JP2015220404A - Light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光効率が向上されたIII 族窒化物半導体からなる発光素子に関する。特に、p層上に電流阻止層を設けることにより発光効率が向上されたものに関する。 The present invention relates to a light emitting device made of a group III nitride semiconductor with improved luminous efficiency. In particular, the present invention relates to a material whose luminous efficiency is improved by providing a current blocking layer on the p layer.
特許文献1、2には、p層上であってpパッド電極直下の領域に、SiO2 などの透光性と絶縁性を有した電流阻止層を設け、電流阻止層直下である発光層の一部領域が発光しないようにしたIII 族窒化物半導体からなる発光素子が記載されている。これによりpパッド電極直下の発光層を発光させないようにするとともに、p層と電流阻止層との界面で光を反射させることによって、pパッド電極による光の遮蔽、吸収を抑制し、光出力の向上を図っている。
In
しかし、特許文献1、2では、電流阻止層の領域を広げるとpパッド電極の光遮蔽、吸収が抑制されることによる光出力向上の一方で、非発光領域の拡大による光出力の低下が生じる。そのため、発光素子全体としての光出力向上のためには、両者のバランスを取る必要があった。特許文献1、2には、電流阻止層の領域についてpパッド電極直下とすること以外は特に記載がない。
However, in
そこで本発明の目的は、p層上であってpパッド電極直下の領域に透光性と絶縁性を有した電流阻止層を設けたIII 族窒化物半導体からなる発光素子において、光出力を向上させることである。 Accordingly, an object of the present invention is to improve light output in a light-emitting element composed of a group III nitride semiconductor provided with a current blocking layer having translucency and insulation in a region immediately above the p-pad electrode on the p-layer. It is to let you.
本発明は、III 族窒化物半導体からなるp層上に透明電極、p電極が順に位置したIII 族窒化物半導体からなる発光素子において、p層と透明電極との間に、絶縁性と透光性を有し、p層よりも屈折率の小さな材料からなる電流阻止層を有し、電流阻止層は、平面視においてp電極よりも外側にはみ出して設けられ、p電極の上面側角部と前記電流阻止層の上面側角部とを結ぶ直線が主面に垂直な方向に対して成す角度θは、p層から透明電極に光が入射する際の臨界角をθc(°)として、θc−10°以上θc+10°以下である、ことを特徴とする発光素子である。 The present invention relates to a light-emitting element composed of a group III nitride semiconductor in which a transparent electrode and a p electrode are sequentially arranged on a p layer composed of a group III nitride semiconductor. A current blocking layer made of a material having a refractive index smaller than that of the p layer, and the current blocking layer is provided so as to protrude outward from the p electrode in a plan view, An angle θ formed by a straight line connecting the upper surface side corner of the current blocking layer with respect to a direction perpendicular to the main surface is defined as θc (°), where θc (°) is a critical angle when light enters the transparent electrode from the p layer. The light-emitting element has a feature of being −10 ° or more and θc + 10 ° or less.
角度θが上記範囲を満たす範囲において、p電極の厚さを0.1〜5μmとし、電流阻止層は、平面視においてp電極よりも0.1〜5μmはみ出して設けられていることが望ましい。このような範囲とすることで、より光出力を向上させることができる。 In the range where the angle θ satisfies the above range, it is desirable that the thickness of the p electrode is 0.1 to 5 μm, and the current blocking layer is provided so as to protrude 0.1 to 5 μm from the p electrode in plan view. By setting it as such a range, an optical output can be improved more.
電流阻止層の厚さは、電流阻止層の厚さは、λ/(4n)(nは電流阻止層の屈折率、λは発光波長)よりも厚く、かつ1500nm未満とすることが望ましい。このような範囲とすることでより光出力を向上させることができる。 The thickness of the current blocking layer is preferably greater than λ / (4n) (where n is the refractive index of the current blocking layer and λ is the emission wavelength) and less than 1500 nm. By setting it as such a range, an optical output can be improved more.
電流阻止層の材料としてSiO2 、前記透明電極の材料としてITOを用いることができる。 SiO 2 can be used as the material for the current blocking layer, and ITO can be used as the material for the transparent electrode.
p電極は、素子外部と電気的に接続される接続部と、接続部から配線状に延びる配線状部とを有した構造としてもよい。この場合、少なくとも平面視において接続部を含む領域に電流阻止層を設けることが望ましい。また、配線状部の平面パターンを素子外周に沿ったループ状としてもよい。素子の信頼性を向上させることができる。 The p-electrode may have a structure having a connection portion that is electrically connected to the outside of the element and a wiring-like portion that extends in a wiring shape from the connection portion. In this case, it is desirable to provide a current blocking layer in a region including the connection portion at least in plan view. Further, the planar pattern of the wiring portion may be a loop shape along the outer periphery of the element. The reliability of the element can be improved.
電流阻止層および透明電極は、平面視において接続部と重なる領域に第1の孔を有し、接続部の一部領域は、第1の孔を介してp層と接するようにしてもよい。接続部直下の発光層の領域を発光させないようにして光出力を向上させつつ、接続部の密着性を向上させることができる。 The current blocking layer and the transparent electrode may have a first hole in a region overlapping with the connection portion in plan view, and a partial region of the connection portion may be in contact with the p layer through the first hole. It is possible to improve the adhesiveness of the connecting portion while improving the light output by preventing the light emitting layer region immediately below the connecting portion from emitting light.
本発明の発光素子は、透明電極とp電極との間に絶縁膜をさらに有し、絶縁膜に開けられた第2の孔によって透明電極とp電極とが電気的に接続されており、p電極は、配線状部に接続し、第2の孔を介して透明電極と接触するコンタクト部をさらに有し、絶縁膜中であって、平面視において接続部および記配線状部と重なる領域に反射膜を有し、電流阻止層は、平面視においてコンタクト部を含む領域にのみ設けられた構成としてもよい。この場合、電流阻止層の総面積を、p電極の接続部の面積よりも小さくするとよい。p層と透明電極とが接触する面積が増大し、駆動電圧を低減することができる。 The light-emitting element of the present invention further includes an insulating film between the transparent electrode and the p electrode, and the transparent electrode and the p electrode are electrically connected by the second hole opened in the insulating film. The electrode further includes a contact portion that is connected to the wiring-like portion and contacts the transparent electrode through the second hole, and is in the insulating film and overlaps with the connection portion and the wiring-like portion in plan view. It may have a configuration in which a reflection film is provided and the current blocking layer is provided only in a region including the contact portion in plan view. In this case, the total area of the current blocking layer may be smaller than the area of the connection portion of the p electrode. The area where the p layer and the transparent electrode are in contact with each other increases, and the driving voltage can be reduced.
本発明において屈折率は、発光素子の発光波長における値とする。以下、本明細書において特に断りのない限り屈折率について同様の意味とする。 In the present invention, the refractive index is a value at the emission wavelength of the light emitting element. Hereinafter, the refractive index has the same meaning unless otherwise specified.
本発明によれば、p電極の光遮蔽・吸収低減による光出力向上の効果と、発光面積の減少による光出力低下の効果の両者のバランスが取れ、発光素子の光出力を向上させることができる。 According to the present invention, both the effect of improving the light output by reducing the light shielding / absorption of the p electrode and the effect of reducing the light output by reducing the light emitting area can be balanced, and the light output of the light emitting element can be improved. .
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.
図1は、実施例1のIII 族窒化物半導体からなる発光素子の構成を模式的に示した断面図である。また、図2は、実施例1の発光素子を上方から見た平面図である。図1は、図2におけるA−Aでの断面である。図2のように、実施例1の発光素子は、平面視で長方形のフェイスアップ型素子である。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a light-emitting element made of a group III nitride semiconductor of Example 1. FIG. 2 is a plan view of the light emitting device of Example 1 as viewed from above. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. As shown in FIG. 2, the light-emitting element of Example 1 is a rectangular face-up element in plan view.
図1のように、実施例1の発光素子は、サファイア基板10と、サファイア基板10上にバッファ層(図示しない)を介して位置するn層11と、n層11上に位置する発光層12と、発光層12上に位置するp層13を有している。n層11、発光層12、p層13はIII 族窒化物半導体からなる。また、p層13表面側からn層11に達する溝19が形成され、溝19の底面にはn層11が露出する。また、p層13上のほぼ全面に透明電極14が形成され、透明電極14上の所定の領域にp電極15が形成されている。また、溝19の底面のn層11上にはn電極16が形成されている。さらに、p層13と透明電極14との間の所定領域には、電流阻止層17が設けられている。以下、実施例1の発光素子の各構成についてより詳細に説明する。
As shown in FIG. 1, the light emitting device of Example 1 includes a
サファイア基板10は、その主面上にIII 族窒化物半導体を結晶成長させるための成長基板である。主面は、たとえばa面やc面である。サファイア基板10のn層11側の表面には光取り出し率を向上させるためにドット状、ストライプ状などの凹凸加工が施されていてもよい。また、サファイア以外にもIII 族窒化物半導体を結晶成長可能な任意の材料の基板を用いることができる。たとえば、SiC、Si、ZnOなどを用いてもよい。
The
n層11は、サファイア基板10の表面上にAlNからなるバッファ層(図示しない)を介して位置している。また、n層11は、サファイア基板10側から順に、nコンタクト層、ESD層、nクラッド層が積層された構造である。nコンタクト層は、たとえばSi濃度が1×1018/cm3 以上のn−GaNからなる。nコンタクト層はSi濃度の異なる複数の層で構成してもよい。ESD層は、たとえばノンドープGaNとn−GaNを積層した層であり、静電耐圧を高めるための層である。nクラッド層は、たとえばInGaNとn−GaNを交互に繰り返し積層した超格子構造の層である。
The
発光層12は、井戸層、保護層、障壁層がこの順に積層された構造を単位として、その単位構造が繰り返し積層されたMQW構造である。繰り返し回数は3〜10回である。井戸層はInGaNからなり、厚さは1〜5nmである。保護層はGaNやAlGaNであってバンドギャップが障壁層のバンドギャップ以下である。井戸層側から順にGaN、AlGaNの積層としてもよい。この保護層は井戸層と同じ温度で成長させる層である。厚さは2〜20Åである。障壁層はAlGaNからなる。Al組成比は3〜10%であり、厚さは1〜10nmである。障壁層はAlGaN単層に限らず、複数の層で構成してもよい。たとえば、Al組成比の異なる複数の層とすることができる。
The light-emitting
p層13は、発光層12側から順にpクラッド層とpコンタクト層が積層された構造である。pクラッド層は、p−InGaNとp−AlGaNが交互に繰り返し積層された超格子構造である。p−InGaNのIn組成比は5〜12%であり、厚さは2nmである。また、p−AlGaNのAl組成比は25〜40%であり、厚さは2.5nmである。また、pコンタクト層はMg濃度が1×1019/cm3 以上で厚さが80nmのp−GaNである。pコンタクト層はMg濃度の異なる複数の層で構成してもよい。
The
電流阻止層17はSiO2 からなり、p層13上であって、p電極15直下の領域に形成されている。電流阻止層17を設けて平面視で電流阻止層17に重なる発光層12の一部領域を発光させないようにすることで、p電極15による光の遮蔽・吸収を抑制し、光出力の向上を図っている。また、p層13と電流阻止層17との界面における反射あるいは屈折によって、電流阻止層17上部のp電極15に光が向かわないようにする。電流阻止層17の平面パターンについては後述する。
The
電流阻止層17は、発光波長に対して透光性を有し、かつ絶縁性を有した材料であって、屈折率がp層13よりも小さな材料であれば、SiO2 以外にも任意の材料を用いることができる。p層13が複数の層で構成される場合には、最も電流阻止層17に近い層よりも屈折率が低ければよい。本実施例ではp層13が基板側から順にp型クラッド層、p型コンタクト層の積層であるから、p型コンタクト層よりも低い材料であればよい。たとえば、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物などであり、具体的にはSiO2 、SiN、SiON、Al2 O3 、TiO2 、ZrO2 、HfO2 、Nb2 O5 、MgF2 などを用いることができる。それらの材料の単層でも多層でもよく、光学膜厚が1/4波長で屈折率が異なる2種類の膜を交互に積層させた誘電体多層膜としてもよい。そのような誘電体多層膜を用いると反射率の向上によってp電極15へと向かう光が減少し、p電極15による光の吸収が低減されるため、発光効率をより向上させることが可能である。
The
電流阻止層17の厚さd3は、λ/(4n)(λは発光波長、nは電流阻止層17の屈折率)より厚くすることが望ましい。λ/(4n)より厚くすることで絶縁性と反射機能を十分とすることができる。より望ましくは100nm以上である。また、電流阻止層17の厚さは、1500nm未満とすることが望ましい。これよりも厚いと、その厚さに起因する段差によって、ワイヤや透明電極14、p電極15などに断切れなどの不具合が生じてしまう可能性があるためである。また、p電極15により光が遮蔽・吸収される割合も高まり、光取り出し率が低下してしまう。より望ましくは500nm以下である。
The thickness d3 of the
また、電流阻止層17は、その側面がp層13表面に対して5〜60°の傾斜を有していてもよい。すなわち、素子に垂直な断面での形状は台形状(テーパー形状)となっていてもよい。このような形状とすることで、透明電極14、p電極15、p電極15と接続するワイヤなどの断切れを防止することができる。より望ましい傾斜角度は5〜30°である。
The side surface of the
透明電極14はITOからなり、p層13上および電流阻止層17上に連続して形成されている。そのため、透明電極14は、電流阻止層17の上部で凸に波打った膜状の形状に形成されている。透明電極14の表面に凹凸形状を設け、光取り出し効率を向上させてもよい。透明電極14の材料にはITO以外にも、発光波長に対して透光性を有した導電性材料を用いることができ、たとえばIZO(亜鉛ドープの酸化インジウム)、ICO(セリウムドープの酸化インジウム)などを用いることができる。透明電極14の厚さは、10〜100nmとすることが望ましい。10nmより薄いと電流を拡散させることが難しくなり、100nmより厚いと透明電極14自身による光吸収やp電極15による光遮蔽・吸収が増大するため望ましくない。より望ましい厚さは20〜80nmであり、さらに望ましくは30〜70nmである。
The
p電極15は透明電極14上に位置している。p電極15の材料は、Ti/Pt/Auなどである。ここで記号「/」は、積層を意味し、A/BはAを成膜した後Bを成膜した積層構造であることを意味する。以下においても材料の説明において「/」を同様の意味で用いる。n電極16は、溝19の底面に露出したn層11のnコンタクト層上に位置している。溝19は、半導体層(n層11、発光層12、p層13)の一部に設けられたものであり、p層13表面からn層11のnコンタクト層に達する深さである。図2のように、p電極15は、ワイヤ(図示しない)によって素子外部と電気的に接続するpパッド部15aと、pパッド部15aに連続して線状に延びるp配線状部15bを有している。このp配線状部15bによって電流の面内拡散性を向上させ、発光の均一性を向上させるとともに光出力の向上を図っている。n電極16も同様に、ワイヤによって素子外部と電気的に接続するnパッド部16aと、nパッド部16aに連続して線状に延びるn配線状部16bを有している。
The
p電極15の厚さは、0.1〜5μmとすることが望ましい。この範囲とすれば、p電極15の光遮蔽・吸収が抑制され、光出力を向上させることができる。より望ましくは1〜4.5μmであり、さらに望ましくは1.5〜4μmである。p電極15の厚さは、pパッド部15aとp配線状部15bとで厚さを変えてもよい。
The thickness of the p-
次に、p電極15、n電極16、電流阻止層17の平面パターンについて、図2を参照に順に説明する。
Next, planar patterns of the
図2のように、実施例1の発光素子は平面視において長方形である。その長方形の一方の短辺中央近傍に、p電極15のpパッド部15aが位置している。そして、そのpパッド部15aに連続して、長方形の各長辺に沿って延びる2本の直線状のパターンにp配線状部15bが形成されている。
As shown in FIG. 2, the light-emitting element of Example 1 is rectangular in plan view. Near the center of one short side of the rectangle, the
次にn電極16の平面パターンについて説明する。n電極16のnパッド部16aは、pパッド部15aの配置側とは反対側の短辺中央近傍に位置している。そして、そのnパッド部16aに連続して、長辺方向に延びる一本の直線状のパターンにn配線状部16bが形成されている。このn電極16を形成するための溝19は、図2のように、n電極16の平面パターンよりも一回り大きいパターンに形成されている。
Next, the planar pattern of the
電流阻止層17の平面パターンは、図2に示すように、p電極15の平面パターンよりも所定幅はみ出したパターンであり、およそp電極15の平面パターンを相似拡大したパターンである。そのはみ出し幅Wについては後で詳しく説明する。
As shown in FIG. 2, the planar pattern of the
また、図3のように、pパッド部15a中央部の直下の領域において、電流阻止層17および透明電極14に孔18が開けられている。図3は、図2におけるB−Bでの断面を示した図である。B−Bは、平面視において、pパッド部15aを通り、pパッド部15aの外周に垂直な方向である。この孔18を介してpパッド部15aの中央部はp層13に直接接しており、pパッド部15aの外周部のみが透明電極14に接している。このように、pパッド部15aの中央部を透明電極14ではなくp層13に接触させることで、pパッド部15aの密着性を向上させている。また、pパッド部15aとp層13ではコンタクトが悪いため、pパッド部15aから孔18を介してp層13へと流れる電流はほとんどない。そのため孔18直下の発光層12の一部領域は発光しない。つまり、pパッド部15a中央部の直下に電流阻止層17を設けた場合とほぼ同等の効果が得られる。
Further, as shown in FIG. 3, a
次に、電流阻止層17のはみ出し部分について、図4を参照により詳細に説明する。図4は、図3におけるpパッド部15aの端部近傍を拡大して示した図である。
Next, the protruding portion of the
図4のように、電流阻止層17は、p電極15のpパッド部15aに対して幅Wはみ出して形成されている。ここではみ出し幅Wは、平面視において、p電極15の外周に垂直な方向でのp電極15の外周から電流阻止層17の外周までの距離を示すものとする。ただし、p電極15あるいは電流阻止層17の側端面が傾斜している場合にはp電極15上面での外周と電流阻止層17上面での外周との差である。このように電流阻止層17が幅Wはみ出している結果、pパッド部15a端部近傍は階段状の段差を有している。
As shown in FIG. 4, the
この階段状の段差の角度θ(°)は、p層13から透明電極14へ向かう光の臨界角θc(°)近傍の角度となっている。臨界角θc近傍とは具体的にはθc−10°以上θc+10°以下の範囲である。角度θは、pパッド部15aの上面側角部15cと、電流阻止層17の上面側角部17cとを結ぶ直線Lを取ったときに、直線Lが素子の主面に対して成す角度として定義する。また、臨界角θcは、θc=arcsin(n2/n1)、ここでn1はp層13の屈折率、n2は透明電極14の屈折率、である。実施例1ではp層13はGaNで屈折率2.5、透明電極14はITOで屈折率1.8であるから、臨界角θcは46°であり、角度θの範囲は36°以上56°以下である。
The angle θ (°) of the stepped step is an angle near the critical angle θc (°) of light traveling from the
また、角度θは、p電極15の厚さをd1、透明電極14の厚さをd2として、
θ=arctan(W/(d1+d2))
である。ここで、d2はd1に比べて2桁ほど小さい値であり、
θ〜arctan(W/d1)
と近似できる。つまり、角度θはp電極15の厚さに対する電流阻止層17のはみ出し幅Wによっておおよそ決まる。
Further, the angle θ is set such that the thickness of the
θ = arctan (W / (d1 + d2))
It is. Here, d2 is a value that is two orders of magnitude smaller than d1,
θ to arctan (W / d1)
Can be approximated. That is, the angle θ is approximately determined by the protrusion width W of the
なお、上記説明はpパッド部15aにおける電流阻止層17のはみ出し幅Wであるが、p配線状部15bにおいても電流阻止層17は同様に幅Wはみ出している。
In addition, although the said description is the protrusion width W of the
角度θを臨界角θc−10°以上θc+10°以下の範囲とするために、p電極15の厚さd1(外周部での厚さ)は0.1〜5μm、はみ出し幅Wは0.1〜5μmとするとよい。
In order to make the angle θ in the range of the critical angle θc−10 ° or more and θc + 10 ° or less, the thickness d1 (thickness at the outer peripheral portion) of the
電流阻止層17のはみ出し幅Wを、角度θが臨界角θc−10°以上θc+10°以下の範囲となるようにすると、光出力を向上させることができる。その理由は以下の通りである。
The light output can be improved by setting the protrusion width W of the
電流阻止層17を設けると、p電極25の光遮蔽・吸収抑制という光出力向上にとってプラスの効果と、発光面積の減少という光出力向上にとってマイナスの効果の2つの相反する効果がある。この2つの効果のバランスは、角度θの制御によって取ることが可能である。
Providing the
はみ出し幅Wを小さくして角度θを小さくした場合、電流阻止層17の面積は小さくなるので発光面積が増えて光出力は向上する。しかし、角度θが小さいために発光領域からp電極15へ向かう光が増え、p電極15による光の遮蔽・吸収が増加して光取り出し率が低下する。
When the protrusion width W is reduced and the angle θ is reduced, the area of the
一方、はみ出し幅Wを大きくして角度θを大きくした場合、発光領域からp電極15へ向かう光は減少し、p電極15による光の遮蔽・吸収が抑制されて光取り出し率が向上する。しかし、電流阻止層17の面積が増大して発光面積が減少し、光出力は低下する。
On the other hand, when the protrusion width W is increased and the angle θ is increased, the light traveling from the light emitting region toward the
また、発光層12から放射され、p層13から透明電極14へ向かう光のうち、臨界角θc以上の入射角度の光はp層13と透明電極14の界面で全反射され、素子外部へ取り出すことはできない。つまり、素子外部へ取り出すことができるのは臨界角θcよりも小さな光である。
Of the light emitted from the
これらのことから、角度θを0°から大きくしていくと、最初はp電極25の光遮蔽・吸収抑制のプラスの効果が支配的で、全体として光出力は向上していくが、角度θが臨界角θc以上となると、p電極25の光遮蔽・吸収抑制の効果は次第に飽和していき、発光面積の減少のマイナスの効果が支配的となっていく。その結果、θが臨界角θcでは素子全体としては光出力が減少していく。
From these facts, when the angle θ is increased from 0 °, the positive effect of the light shielding / absorption suppression of the p-
したがって、角度θは臨界角θc付近とすることが望ましく、光出力を十分に向上させるためには、θはθc−10°以上θc+10°以下とするのがよい。角度θが上記範囲であれば、はみ出し幅Wを一定とする平面パターンに電流阻止層17が形成されていなくともよい。より望ましい角度θの範囲はθc−5°以上θc+5°以下であり、さらに望ましくはθc−3°以上θc+3°以下である。
Therefore, it is desirable that the angle θ be close to the critical angle θc. In order to sufficiently improve the light output, it is preferable that θ be θc−10 ° or more and θc + 10 ° or less. If the angle θ is within the above range, the
実施例1の場合、臨界角θcは46°であるから、角度θは、36°以上56°以下とするのがよい。より望ましくは41°以上51°以下であり、さらに望ましくは43°以上49°以下である。 In the case of Example 1, the critical angle θc is 46 °, and therefore the angle θ is preferably 36 ° or more and 56 ° or less. More desirably, it is 41 ° or more and 51 ° or less, and further desirably 43 ° or more and 49 ° or less.
以上、実施例1では、電流阻止層17がp電極15よりも幅Wはみ出して設けられ、そのはみ出しによる段差の角度θをθc−10°以上θc+10°以下としている。これにより、p電極15の光の遮蔽・吸収抑制によるプラスの効果と、非発光領域の拡大による光出力低下のマイナスの効果とのバランスが取れ、発光素子の光出力を向上させることができる。
As described above, in Example 1, the
[実験例]
図5は、p電極15の厚さd1に対する電流阻止層17のはみ出し幅Wの比率(W/d1)と光出力との関係を示したグラフである。光出力は、W/d1が200%の場合の実際の出力値を基準とした相対値である。d1は2μmで固定し、はみ出し幅Wを変化させた。また、電流阻止層17の厚さは0.2μm、透明電極14の厚さは50nmとした。
[Experimental example]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the ratio of the protrusion width W of the
図5のように、W/d1が100%のとき(すなわち角度θが45°)までは、W/d1が増加に伴い光出力も増加していき、100%を越えると光出力は次第に減少していく。その減少はおよそ線形である。この結果から、光出力のピークは角度θを臨界角θcとした場合であることが推察される。 As shown in FIG. 5, the light output increases as W / d1 increases until W / d1 is 100% (that is, the angle θ is 45 °), and the light output gradually decreases when it exceeds 100%. I will do it. The decrease is approximately linear. From this result, it is inferred that the peak of light output is the case where the angle θ is the critical angle θc.
図6は、実施例2のIII 族窒化物半導体からなる発光素子の構成を模式的に示した断面図である。図7は、実施例2の発光素子を上方から見た平面図である。図6は図7におけるA−Aでの断面図である。図7のように、実施例2の発光素子は平面視で長方形のフェイスアップ型素子である。 FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a light-emitting element made of a group III nitride semiconductor of Example 2. FIG. 7 is a plan view of the light-emitting element of Example 2 as viewed from above. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. As shown in FIG. 7, the light emitting element of Example 2 is a rectangular face-up element in plan view.
実施例2の発光素子は、図6のように、基板20と、基板20上にバッファ層(図示しない)を介して位置するn層21と、n層21上に位置する発光層22と、発光層22上に位置するp層23を有している。n層21、発光層22、p層23はIII 族窒化物半導体からなる。また、p層23表面側からn層21に達する溝が形成され、溝の底面にはn層21が露出する。また、p層23上に位置する透明電極24と、透明電極24上、および溝底面に露出するn層21上に連続して位置する絶縁膜29と、を有している。そして、絶縁膜29上にはp電極25とn電極26がそれぞれ分離して設けられている。さらに、p層23と透明電極24との間の所定領域には、電流阻止層27が設けられている。
As shown in FIG. 6, the light emitting device of Example 2 includes a
絶縁膜29は、溝の底面に露出するn層21表面から透明電極24表面にかけて覆うようにして形成されている。絶縁膜29は、SiO2 からなる。SiO2 以外にも、SiN、Al2 O3 、TiO2 などを用いることができる。また、絶縁膜29の所定の位置に孔31が設けられ、絶縁膜29を貫通している。この孔31は、後に説明するp電極25のp配線状部25bによって埋められている。
The insulating
絶縁膜29中であって、平面視においてp電極25、n電極26に重なる領域には、反射膜30が設けられている。反射膜30は絶縁膜29中にあるため、電気的に絶縁されており、マイグレーションが防止される。この反射膜30は、p電極25、n電極26方向へ向かう光を反射させることでp電極25、n電極26による光の吸収を抑制し、これにより発光効率を向上させるために設けるものである。
A
反射膜30は、Al、Ag、Al合金、Ag合金など、p電極25やn電極26の材料よりも反射率の高い材料からなる。反射膜30は単層としてもよいし多層としてもよい。多層とする場合、Al合金/Ti、Ag合金/Al、Ag合金/Ti、Al/Ag/Al、Ag合金/Niなどを用いることができる。反射膜30と絶縁膜29との密着性を向上させるために、Ti、Cr、Alなどの薄膜を、反射膜30と絶縁膜29との間に設けてもよい。
The
また、反射膜30として、誘電体多層膜を採用することもできる。誘電体多層膜は、低屈折率材料と高屈折率材料が交互に積層され、それぞれの光学膜厚が発光波長の1/4に設計された多層膜である。低屈折率材料としては、SiO2 、MgF2 、などを用いることができ、高屈折率材料としては、SiN、TiO2 、ZrO2 、Ta2 O5 、Nb2 O5 などを用いることができる。誘電体多層膜の反射率を向上させるために、低屈折率材料と高屈折率材料の屈折率差は大きいほど望ましい。また、積層ペア数も大きいほど望ましく、5ペア以上とすることが望ましい。ただし、誘電体多層膜の総膜厚が大きくなり、製造工程において不具合を生じないよう、積層ペア数は30ペア以下とするのがよい。
Further, a dielectric multilayer film can be employed as the
p電極25は、pパッド部25a、p配線状部25b、pコンタクト部25c、によって構成されている。
The
pパッド部25aは、絶縁膜29上に位置した円形の領域であり、ワイヤによって素子外部と電気的に接続される領域である。p配線状部25bは、絶縁膜29上に位置し、pパッド部25aから延びる配線状の部分であり、配線状とすることで電流を面方向に拡散させるものである。また、p配線状部25bは、絶縁膜29に設けられた孔31の内部にも形成されている。pコンタクト部25cは、透明電極24上に設けられた複数のドット状の円形の領域である。また、pコンタクト部25cは、絶縁膜29に設けられた孔31を介して、p配線状部25bと接続されている。このpコンタクト部25cは、p電極25と透明電極24とが良好にコンタクトをとるために設けるものである。なお、孔31とpコンタクト部25cは、平面視で同一形状である必要はなく、平面視において孔31がpコンタクト部25cに含まれる形状であればよい。
The
図7のように、pパッド部25aは、一方の短辺中央近傍に位置している。そのpパッド部25aから、2本の直線状のp配線状部25bが延びている。p配線状部25bは、一方の長辺近傍に、その長辺に沿って延びる直線状の部分と、他方の長辺近傍に、その長辺に沿って延びる直線状の部分とを有している。その直線状部分は、孔31によって面垂直方向に分岐していて、その分岐端で円形のpコンタクト部25cに接続している。
As shown in FIG. 7, the p-
n電極26は、p電極25と同様に、nパッド部26a、n配線状部26b、nコンタクト部26cによって構成されていて、それぞれの部分の役割もp電極25の場合と同様である。図7のように、nパッド部26aは、pパッド部25aが位置する側とは反対側の短辺中央近傍に位置している。そして、nパッド部26aから一本の直線状のn配線状部26bが長辺に沿って延びていて、n配線状部26bの2本の直線状の間に位置している。
Similarly to the
p電極25のうちpパッド部25aを除く領域、およびn電極26のうちnパッド部26aを除く領域は、保護膜32が形成されている。電流のショートなどを防止するためである。
A
電流阻止層27は、図6に示すように、平面視においてpコンタクト部25cを含む領域にのみ位置している。また、図7のように、電流阻止層27は平面視において、中心をpコンタクト部25cと同一とする円である。
As shown in FIG. 6, the
p電極25の他の部分、pパッド部25aとp配線状部25bと重なる領域には、実施例2のように電流阻止層27を設けないことが望ましい。pパッド部25aと重なる領域に設けない理由は、実施例1の場合と異なり実施例2の素子では反射膜30が設けられておりpパッド部25aへ向かう光は低減できるので、この領域に電流阻止層27を設けても発光効率の向上はわずかであり、素子作製の容易さ、製造コストなどから設けない方が好ましいためである。p配線状部25bと重なる領域に設けない理由は、この領域に電流阻止層27を設けるとかえって発光効率を低下させてしまうからである。これに対し、pコンタクト部25cと重なる領域は反射膜30を設けることができない領域であるから、そこに電流阻止層27を設けることで、pコンタクト部25cによる光遮蔽・吸収を効果的に抑制することができる。
It is desirable that the
電流阻止層27は、p電極25のpコンタクト部25cに対して幅Wはみ出して形成されている。ここではみ出し幅Wは、平面視において、pコンタクト部25cの外周に垂直な方向でのp電極25の外周から電流阻止層27の外周までの距離を示すものとする。このように電流阻止層27が幅Wはみ出している結果、pコンタクト部25c端部近傍は階段状の段差を有している。
The
この階段状の段差の角度θ(°)は、p層23から透明電極24へ向かう光の臨界角θc(°)近傍の角度となっている。臨界角θc近傍とは具体的にはθc−10°以上θc+10°以下の範囲である。角度θの定義は実施例1と同様である。すなわち、pコンタクト部25cの上面側角部と、電流阻止層27の上面側角部とを結ぶ直線Lを取ったときに、直線Lが素子の主面に対して成す角度である。このように、角度θをθc−10°以上θc+10°以下の範囲としているため、光出力を向上させることができる。
The angle θ (°) of the stepped step is an angle near the critical angle θc (°) of light traveling from the p layer 23 to the
電流阻止層27の総面積、つまり各pコンタクト部25cごとに分散されて設けられた電流阻止層27の面積をすべて足し合わせた面積は、pパッド部25aの面積よりも小さい。これにより、p層23と透明電極24とが接触する面積を広く取ることができ、コンタクト抵抗を低減することができるので、駆動電圧を低減することができる。
The total area of current blocking layers 27, that is, the total area of current blocking layers 27 distributed and provided for each
他の電流阻止層27の構成(材料、厚さ、側面の傾斜など)は、実施例1の電流阻止層17と同様とすることができる。
The configuration of other current blocking layers 27 (material, thickness, side slope, etc.) can be the same as that of the
以上、実施例2の発光素子では、実施例1と同様に、電流阻止層27がp電極25よりも幅Wはみ出して設けられ、そのはみ出しによる段差の角度θをθc−10°以上θc+10°以下としているので、光出力を向上させることができる。また、電流阻止層27の総面積をpパッド部25aよりも小さくしているので、駆動電圧を低減することができる。
As described above, in the light emitting device of Example 2, the
なお、本発明は実施例1、2のようなフェイスアップ型の素子だけでなく、フリップチップ型の素子にも適用することができる。 The present invention can be applied not only to the face-up type elements as in the first and second embodiments but also to the flip-chip type elements.
また、本発明においてp電極、n電極の平面パターンは、実施例1、2に示したパターン以外も採用することができる。たとえば、p電極のp配線状部のパターンは、長方形の短辺および長辺に沿ったループ状のパターンに形成してもよい。p配線状部をループ状とすることで、素子の信頼性を向上させることができる。つまり、仮にp配線状部の一部が断線しても、逆回りに電流が流れるので発光面積の減少を抑制でき、光出力の減少を抑制できる。また、n電極はnパッド部のみでn配線状部を有しないパターンとしてもよい。その場合、p電極は、pパッド部から長辺に沿って延びる一本の直線状としたパターンや、pパッド部から長辺に沿って延びる一本の直線が素子中央付近で短辺に沿って二股に分岐するパターンとしてもよい。 Further, in the present invention, the plane pattern of the p electrode and the n electrode may be other than the patterns shown in the first and second embodiments. For example, the pattern of the p-wiring portion of the p-electrode may be formed in a loop pattern along the short side and the long side of the rectangle. The reliability of the element can be improved by making the p-wiring portion into a loop shape. That is, even if a part of the p-wiring portion is disconnected, the current flows in the reverse direction, so that the reduction of the light emitting area can be suppressed and the reduction of the light output can be suppressed. Further, the n electrode may be a pattern having only n pad portions and no n wiring portions. In that case, the p electrode has a single linear pattern extending from the p pad portion along the long side or a single straight line extending from the p pad portion along the long side along the short side near the center of the element. Alternatively, the pattern may be bifurcated.
また実施例1において、電流阻止層は、平面視においてpパッド部を含む領域とp配線状部を含む領域の両方に設けているが、少なくともpパッド部を含む領域に設けられていればよい。ただし、p配線状部を含む領域にも設けることにより、さらなる光取り出しの向上を図ることができる。また実施例2において、平面視においてp配線状部と重なる領域に反射膜を設けない場合には、その領域に電流阻止層を設けてもよい。また、平面視においてpパッド部と重なる領域に反射膜を設けない場合には、その領域に電流阻止層を設けてもよい。 Further, in Example 1, the current blocking layer is provided in both the region including the p pad portion and the region including the p wiring portion in plan view, but it is sufficient that the current blocking layer is provided in at least the region including the p pad portion. . However, the light extraction can be further improved by providing it also in the region including the p-wiring portion. In Example 2, when a reflective film is not provided in a region overlapping the p-wiring portion in plan view, a current blocking layer may be provided in that region. In addition, when a reflective film is not provided in a region overlapping with the p pad portion in plan view, a current blocking layer may be provided in that region.
本発明のIII 族窒化物半導体からなる発光素子は、照明装置や表示装置の光源として利用することができる。 The light-emitting element comprising the group III nitride semiconductor of the present invention can be used as a light source for a lighting device or a display device.
10、20:基板
11、21:n層
12、22:発光層
13、23:p層
14、24:透明電極
15、25:p電極
15a、25a:pパッド部
15b、25b:p配線状部
16、26:n電極
16a:nパッド部
16b:n配線状部
17、27:電流阻止層
18、31:孔
25c:pコンタクト部
26c:nコンタクト部
29:絶縁膜
30:反射膜
10, 20:
Claims (8)
前記p層と前記透明電極との間に、絶縁性と透光性を有し、前記p層よりも屈折率の小さな材料からなる電流阻止層を有し、
前記電流阻止層は、平面視において前記p電極よりも外側にはみ出して設けられ、
前記p電極の上面側角部と前記電流阻止層の上面側角部とを結ぶ直線が主面に垂直な方向に対して成す角度θは、p層から透明電極に光が入射する際の臨界角をθc(°)として、θc−10°以上θc+10°以下である、
ことを特徴とする発光素子。 In a light-emitting element composed of a group III nitride semiconductor in which a transparent electrode and a p electrode are sequentially disposed on a p layer composed of a group III nitride semiconductor,
Between the p layer and the transparent electrode, has a current blocking layer made of a material having insulating properties and translucency and having a refractive index smaller than that of the p layer,
The current blocking layer is provided so as to protrude outward from the p electrode in plan view,
An angle θ formed by a straight line connecting the upper surface side corner of the p electrode and the upper surface side corner of the current blocking layer with respect to a direction perpendicular to the main surface is a critical point when light enters the transparent electrode from the p layer. The angle is θc (°) and θc−10 ° or more and θc + 10 ° or less.
A light emitting element characterized by the above.
前記電流阻止層は、平面視において前記p電極よりも0.1〜5μmはみ出して設けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 The p electrode has a thickness of 0.1 to 5 μm,
The current blocking layer is provided so as to protrude by 0.1 to 5 μm from the p electrode in a plan view.
The light-emitting element according to claim 1.
前記接続部の一部領域は、前記第1の孔を介して前記p層と接する、
ことを特徴とする請求項5に記載の発光素子。 The current blocking layer and the transparent electrode have a first hole in a region overlapping the connection portion in a plan view,
A partial region of the connection portion is in contact with the p layer through the first hole.
The light-emitting element according to claim 5.
前記絶縁膜に開けられた第2の孔によって前記透明電極と前記p電極とが電気的に接続されており、
前記p電極は、前記配線状部に接続し、前記第2の孔を介して前記透明電極と接触するコンタクト部をさらに有し、
前記絶縁膜中であって、平面視において前記接続部および前記配線状部と重なる領域に反射膜を有し、
前記電流阻止層は、平面視において前記コンタクト部を含む領域にのみ設けられていて、
前記電流阻止層の総面積は、前記p電極の前記接続部の面積よりも小さい、
ことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の発光素子。 Further comprising an insulating film between the transparent electrode and the p-electrode,
The transparent electrode and the p electrode are electrically connected by a second hole opened in the insulating film,
The p-electrode further has a contact portion connected to the wiring-like portion and in contact with the transparent electrode through the second hole,
In the insulating film, having a reflective film in a region overlapping the connection portion and the wiring-like portion in plan view,
The current blocking layer is provided only in a region including the contact portion in plan view,
A total area of the current blocking layer is smaller than an area of the connection portion of the p-electrode;
The light-emitting element according to claim 5, wherein the light-emitting element is provided.
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