(57)【要約】【課題】半導体層の結晶品位が良好で光の取り出し効率が高いフリップチップ構造の半導体発光素子と、その容易かつ低コストな製造方法を提供すること。【解決手段】発光層１２を含む半導体層１と、半導体層１の光取り出し面上に形成された屈折率傾斜層２と、屈折率傾斜層２の外面に接着層４を介して貼り合わされた支持基板３とから半導体発光素子を構成する。屈折率傾斜層２の屈折率は、半導体層側が半導体層１の屈折率とほぼ等しく、支持基板側が支持基板３の屈折率とほぼ等しく、膜厚方向に関して一律又は多段階に変化するように構成する。屈折率傾斜層２は気相めっき法にて形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含む半導体層と、当該半導体層の光取り出し面上に形成された屈折率傾斜層と、当該屈折率傾斜層の外面に接着層を介して貼り合わされた支持基板とを有し、
前記支持基板及び前記接着層は、前記半導体層から出射される光に対して透明であり、
前記支持基板の屈折率は、前記接着層の屈折率とほぼ等しく、かつ前記半導体層の屈折率よりも小さく、
前記屈折率傾斜層の屈折率は、前記半導体層側が前記半導体層の屈折率とほぼ等しく、前記支持基板側が前記支持基板の屈折率とほぼ等しくなるように、膜厚方向に関して一律又は多段階に変化していることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記半導体層がＧａＮ系半導体層、前記支持基板がＳｉＯ２、前記接着層がエポキシ樹脂層からなり、前記屈折率傾斜層が膜厚方向に組成が変化する無機誘電体層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記屈折率傾斜層の前記半導体層側の屈折率が２．０〜２．９の範囲であり、前記屈折率傾斜層の前記支持基板側の屈折率が１．４〜１．６の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
サファイア基板の片面に半導体層を形成する工程、
前記半導体層上に、一時的に前記半導体層を保持するサポート基板を取り付ける工程、
前記サファイア基板と前記半導体層との界面から前記サファイア基板を剥離し、前記半導体層を露出する工程、
露出された前記半導体層の表面に屈折率が膜厚方向に変化する屈折率傾斜層を気相めっきにより形成する工程、
当該屈折率傾斜層の表面に接着層を介して前記半導体層から出射される光に対して透明な支持基板を貼り付ける工程、
及び前記半導体層と前記サポート基板との界面から前記サポート基板を剥離する工程、
を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記屈折率傾斜層を形成する工程において、前記サポート基板によってサポートされた前記半導体層をプラズマＣＶＤ装置のめっき室内に収納し、前記半導体層上に形成される前記屈折率傾斜層の膜厚に応じて、前記めっき室内に供給される原料ガスの組成を適宜変更することを特徴とする請求項４に記載の半導体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、半導体発光素子及びその製造方法に係り、特に、半導体層の結晶品位が良好で光の取り出し効率が高いフリップチップ構造の半導体発光素子と、この種の半導体発光装置を容易かつ低コストに製造する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、サファイア基板上にＧａＮ系半導体層を形成してなるフリップチップ構造の半導体発光素子が知られているが、この種の半導体発光素子は、サファイア基板の屈折率が約１．８、ＧａＮ系半導体層の屈折率が約２．５であるため、ＧａＮ系半導体層の内部に導波路が形成され、ＧａＮ系半導体層から放射された光が効率的に外部に放出されないという問題を有している。【０００３】
かかる不都合を解決するための１つの手段として、サファイア基板にイオン打ち込み法によって１種又は２種以上のイオンを打ち込むと共に、イオン打ち込み後のサファイア基板を熱処理することにより、サファイア基板の半導体層形成面に屈折率がサファイア基板の屈折率と同一又は近似する値からＧａＮ系半導体層の屈折率と同一又は近似する値まで膜厚方法に変化する屈折率遷移領域を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。【０００４】
この技術によれば、サファイア基板とＧａＮ系半導体層との界面において両者の屈折率を同一又は近似させることができるので、光の反射成分を減少することができ、光の取り出し効率を向上できる。
【特許文献１】特開２００５−１０９２８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、イオンの打ち込みによりサファイア基板に屈折率遷移領域を形成するので、製造設備が大掛かりになるばかりでなく作業に長時間を有し、製品である半導体発光素子が高コストになる。また、イオンの打ち込みによりサファイア基板の表面が荒れるので、その表面に形成されるＧａＮ系半導体層の結晶品位が劣化し、半導体層本来の内部量子効率が低下するおそれもある。なお、サファイア基板は高融点であるため、熱処理によってイオンの打ち込みに起因するサファイア基板の表面荒れを改善することも困難である。【０００６】
本発明は、かかる従来技術の不備を解決するためになされたものであり、その目的は、半導体層の結晶品位が良好で光の取り出し効率が高いフリップチップ構造の半導体発光素子を提供すること、及びかかる半導体発光装置を容易かつ低コストに製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記の課題を解決するため、半導体発光素子については、第１に、発光層を含む半導体層と、当該半導体層の光取り出し面上に形成された屈折率傾斜層と、当該屈折率傾斜層の外面に接着層を介して貼り合わされた支持基板とを有し、前記支持基板及び前記接着層は、前記半導体層から出射される光に対して透明であり、前記支持基板の屈折率は、前記接着層の屈折率とほぼ等しく、かつ前記半導体層の屈折率よりも小さく、前記屈折率傾斜層の屈折率は、前記半導体層側が前記半導体層の屈折率とほぼ等しく、前記支持基板側が前記支持基板の屈折率とほぼ等しくなるように、膜厚方向に関して一律又は多段階に変化しているという構成にした。【０００８】
このように、半導体発光素子を、半導体層と、当該半導体層の光取り出し面上に形成された屈折率傾斜層と、当該屈折率傾斜層の外面に接着層を介して貼り合わされた支持基板とから構成すると、支持基板の貼り付け前に半導体層の表面に屈折率傾斜層を形成できるので、サファイア基板に対するイオン打ち込みに代えてプラズマＣＶＤなどの気相めっき技術を利用した屈折率傾斜層の形成が可能になる。よって、光の取り出し効率が高い半導体発光素子を安価に製造できる。また、サファイア基板に対してイオンを打ち込む必要がないので、半導体層の結晶品位が劣化せず、半導体層本来の内部量子効率の低下を防止できる。【０００９】
また本発明は、半導体発光素子に関して第２に、前記第１の構成の半導体発光素子において、前記半導体層がＧａＮ系半導体層、前記支持基板がＳｉＯ２、前記接着層がエポキシ樹脂層からなり、前記屈折率傾斜層が膜厚方向に組成が変化する無機誘電体層であるという構成にした。【００１０】
ＳｉＯやＳｉＮなどの無機誘電体の屈折率は成膜時の組成を調整することにより屈折率の調整が可能である。即ち、半導体層側がその半導体層の屈折率とほぼ等しく、支持基板側がその支持基板の屈折率とほぼ等しい屈折率傾斜層を、比較的容易に形成することができる。【００１１】
また本発明は、前記第２の構成の半導体発光素子において、前記屈折率傾斜層の前記半導体層側の屈折率が２．０〜２．９の範囲であり、前記屈折率傾斜層の前記支持基板側の屈折率が１．４〜１．６の範囲にあるという構成にした。【００１２】
ＧａＮ系半導体層の屈折率は約２．５を中心として２．０〜２．９の範囲にあり、ＳｉＯ２及びエポキシ樹脂層の屈折率は約１．５を中心として１．４〜１．６の範囲である。【００１３】
これに対して、ＳｉＯやＳｉＮなどの無機誘電体の屈折率は、成膜時の組成を調整することにより、１．４〜２．９の範囲で変更できるので、光の取り出し効率が高い半導体素子とすることができる。屈折率傾斜層の屈折率をこのように調整することにより、ＧａＮ系半導体層と屈折率傾斜層の界面及び屈折率傾斜層と支持基板（接着層）の界面における屈折率を同一又は近似したものにできるので、光の取り出し効率が高い半導体発光素子とすることができる。【００１４】
一方、本発明は、半導体発光素子の製造方法に関しては第１に、サファイア基板の片面に半導体層を形成する工程、前記半導体層上に一時的に前記半導体層を保持するサポート基板を取り付ける工程、前記サファイア基板と前記半導体層との界面から前記サファイア基板を剥離し、前記半導体層を露出する工程、露出された前記半導体層の表面に屈折率が膜厚方向に変化する屈折率傾斜層を気相めっきにより形成する工程、当該屈折率傾斜層の表面に接着層を介して前記半導体層から出射される光に対して透明な支持基板を貼り付ける工程、及び前記半導体層と前記サポート基板との界面から前記サポート基板を剥離する工程、を含むという構成にした。【００１５】
かかる方法によると、サファイア基板を剥離することにより露出された半導体層の表面に屈折率が膜厚方向に変化する屈折率傾斜層を気相めっきにより形成するので、イオン打ち込み法を適用する場合に比べて光の取り出し効率が高い半導体発光素子を安価に製造することができる。【００１６】
また本発明は、半導体発光素子の製造方法に関して第２に、前記第１の構成の半導体発光素子の製造方法において、前記屈折率傾斜層を形成する工程において、前記サポート基板によってサポートされた前記半導体層をプラズマＣＶＤ装置のめっき室内に収納し、前記半導体層上に形成される前記屈折率傾斜層の膜厚に応じて、前記めっき室内に供給される原料ガスの組成を適宜変更するという構成にした。【００１７】
プラズマＣＶＤ装置を用いて半導体層上に屈折率傾斜層を形成すると、めっき室内に供給される原料ガスの組成を適宜変更するだけで膜厚方向に屈折率が変化する無機誘電体層を容易に形成できるので、屈折率傾斜層の形成ひいては所要の半導体発光素子の製造を高能率に行うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の半導体発光素子は、発光層を含む半導体層と、当該半導体層の光取り出し面上に形成された屈折率傾斜層と、当該屈折率傾斜層の外面に接着層を介して貼り合わされた支持基板とからなるので、光の取り出し効率を高めることができると共に、半導体層の結晶品位の劣化に起因する半導体層本来の内部量子効率の低下を防止できる。【００１９】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体層をサポート基板にて一時的に保持した状態で、サファイア基板を当該サファイア基板の表面に形成された半導体層の界面から剥離し、露出された半導体層の表面に屈折率が膜厚方向に変化する屈折率傾斜層を気相めっき法により形成するので、イオン打ち込み法を適用する場合に比べて光の取り出し効率が高い半導体発光素子を容易かつ安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る半導体発光素子の一例を、図１及び図２に基づいて説明する。図１は実施形態に係る半導体発光素子の断面図、図２は本発明の効果を屈折率傾斜層を有しない半導体発光素子と比較して示す表図である。【００２１】
図１に示すように、本例の半導体発光素子は、半導体層１と、半導体層１の光取り出し面上に形成された屈折率傾斜層２と、屈折率傾斜層２の外面（光取り出し側）に備えられた支持基板３と、屈折率傾斜層２と支持基板３とを接着する接着層４とから構成されている。【００２２】
半導体層１は、図１に示すように、ｎ−ＧａＮ層１１と、発光層１２と、ｐ−ＧａＮ層１３と、ｎ−ＧａＮ層１１上に形成されたｎ−電極１４と、ｐ−ＧａＮ層１３上に形成されたｐ−電極１５とからなる。なお、半導体層１を構成する各層の積層構造については、図１に示すものに限定されるものではなく、公知に属する任意の積層構造を有する半導体層を形成することができる。また、半導体層１の積層技術については、本発明の要旨ではなく、かつ公知に属するものであるので、本明細書においては説明を省略する。【００２３】
支持基板３は、半導体層１を保護するものであって、ガラス（ＳｉＯ２）やプラスチックなど、半導体層１から出射される光に対して透明で、かつ所要の硬度を有する材料をもって形成される。ガラスやプラスチックからなる支持基板３の屈折率は、約１．５である。【００２４】
接着層４は、屈折率傾斜層２と支持基板３とを接着するものであって、半導体層１から出射される光に対して透明な樹脂材料をもって形成される。透明であれば公知に属する任意の樹脂材料を用いることができるが、高い接着力を有すること及び屈折率が約１．５で支持基板３の屈折率と近似することから、エポキシ樹脂が好適に用いられる。【００２５】
屈折率傾斜層２は、ＳｉＯやＳｉＮなどの無機誘電体をもって２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度の厚みに形成される。屈折率傾斜層２の屈折率は、半導体層１側が半導体層１の屈折率とほぼ等しく、支持基板３側が支持基板３の屈折率とほぼ等しく、膜厚内では膜厚方向に関して屈折率が一律又は多段階に変化している。即ち、半導体層１がＧａＮ系半導体層であり、支持基板３がＳｉＯ２であり、接着層がエポキシ樹脂である場合には、ＧａＮ系半導体層の屈折率は平均的に約２．５、ＳｉＯ２及びエポキシ樹脂層の屈折率は約１．５であるので、屈折率傾斜層２の屈折率は、半導体層１側が約２．５、支持基板３側（接着層４側）が約１．５で、膜厚方向についてはこの範囲内で緩やかかつ一方向に屈折率が変化するように調整される。屈折率の調整は、成膜時に素材である無機誘電体の組成を膜厚方向に変えることによって作成できる。【００２６】
本例の半導体発光素子は、発光層１２を含む半導体層１と、当該半導体層１の光取り出し面上に形成された屈折率傾斜層２と、当該屈折率傾斜層２の外面に接着層４を介して貼り合わされた支持基板３とからなるので、高い光の取り出し効率を有する。また、半導体層１と支持基板３との間に屈折率傾斜層３をプラズマＣＶＤ法にて形成するので、半導体発光素子を安価に製造できると共に、半導体層１の結晶品位が劣化せず、これに起因する半導体層本来の内部量子効率の低下を防止できる。【００２７】
定格電流値が２００ｍＡで発光波長が４６０ｎｍの半導体発光素子（ＬＥＤ）Ａ，Ｂ、定格電流値が３００ｍＡで発光波長が４６０ｎｍの半導体発光素子Ｃ、定格電流値が１５０ｍＡで発光波長が４６０ｎｍの半導体発光素子Ｄ，Ｅ、定格電流値が５００ｍＡで発光波長が４６０ｎｍの半導体発光素子Ｆについて、屈折率傾斜層２があるものとないものを作製し、それぞれの半導体発光素子から放出される光の光量を測定した。その結果、図２に示すように、定格電流値が２００ｍＡの半導体発光素子Ａ，Ｂについては６０％〜８４％、定格電流値が３００ｍＡの半導体発光素子Ｃについては４０％、定格電流値が１５０ｍＡの半導体発光素子Ｄ，Ｅについては８７％〜１１４％、定格電流値が５００ｍＡの半導体発光素子Ｆについては５０％光量が増加しており、本発明の半導体発光素子は、光の取り出し効率の向上に極めて有効であることが分かった。【００２８】
以下、本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一例を、図３及び図４を用いて説明する。図３は本発明に係る半導体発光素子の製造手順を示すフロー図、図４は屈折率傾斜層形成時の原料ガスの流量変化を示す表図である。【００２９】
まず、図３（ａ）に示すように、サファイア基板２１の片面に定法にしたがって、図示しない発光層及びｎ−電極１４並びにｐ−電極１５を含む半導体層１を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、半導体層１の電極形成面を、例えばガラス板などからなるサポート基板２２にてサポートする。次に、図３（ｃ）に示すように、半導体層１とサファイア基板２１との界面に波長が３０８ｎｍ又は２４８ｎｍのエキシマレーザ２３をフォーカスし、この状態を保ったままエキシマレーザ２３を半導体層１の面方向にスキャンする。これによって、半導体層１のサファイア基板２１との界面部分を溶解させ、図３（ｄ）に示すように、半導体層１からサファイア基板２１を剥離する。しかる後に、このサポート基板２２にてサポートされた半導体層１をプラズマＣＶＤ装置のめっき室内に収納し、図３（ｅ）に示すように、半導体層１の光取り出し面上に屈折率傾斜層２を形成する。屈折率傾斜層２の形成時においては、発光層１側からの膜厚が大きくなるにしたがって、図４に示すようにめっき室内に供給される原料ガス（ＳｉＨ４，Ｎ２Ｏ，ＮＨ３）の流量を変化した。次に、図３（ｆ）に示すように、形成された屈折率傾斜層２の表面に接着層４を介して支持基板３を接着する。最後に、図３（ｇ）に示すように、サポート基板２２を剥離し、製品である半導体発光素子を得る。【００３０】
本例の半導体発光素子の製造方法は、半導体層１をサポート基板２２にて一時的に保持した状態で、サファイア基板２１を当該サファイア基板２１の表面に形成された半導体層１の界面から剥離し、しかる後に、露出された半導体層１の表面に屈折率が膜厚方向に変化する屈折率傾斜層２をプラズマＣＶＤにて形成するので、イオン打ち込み法を適用する場合に比べて光の取り出し効率が高い半導体発光素子を容易かつ安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図２】本発明に係る半導体発光素子の効果を屈折率傾斜層を有しない半導体発光素子と比較して示す表図である。
【図３】本発明に係る半導体発光素子の製造手順を示すフロー図である。
【図４】屈折率傾斜層形成時の原料ガスの流量変化を示す表図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    半導体層
２    屈折率傾斜層
３    支持基板
４    接着層
１２    発光層
１４    ｎ−電極
１５    ｐ−電極
２１    サファイア基板
２２    サポート基板
２３    エキシマレーザ
【図１】
2007136064.tif 000003
【図２】
2007136064.tif 000004
【図３】
2007136064.tif 000005
【図４】
2007136064.tif 000006
【国際調査報告】
2007136064.tif 000007
2007136064.tif 000008
2007136064.tif 000009