JP2015028984A - 半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、側面の傾斜角度による配光特性の変化を抑制した半導体発光素子を提供することを目的とする。【解決手段】 本発明にかかる半導体発光素子は、光取出し面を上面とする半導体構造と、半導体構造の側面に設けられた反射膜と、半導体構造の下面に設けられた正電極及び負電極と、を備える。特に、半導体構造の側面は、下面から上面に向かって広がるように傾斜しており、側面の少なくとも一領域において凸部又は凹部の少なくとも一方を複数有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、ディスプレイなどに利用可能な半導体発光素子に関する。
特許文献１に記載の発光素子は、素子側面が光の取り出し方向に向かって広がった形状をしており、側面の外側に光反射材料からなる光反射部を密着させ素子と一体化させている（例えば、図４参照）。
特開2002-26382号公報
しかしながら、特許文献１に記載の発光素子では、製造ばらつきなどにより素子側面の傾斜角度（下面と側面が成す角度）が変わると、配光自体が変わってしまう恐れがある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、素子側面の傾斜角度が変わっても配光特性が変化しにくい半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体発光素子は、光取出し面を上面とする半導体構造と、半導体構造の側面に設けられた反射膜と、半導体構造の下面に設けられた正電極及び負電極と、を備える。特に、半導体構造の側面は、下面から上面に向かって広がるように傾斜しており、側面の少なくとも一領域において凸部又は凹部の少なくとも一方を複数有する。
本発明によれば、素子側面の傾斜角度が変わっても配光に影響しにくい半導体発光素子とすることができる。
図１は、第１実施形態に係る半導体発光素子を説明するための概略断面図である。 図２は、図１の半導体発光素子を光取出し面側からみた概略平面図である。 図３は、図１の半導体発光素子を正電極及び負電極側からみた概略平面図である。 図４は、第２実施形態に係る半導体発光素子を説明するための概略断面図である。
以下に図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。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、本発明を以下に限定するものではない。また、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に誇張していることがある。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、重複した説明は適宜省略する。
＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態に係る半導体発光素子１００の概略断面図を示す。図２は、半導体発光素子１００を光取り出し面となる上面から見たときの概略平面図であり、図２のＸ−Ｘにおける概略断面図が図１に相当する。さらに、図３は、半導体発光素子１００を下面から見たときの概略平面図である。なお、図３は、半導体構造１０、正電極３０及び負電極４０の関係を説明するためのものであるので、反射膜２０及びパッド電極５０は図示していない。また、図３においては、複数の凸部が形成される領域をハッチングで示してある。
半導体発光素子１００は、光取出し面を上面とする半導体構造１０と、半導体構造１０の側面に設けられた反射膜２０と、半導体構造１０の下面に設けられた正電極３０及び負電極４０と、を備える。特に、半導体構造１０の側面は、下面から上面に向かって広がるように傾斜しており、凸部を複数有する。
これにより、製造ばらつきなどにより半導体構造１０の側面の傾斜角度が素子毎に異なった場合であっても、素子間における配光特性のばらつきを抑制することが可能となる。詳述すると、半導体構造１０の側面では反射膜２０により光が上方に反射されるが、その際に側面に形成された複数の凸部により光を散乱させることができる。つまり、側面が平坦な場合は、側面の傾斜角度により光の反射方向がある程度決定されてしまうが、側面を荒らすことにより光を散乱させて特定の方向の光強度が大きくならないようにすることができる。その結果、側面の傾斜角度に依存しにくい安定した配光特性とすることができる。
以下、半導体発光素子１００に用いられる主な部材について説明する。なお、半導体発光素子１００としてはＬＥＤ（発光ダイオード）を用いる。
（半導体構造１０）
半導体構造１０は、例えば、下方から上方に向かって（図１の下側から上側に向かって）順に、第１導電型（ｐ型半導体）層、活性層、第２導電型（ｎ型半導体）層を有する構造とすることができる。このとき、半導体構造１０の上面すなわち第２導電型層の上面が光取出し面となる。半導体構造１０は、例えば、複数のＧａＮ系半導体（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなど）を積層したものを用いることができ、発光色としては例えば青色又は緑色とすることができる。なお、図２に示すとおり、半導体発光素子１００における半導体構造１０の上面視における平面形状は凸部（凹部）が設けられた面（凸部若しくは凹部の基端又は凸部若しくは凹部の基端近傍を含む面）において長方形であるが、例えば正方形とすることもできる。
半導体構造１０の側面は、下面から上面に向かって広がるように傾斜している。つまり、半導体構造１０の側面は下方から上方に向かうにつれて徐々に外側へ広がった形状である。そして、半導体構造１０の側面には反射膜２０が設けられるので、反射膜２０も下方から上方に向かって広がるように構成される。このように傾斜した反射膜２０により、光を上方に効率よく反射させることができる。
半導体構造１０の側面の傾斜角度は好ましくは９１°以上１３５°以内、より好ましくは９８°以上１２０°以内、さらに好ましくは１０２°以上１０８°以内とすることができる。これにより、光を上方へと反射させることができる。なお、ここでいう側面の傾斜角度とは、下面と側面（各凸部の基端又はその近傍を含む面）とが成す角度をさす。
本実施形態では、半導体構造１０の側面に複数の凸部が形成されている。つまり、半導体構造１０の側面は粗面化されている。かかる構成により、半導体構造１０の側面において光を乱反射させることができる。なお、例えば側面が４面ある場合、１側面の全域に凸部を設けることもできるし、１側面のうち一領域に凸部を設けることもできる。ただし、配光特性の変化を最大限に抑制するためには、本実施形態のように全ての側面においてその全域に凸部を設けることが好ましい。もちろん、半導体構造１０の側面には、複数の凸部に代えて複数の凹部を形成したり、両者を形成することもできる。
なお、凸部とは、頂部が尖ったもの、頂部が平坦なもの、頂部が曲面となっているもの等を含む。また、凹部とは、底部が尖ったもの、底部が平坦なもの、底部が曲面となっているもの等を含む。凸部（凹部）の大きさは均一であってもよいし、不均一であってもよい。また、半導体発光素子１００では、凸部は半導体構造１０の下面及び上面を除く全ての領域に設けられている。例えば、図１に示すように、正電極３０を形成する面と負電極４０を形成する面とを繋ぐ面（段差部における側面）にも凸部が設けられている。
凸部の基端は隣り合う凸部の基端と隣接するように設けることができる。つまり、隣の凸部との間に平坦な面を有さないように形成することができる。凹部を設ける場合であっても、凸部と同様、凹部の基端が隣り合う凹部の基端と隣接するように設けることができる。このように平坦面を少なくし、凸部及び／又は凹部を高密度に設けることにより、光を乱反射させやすくなる。
凸部の高さ（凹部の深さ）は、好ましくは０．１ｎｍ以上１５ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。凸部の高さを一定以上とすることにより、光を乱反射させる効果を十分に得ることができる。また、凸部の高さを一定以下とすることにより、側面において複数の凸部を比較的容易に形成することができる。
半導体構造１０の側面の凸部や凹部は、エッチング等により側面を傾斜させた後、反射膜２０の形成前にドライエッチング又はウェットエッチングにより形成することができる。好ましくは、量産性の観点からウェットエッチングにより形成することができる。ＧａＮ系半導体の場合、ウェットエッチングの溶液としては、例えばＫＯＨ水溶液や水酸化テトラメチルアンモニウムやエチレンジアミン・ピロテコールなどを用いることができ、中でも水酸化テトラメチルアンモニウムを用いるのが好ましい。
半導体構造１０の側面の全域には、多数の凸部が形成されている。このとき、半導体構造１０の上面の面積に対して、すべての側面の合計の面積（すなわち、図１及び図２において粗面化されたそれぞれの面の面積を合計した値）の比率を大きくすることができる。例えば、半導体構造１０の上面の面積に対して側面の面積が１．０倍〜２．０倍、より好ましくは１．２倍〜１．８倍、さらに好ましくは１．３倍〜１．７倍とすることができる。上面の面積と比較して側面の面積を大きくすることにより、光取り出し面に対して光が乱反射される面の割合を大きくすることができるので、本発明の効果がより顕著となる。なお、本明細書において「側面」とは、凸部（凹部）の表面を含む面そのものではなく、凸部（凹部）自体が形成される面を指すものとする。具体的には、凸部若しくは凹部の基端又は凸部若しくは凹部の基端近傍を含む一平面が「側面」となる。第２実施形態における「上面」も同様である。
半導体構造１０の上面には、酸化ケイ素、窒化ケイ素等からなる保護膜を形成してもよい。
（正電極３０及び負電極４０）
正電極３０は、ｐ型半導体層に形成されるものであり、例えば、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、銀、チタン、ロジウム、アルミニウム、クロム等を用いることができ、好ましくは酸化インジウムスズを使用することができる。これらの材料を用いることにより、当接する部材と良好なオーミック接触が得られる。
負電極４０は、ｎ型半導体層に形成されるものであり、正電極３０と同一材料を用いることもできるし、異なる材料を用いることもできる。図２及び図３に示すように、正電極３０及び負電極４０は半導体構造１０の下面に設けられており、半導体構造１０の上面全面が光取出し面となっている。これにより、光取出し効率を向上させることができる。
（反射膜２０）
反射膜２０は、光を反射できるものであればよいが、例えば、半導体構造１０の側面側から順に、絶縁膜２１（第１絶縁膜２１）と、金属膜２２と、を含むことができる。反射膜２０は、半導体構造１０の側面へと向かう光を光取出し面側へと反射させるためのものであり、各側面の全域に設けている。また、光取出し効率を向上させるために、反射膜２０を側面のみならず下面にも設けることができる。このとき、正電極３０及び負電極４０は、反射膜２０に設けた開口部にて半導体構造２０と接続される。本実施形態では、反射膜２０として絶縁膜２１と、金属膜２２と、を順に設けているが、第１絶縁膜２１のみを用いることもできるし、他の構成を採用するもできる。
第１絶縁膜２１は、半導体構造側から順に、比較的厚い単層の膜からなる第１層と、それぞれの層が比較的薄い誘電体多層膜（ＤＢＲ）からなる第２層と、を含むことができる。
第１層は、ＧａＮ系半導体よりも低屈折率の絶縁材料を用いることができる。第１層としては、酸化ケイ素、酸化ニオブ等を用いることができる。第１層の膜厚は、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下とすることができる。第１層の膜厚を一定以上とすることにより、浅い角度で入射した光を全反射させることができる。また、第１層の膜厚を一定以下とすることにより、第１層での光の吸収を抑制し第２層での反射の効果を最大限に引き出すことができる。
第２層は、いわゆるＤＢＲであり、低屈折率材質層と高屈折材質層とを組み合わせた誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜を構成する各層には、酸化ケイ素、酸化ニオブ、酸化アルミ、酸化ジルコニウム、窒化アルミ、窒化ケイ素などを用いることができ、第２層は、例えば、酸化ケイ素／酸化ニオブ、酸化ケイ素／酸化ジルコニウム、酸化ケイ素／窒化アルミ等を組み合わせたものを２ペア以上積層させるのが好ましい。これにより、第２層に対して主に垂直方向に入射する光を反射することができる。第２層の各層を構成する部材の膜厚は、発光波長及び各層を構成する材料により異なるが、例えば、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
反射膜２０として第１絶縁膜２１を設ける場合、その外側には金属膜２２を形成することができる。これにより、第１絶縁膜２１で反射できなかった光を金属膜２２で反射することができるため、反射膜全体として光を損失なく反射できる。金属膜２２としては、例えば、チタン、アルミニウム、銀、プラチナ、ロジウムから選択された少なくとも一種の金属を含むことができる。なかでも、チタン又はアルミニウムを含むことが好ましい。金属膜２２の膜厚は、６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、好ましくは１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。これにより、十分な反射を実現することができる。
また、反射膜２０の一部として、金属膜２２を覆うように第２絶縁膜２３を設けることもできる。第２絶縁膜２３は金属膜２２の保護膜として機能するものであり、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素等を用いることができる。これにより、半導体発光素子１００の最表面に金属が露出しないため、電流リークなどがない信頼性の高い半導体発光素子１００とすることができる。第２絶縁膜２３の膜厚は、５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下とすることができる。
（パッド電極５０）
パッド電極５０は、例えば、亜鉛、ニッケル、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、コバルト、鉄、マンガン、モリブデン、クロム、タングステン、ランタン、銅、銀、金、イットリウム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金属または合金またはそれらの酸化物が好ましい。具体的には、半導体構造側からチタン／ロジウム／金／チタンとできる。
＜第２実施形態＞
図４に本実施形態に係る半導体発光素子２００の概略断面図を示す。半導体発光素子２００は、次に説明する事項以外は、第１実施形態において記載した事項と実質的に同一である。
半導体発光素子２００は、半導体構造１０の側面に加えて、上面にも複数の凸部が設けられている。つまり、上面も粗面化されている。これにより、上面においても光を散乱させることができるため、傾斜角度の変化による配光特性の変化抑制の効果がより顕著となる。なお、複数の凸部に代えて複数の凹部を形成したり、両者を形成することができることについては、第１実施形態で説明したとおりである。
半導体構造１０の上面の凸部（凹部）は、反射膜２０の形成後にドライエッチング又はウェットエッチングにより形成することができる。なお、半導体発光素子２００は、半導体層を成長させるための成長基板を有しておらず、半導体構造１０の上面そのものが粗面化されている。
１００、２００…半導体発光素子
１０…半導体構造
２０…反射膜
２１…絶縁膜（第１絶縁膜）
２２…金属膜
２３…第２絶縁膜
３０…正電極
４０…負電極
５０…パッド電極

Claims (6)

  1. 光取出し面を上面とする半導体構造と、
    前記半導体構造の側面に設けられた反射膜と、
    前記半導体構造の下面に設けられた正電極及び負電極と、を備え、
    前記半導体構造の側面は、下面から上面に向かって広がるように傾斜しており、側面の少なくとも一領域において凸部又は凹部の少なくとも一方を複数有する、ことを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記半導体構造の上面は、少なくともその一領域において、凸部又は凹部の少なくとも一方を複数有する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記半導体構造の上面の面積に対して前記半導体構造の側面の面積が１．０倍〜２．０倍である、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
  4. 前記反射膜は、前記半導体構造の側面側から順に、絶縁膜と、金属膜と、を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体発光素子。
  5. 前記絶縁膜は、誘電体多層膜を含む、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
  6. 前記金属膜は、チタン、アルミニウム、ロジウム、プラチナ、銀から選択された少なくとも一種の金属を含む、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体発光素子。
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