JP2012104739A

JP2012104739A - 発光素子

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Publication number: JP2012104739A
Application number: JP2010253710A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Kondo; 且章近藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-31
Also published as: US20120119242A1

Abstract

【課題】発光層内部での光吸収が低減され、上方への光反射率が高められた発光素子を提供する。
【解決手段】第１の反射器４０を有する支持体８と、第１および第２の発光部６０ａ，６０ｂと、第２の反射器６４と、を備えた発光素子が提供される。第１および第２の発光部は、前記支持体の上に設けられ、発光層２２ａ，２２ｂを有し、前記発光層からの放出光のうち下方に向かう光が前記第１の反射器により上方に向かって反射可能とされている。第２の反射器は、前記第１および第２の発光部の間に挟まれ前記支持体の上に設けられ、かつ下方に向かって拡幅する断面形状を有し、側面に設けられた側面金属層６４ａを有する。
【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、および信号機などにおいて、高出力発光素子が要求される。

発光素子が、その発光層から下方に向かう放出光を反射する反射電極を有すると、上方における光取り出し効率を高めることができる。

しかしながら、反射電極により反射された光および発光層の面に沿って放出された光は、キャリアが十分に注入されない発光層領域を通過する間に吸収される。このため、光出力が十分には高められない問題がある。

特開２００４−９５９４４号公報

発光層内部での光吸収が低減され、上方への光反射率が高められた発光素子を提供する。

実施形態によれば、第１の反射器を有する支持体と、第１および第２の発光部と、第２の反射器と、を備えたことを特徴とする発光素子が提供される。第１および第２の発光部は、前記支持体の上に設けられ、発光層を有し、前記発光層からの放出光のうち下方に向かう光が前記第１の反射器により上方に向かって反射可能とされている。第２の反射器は、前記第１および第２の発光部の間に挟まれ前記支持体の上に設けられ、かつ下方に向かって拡幅する断面形状を有し、側面に設けられた側面金属層を有する。

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Ａ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は部分拡大した模式断面図、である。図２（ａ）は比較例にかかる発光素子の模式平面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、図２（ｃ）は部分拡大した模式断面図、である。図３（ａ）は第２の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図３（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、図３（ｃ）は部分拡大した模式断面図、である。図４は、第２の実施形態にかかる発光素子の製造方法の工程断面図であり、図４（ａ）はウェーハ接合前の模式断面図、図４（ｂ）はウェーハ接合後の模式断面図、図４（ｃ）は発光部および第２の反射器を形成した後の模式断面図、図４（ｄ）は電極形成後の模式断面図、である。図５（ａ）は第３の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図５（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）は部分拡大した模式断面図、である。図６（ａ）は第４の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図６（ｂ）はＦ−Ｆ線に沿った模式断面図、図６（ｃ）は部分拡大した模式断面図、である。図７（ａ）は第５の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図７（ｂ）はＨ−Ｈ線に沿った模式断面図、図７（ｃ）は部分拡大した模式断面図、である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
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Ａ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は領域ＥＮを部分拡大した模式断面図、である。
発光素子は、第１の反射器を有する支持体８と、第１および第２の発光部６０ａ、６０ｂと、第２の反射器６４と、を有している。支持体８は、例えば、基板１０、基板１０の裏面側に設けられた基板下部電極１３、基板１０の上面に設けられた接合電極４６、第１の反射器（反射電極）４０、および反射電極４０の上に設けられたコンタクト層１４、を有することができる。反射電極４０は、少なくともＡｕを含むことができる。また、反射電極４０は、例えば、光反射側にＡｕＺｎ（０．３％Ｚｎ含有）、Ａｇ、およびＡｌなどを有し、反射側とは反対の側にＡｕを有していてもよい。

発光部６０ａ、６０ｂは、第１のコンタクト層１４の側から、第１の電流拡散層１６、第１のクラッド層１８、発光層２２（２２ａ，２２ｂ）、第２のクラッド層２４、および第２の電流拡散層２６、が積層された構造からなる。第１のコンタクト層１４、第１の電流拡散層１６、および第１のクラッド層１８は、第１導電形を有する。また、第２のクラッド層２４および第２の電流拡散層２６は、第２の導電形を有する。

第１の発光部６０ａは、支持体８の上に設けられ、第１の発光層２２ａを有する。また、第２の発光部６０ｂは、支持体８の上に設けられ、第２の発光層２２ｂを有する。このように、発光部６０（６０ａ，６０ｂ）は、少なくとも２つの発光部を含む。第１の実施形態では複数の発光層６０は互いに平行であるものとする。発光層２２ａ、２２ｂからの放出光のうち、光Ｇ１は直接上方へ出射される。また、下方に向かう光は、反射電極４０により上方に向かって反射される光Ｇ２を含む。

第２の反射器６４は、第１の発光部６０ａおよび第２の発光部６０ｂの間に挟まれ支持体８の上に設けられ、発光層２２ａ、２２ｂからの放出光のうち側方に向う光を上方に向かって反射することができる。第１の実施形態では、第２の反射器６４は、互いに平行に設けられた複数の発光部６０と、平行に設けられる。

また、例えば、第２の反射器６４は、発光部６０ａ、６０ｂの積層構造と同一の積層構造と、その側面金属層６４ａと、を有することができる。第２の反射器６４は、下方に配置された支持体８へ向かうに従って拡幅する断面形状を有する。そして、第２の反射器６４は、その側面に、側面金属層６４ａを有する。側面金属層６４ａは、発光部６０ａ、６０ｂからの放出光のうち側方へ向かう光を上方に向けて反射する（Ｇ３）。

発光層２２ａ、２２ｂから下方へ向かう光は、反射電極４０により反射されたのち、第２の反射器６４の側面金属層６４ａによりさらに反射されて上方に向かう光Ｇ４をさらに含む。また、最も外側の発光部６０ａの側面６０ｓからの光Ｇ５は、第２の反射器６４に当たらないので側方に向けて放出される。もし、チップの外縁に沿った領域に第２の反射器６４を設けると、チップの側方への無駄な放出光が低減できる。

第１の発光部６０ａの上面６０ｕには、その上面６０ｕの幅よりも狭い幅ＷＳを有する第１の細線電極５０ａを有する。また、第２の発光部６０ｂの上面６０ｕには、その上面６０ｕの幅よりも狭い幅ＷＳを有する第２の細線電極５０ｂを有する。なお、第１の細線電極５０ａと第２の細線電極５０ｂとを平行とすることが好ましい。さらに、発光部６０の上面６０ｕおよび側面に、微小な凹凸面を形成すると全反射が低減でき、光取り出し効率をより高めることができる。なお、図１において、第１および第２の細線電極は、ストライプ形状を有している。

第１および第２の細線電極５０ａ、５０ｂの幅ＷＳを、例えば、２〜２０μｍのように細くすると細線電極５０による放出光の遮光量を低減できるが、実装部材の配線部とのワイヤボンディングが困難となる。この場合、支持体８の上に設けられ、第１および第２の細線電極５０ａ、５０ｂと接続されたパッド電極５２をさらに設けると、実装部材とのワイヤボンデングが容易となる。例えば、図１のように、長手方向に５つの細長い発光部６０を配置すると、それぞれの細線電極５０と連結されたパッド電極５２にボンディングワイヤを接続することができる。なお、電極配置は、図１に限定されない。例えば、パッド電極を囲むように第１および第２の発光部を設け、第１の発光部の上面に第１の細線電極、第２の発光部の上面に第２の細線電極、をそれぞれ配置してもよい。さらに、第２の反射器は、第１の発光部と第２の発光部との間に設けることができる。この場合、第１および第２の細線電極は、例えば細い円環形状などとしてもよい。

発光部６０の材料は、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１ｘ＋ｙ≦１）などとすることができる。これらの組成式で表される材料は、ｐ形不純物やｎ形不純物となる元素が添加されたものも含んでもよい。これらの材料からなる発光層２２は、可視光波長範囲の光を放出可能である。

図２（ａ）は比較例にかかる発光素子の模式平面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、図２（ｃ）は領域ＥＮＣを部分拡大した模式断面図、である。
発光素子は、支持体１０８と、積層体１３２と、を有している。支持体１０８は、基板１１０、基板１１０の裏面側に設けられた基板下部電極１１３、基板１１０の上面に設けられた接合電極１４６、反射電極１４０、およびコンタクト層１１４、を有している。

積層体１３２は、電流拡散層１１６、クラッド層１１８、発光層１２２、クラッド層１２４、および電流拡散層１２６、を有している。発光層１２２からの放出光のうち下方に向かう光が反射電極１４０により上方に向かって反射可能とされる。

図２（ｃ）のように、積層体１３２の上に設けられた細線電極１５０ａ、１５０ｂから積層体１３２へキャリアが注入されると、細線電極１５０ａ、１５０ｂの下方に発光領域ＲＲを生じる。他方、発光領域ＲＲに挟まれた領域ＡＲは、キャリアの低注入領域である。すなわち、発光層１２２からの放出光のうち横方向へ進む光ｇ１の一部は、領域ＡＲ内で吸収される。また、発光層１２２から下方に向かい反射電極１４０で反射された光ｇ２の一部も領域ＡＲ内で吸収される。

比較例では、第２の反射器を設けないので側方へ向かう光を上方に反射することが困難であるばかりではなく、発光層１２２の内部の領域ＡＲでの光損失が増加する。このため、高出力とすることが困難である。発明者らは、このような低注入領域では波長の短い側の光がより多く吸収され、取り出される光は波長の長い側の成分が含まれる割合が多くなるので発光スペクトルがシフトすることを見出した。この結果、得られる発光スペクトルは、所望の発光スペクトルからずれる問題が生じる。

これに対して、第１の実施形態では、キャリア低注入領域を除去して第２の反射器６４を設ける。このため、発光層内部での光損失が低減され、かつ上方に効率よく反射でき、高出力を得ることができる。また、発光スペクトルのシフトが抑制される。

図３（ａ）は第２の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図３（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、図３（ｃ）は領域ＥＮを部分拡大した模式断面図、である。
発光部６０は、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、およびＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）、を含むものとする。また、第１導電形はｐ形、第２導電形はｎ形、であるものとする。

第１のコンタクト層１４は、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなり、キャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３、かつ厚さが０．２μｍなどとされる。第１の電流拡散層１６は、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐからなり、キャリア濃度が４×１０^１７ｃｍ^−３、かつ厚さが０．３μｍなどとされる。第１のクラッド層１８は、Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなり、キャリア濃度が２×１０^１７ｃｍ^−３、かつ厚さが０．６μｍなどとされる。第２のクラッド層２４は、Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなり、キャリア濃度が４×１０^１７ｃｍ^−３、かつ厚さが０．６μｍなどとされる。第２の電流拡散層２６は、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐからなり、キャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３、かつ厚さが２μｍなどとされる。

発光層２２は、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．９４Ａｌ_０．０６）_０．５Ｐなどからなる井戸層と、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．４Ａｌ_０．６）_０．５Ｐなどからなる障壁層と、が交互に配列されたＭＱＷ（Multi Quantum Well）構造とされる。また、例えば井戸層の幅は１０ｎｍ、障壁層の幅は２０ｎｍなどとされる。さらに発光層２２は、アンドープまたは低濃度とされる。

また、第１のコンタクト層１４と反射電極４０との間に、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)などからなる透明電極４４がさらに設けられている。

他方、ｐ形Ｓｉなどからなる基板１０の上に、ＴｉやＰｔを含む基板上部電極１１、接合電極４６がこの順序で設けられている。反射電極４０は、一方の側では放出光を上方に効率よく反射し、他方の側では基板１０の接合金属４６とウェーハ接合が容易とされることが好ましい。

細線電極５０から注入された電子は、発光層２２に流れ込む。他方、反射電極４０からの電流ＪＴは破線で表すように透明電極４４内を横方向に流れ、並列に配置された発光部６０ａ、６０ｂ、・・・に順にＪ１、Ｊ２のように流れ込む。電流ＪＴにより発光層２２に注入されたホールが、電子と再結合し発光する。すなわち、透明電極４４を設けることにより、複数配置された発光部６０に電流ＪＴを均一に注入することが容易となる。なお、透明電極４４をコンタクト層１４と接触させることにより、全面をノンアロイコンタクトとし、合金による光損失を低減できる。

また、チップの外縁に沿って配置された発光部６０ａの外側の側面６０ｓは、第２の反射器と対向しない。もし、側面６０ｓの下方に、例えばＳｉＯ_２などからなる電流ブロック層４８を設けると、側面６０ｓからの放出光を低減し、光取り出し効率を高めることができる。この場合、透明電極４４や反射金属４０に段差を生じ、反射金属４０と接合金属４６との間に隙間４０ｃを生じやすいが、透明電極４４を設けるので、電流ＪＴを横方向に広げることは容易である。

図４は、第２の実施形態にかかる発光素子の製造方法の工程断面図であり、図４（ａ）はウェーハ接合前の模式図、図４（ｂ）はウェーハ接合後の模式断面図、図４（ｃ）は発光部および第２の反射器を形成した後の模式断面図、図４（ｄ）はチップに分割後の模式断面図、である。
図４（ａ）のように、ＧａＡｓなどからなる結晶成長基板８０に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法を用いて、積層体３２を結晶成長する。積層体３２は、結晶成長基板８０の側から、例えば、第２の電流拡散層２６、第２のクラッド層２４、発光層２２、第１のクラッド層１８、第１の電流拡散層１６、および第１のコンタクト層１４、を含む。

チップ化した場合に、最も外側となる発光部の外方へ向かう側面６０ｓの下方となる領域にＳｉＯ_２などの絶縁膜をパターニングし電流ブロック層４８とする。電流ブロック層４８および第１のコンタクト層１４を覆い、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide)などからなる透明電極４４を形成する。続いて、ＡｕＺｎ、Ａｇ、およびＡｌなどからなる第１の膜４０ａ（厚さ０．２μｍ）と、Ａｕ（厚さ０．６μｍ）を含む第２の膜４０ｂと、含む反射電極４０を形成する。第１の膜４０ａをＡｇやＡｌとすると、青色光など短い波長に対しても反射率を高くできる。なお、反射金属４０の表面は、電流ブロック層４８の高さの分だけ段差を生じる。

他方、ｐ形Ｓｉなどからなる基板１０にはＴｉ、Ｐｔなどを含む基板上部電極１１を介してＡｕを含む接合金属４６を設ける。反射電極４０と、基板１０に設けられた接合金属４６と、の表面を重ね合わせ真空中で加圧しつつ、例えば３００℃で加熱する。反射金属４０と、接合金属４６と、がＡｕを主成分として含むと、ウェーハ同士が容易に接合される。反射電極４０に生じた段差は、ウェーハ接合後に隙間４０ｃとして残ることもある。しかし、電流ブロック層４８の下方には隙間を生じないので、電流経路が確保される。

続いて、図４（ｂ）のように結晶成長基板８０を、溶液エッチング法または研磨法などを用いて除去する。さらに電流ブロック層４８の中心がダイシングロードの中心となるように、発光部６０と、第２の反射器６４と、に挟まれた領域の積層体３２をエッチングにより除去する。エッチングの深さは、少なくとも発光層２２の側面が露出するようにする。例えば、積層体３２のうち第１のコンタクト層１４をエッチングストップ層とすると、側面からの放出光Ｇ３が第２の反射器６４の側面金属層６４ａで効率よく上方に向けて反射されるので好ましい。細線電極５０の幅ＷＳを２〜２０μｍとする場合、発光部６０の上面の幅ＷＥは、例えば、２０〜１５０μｍとすることができる。また、発光部６０の高さＴＥは、３〜１０μｍなどとすることができる。

発光部６０および第２の反射器６４の側面金属層６４ａの傾きは、溶液エッチング工程およびドライエッチング工程において、エッチング液または反応ガスを変化させることによって制御できる。それぞれの傾斜が異なる場合、発光部６０と、第２の反射器６４と、のエッチング工程を分けて行えばよい。

続いて、図４（ｄ）のように、発光部６０の上面６０ｕに、細線電極５０を形成する。また、細線電極５０と接続されたパッド電極５２を形成する。さらに、第２の反射器６４の側面金属層６４ａを形成する。なお、メッキ法などを用いて、第２の反射器６４を金属ブロックで形成してもよい。

さらに、基板１０の裏面に基板下部電極１３を形成する。電流ブロック層４８を含む所定の位置にダイシングを行うと発光素子のチップが完成する。パッド電極５２を矩形とする場合、短辺の長さを８０μｍ以上とするとワイヤボンディングが容易となる。

図５（ａ）は第３の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図５（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）は領域ＥＮを部分拡大した模式断面図、である。
発光部および第２の反射器の形状は、平行な細長い矩形に限定されない。第３の実施形態では、発光部６１は、格子状に配置される。また、第２の反射器６５は、格子状の発光部６１に囲まれて支持体８に設けられる。すなわち、第２の反射器６５の４つの側面金属層６５ａは、対向する発光部６１の４つの側面からの放出光をそれぞれ上方に向けて反射することができる。なお、Ｄ−Ｄ線と直交する方向Ｅ−Ｅ線に沿った断面における発光部６１のピッチは、Ｄ−Ｄ線に沿った断面におけるピッチと同一でなくともよい。

図６（ａ）は第４の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図６（ｂ）はＦ−Ｆ線に沿った模式断面図、図６（ｃ）は領域ＥＮを部分拡大した模式断面図、である。
第１および第２の発光部６０ａ、６０ｂは、支持体８に向かうに従って幅が狭くなる。発光層２２からの放出光は、支持体８の表面に対して平行に出射しようとするが、スネルの法則により上方に屈折して放出される（Ｇ６）。このため、第２の反射器６４により上方に折れ曲げることが容易となる。また、発光部６０と第２の反射器６４との間隔を近づけることが容易となる。このように、発光部６０からの出射方向、および第２の反射器６４による反射方向、と変化させることができるので指向特性の制御がより容易となる。

図７（ａ）は第５の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図７（ｂ）はＨ−Ｈ線に沿った模式断面図、図７（ｃ）は領域ＥＮを部分拡大した模式断面図、である。
電流拡散層１６と、コンタクト層１４と、の間に第１の反射器（分布ブラッグ反射層）７０が設けられている。

分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）層７０は、第１の層と、第１の層の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の層と、が交互に積層される。放出光が、第１の層と第２の層との１ペアを通過した時、位相が２分の１波長ずれるようにすると、ペア数の増加に応じて反射が強め合い反射率を高めることができる。また、第１の層および第２の層を通過した時、位相がそれぞれ４分の１波長ずれるようにすると、反射率を高めることがさらに容易となる。このようにして、ＤＢＲ層７０の中心波長を、発光層２２からの放出光の発光波長と一致させることができる。

また、ＤＢＲ層７０は、ｐ形Ｉｎ_０．５（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_０．５Ｐ（０≦ｙ≦１）からなる第１の層と、ｐ型Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなる第２の層と、が交互に積層されたものとすることができる。第１の層と第２の層とは屈折率差を有する。第１の層と第２の層との前記ペア数は、例えば２０以上４０以下の範囲とされる。このようにしても、反射電極４０と同様に、下方へ向かう放出光を上方に向けて反射することができる。

以上、第１〜第５の実施形態によれば、発光層内部での光吸収が低減され、第１および第２の反射器により、上方への反射率が高められた発光素子が提供される。このような発光素子は、高い出力を得ることが容易であり、照明装置、表示装置、および信号機などに広く用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

８支持体、２２（２２ａ、２２ｂ）発光層、４０第１の反射器（反射電極））、５０細線電極、５２パッド電極、６０、６１発光部、６４、６５第２の反射器、６４ａ、６５ａ側面金属層、７０第１の反射器（ＤＢＲ層）、ＷＳ細線電極の幅

Claims

第１の反射器を有する支持体と、
前記支持体の上に設けられ、発光層を有し、前記発光層からの放出光のうち下方に向かう光が前記第１の反射器により上方に向かって反射可能とされた第１および第２の発光部と、
前記第１および第２の発光部の間に挟まれ前記支持体の上に設けられ、かつ下方に向かって拡幅する断面形状を有し、側面に設けられた側面金属層を有する第２の反射器と、
を備えたことを特徴とする発光素子。
前記第１および第２の発光部は、前記支持体の表面に対して垂直となる側面、および下方に向かうに従って幅が狭くなる側面のいずれかを有することを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記第１の発光部の上面に設けられ、前記第１の発光部の前記上面の幅よりも狭い幅を有する第１の細線電極と、
前記第２の発光部の上面に設けられ、前記第２の発光部の前記上面の幅よりも狭い幅を有し、前記第１の細線電極に対して平行に設けられた第２の細線電極と、
前記支持体の上に設けられ、前記第１および第２の細線電極と接続されたパッド電極と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
前記第１の反射器は、反射電極であ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。
前記第１の反射器は、分布ブラッグ反射層であ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。