JP2017183462A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑えながら、光の取出し効率を向上させることができる発光素子を提供すること。
【解決手段】発光素子は、光の取出し面と側面とを有する半導体層を備える。前記半導体層は、クラッド層と、活性層とを含む。前記クラッド層は、前記取出し面と、前記側面のうち、前記取出し面に対して第１の角度で設けられたクラッド層側面とを有する。前記活性層は、前記側面のうち、前記取出し面に対して前記第１の角度とは異なる第２の角度で設けられた活性層側面を有する。
【選択図】図１

Description

本技術は、半導体材料を用いた発光素子に関する。

半導体発光素子の大きな課題の１つに、（光の）取出し効率が低いことが挙げられる。取出し効率とは、発光素子内の活性層からの発光と、発光素子からの出射光の比率である。屈折率の高い物質（半導体）と低い物質（例えば、空気や樹脂）の界面では、臨界角を超えて入射した光は全反射する。発光素子の取出し面で全反射が起こると、その光が発光素子内に閉じ込められて、電極での吸収や、発光素子を構成する材料の内部吸収によって、取出し効率が低下する。

特許文献１に記載の半導体発光素子は、当該素子の上面（取出し面）や底面に対して斜角をなす側部表面を備えている（例えば、特許文献１の段落［００３２］参照。）。しかし、この半導体発光素子では、取出し効率を高めるためのさらなる改良の余地があると考えられる。

そこで、特許文献２には、半導体層の側面が曲面形状に形成された半導体発光素子が開示されている（例えば、特許文献２の段落［００１３］参照）。

特開1998-341035号公報 特開2006-196694号公報

しかしながら、特許文献２の半導体発光素子は、側面全体を曲面形状にするための加工を含む製造工程におけるコストが増える。

本開示の目的は、製造コストを抑えながら、光の取出し効率を向上させることができる発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る発光素子は、光の取出し面と側面とを有する半導体層を備える。
前記半導体層は、クラッド層と、活性層とを含む。
前記クラッド層は、前記取出し面と、前記側面のうち、前記取出し面に対して第１の角度で設けられたクラッド層側面とを有する。
前記活性層は、前記側面のうち、前記取出し面に対して前記第１の角度とは異なる第２の角度で設けられた活性層側面を有する。

この構成により、活性層側面で反射された活性層からの光のうち、取出し面で反射される光を少なくすることができる。このような発光素子の簡易な構成により製造コストを抑えながら、取出し効率を向上させることができる。

前記取出し面は平面であってもよい。
このように、取出し面が平面であっても、第２の角度が次のような適切な条件を満たすことにより、高い取出し効率を実現できる。

前記活性層で発生し前記活性層側面で反射された光が、臨界角未満で、前記取出し面に入射するような角度に、前記第２の角度が設定されていてもよい。

第２の角度は、所定の式を満たすことにより、高い取出し効率を実現できる。

前記活性層で発生し前記活性層側面で反射された光が、前記クラッド層側面に側面で反射され、前記取出し面から出射するような角度に、前記第２の角度が設定されていてもよい。

前記取出し面は、凹凸部を有していてもよい。
このように、取出し面が凹凸部を有する場合に、第２の角度が次のような適切な条件を満たすことにより、高い取出し効率を実現できる。

前記活性層で発生し前記活性層側面で反射された光が、臨界角未満で、前記凹部の内面に入射するような角度に、前記第２の角度が設定されていてもよい。

他の一形態に係る発光素子は、光の取出し面と側面とを有する半導体層を備える。
前記半導体層は、クラッド層と、活性層とを含む。
前記クラッド層は、前記取出し面を有する。
前記活性層は、前記側面のうち、発光素子の外側へ凸の曲面形状に設けられた活性層側面を有する。

以上、本技術によれば、製造コストを抑えながら、光の取出し効率を向上させることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

図１Ａは、本技術の第１実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。図１Ｂは、その発光素子の半導体層の側面を拡大して示す図である。 図２は、参考例に係る発光素子において、活性層側面で反射する光成分について、照度分布のシミュレーション画像を示す。 図３は、第１実施形態について、赤、青、および緑色の光を発する材料でなる発光素子の、適切な活性層側面の角度を示す表である。 図４は、具体例１に係る半導体素子（赤色光を発する素子）および参考例のそれぞれの取出し効率のシミュレーション結果を示すグラフである。 図５は、本技術の第２実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図であり、半導体層の側面を拡大して示す図である。 図６は、第２実施形態について、赤、青、および緑色の光を発する材料でなる発光素子の、適切な活性層側面の角度を示す表である。 図７は、具体例２に係る発光素子（赤色光を発する素子）および上記第１実施形態に係る発光素子（赤色光を発する素子）について、取出し効率を検証した結果を示すグラフである。 図８は、上記具体例２に係る発光素子において、αを45から90の間で変えた時のシミュレーション結果を示す。 図９Ａは、本技術の第３実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。図９Ｂは、その発光素子の半導体層の側面を拡大して示す図である。 図１０Ａ、Ｂは、式１０における値x、h、dの意味を説明するための図である。 図１１は、本技術の第４実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 図１２Ａは、本技術の第５実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。図１２Ｂは、その発光素子の半導体層の側面を拡大して示す図である。 図１３は、活性層側面が平面である場合の反射光線を示す図である。 図１４Ａ〜Ｃは、種々の形態に係る、半導体層のうちクラッド層の形状をそれぞれ示す。 図１５Ａ、Ｂは、発光素子の周囲にパッケージが設けられる例をそれぞれ示す。 図１６は、取出し面を有するクラッド層が、それぞれ異なる角度で設けられた複数の側面を有する形態に係る発光素子を示す。

以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下の説明では、図面を参照する場合において、素子およびそれを構成する要素の位置または方向を指し示すために「上」、「下」、「左」、「右」、「縦」、「横」、「水平」、「垂直」などの文言を用いる場合があるが、これは説明の便宜上の文言に過ぎない。すなわち、これらの文言は、説明を理解しやすくするために使用される場合が多く、素子が実際に製造されたり使用されたりする場面における位置や方向と一致しない場合がある。

１．第１実施形態

１．１）発光素子の構成

図１Ａは、本技術の第１実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。

この発光素子１００Ａは、半導体発光素子であり、すなわちＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。発光素子１００Ａは、半導体層３０を備える。半導体層３０は、光の取出し面（上面）３０２、側面３０３、および底面３０１を含む。例えば、底面３０１、取出し面３０２に、電極１１、１２がそれぞれ設けられている。

半導体層３０は、クラッド層３５および活性層３３を含む。クラッド層３５は、底面３０１を含む第１導電型層３１、取出し面３０２を含む第２導電型層３２を有する。典型的には、第１導電型層３１はｐ型導電層であり、第２導電型層３２はｎ型導電層である。もちろん、その逆であってもよい。活性層３３は、第１導電型層３１および第２導電型層３２の間に設けられている。

半導体層３０の側面３０３は、クラッド層３５の側面であるクラッド層側面３５ｓと、活性層３３の側面である活性層側面３３ｓとを含む。

少なくとも取出し面３０２は平面に構成されている。また、取出し面３０２と底面３０１とは、実質的に平行に構成されている。平面視において、取出し面３０２の面積が、底面３０１の面積より大きくなるように、クラッド層側面３５ｓの、取出し面３０２に対する傾斜角α（°）（第１の角度）が設定されている。

本実施形態では、第１導電型層３１の側面３１ｓの角度と、第２導電型層３２の側面３２ｓの角度とは、実質的に同じαとなっている。取出し面３０２に対する活性層側面３３ｓの傾斜角（第２の角度）を、以降の説明では、β（°）とする。本技術では、これらの角度α、βが異なるように設定されている。

図１Ａに示すように、活性層３３で発生して取出し面３０２から出射する光は、主に光成分Ｌ１と光成分Ｌ２を含む。光成分Ｌ２は、活性層３３で発生して活性層側面３３ｓで反射した光が、臨界角未満で取出し面３０２に入射する光の成分である。光成分Ｌ１は、活性層３３で発生した光が、第２導電型層３２の側面３２ｓで反射され、臨界角未満で取出し面３０２に入射する光の成分である。

本技術では、光成分Ｌ２に着目する。図２は、参考例に係る発光素子において、主に活性層側面３３ｓで反射する光成分Ｌ２について、照度分布のシミュレーション画像を示す。この参考例に係る発光素子は、例えば特許文献１に記載された半導体発光素子と同様の構成を備え、半導体層１３０の側面３１３の角度が一定、つまりα＝βである。なお、図２はグレースケールの画像であるが、オリジナルはカラー画像である。

図２に示すように、活性層１３３で横方向（水平方向）に発生した光のうちの多くが、上面である取出し面３１２に臨界角を超えて入射するため、取出し面３１２で反射された光がクラッド層３５の中心部に集まりやすくなる。したがって、取出し面３１２からの出射光の光量は少なくなり、取出し効率が上がらない。

本発明者は、βの値が適切な値に設定されることにより、臨界角未満で取出し面３０２に入射する光が多くなると考えた。すなわち、本実施形態では、角度βは、活性層３３で発生し活性層側面３３ｓで反射された光が、臨界角未満で取出し面３０２に入射するような角度に設定される。

本発明者は、図１Ａに示した発光素子１００Ａについて、角度βと、取出し面３０２から出射される光の角度（取出し面３０２に対する入射角）との関係を、シミュレーションにより検証した。図１Ｂは、その発光素子１００Ａの半導体層３０の側面３０３を拡大して示す図である。

例えば、角度βが、以下の式１で表される場合、高い取出し効率を得ることができる。

n₁：半導体層３０の屈折率
n₂：半導体層３０の周囲の材料（絶縁体（樹脂）または空気）の屈折率

以下、角度βの導出方法を説明する。図１Ｂに示すように、角度ε（°）、δ（°）、θ_c（°）を次のように定義する。

ε：活性層側面３３ｓへの入射角
δ：取出し面３０２への入射角
θ_c：取出し面３０２での臨界角

三角法によって、入射角ε、δは、以下の式２、３で表される。

δ=0が、取出し面３０２から出射する光を最大化する条件である。ここで、活性層側面３３ｓに入射する光は、活性層３３で水平方向に進行する光によってほとんど占められると仮定する。そうすると、β=45が、取出し面３０２から出射する光を最大化する条件となる。つまり、β=45のとき、活性層３３で発生した光が、水平方向に進行して活性層側面３３ｓで垂直方向に反射され、これにより最も高い取出し効率が得られる。

臨界角θ_cは、以下の式４で表される。

光が取出し面３０２から出射される条件式であるδ=±θ_cと、上記式３より、-90+2β=±θ_cが得られる。この式と、上記式４より、式１のようにβが得られる。

以上のように、本実施形態に係る発光素子１００Ａは、αとβが異なるという最も大きな特徴を有する。（ただし、式１は、αとは無関係に成立する式であることに注意する必要がある。）そして、この発光素子１００Ａの活性層側面３３ｓの角度βは、上記式１の条件を有することにより、取出し効率が向上する。すなわち、特許文献２のように、半導体層の側面を曲面に形成する必要がなく、製造コストも抑えながら、取出し効率を高めることができる。

なお、傾斜角α、βは、エッチング時のエッチングパラメータにより制御可能である。エッチングパラメータとしては、ガス種、ガス圧、ガス量、パワー等が挙げられる。特に、ICP（Inductively Coupled Plasma）-RIE（Reactive Ion Etching）により、高精度な角度制御が可能となる。

１．２）実施例１およびその効果の検証

例えば、α=62.5、β=45と仮定する。半導体層３０の材料を赤色光を発生するAlGaInP系（屈折率n₁=3.3）とし、半導体層３０の周囲に設けられた封止用の材料を樹脂（屈折率n₂=1.5）とする。このとき、β=32〜59となる。より好ましくは、β=36〜54である。

図３は、上記赤色光を発する材料でなる発光素子の他、青および緑色の光を発する材料でなる発光素子も含む、適切なβを示す表である。青色光を発生する半導体層３０の材料としてGaN系が設定された。緑色光を発生する半導体層３０の材料としてGaP系が設定された。

図４は、本実施形態の実施例１に係る半導体素子（赤色光を発する素子）および参考例のそれぞれの取出し効率のシミュレーション結果を示すグラフである。参考例に係る発光素子は、β=α=62.5°とされ、その材料および屈折率は、本実施形態のものと同様である。参考例の取出し効率を1.00とすると、本実施形態の取出し効率は1.19となった。

２．第２実施形態

２．１）発光素子の構成

図５は、本技術の第２実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図であり、半導体層３０の側面３０３を拡大して示す図である。これ以降の説明では、上記第１実施形態に係る発光素子１００Ａが含む要素や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

本実施形態に係る発光素子１００Ｂのクラッド層側面３５ｓの角度α、活性層側面３３ｓの角度βとの関係を、下記式５で表す。

上記第１実施形態では、αに無関係にβが規定されたが、本実施形態では、αとの関係でβが規定される。具体的には、図５に示すように、角度βは、活性層３３で発生し活性層側面３３ｓで反射された光が、クラッド層側面３５ｓである第２導電型層３２の側面３２ｓで（例えば１回）反射され、取出し面３０２から出射するような角度である。

以下の式６を満たすことにより、符号Ｈで示した三角形による三角法により、式７、８が得られる。

第１実施形態と同様に、δ=0が、取出し面３０２から出射する光を最大化する条件である。また、同様に、β= α-45が、取出し面３０２から出射する光を最大化する条件となる。したがって、これらの条件、上記式７、８、および上記臨界角θ_cの式４より、上記式５が導かれる。

２．２）実施例２およびその効果の検証

例えば、α=62.5、β=45と仮定する。半導体層３０の材料を赤色光を発生するAlGaInP系（屈折率n₁=3.3）とし、半導体層３０の周囲に設けられた封止用の材料を樹脂（屈折率n₂=1.5）とする。このとき、β=2〜29となる。

図６は、上記赤色光を発する材料でなる発光素子の他、青および緑色の光を発する材料でなる発光素子も含む、適切なβを示す表である。αは例えば60に設定された。

図７は、本実施形態の実施例２に係る発光素子１００Ｂ（赤色光を発する素子）および上記第１実施形態の実施例１に係る発光素子１００Ａ（赤色光を発する素子）について、取出し効率を検証した結果を示すグラフである。

ここでは、例えば正方形状の取出し面３０２の一辺の長さが150μm、発光素子（ここでは主に半導体層３０）の高さが70μm（第１導電型層３１が30μm、活性層３３が10μm、第２導電型層３２が30μm）に設定された。α=62.5、βを変数とする。上記のように、取出し面３０２から出射する光を最大化する条件を考慮すると、最適なβは、実施例１ではβ=45、実施例２ではβ=17.5となる。図７はこのことを示している。

図８は、上記実施例２に係る発光素子１００Ｂにおいて、αを45から90の間で変えた時のシミュレーション結果を示す。式１からわかるように、αがどんな値を取ろうとも、βは常に45°となり、このことが第１実施形態を示す。ただし、本技術では、α≠βであるため、β=45°のとき、α≠45°という設定が採用される。

一方で、この第２実施形態（実施例２）の最適なβは、式５に示すように、αとともに変動する。

なお、第１実施形態におけるβはαに無関係に定まる値（ただしα≠β）であり、第２実施形態におけるβはその第１実施形態の下位の概念として考えることができる。したがって、図８に示すように両者の概念を同じ線に含ませて描くことができる。

３．第３実施形態

図９Ａは、本技術の第３実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。図９Ｂは、その発光素子１００Ｃの半導体層４０の側面４０３を拡大して示す図である。

この発光素子１００Ｃの取出し面４０２は、設けられた凹部４８を含むパターン（凹凸部）を有する。つまり、取出し面４０２は、半導体各層の積層方向（図中、上下方向）に垂直な面（上面４１２）と、その凹部４８の内面４８ａとを含む。図中、γ(°)、δ(°)、ζ(°)の意味は、以下の通りである。

γ：凹部の内面４８ａの、上面４１２に対する角度
δ：凹部の内面４８ａへの入射角
ζ：上面４１２に対する出射角

活性層４３で発生し活性層側面４３ｓで反射された光が、臨界角未満で、凹部４８の内面４８ａに入射するような角度に、βが設定される。このβは、γを用いて以下の式９で表される。

上記式９は、以下の式１０、１１によって導出される。式１１は、臨界角θ_cの式４およびγを用いて、ζを表したものである。

例えばγ=62.5に設定する。この場合、β=64.4とすると、δが最適となり、光が上面４１２に垂直方向に出射する（ζ=0）。これが、取出し面４０２から出射する光を最大化する条件である。

ただし、取出し面４０２内での凹部４８の配置に関し、以下の式１２を満たすことを条件とする。

図１０Ａ、Ｂは、式１０における値x、h、dの意味を説明するための図である。距離xは、点ｃから凹部４８の内面４８ａのエッジ（当該内面４８ａと上面４１２との境界）までの距離である。点ｃは、活性層側面４３ｓにおける光の入射点の、上面４１２に対応する点、すなわち当該入射点を通る垂線と、上面４１２との交点である。hは、凹部４８の深さ、すなわち上面４１２から凹部４８の底面４８ｂまでの距離である。dは、上面４１２から活性層４３の中心までの深さである。

例えば、h=0.2(mm)、d=1(mm)とすると、式１２から、x(mm)の範囲は、0.08?x?0.8となる。

以上のように、取出し面４０２が凹凸部のパターンを有する場合に、βが適切に設定されることにより、高い取出し効率を実現できる。

４．第４実施形態

図１１は、本技術の第４実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。この発光素子１００Ｄの取出し面５０２は、ランダムな凹凸部５８を有する。半導体各層の積層方向に垂直な面に対する、凹部の内面の角度（または、凸部の外面の角度）γは、分布を持っているが、ある特定の角度γにピークを持つ。したがって、上記式９において、γを、γの分布の平均を表すγ_aに置き換えてもよい。例えば、γ_a=45とすると、ζ=0のとき、β=58となる。

５．第５実施形態

図１２Ａは、本技術の第５実施形態に係る発光素子の構造を模式的に示す断面図である。図１２Ｂは、その発光素子１００Ｅの半導体層６０の側面６０３を拡大して示す図である。

本実施形態に係る活性層６３は、外側に凸の曲面形状に設けられてた活性層側面６３ｓを有する。活性層側面６３ｓへの入射角度εは分布を持ち、上記式２に影響を与える。したがって、図１３に示すように、β=45で平坦であれば、取出し面３０２への入射角度δも変化し（式３）、理想状態であるδ=0から離れる。

図１２Ｂに示すように、活性層６３では、光線ごとに活性層側面６３ｓに入射する位置が異なる。したがって、その位置ごとにδ=0となるような凸の曲面が、活性層側面６３ｓに設けられることにより、取出し効率を高めることができる。

６．他の種々の実施形態

本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

例えば、図１４Ａ〜Ｃに示すように、半導体層３０のうちクラッド層の形状は、様々な形態を取り得る。

図１４Ａに示すように、下側のクラッド層３５１の厚さが、上側のクラッド層３５２に比べ十分に小さくてもよい。

図１４Ｂに示すように、下側のクラッド層側面３５１ｓの角度と、上側のクラッド層側面３５２ｓの角度とが異なっていてもよい。この例では、下側のクラッド層側面３５１ｓの角度が実質的に直角となっている。

図１４Ｃに示すように、上側のクラッド層側面３５２ｓおよび下側のクラッド層側面３５１ｓの角度が実質的に直角となっている。

あるいは、図１５Ａ、Ｂに示すように、発光素子２００Ａ、２００Ｂの周囲に設けられたパッケージ１０が、活性層３３からの光を受ける、角度βを持つ面１０ｓを有していてもよい。

あるいは、図１６に示すように、クラッド層７５１、７５２のうち、取出し面７０２を有するクラッド層７５２が、異なる角度で設けられた複数の側面を有していてもよい。この例では、クラッド層７５２の側面のうち、第１側面７５２ａの角度がα、第２側面７５２ｂの角度がγとされている。ただし、第２側面７５２ｂは、活性層３３に近づくにしたがい、クラッド層７５２の幅（横幅）が広がるような角度γを持つ。α、β、γが、適切に設定されることにより、第２側面７５２ｂが取出し面として機能する。

上記第１〜第５実施形態に係る発光素子として、無機半導体を利用した発光素子を例に挙げた。しかし、有機EL（Electro-Luminescence）など、有機半導体を利用した発光素子にも本技術を適用可能である。

上記各実施形態では、半導体層の周囲に封止用の樹脂が配置される形態を主に説明した。しかし、樹脂が設けられない、すなわち空気が半導体層の周囲に配置される形態であってもよい。

上記各実施形態に係る発光素子、半導体層の両面（上面および底面）にそれぞれ電極が設けられている構造を備えていた。しかし、片面に２つの電極が設けられるフリップチップ型の発光素子にも本技術を適用できる。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。

３０、４０、６０…半導体層
３３、４３、６３…活性層
３３ｓ、４３ｓ、６３ｓ…活性層側面
３５、３５１、３５２、７５１、７５２…クラッド層
３５ｓ、３５１ｓ、３５２ｓ…クラッド層側面
４８…凹部（凹凸部の一部）
４８ａ…内面
５８…凹凸部
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、２００Ａ…発光素子
３０１…底面
３０２、４０２、５０２、７０２…取出し面
３０３、４０３、６０３…（半導体層の）側面
３５１ｓ…クラッド層側面
７５２ａ…第１側面
７５２ｂ…第２側面

Claims (10)

1. 光の取出し面と側面とを有する半導体層を備え、
   前記半導体層は、
   前記取出し面と、前記側面のうち、前記取出し面に対して第１の角度で設けられたクラッド層側面とを有するクラッド層と、
   前記側面のうち、前記取出し面に対して前記第１の角度とは異なる第２の角度で設けられた活性層側面を有する活性層とを含む
   発光素子。
2. 請求項１に記載の発光素子であって、
   前記取出し面は平面である
   発光素子。
3. 請求項２に記載の発光素子であって、
   前記活性層で発生し前記活性層側面で反射された光が、臨界角未満で、前記取出し面に入射するような角度に、前記第２の角度が設定されている
   発光素子。
4. 請求項３に記載の発光素子であって、
   n₁が半導体層の屈折率、n₂が半導体層の周囲の屈折率である場合、単位を°とした前記第２の角度は、以下の式で表される
   発光素子。
5. 請求項２に記載の発光素子であって、
   前記活性層で発生し前記活性層側面で反射された光が、前記クラッド層側面で反射され、前記取出し面から出射するような角度に、前記第２の角度が設定されている
   発光素子。
6. 請求項５に記載の発光素子であって、
   n₁が半導体層の屈折率、n₂が半導体層の周囲の屈折率である場合、単位を°とした前記第２の角度は、以下の式で表される
   発光素子。
7. 請求項１に記載の発光素子であって、
   前記取出し面は、凹凸部を有する
   発光素子。
8. 請求項７に記載の発光素子であって、
   前記活性層で発生し前記活性層側面で反射された光が、臨界角未満で、前記凹部の内面に入射するような角度に、前記第２の角度が設定されている
   発光素子。
9. 請求項８に記載の発光素子であって、
   n₁が半導体層の屈折率、n₂が半導体層の周囲の屈折率、γが、前記クラッド層および前記活性層の積層方向に垂直な面に対する凹部の内面の角度である場合、単位を°とした前記第２の角度は、以下の式で表される
   発光素子。
10. 光の取出し面と側面とを有する半導体層を備え、
    前記半導体層は、
    前記取出し面を有するクラッド層と、
    前記側面のうち、発光素子の外側へ凸の曲面形状に設けられた活性層側面を有する活性層とを含む
    発光素子。