CN101816077B - 发光元件及照明装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高光取出效率且可抑制整个光取出面的发光强度分布不均匀的发光元件。发光元件具备：半导体层叠体，其具有n型半导体层和发光层及p型半导体层；电极焊盘，其与p型半导体层连接。半导体层叠体在其主面中的、在来自发光层的光被射出的主面具有多个突起。而且，半导体层叠体的所述主面具有位于电极焊盘附近的第一区域、和比第一区域更远离电极焊盘的第二区域，突起间隔在第二区域比在第一区域小。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(LED：Light Emitting Diode)等发光元件及照明装置。
背景技术
近年来，使用氮化物系半导体等的半导体的发光元件备受关注。
由于使用半导体的发光元件能耗低且发光寿命长，因而作为白炽灯或者荧光灯的替代品已经开始了该发光元件的实用化。但是，使用半导体的发光元件的发光效率，由于与荧光灯相比较低，故而要求更高的效率。
作为发光元件的高效率化的方法之一的提高光取出效率的方法，例如可列举在发光元件的表面形成凹凸结构的方法(例如，参照专利文献1)。根据该方法得到的发光元件，具有在半导体层的一主面周期性形成的凹凸结构。该凹凸结构通过使光散射产生而使反射光的反射角发生变化。而且，在与外部的界面光的入射角达到临界角的范围内的比例得以增加。由此，发光元件的光取出效率提高。
但是，就p型半导体层而言，若与n型半导体层及发光层相比较则其电阻高。因此，从p型半导体层上所设置的电极焊盘注入的电流在p型半导体层中不能充分扩散，而在电极焊盘附近显现出高的发光强度。其结果是，在发光元件整个面上不能得到均匀的发光强度分布。
专利文献1：(日本)特开平12-91639号公报
发明内容
本发明的目的在于，得到一种提高光取出效率且抑制了整个光取出面的发光强度分布不均匀的发光元件。
本发明实施方式提供一种发光元件，具备：半导体层叠体，其具有n型半导体层和发光层和p型半导体层；和与p型半导体层连接的电极焊盘。并且，半导体层叠体在其主面中的、来自发光层的光被射出的主面具有多个突起。而且，半导体层的所述主面具有位于电极焊盘附近的第一区域、和比第一区域更远离电极焊盘的第二区域，突起的间隔在第二区域比在第一区域小。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的发光元件的剖面图；
图2是在对图1所示的发光元件进行俯视时的平面图；
图3是表示本发明一实施方式的发光元件的剖面图；
图4是表示本发明一实施方式的发光元件的剖面图；
图5是在对图4所示的发光元件进行俯视时的平面图；
图6是表示本发明一实施方式的照明装置的剖面图；
图7是关于实施例1的发光元件通过计算机模拟绘制的光取出面透过的光线强度的分布的平面图；
图8是关于比较例1的发光元件通过计算机模拟绘制的光取出面透过的光线强度的分布的平面图；
图9是关于比较例2的发光元件通过计算机模拟绘制的光取出面透过的光线强度的分布的平面图；
图10是关于比较例3的发光元件通过计算机模拟绘制的光取出面透过的光线强度的分布的平面图；
图11是关于实施例2的发光元件通过计算机模拟绘制的光取出面透过的光线强度的分布的平面图；
图12是表示比较例1的发光元件的剖面图；
图13是表示比较例2的发光元件的剖面图；
图14是表示比较例3的发光元件的剖面图；
图15是在对图14所示的发光元件进行俯视时的平面图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的发光元件的实施方式。本发明不限于以下的实施方式。
第一实施方式的发光元件
如图1及图2所示，本实施方式的发光元件在基板1上形成有半导体层叠体2，该半导体层叠体2由n型半导体层2a、发光层2b及p型半导体层2c构成。另外，在p型半导体层2c上，作为第二导电层形成有透明导电层3。而且，在该透明导电层3上形成有作为电极焊盘的p电极焊盘7。另一方面，在n型半导体层2a上形成有作为第一导电层的n电极5。在n电极5上，为了从外部注入电流而分别设有n电极焊盘6。n电极焊盘6通过引线接合与外部封装的配线连接。
另外，在图1及图2中表示发光中心14。所谓发光中心14是指在发光层2b中发光强度最高的区域。在图1及图2的情况下，由于n型半导体层2c的电阻高，因而来自p型电极焊盘的电流不能充分扩散，p型电极焊盘的附近成为发光中心14。如图2所示，在俯视发光元件时，发光中心14与电极焊盘7重叠。
如图1及图2所示，在p型半导体层2c具有来自发光层2b的光被射出的半导体层叠体2的主面的情况下，p型半导体层2c的主面上形成有多个突起4。
如图2所示，p型半导体层2c的主面具有位于p电极焊盘7附近的第一区域16、和比第一区域16更远离p电极焊盘7的第二区域17。所谓第一区域及第二区域是指距p电极焊盘的距离不同且具有彼此邻接的2个突起4的区域。邻接的突起4的间隔在第二区域17比在第一区域16小。
在发光强度高的电极焊盘的附近，由于各个突起的间隔大，因而光散射量小。因此，在电极焊盘附近，虽然光的强度高但光散射量小，因此，向外部放出的光的量从最大强度下降。另一方面，在远离电极焊盘的位置，由于突起的间隔为第二区域比上述第一区域小，因而光散射量变大。因此，在远离电极焊盘的部位，虽然光强度自身降低，但是光散射量大，因此，可抑制向外部放出的光量的降低。如上，在发光元件的光取出面，能够分别对从电极焊盘附近的区域放出的光量、与从离开电极焊盘的区域放出的光量进行调整。
另外，作为第一区域16，优选使用夹在p电极焊盘7和第二区域17之间的区域，且对各突起间距离进行比较。此外，作为在第一区域16中邻接的2个突起及在第二区域邻接的2个突起，优选使用与p电极焊盘7一同位于相同直线上的突起。
如图1及图2所示，优选邻接的突起4的间隔随着远离p电极焊盘7而变小。由于可随着远离p电极焊盘7而抑制向外部放出的光量的降低，因而可抑制向外部放出的光量的不均匀化。
在突起4按照随着远离p电极焊盘7而彼此的间隔变小的方式形成的情况下，优选邻接的突起4的间隔以距p电极焊盘7的距离为变量按比例函数或者按指数函数变小。这样，通过使突起4彼此的间隔变化，可利用距p电极焊盘7的距离控制半导体层2的光散射量。因此，可使以往在p电极焊盘7附近变强的发光强度分布在发光元件的光取出面的整个面上大致均匀。
例如，在突起4彼此间的间隔设为c、距p电极焊盘7的距离设为d时，间隔c以距离d为变量被表征成比例函数的情况下，可表示为
c＝-a·d+cmax(其中，a＞0，c＞0)。
在此，a表示突起4彼此间的间隔c随距离d按比例函数减小的比率，cmax表示最靠近p电极焊盘7的部位的c值。
另外，间隔c在以距离d为变量被表征成指数函数的情况下，可表示为
c＝cmax×ded(其中，0＜b＜1，e＞0)。
在此，b表示突起4彼此间的间隔c随距离d按指数函数减小的比率，e表示任意的常数。
cmax通常为10～100μm的范围。
作为突起4的形状例如可列举圆柱形状、多棱柱形状、圆锥形状、多角锥形状、局部圆锥形状(例如，纵剖面为梯形状的圆锥台形状)、局部多角锥形状(例如，纵剖面为梯形状)等。另外，作为突起4的前端的形状可列举平坦面、凸型曲面、尖头状等。作为突起4的前端的形状特别优选凸型曲面或者尖头状。由于前端的形状为这些形状，因此，光射出界面的有效折射率更倾斜地变化。因此，射出界面的光反射量降低，取出的光量增加。
优选突起4的底面的长度(平均长度)与光学介质即p型半导体层2c中的有效波长同一程度或者以下。另外，优选突起4的高度(平均高度)与p型半导体层2c中的有效波长同一程度或者以下。在突起4的底面的长度及高度为上述的情况下，p型半导体层2c和其外部之间的折射率差被进一步缓和。而且，抑制了光的反射且得到光散射的效果。在没有突起4的情况下，光在p型半导体层2c和其外部之间的界面超过临界角进行全反射，被限域在透明导电层3或者半导体层2的内部。但是，在突起4的底面的长度及高度为上述的情况下，由突起4而使光的行进方向发生变化，因而通过进入临界角以内的比率增加，将光取出量提高。
另外，优选突起4的底面的长度(平均长度)为发光波长以上。当突起4的底面的长度不足发光波长时，由突起4被散射的散射光的角度分布变窄，在与外部的界面的入射角进入临界角以内，从而可向外部取出的散射光减少。因此，光取出效率提高的效果不能充分得到。突起4的高度(平均高度)只要在1.5μm以下即可。当超过1.5μm时，形成突起4时的蚀刻所需要的时间变长，有降低生产率的趋势。
下面，说明图1的突起4的形成方法。首先，在基板1上依次形成n型半导体层2a、发光层2b及p型半导体层2c。其后，在p型半导体层2c的表面上形成由抗蚀剂层、金属层等构成的掩模。通过使用蚀刻法，对p型半导体层2c的表面进行蚀刻，就能够容易地形成凹凸。另外，作为蚀刻法可列举反应离子蚀刻(RIE：Riactive Ion Ettching)法等干式蚀刻法、使用蚀刻液的湿式蚀刻法。
(半导体层叠体)
在半导体层叠体2内，发光层2b位于n型半导体层2a和p型半导体层2c之间。作为半导体层2可列举氮化镓等氮化物半导体。例如，在n型半导体层2a为氮化镓系化合物半导体层的情况下，氮化镓系化合物半导体层由作为第一n型包层的GaN层及作为第二n型包层的In0.02Ga0.98N层的层叠体构成。该n型半导体层2a的厚度为2μm～3μm程度。
另外，在p型半导体层2c为p型氮化镓系化合物半导体层的情况下，p型氮化镓系化合物半导体层例如由作为第一p型包层的Al0.15Ga0.85N层、作为第二p型包层的Al0.2Ga0.8N层及作为p型接触层的GaN层的层叠体等构成。该p型半导体层2c的厚度为200nm～300nm程度。
另外，在发光层2b由氮化镓系化合物半导体构成的情况下，作为发光层2b的结构例如可列举多量子阱结构(MQW：Multi Quantum Wells)等。另外，MQW通过将作为禁带宽度大的阻挡层的In0.01Ga0.99N层和作为禁带宽度窄的势阱层的In0.11Ga0.89N层交替地例如重复3次进行有规则的层叠而得到。该发光层2b的厚度为25nm～150nm程度。
半导体层叠体2的成长方法优选使用有机金属气相磊晶(MOVPE)法。除此之外也可以使用分子束外延(MBE)法、氢化物气相外延(HVPE)法、脉冲激光淀积(PLD)法等。
另外，优选将半导体层叠体2如图1所示的那样设于基板1上。作为基板1例如可列举蓝宝石基板、由氮化物半导体构成的基板等。基板1用作半导体层叠体2的成长用基板或者用作发光元件的保持用基板。
半导体层叠体2如图4所示在主面具有倾斜面也可。这样，通过具有倾斜面，发光面积增大，光取出效率提高。另外，就俯视(平面视)而言每单位面积的发光量提高。另外，在如图4所示的发光元件的情况下，所谓的邻接的突起4的间隔是指如图5所示在俯视发光元件时的突起4间的间隔。
优选倾斜面相对于基板的上表面的非倾斜面具有10°～80°的倾斜角(在图4上用θ表示)。通过以10°～80°的倾斜角形成倾斜面，光的取出效率提高。
为了形成倾斜面，可使用具有倾斜面的基板1，通过使用了掩模的酸、碱的湿式蚀刻法、反应离子蚀刻(RIE)法等蚀刻法，或者通过使用前端具有所期望的角度的划片刀的划切法等进行。
(导电层)
本发明实施方式的发光元件具有第一导电层5及第二导电层3。另外，图1表示第一导电层5为n型电极及第二导电层3为透明导电层3的情况。
优选n电极由对发光层2b所产生的光不损失地进行反射、且与n型半导体层2a良好地欧姆连接的材质构成。作为这样的材质例如可列举铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、铟(In)、锡(Sn)、钼(Mo)、银(Ag)、金(Au)、铌(Nb)、钽(Ta)、钒(V)、铂(Pt)、铅(Pb)、铍(Be)、氧化铟(In2O3)、金-硅(Au-Si)合金、金-锗(Au-Ge)合金、金-锌(Au-Zn)合金、金-铍(Au-Be)合金等。其中，由于铝(Al)或者银(Ag)对发光层2b发出的蓝色光(波长450nm)～紫外光(波长350nm)的光其反射率高，故而优选之。另外，铝(Al)由于与n型半导体层2a可充分地欧姆连接，因而特别适合作为n电极5的材质。N电极5也可以层叠有多层选自上述材质的层。
作为透明导电层3，可使用氧化铟锡(ITO)、氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)等金属氧化物。其中，氧化铟锡(ITO)由于不仅对紫外光及蓝色光具有高的透射率、而且可得到与p型氮化镓系化合物半导体层2c的良好的欧姆接触，故而优选之。
优选透明导电层3的厚度为250nm～500nm。在厚度为该范围的情况下，可与p型氮化镓系化合物半导体2c形成良好的欧姆接触。另外，可抑制在透明导电层3的光吸收量从而抑制光取出效率的降低。
(电极焊盘)
在第一导电层5及第二导电层3上分别设有n电极焊盘6及p电极焊盘7。在此，所谓电极焊盘是指分别连接用于取得与外部电连接的导线等焊盘。作为n电极焊盘6和p电极焊盘7例如只要使用钛(Ti)层或者以钛(Ti)层为基底层而层叠有金(Au)层的即可。
另外，应用了本实施方式的半导体的发光元件能够作为发光二极管(LED)使用。
另外，本实施方式的上述发光元件(LED)如下工作。即以下述方式工作，使偏置电流流过含有发光层2b的半导体层叠体2，在发光层2b产生波长350nm～400nm程度的紫外光、近紫外光或者紫光，在发光元件的外侧取出这些光。
<第二实施方式的发光元件>
图3表示本发明第二实施方式的发光元件。第二实施方式的发光元件，其第一导电层及第二导电层中的任一个均为透明导电层，在透明导电层的主面具有多个突起。在图3的情况下，第二导电层3为透明导电层，在其主面上设有多个突起4。图1所示的发光元件在半导体层叠体2上设有突起4，与此相对，图3所示的发光元件在透明导电层上设有突起4这个方面是不同的，除此之外其它都相同。
第二实施方式的发光元件，与图2所示的剖面图同样，具有位于p电极焊盘7附近的第一区域16和比第一区域16更远离p电极焊盘7的第二区域17。而且，相邻的突起4的间隔在第二区域17比在第一区域16小。由该结构所得到的效果与由第一实施方式的发光元件所得到的效果相同。
构成第二实施方式的发光元件的半导体层叠体2、第一导电层5、第二导电层3及电极焊盘7使用了与第一实施方式的发光元件同样的结构。
<照明装置>
图6是表示具备本实施方式的发光元件的照明装置的图。照明装置将本实施方式的发光元件20由硅酮树脂等透明树脂或者玻璃等透明部件21覆盖或者内包。优选照明装置为在透明部件21混有荧光体或者磷光体的构成。通过使透明部件21中存在荧光体或者磷光体，可以将发光元件产生的紫外光或者近紫外光转换为白色光等。此外，符号22为安装基体。
为了提高聚光性，也可以在透明部件21上设置凹面镜的光反射部件。这样的照明装置由于电力消耗比现有荧光灯等小且小型，因而作为既小型又有高亮度的照明装置有效。
实施例
下面，说明本实施方式的发光元件的实施例(实施例1)。为了确认本发明的发光元件的光取出效率的效果，通过使用光线跟踪法(也称光线追迹法)实施了图1所示的发光元件的计算机模拟。此外，这些计算机模拟可通过使用Lambda Research Corporation公司制造的光线仿真软件(TracePro)加以实施。
使用图2所示的发光元件进行模拟。n型氮化镓系化合物半导体层2a的平面图形状(也称俯视形状)为正方形(310μm×310μm)。在n型氮化镓系化合物半导体层2a的角部中一部分露在外部的一个角部(170μm×170μm)的中央层叠有：与n型氮化镓系化合物半导体层2a连接且直径为120μm的圆形n电极5、及与n电极5连接的n电极焊盘6。此外，n电极5由镍(Ni)构成，n电极焊盘6由金(Au)构成。而且，以覆盖p型氮化镓系化合物半导体层2c的上面的方式形成有由ITO构成的透明导电层3。其后，在透明导电层3的上表面的一个角部形成：与p型氮化镓系化合物半导体层2c连接的p电极焊盘7。另外，p电极焊盘7为100μm×100μm的正方形，由金(Au)构成。
在p型氮化镓系化合物半导体层2c的上表面形成有多个突起4(突起4的个数为294个)。在邻接的突起4彼此间的间隔设为c、距p电极焊盘7之端的距离为d时，c作为以d为变量按比例函数所表征的量，表示成c＝-0.2d+45(μm)。即，在最靠近p电极焊盘7的部位的c值(最大值cmax)设为45μm，随着d变大而c从cmax开始逐渐变小。
各突起4为圆锥形状。另外，突起4的底面的长度(最大长度)设为1μm、高度设为1μm。
就突起4而言，在p型氮化镓系化合物半导体层2c的表面上形成由抗蚀剂层所成的掩模之后，通过使用反应离子蚀刻(RIE：Riactive IonEttching)法而形成突起4。
发光元件的尺寸就俯视而言是边长为350μm的正方形，将基板1的厚度设为350μm，将半导体层叠体2的厚度设为3.4μm，将透明导电层3的厚度设为0.25μm，将n电极5的厚度设为0.43μm，将n电极焊盘6和p电极焊盘7的厚度设为0.35μm。另外，将发光波长设为400nm，从p电极焊盘7的正下方的发光层2b将16000条光线立体地各向同性地放射，按上述进行设定，实施了计算机模拟。
此外，设由蓝宝石构成的透明基板1的折射率为1.78、半导体层叠体2的折射率为2.5、由镍(Ni)构成的n电极5的折射率为1.61、由金(Au)构成的n电极焊盘6及p电极焊盘7的折射率为1.66进行计算。另外，由于在半导体层叠体2上，n型氮化镓系化合物半导体层2a、发光层2b及p型氮化镓系化合物半导体层2c其折射率的变化几乎没有差别，因而设为折射率完全相同。
如上，得到了图7所示的、发光元件的光取出面透过的光线之强度的分布。在图7中，各点表示一条光线透过的部位，大的点表示强度大。
(比较例1)
按照除未设置突起4外而其它均与实施例1同样的方式，制作了图12的发光元件，并进行了光取出效率的计算机模拟。图12表示比较例1的发光元件。通过模拟，得到了图8所示的、发光元件的光取出面透过的光线之强度的分布。
(比较例2)
按照除了突起17间的间隔为5μm即恒定以外而其它都与实施例1同样的方式，制作了图13的发光元件，并进行了光取出效率的计算机模拟。通过模拟，得到了图9所示的、发光元件的光取出面透过的光线之强度的分布。
根据图7～图9的计算机模拟的结果得知，与比较例1的发光元件相比，实施例1的发光元件不仅光取出量提高1.1倍，而且在光取出面的整个面上发光强度大致均匀。另外，比较例2的发光元件在p电极焊盘附近发光强度的分布偏差达到最大。
(实施例2)
使用图4所示的发光元件进行了模拟。n型氮化镓系化合物半导体层2a的俯视形状为正方形(340μm×340μm)。以覆盖p型氮化镓系化合物半导体层2c的上表面的方式形成了由ITO构成的透明导电层3。其后，在透明导电层3的上表面的一个角部形成了与p型氮化镓系化合物半导体层2a连接的p电极焊盘7。另外，p电极焊盘7为100μm×100μm的正方形，由金(Au)构成。另外，使基板1的一部分倾斜，且使基板1的倾斜面上的半导体层叠体2的主面相对于非倾斜面倾斜30度。
在p型氮化镓系化合物半导体层2c的上表面形成有多个突起4。在邻接的突起4间的间隔的距离(在俯视时的距离)设为d时，c作为以d为变量按比例函数所表征的量，表示成c＝-0.2d+10(μm)。即，在最靠近p电极焊盘7的部位的c值(最大值cmax)设为10μm，随着d变大而c从cmax逐渐变小。
其它条件与实施例1一样。
如上，得到了图11所示的、发光元件的光取出面透过的光线之强度的分布。在图11中，各点表示一条光线透过的部位，大的点表示强度大。
(比较例3)
按照除了突起17间的间隔为10μm即恒定以外而其它都与实施例2同样的方式，制作了图13的发光元件，并进行了光取出效率的计算机模拟。通过模拟，得到了图10所示的、发光元件的光取出面透过的光线之强度的分布。
根据图10～图11的计算机模拟的结果得知，与比较例3的发光元件相比，实施例2的发光元件不仅提高了光取出量，而且在光取出面的整个面上发光强度大致均匀。另外，比较例3的发光元件在p电极焊盘附近发光强度的分布偏差达到最大。
Claims (13)
1.一种发光元件，具有：半导体层叠体，其层叠有n型半导体层和发光层及p型半导体层，在来自所述发光层的光被射出的主面具有多个突起；第一导电层，其与所述n型半导体层连接；第二导电层，其与所述p型半导体层连接；电极焊盘，其设置于所述第二导电层上，将外部和所述p型半导体层连接，其中，
所述半导体层叠体的所述主面具有：位于所述电极焊盘附近的第一区域、和比所述第一区域更远离所述电极焊盘且以在与电极焊盘之间夹着所述第一区域的方式所设置的第二区域，所述突起的间隔在所述第二区域比在所述第一区域小。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中，所述突起的间隔随着远离所述电极焊盘而变小。
3.如权利要求2所述的发光元件，其中，所述突起的间隔，随着远离所述电极焊盘而以距所述电极焊盘的间隔为变量按比例函数或者按指数函数地变小。
4.如权利要求1所述的发光元件，其中，在所述发光元件以俯视观察时，所述发光层中的发光强度最大的区域与所述电极焊盘重叠。
5.如权利要求1所述的发光元件，其中，所述n型半导体层、所述发光层及所述p型半导体层中，所述p型半导体层的电阻最大。
6.如权利要求1所述的发光元件，其中，所述突起的前端为凸型曲面或者尖头状。
7.如权利要求1所述的发光元件，其中，所述半导体层叠体的所述主面具有倾斜面。
8.如权利要求7所述的发光元件，其中，所述倾斜面相对于非倾斜面具有10°～80°的倾斜角度。
9.如权利要求1所述的发光元件，其中，所述半导体层叠体由氮化镓系化合物半导体构成。
10.如权利要求1所述的发光元件，其中，所述第二导电层是透明导电层。
11.一种照明装置，其中，具备：
权利要求1所述的发光元件；和
通过对来自所述发光元件的发光进行接收而产生发光的荧光体或磷光体。
12.一种发光元件，具有：半导体层叠体，其层叠有n型半导体层和发光层及p型半导体层；第一导电层，其与所述n型半导体层连接；第二导电层，其与所述p型半导体层连接；电极焊盘，其设置于所述第二导电层上，将外部和所述p型半导体层连接，其中，
所述第二导电层是：具有来自所述发光层的光被射出的主面、且在该主面具有多个突起的透明导电层，
所述透明导电层的所述主面具有：位于所述电极焊盘附近的第一区域、和比所述第一区域更远离所述电极焊盘的第二区域，所述突起的间隔在所述第二区域比在所述第一区域小。
13.一种照明装置，其中，具备：
权利要求12所述的发光元件；和
通过对来自所述发光元件的发光进行接收而产生发光的荧光体或磷光体。
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