JP2017174873A - 発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】信頼性を保ちつつ高い光取り出し効率を有する発光素子を提供する。【解決手段】発光素子は、半導体積層体と、半導体積層体の上面の一部に設けられた上部電極と、半導体積層体の下面のうち上部電極の直下領域から離間した領域に設けられた光反射性を有する下部電極と、上部電極の表面と、半導体積層体の上面と、に連続して設けられた保護膜と、を有し、下部電極の直上領域に設けられた保護膜の厚みは、上部電極の表面と、上部電極が設けられた領域の近傍領域における半導体積層体の上面と、に連続して設けられた保護膜の厚みよりも薄いことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子に関する。
特許文献１には、半導体積層体の上面側にボンディング電極が形成され、半導体積層体の下面側に金属電極が形成され、半導体積層体の表面に保護膜が形成された発光素子が記載されている。
特開２０１４−２３６０７０号
上記した発光素子では、半導体積層体の上面に均一な厚みを有する保護膜が形成されているため、保護膜の厚みが薄い場合、半導体積層体が劣化する虞がある。また、保護膜の厚みを厚くすれば半導体積層体の劣化を抑制できるが、一方で、半導体積層体からの光が保護膜により吸収されやすくなるため光取り出し効率が低下してしまう。そこで、本発明は、半導体積層体の劣化が抑制された高い光取り出し効率を有する発光素子を提供することを目的とする。
本発明の一形態に係る発光素子は、半導体積層体と、前記半導体積層体の上面の一部に設けられた上部電極と、前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域から離間した領域に設けられた光反射性を有する下部電極と、前記上部電極の表面と前記半導体積層体の上面とに連続して設けられた保護膜と、を有し、前記下部電極の直上領域に設けられた前記保護膜の厚みは、前記上部電極の表面と、前記上部電極が設けられた領域の近傍領域における前記半導体積層体の上面と、に連続して設けられた前記保護膜の厚みよりも薄い発光素子である。
以上の構成とすることにより、半導体積層体の劣化が抑制された、光取り出し効率の高い発光素子とすることができる。
実施形態１に係る発光素子の構成を模式的に示す上面図である。 実施形態１に係る発光素子の構成を模式的に示す部分断面図であり、図１のＡ−Ａ線における断面を示す。 実施形態１に係る発光素子の構成を模式的に示す上面図である。 実施形態２に係る発光素子の構成を模式的に示す部分断面図であり、図１のＡ−Ａ線における断面を示す。
＜実施形態１＞
図１は、本実施形態に係る発光素子１００の上面視を示す図である。図２は、発光素子１００の構成を説明するための部分断面図である。図３は、発光素子１００において半導体積層体１０の上面及び下面に設けられている部材が配置された領域を説明するための上面図である。図４は、実施形態２に係る発光素子２００の構成を説明するための部分断面図である。なお、図３において、ハッチングで示す領域は、上面視において下部電極１２が設けられた領域を示すものであり、断面を示すものではない。
発光素子１００は、半導体積層体１０と、半導体積層体１０の上面の一部に設けられた上部電極１１と、半導体積層体１０の下面のうち上部電極１１の直下領域から離間した領域に設けられた光反射性を有する下部電極１２と、上部電極１１の表面と半導体積層体１０の上面とに連続して設けられた保護膜１３と、を有している。そして、下部電極１２の直上領域に設けられた保護膜１３の厚みは、上部電極１１の表面と、上部電極１１が設けられた領域の近傍領域における半導体積層体１０の上面と、に連続して設けられた保護膜１３の厚みよりも薄く構成されている。
これにより、半導体積層体の劣化を抑制しつつ、光取り出し効率を向上させることができる。以下、この点について説明する。
発光素子１００では、半導体積層体１０の上面が主として光を取り出す側の面となる。そして、半導体積層体１０の表面は、半導体積層体１０の劣化を抑制するために透光性を有する保護膜１３により被覆されている。しかし、半導体積層体１０からの光の一部が保護膜１３により吸収されることにより、出力が低減する。特に、発光素子１００では、上面視において、上部電極１１と下部電極１２とを異なる領域に配置しているので、上面から見ると、下部電極１２の直上領域が強く光る傾向にある。このため、下部電極１２の直上領域において、光の一部が保護膜に吸収されやすい。一方、保護膜１３のうち、外部から電力が供給される開口部や、保護膜１３が薄く形成されている部分は、水分が侵入する虞がある。さらに、半導体積層体１０の上面のうち、上部電極１１が設けられた領域の近傍領域（以下単に「近傍領域」ともいう）は、他の領域に比較して高い電流密度となり、高い光密度となる。これらの水分と高い光密度とに起因して、近傍領域における半導体積層体１０が酸化することにより劣化しやすい傾向にある。
そこで、本実施形態では、半導体積層体１０の上面のうち、下部電極１２の直上に位置する領域に設けられる保護膜１３の厚みを薄くすることで、保護膜１３による光の吸収を軽減し光取り出し効率を向上させている。一方で、上部電極１１の表面と、近傍領域とに設けられる保護膜１３の厚みを厚く形成している。これにより、半導体積層体１０が劣化しやすい傾向にある近傍領域において、半導体積層体１０の劣化を抑制することができる。つまり、本実施形態においては、発光素子１００の信頼性を保ちつつ光取り出し効率を向上させることができる。
以下、図を参照しながら発光素子１００の構成について説明する。
半導体積層体１０は、図２に示すように、発光素子１００の下側となる基板１６が配置されている側から順に、ｐ側半導体層１０ｐと、活性層１０ａと、ｎ側半導体層１０ｎと、を有する。半導体積層体１０の上面視形状は、１辺が約２ｍｍの略正方形である。ｎ側半導体層１０ｎ、活性層１０ａおよびｐ側半導体層１０ｐには、例えば、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）などの窒化物半導体を用いることができる。
半導体積層体１０のｎ側半導体層１０ｎの上面を粗面とすることもできる。上面を粗面とすることで、光取り出し効率を向上させることができる。例えば、複数の凸部を形成することにより粗面とする場合、凸部の高さは、光取り出し効率を適切に向上させるために、０．２〜３．０μｍとすることが好ましく、０．４〜１．５μｍとすることがさらに好ましい。
上部電極１１は、図２に示すように、半導体積層体１０の上面の一部に設けられ、ｎ側半導体層１０ｎと電気的に接続されている。つまり、本実施形態において、上部電極１１はｎ電極として機能する。
上部電極１１は、外部接続部１１ａと、外部接続部１１ａから延伸する延伸部１１ｂと、を備えている。外部接続部１１ａは、ワイヤーなどの外部部材と接続するための領域であり、延伸部１１ｂは、外部接続部１１ａに供給された電流をより広い領域に拡散させるための電極である。図１に示すように、半導体積層体１０の上面には、複数の外部接続部１１ａが設けられており、それぞれの外部接続部１１ａに延伸部１１ｂが設けられている。上部電極１１には、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉなどの金属を用いることができる。
下部電極１２は、半導体積層体１０の下面の一部に設けられ、ｐ側半導体層１０ｐと電気的に接続されている。つまり、本実施形態において、下部電極１２はｐ電極として機能する。図３において左上がりの斜線のハッチングを施した領域に下部電極１２が設けられている。図３から理解できるように、下部電極１２は、半導体積層体１０の下面のうち上部電極１１の直下領域と離間した領域に設けられている。これにより、半導体積層体１０のうち上部電極１１の直下領域以外に電流が流れやすくなり、半導体積層体１０の広い範囲に電流が拡散されることで、発光素子１００の発光領域を増加させることができる。
下部電極１２は、半導体積層体１０からの光を上面側に反射し、発光素子１００の光取り出し効率を向上させる機能を有する。そのため、下部電極１２は高い反射率を有する金属を用いて形成されることが好ましく、例えば、Ａｇ、Ａｌなどの金属、又はこれらの金属を主成分とする合金を用いることができる。
保護膜１３は、発光素子１００を保護する機能を有する。保護膜１３は、上部電極１１が形成されていない半導体積層体１０の上面及び上部電極１１の表面に設けられている。なお、外部との接続を確保するために、外部接続部１１ａの一部の領域には保護膜１３は設けられておらず、この領域に導電性のワイヤーなどがボンディングされ、外部の電源と電気的に接続される。
下部電極１２の直上領域に設けられた保護膜１３の厚みは、上部電極１１の表面と、近傍領域における半導体積層体１０の上面と、に連続して設けられた保護膜１３の厚みよりも薄い。言い換えると、上部電極１１の表面と、近傍領域における半導体積層体１０の上面と、に連続して設けられた保護膜１３の厚みは、下部電極１２の直上領域に設けられた保護膜１３の厚みよりも厚い。これにより、半導体積層体１０の劣化を抑制できるとともに、半導体積層体１０からの光を効率良く取り出すことができる。なお、ここでいう保護膜１３の「厚み」とは、保護膜１３が形成される各部材の表面に垂直をなす方向における保護膜の厚みを指す。
発光素子１００において、保護膜１３は、上面視で下部電極１２の直上領域だけが部分的に薄く形成されている。つまり、それ以外の領域では保護膜１３は比較的厚く形成されている。これにより、光取出し効率をより向上させることができる。
保護膜１３は、図２示すように、半導体積層体１０の周縁部においても、比較的厚く形成されている。半導体積層体１０の周縁部、特に半導体積層体１０の上面と側面とに亘って形成される保護膜１３は薄く形成されやすい。そのため、半導体積層体１０の周縁部における保護膜１３を比較的厚く形成することで、半導体積層体１０を保護しさらに信頼性を向上できる。
下部電極１２の直上領域に設けられた保護膜１３の厚みは、上部電極１１の表面と、近傍領域における半導体積層体１０の上面と、に設けられた保護膜１３の厚みの４０％以下であることが好ましく、さらに３５％以下であることが好ましい。例えば、下部電極１２の直上領域に設けられた保護膜１３の厚みを０．２μｍとし、上部電極１１の表面と、近傍領域における半導体積層体１０の上面と、連続して設けられた保護膜１３の厚みを０．７μｍとすることが好ましい。これにより、上部電極１１の近傍領域における半導体積層体１０の劣化を抑制し信頼性を保ちつつ、半導体積層体１０からの光を効率良く取り出すことができる。
下部電極１２の直上領域に設けられた保護膜１３の厚みは、０．２〜０．３μｍとすることが好ましい。これにより、ある程度の保護機能を備えつつ、半導体積層体１０からの光の吸収をより軽減することができる。また、上部電極１１の表面と、近傍領域における半導体積層体１０の上面と、に連続して設けられた保護膜１３の厚みは、０．５〜１．０μｍとすることが好ましい。これにより、水分が保護膜１３を透過し半導体積層体１０に到達しにくくなるため半導体積層体１０の劣化を抑制できる。また、半導体積層体１０を外的な衝撃などから保護することができるので、発光素子１００の信頼性を向上できる。
保護膜１３は、延伸部１１ｂの表面と、延伸部１１ｂが設けられた領域の近傍領域を含む半導体積層体１０の上面と、に連続して設けられる。このとき、延伸部１１ｂの表面と、延伸部１１ｂが設けられた領域の近傍領域における半導体積層体１０の上面と、に設けられた保護膜１３の厚みは、下部電極１２の直上領域に設けられた保護膜１３の厚みよりも厚く形成される。これにより、半導体積層体１０の上面の広い範囲において、保護膜１３による効果が得られるため、信頼性及び光取り出し効率をさらに向上させることができる。
図２に示すように、上部電極１１は、半導体積層体１０の上面の一部に設けられた第１上部電極１１１と、第１上部電極１１１上に設けられた第２上部電極１１２と、を有することが好ましい。上部電極１１が、このような多層構造を有する場合、保護膜１３の端部は、第１上部電極１１１と第２上部電極１１２との間に介在していることが好ましい。これにより、第２上部電極１１２が設けられてない場合に比較して、上部電極１１１と保護膜１３との間からの水分の浸入を抑制し、半導体積層体１０の劣化を抑制できる。このような多層構造は、上部電極１１のうち外部接続部１１ａとなる領域にのみ設けられていればよい。これにより、上部電極１１による光吸収が軽減し出力の低減を抑制できる。
半導体積層体１０の上面のうち上部電極１１が設けられる領域の近傍領域は、その外縁が上面視において、上部電極１１の端部から１５μｍ以上３０μｍ以下の距離にあることが好ましい。つまり、保護膜１３の厚みが下部電極１２の直上領域に設けられた保護膜１３よりも厚い領域の外縁を、上部電極１１の端部からの距離が１５μｍ以上で且つ３０μｍ以下となる領域に位置させることが好ましい。近傍領域の外縁を上部電極１１の端部から１５μｍ以上離すことで、近傍領域における半導体積層体１０の劣化を抑制することができる。さらに、近傍領域の外縁を上部電極１１の端部から３０μｍ以下とすることで、半導体積層体１０の劣化を抑制しながら光取り出し効率を向上できる。
延伸部１１ｂが設けられる領域の近傍領域は、外部接続部１１ａが設けられる近傍領域に比較して電流密度が低くなるため、半導体積層体１０の劣化が生じにくい。そこで、上面視において、保護膜１３のうち厚い部分が延伸部１１ｂからはみ出す距離は、保護膜１３のうち厚い部分が外部接続部１１ａからはみ出す距離よりも短いことが好ましい。例えば、保護膜１３のうち厚い部分が延伸部１１ｂからはみ出す距離を１５μｍとし、保護膜１３のうち厚い部分が外部接続部１１ａからはみ出す距離を２０μｍとすることができる。延伸部１１ｂが設けられる領域の近傍領域において、保護膜１３を厚く形成する領域を減少させたとしても発光素子１００の信頼性を保つことができるので、保護膜１３による半導体積層体１０からの光の吸収をさらに軽減し、光取り出し効率を向上できる。
保護膜１３には、絶縁性の観点から、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮを用いることができる。本実施形態では、保護膜１３にＳｉＯ２を用いている。
保護膜１３は、スパッタリング法、蒸着法などを用いて形成することができる。本実施形態のような異なる厚みを有する保護膜１３を形成する方法としては、まず半導体積層体１０の上面に所定の厚みを有する保護膜を形成する。次に、保護膜を薄くしたい部分に開口を有するマスクを保護膜上に設け、そのマスクを介して保護膜をエッチングし、マスクを除去することで形成することができる。または、まず半導体積層体１０の上面に所定の厚みを有する保護膜を形成する。次に、保護膜を厚くしたい部分に開口を有するマスクを保護膜上に設け、マスクを介してさらに保護膜を形成する。その後、マスクを除去することで形成することができる。このような形成方法により、所望の厚みを備えた保護膜１３を形成される。
絶縁部材１４は、図２及び図３に示すように、半導体積層体１０の下面のうち上部電極１１の直下領域を含む領域に設けられている。これにより、上部電極１１の直下領域に電流が供給されにくくなり、半導体積層体１０のうち上部電極１１の直下領域以外の領域が主な発光領域となる。ここで、上部電極１１の直下領域における半導体積層体１０からの光は、上部電極１１により反射、または吸収されやすく発光素子１００から取り出すことが難しい。そのため、半導体積層体１０のうち上部電極１１の直下領域以外の領域を主な発光領域とすることで、発光素子１００の光取り出し効率を向上できる。本実施形態では、半導体積層体１０のうち上部電極１１の直下領域以外の領域、すなわち、下部電極１２が設けられた領域を主な発光領域とし、下部電極１２の直上領域に設けられた保護膜１３の厚みを薄くしている。そのため、発光素子１００の光取り出し効率を向上させることができる。
絶縁部材１４は、図３に示すように、上面視において、上部電極１１の外部接続部１１ａの直下領域と、上部電極１１の延伸部１１ｂの直下領域と、を含む領域に設けられている。また、絶縁部材１４は、上面視において、上部電極１１の直下領域に上部電極１１が設けられている領域よりも大きく形成されている。これにより、上記した絶縁部材１４による効果が得られる領域が増加し、発光素子１００の光取り出し面における輝度むらを改善できる。
絶縁部材１４には、前記した保護膜１３と同様の材料を用いることができる。本実施形態では、保護膜１３にＳｉＯ２を用いている。
絶縁部材１４の厚みは、絶縁性が確保できるように０．０５μｍ以上とすることが好ましく、０．１μｍ以上とすることがさらに好ましい。また製造コストを削減するために、絶縁部材１４の厚みは、１μｍ以下とすることが好ましく、０．５μｍ以下とすることがさらに好ましい。
接合部材１５は、半導体積層体１０と基板１６との間に設けられ、両者を接合させるために設けられる。このとき、半導体積層体１０に設けられた下部電極１２と基板１６とは、接合部材１５を介して導通している。接合部材１５は、半導体積層体１０の下面の略全域と、基板１６の上面とにそれぞれ導電性部材を設け、それらの導電性部材を接合することで形成される。接合部材１５には、接合性及び導電性の観点から、例えば、ＡｕＳｎ、ＮｉＳｎ、ＡｇＳｎなどを主成分とするはんだ材料を用いることが好ましい。
基板１６は、導電性を有し、半導体積層体１０の下方に設けられている。基板１６には、例えば、ＣｕＷ、Ｓｉ、Ｍｏを用いることができる。
＜実施形態２＞
本実施形態に係る発光素子２００について、図４を参照して説明する。
発光素子２００は、保護膜１３の構成が実施形態１と異なっている。その他の構成については実施形態１と同様である。
図４に示すように、下部電極１２の直上領域には、前記保護膜１３が設けられていない。つまり、半導体積層体１０の上面のうち下部電極１２の直上領域は、保護膜１３から露出している。このような形態であっても、実施形態１と同様に、発光素子の光取り出し効率を向上できる。また、半導体積層体１０からの光が保護膜１３に吸収されることがない領域が存在するため、実施形態１と比較して信頼性は低くなるが高い光取り出し効率を有する。
以上、実施形態１及び実施形態２について説明したが、本発明はこれらに限定されない。
１０ 半導体積層体
１０ｎ ｎ側半導体層
１０ａ 活性層
１０ｐ ｐ側半導体層
１１ 上部電極
１１ａ 外部接続部
１１ｂ 延伸部
１１１ 第１上部電極
１１２ 第２上部電極
１２ 下部電極
１３ 保護膜
１４ 絶縁部材
１５ 接合部材
１６ 基板
１００、２００ 発光素子

Claims (9)

  1. 半導体積層体と、
    前記半導体積層体の上面の一部に設けられた上部電極と、
    前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域から離間した領域に設けられた光反射性を有する下部電極と、
    前記上部電極の表面と、前記半導体積層体の上面と、に連続して設けられた保護膜と、を有し、
    前記下部電極の直上領域に設けられた前記保護膜の厚みは、前記上部電極の表面と、前記上部電極が設けられた領域の近傍領域における前記半導体積層体の上面と、に連続して設けられた前記保護膜の厚みよりも薄い発光素子。
  2. 前記保護膜は、上面視において、前記下部電極の直上領域だけが薄く形成されている請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記下部電極の直上領域に設けられた前記保護膜の厚みは、前記上部電極の表面と、前記近傍領域における前記半導体積層体の上面と、に設けられた前記保護膜の厚みの４０％以下である請求項１又は２に記載の発光素子。
  4. 半導体積層体と、
    前記半導体積層体の上面の一部に設けられた上部電極と、
    前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域から離間して設けられた光反射性を有する下部電極と、
    前記上部電極の表面と、前記半導体積層体の上面と、に連続して設けられた保護膜と、を有し、
    前記下部電極の直上領域には、前記保護膜が設けられていない発光素子。
  5. 前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域を含む領域には、絶縁部材が設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の発光素子。
  6. 前記上部電極は、外部と接続するための外部接続部と、前記外部接続部から延伸して設けられた延伸部を有し、
    前記保護膜は、前記延伸部の表面と、前記延伸部が設けられた領域の近傍領域における前記半導体積層体の上面と、に連続して設けられ、
    前記延伸部の表面と、前記延伸部が設けられた領域の近傍領域における前記半導体積層体の上面と、に設けられた前記保護膜の厚みは、前記下部電極の直上領域に設けられた前記保護膜の厚みよりも厚い請求項１から５のいずれか一項に記載の発光素子。
  7. 前記上部電極は、半導体積層体の上面の一部に設けられた第１上部電極と、前記第１上部電極上に設けられた第２上部電極と、を有し、
    前記保護膜の端部は、前記第１上部電極と前記第２上部電極との間に介在している請求項１から６のいずれか一項に記載の発光素子。
  8. 前記下部電極は、ＡｇまたはＡｇを主成分とする合金からなる請求項１から７のいずれか一項に記載の発光素子。
  9. 上面視において、前記近傍領域の外縁は、前記上部電極の端部から１５μｍ以上３０μｍ以下の距離にある請求項１から８のいずれか一項に記載の発光素子。
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