JP2008166609A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子の光の取り出し効率を向上させる。
【解決手段】基板１１０と、基板の上方に設けられた発光層１２４と、発光層１２４を分断する窓部１５０と、発光層１２４の下方に設けられ、発光層１２４からの光を窓部１５０に導く反射部１３０ａとを有する半導体発光素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

一般に、ＬＥＤは、発光層の上面および下面から光を取り出すことができる。しかしながら、リードフレームなどの実装部材にダイマウントする限り、発光層の一方の側はダイマウント側となるため、このダイマウント側に出た光の取り出しには制約がある。特に、チップサイズが大型化した場合、高効率な取り出しは困難となる。

かかるＬＥＤにおいて光取り出し効率を高める方法はこれまでにも種々提案されている。例えば、特許文献１のような発光層と基板の間に発光層を複数に区画するごとく凹状の反射層を設ける構造としたものも提案されている。しかしながら、これらの技術も、発光層から基板側、すなわち発光素子のダイマウント側に出た光は、再び発光層を通らなければならず、再吸収による量子効率低下の懸念がある。
米国特許第７，１０９，５２７号明細書

発光層で発生した光の取り出し効率を従来に比べ向上させることができる。

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板の上方に設けられた発光層と、前記発光層を分断する窓部と、前記窓部の下方に設けられ、前記発光層からの光を前記窓部に導く反射部と、を有することを特徴とする半導体発光素子が提供される。

本発明の他の態様によれば、発光層と、前記発光層の下方に設けられ、前記発光層からの光に対して透過性を有する半導体層と、前記発光層を分断する窓部と、前記窓部の下方であって、前記光透過性半導体層に設けられ、前記窓部の方向に凸である凸部と、を有することを特徴とする半導体発光素子が提供される。

発光層で発生した光の取り出し効率を従来に比べ向上させることができる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子の要部構成を示す断面図であり、図１（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図である。なお、以下の図面において、矢印は特に断らない限り発光層から発光した光の軌跡を示している。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子は、基板１１０の一面側に半導体積層部１２０を有している。基板１１０には、例えば、シリコン基板や、ステンレス鋼（ＳＵＳ）基板などのメタル基板が使用される。本実施形態では、約１０００μｍ×約１０００μｍ×約１００μｍからなるシリコン基板が使用されている。

基板１１０上には、反射部１３０を形成するための層として、光透過性を有する半導体層１４０が積層され、その上に半導体積層部１２０が設けられている。光透過性半導体層１４０は、例えば、ＧａＰ系材料などからなる透明基板により形成される。

半導体積層部１２０は、基板１１０側から順にＮ型半導体層１２２およびＰ型半導体層１２６を備え、Ｎ型半導体層１２２とＰ型半導体層１２６の接合部分は発光層（活性層）１２４をなしている。Ｎ型半導体層１２２およびＰ型半導体層１２６の材料としては、例えば、ＩｎＧａＡｌＰ系材料が使用される。

半導体積層部１２０は、窓部１５０によって分断されており、これにより、半導体積層部１２０は、複数の互いに独立した発光ユニット１２０ａに分割されることになる。そして、光透過性半導体層１４０には、窓部１５０の下方に、窓部１５０の方向に凸である凸部からなる反射部１３０が設けられ、これによって、発光層１２４から基板１１０側に放出された光が、図１（ｂ）に示すように、発光層１２４に対し垂直もしくは垂直に近い角度で窓部１５０から放出されるようになっている。

この結果、基板１１０上には、発光ユニット１２０ａと、窓部１５０ａと、発光ユニット１２０ａの発光層１２４から基板１１０側に放出された光を窓部１５０ａに導く反射部１３０ａとを含む発光ユニットセル１６０が複数、配列された構造となる。

なお、窓部１５０は光透過性半導体層１４０の表面が露出するように設けられているが、少なくとも発光層１２４が分断されていればよい。

また、反射部１３０を構成する凸部の高さは、その頂部が光透過性半導体層１４０の発光層１２４側表面にほぼ達する高さとされていることが好ましい。これにより、各発光ユニット１２０ａから基板１１０側に放出された光は、隣接する発光ユニットセル１６０内に入射することがなくなり、窓部１５０からの光取り出し効率をより高めることができる。

本実施形態では、反射部１３０は、光透過性半導体層１４０の基板１１０側の面の窓部１５０に対応する位置に、窓部１５０の方向に凸であり、基板１１０から離れるにつれて断面の幅が小さくなるとともに、その頂部が対応する窓部１５０の中央に位置するような凸部を形成し、これらの表面にＡｕ、Ａｇ、Ｐｄなどから選択される金属の層を設けることにより形成されている。なお、凸部の頂部は必ずしも尖っている必要はなく、平坦部を有していてもよい。また、凸部の立ち上がり端は、発光ユニット１２０ａ下まで延出していてもよく、あるいは、窓部１５０ａ下に位置していてもよい。

そして、このように反射部１３０が形成された光透過性半導体層１４０と基板１１０は、金属接着剤１９０により接着されている。なお、金属接着剤１９０は、光透過性半導体層１４０と基板１１０の界面全体に存在することになるが、図面では、発光ユニット１２０ａ下方の光透過性半導体層１４０と基板１１０との界面における金属接着剤１９０は図示を省略した。

光取り出し効率を向上させる観点からは、反射部１３０に続く、発光ユニット１２０ａ下方の光透過性半導体層１４０の基板１１０側表面にも、反射部１３０と同様のＡｕ、Ａｇ、Ｐｄなどから選択される金属の層を設けることが好ましい。

また、各発光ユニットセル１６０において、窓部１５０ａの面積の割合を大きくすればするほど光取り出し効率は大きくなるが、発光層１２４からの発光量が低下するため、これらの面積比は光取り出し効率と発光量を考慮して設定することが望ましい。一般には、発光層１２４の面積が窓部１５０ａより大きく設定される。

なお、図示を省略したが、本実施形態の半導体発光素子においては、発光層１２４に電圧を印加するため、各発光ユニットセル１６０の上面に透明電極が設けられ、基板１１０の下面または上面に形成される電極との間で電圧が印加される。本発明においては、反射部１３０に基板側の電極を形成することも可能である。透明電極には、光透過性に優れるＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などが使用される。

図２（ａ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子の上面図であり、また、図２（ｂ）は、それを構成する発光ユニットセル１６０を示す斜視図である。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、上面形状が矩形状（図面の例は、正方形状）の発光ユニットセル１６０が基板１１０上に隙間なく配置された構造となっている。なお、発光ユニットセル１６０の上面形状は、矩形状に限らず、図２（ｃ）に示すような多角形状（図面の例は、六角形状）や、図２（ｅ）に示すような円形状などであってもよい。すなわち、図２（ｃ）は、本実施形態の一変形例に係る半導体発光素子の上面図であり、図２（ｄ）は、その例における発光ユニットセル１６０を示す斜視図である。また、図２（ｅ）は、本実施形態の他の変形例に係る半導体発光素子の上面図であり、図２（ｆ）は、その例における発光ユニットセル１６０を示す斜視図である。光取り出し効率の観点からは、発光ユニットセル１６０は、隙間なく配置可能な矩形状または六角形状が好ましい。

このように構成される半導体発光素子においては、図示しない透明電極と基板１１０の上面または下面に設けられた電極に電圧を印加すると、発光層１２４から光が放出される。この光には、半導体発光素子の表面側へ放出される光と、半導体発光素子のダイマウント面側に出る光がある。半導体発光素子の表面側に出た光は、ある入射角以上で、半導体発光素子の外部に取り出され、それ以外は半導体発光素子と外部との界面で反射され、発光層１２４で再吸収されるか、ダイマウント面側に反射される。発光層１２４から半導体発光素子のダイマウント面側に放出された光は、発光層１２４から光透過性半導体層１４０に取り出される光と、光透過性半導体層１４０との界面で反射され、発光層１２４で再吸収される光がある。発光層１２４から光透過性半導体層１４０へ取り出された光は、反射部１３０で反射され、半導体発光素子の表面側に反射される。反射された光は、発光層１２４に再突入する光と、窓部１５０から半導体発光素子外部へ出てくる光、窓部１５０と外部との界面で反射される光がある。本実施形態においては、窓部１５０から半導体発光素子外部へ取り出された光は、発光層１２４へ再突入することなく外部に取り出せる。そして、一度ダイマウント面側に出た光は、反射部１３０によって窓部１５０に導かれる。したがって、ダイマウント面側に出た光の発光層１２４による再吸収が低減され、高い効率で光を取り出すことができる。

なお、図３（ａ）は、本実施形態の半導体発光素子において、窓部１５０を備えていない以外は同様に構成された半導体発光素子であり、図３（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図である。このような半導体発光素子においては、発光層１２４から基板１１０側に出た光、すなわち、ダイマウント面側に出た光は全て発光層１２４を通るため、本実施形態のものに比べ、光の取り出し効率は低くなる。

このように本実施形態の半導体発光素子においては、発光層１２４の下面から一度放出された光が窓部１５０より取り出されるため、発光層１２４による再吸収が抑制され、これにより、光取り出し効率が向上させることできる。

上記構成の半導体発光素子は、例えば、次のように製造することができる。

まず、図４（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板などの成長基板１７０上に、発光層１２４をＮ型半導体層１２２とＰ型半導体層１２６で挟んだＩｎＧａＡｌＰ系材料などからなる半導体積層部１２０をエピタキシャル成長させる。

次に、図４（ｂ）に示すように、半導体積層部１２０上に、ＧａＰ基板などの透明基板を接着させ、光透過性半導体層１４０を形成する。透明基板に代えて、半導体積層部１２０上にＧａＰなどの透明な半導体層をエピタキシャル成長させるようにしてもよい。

次に、図４（ｃ）に示すように、光透過性半導体層１４０上面の所定の位置にダイシング技術やエッチング技術などにより凸部１４２を形成した後、図６（ｄ）に示すように、凸部１４２を形成した光透過性半導体層１４０の表面に、蒸着やスパッタなどの周知の薄膜形成技術によりＡｕ、Ａｇ、Ｐｄなどから選択される金属からなる反射膜１３６を形成する。

続いて、図４（ｅ）に示すように、シリコン基板などの基板１１０上に、反射膜１３６側を基板１１０に向けて積層し、ＡｕＳｎ系接着剤のような金属接着剤１９０によって接着する。

次に、図４（ｆ）に示すように、半導体積層部１２０を形成するために使用した成長基板１７０を除去した後、その除去面に、図６（ｇ）に示すように、ＩＴＯなどからなる透明電極１８０を蒸着などにより形成する。

次に、図４（ｈ）に示すように、半導体積層部１２０と透明電極１８０とを、半導体積層部１２０の発光ユニット１２０ａとして残す部分とそれを覆う透明電極１８０の部分を除いてエッチングにより除去する。

その後、図４（ｉ）に示すように、これらの表面に、発光ユニット１２０ａ上の透明電極１８０を除いて、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜などの絶縁膜１８２を蒸着などにより形成し、さらに、図４（ｊ）に示すように、表面全体を覆うように、透明電極１８０を蒸着などにより形成する。これにより、図１に示すような本実施形態に係る半導体発光素子が製造される。

（第２の実施の形態）
図５（ａ）は、第２の実施の形態に係る半導体発光素子の要部構成を示す断面図であり、図５（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図である。また、図６は、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を説明するための断面図である。なお、以降の実施の形態においては、重複する説明を避けるため、第１の実施の形態と共通する点については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、第２の実施の形態に係る半導体発光素子においては、各発光ユニット１２０ａの上面にテクスチャー層１２８が形成されている。したがって、その製造にあたっては、半導体積層部１２０を形成するために使用した成長基板１７０を除去する工程（図６（ｆ））の後、半導体積層部１２０の表面にテクスチャー層１２８を形成し（図６（ｇ））、その後、テクスチャー層１２８を覆うように透明電極１８０を形成している（図６（ｈ））。テクスチャー層１２８は、例えば、エピタキシャル成長とエッチングを組み合わせた技術によって形成することができる。なお、製造方法において、図６（ｅ）までの工程および図６（ｉ）以降の工程は、それぞれ前述した図４（ａ）〜図４（ｅ）の工程および図４（ｈ）〜図４（ｊ）の工程と同様であり、説明を省略する。

第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、発光ユニット１２０ａの上面にテクスチャー層１２８が形成されているため、発光層１２４の上面から放出された光の取り出し効率が向上し、しかも、窓部１５０から発光層１２４の下面方向に出た光を取り出すことができるため、テクスチャー層１２８を設けたことによる光散乱ロスを低減させることができる。

（第３の実施の形態）
図７（ａ）は、第３の実施の形態に係る半導体発光素子の要部構成を示す断面図であり、図７（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図である。また、図８は、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を説明するための断面図である。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、第３の実施の形態に係る半導体発光素子においては、各発光ユニット１２０ａ下方に、基板１１０から離れるにつれて断面の幅が小さくなる凸部１３２が設けられている。つまり、発光ユニット１２０ａの真下に凸部１３２が設けられている。このような半導体発光素子は、光透過性半導体層１４０に凸部１４２を形成する際に、同時に、または、その前もしくは後に、凸部１３２を形成するようにすればよい（図８（ｄ））。なお、製造方法において、図８（ｃ）までの工程および図８（ｅ）以降の工程は、それぞれ前述した図４（ａ）〜図４（ｃ）の工程および図４（ｄ）〜図４（ｊ）の工程と同様であり、説明を省略する。

第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、各発光ユニット１２０ａ下方に凸部１３２が形成されているため、発光層１２４から下面方向に出た光をより効率よく窓部１５０に導くことができ、光取り出し効率をより向上させることができる。

なお、図面の例では、凸部１３２は１つ設けられているが、複数設けるようにしてもよい。１つ設ける場合には、凸部１３２の頂部が各発光ユニット１２０ａの真ん中に位置するように設けることが好ましい。また、凸部１３２の高さは、反射部１３０を構成する凸部１４２の高さと同じであってもよく、それより低くてもよく、逆に高くてもよい。隣接する発光ユニットセル１６０への光の漏れを防止するの観点からは、反射部１３０を構成する凸部１４２の高さより低いことが好ましい。さらに、凸部１３２と反射部１３０を構成する凸部１４２とは連続して設けられていてもよく、また、非連続的に設けられていてもよいが、窓部１５０へ効率よく光を導出するという観点からは、連続した曲面からなることが好ましい。

なお、第３の実施の形態においても、図９に示すように、第２の実施の形態の場合と同様、各発光ユニット１２０ａの上面にテクスチャー層１２８を形成するようにしてもよい。この場合、さらに、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施の形態）
図１０（ａ）は、第４の実施の形態に係る半導体発光素子の要部構成を示す断面図であり、図１０（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図である。また、図１１は、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を説明するための断面図である。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、第４の実施の形態に係る半導体発光素子においては、各発光ユニット１２０ａの真下にテクスチャー層１３４が設けられている。このような半導体発光素子は、光透過性半導体層１４０に凸部１４２を形成する工程（図１１（ｃ））の後、テクスチャー層１３４を形成し（図１１（ｄ））、その後、反射膜１３６を形成するようにすればよい（図１１（ｅ））。テクスチャー層１３４の形成は、凸部１４２を形成する工程の前に行ってもよい。なお、製造方法において、図１１（ｂ）までの工程および図１１（ｆ）以降の工程は、それぞれ前述した図４（ａ）〜図４（ｂ）の工程および図４（ｅ）〜図４（ｊ）の工程と同様であり、説明を省略する。

第４の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、各発光ユニット１２０ａ真下にテクスチャー層１３４が形成されているため、発光層１２４から下面方向に出た光を乱反射させ、窓部１５０に導くことができる。これにより光取り出し効率をより向上させることができる。

なお、第４の実施の形態においても、図１２に示すように、第２の実施の形態の場合と同様、各発光ユニット１２０ａの上面にテクスチャー層１２８を形成するようにしてもよい。この場合、さらに、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第５の実施の形態）
図１３（ａ）は、第５の実施の形態に係る半導体発光素子の要部構成を示す断面図であり、図１３（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図である。また、図１３（ｃ）はその上面図であり、図１３（ｄ）はそれを構成する発光ユニットセル１６０を示す斜視図である。

図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）に示すように、第５の実施の形態に係る半導体発光素子においては、発光ユニット１２０ａは、ストライプ状の上面形状を有している。そして、透過性半導体層１４０には、窓部１５０の方向に凸である凸部からなる反射部１３０が連続的に設けられており、発光ユニット１２０ａの一側端が反射部１３０を構成する凸部の頂部上に位置し、他側端が反射部１３０構成する凸部の立ち上がり端に位置している。

第５の実施の形態においては、第１の実施の形態に比べて、光取り出し効果はやや低下するものの、発光層１２４の面積率の低下を抑制することができる。

なお、図示は省略したが、第５の実施の形態においても、第２の実施の形態の場合と同様、各発光ユニット１２０ａの上面にテクスチャー層１２８を形成するようにしてもよい。この場合、さらに、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、第５の実施の形態の変形例を示したもので、これらの図に示すように、この例では、窓部１５０の下方に、窓部１５０の方向に凸である凸部からなる反射部１３０が設けられるとともに、ストライプ状の発光ユニット１２０ａの下方に、基板１１０から離れるにつれて断面の幅が小さくなる凸部１３２が設けられている。

このように構成される半導体発光素子においては、図１３に示した半導体発光素子に比べ、形状の自由度と理論効率の面で劣るものの、簡単な製造プロセスで効果が得られるという利点を有する。

なお、本発明は、以上説明した実施の形態の記載内容に限定されるものではなく、構造や材質、各部材の配置などは、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはいうまでもない。

（ａ）は第１の実施の形態に係る半導体発光素子の要部構成を示す断面図、（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図である。 （ａ）は図１に示す半導体発光素子の上面図、（ｂ）はその要部構成を示す斜視図、（ｃ）は第１の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の上面図、（ｄ）はその要部構成を示す斜視図、（ｅ）は第１の実施の形態の他の変形例に係る半導体発光素子の上面図、（ｆ）はその要部構成を示す斜視図である。 （ａ）は第１の実施の形態との比較のための半導体発光素子の構造を示す断面図、（ｂ）その一部を拡大して示す断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を説明するための断面図である。 （ａ）は第２の実施の形態に係る半導体発光素子の要部構成を示す断面図、（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図である。 第２の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を説明するための断面図である。 （ａ）は第３の実施の形態に係る半導体発光素子の要部構成を示す断面図、（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図である。 第３の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を説明するための断面図である。 第３の実施の形態の変形例を示す断面図である。 （ａ）は第４の実施の形態に係る半導体発光素子の要部構成を示す断面図、（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図である。 第４の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を説明するための断面図である。 第４の実施の形態の変形例を示す断面図である。 （ａ）は第５の実施の形態に係る半導体発光素子の要部構成を示す断面図、（ｂ）はその一部を拡大して示す断面図、（ｃ）は（ａ）に示す半導体発光素子の上面図、（ｄ）はその要部構成を示す斜視図である。 （ａ）は第５の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の上面図、（ｂ）はその要部構成を示す斜視図である。

符号の説明

１１０…基板、１２４…発光層、１３０、１３０ａ…反射部、１３２…凸部、１４０…光透過性半導体層、１５０、１５０ａ…窓部、１６０…発光ユニットセル、１８０…透明電極。

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の上方に設けられた発光層と、
   前記発光層を分断する窓部と、
   前記窓部の下方に設けられ、前記発光層からの光を前記窓部に導く反射部と、
   を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 発光層と、
   前記発光層の下方に設けられ、前記発光層からの光に対して透過性を有する半導体層と、
   前記発光層を分断する窓部と、
   前記窓部の下方であって、前記光透過性半導体層に設けられ、前記窓部の方向に凸である凸部と、
   を有することを特徴とする半導体発光素子。
3. 前記凸部は、その頂部が前記光透過性半導体層の前記発光層側表面にほぼ達する高さとされていることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
4. 前記発光層の下方であって、前記光透過性半導体層に設けられ、前記窓部下方に設けられた凸部と同方向に凸である凸部をさらに有することを特徴とする請求項２または３記載の半導体発光素子。
5. 前記発光層の下方に設けられた凸部の高さが、前記窓部の下方に設けられた凸部より低いことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の半導体発光素子。

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