JP2017195423A

JP2017195423A - 発光素子

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Publication number: JP2017195423A
Application number: JP2017151749A
Authority: JP
Inventors: 幸利丸谷; Yukitoshi Marutani
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: JP6384578B2

Abstract

【課題】本発明は、光取り出し効率の高い発光素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る発光素子は、半導体部を有し、平面形状が凹多角形であり、凹多角形の内角のうち、１以上の内角が鋭角である。【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子およびそれを用いた発光素子アレイに関する。特に、発光素子の光取出し効率を向上させるとともに、配光特性の制御も可能とする半導体発光素子に関する。

特許文献１では三角柱形状（特許文献１の図６）あるいは三角錐台形状（特許文献１の図１０）の発光素子が提案されている（特許文献１図６、図１０参照。）。特許文献１では、発光素子の外面を鋭角とすることで、発光素子内部で一度全反射された光が次の面へ入射する角度が小さくなるようにし、発光素子内部における全反射の繰り返しが抑制できる旨が記載されている。特許文献２の請求項５も同様である。

特開平１０−３２６９１０特開２０１２−２３２４９

しかし、特許文献１や特許文献２のような形状の発光素子では、活性層で発生した光が発光素子外部に取り出されるまでに発光素子内部を伝播する距離が長いため、光取出し効率を十分に高めることができなかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光取り出し効率を向上させた発光素子を提供することを目的とする。

本発明に係る発光素子は、半導体部を有する発光素子であって、前記発光素子の平面形状が凹多角形であり、前記凹多角形の内角のうち、１以上の内角が鋭角である。

これにより、発光素子内部での光吸収を抑制し、光取出し効率を高めることができる。

一実施形態に係る発光素子の斜視図である。一実施形態に係る発光素子において、発光素子内部で発生した光が発光素子外部に取り出されるまでの距離が短くなることを説明する図である。一実施形態に係る発光素子が、１種類で平面充填可能であることを示す図である。図１以外の他の実施形態に係る発光素子の、平面形状を示す図である。一実施形態に係る発光素子を用いた発光素子アレイと従来例とを比較した図である。一実施形態に係る発光素子を用いた発光素子アレイの、図５以外の並べ方の例を示す図である。一実施形態に係る発光素子の製造方法において、発光素子に切り出す方法を示す図である。

以下に図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。

（発光素子）
図１に、本発明の第１の実施形態にかかる発光素子１００の概略斜視図を示す。なお、本発光素子において、図１の下側（第１電極４０側、つまり実装面側）を「下」と表現し、図１の上側（第２電極３０側、つまり、実装面と反対側）を「上」と表現している。

図１に示すように、第１の実施形態において、発光素子１００は、その平面形状が凹多角形（凹角を有する多角形）であり、凹多角形の内角のうち、１以上の内角が凹角（１８０°よりも大きく、３６０°よりも小さい角度）であり、１以上の内角が鋭角である。ここで、平面形状とは、上方および下方から発光素子１００を見たときの形状である。平面形状において内角に１以上の鋭角を設けることにより、発光素子１００の内部で生じた光が発光素子１００の内部で全反射を繰り返すことを抑制し、光取出し効率を向上させることができる。さらに、平面形状において内角に凹角を設けることにより、凹角を設けない場合と比較して、光が外部に取り出されるまでに光が通る距離を短くできるので、電極などによる発光素子１００内部における光の吸収も抑制できる（詳細は後述する。）。つまり、発光素子１００は、この両者の構成を備えることにより、光取出し効率を飛躍的に向上させることができる。

図１に示すように、発光素子１００は、基板１０上に、第１半導体層２１、活性層２２、第２半導体層２３からなる半導体部２０を有している。基板１０の下面には光反射性を有する第１電極４０が設けられている。また、半導体部２０の上面には、透明電極３１とパッド電極３２から構成される第２電極３０が設けられている。そして、発光素子１００は、平面形状が、鋭角である１以上の内角と、凹角である１以上の内角と、を有する多角形である。

なお、本実施形態において、第１電極４０をｎ電極、第２電極３０をｐ電極とすることが典型的であるが、第１電極４０をｐ電極、第２電極３０をｎ電極とすることも可能である。

なお、図１においては、半導体部２０の外形と第１電極４０および透明電極３１の外形が一致したように描いているが、実際は第１電極４０および透明電極３１の外形を半導体部２０の外形より小さくしてもよい。また、活性層２２が露出した側面近傍は、短絡防止のため絶縁膜により覆われていてもよい。そして、鋭角部分はチッピング防止のため鋭角部の先端が丸くなるようにしてもよい。

発光素子１００の効果を、図２を用いて従来例と比較しながら説明する。図２は、発光素子内部の点Ｐで生じた光が外部へ取り出されるまでの平面視における距離の長さを示すものである。図２（ａ）に、発光素子の平面形状が、平面形状が凹四角形である発光素子１００を示し、図２（ｂ）に、発光素子の平面形状が凸三角形である従来例を示す。図２（ａ）のように内角の１つを凹角とすることで、図２（ｂ）のように凸多角形とする場合よりも、発光素子内部の点Ｐから多角形の各辺、すなわち発光素子の側面までの距離を短くすることができる。光が発生した位置から光が取り出される側面までの距離を短くすることで、活性層２２で発生した光が発光素子内部の電極などにより吸収されるのを抑制することができる。その結果、光取り出し効率の高い発光素子１００とすることができる。

発光素子１００の平面形状は、凹多角形の中でも、図１に示すような、３つの内角が鋭角であり１つの内角が凹角である凹四角形とすることが好ましい。凹四角形とすることで、内角のうち凹角以外のすべての角を鋭角とすることが可能である。凹角以外の角がすべて鋭角である場合、鋭角を構成する２面間において、発光素子１００の内部で発生した光が側面に入射する際の入射角を小さくすることができる。そのため、側面に入射した光のうち、発光素子１００の内部へ全反射する割合を少なくし、外部へ取り出される割合を多くすることができる。すなわち、発光素子１００の光取り出し効率を高めることが可能である。また、凹四角形は凹五角形や凹六角形と比べて形が単純なので、製造過程において、各層が積層された基板１０（以下、ウェハー）から発光素子１００を切り出す際、他の凹多角形と比べてより割れや欠けを抑制することができる。そのため、製造工程における歩留まりを良好とすることができる。

発光素子１００の平面形状は、１種類の発光素子１００の平面形状を複数用いて組み合わせることで平面を敷き詰めることができる、所謂、平面充填が可能な形状とすることが好ましい。図３に、発光素子１００の平面形状を用いて平面充填を行う例を示す。発光素子１００の平面形状を、１種類の平面形状を用いて平面充填可能な形状とすることで、各半導体層が積層された基板（以下、ウェハー）から発光素子１００を切り出す際、ウェハーを無駄にすることなく複数の発光素子１００へと分割できる。平面充填可能な凹多角形としては、凹四角形の他に、凹角を２つ有する平行六辺形（図４（ａ）、発光素子２００）や、凹角を２つ有する平行六辺形を合同な２つの凹多角形に分割してできた図形（図４（ｂ）、発光素子３００）、平行六辺形の一部を切り取り他辺に貼りつけてできた図形（図４（ｃ）、発光素子４００）などが挙げられる。

各部材の材料や膜厚は特に限定されず、公知のものを適宜使用できる。本実施形態においては、基板１０の上に半導体部２０を形成するため、基板１０の材料としては、半導体部２０をエピタキシャル成長させるのに適した材料から形成される。図１の場合は、基板１０上の半導体部２０を形成しない面に第１電極４０を形成し、半導体部２０上に第２電極３０を形成するため、両電極の間に配置される基板１０は、導電性を有する。そのため、窒化物半導体（ＧａＮなど）やＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＳｉＣなどが基板１０の材料として挙げられ、例えば厚さ約３００μｍの（０００１）面を主面とするｎ型ＧａＮ基板を用いることが可能である。

具体的には、例えば、ＧａＮからなる基板１０の上に、半導体部２０として多層構造のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を形成することができる。半導体部２０は、例えば、第１半導体層２１を４．６μｍ厚Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層とし、活性層２２を井戸層（３ｎｍ厚のＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ）と障壁層（２５ｎｍ厚のＧａＮ）からなる多重量子井戸構造（井戸数６）とし、第２半導体層２３を２０ｎｍ厚Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ０．２μｍ厚Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層とすることができる。第１電極４０としては、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕや、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｌなどが、第２電極３０の透明電極３１としては例えば６０ｎｍ厚のＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などが、パッド電極３２としてはＰｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｒｈ／Ａｕなどがそれぞれ利用できる。

なお、図１のような形態の他にも種々の形態のものが考えられる。例えば、他の形態として、基板１０にサファイヤなどの絶縁性透光基板を使用し、半導体部２０における基板１０側の面とは異なる面に第１電極４０および第２電極３０を形成したフリップチップ構造の発光素子とすることができる。また、ＣｕＷなどの導電性で非透光性の支持基板の上に導電性接着層、第２電極３０、半導体部２０、第１電極４０を設けた構造のものとすることもできる。また、本実施形態では第２電極３０に透明電極３１を有することで、発光素子１００の側面と同時に上面からも光を取り出す構造としているが、例えば第１電極４０および第２電極３０に光反射性を持たせることで、発光素子１００の側面からのみ光を取り出す構成とすることも可能である。

（発光素子アレイ）
上記のような発光素子を複数並べ、実装基板に実装することで、発光素子アレイとすることができる。図５は、発光素子アレイの例を示したものである。図５（ａ）に、発光素子１００を凹角の向きが配列方向と等しくなるように並べた発光素子アレイ１０００を示す。発光素子アレイ１０００においては、図５（ａ）に示すように、発光素子１００の平面形状における凹多角形の凹角を構成する辺と、凹角に隣接する凸角の頂点どうしを結ぶ直線（凹多角形の外部を通る対角線）により囲まれる領域（領域Ｒ）の内側に、他の発光素子の一部が配置されるように並べることが好ましい。ここで、凹角に隣接する凸角とは、凹角を構成する辺が、凹角と異なる側の端部において他の辺との間でなす凸角のことである。言い換えれば、発光素子アレイ１０００においては、発光素子１００の平面形状における凹角以外の全ての凸角の頂点をそれぞれ直線で結ぶことによって囲まれる領域から、凹多角形の内部を除いた多角形形状の領域内に、他の発光素子の一部が配置されていることが好ましい。そうすることで、発光素子１００の側面側から発光素子アレイを見渡したときに、各発光素子間に間隔が空いていないように見えるため、発光素子アレイを発光させた際、側面方向における輝度ばらつきを抑制することができる。

図５（ｂ）に、図４（ｃ）に示されるような、平面形状において複数ある内角のうちの隣り合う２つが凹角である発光素子４００を並べて発光素子アレイ２０００とする場合を示す。その場合も、図５（ａ）と同様の領域Ｒ内に、他の発光素子の一部が配置されること（凹角以外の全ての凸角の頂点をそれぞれ直線で結ぶことによって囲まれる領域から、凹多角形の内部を除いた多角形形状の領域内に、他の発光素子の一部が配置されていること）が好ましい。そうすることで、図５（ａ）の発光素子アレイ１０００によって得られる効果と同様の効果を得ることができる。なお、複数の種類の平面形状の発光素子を用いて発光素子アレイとすることも可能である。例えば、図１のような平面形状の発光素子１００と、図４（ｃ）のように複数の凹角が隣り合う平面形状の発光素子４００を並べた発光素子アレイとすることも可能である。

図５（ｃ）は、比較のための従来例であり、従来の直方体形状の発光素子を並べたアレイである。この場合、発光素子内部で発生し側面から取り出された光は、隣接する発光素子の側面との間で反射を繰り返すうちに、隣接する発光素子に吸収されて減衰する。一方、図５（ａ）や図５（ｂ）の場合、発光素子の凹角を形成する２辺と、隣接する発光素子の凸角を構成する２辺との距離が、凹角から遠くなるにつれ大きくなるように配置される。そうすることで、図５（ａ）および図５（ｂ）に矢印で示すように、発光素子同士の距離が一定である場合（図５（ｃ））と比較して、発光素子側面から取り出された光が隣接する発光素子との間で反射する回数を減らすことが可能である。

発光素子アレイの他の形態として、図６（ａ）に示すように、発光素子１００の凹角の向きが配列方向に対して略垂直となるよう並べることも可能である。その場合、凹角の角度を調節することで、凹角側から出射する光の量を調整できる。そうすることで、非対称な配光分布を有する発光素子とすることができ、コープ照明などの間接照明に好適に利用することができる。その他にも、図６（ｂ）に示すように、発光素子１００を環状に配置することも可能である。そのように配置することで、スポットライト用光源として好適に利用することができる。

（発光素子の製造方法）
以下に、本実施形態に係る発光素子１００の製造方法の一例を具体的に説明する。

（半導体部成長工程）
基板１０上（（０００１）面上）に、第１半導体層２１、活性層２２、第２半導体層２３で構成される半導体部２０を、例えばＭＯＣＶＤ法などを用いてエピタキシャル成長させる。基板１０には、その一端に結晶方位を示すオリエンテーションフラット（ＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎＦｌａｔ）がＧａＮ単結晶の（１０−１０）面がでるように設ける。ＭＯＣＶＤ法による結晶成長では、キャリアガスとして水素（Ｈ_２）または窒素（Ｎ_２）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ_３）、を用い、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ_４）を、ｐ型にはＭｇ原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いる。これらの原料ガスの供給量を変化させることにより、各ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の組成を調整することができる。結晶成長は例えば約１気圧（約１００ｋＰａ）にて行うことができる。

（第２電極形成工程）
第２半導体層２３上に、フォトリソグラフィ、反応性イオンエッチング、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング、蒸着、リフトオフ、アニールなど公知の半導体ウェハープロセス技術を用いて、第２電極３０を形成する。まず、第２半導体層２３上の所定の位置に通常のフォトリソグラフィ、スパッタリング、およびリフトオフを用いて透明電極３１を形成する。次に、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングを用いて、略凹多角形（例えば、図７に示されるような、内角が２４０°、３０°、６０°、３０°であり、辺の長さが約１ｍｍ、約０．５８ｍｍ、約０．５８ｍｍ、約１ｍｍである、図１と対応する凹四角形）の外周として幅５０μｍ程度の溝を形成し、第１半導体層２１を溝底に露出させる。発光素子１００の平面形状を凹四角形、凹四角形のうち長い方の辺を基板のオリエンテーションフラットと平行になるようにすることで、発光素子１００の側面を｛１０−１０｝面と｛１１−２０｝面とで構成でき、チップ分割がより容易となる。次に反応性イオンエッチングのマスクとなったレジストを除去し、その後、プラズマＣＶＤ法により全面にＳｉＯ_２などからなる絶縁膜を成膜する（図示せず。）。続いて、透明電極３１の上の絶縁膜の一部に、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングを用いてコンタクト孔を開け、コンタクト孔を覆うようにパッド電極３２を所定の形状に形成する。

（ウェハー研磨工程）
次に第２電極３０形成後のウェハーを研磨し厚さを調整する。研磨用のホルダにウェハーを貼り付け、研磨面となるウェハーの下面（（０００−１）面）を研削機で研削した後、研磨剤を含んだラッピングマシンで研磨する。仕上げにアルカリ性水溶液を用いて、ポリッシングクロス上でＣＭＰ研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）を行う。多段階の研磨工程を経ることで、ウェハーの総厚が約１００μｍとなり、ウェハーの下面は平坦な鏡面となる。

（第１電極形成工程）
研磨後のウェハーをホルダから取り出した後、半導体ウェハープロセス装置にかける。研磨後のウェハーにおける、基板１０の下面（（０００−１）面）上の所定の位置に通常のフォトリソグラフィ、スパッタリング、およびリフトオフを用いて、第１電極４０を形成する。同時に、略凹四角形の外周の溝に対向する基板１０の下面には幅約５０μｍの第１電極４０のない領域（スクライブストリート）を設ける。

（チップ化工程）
次に、金属リング（ダイシングフレーム、ダイシングリング、リングフレーム、リング）に粘着シート（ダイシングテープ）を貼り第１電極４０形成後のウェハーを保持(ウェハーマウント)する。そして、レーザ加工によって、発光素子１００のチップ外形を切り出す。レーザ加工は、具体的には、多光子吸収を用いたステルスダイシング、レーザアブレーション加工、レーザー誘起背面湿式加工法（Ｌａｓｅｒ−ＩｎｄｕｃｅｄＢａｃｋｓｉｄｅＷｅｔＥｔｃｈｉｎｇ；ＬＩＢＷＥ法）による深溝加工、レーザーウォータージェットなどによって行う。そして、レーザ光を対物レンズ光学系で集光して、ウェハーのスクライブストリートに沿ってＧａＮ基板内部に焦点を合せて照射し、焦点領域で多光子吸収を起こさせ、照射前に比べて結晶強度が低い改質領域をＧａＮ基板内部に形成するステルスダイシング法により、破線を４方向（例えば、［−１０１０］、［−２１１０］、［−１２−１０］、［０１−１０］など）に引き、続いて、焦点を基板下面から深い距離の位置に設定し走査した後、浅い距離の位置に焦点を変更し二度目の操作を行い、略凹四角形の外形にチップを切り出す（図７参照）。このときに、基板のへき開面が活性層に垂直であれば、発光素子１００の側面として基板１０のへき開面を利用できる。基板のへき開面が活性層２２に斜めに交わるのであれば、へき開面が出にくい方向にチップ分割を行う。その後、エキスパンドを行って発光素子１００を分離する。

上記のような方法を用いることで、発光効率に優れた発光素子１００を製造することができる。

各種蛍光管ランプの代替をはじめ、産業用のUV照射機で従来用いられてきた水銀ランプをLED光源に置き換える動きがあり、高出力高輝度で照度均斉度の高い光源が求められている。薄型光源にしやすく、液晶パネルのバックライト用光源に好適である。また、掲示板の照明やコープ照明のように、非対称な配光が好ましい照明用光源にも適する。

１０００，２０００発光素子アレイ
１００，２００，３００，４００発光素子
１０基板
２０半導体部
２１第１半導体層
２２活性層
２３第２半導体層
３０第２電極
３１透明電極
３２パッド電極
４０第１電極

Claims

半導体部を有する発光素子であって、
前記発光素子の平面形状が凹多角形であり、
前記凹多角形の内角のうち、１以上の内角が鋭角であることを特徴とする発光素子。
前記発光素子の平面形状が、平面充填が可能な形状であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記発光素子の平面形状が凹四角形であり、
前記凹四角形の内角が、１つの凹角と、３つの鋭角からなることを特徴とする、請求項１ないし２に記載の発光素子。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光素子を複数並べた発光素子アレイであって、
前記凹角を構成する辺と、前記凹角に隣接する凸角の頂点どうしを結ぶ直線と、によって囲まれる領域の内側に、他の発光素子の一部が配置されることを特徴とする発光素子アレイ。