JP2018049958A - 発光素子 - Google Patents

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Yasuhiro Takenaka
靖博 竹中
齋藤 義樹
Yoshiki Saito
義樹 齋藤
慎一 松井
Shinichi Matsui
慎一 松井
大輔 篠田
Daisuke Shinoda
大輔 篠田
三木 久幸
Hisayuki Miki
久幸 三木
裕直 篠原
Hironao Shinohara
裕直 篠原
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Abstract

【課題】UV−BやUV−Cの波長域の光を発する発光素子であって、半導体層の組成に起因する発光効率の低下や順方向電圧の上昇が抑えられた発光素子を提供する。【解決手段】本発明の一態様として、AlxGa1−xN(0.5≦x≦1)を主成分とするn型半導体層11と、p型半導体層13と、n型半導体層11とp型半導体層13に挟まれた発光層12と、n型半導体層11に接続されたn電極11と、p型半導体層13に接続され、ドットパターンを構成するように配置された複数のp電極15と、を有し、n電極11の面積が、チップ面積の25%以上かつ50%以下である、発光素子1を提供する。【選択図】図1

Description

本発明は、発光素子、特に紫外光を発する発光素子に関する。
従来の発光素子として、発光領域が複数の部分に分割されたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の発光素子によれば、電極から離れた部分で電流が低下して発光効率が悪くなるという問題を解決することができるとされている。
特許第3912219号公報
III族窒化物半導体から構成され、UV−BやUV−Cと呼ばれる短い波長域の光を発する発光素子は、半導体層のAl組成が大きい。このため、長波長の光を発する発光素子と比較してn型半導体層のシート抵抗が大きく、発光層の十分な強度で発光する領域がn電極により近い領域に限定される。また、n型半導体層のn電極との接触抵抗が大きいため、n電極の面積を長波長の光を発する発光素子と同等にすると、順方向電圧が高くなってしまう。
特許文献1に記載の発光素子は、その半導体層の材料や、例示された発光波長から、UV−BやUV−Cの波長域の光を発することは特に想定されていないと考えられる。そして、特許文献1には、UV−BやUV−Cの波長域の光を発する発光素子についての上記の問題の解決に適した構造等についての開示はない。
本発明の目的は、UV−BやUV−Cの波長域の光を発する発光素子であって、半導体層の組成に起因する発光効率の低下や順方向電圧の上昇が抑えられた発光素子を提供することにある。
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記[1]〜[10]の発光素子を提供する。
[1]AlGa1−xN(0.5≦x≦1)を主成分とするn型半導体層と、p型半導体層と、前記n型半導体層と前記p型半導体層に挟まれた発光層と、前記n型半導体層に接続されたn電極と、前記p型半導体層に接続され、ドットパターンを構成するように配置された複数のp電極と、を有し、前記n電極の面積が、チップ面積の25%以上かつ50%以下である、発光素子。
[2]前記n型半導体層がAlGa1−xN(x≧0.65)を主成分とする、上記[1]に記載の発光素子。
[3]前記p電極上の前記n電極の縁から最も離れた点の前記n電極の縁からの距離が100μm以下である、上記[1]又は[2]に記載の発光素子。
[4]前記p電極の面積が、前記発光素子のチップ面積の45%以上である、上記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の発光素子。
[5]前記p電極の平面形状が円又は角数が4以上の多角形である、上記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の発光素子。
[6]前記p電極の平面形状が円又は六角形である、上記[5]に記載の発光素子。
[7]前記p電極のドットパターンが円である場合の半径、又は多角形である場合の辺長が50μm以上である、上記[1]〜[6]のいずれか1項に記載の発光素子。
[8]前記p電極の総周長が300μm以上である、上記[1]〜[7]のいずれか1項に記載の発光素子。
[9]前記発光層及び前記p型半導体層は、前記n型半導体層の前記n電極が接続される面から突起した凸部分上に積層されており、前記n型半導体層の前記凸部分、前記発光層、及び前記p型半導体層からなる積層部の側面の傾斜が75°以上かつ90°以下である、上記[1]〜[8]のいずれか1項に記載の発光素子。
[10]AlGa1−xN(0.5≦x≦1)を主成分とするn型半導体層と、p型半導体層と、前記n型半導体層と前記p型半導体層に挟まれた発光層と、前記n型半導体層に接続されたn電極と、前記p型半導体層に接続され、ドットパターンを構成するように配置された複数のp電極と、を有し、前記p電極上の前記n電極の縁から最も離れた点の前記n電極の縁からの距離が100μm以下である、発光素子。
本発明によれば、UV−BやUV−Cの波長域の光を発する発光素子であって、半導体層の組成に起因する発光効率の低下や順方向電圧の上昇が抑えられた発光素子を提供することができる。
図1は、実施の形態に係る発光素子の垂直断面図である。 図2(a)は、n電極及びp電極のパターンの一例を示す発光素子の平面図である。図2(b)は、p接続電極のシート部を含む層に沿って切断された発光素子の水平断面図である。 図3(a)は、実施の形態に係る発光素子のp電極の位置やサイズを説明するための図である。図3(b)は、比較例としての、距離Dが100μmよりも大きい場合のp電極近傍の構造を示す。 図4(a)、(b)は、p電極の平面形状及び配置パターンの例を示す平面図である。 図5(a)、(b)は、p電極の平面形状及び配置パターンの例を示す平面図である。 図6は、異なる平面形状を有する複数種のp電極が発光素子に含まれる場合の一例を示す平面図である。 図7(a)は、p電極のドットパターンの半径又は辺長とp電極の面積率との関係を示すグラフである。図7(b)は、p電極のドットパターンの半径又は辺長とn電極の面積率との関係を示すグラフである。図7(c)は、p電極のドットパターンの半径又は辺長と無効面積率との関係を示すグラフである。 図8は、図7(a)、(b)のデータからp電極の面積率とn電極の面積率との関係をグラフ化したものである。 図9(a)、(b)、(c)は、それぞれ図7(a)、(b)、(c)のp電極のドットパターンの半径又は辺長をp電極の総周長に変換したものである。
〔実施の形態〕
図1は、実施の形態に係る発光素子1の垂直断面図である。発光素子1は、UV−B波長域(315〜280nm)又はUV−C波長域(280nm未満)の紫外光を発する発光素子である。発光素子1のチップ面積は、0.4mm以上かつ25mm以下である。
発光素子1は、基板10と、基板10上のn型半導体層11と、n型半導体層11上の発光層12と、発光層12上のp型半導体層13と、n型半導体層11に接続されたn電極14と、p型半導体層13に接続される複数のp電極15と、n電極14に接続されたnパッド電極16と、p電極15に接続されたp接続電極17と、p接続電極17に接続されたpパッド電極18と、を有する。
また、発光層12、p型半導体層13、n電極14、p電極15は、絶縁層19に含まれ、nパッド電極16及びpパッド電極18は絶縁層19上に露出する。
基板10は、n型半導体層11の成長の下地となる層であり、サファイア等の透明材料からなる。発光素子1は、基板10側から光を取り出すフェイスダウン型の素子である。
n型半導体層11は、AlGaNを主成分とする層である。n型半導体層11に含まれるドナーとして、例えば、Siが用いられる。
n型半導体層11を構成するAlGaNは、n型半導体層11が発光層12から発せられる光を吸収しないような組成を有する。具体的には、Al組成が大きいほどAlGaNのバンドギャップが大きくなるため、より波長の短い光のn型半導体層11による吸収を抑えることができる。
発光層12の発光波長がUV−B波長域にある場合は、n型半導体層11の組成はAlGa1−xN(0.5≦x<0.65)となる。なお、AlGaNはAl組成が小さい方が高品質の結晶成長が容易であるため、この場合のn型半導体層11の組成はAlGa1−xN(0.5≦x≦0.55)であることが好ましい。
また、発光層12の発光波長がUV−C波長域にある場合は、n型半導体層11の組成はAlGa1−xN(0.65≦x≦1)となる。なお、AlGaNはAl組成が小さい方が高品質の結晶成長が容易であるため、この場合のn型半導体層11の組成はAlGa1−xN(0.65≦x≦0.7)であることが好ましい。
n型半導体層11は、例えば、n電極14が接続されるnコンタクト層と、発光層12に接するnクラッド層を含む。なお、基板10とn型半導体層11との間にバッファ層が設けられていてもよい。
発光層12は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層12は、少なくとも井戸層と、障壁層とを有している。井戸層、障壁層として、例えば、AlGaN層を用いることができる。この場合、井戸層のAl組成はn型半導体層11のAl組成よりも小さい。また、井戸層及び障壁層の組成比は、発光層12の発光波長に応じて適宜設定される。例えば、発光層12の発光波長がUV−C波長域にある場合は、井戸層の組成はAlGa1−xN(0.4≦x)となる。
p型半導体層13は、例えば、AlGaNを主成分とする層である。p型半導体層13に含まれるアクセプターとして、例えば、Mgが用いられる。p型半導体層13を構成するAlGaNの組成比は、発光層12の発光波長に応じて適宜設定される。
p型半導体層13は、例えば、発光層12に接するpクラッド層と、透明電極14が接続されるpコンタクト層を含む。
n電極14は、1枚のシート状の電極であり、例えば、Ti/Ru/Au/Al積層構造を有する。
上述のように、発光素子1は、UV−B波長域又はUV−C波長域の紫外光を発する発光素子であるため、その波長の短い紫外光の吸収を抑えるために、n型半導体層11を構成するAlGANのAl組成が大きい。このため、n型半導体層11のn電極14との接触抵抗が大きく、順方向電圧の上昇を避けるためにはn電極14の面積(n型半導体層11との接触面積)が発光素子1のチップ面積の25%以上であることが好ましい。発光素子1のチップ面積は0.4mm以上かつ25mm以下であるため、n電極14の面積は0.1mm以上であることが好ましい。
一方で、発光素子1の構成上、n電極14の面積が大きくなるほどp電極15の面積が小さくなって発光面積が低下するため、n電極14の面積が発光素子1のチップ面積の50%以下であることが好ましい。発光素子1のチップ面積は0.4mm以上かつ25mm以下であるため、n電極14の面積は12.5mm以下であることが好ましい。
p電極15は、ドットパターンを構成するように配置される。p電極15は、n電極14と同じ層構成を有してもよい。この場合、p電極15をn電極14と同時に形成することができる。
nパッド電極16は、パッド部16aとビア部16bから構成され、ビア部16bはn電極14に接続される。nパッド電極16は、例えば、Ti/Ru/Au/Alの積層構造を有する。
p接続電極17は、シート部17aと複数のビア部17bから構成され、ビア部17bはp電極15に接続される。p接続電極17は、例えば、Ti/Ru/Au/Alの積層構造を有する。
pパッド電極18は、パッド部18aとビア部18bから構成され、ビア部18bはp接続電極17のシート部17aに接続される。pパッド電極18は、例えば、Ti/Ru/Au/Alの積層構造を有する。
短波長の紫外光を発する発光素子1においては、p型半導体層13の発光層12から発せられた光の吸収に伴う発熱量が大きい。このp型半導体層13の発する熱を効率的に外部へ逃がすためには、pパッド電極18の面積が大きいことが好ましい。このため、pパッド電極18の面積をnパッド電極16の面積より大きくしてもよい。
絶縁層19は、SiO等の絶縁材料からなる。
図2(a)は、n電極14及びp電極15のパターンの一例を示す発光素子1の平面図である。図2(a)においては、nパッド電極16、p接続電極17、pパッド電極18、及び絶縁層19の図示は省略されている。
図2(b)は、p接続電極17のシート部17aを含む層に沿って切断された発光素子1の水平断面図である。
図1の発光素子1の垂直断面の切断位置は、図2(a)、(b)の線分A−Aで示される切断位置に対応している。
図1、図2(a)、(b)に示されるように、ドットパターンを形成するように配置された複数のp電極15は、p接続電極17を介して接続されている。
図3(a)は、発光素子1のp電極15の位置やサイズを説明するための図である。図3(a)の断面は、図2(a)の線分B−Bで示される切断位置で切断されたときの垂直断面であり、隣接するp電極15の間隔が最短になる断面である。
図3(a)に示される距離Dは、p電極15上のn電極14の縁から最も離れた点のn電極14の縁からの距離であり、例えば、p電極15が円形であれば、p電極15の中心のn電極14の縁からの距離である。
上述のように、発光素子1は、UV−B波長域はUV−C波長域の紫外光を発する発光素子であるため、その波長の短い紫外光の吸収を抑えるために、n型半導体層11を構成するAlGANのAl組成が大きい。このため、n型半導体層11のシート抵抗が大きく、発光層12の実際に発光する領域がn電極により近い領域に限定される。
具体的には、UV−B波長域又はUV−C波長域の紫外光を発する発光素子1においては、発光層12の、n電極14の縁からの距離が100μmより大きい部分は発光しない、又は発光強度が小さい。このため、距離Dは、100μm以下に設定されることが好ましい。
発光層12に十分に発光しない部分が生じることを避けられる程度に距離Dを小さく抑え、かつ十分な発光面積を確保するためには、p電極15の面積に対する周長が大きいことが求められる。そして、複数のp電極15をドットパターンを形成するように配置することにより、p電極15の面積に対する周長を大きくとることができる。
また、個々のp電極15の平面形状は、p電極15の面積に対する周長を大きくとるためには、円であることが最も好ましく、多角形である場合はなるべく角数が大きいことが好ましい。
図3(b)は、比較例としての、距離Dが100μmよりも大きい場合のp電極15近傍の構造を示す。図3(a)、(b)において、発光層12の部分12aは十分な強度で発光する部分、部分12bは発光しない、又は発光強度が小さい部分である。図3(b)に示されるように、距離Dが100μmよりも大きい場合、発光層12の中心を含む一部が十分に発光しない。
図3(a)に示される距離Dは、p電極15の縁とn電極14の縁の(最短)距離であり、製造時のp電極15とn電極14の位置合わせ誤差を考慮して、10〜20μm程度の距離Dが必要とされる。p電極15とn電極14の間の領域は発光が生じない領域(以下無効領域と呼ぶ)であり、距離Dはこの無効領域の幅と捉えることができる。図3(a)に示されるように、発光層12のp電極15と重ならない部分は部分12b、すなわち十分に発光しない部分である。
また、距離Dは、最も近い距離で隣接するp電極15の中心間のn電極14の幅である。
また、距離Dは、最も近い距離で隣接するp電極15の中心間の距離、すなわち周期的に配置されたp電極15のピッチである。距離Dを大きくすることにより、p電極15の間に形成されるn電極14の面積を大きくすることができるが、発光素子1におけるp電極15の合計面積が小さくなる。このため、距離Dは、例えば、80μm以上かつ250μm以下の範囲で設定される。
十分な発光面積を確保するため、p電極15の合計面積は、発光素子1のチップ面積の45%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましい。また、無効面積率を20%以下にするため、p電極15のドットパターンの半径又は辺長が50μm以上であることが好ましく、p電極15の総周長が300μm以上であることが好ましい。ここで、無効面積率とは、上述の無効領域の面積の発光素子1のチップ面積に対する割合をいう。また、p電極15の総周長とは、p電極15の全てのドットパターンの周長の合計をいう。
また、図3(a)に示されるように、発光素子1においては、発光層12及びp型半導体層13が、n型半導体層11のn電極14が接続される面から突起した凸部分11a上に積層されている。このn型半導体層11の凸部分11a、発光層12、及びp型半導体層13からなる積層部の側面の水平面(基板10主面に平行な面)からの傾斜θが大きくなると、距離Dが大きくなり、無効領域が大きくなる。このため、傾斜θはなるべく90°に近いことが好ましく、製造時の加工精度を考慮して、75°以上かつ90°以下であることが好ましい。
図4(a)、(b)、図5(a)、(b)は、p電極15の平面形状及び配置パターンの例を示す平面図である。
図4(a)に示されるp電極15は、円形であり、高密度で配置できるように、円の中心点が六方格子を形成するように配置されている。
図4(b)に示されるp電極15は、六角形であり、高密度で配置できるように、方向を揃えて、六角形の中心点が六方格子を形成するように、配置されている。
図5(a)に示されるp電極15は、四角形であり、高密度で配置できるように、方向を揃えて、四角形の中心点が正方格子を形成するように配置されている。
図5(b)に示されるp電極15は、三角形であり、高密度で配置できるように、隣接する三角形の方向を180°異ならせ、三角形の中心点がハニカム格子を形成するように配置されている。
無効領域の面積に対するp電極15の面積を大きくして、発光面積を大きくするため、p電極15の平面形状は円又は角数が4以上の多角形であることが好ましく、特に、円又は六角形であることが好ましい。なお、p電極15を高密度で配置するためには、円は真円、多角形は正多角形であることが好ましい。
図6は、異なる平面形状を有する複数種のp電極15が発光素子1に含まれる場合の一例を示す平面図である。図6に示される例では、四角形のp電極15と八角形のp電極15が配置されている。このように、発光素子1は、異なる平面形状を有する複数種のp電極15を有してもよい。他にも、例えば、直径の異なる2種の円径のp電極15が配置される場合、正方形のp電極15と長方形のp電極15が配置される場合等が考えられる。
(実施の形態の効果)
上記の実施の形態によれば、ドットパターンを形成するように配置された複数のp電極15を用いることにより、短波長の紫外光を発する発光素子1におけるn型半導体層11のシート抵抗の高さに起因する発光効率の低下を抑えて十分な発光面積を確保し、かつn電極14の面積を確保して発光素子1の順方向電圧の上昇を抑えることができる。
上記実施の形態に係る発光素子1についてシミュレーションを実施し、p電極15の形状やサイズが発光素子1の特性に与える影響について調べた。
図7(a)は、p電極15のドットパターンの半径(円の場合)又は辺長(多角形の場合)とp電極15の面積率との関係を示すグラフである。ここで、p電極15の面積率とは、p電極15の合計面積の発光素子1のチップ面積に対する割合をいう。
図7(b)は、p電極15のドットパターンの半径(円の場合)又は辺長(多角形の場合)とn電極14の面積率との関係を示すグラフである。ここで、n電極14の面積率とは、n電極14の合計面積の発光素子1のチップ面積に対する割合をいう。
図7(c)は、p電極15のドットパターンの半径(円の場合)又は辺長(多角形の場合)と無効面積率との関係を示すグラフである。
図7(a)〜(c)には、p電極15が真円、正六角形、正四角形、正三角形のときの計算結果が示されている。p電極15が真円、正六角形、正四角形、正三角形のときの配置パターンは、それぞれ図4(a)、(b)、図5(a)、(b)に示されるものと同じである。これらの計算において、距離Dを10μm、距離Dを15μmに固定して、p電極15のドットパターンの半径(円の場合)又は辺長(多角形の場合)を変化させた。また、p電極15のドットパターンの半径又は辺長の変化に伴い、距離Dと距離Dが変化した。
図7(a)に示されるように、p電極15のドットパターンの半径又は辺長に対するp電極15の面積率は、p電極15が六角形のときに最も大きくなり、円のときに2番目に大きくなる。
一方で、p電極15の面積が増加するほどn電極14の面積が減少するため、図7(b)に示されるように、p電極15のドットパターンの半径又は辺長に対するn電極14の面積率は、p電極15が六角形のときに最も小さくなり、円のときに2番目に小さくなる。
また、p電極15のドットパターンの半径又は辺長に対する無効面積率は、図7(c)に示されるように、p電極15が三角形のときに特に大きく、円、六角形、四角形のときには大きな差はみられない。十分な発光面積を確保するため、無効面積率は20%以下であることが好ましく、そのために、p電極15のドットパターンの半径又は辺長が50μm以上であることが好ましい。
図8は、図7(a)、(b)のデータからp電極15の面積率とn電極14の面積率との関係をグラフ化したものである。図8は、同じp電極15の面積率を確保しようとすると、p電極15が六角形である場合よりも円である場合の方がn電極14の面積率が大きくなることを示している。このため、発光素子1の順方向電圧を低減するためには、p電極15の平面形状を円にすることが好ましいといえる。
図9(a)、(b)、(c)は、それぞれ図7(a)、(b)、(c)のp電極15のドットパターンの半径又は辺長をp電極15の総周長に変換したものである。
図9(a)、(b)、(c)は、それぞれ図7(a)、(b)、(c)とよく似た傾向を示しており、例えば、p電極15の総周長に対するp電極15の面積率は、p電極15が六角形のときに最も大きくなり、p電極15の総周長に対するn電極14の面積率は、p電極15が六角形のときに最も小さくなる。
また、上述のように無効面積率は20%以下であることが好ましいため、図9(c)から、p電極15の周長が300μm以上であることが好ましいといえる。
図7(a)〜(c)、図8、及び図9(a)〜(c)の結果から、p電極15の平面形状は円又は六角形が特に好ましいといえる。
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
また、上記の実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
1 発光素子
11 n型半導体層
12 発光層
13 p型半導体層
14 n電極
15 p電極

Claims (10)

  1. AlGa1−xN(0.5≦x≦1)を主成分とするn型半導体層と、
    p型半導体層と、
    前記n型半導体層と前記p型半導体層に挟まれた発光層と、
    前記n型半導体層に接続されたn電極と、
    前記p型半導体層に接続され、ドットパターンを構成するように配置された複数のp電極と、
    を有し、
    前記n電極の面積が、チップ面積の25%以上かつ50%以下である、発光素子。
  2. 前記n型半導体層がAlGa1−xN(x≧0.65)を主成分とする、
    請求項1に記載の発光素子。
  3. 前記p電極上の前記n電極の縁から最も離れた点の前記n電極の縁からの距離が100μm以下である、
    請求項1又は2に記載の発光素子。
  4. 前記p電極の面積が、前記発光素子のチップ面積の45%以上である、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光素子。
  5. 前記p電極の平面形状が円又は角数が4以上の多角形である、
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子。
  6. 前記p電極の平面形状が円又は六角形である、
    請求項5に記載の発光素子。
  7. 前記p電極のドットパターンが円である場合の半径、又は多角形である場合の辺長が50μm以上である、
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の発光素子。
  8. 前記p電極の総周長が300μm以上である、
    請求項1〜7のいずれか1項に記載の発光素子。
  9. 前記発光層及び前記p型半導体層は、前記n型半導体層の前記n電極が接続される面から突起した凸部分上に積層されており、前記n型半導体層の前記凸部分、前記発光層、及び前記p型半導体層からなる積層部の側面の傾斜が75°以上かつ90°以下である、
    請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光素子。
  10. AlGa1−xN(0.5≦x≦1)を主成分とするn型半導体層と、
    p型半導体層と、
    前記n型半導体層と前記p型半導体層に挟まれた発光層と、
    前記n型半導体層に接続されたn電極と、
    前記p型半導体層に接続され、ドットパターンを構成するように配置された複数のp電極と、
    を有し、
    前記p電極上の前記n電極の縁から最も離れた点の前記n電極の縁からの距離が100μm以下である、発光素子。
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