(57)【要約】【課題】発光層構造から放出された光の実質的に全てを外部へ取出せるようにする発光素子を提供する。【解決手段】成長用基板であるサファイア基板へIII族窒化物系化合物半導体層を成長させてＧａＮ基板と発光層構造を形成する。その後サファイア基板をリフトオフし、露出したＧａＮ基板へ微細な凹凸を形成する。この凹凸のピッチは発光層構造から放出される光の波長より短いものとする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物系化合物半導体からなる基板と、
該基板の第1の面に形成されるIII族窒化物系化合物半導体製の発光層構造と、
該基板の第2の面に形成される凹凸面であって、該凹凸面のピッチが前記発光層構造から放出される光の波長より短い凹凸面と、
を備えてなるIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の発光素子であって、前記第2の面を主たる光放出面とする発光素子と、
該発光素子を封止する透光性の封止部材であって、該封止部材が前記第2の面から離隔されている封止部材と、
を備えてなる発光装置。
【請求項３】
前記発光素子と前記封止部材との間に透光性のゲル状材料が充填されている、ことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
サファイアからなる成長用基板の上にIII族窒化物系化合物半導体からなる基板を成長させるステップと、
該基板の第1の面にIII族窒化物系化合物半導体層を成長させて発光層構造を形成するステップと、
前記成長用基板を前記基板から除去するステップと、
前記成長用基板が除去された前記基板の第2の面へ、前記発光層構造から放出される光の波長より短いピッチの凹凸を形成するステップと、
を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記凹凸を形成するステップは、前記基板の第2の面をアルカリ溶液に浸漬し、該第2の面を形成する材料のバンドギャップに対応する波長よりも短い波長の光を該第2の面へ照射する、ことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
前記凹凸を形成するステップは、前記基板の第2の面をアルカリ溶液に浸漬し、該第2の面を昇温する、ことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
【請求項７】
前記アルカリ溶液はＫＯＨの水溶液である、ことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体からなる発光素子、この発光素子を用いた発光装置、及びこの発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物系化合物半導体からなる発光素子において、高い光取出し効率を得るためにいわゆるフリップチップ構造が採用される。このフリップチップ構造では、多重量子井戸構造等からなる発光層構造を下側としてサファイア基板の裏面側を光放出方向に向ける。これにより、発光層から放出された光が電極等の非透光性部材で遮られることがない。
当該フリップチップ構造において更に高い光取出し効率を得るために、サファイア基板の裏面に凹凸を形成する技術が特許文献１に記載されている。
この発明に関連する技術を開示するものとして特許文献２も参照されたい。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３４７６０１号公報
【特許文献２】特開２００３―６９０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サファイア基板の裏面に凹凸を設けることにより、サファイア基板裏面と外界との境界面における光の入射角に変化をもたせることができる。その結果、当該凹凸のないときには境界面で全反射していた光であっても当該凹凸によりその入射角が臨界角より小さくなるものが生じ、もってサファイア基板から外界へ出射する光の量が増大する。即ち、光の取出し効率が向上する。
しかしながら、サファイア基板とIII族窒化物系化合物半導体からなる発光層構造との間には境界面が生じ、かつ両者の屈折率が異なっているので、発光層構造から放出された光の中には当該サファイア基板−III族窒化物系化合物半導体層との境界面で反射されるものがある。
更には、特許文献１で開示されるサファイア基板の裏面に形成される凹凸は発光素子の反射面に対して非平行であり、これにより全反射される光の量を低減しようとするものである。換言すれば、サファイア基板と外界との境界面における全反射を完全に無くするものではない。
そこでこの発明は、発光層構造から放出された光の実質的に全てを外部へ取出せるようにする発光素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、次のように規定される。即ち、
III族窒化物系化合物半導体からなる基板と、
該基板の第1の面に形成されるIII族窒化物系化合物半導体製の発光層構造と、
該基板の第2の面に形成される凹凸面であって、該凹凸面のピッチが前記発光層構造から放出される光の波長より短い凹凸面と、
を備えてなるIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【０００６】
このように構成された発光素子によれば、基板と発光層構造とがともにIII族窒化物系化合物半導で形成されているため、両者の屈折率が実質的に等しく、発光層構造から放出された光が両者の境界面において全反射されることがない。
更には、光放出面となる基板の第2の面に凹凸面を設け、この凹凸面のピッチが発光層構造から放出される光の波長より短くされているため、基板と外界との間に屈折率の傾斜領域が形成されるのみで、基板と外界との間に境界面は存在しない。よって、基板と外界との境界面での全反射が生じなくなり、発光層構造から基板を透過した光の全てを外界へ取出すことが可能となる（図１参照）。
また、基板をIII族窒化物系化合物半導体からなるものとし、サファイア基板をもたないため、発光素子の端面（側面）からの光の出射割合が小さい。そのため、端面と外界との間において全反射が生じたとしても当該端面からの出射割合が小さく、発光素子全体における光取出し効率に殆ど影響しない。
【０００７】
上記において、凹凸面のピッチは発光素子の発光波長により近いものとすることが好ましい。例えば、凹凸面のピッチを発光波長の１０〜３００％とすることができる。
【０００８】
かかる凹凸面の形成方法は特に限定されるものではないが、次の方法を採用することができる。
III族窒化物系化合物半導体からなる基板の第2の面をＫＯＨ等のアルカリ水溶液に浸漬し、当該第2の面へIII族窒化物系化合物半導体のバンドギャップに対応する波長より短波長の光（およそ３６５ｎｍより短い波長の光）を照射する。これにより、第2の面に微細な凹凸が形成され、白濁状態として目視観察される。第2の面へ照射する光は、単色光であっても連続光であってもよい。また、光の照射は連続的であっても、間欠的であってもよい。
【０００９】
III族窒化物系化合物半導体のバンドギャップに対応する波長より短い波長の光を照射することにより、半導体表面の電子が励起され、アルカリ水溶液によるエッチングを受けてその表面に微小な凹凸が形成されると考えられる。
同様に、III族窒化物系化合物半導体を加熱することによってもアルカリ水溶液に接触させることにより微細な凹凸を形成することができる。
加熱の方法は特に限定されず、アルカリ水溶液自体を昇温させることの他、熱線（波長が４０μｍ程度遠赤外線）を照射してもよい。
【００１０】
このように構成された発光素子は微細な凹凸が形成された第2の面を主たる光放出面とする。
この発明の発光素子によれば、発光層構造から放出された光の全てがIII族窒化物系化合物半導体からなる基板から放出されるので、例えば放出される光の波長が短い場合、発光素子を封止する部材に対する影響が大きくなる。
そこで、封止部材を発光素子の基板の第2の面（光放出面）から離隔させることが好ましい。
基板の第2の面から出射した光は当該第2の面を離れるにつれて拡散するので、封止部材へ入射するときには単位面積当たりの光の強度が低くなっている。従って、エポキシ樹脂などの樹脂製の封止部材を用いてもこれが劣化変色することがない。また、封止部材としてガラスなどの透明性無機材料を用いてもよい。
よって、発光装置全体として高い光取出し効率と長寿命化を確保できる。
【００１１】
上記のように発光素子から封止部材を離隔したとき、この発光素子と封止部材との間に透光性の材料を充填することができる。
発光素子と封止部材との間に空気の層があると、空気中のハロゲン（特に塩素）が発光素子に悪影響を及ぼすおそれがある。とくに発光素子が高出力化したときにはハロゲンの影響を無視できなくなる。そこで、真空環境下または窒素ガスや希ガスなどの不活性ガスの環境下において発光素子から離隔した状態で封止部材を形成する必要がある。
しかしながら、このような環境での形成作業には手間とコストがかかる。
そこで、発光素子と封止部材との間を他の材料で充填してもよい。この材料はその硬度を封止部材の硬度より小さくすることが好ましい。これにより、当該充填材料が物理的緩衝作用を奏し、発光装置の耐衝撃性が向上する。
さらには、充填材料をゲル状とすることが好ましい。かかる充填材料を用いれば、発光素子上へこれを単にポッティングすることにより発光素子の周囲から空気を排除することができる。その後、何ら真空環境や不活性ガス環境を経ることなく、封止部材を周知の方法で形成することができる。これにより、安価な発光装置を提供できる。ゲル状の充填材料は発光素子及び封止部材の周面に馴染むので、発光素子と封止部材との間を隙間無く充填することができる。
充填材料はまた発光素子からの光及び熱の影響を受けて変色しないものとすることが好ましい。
かかるゲル状の充填材料としてシリコーン系ゲル、ポリイミド系ゲル、フッ素系ゲル等を挙げることができる。
発光素子と封止部材との間へ充填材料を充填すれば、当該充填材料の屈折率は真空の屈折率より高いので、封止部材において発光素子に対向する面における全反射をより未然に防止できる。よって、より高い光取出し効率を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の実施例を説明する。
図２に実施例の発光素子１を示す。
この発光素子１は基板２と発光層構造３とから構成される。
ＧａＮからなる基板２の上面（光放出面、第２の面）の全面には微細な凹凸が形成されている。凹凸のピッチは約２００ｎｍであり、発光層構造３から放出される光に対して屈折率の傾斜領域を形成する（図１参照）。
基板２の導電型は特に限定されるものでないが、基板２に良好な導電性を確保するためにｎ型とすることが好ましい。また、基板２の厚さも特に限定されないが、１μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。
【００１３】
発光層構造３は基板２の下面（光放出面、第１の面）に積層されており、クラッド層５及び７、発光層６及び電極層８を少なくとも備えている。
符号５及び符号７はクラッド層である。クラッド層５及び７の間に発光層６が介在されている。クラッド層５はｎ型、クラッド層７はｐ型とすることが好ましい。
クラッド層５及び７は複数の層及び／又は超格子構造とすることができる。クラッド層７と電極層８との間にはコンタクト層を介在させることもできる。
発光層３は量子井戸構造（多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造）を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
電極層８はクラッド層７の全面に積層されており、発光素子１の全面へ均等に電流を供給するとともに、発光層６からの光を上方へ（基板２の光放出面側へ）反射させる。
電極層８と別個に反射層を設けることもできる。
【００１４】
かかる構成の発光素子１によれば、発光層６で発光された光は（その一部は電極層８で反射されて）基板２の表面に到達し、全反射されることなく、外部へ放出される。
この実施例の発光素子１はサファイア基板などIII族窒化物系化合物半導体以外の材料で形成された層をもたないので、III族窒化物系化合物半導体層とサファイア基板等との境界面における光の反射も生じない。従って、発光層６で発光した光の取出し効率が向上する。
【００１５】
上記において、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の四元系で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ、ＡｌＸＩｎ１−ＸＮ及びＧａＸＩｎ１−ＸＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。また、発光層は任意のドーパントを含有するものであってもよい。
また、ｎ型層にドープされるｎ型不純物としてＳｉの他、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることもできる。
ｐ型層も同様にIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。ｐ型層にドープされるｐ型不純物としてＭｇの他に、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることもできる。
電極層８は金を含む金属で形成することができる。
【００１６】
上記構成の発光素子１において、各III族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ法を実行して形成することができる。そのほか、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、電子シャワー法等の方法で形成することもできる。
電極層８は蒸着により形成することができる。
【００１７】
図３は、かかる発光素子１を備えた発光装置２０を示す。図３に示すように、発光素子１はその基板２を上側にして発光装置２０の基体２１にマウントされる。図３において符号２３は反射部材、符号２５は封止部材である。
封止部材２５は発光素子１から離隔しており、両者の間には空間部２７が形成される。封止部材２５と発光素子１の光放出面との距離は５０μｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは１００μｍ以上である。封止部材２５の材料及び形状は、発光装置２０の用途及び目的に応じて任意に設計することができる。また、図４に示す通り、封止部材２５には蛍光体粒子を分散させることもできる。
この空間部２７の存在により、封止部材２５が樹脂製であっても、発光素子１から放出される光によりこれが変色することが無くなる。発光素子１から放出された光が空間部２７で分散し、封止部材２５に入射するときにはその単位面積当たりの光量が小さくなるからである。
また、空間部２７の存在により、ボンディングワイヤ２８が封止部材２５と干渉しなくなるので、発光装置２０を製造するときの歩留まりが向上する。
【００１８】
図４に示すように、空間部２７と封止部材２５との境界面に対して入射角が４５度以上の光は当該境界面で反射されるが、その光は空間部２７の周面において乱反射し、再度境界面へ到達する。これを繰り返すことにより、いずれかは封止部材２５内へ入射可能となる。よって、発光素子１から放出された光の全てを封止部材２５へ導入することができる。
封止部材２５へ導入された光は、封止部材２５を透過し、又は蛍光体粒子を励起して蛍光を発生させる。
【００１９】
図２の発光素子１は、図５及び図６の様にして製造される。なお、図５及び図６において図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
先ず、図５Ａに示すように、サファイア基板３１の上に、ＭＯＣＶＤ法などの定法に基づきIII族窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させて基板２及び発光層構造３を形成する。
ここに、成長用基板としてのサファイアの代りに、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン等を用いることができる。
【００２０】
次に、図５Ｂに示すように、ＧａＮ基板２からサファイア基板３１をレーザーリフトオフ法により分離することができる。レーザーリフトオフの実行条件は、レーザー光としてＫｒＦレーザーを使用する場合、波長：２４８ｎｍ、レーザー出力：０．７Ｊ／ｃｍ２以上とすることができる。ＫｒＦレーザーはその出力を大きくすることができるので、広い面積の焦点でもリフトオフに必要な光エネルギーを照射することができる。もって、効率的にリフトオフが可能である。
レーザー光としてＹＡＧレーザーを使用する場合、波長：３５５ｎｍ、レーザー出力０．６Ｊ／ｃｍ２以上とすることができる。ＹＡＧレーザーによればパルスレーザー光の照射時間を短くすることが可能であり、瞬間レーザー出力が高い。そのため、平均レーザー出力を低くすることが可能であり、発光素子へのダメージを抑制できる。
【００２１】
次に、図６に示すように、ＧａＮ基板２をＫＯＨ水溶液（濃度：１mol/l、温度：１５℃）に浸漬し、ＧａＮ基板の表面へ紫外線（出力１０〜３０ｍＷ／ｃｍ２）を連続的に１分間照射する。これにより、ＧａＮ基板２の表面が白濁する。本発明者らの検討によれば、当該白濁した部分には微小な凹凸が全面的に、かつ実質的に均一に形成されていた。凹凸のピッチ（平均）は約２００ｎｍであった。また、凹凸の平均深さ（高さ）も約２００ｎｍであった。
かかる凹凸のピッチは、発光層より放出される光の波長より短いので、ＧａＮ基板２の表面は当該光からみて境界面を形成しない（図１参照）。
【００２２】
上記の例では、ＫＯＨ水溶液に浸漬したＧａＮ基板２へ紫外線を照射させることにより凹凸部を形成したが、ＫＯＨ水溶液に浸漬したＧａＮ基板２の表面を加熱（５０℃×１０分程度）することによっても当該凹凸部の形成が可能である。加熱の方法としてＫＯＨ水溶液を加熱すること、ＧａＮ基板２へ熱線（遠赤外線）を照射すること、などの方法を採用することができる。
上記において、ＫＯＨ水溶液の濃度は０．３mol/l以上とすることが好ましい。加熱時間は１分以上とすることが好ましい。
なお、室温状態のＫＯＨ水溶液へ長時間ＧＡＮ基板を浸漬しておくことでもその表面が粗面化する。例えば濃度が１mol/lのＫＯＨ水溶液を室温（約１５℃）に保って、そこへＧａＮ基板を１８０分間浸漬しておくことによりその表面を粗面化することができる。上記において、ＫＯＨ水溶液の濃度は０．３mol/l以上とすることが好ましい。
【００２３】
図７は他の実施例の発光装置１２０を示す。なお、図３と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の発光装置１２０では発光素子１と封止部材２５との間にフッ素系ゲル（商品名：ＳＩＦＥＬ、会社名信越化学工業株式会社）からなる充填材料１２７が隙間無く充填されている。
かかる発光装置１２０は次のように製造される。基体２１へ発光素子１をマウントしボンディングワイヤ２８を付設する。この発光素子１へフッ素系ゲルをポッティングし、その後フッ素系ゲルに上へ更にエポキシ樹脂をポッティングする。そしてエポキシ樹脂を硬化させ、図７に示す発光装置１２０とする。また、硬化後のエポキシ樹脂をフッ素系ゲルの上に覆って発光装置１２０としてもよい。
このように構成された発光装置１２０によれば、発光素子１２０と封止部材２５との間に柔軟な充填材料１２７が介在するので、耐衝撃性に優れたものとなる。また、発光素子１を充填材料１２７で囲繞することができるので、発光素子１を他の有害な化学物質から遮断することができる。以上より、この実施例の発光装置１２０は耐久性に優れたものとなる。
【００２４】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施例の発光素子の基板の表面構造を示す模式図である。
【図２】同じく発光素子の構成を示す模式図である。
【図３】実施例の発光装置の構成を示す。
【図４】発光装置における封止部材の構成を示す模式図である。
【図５】発光素子の製造方法を示す模式図である。
【図６】ＧａＮ基板へ微細な凹凸を形成する方法を示す。
【図７】他の実施例の発光装置の構成を示す。
【符号の説明】
【００２６】
１  発光素子
２  基板
３  発光層構造
５，７  クラッド層
６  発光層
８  電極層
２０、１２０  発光装置
２５  封止部材
２７  空間部
３１  成長用サファイア基板
１２７  充填材料
【図１】
2007300069.tif 000003
【図２】
2007300069.tif 000004
【図３】
2007300069.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007300069.tif 000007
【図６】
2007300069.tif 000008
【図７】
2007300069.tif 000009