JP2011249510A - 発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】順方向電圧の増大を抑制しつつ、チップ表面からの光出力を高めることが容易な発光素子を提供する。
【解決手段】発光層と、前記発光層の上に設けられた第1導電型層と、前記第1導電型層の上に設けられた第1電極と、前記発光層の下に設けられ、厚さt1(μm)を有する第2導電型層と、前記発光層とは反対の側の前記第2導電型層の面の一部の領域に接触して設けられ、外縁が前記第1電極の外縁から長さx1(μm)だけはみ出した電流ブロック層と、前記第2導電型層とは反対の側の前記電流ブロック層の面と、前記第2導電型層の前記面の前記電流ブロック層とは接触していない領域に接触し、前記発光層からの放出光を反射可能な第2電極と、を備え、前記第1導電型層、前記発光層、及び前記第2導電型層、の厚さの和をt2(μm)とした時、下記式
Figure 2011249510

を満たすことを特徴とする発光素子が提供される。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、発光素子に関する。
照明装置、表示装置、信号機などに用いる発光素子に対して、高出力化が要求される。
発光層から下方に向かう放出光を、発光層と基板との間に設けられた反射層により上方に反射すると、光出力を高めることができる。
さらに、上部電極の下方に電流ブロック層を設け電流注入を低減すると、発光領域を上部電極の外側へとシフトできる。このために、反射光の遮光量が低減され光出力をさらに高めるとともに、無駄な放出光が低減され光取り出し効率が改善される。しかし、電流ブロック層が大きすぎると、順方向電圧が上昇し、かつチップサイズが増大する問題が生じる。
特開2001−352097号公報
順方向電圧の増大を抑制しつつ、チップ表面からの光出力を高めることが容易な発光素子を提供する。
実施形態によれば、発光層と、前記発光層の上に設けられた第1導電型層と、前記第1導電型層の上に設けられた第1電極と、前記発光層の下に設けられ、厚さt1(μm)を有する第2導電型層と、前記発光層とは反対の側の前記第2導電型層の面の一部の領域に接触して設けられ、外縁が前記第1電極の外縁から長さx1(μm)だけはみ出した電流ブロック層と、前記第2導電型層とは反対の側の前記電流ブロック層の面と、前記第2導電型層の前記面の前記電流ブロック層とは接触していない領域に接触し、前記発光層からの放出光を反射可能な第2電極と、を備えた発光素子が提供される。前記第1導電型層、前記発光層、及び前記第2導電型層、の厚さの和をt2(μm)とした時、下記式
Figure 2011249510
が満たされることを特徴とする。
図1(a)は第1の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図1(b)はその断面図、である。 第1の実施形態の部分拡大模式断面図である。 第1の実施形態において、動作電流に対する光出力の依存性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。 図4(a)は比較例にかかる発光素子の模式平面図、図4(b)はその模式断面図、である。 図5(a)は電流ブロック層のはみ出し長さx1に対する相対光出力依存性、図5(b)は、はみ出し長さx1に対する順方向電圧依存性、を示すグラフ図である。 変数Yに対する光出力依存性を示すシミュレーション結果のグラフ図である。 第2の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。 第3の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。 第4の実施形態にかかる発光素子の模式平面図である。 図10(a)は外周長に対する相対光出力の依存性、図10(b)は外周長に対する順方向電圧の依存性、を示すグラフ図、である。 第4の実施形態の変形例にかかる発光素子の模式平面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図1(a)は本発明の第1の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図1(b)A−A線に沿った模式断面図、である。発光素子は、積層体32、第1電極50、電流ブロック層42、第2電極40、基板上部電極12、基板10、及び基板下部電極13を備えている。
積層体32は、発光層22と、発光層22の上に設けられた第1導電型層30と、発光層22の下に設けられ、厚さt1(μm)を有する第2導電型層20と、を有している。第1導電型層30は、発光層22側から、クラッド層24、電流拡散層26、コンタクト層28、を有している。また、第2導電型層20は、発光層22側から、クラッド層18、電流拡散層16、コンタクト層14、を有している。
電流ブロック層42は、発光層22とは反対の側の第2導電型層20の面の一部の領域に接触して設けられ、その外縁42aが第1電極50の外縁50aよりもはみ出し長さx1(μm)だけ径方向へはみ出している。また、第2電極40は、電流ブロック層42と、第2導電型層20の電流ブロック層42と接触していない領域と、に接触して設けられ、発光層22からの放出光を反射可能とする。また、第2電極40は、Au、Al、Agなどを含むものとする。また、電流ブロック層42を、屈折率の異なる少なくとも2種類の誘電多層膜からなる反射膜としてもよい。
電流ブロック層42を設けると、第1電極50から注入されたキャリアは電流拡散層26で径方向に広がり、発光層22へ流れ込む。また、第2電極40から注入されたキャリアは電流ブロック層42の外縁42aの側の領域から注入され、発光層22へ流れ込む。すなわち、第1電極50の外縁50aと、電流ブロック層42の外縁42aと、を結ぶ破線の近傍が電流経路となる。また、発光層22内で、この破線近傍が発光領域23となる。
発光領域23から上方に向かう放出光は電流拡散層26の上面26aから上方に放出される。他方、発光領域23から下方に向かう放出光の多くは、第2電極40で反射される。このうち、第2電極40への入射角θが小さい放出光は、上方へ出射可能である。
なお、積層体32は、InAlGaP、AlGaAs、及びInGaAlNの材料などとすることができる。InAlGaPとは、In(AlGa1−y1−xP(0≦x≦1、0≦y≦1)からなり、アクセプタやドナーとなる元素を含んでもよいものとする。AlGaAsとは、AlGa1−xAs(0≦x≦1)からなり、アクセプタやドナーとなる元素を含んでもよいものとする。InGaAlNとは、InGaAl1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1)からなり、アクセプタやドナーとなる元素を含んでもよいものとする。
本実施形態では、電流ブロック層42を第1電極50に対して大きくし、発光層22の下方に設けられた第2電極40からの反射光の第1電極50による遮光量を低減する。このために、上方での光取り出し効率を高めることが容易となる。
図2は、図1の第1の実施形態の部分拡大模式断面図である。
本図において、積層体32はInAlGaPを含むものとし、第1導電型はn形、第2導電型はp形、とする。第1導電(n)型層30は、例えばInAlPからなるクラッド層24(キャリア濃度4×1017cm−3、厚さ0.6μm)、In0.5(Ga0.3Al0.70.5Pからなる電流拡散層26(キャリア濃度4×1017cm−3,厚さ3.3μm)、GaAsからなるコンタクト層28(キャリア濃度1×1018cm−3,厚さ0.1μm)を有するものとする。
発光層22は、MQW(Multiple Quantum Well: 多重量子井戸)構造とする。例えば、井戸層はIn0.5(Ga0.94Al0.060.5Pからなり、厚さ10nm、層数10とする。また、障壁層は、In0.5(Ga0.4Al0.60.5Pからなり、厚さ20nm、層数21とする。
第2導電(p)型層20は、例えばInAlPからなるクラッド層18(キャリア濃度3×1017cm−3)、In0.5(Ga0.3Al0.70.5Pからなる電流拡散層16(キャリア濃度1×1018cm−3)、Al0.5Ga0.5Asからなるコンタクト層14(キャリア濃度1×1019cm−3)を有するものとする。第2導電型層20の厚さt1は、第1導電型層30の厚さ以下とする。なお、第2導電型層20がp形の場合、クラッド層18の厚さを小さくしすぎると、電子のオーバーフローが増加して無効電流が増加するので、t1を0.7μm以上とすることが好ましい。
なお、第1導電型層30をp形、第2導電型層20をn形、としても良い。しかし、InGaAlP、AlGaAs、InGaAlPなどの材料では、ホールの移動度は電子の移動度よりにも小さいので、本実施形態の方がホールの移動距離を短くし抵抗成分を低減できるのでより好ましい。
図2において、発光領域23から上方へ向けて出射した光は、上方光G1、G2、G7などのように進む。他方、下方へ向けて出射した光は、下方光G3、G4、G5、G6、G8のように進む。発光領域23よりも内側に向かう光は、電流ブロック層42の下方の第2電極40に、入射角θで入射し、反射角θで反射する。なお、電流ブロック層42は、第2電極40への電流流入を阻止すればよいので薄くできる。このため、電流ブロック層42への入射角は第2電極40への入射角θと略同一であるものとする。また、第2電極40における反射角θは電流ブロック層42からの出射角と略同一であるものとする。
入射角θが小さい光G3、G4は、第1電極50により遮光されずに、上方へ出射可能である。他方、入射角θが大きい光G6は、第1電極50により、反射され再び下方に向かって進行する。このように入射角θが大きいG6は、反射の繰り返しなどにより、有効に上方で取り出せない場合が多くなる。また、光G5は、反射光が第1電極50の外縁50aに当たる場合であり、この時の入射角を最大入射角θmaxとする。すなわち、大きなx1に対して、最大入射角θmaxは大きくなる。0≦θ≦θmaxの範囲の光は、第1電極50により遮光されない。
図3は、第1の実施形態にかかる発光素子(図2)において、動作電流に対する光出力の依存性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
縦軸は光出力Po(mW)、横軸は動作電流(mA)である。このシミュレーションにおいて、第1電極50は直径が120μmの円、電流ブロック層42は直径が200μmの円、であるものとする。また、第1導電(n)型層30の厚さは4μmとする。第2導電(p)型層20の厚さt1は、0.7以上、かつ第1導電型層30の厚さ(4μm)以下の範囲とする。電流ブロック層42で反射され第1電極50で遮光される光G6を除き、電流拡散層26の表面26aに到達可能な光の出力の和を、光出力Poとして表す。
なお、表面26aに到達した光は、電流拡散層26の上の媒質(屈折率:n)との屈折率差により、その一部が反射されるが、表面26aを構成する媒質の屈折率と差が小さい屈折率を有する誘電体膜を設けるか、または界面に凹凸を設けることにより、界面での全反射を低減し、取り出す出力をPoに近づけることができる。
第2導電型層20の厚さt1が2〜3μmの場合、動作電流が60mAにおいて光出力Poは略16mW以下である。他方、厚さt1が1.5μmの場合、動作電流が60mAにおいて光出力Poは略17mW、厚さt1が0.7μmの場合、動作電流が60mAにおいて光出力Poは略18mWと増大し、特にt1を1.5μm以下とすると光出力Poの増加の割合がより大きくできる。もし、第2導電(p)型のクラッド層18のキャリア濃度を、3×1017cm−3よりも大きくできると、第2導電型層20の厚さt1を薄くでき、光出力Poをより高めることが容易となる。
図4(a)は比較例にかかる発光素子の模式平面図、図4(b)はB−B線に沿った模式断面図、である。
比較例では電流ブロック層のはみ出し長さx1を10μmとしている。x1が小さいと、放出光は発光領域123の直上近傍には出射されるが、光G51、G52のように反射光が第1電極150により遮光されるために外部に取り出すことが困難である。すなわち、無効電流を低減することができるが、光出力を高めることは困難である。
図5(a)は電流ブロック層のはみ出し長さx1に対する相対光出力依存性、図5(b)は、はみ出し長さx1に対する順方向電圧依存性、を示すグラフ図である。
x1が50μmの時、図4の比較例に対して光出力Poが132%と増大する。このように、x1と共に相対光出力Poが増加する。しかし、その増加率が次第に低下し、相対光出力Poが飽和して行く。他方、比較例の順方向電圧が2.18Vであるのに対して、x1が50μmの時の順方向電圧VFは2.43Vと高くなる。また、順方向電圧VFは直線的に増加する。すなわち、x1が50μmよりも大きい領域では、発光効率はx1の増大とともに低下する。また、チップサイズも増大することから、x1の上限値は50μmとする。これらから、発光効率を保ちつつ光出力を高めるには、x1、t1、t2が所定の関係を満たす必要であることが理解される。
入射角θで入射した放出光が第2電極40により反射され電流拡散層26の表面26aに到達する位置Pと、第1電極50の外縁50aと、の距離L(θ)を式(1)で表す。
Figure 2011249510
また、変数Yを式(2)で定義する。
Figure 2011249510
もし、L(θ)≧0を満たす範囲の入射角θ(0≦θ≦θmax)を有する光G2、G3、G4、G5は、電流拡散層26の表面26aに到達し第1電極50により遮光されない。すなわち、θmaxまでの範囲の入射角θを有する光が、光出力Poに寄与するものと見込まれることを意味している。
図6(a)〜(c)は、変数Yに対する光出力依存性を表すシミュレーション結果のグラフ図である。
縦軸は動作電流50mAにおける光出力Po(mW)である。また、図6(a)の横軸はθmaxを65°とした変数Y(μm)、図6(b)の横軸はθmaxを70°とした変数Y(μm)、図6(c)の横軸はθmaxを75°とした変数Y(μm)、である。電流ブロック層42の半径は、第1電極50の半径とx1との和とし、x1を30、40、50μmとした。
図6(a)において、Y(θmax=65°)が略0.8μm以上の範囲で、光出力PoがYの増大と共に増大する。図6(b)において、Y(θmax=70°)が0以上の範囲で、光出力PoがYの増大と共に増大する。また、図6(c)において、Y(θmax=75°)がマイナス1μm以上の範囲で、光出力PoがYの増大と共に増大する。
図6(a)〜(c)において、x1=30μm、t1=1.5μm、及びt2=3μmとした構造について変数Yと光出力Poとを比較する。θmaxを65°とした図6(a)において、Y=0.45μmとなり、x1=30μmに対応する折れ線の点Q1のPoは13.1mWである。またθmaxを70°とした図6(b)において、Y=0.2μmとなり、x1=30μmに対応する折れ線の点Q2のPoは13.7mWとなる。さらに、θmaxを75°とした図 6(c)において、Y=−0.12μmとなり、x1=30μmに対応する折れ線の点Q3の光出力Poは14.1mWとなる。θmaxを、65°、70°、75°と変化させて行くのに対応して、光出力Poが増大し始める点が、Q1、Q2、Q3のようにY軸の左側に次第にシフトする。また、t1を小さくすると、発光領域23を電流ブロック層42の外縁42aの側にシフトし、第1電極50による遮光量を低減できるので、光出力Poをさらに高くすることができる。
すなわち、図6(a)〜(c)のいずれの場合に対しても、光出力Poが増大するYの範囲を表すことが可能である。もし、θmax=70°に対応する図6(b)を用いると、光出力Poが増大する範囲を、Y≧0と簡単に表すことができる。なお、本発明者のシミュレーションによれば、θmax=70°の場合、発光領域23から下方に向かって放出された光の略90%が光出力Poに寄与していることが判明した。
式(1)及び式(2)から、Y≧0なる条件は、L(θmax)≧0と略等しい。また、L(θmax)≧0なる条件は、積層体の材料に依存しない。すなわち、InAlGaP、AlGaAs、InGaAlNを含む積層体に対して成立する。さらに、Y≧0なる条件は、式(3)のように表すこともできる。
Figure 2011249510
式(3)から、x1、t1、t2の間に必要な関係式が、式(4)のように表される。
Figure 2011249510
t2−t1=t3(第1導電型層30の厚さと発光層22の厚さとの和)であるので、t3を一定とすると、不等号の右辺はt1の2次関数を表し、式(5)のように表される。このために、t1を小さくすると、x1の下限値を低くでき、チップサイズが縮小できることを示している。
Figure 2011249510
図7は、第2の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
電流拡散層26の表面26aに凹凸27を形成すると、光束と表面との交差角の範囲を広げることができ、表面26aにおける全反射を低減できる。このためにチップの外部で取り出せる出力を、シミュレーションによる光出力Poに近づけることができる。この場合、凹凸27のピッチを2分の1波長よりも小さくすると、回折効果が高まり2次元的に均一な等価誘電率を有する媒質と見なすことができる。このため、凹凸27がグレィデッドインデックス領域として作用し、表面における反射率を低減できる。また、表面の外側に、外部媒質の屈折率と、電流拡散層26の屈折率と、の間の屈折率を有する誘電体を設けても外部に取り出す出力を、光出力Poに近づけることができる。このようにして、電流ブロック層42により反射された光をより効果的に取り出し可能となる。
図8は、第3の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
第1電極50は、パッド部(図1の第1電極50)の他にパッド部と接続された細線部51に有している。細線部51の形状は、平面視でストライプ状や円環状などとすることができる。細線部51の間、細線部51とパッド部との間、は電流経路とするために電流ブロック層42に離間領域42bを設ける。なお、細線部51の幅は、例えば2〜10μmの範囲とすることができる。
図9(a)及び(b)は、第4の実施形態にかかる発光素子の模式平面図である。
図9(a)において、第1電極50はチップの角部の方向に4つの突出部50bを有している。また、電流ブロック層42は、第1電極50の下方において4つの突出部42cを有している。このようにして、電流ブロック層42の外縁と第2電極40との境界の外周長EEを増加できる。
図10(a)は外周長に対する光出力の依存性、図10(b)は外周長に対する順方向電圧の依存性、を示すグラフ図、である。
図10(a)において、縦軸は相対光出力Po(相対輝度)、横軸は境界の外周長EE(μm)、である。また図10(b)において、縦軸は順方向電圧VF(V)、横軸は境界の外周長EE(μm)、である。突出部以外の領域でx1は30μm、動作電流は50mA、としている。なお、図 9(b)のように、第1電極50及び電流ブロック層42が円以外の形状である場合、x1は第1電極50の中心Oからの最短距離で表すものとする。また、x1が10μm、外周長が550μm、である発光素子の特性を、点Wで表すものとする。
図9(a)のパターンを有する発光素子は、外周長EEが830μmの時、点Wの特性に対して110%の光出力Poとなる。また、図10(b)のパターンを有する発光素子は、外周小EEが870μmの時、点Wに対して111%の光出力Poである。他方、図9(a)のパターンを有する発光素子は、外周長が830μmの時、順方向電圧VFは点Wが2.3Vであるのに対して2.16Vまで低減できる。また、図9(b)のパターンを有する発光素子は、外周長EEが870μmの時、順方向電圧VFを2.13Vまで低減できる。順方向電圧VFを2.17V以下としたい場合、外周長EEを800μm以上とすればよい。
図11(a)〜(c)は、第4の実施形態の変形例にかかる発光素子の模式平面図である。
図11(a)のように、突出部50bの幅S2を、図9(a)の突出部50bの幅S1よりも広くすると突出部50bの近傍において、電流を広げ光出力Poを高めることができる。また、図11(b)のように、突出部50bにおけるx1を他の領域のx1よりも短くすると、突出部50bの近傍において、電流を広げ光出力Poを高めることができる。さらに、図11(c)のように、矩形の第1電極50の角部にチップの対角線方向へ突出部50bを設けてもよい。
第1〜第4の実施形態及びこれらに付随する変形例において、 発光層22から下方へ放出された光が電流ブロック層42の下方の第2電極40により反射され、第1電極50による遮光量が低減されてチップ表面から放出される。このために、光取り出し効率及び光出力を高めることが容易となる。本実施形態にかかる発光素子は、照明装置、表示装置、信号機などの高出力(高輝度)化を容易にする。
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明を構成する積層体、発光層、第1導電型層、第2導電型層、電流ブロック層、第1電極、第2電極の材質、形状、サイズ、配置などの関して、当業者が各種の設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り、本発明の範囲に包含される。
20 第2導電型層、22 発光層、30 第1導電型層、40 第2電極、42 電流ブロック層、50 第1電極

Claims (5)

  1. 発光層と、
    前記発光層の上に設けられた第1導電型層と、
    前記第1導電型層の上に設けられた第1電極と、
    前記発光層の下に設けられ、厚さt1(μm)を有する第2導電型層と、
    前記発光層とは反対の側の前記第2導電型層の面の一部の領域に接触して設けられ、外縁が前記第1電極の外縁から長さx1(μm)だけはみ出した電流ブロック層と、
    前記第2導電型層とは反対の側の前記電流ブロック層の面と、前記第2導電型層の前記面の前記電流ブロック層とは接触していない領域に接触し、前記発光層からの放出光を反射可能な第2電極と、
    を備え、
    前記第1導電型層、前記発光層、及び前記第2導電型層、の厚さの和をt2(μm)とした時、下記式
    Figure 2011249510
    を満たすことを特徴とする発光素子。
  2. 前記発光層、前記第1導電型層、及び前記第2導電型層は、Inx(AlyGa1−y)1−xP(0≦x≦1、0≦y≦1)を含み、
    前記第2導電型層の前記厚さt1は、前記第1導電型層の厚さ以下とされ、かつ0.7μm以上、1.5μm以下の範囲とされ、
    前記長さx1は、30μm以上、かつ50μm以下とされたことを特徴とする請求項1記載の発光素子。
  3. 前記電流ブロック層は、誘電体または絶縁性半導体を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の発光素子。
  4. 前記第1導電型層の上面の前記第1電極が形成されていない領域は、凹凸を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の発光素子。
  5. 前記発光層、前記第1導電型層、及び前記第2導電型層は、In(AlGa1−y1−xP(0≦x≦1、0≦y≦1)、AlGa1−xAs(0≦x≦1)、及びInGaAl1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1)のいずれかを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の発光素子。
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