JP2005183910A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は窒化物半導体発光素子に関するものであり、n側電極形成による活性領域の減少を最小化し、順方向電圧特性を改善することにより全体の発光効率を大幅に向上させる。
【解決手段】
本発明は、第1領域と上記第1領域を囲繞する第2領域とに区分された上面を有するn型窒化物半導体層と、上記n型窒化物半導体層の第2領域上に順次形成された活性層とp型窒化物半導体層とで成る発光構造物と、上記p型窒化物半導体層上に形成されたp側電極と、上記n型窒化物半導体層の第1領域上に形成されたn側電極とを含む窒化物半導体発光素子を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関するもので、とりわけ高出力照明装置などに適正に使用できる大型サイズを有する高効率窒化物半導体発光素子に関するものである。
一般に、窒化物半導体はGaN、InN、AlNなどのようなIII-Ｖ族半導体結晶として、短波長光(紫外線ないし緑色光)、とりわけ青色光を出せる発光素子に広く用いられる。窒化物半導体発光素子は結晶成長のための格子整合条件を満たすサファイア基板やSiC基板などの絶縁性基板を用いて製造されるので、p及びn窒化物半導体層に連結された2個の電極が発光構造上面に略水平に配列されるプラナー構造を採用するしかない。
かかるプラナー(planar)構造発光素子は、2個の電極が発光構造物の上下面に夫々配置されたバーティカル(vertical)構造発光素子に比して電流の流れが全体発光領域に亘って均一に分布されないので、発光に加担する有効面積が大きくなく、発光面積当り発光効率も低いとの問題がある。かかるプラナー構造発光素子とそれによる発光効率の制限性について図11(a)及び図11(b)を参照しながら説明する。
図11(a)及び図11(b)は従来の窒化物半導体発光素子(10)の一形態を例示する。
図11(a)に示した窒化物半導体発光素子(10)はp側電極(19)とn側電極(18)が全て上向きであり略四角形の上面の対角線方向に配列された形態で例示される。このように、従来の窒化物半導体発光素子(10)は水平方向に並んで配列されたプラナー構造を有する。
より詳しく、図11(a)のA-A'線断面を示した図11(b)を参照すると、上記窒化物半導体発光素子(10)はサファイア基板(11)と、上記基板(11)上に順次形成されたn型窒化物半導体層(12)、活性層(14)及びp型窒化物半導体層(16)を含む構造を有し、本例のように上記p型窒化物半導体層(16)上には接触抵抗を改善するためにITOなどの透明電極層(17)を追加的に具備することもできる。
先に説明したように、窒化物半導体層を形成するのに用いられるサファイア基板(11)は電気的に絶縁性を有するので、n型窒化物半導体層(12)に接続されるn側電極(18)を形成するためにp型窒化物半導体層(16)と活性層(14)の一部領域を除去しなければならない。このように窒化物半導体成長用基板の絶縁性により窒化物半導体発光素子(10)は両電極(19、18)が同一面に配置されたプラナー構造(planar structure)を有するのである。
図11(a)及び図11(b)に示したプラナー構造半導体発光素子(10)において、両電極同士の電流の流れは最短距離の経路に集中されるので、垂直方向に電流の流れが与えられるバーティカル構造(vertical structure)発光素子に比して、電流密度が集中される電流経路が狭小になり、水平方向の電流の流れを有するので大きい直列抵抗により比較的高い駆動を有する。かかる問題により実質的に発光に加担する面積が小さくなる。このように窒化物半導体発光素子はプラナー構造という制限性により単位面積当り電流密度が低いばかりでなく、発光面積も小さく面積効率が低いとの問題がある。かかる問題により、大型サイズ(1000μm×1000μm)を有する照明装置用発光素子において高出力を保障するのは大変困難な課題とされてきた。
従来、かかる問題を緩和するために、電流密度を向上させ面積効率性を向上させるためのp側電極とn側電極の形状と配列に対する方案が図12と図13(a)及び13(b)に示したような様々な形態で開発されてきた。
図12には、基板上に順次積層されたn型窒化物半導体層(22)、活性層、及びp型窒化物半導体層(図示せず)から成る発光素子の上面が示してある。上記発光素子の上面には、p型窒化物半導体層(透明電極層(27)が形成された場合には透明電極層)及びn型窒化物半導体層(22)に夫々連結されたp側電極(29)及びn側電極(28)が形成される。上記n側電極(28)と上記p側電極(29)は夫々2個の接続パッド(28a、29a)とそれから延長された複数の電極指(28b、29b)を含み、上記n側とp側電極指(28b、29b)は噛み合った構造に形成される。こうした電極構造においては複数個の電極指(28b、29b)を通して独立した電流経路を提供し、電極同士の側方向平均距離を減少させることができる。これにより、直列抵抗を減少させるばかりでなく、全体面積に対する電流密度の均一性を向上させ、大面積LEDを使用しても全体上面面積において十分な発光面積を確保することができる。
しかし、各電極指(28b、28b)の端部は電流が提供される接続パッド(28a、29b)から相当な距離で離隔されるので、他の隣接部分に比して低い光出力をあらわすとの問題がある。
従来の他電極構造を有する窒化物半導体発光素子(30)は図13(a)及び図13(b)に示してある。図13(a)によると、p側電極(39)は素子上面の略中央領域に形成された接続パッド(39a)とそれから延長され対角線方向に配置された4個の電極指(39b)を含み、n側電極(38)は上面の一隅付近に形成された接続パッド(38a)とその接続パッド(38a)から延長されp側電極を囲繞するよう外周付近に沿って形成された延長部(38b)と上記延長部(38b)から上記p側接続パッド(39a)に向かって延長された4個の電極指(38c)を含む。
図13(b)に示したように、窒化物半導体発光素子(30)は基板(31)上にn型窒化物半導体層(32)と活性層(34)及びp型窒化物半導体層(36)が順次に形成された発光構造物を含む。上記発光構造物の上面にはp側電極(38)と接触抵抗を改善するためにp型窒化物半導体層(36)の上面に形成された透明電極層(37)を含むことができる。ここで、上記n側電極(38a、38b)は上記素子(30)の外周に沿って露出したn型窒化物半導体層(32)の上面に形成され、上記p側電極(39a、39b)は上記透明電極の上面に形成されp型窒化物クラッド層(37)に電気的に連結される。
ここに図示した窒化物半導体発光素子(30)は図12に示した形態に比して接続パッドと他電極部分の端部が短いよう形成することができ、全体面積において両電極が均一な間隔で分布するので、直列抵抗を減少させ発光効率を改善するばかりでなく、電流密度の均一な分布を形成することができる。
しかし、こうした電極構造においても、n側電極を形成するために除去される活性層の面積が小さくないので、当初成長させた発光構造物の全体寸法に比して実際発光に加担する面積が大幅に減少するばかりでなく、発光素子の寸法の増加につれてむしろ面積当り発光効率が低下する限界があった。
したがって、当技術分野においては、大型サイズの窒化物半導体発光素子においてより高出力を保障できる新たな電極構造及び配列方案が絶えなく講究されてきた。
本発明は上記した従来技術の問題を解決するためのもので、その目的はn側電極を素子上面の内部領域に配置しその周囲を囲繞するようp側電極を配置することにより、広い有効発光面積を確保できる幾何学的な構造を採用しながら効果的な電流分散を実現できる窒化物半導体発光素子を提供することにある。
上記した技術的課題を成し遂げるために、本発明は、第1領域と上記第1領域を囲繞する第2領域とに区分された上面を有するn型窒化物半導体層、上記n型窒化物半導体層の第2領域上に順次形成された活性層及びp型窒化物半導体層とで成る発光構造物と、上記p型窒化物半導体層上に形成された p側電極と、上記n型窒化物半導体層の第1領域上に形成されたn側電極とを含む窒化物半導体発光素子を提供する。
好ましくは、上記n型窒化物半導体層上面の第1領域は上記n型窒化物半導体層の略中央領域に該当することができ、n側電極もやはり該中央領域に形成することができる。
本発明の具体的な実施形態においては、上記p型窒化物半導体層と上記p側電極同士の接触抵抗を低減させるため透明電極層をさらに含むことができる。
また、上記p側電極は、少なくとも一つの接続パッドと、上記接続パッドから延長され上記p型窒化物半導体層上面の外周付近に沿って形成された少なくとも一つの延長部を含むことができ、上記p側電極は上記n側電極の周囲を囲繞するよう形成することが好ましい。
より好ましい実施形態において、上記発光構造物は4個の隅と隣接した隅同士を連結する4個の辺からなる上面を有し、上記p側電極は、上記4個の隅中少なくとも一個の隅付近に形成された接続パッドと上記接続パッドから延長され上記4個の辺に沿って形成された延長部を含むことができる。
本実施形態において、p側電極は様々な変形が可能である。即ち、上記p側電極は、上記接続パッド及び/または上記延長部から上記n側電極に向かって延長された少なくとも一個のp側電極指をさらに含むことができる。また、上記p側電極は、上記p側電極指中少なくとも一個の端部にその幅方向に形成された所定の長さを有する電極バーをさらに含むことができる。
これと類似して、本発明に用いるn側電極も様々な形態で具現することができる。好ましくは、上記n側電極は、上記n型窒化物半導体層上面の略中央領域に形成された接続パッドと、上記接続パッドから上記n型窒化物半導体層の外周方向に延長され形成された少なくとも一個のn側電極指を含む。
上記発光構造物が4個の隅と隣接した隅同士を連結する4個の辺からなる上面を有する実施形態においては、上記n側電極指は4個で、4個の隅または4個の外周辺中央に向かって延長された形態で形成することができる。かかるn側電極は上記n側電極指中少なくとも一個の端部にその幅方向に形成された所定の長さを有する電極バーをさらに含むことができる。
本発明の他実施形態において、n型窒化物半導体層、活性層及びp型窒化物半導体層が順次積層されてなる発光構造物と、上記p型窒化物半導体層上面の一領域に形成された少なくとも一個の接続パッドと上記接続パッドから延長され上記p型窒化物半導体上面の全体外周を囲繞するよう形成された延長部を含むp側電極と、上記n型窒化物半導体層上面中上記p側電極で囲繞された領域に形成された少なくとも一個の接続パッドを含むn側電極とを含む窒化物半導体発光素子を提供することができる。
上記実施形態において、上記n側電極の接続パッドは上記p側電極で囲繞される領域を同一面積で分割した複数個の領域中略中央部に夫々配置された複数個の接続パッドであることができる。この場合、上記n側電極は上記接続パッドから他接続パッド及び/またはp側電極に延長された延長部をさらに含むことができる。上記n側電極の延長部により上記複数個のn側接続パッド中少なくとも一部の対を相互連結することができる。
上述したように本発明によると、n側電極の形成領域を内部領域に配置させ、その周囲にp側電極を配置させる新たな電極配列構造を通してn側電極形成による活性領域の減少を最小化し、順方向電圧特性を改善することにより全体の発光効率を大幅に向上させることができる。
以下、添付の図を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図1(a)及び図1(b)は夫々本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子の平面図及び側断面図である。
図1(a)には、n側電極(48)とp側電極(49)が形成された上面を有する発光素子(40)が示されている。上記n側電極(48)はn型窒化物半導体層(42)の一領域上に形成する。上記n側電極(48)が形成された領域は、図1(b)に示したように活性層(44)とp型窒化物半導体層(46)で囲繞されたn型窒化物半導体層(42)上面の内部領域と定義される。上記n側電極は、好ましくは本実施形態のようにn型窒化物半導体層(42)上面の中央領域に形成された接続パッドで構成することができる。
上記p側電極(49)は上記p型窒化物半導体層(46)の上面に形成され、一隅に形成された接続パッド(49a)とそれから延長されその上面の外周付近に形成された延長部(49b)とで成る。とりわけ、上記p側電極(49)の延長部(49b)は図1(a)に示したように、n側電極(48)を完全に囲繞するよう形成することができる。本実施形態においては、p側電極(49)がp型窒化物半導体層(46)上に直接接触するものと図示してあるが、実際多くの応用形態においてはp側電極(49)とp型窒化物半導体層(46)との間に接触抵抗を減少させるための透明電極層を追加的に形成することができ、この際上記p側電極(49)はp側ボンディング電極ともいう。
このように本発明による窒化物半導体発光素子(40)は、n型窒化物半導体層(42)の上面中内部領域に形成されたn側電極(48)とその周囲のp型窒化物半導体層(46)の上面に形成されたp側電極(49)とを含む新たな電極配列方案を提供する。
本発明者は図1(a)に示した形態に比して、n側電極(48)とp側電極(49)を逆に配列させる場合、その幾何学的特長により除去する活性層領域を減少できるので実際発光面積を増加させられるばかりでなく、電流分散効果と順方向電圧特性が向上し実際発光効率が増加することに想到した。
より具体的に、本発明による発光面積の増加効果は活性層の除去を伴うn側電極の形成領域を内部領域に配置させその周囲にp側電極を配置させた新たな幾何学的な配列構造に起因する。即ち、窒化物半導体発光素子においては、n側電極が形成される領域からp型窒化物半導体層と共に活性層を選択的に除去しなければならないが、幾何学的な構造の面においてn側電極が外部に形成される場合より内部に位置する方がより小面積で具現することができ、その面積を確保するために除去される活性層の大きさを減少させることができる。本発明のさらに異なる効果である順方向電圧特性の向上とこうした効果による全体の発光効率の増加に対する説明は、図6ないし図9を通してより詳しく説明する。
図1(a)に示した本実施形態による発光素子の構造は上述した本発明の範囲内において、両電極同士の電流をより均一に分散させるために様々に変形された電極構造を採択することができる。
図2(a)ないし図2(c)は夫々本発明の他実施形態による窒化物半導体発光素子の平面図及び他方向による側断面図を示す。ここに示した発光素子はより効果的な電流分散を実現するためにn側電極が変形された形態である。
図2(a)によると、n側電極(58)とp側電極(59)が形成された上面を有する発光素子(50)が示してある。上記n側電極(58)はn型窒化物半導体層(52)の中央領域に形成された接続パッド(58a)とそれから延長された4個の電極指(58b)を含み、上記p側電極(59)は対向する両隅に夫々形成された2個の接続パッド(59a)とそれから延長されその上面の外周付近に形成された延長部(59b)を含む。図2(b)と図2(c)に示したように、上記n側電極(58)はn型窒化物半導体層(52)の中央領域に形成され、上記p側電極(59)は上記p型窒化物半導体層(56)の外周付近に形成される。本実施形態の発光素子はワイヤボンディングまたはフリップチップボンディングにより外部回路と連結される2個の接続パッド(59a)に全て連結させることができるが、このうち一個を選択して連結させてもよい。
上記p側電極(59)の延長部(59b)は図2(a)に示したように、n側電極(58)を完全に囲繞するよう形成することもできる。図2(a)に示した実施形態において、上記n側電極指(58b)は夫々上記n側接続パッド(58a)から上記p側電極(59)の延長部(59b)の各辺中心に向かって延長され形成される。こうしたn側電極指(58b)はp側電極(59)とn側電極(58)同士の電流経路を短縮させ直列抵抗を減少させると同時に、全体発光領域においてより均一な電流分散を保障するための手段として提供される。
このように、n側電極(58)をn型窒化物半導体層上面の中心部に配置し、その周囲をp側電極(59)が囲繞するよう配列し、n側電極(59)に発光構造物の各辺中心に向かう電極指を追加的に形成することにより電流分散効果をより向上させることができる。かかる電流分散効果の向上のためにn側電極は様々な構造に変形させることができる。図3(a)ないし図3(c)には様々なn側電極の構造が例示してある。
図3(a)は図2(a)に示した形態と類似するが、n側電極指(68b)の各端部にその幅方向に所定の長さを有する電極バー(68c)が形成された形態を例示する。
図3(a)のように、本実施形態による窒化物半導体発光素子(60)はn型窒化物半導体層(62)に接続されたn側電極(68)とp型窒化物半導体層(66)に接続されたp側電極(69)が形成された上面を有する。上記p側電極(69)は対向する両隅に夫々形成された二個の接続パッド(69a)とそれから延長されその上面の外周付近に形成された延長部(69b)を含む。上記n側電極(68)はn型窒化物半導体層(62)の中央領域に形成された接続パッド(68a)と、それから延長された4個の電極指(68b)と、各電極指(68b)の端部から幅方向に配置された所定の長さを有する電極バー(68c)を含む。上記n側電極バー(68c)は電極指(68b)と類似してp側電極(69)との電流経路を短縮させながら、全体発光領域において均一な電流分散を実現するための手段として用いることができる。
図3(b)は図2(a)と類似して4個のn側電極指(78b)を含むがその延長された方向が他形態を例示する。
図3(b)に示した窒化物半導体発光素子(70)はn型窒化物半導体層(72)に接続されたn側電極(78)とp型窒化物半導体層(76)に接続されたp側電極(79)とが形成された上面を有する。上記p側電極(79)は対向する両隅に夫々形成された2個の接続パッド(79a)とそれから延長されその上面の外周付近に形成された延長部(79b)とを含む。上記n側電極(78)はn型窒化物半導体層(72)中央領域に形成された接続パッド(78a)とそれから各隅付近に向かって延長された4個の電極指(78b)とを含む。上記p型窒化物半導体層(76)上面の各隅付近に延長されたn側電極指(78b)は図2(b)に示したp側電極指(59b)と同様に電流経路を短縮しながら、全体発光領域において均一な電流分散を実現するための手段として採用することができる。本実施形態のように、p型窒化物半導体層(76)の各隅に向かって延長されたn側電極指(79b)は夫々相異する長さで形成することができる。より均一な電流分散の面において、p側接続パッド(79a)が形成された隅に向かう電極指(78b)は他電極指に比して短い長さを有するよう形成することが好ましい。
図3(c)は図2(b)に示した形態においてn側電極指(88b)の各端部にその幅方向に所定の長さを有する電極バー(88c)が形成された形態を例示する。
図3(c)に示した窒化物半導体発光素子(80)はn型窒化物半導体層(82)に接続されたn側電極(88)とp型窒化物半導体層(86)に接続されたp側電極(89)が形成された上面を有する。上記p側電極(89)は対向する両隅に夫々形成された2個の接続パッド(89a)とそれから延長されその上面の外周付近に形成された延長部(89b)とを含む。上記n側電極(88)はn型窒化物半導体層(82)の中央領域に形成された接続パッド(88a)と、それから延長された4個の電極指(88b)と、各電極指(88b)の端部から幅方向に配置された所定の長さを有する電極バー(88c)とを含む。
これと異なり、本発明はn側電極構造でなくp側電極構造を改造することができる。図4(a)及び図4(b)はp側電極構造を改善した本発明の実施形態を例示する。
図4(a)は中心に位置したn側電極(98)に向かった4個のp側電極指(98b)を含む形態を例示する。
図4(a)に示した窒化物半導体発光素子(90)はn型窒化物半導体層(92)に接続されたn側電極(98)とp型窒化物半導体層(96)に接続されたp側電極(99)とが形成された上面を有する。上記n側電極(98)はn型窒化物半導体層(92)の中央領域に形成された接続パッドでのみ構成されるが、上記p側電極(99)は対向する両隅に夫々形成された二個の接続パッド(99a)と、それから延長されその上面の外周付近に形成された延長部(99b)と、上記各隅付近から上記n側電極(98)に向かって延長された4個の電極指(99c)とを含む。本実施形態において、上記p側電極指(99c)は先に説明されたn側電極指と類似して電流経路を減少させ全体発光領域に亘って電流をより均一に分散させるための手段として用いられる。
図4(b)は図4(a)の実施形態と異なるp側電極指(109c)が形成された形態を例示する。
図4(b)に示した窒化物半導体発光素子(100)はn型窒化物半導体層(102)に接続されたn側電極(108)とp型窒化物半導体層(106)に接続されたp側電極(109)とが形成された上面を有する。上記n側電極(108)は図4(a)のようにn型窒化物半導体層(102)の中央領域に形成された接続パッドでのみ構成されるが、上記p側電極(109)は対向する両隅に夫々形成された2個の接続パッド(109a)と、それから延長されその上面の外周付近に形成された延長部(109b)と、上記各辺中心の延長部から上記n側電極(108)に向かって延長された4個の電極指(109c)とを含む。また、上記p側電極指(109c)は各端部にその幅方向に所定の長さを有する電極バー(109d)を含む。上記電極バー(109d)は各p側電極指(109c)の端部においてn側電極(108)との電流密度を向上させることにより全体発光効率を追加的に向上させることができる。
本発明は先に説明した両形態、即ちn側電極構造とp側電極構造とを結合して追加的な実施形態を提供することができる。図5(a)及び図5(b)はp側電極とn側電極がすべて改善された実施形態を例示する。
図5(a)に示した窒化物半導体発光素子(110)においては、n側電極(118)は、n型窒化物半導体層(112)の中央領域に形成された接続パッド(118a)と、上記接続パッド(118a)から各辺中心に向かうよう配置された4個の電極指(118b)と、上記電極指(118b)の各端部に幅方向に配置された電極バー(118c)とを含む。また、p型窒化物半導体層(116)に接続されたp側電極(119)は、対向する両隅に夫々形成された2個の接続パッド(119a)と、それから延長されその上面の外周付近に沿って形成された延長部(119b)と、上記各隅から上記n側接続パッド(118a)に向かって延長された4個の電極指(119c)とを含む。
本実施形態による電極構造を略正方形の発光構造物上面を基準にして説明すると、上記p側電極(119)は対角線方向に配列された電極指(119c)を具備し、n側電極(118)は上記p側電極指(119c)同士の領域に十字方向に配列された電極指(118b)を含む。また、n側電極(118)はp側電極(119)と電流経路を短縮させるために電極指(118b)の端部にその電極指(118b)の延長方向と逆、即ちその幅方向に形成された電極バー(118c)を追加的に具備する。
図5(b)に示した窒化物半導体発光素子(120)においては、n側電極(128)は、n型窒化物半導体層(122)の中央領域に形成された接続パッド(128a)と、上記接続パッド(128a)から各隅付近に向かって配置された4個の電極指(128b)と、上記電極指(128b)の各端部に幅方向に配置された電極バー(128c)とを含む。また、p型窒化物半導体層(126)に接続されたp側電極(129)は、対向する両隅に夫々形成された2個の接続パッド(129a)と、それから延長されその上面の外周付近に沿って形成された延長部(129b)と、上記各隅から上記n側接続パッド(128a)に向かって延長された4個の電極指(129c)とを含む。
かかる電極構造は略正方形の発光構造物の上面を基準にすると、上記p側電極(129)は十字方向に配列された電極指(129c)を具備し、n側電極(128)は上記p側電極指(129c)間の領域に対角線方向に配列された電極指(128b)を含む。また、n側電極(128)はp側電極(129)との電流経路を短縮するために電極指(128b)の端部にその電極指(128b)の延長方向と逆、即ちその幅方向に形成された電極バー(128c)を追加的に具備する。
(実施例)
本発明による窒化物半導体発光素子の向上した特性を確認するために、約1000μm×1000μmサイズを有する正方形のサファイア基板上に各層の組成と厚さが同一な三個の窒化物半導体発光構造物を製造した。
上記発光構造物中二個は夫々図12と図13(a)に説明した電極構造を有する窒化物半導体発光素子で製造した。こうして製造した従来の窒化物半導体発光素子は夫々図6(a)及び図6(b)に示した。上記発光構造物中残りの一個は図5(a)と同一な電極構造を有するよう形成した。このように製造した本発明の窒化物半導体発光素子は図6(c)に示した。
図6(c)に示した本発明による発光素子は図6(b)に示した従来の発光素子とほぼ類似する電極パターンを有するが、図6(b)に示した従来の形態とは逆に、n側電極が上面中心に形成され、p側電極が上面外周にn側電極を囲繞するよう形成された構造を有する。
図6(a)ないし図6(c)の発光素子はp側及びn側電極の接続パッド中夫々一個の接続パッドを選択してワイヤボンディングを通して所定の電圧を印加し、各発光素子の電流を測定して順方向電圧特性を確認し、次いで各素子の輝度特性を観察した。こうして得た順方向電圧特性と電流‐輝度特性に対する結果を夫々図7(a)及び図7(b)のグラフに示した。なお、こうした照明用高出力発光素子と異なった通常の窒化物半導体発光素子(350μm×350μm)に対する特性をsとして共に例示した。
先ず、図7(a)によると、図6(a)ないし図6(c)の発光素子の順方向電圧特性が夫々aないしcで示してある。図6(c)の発光素子(a)は図6(a)及び図6(b)の発光素子(b、c)に比して優れた順方向電圧特性を有することがわかる。
とりわけ、図6(b)の発光素子(b)と図6(c)の発光素子(c)はほぼ同一な大きさと形状の電極構造を用いるが、p側電極とn側電極が相互逆に位置した構造を有することだけ違っている。図7(a)の結果によると、図6(c)の発光素子(c)のようにn側電極が内部に位置しp側電極が外周に位置することが順方向電圧特性を向上させることがわかる。
また図7(b)には、図6(a)ないし図6(c)の発光素子(a、b、c)の電流による光出力変化が示されている。図7(b)のように、図6(c)の発光素子(c)が最も高い輝度を示し最も優れた光出力を有することがわかる。
図6(a)ないし図6(c)の窒化物半導体発光素子の光出力の差を肉眼で比較するために、100mAと300mAの電流において作動する窒化物半導体発光素子を撮影した写真が夫々図8ないし図9に示されている。図8(a)ないし図8(c)と図9(a)ないし図9(c)に示したように、夫々の印加電流において本発明による窒化物半導体発光素子である図8(c)と図(c)の発光素子が最も優れた光出力を示すことを確認できる。
とりわけ、図6(b)の発光素子と図6(c)の発光素子は図7(a)において確認した順方向電圧特性の差から期待できるレベルより大きい光出力特性の差を示した。こうした光出力特性の向上は、図6(c)の発光素子が図6(b)の発光素子に比して発光面積を確保し易い有利な幾何学的構造を有することに起因する。
即ち、図6(b)のようにn側電極を外部周囲に配置した発光素子においてより、図6(c)のようにn側電極を内部に配置した発光素子においてn側電極の形成に要求される面積を減少させることができるので、図6(c)の発光素子がより大きい発光面積を確保するのに有利である。
本発明による発光素子は、照明用に主に用いられる高出力発光素子に有用に適用されることができる。このように照明用高出力発光素子は小型発光素子を複数個結合したりもするが、1000μm×1000μm以上の大型サイズを有する発光素子が主に使用され、こうした応用形態に本発明はより有用である。とりわけ、より高い出力を保障するために発光素子の大きさを増加させる場合、均一な電流分散を保障するためにワイヤなどの手段を通して外部電源と連結される接続パッドを追加的に具備することができる。例えば、図3ないし図5に亘って示したように、p側電極は対向する隅に設けられた2個の接続パッドを具備することができ、これと異なり隅に4個の接続パッドを具備することができる。複数個の接続パッドが設けられる位置は隅付近に限定されるわけではないが、同一な間隔で配置されることが好ましい。
これと類似して、n側電極構造もより広い面積に亘って均一な電流分散を保障するために複数個の接続パッドで構成することができる。
図10(a)ないし図10(c)は夫々複数個の接続パッドからなるn側電極構造を有する窒化物半導体発光素子を示した平面図である。
図10(a)示した窒化物半導体発光素子(130)において、p側電極(139)は一隅に形成された接続パッド(139a)とp型窒化物半導体層(136)の外周辺を囲繞する延長部(139b)とで成り、n側電極はn型窒化物半導体層(132)に接続された4個のn側接続パッド(138a)で成る。各n側接続パッド(138a)は広い面積に亘って均一な電流分散が保障されるよう全体面積の1/4領域に該当する領域の中心に夫々形成する。
図10(b)に示した窒化物半導体発光素子(140)において、n側電極は図10(a)と類似してn型窒化物半導体層(142)に接続された4個のn側接続パッド(148a)から成るが、p側電極(149)は一隅に形成された接続パッド(149a)とp型窒化物半導体層(146)の外周辺を囲繞する延長部(149b)のほかにも、上記延長部の各辺中央領域からn側接続パッド同士の領域に延長された4個の電極指(149c)を追加的に含むことができる。
図10(c)に示した窒化物半導体発光素子(150)において、p側電極(159)は図10(b)のように、一隅に形成された接続パッド(159a)と、p型窒化物半導体層(156)の外周辺を囲繞する延長部(159b)と、上記延長部(159b)の各辺中央領域からn側接続パッド(158)間の領域に延長された4個の電極指(159c)とで成る。また、n側電極(158)は4個のn側接続パッド(158a)と上記n側接続パッドをp側電極と接続されないよう十字型に形成した交差延長部(158b)とを含むことができる。
本発明による発光素子は大型発光素子においても十分均一な電流分散の効果を得るために、各電極の接続パッドの数を適切に増加させられる形態に改造させたり変形させることができる。こうした接続パッドの数を増加させた変形形態ばかりでなく、他実施形態も、n側電極が発光構造物上面の内部に配置されp型窒化物半導体層に囲繞されp側電極が発光構造物のp型窒化物半導体層上面の外周付近に形成されn側電極を囲繞する形態で提供される本発明による構造を維持しながら様々に変形させられる。
このように、本発明は上述した実施形態及び添付の図に限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定されるもので、請求範囲に記載した本発明の技術的思想を外れない範囲内において様々な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては自明であろう。
本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示した平面図及び側断面図である。 本発明の他実施形態による窒化物半導体発光素子を示した平面図及び側断面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子におけるn側電極構造の様々な例を示した平面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子におけるp側電極構造の様々な例を示した平面図である。 本発明の窒化物半導体発光素子におけるp側及びn側電極構造が全て改善された様々な例を示した平面図である。 従来の窒化物半導体発光素子と本発明による窒化物半導体発光素子を示した写真である。 図6の窒化物半導体発光素子の順方向電圧特性と電流‐輝度特性を示したグラフである。 100mA電流における図6の窒化物半導体発光素子の輝度を示した写真である。 300mA電流における図6の窒化物半導体発光素子の輝度を示した写真である。 複数個の接続パッドからなるn側電極構造を有する窒化物半導体発光素子を示した平面図である。 従来の窒化物半導体発光素子を示した平面図及び側断面図である。 従来の一例による窒化物半導体発光素子を示した平面図である。 従来の他例による窒化物半導体発光素子を示した平面図及び側断面図である。
符号の説明
40 窒化物半導体発光素子
42 n型窒化物半導体層
44 活性層
46 p型窒化物半導体層
48 n側電極
49a p側接続パッド
49b p側電極延長部
49 p側電極

Claims (23)

  1. 第1領域と上記第1領域を囲繞する第2領域とに区分された上面を有するn型窒化物半導体層、上記n型窒化物半導体層の第2領域上に順次形成された活性層及びp型窒化物半導体層とで成る発光構造物と、
    上記p型窒化物半導体層上に形成されたp側電極と、
    上記n型窒化物半導体層の第1領域上に形成されたn側電極と、
    を含む窒化物半導体発光素子。
  2. 上記n型窒化物半導体層上面の第1領域は上記n型窒化物半導体層の略中央領域に該当することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 上記p型窒化物半導体層と上記p側電極との接触抵抗を低減させるために透明電極層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 上記p側電極は、少なくとも一個の接続パッドと、上記接続パッドから延長され上記p型窒化物半導体層上面の外周付近に沿って形成された少なくとも一個の延長部とを含むことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 上記p側電極は上記n側電極の周囲を囲繞するよう形成されることを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 上記発光構造物は4個の隅と隣接した隅同士を連結する4個の辺とでなる上面を有し、上記p側電極は、上記4個の隅中少なくとも一個の隅付近に形成された接続パッドと上記接続パッドから延長され上記4個の辺に沿って形成された延長部とを含むことを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体発光素子。
  7. 上記p側電極は、上記接続パッド及び/または上記延長部から上記n側電極に向かって延長された少なくとも一個のp側電極指をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 上記少なくとも一個のp側電極指は4個で、夫々上記4個の辺中心に該当する領域から延長され形成されることを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体発光素子。
  9. 上記少なくとも一個のp側電極指は4個で、夫々上記4個の隅から延長され形成されることを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体発光素子。
  10. 上記p側電極は、上記p側電極指中少なくとも一個の端部にその幅方向に形成された所定の長さを有する電極バーをさらに含むことを特徴とする請求項7ないし9のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  11. 上記n側電極は、上記n型窒化物半導体層上面の略中央領域に形成された接続パッドと、上記接続パッドから上記n型窒化物半導体層の外周方向に延長され形成された少なくとも一個のn側電極指とを含むことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  12. 上記p側電極は、少なくとも一個の接続パッドと、上記接続パッドから延長され上記p型窒化物半導体層上面の外周付近に沿って形成された少なくとも一個の延長部とを含むことを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子。
  13. 上記p側電極は上記n側電極の周囲を囲繞するよう形成されることを特徴とする請求項12に記載の窒化物半導体発光素子。
  14. 上記p側電極は、上記接続パッド及び/または上記延長部から上記n側電極に向かって延長された少なくとも一個のp側電極指をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の窒化物半導体発光素子。
  15. 上記発光構造物は4個の隅と隣接した隅同士を連結する4個の辺とで成る上面を有し、上記少なくとも一個のn側電極指は4個で、4個の隅に向かって延長され形成されることを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子。
  16. 上記p側電極は少なくとも一個の接続パッドと、上記接続パッドから延長され上記n側電極を囲繞するよう上記p型窒化物半導体層上面の外周付近に沿って形成された少なくとも一個の延長部と、4個の辺中心に該当する電極領域から上記n側接続パッドに向かって延長され形成された4個のp側電極指とを含むことを特徴とする請求項15に記載の窒化物半導体発光素子。
  17. 上記発光構造物は4個の隅と隣接した隅同士を連結する4個の辺とで成る上面を有し、上記少なくとも一個のn側電極指は4個で、4個の辺中心領域に向かって延長され形成されることを特徴とする請求項11に記載の窒化物半導体発光素子。
  18. 上記p側電極は少なくとも一個の接続パッドと、上記接続パッドから延長され上記n側電極を囲繞するよう上記p型窒化物半導体層上面の外周付近に沿って形成された少なくとも一個の延長部と、4個の隅に該当する電極領域から上記n側接続パッドに向かって延長され形成された4個のp側電極指とを含むことを特徴とする請求項17に記載の窒化物半導体発光素子。
  19. 上記n側電極は上記n側電極指中少なくとも一個の端部にその幅方向に形成された所定の長さを有する電極バーをさらに含むことを特徴とする請求項11ないし18のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  20. n型窒化物半導体層、活性層、及びp型窒化物半導体層が順次に積層されて成る発光構造物と、
    上記p型窒化物半導体層上面の一領域に形成された少なくとも一個の接続パッドと上記接続パッドから延長され上記p型窒化物半導体上面の全体外周を囲繞するよう形成された延長部とを含むp側電極と、
    上記n型窒化物半導体層の上面中上記p側電極で囲繞された領域に形成された少なくとも一個の接続パッドを含むn側電極と、
    を含む窒化物半導体発光素子。
  21. 上記n側電極の接続パッドは上記p側電極で囲繞された領域を同一面積で分割した複数個の領域中略中央部に夫々配置された複数個の接続パッドであることを特徴とする請求項20に記載の窒化物半導体発光素子。
  22. 上記n側電極は上記複数個の接続パッドから他接続パッド及び/またはp側電極に延長された延長部をさらに含むことを特徴とする請求項21に記載の窒化物半導体発光素子。
  23. 上記n側電極の延長部は上記複数個のn側接続パッド中少なくとも一部を相互連結することを特徴とする請求項22に記載の窒化物半導体発光素子。
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