JP2012169392A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 均一な発光を得つつ発光出力を向上させることが可能な発光素子を提供することを課題とする
【解決手段】 一実施形態に係る発光素子は、第１半導体と、第１半導体上に設けられた第２半導体と、第１半導体上に設けられた第１電極と、第２半導体上に設けられた第２電極と、を有し、第１電極及び第２電極が設けられた側で光取り出しが可能となっている。第２半導体は第１半導体が露出するように開口した開口部を有し、第１電極は外部と接続するための第１接続部と第１接続部から延伸する第１延伸部とを有し、第１接続部は第２半導体上に絶縁部を介して設けられ、第１延伸部は開口部から露出した第１半導体と接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、第１半導体と、第２半導体と、第１半導体に接続された第１電極と、第２半導体に接続された第２電極と、を有する発光素子に関する。

従来、「台座電極」（本明細書の「接続部」に相当する。）と「台座電極」から延伸する「補助電極」（本明細書の「延伸部」に相当する。）とからなる電極を有する発光素子が提案されている（例えば特許文献１）。引用文献１には、「補助電極」を設けることにより均一な発光が得られる旨が記載されている。

特開2001‐345480号公報

しかしながら、従来の構造では「台座電極」の近傍が過度に発光してしまうため、均一な発光を得ることが難しいという問題があった。さらに、従来の構造では他方の「台座電極」を設けるために半導体の一部を除去してしまうため、発光領域が減少してしまうという問題もあった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、発光ムラを軽減し発光出力を向上させることが可能な発光素子を提供することを課題とする。

一実施形態に係る発光素子は、第１半導体と、第１半導体上に設けられた第２半導体と、第１半導体上に設けられた第１電極と、第２半導体上に設けられた第２電極と、を有し、第１電極及び第２電極が設けられた側で光取り出しが可能となっている。第２半導体は第１半導体が露出するように開口した開口部を有し、第１電極は外部と接続するための第１接続部と第１接続部から延伸する第１延伸部とを有し、第１接続部は第２半導体上に絶縁部を介して設けられ、第１延伸部は開口部から露出した第１半導体と接続されている。

実施形態１に係る発光素子を光取り出し側から見た平面図である。 図１のＸ−Ｘ部における断面図である。 図１のＹ−Ｙ部における断面図である。 実施形態１に係る発光素子の発光状態を説明するための図である。

以下、本発明に係る発光素子を実施するための形態について
、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、特に記載しない限り本発明を以下に限定するものではない。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明は適宜省略する。

＜第１実施形態＞
図１は本実施形態に係る発光素子１００を光取り出し側からみた平面図であり、図２は図１におけるＸ−Ｘ部の断面図であり、図３は図１におけるＹ−Ｙ部の断面図である。図４は本実施形態に係る発光素子１００の発光状態を示す図である。なお、図１においては説明を簡便にするため、図２又は図３における第１透光部３０ｃ、絶縁部５１、第１反射部５２、第２反射部５３は図示していない。

図１〜４に示すように、発光素子１００は、第１半導体１０と、第１半導体１０上に設けられた第２半導体２０と、第１半導体１０上に設けられた第１電極３０と、第２半導体２０上に設けられた第２電極４０と、を有し、第１電極３０及び第２電極４０が設けられた側で光取り出しが可能となっている（つまり、発光素子１００は所謂フェイスアップ実装用の発光素子に関するものである。）。第２半導体２０は、第１半導体１０が露出するように開口した開口部２１を有する。第１電極３０は、外部と接続するための第１接続部３０ａと、第１接続部３０ａから延伸する第１延伸部３０ｂと、を有する。そして、第１接続部３０ａは第２半導体２０上に絶縁部５１を介して設けられ、第１延伸部３０ｂは開口部２１から露出した第１半導体１０と接続されている。

これにより、より均一な発光とすることができるとともに、より高い発光出力とすることができる。以下、そのメカニズムについて説明する。

一般に、接続部には発光素子に電流を流すためにワイヤなどの導電性部材が直接接続される。その結果、接続部から近い領域では電流密度が高くなり、接続部から遠い領域では電流密度が低くなる。これを補うために、接続部から延伸する延伸部を設け、より広い領域に電流を拡散させる試みもされている。しかし、延伸部を設けたとしても接続部近傍における電流密度が圧倒的に高いので、接続部近傍のみが過度に発光してしまい、素子全体として均一な発光を得ることは困難であった。

そこで、本実施形態では、第1接続部３０ａを第２半導体２０上に絶縁部５１を介して設け、第１延伸部３０ｂを開口部２１から露出した第１半導体１０に接続する構成とした。つまり、第１接続部３０ａは第１半導体１０と電気的に直接接続されておらず、第１延伸部３０ｂが第１半導体１０と電気的に直接接続されている。これより、第1接続部３０ａから第１半導体１０に直接電流が流れることを防止しつつ第1接続部３０ａから離れた領域において第１電極３０と第１半導体１０を電気的に接続することが可能となるので、第1接続部３０ａ近傍における過度な発光を抑制しより均一な発光とすることができる。図４から、第１接続部３０ａ近傍で過度に発光することなく、開口部２１における第１半導体１０と第１延伸部３０ｂとの接触領域を中心として全体としてより均一に発光していることがわかる。

さらに、従来のフェイスアップ実装用の発光素子は、光取り出し側から半導体（本明細書の「第２半導体」に相当する。）の一部を除去し、除去した領域（本明細書の「第１半導体」に相当する。）に接続部（本明細書の「第１接続部」に相当する。）を直接設けていた（例えば特許文献１の図１等参照。）。ここで、半導体を除去する際には、除去した半導体と極性の異なる接続部とを絶縁すること等を理由として、接続部よりも一回り大きい半導体領域を除去する必要がある。つまり、接続部よりも一回り大きい領域は本来であれば直接発光可能な領域であるが、従来の発光素子では接続部を形成するために、当該領域が除去されており、結果として発光領域が減少していた。当該領域の面積は素子全体の面積に比較すれば小さいものであるが、さらなる発光出力の向上が望まれている昨今においては決して無視できない問題である。

そこで、本実施形態では、第１接続部３０ａを第１半導体１０上に直接形成せずに、第１半導体１０側から順に第２半導体２０及び絶縁部５１を介して形成している。これにより、第1接続部３０ａの下部及びその近傍に第１半導体１０だけでなく第２半導体２０を残した構成とすることができるので、第1接続部３０ａの下部及びその近傍も発光領域とすることができる（図４参照）。つまり、従来の発光素子と比較して発光領域を大きく取ることができるので、素子全体としての発光出力をより向上させることができる。以下、発光素子１００を構成する主な構成要素について説明する。

（第１半導体１０及び第２半導体２０）
第１半導体１０は、第１電極３０ａを接続させるための部材であり、第２半導体２０と異なる極性を有する。同様に、第２半導体２０は、第２電極４０を接続させるための部材であり、第１半導体１０と異なる極性を有する。本実施形態では、第１半導体１０をｎ型、第２半導体２０をｐ型としている。

第２半導体２０には、第１半導体１０が露出するように開口した開口部２１が設けられている。ここでは図１に示すように、開口部２１は、第１延伸部３０ｂの延伸方向に長い形状をしており、第１延伸部３０ｂと第２半導体２０が被らないように（つまり、開口部２１の内側に第１延伸部３０ｂが配置されるように）、第１延伸部３０ｂよりも一回り大きい幅を有する。

ここでは、説明の便宜上、第１半導体１０及び第２半導体２０を含む半導体から構成される部位を半導体部とする。半導体部は、少なくとも第１半導体１０及び第２半導体２０を含む層から構成されるが、各層を構成する材料については限定されず、種々のものを採用することができる。本実施形態では、各層の材料として窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１））を用いた。窒化物半導体はＧａＡｓ等の他の材料と比較して半導体内部の抵抗が大きいため電流を均一に流すことが難しい。したがって、本実施形態の構成は、半導体部を窒化物半導体で構成した場合に特に効果的である。

半導体部の構造については限定されず、種々のものを採用することができる。本実施形態では、第１半導体１０と第２半導体２０の間に多重量子構造の活性層等（図示せず）を介在させた構成とした。

本実施形態では、基板６０上に第１半導体１０及び第２半導体２０を順に形成している。半導体部が窒化物半導体からなる場合、基板５０としてはサファイア等を用いることができる。ただし、基板５０は必須ではなく、例えば、第１半導体１０及び第２半導体２０を成長した後に除去することもできるし、基板５０を用いずに第１半導体１０を成長基板として第２半導体２０を成長させることもできる。

（第１電極３０）
第１電極３０は、光取り出し側において第１半導体１０と電気的に接続される電極であり、第1接続部３０ａと第１延伸部３０ｂを備える。第1接続部３０ａはワイヤ等の導電部材を介して外部から電流が供給される部位であり、第１延伸部３０ｂは、第１接続部３０ａから部分的に延伸しており、第１接続部３２に注入された電流を延伸方向に広げるための部位である。

図１では、第１延伸部３０ｂは、第１接続部３０ａ側から順に、第２半導体２０上に絶縁部５１を介して設けられた非導通領域（第１接続部３０ａと同様である）と、開口部２１内において第１半導体１０上に直接形成された導通領域と、を有する。第１接続部３０ａに近く発光が過度に強くなり易い領域を非導通領域とし、第１接続部３０ａから遠く発光が過度に強くなり難い領域を導通領域とすることで、より均一な発光が可能となる。

本実施形態のように、第１電極３０は、第１透光部３０ｃをさらに備えることが好ましい。つまり、本実施形態の第１電極３０は、第１接続部３０ａ、第１延伸部３０ｂ及び第１透光部３０ｃから構成されている。第１透光部３０ｃは、開口部２１内において第１半導体１０と第１延伸部３０ｂとの間に設けられる部材であり、第１延伸部３０ｂから供給された電流を第１半導体３０にさらに拡散させるためのものである。第１透光部３０ｃは透光性を有するので第１透光部を介して半導体部からの光を取り出すことができる。

第１電極３０の構造や材料については限定されず種々のものを用いることができる。本実施形態では、第1接続部３０ａ及び第１延伸部３０ｂとして、Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ａｕ（半導体部側からＴｉ、Ｒｈ、Ｗ及びＡｕが順に積層されていることを意味する。）を用い、第１透光部３０ｃとしてＩＴＯを用いた。ここでは、第1接続部３０ａ及び第１延伸部３０ｂを一体に形成した。

（第２電極４０）
第２電極４０は、光取り出し側において第２半導体２０と電気的に接続される電極である。図１に示すように、第２電極４０は、外部と接続するための第２接続部４０ａと、第２接続部４０ａから延伸する第２延伸部４０ｂと、を備えることが好ましい。これにより、ワイヤ等の導電部材が直接接続される第２接続部４０ａだけでなく第２延伸部４０ｂを介して電流を流すことができるので、より均一に発光させることができる。

第１延伸部３０ｂは第２接続部４０ａに向かって延伸し、第２延伸部４０ｂは第１延伸部３０ｂの両側に配置されていることが好ましい（図１参照）。第１延伸部３０ｂが第２接続部４０ａに向かって延伸するように構成することで、第１延伸部３０ｂの延伸方向において電流を流れやすくすることができる。さらに、第２延伸部４０ｂを第１延伸部３０ｂの両側に配置することで（つまり、２つの第２延伸部４０ｂのそれぞれを第１延伸部３０ｂと対向するように配置することで）、第１延伸部３０ｂの延伸方向に垂直をなす両方向においても電流を流れやすくすることができる。これにより、第１延伸部３０ｂからあらゆる方向に電流が拡散しやすく、結果としてより均一に発光させることができる。

図１に示すように、第２延伸部４０ｂは開口部２１を超えて延伸していることが好ましい。つまり、第１延伸部３０ｂの延伸方向に長い開口部２１の第１接続部３０ａ側の端部を通り第１延伸部３０ｂの延伸方向と垂直をなす直線よりも、第２延伸部４０ｂの端部が第１接続部３０ａ側に配置されるように構成されている。これにより、第２延伸部４０ｂを第1接続部３０ａの近くまで延伸させることができるので、第1接続部３０ａの下部及び近傍における発光を向上させることができる。

本実施形態のように、第２電極４０は、第２透光部４０ｃをさらに備えることが好ましい。つまり、本実施形態の第２電極４０は、第２接続部４０ａ、第２延伸部４０ｂ及び第２透光部４０ｃから構成される。第２透光部４０ｃは第２半導体２０と第２接続部４０ａ及び第２延伸部４０ｂとの間に設けられる部材であり、第２接続部４０ａ及び第２延伸部４０ｂは第２透光部４０ｃ上に部分的に形成されている。これにより、第２接続部４０ａ及び第２延伸部４０ｂから供給された電流を第２半導体２０の面内方向にさらに拡散させることができる。さらに、第２透光部４０ｃは透光性を有するので第２透光部を介して半導体部からの光を取り出すことができる。第２電極４０が、第２透光部４０ｃを備える場合、第２延伸部４０ｂは、第２透光部４０ｃにおける第１延伸部３０ｂから遠い側の縁部近傍に設けることができる。これにより、より広い領域に電流を供給することができる。

第２透光部４０ｃは、第２半導体２０上の略全面に設けられている（説明を簡便にするため、図１では第２透光部４０ｃの外縁を第２半導体２０の外縁に一致させているが、実際は図２及び図３に示すように第２半導体２０の外縁の若干内側に形成されている。）。図２に示すように、第２透光部４０ｃは、絶縁部５１を介して第１接続部３０ａの下部及び近傍にも形成されている。これにより、従来であれば、第１接続部を第１半導体に直接設けるために除去していた部分を直接発光に寄与する部分として残すことができるので、発光出力をより向上させることができる。

第２電極４０の構造や材料については限定されず種々のものを用いることができる。本実施形態では、第２接続部４０ａ及び第２延伸部４０ｂとして、Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ａｕ（半導体部側からＴｉ、Ｒｈ、Ｗ及びＡｕが順に積層されていることを意味する。）を用い、第２透光部４０ｃとしてＩＴＯを用いた。ここでは、第２接続部４０ａ及び第２延伸部４０ｂを一体に形成した。

（第１反射部５２）
図３に示すように、第１延伸部３０ｂが延伸する方向に垂直をなす方向における断面視において、第１延伸部３０ｂは、第１半導体１０側から順に第１幅狭領域と第１幅広領域とを有することができる。そして、第１電極３０は、第１半導体１０と第１延伸部３０ｂとの間に、第１幅狭領域より幅が広い第１透光部３０ｃを有し、第１幅狭領域には、第１反射部５２が埋設されていることが好ましい。これにより、Ｖｆの低減、発光出力の向上及び発光の均一化が可能なバランスに優れた発光素子とすることができる。

Ｖｆを下げるためには第１延伸部３０ｂの断面積を増やせばよい。第１延伸部３０ｂの断面積を増やすことで、その内部抵抗が低下し、結果として素子全体としてのＶｆを低下させることができるからである。しかし、第１延伸部３０ｂの断面積を単純に増やすと発光出力の低下を伴ってしまう。第１延伸部３０ｂは構成材料やその膜厚に起因して透光性に乏しい（例えば非透光性）ので、半導体部からの光は第１延伸部３０ｂにより遮られてしまい光の取り出し効率が低下してしまうからである。一方、第１延伸部３０ｂによる光の吸収を抑制するために第１延伸部３０ｂの断面積を小さくしてしまうと、Ｖｆが上昇するだけでなく、第１延伸部３０ｂと第１半導体１０との接触面積が小さくなるので電流を効果的に広げることが困難となる。

そこで本実施の形態では、第一に、第１延伸部３０ｂに第１幅広領域を設けている。これにより、第１延伸部３０ｂが第１幅狭領域だけである場合に比較して、全体としての断面積を大きくすることができるので、発光素子１００のＶｆを低下させることができる。第二に、第１延伸部３０ｂにおいて第１半導体１０に近い側を第１幅狭領域とし、第１幅広領域と第１透光部３０ｃの間において、第１幅狭領域に隣接させるように第１反射部５２を設けている。これにより、第１幅広領域における光の吸収を抑制することができるので、Ｖｆを低下させつつ光の取り出し効率を向上させることができる。第三に、第１幅狭領域よりも幅の広い第１透光部３０ｃを設けている。これにより、第１延伸部３０ｂが第１幅狭領域で第１半導体１０と直接接合される場合に比較して、第１電極３０と第１半導体１０との接触面積をより大きくすることができるので、Ｖｆを低下させ光取り出し効率を向上させつつ、電流をより拡散させることができる。ここでは、第１透光部３０ｃの幅を第１幅広領域よりも広くし、電流拡散の効果がより顕著に得られるようにしている。

第１反射部５２の構造や材料については限定されず、種々のものを用いることができる。本実施形態では、Ｎｂ_２Ｏ_５及びＳｉＯ_２を１ペアとしてこれを順に３回繰り返した誘電体多層膜を第１反射部５２として用いた。本実施形態では、絶縁部５１と第１反射部５２とを一体に形成した。絶縁部５１や第１反射部５２として、ＳｉＯ_２の単層を用いてもよい。

（第２反射部５３）
図３に示すように、第２延伸部４０ｂが延伸する方向に垂直をなす方向における断面視において、第２延伸部４０ｂは、第２半導体２０側から順に第２幅狭領域と第２幅広領域とを有することができる。そして、第２電極４０は、第２半導体２０と第２延伸部４０ｂとの間に、第２幅狭領域より幅が広い第１透光部３０ｃを有し、第２幅狭領域には、第２反射部５３が埋設されていることが好ましい。本実施の形態では、第２反射部５３は第１反射部５２と同じ構成とした。その効果については第１反射部５２と同様なのでここでは繰り返さない。

（その他）
図１に示すように、発光素子１００を光取り出し側から見た平面視において、発光素子の形状は、第1接続部３０ａと第２接続部４０ａとを結ぶ方向を長手方向とする長方形であり、第1接続部３０ａが長手方向の一方の端部近傍に設けられ、第２接続部４２が前記長手方向の他方の端部近傍に設けられていることが好ましい。長方形の発光素子において、第1接続部３０ａが長手方向における一方の端部近傍にあると、短手方向における第1接続部３０ａから発光素子の縁部までの距離が、長手方向における第1接続部３０ａから発光素子の縁部までの距離よりも短くなる。その結果、第1接続部３０ａからみて短手方向の発光が強くなってしまい、長手方向の発光が弱くなってしまうので、発光ムラが生じやすい傾向がある（第２接続部４０ａについても同様である。）。しかし、本実施形態に係る発光素子であれば、第１延伸部３０ｂにより長手方向においても効果的に電流を流すことができるので、より均一な発光が可能となる（第２延伸部４０ｂについても同様である。）。

発光素子の形状が長方形である場合、（長辺の長さ）／（短辺の長さ）の値は、好ましくは５／３以上、より好ましくは５／２以上とすることができる。値が大きくなるほど長手方向に長くなるので、上記効果をより顕著に得ることができる。発光素子１００では、（長辺の長さ）を約７００μｍとし、（短辺の長さ）を約２４０μｍとした。

図１に示すように、平面視において、発光素子１００は第1接続部３０ａと第２接続部４０ａとを結ぶ直線を基準として線対称となるように構成されていることが好ましい。半導体部、第１電極３０及び第２電極４０を含む発光素子そのものを線対称となるように構成することにより、平面視における発光ムラをより低減させることができる。なお、本明細書において「線対称」とは、線で分けられた両者が完全に線対称である場合だけでなく、両者に多少のずれがある場合であっても実質的に線対称であるとして、「線対称」の範囲内とする。

本実施形態では、第１延伸部３０ｂと第１透光部３０ｃとを直線状に連続で接触するように構成したが、例えばドット状に不連続で接触させることもできる（第２延伸部４０ｂと第２透光部４０ｃとの関係についても同様である。）。同様に、本実施形態では、第１半導体１０と第１電極３０とを直線状に連続で接触するように構成したが、例えばドット状に不連続で接触させることもできる。

１００…発光素子
１０…第１半導体
２０…第２半導体
３０…第１電極
３０ａ…第１接続部
３０ｂ…第１延伸部
３０ｃ…第１透光部
４０…第２電極
４０ａ…第２接続部
４０ｂ…第２延伸部
４０ｃ…第２透光部
５１…絶縁部
５２…第１反射部
５３…第２反射部
６０…基板

Claims (8)

1. 第１半導体と、前記第１半導体上に設けられた第２半導体と、前記第１半導体上に設けられた第１電極と、前記第２半導体上に設けられた第２電極と、を有し、前記第１電極及び前記第２電極が設けられた側で光取り出しが可能な発光素子において、
   前記第２半導体は、前記第１半導体が露出するように開口した開口部を有し、
   前記第１電極は、外部と接続するための第１接続部と、前記第１接続部から延伸する第１延伸部と、を有し、
   前記第１接続部は、前記第２半導体上に絶縁部を介して設けられ、
   前記第１延伸部は、前記開口部から露出した前記第１半導体と接続されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記第２電極は、外部と接続するための第２接続部と、前記第２接続部から延伸する第２延伸部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第１延伸部は、前記第２接続部に向かって延伸し、
   前記第２延伸部は、前記第１延伸部の両側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
4. 平面視において、前記発光素子の形状は、前記第１接続部と前記第２接続部とを結ぶ方向を長手方向とする長方形であり、
   前記第１接続部が前記長手方向の一方の端部近傍に設けられ、前記第２接続部が前記長手方向の他方の端部近傍に設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の発光素子。
5. 平面視において、前記発光素子は、前記第１接続部と前記第２接続部とを結ぶ直線を基準として線対称となるように構成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の発光素子。
6. 前記第２延伸部は、前記開口部を超えて延伸していることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の発光素子。
7. 前記第１延伸部が延伸する方向に垂直をなす方向における断面視において、
   前記第１延伸部は、前記第１半導体側から順に第１幅狭領域と第１幅広領域とを有し、
   前記第１電極は、前記第１半導体と前記第１延伸部との間に、前記第１幅狭領域より幅が広い第１透光部を有し、
   前記第１幅狭領域には、第１反射部が埋設されていることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の発光素子。
8. 前記第２延伸部が延伸する方向に垂直をなす方向における断面視において、
   前記第２延伸部は、前記第２半導体側から順に第２幅狭領域と第２幅広領域とを有し、
   前記第２電極は、前記第２半導体と前記第２延伸部との間に、前記第２幅狭領域より幅が広い第２透光部を有し、
   前記第２幅狭領域には、第２反射部が埋設されていることを特徴とする請求項２から７のいずれかに記載の発光素子。