JP2007329151A

JP2007329151A - 発光素子

Info

Publication number: JP2007329151A
Application number: JP2006156963A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Kamei; 英徳亀井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2007-12-20

Abstract

【課題】ラージチップにおいても、反射による光の損失を抑制することで、光取り出し効率を向上させることが可能な発光素子を提供する。
【解決手段】基板１１上に、ｎ層１２１、発光層１２２、およびｐ層１２３が半導体層１２として積載された素子本体１５と、ｐ層１２３のほぼ全面に形成された反射電極１４２とを備え、半導体層１２が積層された面とは反対側となる基板の面を主発光面Ｐ₁とした発光素子１０において、基板１１の中心Ｏ₁から側面Ｓ₁までの距離をＬ₁とし、素子本体１５の厚みをＨ₁とし、主発光面Ｐ₁での臨界角をθ₁としたときに、距離Ｌ₁≧３００μｍ、かつ厚みＨ₁＞Ｌ₁／２×１／ｔａｎθ₁の関係を満足するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に発光層を含む半導体層が積層され、発光層からの光を基板側に反射する反射電極が設けられたラージチップと呼ばれるサイズの発光素子に関する。

従来の発光素子として特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｎ型の基板の上に、中間層と、活性層（発光層）と、第一および第二ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが順次積層され、ｐ型コンタクト層の表面上にはｐ側電極が形成され、このｐ側電極として発光波長に対する反射率が高いＰｔ，Ｍｇ等の金属を用いたものである。

この従来の発光素子では、ｐ側電極として反射率の高い金属を用いることで、発光層からｐ側電極へ向かう光を、反射機能を有するｐ側電極で反射させて、発光層からｎ層側へ向かう光と共に、基板側から取り出している。
特開２０００−１７４３４１号公報

しかし、ｐ側電極へ到達する光は、全てが反射する訳ではなく一部が減衰して損失となってしまう。また、基板を進行する光は、基板と基板外側との界面（主発光面）に到達すると、臨界角以上の角度で到達した光は全反射してしまい、再度、発光層側への戻り光となってしまう。つまり、発光層からの光は、基板の界面（主発光面）と反射機能を有するｐ側電極との間を、反射を繰り返し減衰しながら基板の側面方向へ進行することになる。

従って、ｐ側電極での反射による損失を例えば５０％とすれば、光の強度は１回目の反射で５０％となり、二回目の反射で２５％となり、三回目の反射で１２．５％となってしまい、基板の側面から出射する頃には、光強度が大幅に低下した状態となってしまう。つまり発光層からの光は、発光した位置から基板の側面までの距離が遠ければ遠いほど基板の界面（主発光面）と反射電極との間での反射回数が増えるので減衰が大きくなる。

発光素子は、益々発光強度の向上が望まれている。そのためには、基板面積を広くして発光層の発光面積を広くすることで対応を図ることも可能だが、基板面積を広くすると、基板面積が狭いものと比較して側面までの距離が遠くなるため、反射する回数も増える。特に、基板が矩形状に形成され、基板の一辺が６００μｍ以上のラージチップと呼ばれる大型サイズの発光素子では、基板側面から出射する光の減衰が、反射回数と共に増加するので顕著である。

そこで本発明は、ラージチップにおいても、反射による光の損失を抑制することで、光取り出し効率を向上させることが可能な発光素子を提供することを目的とする。

本発明の発光素子は、基板上に、ｎ層、発光層、およびｐ層が半導体層として積載された素子本体と、前記ｐ層のほぼ全面に形成された反射電極とを備え、前記半導体層が積層された面とは反対側となる前記基板の面を主発光面とした発光素子において、前記基板の中心から側面までの距離をＬとし、前記素子本体の厚みをＨとし、前記主発光面での臨界角をθとしたときに、距離Ｌ≧３００μｍ、かつ厚みＨ＞Ｌ／２×１／ｔａｎθの関係を満足することを特徴とする。

本発明の発光素子は、基板の中心からの光が戻り光（主発光面で全反射して素子内部に戻ってくる光）となったときに、反射電極に到達せずに基板の側面から出射できるので、基板全体の大きさが６００μｍ以上のラージチップにおいても、光取り出し効率を向上させることができる。

本願の第１の発明は、基板上に、ｎ層、発光層、およびｐ層が半導体層として積載された素子本体と、ｐ層のほぼ全面に形成された反射電極とを備え、半導体層が積層された面とは反対側となる基板の面を主発光面とした発光素子において、基板の中心から側面までの距離をＬとし、素子本体の厚みをＨとし、主発光面での臨界角をθとしたときに、距離Ｌ≧３００μｍ、かつ厚みＨ＞Ｌ／２×１／ｔａｎθの関係を満足することを特徴としたものである。

素子本体として、ｎ層、発光層、およびｐ層が基板上に積載されている。そしてｐ層のほぼ全面に反射電極が形成されている。従って、発光層から反射電極に向かう光は、反射電極に反射して、発光層からｎ層側に向かう光と共に基板内を進行する。そして、基板と基板外側との界面である主発光面に、臨界角θ以上の角度で到達した光は、その基板の界面で反射する。本発明の発光素子は、基板の中心から側面までの距離をＬとし、素子本体の厚みをＨとし、主発光面での臨界角をθとしたときに、距離Ｌ≧３００μｍ、かつ厚みＨ＞Ｌ／２×１／ｔａｎθの関係を満足するように形成されている。これは、基板中心からの光が、Ｌ／２の距離にある主発光面に臨界角θで到達すると同じ角度θで反射し、反射した光がＬ／２ほど進行するだけの厚みＨを基板が有していれば、反射電極に到達することなく基板の側面まで到達することを意味している。つまり、基板の界面（主発光面）で反射した光が再度戻り光となったときに、素子本体の厚みＨが、Ｌ／２×１／ｔａｎθより厚ければ、再度、反射電極に到達する前に基板の側面に到達させることができる。従って、基板の中心からの光が戻り光となったときに、反射電極に到達せずに基板の側面から出射できる。従って、反射電極による損失無しに側面から出射させることができる。反射電極に到達せずに基板の側面から出射できるのであれば、基板の中心の周囲部分からの光が戻り光となっても、反射電極に到達せずに基板の側面から出射させることができる。よって、基板全体の大きさが６００μｍ以上のラージチップにおいて、光取り出し効率を向上させることができる。

本願の第２の発明は、基板と半導体層とがほぼ同じ屈折率であることを特徴としたものである。

基板と半導体層とがほぼ同じ屈折率であれば、発光層からの光は、半導体層と基板との界面で屈折したり全反射したりすることが、ほとんどない状態で基板内を進行させることができる。

本願の第３の発明は、基板は、ＧａＮあるいはＳｉＣから形成され、半導体層は、窒化ガリウム系半導体から形成されていることを特徴としたものである。

基板をＧａＮあるいはＳｉＣで形成し、半導体層を、ＧａＮ系半導体層で形成することで、基板と半導体層との屈折率をほぼ同じとすることができるので、発光層からの光は、半導体層と基板との界面で屈折したり全反射したりすることがほぼない状態で基板内を進行させることができる。

本願の第４の発明は、基板は、直方体状に形成されていることを特徴としたものである。

基板を直方体状とすることで、半導体層を積層したときに厚みＨとなるようなウエハを準備し、距離Ｌの２倍が一辺の長さとなるように、ダイシングすることで容易に本発明の発光素子を作製することができる。

本願の第５の発明は、基板は、側面が粗面に形成されていることを特徴としたものである。

基板の側面を粗面とすることで、基板の主発光面から戻り光となって側面に到達した光を側面で再度反射させることを抑止し、良好に側面から出射させることができるので、更に光取り出し効率を向上させることができる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る発光素子を図面に基づいて説明する。まずは発光素子の構成について図１および図２に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る発光素子を示す断面図である。図２は、図１に示す発光素子の基板側から見た図である。

図１および図２に示すように発光素子１０は、基板１１と、半導体層１２と、ｎ側電極１３と、ｐ側電極１４とを備えたラージチップである。この基板１１と半導体層１２とで素子本体１５を構成している。発光素子１０が発光装置としてリードフレームや配線基板に搭載されるときには、保護のために樹脂によって封止される。

基板１１は、窒化ガリウム系半導体であるｎ型ＧａＮで形成され、一辺が６００μｍ、厚みが２００μｍの平面視してほぼ正方形状の直方体状に形成されている。つまり基板１１の中心Ｏ₁から側面Ｓ₁までの距離Ｌ₁が３００μｍに形成されている。本実施の形態１では、基板１１をＧａＮで形成しているが、ＳｉＣで形成しても、屈折率が２．４とＧａＮとほぼ同じであるので使用することができる。また基板１１の側面Ｓ₁は粗面に形成されている。この粗面は、基板１１の側面Ｓ₁をエッチングにより形成することができる。また、基板１１の側面Ｓ₁を結晶構造の劈開面とは異なる面で形成することで粗面とすることも可能である。

半導体層１２は、ｎ層１２１と、発光層１２２と、ｐ層１２３とを備え、窒化ガリウム系半導体で形成されている。ｎ層１２１は、基板１１にＧａＮやＡｌＧａＮ等を積層して形成され、層厚が０．５μｍ〜５μｍとしたｎ型半導体層である。ｎ層１２１と基板１１の間にＧａＮやＩｎＧａＮ等で形成したバッファ層を設けることも可能である。発光層１２２は、ｎ層１２１に、井戸層となるＩｎＧａＮ等を０．００１μｍ〜０．００５μｍの層厚とし、障壁層となるＧａＮ等を０．００５μｍ〜０．０２μｍの層厚とし、これらを交互に積層した多重量子井戸構造で積層したものである。また、ｐ層１２３は、発光層１２２にＡｌＧａＮを積層して形成され、層厚が０．０５μｍ〜０．５μｍとしたｐ型半導体層である。半導体層１２としては、ｎ層１２１と、発光層１２２と、ｐ層１２３とを合計した約０．６μｍ〜６μｍの層厚で形成されている。

ｎ側電極１３は、ｎ層１２１に、発光層１２２とｐ層１２３とを積層した後に、ドライエッチングにより発光層１２２とｐ層１２３とｎ層１２１の一部とを除去して、ｎ側電極１３を形成する領域を露出させ、この露出したｎ層１２１上に形成されている。

ｐ側電極１４は、三層構造を有しており、ｐ層１２３側から、ｐコンタクト電極１４１と、反射電極１４２と、ｐボンディング電極１４３とを備えている。

ｐコンタクト電極１４１は、膜厚０．００１μｍ程度のＰｔとすることで、コンタクト抵抗を抑えつつ、高透過率を維持することができる。

反射電極１４２は、発光層１２２からの光を基板１１側へ反射するために高反射率のＲｈ、Ａｇ、またはＡｇ合金から形成することができる。反射電極１４２の膜厚は光を反射させるために、０．０１μｍ〜０．５μｍとしている。

ｐボンディング電極１４３は、ＡｕやＡｌとすることができる。ｐボンディング電極１４３は、ｐコンタクト電極１４１および反射電極１４２との密着性の点から、表面層となるＡｕやＡｌと反射電極１４２の間にＴｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等の単層または多層膜を形成することが望ましい。本実施の形態１では、ｐボンディング電極１４３を多層とし、１層目にＴｉ、２層目Ａｕを採用している。最外層をボンディング性の観点からＡｕとするのが望ましい。

次に、素子本体１５の厚みＨ₁について、図１および図２に基づいて詳細に説明する。

まず、発光素子１０の発光層１２２から出射した光の進行状態から説明する。発光層１２２から基板１１へ向かう光としては、発光層１２２からｎ層１２１を通過する光の他に、発光層１２２からｐ層１２３を一旦通過した後に反射電極１４２で反射して、再度、ｐ層１２３、発光層１２２、ｎ層１２１を通過する光も、基板１１へ向かう光となる。基板１１へ向かう光は、基板１１内を進行して主発光面Ｐ₁から出射する。しかし、この主発光面Ｐ₁に到達したときに、臨界角θ₁以上の角度で到達した光は基板１１で全反射して戻り光となる。

つまり、発光素子１０から出射される光は、主に基板１１の主発光面Ｐ₁から出射されるが、基板１１の側面Ｓ₁や半導体層１２の側面などの素子本体１５の側面からも出射されることになる。

基板１１の厚みは、２００μｍで形成されているのに対し、半導体層１２の厚みはｎ層１２１、発光層１２２およびｐ層１２３を合計した０．６μｍ〜６μｍ程度なので、素子本体１５の側面から出射される光は、ほとんどが基板１１の側面Ｓ₁からの光と見なすことができる。

また、発光層１２２からの光はｎ層１２１を通過して基板１１へ進行したり、ｐ層１２３を通過して反射電極１４２にて反射して、再度ｐ層１２３を通過した後、発光層１２２とｎ層１２１とを通過するが、ｐ層１２３の厚み０．０５μｍ〜０．５μｍは基板１１の厚み２００μｍに対して無視できる程度の厚みであり、半導体層１２に積層されるｐコンタクト電極１４１は更に薄い膜であるので、発光層１２２の発光面および反射電極１４２の反射面は、素子本体１５の主発光面Ｐ₁の反対側となる面として近似しても問題はない。

また、基板１１と半導体層１２との界面が存在するが、基板１１がＧａＮで形成され、半導体層１２は窒化ガリウム系半導体で形成されているので、ほぼ同じ屈折率である。従って、基板１１と半導体層１２との界面で、光が屈折したり全反射したりすることなく通過できるので、光の進行に基板１１と半導体層１２との界面を考慮する必要はない。

発光層１２２からの光が、基板１１の主発光面で反射して戻り光となって、反射電極１４２まで到達せずに、そのまま基板１１の側面Ｓ₁から出射することができれば、反射電極１４２での反射による損失を抑制することができる。

主発光面Ｐ₁での反射は臨界角θ₁で決定されるが、臨界角θ₁は、Ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ₁）（但し、ｎ₁は基板１１の屈折率、ｎ₂は封止樹脂の屈折率）で算出できる。この臨界角θ₁で到達した光は、同じ角度（反射角）θ₁で反射することになる。従って、発光層１２２（基板１１）の中心Ｏ₁で発光した光が、主発光面Ｐ₁での１回目の反射で、基板１１の側面Ｓ₁まで到達できれば、発光層１２２から主発光面Ｐ₁方向に放射された光で、主発光面Ｐ₁での入射角がθ₁およびこれより大きい光のほとんどが、反射電極１４２での反射による損失なく側面Ｓ₁から出射することができる。

つまり、中心Ｏ₁から側面Ｓ₁までの距離をＬ₁とすれば、主発光面Ｐ₁での１回目の反射が臨界角θ₁で中心Ｏ₁からＬ₁／２の位置に到達すればよいことになる。従って、そのときの素子本体１５の厚みＨ₁が、Ｈ₁＞Ｌ₁／２×１／ｔａｎθ₁の関係を満足するものであれば、主発光面Ｐ₁で反射した光は、距離Ｌ₁が３００μｍ以上であっても、反射電極１４２での反射なしで側面Ｓ₁まで到達させることができる。

基板１１がＧａＮなので屈折率は２．４、封止樹脂の屈折率を１．５とすれば、臨界角θ₁は３８．７°である。基板１１の一辺が６００μｍであるので、中心Ｏ₁から側面Ｓ₁までの距離Ｌ₁は３００μｍである。

従って、素子本体１５の厚みＨ₁は、３００μｍ／２×１／ｔａｎ（３８．７°）により約１８７．２μｍより厚ければよい。本実施の形態１では、基板１１の厚みを２００μｍとしているので、素子本体１５として１８７．２μｍより厚いので上記関係を満足している。

例えば、基板の一辺が８００μｍであれば、基板の中心から側面までの距離が４００μｍとなるので、基板にＧａＮ、半導体層として窒化ガリウム系半導体、封止樹脂の屈折率を１．５とすると、素子本体の厚み（チップ厚）を約２４９．６μｍより厚くする。また、基板の一辺が１０００μｍであれば、同様にチップ厚を約３１２．１μｍより厚くする。そうすることで、反射電極での反射なしで側面まで到達させることができる。

基板１１の中心Ｏ₁から側面Ｓ₁までの距離をＬ₁として素子本体１５の厚みＨ₁を求めた。これは、基板１１内を進行する光のうち、最も長い距離を進行するのは基板１１の中心Ｏ₁からの光であるためである。従って、距離Ｌ₁は、平面視してほぼ正方形状に形成された基板１１においては側面Ｓ₁までの最短距離となるが、素子本体１５の厚みを、Ｌ₁／２×１／ｔａｎθ₁より厚くすることで、同じ基板面積で、かつ素子本体の厚みＨ₁より薄く形成された発光素子よりは、光取り出し効率が高い発光素子とすることができる。

また、基板１１がＧａＮで形成され、半導体層１２は窒化ガリウム系半導体で形成されているので、発光層１２２からの光は基板１１と半導体層１２との界面で屈折や全反射などをすることなく基板１１内へ入射するので、良好に光を進行させることができる。例えば、基板がサファイアで形成され、半導体層が窒化ガリウム系半導体で形成されていると、それぞれの屈折率が異なるため、基板と半導体層との界面で、ほとんどが全反射して半導体層内への戻り光となる。そして、半導体層内への戻り光となると、半導体層内を複数回の反射を繰り返しながら半導体層の側面の方向へ進行する。従って、反射の度に光強度が減衰してしまい半導体層の側面に到達するまでには相当な損失が伴い、発光素子の輝度に寄与しない光となってしまう。しかし発光素子１０は、ほぼ同じ屈折率を有する基板１１と半導体層１２とで形成しているので、基板１１と半導体層１２との界面で屈折や全反射などを抑制することで、高輝度化を図ることができる。

また、基板１１の側面Ｓ₁が粗面に形成されているので、基板１１の主発光面Ｐ₁から戻り光となって側面Ｓ₁に到達した光を側面Ｓ₁で再度反射させることを抑止することができる。従って、良好に側面Ｓ₁から出射させることができるので、更に光取り出し効率を向上させることができる。

また、基板がほぼ円柱状に形成されていれば、基板中心から側面までの距離Ｌは半径Ｒとなるが、素子全体の厚みを、Ｒ／２×１／ｔａｎθ₁より厚くすることで、同じ効果が得られる。

このように、基板１１の中心Ｏ₁からの光が戻り光となったときに、反射電極１４２に到達せずに基板１１の側面Ｓ₁から出射できるので、反射電極１４２による損失無しに側面から出射させることができる。反射電極１４２による損失無しに側面から出射させることができるのであれば、基板１１の中心Ｏ₁の周囲部分からの光が戻り光となっても、反射電極１４２に到達せずに基板１１の側面Ｓ₁から出射させることができる。よって、基板１１全体の大きさが６００μｍ以上のラージチップでおいて、光取り出し効率を向上させることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る発光素子を図３に基づいて説明する。図３は、本発明の実施の形態２に係る発光素子を示す断面図である。なお、図３においては図１と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、本実施の形態２に係る発光素子２０は、基板２１に半導体層２２を積層した素子本体２３と、基板２１に積層された面とは反対側となる面に形成されたｎ側電極２４と、半導体層２２のほぼ全面に形成されたｐ側電極２５とを備えたラージチップである。

なお、基板２１と、ｎ層２２１、発光層２２２、ｐ層２２３が設けられた半導体層２２との材質については実施の形態１と同様とすることができるので詳細は省略する。またｎ側電極２４についても同様である。

ｐ側電極２５についても、やはり実施の形態１と同様に、ｐコンタクト電極２５１と、反射電極２５２と、ｐボンディング電極２５３とが形成されている。従って、反射電極２５２は、発光層２２２からの光を反射して基板２１へ進行させる機能を有している。

図１に示す実施の形態１に係る発光素子１０では、半導体層１２にｎ側電極１３およびｐ側電極１４を形成しているが、図３に示す本実施の形態２に係る発光素子２０では、基板２１を挟んでｎ側電極２４とｐ側電極２５とが形成されている。このような発光素子２０であっても、基板２１の中心Ｏ₂から側面Ｓ₂までの距離をＬ₂として、基板２１の主発光面Ｐ₂での臨界角をθ₂としたときに、素子本体２３の厚みＨ₂を、Ｌ₂／２×１／ｔａｎθ₂より厚くすることで、距離Ｌ₂≧３００μｍであっても、実施の形態１と同じ効果が得られる。

従って、基板２１の中心Ｏ₂からの光が戻り光となったときに、反射電極２５２に到達せずに基板２１の側面Ｓ₂から出射できるのであれば、基板２１の中心Ｏ₂の周囲部分からの光が戻り光となっても、反射電極２５２に到達せずに基板２１の側面Ｓ₂から出射させることができる。よって、基板２１全体の大きさが６００μｍ以上のラージチップでおいて、光取り出し効率を向上させることができる。

本発明は、ラージチップにおいても、反射による光の損失を抑制することで、光取り出し効率を向上させることが可能なので、基板上に発光層を含む半導体層が積層され、発光層からの光を基板側に反射する反射電極が設けられたラージチップの発光素子に好適である。

本発明の実施の形態１に係る発光素子を示す断面図図１に示す発光素子の基板側から見た図本発明の実施の形態２に係る発光素子を示す断面図

符号の説明

１０発光素子
１１基板
１２半導体層
１３ｎ側電極
１４ｐ側電極
１５素子本体
２０発光素子
２１基板
２２半導体層
２３素子本体
２４ｎ側電極
２５ｐ側電極
１２１ｎ層
１２２発光層
１２３ｐ層
１４１ｐコンタクト電極
１４２反射電極
１４３ｐボンディング電極
２２１ｎ層
２２２発光層
２２３ｐ層
２５１ｐコンタクト電極
２５２反射電極
２５３ｐボンディング電極
Ｌ₁，Ｌ₂ 距離
Ｏ₁，Ｏ₂ 中心
Ｐ₁，Ｐ₂ 主発光面
Ｓ₁，Ｓ₂ 側面
θ₁，θ₂ 臨界角

Claims

基板上に、ｎ層、発光層、およびｐ層が半導体層として積載された素子本体と、前記ｐ層のほぼ全面に形成された反射電極とを備え、前記半導体層が積層された面とは反対側となる前記基板の面を主発光面とした発光素子において、
前記基板の中心から側面までの距離をＬとし、前記素子本体の厚みをＨとし、前記主発光面での臨界角をθとしたときに、距離Ｌ≧３００μｍ、かつ厚みＨ＞Ｌ／２×１／ｔａｎθの関係を満足することを特徴とする発光素子。
前記基板と前記半導体層とがほぼ同じ屈折率であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記基板は、ＧａＮあるいはＳｉＣから形成され、
前記半導体層は、窒化ガリウム系半導体から形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
前記基板は、直方体状に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の発光素子。
前記基板は、側面が粗面に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の発光素子。