JP2009088299A - Light-emitting element and light-emitting device provided with the element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反射構造を有する発光素子及びこれを備える発光装置に関する。 The present invention relates to a light emitting element having a reflective structure and a light emitting device including the same.
発光素子より放出される光源光と、これに励起されて光源光と異なる色相の光を放出できる波長変換部材とを組み合わせることで、光の混色の原理により、多様な色彩の光を出射可能な発光装置が開発されている。特に近年では、より低消費電力で長寿命の次世代照明として注目を集めており、更なる発光出力の向上及び耐候性に優れた質の高い発光装置が求められている。 By combining the light source light emitted from the light emitting element and the wavelength conversion member that can be excited by this and emit light of a different hue from the light source light, light of various colors can be emitted based on the principle of light color mixing Light emitting devices have been developed. In particular, in recent years, it has attracted attention as a next-generation illumination with lower power consumption and longer life, and there is a demand for a high-quality light-emitting device with further improved light-emitting output and excellent weather resistance.
上記の発光装置において、出力に関する改善方法の一例として、光源からの一次光や、波長変換後の二次光が、発光装置を構成する部材に進向した際に、光の一部が吸収されて光損失を招くのを抑止する策が講じられている。一案として、発光素子の電極の表面に、高反射率を示すAg層を被覆する発光装置が開発されている(特許文献1)。例えば、図13に示す発光素子100は、配線基板等に実装された際に、電極形成面側(図13における下側)と対向する基板101側(上側)を主発光面とするフェイスダウン型の素子であり、これを示すために上下逆に図示されている。すなわち、発光素子100は、基板101上に、n型半導体層102、活性層103、p型半導体層104を順に積層してなり、n型半導体層102の露出領域にはn側電極106を、またp型半導体層104上にはp側電極105をそれぞれ備える。さらに、p型電極105は、高反射率を示すAg層からなる第1の金属層105aと、この表面を被覆する第2の金属層105bから構成される。
In the above light emitting device, as an example of an improvement method related to output, when primary light from a light source or secondary light after wavelength conversion proceeds to a member constituting the light emitting device, a part of the light is absorbed. Measures are taken to prevent the loss of light. As one proposal, a light-emitting device has been developed in which the surface of an electrode of a light-emitting element is coated with an Ag layer having a high reflectance (Patent Document 1). For example, when the
この構造であれば、発光装置内の光源からの一次光、二次光が電極105側へと進向する際、高反射率を示すAg層によって光を反射させ、主発光面である基板100側へと導光できるため、金属電極への光吸収を抑制し、光取り出し効率を向上させることができる。
With this structure, when the primary light and the secondary light from the light source in the light emitting device advance toward the
しかしながらAgは高温度、高湿度下、電界下における腐食やイオンマイグレーションを起こしやすい虞がある。マイグレーションが起これば、電極層が乱れ、発光強度の低下や短絡による寿命の短縮という問題が生じる。したがって、これを抑制するために、例えば図13の発光素子100では、Ag層である第1反射層を、V、Ti等のAg以外の金属元素からなる第2の金属層105bでもって被覆している。その他、Agを含む合金層でもって電極を構成するなど、何らかのマイグレーション対策を図る必要があり、このため製造工数や部品数が増加しコスト高につながるという問題があった。
However, Ag tends to cause corrosion and ion migration under high temperature, high humidity, and electric field. If migration occurs, the electrode layer is disturbed, and there arises a problem that the emission intensity is reduced and the life is shortened due to a short circuit. Therefore, in order to suppress this, for example, in the
さらには、Ag等の金属製の反射膜に代用できる、非金属製の反射膜を用いた反射構造が提案されている(特許文献2)。すなわち、発光素子の半導体層表面に、透光性電極を介して、開口部・分離部を有した透光性絶縁性膜と、その開口部・分離部を通じて、透光性電極に導通するパッド電極を設け、さらに、その透光性絶縁膜に誘電体多層膜反射膜を設ける。これにより外部量子効率が向上し、光源からの出射光の光取り出し効率が改善される。 Furthermore, a reflective structure using a non-metallic reflective film that can be substituted for a metallic reflective film such as Ag has been proposed (Patent Document 2). That is, a light-transmitting insulating film having an opening / separation part through a light-transmitting electrode on the surface of the semiconductor layer of the light-emitting element, and a pad that conducts to the light-transmitting electrode through the opening / separation part An electrode is provided, and a dielectric multilayer reflection film is provided on the light-transmitting insulating film. Thereby, the external quantum efficiency is improved, and the light extraction efficiency of the emitted light from the light source is improved.
一方で、反射層に、反射対応領域を広域化した誘電体多層膜を備えることで、発光素子からの出射光が、角度をもって反射膜へと入射した際も反射でき、すなわち、垂直方向のみならず斜め入射の光をも好適に反射する機能を付与した反射構造が提案されている(特許文献3)。
しかしながら、上記の反射構造を有する発光素子を発光装置の光源として採用した場合、素子からの出射光単独での出力は向上するものの、この出力を高めた素子を、波長変換部材を有する発光装置の励起光源として適用したところ、予期したほどの混合色光における出力を得られなかった。 However, when the light-emitting element having the above-described reflection structure is employed as the light source of the light-emitting device, the output of the light emitted from the element alone is improved, but the element with the increased output is used for the light-emitting device having the wavelength conversion member. When applied as an excitation light source, the output of mixed color light as expected was not obtained.
本発明は、従来のこのような問題点を解消するためになされたものである。本発明の目的は、高出力で所望の色彩を有する発光波長を放出可能な、耐候性に優れた発光を実現できる発光素子及びこれを備える発光装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the conventional problems. An object of the present invention is to provide a light-emitting element capable of emitting light having a high output and a desired color and capable of realizing light emission excellent in weather resistance, and a light-emitting device including the light-emitting element.
上記の目的を達成するために、本発明の第1の発光素子は、発光層8を有する半導体構造11と、半導体構造11の一方の主面側に設けられた光取り出し面18と、半導体構造11の他方の主面側に備えられ、半導体構造11に電気的に接続される電極3と、を有する発光素子であって、半導体構造11と電極3との間に反射構造4が形成されており、反射構造4は、発光層8からの光の波長に対応する中心波長を反射する第1反射層4aと、中心波長とは異なる波長を中心波長とする第2反射層4bとから構成され、第1反射層4aと第2反射層4bの少なくとも一方の中心波長が、可視光域であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first light emitting device of the present invention includes a semiconductor structure 11 having a light emitting layer 8, a
また、本発明の第2の発光素子は、第1反射層4aの中心波長が発光層からの光の波長より短波長であり、第2反射層4bの中心波長が発光層からの光の波長より長波長であることを特徴とする。
In the second light emitting device of the present invention, the center wavelength of the first
また、本発明の第3の発光素子は、第1反射層4a及び第2反射層4bの中心波長は、互いに色相が異なり、補色の関係にあることを特徴とする。
The third light emitting element of the present invention is characterized in that the central wavelengths of the first
また、本発明の第4の発光素子は、第1反射層4aの反射光の中心波長が、発光層8からの光の波長に対して0.8倍以上1.0倍未満であり、第2反射層4bの反射光の中心波長が、発光層8からの光の波長に対して、1.15倍以上1.40倍以下であることを特徴とする。
In the fourth light emitting element of the present invention, the center wavelength of the reflected light of the first
また、本発明の第5の発光素子は、発光層8が発する光の波長が360nm乃至650nmにあることを特徴とする。 In the fifth light-emitting element of the present invention, the wavelength of light emitted from the light-emitting layer 8 is 360 nm to 650 nm.
また、本発明の第6の発光素子は、反射構造4は、さらに第3反射層を有しており、第3反射層の反射光の中心波長が、第1反射層4a及び第2反射層4bの中心波長との間の波長域内にあることを特徴とする。
In the sixth light emitting element of the present invention, the
また、本発明の第7の発光素子は、反射構造4は、2種以上からなる材料膜を積層させた誘電体多層膜であることを特徴とする。
In the seventh light emitting device of the present invention, the
また、本発明の第8の発光素子は、複数の反射構造4を所定の間隔を経て水平方向に配列した反射構造群34が、複数段にわたって略平行に離間されて積層されており、各段の反射構造群34は、下段に位置される反射構造4の水平方向における離間領域の開口の少なくとも一部を覆うように、上段の反射構造4が形成されてなることを特徴とする。
In the eighth light emitting element of the present invention, a plurality of reflecting
また、本発明の第9の発光素子は、反射構造4が、半導体構造11上の少なくとも一部に絶縁性膜16を介して形成されていることを特徴とする。
The ninth light emitting element of the present invention is characterized in that the reflecting
また、本発明の第10の発光素子は、半導体構造11の主面に透光性導電層13が被覆され、さらに、透光性導電層13上の少なくとも一部には反射構造4が形成されており、電極3は、反射構造4及び透光性導電層13とに接する金属電極層23を備えることを特徴とする。
In the tenth light-emitting element of the present invention, the main surface of the semiconductor structure 11 is covered with the translucent
また、本発明の第11の発光装置は、発光素子10と、発光素子10からの出射光の波長を変換可能な波長変換部材12と、を有する発光装置であって、発光素子10が本発明の第1乃至第10に記載のいずれか一の発光素子であることを特徴とする。
An eleventh light emitting device of the present invention is a light emitting device having a
また、本発明の第12の発光装置は、波長変換部材12が、発光素子10の光取り出し面18に接して、または近接して配置されていることを特徴とする。
The twelfth light emitting device of the present invention is characterized in that the wavelength conversion member 12 is disposed in contact with or close to the
また、本発明の第13の発光装置は、発光素子は、360nm乃至800nmに発光ピーク波長を有するLEDであり、波長変換部材12は、LAG、BAM、BAM:Mn、YAG、CCA、SCA、SCESN、SESN、CESN、CASBN及びCaAlSiN3:Euよりなる群から選択される蛍光体の少なくとも1種を含むことを特徴とする。 In the thirteenth light emitting device of the present invention, the light emitting element is an LED having an emission peak wavelength at 360 nm to 800 nm, and the wavelength conversion member 12 is LAG, BAM, BAM: Mn, YAG, CCA, SCA, SCESN. , SESN, CESN, CASBN, and CaAlSiN 3 : containing at least one phosphor selected from the group consisting of Eu.
本発明の発光素子によれば、光取り出し面と対向する面側に形成された電極へと進行した光を、反射構造でもって光取り出し面側へと反射できる。これにより電極での吸収による光損失を低減し、外部量子効率を高めることができる。 According to the light emitting device of the present invention, the light that has traveled to the electrode formed on the surface facing the light extraction surface can be reflected toward the light extraction surface by the reflection structure. As a result, light loss due to absorption at the electrode can be reduced, and external quantum efficiency can be increased.
また、本発明の発光素子であれば、特に、発光素子からの出射光の波長を変換可能な波長変換部材を有する発光装置の出力光を改善できる。なぜなら、活性層からの出力光のみならず、二次光、すなわち波長変換部材でもって波長変換された光をも高効率に反射できるため、混合色を構成する成分光の出力を増加でき、ひいては装置全体としての出射光の出力を向上できるからである。また、各々の成分光は、素子内の同一の反射構造でもって反射されるため、一次光及び二次光の集光性、指向性に優れた発光装置とできる。さらに、波長選択性を有する反射構造を使用することにより、反射される一次光及び二次光の色相の差を修正できるため、発光装置間における、混合色の色ムラを低減できる。 Moreover, if it is the light emitting element of this invention, especially the output light of the light-emitting device which has a wavelength conversion member which can convert the wavelength of the emitted light from a light emitting element can be improved. Because not only the output light from the active layer but also the secondary light, that is, the light whose wavelength is converted by the wavelength conversion member, can be reflected with high efficiency, the output of the component light constituting the mixed color can be increased, and consequently This is because the output of the emitted light as the entire apparatus can be improved. In addition, since each component light is reflected by the same reflection structure in the element, a light emitting device excellent in the condensing property and directivity of the primary light and the secondary light can be obtained. Furthermore, since the difference in hue between the reflected primary light and secondary light can be corrected by using a reflective structure having wavelength selectivity, color unevenness of the mixed colors between the light emitting devices can be reduced.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための、発光素子及びこれを備える発光装置を例示するものであって、本発明は、発光素子及びこれを備える発光装置を以下のものに特定しない。さらに、本明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」、及び「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。特に実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the following examples illustrate a light emitting element and a light emitting device including the same for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention includes a light emitting element and a light emitting device including the light emitting element. Not specified below. Further, in this specification, in order to facilitate understanding of the scope of claims, numbers corresponding to the members shown in the embodiments are indicated in the “claims” and “means for solving problems” sections. It is appended to the members shown. However, the members shown in the claims are not limited to the members in the embodiments. In particular, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in the examples are not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified, but are merely illustrative examples. Only.
なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、本明細書において、層上などでいう「上」とは、必ずしも上面に接触して形成される場合に限られず、離間して上方に形成される場合も含んでおり、層と層の間に介在層が存在する場合も包含する意味で使用する。 Note that the size, positional relationship, and the like of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, in the following description, the same name and symbol indicate the same or the same members, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. Furthermore, each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing. Further, in this specification, the term “upper” on the layer or the like is not necessarily limited to the case where the upper surface is formed in contact with the upper surface, but includes the case where the upper surface is formed apart from the upper surface. It is used to include the case where there is an intervening layer between them.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る発光装置1を図1の断面図に示す。この図の発光装置1に搭載される発光素子10は、窒化物半導体素子の一例であるLEDチップを採用しており、このLEDチップを配線基板9の一であるサブマウント上にフリップチップ実装している。フリップチップ実装とは、電極形成面と対向する成長基板5側を主光取出し面とする実装方式であり、フェイスダウン実装とも呼ばれる。図1の発光素子10は、フリップチップ実装であることを示すため、上下逆に表示している。
(Embodiment 1)
A light-emitting
また、図1の発光装置1において、フリップチップ実装された発光素子10の近傍には、波長変換部材12が配置されており、この波長変換部材12でもって、活性層8より放出される光の波長を変換する。これにより、活性層8からの出射光と、波長変換部材でもって波長変換された光との加色混合により、所望の光を発光可能な発光装置とできる。
Further, in the
また、発光素子10は、発光層8を有する半導体構造11を備える。図1の発光素子10では、対向する一対の主面を有する成長基板5の一方の主面上に、半導体構造11としての窒化物半導体層を積層して形成されている。具体的に、図1の発光素子10では、成長基板5の下面側に、第1の窒化物半導体層6、活性層8、第2の窒化物半導体層7とを順に備える窒化物半導体層11が積層されている。また、第1の窒化物半導体層6及び第2の窒化物半導体層7には、電気的に接続される第1の電極3A及び第2の電極3Bを各々備える。発光素子10は、第1の電極3A及び第2の電極3Bを介して、外部より電力が供給されると、活性層8から光を放出し、図1における成長基板5の上面側から、主に光が取り出される。すなわち図1の発光素子10では、成長基板5において、電極3A、3Bの装着面側(図1の下側)と対向する他方の主面側(図1の上側)を主な光取り出し面18とする。
The
さらに、第1の電極3A、第2の電極3Bからなる一組の電極3は、反射構造4をそれぞれ有する。反射構造4としては、例えば多層構造からなる誘電体多層膜4が挙げられる。図1の例における誘電体多層膜4は、屈折率の異なる2種以上の材料膜を交互に積層させた多層構造であり、半導体構造11と電極3との間の少なくとも一部に設けられて、所望の波長光を選択的に反射できる。また、図2は、図1の発光装置における第2の電極3B近傍の拡大図である。誘電体多層膜4の詳細な構造については後述するが、図2の例では、第1反射層4a及び第2反射層4bから構成される誘電体多層膜4が、互いに離間されて水平に形成されている。また、第1反射層4aは、発光層8からの光を中心波長とする反射域を有しており、一方、第2反射層4bは、発光層8からの光の中心波長とは異なる波長を中心波長とする反射域を有する。さらに、第1反射層4aと第2反射層4bの少なくとも一方の中心波長は可視光域にある。また、誘電体多層膜4は、第1反射層4a及び第2反射層4bに加えて、これらの反射層の中心波長とは異なる反射特性を備えた第3反射層を有してもよい。第3反射層の中心波長は、第1反射層4a及び第2反射層4bの中心波長との間の波長域内にあることが好ましい。これにより、誘電体多層膜4の干渉作用による透過率の谷の発生を抑制でき、所定の波長範囲において、連続的に高効率な反射効果を実現できるからである。また、誘電体多層膜4における反射層の積層順は特に限定されない。以下に発光装置1の各部材の詳細な説明を記す。
Further, each set of
(発光素子)
図3は、図1の発光素子10であって、フリップチップ実装する前の状態、すなわち成長基板5を最下層にして、その上方に半導体構造11を積層した状態を示す概略断面図である。実際の発光装置の製造工程では、成長基板5の上面に各層が積層された窒化物半導体素子を上下逆にして図1のように実装する。また、図4は発光素子10の平面図であって、反射構造が形成される製造工程を説明する説明図、図5、図6は一製造工程における発光素子の平面図をそれぞれ示す。なお、同様の構成要素については同符号を付して、その詳細な説明を省略している。以下に半導体素子の製造方法を、図1〜図6を使用して説明する。
(Light emitting element)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the
発光素子10として、例えば図3に示すLEDのような窒化物半導体素子では、成長基板5であるサファイヤ基板の上に、第1の窒化物半導体層6であるn型半導体層、活性層8である発光層、第2の窒化物半導体層7であるp型半導体層を順にエピタキシャル成長させた窒化物半導体層11と、さらに窒化物半導体層11の上に形成された透光性導電層13とを有する。結晶成長方法としては、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD:metal-organic chemical vapor deposition)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、ハイドライドCVD法、MBE(molecularbeam epitaxy)などの方法が利用できる。
In the nitride semiconductor element such as the LED shown in FIG. 3 as the
続いて、発光層8およびp型半導体層7の一部を選択的にエッチング除去して、n型半導体層6の一部を露出させ、さらに、第1の電極3Aであるn型パッド電極を形成している。またn型電極3Aと同一面側であって、透光性導電層13上には、第2の電極3Bであるp型パッド電極が形成される。さらに、n型パッド電極3A及びp型パッド電極3Bの所定の表面のみを露出し、他の部分は絶縁性の保護膜で被覆できる。なお、n型パッド電極は、n型半導体層6の露出領域に、透光性導電層13を介して形成してもよい。以下に半導体発光素子1の各構成要素に関して、具体的に説明する。
Subsequently, the light emitting layer 8 and a part of the p-
(成長基板)
成長基板5は、半導体層11をエピタキシャル成長させることができる基板で、基板の大きさや厚さ等は特に限定されない。窒化物半導体における基板としては、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgAl2O4)のような絶縁性基板、また炭化珪素(6H、4H、3C)、シリコン、ZnS、ZnO、Si、GaAs、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板、GaNやAlN等の窒化物半導体基板があり、そのオフアングルした基板(例えば、サファイアC面で0.01°〜3.0°)も用いることができる。また、成長基板5を半導体層11形成後に除去した基板の無い半導体素子構造、その取り出した半導体層を支持基板、例えば導電性基板に接着、フリップチップ実装した構造等とすること、また別の透光性部材・透光性基板を半導体層に接着した構造とするもできる。具体的には、半導体層の光取り出し側の主面に成長基板、接着した部材・基板を有する場合は透光性とし、不透光性、遮光性、光吸収性の成長基板の場合は除去し、そのような基板に半導体層を接着する場合は、半導体層主面の光反射側に設ける構造とする。光取り出し側の透光性基板・部材から半導体層に電荷を供給する場合は、導電性のものを用いると良い。その他、ガラス、樹脂などの透光性部材により半導体層が接着・被覆されて、支持された構造の素子でも良い。成長用基板の除去は、例えば装置又はサブマウントのチップ載置部に保持して、研磨、LLO(Laser Lift Off)で実施できる。また、透光性の異種基板であっても、基板除去することで、光取り出し効率、出力を向上させることができ、好ましい。
(Growth substrate)
The
(半導体層)
半導体層11としては、実施例及び以下で説明する窒化物半導体が、可視光域の短波長域、近紫外域、若しくはそれより短波長域である点、その点と光変換部材(蛍光体)とを組み合わせた発光装置において好適に用いられる。また、それに限定されずに、InGaAs系、GaP系などの半導体でも良い。
(Semiconductor layer)
As the semiconductor layer 11, the nitride semiconductor described in Examples and below is a short wavelength region in the visible light region, a near ultraviolet region, or a shorter wavelength region, the point and a light conversion member (phosphor). Are suitably used in a light emitting device in combination. In addition, the semiconductor is not limited thereto, and may be an InGaAs-based or GaP-based semiconductor.
(発光素子構造)
半導体層による発光素子構造は、後述する第1導電型(n型)、第2導電型(p型)層との間に活性層を有する構造が出力、効率上好ましいが、それに限定されず後述する構造など、その他の発光構造でも良い。各導電型層に、絶縁、半絶縁性、逆導電型構造が一部に設けられても良く、またそれらが第1、2導電型層に対し付加的に設けられた構造でも良く、別の回路構造、例えば保護素子構造、を付加的に有しても良く、また上記基板が発光素子の導電型の一部を担う構造でも良い。
(Light emitting element structure)
The light emitting element structure using a semiconductor layer is preferably a structure having an active layer between a first conductivity type (n-type) and a second conductivity type (p-type) layer, which will be described later. Other light emitting structures such as a structure to be used may be used. Each conductive type layer may be provided with an insulating, semi-insulating, and reverse conductive type structure in part, or may be a structure in which they are additionally provided for the first and second conductive type layers. A circuit structure, for example, a protective element structure may be additionally provided, and the substrate may be a part of the conductivity type of the light emitting element.
半導体層に設けられる電極は、実施例及び以下で説明する一方の主面側に第1導電型(n型)、第2導電型(p型)層の電極が設けられる構造が好ましいが、それに限定されず半導体層の各主面に対向して各々電極が設けられる構造、例えば上記基板除去構造において除去側に電極を設ける構造でも良い。 The electrode provided in the semiconductor layer preferably has a structure in which electrodes of the first conductivity type (n-type) and second conductivity type (p-type) layers are provided on one main surface side described in the examples and below. There is no limitation, and a structure in which electrodes are provided so as to face each main surface of the semiconductor layer, for example, a structure in which electrodes are provided on the removal side in the substrate removal structure may be employed.
(窒化物半導体層)
窒化物半導体としては、一般式がInxAlyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)であって、BやP、Asを混晶してもよい。また、n型半導体層6、p型半導体層7は、単層、多層を特に限定しない。窒化物半導体層11には活性層である発光層8を有し、この活性層は単一(SQW)又は多重量子井戸構造(MQW)とする。以下に窒化物半導体層11の詳細を示す。
(Nitride semiconductor layer)
As the nitride semiconductor, the general formula In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 ≦ y, x + y ≦ 1) A, B and P, may be mixed with As. Further, the n-
成長基板上に、バッファ層などの窒化物半導体の下地層、例えば低温成長薄膜GaNとGaN層を介して、n型窒化物半導体層、例えばSiドープGaNのn型コンタクト層とGaN/InGaNのn型多層膜層、p型窒化物半導体層、例えばMgドープのInGaN/AlGaNのp型多層膜層とMgドープGaNのp型コンタクト層を有し、さらにそのp型、n型層の間に活性層を有する構造を用いる。 An n-type nitride semiconductor layer such as a Si-doped GaN n-type contact layer and a GaN / InGaN n-type layer are formed on a growth substrate via a nitride semiconductor underlayer such as a buffer layer, for example, a low-temperature growth thin film GaN and a GaN layer. Type multilayer film layer, p-type nitride semiconductor layer, eg, Mg-doped InGaN / AlGaN p-type multilayer film layer and Mg-doped GaN p-type contact layer, and further active between the p-type and n-type layers A structure having a layer is used.
また、窒化物半導体の発光層8(活性層)は、例えば、AlaInbGa1-a-bN(0≦a≦1、0≦b≦1、a+b≦1)からなる井戸層と、AlcIndGa1-c-dN(0≦c≦1、0≦d≦1、c+d≦1)からなる障壁層とを含む量子井戸構造を有する。活性層に用いられる窒化物半導体は、ノンドープ、n型不純物ドープ、p型不純物ドープのいずれでもよいが、好ましくはノンドープ又はn型不純物ドープの窒化物半導体を用いることにより発光素子を高出力化することができる。障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体が用いられる。井戸層にAlを含ませることで、GaNのバンドギャップエネルギーである波長365nmより短い波長を得ることができる。活性層から放出する光の波長は、発光素子の目的、用途等に応じて360nm〜650nm付近、好ましくは380nm〜560nmの波長とする。 The light emitting layer 8 (active layer) of nitride semiconductor includes, for example, a well layer made of Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, a + b ≦ 1), Al having c In d Ga 1-cd N (0 ≦ c ≦ 1,0 ≦ d ≦ 1, c + d ≦ 1) quantum well structure including a made of the barrier layer. The nitride semiconductor used for the active layer may be any of non-doped, n-type impurity doped, and p-type impurity doped. Preferably, the non-doped or n-type impurity doped nitride semiconductor is used to increase the output of the light emitting device. be able to. As the barrier layer, a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the well layer is used. By including Al in the well layer, a wavelength shorter than the wavelength 365 nm which is the band gap energy of GaN can be obtained. The wavelength of light emitted from the active layer is approximately 360 to 650 nm, preferably 380 to 560 nm, depending on the purpose and application of the light-emitting element.
井戸層の組成はInGaNが、可視光・近紫外域に好適に用いられ、その時の障壁層の組成は、GaN、InGaNが良い。井戸層の膜厚は、好ましくは1nm以上30nm以下、より好ましくは2nm以上20nm以下であり、1つの井戸層の単一量子井戸、障壁層などを介した複数の井戸層の多重量子井戸構造とできる。 The composition of the well layer is preferably InGaN, and the composition of the barrier layer at that time is preferably GaN or InGaN. The film thickness of the well layer is preferably 1 nm or more and 30 nm or less, more preferably 2 nm or more and 20 nm or less, and a single quantum well of one well layer, a multiple quantum well structure of a plurality of well layers through a barrier layer, and the like it can.
また、窒化物半導体層11の積層構造としては、MIS接合、PIN接合やPN接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。また、各層を超格子構造としたり、活性層である発光層8を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。 Further, examples of the laminated structure of the nitride semiconductor layer 11 include a homostructure having a MIS junction, a PIN junction, and a PN junction, a heterostructure, and a double hetero configuration. In addition, each layer may have a superlattice structure, or a single quantum well structure or a multiple quantum well structure in which the light emitting layer 8 as an active layer is formed in a thin film in which a quantum effect is generated.
次に、p型半導体層7の表面に所定の形状をなすマスクを形成し、p型半導体層7及び活性層である発光層8をエッチングする。これにより図4(a)に示すように、所定の位置のn型半導体層6を構成するn型コンタクト層6aが露出される。
Next, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the p-
(光反射構造)
本発明の発光素子の基本的な構造について具体的には、半導体層の互いに対向する2つの主面は、一方を光取り出し側、他方を光反射側とする。この光反射側には、光反射構造が設けられ、特に活性層などの発光構造を有する領域に設けられる。
(Light reflection structure)
Specifically, with respect to the basic structure of the light emitting element of the present invention, one of two opposing main surfaces of the semiconductor layer is a light extraction side and the other is a light reflection side. On this light reflecting side, a light reflecting structure is provided, particularly in a region having a light emitting structure such as an active layer.
光反射構造は、電極構造の一部、電極構造との重畳構造、電極構造との面内分離構造、などとして設けられ、好適には発光構造に対応して発光面積を大きく、電荷注入効率を高めるように重畳構造とする。具体的には、半導体層接触側の電極である透光性導電層と、素子外部と接続する外部接続用(パッド)電極との間に、反射構造が設けられる。この電極間の反射構造は、電極間を導通するような構造になる。具体的には、以下に示す導通経路と反射領域とが面内に分離して配置された構造とすることが好ましいが、これに限らず導電性の反射構造としても良い。この面内分離の反射構造は、分離領域に導通構造を有しているため、絶縁性で構成することができる。尚、光取り出し側に電極を設ける場合は、部分電極、光透過性電極、透光性電極、それらを組み合わせた構造を用いることができる。 The light reflecting structure is provided as a part of the electrode structure, an overlapping structure with the electrode structure, an in-plane separation structure with the electrode structure, etc., and preferably has a large light emitting area corresponding to the light emitting structure and has a charge injection efficiency. A superposition structure is adopted so as to increase the height. Specifically, a reflective structure is provided between the translucent conductive layer, which is an electrode on the semiconductor layer contact side, and an external connection (pad) electrode connected to the outside of the element. The reflection structure between the electrodes is a structure that conducts between the electrodes. Specifically, it is preferable to have a structure in which a conduction path and a reflection region described below are arranged separately in a plane, but the present invention is not limited to this, and a conductive reflection structure may be used. This in-plane separation reflective structure has a conductive structure in the separation region, and thus can be configured to be insulative. In the case where an electrode is provided on the light extraction side, a partial electrode, a light transmissive electrode, a light transmissive electrode, or a structure in which these are combined can be used.
本発明の反射構造には、発光波長に反射率が依存する反射部を有し、具体的には、以下の誘電体多層膜、DBRなどを用いる。この波長依存性反射部の他に、半導体層、透光性部材(波長依存性反射部、電極)との屈折率差により反射させる透光性膜、金属反射膜を付加的に有していても良く、その場合、これら透光性の部材は半導体層側に、遮光性の金属反射膜はその外側にそれぞれ配置される。また、波長依存性膜、透光性膜の配置は、特に限定されないが、好適には半導体層側から順に透光性膜、波長依存性膜を設けると、透光性膜による屈折率差の反射機能と、波長依存成膜による波長、方向依存の反射とを機能分離して各機能を高めることでき好ましい。 The reflective structure of the present invention has a reflective portion whose reflectance depends on the emission wavelength. Specifically, the following dielectric multilayer film, DBR, or the like is used. In addition to this wavelength-dependent reflective part, it additionally has a translucent film and a metal reflective film that are reflected by the difference in refractive index with the semiconductor layer and the translucent member (wavelength-dependent reflective part, electrode). In this case, these translucent members are disposed on the semiconductor layer side, and the light-shielding metal reflective film is disposed on the outside thereof. Further, the arrangement of the wavelength-dependent film and the light-transmitting film is not particularly limited, but preferably when the light-transmitting film and the wavelength-dependent film are provided in this order from the semiconductor layer side, the refractive index difference due to the light-transmitting film is reduced. It is preferable that each function can be enhanced by separating the reflection function and the reflection depending on the wavelength and direction depending on the wavelength-dependent film formation.
また、これら反射構造は、各々1つ設けた構造だけでなく、後述するように多重構造、例えば各膜・部材を備えた反射構造を繰り返した重畳構造、反射構造の各膜・部材を複数備えた、若しくは多重化した構造、とすることができる。具体的には、前者の反射構造の重畳化は、後述する図10のような構造であり、後者の構成膜・部材の多重化は、多種の波長依存性膜、例えば中心波長の異なる誘電体多層膜を積層するような構造、とする。尚、反射構造を構成する各膜・部材は、一体的に形成する例を以下に示すが、これに限らず、各膜・部材を互いに異なる形状、パターンとすることもできる。 These reflection structures are not only provided with a single structure, but also have multiple structures such as a superposition structure in which a reflection structure provided with each film / member is repeated, and a plurality of films / members with a reflection structure. Or a multiplexed structure. Specifically, the former reflection structure is superimposed as shown in FIG. 10 to be described later, and the latter multiplexing of constituent films and members is a variety of wavelength-dependent films such as dielectrics having different center wavelengths. A structure in which a multilayer film is stacked. In addition, although the example which forms each film | membrane and member which comprises a reflecting structure integrally is shown below, not only this but each film | membrane and member can also be made into a mutually different shape and pattern.
以上では、発光構造に対応して設けられる反射構造について述べたが、これに限らず、後述のn電極領域のような非発光領域、半導体層の側面若しくは発光構造の側面、又は素子表面の領域に、反射構造を設けること、例えば後述の保護膜に対応して重畳的に設けることができる。 In the above, the reflective structure provided corresponding to the light emitting structure has been described. However, the present invention is not limited to this, and a non-light emitting region such as an n electrode region described later, a side surface of a semiconductor layer or a side surface of a light emitting structure, or a region of an element surface In addition, a reflective structure can be provided, for example, in a superposed manner corresponding to a protective film described later.
以下、反射構造における透光性導電層(電極)、誘電体多層膜、絶縁性膜(透光性膜)、電極、並びに保護膜を順に説明する。 Hereinafter, the translucent conductive layer (electrode), dielectric multilayer film, insulating film (translucent film), electrode, and protective film in the reflective structure will be described in order.
(透光性導電層)
さらに、p型半導体層7上に、透光性導電層13を形成する。図4(b)に示すように、p型半導体層7及び露出したn型半導体層6のほぼ全面に導電層が形成されることにより、電流をp型半導体層7全体に均一に広げ、透光性を備えることで、その上に反射構造を設けることができる。
(Translucent conductive layer)
Further, a light transmissive
また、透光性導電層13の被覆領域は、n型半導体層6及びp型半導体層7の双方の半導体層のみならず、どちらか一方の半導体層のみに限定することもできる。図4(b’)の例では、透光性導電層13をn型半導体層6上に形成せず、p型半導体層7のみに被覆している。
Further, the covering region of the translucent
透光性導電層13は、透明電極など数々の種類があるが、好ましくはZn、In、Snよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物とする。具体的には、ITO、ZnO、In2O3、SnO2等、Zn、In、Snの酸化物を含む透光性導電層13を形成することが望ましく、好ましくはITOを使用する。あるいはNi等の金属を30Å等の薄膜の金属膜、その他の金属の酸化物、窒化物、それらの化合物、窓部の開口部を有する金属膜のような光透過構造、以上の複合物でもよい。このように、露出したp型半導体層7のほぼ全面に導電層が形成されることにより、電流をp型半導体層7全体に均一に広げることができる。
The translucent
また、透光性導電層13の厚さは、その層の光吸収性と電気抵抗・シート抵抗、すなわち、光の反射構造と電流広がりを考慮した厚さとし、例えば1μm以下、具体的には10nmから500nmとする。また、活性層8から放出される光の波長λに対してλ/4のおよそ整数倍とすることが光取り出し効率が上がるので好ましい。
The thickness of the translucent
(誘電体多層膜)
具体的に、図2、図3、図4(c)に示す誘電体多層膜4は、窒化物半導体層11と電極3との界面19の少なくとも一部に形成され、好ましくは所定のパターンで半導体層、透光性導電層の略全体を覆うように形成される。また、誘電体多層膜4の面内配置の個数は特に限定されないが、複数の多層膜を形成する場合は、互いに離間されることが好ましい。特に、図3に示すように、絶縁性膜16を介して反射構造が形成される場合、透光性導電層13との界面19上の少なくとも一部を開口するよう、所定の間隔をもって離間しつつ水平に配置することが好ましい。これにより、電極より供給される電力の導通経路32(図2の矢印参照)を封鎖することなく、外部電極側から窒化物半導体層11側へと給電できる。
(Dielectric multilayer film)
Specifically, the
実施の形態1に係る誘電体多層膜4は、屈折率の異なる2種以上からなる材料膜を交互に積層させた多層構造である。誘電体多層膜4は、所定の波長を高効率に反射できる。これは、誘電体多層膜4が、屈折率の異なる膜を1/4波長の厚みで交互に積層した多層膜である。また、誘電体多層膜4の例は、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物または窒化物から選択された少なくとも2つを繰り返し積層した誘電体多層膜が好ましい。さらに好ましくは非金属元素からなる材質、あるいは酸化物の積層構造とし、例えば(SiO2/TiO2)n(ただしnは自然数)の積層構造等で構成される。
The
図3に示す誘電体多層膜4は、活性層8からの光を中心波長とする第1反射層4aと、この中心波長とは異なる波長を中心波長とする第2反射層4bとが積層された構造を備える。また、第2反射層4bは、第1反射層4aよりも、長波長な中心波長かつ広範囲な反射帯域を有することができる。具体的に、第2反射層4bは、発光層8からの光の波長に対して1.15倍〜1.40倍、好ましくは1.20倍〜1.35倍の波長域に相当する反射特性を有する。また、第1反射層4a及び第2反射層4bの少なくとも一の反射層は、その中心波長が可視光域であり、双方の反射層は互いに色相が異なることが好ましい。
The
第2反射層4bは、好ましくは中心波長が一定で一対、さらに好ましくは複数対の層で構成され、また、別の形態として好ましくはその一定の中心波長の層を複数組、例えば2組、例えば後述の実施例の第2、3反射層、若しくはそれ以上有しても良く、好適には1組か2組とする。また、上記の波長域に対応できるよう、所定の等差級数或いは等比級数を満たす連続的に変化した膜厚でもって、多層膜中の層ごとに厚み、或いは、上記の波長域内であって中心波長を徐々にずらした複数の層ペアを有して広帯域化させることができる。
The second
図3の例の反射構造4では、狭い波長域に相当する第1反射層4aと、広い波長域に対応する第2反射層4bを有する。これにより、エネルギー変換量の誤差により生じるストークスシフトのバラツキによって、二次光における波長のバラツキを、広帯域な第2反射層4bでもってカバーできる。すなわち、各々の反射構造を、混色光の成分光の発光特性にそれぞれ対応させることにより、成分光の出力を高められるため、結果、高出力な混合色とできる。また、反射の波長域を選択することで、演色性の向上した出射光とできる他、一方で、所望としない色相を有する二次光の出力が強調されるのを低減させるフィルターの役割も担うことができる。
The
特に可視光である青色系の励起光源に黄色系の蛍光体を組み合わせた発光装置の場合、単一の蛍光体のみで白色LEDを構成できるため、光学特性の調整が容易で、かつ高い変換効率を得られる。また、紫外光からの色変換に比べて、ストークスシフトが小さく本質的なエネルギー変換を改善できる。さらに青色LEDの透過光を利用できるため発光効率が高い。したがって、上記の色相の組み合わせによる光源光と蛍光とを有する発光装置に、該色相に応じた反射構造をそれぞれ搭載することにより、光損失を低減でき一層の高出力となる。 In particular, in the case of a light emitting device in which a yellow fluorescent material is combined with a blue excitation light source that is visible light, a white LED can be configured with only a single fluorescent material, so that optical characteristics can be easily adjusted and high conversion efficiency can be achieved. Can be obtained. In addition, compared with color conversion from ultraviolet light, the Stokes shift is small and essential energy conversion can be improved. Furthermore, since the transmitted light of the blue LED can be used, the luminous efficiency is high. Therefore, by mounting each of the light emitting devices having the light source light and the fluorescence by the combination of the hues, the reflection structure corresponding to the hue, the light loss can be reduced and the output can be further increased.
また、発光装置より放出される混色光の成分光における波長に対応した反射構造とすることで、成分光の色相を略統一できるため、発光素子または発光装置間での発光色のバラツキを低減できる。さらに、誘電体多層膜において、反射の中心波長を、光源光、および励起後の波長変換部材の発光波長に限定することで、広範囲な波長をグレーティングさせたものと比較して薄型とでき、製造工程の簡略化が実現する。加えて、光源である一次光が角度をもって誘電体多層膜へと入射した場合の、長波長側へと遷移した傾斜光をも第2反射層4bでもって反射可能であり、素子の光取り出し効率を向上できる。
In addition, since the hue of the component light can be substantially unified by adopting a reflection structure corresponding to the wavelength of the component light of the mixed color light emitted from the light emitting device, variation in the emission color between the light emitting elements or the light emitting devices can be reduced. . Furthermore, in the dielectric multilayer film, the center wavelength of reflection is limited to the light source light and the emission wavelength of the wavelength conversion member after excitation, so that it can be made thinner compared to a grating with a wide range of wavelengths. Simplification of the process is realized. In addition, when the primary light as the light source is incident on the dielectric multilayer film at an angle, the inclined light that has shifted to the long wavelength side can also be reflected by the second
(誘電体多層膜の形成パターン)
誘電体多層膜4を形成するパターンは、任意のパターンを使用できる。これらのパターンは、レジストパターンの上からRlE(reactive ion etching)やイオンミリング(ion milling)、リフトオフ等の方法により形成する。好ましい開口部形状としては、図5に示すストライプ状、図6に示すドット状、またはブロック状とする。図4(c)の例では、誘電体多層膜4の開口部35がドット状にパターニングされている。また、誘電体多層膜4は、図3に示すように、少なくとも開口部35を備えることで、透光性導電層13の露出領域を有する。このように部分的にITOが表出してパッド電極と接触するような構造とすることで、図2に示すようにこの領域が導通経路32となり、接触抵抗を実質的に低減して順方向電圧を低下させることができる。なお、誘電体多層膜4の形成パターンは上記の例に限られず、例えばドットの形状を円形、楕円形、矩形状、多角形状などとしたり、またブロック状のパターンの縦横幅を適宜変更したり、そのブロック状の形状を三角形状や円形、半円形、多角形状としたり、これらの配置を千鳥状としたり、種々の形成部・開口部の形状、配置としても良い。また全体に均一に配置する例に限られず、領域ごとに大きさや密度を適宜変更したり、上記のパターンを組み合わせたり、もできる。
(Dielectric multilayer film formation pattern)
Any pattern can be used as the pattern for forming the
尚、図4(c)の平面図において、反射構造はp型半導体層7上のみに形成されているが、図3に示すように、n型半導体層6にも設けることができる。反射構造が、第1及び第2電極3A、3Bの双方に形成されれば、両領域に進行した光を選択的に反射して、所定の波長を有する光の損失を効率的に低減できる。また、実施の形態1の発光装置では、両電極が同一面側に配置されているため、双方の電極に反射構造を形成すれば、発光素子の主面のほぼ全体に反射構造領域を備えることとなり、光取り出し効率を高めることができる。
In the plan view of FIG. 4C, the reflective structure is formed only on the p-
また、図3の発光素子10において、双方の電極3に形成される誘電体多層膜4、さらに好ましくは反射構造の光学的特性は略同じとする。これにより、誘電体多層膜4が両電極で略同じであると、発光装置1の光源による色ムラを低減できる他、両方を同時形成することにより製造工程の簡略化が図れる。一方、各電極3A、3Bに装着される各々の誘電体多層膜4は、その光学的特性に差を設けても良い。例えば、電極の部位による光の入射角度や、波長変換部材との離間距離などを考慮して、反射層の膜厚を決定することができる。
In the
(絶縁性膜)
また、図2の窒化物半導体素子10では、半導体構造11上に適宜形成される透光性導電層13と誘電体多層膜4との間に、透光性の絶縁性膜16を介することができ、好ましくは反射構造内に設けられる。この透光性の絶縁性膜16は、発光素子10からの光を効率よく反射させ、一部を多層膜4に透過させるように高い透光性を有する。そのため絶縁性膜16は、好ましくは酸化物とし、さらに好ましくはSi、Alよりなる群から選択された少なくとも一種の元素の酸化物とする。具体的には、SiO2、Al2O3等とし、好ましくはSiO2を使用する。
(Insulating film)
In the
絶縁性膜16の厚さは特に限定するものではなく、10nm〜2μm程度の厚さで形成可能である。特に、絶縁性膜16の上面に形成される金属電極層と共に設けられる場合の絶縁性膜16の膜厚は、10nmから500nmとすることが好ましい。
The thickness of the insulating
(電極)
透光性導電層13上に誘電体多層膜4を含む反射構造が形成された後、図3、図4(d)に示すように、金属電極層23が形成され、透光性導電層に電気的に接続される。金属電極層23は、p型半導体層7及びn型半導体層6側に適宜設けられた透光性導電層13、及び反射構造である誘電体多層膜4に接して、第1の電極3Aと第2の電極3B側にそれぞれ形成される。
(electrode)
After the reflective structure including the
金属電極層は、発光素子と外部電極とを電気的に接続させ、パッド電極として機能する。例えば、金属電極層表面にAuバンプのような導電部材24を配置し、導電部材を介して、発光素子の電極と、これに対向された外部電極との電気的接続させる。また、金属電極層は透光性導電層13と一部が電気的に直接接続される。パッド電極には既存の構成が適宜採用できる。例えばAu、Pt、Pd、Rh、Ni、W、Mo、Cr、Tiのいずれかの金属またはこれらの合金やそれらの組み合わせから成る。金属電極層の一例として、下面からW/Pt/Au、Rh/Pt/Au、W/Pt/Au/Ni、Pt/AuもしくはTi/Rhの積層構造が採用できる。
The metal electrode layer electrically connects the light emitting element and the external electrode and functions as a pad electrode. For example, a
本実施の形態において、金属電極層は、透光性導電層13の少なくとも一部に接して形成される。また本発明に係る他の実施の形態における金属電極層の一部は、透光性導電層13に設けた貫通孔内に延在させて、あるいは透光性導電層13より外側にて、窒化物半導体層に直接接触する接触部として、設けてもよい。このように、金属電極層一部の接触部によって密着性を高めることができる。
In the present embodiment, the metal electrode layer is formed in contact with at least a part of the translucent
また、p型窒化物半導体層7側およびn型窒化物半導体層6側に形成される金属電極層は、用いる金属の種類や膜厚を同じ構成とすることが好ましく、なぜなら同時に形成することで、別々に形成する場合と比較して、金属電極層の形成の工程を簡略化することができる。別々に設ける場合のn型窒化物半導体層側の電極は、例えば、n型窒化物半導体層6側から順に積層させたW/Pt/Au電極(その膜厚として、例えばそれぞれ20nm/200nm/500nm)や、さらにNiを積層させたW/Pt/Au/Ni、あるいはTi/Rh/Pt/Au電極等が利用できる。
The metal electrode layers formed on the p-type
(保護膜)
金属電極層23を形成した後、外部領域との接続領域を除いて半導体発光素子10のほぼ全面に絶縁性の保護膜14を形成できる。図4(e)の例では、n型電極3A部分及びp型電極3B部分に被覆される保護膜14に、開口部21、22がそれぞれ形成される。保護膜14にはSiO2、TiO2、Al2O3、ポリイミド等が利用できる。尚、実施例で示すように、絶縁性膜16と保護膜14とを同一部材で併用させてもよく、すなわち保護膜14と絶縁膜16とを同一工程、同一膜として形成することで工程簡略化でき好ましい。
(Protective film)
After the
なお、以上の例ではp電極およびn電極が同一面側に存在する発光素子をフリップチップ実装する例を説明したが、本発明を、発光素子が有する一対の電極が、発光層を上下に挟み込む、いわゆる縦型の発光素子にも採用できる。縦型の発光素子の電極では、少なくとも、発光素子を載置する配線基板側の電極に、反射層を設けることで、該反射層へと進行した光を、対向する光取り出し表面側へ反射できる。これに加えて、光取り出し表面側に形成された電極にも反射構造を形成して、電極への光吸収を抑制し、これにより外部量子効率を高めることができる。 In the above example, the example in which the light emitting element in which the p electrode and the n electrode exist on the same surface is flip-chip mounted has been described. However, the present invention is a pair of electrodes that the light emitting element sandwiches the light emitting layer up and down. It can also be used for so-called vertical light-emitting elements. In the electrode of the vertical light emitting element, at least the electrode on the wiring board side on which the light emitting element is mounted is provided with a reflective layer, so that the light traveling to the reflective layer can be reflected to the opposite light extraction surface side. . In addition, a reflection structure can be formed on the electrode formed on the light extraction surface side to suppress light absorption to the electrode, thereby increasing the external quantum efficiency.
(発光装置)
上記の方法で得られた発光素子を配線基板上にフリップチップ実装して発光装置を得る。一例として図1に示される発光装置1の製造方法を図7を用いて説明する。まず図7(a)に示すように、サブマウント基板9となるウェハ25上に、発光素子10をフリップチップ実装するパターンに従い、バンプ24を形成する。次に図7(b)に示すように、このバンプ24を介して発光素子10をフリップチップ実装する。この例では一のサブマウント基板9を形成する領域に、各々2個のLEDチップを並べて実装している。さらに図7(c)で、スクリーン印刷を行う。スクリーン印刷は、メタルマスクをウェハ25上に配置して、被覆層26を構成する樹脂を塗布し、スキージで押し広げる。そして樹脂26を硬化後、メタルマスクを外して図7(d)に示すようにダイシングを行い、サブマウント基板サイズに切り出す。切り出されたサブマウント基板9は各々、図7(e)に示すように支持体27上に共晶ダイボンディングにより共晶層28を介して固定される。ここでは共晶ハンダとして、Au−Snを使用し、約290℃で共晶を行った。その後、図7(e)に示すようにサブマウント基板9の電極と支持体27の電極29とをワイヤボンディング31で配線する。さらに図7(g)に示すように、LEDチップの外周を覆うように樹脂製のレンズ36を接着材等により固定して、発光装置を得る。
(Light emitting device)
The light-emitting element obtained by the above method is flip-chip mounted on a wiring board to obtain a light-emitting device. As an example, a method of manufacturing the
ただ、発光素子10の周囲を被覆する樹脂26の配置方法は特に限定されない。例えば樹脂26が配置される領域の界面を構成したパッケージを形成し、この内部に樹脂26を充填することもできる。また、発光素子は発光装置の所定の載置部に直接実装される形態、すなわちサブマウントを備えなくても良い。また、上記個々に切り出されたサブマウント基板、若しくは、それにレンズ等を接着、封止されたものを、発光装置とすることもできる。
However, the arrangement method of the
(波長変換部材)
また、図1に示すように、封止部材としての樹脂26には、発光素子10の光で励起されて蛍光を発する蛍光物質等の波長変換部材12が混入される。つまり、光源からの光の一部が、波長変換部材としての蛍光体を励起することで、主光源の波長とは異なった波長を持つ光が得られ、この結果、混色による所望の色相を有する出射光を実現できる。この波長変換部材12としては蛍光体が好適に利用できる。なぜなら蛍光体は光散乱性及び光反射性の機能をも備えているため、波長変換機能に加えて光散乱部材としての役割を果たし、光の拡散効果を得ることができるからである。蛍光体は、樹脂26中に、ほぼ均一の割合で混合することも、部分的に偏在するように配合することもできる。例えば、発光素子に近接すると上記反射構造に到達する蛍光体の光が多くなり、発光出力、効率の高い発光装置とできる。また、発光素子10から所定の距離だけ離間させることにより、発光素子10で発生した熱が蛍光物質に伝達し難くして蛍光物質の劣化を抑制できる。また、蛍光体は、発光装置の表面上において一層からなる発光層中に二種類以上存在してもよいし、二層からなる発光層中にそれぞれ一種類あるいは二種類以上存在してもよい。これにより所望の波長を有する発光装置を実現できる。尚、樹脂以外にガラスなどの透光性部材、並びに蛍光体粒子の凝集体、その結晶体の部材を用いることもできる。
(Wavelength conversion member)
Further, as shown in FIG. 1, a wavelength conversion member 12 such as a fluorescent material that emits fluorescence when excited by the light of the
代表的な蛍光体12としては、銅で付括された硫化カドミ亜鉛やセリウムで付括されたYAG系蛍光体及びLAG系蛍光体が挙げられる。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては(Re1-xSmx)3(Al1-yGay)5O12:Ce(0≦x<1、0≦y≦1、但し、Reは、Y、Gd、La、Luからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。)等が好ましい。またYAG、LAG、BAM、BAM:Mn、CCA、SCA、SCESN、SESN、CESN、CASBN及びCaAlSiN3:Euからなる群から選択される少なくとも1種を含む蛍光体が使用できる。 Typical phosphors 12 include cadmium zinc sulfide associated with copper and YAG phosphors and LAG phosphors associated with cerium. In particular, at the time of high luminance and long-term use (Re 1-x Sm x) 3 (Al 1-y Ga y) 5 O 12: Ce (0 ≦ x <1,0 ≦ y ≦ 1, where, Re Is at least one element selected from the group consisting of Y, Gd, La, and Lu. The YAG, LAG, BAM, BAM: Mn, CCA, SCA, SCESN, SESN, CESN, CASBN and CaAlSiN 3: phosphor containing at least one selected from the group consisting of Eu can be used.
実施の形態1の波長変換部材12としては、YAG蛍光体を使用して、光源からの出射光と、その一部が該蛍光体12により励起されて出射光とは異なる波長を有する光との混色により、例えば白色を得ることができる。また、蛍光体としては、ガラスや樹脂に蛍光体を混合した蛍光体ガラスや蛍光体含有樹脂を用いてもよい。また、光源から発する熱に耐性のあるもの、使用環境に左右されない耐候性のあるものがより望ましい。 As the wavelength conversion member 12 of the first embodiment, a YAG phosphor is used, and light emitted from the light source and light having a wavelength different from that of the emitted light, part of which is excited by the phosphor 12 By mixing colors, for example, white can be obtained. Further, as the phosphor, phosphor glass or phosphor-containing resin obtained by mixing phosphor in glass or resin may be used. Further, those that are resistant to heat generated from the light source and those that are weather resistant not affected by the use environment are more desirable.
発光装置1において、蛍光体は、2種類以上の蛍光体を混合させてもよい。黄〜赤色発光を有する窒化物蛍光体等を用いて赤味成分を増し、平均演色評価数Raの高い照明や電球色LED等を実現することもできる。具体的には、発光素子の発光波長に合わせてCIEの色度図上の色度点の異なる蛍光体の量を調整し含有させることでその蛍光体間と発光素子で結ばれる色度図上の任意の点を発光させることができる。その他に、近紫外〜可視光を黄色〜赤色域に変換する窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、珪酸塩蛍光体、L2SiO4:Eu(Lはアルカリ土類金属)、特に(SrxMae1-x)2SiO4:Eu(MaeはCa、Baなどのアルカリ土類金属)などが挙げられる。窒化物系蛍光体、オキシナイトライド(酸窒化物)蛍光体としては、Sr−Ca−Si−N:Eu、Ca−Si−N:Eu、Sr−Si−N:Eu、Sr−Ca−Si−O−N:Eu、Ca−Si−O−N:Eu、Sr−Si−O−N:Euなどがあり、アルカリ土類窒化ケイ素蛍光体としては、一般式LSi2O2N2:Eu、一般式LxSiyN(2/3x+4/3y):Eu若しくはLxSiyOzN(2/3x+4/3y-2/3z):Eu(Lは、Sr、Ca、SrとCaのいずれか)で表される。
In the
具体的に、実施の形態1に係る蛍光体12では、図1に示されているように半導体発光素子1近傍に偏在して分布されている。これにより半導体発光素子1からの出射光を反射あるいは散乱させる効果が高まり、発光装置より放出される光の出射角を広範囲とできるため四方に拡散された光を得ることができる。さらに、波長変換部材を、発光素子の周囲近傍に均一に被覆することで、発光装置の部位による波長変換量をほぼ一定とでき、これにより発光装置毎の光ムラを低減でき、光損失が低減できる。また、発光素子からの出射光が波長変換部材に進行するまでの距離を略一定とできるため、波長変換量、及び拡散量が安定する。すなわち、一次光と二次光との混合比を略一定とでき、色ムラ及び光ムラの低減された出射光を得ることができる。
Specifically, the phosphor 12 according to the first embodiment is unevenly distributed near the semiconductor
また、封止部材である樹脂26の材料は透光性であれば特に限定されず、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物等を使用することが好ましいが、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の透光性を有する絶縁樹脂組成物を用いることができる。また、これらの樹脂を少なくとも一種以上含むハイブリッド樹脂等、耐候性に優れた封止部材も利用できる。さらに、ガラス、シリカゲル等の耐光性に優れた無機物を用いることもできる。さらにまた、封止部材の発光面側を所望の形状にすることによってレンズ効果を持たせることができ、発光素子チップからの発光を集束させることができる。実施の形態1では封止部材としてシリコーン樹脂を使用した。
The material of the
(添加部材)
また、封止部材は、波長変換部材の他、粘度増量剤、顔料、蛍光物質等、使用用途に応じて適切な部材を添加することができ、これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。同様に外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルター効果を持たせたフィルター材として各種着色剤を添加させることもできる。
(Additive components)
In addition to the wavelength converting member, the sealing member can be added with an appropriate member such as a viscosity extender, a pigment, or a fluorescent material depending on the intended use, thereby obtaining a light emitting device having good directivity characteristics. It is done. Similarly, various colorants can be added as a filter material having a filter effect of cutting unnecessary wavelengths from extraneous light and light emitting elements.
ここで本明細書において拡散剤とは、例えば中心粒径が1nm以上5μm未満のものは、発光素子10及び蛍光物質からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光物質を用いることによって生じやすい色ムラを抑制することができ、また、発光スペクトルの半値幅を狭めることができ、色純度の高い発光装置が得られる。一方、1nm以上1μm未満の拡散剤は、発光素子10からの光波長に対する干渉効果が低い反面、透明度が高く、光度を低下させることなく樹脂粘度を高めることができる。
Here, in the present specification, the diffusing agent means that, for example, a material having a center particle diameter of 1 nm or more and less than 5 μm is produced by favorably irregularly reflecting light from the
(フィラー)
さらに、封止部材中に蛍光物質の他にフィラーを含有させてもよい。具体的な材料としては、拡散剤と同様のものが使用できる。ただ、拡散剤とフィラーとは中心粒径が異なり、本明細書においてはフィラーの中心粒径は5μm以上100μm以下とすることが好ましい。このような粒径のフィラーを封止部材中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、封止部材の耐熱衝撃性を高めることができる。
(Filler)
Further, a filler may be contained in the sealing member in addition to the fluorescent material. As a specific material, the same material as the diffusing agent can be used. However, the diffusing agent and the filler have different center particle sizes. In this specification, the center particle size of the filler is preferably 5 μm or more and 100 μm or less. When a filler having such a particle size is contained in the sealing member, the chromaticity variation of the light emitting device is improved by the light scattering action, and the thermal shock resistance of the sealing member can be enhanced.
また、発光装置に搭載される発光素子の発光層から出力される出射光の発光ピーク波長は特に限定されないが、例えば近紫外線から可視光の短波長領域である240nm〜500nm付近、好ましくは380nm〜420nm若しくは450nm〜470nmに発光スペクトルを有する半導体発光素子を用いることができる。実施の形態1においては、上記製造方法にて得られた発光素子10を使用した。
Further, the emission peak wavelength of the emitted light output from the light emitting layer of the light emitting element mounted on the light emitting device is not particularly limited. For example, the short wavelength region from near ultraviolet to visible light is around 240 nm to 500 nm, preferably from 380 nm to A semiconductor light-emitting element having an emission spectrum at 420 nm or 450 nm to 470 nm can be used. In
(実施の形態2)
実施の形態2に係る発光素子の概略断面図を図8に示す。なお、実施の形態2に係る発光装置は、実施の形態1に係る発光装置と比較して、搭載される発光素子の反射構造のみが相違しており、他の構造は実質的に同じである。したがって、実施の形態2に係る発光素子20において、実施の形態1に係る発光素子10と同様の構成要素については同符号を付して、その詳細な説明を省略する。
(Embodiment 2)
A schematic cross-sectional view of the light-emitting element according to Embodiment 2 is shown in FIG. Note that the light-emitting device according to Embodiment 2 is different from the light-emitting device according to
図8に示される発光素子20は、実施の形態1と同様の反射構造4が複数積層された反射構造群34を有する。誘電体多層膜4は、互いに離間されて並列されており、平面状に配置された複数の誘電体多層膜4を、便宜上、第1段目の反射構造群34Aと称する。
The
この第1段目の反射構造群34Aに加えて、積層方向側(上方)に、第2段目の反射構造群34Bが形成される。また、第1段目の反射構造群34A及び第2段目の反射構造群34Bは、積層方向からの平面視において、少なくとも第1段目の反射構造群34Aの開口部領域の一部を覆うように配置される。これにより、電極3の表面側からの平面視において、反射構造の形成領域が増大するため、光取り出し効率を向上させることができる。
In addition to the first-stage
具体的に、図8に示すように、第1段目の反射構造群34Aの上面に、ITO等の透光性導電層13を介して、第2段目の反射構造群34Bが積層される。さらに、第1段目の反射構造群34A及び第2段目の反射構造群34Bは当接されず離間しており、これにより、反射構造群34の上側に形成される金属電極層23側から活性層8への導通経路32(図2参照)が設けられ、半導体構造11へ給電される。
Specifically, as shown in FIG. 8, a second-stage
また、図8の例では誘電体多層膜群を2段に積層したが、積層の階数は2段に限定されず3段以上とでき、2段同様に下層の誘電体多層膜群の開口部領域の上方に、透光性導電層を介して、上層の誘電体多層膜群が形成される。これにより、導通経路を備えて、光取り出し面18からの平面視において、反射構造の形成領域を増加させられる。また、上記の反射構造群34の、最上面側に金属電極層23が設けられるのは実施の形態1と同様である。
In the example of FIG. 8, the dielectric multilayer film group is laminated in two stages, but the number of layers is not limited to two, but can be three or more, and the opening of the lower dielectric multilayer film group can be similarly formed in two stages. An upper dielectric multilayer film group is formed above the region via a light-transmitting conductive layer. Thereby, the conductive path is provided, and the formation region of the reflection structure can be increased in a plan view from the
(実施の形態3)
さらに、反射構造における他の実施の形態を図9に示す。実施の形態3に係る発光素子は、実施の形態2に係る発光素子と比較して、反射構造のみが相違であり、他の構造は実質的に同じである。したがって、実施の形態3に係る発光素子30において、実施の形態2に係る発光素子20と同様の構成要素については同符号を付して、その詳細な説明を省略する。
(Embodiment 3)
Furthermore, FIG. 9 shows another embodiment of the reflecting structure. The light emitting element according to the third embodiment is different from the light emitting element according to the second embodiment only in the reflection structure, and the other structures are substantially the same. Therefore, in the
図9の例では、第1反射層4aと第2反射層4bの双方が、積層方向(図9における上下方向)に連結されず、それぞれが分離されて、水平方向に交互に並列されている。ただ、双方の反射層の並列順序は交互に限定されず、混合色を構成する成分光の配分比率に相当するよう、各反射層の形成領域を決定することができ、好ましくは、各反射層が一定の間隔で離間され、双方の反射層が均等に混合した配置に形成され、部位による色ムラが低減された混合色とできる。また、双方の反射層を縦型に積層せずに、分離して水平に並列させるため、反射構造を薄型とできる。ひいては、発光素子、発光装置の薄型化が実現できる。
In the example of FIG. 9, both the first
(実施の形態4)
さらに、反射構造における他の実施の形態を図10に示す。実施の形態4に係る発光素子は、実施の形態2に係る発光素子と比較して、反射構造のみが相違であり、他の構造は実質的に同じである。したがって、実施の形態4に係る発光素子40において、実施の形態2に係る発光素子20と同様の構成要素については同符号を付して、その詳細な説明を省略する。
(Embodiment 4)
Furthermore, FIG. 10 shows another embodiment of the reflecting structure. The light-emitting element according to
図10の例では、相互に分離した第1反射層4a及び第2反射層4bが、水平方向において変位して、上下に積層された反射構造群34を有する。つまり、反射構造群34は、同一の中心波長を有する第1反射層4aが水平に形成された第1段目の反射構造群34Aと、この上方であって、さらに第1反射層4aの開口部領域を中心に、第2反射層4bが水平に形成された第2段目の反射構造群34Bとから構成され、実施の形態3同様に透光性導電層13を介して積層される。すなわち、電極3の表面側からの平面視において、第1反射層4a同士の離間領域を埋めるように、第2反射層4bが配置される。この構造により、反射構造を平面的及び立体的に配置して、所望の特性の素子を得ることができる。
In the example of FIG. 10, the first
また、図10の例では、各段に水平に配列される反射層の中心波長を同一としたが、図9に示すように、隣接する反射層の中心波長を相違としてもよく、すなわち数種類の反射層からなる反射層群が、複数段にわたって形成されてもよい。 In the example of FIG. 10, the center wavelengths of the reflective layers arranged horizontally in each stage are the same. However, as shown in FIG. 9, the center wavelengths of the adjacent reflective layers may be different. A reflective layer group composed of reflective layers may be formed in a plurality of stages.
(比較例1、実施例1〜5)
上記の手順によって、反射構造がそれぞれ相違する発光素子とする。比較例1、実施例1〜5の発光素子は、□1mmのLEDであって、反射構造に誘電体多層膜を備える。また、電極構造は、各導電型の半導体層上に透光性導電層(ITO)を設けて、絶縁性膜(SiO2)/誘電体多層膜の順に積層されてなる反射構造を有する。比較例1、実施例1〜5の各発光素子は、誘電体多層膜4の構成が相違しており、他の構造については上記の発光素子と実質的に同一であるため、詳細な説明を省略する。
(Comparative example 1, Examples 1-5)
The light emitting elements having different reflection structures are obtained by the above procedure. The light emitting elements of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5 are □ 1 mm LEDs, and include a dielectric multilayer film in a reflective structure. The electrode structure has a reflective structure in which a light-transmitting conductive layer (ITO) is provided on each conductive type semiconductor layer and an insulating film (SiO 2 ) / dielectric multilayer film is laminated in this order. Each of the light emitting elements of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5 is different in the configuration of the
反射構造は、図6に示すように、一辺を10μmとする正方形状のドット状の開口部を有し、これを格子状の格子点に配置されてなる。隣接するドット間の距離は30μmとする。また、誘電体多層膜は、窒化物半導体層上に形成された60nm程度の透光性導電層(ITO)に、さらに0.5μm程度の絶縁性膜(SiO2)を介して形成され、それらが反射構造を構成する。さらに、誘電体多層膜4の表面側には、外部電極の接続領域として、Ti−Rhからなる金属電極層が積層されて電極が構成され、一部に設けられた反射構造の開口部35で透光性導電層に導通する。また、図3の断面図に示すように、絶縁性膜16は、半導体構造11の露出部表面に形成されており、保護膜と併用される。すなわち、保護膜と絶縁性膜とを別個の工程で設けずして、双方は同一工程、同一材料で形成される。さらにこの実施例では、反射構造が、外部電極23との導通部となる開口部を透光性導電層上に設けて、半導体層の露出部の略全面に設けられる。
As shown in FIG. 6, the reflecting structure has square dot-shaped openings each having a side of 10 μm, and these openings are arranged at lattice-like lattice points. The distance between adjacent dots is 30 μm. In addition, the dielectric multilayer film is formed on a light-transmitting conductive layer (ITO) of about 60 nm formed on the nitride semiconductor layer via an insulating film (SiO 2 ) of about 0.5 μm. Constitutes a reflective structure. Further, on the surface side of the
比較例1の反射構造では、光源の発光ピークスペクトルに相当した反射特性を有する第1反射層4aのみから構成される。具体的に、第1反射層4aは、Nb2O3とSiO2とからなる2層膜を4ペア積層し、それぞれの反射の中心波長を460nmとする。
The reflective structure of Comparative Example 1 includes only the first
また、実施例1に係る誘電体多層膜は、LEDの発光ピーク波長である第1反射層の中心波長(460nm)に加えて、さらに該ピーク波長よりも長波長側に反射特性を有する第2反射層から成る。第2反射層の中心波長は、光源により励起されて波長変換された波長域内にある。ただし、長波長側の変換光の発光ピーク(波長約560nm)における半値幅は、それよりも短波長側のLED光の発光ピークにおける半値幅よりも広くなる。このため、第2反射層の中心波長をそれよりも長波長側とする。実施例1では、第2反射層の中心波長を575nmとし、すなわち第1反射層の中心波長の1.25倍に相当する。また、実施例1に係るLED光とその変換光のピーク波長と同様に、各反射層の中心波長に相当する色相は互いに相違しており、かつ両者は補色の関係にある。 In addition to the center wavelength (460 nm) of the first reflective layer, which is the light emission peak wavelength of the LED, the dielectric multilayer film according to Example 1 further has a reflection characteristic on the longer wavelength side than the peak wavelength. It consists of a reflective layer. The center wavelength of the second reflective layer is in a wavelength region that is excited by the light source and wavelength-converted. However, the half width at the emission peak of the converted light on the long wavelength side (wavelength of about 560 nm) is wider than the half width at the emission peak of the LED light on the short wavelength side. For this reason, the center wavelength of the second reflective layer is set to the longer wavelength side. In Example 1, the center wavelength of the second reflective layer is 575 nm, that is, 1.25 times the center wavelength of the first reflective layer. Further, similar to the peak wavelength of the LED light and the converted light according to Example 1, the hues corresponding to the center wavelengths of the respective reflective layers are different from each other, and both have a complementary color relationship.
また、実施例2に係る誘電体多層膜は、光源波長(460nm)の0.8倍に相当する368nmを反射特性とする第1反射層と、光源波長(460nm)の1.2倍に相当する552nmを反射特性とする第2反射層とで構成される。 The dielectric multilayer film according to Example 2 corresponds to the first reflective layer having a reflection characteristic of 368 nm corresponding to 0.8 times the light source wavelength (460 nm) and 1.2 times the light source wavelength (460 nm). And a second reflection layer having a reflection characteristic of 552 nm.
さらに、実施例3〜5の誘電体多層膜は、3種の中心波長を有する反射層より構成される。光源波長(460nm)を基準とした際の各反射層における具体的な各中心波長、及び積層ペア数は以下の通りである。
実施例3:第1反射層(368nm(0.8倍))2ペア/第3反射層(460nm(1.0倍))2ペア/第2反射層(552nm(1.2倍))2ペア
実施例4:第1反射層(431nm(0.9375倍))3ペア/第3反射層(518nm(1.125倍))3ペア/第2反射層(621nm(1.35倍))3ペア
実施例5:第1反射層(437nm(0.95倍))3ペア/第3反射層(529nm(1.15倍))3ペア/第2反射層(621nm(1.35倍))3ペア
尚、実施例1〜5の各誘電体多層膜は、比較例1と同様の材質からなる2層膜の膜厚を変化させることで、各中心波長とする。
Furthermore, the dielectric multilayer films of Examples 3 to 5 are each composed of a reflective layer having three central wavelengths. Specific center wavelengths and the number of stacked pairs in each reflective layer when the light source wavelength (460 nm) is used as a reference are as follows.
Example 3: First reflective layer (368 nm (0.8 times)) 2 pairs / third reflective layer (460 nm (1.0 times)) 2 pairs / second reflective layer (552 nm (1.2 times)) 2 Pair Example 4: First reflective layer (431 nm (0.9375 times)) 3 pairs / third reflective layer (518 nm (1.125 times)) 3 pairs / second reflective layer (621 nm (1.35 times)) Example 3: First reflective layer (437 nm (0.95 times)) 3 pairs / third reflective layer (529 nm (1.15 times)) 3 pairs / second reflective layer (621 nm (1.35 times)) 3 pairs In addition, each dielectric multilayer film of Examples 1-5 is set to each central wavelength by changing the film thickness of a two-layer film made of the same material as that of Comparative Example 1.
ここで、実施例3〜5は、上記第2反射層に加えて、変換光のピーク波長より短波長、すなわちLED光と変換光の各ピーク波長間に中心波長の第3反射層を有する。またその第2反射層は、第3反射層より、更には変換光のピーク波長より、長波長側の中心波長を有している。また、実施例2〜5は第1反射層をLED光のピーク波長より短波長側を中心波長としている。 Here, in Examples 3 to 5, in addition to the second reflective layer, a third reflective layer having a shorter wavelength than the peak wavelength of the converted light, that is, a center wavelength between the peak wavelengths of the LED light and the converted light is provided. The second reflective layer has a center wavelength longer than the third reflective layer and further from the peak wavelength of the converted light. In Examples 2 to 5, the first reflective layer has a wavelength shorter than the peak wavelength of the LED light as the center wavelength.
また、比較例1及び実施例1〜5の発光素子を、波長変換部材である蛍光体の有無の点で相違する発光装置に搭載して得られる発光特性、駆動電圧、発光出力φe、外部量子効率ηex、中心波長λd、光束φv、電力効率WPE(Watt Per Energy)、発光効率(lm/W)、を表1に示す。表1における出力比及び光束比は、比較例1の値との比率、[各実施例]/[比較例1]、で示す。また、図11に、比較例1及び実施例1〜5に係る発光素子の反射構造の反射率のグラフを示す。図12には、実施例1、2と比較例1の発光装置における発光スペクトルを示す。尚、表中、「装置B」と表記している発光装置は、図1に示すような発光装置で、そのサブマウントに、各実施・比較例の発光素子を2個、直列に配線接続して、波長変換部材を樹脂と共に被覆され、白色発光するものである。また、表中「装置A」とは、2本一組の各極性用のリード(計4本)の内、一方の組のマウント用リードのカップ内に、発光素子1個を搭載し、樹脂レンズ一体で封止して得られる青色発光の装置である。また、表2についても同様である。 In addition, the light emission characteristics, drive voltage, light emission output φ e , external emission obtained by mounting the light emitting elements of Comparative Example 1 and Examples 1 to 5 on light emitting devices that differ in the presence or absence of a phosphor as a wavelength conversion member, Table 1 shows the quantum efficiency ηex, the center wavelength λ d , the luminous flux φ v , the power efficiency WPE (Watt Per Energy), and the light emission efficiency (lm / W). The output ratio and the luminous flux ratio in Table 1 are indicated by the ratio to the value of Comparative Example 1, [Each Example] / [Comparative Example 1]. Moreover, the graph of the reflectance of the reflection structure of the light emitting element which concerns on FIG. 11 at the comparative example 1 and Examples 1-5 is shown. FIG. 12 shows emission spectra in the light emitting devices of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. In the table, the light-emitting device indicated as “device B” is a light-emitting device as shown in FIG. 1, and two light-emitting elements of each of the implementation and comparative examples are connected in series to the submount. Thus, the wavelength conversion member is coated with resin and emits white light. In the table, “apparatus A” means that one light-emitting element is mounted in a cup of one set of mounting leads out of a set of two leads for each polarity (a total of four leads). It is a blue light emitting device obtained by sealing with a lens integrated. The same applies to Table 2.
表1に示すように、いずれの実施例の発光素子においても波長変換部材を含有する発光装置において、その比較例1に比し発光特性が向上し、その比較例との光束比も向上する。換言すると、単一の色相のみを出射する発光装置において、発光特性の向上は、反射層における中心波長の数量に依存しないが、複数の色相に相当する波長を出射可能な発光装置においては、各色相に対応する反射層を有することで、発光特性が5〜10%程度向上する(表1の波長変換部材あり参照)。実施例1と2の比較により、光源に対応する第1反射層の中心波長を短波長側へシフトさせ、第2反射層の中心波長との波長域を拡大した場合においても、発光特性の改善がなされる。具体的には、第1反射層の中心波長を、光源の波長に対して0.8倍以上1.0倍未満とし、又は/かつ、第2反射層の中心波長を1.20倍以上1.35倍以下とし、各反射層の中心波長の波長差を離間させることで、上記の効果が顕著に得られる。従って、LED光と変換光のピーク間波長域より、第1、2反射層の中心波長間を大きくして、好ましくは、短波長側の第1反射層の中心波長をLED光のピーク波長より短波長とし、長波長側の第2反射層の中心波長を変換光のピーク波長と同程度かそれより長波長とすること、例えば変換光ピークの半値となる波長よりピーク側(ピーク値の半値以上の波長域)、具体的にはピーク波長に±20nmの範囲に含まれることが好ましい。さらに好ましくは第1、2反射層の中心波長間に、LED光ピーク波長と変換光ピーク波長若しくはピーク値の半値以上の波長域の一部が包含され、具体的には波長域の1/4以上が包含される。このように、従来における多層膜反射層の中心波長を、入射角が高角度の成分に対応させるように、すなわちLED光の波長より長波長のものを追加、若しくは長波長側に広帯域化、させる構造に比して、本発明では短波長側の中心波長(第1反射層)を有する点、また、その反射層の中心波長の間をLED−変換光ピーク間、若しくはLEDピーク波長−変換光の短波長側の半値の波長間より広く離間させている点で相違し、これにより発光素子、発光装置の特性を向上させている。具体的には、LED−変換光ピーク間(約100nm)に比して、各実施例の第1、2反射層の中心波長間は、実施例1で115nm、実施例2、3、5で184nm、実施例4で190nm、またその比、[第1、2反射層の中心波長間]/[LED−変換光ピーク間]、は、1.15、1.84、1.90である。このことから、LED−変換光ピーク間と第1、2反射層の中心波長間の比を、1.1〜3倍程度、好ましくは1.3〜2.5倍程度とすると良いことがわかる。 As shown in Table 1, in any light emitting device of any of the examples, in the light emitting device containing the wavelength conversion member, the light emission characteristics are improved as compared with Comparative Example 1, and the luminous flux ratio with the comparative example is also improved. In other words, in a light emitting device that emits only a single hue, the improvement in light emission characteristics does not depend on the number of central wavelengths in the reflective layer, but in a light emitting device that can emit wavelengths corresponding to a plurality of hues, By having the reflective layer corresponding to the hue, the light emission characteristics are improved by about 5 to 10% (see the presence of the wavelength conversion member in Table 1). Comparison of Examples 1 and 2 improves the light emission characteristics even when the center wavelength of the first reflective layer corresponding to the light source is shifted to the short wavelength side and the wavelength range with the center wavelength of the second reflective layer is expanded. Is made. Specifically, the center wavelength of the first reflective layer is set to 0.8 to 1.0 times the wavelength of the light source, and / or the center wavelength of the second reflective layer is 1.20 times to 1 The effect described above is remarkably obtained by setting the wavelength difference of .35 times or less and separating the wavelength difference between the central wavelengths of the respective reflective layers. Accordingly, the central wavelength of the first and second reflective layers is made larger than the peak wavelength range of the LED light and the converted light, and preferably the central wavelength of the first reflective layer on the short wavelength side is made larger than the peak wavelength of the LED light. The center wavelength of the second reflection layer on the long wavelength side is set to be the same as or longer than the peak wavelength of the converted light, for example, the peak side (half value of the peak value) from the wavelength that is half the converted light peak. The above wavelength range), specifically, the peak wavelength is preferably included in a range of ± 20 nm. More preferably, the LED light peak wavelength and the converted light peak wavelength or a part of the wavelength range of half or more of the peak value is included between the center wavelengths of the first and second reflective layers, specifically, 1/4 of the wavelength range. The above is included. In this manner, the center wavelength of the conventional multilayer reflective layer is made to correspond to a component having a high incident angle, that is, a wavelength longer than the wavelength of the LED light is added, or the band is widened to the longer wavelength side. Compared to the structure, the present invention has a short wavelength side central wavelength (first reflective layer), and between the central wavelengths of the reflective layer, LED peak-converted light peak or LED peak wavelength-converted light. This is different in that it is spaced apart from the half-wavelength on the short wavelength side, thereby improving the characteristics of the light-emitting element and the light-emitting device. Specifically, the distance between the central wavelengths of the first and second reflective layers in each example is 115 nm in Example 1, and in Examples 2, 3, and 5, compared to the distance between the LED-converted light peak (about 100 nm). 184 nm, 190 nm in Example 4, and the ratio thereof [between the central wavelengths of the first and second reflective layers] / [between LED and converted light peak] are 1.15, 1.84, and 1.90. From this, it is understood that the ratio between the LED-converted light peak and the center wavelength of the first and second reflective layers should be about 1.1 to 3 times, preferably about 1.3 to 2.5 times. .
また、実施例3〜5は、第1、2反射層に加えて、第3反射層を波長域両端の第1、2反射層の中心波長の間に中心波長を有している。実施例3は実施例2にLED光ピーク波長に相当する第3反射層を有し、実施例4は実施例2同様にLED光ピーク波長の短波長側、変換光ピーク波長の長波長側に対応する第1、2反射層に加えて、変換光ピーク波長に略相当する第3反射層を有し、実施例5は実施例2に比して第1、2反射層の中心波長間を同一として、その中心波長の両端をより長波長側に設定している。実施例2に比して、実施例3、4は光束及びその比が低下する傾向にあるが、実施例3は特に低下が大きい。このことから、第3反射層はLED−変換光ピーク間の領域に設けられることが好ましく、そのLED−変換光ピーク間中心(490nm)より長波長側、第1、2反射層の中心波長間の中心(実施例5では529nm)より長波長側が好ましい。 In Examples 3 to 5, in addition to the first and second reflective layers, the third reflective layer has a central wavelength between the central wavelengths of the first and second reflective layers at both ends of the wavelength range. Example 3 has a third reflective layer corresponding to the LED light peak wavelength in Example 2, and Example 4 has a short wavelength side of the LED light peak wavelength and a long wavelength side of the converted light peak wavelength as in Example 2. In addition to the corresponding first and second reflective layers, a third reflective layer substantially corresponding to the converted light peak wavelength is provided, and Example 5 has a distance between the center wavelengths of the first and second reflective layers as compared with Example 2. As the same, both ends of the center wavelength are set to the longer wavelength side. Compared with Example 2, Examples 3 and 4 tend to decrease the luminous flux and its ratio, but Example 3 has a particularly large decrease. From this, it is preferable that the third reflective layer is provided in a region between the LED and the converted light peak, which is longer than the center between the LED and the converted light peak (490 nm), between the center wavelengths of the first and second reflective layers. The longer wavelength side than the center (529 nm in Example 5) is preferable.
(比較例2〜3、実施例6〜7)
さらに、比較例2〜3、実施例6〜7の反射構造では、上記の実施例1と比して、膜厚が50nm程度の透光性導電層(ITO)と誘電体多層膜層との間における、絶縁性膜(SiO2)の介在の有無の点で相違する。反射構造である誘電体多層膜の開口部パターンは、実施例1と同様のドット状とする。
(Comparative Examples 2-3, Examples 6-7)
Furthermore, in the reflective structures of Comparative Examples 2-3 and Examples 6-7, compared with Example 1 above, the light-transmitting conductive layer (ITO) having a film thickness of about 50 nm and the dielectric multilayer film layer There is a difference in the presence or absence of an insulating film (SiO 2 ). The opening pattern of the dielectric multilayer film having a reflective structure is formed in the same dot shape as in the first embodiment.
具体的に、比較例2及び実施例6の反射構造は、上記比較例1と同様、すなわち反射の中心波長を460nmとする第1反射層のみから構成される。ただし、比較例2は絶縁性膜を備えておらず、一方、実施例6の発光素子は絶縁性膜を備える。また、比較例3及び実施例7の反射構造は、光源(460nm)を基準とする0.7倍以上1.2倍以下であって、公差0.1毎に相当する中心波長の層を1ペアずつ、計6ペア積層したものである。すなわち、複数の反射層を有する。ただし、比較例3は絶縁性膜を備えず、一方、実施例7の発光素子は絶縁性膜を有する。該各発光素子を、波長変換部材を含有する発光装置に搭載して得られる発光特性を表2に示す。表2より、絶縁性膜を有する電極構造では、反射構造に依らず、発光特性が向上する。 Specifically, the reflective structures of Comparative Example 2 and Example 6 are configured by only the first reflective layer having the central wavelength of reflection of 460 nm, similar to Comparative Example 1 described above. However, Comparative Example 2 does not include an insulating film, while the light-emitting element of Example 6 includes an insulating film. In addition, the reflection structures of Comparative Example 3 and Example 7 are 0.7 to 1.2 times with respect to the light source (460 nm), and one layer having a center wavelength corresponding to each tolerance of 0.1 is provided. A total of 6 pairs are stacked one by one. That is, it has a plurality of reflective layers. However, Comparative Example 3 does not include an insulating film, while the light-emitting element of Example 7 has an insulating film. Table 2 shows light emission characteristics obtained by mounting each light emitting element on a light emitting device containing a wavelength conversion member. From Table 2, in the electrode structure having the insulating film, the light emission characteristics are improved regardless of the reflection structure.
本発明の半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法は、照明用光源、LEDディスプレイ、バックライト光源、信号機、照明式スイッチ、各種センサ及び各種インジケータ等に好適に利用できる。 The semiconductor light-emitting device and the method for manufacturing the semiconductor light-emitting device of the present invention can be suitably used for illumination light sources, LED displays, backlight sources, traffic lights, illumination switches, various sensors, various indicators, and the like.
1…発光装置
3…電極
3A…第1の電極(n型パッド電極)
3B…第2の電極(p型パッド電極)
4…反射構造(誘電体多層膜)
4a…第1反射層
4b…第2反射層
5…成長基板(サファイヤ基板)
6…第1の窒化物半導体層(n型半導体層)
6a…n型コンタクト層
7…第2の窒化物半導体層(p型半導体層)
8…発光層(活性層)
9…配線基板(サブマウント基板)
10、20、30、40…発光素子(窒化物半導体素子)
11…半導体構造(窒化物半導体層)
12…波長変換部材(蛍光体)
13…透光性導電層(透光性電極、ITO)
14…保護膜
16…絶縁性膜(保護膜)
18…光取り出し面
19…界面
21、22…保護膜の開口部
23…金属電極層
24…導電部材(バンプ)
25…ウェハ
26…被覆層(樹脂)
27…支持体
28…共晶層
29…支持体の電極
31…ワイヤボンディング
32…導通経路
34…反射構造群
34A…第1段目の反射構造群
34B…第2段目の反射構造群
35…開口部
36…レンズ
100…発光装置
101…基板
102…n型半導体層
103…発光層
104…p型半導体層
105…p側電極
105a…Ag層
105b…金属層
106…n側電極
DESCRIPTION OF
3B ... Second electrode (p-type pad electrode)
4 ... Reflective structure (dielectric multilayer)
4a ... 1st
6: First nitride semiconductor layer (n-type semiconductor layer)
6a ... n-
8 ... Light emitting layer (active layer)
9 ... Wiring board (submount board)
10, 20, 30, 40 ... Light emitting device (nitride semiconductor device)
11 ... Semiconductor structure (nitride semiconductor layer)
12 ... Wavelength conversion member (phosphor)
13 ... translucent conductive layer (translucent electrode, ITO)
14 ...
DESCRIPTION OF
25 ...
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記半導体構造(11)の一方の主面側に設けられた光取り出し面(18)と、
前記半導体構造(11)の他方の主面側に備えられ、前記半導体構造(11)に電気的に接続される電極(3)と、
を有する発光素子であって、
前記半導体構造(11)と前記電極(3)との間に反射構造(4)が形成されており、
前記反射構造(4)は、前記発光層(8)からの光の波長に対応する中心波長を反射する第1反射層(4a)と、該中心波長とは異なる波長を中心波長とする第2反射層(4b)とから構成され、
前記第1反射層(4a)と第2反射層(4b)の少なくとも一方の中心波長が、可視光域であることを特徴とする発光素子。 A semiconductor structure (11) having a light emitting layer (8);
A light extraction surface (18) provided on one main surface side of the semiconductor structure (11);
An electrode (3) provided on the other main surface side of the semiconductor structure (11) and electrically connected to the semiconductor structure (11);
A light emitting device comprising:
A reflective structure (4) is formed between the semiconductor structure (11) and the electrode (3);
The reflective structure (4) includes a first reflective layer (4a) that reflects a central wavelength corresponding to the wavelength of light from the light emitting layer (8), and a second wavelength that has a wavelength different from the central wavelength as a central wavelength. A reflective layer (4b),
A light emitting device, wherein a central wavelength of at least one of the first reflective layer (4a) and the second reflective layer (4b) is in a visible light region.
前記第1反射層(4a)の中心波長が前記発光層からの光の波長より短波長であり、
前記第2反射層(4b)の中心波長が前記発光層からの光の波長より長波長であることを特徴とする発光素子。 The light emitting device according to claim 1,
A central wavelength of the first reflective layer (4a) is shorter than a wavelength of light from the light emitting layer;
The light emitting element, wherein a center wavelength of the second reflective layer (4b) is longer than a wavelength of light from the light emitting layer.
前記第1反射層(4a)及び第2反射層(4b)の中心波長は、互いに色相が異なり、補色の関係にあることを特徴とする発光素子。 The light emitting device according to claim 1 or 2,
The light emitting device, wherein the central wavelengths of the first reflective layer (4a) and the second reflective layer (4b) are different from each other in hue and have a complementary color relationship.
前記第1反射層(4a)の反射光の中心波長が、前記発光層(8)からの光の波長に対して0.8倍以上1.0倍未満であり、
前記第2反射層(4b)の反射光の中心波長が、前記発光層(8)からの光の波長に対して、1.15倍以上1.40倍以下であることを特徴とする発光素子。 In the light emitting element as described in any one of Claims 1 thru | or 3,
The center wavelength of the reflected light of the first reflective layer (4a) is 0.8 times or more and less than 1.0 times the wavelength of the light from the light emitting layer (8),
A light emitting element, wherein a central wavelength of reflected light of the second reflective layer (4b) is 1.15 times or more and 1.40 times or less with respect to a wavelength of light from the light emitting layer (8) .
前記発光層(8)が発する光の波長が360nm乃至650nmにあることを特徴とする発光素子。 In the light emitting element as described in any one of Claims 1 thru | or 4,
The light emitting device according to claim 1, wherein the light emitted from the light emitting layer (8) has a wavelength of 360 nm to 650 nm.
前記反射構造(4)は、さらに第3反射層を有しており、
該第3反射層の反射光の中心波長が、前記第1反射層(4a)と第2反射層(4b)の中心波長との間の波長域内にあることを特徴とする発光素子。 In the light emitting element as described in any one of Claims 1 thru | or 5,
The reflective structure (4) further includes a third reflective layer,
The light emitting element, wherein the central wavelength of the reflected light of the third reflective layer is in a wavelength region between the central wavelengths of the first reflective layer (4a) and the second reflective layer (4b).
前記反射構造(4)は、2種以上からなる材料膜を積層させた誘電体多層膜であることを特徴とする発光素子。 The light emitting device according to any one of claims 1 to 6,
The light emitting element, wherein the reflection structure (4) is a dielectric multilayer film in which two or more kinds of material films are laminated.
複数の前記反射構造(4)を所定の間隔を経て水平方向に配列した反射構造群(34)が、複数段にわたって略平行に離間されて積層されており、
各段の反射構造群(34)は、下段に位置される反射構造(4)の水平方向における離間領域の開口の少なくとも一部を覆うように、上段の反射構造(4)が形成されてなることを特徴とする発光素子。 In the light emitting element as described in any one of Claims 1 thru | or 7,
A plurality of the reflective structures (4) arranged in a horizontal direction at a predetermined interval, the reflective structure group (34) is laminated in a plurality of stages, spaced apart in parallel,
Each stage of the reflection structure group (34) is formed with the upper reflection structure (4) so as to cover at least a part of the opening of the separation region in the horizontal direction of the reflection structure (4) positioned at the lower stage. A light emitting element characterized by the above.
前記反射構造(4)は、前記半導体構造(11)上の少なくとも一部に絶縁性膜(16)を介して形成されていることを特徴とする発光素子。 The light emitting device according to any one of claims 1 to 8,
The light emitting device, wherein the reflective structure (4) is formed on at least a part of the semiconductor structure (11) via an insulating film (16).
前記半導体構造(11)の主面に透光性導電層(13)が被覆され、さらに、該透光性導電層(13)上の少なくとも一部には前記反射構造(4)が形成されており、
前記電極(3)は、前記反射構造(4)及び前記透光性導電層(13)とに接する金属電極層(23)を備えることを特徴とする発光素子。 The light emitting device according to any one of claims 1 to 9,
The main surface of the semiconductor structure (11) is covered with a translucent conductive layer (13), and the reflective structure (4) is formed on at least a part of the translucent conductive layer (13). And
The light emitting device, wherein the electrode (3) includes a metal electrode layer (23) in contact with the reflective structure (4) and the translucent conductive layer (13).
前記発光素子(10)からの出射光の波長を変換可能な波長変換部材(12)と、
を有する発光装置であって、
前記発光素子(10)が請求項1乃至10のいずれか一に記載の発光素子であることを特徴とする発光装置。 A light emitting element (10);
A wavelength converting member (12) capable of converting the wavelength of light emitted from the light emitting element (10);
A light emitting device comprising:
The light emitting device according to claim 1, wherein the light emitting element is a light emitting element according to claim 1.
前記波長変換部材(12)が、前記発光素子(10)の光取り出し面(18)に接して、または近接して配置されていることを特徴とする発光装置。 The light-emitting device according to claim 11.
The light emitting device, wherein the wavelength converting member (12) is disposed in contact with or close to the light extraction surface (18) of the light emitting element (10).
前記発光素子は、360nm乃至800nmに発光ピーク波長を有するLEDであり、
前記波長変換部材(12)は、LAG、BAM、BAM:Mn、YAG、CCA、SCA、SCESN、SESN、CESN、CASBN及びCaAlSiN3:Euよりなる群から選択される蛍光体の少なくとも1種を含むことを特徴とする発光装置。 The light-emitting device according to claim 11 or 12,
The light emitting element is an LED having an emission peak wavelength at 360 nm to 800 nm,
The wavelength conversion member (12) includes at least one phosphor selected from the group consisting of LAG, BAM, BAM: Mn, YAG, CCA, SCA, SCESN, SESN, CESN, CASBN, and CaAlSiN 3 : Eu. A light emitting device characterized by that.
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