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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Element, das
besonders geeignet zur Verwendung mit großen Strömen
ist.
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Seit
einigen Jahren geht man aufgrund der verbesserten Lichtausbeute
einer LED davon aus, dass die LED als eine Lichtquelle für
allgemeine Beleuchtungen Anwendung finden wird. Bei der Verwendung
zur allgemeinen Beleuchtung ist es, da nicht nur die hohe Lichtausbeute,
sondern auch die Leuchtkraft angestrebt wird, erforderlich, dass
die Lichtausgabe pro Vorrichtung so weit wie möglich erhöht
wird, weshalb das Treiben mit hohen Strömen von 1 A oder
mehr notwendig ist.
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Ein
grundlegendes Verfahren zum Erhöhen des Treiberstroms beinhaltet
das Erhöhen der Größe eines Elements.
Ein Problem, das beim Treiben der LED mit großen Strömen
von 1A oder mehr auftritt, ist ein Anstieg der Treiberspannung,
der erheblich verringert werden muss. Eine Ursache des Anstiegs der
Treiberspannung besteht darin, dass die Stromdiffusionslänge
in Richtung der Ebene des Elements größer wird
und so einen Spannungsabfall aufgrund der Stromdiffusion erhöht.
Eine Leistung aufgrund dieses Spannungsabfalls wird als Wärme
verbraucht, so dass das Verhalten des Elements deutlich verschlechtert
wird. Ferner ist eine Fluktuation der Leuchtstärke in der
Ebene des Elements ein Problem. Dies liegt daran, dass in der Stromdichte,
die in eine aktive Schicht injiziert wird, in der Ebene eine Ungleichverteilung
vorliegt, was einen Bereich mit einer sehr hohen Stromdichte erzeugt
und bewirkt, dass die Zuverlässigkeit des Elements verschlechtert wird.
Zur Lösung dieser Probleme wird unter den vorliegenden
Umständen ein Verfahren zum wirksamen Diffundieren des
Stroms in der Richtung der Substratebene durch Ausbilden der Elektroden
als Leitungen herangezogen.
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Ferner
wird, wenn die Größe des Elements erhöht
wird, der Wirkungsgrad der Lichtentnahme schlechter und muss verbessert
werden. Beispielsweise ist es möglich, den Wirkungsgrad
der Lichtentnahme aus der lateralen Oberfläche durch Bearbeiten
der Rückfläche eines GaN-Substrats zum Bereitstellen
eines abgeschrägten konkaven Abschnitts zu verbessern,
wie in der
JP-A-2005-19608 beschrieben
ist.
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Andererseits
ist in der
JP-A-2003-86843 ein lichtemittierendes
Element mit einem Aufbau, bei dem eine Halbleiterschicht auf dem
GaN-Substrat gestapelt ist, eine n-Elektrode an der Rückfläche
des GaN-Substrats ausgebildet ist, und eine p-Elektrode an der Oberfläche
der Halbleiterschicht ausgebildet ist, wobei die n-Elektrode und
die p-Elektrode aus einem Metall mit einem hohen Reflexionsvermögen hergestellt
sind, zum Extrahieren des Lichts aus der lateralen Oberfläche
beschrieben.
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Wenn
jedoch die Elektroden als Leitungen ausgebildet sind, besteht das
Problem, dass eine Erhöhung der Treiberspannung, die durch
den Widerstand der Leitungen verursacht wird, nicht vernachlässigt
werden kann, wenn der große Strom fließt. Ferner
kann aufgrund einer höheren Stromdichte pro Leitungsabschnitt
eine Verformung aufgrund einer Elektromigration auftreten, was zu
einem Problem in Bezug auf die Zuverlässigkeit des Elements
führt.
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Ferner
kann bei dem lichtemittierenden Element, das in der
JP-A-2003-86843 beschrieben
ist, da die Fläche der p-Elektrode und der n-Elektrode breiter
sein kann, der Strom in gewissem Maße in der Richtung parallel
zu der Substratoberfläche diffundiert werden, da jedoch
der Widerstand der p-Elektrode und der n-Elektrode nicht niedrig
genug ist, liegt ein großes Ungleichgewicht in Bezug auf
die Verteilung der Stromdichte in der Richtung der Substratebene
vor, was möglicherweise zu einem Problem in Bezug auf die
Lichtausbeute oder die Zuverlässigkeit führt.
Ferner besteht ein Problem, dass, wenn die Flächen der
p-Elektrode und der n-Elektrode breit sind, der Wirkungsgrad der
Lichtentnahme verschlechtert wird.
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Daher
ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein lichtemittierendes Element
bereitzustellen, bei dem die Treiberspannung unterdrückt
wird und die Zuverlässigkeit verbessert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein lichtemittierendes Element nach Anspruch
1 gelöst.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.
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Ein
lichtemittierendes Element gemäß einem ersten
Aspekt ist ein lichtemittierendes Element, das Licht einer Wellenlänge
emittiert, ein Substrat, das bei der Wellenlänge transparent
ist und eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche
aufweist, eine Halbleiterschicht, die auf der ersten Oberfläche gestapelt
ist, eine erste Elektrode, die bei der Wellenlänge reflektierend
ist und an einer Oberfläche der Halbleiterschicht ausgebildet
ist, wobei der elektrische Widerstand der ersten Elektrode über
einer größten Ausdehnung kleiner oder gleich 1 Ω ist,
und eine zweite Elektrode, die bei der Wellenlänge reflektierend
ist und an der zweiten Oberfläche ausgebildet ist, wobei
der elektrische Widerstand der zweiten Elektrode über einer
größten Ausdehnung kleiner oder gleich 1 Ω ist,
aufweist. Mindestens entweder die erste oder die zweite Elektrode
sind durch Chipmontage mit einem Stromzufuhrkörper verbunden, der
dem lichtemittierenden Element Strom zuführt.
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Der
elektrische Widerstand der ersten Elektrode über der größten
Ausdehnung bedeutet den elektrischen Widerstand der ersten Elektrode
in der Ebene in der Richtung, in der die Länge der Elektrode am
größten ist. Ebenso bedeutet der elektrische Widerstand
der zweiten Elektrode über der größten Ausdehnung
den elektrischen Widerstand der zweiten Elektrode in der Ebene in
der Richtung, in der die Länge der Elektrode am größten
ist. Beispielsweise ist in einem Fall, in dem die Form des lichtemittierenden
Elements in der Ebene ein Rechteck ist und die p-Elektrode oder
die n-Elektrode fast an der gesamten Oberfläche ausgebildet
ist, der elektrische Widerstand über der größten
Ausdehnung derjenige in der Diagonalrichtung des Rechtecks. Insbesondere
ist, wenn die ebene Rechtecksform eine lange Seite, die deutlich
länger als eine kurze Seite ist, aufweist, der elektrische
Widerstand über der größten Ausdehnung
im Wesentlichen mit dem Widerstand in der Richtung der Längsseite
des Rechtecks identisch. Ferner ist der elektrische Widerstand über
der größten Ausdehnung nicht notwendigerweise
der Widerstand des Simplexes aus der ersten Elektrode oder der zweiten
Elektrode, sondern, wenn die erste Elektrode oder die zweite Elektrode über
eine Lötschicht mit dem Stromzufuhrkörper verbunden
ist, kann der elektrische Widerstand über der größten
Ausdehnung in einem Zustand, in dem die erste Elektrode oder die
zweite Elektrode mit der Lötschicht verbunden ist, oder
in einem Zustand, in dem die erste Elektrode oder die zweite Elektrode
mit dem Stromzufuhrkörper verbunden ist, ebenfalls in dem
Widerstand über der größten Ausdehnung
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wie er in dieser
Erfindung verwendet wird, umfasst sein.
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Ferner
wird angenommen, dass in der zweiten Oberfläche des Substrats,
die die zweite Elektrode aufweist, eine abgeschrägte Oberfläche
enthalten ist, wenn die zweite Oberfläche des Substrats
so bearbeitet ist, dass sie die Abschrägung aufweist. Ferner
bedeutet die erste Elektrode und die zweite Elektrode, dass, wenn
die erste Elektrode die p-Elektrode angibt, die zweite Elektrode
die n-Elektrode angibt, oder wenn die erste Elektrode die n-Elektrode
angibt, die zweite Elektrode die p-Elektrode angibt.
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Die
Halbleitermaterialien können diejenigen sein, die für
das lichtemittierende Element verwendet werden, beispielsweise Gruppe-III-V-Halbleiter
oder Gruppe-II-VI-Halbleiter. Die Materialien für das lichtemittierende
Element für ultraviolettes bis grünes Licht sind
typischerweise Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter, bei denen das Gruppe-V-Element
das Nitrid der Gruppe-III-V-Halbleiter ist. Der Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter ist
GaN, AlGaN, InGaN oder AlGaInN, was durch die allgemeine Formel
Alx, Gay oder In1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1,
0 ≤ x + y ≤ 1) dargestellt wird. Die Störstelle des
n-Typs kann Si sein, und die Störstelle des p-Typs kann
Mg sein.
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Das
lichtemittierende Element des ersten Aspekts der Erfindung arbeitet
unter Verwendung der lateralen Oberfläche als einer Lichtentnahmefläche. Demzufolge
ist es wünschenswert, dass das Reflexionsvermögen
in der Richtung senkrecht zu der Substratebene hoch ist. Zur Erhöhung
des Reflexionsvermögens sollten die erste Elektrode und
die zweite Elektrode aus einem Metall mit einem hohen Reflexionsvermögen
ausgebildet sein. Das Metall mit einem hohen Reflexionsvermögen
kann beispielsweise Al, Ag, Au oder eine Legierung, die diese Metalle
als den Hauptbestandteil enthält, sein. Zusätzlich
kann das Reflexionsvermögen in der Richtung senkrecht zu der
Substratebene durch Ausbilden der DBR-Struktur mit einem Mehrschichtfilm
aus SiO2 und TiO2 erhöht
werden. Ferner ist es wünschenswert, dass zum wirksamen
Diffundieren des Stroms in der Richtung parallel zu der Substratoberfläche
die Fläche der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
so breit wie möglich gemacht wird, und es ist wünschenswert, dass
die erste Elektrode 50% oder mehr der Oberfläche der Halbleiterschicht
bedeckt und die zweite Elektrode 50% oder mehr der zweiten Oberfläche des
Substrats bedeckt.
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Ferner
ist es wünschenswert, dass der elektrische Widerstand über
der größten Ausdehnung der p-Elektrode und der
n-Elektrode gleich ist, da das Ungleichgewicht in der Verteilung
der Stromdichte in der Richtung parallel zu der Substratoberfläche
gleichmäßig wird.
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Als
das Substrat, das leitend und bei der Emissionswellenlänge
transparent ist, kann, wenn der Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter als
das Halbleitermaterial verwendet wird, das Gruppe-III-Nitrid-Halbleitersubstrat
wie das GaN-Substrat oder das SiC-Substrat verwendet werden. Ferner
kann, wenn das AlGaInP-Material als das Material verwendet wird,
das GaP-Substrat verwendet werden, und, wenn das AlGaInAs-Material
verwendet wird, kann das GaAs-Substrat verwendet werden.
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Die
Chipmontage kann durch Verbinden der Elektrode mit dem Stromzufuhrkörper über
das Lot oder den Lötkontakt oder mechanisches Verbinden derselben
mit dem Stromzufuhrkörper unter Druck durchgeführt
werden.
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Ein
zweiter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß dem
ersten Aspekt, wobei der elektrische Widerstand der ersten Elektrode über
der größten Ausdehnung kleiner oder gleich 0,1 Ω ist
und der elektrische Widerstand der zweiten Elektrode über
der größten Ausdehnung kleiner oder gleich 0,1 Ω ist.
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Ein
dritter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß dem
ersten oder zweiten Aspekt, wobei der elektrische Widerstand der
ersten Elektrode über der größten Ausdehnung
kleiner oder gleich 0,01 Ω ist und der elektrische Widerstand
der zweiten Elektrode über der größten
Ausdehnung kleiner oder gleich 0,01 Ω ist.
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Ein
vierter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß einem
der Aspekte 1 bis 3, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode
aus einem Metall mit einem hohen Reflexionsvermögen, das
bei der Wellenlänge des emittierten Lichts mehr als 80% Reflexionsvermögen
aufweist, hergestellt sind.
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Ein
fünfter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß einem
der Aspekte 1 bis 4, wobei die erste Elektrode mehr als 50% der
Oberfläche der Halbleiterschicht bedeckt und die zweite
Elektrode mehr als 50% der zweiten Oberfläche des Substrats bedeckt.
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Ein
sechster Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß einem
der Aspekte 1 bis 5, wobei die Halbleiterschicht aus einem Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter
besteht.
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Ein
siebter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß einem
der Aspekte 1 bis 6, wobei das Substrat ein Gruppe-III-Nitrid-Halbleitersubstrat ist.
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Das
Gruppe-III-Nitrid-Halbleitersubstrat kann das c-Ebenen-Substrat
oder das Substrat mit der unpolaren Ebene wie der m-Ebene oder der
a-Ebene als der Hauptebene sein. Ferner kann es das Substrat des
n-Typs oder des p-Typs sein, das mit der Störstelle dotiert
ist.
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Ein
achter Aspekt der Erfindung ist das lichtemittierende Element gemäß dem
siebten Aspekt, wobei das Substrat ein GaN-Substrat ist.
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Ein
neunter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß einem
der Aspekte 1 bis 8, wobei eine Fläche des lichtemittierenden
Elements größer oder gleich 0,25 mm2 ist.
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Ein
zehnter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß einem
der Aspekte 1 bis 9, wobei das lichtemittierende Element in der
Ebene eine Rechtecksform aufweist.
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Ein
elfter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß dem
zehnten Aspekt, wobei eine Länge einer Längsseite
der Rechtecksform größer oder gleich 500 μm
ist.
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Ein
zwölfter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß einem
der Aspekte 1 bis 11, wobei die zweite Oberfläche des Substrats
die Form aufweist, die eine abgeschrägte Oberfläche,
die relativ zu dem Substrat geneigt ist, aufweist.
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Es
ist wünschenswert, dass der Winkel der abgeschrägten
Oberfläche in dem Bereich zwischen 20 und 70 Grad liegt.
In diesem Bereich ist der Wirkungsgrad der Lichtentnahme verbessert.
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Die
Form, die eine abgeschrägte Oberfläche aufweist,
kann durch mechanisches Bearbeiten, Trockenätzen oder Nassätzen
ausgebildet sein.
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Ein
dreizehnter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß dem
zwölften Aspekt, wobei die abgeschrägte Oberfläche
von einem Rand der zweiten Oberfläche zu einer Seitenfläche
des Substrats geneigt ist und die zweite Elektrode an der abgeschrägten
Oberfläche ausgebildet ist.
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Ein
vierzehnter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß dem
zwölften Aspekt, wobei in dem mittleren Teil der Rückfläche
des Substrats ein konkaver Abschnitt mit der lateralen Oberfläche
als der abgeschrägten Oberfläche vorgesehen ist.
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Ein
fünfzehnter Aspekt ist das lichtemittierende Element gemäß einem
der Aspekte eins bis vierzehn, wobei entweder die erste Elektrode
oder die zweite Elektrode durch eine Mehrzahl von Drähten
gebondet ist.
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Ein
sechzehnter Aspekt ist eine lichtemittierende Vorrichtung, die das
lichtemittierende Element gemäß dem dreizehnten
Aspekt und einen Träger, der einen ausgenommenen Abschnitt,
der eine Seitenfläche aufweist, aufweist, aufweist. Die
erste Elektrode und die zweite Elektrode kontaktieren die Seitenfläche.
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Ein
siebzehnter Aspekt ist eine lichtemittierende Vorrichtung, die das
lichtemittierende Element gemäß dem vierzehnten
Aspekt und einen Träger, der einen ausgenommenen Abschnitt
aufweist, aufweist. Der ausgenommene Abschnitt weist eine Bodenwand
auf, und ein Querschnitt des ausgenommenen Abschnitts nimmt in der
Richtung senkrecht zu der Bodenwand zu.
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Der
erste Aspekt ist das lichtemittierende Element zum Extrahieren des
Lichts aus der lateralen Oberfläche aufgrund der Reflexion
an der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Bei diesem ersten
Aspekt ist es, da der elektrische Widerstand des lichtemittierenden
Elements über der größten Ausdehnung
sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode kleiner
oder gleich 1 Ω ist, möglich, ein Ungleichgewicht
in Bezug auf die Verteilung der Stromdichte in der Richtung parallel
zu der Substratoberfläche zu verbessern, wodurch der Strom
ideal diffundiert werden kann. Demzufolge wird eine Stromkonzentration
unterdrückt, und das Auftreten eines Versagens wie einer
Migration nimmt ab, wodurch es möglich ist, die Zuverlässigkeit
der Vorrichtung zu verbessern. Ferner kann, da der elektrische Widerstand über
der größten Ausdehnung sowohl der p-Elektrode
als auch der n-Elektrode kleiner oder gleich 1 Ω ist, ein
Spannungsabfall, der aufgrund einer Stromdiffusion auftritt, unterdrückt
werden, wodurch die Treiberspannung verringert werden kann.
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Ferner
ist es bei dem zweiten Aspekt, wenn der elektrische Widerstand des
lichtemittierenden Elements über der größten
Ausdehnung sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode
kleiner oder gleich 0,1 Ω ist, möglich, ein Ungleichgewicht
in der Verteilung der Stromdichte in der Richtung parallel zu der
Substratoberfläche zu verbessern, wodurch die Zuverlässigkeit
der Vorrichtung weiter verbessert werden kann und die Treiberspannung
weiter verringert werden kann. Insbesondere ist es bei dem dritten
Aspekt, wenn der elektrische Widerstand des lichtemittierenden Elements über
der größten Ausdehnung sowohl der ersten Elektrode
als auch der zweiten Elektrode kleiner oder gleich 0,01 Ω ist,
möglich, ein Ungleichgewicht in der Verteilung der Stromdichte
in der Richtung parallel zu der Substratebene weiter zu verringern.
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Ferner
kann bei dem vierten Aspekt, da die p-Elektrode und die n-Elektrode
aus einem Metall mit einem hohen Reflexionsvermögen ausgebildet
sind, der Wirkungsgrad der Lichtentnahme aus der lateralen Oberfläche
verbessert werden.
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Ferner
ist es bei dem fünften Aspekt, da die erste Elektrode und
die zweite Elektrode so ausgebildet sind, dass sie in Richtung der
Ebene breiter sind, möglich, ein Ungleichgewicht in der
Verteilung der Stromdichte in der Richtung parallel zu der Substratoberfläche
zu verbessern.
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Ferner
ist bei dem sechsten Aspekt die vorliegende Erfindung auf das lichtemittierende
Element, bei dem die Halbleiterschicht aus dem Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter
besteht, anwendbar.
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Ferner
kann bei dem siebten Aspekt das Gruppe-III-Nitrid-Halbleiterstubstrat
als das Substrat verwendet werden, und insbesondere kann bei dem achten
Aspekt das GaN-Substrat verwendet werden.
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Ferner
wird, wenn der neunte Aspekt auf das große lichtemittierende
Element mit einer Fläche größer oder
gleich 0,25 mm2 angewandt wird, eine bevorzugte
Wirkung, dass die Verteilung der Stromdichte äußerst
gleichmäßig gemacht werden kann, erzielt.
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Ferner
ist bei dem zehnten Aspekt die vorliegende Erfindung auf das lichtemittierende
Element, bei dem die Form in der Ebene rechteckig ist, anwendbar.
Insbesondere wird bei dem elften Aspekt, wenn die Erfindung auf
das große lichtemittierende Element mit der Rechtecksform,
die eine Längsseite mit einer Länge größer
oder gleich 500 μm aufweist, angewandt wird, eine bevorzugte
Wirkung, dass die Verteilung der Stromdichte äußerst
gleichmäßig sein kann, erzielt.
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Ferner
ist bei den Aspekten zwölf bis vierzehn die zweite Oberfläche
des Substrats abgeschrägt, wodurch der Wirkungsgrad der
Lichtentnahme weiter verbessert wird. Dies liegt daran, dass es erforderlich
ist, das Licht bei dem Aufbau, bei dem die Elektroden oben und unten
vorgesehen sind, aus der lateralen Oberfläche zu extrahieren,
und unter Verwendung der abgeschrägten Form kann das Licht
in Richtung der lateralen Oberfläche reflektiert werden, wodurch
der Wirkungsgrad der Lichtentnahme verbessert wird.
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Ferner
ist bei dem fünfzehnten Aspekt entweder die p-Elektrode
oder die n-Elektrode drahtgebondet oder durch eine Mehrzahl von
Drähten gebondet, wodurch der Strom wirksam in der Richtung der
Ebene diffundiert werden kann.
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Ferner
kann bei dem sechzehnten Aspekt das lichtemittiernde Element so
an dem Träger angebracht sein, dass sich die laterale Oberfläche
auf der gegenüberliegenden Seite der abgeschrägten
Oberfläche des lichtemittierenden Elements gemäß dem dreizehnten
Aspekt auf der oberen Seite befinden kann, wodurch das Licht wirksam
nach oben abgestrahlt werden kann.
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Ferner
kann bei dem siebzehnten Aspekt das Licht, das aus der lateralen
Oberfläche des lichtemittierenden Elements gemäß dem
vierzehnten Aspekt ausgestrahlt wird, an der lateralen Oberfläche des
konkaven Abschnitts in dem Träger reflektiert und nach
oben abgestrahlt werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile folgen aus der Beschreibung spezifischer Ausführungsbeispiele im
Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen:
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1 eine Ansicht ist, die den Aufbau eines lichtemittierenden
Elements 1 einer beispielhaften Ausführungsform
1 zeigt.
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2 eine
graphische Darstellung ist, die das Simulationsergebnis für
eine Verteilung der Stromdichte zeigt.
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3 eine
graphische Darstellung ist, die das Simulationsergebnis für
die Verteilung der Stromdichte zeigt.
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4 eine
graphische Darstellung ist, die das Simulationsergebnis für
eine Verteilung der Stromdichte zeigt.
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5 eine
graphische Darstellung ist, die das Simulationsergebnis für
die Verteilung der Stromdichte zeigt.
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6 eine
Ansicht ist, die den Aufbau einer lichtemittierenden Vorrichtung,
an der das lichtemittierende Element 1 angebracht ist,
zeigt.
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7 eine
Ansicht ist, die den Aufbau eines lichtemittierenden Elements 2 einer
beispielhaften Ausführungsform 2 zeigt.
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8 eine
Ansicht ist, die den Aufbau der lichtemittierenden Vorrichtung,
an der das lichtemittierende Element 2 angebracht ist,
zeigt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt.
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Beispielhafte Ausführungsform
1
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1 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines lichtemittierenden
Elements 1 einer beispielhaften Ausführungsform
1 zeigt. Das lichtemittierende Element 1 weist ein n-GaN-Substrat 10,
eine Halbleiterschicht 11, die aus einem Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter, der
auf der Oberfläche des n-GaN-Substrats 10 gestapelt
ist, besteht, eine p-Elektrode 12, die an der gesamten
Oberfläche 11a der Halbleiterschicht 11 ausgebildet
ist, und eine n-Elektrode 13, die an einer Rückfläche
(zweiten Oberfläche) 10a des n-GaN-Substrats 10 ausgebildet
ist, auf. Ferner ist die Form des lichtemittierenden Elements 1 in
der Ebene rechteckig, wobei die Längsseite 1000 μm lang
ist, die kurze Seite 300 μm lang ist und die Fläche
0,3 mm2 beträgt. 1A zeigt
den Querschnitt in Richtung der kurzen Seite, wobei die Richtung
der Längsseite die Richtung ist, die in 1A senkrecht zu
der Papierfläche ist.
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Die
Halbleiterschicht 11 weist einen Aufbau auf, bei dem eine
n-Schicht 111, eine aktive Schicht 112 und eine
p-Schicht 113 in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wie
in 1B gezeigt ist. Die n-Schicht 111 weist
einen Aufbau auf, bei dem eine Kontaktschicht des n-Typs, die aus
GaN besteht, das mit hoher Dichte mit Si dotiert ist, und eine n-Plattierungsschicht,
die aus GaN besteht, der Reihe nach gestapelt sind, und die p-Schicht 113 weist
einen Aufbau auf, bei dem eine p-Plattierungsschicht, die aus AlGaN
besteht, das mit Mg dotiert ist, und eine p-Kontaktschicht, die
aus GaN besteht, das mit Mg dotiert ist, der Reihe nach gestapelt
sind. Die aktive Schicht 112 weist einen MQW-Aufbau auf,
bei dem eine Barrierenschicht, die aus GaN besteht, und eine Grabenschicht,
die aus InGaN besteht, wiederholt gestapelt sind.
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Die
Rückfläche 10a des n-GaN-Substrats 10 ist
so bearbeitet, dass sie die abgeschrägte Form aufweist,
die in Richtung der kurzen Seite des n-GaN-Substrats 10 in
der Richtung einer lateralen Oberfläche 10c geneigt
ist und in Richtung der Längsseite eine abgeschrägte
Oberfläche 10b aufweist. Ein Neigungswinkel der
abgeschrägten Oberfläche 10b beträgt
etwa 60 Grad in Bezug auf das n-GaN-Substrat 10. Die n-Elektrode 13 ist
auch an dieser abgeschrägten Oberfläche 10b ausgebildet.
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Solch
eine abgeschrägte Form kann ohne Weiteres durch eine Lösung,
die dazu in der Lage ist, den Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter anisotrop
zu ätzen, ausgebildet werden. Als solch eine Lösung
können die Phosphorsäuren wie Phosphorsäure
und Pyrophosphorsäure, eine Säuremischung aus
Phosphorsäure und Schwefelsäure, Kaliumhydroxid
und Natriumhydroxid verwendet werden. Beispielsweise wird, wenn
die Rückfläche 10a des n-GaN-Substrats 10 unter
Verwendung von Phosphorsäure nassgeätzt wird,
die abgeschrägte Oberfläche 10b, die
eine Neigung von etwa 60 Grad in Bezug auf das n-GaN-Substrat 10 aufweist,
freigelegt.
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Außerdem
kann die Form, die die abgeschrägte Oberfläche 10b aufweist,
durch Trockenätzen oder mechanische Bearbeitung ausgebildet
werden.
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Die
p-Elektrode 12 und die n-Elektrode 13 bestehen
aus Ag mit einer Filmdicke von 300 nm. Zusätzlich zu Ag
kann ein Metall mit einem hohen Reflexionsvermögen wie
Al oder eine Ag-Legierung verwendet werden. Ferner sind die p-Elektrode 12 und die
n-Elektrode 13 mit einer Barrierenschicht 14,
die aus Ti/Pt/Au besteht, und einer Verbindungselektrodenschicht 15 aus
einem Lötmetall, das aus Au besteht, bedeckt. Die Gesamtdicke
der Barrieren schicht 14 und der Verbindungselektrodenschicht 15 beträgt
zusammen etwa 1 μm. Der Widerstand sowohl der p-Elektrode 12 als
auch der n-Elektrode 13 in Richtung der Längsseite
(erfindungsgemäß fast gleich dem Widerstand über
der größten Ausdehnung) in einem Zustand, in dem
die Barrierenschicht 14 und die Verbindungselektrodenschicht 15 kombiniert
sind, beträgt 0,1 Ω.
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Das
lichtemittierende Element 1 arbeitet durch Reflektieren
von Licht, das aus der MQW-Schicht 112 der lichtemittierenden
Schicht emittiert wird, an der p-Elektrode 12 und der n-Elektrode 13,
wobei eine laterale Oberfläche 16 auf der gegenüberliegenden
Seite der abgeschrägten Oberfläche 10b als
eine Hauptlichtentnahmefläche ausgebildet ist.
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Dabei
kann, da der Widerstand sowohl der p-Elektrode 12 als auch
der n-Elektrode 13 in Richtung der Längsseite
kleiner oder gleich 1 Ω ist, der Strom ideal in der Richtung
parallel zu der Substratoberfläche diffundiert werden,
wodurch es möglich ist, ein Ungleichgewicht in der Verteilung
der Stromdichte in der Richtung parallel zu der Substratoberfläche zu
verringern. Daher kann die Stromkonzentration unterdrückt
werden, und das Auftreten eines Versagens wie einer Migration kann
verhindert werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung
verbessert wird. Es ist wünschenswert, dass der elektrische
Widerstand sowohl der p-Elektrode 12 als auch der n-Elektrode 13 in
Richtung der Längsseite des lichtemittierenden Elements 1 kleiner
oder gleich 0,1 Ω ist, da es möglich ist, ein
Ungleichgewicht in der Verteilung der Stromdichte in der Richtung
parallel zu der Substratoberfläche weiter zu verbessern,
und es ist noch wünschenswerter, dass der elektrische Widerstand
kleiner oder gleich 0,01 Ω ist.
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Ferner
kann, da der elektrische Widerstand sowohl der p-Elektrode 12 als
auch der n-Elektrode 13 in Richtung der Längsseite
des lichtemittierenden Elements 1 kleiner oder gleich 1 Ω ist,
ein Spannungsabfall, der durch eine Stromdiffusion bewirkt wird,
unterdrückt werden, wodurch die Treiberspannung während
des Treibens mit großem Strom niedriger als bei verwandten
Techniken sein kann. Ferner nimmt, da die Rückfläche
des n-GaN-Substrats 10 so bearbeitet ist, dass sie die
abgeschrägte Form aufweist, die die abgeschrägte
Oberfläche 10b aufweist, und die n-Elektrode 13 an
der abgeschrägten Oberfläche 10b ausgebildet
ist, die Lichtmenge, die durch die abgeschrägte Oberfläche 10b in
Richtung der lateralen Oberfläche 16 reflektiert
wird, zu, wodurch der Wirkungsgrad der Lichtentnahme verbessert wird.
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Obwohl
der Winkel der abgeschrägten Oberfläche 10b bei
dieser exemplarischen Ausführungsform 1 60 Grad
ist, kann der Winkel der abgeschrägten Oberfläche 10b in
Bezug auf das n-GaN-Substrat 10 in dem Bereich zwischen
20 und 70 Grad liegen. In diesem Bereich kann der Wirkungsgrad der
Lichtentnahme weiter verbessert werden.
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Die 2 bis 5 zeigen
die Ergebnisse der Simulation für die Verteilung der Stromdichte
und die Treiberspannung in Richtung der Längsseite, wenn
der Treiberstrom 1 A ist und der elektrische Widerstand der p-Elektrode
und der n-Elektrode in Richtung der Längsseite verschieden
geändert wird. Zur Erleichterung der Analyse wurde als
ein Modell das lichtemittierende Element verwendet, das einen Aufbau
aufweist, bei dem die Rückfläche des n-GaN-Substrats 10 des
lichtemittierenden Elements 1 nicht so bearbeitet ist,
dass sie die abgeschrägte Form aufweist.
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2 zeigt
die Verteilung der Stromdichte in Richtung der Längsseite,
wenn der elektrische Widerstand sowohl der p-Elektrode als auch
der n-Elektrode in Richtung der Längsseite 0,7 Ω ist.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die Verteilung der Stromdichte
in Richtung der Längsseite relativ gleichmäßig
ist. Ferner betrug die Treiberspannung 3,7 V. Dies liegt in dem
Bereich, der nicht zu groß für das kleine lichtemittierende
Element mit einem Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter ist.
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3 zeigt
die Verteilung der Stromdichte in Richtung der Längsseite,
wenn der elektrische Widerstand sowohl der p-Elektrode als auch
der n-Elektrode in Richtung der Längsseite 0,07 Ω ist.
Aus 3 ist ersichtlich, dass die Verteilung der Stromdichte
in Richtung der Längsseite gleichmäßiger
als in 2 ist. Ferner war die Treiberspannung 3,3 V und
somit niedriger als in 2.
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4 zeigt
die Verteilung der Stromdichte in Richtung der Längsseite,
wenn der elektrische Widerstand der p-Elektrode in Richtung der
Längsseite 0,07 Ω ist und der elektrische Widerstand
der n-Elektrode in Richtung der Längsseite 0,03 Ω ist.
Da der elektrische Widerstand sowohl der p-Elektrode als auch der
n-Elektrode in Richtung der Längsseite klein genug ist,
wie in 3 gezeigt ist, beeinflusst der elektrische Widerstand
die Verteilung der Stromdichte weniger, auch wenn der elektrische
Widerstand der p-Elektrode in Richtung der Längs seite und
der elektrische Widerstand der n-Elektrode in Richtung der Längsseite
unterschiedlich sind, wodurch die gleichförmige Verteilung,
die äquivalent zu dem Fall von 3 ist, erhalten
wird. Ferner war die Treiberspannung 3,3 V, wie im Falle der 3.
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5 zeigt
die Verteilung der Stromdichte in Richtung der Längsseite,
wenn der elektrische Widerstand der p-Elektrode in Richtung der
Längsseite 6,7 Ω ist und der elektrische Widerstand
der n-Elektrode in Richtung der Längsseite 0,67 Ω ist.
Auch wenn der elektrische Widerstand einer Elektrode in Richtung
der Längsseite klein ist, ist, wie in 5 gezeigt,
der elektrische Widerstand der anderen Elektrode in Richtung der
Längsseite groß, weshalb ein Ungleichgewicht in
der Verteilung der Stromdichte vorliegt. Ferner war die Treiberspannung
4,8 V, was nicht niedrig genug war.
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6 zeigt
einen Aufbau einer lichtemittierenden Vorrichtung, bei der das lichtemittierende
Element 1 an einem Subträger 50 angebracht
ist. Der Subträger 50 besteht aus Si und weist
einen konkaven Abschnitt 51 wie ein Prismoid auf, dessen
Querschnittsfläche von der Bodenfläche zu der
Oberfläche (in einer Richtung senkrecht zu der Bodenfläche) zunimmt.
Dieser konkave Abschnitt 51 wurde durch Nassätzen
mit einer Lösung, die dazu in der Lage ist, Si anisotrop
zu ätzen, ausgebildet. Von einer lateralen Oberfläche 51a des
konkaven Abschnitts 51 zu der Oberfläche des Subträgers 50 ist
eine p-Elektrode 52 ausgebildet, und von einer lateralen
Oberfläche 51b des konkaven Abschnitts 51,
die der lateralen Oberfläche 51a gegenüberliegt,
zu der Oberfläche des Subträgers 50 ist
eine n-Elektrode 53 ausgebildet. Das lichtemittierende
Element 1 ist in den konkaven Abschnitt 51 eingepasst
und so angebracht, dass die p-Elektrode 12 des lichtemittierenden
Elements 1 und die p-Elektrode 52 des Subträgers 50, die
an der lateralen Oberfläche 51a ausgebildet ist,
in Kontakt stehen können und die n-Elektrode 13 des lichtemittierenden
Elements 1 und die n-Elektrode 53 des Subträgers 50,
die an der lateralen Oberfläche 51b ausgebildet
ist, in Kontakt stehen können. D. h., sowohl die p-Elektrode 12 als
auch die n-Elektrode 13 des lichtemittierenden Elements 1 sind
durch Chipmontage mit dem Subträger 50, der ein
Stromzufuhrkörper ist, verbunden.
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Durch
Anbringen des lichtemittierenden Elements auf diese Weise ist es
möglich, Licht wirksam aus der lateralen Oberfläche 16 auf
der gegenüberliegenden Seite der abgeschrägten
Oberfläche 10b nach oben zu emittieren.
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Beispielhafte Ausführungsform
2
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7 zeigt
einen Aufbau eines lichtemittierenden Elements 2 einer
Ausführungsform 2. Das lichtemittierende Element 2 weist
die Halbleiterschicht 11, die p-Elektrode 12 und
die n-Elektrode 13 an der Oberfläche eines n-GaN-Substrats 20 auf,
auf die gleiche Weise wie das lichtemittierende Element 1 der
Ausführungsform 1. Ein Unterschied zu dem lichtemittierenden
Element 1 der Ausführungsform 1 besteht darin,
dass die bearbeitete Form einer Rückfläche 20a des
n-GaN-Substrats 20 sich von der bearbeiteten Form des n-GaN-Substrats 10 bei
der Ausführungsform 1 unterscheidet. D. h., der Unterschied
besteht darin, dass in dem mittleren Teil der Rückfläche 20a des
n-GaN-Substrats 20 ein konkaver Abschnitt 21 in
Form des Buchstabens V mit einer abgeschrägten Oberfläche 20b,
die in Bezug auf das n-GaN-Substrat 20 geneigt ist, als
der lateralen Oberfläche ausgebildet ist. Es ist wünschenswert,
dass die Dicke d von der Position eines Scheitelpunkts des Buchstabens
V zu der Halbleiterschicht in dem Bereich zwischen 30 und 60% der
Dicke des n-GaN-Substrats 20 liegt. Ferner ist es wünschenswert,
dass der Winkel θ der abgeschrägten Oberfläche 20b in
Bezug auf das n-GaN-Substrat 20 in dem Bereich zwischen
20 und 70 Grad liegt. Wenn die Dicke d und der Winkel θ in
den oben erwähnten Bereichen liegen, kann der Wirkungsgrad
der Lichtentnahme weiter verbessert werden.
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Das
lichtemittierende Element 2 weist wie das lichtemittierende
Element 1 der Ausführungsform 1 die hohe Zuverlässigkeit
der Vorrichtung auf, da die Stromkonzentration unterdrückt
wird, wobei die Treiberspannung verringert wird. Ferner wird, da
durch die n-Elektrode 13, die an der abgeschrägten
Oberfläche 20b ausgebildet ist, Licht in Richtung
der lateralen Oberfläche reflektiert werden kann, der Wirkungsgrad
der Lichtentnahme in Richtung der lateralen Oberfläche
verbessert.
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8 ist
eine Ansicht, die den Aufbau einer lichtemittierenden Vorrichtung
zeigt, bei der das lichtemittierende Element 2 an einem
Subträger 60 angebracht ist. Der Subträger 60 ist
mit einem konkaven Abschnitt 61 wie ein Prismoid, dessen
Querschnittsfläche von der Bodenfläche zu der
oberen Oberfläche zunimmt, ausgebildet, wobei eine Bodenfläche 61b des
konkaven Abschnitts 61 eine breitere Oberfläche
als das lichtemittierende Element 2 aufweist. Von einer
Bodenfläche 61b des konkaven Abschnitts 61 zu
einer lateralen Oberfläche 61a des Subträgers 60 und
der oberen Oberfläche des Subträgers 60 ist
eine n-Elektrode 63 ausgebildet, und an der oberen Oberfläche
des Subträgers 60 ist an der Position, die von
der n-Elektrode 63 entfernt ist, ist eine p-Elektrode 62 ausgebildet.
Das lichtemittierende Element 2 ist so angebracht, dass
die n-Elektrode 13 des lichtemittierenden Elements 2 zum
Verbinden mit der n-Elektrode 63 durch Chipmontage mit
der n-Elektrode 63, die an der Bodenfläche 61b des
konkaven Abschnitts 61 ausgebildet ist, verbunden ist, wobei
die p-Elektrode 12 des lichtemittierenden Elements 2 und
die p-Elektrode 62 des Subträgers 60 durch
die Bonddrähte 64a, 64b und 64c verbunden sind.
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Durch
Anbringen des lichtemittierenden Elements 2 auf diese Weise
ist es möglich, Licht durch Reflektieren von Licht, das
aus der lateralen Oberfläche des lichtemittierenden Elements 2 emittiert
wird, an der lateralen Oberfläche 61a des Subträgers 60 wirksam
nach oben zu emittieren. Ferner kann, da die p-Elektrode 12 durch
eine Mehrzahl von Drähten gebondet ist, der Strom wirksam
in Richtung der Ebene diffundiert werden.
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Wenngleich
die Rückfläche des Substrats bei dieser Ausführungsform
die abgeschrägte Form aufweist, muss die Rückfläche
nicht notwendigerweise so bearbeitet sein, dass sie die abgeschrägte Form
aufweist. Es ist jedoch wünschenswert, den Wirkungsgrad
der Lichtentnahme aus der lateralen Oberfläche durch Bearbeiten
der Rückfläche, so dass sie die abgeschrägte
Form aufweist, zu verbessern.
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Ferner
kann, obwohl bei der Ausführungsform die p-Elektrode und
die n-Elektrode zum Erhöhen der Reflexion und Verbessern
des Wirkungsgrads der Lichtentnahme aus einem Metall mit einem hohen
Reflexionsvermögen bestehen, zum Erhöhen der Reflexion
ein DBR-Aufbau, der aus einem Multilayer-Film aus SiO2 und
TiO2 besteht, an der Oberseite und der Unterseite
einer lichtemittierenden Schicht ausgebildet sein.
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Ferner
ist, obwohl bei der Ausführungsform das n-GaN-Substrat
als ein Wachstumssubstrat verwendet wird, die Erfindung nicht darauf
beschränkt, es ist jedoch notwendig, dass das Substrat
leitend und bei der emittierten Wellenlänge transparent
ist. Beispielsweise kann das Gruppe-III-Nitrid-Halbleitersubstrat
wie AlGaN oder das SiC-Substrat verwendet werden. Ferner ist es
nicht notwendig, dass die Halbleiterschicht aus dem Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter
besteht, sondern sie kann beispielsweise aus einem AlGaInAs-Material
oder einem AlGaInP-Material bestehen, wie es herkömmlicherweise
als das Material für das lichtemittierende Ele ment verwendet
wird. In dem Fall, in dem das AlGaInAs-Material verwendet wird,
kann das GaAs-Substrat als das Wachstumssubstrat verwendet werden,
oder, in dem Fall, in dem das AlGaInP-Material verwendet wird, kann
das GaP-Substrat als das Wachstumssubstrat verwendet werden.
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Ferner
kann, obwohl die Form des lichtemittierenden Elements in der Ebene
bei der Ausführungsform rechteckig ist, eine beliebige
Form verwendet werden. Ferner ist es, obwohl die Abmessung des lichtemittierenden
Elements nicht auf die Ausführungsform beschränkt
ist, wünschenswert, dass die Längsseite 500 μm
oder mehr lang ist, wenn die Fläche des lichtemittierenden
Elements 0,25 mm2 oder mehr ist, oder dass
die Fläche des lichtemittierenden Elements in der Ebene
rechteckig ist. Bei solch einem großen lichtemittierenden
Element kann, da die Gleichmäßigkeit der Verteilung
der Stromdichte niedrig ist, die Erfindung darauf angewandt werden,
die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Stromdichte
wirksam zu erhöhen.
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Das
lichtemittierende Element der Erfindung ist zur Verwendung mit großen
Strömen geeignet und kann zur allgemeinen Beleuchtung verwendet
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2005-19608
A [0004]
- - JP 2003-86843 A [0005, 0007]