JP2012009625A

JP2012009625A - 発光素子

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Publication number: JP2012009625A
Application number: JP2010144170A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Takeuchi; 哲也竹内; Satoshi Kamiyama; 智上山; Motoaki Iwatani; 素顕岩谷; Isamu Akasaki; 勇赤崎
Original assignee: Meijo University
Current assignee: Meijo University
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-01-12

Abstract

【課題】実装される発光装置の耐環境性及び信頼性を樹脂封止のものに対して向上させつつ、製造コストの低減を図ることのできる発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子１において、電流の注入により発光する半導体積層部２０と、半導体積層部２０から発せられる光により励起されると、波長変換光を発する微結晶を含有する微結晶層４０と、を備え、ウェハの状態での白色光の評価、選別等を可能とし、製造コストの低減を図ることができた。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光層からの光により励起されると波長変換光を発する微結晶層を有する発光素子に関する。

従来、白色発光装置として、青色光を発するＬＥＤ素子と、黄色光を発する蛍光体とを組み合わせたものが知られている（特許文献１参照）。この種の白色発光装置では、ＬＥＤ素子を封止する樹脂に粉末状の蛍光体を含有させることが一般的である。白色発光装置は、ＬＥＤ素子をチップ化して実装した後に、粉末状の蛍光体を練り込ませた樹脂をチップごとに充填して製造される。

しかしながら、この白色発光装置では、樹脂を使用するため、耐熱性等の耐環境性が低くなるという課題がある。また、蛍光体を含有した樹脂を使用するので、蛍光体又は樹脂の寿命で装置の寿命が決定されてしまい、ＬＥＤ素子の寿命を迎える前に装置が使用できなくなるという問題点もある。

一方、蛍光体部材をＬＥＤチップの上に接触させて設置した白色発光装置も知られている（特許文献２参照）。特許文献２の発光装置では、封止用の樹脂が省略されている。

特開２０００−２０８８１５号公報特開２００８−２３１２１８号公報

しかしながら、特許文献２に記載の発光装置においても、蛍光体部材をＬＥＤチップと別個に設けており、ＬＥＤチップの実装後でないと白色光の評価、選別等を行うことができない。これにより、ＬＥＤチップ形成後の工程が長いことと相まって、製造コストが嵩むという問題点があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、実装される発光装置の耐環境性及び信頼性を樹脂封止のものに対して向上させつつ、製造コストの低減を図ることのできる発光素子を提供することにある。

本発明では、電流の注入により発光する半導体積層部と、前記半導体積層部から発せられる光により励起されると、波長変換光を発する微結晶を含有する微結晶層と、を備える発光素子が提供される。

上記発光素子において、前記半導体積層部に注入される電流を拡散する電流拡散構造を備えることが好ましい。

上記発光素子において、前記半導体積層部は、窒化物半導体で構成され、前記電流拡散構造は、窒化物半導体で構成されるトンネル接合構造を含んでもよい。

上記発光素子において、前記電流拡散構造は、透明な酸化物材料で構成されてもよい。

上記発光素子において、前記微結晶層は、シリコン半導体で構成されてもよい。

上記発光素子において、前記微結晶層は、窒化物半導体で構成されてもよい。

上記発光素子において、前記微結晶の径は、５ｎｍ以下であってもよい。

また、上記発光素子の製造方法であって、前記半導体積層部及び前記微結晶層が形成されたウェハを作製する作製工程と、前記ウェハを分割する分割工程と、を含む発光素子の製造方法が提供される。

本発明によれば、実装される発光装置の耐環境性及び信頼性を樹脂封止のものに対して向上させつつ、製造コストの低減を図ることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。図２は、ＬＥＤ素子の製造過程の説明図である。図３は、ＬＥＤ素子の製造過程の説明図である。図４は、ＬＥＤ素子の製造過程の説明図である。図５は、ＬＥＤ素子が実装された発光装置の模式説明図である。図６は、変形例を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。図７は、本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。図８は、本発明の第３の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。

図１から図５は本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１はＬＥＤ素子の模式断面図、図２から図４はＬＥＤ素子の製造過程の説明図、図５はＬＥＤ素子が実装された発光装置の模式説明図である。

図１に示すように、ＬＥＤ素子１は、支持基板１０上に、主として発光機能を有する第１半導体積層部２０と、主として電流拡散機能を有する第２半導体積層部３０と、第１半導体積層部２０から発せられた光により励起されると波長変換光を発する微結晶を含有する微結晶層４０と、がこの順で形成されたものである。本実施形態においては、支持基板１０はサファイア基板であり、第１半導体積層部２０及び第２半導体積層部３０はIII族窒化物半導体からなり、微結晶層４０はシリコン半導体からなり、具体的にはＳｉの微結晶を含有するＳｉＯからなる。このＬＥＤ素子１は、フェイスアップ型であり、第１半導体積層部２０から発せられた光は、支持基板１０と反対側の第２半導体積層部３０及び微結晶層４０側から主として光が取り出される。

第１半導体積層部２０は、電流の注入により発光し、バッファ層２２、ｎ型層２４、発光層２６、ｐ型層２８を支持基板１０側からこの順に有している。また、第２半導体積層部３０は、第１半導体積層部２０に注入される電流を拡散する電流拡散構造であり、高Ｍｇ濃度ｐ型層３２、高Ｓｉ濃度ｎ型層３４、ｎ型電流拡散層３６、ｎ型コンタクト層３８を第１半導体積層部２０側からこの順に有している。ここで、高Ｍｇ濃度層３２と高Ｓｉ濃度層３４とでトンネル接合層を構成している。第１半導体積層部２０のｎ型層２４上に第１電極５２が形成されるとともに、第２半導体積層部３０のｎ型コンタクト層３８上に第２電極５４が形成されている。

以下、図２から図４を参照して、ＬＥＤ素子１の製造方法について説明する。図２（ａ）は、支持基板１０に第１半導体積層部２０を成長させた状態を示し、図２（ｂ）は、さらに第２半導体積層部３０を成長させた状態を示す。
まず、支持基板１０からなるウェハを用意し、図２（ａ）に示すように第１半導体積層部２０を支持基板１０上にIII族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成する。例えば、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD）、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy : MBE）、ハライド気相エピタキシー法（Halide Vapor Phase Epitaxy : HVPE）等を用いることができる。本実施形態においては、バッファ層２２はＧａＮから、ｎ型層２４はＳｉがドープされたＧａＮからなる。バッファ層２２はｎ型層２４等の他の半導体積層部よりも低温にて成長されている。発光層２６は、ＩｎＧａＮからなり、注入される電子及び正孔の再結合により青色光を発する。ここで、青色光とは、例えば、ピーク波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光をいうものとする。本実施形態においては、発光層２６の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。ｐ型層２８はＭｇがドープされたＧａＮからなる。尚、バッファ層２２はＧａＮでなくＡｌＮから形成することもでき、発光層２６は、多重量子井戸構造だけでなく、単一量子井戸構造、歪量子井戸構造にすることもできる。

続いて、図２（ｂ）に示すように第２半導体積層部３０を第１半導体積層部２０上にIII族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成する。本実施形態においては、第１及び第２半導体積層部２０，３０はともにIII族窒化物半導体であることから、同一の製造装置で連続的に成長させることができる。本実施形態においては、高Ｍｇ濃度層３２は、ＩｎＧａＮからなり、隣接するｐ型層２８よりもＭｇ濃度が高く設定されている。また、高Ｓｉ濃度層３４は、ＩｎＧａＮからなり、隣接するｎ型電流拡散層３６よりもＳｉ濃度が高く設定されている。ｎ型電流拡散層３６及びｎ型コンタクト層３８は、ＳｉがドープされたＧａＮからなる。高Ｍｇ濃度層３２の膜厚は例えば２０ｎｍ、高Ｓｉ濃度層３４の膜厚は例えば２０ｎｍ、ｎ型電流拡散層３６の膜厚は例えば１５０ｎｍ、ｎ型コンタクト層３８の膜厚は例えば５０ｎｍとすることができる。

図３（ａ）は、第２半導体積層部３０上に微結晶層４０を形成した状態を示し、図３（ｂ）は、微結晶層４０をパターニングした状態を示す。
第２半導体積層部３０上にプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ層を形成する。ここで、ＳｉＯに代えてＳｉＮ等のＳｉを含む材料を形成してもよい。また、ＳｉＯ、ＳｉＮ等は、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等により形成することもできる。そして、８００℃〜１０００℃で熱処理を行うことにより、ＳｉＯ層の内部に所定の径のＳｉの微結晶が生成され、図３（ａ）に示すような微結晶層４０が形成される。微結晶の径は、５ｎｍ以下であることが、発光強度の観点から好ましい。本実施形態においては、微結晶層４０は、厚さが５μｍであり、Ｓｉ微結晶の体積割合は３０％、Ｓｉ微結晶の平均径は２ｎｍであり、青色の励起光により５８０ｎｍにピークをもつブロードな黄色の波長変換光を発する。この後、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより微結晶層４０をパターニングする。尚、微結晶層４０は、絶縁性を有することから、微結晶層４０を素子表面を覆う絶縁膜として利用することができる。微結晶層４０は、第２電極５４が形成される領域を除いて、ｎ型コンタクト層３８上にほぼ全面的に形成される。

図４（ａ）は、半導体積層部の一部をエッチングにより除去した状態を示し、図４（ｂ）は、第１電極５２及び第２電極５４を形成した状態を示す。
図４（ａ）に示すように、エッチングにより第１及び第２半導体積層部の一部を除去して、ｎ型層２４を露出させる。そして、図４（ｂ）に示すように、露出したｎ型層２４に第１電極５２を形成し、ｎ型コンタクト層３８に第２電極５４を形成する。第１電極５２及び第２電極５４は、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、ＩＺＯ(Indium Zinc Oxide）、ＮｉＯ等のような、耐熱性の比較的高い酸化物電極により構成される。第１電極５２及び第２電極５４は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成される。

以上の作製工程で、第１，第２半導体積層部２０，３０及び微結晶層４０が形成されたウェハが作製される。そして、第１電極５２及び第２電極５４が形成された後、ウェハの状態のまま各素子の評価、選別等を行う。評価、選別等を行った後、ウェハの分割工程において、図１に示すような各ＬＥＤ素子１に分割する。そして、図５に示すように、各ＬＥＤ素子１を基体９２に実装して発光装置９０とする。図５の発光装置９０は、ＬＥＤ素子１から発せられる光を反射するリフレクタ９４と、ＬＥＤ素子１へ電力を供給するための配線９６と、を備えている。

以上のように構成されたＬＥＤ素子１は、第１電極５２に対して、第２電極５４に順方向の電圧を印加すると、発光層２６から青色光が発せられる。このとき、ｐ型の高Ｍｇ濃度層３２とｎ型の高Ｓｉ濃度層３４とでトンネル接合構造をなし、ｎ層からｐ層へ低抵抗でトンネル電流が流れることとなる。窒化物半導体においては、ｎ層の抵抗率がｐ層の抵抗率の約１／１００と非常に低いため、ｎ層側にて電流が平面方向に広がる電流拡散作用を得ることができる。この結果、ｐ型ＧａＮ層２８には、拡散された状態で電流が流れ、発光層２６において平面視にて全体的に発光することとなる。

発光層２６から発せられた光は、微結晶層４０へ入射すると、Ｓｉの微結晶を励起して、当該微結晶から波長が変換された波長変換光が発せられる。ここで、微結晶層４０がｎ型コンタクト層３８上に全面的に形成されることから、全体的に発光する発光層２６からの光を効率良く微結晶層４０へ入射させることができる。これにより、効率良く波長変換を行うことができる。波長変換光の波長は、微結晶層４０におけるＳｉ微結晶の割合、Ｓｉ微結晶の径、微結晶層４０の厚さ等を調整することにより、例えば緑色〜赤色の範囲で適宜に変化させることができる。そして、発光層２６の青色光と、微結晶層４０の黄色光との組み合わせにより、ＬＥＤ素子１から白色光が発せられることとなる。

このように、本実施形態のＬＥＤ素子１によれば、素子から白色光が発せられるので、素子を封止する樹脂等の封止材に蛍光体を含有させる必要はない。従って、ＬＥＤ素子１の封止材や蛍光体を省略する等により、ＬＥＤ素子１の耐環境性、信頼性等を向上させつつ、コストを低減することができる。具体的に、本実施形態のＬＥＤ素子１は、８００℃以上の耐熱性、寿命１０万時間の信頼性等が実現されている。
これにより、耐環境性が要求される屋外、車載等の用途のみならず、例えば７００℃以上の熱工程が必要となるガラス、陶器等の材料にＬＥＤ素子１を埋設することができ、従来は素子の実装や交換作業が不可能であった箇所への素子の設置が可能となる。

また、チップ化することなくウェハの状態で白色発光させることができるので、評価工程、選別工程をウェハの状態で行うことができる。従って、白色のＬＥＤ素子１であるにも関わらず、単色のＬＥＤ素子と同様のプロセスフローとすることができる。このように、チップ化後の工程を極力少なくすることにより、格段のコストの低減を図ることができる。これに対し、従来のように封止材に蛍光体を含有させたものでは、素子封止後でなければ、評価、選別等を行うことができずにコスト高となってしまう。

尚、前記実施形態においては、第１電極５２及び第２電極５４としてＩＴＯ，ＩＺＯ，ＮｉＯ等の耐熱性が比較的高い酸化物電極を用いたものを示したが、ＬＥＤ素子１に要求される耐熱温度が例えば４００℃程度のように比較的低い場合には、Ｎｉ，Ａｕ，Ａｌ等の金属を用いてもよい。

また、前期実施形態においては、微結晶層４０が単層であるものを示したが、例えば図６に示すように、微結晶層１４０が多層であるＬＥＤ素子１０１とすることもできる。微結晶層１４０は、組成の異なる複数のＳｉＯ_ｘ層で構成することができ、図６においては、各層の膜厚が２μｍのＳｉＯ_ｘ（０<ｘ<２）層１４２とＳｉＯ_ｙ（０<ｘ＜ｙ<２）層１４４の二層から構成される。ＳｉＯ_ｘ層１４２はＳｉ微結晶の体積割合が３０％、平均径が２．４ｎｍであり、青色励起光により６５０ｎｍにピークを持つブロードな赤色の波長変換光を発する。ＳｉＯ_ｙ層１４４は、Ｓｉ微結晶の体積割合が１５％、平均径が１．７ｎｍであり、青色励起光により５２０ｎｍにピークを持つブロードな緑色の波長変換光を発する。これにより、図６のＬＥＤ素子１０１からは演色性の比較的高い白色光が発せられる。

図７は、本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。
このＬＥＤ素子２０１は、微結晶層２４０が第１の実施形態のＬＥＤ素子１と相違し、その他の構成は同じである。微結晶層２４０は、ＩｎＮの微結晶を含有するＧａＮからなり、第１半導体積層部２０及び第２半導体積層部３０と同一装置で連続的に形成される。ここで、ＩｎＮとＧａＮは格子不整合が大きく、ＧａＮ上にＩｎＮを形成するとＩｎＮが３次元成長することから、これを利用して所定の径のＩｎＮ微結晶を含むＧａＮ層を形成することができる。例えば、ＩｎＮ（例えば厚さ１〜５ｎｍ）／ＧａＮ（例えば厚さ：１０ｎｍ）の条件で多層構造を形成すれば、数ｎｍのＩｎＮ微結晶を含むＧａＮを形成することができる。

また、微結晶層２４０を形成する他の方法として、相分離を用いる方法もある。この場合、所定割合のＩｎ組成のＩｎＧａＮ単層膜を形成した後、熱アニールを施すことにより、ＩｎＮを凝集させてＩｎＮ微結晶を形成することができる。

本実施形態においては、ＩｎＮ微結晶の体積割合が２０％、ＩｎＮ微結晶の平均径が１．６ｎｍ、微結晶層２４０の厚さが２μｍであり、５８０ｎｍにピークをもつブロードな黄色の波長変換光が発せられる。波長変換光の波長は、微結晶層２４０におけるＩｎＮ微結晶の割合、ＩｎＮ微結晶の径、微結晶層２４０の厚さ等を調整することにより、例えば緑色〜赤色の範囲で適宜に変化させることができる。微結晶層２４０が形成された後、絶縁層（図示せず）や各電極５２，５４を形成してＬＥＤ素子２０１が完成する。

このＬＥＤ素子２０１においても、ｐ型層２８には、拡散された状態で電流が流れ、発光層２６において平面視にて全体的に発光することとなる。発光層２６から発せられた光は、微結晶層２４０へ入射すると、ＩｎＮの微結晶を励起して、当該微結晶から波長が変換された波長変換光が発せられる。そして、発光層２６の青色光と、微結晶層２４０の黄色光との組み合わせにより、ＬＥＤ素子２０１から白色光が発せられることとなる。

このように、本実施形態のＬＥＤ素子２０１によれば、素子から白色光が発せられるので、素子を封止する樹脂等の封止材に蛍光体を含有させる必要はない。従って、発光装置の封止材や蛍光体を省略する等により、発光装置の耐環境性、信頼性等を向上させつつ、コストを低減することができる。
また、白色のＬＥＤ素子２０１であるにも関わらず、単色のＬＥＤ素子と同様のプロセスフローとすることができる。このように、チップ化後の工程を極力少なくすることにより、格段のコストの低減を図ることができる。特に本実施形態においては、微結晶層２４０を各半導体積層部２０，３０と同じ窒化物半導体としたので、コスト低減効果が大きくなる。

図８は、本発明の第３の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。
本実施形態においては、第１半導体積層部３２０の発光層３２６の発光波長と、微結晶層３４０の構成と、第２半導体積層部３０に代えて透明導電酸化物層３３０を設けた点と、が第１の実施形態と主として相違している。
発光層３２６は、ピーク波長が４０５ｎｍの紫外光を発し、微結晶層３４０は当該紫外光により励起されると、青色〜赤色の波長変換光を発する。本実施形態においては、微結晶層３４０は、ＳｉＮ_ｚ／ＳｉＮ_ｙ／ＳｉＮ_ｘ（０＜ｘ＜ｙ＜ｚ＜２）の三層構造とすることができる。

図８においては、微結晶層３４０は、ＳｉＮ_ｘ層３４２とＳｉＮ_ｙ層３４４とＳｉＮ_ｚ層３４６とから構成される。微結晶層３４０は、ＳｉＮを例えばプラズマＣＶＤ法で堆積し、例えば８００℃で熱処理を行うことにより形成することができる。尚、ＳｉＮに代えてＳｉＯを用いることもできる。
ＳｉＮ_ｘ層３４２は、厚さが２μｍであり、Ｓｉ微結晶の割合が３０％、Ｓｉ微結晶の平均径が２．４ｎｍであり、紫外の励起光により６５０ｎｍにピークをもつブロードな赤色の波長変換光を発する。
また、ＳｉＮ_ｙ層３４４は、厚さが１．５μｍであり、Ｓｉ微結晶の割合が２０％、Ｓｉ微結晶の平均径が１．７ｎｍであり、紫外の励起光により５２０ｎｍにピークをもつブロードな緑色の波長変換光を発する。
さらに、ＳｉＮ_ｚ層３４６は、厚さが１μｍであり、Ｓｉ微結晶の割合が１５％、Ｓｉ微結晶の平均径が１．４ｎｍであり、紫外の励起光により４５０ｎｍにピークをもつブロードな青色の波長変換光を発する。
これにより、図８のＬＥＤ素子３０１からは演色性の高い白色光が発せられる。

また、本実施形態においては、電流拡散構造としてｐ型ＧａＮ層２８よりもシート抵抗の小さい透明導電酸化物層３３０が設けられ、透明導電酸化物層３３０の上に微結晶層３４０が形成されている。透明導電酸化物層３３０として、例えば耐熱性に優れるＩＴＯを用いることができ、ＩＴＯとした場合は微結晶層３４０を８００℃で熱処理した場合にも、透明性や導電性に悪影響がない。透明導電酸化物層３３０は、例えばスパッタ法により２００ｎｍ堆積される。

以上のように構成されたＬＥＤ素子３０１によれば、第１電極５２に対して、透明導電酸化物層３３０に順方向の電圧を印加すると、発光層３２６から紫外光が発せられる。このとき、透明導電酸化物層３３０のシート抵抗がｐ型層２８より小さいので、透明導電酸化物層３３０にて電流が平面方向に広がる電流拡散作用を得ることができる。この結果、ｐ型層２８には、拡散された状態で電流が流れ、発光層３２６において平面視にて全体的に発光することとなる。

発光層３２６から発せられた光は、微結晶層３４０へ入射すると、Ｓｉの微結晶を励起して、当該微結晶から波長が変換された波長変換光が発せられる。そして、発光層３２６の紫外光と、微結晶層３４０の赤・緑・青色光との組み合わせにより、ＬＥＤ素子３０１から白色光が発せられることとなる。

また、素子から白色光が発せられるので、素子を封止する樹脂等の封止材に蛍光体を含有させる必要はない。従って、発光装置の封止材や蛍光体を省略する等により、発光装置の耐環境性、信頼性等を向上させつつ、コストを低減することができる。
さらに、白色のＬＥＤ素子３０１であるにも関わらず、単色のＬＥＤ素子と同様のプロセスフローとすることができる。このように、チップ化後の工程を極力少なくすることにより、格段のコストの低減を図ることができる。

尚、前記各実施形態においては、支持基板１０としてサファイアを用いたものを示したが、例えばＧａＮ等を用いてもよい。さらに、微結晶としてＳｉ、ＩｎＮ以外の材料を用いてもよく、その他具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

１ＬＥＤ素子
１０支持基板
２０第１半導体積層部
２２バッファ層
２４ｎ型層
２６発光層
２８ｐ型層
３０第２半導体積層部
３２高Ｍｇ濃度ｐ型層
３４高Ｓｉ濃度ｎ型層
３６ｎ型電流拡散層
３８ｎ型コンタクト層
４０微結晶層
５２第１電極
５４第２電極
９０発光装置
９２基体
９４リフレクタ
９６配線
１０１ＬＥＤ素子
１４０微結晶層
１４２ＳｉＯ_ｘ層
１４４ＳｉＯ_ｙ層
２０１ＬＥＤ素子
２４０微結晶層
３０１ＬＥＤ素子
３２０半導体積層部
３２６発光層
３４０微結晶層
３４２ＳｉＮ_ｘ層
３４４ＳｉＮ_ｙ層
３４６ＳｉＮ_ｚ層

Claims

電流の注入により発光する半導体積層部と、
前記半導体積層部から発せられる光により励起されると、波長変換光を発する微結晶を含有する微結晶層と、を備える発光素子。
前記半導体積層部に注入される電流を拡散する電流拡散構造を備えた請求項１に記載の発光素子。
前記半導体積層部は、窒化物半導体で構成され、
前記電流拡散構造は、窒化物半導体で構成されるトンネル接合構造を含む請求項２に記載の発光素子。
前記電流拡散構造は、透明な酸化物材料で構成される請求項２に記載の発光素子。
前記微結晶層は、シリコン半導体で構成される請求項１から４のいずれか１項に記載の発光素子。
前記微結晶層は、窒化物半導体で構成される請求項１から４のいずれか１項に記載の発光素子。
前記微結晶の径は、５ｎｍ以下である請求項１から６のいずれか１項に記載の発光素子。
請求項１から７のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法であって、
前記半導体積層部及び前記微結晶層が形成されたウェハを作製する作製工程と、
前記ウェハを分割する分割工程と、を含む発光素子の製造方法。