JP2009510762A - 垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子 - Google Patents
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Abstract
垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子が開示される。この発光素子は、基板上に位置する第１導電型の下部半導体層を有する。この下部半導体層上に第２導電型の半導体層が位置し、前記第２導電型の半導体層上に第１導電型の上部半導体層が位置する。一方、前記第１導電型の下部半導体層と第２導電型の半導体層との間に下部活性層が介在され、前記第２導電型の半導体層と前記第１導電型の上部半導体層との間に上部活性層が介在される。これにより、前記第１導電型の下部半導体層、下部活性層及び第２導電型の半導体層を有する下部発光ダイオードと、前記第２導電型の半導体層、上部活性層及び第１導電型の上部半導体層を有する上部発光ダイオードとが、垂直に積層された発光素子が提供される。したがって、従来の発光素子に比べて、単位面積当たりの光出力が向上し、従来の発光素子と同一の光出力を得るための発光素子のチップ面積を減少させることができる。
Description
本発明は、発光素子に関し、より詳しくは、垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子に関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオードが、約１０年間適用されてきている。ＧａＮ系ＬＥＤは、ＬＥＤ技術を相当程度変化させており、現在、天然色ＬＥＤ表示素子、ＬＥＤ交通信号機、白色ＬＥＤ等、様々な応用に用いられている。
最近、高効率の白色ＬＥＤは、蛍光ランプを代替するものと期待されており、特に、白色ＬＥＤの効率は、通常の蛍光ランプの効率とほぼ同水準に達している。
ＬＥＤ効率を改善するために、二つの重要な取り組みが試みられている。第一は、結晶質及びエピタキシャル層構造により決定される内部量子効率を増加させることであり、第二は、光抽出効率を増加させることである。
ＬＥＤ効率を改善するために、二つの重要な取り組みが試みられている。第一は、結晶質及びエピタキシャル層構造により決定される内部量子効率を増加させることであり、第二は、光抽出効率を増加させることである。
内部量子効率は、現在、７０〜８０％に至っており、改善の余地が少ないが、光抽出効率は、改善の余地が多い。光抽出効率の改善は、内部反射による内部光損失を除去することが重要な課題となっている。
内部反射を防止し、光抽出効率を改善させた発光ダイオードが、「粗面処理によるＧａＮ系発光ダイオードの抽出効率の改善（Increase in the extraction efficiency of GaN-Based light emitting diodes via surface roughening）」との題目で、フジイ等（Fujii et al）により、Applied Physics Letters（Vol.84, No.6, p.855-857）に開示されたことがある。
前記発光ダイオードは、サファイア基板上にＮ型半導体層、活性層、及びＰ型半導体層を積層し、サブマウント上に前記半導体層をボンディングし、レーザリフトオフ（ＬＬＯ）技術を用いて、前記半導体層を基板から分離した後、前記Ｎ型半導体層の表面を粗面化して形成される。前記Ｎ型半導体層の表面を粗面化することにより、Ｎ型半導体層から外部に放出される光の抽出効率を改善することができる。
しかしながら、このような光抽出効率の改善には限界があるため、単位チップ当たりの必要な光出力を得るために、チップ面積が増加する。このチップ面積の増加は、チップ当たりの製造費用の増加につながってしまう。したがって、同一の単位チップ面積において、光出力を増加させることができる新たな発光ダイオードが要求される。
一方、発光ダイオードは、交流電源下で、電流の方向によりオン／オフを繰り返す。したがって、発光ダイオードを交流電源に直接連結して使用する場合、発光ダイオードが連続的に光を放出せず、逆方向電流により破損しやすいという問題点があった。
このような発光ダイオードの問題点を解決して、高電圧交流電源に直接連結して使用可能な発光ダイオードが、国際公開番号ＷＯ２００４／０２３５６８（Ａ１）号に「発光成分を有する発光素子」（LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS）という題目で、サカイ等（Sakai et al）により開示されたことがある。
前記国際公開番号ＷＯ２００４／０２３５６８（Ａ１）号によると、ＬＥＤがサファイア基板のような絶縁性基板上に二次元的に直列連結され、ＬＥＤアレイを形成する。このような二つのＬＥＤアレイが、前記サファイア基板上にて逆並列で連結される。その結果、交流電源により駆動される単一チップ発光素子が提供される。
このような発光素子は、ＬＥＤアレイが交流電源下で交互に動作するので、発光セルが同時に動作する場合に比べ、光出力が相当制限的である。したがって、このような発光素子において、単位面積当たりの光出力を改善することがさらに要求される。
Fujii et al，Applied Physics Letters，Vol.84, No.6, p.855-857 国際公開第ＷＯ２００４／０２３５６８（Ａ１）号
Fujii et al，Applied Physics Letters，Vol.84, No.6, p.855-857
本発明が解決しようとする技術的課題は、単位面積当たりの光出力を増加させることができる発光素子を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、交流電源下で駆動可能な発光素子を提供するが、光出力が改善された発光素子を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、交流電源下で駆動可能な発光素子を提供するが、光出力が改善された発光素子を提供することにある。
上述した技術的課題を達成するために、本発明は、垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子を提供する。本発明の態様による発光素子は、基板上に位置する第１導電型の下部半導体層を有する。前記第１導電型の下部半導体層上に第２導電型の下部半導体層が位置し、前記第２導電型の下部半導体層上に第２導電型の上部半導体層が位置する。また、第２導電型の上部半導体層上に第１導電型の上部半導体層が位置する。一方、第１導電型の下部半導体層と前記第２導電型の下部半導体層との間に下部活性層が介在され、前記第２導電型の上部半導体層と前記第１導電型の上部半導体層との間に上部活性層が介在される。また、前記第２導電型の下部半導体層と前記第２導電型の上部半導体層との間に分離層が介在される。これにより、前記第１導電型の下部半導体層、前記下部活性層及び前記第２導電型の下部半導体層を有する下部発光ダイオードと、前記第２導電型の上部半導体層、前記上部活性層及び前記第１導電型の上部半導体層を有する上部発光ダイオードとが、分離層により分離された発光素子が提供される。
ここで、分離層は、前記下部発光ダイオードと上部発光ダイオードを電気的に分離するための層であり、例えば、絶縁層または高抵抗の半絶縁層であってもよい。また、前記第１の導電型及び第２の導電型は、Ｎ型及びＰ型、または、Ｐ型及びＮ型を示す。
一方、第１のクラッド層が、前記下部活性層をそれらの間に介在するように配置されてもよく、また、第２のクラッド層が、前記上部活性層をそれらの間に介在するように配置されてもよい。
前記第２導電型の下部半導体層は、前記第１導電型の下部半導体層の一領域上に位置し、前記第２導電型の上部半導体層は、前記第２導電型の下部半導体層の一領域上に位置し、前記第１導電型の上部半導体層は、前記第２導電型の上部半導体層の一領域上に位置してもよい。この際、第１型の下部電極が前記第１導電型の下部半導体層の他の領域上に形成され、第２型の下部電極が前記第２導電型の下部半導体層の他の領域上に形成されてもよい。また、第２型の上部電極が前記第２導電型の上部半導体層の他の領域上に形成され、第１型の上部電極が前記第１導電型の上部半導体層上に形成されてもよい。前記第２型の下部及び上部電極を外部電源の一端子に連結し、前記第１型の下部及び上部電極を、前記外部電源の他端子に連結し、前記発光素子を駆動させることができる。また、二つの外部電源をそれぞれ前記第１型の下部電極と前記第２型の下部電極、及び前記第２型の上部電極と前記第１型の上部電極に連結し、上部及び下部発光ダイオードをそれぞれ駆動してもよい。
一方、コドープ層が、前記第１導電型の下部半導体層と前記下部活性層との間、または、前記第２導電型の半導体層と前記上部活性層との間に介在されてもよい。
本発明の前記態様による発光素子は、基板上に位置する複数個の発光セルを有してもよい。前記発光セルのそれぞれは、前記基板上に位置する第１導電型の下部半導体層を有する。前記第１導電型の下部半導体層の一領域上に、第２導電型の下部半導体層が位置し、前記第２導電型の下部半導体層の一領域上に、第２導電型の上部半導体層が位置する。また、前記第２導電型の上部半導体層の一領域上に、第１導電型の上部半導体層が位置する。一方、前記第１導電型の下部半導体層と前記第２導電型の下部半導体層の間に下部活性層が介在され、前記第２導電型の上部半導体層と前記第１導電型の上部半導体層との間に上部活性層が介在される。これに加えて、前記第２導電型の下部半導体層と前記第２導電型の上部半導体層との間に分離層が介在される。これにより、前記第１導電型の下部半導体層、前記下部活性層及び前記第２導電型の下部半導体層を有する下部発光ダイオードと、前記第２導電型の上部半導体層、前記上部活性層及び前記第１導電型の上部半導体層を有する上部発光ダイオードとが、垂直に積層された複数個の発光セルを提供することができる。
本発明の前記態様による発光素子は、基板上に位置する複数個の発光セルを有してもよい。前記発光セルのそれぞれは、前記基板上に位置する第１導電型の下部半導体層を有する。前記第１導電型の下部半導体層の一領域上に、第２導電型の下部半導体層が位置し、前記第２導電型の下部半導体層の一領域上に、第２導電型の上部半導体層が位置する。また、前記第２導電型の上部半導体層の一領域上に、第１導電型の上部半導体層が位置する。一方、前記第１導電型の下部半導体層と前記第２導電型の下部半導体層の間に下部活性層が介在され、前記第２導電型の上部半導体層と前記第１導電型の上部半導体層との間に上部活性層が介在される。これに加えて、前記第２導電型の下部半導体層と前記第２導電型の上部半導体層との間に分離層が介在される。これにより、前記第１導電型の下部半導体層、前記下部活性層及び前記第２導電型の下部半導体層を有する下部発光ダイオードと、前記第２導電型の上部半導体層、前記上部活性層及び前記第１導電型の上部半導体層を有する上部発光ダイオードとが、垂直に積層された複数個の発光セルを提供することができる。
前記発光セルのそれぞれは、前記下部活性層を中間に介在させる第１のクラッド層を有してもよく、また、前記上部活性層を中間に介在させる第２のクラッド層を有してもよい。
一方、前記発光セルのそれぞれは、前記第１導電型の下部半導体層の他の領域上に形成された第１型の下部電極をさらに有してもよい。また、前記発光セルのそれぞれにおいて、前記第２導電型の下部半導体層の他の領域上に第２型の下部電極が形成され、前記第２導電型の上部半導体層の他の領域上に第２型の上部電極が形成され、前記第１導電型の上部半導体層上に第１型の上部電極が形成されてもよい。前記各発光セルの第１型の下部電極及び第１型の上部電極は、それぞれ隣接した発光セルの第２型の下部電極及び第２型の上部電極に電気的に連結され、直列連結された発光セルアレイを提供することができる。本実施例によると、前記上部発光ダイオードが直列連結された上部直列連結アレイと、前記下部発光ダイオードが直列連結された下部直列連結アレイが提供され得る。
一方、前記各発光セルにおいて、コドープ層が前記第１導電型の下部半導体層と前記下部活性層との間、または、前記第２導電型の下部半導体層と前記上部活性層との間に介在されてもよい。
本発明の他の態様による発光素子は、基板上に位置する第１導電型の下部半導体層を有する。前記第１導電型の下部半導体層上に第２導電型の半導体層が位置し、前記第２導電型の半導体層上に第１導電型の上部半導体層が位置する。一方、前記第１導電型の下部半導体層と前記第２導電型の半導体層との間に下部活性層が介在され、前記第２導電型の半導体層と前記第１導電型の上部半導体層との間に上部活性層が介在される。これにより、前記第１導電型の下部半導体層、前記下部活性層及び前記第２導電型の半導体層を有する下部発光ダイオードと、前記第２導電型の半導体層、前記上部活性層及び前記第１導電型の上部半導体層を有する上部発光ダイオードとが、垂直に積層された発光素子を提供することができる。したがって、従来の発光素子に比べて単位面積当たりの光出力が増加される。また、前記下部及び上部活性層を異なる物質で形成することにより、多様な波長の光を放出する発光素子を提供することができる。
一方、第１のクラッド層が、前記下部活性層をそれらの間に介在するように配置されてもよく、また、第２のクラッド層が、前記上部活性層をそれらの間に介在するように配置されてもよい。
一方、前記第２導電型の半導体層は、前記第１導電型の下部半導体層の一領域上に位置し、前記第１導電型の上部半導体層は、前記第２導電型の半導体層の一領域上に位置してもよい。この際、第１型の下部電極が、前記第１導電型の下部半導体層の他の領域上に形成され、第２型の電極が、前記第２導電型の半導体層の他の領域上に形成され、第１型の上部電極が、前記第１導電型の上部半導体層上に形成されてもよい。したがって、前記第２型の電極を外部電源の一端子に連結し、前記第１型の下部及び上部電極を、それの他端子に連結し、一つの外部電源により、前記発光素子を駆動させることができる。また、二つの外部電源を用いて、前記発光素子の下部発光ダイオードと上部発光ダイオードを個別に駆動させることもできる。
一方、コドープ層が、前記第１導電型の下部半導体層と前記下部活性層との間、または、前記第２導電型の半導体層と前記上部活性層との間に介在されてもよい。前記コドープ層は、Ｎ型及びＰ型イオンが一緒にドープされた半導体層であり、例えば、ＭｇとＳｉ、または、ＭｇとＩｎが一緒にドープされた窒化ガリウムであっもよい。前記コドープ層は、特に、Ｐ型半導体層上に形成され、その上に形成される活性層の結晶性を向上させる。
本発明の上記した態様による発光素子は、基板上に位置する複数個の発光セルを有してもよい。前記発光セルのそれぞれは、前記基板上に位置する第１導電型の下部半導体層を有する。前記第１導電型の下部半導体層の一領域上に第２導電型の半導体層が位置し、前記第２導電型の半導体層の一領域上に第１導電型の上部半導体層が位置する。一方、前記第１導電型の下部半導体層と前記第２導電型の半導体層との間に下部活性層が介在され、前記第２導電型の半導体層と前記第１導電型の上部半導体層との間に上部活性層が介在される。これにより、前記第１導電型の下部半導体層、前記下部活性層、及び第２導電型の半導体層を有する下部発光ダイオードと、前記第２導電型の半導体層、前記上部活性層及び前記第１導電型の上部半導体層を有する上部発光ダイオードとが、垂直に積層された複数個の発光セルを提供することができる。したがって、前記発光セルを電気的に連結し、交流電源下で駆動可能な発光素子を提供すると共に、従来の発光素子に比べて、単位面積当たりの光出力が増加された発光素子を提供することができる。また、下部活性層と上部活性層を異なる物質で形成することにより、前記下部発光ダイオードと上部発光ダイオードが異なる波長の光を放出する発光素子を提供することができる。
前記発光セルのそれぞれは、前記下部活性層を中間に介在させる第１のクラッド層を有してもよく、また、前記上部活性層を中間に介在させる第２のクラッド層を有してもよい。
一方、前記発光セルのそれぞれは、前記第１導電型の下部半導体層の他の領域上に形成された第１型の下部電極をさらに有してもよい。また、前記発光セルのそれぞれにおいて、前記第２型の電極が、前記第２導電型の半導体層の他の領域上に形成され、第１型の上部電極が、前記第１導電型の上部半導体層上に形成されてもよい。前記各発光セルの第１型の下部電極及び上部電極は、隣接した発光セルの第２型の電極に電気的に連結されてもよい。したがって、前記各発光セルの第２型の電極は、隣接した他の発光セルの第１型の下部電極及び上部電極に電気的に連結される。これにより、前記発光セルが直列連結されたアレイが提供される。
本発明のいくつかの実施例において、前記第１型の下部電極、第２型の電極及び第１型の上部電極に加えて、他の第２型の電極が前記第２導電型の半導体層のまた他の領域上に形成されてもよい。前記各発光セルの第１型の下部電極は、隣接した発光セルの第２型の電極に連結され、前記各発光セルの他の第２型の電極は、前記隣接した発光セルの第１型の上部電極に連結される。また、前記各発光セルの第２型の電極は、隣接した他の発光セルの第１型の下部電極に連結され、前記各発光セルの第１型の上部電極は、前記隣接した他の発光セルの他の第２型の電極に連結される。本実施例によると、前記発光セルの上部発光ダイオードが直列連結されたアレイと、前記発光セルの下部発光ダイオードが直列連結されたアレイを提供することができ、前記二つのアレイが互いに逆並列で連結される。また、前記一つのアレイ内の発光ダイオード間のノードが、前記他の一つのアレイ内の発光ダイオード間のノードに連結され、電気的に安定した動作が可能である。
一方、前記各発光セルにおいて、コドープ層が前記第１導電型の下部半導体層と前記下部活性層との間、または、前記第２導電型の半導体層と前記上部活性層との間に介在されてもよい。
本発明の実施例によると、垂直に積層された発光ダイオードを採用して、単位面積当たりの光出力を増加させることができる発光素子を提供することができる。また、垂直に積層された発光ダイオードの活性層を異なる物質で形成することにより、複数波長の光を放出する発光素子を提供することができる。また、垂直に積層された発光ダイオードを有する複数個の発光セルを電気的に連結することにより、交流電源下で駆動可能であり、光出力が改善された発光素子を提供することができる。
以下、添付した図面に基づき、本発明の実施例について詳述する。以下に紹介される実施例は、本発明の思想を当業者に充分伝達するために、例として提供されるものである。したがって、本発明は、後述する実施例に限定されず、他の形態に具体化され得る。なお、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さ等は、便宜のために誇張して表現されることもある。明細書の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。
図１及び図２は、それぞれ、本発明の態様による発光素子の一実施例を説明するための平面図及び断面図である。
図１及び図２を参照すると、基板２１上に下部Ｎ型半導体層２５が位置する。前記基板２１は、例えば、サファイア基板または炭化シリコン（ＳｉＣ）基板等であってもよい。前記基板２１と下部Ｎ型半導体層２５との間にバッファ層２３が介在されてもよい。前記バッファ層２３は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＳｉＮ等の多様な物質が用いられてもよく、前記バッファ層２３は、前記基板２１と下部Ｎ型半導体層２５との間のストレスを緩衝させる役割をする。
図１及び図２を参照すると、基板２１上に下部Ｎ型半導体層２５が位置する。前記基板２１は、例えば、サファイア基板または炭化シリコン（ＳｉＣ）基板等であってもよい。前記基板２１と下部Ｎ型半導体層２５との間にバッファ層２３が介在されてもよい。前記バッファ層２３は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＳｉＮ等の多様な物質が用いられてもよく、前記バッファ層２３は、前記基板２１と下部Ｎ型半導体層２５との間のストレスを緩衝させる役割をする。
前記下部Ｎ型半導体層２５の一領域上にＰ型半導体層２９が位置し、下部Ｎ型半導体層２５とＰ型半導体層２９との間に下部活性層２７が介在される。また、前記Ｐ型半導体層２９の一領域上に上部Ｎ型半導体層３５が位置し、前記Ｐ型半導体層２９と前記上部Ｎ型半導体層３５との間に上部活性層３３が介在される。その結果、前記下部Ｎ型半導体層２５、前記下部活性層２７及び前記Ｐ型半導体層２９を有する下部発光ダイオードと、前記Ｐ型半導体層２９、前記上部活性層３３及び前記上部Ｎ型半導体層３５を有する上部発光ダイオードとが、積層された構造の発光素子が提供される。
前記下部活性層２７及び上部活性層３３は、それぞれ単一量子井戸または多重量子井戸であってもよい。前記下部Ｎ型半導体層２５及び前記Ｐ型半導体層２９は、前記下部活性層２７よりも広いバンドギャップを有し、また、前記Ｐ型半導体層２９及び前記上部Ｎ型半導体層３５は、前記上部活性層３３よりも広いバンドギャップを有する。
前記下部及び上部Ｎ型半導体層２５、３５、下部及び上部活性層２７、３３、及びＰ型半導体層は、それぞれ（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎで形成されたＧａＮ系半導体層であってもよい。前記Ｎ型半導体層２５、３５は、Ｓｉをドープして形成されてもよく、前記Ｐ型半導体層２９は、Ｍｇをドープして形成されてもよい。
一方、前記Ｐ型半導体層２９がＭｇをドープしたＧａＮ系半導体層である場合、Ｍｇが前記上部活性層３３の結晶性を悪化させることがある。Ｍｇの影響を防止するために、前記Ｐ型半導体層２９と前記上部活性層３３との間にコドープ層３１が介在されてもよい。前記コドープ層は、例えば、ＭｇとＳｉ、または、ＭｇとＩｎを一緒にドープした窒化ガリウム系半導体層であってもよい。前記コドープ層３１を用いて上部活性層３３の結晶性を改善する内容が、スー等（Su et al）により、「ｐダウン構造を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ発光ダイオード（InGaＮ／ＧａＮ Ｌｉｇｈｔ Emitting Diodes with a p−Down Structure）」との題目で、IEEE Transactions on Electron Devices（Vol.49, No.8, pp.1361−1366, August 2002）に開示されたことがある。スー等によると、Ｐ型半導体層２９と上部活性層３３との間にコドープ層３１を挿入して、前記上部活性層３３の結晶性を改善することができる。
一方、前記下部Ｎ型半導体層２５の他の領域上に下部Ｎ型電極３７ａが形成され、前記上部Ｎ型半導体層３５上に上部Ｎ型電極３７ｂが形成される。また、前記Ｐ型半導体層２９の他の領域上にＰ型電極３９が形成される。前記下部Ｎ型電極３７ａ及びＰ型電極３９は、それぞれ、図１に示すように、上部Ｎ型半導体層３５の両側に位置してもよいが、これに限定されるものではなく、多様に配置されてもよい。また、前記上部Ｎ型電極３７ｂは、Ｎ型半導体層３５との接触抵抗を減少させるために、図示のように、Ｎ型半導体層３５上の広い領域にわたって形成されてもよい。前記上部Ｎ型電極３７ｂは、前記下部及び上部活性層２７、３３から放出された光が透過可能な透明電極で形成されることが好ましく、例えば、インジウムスズ酸化膜（ＩＴＯ）で形成されてもよい。前記下部Ｎ型電極３７ａもＩＴＯで形成されてもよい。ＩＴＯは、Ｎ型半導体層とオーム接触して接触抵抗を低くする。一方、前記Ｐ型電極３９は、例えば、Ｎｉ／Ａｕで形成されてもよい。これらの電極３７ａ、３７ｂ、３９は、リフトオフ技術を用いて形成されてもよい。
前記Ｐ型電極３９を外部電源（図示せず）の一端子に連結し、前記下部及び上部Ｎ型電極３７ａ、３７ｂを、前記外部電源の他端子に連結し、前記発光素子を駆動させることができる。この際、前記Ｐ型電極３９は、外部電源のプラス端子に連結され、前記Ｎ型電極３７ａ、３７ｂは、外部電源のマイナス端子に連結される。前記電極は、ボンディングワイヤ（図示せず）を介して外部電源に電気的に連結されてもよい。これにより、前記Ｐ型電極３９から前記下部Ｎ型電極３７ａ及び前記上部Ｎ型電極３７ｂに電流が流れる。すなわち、前記下部発光ダイオードと上部発光ダイオードに順方向電流が流れ、前記下部及び上部発光ダイオードが駆動される。
本実施例によると、下部及び上部発光ダイオードが垂直に積層された構造の発光素子を提供するので、従来の単一発光ダイオード構造の発光素子に比べて、基板の単位面積当たりの光出力を増加させることができる。
本実施例において、前記Ｎ型電極３７ａ、３７ｂを同一の外部電源のマイナス端子に連結するものと説明したが、上部及び下部発光ダイオードのバイアス電圧を異なって調節するために、前記Ｎ型電極３７ａ、３７ｂと前記外部電源のマイナス端子との間に異なる抵抗素子を介在し、または、前記Ｎ型電極３７ａ、３７ｂを異なる外部電源に連結してもよい。
本発明の態様による発光素子は、様々な変形が可能であり、以下、図３乃至図７を参照して、本発明の実施例に適用可能な様々な変形例について説明する。先ず、図３は、本発明の態様による発光素子の第１の変形例を説明するための断面図である。
図３を参照すると、前記発光素子は、基板１１０上に、積層された下部Ｎ型半導体層１２０、下部活性層１３０、Ｐ型半導体層１４０、上部活性層１５０、及び上部Ｎ型半導体層１６０を有する。前記半導体層１２０、１４０、１６０は、前記発光素子の接触層として作用し、以下、それぞれ「接触層」と表現する。本変形例は、下部Ｎ型電極１７０及びＰ型電極１８０が多様に配置され得ることを示し、ここでは、前記電極が発光素子の同一の側面側に配置されることを示す。
前記下部Ｎ型接触層１２０の所定の領域は、エッチングにより露出され、前記露出した下部Ｎ型接触層１２０上に下部Ｎ型電極１７０が形成される。また、前記Ｐ型接触層１４０の所定の領域がエッチングにより露出され、前記露出したＰ型接触層１４０上にＰ型電極１８０が形成され、前記上部Ｎ型接触層１６０上に上部Ｎ型電極１９０が形成される。
前記下部活性層１３０と前記上部活性層１５０は、それぞれ異なる波長帯の光を放出するように異なる物質層で形成されてもよい。これにより、前記発光素子は、異なる波長の光を放出する。これとは異なり、前記下部活性層１３０と前記上部活性層１５０は、同一の波長の光を放出するように、同一の物質層で形成されてもよい。
図４の（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第１の変形例による発光素子の製造方法を説明するための断面図である。
図４（ａ）を参照すると、先ず、基板１１０を用意するが、基板の材料としては、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、及びサファイア等の多様な物資が用いられる。前記基板１１０上に、下部Ｎ型接触層１２０、下部活性層１３０、Ｐ型接触層１４０を形成する。Ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｓ等が用いられ、Ｐ型ドーパントとしては、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等が用いられるが、これに限定されるものではない。
図４（ａ）を参照すると、先ず、基板１１０を用意するが、基板の材料としては、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、及びサファイア等の多様な物資が用いられる。前記基板１１０上に、下部Ｎ型接触層１２０、下部活性層１３０、Ｐ型接触層１４０を形成する。Ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｓ等が用いられ、Ｐ型ドーパントとしては、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等が用いられるが、これに限定されるものではない。
図４（ｂ）を参照すると、下部Ｎ型接触層１２０、下部活性層１３０及びＰ型接触層１４０が形成された基板上に、上部活性層１５０及び上部Ｎ型接触層１６０が形成される。
図４（ｃ）を参照すると、前記下部Ｎ型接触層１２０の所定の領域がエッチングにより露出され、前記Ｐ型接触層１４０の所定の領域がエッチングにより露出される。
図４（ｃ）を参照すると、前記下部Ｎ型接触層１２０の所定の領域がエッチングにより露出され、前記Ｐ型接触層１４０の所定の領域がエッチングにより露出される。
その後、前記露出した下部Ｎ型接触層１２０上にＮ型電極１７０が形成され、前記露出したＰ型接触層１４０上にＰ型電極１８０が形成され、前記上部Ｎ型接触層１６０上にＮ型電極１９０が形成され、図３の発光素子が完成する。
前記下部及び上部活性層の材料は、要求される中心発光波長により選ばれる。発光ダイオードから放出された光は、その中心発光波長に応じて、赤外線、可視光線及び紫外線に分けられる。このような光は、活性層に用いられる物質のバンドギャップにより決定される。例えば、赤外線の場合は、ＧａＡｓ、赤色の場合は、ＡｌＧａＡｓ、黄色から赤色の場合は、ＧａＡｓＰ、緑色から赤色の場合は、ＧａＰ、黄緑色から赤色の場合は、ＡｌＩｎＧａＰ、緑色、青色、紫色、白色、紫外線の場合は、（Ａｌ， Ｉｎ， Ｇａ）Ｎ等が活性層の材料として用いられ、以外にも、多様な化合物半導体が用いられ得る。また、前記下部活性層１３０と上部活性層１５０の材料に応じて、前記下部Ｎ型半導体層、Ｐ型半導体層、及び上部Ｎ型半導体層の適合した材料が選ばれる。
一方、前記下部活性層１３０と上部活性層１５０の材料を異なって選択すると、その組合せによる混合光を得ることができる。
図５は、本発明の第２の変形例による発光素子を示す断面図である。ここでは、接触層及び前記接触層上に形成された電極の順序のみが第１の変形例と異なり、残りの構成要素は同一である。すなわち、本変形例の発光素子は、基板２１０上に下部Ｐ型接触層２２０、下部活性層２３０、Ｎ型接触層２４０、上部活性層２５０、及び上部Ｐ型接触層２６０が順次積層される。
図５は、本発明の第２の変形例による発光素子を示す断面図である。ここでは、接触層及び前記接触層上に形成された電極の順序のみが第１の変形例と異なり、残りの構成要素は同一である。すなわち、本変形例の発光素子は、基板２１０上に下部Ｐ型接触層２２０、下部活性層２３０、Ｎ型接触層２４０、上部活性層２５０、及び上部Ｐ型接触層２６０が順次積層される。
前記下部Ｐ型接触層２２０の所定の領域がエッチングにより露出され、前記露出した下部Ｐ型接触層２２０上に下部Ｐ型電極２７０が形成される。また、前記Ｎ型接触層２４０の所定の領域がエッチングにより露出され、前記露出したＮ型接触層２４０上にＮ型電極２８０が形成され、前記上部Ｐ型接触層２６０上に上部Ｐ型電極２９０が形成される。
図６は、本発明の第３の変形例による発光素子を示す断面図である。本変形例において、下部活性層の上部及び下部にそれぞれ第１のクラッド層がさらに形成され、上部活性層の上部及び下部にそれぞれ第２のクラッド層がさらに形成されたことが、前記第１の変形例と異なり、残りの構成要素は同一である。
本変形例による発光素子は、基板１１０上に、下部Ｎ型接触層１２０、第１のＮ型クラッド層１２５、下部活性層１３０、第１のＰ型クラッド層１３５、Ｐ型接触層１４０、第２のＰ型クラッド層１４５、上部活性層１５０、第２のＮ型クラッド層１５５、及び上部Ｎ型接触層１６０が、順次積層されて形成される。
前記下部Ｎ型接触層１２０の所定の領域がエッチングにより露出され、前記露出した下部Ｎ型接触層１２０上に下部Ｎ型電極１７０が形成される。また、前記Ｐ型接触層１４０の所定の領域がエッチングにより露出され、前記露出したＰ型接触層１４０上にＰ型電極１８０が形成され、前記上部Ｎ型接触層１６０上に上部Ｎ型電極１９０が形成される。
上記のように、第１のクラッド層１２５、１３５と第２のクラッド層１４５、１５５が、それぞれ前記下部活性層１３０と前記上部活性層１５０を、それらの間に介在するように配置されることにより、電子と正孔を前記活性層の内部に効率的に制限させることができ、したがって、電子と正孔の再結合効率が増大する。
図７は、本発明の第４の変形例による発光ダイオードを示す断面図であり、同一の接触層上に二つの電極が形成されたことが、前記第１の変形例と異なり、残りの構成要素は同一である。
すなわち、本変形例の発光素子は、基板１１０上に、下部Ｎ型接触層１２０、下部活性層１３０、Ｐ型接触層１４０、上部活性層１５０、及び上部Ｎ型接触層１６０が、積層されて形成される。
前記下部Ｎ型接触層１２０の所定の領域がエッチングにより露出され、前記露出した下部Ｎ型接触層１２０上に二つの下部Ｎ型電極１７０、１７５が形成される。また、前記Ｐ型接触層１４０の所定の領域がエッチングにより露出され、前記露出したＰ型接触層１４０上に二つのＰ型電極１８０、１８５が形成され、前記上部Ｎ型接触層１６０上に上部Ｎ型電極１９０が形成される。このような電極構造により、各活性層に印加される電圧の大きさを多様に調節することができる。
本発明の実施例及び多様な変形例では、二つの発光ダイオードが互いに垂直に積層された発光素子を例示しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、このような発光ダイオードは、少なくとも三つ以上が垂直に積層されてもよい。
図８及び図９は、本発明の態様による複数個の発光セルを有する発光素子の一実施例を説明するための部分断面図及び回路図である。
図８を参照すると、単一の基板上に複数個の発光セルが位置する。ここで、前記発光セルのそれぞれは、図１及び図２を参照して説明したように、垂直に積層された発光ダイオードの構造を有する。また、前記発光セルのそれぞれは、図１及び図２を参照して説明したような下部Ｎ型電極３７ａ、上部Ｎ型電極３７ｂ、及びＰ型電極３９を有する。前記発光セルのそれぞれの構造は、図１及び図２を参照して説明した発光素子と同一であり、図３乃至図７で説明したように、多様に変形され得る。したがって、前記発光セルの構造に対する詳細な説明を省略し、前記発光セルの電気的な連結について説明する。
図８を参照すると、単一の基板上に複数個の発光セルが位置する。ここで、前記発光セルのそれぞれは、図１及び図２を参照して説明したように、垂直に積層された発光ダイオードの構造を有する。また、前記発光セルのそれぞれは、図１及び図２を参照して説明したような下部Ｎ型電極３７ａ、上部Ｎ型電極３７ｂ、及びＰ型電極３９を有する。前記発光セルのそれぞれの構造は、図１及び図２を参照して説明した発光素子と同一であり、図３乃至図７で説明したように、多様に変形され得る。したがって、前記発光セルの構造に対する詳細な説明を省略し、前記発光セルの電気的な連結について説明する。
前記発光セルのそれぞれの下部Ｎ型電極３７ａ及び上部Ｎ型電極３７ｂは、隣接した発光セルのＰ型電極３９に電気的に連結される。前記電極は、金属配線４１を介して連結される。前記金属配線４１は、エアブリッジ工程またはステップカバー工程を用いて形成され得る。
この際、前記下部Ｎ型電極３７ａとＰ型電極３９を連結する金属配線４１と、前記上部Ｎ型電極３７ｂとＰ型電極３９を連結する金属配線４１とは、図示のように、互いに連結されてもよいが、これに限定されるものではなく、互いに分離されてもよい。
図９を参照すると、図８を参照して説明したような金属配線４１の連結により、下部発光ダイオード４５ａと上部発光ダイオード４５ｂをそれぞれ有する発光セル４３が、直列に連結されたアレイ４７ａ、４７ｂが提供される。前記直列アレイ４７ａ、４７ｂは、逆並列で連結され、交流電源４９に連結される。これにより、交流電源下で駆動される発光素子が提供される。
本実施例によると、垂直に積層それた発光ダイオード４５ａ、４５ｂを有する発光セルを採用することにより、交流電源下で駆動される発光素子の単一チップ面積当たりの光出力を増加させることができる。
前記下部及び上部Ｎ型半導体層２５、３５及び前記Ｐ型半導体層２９上に形成される電極の数及び配置、また、電極の連結構造は多様に選ばれ得る。図１０乃至１２は、電極の数及び電極の連結構造を異にした実施例について説明するための図である。ここで、図１０及び図１１は、それぞれ前記実施例による発光素子を説明するための部分断面図及び回路図であり、図１２は、図１１の等価回路図である。
図１０を参照すると、単一の基板上に複数個の発光セルが位置する。ここで、前記発光セルのそれぞれは、図１及び図２を参照して説明したような垂直に積層された発光ダイオードの構造を有する。また、前記発光セルのそれぞれは、図１及び図２を参照して説明したような下部Ｎ型電極３７ａ、上部Ｎ型電極３７ｂ、及びＰ型電極３９を有する。ここで、前記発光セルの構造は、図１及び図２を参照して説明した発光素子とほぼ同一であるが、前記Ｐ型半導体層２９のまた他の領域上に、他のＰ型電極４０がさらに形成されたことが異なる。前記また他の領域は、図示のように、前記活性層３３を介して前記他の領域に対向するように選択され得るが、これに限定されるものではない。
一方、前記各発光セルの下部Ｎ型電極３７ａは、隣接した発光セルのＰ型電極２９に電気的に連結され、前記各発光セルの他のＰ型電極４０は、前記隣接した発光セルの上部Ｎ型電極３７ｂに電気的に連結され、前記各発光セルのＰ型電極２９は、隣接した他の発光セルの下部Ｎ型電極３７ａに電気的に連結され、前記各発光セルの上部Ｎ型電極３７ｂは、前記隣接した他の発光セルの他のＰ型電極４０に電気的に連結される。前記下部Ｎ型電極３７ａと隣接した発光セルのＰ型電極３９は、金属配線４２ａを介して連結され、前記上部Ｎ型電極３７ｂと前記他のＰ型電極４０は、金属配線４２ｂを介して連結される。前記金属配線４２ａ、４２ｂは、エアブリッジ工程またはステップカバー工程を用いて形成され得る。
図１１を参照すると、図１０を参照して説明したような金属配線４２ａ、４２ｂの連結により、下部発光ダイオード４６ａと上部発光ダイオード４６ｂをそれぞれ有する発光セル４３が連結されたアレイ４８が提供される。この際、前記下部発光ダイオード４６ａは、互いに直列に連結され、また、前記上部発光ダイオード４６ｂも、互いに直列に連結される。前記下部発光ダイオード４６ａが直列に連結されたアレイと、前記上部発光ダイオード４６ｂが直列に連結されたアレイは、互いに逆並列で配置される。
一方、前記発光セル４４のアレイ４８の両側に、図示のように、追加のダイオードをそれぞれ連結することにより、図１２のような等価回路を構成することができる。
図１２を参照すると、下部発光ダイオード４６ａと追加の発光ダイオードが直列に連結され、一つの直列アレイを形成し、上部発光ダイオード４６ｂと他の追加の発光ダイオードが直列に連結され、他の直列アレイを形成する。前記下部及び上部発光ダイオード４６ａ、４６ｂのアレイは、互いに逆並列で連結される。したがって、前記アレイの両端部に交流電源４９を連結し、前記発光セルを駆動することができる。前記交流電源４９が位相を変えることにより、前記上部発光ダイオード４６ｂのアレイと、前記下部発光ダイオード４６ａのアレイが、交互に動作するようになる。
図１２を参照すると、下部発光ダイオード４６ａと追加の発光ダイオードが直列に連結され、一つの直列アレイを形成し、上部発光ダイオード４６ｂと他の追加の発光ダイオードが直列に連結され、他の直列アレイを形成する。前記下部及び上部発光ダイオード４６ａ、４６ｂのアレイは、互いに逆並列で連結される。したがって、前記アレイの両端部に交流電源４９を連結し、前記発光セルを駆動することができる。前記交流電源４９が位相を変えることにより、前記上部発光ダイオード４６ｂのアレイと、前記下部発光ダイオード４６ａのアレイが、交互に動作するようになる。
一方、図１２に示すように、前記下部発光ダイオード４６ａ間のノードは、前記上部発光ダイオード４６ｂ間のノードにそれぞれ電気的に連結される。前記ノード間の連結により、発光セル４６ａ、４６ｂが交流電源下で安定的に駆動され得、その結果、発光素子の信頼性が向上する。
本実施例において、前記発光セル４４のアレイ４８に追加の発光ダイオードを連結した回路を示したが、それは、説明の便宜を図るためのものであり、前記追加の発光ダイオードは省略されてもよい。
図１３及び図１４は、それぞれ本発明の他の実施例による発光素子を説明するための平面図及び断面図である。
図１３及び図１４を参照すると、図１及び図２を参照して説明したように、基板５１上に下部Ｎ型半導体層５５が位置し、また、前記基板５１と下部Ｎ型半導体層５５との間にバッファ層５３が介在されてもよい。
図１３及び図１４を参照すると、図１及び図２を参照して説明したように、基板５１上に下部Ｎ型半導体層５５が位置し、また、前記基板５１と下部Ｎ型半導体層５５との間にバッファ層５３が介在されてもよい。
前記下部Ｎ型半導体層５５の一領域上に下部Ｐ型半導体層５９が位置し、下部Ｎ型半導体層５５と下部Ｐ型半導体層５９との間に下部活性層５７が介在される。また、前記下部Ｐ型半導体層５９の一領域上に上部Ｐ型半導体層６３が位置し、前記下部Ｐ型半導体層５９と前記上部Ｐ型半導体層６３との間に分離層６１が介在される。これに加えて、前記上部Ｐ型半導体層６３の一領域上に上部Ｎ型半導体層６９が位置し、前記上部Ｐ型半導体層６３と前記上部Ｎ型半導体層６９との間に上部活性層６７が介在される。その結果、前記下部Ｎ型半導体層５５、前記下部活性層５７、及び前記下部Ｐ型半導体層５９を有する下部発光ダイオードと、前記上部Ｐ型半導体層６３、前記上部活性層６７、及び前記上部Ｎ型半導体層６９を有する上部発光ダイオードとが積層された構造の発光素子が提供される。
前記下部活性層５７及び上部活性層６７は、それぞれ単一量子井戸または多重量子井戸であってもよい。前記下部Ｎ型半導体層５５及び前記下部Ｐ型半導体層５９は、前記下部活性層５７よりも広いバンドギャップを有し、また、前記上部Ｐ型半導体層６３及び前記上部Ｎ型半導体層６９は、前記上部活性層６７よりも広いバンドギャップを有する。
前記下部及び上部Ｎ型半導体層５５、６９、下部及び上部活性層５７、６７、下部及び上部Ｐ型半導体層は、それぞれ（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎで形成されたＧａＮ系半導体層であってもよい。前記Ｎ型半導体層５５、６９は、Ｓｉをドープして形成されてもよく、前記Ｐ型半導体層５９、６３は、Ｍｇをドープして形成されてもよい。
一方、前記分離層６１は、下部発光ダイオードと上部発光ダイオードを電気的に分離するために採用されたものであり、絶縁層または高抵抗の半絶縁層であってもよい。前記分離層６１は、前記下部及び上部Ｐ型半導体層５９、６３と同一または類似した結晶構造を有する物質で形成されることが好ましく、例えば、半絶縁窒化ガリウムで形成されてもよい。
また、図２を参照して説明したように、上部Ｐ型半導体層６３と上部活性層６７との間にコドープ層６５が介在されてもよい。前記コドープ層６５は、前記Ｐ型半導体層６３をＭｇドープ窒化ガリウムで形成した場合、上部活性層６７の結晶性を改善するために採用される。
一方、前記下部Ｎ型半導体層５５の他の領域上に下部Ｎ型電極７１ａが形成され、前記上部Ｎ型半導体層６９上に上部Ｎ型電極７１ｂが形成される。また、前記下部Ｐ型半導体層５９の他の領域上に下部Ｐ型電極７３ａが形成され、前記上部Ｐ型半導体層６３の他の領域上に上部Ｐ型電極７３ｂが形成される。前記下部Ｎ型電極７１ａ及び上部Ｎ型電極７１ｂは、例えば、ＩＴＯで形成されてもよく、前記下部Ｐ型電極７３ａ及び前記上部Ｐ型電極７３ｂは、例えば、Ｎｉ／Ａｕで形成されてもよい。これらの電極７１ａ、７１ｂ、７３ａ、７３ｂは、リフトオフ工程を用いて形成されてもよい。
前記Ｐ型電極７３ａ、７３ｂは、外部電源（図示せず）の一端子に連結し、前記Ｎ型電極７１ａ、７１ｂを、前記外部電源の他端子に連結して、前記発光素子を駆動させることができる。前記電極は、ボンディングワイヤ（図示せず）を介して外部電源に電気的に連結されてもよい。これにより、下部Ｐ型電極７３ａから下部Ｎ型電極７１ａに電流が流れ、上部Ｐ型電極７３ｂから上部Ｎ型電極７１ｂに電流が流れて、前記下部発光ダイオードと上部発光ダイオードが駆動される。また、前記下部Ｐ型電極７３ａと下部Ｎ型電極７１ａ、及び前記上部Ｐ型電極７３ｂと上部Ｎ型電極７１ｂをそれぞれ異なる外部電源に連結し、下部発光ダイオードと上部発光ダイオードを個別に駆動することができる。
本実施例によると、下部及び上部発光ダイオードが垂直に積層された構造の発光素子を提供するので、従来の単一発光ダイオード構造の発光素子に比べて、基板の単位面積当たりの光出力を増加させることができる。また、分離層６１を採用して、上部発光ダイオードと下部発光ダイオードを電気的に分離することにより、これらの発光ダイオードを個別に駆動することが容易である。
図１５および図１６は、それぞれ本発明の他の実施例による複数個の発光セルを有する発光素子を説明するための部分断面図及び回路図である。
図１５を参照すると、単一の基板上に複数個の発光セルが位置する。ここで、前記発光セルのそれぞれは、図１３及び図１４を参照して説明したような垂直に積層された発光ダイオードの構造を有する。また、前記発光セルのそれぞれは、図１３及び図１４を参照して説明したような下部Ｎ型電極７１ａ、上部Ｎ型電極７１ｂ、及び下部Ｐ型電極７３ａ及び上部Ｐ型電極７３ｂを有する。ここで、前記発光セルの構造は、図１３及び図１４を参照して説明した発光素子と同一であるので、その構造に対する詳細な説明を省略し、前記発光セルの電気的な連結について説明する。
図１５を参照すると、単一の基板上に複数個の発光セルが位置する。ここで、前記発光セルのそれぞれは、図１３及び図１４を参照して説明したような垂直に積層された発光ダイオードの構造を有する。また、前記発光セルのそれぞれは、図１３及び図１４を参照して説明したような下部Ｎ型電極７１ａ、上部Ｎ型電極７１ｂ、及び下部Ｐ型電極７３ａ及び上部Ｐ型電極７３ｂを有する。ここで、前記発光セルの構造は、図１３及び図１４を参照して説明した発光素子と同一であるので、その構造に対する詳細な説明を省略し、前記発光セルの電気的な連結について説明する。
前記発光セルのそれぞれの下部Ｎ型電極７１ａ及び上部Ｎ型電極７１ｂは、隣接した発光セルの下部Ｐ型電極７３ａ及び上部Ｐ型電極７３ｂにそれぞれ電気的に連結される。前記下部Ｎ型電極７１ａと下部Ｐ型電極７３ａは、金属配線７５ａを介して連結され、前記上部Ｎ型電極７１ｂと前記上部Ｐ型電極７３ｂは、金属配線７５ｂを介して連結されてもよい。前記金属配線７５ａ、７５ｂは、エアブリッジ工程またはステップカバー工程を用いて一緒に形成され得る。
前記金属配線７５ａ、７５ｂは、図示のように、互いに分離され形成されてもよいが、これに限定されるものではなく、互いに連結されてもよい。
図１６を参照すると、図１５を参照して説明したような金属配線７５ａ、７５ｂの連結により、下部発光ダイオード８５ａと上部発光ダイオード８５ｂをそれぞれ有する発光セル８３が直列に連結されたアレイ８７ａ、８７ｂが提供される。前記直列アレイ８７ａ、８７ｂは、逆並列で連結され、交流電源８９に連結される。これにより、交流電源下で駆動される発光素子が提供される。
図１６を参照すると、図１５を参照して説明したような金属配線７５ａ、７５ｂの連結により、下部発光ダイオード８５ａと上部発光ダイオード８５ｂをそれぞれ有する発光セル８３が直列に連結されたアレイ８７ａ、８７ｂが提供される。前記直列アレイ８７ａ、８７ｂは、逆並列で連結され、交流電源８９に連結される。これにより、交流電源下で駆動される発光素子が提供される。
一方、前記金属配線７５ａ、７５ｂが互いに分離されて形成された場合、前記下部発光ダイオード８５ａも直列に連結されてアレイを形成し、上部発光ダイオード８５ｂも直列アレイを形成する。したがって、上部発光ダイオードの直列アレイと下部発光ダイオードの直列アレイを逆並列で連結し、交流電源下で、各発光セルの下部発光ダイオードと上部発光ダイオードが交互に駆動される発光素子を提供することができる。その結果、交流電源下で、チップの全領域にわたって光を放出する発光素子が提供され得る。
本発明の実施例による発光素子は、様々な形態で発光ダイオードパッケージに搭載されてもよい。例えば、前記発光素子の基板２１を実装面として搭載してもよく、これとは異なり、前記発光素子をサブマウント基板にフリップボンディングして搭載してもよい。前記発光素子をサブマウント基板にフリップボンディングして搭載する場合、発光素子の上部Ｎ型半導体層３５または６９が金属バンプを介してサブマウント基板にボンディングされる。前記発光素子を熱放出特性に優れたサブマウント基板にフリップボンディングすることにより、前記発光素子から放出された熱を容易に放出することができ、発光効率をさらに改善することができる。
Claims (20)
- 基板と、
前記基板上に位置する第１導電型の下部半導体層と、
前記第１導電型の下部半導体層上に位置する第２導電型の下部半導体層と、
前記第２導電型の下部半導体層上に位置する第２導電型の上部半導体層と、
前記第２導電型の上部半導体層上に位置する第１導電型の上部半導体層と、
前記第１導電型の下部半導体層と前記第２導電型の下部半導体層との間に介在された下部活性層と、
前記第２導電型の上部半導体層と前記第１導電型の上部半導体層との間に介在された上部活性層と、
前記第２導電型の下部半導体層と前記第２導電型の上部半導体層との間に介在された分離層と
を備えることを特徴とする垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子。 - 前記下部活性層を中間に介在させる第１のクラッド層と、
前記上部活性層を中間に介在させる第２のクラッド層とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子。 - 前記第２導電型の下部半導体層は、前記第１導電型の下部半導体層の一領域上に位置し、前記第２導電型の上部半導体層は、前記第２導電型の下部半導体層の一領域上に位置し、前記第１導電型の上部半導体層は、前記第２導電型の上部半導体層の一領域上に位置し、
前記第１導電型の下部半導体層の他の領域上に形成された第１型の下部分極と、
前記第２導電型の下部半導体層の他の領域上に形成された第２型の下部電極と、
前記第２導電型の上部半導体層の他の領域上に形成された第２型の上部電極と、
前記第１導電型の上部半導体層上に形成された第１型の上部電極とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子。 - 前記第１導電型の下部半導体層と前記下部活性層との間、または、前記第２導電型の上部半導体層と前記上部活性層との間に介在されたコドープ層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子。
- 前記分離層は、半絶縁層であることを特徴とする請求項１に記載の垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子。
- 基板上に複数個の発光セルを有する発光素子において、
前記発光セルのそれぞれは、
前記基板上に位置する第１導電型の下部半導体層と、
前記第１導電型の下部半導体層の一領域上に位置する第２導電型の下部半導体層と、
前記第２導電型の下部半導体層の一領域上に位置する第２導電型の上部半導体層と、
前記第２導電型の上部半導体層の一領域上に位置する第１導電型の上部半導体層と、
前記第１導電型の下部半導体層と前記第２導電型の下部半導体層の間に介在された下部活性層と、
前記第２導電型の上部半導体層と前記第１導電型の上部半導体層との間に介在された上部活性層と、
前記第２導電型の下部半導体層と前記第２導電型の上部半導体層との間に介在された分離層と
を備えることを特徴とする発光素子。 - 前記発光セルのそれぞれは、
前記下部活性層を中間に介在させる第１のクラッド層と、
前記上部活性層を中間に介在させる第２のクラッド層とをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。 - 前記発光セルのそれぞれは、
前記第１導電型の下部半導体層の他の領域上に形成された第１型の下部電極と、
前記第２導電型の下部半導体層の他の領域上に形成された第２型の下部電極と、
前記第２導電型の上部半導体層の他の領域上に形成された第２型の上部電極と、
前記第１導電型の上部半導体層上に形成された第１型の上部電極とをさらに備え、
前記各発光セルの第１型の下部電極及び第１型の上部電極は、それぞれ隣接した発光セルの第２型の下部電極及び第２型の上部電極に電気的に連結されたことを特徴とする請求項６に記載の発光素子。 - 前記発光セルのそれぞれは、前記第１導電型の下部半導体層と前記下部活性層との間、または、前記第２導電型の上部半導体層と前記上部活性層との間に介在されたコドープ層をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記分離層は、半絶縁層であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 基板と、
前記基板上に位置する第１導電型の下部半導体層と、
前記第１導電型の下部半導体層上に位置する第２導電型の半導体層と、
前記第２導電型の半導体層上に位置する第１導電型の上部半導体層と、
前記第１導電型の下部半導体層と前記第２導電型の半導体層との間に介在された下部活性層と、
前記第２導電型の半導体層と前記第１導電型の上部半導体層との間に介在された上部活性層と
を備えることを特徴とする垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子。 - 前記下部活性層を中間に介在させる第１のクラッド層と、
前記上部活性層を中間に介在させる第２のクラッド層とをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子。 - 前記第２導電型の半導体層は、前記第１導電型の下部半導体層の一領域上に位置し、前記第１導電型の上部半導体層は、前記第２導電型の半導体層の一領域上に位置し、
前記第１導電型の下部半導体層の他の領域上に形成された第１型の下部電極と、
前記第２導電型の半導体層の他の領域上に形成された第２型の電極と、
前記第１導電型の上部半導体層上に形成された第１型の上部電極とをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子。 - 前記第１導電型の下部半導体層と前記下部活性層との間、または、前記第２導電型の半導体層と前記上部活性層との間に介在されたコドープ層をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子。
- 前記下部活性層及び前記上部活性層は、異なる波長の光を放出することを特徴とする請求項１１に記載の垂直に積層された発光ダイオードを有する発光素子。
- 基板上に位置する複数個の発光セルを有する発光素子において、
前記発光セルのそれぞれは、
前記基板上に位置する第１導電型の下部半導体層と、
前記第１導電型の下部半導体層の一領域上に位置する第２導電型の半導体層と、
前記第２導電型の半導体層の一領域上に位置する第１導電型の上部半導体層と、
前記第１導電型の下部半導体層と前記第２導電型の半導体層との間に介在された下部活性層と、
前記第２導電型の半導体層と前記第１導電型の上部半導体層との間に介在された上部活性層と
を備えることを特徴とする発光素子。 - 前記発光セルのそれぞれは、
前記下部活性層を中間に介在させる第１のクラッド層と、
前記上部活性層を中間に介在させる第２のクラッド層とをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子。 - 前記発光セルのそれぞれは、
前記第１導電型の下部半導体層の他の領域上に形成された第１型の下部電極と、
前記第２導電型の半導体層の他の領域上に形成された前記第２型の電極と、
前記第１導電型の上部半導体層上に形成された第１型の上部電極とをさらに備え、
前記各発光セルの第１型の下部電極及び上部電極は、隣接した発光セルの第２型の電極に電気的に連結されたことを特徴とする請求項１６に記載の発光素子。 - 前記発光セルのそれぞれは、前記第１導電型の下部半導体層と前記下部活性層との間、または、前記第２導電型の半導体層と前記上部活性層との間に介在されたコドープ層をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子。
- 前記発光セルのそれぞれは、
前記第１導電型の下部半導体層の他の領域上に形成された第１型の下部電極と、
前記第２導電型の半導体層の他の領域上に形成された第２型の電極と、
前記第２導電型の半導体層のまた他の領域上に形成された他の第２型の電極と、
前記第１導電型の上部半導体層上に形成された第１型の上部電極とをさらに備え、
前記各発光セルの第１型の下部電極は、隣接した発光セルの第２型の電極に電気的に連結され、前記各発光セルの他の第２型の電極は、前記隣接した発光セルの第１型の上部電極に電気的に連結され、前記各発光セルの第２型の電極は、隣接した他の発光セルの第１型の下部電極に電気的に連結され、前記各発光セルの第１型の上部電極は、前記隣接した他の発光セルの他の第２型の電極に電気的に連結されることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子。
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