半導体発光素子及びその製造方法
【課題】光抽出効率を向上させ反射層の熱的信頼性を改善させた半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体発光素子は、第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物と、発光構造物上に形成され、複数のナノロッド及び複数のナノロッド間の空間を満たす空気を含むナノロッド層とナノロッド層上に形成される反射金属層とを備える反射構造物と、を有する。
【解決手段】本発明の半導体発光素子は、第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物と、発光構造物上に形成され、複数のナノロッド及び複数のナノロッド間の空間を満たす空気を含むナノロッド層とナノロッド層上に形成される反射金属層とを備える反射構造物と、を有する。
【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関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、窒化物半導体は、フルカラーディスプレイ、イメージスキャナー、各種信号システム、及び光通信機器に光源として提供される緑色又は青色発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）又はレーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）に広く用いられてきた。このような窒化物半導体発光素子は、電子と正孔との再結合原理を用いた青色及び緑色を含む、多様な光を放出する活性層を有する発光素子として提供される。
【０００３】
このような窒化物発光素子が開発された後、多くの技術的発展がなされ、その活用範囲が拡大して一般照明及び電装用光源として多くの研究が行われつつある。特に、従来、窒化物発光素子は主に低電流／低出力のモバイル製品に適用される部品として用いられたが、最近では、その活用範囲が次第に高電流／高出力の分野に拡大している。これにより、半導体発光素子の発光効率及び品質を改善するための研究が活発に行われている。
【０００４】
半導体発光素子の発光効率を改善するためには、半導体発光素子から放出された光を所望する方向へ誘導して光抽出効率を向上させる必要があり、このため、チップの内部又は表面に金属反射層が形成される。しかし、反射層として金属薄膜を適用する場合、熱に弱いために半導体層との接着性が低下するという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、光抽出効率を向上させた半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、反射層の熱的信頼性を改善させた半導体発光素子及びそ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】
【０００６】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体発光素子は、第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物と、前記発光構造物上に形成され、複数のナノロッド及び該複数のナノロッド間の空間を満たす空気を含むナノロッド層と該ナノロッド層上に形成される反射金属層とを備える反射構造物と、を有することを特徴とする。
【０００７】
前記反射構造物は、前記活性層から放出された光の波長に対して前記複数のナノロッドが形成された領域及び前記ナノロッド間の空間を満たす空気が形成された領域において異なる屈折率を示し得る。
前記反射構造物は、前記ナノロッド層が前記発光構造物の第２導電型半導体層と接するように形成され得る。
前記複数のナノロッドは、電気伝導性及び光透過性を有する物質からなり得る。
この場合、前記複数のナノロッドは、透明導電性酸化物又は透明導電性窒化物からなり得る。
また、前記透明導電性酸化物は、ＩＴＯ、ＣＩＯ、ＺｎＯのうちの少なくとも一つであり得る。
前記ナノロッド層の厚さは、λ／（４ｎ）の整数倍であり得、ここで、前記ｎは前記ナノロッドの屈折率、前記λは前記活性層から放出された光の波長である。
前記半導体発光素子は、前記反射構造物上に形成された導電性基板を更に含むことができる。
前記半導体発光素子は、その一面に前記発光構造物が形成された半導体成長用基板を更に含むことができる。
この場合、前記反射構造物は、前記半導体成長用基板の前記発光構造物が形成された面と対向する面に形成され得る。
これとは異なり、前記反射構造物は、前記半導体成長用基板上に形成された発光構造物の第２導電型半導体層上に形成され得る。
【０００８】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体発光素子の製造方法は、第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物を用意する段階と、前記発光構造物上に複数のナノロッドを含むナノロッド層を形成する段階と、前記ナノロッド層上に前記複数のナノロッド間の空間に空気が満たされるように反射金属層を形成する段階と、を有することを特徴とする。
【０００９】
前記ナノロッド層の厚さは、λ／（４ｎ）の整数倍であり得、ここで、前記ｎは前記ナノロッドの屈折率、前記λは前記活性層から放出された光の波長である。
前記反射金属層は、スパッタリング又は電子ビーム蒸着によって形成され得る。
前記ナノロッドは、前記第２導電型半導体層上に直接成長され得る。
前記半導体発光素子の製造方法は、前記反射金属層上に導電性基板を形成する段階を更に含むことができる。
前記半導体発光素子の製造方法は、半導体成長用基板上に前記発光構造物の前記第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を順次形成する段階を更に含むことができる。
この場合、前記ナノロッド層は、前記半導体成長用基板の前記発光構造物が形成された面と対向する面に形成され得る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、屈折率の差異を用いた全反射構造及び全方向性反射器構造を通じて光抽出効率を向上させた半導体発光素子を提供することができる。
また、発光構造物から放出される高熱による反射金属層の劣化を防止することで、信頼性を改善させた半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示した半導体発光素子の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【図４】本発明の第３実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。
【図６】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。
【図７】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。
【図８】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。
【図９】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。
【図１０】本発明の第１実施形態による半導体発光素子パッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による半導体発光素子パッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態による半導体発光素子パッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
しかし、本発明の実施形態は、他の多様な形態に変形することができ、本発明の範囲は、以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供するものである。従って、図面における要素の形状及びサイズ等は、より明確な説明のために誇張することがあり、図面上に同一符号で示す要素は同一要素である。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【００１５】
図１を参照すると、本実施形態による半導体発光素子１００は、第１導電型半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型半導体層２３を含む発光構造物２０と、発光構造物２０上に形成される反射構造物３０と、を含む。また、反射構造物３０は、複数のナノロッド及びナノロッド間の空間を満たす空気を含むナノロッド層３１と、ナノロッド層３１上に形成される反射金属層３２と、を備える。
【００１６】
発光構造物２０の第１導電型半導体層２１上には第１導電型半導体層２１に電気的に連結される第１電極２１ａが形成され、反射構造物３０上には導電性基板４０が形成される。この場合、導電性基板４０は、発光構造物２０の第２導電型半導体層２３に電気的に連結されて第２電極として機能する。
【００１７】
本実施形態において、第１及び第２導電型半導体層２１、２３は、それぞれｎ型及びｐ型半導体層になり得、窒化物半導体からなる。従って、これに制限されるものではないが、本実施形態の場合、第１及び第２導電型はそれぞれｎ型及びｐ型を意味すると理解してもよい。第１及び第２導電型半導体層２１、２３は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎの組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有し、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の物質がこれに該当する。
【００１８】
第１及び第２導電型半導体層２１、２３の間に形成される活性層２２は、電子と正孔との再結合によって所定のエネルギーを有する光を放出し、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造が用いられる。また、第１及び第２導電型半導体層２１、２３及び活性層２２は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ等のような当該技術分野における公知の半導体層成長工程を用いて形成することができる。
【００１９】
第１導電型半導体層２１上には第１導電型半導体層２１に電気的に連結される第１電極２１ａが形成され、第１導電型半導体層２１と第１電極２１ａとのオーミックコンタクト機能を向上させるため、ＩＴＯ、ＺｎＯ等のような透明電極が更に備えられる。図１に示した構造の場合、第１電極２１ａが第１導電型半導体層２１の中央に形成されているが、第１電極２１ａの位置及び連結構造は、必要に応じて多様に変形することができ、具体的に示していないが、電流の均一な分配のために第１電極２１ａから延長される枝電極を更に含むことができる。このとき、第１電極２１ａは、ボンディングパッドと理解してもよい。
【００２０】
反射構造物３０上に形成された導電性基板４０は、成長用基板（図示せず）上に順次形成された第１導電型半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型半導体層２３から半導体成長用基板（図示せず）を除去するためのレーザリフトオフ等の工程において、第１及び第２導電型半導体層２１、２３及び活性層２２を含む発光構造物２０を支持する支持体の役割をすることができ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｓｅ、ＧａＡｓのうちのいずれか一つを含む物質、例えばＳｉ基板にＡｌがドーピングされた物質からなる。
【００２１】
本実施形態の場合、導電性基板４０は、導電性接着層（図示せず）を媒介に発光構造物と接合される。導電性接着層には、例えばＡｕＳｎのような共融金属物質を用いる。また、導電性基板４０は、第２導電型半導体層２３に電気信号を印加する第２電極として機能し、図１に示すように、電極が垂直方向に形成される場合、電流が流れる領域が拡大して電流分散機能を向上させることができる。
【００２２】
反射構造物３０は、発光構造物２０上に形成され、複数のナノロッド及び複数のナノロッド間の空間を満たす空気を含むナノロッド層３１と、ナノロッド層３１上に形成される反射金属層３２と、を含む。
【００２３】
複数のナノロッドは、電気伝導性及び透光性を有する物質からなり、具体的には、透明導電性酸化物（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ：ＴＣＯ）又は透明導電性窒化物（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ＴＣＮ）が適用される。この場合、透明導電性酸化物は、ＩＴＯ、ＣＩＯ、ＺｎＯ等である。
【００２４】
反射金属層３２は、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ等の物質を含み、図１には反射金属層３２を一つの層で示しているが、これとは異なり、２層以上の構造を採用してもよい。また、これに制限されるものではないが、例えば、Ｎｉ／Ａｇ、Ｚｎ／Ａｇ、Ｎｉ／Ａｌ、Ｚｎ／Ａｌ、Ｐｄ／Ａｇ、Ｐｄ／Ａｌ、Ｉｒ／Ａｇ、Ｉｒ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｇ、Ｐｔ／Ａｌ、Ｎｉ／Ａｇ／Ｐｔ等が適用される。
【００２５】
複数のナノロッド及び反射金属層３２は、公知の蒸着工程、例えば、有機金属化学蒸着（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）、分子ビーム蒸着（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）等によって形成され、詳細な内容は図５〜図９を参照して後述する。
【００２６】
但し、図１にはナノロッド層３１上に形成された反射金属層３２が完全に分離された形態で示しているが、複数のナノロッド間の一部領域には反射金属層３２を形成するための金属物質が蒸着され得る。
【００２７】
図２は、図１に示した半導体発光素子の一部を拡大して示す断面図である。具体的には、反射構造物３０の形成領域に隣接した領域の断面を概略的に示す。
【００２８】
図２を参照すると、発光構造物２０上に形成される反射構造物３０は、複数のナノロッド３１ａ及びナノロッド３１ａ間の空間を満たす空気３１ｂを含むナノロッド層３１と、ナノロッド層３１上に形成される反射金属層３２と、を含む。ここで、反射構造物３０は、発光構造物２０の第２導電型半導体層２３が反射構造物３０のナノロッド層３１と接するように形成され、発光構造物２０の活性層２２から生成されて下部に放出された光は、反射構造物３０で効果的に反射されて上部に誘導される。
【００２９】
本実施形態による半導体発光素子１００の場合、主な光放出面は発光構造物２０の上面、即ち第１導電型半導体層２１が形成された面、及び発光構造物２０の側面になる。従って、導電性基板４０が形成された方向に放出された光を発光構造物２０の上面及び側面に誘導することで、光出力を向上させることができる。
【００３０】
具体的には、活性層２２から導電性基板４０に向かって放出された光のうち、複数のナノロッド３１ａの間を満たす空気３１ｂの領域に到達した光ａは、第２導電型半導体層２３及びナノロッド間の空間に満たされた空気３１ｂとの大きい屈折率の差異によって小さい臨界角を有するようになる。即ち、空気３１ｂは小さい屈折率（屈折率は約１）を有するため、第２導電型半導体層２３との大きい屈折率の差異によって臨界角以上に入射した大部分の光がその界面から全反射するようにして、光を上部に誘導する。
【００３１】
また、本実施形態において、複数のナノロッド３１ａ及び反射金属層３２は、全方向性反射器（Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＯＤＲ）構造を形成して高い反射率を有することで、活性層２２から放出された光が吸収されて消滅することを最小限にすることができる。この場合、全方向性反射器構造を具現するため、ナノロッド層３１の厚さはλ／（４ｎ）の整数倍である。ここで、ｎはナノロッド３１ａの屈折率、λは活性層から放出された光の波長である。
【００３２】
即ち、このような厚さ条件を満たすことで、複数のナノロッド３１ａ及び反射金属層３２は、全方向性反射器構造を有することができ、活性層２２から放出された光が複数のナノロッド３１ａ及び反射金属層３２の間に到達した場合ｂに反射率が極大化する。反射金属層３２は、ナノロッド層３１と接触するように形成され、消滅係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が高い物質、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ等の物質を含む。
【００３３】
本実施形態において、反射構造物３０は、活性層２２から放出された光の波長に対してナノロッド層３１の複数のナノロッド３１ａが形成された領域及びナノロッド３１ａ間の空間を満たす空気３１ｂが形成された領域において異なる屈折率を示す。反射構造物３０が部分的に異なる屈折率を示すようにするため、ナノロッド３１ａの幅、複数のナノロッド３１ａ間の間隔等を調節する。
【００３４】
この場合、各領域における反射効率を最大限にして光抽出効率を高めると共に、複数のナノロッド３１ａの間には空気３１ｂの層が形成されるため、発光構造物２０から放出される高熱による反射金属層３２の劣化を防止することができる。また、複数のナノロッド３１ａは、導電性基板４０から第２導電型半導体層２３に電気信号を印加するための電流通路（ｃｕｒｒｅｎｔ ｐａｔｈ）として機能するため、電気伝導性を有する物質が適用される。
【００３５】
図３は、本発明の第２実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【００３６】
図３を参照すると、本実施形態による半導体発光素子２００は、半導体成長用基板１１０と、半導体成長用基板１１０上に形成される発光構造物１２０と、半導体成長用基板１１０の発光構造物１２０が形成された面と対向する面に形成された反射構造物１３０と、を含む。
【００３７】
発光構造物１２０は、半導体成長用基板１１０上に順次形成された第１導電型半導体層１２１と、活性層１２２と、第２導電型半導体層１２３と、を含み、第１及び第２導電型半導体層１２１、１２３上には外部から電気信号をそれぞれ印加するための第１及び第２電極１２１ａ、１２３ａが形成される。
【００３８】
半導体成長用基板１１０には、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＧａＮ等の物質からなる基板を用いることができる。この場合、サファイアは、六角−菱型（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）の対称性を有する結晶体であり、ｃ軸方向及びａ軸方向の格子定数がそれぞれ１３．００１Å及び４．７５８Åであり、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面等を有する。この場合、Ｃ面は窒化物薄膜の成長が比較的容易であり、高温で安定しているため、窒化物成長用基板に主に使用される。バッファ層（図示せず）は、窒化物等からなるアンドープ半導体に採用され、その上に成長される半導体層の格子欠陥を緩和させることができる。
【００３９】
第１電極１２１ａは、第２導電型半導体層１２３、活性層１２２、及び第１導電型半導体層１２１の一部がエッチングされて露出した第１導電型半導体層１２１上に形成され、第２電極１２３ａは、第２導電型半導体層１２３上に形成される。この場合、第２導電型半導体層１２３と第２電極１２３ａとのオーミックコンタクト機能を向上させるため、ＩＴＯ、ＺｎＯ等のような透明電極を更に備えることができる。図３に示した構造の場合、第１及び第２電極１２１ａ、１２３ａが同一方向に向かうように形成されているが、第１及び第２電極１２１ａ、１２３ａの位置及び連結構造は、必要に応じて多様に変形することができる。
【００４０】
本実施形態による半導体発光素子２００の場合、発光構造物１２０の上面、即ち第２導電型半導体層１２３が形成された面、及び発光構造物１２０の側面が主な光放出面になる。従って、発光構造物１２０の活性層１２２から基板１１０に向かって放出された光を上部に誘導することで、発光素子の光抽出効率を向上させることができる。本実施形態の場合、半導体成長用基板１１０の発光構造物１２０が形成された面と対向する面に反射構造物１３０を形成することで、基板１１０に向かって放出された光が上部に誘導されるようにする。
【００４１】
この場合、反射構造物１３０のナノロッド層１３１が半導体成長用基板１１０と接するように形成され、ナノロッド層１３１を構成する複数のナノロッドは、半導体成長用基板１１０上に直接成長される。
【００４２】
本実施形態の場合、複数のナノロッドは、第１導電型半導体層１２１に電気信号を印加するための電流通路として機能しないため、必ずしも電気伝導性を有する物質で形成される必要はないが、発光構造物１２０から生成された熱を効果的に外部に放出するため、熱伝導性に優れた物質からなる。
【００４３】
図４は、本発明の第３実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【００４４】
図４を参照すると、本実施形態による半導体発光素子３００は、半導体成長用基板２１０と、半導体成長用基板２１０上に形成された発光構造物２２０と、発光構造物２２０上に形成された反射構造物２３０と、を含む。
【００４５】
発光構造物２２０は、半導体成長用基板２１０上に順次形成された第１導電型半導体層２２１と、活性層２２２と、第２導電型半導体層２２３と、を含み、第１及び第２導電型半導体層２２１、２２３のそれぞれと電気的に連結される第１及び第２電極２２１ａ、２２３ａを含む。
【００４６】
本実施形態において、発光構造物２２０の主な光放出面は、発光構造物２２０の側面及び半導体成長用基板２１０が形成された面になる。即ち、発光構造物２２０の活性層２２２から放出された光が半導体成長用基板２１０に向かうように誘導され、従って、ナノロッド層２３１は、第２導電型半導体層２２３と接するように形成される。
【００４７】
本実施形態の場合、ナノロッド層２３１を構成する複数のナノロッドは、第２電極２２３ａを通じて第２導電型半導体層２２３に電気信号を印加する電流経路（ｃｕｒｒｅｎｔ ｐａｔｈ）として機能するため、電気伝導性を有する物質からなる。
【００４８】
図５〜図９は、本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。具体的には、図１に示した半導体発光素子の製造方法を示す。
【００４９】
先ず、図５を参照すると、半導体成長用基板１０上に第１導電型半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型半導体層２３が順次形成される発光構造物２０を形成する。半導体成長用基板１０には、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＧａＮ等の物質からなる基板を用いる。
【００５０】
その上面に形成される窒化物半導体層の格子欠陥を緩和させるため、半導体成長用基板１０の上面にバッファ層（図示せず）を形成することができる。バッファ層は窒化物等からなるアンドープ半導体層として採用され、その上に成長される発光構造物の格子欠陥を緩和させる。
【００５１】
第１及び第２導電型半導体層２１、２３及び活性層２２は、当技術分野において公知のＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ等のような半導体層の成長工程を用いて形成される。
【００５２】
次に、図６に示すように、発光構造物２０の上面に複数のナノロッドを含むナノロッド層３１を形成する。ナノロッド層３１は、公知の蒸着工程、例えば、有機金属化学蒸着（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）によって有機金属前駆体の蒸気を基板と接触させたり、分子ビーム蒸着（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）によってビーム（ｂｅａｍ）を照射したりしてターゲット物質が基板又は半導体層上に成長されるように形成する。複数のナノロッドは、有機金属化学蒸着によって形成される場合、導入される反応気体の流入量や蒸着温度及び時間等の条件を調節して所望の形態に形成される。
【００５３】
このとき、ナノロッド層３１の厚さは、λ／（４ｎ）の整数倍（ｎ：ナノロッドの屈折率、λ：活性層から放出された光の波長）で形成され、その上面に形成される反射金属層３２とで全方向性反射器構造を形成する。
【００５４】
次いで、図７に示すように、公知の蒸着工程を用いてナノロッド層３１上に反射金属層３２を形成する。
【００５５】
反射金属層３２は、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ等の物質を含む。また、図７には反射金属層３２を一つの層で示しているが、これとは異なり、２層以上の構造を採用してもよい。
【００５６】
例えば、電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）又はスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて反射金属層３２を形成する場合、ステップカバレッジ（ｓｔｅｐ ｃｏｖｅｒａｇｅ）の特性によって、複数のナノロッド間の領域に金属物質が完全に満たされない状態で金属薄膜層を形成する。即ち、複数のナノロッド間の空間に空気が満たされた状態で残るようになる。但し、図７にはナノロッド層３１上に形成された反射金属層３２を完全に分離された形態で示しているが、複数のナノロッド間の一部領域には反射金属層３２を形成するための金属物質が蒸着され得る。
【００５７】
続いて、図８に示すように、反射構造物３０が形成された発光構造物上に導電性基板４０を形成する。
【００５８】
導電性基板（図示せず）は、半導体成長用基板１０を除去するためのレーザリフト等の工程において発光構造物２０を支持する支持体の役割を行い、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ等の半導体基板、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｒＢ、ＺｎＯ等の導電性酸化膜、ＣｕＷ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｕ等の金属基板のうちのいずれか一つからなる。
【００５９】
本実施形態の場合、導電性基板４０は、導電性接着層を媒介に発光構造物２０と接合され、導電性接着層には、例えばＡｕＳｎのような共融金属物質を用いる。また、導電性基板は、電解めっき、無電解めっき、熱蒸着（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、電子線蒸着（ｅ−ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、スパッタ（ｓｐｕｔｔｅｒ）、化学気相蒸着（ＣＶＤ）等の方式を通じて形成される。
【００６０】
次に、図９に示すように、導電性基板４０を支持体にしてレーザリフトオフ工程等を用いて半導体成長用基板１０を除去し、半導体成長用基板１０が除去されて露出した第１導電型半導体層２１上に第１電極２１ａを形成する。第１電極２１ａは、第１導電型半導体層２１の上面のどのようなところに形成されてもよいが、第１導電型半導体層２１に伝達される電流を均一に分配するため、中央部に形成される。
【００６１】
図１０〜図１２は、本発明の第１〜第３実施形態による半導体発光素子パッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【００６２】
具体的に、図１０は、図１に示した半導体発光素子１００の実装形態の一例を示し、図１１は、図３に示した半導体発光素子２００の実装形態の一例を示し、図１２は、図４に示した半導体発光素子３００の実装形態の一例を示す。
【００６３】
先ず、図１０を参照すると、本実施形態による発光素子パッケージは、第１及び第２端子部５０ａ、５０ｂを備え、半導体発光素子１００は、これらとそれぞれ電気的に連結される。この場合、半導体発光素子１００の第１導電型半導体層２１は、その上面に形成された第１電極２１ａによって第２端子部５０ｂとワイヤボンディングされ、第２導電型半導体層２３は、導電性基板４０を通じて第１端子部５０ａと直接連結される。
【００６４】
半導体発光素子１００の上部には、半導体発光素子１００を封止すると共に、半導体発光素子１００及び第１及び第２端子部５０ａ、５０ｂを固定するレンズ部６０が形成される。レンズ部６０は、発光素子１００及びワイヤを保護するのみならず、半球状からなって境界面におけるフレネル反射を減らして光抽出を増加させる役割をする。このとき、レンズ部６０は樹脂からなり、樹脂は、エポキシ、シリコン、変形シリコン、ウレタン樹脂、オキセタン樹脂、アクリル、ポリカーボネート、及びポリイミドのうちのいずれか一つを含む。また、レンズ部６０の上面に凹凸を形成して光抽出効率を高め、放出される光の方向を調節することができる。レンズ部６０の形状は、必要に応じて多様に変形することができる。
【００６５】
具体的に示していないが、レンズ部６０内には半導体発光素子１００の活性層から放出された光の波長を変換させる波長変換用蛍光体粒子が含まれる。蛍光体は、黄色（ｙｅｌｌｏｗ）、赤色（ｒｅｄ）、及び緑色（ｇｒｅｅｎ）のうちのいずれか一つに波長を変換させる蛍光体からなるか、或いは複数種の蛍光体が混合されて複数の波長に変換させる。また、蛍光体の種類は、半導体発光素子１００の活性層から放出される波長によって決定される。具体的に、レンズ部６０は、ＹＡＧ系、ＴＡＧ系、ケイ酸塩（Ｓｉｌｉｃａｔｅ）系、硫化物（Ｓｕｌｆｉｄｅ）系、又は窒化物（Ｎｉｔｒｉｄｅ）系のうちの少なくとも１種以上の蛍光物質を含む。例えば、青色発光ＬＥＤチップに黄色に波長変換させる蛍光体を適用する場合、白色発光半導体発光素子を得ることができる。
【００６６】
次に、図１１を参照すると、本実施形態による発光素子パッケージは、第１及び第２端子部５１ａ、５１ｂを備え、第２実施形態による半導体発光素子２００はこれらとそれぞれ電気的に連結される。この場合、半導体発光素子２００の第１及び第２導電型半導体層１２１、１２３上に形成された第１及び第２電極１２１ａ、１２３ａは、導電性ワイヤによってそれぞれ第２及び第１端子部５１ｂ、５１ａに連結される。
【００６７】
図１２は、本発明の第３実施形態による半導体発光素子３００の実装形態を示したもので、第１及び第２導電型半導体層２２１、２２３上に形成された第１及び第２電極２２１ａ、２２３ａは、バンプボールｂ等によって第２及び第１端子部５２ｂ、５２ａに直接連結されてフリップチップ（ｆｌｉｐ−ｃｈｉｐ）ボンディングされる。
【００６８】
但し、図１０〜図１２に示した発光素子パッケージは、本発明の第１〜第３実施形態による発光素子の実装形態に対する例示に過ぎず、具体的な実装形態及び方法は多様に変形することができる。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０、１１０、２１０ 半導体成長用基板
２０、１２０、２２０ 発光構造物
２１、１２１、２２１ 第１導電型半導体層
２１ａ、１２１ａ、２２１ａ 第１電極
２２、１２２、２２２ 活性層
２３、１２３、２２３ 第２導電型半導体層
３０、１３０、２３０ 反射構造物
３１、１３１、２３１ ナノロッド層
３１ａ ナノロッド
３１ｂ 空気
３２、１３２、２３２ 反射金属層
４０ 導電性基板
５０ａ、５１ａ、５２ａ 第１端子部
５０ｂ、５１ｂ、５２ｂ 第２端子部
６０ レンズ部
１００、２００、３００ 半導体発光素子
１２３ａ、２２３ａ 第２電極
【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関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、窒化物半導体は、フルカラーディスプレイ、イメージスキャナー、各種信号システム、及び光通信機器に光源として提供される緑色又は青色発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）又はレーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）に広く用いられてきた。このような窒化物半導体発光素子は、電子と正孔との再結合原理を用いた青色及び緑色を含む、多様な光を放出する活性層を有する発光素子として提供される。
【０００３】
このような窒化物発光素子が開発された後、多くの技術的発展がなされ、その活用範囲が拡大して一般照明及び電装用光源として多くの研究が行われつつある。特に、従来、窒化物発光素子は主に低電流／低出力のモバイル製品に適用される部品として用いられたが、最近では、その活用範囲が次第に高電流／高出力の分野に拡大している。これにより、半導体発光素子の発光効率及び品質を改善するための研究が活発に行われている。
【０００４】
半導体発光素子の発光効率を改善するためには、半導体発光素子から放出された光を所望する方向へ誘導して光抽出効率を向上させる必要があり、このため、チップの内部又は表面に金属反射層が形成される。しかし、反射層として金属薄膜を適用する場合、熱に弱いために半導体層との接着性が低下するという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、光抽出効率を向上させた半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、反射層の熱的信頼性を改善させた半導体発光素子及びそ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】
【０００６】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体発光素子は、第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物と、前記発光構造物上に形成され、複数のナノロッド及び該複数のナノロッド間の空間を満たす空気を含むナノロッド層と該ナノロッド層上に形成される反射金属層とを備える反射構造物と、を有することを特徴とする。
【０００７】
前記反射構造物は、前記活性層から放出された光の波長に対して前記複数のナノロッドが形成された領域及び前記ナノロッド間の空間を満たす空気が形成された領域において異なる屈折率を示し得る。
前記反射構造物は、前記ナノロッド層が前記発光構造物の第２導電型半導体層と接するように形成され得る。
前記複数のナノロッドは、電気伝導性及び光透過性を有する物質からなり得る。
この場合、前記複数のナノロッドは、透明導電性酸化物又は透明導電性窒化物からなり得る。
また、前記透明導電性酸化物は、ＩＴＯ、ＣＩＯ、ＺｎＯのうちの少なくとも一つであり得る。
前記ナノロッド層の厚さは、λ／（４ｎ）の整数倍であり得、ここで、前記ｎは前記ナノロッドの屈折率、前記λは前記活性層から放出された光の波長である。
前記半導体発光素子は、前記反射構造物上に形成された導電性基板を更に含むことができる。
前記半導体発光素子は、その一面に前記発光構造物が形成された半導体成長用基板を更に含むことができる。
この場合、前記反射構造物は、前記半導体成長用基板の前記発光構造物が形成された面と対向する面に形成され得る。
これとは異なり、前記反射構造物は、前記半導体成長用基板上に形成された発光構造物の第２導電型半導体層上に形成され得る。
【０００８】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による半導体発光素子の製造方法は、第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物を用意する段階と、前記発光構造物上に複数のナノロッドを含むナノロッド層を形成する段階と、前記ナノロッド層上に前記複数のナノロッド間の空間に空気が満たされるように反射金属層を形成する段階と、を有することを特徴とする。
【０００９】
前記ナノロッド層の厚さは、λ／（４ｎ）の整数倍であり得、ここで、前記ｎは前記ナノロッドの屈折率、前記λは前記活性層から放出された光の波長である。
前記反射金属層は、スパッタリング又は電子ビーム蒸着によって形成され得る。
前記ナノロッドは、前記第２導電型半導体層上に直接成長され得る。
前記半導体発光素子の製造方法は、前記反射金属層上に導電性基板を形成する段階を更に含むことができる。
前記半導体発光素子の製造方法は、半導体成長用基板上に前記発光構造物の前記第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を順次形成する段階を更に含むことができる。
この場合、前記ナノロッド層は、前記半導体成長用基板の前記発光構造物が形成された面と対向する面に形成され得る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、屈折率の差異を用いた全反射構造及び全方向性反射器構造を通じて光抽出効率を向上させた半導体発光素子を提供することができる。
また、発光構造物から放出される高熱による反射金属層の劣化を防止することで、信頼性を改善させた半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示した半導体発光素子の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【図４】本発明の第３実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。
【図６】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。
【図７】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。
【図８】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。
【図９】本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。
【図１０】本発明の第１実施形態による半導体発光素子パッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による半導体発光素子パッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態による半導体発光素子パッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
しかし、本発明の実施形態は、他の多様な形態に変形することができ、本発明の範囲は、以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供するものである。従って、図面における要素の形状及びサイズ等は、より明確な説明のために誇張することがあり、図面上に同一符号で示す要素は同一要素である。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【００１５】
図１を参照すると、本実施形態による半導体発光素子１００は、第１導電型半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型半導体層２３を含む発光構造物２０と、発光構造物２０上に形成される反射構造物３０と、を含む。また、反射構造物３０は、複数のナノロッド及びナノロッド間の空間を満たす空気を含むナノロッド層３１と、ナノロッド層３１上に形成される反射金属層３２と、を備える。
【００１６】
発光構造物２０の第１導電型半導体層２１上には第１導電型半導体層２１に電気的に連結される第１電極２１ａが形成され、反射構造物３０上には導電性基板４０が形成される。この場合、導電性基板４０は、発光構造物２０の第２導電型半導体層２３に電気的に連結されて第２電極として機能する。
【００１７】
本実施形態において、第１及び第２導電型半導体層２１、２３は、それぞれｎ型及びｐ型半導体層になり得、窒化物半導体からなる。従って、これに制限されるものではないが、本実施形態の場合、第１及び第２導電型はそれぞれｎ型及びｐ型を意味すると理解してもよい。第１及び第２導電型半導体層２１、２３は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎの組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有し、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の物質がこれに該当する。
【００１８】
第１及び第２導電型半導体層２１、２３の間に形成される活性層２２は、電子と正孔との再結合によって所定のエネルギーを有する光を放出し、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造が用いられる。また、第１及び第２導電型半導体層２１、２３及び活性層２２は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ等のような当該技術分野における公知の半導体層成長工程を用いて形成することができる。
【００１９】
第１導電型半導体層２１上には第１導電型半導体層２１に電気的に連結される第１電極２１ａが形成され、第１導電型半導体層２１と第１電極２１ａとのオーミックコンタクト機能を向上させるため、ＩＴＯ、ＺｎＯ等のような透明電極が更に備えられる。図１に示した構造の場合、第１電極２１ａが第１導電型半導体層２１の中央に形成されているが、第１電極２１ａの位置及び連結構造は、必要に応じて多様に変形することができ、具体的に示していないが、電流の均一な分配のために第１電極２１ａから延長される枝電極を更に含むことができる。このとき、第１電極２１ａは、ボンディングパッドと理解してもよい。
【００２０】
反射構造物３０上に形成された導電性基板４０は、成長用基板（図示せず）上に順次形成された第１導電型半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型半導体層２３から半導体成長用基板（図示せず）を除去するためのレーザリフトオフ等の工程において、第１及び第２導電型半導体層２１、２３及び活性層２２を含む発光構造物２０を支持する支持体の役割をすることができ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｓｅ、ＧａＡｓのうちのいずれか一つを含む物質、例えばＳｉ基板にＡｌがドーピングされた物質からなる。
【００２１】
本実施形態の場合、導電性基板４０は、導電性接着層（図示せず）を媒介に発光構造物と接合される。導電性接着層には、例えばＡｕＳｎのような共融金属物質を用いる。また、導電性基板４０は、第２導電型半導体層２３に電気信号を印加する第２電極として機能し、図１に示すように、電極が垂直方向に形成される場合、電流が流れる領域が拡大して電流分散機能を向上させることができる。
【００２２】
反射構造物３０は、発光構造物２０上に形成され、複数のナノロッド及び複数のナノロッド間の空間を満たす空気を含むナノロッド層３１と、ナノロッド層３１上に形成される反射金属層３２と、を含む。
【００２３】
複数のナノロッドは、電気伝導性及び透光性を有する物質からなり、具体的には、透明導電性酸化物（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ：ＴＣＯ）又は透明導電性窒化物（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｎｉｔｒｉｄｅ：ＴＣＮ）が適用される。この場合、透明導電性酸化物は、ＩＴＯ、ＣＩＯ、ＺｎＯ等である。
【００２４】
反射金属層３２は、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ等の物質を含み、図１には反射金属層３２を一つの層で示しているが、これとは異なり、２層以上の構造を採用してもよい。また、これに制限されるものではないが、例えば、Ｎｉ／Ａｇ、Ｚｎ／Ａｇ、Ｎｉ／Ａｌ、Ｚｎ／Ａｌ、Ｐｄ／Ａｇ、Ｐｄ／Ａｌ、Ｉｒ／Ａｇ、Ｉｒ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｇ、Ｐｔ／Ａｌ、Ｎｉ／Ａｇ／Ｐｔ等が適用される。
【００２５】
複数のナノロッド及び反射金属層３２は、公知の蒸着工程、例えば、有機金属化学蒸着（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）、分子ビーム蒸着（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）等によって形成され、詳細な内容は図５〜図９を参照して後述する。
【００２６】
但し、図１にはナノロッド層３１上に形成された反射金属層３２が完全に分離された形態で示しているが、複数のナノロッド間の一部領域には反射金属層３２を形成するための金属物質が蒸着され得る。
【００２７】
図２は、図１に示した半導体発光素子の一部を拡大して示す断面図である。具体的には、反射構造物３０の形成領域に隣接した領域の断面を概略的に示す。
【００２８】
図２を参照すると、発光構造物２０上に形成される反射構造物３０は、複数のナノロッド３１ａ及びナノロッド３１ａ間の空間を満たす空気３１ｂを含むナノロッド層３１と、ナノロッド層３１上に形成される反射金属層３２と、を含む。ここで、反射構造物３０は、発光構造物２０の第２導電型半導体層２３が反射構造物３０のナノロッド層３１と接するように形成され、発光構造物２０の活性層２２から生成されて下部に放出された光は、反射構造物３０で効果的に反射されて上部に誘導される。
【００２９】
本実施形態による半導体発光素子１００の場合、主な光放出面は発光構造物２０の上面、即ち第１導電型半導体層２１が形成された面、及び発光構造物２０の側面になる。従って、導電性基板４０が形成された方向に放出された光を発光構造物２０の上面及び側面に誘導することで、光出力を向上させることができる。
【００３０】
具体的には、活性層２２から導電性基板４０に向かって放出された光のうち、複数のナノロッド３１ａの間を満たす空気３１ｂの領域に到達した光ａは、第２導電型半導体層２３及びナノロッド間の空間に満たされた空気３１ｂとの大きい屈折率の差異によって小さい臨界角を有するようになる。即ち、空気３１ｂは小さい屈折率（屈折率は約１）を有するため、第２導電型半導体層２３との大きい屈折率の差異によって臨界角以上に入射した大部分の光がその界面から全反射するようにして、光を上部に誘導する。
【００３１】
また、本実施形態において、複数のナノロッド３１ａ及び反射金属層３２は、全方向性反射器（Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＯＤＲ）構造を形成して高い反射率を有することで、活性層２２から放出された光が吸収されて消滅することを最小限にすることができる。この場合、全方向性反射器構造を具現するため、ナノロッド層３１の厚さはλ／（４ｎ）の整数倍である。ここで、ｎはナノロッド３１ａの屈折率、λは活性層から放出された光の波長である。
【００３２】
即ち、このような厚さ条件を満たすことで、複数のナノロッド３１ａ及び反射金属層３２は、全方向性反射器構造を有することができ、活性層２２から放出された光が複数のナノロッド３１ａ及び反射金属層３２の間に到達した場合ｂに反射率が極大化する。反射金属層３２は、ナノロッド層３１と接触するように形成され、消滅係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が高い物質、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ等の物質を含む。
【００３３】
本実施形態において、反射構造物３０は、活性層２２から放出された光の波長に対してナノロッド層３１の複数のナノロッド３１ａが形成された領域及びナノロッド３１ａ間の空間を満たす空気３１ｂが形成された領域において異なる屈折率を示す。反射構造物３０が部分的に異なる屈折率を示すようにするため、ナノロッド３１ａの幅、複数のナノロッド３１ａ間の間隔等を調節する。
【００３４】
この場合、各領域における反射効率を最大限にして光抽出効率を高めると共に、複数のナノロッド３１ａの間には空気３１ｂの層が形成されるため、発光構造物２０から放出される高熱による反射金属層３２の劣化を防止することができる。また、複数のナノロッド３１ａは、導電性基板４０から第２導電型半導体層２３に電気信号を印加するための電流通路（ｃｕｒｒｅｎｔ ｐａｔｈ）として機能するため、電気伝導性を有する物質が適用される。
【００３５】
図３は、本発明の第２実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【００３６】
図３を参照すると、本実施形態による半導体発光素子２００は、半導体成長用基板１１０と、半導体成長用基板１１０上に形成される発光構造物１２０と、半導体成長用基板１１０の発光構造物１２０が形成された面と対向する面に形成された反射構造物１３０と、を含む。
【００３７】
発光構造物１２０は、半導体成長用基板１１０上に順次形成された第１導電型半導体層１２１と、活性層１２２と、第２導電型半導体層１２３と、を含み、第１及び第２導電型半導体層１２１、１２３上には外部から電気信号をそれぞれ印加するための第１及び第２電極１２１ａ、１２３ａが形成される。
【００３８】
半導体成長用基板１１０には、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＧａＮ等の物質からなる基板を用いることができる。この場合、サファイアは、六角−菱型（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）の対称性を有する結晶体であり、ｃ軸方向及びａ軸方向の格子定数がそれぞれ１３．００１Å及び４．７５８Åであり、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面等を有する。この場合、Ｃ面は窒化物薄膜の成長が比較的容易であり、高温で安定しているため、窒化物成長用基板に主に使用される。バッファ層（図示せず）は、窒化物等からなるアンドープ半導体に採用され、その上に成長される半導体層の格子欠陥を緩和させることができる。
【００３９】
第１電極１２１ａは、第２導電型半導体層１２３、活性層１２２、及び第１導電型半導体層１２１の一部がエッチングされて露出した第１導電型半導体層１２１上に形成され、第２電極１２３ａは、第２導電型半導体層１２３上に形成される。この場合、第２導電型半導体層１２３と第２電極１２３ａとのオーミックコンタクト機能を向上させるため、ＩＴＯ、ＺｎＯ等のような透明電極を更に備えることができる。図３に示した構造の場合、第１及び第２電極１２１ａ、１２３ａが同一方向に向かうように形成されているが、第１及び第２電極１２１ａ、１２３ａの位置及び連結構造は、必要に応じて多様に変形することができる。
【００４０】
本実施形態による半導体発光素子２００の場合、発光構造物１２０の上面、即ち第２導電型半導体層１２３が形成された面、及び発光構造物１２０の側面が主な光放出面になる。従って、発光構造物１２０の活性層１２２から基板１１０に向かって放出された光を上部に誘導することで、発光素子の光抽出効率を向上させることができる。本実施形態の場合、半導体成長用基板１１０の発光構造物１２０が形成された面と対向する面に反射構造物１３０を形成することで、基板１１０に向かって放出された光が上部に誘導されるようにする。
【００４１】
この場合、反射構造物１３０のナノロッド層１３１が半導体成長用基板１１０と接するように形成され、ナノロッド層１３１を構成する複数のナノロッドは、半導体成長用基板１１０上に直接成長される。
【００４２】
本実施形態の場合、複数のナノロッドは、第１導電型半導体層１２１に電気信号を印加するための電流通路として機能しないため、必ずしも電気伝導性を有する物質で形成される必要はないが、発光構造物１２０から生成された熱を効果的に外部に放出するため、熱伝導性に優れた物質からなる。
【００４３】
図４は、本発明の第３実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【００４４】
図４を参照すると、本実施形態による半導体発光素子３００は、半導体成長用基板２１０と、半導体成長用基板２１０上に形成された発光構造物２２０と、発光構造物２２０上に形成された反射構造物２３０と、を含む。
【００４５】
発光構造物２２０は、半導体成長用基板２１０上に順次形成された第１導電型半導体層２２１と、活性層２２２と、第２導電型半導体層２２３と、を含み、第１及び第２導電型半導体層２２１、２２３のそれぞれと電気的に連結される第１及び第２電極２２１ａ、２２３ａを含む。
【００４６】
本実施形態において、発光構造物２２０の主な光放出面は、発光構造物２２０の側面及び半導体成長用基板２１０が形成された面になる。即ち、発光構造物２２０の活性層２２２から放出された光が半導体成長用基板２１０に向かうように誘導され、従って、ナノロッド層２３１は、第２導電型半導体層２２３と接するように形成される。
【００４７】
本実施形態の場合、ナノロッド層２３１を構成する複数のナノロッドは、第２電極２２３ａを通じて第２導電型半導体層２２３に電気信号を印加する電流経路（ｃｕｒｒｅｎｔ ｐａｔｈ）として機能するため、電気伝導性を有する物質からなる。
【００４８】
図５〜図９は、本発明の第１実施形態による半導体発光素子の製造方法を示す概略的な図である。具体的には、図１に示した半導体発光素子の製造方法を示す。
【００４９】
先ず、図５を参照すると、半導体成長用基板１０上に第１導電型半導体層２１、活性層２２、及び第２導電型半導体層２３が順次形成される発光構造物２０を形成する。半導体成長用基板１０には、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＧａＮ等の物質からなる基板を用いる。
【００５０】
その上面に形成される窒化物半導体層の格子欠陥を緩和させるため、半導体成長用基板１０の上面にバッファ層（図示せず）を形成することができる。バッファ層は窒化物等からなるアンドープ半導体層として採用され、その上に成長される発光構造物の格子欠陥を緩和させる。
【００５１】
第１及び第２導電型半導体層２１、２３及び活性層２２は、当技術分野において公知のＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ等のような半導体層の成長工程を用いて形成される。
【００５２】
次に、図６に示すように、発光構造物２０の上面に複数のナノロッドを含むナノロッド層３１を形成する。ナノロッド層３１は、公知の蒸着工程、例えば、有機金属化学蒸着（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）によって有機金属前駆体の蒸気を基板と接触させたり、分子ビーム蒸着（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）によってビーム（ｂｅａｍ）を照射したりしてターゲット物質が基板又は半導体層上に成長されるように形成する。複数のナノロッドは、有機金属化学蒸着によって形成される場合、導入される反応気体の流入量や蒸着温度及び時間等の条件を調節して所望の形態に形成される。
【００５３】
このとき、ナノロッド層３１の厚さは、λ／（４ｎ）の整数倍（ｎ：ナノロッドの屈折率、λ：活性層から放出された光の波長）で形成され、その上面に形成される反射金属層３２とで全方向性反射器構造を形成する。
【００５４】
次いで、図７に示すように、公知の蒸着工程を用いてナノロッド層３１上に反射金属層３２を形成する。
【００５５】
反射金属層３２は、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ等の物質を含む。また、図７には反射金属層３２を一つの層で示しているが、これとは異なり、２層以上の構造を採用してもよい。
【００５６】
例えば、電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）又はスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて反射金属層３２を形成する場合、ステップカバレッジ（ｓｔｅｐ ｃｏｖｅｒａｇｅ）の特性によって、複数のナノロッド間の領域に金属物質が完全に満たされない状態で金属薄膜層を形成する。即ち、複数のナノロッド間の空間に空気が満たされた状態で残るようになる。但し、図７にはナノロッド層３１上に形成された反射金属層３２を完全に分離された形態で示しているが、複数のナノロッド間の一部領域には反射金属層３２を形成するための金属物質が蒸着され得る。
【００５７】
続いて、図８に示すように、反射構造物３０が形成された発光構造物上に導電性基板４０を形成する。
【００５８】
導電性基板（図示せず）は、半導体成長用基板１０を除去するためのレーザリフト等の工程において発光構造物２０を支持する支持体の役割を行い、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ等の半導体基板、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｒＢ、ＺｎＯ等の導電性酸化膜、ＣｕＷ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｕ等の金属基板のうちのいずれか一つからなる。
【００５９】
本実施形態の場合、導電性基板４０は、導電性接着層を媒介に発光構造物２０と接合され、導電性接着層には、例えばＡｕＳｎのような共融金属物質を用いる。また、導電性基板は、電解めっき、無電解めっき、熱蒸着（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、電子線蒸着（ｅ−ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、スパッタ（ｓｐｕｔｔｅｒ）、化学気相蒸着（ＣＶＤ）等の方式を通じて形成される。
【００６０】
次に、図９に示すように、導電性基板４０を支持体にしてレーザリフトオフ工程等を用いて半導体成長用基板１０を除去し、半導体成長用基板１０が除去されて露出した第１導電型半導体層２１上に第１電極２１ａを形成する。第１電極２１ａは、第１導電型半導体層２１の上面のどのようなところに形成されてもよいが、第１導電型半導体層２１に伝達される電流を均一に分配するため、中央部に形成される。
【００６１】
図１０〜図１２は、本発明の第１〜第３実施形態による半導体発光素子パッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【００６２】
具体的に、図１０は、図１に示した半導体発光素子１００の実装形態の一例を示し、図１１は、図３に示した半導体発光素子２００の実装形態の一例を示し、図１２は、図４に示した半導体発光素子３００の実装形態の一例を示す。
【００６３】
先ず、図１０を参照すると、本実施形態による発光素子パッケージは、第１及び第２端子部５０ａ、５０ｂを備え、半導体発光素子１００は、これらとそれぞれ電気的に連結される。この場合、半導体発光素子１００の第１導電型半導体層２１は、その上面に形成された第１電極２１ａによって第２端子部５０ｂとワイヤボンディングされ、第２導電型半導体層２３は、導電性基板４０を通じて第１端子部５０ａと直接連結される。
【００６４】
半導体発光素子１００の上部には、半導体発光素子１００を封止すると共に、半導体発光素子１００及び第１及び第２端子部５０ａ、５０ｂを固定するレンズ部６０が形成される。レンズ部６０は、発光素子１００及びワイヤを保護するのみならず、半球状からなって境界面におけるフレネル反射を減らして光抽出を増加させる役割をする。このとき、レンズ部６０は樹脂からなり、樹脂は、エポキシ、シリコン、変形シリコン、ウレタン樹脂、オキセタン樹脂、アクリル、ポリカーボネート、及びポリイミドのうちのいずれか一つを含む。また、レンズ部６０の上面に凹凸を形成して光抽出効率を高め、放出される光の方向を調節することができる。レンズ部６０の形状は、必要に応じて多様に変形することができる。
【００６５】
具体的に示していないが、レンズ部６０内には半導体発光素子１００の活性層から放出された光の波長を変換させる波長変換用蛍光体粒子が含まれる。蛍光体は、黄色（ｙｅｌｌｏｗ）、赤色（ｒｅｄ）、及び緑色（ｇｒｅｅｎ）のうちのいずれか一つに波長を変換させる蛍光体からなるか、或いは複数種の蛍光体が混合されて複数の波長に変換させる。また、蛍光体の種類は、半導体発光素子１００の活性層から放出される波長によって決定される。具体的に、レンズ部６０は、ＹＡＧ系、ＴＡＧ系、ケイ酸塩（Ｓｉｌｉｃａｔｅ）系、硫化物（Ｓｕｌｆｉｄｅ）系、又は窒化物（Ｎｉｔｒｉｄｅ）系のうちの少なくとも１種以上の蛍光物質を含む。例えば、青色発光ＬＥＤチップに黄色に波長変換させる蛍光体を適用する場合、白色発光半導体発光素子を得ることができる。
【００６６】
次に、図１１を参照すると、本実施形態による発光素子パッケージは、第１及び第２端子部５１ａ、５１ｂを備え、第２実施形態による半導体発光素子２００はこれらとそれぞれ電気的に連結される。この場合、半導体発光素子２００の第１及び第２導電型半導体層１２１、１２３上に形成された第１及び第２電極１２１ａ、１２３ａは、導電性ワイヤによってそれぞれ第２及び第１端子部５１ｂ、５１ａに連結される。
【００６７】
図１２は、本発明の第３実施形態による半導体発光素子３００の実装形態を示したもので、第１及び第２導電型半導体層２２１、２２３上に形成された第１及び第２電極２２１ａ、２２３ａは、バンプボールｂ等によって第２及び第１端子部５２ｂ、５２ａに直接連結されてフリップチップ（ｆｌｉｐ−ｃｈｉｐ）ボンディングされる。
【００６８】
但し、図１０〜図１２に示した発光素子パッケージは、本発明の第１〜第３実施形態による発光素子の実装形態に対する例示に過ぎず、具体的な実装形態及び方法は多様に変形することができる。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０、１１０、２１０ 半導体成長用基板
２０、１２０、２２０ 発光構造物
２１、１２１、２２１ 第１導電型半導体層
２１ａ、１２１ａ、２２１ａ 第１電極
２２、１２２、２２２ 活性層
２３、１２３、２２３ 第２導電型半導体層
３０、１３０、２３０ 反射構造物
３１、１３１、２３１ ナノロッド層
３１ａ ナノロッド
３１ｂ 空気
３２、１３２、２３２ 反射金属層
４０ 導電性基板
５０ａ、５１ａ、５２ａ 第１端子部
５０ｂ、５１ｂ、５２ｂ 第２端子部
６０ レンズ部
１００、２００、３００ 半導体発光素子
１２３ａ、２２３ａ 第２電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物と、
前記発光構造物上に形成され、複数のナノロッド及び該複数のナノロッド間の空間を満たす空気を含むナノロッド層と該ナノロッド層上に形成される反射金属層とを備える反射構造物と、を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記反射構造物は、前記活性層から放出された光の波長に対して前記複数のナノロッドが形成された領域及び前記ナノロッド間の空間を満たす空気が形成された領域において異なる屈折率を示す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】
前記反射構造物は、前記ナノロッド層が前記発光構造物の第２導電型半導体層と接するように形成され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４】
前記複数のナノロッドは、電気伝導性及び光透過性を有する物質からな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５】
前記複数のナノロッドは、透明導電性酸化物又は透明導電性窒化物からなることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記ナノロッド層の厚さはλ／（４ｎ）の整数倍であり、ここで、前記ｎは前記ナノロッドの屈折率、前記λは前記活性層から放出された光の波長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７】
第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物を用意する段階と、
前記発光構造物上に複数のナノロッドを含むナノロッド層を形成する段階と、
前記ナノロッド層上に前記複数のナノロッド間の空間に空気が満たされるように反射金属層を形成する段階と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記反射金属層は、スパッタリング又は電子ビーム蒸着によって形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記ナノロッドは、前記第２導電型半導体層上に直接成長されることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
半導体成長用基板上に前記発光構造物の前記第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を順次形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物と、
前記発光構造物上に形成され、複数のナノロッド及び該複数のナノロッド間の空間を満たす空気を含むナノロッド層と該ナノロッド層上に形成される反射金属層とを備える反射構造物と、を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記反射構造物は、前記活性層から放出された光の波長に対して前記複数のナノロッドが形成された領域及び前記ナノロッド間の空間を満たす空気が形成された領域において異なる屈折率を示す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】
前記反射構造物は、前記ナノロッド層が前記発光構造物の第２導電型半導体層と接するように形成され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４】
前記複数のナノロッドは、電気伝導性及び光透過性を有する物質からな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５】
前記複数のナノロッドは、透明導電性酸化物又は透明導電性窒化物からなることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記ナノロッド層の厚さはλ／（４ｎ）の整数倍であり、ここで、前記ｎは前記ナノロッドの屈折率、前記λは前記活性層から放出された光の波長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７】
第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含む発光構造物を用意する段階と、
前記発光構造物上に複数のナノロッドを含むナノロッド層を形成する段階と、
前記ナノロッド層上に前記複数のナノロッド間の空間に空気が満たされるように反射金属層を形成する段階と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記反射金属層は、スパッタリング又は電子ビーム蒸着によって形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記ナノロッドは、前記第２導電型半導体層上に直接成長されることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
半導体成長用基板上に前記発光構造物の前記第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を順次形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−９８５７１（Ｐ２０１３−９８５７１Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２４１２９４（Ｐ２０１２−２４１２９４）
【出願日】平成２４年１０月３１日（２０１２．１０．３１）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ−ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月３１日（２０１２．１０．３１）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ−ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
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