JP2006093602A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 所定の角度範囲にわたって均一な光取り出し効率を得ることのできる発光素子を提供する。
【解決手段】 サファイア基板１３上には、ＡｌＮバッファ層１４、ｎ−ＧａＮ層１５、発光層１７、ｐ−ＧａＮ層１８、透明電極１９が順次エピタキシャル成長により形成され、ｎ−ＧａＮ層１５の一部にはｎ電極１６が形成され、透明電極１９の一部にはパッド電極２０が設けられている。透明電極１９の露出面およびｎ−ＧａＮ層１５より上の各層のｎ電極１６に面した側壁面には、所定の角度範囲にわたって均一な光取り出し効率を得る為の干渉膜２１が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子に関し、特に、所定の角度範囲にわたって均一な光取り出し効率を得ることのできる発光素子に関する。

従来、ＬＥＤ（Light-Emitting Diode：発光ダイオード）を光源とする発光素子の代表的な構造として、ＬＥＤ素子及びリード部を透光性を有する封止材料で覆うことによりパッケージ化したものがある。このような封止材料として、成形性、量産性、及びコストの面からエポキシやシリコン等の樹脂材料が用いられている。

近年、赤色や緑色のＬＥＤと同等の高輝度の青色ＬＥＤが開発されたことにより、ＬＥＤ信号機、或いは白色発光のＬＥＤランプ等の用途に供されるようになった。また、より高輝度を得るために高出力のＬＥＤの開発も進められており、すでに数ワットの高出力タイプも製品化されている。

しかし、今日の高出力型ＬＥＤでも、同程度のサイズの電球に比べれば、輝度においてまだ不十分であり、より高輝度化が望まれる。そこで、屈折率が封止材料の屈折率とＧａＮ系化合物半導体の屈折率との間にある透明な光学薄膜をＧａＮ系化合物半導体の表面に形成し、ＧａＮ系化合物半導体と基板や封止材料、または大気との多重反射を抑制し、干渉を少なくし、光取り出し効率を向上させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−２９１３６６号公報（［０００８］、図３）

しかし、従来の発光素子によると、光学薄膜を設けた場合、図８（ａ）に示すように、光が光学薄膜に対し垂直入射した場合に最大効率が得られるが、入射角度が垂直位置からずれるにつれて光取り出し効率が低下する。このため、期待したほど高輝度化を実現することができない。すなわち、図８の（ｂ）に示すように、光学薄膜１００の界面へは、発光点１０１の全方向から入射光１０２が照射しており、臨界角θが大きくなるほど光取り出し効率が低下する。このため、角度αの範囲にわたって均一な光取り出し効率が得られれば、実用性が格段に向上するものと考えられる。

従って、本発明の目的は、所定の角度範囲にわたって均一な光取り出し効率を得ることのできる発光素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、発光層を含む半導体部と、前記半導体部の光取り出し面に設けられ、前記発光層から放射される光を前記半導体部から外部放射させる中間屈折率材料を有する発光素子において、前記中間屈折率材料は、前記半導体部と前記発光素子との屈折率差によって、垂直入射以外の方向の入射光を含めた光に対して最適な光取り出し効率が得られる厚みにしたことを特徴とする発光素子を提供する。

また、本発明は、上記目的を達成するため、発光層を含む半導体部と、前記半導体部の光取り出し面に形状加工により設けられ、前記形状加工によって形成された部分を含む光取り出し面に中間屈折率材料による層を有する発光素子において、前記中間屈折率材料は、前記発光素子の周囲媒体より大きく、前記半導体部の屈折率より小なる屈折率であることを特徴とする発光素子を提供する。

本発明の発光素子によれば、半導体部の表面に形成した中間屈折率材料によって、垂直入射を含む所定の角度範囲にわたって均一な光取り出し効率を得ることができる。

［第１の実施の形態］
（発光素子の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。この発光素子１は、実装基板１１上にエポキシ系樹脂等による絶縁性接着剤１２を介して搭載されたサファイア基板１３と、サファイア基板１３上に形成されたＡｌＮバッファ層１４と、ＡｌＮバッファ層１４上に形成されたｎ−ＧａＮ層１５と、ｎ−ＧａＮ層１５の上面の端部に設けられたｎ電極１６と、ｎ電極１６を除くｎ−ＧａＮ層１５上に形成された発光層１７と、発光層１７上に形成されたｐ−ＧａＮ層１８と、ｐ−ＧａＮ層１８上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等により形成された透明電極１９と、透明電極１９の一部に形成されたパッド電極２０と、パッド電極２０の表面を除く透明電極１９の上面およびｎ電極１６に隣接する各層の側壁面に設けられた中間屈折率材料としてのＳｉＮによる干渉膜２１とを備えている。各層は、エピタキシャル成長により形成される。なお、ｎ電極１６およびパッド電極（ｐ電極）２０には、外部との接続のためのボンディングワイヤ２２が接続される。

干渉膜２１は、パッシベーション膜を兼ねるものであり、その形成にはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法が用いられる。干渉膜２１の膜厚は、例えば、８００Åの厚みに形成され、その屈折率ｎは１．９である。中間屈折率材料の屈折率ｎ_１は、ＧＡＮ層の屈折率ｎ_０＝２．４、発光素子の封止材料の屈折率ｎ_２＝１．５とすると、ｎ_１＝√（ｎ_０・ｎ_２）の関係の際に最大の効果が得られる。このため、この屈折率の材料が選択されている。

（発光素子の動作）
ｎ電極１６とパッド電極２０の間に所定の電圧を印加すると、パッド電極２０から、透明電極１９およびｎ−ＧａＮ層１５を介して発光層１７に通電され、更に、ｎ−ＧａＮ層１５を経てｎ電極１６に電流が流れることにより、発光層１７が発光する。

発光層１７で生じた光は、ｐ−ＧａＮ層１８および透明電極１９のそれぞれの上面、および側面を通して干渉膜２１を通過して外部に出射される。このとき、干渉膜２１の厚みをｔとすると、次式の関係がある。ただし、Ａは自然数、λは発光波長、ｎは干渉膜２１の屈折率である。

ｔ＝Ａλ／（４ｎ）
ここで、Ａ＝１、λ＝４７０ｎｍ、ｎ＝１．９とすると、膜厚ｔは、６０３Åになる。これは、垂直入射における適正値である。

図２は、第１の実施の形態に係る発光素子の光取り出し効率と干渉膜の膜厚の関係を示す特性図である。この場合の条件は、波長４７０ｎｍ、干渉膜２１の屈折率が１．９５、ＧａＮ層の屈折率が２．４５である。全方向２πｓｔｒａｄ範囲から界面入射する光のピークは、図２のように、８００Åの膜厚のときであり、Ａが大きな値では、干渉膜２１を設けた効果が極大値と比較すると小さい。仮に、ｔ＝６００Åとした場合、ｔ＝８００Åと大きな差は生じないが、発光素子１の量産時には、膜厚ｔ、屈折率ｎ、波長λ等にばらつきが生じるため、膜厚ｔが薄めになった場合には発光素子１の光取り出し効率を上げることができない。一方、ｔ＝８００Åとした場合、量産時に、仮に２５％のばらつきが生じたとしても、ほぼ安定した特性を得ることができる。

図３は、第１の実施の形態に係る発光素子の光取り出し効率と入射光の角度の関係を示す特性概念図である。図３における特性Ａは、干渉膜２１の厚みをｔ＝８００Å（λ／（３ｎ）：λ＝４７０ｎｍ、ｎ＝１．９）とし、干渉膜２１の上面における光取り出し効率を測定した結果である。また、特性Ｂは、図８に示した従来特性を、比較参考のために転記したものである。図３から明らかなように、本実施の形態の発光素子１では垂直入射の位置から角度が大きくなっても、十分な光取り出し効率が得られており、臨界角θ_ｃ＝Ｓｉｎ^−１（１．９／２．４）＝５５°の範囲にわたって、安定した光取り出し効率が得られる。

（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）所定の屈折率を有する干渉膜２１を設けることで、垂直入射以外からの入射光に対する光取り出し効率を上げることができる。
（２）干渉膜２１は、光出射面に設けられる薄膜であるため、発光素子１の厚みが大きくなることはなく、従って、発光素子１が大型化するのを防止することができる。
（３）干渉膜２１の厚みを適正な値（例えば、８００Å）にすることにより、発光素子１の量産時に膜厚のばらつきが生じたとしても、光取り出し効率の変化を少なくすることができる。
（４）干渉膜２１は、パッシベーション膜を兼ねるため、パッシベーション膜を別途必要としない構成にすることができる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の正面断面図である。図４においては、第１の実施の形態と同一の構成を有する部分については、共通する引用数字を付している。

第２の実施の形態に係る発光素子２は、第１の実施の形態の発光素子１を実装基板１１に対してフリップチップ接合するとともに、サファイア基板１３に代えてＧａＮ基板３０を用いた構成にしたものである。表面に干渉膜２１が形成されたＧａＮ基板３０の裏面には、ＡｌＮバッファ層１４、ｎ−ＧａＮ層１５、ｎ電極１６、発光層１７、ｐ−ＧａＮ層１８、ｐ電極２３を順次エピタキシャル成長により形成して構成されている。ｐ電極２３の下面の一部およびｎ電極１６の下面には、Ａｕスタッドバンプ２４Ａ，２４Ｂが設けられ、このＡｕスタッドバンプ２４Ａ，２４Ｂは、実装基板１１上の配線パターン１１Ａ，１１Ｂに接続される。

第２の実施の形態においても、干渉膜２１は、屈折率１．９５のＳｉＮをＣＶＤ法により８００Åの厚みに形成している。この場合、干渉膜２１は、パッシベーションの機能を有する必要はなく、所望の屈折率を有していればよい。このため、必ずしも水分を透過する隙間が生じにくい緻密性の高い材料を用いる必要はなく、材料の自由度を高めることができる。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によると、フリップチップ接合された発光素子１のＧａＮ基板３０に干渉膜２１を設けることで、ＧａＮ基板３０からの光取り出し効率を第１の実施の形態と同様に向上させることができる。また、ＧａＮ基板への中間屈折率材料膜形成は、電極部を避けるなどする必要がないので、全面を一括処理でき、作成が容易である。さらに、全面で効果を得ることができるので、効果度合いが大である。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る発光素子の正面図である。第３の実施の形態は、第２の実施の形態においてコーナー部分に４５度の傾斜面が形成されるようにＧａＮ基板３０をカットしたものである。すなわちＧａＮ基板３０の周辺部に傾斜面３０ａを形成し、この傾斜面３０ａおよびＧａＮ基板３０の上面に干渉膜２１を設けたものである。その他の構成は第２の実施の形態と同様である。

（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によると、光出射面のコーナー部をカットしたことにより、前記各実施の形態に比べ、光取り出し効率を更に高めることができる。また、傾斜面３０ａを設けたことによって、干渉膜２１の膜厚を均一にする精度は低下するが、膜厚設計値のセンターは適正化できるため、量産時のばらつきの影響を小さくすることができる。また、この際には、５０００Å以上の膜厚などとすることによっても干渉効果とは別な効果を得ることができる。すなわち、光出射面のコーナー部をカットする際に生じる微細な凹凸に対しＳｉＮ膜を設けることによって凹凸度合いを軽減し、光取り出し効果の向上を図っても良い。

さらに、ＧａＮやＳｉＣなどＧａＮと同等の材料で５０００Å以上の膜形成を行った後、ＳｉＮで８００Åの干渉膜を形成しても良い。これによれば、加工面の平坦化と干渉の両方の効果を得ることができる。

［第４の実施の形態］
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る発光素子を示し、（ａ）は発光素子の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。第４の実施の形態は、第２の実施の形態において、ＧａＮ基板３０に代えてＧａＡｓ基板４０を用いるとともに、ＧａＡｓ基板４０の表面に複数の突部４１を設けたものである。その他の構成は第２の実施の形態と同様である。

この発光素子３は、例えば、９５０ｎｍに発光波長のピークを有し、干渉膜２１は、膜厚１２５０Å、屈折率２．４としている。

突部４１は、所定の厚みのＧａＡｓ基板４０を研磨して、例えば０．１ｍｍの厚みにし、その表面に縦方向および横方向に、例えば幅２５μｍ×深さ１０μｍの溝を一定間隔に設け、さらにケミカルエッチングにより溝加工の際に生じる平坦性の低下を補っており、平坦性を向上させている。

（第４の実施の形態の効果）
第４の実施の形態によると、突部４１を有しない平面構造では界面において全反射するために取り出せなかった光を外部に取り出せるようになり、第２の実施の形態に比べ、光取り出し効率を更に高めることができる。そして、このような凹凸面に対しても、第３の実施の形態と同様に、膜厚設定値のセンターは適正化できるため、量産時のばらつきの影響を小さくすることができる。

なお、第４の実施の形態では、発光層１７を含む半導体部を第１から第３の実施の形態でＧａＮ系としたのに対しＧａＡｓ系としたが、これにはＡｌＩｎＧａＰ等を含む。さらに、第１から第４の実施の形態に対し、半導体部はこれら以外の材料を用いたものとしても構わない。

［第５の実施の形態］
図７は、本発明の第５の実施の形態に係る発光素子を示し、（ａ）は発光素子の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ部分の拡大断面図、（ｃ）はＢ部分の他の拡大断面図である。第５の実施の形態は、第２の実施の形態において、ＧａＮ基板３０に代えてサファイア基板１３を用い、レーザ加工によりサファイア基板１３を除去するとともに、ｎ−ＧａＮ層１５の表面に微細な溝５１を形成したものである。なお、表面に干渉膜２１を形成し、更に、実装基板１１と発光素子１の下面との間には、アンダーフィル５２を充填してある。その他の構成は第２の実施の形態と同様である。

サファイア基板１３は、各層をエピタキシャル成長させ、チップ化された発光素子１が実装され、レーザ加工により除去されている。更に、露出したｎ−ＧａＮ層１５の表面にレーザエッチングにより微細な溝５１が所定の形状に形成されている。

図７（ｂ）は、例えば、幅２μｍ×深さ１μｍの微細な溝５１をサファイア基板１３を除去することで露出したｎ−ＧａＮ層１５の表面に縦横方向に形成し、正方形の突起５３が形成されるようにしたものであり、（ｃ）は、菱形の突起５４が形成されるように幅２μｍ×深さ１μｍ微細な溝５１をサファイア基板１３の表面に形成したものである。

（第５の実施の形態の効果）
第５の実施の形態によると、溝５１を設けたことによって突部を形成でき、平面構造では全反射するために取り出せなかった光を取り出せるようになり、第２の実施の形態に比べ、光取り出し効率を更に高めることができる。特に、図７（ｃ）のように、ストレート部を有しない構造にすることで、光取り出し効率を良好にすることができる。そして、このような凹凸面に対しても、第３の実施の形態と同様に、膜厚設定値のセンターは適正化できるため、量産時のばらつきの影響を小さくすることができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。中間屈折率材料はＳｉＮに限らず、他の材料であっても良い。また、半導体部の表面に形成される凹凸形状についても、他の形状であっても構わない。また、第５の実施の形態で用いた菱形の突起５４を、第４の実施の形態の突部４１として用いることもできる。

本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の正面断面図である。 第１の実施の形態に係る発光素子の光取り出し効率と干渉膜の膜厚の関係を示す特性図である。 第１の実施の形態に係る発光素子の光取り出し効率と入射光の角度の関係を示す特性概念図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の正面断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る発光素子の正面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る発光素子を示し、同図中、（ａ）は発光素子の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る発光素子を示し、同図中、（ａ）は発光素子の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ部分の拡大断面図、（ｃ）はＢ部分の他の拡大断面図である。 従来の光取り出し効率を示す特性図である。

符号の説明

１、発光素子 ２、発光素子 ３、発光素子 １１、実装基板
１１Ａ，１１Ｂ、配線パターン １２、絶縁性接着剤 １３、サファイア基板
１４、ＡｌＮバッファ層 １５、ｎ−ＧａＮ層 １６、ｎ電極 １７、発光層
１８、ｐ−ＧａＮ層 １９、透明電極 ２０、パッド電極 ２１、干渉膜
２２、ボンディングワイヤ ２３、ｐ電極 ２４Ａ，２４Ｂ、スタッドバンプ
３０、ＧａＮ基板 ３０ａ、傾斜面 ４０、ＧａＡｓ基板 ４１、突部
５１、微細な溝 ５２、アンダーフィル ５３、突起 ５４、突起
１００、光学薄膜 １０１、光源 １０２、入射光

Claims (9)

1. 発光層を含む半導体部と、
   前記半導体部の光取り出し面に設けられ、前記発光層から放射される光を前記半導体部から外部放射させる中間屈折率材料を有する発光素子において、
   前記中間屈折率材料は、前記半導体部と前記発光素子との屈折率差によって、垂直入射以外の方向の入射光を含めた光に対して最適な光取り出し効率が得られる厚みにしたことを特徴とする発光素子。
2. 発光層を含む半導体部と、
   前記半導体部の光取り出し面に形状加工により設けられ、前記形状加工によって形成された部分を含む光取り出し面に中間屈折率材料による層を有する発光素子において、
   前記中間屈折率材料は、前記発光素子の周囲媒体より大きく、前記半導体部の屈折率より小なる屈折率であることを特徴とする発光素子。
3. 前記形状加工は、前記半導体部の端部に傾斜面を設けていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
4. 前記形状加工は、前記半導体部の表面に凹凸面を設けていることを特徴とする請求項２または３に記載の発光素子。
5. 前記凹凸面は、菱形状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
6. 前記中間屈折率材料の膜厚ｔは、前記発光素子が発する光の波長をλ、前記中間屈折率材料の屈折率をｎとすると、
   ｔ＝λ／（３ｎ）
   であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子。
7. 前記発光素子は、フリップチップタイプであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の発光素子。
8. 前記半導体部は、ＧａＮ系半導体材料によって形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の発光素子。
9. 前記中間屈折率材料は、ＳｉＮからなることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の発光素子。

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