(57)【要約】【課題】半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた発光デバイスにおいて、発光強度の高い発光デバイスとその製造方法を提供する。【解決手段】発光部を有する半導体素子と該半導体素子から放射される発光の少なくとも一部を吸収して蛍光を放射する蛍光体を含む部位から構成される半導体発光デバイスにおいて、該半導体素子を構成する半導体材料中の特定の部位に等方性光散乱機能を有する部位を設置することにより、該半導体素子の発光効率を飛躍的に向上させると共に蛍光体の励起効率を向上させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光機能を有する半導体素子と、該半導体素子から放射される放射光の少なくとも一部を吸収して波長変換する蛍光体を含む部位とを備えて成り、前記半導体素子を形成する半導体材料中に、前記放射光を放射する発光部と、光散乱体を含む部位とが含まれていることを特徴とする半導体発光デバイス。
【請求項２】
前記光散乱体が前記放射光に対して等方性である請求項１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項３】
前記蛍光体を含む部位が、前記半導体材料の光取り出し面の外側に設置されている請求項１又は２に記載の半導体発光デバイス。
【請求項４】
前記蛍光体を含む部位が、無機の蛍光体粒子または有機の蛍光または燐光色素を含む、透光性の樹脂またはガラスを含む無機セラミックスにより構成されている請求項３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項５】
前記蛍光体を含む部位が、前記半導体材料中に含まれている請求項１又は２に記載の半導体発光デバイス。
【請求項６】
前記蛍光体を含む部位が、無機の蛍光体粒子または前記半導体材料と同種類の材料から構成される蛍光発光部である請求項５に記載の半導体発光デバイス。
【請求項７】
前記発光部が、前記光散乱体を含む部位と前記蛍光体を含む部位との間に設けられており、出力光が主として前記蛍光体を含む部位の側から取り出される請求項１、２、３、４、５又は６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項８】
前記半導体素子がサブマウントに接着されており、前記光散乱体を含む部位が、該サブマウントと前記半導体素子との接着面から前記発光部までの間に配設されている請求項７に記載の半導体発光デバイス。
【請求項９】
前記半導体素子が３−５族元素から構成される化合物半導体を含む請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１０】
前記化合物半導体が窒化ガリウムを含む窒化物半導体である請求項９に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１１】
前記光散乱体を含む部位において、前記光散乱体が不規則に分散されている請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１２】
前記光散乱体の融点または分解温度または変型温度が、前記光散乱体を含む半導体素子の製造時の最高プロセス温度よりも高い請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１又は１１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１３】
前記光散乱体が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、セリア、マグネシア、イットリウムアルミニウムガーネット系無機粒子、シリコンカーバイド、窒化シリコン、窒化ホウ素、ダイヤモンド、ポリスチレン及びプラスチック粒子からなる群の少なくとも一種類を含む請求項１２に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１４】
前記光散乱体が、半導体中に形成された空隙を含む請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１５】
前記光散乱体が球状のものを含む請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３又は１４に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１６】
前記光散乱体が、球状のシリカまたは、該光散乱体を含む半導体製造プロセスにおいて球状シリカを含有せしめた後、該シリカ部分を除去して生成する球状空隙のいずれかを含む請求項１５に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１７】
前記出力光が白色であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、又は１６に記載の半導体発光デバイス。
【請求項１８】
複数の発光デバイスから構成される発光デバイスアレイであって、請求項１〜１６に記載のいずれかの半導体発光デバイスを少なくともその一部として用いていることを特徴とする発光デバイスアレイ。
【請求項１９】
前記半導体材料が、無機結晶材料でありエピタキシャル成長方法により形成される部位を含む請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６又は１７に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２０】
前記半導体材料が、光散乱体材料の塗布工程を含むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の発光デバイスまたは発光デバイスアレイの製造方法。
【請求項２１】
光散乱体を含む半導体材料が、光散乱体材料の塗布工程を含むことにより形成される結晶材料であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の発光デバイスまたは発光デバイスアレイの製造方法。
【請求項２２】
光散乱体を含む半導体材料が、光散乱体材料の塗布工程と、その後工程としてエピタキシャル成長方法を組み合わせることにより形成される結晶材料であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の発光デバイスまたは発光デバイスアレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光デバイス、半導体発光デバイスアレイ及びこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種表示装置用あるいは照明用としても、化合物半導体ＬＥＤ、高分子ＬＥＤ、低分子有機ＬＥＤ等の各種半導体発光デバイスが広く用いられてきている。
【０００３】
例えば、式Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される、化合物半導体の一種である窒化物半導体からなる層を有して成る窒化物半導体発光素子は、紫外、青色もしくは緑色発光ダイオード、または紫外、青色もしくは緑色レーザダイオード等の半導体発光素子として、もしくはこれらの発光素子の放射する光の一部または全てを蛍光体により波長変換し、これにより得られた光もしくはこれにより得られた光と元の光の一部とを混合して得られる光を利用する白色光発光デバイスのための発光素子として用いられている。表示装置用あるいは照明用として用いられる半導体発光デバイスの場合、より高い輝度が求められる。
【０００４】
非特許文献１には、窒化物半導体発光デバイスの場合、そのデバイス作製に用いる窒化物半導体積層基板として、内部にストライプ状（複数の棒状）のＳｉＯ2 を含有する層を備えてなる窒化物半導体積層基板を用いることが提案されている。そして、その製造方法として、サファイアからなる基板上にＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ層を成長させ、その表面にＣＶＤ法によりＳｉＯ2 層を形成し、通常のフォトリソグラフ法によりこのＳｉＯ2 層を１〜４μｍの幅のストライプ状に除去し、その除去された部分において下層のＧａＮ層を露出させることによりストライプ状のＳｉＯ2 を形成し、ＭＯＶＰＥ法により、露出したＧａＮ層と残存するストライプ状のＳｉＯ2 からなる凹凸のある面の上にさらにＧａＮを成長させ、これにより成長したＧａＮ層の上にクラッド層や発光層等の窒化物半導体層を成長させて、ストライプ状のＳｉＯ2 を含有する層を有してなる窒化物半導体積層基板を製造する方法が提案されている。
【非特許文献１】A.Usui,H.Sunakawa,A.Sakai and A.Yamaguchi,Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.36,1997年、L899ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この提案された構成によると半導体発光デバイスの輝度を改善することができるが、まだ充分ではなく、さらに輝度の高い半導体発光デバイスとその製造方法が求められていた。また、従来の製造方法によると、半導体成長工程中において通常のフォトリソグラフ法によるストライプ状のＳｉＯ2 を形成する工程を含む必要があるため、コストが高くなると言う問題点を有していた。
【０００６】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題を解決することができる半導体発光デバイス、半導体発光デバイスアレイ及びこれらの製造方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の目的は、高輝度の半導体発光デバイス、半導体発光デバイスアレイ及びこれらの製造方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の目的は、低コスト化を図ることができる高輝度の半導体発光デバイス、半導体発光デバイスアレイ及びこれらの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、半導体発光デバイスについて鋭意検討した結果、ストライプ状ＳｉＯ2 を含有する従来の半導体発光素子に代えて、粒状の光散乱体を含む部位をその内部あるいは界面に有してなる半導体発光素子が高い輝度を有する半導体発光デバイスを与えることを見出すと共に、基板上に、光散乱機能を有する粒状の光散乱体を含有した半導体層を積層することにより、高い輝度を示す半導体発光デバイスを製造することができ、かつ、半導体発光素子に該発光素子より放射される光を吸収しより長波長の蛍光を放射する蛍光体を含む部位を組み合わせることにより、より一層発光効率が高い半導体発光デバイスが得られることを見出し、これらの知見に基づいて本発明を完成させるに至った。
【００１０】
請求項１の発明によれば、発光機能を有する半導体素子と、該半導体素子から放射される放射光の少なくとも一部を吸収して波長変換する蛍光体を含む部位とを備えて成り、前記半導体素子を形成する半導体材料中に、前記放射光を放射する発光部と、光散乱体を含む部位とが含まれていることを特徴とする半導体発光デバイスが提案される。
【００１１】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記光散乱体が前記放射光に対して等方性である半導体発光デバイスが提案される。
【００１２】
請求項３の発明によれば、請求項１又は２の発明において、前記蛍光体を含む部位が、前記半導体材料の光取り出し面の外側に設置されている半導体発光デバイスが提案される。
【００１３】
請求項４の発明によれば、請求項３の発明において、前記蛍光体を含む部位が、無機の蛍光体粒子または有機の蛍光または燐光色素を含む、透光性の樹脂またはガラスを含む無機セラミックスにより構成されている半導体発光デバイス。
【００１４】
請求項５の発明によれば、請求項１又は２の発明において、前記蛍光体を含む部位が、前記半導体材料中に含まれている半導体発光デバイスが提案される。
【００１５】
請求項６の発明によれば、請求項５の発明において、前記蛍光体を含む部位が、無機の蛍光体粒子または前記半導体材料と同種類の材料から構成される蛍光発光部である半導体発光デバイスが提案される。
【００１６】
請求項７の発明によれば、請求項１、２、３、４、５又は６の発明において、前記発光部が、前記光散乱体を含む部位と前記蛍光体を含む部位との間に設けられており、出力光が主として前記蛍光体を含む部位の側から取り出される半導体発光デバイスが提案される。
【００１７】
請求項８の発明によれば、請求項７の発明において、前記半導体素子がサブマウントに接着されており、前記光散乱体を含む部位が、該サブマウントと前記半導体素子との接着面から前記発光部までの間に配設されている半導体発光デバイスが提案される。
【００１８】
請求項９の発明によれば、請求項１、２、３、４、５、６、７又は８の発明において、前記半導体素子が３−５族元素から構成される化合物半導体を含む半導体発光デバイスが提案される。
【００１９】
請求項１０の発明によれば、請求項９の発明において、前記化合物半導体が窒化ガリウムを含む窒化物半導体である半導体発光デバイスが提案される。
【００２０】
請求項１１の発明によれば、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０の発明において、前記光散乱体を含む部位において、前記光散乱体が不規則に分散されている半導体発光デバイスが提案される。
【００２１】
請求項１２の発明によれば、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１又は１１の発明において、前記光散乱体の融点または分解温度または変型温度が、前記光散乱体を含む半導体素子の製造時の最高プロセス温度よりも高い半導体発光デバイスが提案される。
【００２２】
請求項１３の発明によれば、請求項１２の発明において、前記光散乱体が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、セリア、マグネシア、イットリウムアルミニウムガーネット系無機粒子、シリコンカーバイド、窒化シリコン、窒化ホウ素、ダイヤモンド、ポリスチレン及びプラスチック粒子からなる群の少なくとも一種類を含む半導体発光デバイスが提案される。
【００２３】
請求項１４の発明によれば、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１の発明において、前記光散乱体が、半導体中に形成された空隙を含む半導体発光デバイスが提案される。
【００２４】
請求項１５の発明によれば、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３又は１４の発明において、前記光散乱体が球状のものを含む半導体発光デバイスが提案される。
【００２５】
請求項１６の発明によれば、請求項１５の発明において、前記光散乱体が、球状のシリカまたは、該光散乱体を含む半導体製造プロセスにおいて球状シリカを含有せしめた後、該シリカ部分を除去して生成する球状空隙のいずれかを含む半導体発光デバイスが提案される。
【００２６】
請求項１７の発明によれば、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、又は１６の発明において、前記出力光が白色であることを特徴とする半導体発光デバイスが提案される。
【００２７】
請求項１８の発明によれば、複数の発光デバイスから構成される発光デバイスアレイであって、請求項１〜１６のいずれかの半導体発光デバイスを少なくともその一部として用いていることを特徴とする発光デバイスアレイが提案される。
【００２８】
請求項１９の発明によれば、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６又は１７の発明において、前記半導体材料が、無機結晶材料でありエピタキシャル成長方法により形成される部位を含む半導体発光デバイスが提案される。
【００２９】
請求項２０の発明によれば、請求項１〜１８のいずれかに記載の発光デバイスまたは発光デバイスアレイの製造方法において、前記半導体材料が、光散乱体材料の塗布工程を含むことを特徴とする製造方法が提案される。
【００３０】
請求項２１の発明によれば、請求項１〜１８のいずれかの発明において、光散乱体を含む半導体材料が、光散乱体材料の塗布工程を含むことにより形成される結晶材料であることを特徴とする発光デバイスまたは発光デバイスアレイの製造方法が提案される。
【００３１】
請求項２２の発明によれば、請求項１〜１８のいずれかの発光デバイスまたは発光デバイスアレイの製造方法において、光散乱体を含む半導体材料が、光散乱体材料の塗布工程と、その後工程としてエピタキシャル成長方法を組み合わせることにより形成される結晶材料であることを特徴とする発光デバイスまたは発光デバイスアレイの製造方法が提案される。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、従来に比べて低コストで著しく高輝度の半導体発光デバイスを提供でき、特に表示装置用及び照明用等に好適であり、本発明は工業的に極めて重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００３４】
図１は、本発明による半導体発光デバイスの実施の形態の一例を示す層構造図である。図１に示した半導体発光デバイス１は、窒化物半導体を利用したもので、ヒートシンク部材２の上に、基板３が設けられれており、基板３の上には発光機能を有する窒化物半導体層４が形成されている。
【００３５】
基板３は、成長基板３１の上に窒化物半導体基板３２を適宜の方法で形成したもので、窒化物半導体基板３２には粒状の光散乱体３３から成る散乱部３４が設けられている。本実施の形態では、散乱部３４は、成長基板３１と窒化物半導体基板３２との境界部に設けられており、層状にしかも成長基板３１と窒化物半導体基板３２とを分離させるような、光散乱層の形態で形成されている。しかし、図１に示した散乱部３４の上述の形態は一例であり、散乱部３４の形態をこれに限定する趣旨ではない。
【００３６】
窒化物半導体層４は、ｎ型コンタクト層４１、発光層４２及びｐ型コンタクト層４３がこの順序で基板３の窒化物半導体基板３２上に形成されて成り、ｐ型コンタクト層４３の上には透明ｐ型電極５が形成されている。符号５１で示されるのは透明ｐ型電極５を外部と電気的に接続するためのリード線である。ｎ型コンタクト層４１にはｎ型電極６が設けられており、ｎ型電極６をリード線６１によって外部と電気的に接続することができる構成となっている。透明ｐ型電極５及ｎ型電極６としては、通常用いられているＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属からなる電極を用いることができる。
【００３７】
半導体発光デバイス１を構成する、窒化物半導体基板３２、ｎ型コンタクト層４１、発光層４２及びｐ型コンタクト層４３は、いずれも窒化物半導体層であって、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される窒化物半導体から成っている。透明ｐ型電極５とｎ型電極６との間に電圧を印加することにより発光した発光層４２からの光は、透明ｐ型電極５を通って外部に取り出される。
【００３８】
発光層４２からの光の一部は基板３の方向に向かい、散乱部３４において散乱する。半導体発光デバイス１は、窒化物半導体基板３２内に散乱部３４を適宜の形態で含むことにより、その理由は必ずしも明らかではないが、発光層４２による発光機能で得られた光が散乱部３４において散乱することにより、散乱部３４がない場合に比べて、発光層４２による発光機能で得られた光を著しく高輝度で取り出すことができるのである。
【００３９】
散乱部３４の働きで透明ｐ型電極５から高輝度の光として取り出された光を、さらに高輝度の光とするため、透明ｐ型電極５に対向して蛍光体部７が設けられている。ここでは、蛍光体部７は、透明ｐ型電極５を覆うようにして透明ｐ型電極５に接近して設けられた略均一の厚さの層状の部材となっている。
【００４０】
散乱部３４の働きで透明ｐ型電極５から取り出された高輝度の光は、少なくともその一部が蛍光体部７により波長変換され、これにより得られた波長変換光と透明ｐ型電極５からの元の光の一部とが混合され、これにより蛍光体部７から高輝度の白色光が外部に向けて出される。
【００４１】
基板３と窒化物半導体層４とは、封止樹脂８により図示の如く封止されている。蛍光体部７は封止樹脂８内であって、その上部に固定的に設けられている。
【００４２】
本発明に用いる光散乱体３３としては、例えば、酸化物、窒化物、炭化物、硼化物及び硫化物等の化合物からなる無機粒子等が挙げられる。また半導体の種類、製造工程によってはポリスチレン等の有機プラスティック粒子を用いることもできる。
【００４３】
より具体的には、無機粒子として使用できるのは、酸化物系の場合、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、セリア、酸化亜鉛、酸化スズ及びイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）等が挙げられ、これらの構成元素を他元素で部分置換したものも含まれる。
【００４４】
窒化物系としては、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素等が挙げられ、これらの構成元素を他元素で部分置換したものも含まれる。例えば、シリコンとアルミニウムと酸素と窒素からなるサイアロン等の化合物も用いることができる。
【００４５】
炭化物系としては、ＳｉＣ、炭化硼素、ダイヤモンド、グラファイト、フラーレン類等が挙げられ、これらの構成元素を他元素で部分置換したものも含まれる。
【００４６】
硼化物系粒子としては、ＺｒＢ2 、ＣｒＢ2 等が挙げられ、これらの構成元素を他元素で部分置換したものも含まれる。
【００４７】
硫化物系としては、硫化亜鉛、硫化カルシウム、硫化ストロンチウム等が挙げられ、これらの構成元素を他元素で部分置換したものも含まれる。
【００４８】
これらの無機粒子はそれぞれ単独で用いることができ、あるいはそれぞれを混合して用いることもできる。また、窒化物からなる無機粒子を酸化物で被覆したような被覆粒子も用いることができる。さらに、上記無機粒子中にセリウムやユーロピウムなどの付活剤を導入した蛍光体粒子も用いることができる。またそれらの粒子をいったん半導体中に含有せしめ、しかる後に該粒子を選択的に除去して生成する空孔をも利用することができる。
【００４９】
図１に示した実施の形態では、散乱部３４が光散乱体３３により構成されているが、散乱部３４はこの構成に限定されるものではない。例えば、光散乱体３３として用いることができる上述したいずれかの粒子を後述するような方法によって一旦窒化物半導体基板３２中に含有せしめ、しかる後、含有された粒子を窒化物半導体基板３２から選択的に除去し、これにより生成された空孔を、散乱部３４と同一の機能を果たすための光散乱部として用いることができる。
【００５０】
上記無機粒子を構成する化合物の中でも酸化物系のものが好ましく、その中でもシリカがより好ましく、光散乱体としての形状を制御する上で該光散乱体の融点または分解温度または変形温度が該光散乱体を含む半導体素子の製造時の最高プロセス温度よりも高いことが好ましい。
【００５１】
本発明に用いる無機粒子等を利用して形成される光散乱体の平均粒径は、通常５ｎｍ〜５０μｍ、好ましくは１０ｎｍ〜１０μｍである。平均粒径が５ｎｍ未満である場合や平均粒径が５０μｍを越える場合には、いずれの場合でも輝度向上効果が少なくなる傾向がある。
【００５２】
本発明に用いる無機粒子等を利用して形成される光散乱体は、粒状のものであって、球状、板状、針状、不定形など任意の形状のものが使用でき、中でも球状が方向性を持たないためより好ましい。
【００５３】
本発明に用いる無機粒子等を利用して形成される光散乱体は、球状で、単分散で、比較的粒径の揃ったものがある点で、コロイダルシリカに含まれるシリカ粒子が極めて好ましい。
【００５４】
本実施の形態では、発光機能層を窒化物半導体を用いて構成した場合の例について説明した。この他、本発明の半導体発光デバイスとしては、窒化物半導体ＬＥＤのほか、高分子ＬＥＤ、低分子有機ＬＥＤ等についても同様の構成とすることで、同様の高輝度特性を得ることができる、しかし、本発明は、窒化物半導体層を有してなる窒化物半導体発光デバイスには殊に効果的である。
【００５５】
いずれにしても、本発明による半導体発光デバイスは、無機粒子、空孔等により形成され半導体発光素子から放射される光を光散乱させるための部位と、該半導体発光素子から放射される光を受け蛍光を発する蛍光体を含む部位とを有している。
【００５６】
蛍光体を含む部位は、無機の蛍光体粒子または有機の蛍光または燐光色素を含む透光性の樹脂またはガラスを含む無機セラミックス、または蛍光または燐光機能を有する高分子材料等により構成することができ、また蛍光機能を有する半導体材料も用いることができる。
【００５７】
上記実施の形態で窒化物半導体基板３２として説明された、無機粒子、空孔等を利用して形成される光散乱部を有する半導体部材は、窒化物半導体発光デバイス用、高分子ＬＥＤ用、低分子有機ＬＥＤ用のいずれの場合においても、発光層と基板との間に配設することができるほか、発光層の基板に対して反対側の層としてもよい。しかし、光散乱体を有する半導体部材は発光層と基板との間に配設するのが好ましく、とりわけ基板上に基板と接して配設する構成が好ましい。また蛍光体を含む部位と光散乱させるための部位との間に発光機能部が位置する構成が、本発明による発光デバイス構造として好適である。
【００５８】
図１に示した実施の形態では、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎで示される窒化物半導体からなる窒化物半導体層４が、ｎ型の導電性を有する層、ｐ型の導電性を有する層、これらの間に挟まれた発光層を備えて構成された場合を示した。しかし、これらの層に加えて、これらの層を高品質の結晶にするために必要な単層あるいは多層の層（厚膜層、超格子薄膜層である場合を含む）がさらに含まれていてもよい。
【００５９】
例えば、ｎ型コンタクト層４１は、単層構成のほか、ｎ型コンタクト層にｎ型クラッド層を設けるなどした複数層構成とすることもでき、同様にｐ型コンタクト層４３も、単層構成のほか、ｐ型コンタクト層にｐ型クラッド層を設けるなどした複数層構成とすることもできる。
【００６０】
より好ましい窒化物半導体層４の構成としては、ｎ−ＧａＮ、ｎ−ＡｌＧａＮ等からなるｎ型の導電性を有する層（クラッド層）、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ等からなる発光層、アンドープＧａＮ、ｐ−ＧａＮ等からなるｐ型の導電性を有する層（クラッド層）、ＭｇドープＡｌＧａＮ、ＭｇドープＧａＮからなるキャップ層が順次積層されてなるものが挙げられる（例えば、特開平６−２６０６８２０公報、特開平７−１５０４１号公報、特開平９−６４４１９号公報、特開平９−３６４３０号公報を参照）。
【００６１】
本発明を高分子ＬＥＤに適用する場合、高分子ＬＥＤの構成例として、陰極と電子輸送層と発光層と正孔輸送層と陽極と基板とをこの順で有してなる構成の高分子ＬＥＤ、陰極と発光層と正孔輸送層と陽極と基板とをこの順で有してなる構成の高分子ＬＥＤが挙げられる。この場合、無機粒子あるいは有機プラスティック粒子等を利用して形成される光散乱部位は、電子輸送層または正孔輸送層のいずれかの層に含有される構成が好ましい。
【００６２】
高分子ＬＥＤ用の半導体発光デバイスにおいては、基板は通常はガラス基板が用いられ、陽極としては透明電極（ＩＴＯ）からなる薄膜が用いられる。正孔輸送層に用いる正孔輸送材料としては、ポリビニルカルバゾールもしくはその誘導体、ポリシランもしくはその誘導体、側鎖もしくは主鎖に芳香族アミン化合物基を有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンもしくはその誘導体、ポリチオフェンもしくはその誘導体が挙げられる。
【００６３】
発光層に用いられる高分子発光体としては、例えばポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリフルオレン（ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）第３０巻、Ｌ１９４１頁（１９９１年））、ポリパラフェニレン誘導体（アドバンスト・マテリアルズ（Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．）第４巻、３６頁（１９９２年））、イリジウムを中心金属とする３重項発光錯体Ｉｒ（ｐｐｙ）3 （アプライド  フィジックスレターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）第７５巻、４頁（１９９９年））などを用いることができる。
【００６４】
電子輸送層として用いる電子輸送材料としては、オキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタンもしくはその誘導体、ベンゾキノンもしくはその誘導体などを用いることができる。
【００６５】
陰極としては、仕事関数の小さい材料が好ましく、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウムを用いることができる。
【００６６】
無機粒子あるいは有機プラスティック粒子等を利用して形成される光散乱体は通常は前記正孔輸送層または電子輸送層に含有させる。こうして構成される半導体積層基板に発光層に電流を流すための電極を設置して、高分子ＬＥＤが構成される。高分子あるいは低分子を用いたＬＥＤは素子形成温度が比較的低いため、光散乱体としては無機粒子の他、ポリスチレン等の有機粒子をも用いることができる。
【００６７】
次に、本発明の製造方法の実施の形態の一例について説明する。
【００６８】
図２は、図１に示した半導体発光デバイス１の製造方法の一実施形態を説明するための図である。先ず、図２の（ａ）に示されるように、成長基板３１を用意する。成長基板３１としては、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＬｉＴａＯ3 、ＺｒＢ2 、ＣｒＢ2 、窒化ガリウムからなる基板、及びこれらの化合物からなる基板上に窒化物半導体を成長させた複合体を用いることができる。
【００６９】
次に、成長基板３１の表面３１Ａ上に光散乱体３３を適宜の手法を用いて設ける。ここでは、光散乱体３３として無機粒子を用いた場合につき説明する。したがって、以下の説明においては、光散乱体３３とは無機粒子であり、単に無機粒子と称することがある。
【００７０】
成長基板３１上に、無機粒子を含有する窒化物半導体層を積層して窒化物半導体基板３２を形成するために、成長基板３１上に無機粒子を配置した後、窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。窒化物半導体としては、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される３−５族窒化物半導体が好ましい。
【００７１】
成長基板３１上に光散乱体３３を配置する方法は、半導体加工に通常用いられるフォトリソグラフィを用いることができる。しかし、光散乱体３３を水等の媒体に分散させたスラリーを用いて該スラリー中へ成長基板３１を浸漬させるか、または、該スラリーを成長基板３１上に塗布や噴霧した後に乾燥させることにより、成長基板３１上に光散乱体３３をより容易に配置することができる。乾燥処理の際、スピナーを用いることもできる。
【００７２】
成長基板３１上に配置させる光散乱体３３の成長基板３１に対する被覆率は、特に限定されないが、好ましくは０．１％〜９０％であり、より好ましくは５％〜８０％である。０．１％未満では得られた半導体発光デバイスは高い輝度を示さない傾向があり、９０％を越えると成長基板３１の有効表面積が減り、その上に窒化物半導体層がエピタキシャル成長しにくくなる傾向がある。また光散乱体３３の配置はランダムであってもよいし規則的であってもよいが、ランダムな方が製造も容易であり、また散乱効果も著しい。
【００７３】
また、光散乱体３３は、散乱方向に異方性のあるものでもよいが、例えば球状あるいは完全不規則構造を有する粒子などの等方性の散乱特性のものを用いる方がより好ましい。光散乱体３３が個別には異方性構造を有するものであっても、光散乱体３３を異なる方位に多数配置することで少なくともその発光デバイスの内部では平均として等方的な散乱特性を有していればそれも等方性散乱体とみなすこともできる。
【００７４】
以上のようにして成長基板３１上に光散乱体３３を配置して成長領域を形成させた後、該成長領域でファセット構造を形成させる成長を行い、エピタキシャル成長により、前記成長領域に窒化物半導体を成長させる（図２（ｂ））。すなわち、光散乱体３３を配置した成長基板３１上にファセット構造３２Ａを形成しながら窒化物半導体を成長させる。成長基板３１上に配置した光散乱体３３は、前記成長領域における窒化物半導体層の成長時において、マスクとして作用し、光散乱体３３の無いところが成長領域となる。
【００７５】
この後、横方向成長を促進させることによりファセット構造３２Ａを埋め込んで平坦化させ（図２（ｃ））、窒化物半導体基板３２を成長させれば、ファセットまで到達した転位は横方向に曲げられるため、無機粒子３３を窒化物半導体層内に埋没させて含有させることができる。このとき、結晶欠陥を大幅に減らせることがあるので、ファセット構造３２Ａを埋め込んで表面を平坦化した窒化物半導体層を成長させる工程を有する製造方法が好ましい。
【００７６】
なお、窒化物半導体基板３２の成長において、最初にＧａＮ、ＡｌＮ等からなるバッファ層を成長させておいてもよい。
【００７７】
次いで、窒化物半導体層４を窒化物半導体基板３２上に成長させる。窒化物半導体層４のエピタキシャル成長方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法などを適宜に用いることができる。
【００７８】
ＭＯＶＰＥ法を用いて窒化物半導体基板３２を結晶成長させる場合、以下のような化合物を出発原料として用いることができる。なお、以下の説明は、窒化物半導体基板３２の形成ばかりでなく、窒化物半導体層４の成長の場合にも適用できるものである。
【００７９】
３族原料としては、例えばトリメチルガリウム［（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、以下ＴＭＧと記すことがある］、トリエチルガリウム［（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｇａ、以下ＴＥＧと記すことがある］等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ｇａ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は、低級アルキル基を示す）で表されるトリアルキルガリウム、トリメチルアルミニウム［（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、以下ＴＭＡと記すことがある］、トリエチルアルミニウム［（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ａｌ、以下ＴＥＡと記すことがある］、トリイソブチルアルミニウム［（ｉ−Ｃ4 Ｈ9 ）3 Ａｌ］等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ａｌ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は、低級アルキル基を示す）で表されるトリアルキルアルミニウム、トリメチルアミンアラン［（ＣＨ3 ）3 Ｎ：ＡｌＨ3 ］、トリメチルインジウム［（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、以下ＴＭＩと記すことがある］、トリエチルインジウム［（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｉｎ］等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ｉｎ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は、低級アルキル基を示す）で表されるトリアルキルインジウム、ジエチルインジウムクロライド［（Ｃ2 Ｈ5 ）2 ＩｎＣｌ］などのトリアルキルインジウムから１ないし２つのアルキル基をハロゲン原子に置換したもの、インジウムクロライド［ＩｎＣｌ］など一般式ＩｎＸ（Ｘはハロゲン原子）で表されるハロゲン化インジウム等が挙げられる。これらは、単独で用いても混合して用いてもよい。
【００８０】
５族原料としては、例えばアンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、１，１−ジメチルヒドラジン、１，２−ジメチルヒドラジン、ｔ−ブチルアミン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独でまたは任意の組み合わせで混合して用いることができる。これらの原料のうち、アンモニアとヒドラジンは、分子中に炭素原子を含まないため、半導体中への炭素の汚染が少なく好適である。
【００８１】
ＭＯＶＰＥ法においては、成長時雰囲気ガス及び有機金属原料のキャリアガスとしては、窒素、水素、アルゴン、ヘリウムなどの気体を単独あるいは混合して用いることができ、水素、窒素、ヘリウムが好ましい。
【００８２】
以上の原料ガスを反応炉に導入して窒化物半導体層を成長させる。反応炉は、原料供給装置から原料ガスを反応炉に供給する原料供給ラインを備え、反応炉内には基板を加熱するためのサセプタが設けられている。サセプタは、窒化物半導体層を均一に成長させるために、通常は回転装置によって回転できる構造となっている。サセプタの内部には、サセプタを加熱するための赤外線ランプ等の加熱装置が備えられている。この加熱により、原料供給ラインを通じて反応炉に供給される原料ガスが成長基板上で熱分解し、基板上に所望の化合物を気相成長させることができるようになっている。反応炉に供給された原料ガスのうち未反応の原料ガスは、排気ラインより反応炉の外部に排出され、排ガス処理装置へ送られる。
【００８３】
なお、本発明の製造方法においては、無機粒子等を利用して形成される光散乱体の配置と窒化物半導体層の成長のプロセスは、同一成長基板に対して複数回繰り返してもよい。複数回行うことにより、１回だけ行う場合より高い輝度を示す窒化物半導体素子を与える窒化物半導体積層基板となることがある。すなわち、成長基板３１の上に散乱部３４が設けられている窒化物半導体基板３２を複数層形成することにより、一層だけの場合に比べて、より高い輝度を示す窒化物半導体素子を与える窒化物半導体積層基板となることがある。
【００８４】
さらに、本発明の窒化物半導体発光デバイスの製造方法においては、成長基板３１表面に無機粒子等を利用して形成される光散乱体が配置されていることから、成長基板３１とその上に成長する窒化物半導体層との接合面積が少ないため、成長基板３１から窒化物半導体層を剥離しやすいという特性も有する。例えば、レーザーや超音波を用いて成長基板３１から窒化物半導体基板３２を剥離する工程において、無機粒子が配置されていない場合に比べて容易に剥離させることができる。成長基板３１の剥離前に、窒化物半導体基板３２に導電性基板、高熱伝導性基板等を接着しておくこともできる。
【００８５】
こうして、窒化物半導体積層基板（図２（ｃ）の状態）に窒化物半導体層４を積層した後、透明ｐ型電極５及びｎ型電極６電極を形成する。次いで蛍光体を含む部位である蛍光体部７を設けることにより、図１に示す構成の半導体発光デバイス１を得る。なお、必要であれば、窒化物半導体発光素子として機能させるための適切な大きさに発光素子を切断する工程を含んで、半導体発光デバイス１を製造するようにしてもよい。蛍光体を含む部位は無機蛍光体粒子を分散させたポリマーあるいは無機媒質を用いることができ、また蛍光色素を含有するポリマーあるいは蛍光機能をそれ自身が有するポリマーを用いることができ、さらには蛍光を発生することができる半導体層を半導体積層基板にモノリシックに形成したものも利用することができる。
【００８６】
本発明の製造方法によれば、半導体材料が高分子ＬＥＤ用の半導体材料である場合は、例えば次のようにして半導体積層基板を製造することができる。
【００８７】
スパッタ法により１００〜２００ｎｍの厚さのＩＴＯ薄膜（陽極）を付けたガラス基板のＩＴＯ薄膜の上に、スピンコートにより無機粒子含有ポリ( エチレンジオキシチオフェン) ／ポリスチレンスルホン酸溶液（バイエル社、Ｂａｙｔｒｏｎ）の５０ｎｍ程度の厚さの薄膜を正孔輸送層として形成し、乾燥した後に、スピンコートにより高分子発光体のクロロホルム溶液の７０ｎｍ程度の厚さの薄膜を発光層として形成し、さらに、これを減圧下８０℃等の条件で乾燥した後、蒸着により陰極バッファ層としてフッ化リチウムの厚さ０．４ｎｍ程度の薄膜を、陰極として金属カルシウムの厚さ２５ｎｍ程度の薄膜を、次いで金属アルミニウムの厚さ４０ｎｍ程度の薄膜を形成し、高分子ＬＥＤ用の半導体積層基板を製造することができる。そして、発光層に電流を供給するための電極を設置することにより、本発明による高分子ＬＥＤを製造することができる。
【００８８】
本発明の発光デバイスの構成であるが、元となる光を放射する半導体素子中の発光部位が、該半導体素子中の光散乱体を含む部位と発光デバイスにおいて蛍光体を含む部位との間に位置していることが好ましい。また、半導体素子がサブマウントに接着されている場合、該半導体素子中の光散乱体を含む部位が、該サブマウントとの接着面と該半導体素子中の第１の光の発光部との間に位置していることが好ましく、蛍光体を含む部位の少なくとも一部を光散乱体を含む部位に対して上記の位置に配置することにより、該発光素子から放射される元となる光の発光強度と該発光デバイスに含まれる蛍光体との光学的結合が強まり、蛍光変換効率を向上させると共に、蛍光体から半導体材料側に放射された光も該散乱体により効果的に散乱され、光を有効に取り出すことができる。
【００８９】
本発明における光散乱体の効果の１つは、半導体発光素子から放射される光の内、光取り出し面とは逆方向に放射された光を、該逆方向に設置した光散乱体により反対方向に反射する、という効果が考えられる。発光素子の発光部からの光放射に方向性が無い場合、光取り出し面方向とその逆方向に放射される光とは同程度の比率であると考えられ、逆方向の光を効果的に反射できるならば光取り出し面方向への光強度は最大２倍程度向上することが考えられる。しかしながら粒子状散乱体による光散乱方向は該逆方向に入射する光に対し必ずしも光取り出し面方向に向いているとは限らないため、実際の効率向上は２倍以下とも考えられる。しかし本発明によれば光取り出し面からの光放射強度の向上効果は場合によっては２倍以上に及び、このような散乱体を半導体材料自身の中に有することで特異的に光取り出し強度が向上する、という格別な効果が認められるのである。
【００９０】
本発明による半導体発光デバイスは高い発光効率を有し、各種の表示用、照明用として用いることができる。発光デバイスを構成する半導体発光素子の発光波長及び蛍光体を選ぶことにより、所望の色を有する発光デバイスを製造することができる。例えば半導体発光素子から放射される元の光を青色とし、蛍光体として青色光の一部を吸収し、黄色い蛍光を放射するセリウム付活のガーネット系蛍光体を組み合わせることで、高効率の白色の発光デバイスを製作することができる。また半導体発光素子から放射される元の光を紫外光とし、蛍光体として紫外光を吸収して赤色、緑色、青色の蛍光を放射することのできる蛍光体を組み合わせることでやはり白色の発光デバイスを製造できる。また元の光として青色の光を放射できる発光デバイスを多数並べた発光ダイオードアレイにおいて、該アレイの発光デバイスの一部に該元の青色光を吸収して緑色、及び赤色の蛍光を放射できる蛍光体を含む層を付加することにより青色、緑色、赤色の三原色を含み、白色を含む広い色表示が可能な高効率発光デバイスアレイを製造することができる。
【実施例】
【００９１】
以上、本発明の実施態様につき詳細に説明してきたが。以下、さらに具体的に、本発明の一実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００９２】
実施例１
成長基板はサファイアのＣ面を鏡面研磨したものを用いた。無機粒子としてはコロイダルシリカ（扶桑化学工業（株）製、ＰＬ−２０（商品名）、１次粒径３７０ｎｍ、粒子濃度２４重量％）に含まれているシリカ粒子を用いた。スピナーに成長基板をセットし、その上に１０重量％に希釈したコロイダルシリカを塗布し、スピン乾燥を行った。ＳＥＭで観察したところ、シリカ粒子による成長基板表面の被覆率は約３９％であった。
【００９３】
続いて、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、シリカ粒子を窒化物半導体層に埋没させた。エピタキシャル成長には常圧ＭＯＶＰＥ法を用いた。１気圧で、サセプタの温度を４８５℃、キャリアガスを水素とし、キャリアガス、アンモニア及びＴＭＧを供給して、厚みが約５００ÅのＧａＮバッファ層を成長した。次に、サセプタの温度を９００℃にしたのち、キャリアガス、アンモニア、ＴＭＧを供給して、アンドープＧａＮ層を形成した。次に、サセプタ温度１０４０℃にして炉圧力を１／４気圧に落とし、キャリアガス、アンモニア及びＴＭＧを供給して厚さ約５μｍのアンドープＧａＮ層を形成した。以上のようにして、ＧａＮ結晶中にシリカ粒子が層状に含有されている窒化物半導体中間基板を得た。得られた窒化物半導体中間基板の断面透過型電子顕微鏡観察したところ、転位が折れ曲がっていることが観測された。
【００９４】
続いて、ｎ型半導体層、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）、ｐ型半導体層を順に形成し、発光波長４４０ｎｍの青色ＬＥＤ用窒化物半導体積層基板とし、さらに、ｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工、電極形成、素子分離を行い、窒化物半導体からなる窒化物半導体発光素子を得た。ｐ型電極層としてはＡｕＮｉを成分とする半透明電極を形成し、ＩｎＧａＮ発層からの光をｐ型電極側から取り出す構造とした。次に、この窒化物半導体発光素子を一辺約３００μｍ角のチップとして切り出し、焼結窒化アルミセラミック製サブマウントの上にサファイア基板側を接着し、チップ上部のｐ型電極及びｎ型電極からワイヤボンディングにより電極線を引き出し、外部端子に接続した。最後に光取り出し面となるｐ電極層上にセリウム付活テルビウムアルミニウムガーネット系蛍光体粉末を分散させたエポキシ樹脂を塗布して半導体発光デバイスを作製した。得られた白色発光デバイスの通電２０ｍＡでの光出力を測定したところ５．１ｍＷであった。
【００９５】
実施例２
無機粒子としてコロイダルシリカ（（株）日本触媒製、シーホスターＫＥ−Ｗ５０（商品名）、１次粒径５５０ｎｍ）（粒子濃度２０重量％を１０重量％に希釈して使用）に含まれているシリカ粒子を用いた他は実施例１と同様にして無機粒子の配置を行った。ＳＥＭで観察したところ、シリカ粒子による成長基板表面の被覆率は約３６％であった。続く窒化物半導体層の成長、窒化物半導体積層基板の作製、窒化物半導体発光素子の作製、蛍光体含有層の形成は実施例１と同様にして行った。得られた白色発光デバイスの通電２０ｍＡでの光出力を測定したところ、９．０ｍＷであった。
【００９６】
実施例３
基板としてサファイアのＣ面を鏡面研磨したものの上にＧａＮ層を成長させたものを用いた他は実施例１と同様にして行った。ＳＥＭで観察したところ、シリカ粒子による成長基板表面の被覆率は約３２％であった。続く窒化物半導体層の成長、窒化物半導体積層基板の作製、窒化物半導体発光素子の作製、蛍光体含有層の形成は実施例１と同様にして行った。得られた白色発光デバイスの通電２０ｍＡでの光出力を測定したところ、７．６ｍＷであった。
【００９７】
比較例１
無機粒子は使用しなかったこと以外は実施例１と同様にして窒化物半導体積層基板、次いで窒化物半導体発光素子、次いで蛍光体含有層を形成して発光デバイスを得た。得られた白色発光デバイスの通電２０ｍＡでの光出力を測定したところ、３．０ｍＷであった。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す断面図。
【図２】本発明の製造方法の一実施形態を説明するための工程概略図。
【符号の説明】
【００９９】
１  半導体発光デバイス
２  ヒートシンク部材
３  基板
４  窒化物半導体層
５  透明ｐ型電極
６  ｎ型電極
７  蛍光体部
８  封止樹脂
３１  成長基板
３２  窒化物半導体基板
３３  光散乱体
３４  散乱部
４１  ｎ型コンタクト層
４２  発光層
４３  ｐ型コンタクト層
５１、６１  リード線
【図１】
2007194289.tif 000003
【図２】
2007194289.tif 000004