JP2006054217A - 発光ダイオードチップおよびそれを備えたチップ型発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードチップから発せられた光を効率よく外部に取り出すことができる側面発光型のチップ型発光素子を提供する。
【解決手段】絶縁性基板１の一方表面には、内部電極２Ａ，２Ｂが形成されており、絶縁性基板１の他方表面には、外部電極３Ａ，３Ｂが形成されている。内部電極２Ａ上には、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ４がダイボンディングされている。ＬＥＤチップ４は、半導体基板１１の上に、下クラッド層１２、活性層１３、および上クラッド層１４が順に形成されてなる。ＬＥＤチップ４は、活性層１３が絶縁性基板１にほぼ平行になるように配されている。下クラッド層１２および上クラッド層１４は、Ａｌ_x1Ｇａ_(1-x1)Ａｓ（ｘ１＝０．２８）からなり、活性層１３は、Ａｌ_x2Ｇａ_x3Ｉｎ_(1-x2-x3)Ｐ（ｘ２＝０．１２）からなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、携帯電話機のキーの照明用光源などに用いられる側面発光型のチップ型発光素子およびそれに用いられる発光ダイオードチップに関する。

携帯電話機には、半透明の材料からなる多数のキー（スイッチ）が備えられている。携帯電話機の内部には、チップ型発光素子が実装された実装基板が備えられており、チップ型発光素子でキーが照明されることにより、外部からキーが光って見えるようになっている。
このような用途には、実装基板の表面に平行な方向に光を発する、いわゆる側面発光型のチップ型発光素子が用いられる。携帯電話機などにおいては、１つのチップ型発光素子で複数のキーが照明されるようになっているので、高輝度のチップ型発光素子が求められている。

図３は、従来の側面発光型のチップ型発光素子３０の図解的な断面図である。このチップ型発光素子３０は、ほぼ直方体の形状を有しており、絶縁性基板２１と、この絶縁性基板２１の一方表面に配された発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ２４およびリフレクタケース２７とを備えている。絶縁性基板２１の他方表面（リフレクタケース２７側とは反対側の表面）は、チップ型発光素子３０を実装基板に接合するための実装面となっている。

絶縁性基板２１の上記一方表面には、内部電極２２Ａが形成されている。ＬＥＤチップ２４の一対の平行な面には、ｐ側電極２４ｐおよびｎ側電極２４ｎがそれぞれ形成されている。ＬＥＤチップ２４は、ｎ側電極２４ｎが形成された面で内部電極２２Ａにダイボンディングされている。ＬＥＤチップ２４のｐ側電極２４ｐは、ボンディングワイヤ２５を介して、内部電極２２Ａとは別の他の内部電極（図示しない。）に電気接続されている。

内部電極２２Ａ、およびボンディングワイヤ２５が接続された他の内部電極からは、絶縁性基板２１の端面を介して、絶縁性基板２１の実装面へ配線が延設されている（図示しない。）。
リフレクタケース２７は、ＬＥＤチップ２４の上面（ｐ側電極２４ｐが形成されている面）および側面の１つに対向する方向を覆っている。リフレクタケース２７の内表面は、ＬＥＤチップ２４からの光を反射する反射面をなしている。絶縁性基板２１とリフレクタケース２７との間の空間を埋めるように、透光性樹脂２８が配されている。

ＬＥＤチップ２４は、絶縁性基板２１にほぼ平行に配された半導体基板３１、ならびに半導体基板３１の上（絶縁性基板２１側とは反対側）に順に積層された下クラッド層３２、活性層３３、および上クラッド層３４を含んでいる。
半導体基板３１は、ＧａＡｓ化合物半導体からなる。下クラッド層３２および上クラッド層３４は、Ａｌ_y1Ｇａ_(1-y1)Ａｓ（たとえば、ｙ１＝０．２）の組成を有する化合物半導体からなり、活性層３３は、Ａｌ_y2Ｇａ_y3Ｉｎ_(1-y2-y3)Ｐ（たとえば、ｙ２＝０．１、ｙ３＝０．２）の組成を有する化合物半導体からなる。

ｎ側電極２４ｎとｐ側電極２４ｐとの間に通電すると、活性層３３内で電子と正孔とが再結合して発光する。下クラッド層３２、上クラッド層３４、および活性層３３を上述のような組成とすることにより、下クラッド層３２および上クラッド層３４のバンドギャップエネルギーは、活性層３３のバンドギャップエネルギーより大きくなり、キャリアは活性層３３内に閉じ込められる。

このようにして発生した光は、チップ型発光素子３０の側面のうち、リフレクタケース２７に遮られていない面から外部に取り出される。
特開平７−３８１５１

ところが、半導体基板３１は、活性層３３が発する光に対して不透明であり、ＬＥＤチップ２４は主として活性層３３（ｐ側電極２４ｐ）が形成されている側の面から半導体基板３１にほぼ垂直な方向（図３に矢印Ｅで示す。）に光を発する。この方向には、リフレクタケース２７が配されているため、ＬＥＤチップ２４から発せられた光の大部分は、リフレクタケース２７の内表面などでいったん反射されてから、チップ型発光素子３０の外部へと取り出される。

そのため、ＬＥＤチップ２４の発光量の割に、チップ型発光素子３０の光量をさほど増大することができないという問題があった。換言すれば、チップ型発光素子３０の光量を増大させるためには、ＬＥＤチップ２４に大きな電流を流さなければならなかった。
そこで、この発明の目的は、発光ダイオードチップから発せられた光を効率よく外部に取り出すことができる側面発光型のチップ型発光素子を提供することである。

この発明の他の目的は、チップ型発光素子に用いられたとき、発せられた光を効率よく外部に取り出すことができる発光ダイオードチップを提供することである。

上記の課題を解決するための請求項１記載の発明は、半導体基板（１１）上に配され、III族元素としてアルミニウムを含むIII-V族化合物半導体からなる下クラッド層（１２）と、上記下クラッド層の上に配され、III族元素としてアルミニウムを含むIII-V族化合物半導体からなる活性層（１３）と、上記活性層の上に配され、III族元素としてアルミニウムを含むIII-V族化合物半導体からなる上クラッド層（１４）とを備え、上記下クラッド層および上クラッド層におけるアルミニウムの混晶比が、上記活性層におけるアルミニウムの混晶比の２．０倍より大きいことを特徴とする発光ダイオードチップ（４）である。

なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を示す。以下、この項において同じ。
III族元素としてアルミニウム（Ａｌ）を含むIII-V族化合物半導体では、アルミニウムの混晶比（以下、単に「Ａｌ混晶比」という。）が高くなるほど、屈折率は低くなる。このため、下クラッド層および上クラッド層におけるＡｌ混晶比を、活性層におけるＡｌ混晶比より高くすることにより、下クラッド層および上クラッド層の屈折率は、活性層の屈折率より低くなる。

下クラッド層および上クラッド層におけるＡｌ混晶比を、本発明のように、活性層におけるＡｌ混晶比の２．０倍より大きくすることにより、下クラッド層および上クラッド層の屈折率に対する活性層の屈折率の比を大きく（たとえば、１．１倍以上）することができる。これにより、活性層で発生した光は、活性層内（下クラッド層と上クラッド層との間）に閉じ込められ、活性層に沿う面内の方向に進み、そして、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップの側面から外部に放出されるようになる。

このため、このようなＬＥＤチップを、チップ型発光素子において、活性層が絶縁性基板とほぼ平行になるように絶縁性基板上に配すると、ＬＥＤチップから側方へ発せられた光は、絶縁性基板に平行に、すなわち、チップ型発光素子の側面から放出される。したがって、このようなＬＥＤチップが側面発光型のチップ型発光素子に用いられたとき、ＬＥＤチップの主たる光の放出方向と、チップ型発光素子の主たる光の放出方向とが一致するので、ＬＥＤチップから発せられた光を効率よくチップ型発光素子の外部に取り出すことができる。

換言すれば、このようなＬＥＤチップが用いられた側面発光型のチップ型発光素子は、従来の側面発光型のチップ型発光素子と比べて、ＬＥＤチップに流す電流をより少なくして、同等の光量を得ることができる。
半導体基板は、たとえば、ＧａＡｓからなるものとすることができる。
下クラッド層および上クラッド層は、たとえば、請求項２記載のようにＡｌ_x1Ｇａ_(1-x1)Ａｓからなるものであってもよく、その場合、ｘ１（Ａｌ混晶比）は、０．２より大きく、かつ０．３以下とすることができる。

III族元素としてＡｌを含むIII-V族化合物半導体では、Ａｌ混晶比が高くなるほど、バンドギャップエネルギーは大きく（ワイドギャップに）なる。したがって、Ａｌ混晶比ｘ１が上記のような値をとるとき、下クラッド層および上クラッド層のバンドギャップエネルギーは大きくなる。
また、活性層は、たとえば、請求項３記載のようにＡｌ_x2Ｇａ_x3Ｉｎ_(1-x2-x3)Ｐからなるものであってもよく、ｘ２（Ａｌ混晶比）は、０．１より大きく、かつ０．２以下とすることができる。

請求項４記載の発明は、絶縁性基板（１）と、この絶縁性基板の一方表面に形成された内部電極（２Ａ，２Ｂ）と、この絶縁性基板の他方表面に形成され、上記内部電極に電気接続された外部電極（３Ａ，３Ｂ）と、上記内部電極に電気接続され、上記絶縁性基板と上記活性層とがほぼ平行になるように配された請求項１ないし３のいずれかに記載の発光ダイオードチップとを備えたことを特徴とするチップ型発光素子である。

このチップ型発光素子は、外部電極を介して、実装基板（配線基板）に対して、絶縁性基板と実装基板とがほぼ平行になるように接続できる。この場合、チップ型発光素子は、実装基板に対してほぼ平行に光を放出できる。
このような構成のチップ型発光素子により、請求項１ないし３のいずれかに記載の発光体チップと同様の効果を奏することができる。

このチップ型発光素子は、さらに、活性層で発生した光を所定の方向へ集めるためのリフレクタケースを備えていてもよい。活性層で発生した光は、活性層に沿う面内のすべての方向に進む。したがって、ＬＥＤチップから、チップ型発光素子の所定の方向以外の方向に向けて発せられた光を、リフレクタケースで反射させて、所定の方向に向けることができる。

以下では、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る側面発光型のチップ型発光素子１０の構造を示す図解的な分解斜視図であり、図２は、その図解的な断面図である。このチップ型発光素子１０は、平面視においてほぼ矩形の絶縁性基板１と、この絶縁性基板１の一方表面側に配置されたリフレクタケース７とを備えており、全体が偏平な直方体形状に構成されている。絶縁性基板１のリフレクタケース７側とは反対側の表面は、チップ型発光素子１０を実装基板に接合するための実装面となっている。この実装面には、絶縁性基板１の両端面付近に一対の外部電極３Ａ，３Ｂが形成されている。

絶縁性基板１の上記一方表面には、外部電極３Ａ，３Ｂにそれぞれ対応した一対の内部電極２Ａ，２Ｂが形成されている。これらのうちの一方の内部電極２Ａに、たとえば、銀ペーストを用いて、ＬＥＤチップ４がダイボンディングされている。また、ＬＥＤチップ４においてダイボンディングされている面の反対側の面には、ボンディングワイヤ５が電気接続されており、ボンディングワイヤ５は、内部電極２Ｂに電気接続されている。

内部電極２Ａ，２Ｂおよび外部電極３Ａ，３Ｂは、絶縁性基板１の両端面に形成された２分の１スルーホール６Ａ，６Ｂの内壁面に被着された導体膜を介して、それぞれ電気接続されている。以上のような構成により、外部電極３Ａと外部電極３Ｂとの間に通電することにより、ＬＥＤチップ４が発光する。
リフレクタケース７は、断面Ｌ字形に形成されていて、ＬＥＤチップ４の側面の１つに対向する方向を覆うように配置されている。リフレクタケース７の内表面は、ＬＥＤチップ４からの光を反射する反射面をなしている。リフレクタケース７と絶縁性基板１との間の空間を埋めるように、透光性樹脂８（図１では、図示を省略）が設けられている。透光性樹脂８は、たとえば、エポキシ樹脂からなる。

図２を参照して、ＬＥＤチップ４は、半導体基板１１の一方表面に下クラッド層（ｎクラッド層）１２、活性層１３、および上クラッド層（ｐクラッド層）１４が順に積層されてなる。半導体基板１１は、絶縁性基板１にほぼ平行に配置されている。
半導体基板１１の下面（下クラッド層１２が形成されている面とは反対側の面）にはｎ側電極４ｎが形成されており、ＬＥＤチップ４はこのｎ側電極４ｎを介して内部電極２Ａにダイボンディングされている。上クラッド層１４の上には、ｐ側電極４ｐが形成されており、ボンディングワイヤ５は、このｐ側電極４ｐに接続されている。

半導体基板１１は、ＧａＡｓからなる。下クラッド層１２および上クラッド層１４の組成は、Ａｌ_x1Ｇａ_(1-x1)Ａｓであり、Ａｌ混晶比ｘ１は、たとえば、０．２８程度である。下クラッド層１２は、不純物の導入によりｎ型半導体にされており、上クラッド層１４は、不純物の導入によりｐ型半導体にされている。
活性層１３の組成は、Ａｌ_x2Ｇａ_x3Ｉｎ_(1-x2-x3)Ｐであり、Ａｌ混晶比ｘ２は、たとえば、０．１２程度である。したがって、下クラッド層１２および上クラッド層１４におけるＡｌ混晶比ｘ１と、活性層１３におけるＡｌ混晶比ｘ２との差は０．１６程度であり、Ａｌ混晶比ｘ１はＡｌ混晶比ｘ２の２倍より大きい（約２．３倍）。

ＬＥＤチップ４において、ｐ側電極４ｐとｎ側電極４ｎとの間に通電すると、活性層１３内で電子と正孔とが再結合して発光する。下クラッド層１２、上クラッド層１４、および活性層１３を上述のような組成とすることにより、下クラッド層１２および上クラッド層１４のバンドギャップエネルギーは、活性層１３のバンドギャップエネルギーより大きくなり、キャリアは活性層１３内に閉じ込められる。また、Ａｌ混晶比ｘ１，ｘ２を上記のような値とすることにより、下クラッド層１２および上クラッド層１４は、バンドギャップエネルギーに関して、ワイドギャップ化される。

ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系のように、III族元素としてＡｌを含むIII-V族化合物半導体では、Ａｌの混晶比が高くなるほど屈折率は低くなる。このため、ＬＥＤチップ４において、下クラッド層１２および上クラッド層１４の屈折率は、活性層１３の屈折率より低くなっている。下クラッド層１２および上クラッド層１４の屈折率と、活性層１３の屈折率との差は、たとえば、０．３程度である。

このように、下クラッド層１２および上クラッド層１４の屈折率が活性層１３の屈折率より低く、かつ、下クラッド層１２および上クラッド層１４の屈折率と活性層１３の屈折率との差が大きい場合は、活性層１３で発生した光の大部分は、活性層１３に垂直な方向に関して、活性層１３内（下クラッド層１２と上クラッド層１４との間）に閉じ込められる。このような光は、活性層１３と平行な方向に進み、ＬＥＤチップ４の側面から、ＬＥＤチップ４の外部へと放出される。

ＬＥＤチップ４は、活性層１３が絶縁性基板１とほぼ平行になるように配されているので、ＬＥＤチップ４から発せられた光は、主として絶縁性基板１に平行に進む。これらの光のうち、リフレクタケース７が配されていない方向に進む光は、直接チップ型発光素子１０外へと取り出される。ＬＥＤチップ４から発せられた光のうち、リフレクタケース７が配されている方向に進むものは、リフレクタケース７の内表面で反射されて、チップ型発光素子１０の外部へと導かれる。

このように、ＬＥＤチップ４の主たる光の放出方向と、チップ型発光素子１０の主たる光の放出方向は一致するので、ＬＥＤチップ４から発せられた光は効率よくチップ型発光素子１０の外部に取り出される。換言すれば、このようなＬＥＤチップ４が用いられた側面発光型のチップ型発光素子１０は、従来の側面発光型のチップ型発光素子３０と比べて、ＬＥＤチップ４に流す電流をより少なくして、同等の光量を得ることができる。

活性層１３におけるＡｌ混晶比ｘ２に対する下クラッド層１２および上クラッド層１４におけるＡｌ混晶比ｘ１の比は、２．０より大きい（ｘ１とｘ２との差が０．１より大きい）とこのような効果を奏することができる。この場合、下クラッド層１２および上クラッド層１４におけるＡｌ混晶比ｘ１は、０．２より大きく、かつ０．３以下とすることができ、活性層１３のＡｌ混晶比ｘ２は、０．１より大きく、かつ０．２以下とすることができる。活性層１３におけるＡｌ混晶比ｘ２に対する下クラッド層１２および上クラッド層１４におけるＡｌ混晶比ｘ１の比は、２．３以上であることが好ましい。

この発明の一実施形態の説明は、以上の通りであるが、この発明は他の形態でも実施することもできる。たとえば、活性層１３の組成は、Ａｌ_x4Ｇａ_(1-x4)Ａｓであってもよく、この場合、Ａｌ混晶比ｘ４は、たとえば、０．１より大きく、かつ０．３以下とすることができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の変更を施すことが可能である。

本発明の一実施形態に係る側面発光型のチップ型発光素子の構造を示す図解的な分解斜視図である。 図１に示すチップ型発光素子の図解的な断面図である。 従来の側面発光型のチップ型発光素子の構造を示す図解的な断面図である。

符号の説明

１ 絶縁性基板
２Ａ，２Ｂ 内部電極
３Ａ，３Ｂ 外部電極
４ 発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ
１０ チップ型発光素子
１１ 半導体基板
１２ 下クラッド層
１３ 活性層
１４ 上クラッド層

Claims (4)

1. 半導体基板上に配され、III族元素としてアルミニウムを含むIII-V族化合物半導体からなる下クラッド層と、
   上記下クラッド層の上に配され、III族元素としてアルミニウムを含むIII-V族化合物半導体からなる活性層と、
   上記活性層の上に配され、III族元素としてアルミニウムを含むIII-V族化合物半導体からなる上クラッド層とを備え、
   上記下クラッド層および上クラッド層におけるアルミニウムの混晶比が、上記活性層におけるアルミニウムの混晶比の２．０倍より大きいことを特徴とする発光ダイオードチップ。
2. 上記下クラッド層および上クラッド層の組成が、Ａｌ_x1Ｇａ_(1-x1)Ａｓ（０．２＜ｘ１≦０．３）であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードチップ。
3. 上記活性層の組成が、Ａｌ_x2Ｇａ_x3Ｉｎ_(1-x2-x3)Ｐ（０．１＜ｘ２≦０．２）であることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオードチップ。
4. 絶縁性基板と、
   この絶縁性基板の一方表面に形成された内部電極と、
   この絶縁性基板の他方表面に形成され、上記内部電極に電気接続された外部電極と、
   上記内部電極に電気接続され、上記絶縁性基板と上記活性層とがほぼ平行になるように配された請求項１ないし３のいずれかに記載の発光ダイオードチップとを備えたことを特徴とするチップ型発光素子。

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