屈折率差が大きいと、界面で全反射する臨界角が小さくなり、界面と垂直に近い角度の光でないと光を有効に取り出すことができなくなる。
【０００３】
発光部からの光を有効に取り出す技術として、特許文献１には、高屈折率半導体と充填材であるエポキシ樹脂との間に高屈折率材料による保護膜を設け、屈折率が段階的に異なる傾斜機能膜を形成することが開示されている。特許文献２には、実施例１４として、保護膜に凹凸を形成した構造が開示され、この構造により、光取り出し効率が向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０３３９２号公報
【特許文献２】特許第３９８５７４２号
【特許文献３】特開２０１１−１５０１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術は、高屈折率半導体と保護膜との屈折率差を小さくできる。しかし、保護膜とその外側の充填材との間の屈折率差は、大きいままである。特許文献２に記載の技術は、一度成膜した保護膜を凹凸に加工する必要がある。このため、工程が複雑となり、製造装置も複雑となってしまう。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決し、光取り出し効率の高い発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の観点によると、半導体により形成された発光部と、この発光部の表面に形成された透明保護膜と、発光部および透明保護膜を封止する充填材と、を備え、透明保護膜の少なくとも充填材に接する層は、発光部側から柱状に延びる複数のナノ構造体の集合層であり、このナノ構造体は、蒸着材料からなることを特徴とする発光素子が提供される。
【０００８】
ナノ構造体は、発光部の発光波長以下の周期で形成されていることが望ましい。
【０００９】
集合層は、蒸着材料の膜充填密度が異なって積層された複数の層を含むことができる。この場合、発光部側よりも充填材に近い層ほど膜充填度が低いことが望ましい。
【００１０】
本発明の第２の観点によると、半導体基板上に形成された発光部の表面に透明保護膜を形成する保護膜形成工程と、発光部および透明保護膜を充填材で封止する封止工程と、を有し、保護膜形成工程は、発光部が形成された半導体基板を回転可能に配置する配置工程と、配置工程で配置された半導体基板と蒸着材料源との角度を調整する角度調整工程と、角度が調整された半導体基板の発光素子上に、蒸着材料源からの蒸着材料を蒸着させる蒸着工程と、を有し、蒸着工程では、半導体基板を継続的または断続的に回転させながらその半導体基板の発光部上に蒸着材料を蒸着させる、ことを特徴とする発光素子の製造方法が提供される。
【００１１】
蒸着工程では、半導体基板の発光部上に蒸着材料をらせん状、または、ジグザグ状に蒸着させ、最終的に、発光部から柱状に延びる複数のナノ構造体の集合層を形成することが望ましい。角度調整工程では、半導体基板の角度を調整することにより、発光素子に蒸着される蒸着材料の膜充填密度を設定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光取り出し効率の高い発光素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す発光素子における光の経路を説明する図である。
【図３】透明保護膜の一例を示す図である。
【図４】透明保護膜の他の例を示す図である。
【図５】透明保護膜の形成に用いられる薄膜形成装置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の構造を示す断面図である。この発光素子は、半導体により形成された発光部１を備え、その表面には配線２が設けられている。発光部は、例えば発光ダイオードである。発光部１の詳細な構造は省略する。また、配線２は、図１ではひとつだけ示し、他は図示を省略する。発光部１および配線２の表面には、透明保護膜３が形成されている。透明保護膜３のうち、配線２の部分はエッチングにより除去され、金属バンプ４を介してリード線（図示せず）が接続されている。発光部１および透明保護膜３、ならびに金属バンプ４は、充填材５により、素子パッケージ（図示せず）内に封止されている。透明保護膜３の少なくとも充填材に接する層は、発光部側から柱状に延びる複数のナノ構造体の集合層であり、このナノ構造体は、蒸着材料からなる。
【００１５】
例えば青色発光ダイオードの場合、発光部１の半導体材料として、窒化ガリウムＧａＮが用いられる。ＧａＮの屈折率は２．５であり、透明保護膜３としては、特許文献２に示された二酸化ジルコニウムＺｒＯ２のほか、窒化シリコンＳｉＮや、五酸化タンタルＴａ２Ｏ５、五酸化ニオブＮｂ２Ｏ５などが用いられる。ＳｉＮの非屈折率は２．０である。充填材５としては、例えばシリコーン樹脂が用いられる。シリコーン樹脂の屈折率は１．４ないし１．５である。
【００１６】
図２は、図１に示す発光素子における光の経路を説明する図である。発光部１が発光ダイオードの場合、そのｐｎ接合では指向性のない光が発生する。発生した光のうち、透明保護膜３に対して入射角が小さい光だけが、透明保護膜３に入射し、充填材５を経由して外部に出力される。透明保護膜３に対して入射角の大きい光は、反射され、発光部１内で多重反射されることになる。透明保護膜３とは反対側に向かった光は、発光部１の裏面で反射されるが、その反射光も、透明保護膜３に対して入射角が小さい場合だけ、透明保護膜３に入射する。透明保護膜３と充填材５との間でも、同様のことが生じる。
【００１７】
発光部１から外部への光取り出し効率を高めるには、発光部１と透明保護膜３との屈折率差が小さく、かつ、透明保護膜３と充填材５との屈折率差も小さいことが望ましい。そこで本実施の形態では、透明保護層３の材料として屈折率が発光部１の屈折率と近いものを用い、少なくとも充填材側をナノ構造体の集合層とする。これにより、透明保護膜３の屈折率を段階的に変化させることができ、光の取り出し効率を高めることができる。
【００１８】
ナノ構造体の集合層およびその成膜方法については、特許文献３に詳しい。本実施の形態では、透明保護層３の形成に、特許文献３に示された方法を利用する。
【００１９】
図３は、透明保護層３の一例を示す図である。この透明保護層３は、発光部１上に均質に成膜された第一層１１と、この第一層１１上に成膜された第二層１２からなる。第二層１２は、複数のナノ構造体１３の集合層として成膜される。第一層１１および第二層１２は、共に蒸着材料からなる蒸着膜により形成される。第一層１１および第二層１２の蒸着材料は同じでもよく、別でもよい。
【００２０】
ナノ構造体１３は、その幅が例えば数十ｎｍ〜数百ｎｍであって、第一層１１の略垂直方向に柱状に延びるように形成されている。このように、ナノ構造体１３が発光部１に略垂直方向に柱状に延びているので、波長ムラが生じにくくなる。ナノ構造体１３は、後述するように、発光部１が形成された基板を回転させることにより形成される。このため、第一層１１上に蒸着材料がらせん状に蒸着され、最終的に、第一層１１の略垂直方向に柱状に延びる複数のナノ構造体１３の集合層が成膜される。
【００２１】
ナノ構造体１３の集合層である第二層１２は、全体として、蒸着材料と空気とが一定割合で混合している。この混合割合（薄膜の膜充填密度）により、第二層１２全体の屈折率が決定される。なお、後述するように、蒸着源である坩堝と基板との角度（後述する基板角度Ｃ）を変えることにより、第一層１１の上に成膜される第二層１２の膜充填密度を変化させることができる。このため、第二層１１は、その膜充填密度、すなわち、後述する基板角度Ｃを調整することにより、所望の屈折率に設定可能である。
【００２２】
ここで、一般に、ナノ構造体の集合層からなる薄膜の膜充填密度Ｐは、
Ｐ＝（ｎ−ｎ０）／（ｎｍ−ｎ０）
で表される。ｎは所望する薄膜の屈折率、ｎ０は空気の屈折率、ｎｍは蒸着材料のバルクの屈折率である。
【００２３】
例えば、蒸着材料としてＳｉＮを用いた場合、ＳｉＮの屈折率が２．０、空気の屈折率が１である。第二層１２の屈折率を例えば１．８にしたいとすると、第二層１２の膜充填密度を、Ｐ＝（１．８−１）／（２．０−１）＝０．８とすればよい。この膜充填密度が得られるように、蒸着時の基板角度Ｃを調整する。
【００２４】
第二層１２は、ナノ構造体１３が第一層１１に対して略垂直方向に柱状に延びるように形成されているので、波長ムラが生じにくくなる。加えて、第二層１２の屈折率を調整することができるので、発光部１からの光取り出し効率が高くなるように最適な屈折率を容易に実現することができる。
【００２５】
ナノ構造体１３の集合層は、一層に限定されるものではなく、複数の集合層からなる積層構造としてもよい。この場合、集合層を構成するナノ構造体１３の幅（膜充填密度）の異なる層を複数層積層することが好ましい。この場合、発光部１側よりも充填材５に近い層ほど膜充填度が低いことが望ましい。このような膜充填度とすることで、透明保護膜３の屈折率を段階的に変化させることができ、光の取り出し効率を高めることができる。
【００２６】
図４は、透明保護膜３の他の例を示す図である。この例では、透明保護膜３が三層構造となっており、図３に示した第二層１２の上に、さらに第三層１４が成膜されている。第三層１４は、第二層１２のナノ構造体１３よりも細い複数のナノ構造体１５から構成されている。第三層１４は、その膜充填密度が第二層１２の膜充填密度よりも低くなるように成膜されている。このような膜充填密度は、第三層１４を成膜する際の基板角度Ｃを、第二層１２を成膜する際の基板角度Ｃよりも大きくすることにより得られる。膜充填密度をこのように変えることにより、透明保護膜３の屈折率を段階的に変化させることができ、光の取り出し効率を高めることができる。
【００２７】
図５は、透明保護膜３の形成に用いられる薄膜形成装置２１の概要を示す図である。この薄膜形成装置２１は、斜方蒸着と呼ばれる成膜を行うものであり、真空槽２２と、公転ドーム２３と、回転板２４と、坩堝２５と、電子銃２６と、水晶膜厚計２７と、制御部２８と、を備えている。
【００２８】
真空槽２２は、導体により構成され、接地された密閉容器から構成されている。真空槽２２は、公転ドーム２３、回転板２４、坩堝２５、電子銃２６、水晶膜厚計２７等を収容し、ガス導入口３１と排気口３２とを備えている。
【００２９】
ガス導入口３１は、図示しないガス供給装置に接続され、真空槽２２の内部にアルゴン（Ａｒ）、酸素（Ｏ２）等の放電ガス、プロセスガス等の任意のガスを導入する。酸化物を蒸着する場合、蒸着材料がＳｉＯ２の場合には、真空槽へのガス導入は行わなくても問題ないが、蒸着材料がＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５などのように、酸素が電子銃により乖離しやすいものについては、ガス導入口３１からガスを導入することが好ましい。排気口３２は、図示しない真空ポンプなどの排気装置に接続され、真空槽２２内のガスを排気する。
【００３０】
公転ドーム２３は、ドーム状に形成されている。公転ドーム２３には、図示しない公転ドーム回転機構が設けられており、成膜処理の間、公転ドーム２３を所定の回転数で回転させる。
【００３１】
回転板２４は、公転ドーム２３に接続されている。回転板２４には、成膜対象の基板２９として、表面に発光部１が形成された半導体基板が配置される。なお、基板２９は、回転板２４近傍に保持する構成であってもよい。回転板２４には、図示しない回転機構が設けられており、成膜処理の間、回転板２４を所定の回転数で回転させる。この回転板２４の回転により基板２９が回転する。このように、基板２９自身が回転することにより、基板２９に垂直なナノ構造体からなる薄膜の蒸着が可能になる。また、基板２９自身が回転しないと、坩堝２５と基板２９との距離Ａ、Ｂの差によって、ナノ構造体からなる薄膜の膜厚が不均一になるが、基板２９を回転させることにより、薄膜の膜厚を均一に保つことができる。このような構造により、基板２９上に、膜厚、ナノ構造体の均一性に優れた薄膜を形成することができる。また、回転板２４近傍には、図示しない基板加熱用ヒータが設けられており、基板加熱用ヒータにより、回転板２４に配置された基板２９を所望の温度に加熱することができる。
【００３２】
坩堝２５には、プロセスに応じた種類の蒸着材料が充填されている。透明保護膜３を形成するためには、例えば屈折率の高いＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５等を用いる。複数の坩堝２５を配置し、それぞれに異種の蒸着材料を充填してもよい。
【００３３】
電子銃２６は、坩堝２５内の蒸着材料に電子を衝突させ、蒸発温度まで加熱する。水晶膜厚計２７は、蒸着された薄膜の膜厚を測定、及び成膜速度を制御する。制御部２８は、プロセッサ（ＭＰＵ、ＣＰＵ等）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インタフェースなどから構成されている。制御部２８は、この薄膜形成装置２１の動作手順を規定する制御データを格納し、薄膜形成装置２１内の各部に制御信号を供給して、薄膜形成装置２１内の各部を制御する。
【００３４】
次に、以上のような薄膜形成装置２１を用いた場合を例に、透明保護膜３の形成方法、特に第二層１２、第三層１４の成膜方法について説明する。なお、前述のように、薄膜形成装置２１内の各部は、制御部２８に制御されている。このため、制御部２８が、以下の薄膜形成装置２１内の各部を制御する。
【００３５】
まず、回転板２４に、基板２９（表面に発光部１が形成された半導体基板）を配置する。次に、蒸着源である坩堝２５と基板２９の角度（図５の基板角度Ｃ）を調整する。この基板角度Ｃを変化させることにより、形成される薄膜の膜充填密度を所望の値に調整することができ、屈折率を調整することができる。例えば、基板角度Ｃを大きくすることにより、薄膜の膜充填密度が低くなり、屈折率を小さくすることができる。
【００３６】
坩堝２５には、形成する薄膜に応じた蒸着材料を充填する。次に、真空槽２２内を図示しない排気装置によって、例えば、１Ｐａ〜１×１０−５Ｐａ程度の高真空領域まで排気する。また、基板加熱用ヒータにより、回転板２４に配置された基板２９を所望の温度に加熱する。
【００３７】
続いて、図示しない公転ドーム回転機構により公転ドーム２３を所定の回転数で回転させるとともに、図示しない回転機構により回転板２４を所定の回転数で回転させる。続いて、電子銃２６から電子ビームを坩堝２５内の蒸着材料へ照射し、蒸着材料を蒸発温度まで昇温させる。なお、蒸着材料が、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５などのように、酸素が電子ビーム照射により乖離しやすいものについては、ガス導入口３１からＯ２ガスを導入することが好ましい。
【００３８】
蒸着材料が蒸発温度まで昇温されると、蒸着材料は真空槽２２内を飛散し、基板２９上に堆積することで、緻密な蒸着膜を形成する。形成された蒸着膜は、水晶膜厚計２７により、その膜厚を測定する。そして、水晶膜厚計２７により所定の膜厚が形成されていることが測定されると、電子銃２６ならびに図示しない基板加熱用ヒータなどを停止させる。最後に、真空槽２２内の温度を冷却し、真空槽２２内に大気を導入した後、薄膜が形成された基板２９を取り出す。これにより、基板２９に薄膜が形成できる。
【００３９】
このような薄膜成形において、発光部１が形成された半導体基板を基板２９として用い、基板角度Ｃを０から順次大きくすることで、発光部１上に、均質な第一層１１と、発光部１の略垂直方向に柱状に延びる複数のナノ構造体の集合層からなる第二層１２以降の層とを、容易に成膜することができる。
【００４０】
以上の実施の形態によれば、高屈折率半導体に近い屈折率の透明保護膜３を斜方蒸着により形成し、基板を傾斜かつ回転させながら膜を成長させている。このような成膜方法を用いることで、簡単な工程かつ簡素な装置で、透明保護膜３の屈折率を最適に設定することができ、光取り出し効率を向上させることができる。また、斜方蒸着では、ナノ構造体の柱状の部分の周期、すなわち凹凸の周期を、可視光の波長以下とすることができる。凹凸の周期を特に発光部１の発光波長以下の周期とすることで、凹凸間での光の反射や干渉が生じることなく、発光部１からの光を有効に取り出すことができる。
【００４１】
以上の説明では、成膜方法として、透明保護膜３の第一層１１と第二層１２以降とを基板角度Ｃを変えるだけで連続して成膜する場合を例に説明したが、第一層１１については、他のどのような方法で成膜してもよい。
【００４２】
また、以上の説明では、基板２９を一定速度で回転させ、基板２９上の発光部１に蒸着材料をらせん状に蒸着するものとしたが、発光部１上に均一な厚さのナノ構造体の集合層からなる薄膜が形成できれば、他の方法を利用することもできる。例えば、基板２９を停止させた状態で一定時間（ｔ）成膜し、基板２９を６０度（α）回転させて一定時間成膜し、更に基板２９を６０度回転させて一定時間成膜する、という動作を繰り返すように、基板１２を断続的に回転させてもよい。この場合、基板２９上の発光部１に蒸着材料をジグザグ状に蒸着させ、最終的に発光部１の略垂直方向に柱状に延びる複数のナノ構造体の集合層を成膜することができる。また、基板回転角度αと時間ｔとを変更することで、薄膜の状態（屈折率等）を変えることができるため、所望の状態の薄膜構造体を形成することができる。
【００４３】
以上の説明では、公転ドーム２３を回転させるとともに回転板２４を回転させた場合を例にしたが、例えば、回転板２４のみを回転させてもよい。この場合にも、基板２９上に、その略垂直方向に柱状に延びる複数のナノ構造体の集合層を形成することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  発光部
２  配線
３  透明保護膜
４  金属バンプ
５  充填材
１１  第一層
１２  第二層
１３、１５  ナノ構造体
１４  第三層
２１  薄膜形成装置
２２  真空槽
２３  公転ドーム
２４  回転板
２５  坩堝
２６  電子銃
２７  水晶膜厚計
２８  制御部
２９  基板
３１  ガス導入口
３２  排気口
【図１】
2015204363.tif 000003
【図２】
2015204363.tif 000004
【図３】
2015204363.tif 000005
【図４】
2015204363.tif 000006
【図５】
2015204363.tif 000007