JP4123830B2

JP4123830B2 - Ｌｅｄチップ

Info

Publication number: JP4123830B2
Application number: JP2002154335A
Authority: JP
Inventors: 拓磨橋本; 勝杉本; 秀吉木村; 渉野田; 英二塩濱
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-05-28
Also published as: JP2003347589A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶基板上にｐ型半導体層、ｎ型半導体層を形成したＬＥＤチップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばＩｎＧａＮなどの窒化ガリウム（ＧａＮ）系の化合物半導体ＬＥＤチップ１は、一般的に図９に示すような構造を有している。つまり、サファイアのような透光性基板２の結晶上に窒化ガリウムのバッファ層（図示せず）を形成し、その上にｎ型窒化ガリウム層（以下ｎ型半導体層と言う）３、更にその上に多層の量子井戸構造層（発光層を含む）４を順次形成し、また更にその上にｐ型窒化ガリウム層（ｐ型半導体層と言う）５を形成してＬＥＤチップ１を構成してある。場合によっては更にその上に光取り出し率向上のためのキャップ層が形成されることがある。また、電気的に絶縁するためｎ型半導体層３、発光層４及びｐ型半導体層５の側面および下面を絶縁膜８で覆っている。
【０００３】
発光層付近の構造は、一般に、バンドギャップの小さい発光層をバンドギャップの大きいクラッド層で挟んだダブルへテロ（ＤＨ）構造と呼ばれる層構造を成している。このＤＨ構造によって、正孔や電子が発光層にトラップされ、正孔と電子とが再結合する確率が増大したことが、ＧａＮ系ＬＥＤにおいて従来のＧａＡｓ系ＬＥＤと同程度の発光効率が得られた一因と考えられている
ところで、基板として用いるサファイアは導電性がないため、ｐ型半導体層５と発光層４の一部をエッチング除去し、ｎ型半導体層３を露出させてその上にｎ型半導体層３に対応するｎ側電極を形成している。従って、窒化ガリウム系ＬＥＤチップ１では、半導体層形成面側にｎ，ｐの二種類の電極が存在している構造が一般的であり、ｎ側及びｐ側の各電極上には、ワイヤボンディング或いはバンプ接合に適した面積を有する丸形若しくは四角形の給電部（パッド）６，７を１つずつ形成するのが通常である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のようなＤＨ構造を有するＬＥＤチップ１では、発光層４と、発光層４に近接するクラッド層との屈折率差によって、発光層４で生じた光の内、少なからぬ割合の光が、発光層４とクラッド層との界面で全反射を繰り返しながら、発光層４と平行な向きに進行して発光層４端面に到達し、ＬＥＤチップ１の側面から外部へと放射される。そのため、ＬＥＤチップ１の側面から放射される光を光の取り出し方向に取り出して利用するためには、ＬＥＤチップ１の外部に反射部を設置する必要があり、ＬＥＤチップ１を配線基板などに実装して使用する場合はＬＥＤチップ１の実装部を小型にできないという問題があった。
【０００５】
また、近年、１個のＬＥＤチップ１から得られる光量を増大させるために、チップの大型化を目指す開発傾向にあり、チップの大型化に伴う発光面内での発光むらを緩和するために、本発明者らは、ｐ側及びｎ側の電極を複数の電極に分けるといった電極部に関する改良を提案している（特願２００１−１２４５５６参照）。しかしながら、電極構造が複雑になると、発光層と平行な向きに進行する光がＬＥＤチップ１の側面から外部へ放射される以前に、電極部で散乱されるなどして減衰し、光取り出し効率が低下するというような悪影響が考えられる。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、チップ実装部の小型化が可能で光取り出し効率の高いＬＥＤチップを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明では、結晶基板上に少なくとも一対のｐ型半導体層及びｎ型半導体層を形成し、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との対向部に発光層を設け、ｐ型半導体層、発光層及びｎ型半導体層の側面を少なくとも覆う絶縁膜を設けたＬＥＤチップにおいて、発光層内を発光層と平行に進行する光が光の取り出し方向へ全反射されるように、発光層の端面、又は、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面の内、少なくとも何れか一方の面を、その法線が発光層に平行な面と成す角度を所定の角度以上とするように、発光層に平行な面に対して傾斜させ、発光層の端面の法線と発光層に平行な面とが成す第１の角度と、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面の法線と発光層に平行な面とが成す第２の角度とはそれぞれ鋭角であって、第２の角度を第１の角度よりも大きくし、第１の角度を、絶縁膜の屈折率を発光層の屈折率で除した値の逆正弦よりも小さい角度とし、且つ、第２の角度と第１の角度との差に、発光層の屈折率を絶縁膜の屈折率で除した値に第１の角度の正弦を乗じた値の逆正弦を加算した値を、基板実装後の完成状態において絶縁膜の外側面が接する物質の屈折率を絶縁膜の屈折率で除した値の逆正弦以上としたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面を、発光層の端面と非平行としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明では、請求項１または２の何れか１つの発明において、絶縁膜の外側に金属膜を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明では、請求項３の発明において、金属膜を、ｐ型半導体層又はｎ型半導体層の内少なくとも何れか一方への配線部として兼用したことを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明では、請求項１乃至４の何れか１つの発明において、チップ側面を発光層と平行な面に対して斜めに傾斜させたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明では、請求項１乃至５の何れか１つの発明において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の各々に接続するｐ側電極とｎ側電極を半導体層形成側のチップ面に設け、複数のｐ側電極と、複数のｎ側電極とを、略平行に等間隔で交互に並行配列して、複数のｐ側電極の配列方向と交差する方向における一方の端を互いに連結して櫛形に形成するとともに、複数のｎ側電極の配列方向と交差する方向における他方の端を互いに連結して櫛形に形成して成ることを特徴とする。
【００１５】
請求項７の発明では、請求項６の発明において、各電極の連結されていない側の端部に丸みをもたせたことを特徴とする。
【００１６】
請求項８の発明では、請求項１乃至７の何れか１つの発明において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との対を複数対積層したことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１８】
（基本構成１）
本基本構成のＬＥＤチップの断面図を図１に示す。本基本構成では、サファイアのような透光性基板２の結晶上に、ＧａＮ系化合物半導体のｎ型半導体層３、発光層４を含む量子井戸構造、及びｐ型半導体層５を順番に積層してある。そして、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層５の各々には、ｎ側電極及びｐ側電極の給電部６，７が両半導体層３，５における透光性基板２と反対側の面に設けてある。また、ｎ型及びｐ型の各半導体層３，５と発光層４の側面及び下面には、ｎ側及びｐ側電極の給電部６，７が形成された部位を除いて絶縁膜８を形成してある。尚、本基本構成では絶縁膜８の材料として屈折率が約１．５のＳｉＯ_２を用いている。また、図１中の矢印は発光層４で生じた光の内、発光層４と平行な方向に進行して発光層４の端面に到達した光の光路の一例を示している。
【００１９】
ここで、本基本構成では発光層４の端面の法線Ｌ１と、発光層４に平行な面Ａとの成す角度θ_１（鋭角）が、絶縁膜８の屈折率ｎ_２を発光層４の屈折率ｎ_１で除した値の逆正弦以上となり（θ_１≧ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１））、透光性基板２に近い側ほど幅広となるように、発光層４を含む両半導体層３，５の側面をエッチングしている。例えば発光層４の屈折率ｎ_１が約２．６、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜８の屈折率ｎ_２が約１．５の場合、ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）＝３５．２となるので、本基本構成では角度θ_１が約４０度となるように、発光層４を含む両半導体層３，５の側面をエッチングして、斜面を形成している。
【００２０】
本基本構成のＬＥＤチップ１を図示しない配線基板にフェースダウンの状態で実装して、点灯させたところ、発光層４で発生し、発光層４とクラッド層との界面で全反射を繰り返しながら、発光層４と平行な向きに進行して発光層４の端面に到達した光は、発光層４の端面で光取り出し方向（透光性基板２側）に全反射されるので、発光層４の端面から側方に放射される無駄な光を少なくして、光取り出し効率を高めることができる。
【００２１】
尚、本基本構成ではＬＥＤチップ１として、フェースダウンの状態で配線基板に実装される構造のものを例に説明を行ったが、ＬＥＤチップ１をフェースダウンの状態で配線基板に実装される構造のものに限定する趣旨のものではなく、図２に示すようにフェースアップの状態で配線基板に実装される場合には、発光層４内を発光層４と平行な向きに進行する光が、発光層４の端面で光の取り出し面側（透光性基板２と反対側）に全反射されるように、発光層４の端面の法線Ｌ１と発光層４に平行な面Ａとの成す角度θ_１が、絶縁膜８の屈折率ｎ_２を発光層４の屈折率ｎ_１で除した値の逆正弦以上となり（θ_１≧ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１））、透光性基板２から遠い側ほど幅広となるように、発光層４を含む両半導体層３，５の側面をエッチングなどの方法でカットすれば良い。尚、図２中の７ａはｐ型半導体層５の上面に形成された透光性の金属膜からなるｐ側電極である。
【００２２】
（基本構成２）
本基本構成のＬＥＤチップの断面図を図３に示す。尚、ＬＥＤチップ１の基本構成は基本構成１と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。また、図３中の矢印は発光層４で生じた光の内、発光層４と平行な方向に進行して発光層４の端面に到達した光の光路の一例を示している。
【００２３】
基本構成１では透光性基板２の側面が、発光層４に平行な面と略直交しているのに対して、本基本構成では透光性基板２の側面を、発光層４を含む両半導体層３，５の側面と同様、発光層４に平行な面に対して斜めにカットしており、透光性基板２の側面を発光層４と平行な面に対して斜めに傾斜させることで、発光層４から透光性基板２の側面に向かって進行する光の内、透光性基板２の側面で光取り出し方向（図３の上側）へ全反射される割合が増加し、光取り出し効率をさらに向上させている。また直方体形状のＬＥＤチップ１では、チップ側面に入射した光が全反射されてチップ内部を進行した場合、入射角が変化しないために別の面でも再び全反射されてしまい、チップ内で全反射を繰り返して進行する所謂繰り返し完全反射が発生するが、図３に示すようにチップ側面を傾斜させることで、繰り返し完全反射が起こりにくくなり、光の取り出し効率が向上する。
【００２４】
また図３に示すＬＥＤチップ１では、絶縁膜８の外側面に金属膜９ａ，９ｂを蒸着させており、さらにＬＥＤチップ１の下面側の絶縁膜８に蒸着させた金属膜９ａをｎ型半導体層３と接合させ、ｎ型半導体層３への配線部を金属膜９ａで兼用する構造としている。ここで、金属膜９ａによりｎ型半導体層３への配線部を兼用しているので、ＬＥＤチップ１をフェースダウンの状態で配線基板に実装する際には、ｎ側電極の給電部６に比べて面積的に広い金属膜９ａにバンプを接合することができ、ＬＥＤチップ１の配線基板への実装が容易になる。また、ｎ側電極の給電部６に比べて金属膜９ａの方が面積が広いので、より大きなバンプを用いたり、複数個のバンプを用いることができ、ＬＥＤチップ１と配線基板との間の熱抵抗を小さくして、ＬＥＤチップ１の放熱性を高めることができる。
【００２５】
また、絶縁膜８の外側に蒸着した金属膜９ａ，９ｂは、入射した光を光の取り出し方向へ反射する反射部としても機能するので、光の取り出し効率がさらに向上するという効果が得られる。
【００２６】
尚、本基本構成では基本構成１のＬＥＤチップ１において、チップ側面を発光層４と平行な面に対して傾斜させるとともに、絶縁膜８の外側に金属膜９ａ，９ｂを蒸着して、金属膜９ｂでｎ型半導体層３への配線部を兼用しているが、後述の実施形態において、本基本構成と同様に、チップ側面を発光層４と平行な面に対して傾斜させたり、絶縁膜８の外側に金属膜９ａ，９ｂを蒸着して、金属膜９ｂでｎ型半導体層３への配線部を兼用したりしても良いことは言うまでもない。
【００２７】
（基本構成３）
本基本構成のＬＥＤチップの断面図を図４に示す。本基本構成では、サファイアのような透光性基板２の結晶上に、ＧａＮ系化合物半導体のｎ型半導体層３、発光層４を含む量子井戸構造、及びｐ型半導体層５を順番に積層してある。そして、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層５の各々には、ｎ側電極及びｐ側電極の給電部６，７が両半導体層３，５における透光性基板２と反対側の面に設けてある。また、ｎ型及びｐ型の各半導体層３，５の側面及び下面には、ｎ側及びｐ側電極への給電部６，７の形成部位を除いて絶縁膜８を形成してある。尚、本基本構成では絶縁膜８の材料として屈折率ｎ_２が約２．０の窒化ケイ素を用いている。また、図４中の矢印は発光層４で生じた光の内、発光層４と平行な方向に進行して発光層４の端面に到達した光の光路の一例を示している。
【００２８】
また、本基本構成のＬＥＤチップ１はフェースダウンの状態で図示しない配線基板に実装され、ＬＥＤチップ１の周囲を屈折率ｎ_３が約１．４の透光性の封止樹脂（図示せず）で封止している。
【００２９】
ここで、上述した基本構成１では発光層４の端面の法線Ｌ１と、発光層４に平行な面Ａとの成す角度θ_１が、絶縁膜８の屈折率ｎ_２を発光層４の屈折率ｎ_１で除した値の逆正弦以上となるように、発光層４を含む両半導体層３，５の側面をエッチングしているのに対して、本基本構成では発光層４の端面を発光層４に平行な面Ａと略直交させている（すなわち発光層４の端面の法線を発光層４に平行な面Ａと平行させている）。そして、発光層４の側面に接する絶縁膜８の外側面の法線Ｌ２と、発光層４に平行な面Ａとの成す角度（鋭角）θ_２が、封止樹脂の屈折率ｎ_３を絶縁膜の屈折率ｎ_２で除した値の逆正弦以上となるように（θ_２≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２））、絶縁膜８の外側面をエッチングなどの方法でカットして傾斜面８ａを形成している。例えば絶縁膜８の屈折率ｎ_２が約２．０、封止樹脂の屈折率ｎ_３が約１．４の場合、ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２）≒４４となるので、本基本構成では角度θ_２が約４５度となるように、発光層４に接する絶縁膜８の外側面をエッチングして、傾斜面８ａを形成している。このように、発光層４に接する絶縁膜８の外側面を発光層４と平行な面Ａに対して傾斜させることで、発光層４と平行な向きに進行する光が、絶縁膜８の外側面に設けた傾斜面８ａで光の取り出し方向へ全反射されるから、従来のＬＥＤチップ１に比べて光の取り出し方向への光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３０】
（実施形態１）
本実施形態のＬＥＤチップの断面図を図５に示す。本実施形態では、サファイアのような透光性基板２の結晶上に、ＧａＮ系化合物半導体のｎ型半導体層３、屈折率ｎ_１が約２．６の発光層４を含む量子井戸構造、及びｐ型半導体層５を順番に積層してある。そして、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層５の各々には、ｎ側電極及びｐ側電極の給電部６，７が両半導体層３，５における透光性基板２と反対側の面に設けてある。また、ｎ型及びｐ型の各半導体層３，５と発光層４の側面及び下面には、ｎ側及びｐ側電極への給電部６，７の形成部位を除いて、屈折率ｎ_２が約１．５のＳｉＯ_２からなる絶縁膜８を形成してある。このＬＥＤチップ１はフェースダウンの状態で図示しない実装基板に実装され、ＬＥＤチップ１の周囲を屈折率ｎ_３が約１．２の透光性の封止樹脂（図示せず）で封止している。尚、図４中の矢印は発光層４で生じた光の内、発光層４と平行な方向に進行して発光層４の端面に到達した光の光路の一例を示している。
【００３１】
ところで、上述した各基本構成のＬＥＤチップ１では、発光層４の端面の法線Ｌ１、又は、発光層４の端面に接する絶縁膜８の外側面８ａの法線Ｌ２と、発光層４に平行な面Ａとがそれぞれ成す角θ_１，θ_２が、θ_１≧ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）、θ_２≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２）なる条件を満たすように、発光層４の端面、又は、発光層４の端面に接する絶縁膜８の外側面８ａの内の一方のみを、発光層４と平行な面Ａに対して傾斜させているが、ＬＥＤチップ１の大型化に伴って電極構造が複雑化した場合、上記角度θ_１，θ_２を単独で大きくできない場合も想定される。また、電極構造が比較的単純な構造であったとしても、使用する絶縁膜８や封止樹脂の材料によっては、発光層４と絶縁膜８との屈折率ｎ_１，ｎ_２の差、絶縁膜８と封止樹脂との屈折率ｎ_２，ｎ_３の差が小さくなって、上記の条件式を満たすために角度θ_１，θ_２の値を製作が困難なほど大きい値に設定しなければならない場合も考えられる。
【００３２】
そこで、本実施形態では図５に示すように、発光層４の端面の法線Ｌ１と面Ａとの成す第１の角度（鋭角）がθ_１となるように、発光層４の端面を面Ａに対して傾斜させるとともに、発光層４の端面に接する絶縁膜８の外側面８ａの法線Ｌ２と面Ａとの成す第２の角度（鋭角）が第１の角度θ_１よりも大きい角度θ_２となるように、発光層４の端面が接する絶縁膜８の外側面８ａを面Ａに対して傾斜させている。
【００３３】
ここで、上記の角度θ_１を、絶縁膜８の屈折率ｎ_２を発光層４の屈折率ｎ_１で除した値の逆正弦よりも小さい値とし（θ_１＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１））、且つ、第２の角度θ_２と第１の角度θ_１との差に、発光層４の屈折率ｎ_１を絶縁膜８の屈折率ｎ_２で除した値に角度θ_１の正弦を乗じた値の逆正弦を加算した値αを、基板実装後の完成状態において絶縁膜８の外側面が接する封止樹脂の屈折率ｎ_３を絶縁膜８の屈折率ｎ_２で除した値の逆正弦以上とするように（α＝（θ_２−θ_１）＋ｓｉｎ^−１（（ｎ_１／ｎ_２）・ｓｉｎθ_１）≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２））、角度θ_１，θ_２の値を設定している。例えば発光層４の屈折率ｎ_１が約２．６、絶縁膜８の屈折率ｎ_２が約１．５、封止樹脂の屈折率ｎ_３が約１．２の場合は、θ_１＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）＝３５．２、α≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２）＝５３．１となるので、上記の条件式を満足するように、本実施形態では角度θ_１＝２５°、角度θ_２＝４０°としている。
【００３４】
この時、α＝６２°となり、発光層４内を発光層４と平行な方向に進行する光が、発光層４と絶縁膜８との界面で屈折し、絶縁膜８の外側面に設けた傾斜面８ａに対して臨界条件（α≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２））を超える入射角αで入射するので、絶縁膜８の外側面に設けた傾斜面８ａで光の取り出し方向へ全反射されることになり、従来のＬＥＤチップ１に比べて光の取り出し方向への光の取り出し効率が向上する。
【００３５】
上述した基本構成１〜３のＬＥＤチップ１のように、発光層４の端面、又は、発光層４の端面が接する絶縁膜８の外側面の内の一方のみを傾斜させる場合は、角度θ_１，θ_２が大きい値となって、製作が難しい場合があるが、本実施形態では発光層４の端面、および、発光層４の端面が接する絶縁膜８の外側面を、それぞれ、発光層４と平行な面Ａに対して、製作可能な角度θ_１，θ_２で傾斜させているので、ＬＥＤチップ１の製造が容易であり、発光層４内を発光層４と平行な方向に進行する光を、光の取り出し方向に全反射させることができる。また、発光層４及び絶縁膜８として、屈折率ｎ_１と屈折率ｎ_２との差が小さいような組み合わせの材料を用いたり、絶縁膜８及び封止樹脂として、屈折率ｎ_２と屈折率ｎ_３との差が小さいような組み合わせの材料を用いることができ、絶縁膜８や封止樹脂に使用できる材料の種類が増えるから、材料選択の自由度が向上するという利点もある。
【００３６】
尚、本実施形態では発光層４の端面と、発光層４の端面に接する絶縁膜８の外側面とを非平行としているが（θ_１≠θ_２）、図６に示すように、θ_１＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１））、α≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２）なる条件を満足するように角度θ_１，θ_２を設定するとともに、発光層４の端面と、発光層４の端面に接する絶縁膜８の外側面とを略平行としても良く（θ_１＝θ_２）、上述と同様に光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３７】
ところで、発光層４の端面と、発光層４の端面に接する絶縁膜８の外側面とを略平行にした場合、半導体層の厚みによっては、図６に示すように、半導体層の端面と絶縁膜８の外側面との間で全反射を複数回繰り返した後に、透光性基板２を通してＬＥＤチップ１の外部へ放射される場合が考えられ、光路が長くなることで光量の減衰や配光むらが発生する可能性がある。それに対して、図５に示すように発光層４の端面と、発光層４の端面に接する絶縁膜８の外側面とを非平行にすれば、絶縁膜８の外側面で全反射した光は、そのまま光の取り出し面側に放射され、上述のような繰り返し反射は発生しないので、発光層４の端面と発光層４の端面に接する絶縁膜８の外側面とを非平行にした場合は略平行にした場合に比べて、光の取り出し効率がさらに向上するという利点がある。
【００３８】
（実施形態２）
本発明の実施形態２を図７（ａ）（ｂ）を参照して説明する。尚、ＬＥＤチップ１の基本的な構成は基本構成１と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００３９】
図７（ａ）は本実施形態のＬＥＤチップ１の電極配置を説明する説明図である。ＬＥＤチップ１の発光面は一辺が約１ｍｍの正方形をしており、従来のＬＥＤチップに比べて大型である。ここで、複数の短冊状のｎ側電極６ａと、複数の短冊状のｐ側電極７ａとが、平行且つ等間隔に交互に並行配列され、複数のｎ側電極６ａの配列方向と交差する方向における一方の端を互いに連結して櫛形に形成するとともに、複数のｐ側電極７ａの配列方向と交差する方向における他方の端を互いに連結して櫛形に形成している。そして、複数のｎ側電極６ａを連結する連結部６ｃに給電部６を形成するとともに、複数のｐ側電極７ａを連結する連結部７ｃに給電部７を形成しており、複数のｎ側電極６ａと複数のｐ側電極７ａとを等間隔で交互に並行配列することで、発光面の輝度を均一にできる。尚、ｎ側及びｐ側電極６ａ，７ａやその給電部６，７は例えばＡｕ或いはＡｌを蒸着するなどして形成される。
【００４０】
ここで、積層方向において透光性基板２に近い側に形成された複数のｎ側電極６ａは、給電部６から遠ざかるにつれて、幅寸法が徐々に狭くなっている。また、ｎ側電極６ａ上では給電部６から離れた点ほど、その近傍の発光層４を所定の光量で発光させるのに必要な電流密度は小さくなる。したがって、ｎ側電極６ａの幅寸法を、必要な電流密度の減少に合わせて狭めれば、ｎ側電極６ａに対向するｐ側電極７ａと接続されたｐ型半導体層５や発光層４の面積を大きく取ることができ、発光効率がさらに向上する。また、ＬＥＤチップ１の半導体層形成側のチップ面の全域に亘るように幅広の電極を形成した場合、各々の電極が半導体層形成側のチップ面から放射される光の反射部として機能することになり、光の取り出し効率が向上するという利点がある。また、複数のｎ側電極６ａにおいて櫛の歯に相当する部位の互いに連結されていない側の端部と、複数のｐ側電極７ａにおいて櫛の歯に相当する部位の互いに連結されていない側の端部とは、先端部に電界が集中しやすいため、先端部に丸みを持たせることで電界の集中を抑えることができ、発光輝度をさらに均一にできる。
【００４１】
また図７（ｂ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図を示しており、絶縁膜８の材料には屈折率ｎ_２が約１．５のＳｉＯ_２を用いている。また、このＬＥＤチップ１はフェースダウンの状態で図示しない実装基板に実装され、ＬＥＤチップ１の周囲を屈折率ｎ_３が約１．２の透光性を有する封止樹脂（図示せず）で封止している。
【００４２】
ここで、本実施形態においても実施形態１と同様に、発光層４（屈折率ｎ_１＝約２．６）の端面の法線Ｌ１が発光層４と平行な面Ａと成す角度をθ_１、発光層４の端面と接する絶縁膜８の外側面の法線Ｌ２が発光層４と平行な面Ａと成す角度をθ_２とすると、角度θ_１を、絶縁膜８の屈折率ｎ_２を発光層４の屈折率ｎ_１で除した値の逆正弦より小さい値とし（θ_１＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１））、且つ、角度θ_２と角度θ_１との差に、発光層４の屈折率ｎ_１を絶縁膜８の屈折率ｎ_２で除した値に角度θ_１の正弦を乗じた値の逆正弦を加算した値αを、基板実装後の完成状態において絶縁膜８の外側面が接する封止樹脂の屈折率ｎ_３を絶縁膜８の屈折率ｎ_２で除した値の逆正弦以上とするように（α＝（θ_２−θ_１）＋ｓｉｎ^−１（（ｎ_１／ｎ_２）・ｓｉｎθ_１）≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２））、角度θ_１，θ_２の値を設定している。例えば発光層４の屈折率ｎ_１が約２．６、絶縁膜８の屈折率ｎ_２が約１．５、封止樹脂の屈折率ｎ_３が約１．２の場合は、θ_１＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）＝３５．２、α≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２）＝５３．１となるので、上記の条件式を満足するように、本実施形態では角度θ_１＝２５°、角度θ_２＝４０°としている。
【００４３】
この時、α＝６２°となり、発光層４内を発光層４と平行な方向に進行する光が、発光層４と絶縁膜８との界面で屈折し、絶縁膜８の外側面に設けた傾斜面８ａに対して臨界条件（α≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２））を超える入射角αで入射するので、絶縁膜８の外側面に設けた傾斜面８ａで光の取り出し方向へ全反射されることになり、従来のＬＥＤチップ１に比べて光の取り出し方向への光の取り出し効率が向上する。
【００４４】
本実施形態のような複雑な電極構造を有している場合、発光層４内を発光層４と平行な方向に進行する光が、電極で乱反射されるなどして、光の取り出し面側への光の取り出し効率が減少する可能性があるが、図７（ｂ）に示すように、ｎ側電極６ａによって複数に分かれている発光層４の端面を斜めにカットするとともに、発光層４の端面に接する絶縁膜８の外側面を斜めにカットしているので、発光層４内を発光層４と平行な方向に進行する光を、光の取り出し方向に全反射させることができ、従来のＬＥＤチップ１に比べて光の取り出し効率を向上させることができる。尚、本実施形態では、基本構成１のＬＥＤチップ１においてｎ側電極及びｐ側電極を櫛形に形成して、ｎ側電極の櫛の歯に相当する部位と、ｐ側電極の櫛の歯に相当する部位とを、平行且つ等間隔に交互に配置しているが、他の実施形態のＬＥＤチップ１において本実施形態の電極構造を適用しても良いことは言うまでもない。
【００４５】
（実施形態３）
本発明の実施形態３を図８を参照して説明する。上述した実施形態１では、透光性基板２上にｎ型半導体層３と発光層４を含む量子井戸構造とｐ型半導体層５とを順番に積層したｐｎ接合部を１組だけ形成しているのに対して、本実施形態では、ｎ型半導体層３と発光層４を含む量子井戸構造とｐ型半導体層５とを順番に積層したｐｎ接合部１０ａ〜１０ｃを３組積み重ねた構造を有しており、１つのＬＥＤチップ１内に発光層４が３層存在するので、実施形態１に比べて１個当たりのＬＥＤチップ１の光量を増大させることができる。尚、ＬＥＤチップ１の基本構成は実施形態１と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００４６】
本実施形態では、半導体層のうち透光性基板２から最も遠いｐ型半導体層５の表面と、各ｐｎ接合部１０ａ〜１０ｃの端面とを絶縁膜８で覆っているが、絶縁膜８の材料としては、屈折率ｎ_２が約１．５のＳｉＯ_２を用いている。また、このＬＥＤチップ１はフェースダウンの状態で図示しない実装基板に実装され、チップの周囲は屈折率ｎ_３が約１．２の透光性の封止樹脂（図示せず）で封止されている。
【００４７】
ここで、各ｐｎ接合部１０ａ〜１０ｃの端面の形状は、実施形態１で説明した図５に示すＬＥＤチップ１と同様であり、発光層４（屈折率ｎ_１＝約２．６）の端面の法線Ｌ１が発光層４と平行な面Ａと成す角度をθ_１、発光層４の端面と接する絶縁膜８の外側面の法線Ｌ２が発光層４と平行な面Ａと成す角度をθ_２とすると、角度θ_１を、絶縁膜８の屈折率ｎ_２を発光層４の屈折率ｎ_１で除した値の逆正弦より小さい値とし（θ_１＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１））、且つ、角度θ_２と角度θ_１との差に、発光層４の屈折率ｎ_１を絶縁膜８の屈折率ｎ_２で除した値に角度θ_１の正弦を乗じた値の逆正弦を加算した値αを、基板実装後の使用状態において絶縁膜８の外側面が接する封止樹脂の屈折率ｎ_３を絶縁膜８の屈折率ｎ_２で除した値の逆正弦以上とするように（α＝（θ_２−θ_１）＋ｓｉｎ^−１（（ｎ_１／ｎ_２）・ｓｉｎθ_１）≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２））、角度θ_１，θ_２の値を設定している。例えば発光層４の屈折率ｎ_１が約２．６、絶縁膜８の屈折率ｎ_２が約１．５、封止樹脂の屈折率ｎ_３が約１．２の場合は、θ_１＜ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）＝３５．２、α≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２）＝５３．１となるので、上記の条件式を満足するように、本実施形態では角度θ_１＝２５°、角度θ_２＝４０°としている。
【００４８】
この時、α＝６２°となり、発光層４内を発光層４と平行な方向に進行する光が、発光層４と絶縁膜８との界面で屈折し、絶縁膜８の外側面に設けた傾斜面８ａに対して臨界条件（α≧ｓｉｎ^−１（ｎ_３／ｎ_２））を超える入射角αで入射するので、絶縁膜８の外側面に設けた傾斜面８ａで光の取り出し方向へ全反射されることになり、従来のＬＥＤチップ１に比べて光の取り出し方向への光の取り出し効率が向上する。
【００４９】
尚、本実施形態では対向するｎ型半導体層３とｐ型半導体層５とを含むｐｎ接合部を３組形成しているが、ｐｎ接合部の数は２組以上であれば何組でも良く、１個当たりのＬＥＤチップ１の光量を大きくできる。また、複数の発光層４は、全て同じ波長の光を放射するものでも良いが、一部又は全ての発光層４が互いに異なる波長の光を放射するようにしても良い。また、上述した各実施形態において、対向するｎ型半導体層３とｐ型半導体層５とを含むｐｎ接合部を複数組形成しても良く、本実施形態と同様に１個当たりのＬＥＤチップ１の光量を大きくできる。
【００５０】
ところで、上述した各実施形態においては、透光性基板２としてサファイア基板を例に説明を行ったが、透光性基板２をサファイア基板に限定する趣旨のものではなく、配線基板にフェースダウンの状態で実装する場合には、透光性の結晶基板であればどのような基板を用いても良く、サファイア以外のＳｉＣやＧａＩＮなどの結晶基板を用いても良い。また、ＬＥＤチップ１を配線基板にフェースアップの状態で実装する場合には、透光性を有していない結晶基板でも良い。
【００５１】
また、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層５の各々に接続されたｎ側及びｐ側電極の給電部６，７はそれぞれ結晶基板における半導体層側のチップ面に設けているが、例えばＳｉＣのように導電性を有する結晶基板を用いた場合には、結晶基板に近い側の半導体層（本実施形態の場合はｎ型半導体層３）に接続される電極を、結晶基板における半導体層側と反対側の表面に形成しても良い。
【００５２】
また、上記各実施形態では結晶基板上に、ｎ型半導体層３、発光層４を含む量子井戸構造、及びｐ型半導体層５をこの順番で積層してあるが、ｐ型半導体層５、発光層４を含む量子井戸構造、及びｎ型半導体層３の順番で積層するようにしても良い。また更に、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層５としてＧａＮ系化合物半導体を例に説明を行っているが、半導体の種類を上記のものに限定する趣旨のものではなく、ＧａＡｓ系化合物半導体などでも良い。また、発光層４付近の構造としては量子井戸構造を用いているが、特に量子井戸構造に限定するものではなく、それ以外の構造のものを用いても良い。
【００５３】
【発明の効果】
上述のように、請求項１の発明は、結晶基板上に少なくとも一対のｐ型半導体層及びｎ型半導体層を形成し、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との対向部に発光層を設け、ｐ型半導体層、発光層及びｎ型半導体層の側面を少なくとも覆う絶縁膜を設けたＬＥＤチップにおいて、発光層内を発光層と平行に進行する光が光の取り出し方向へ全反射されるように、発光層の端面、又は、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面の内、少なくとも何れか一方の面を、その法線が発光層に平行な面と成す角度を所定の角度以上とするように、発光層に平行な面に対して傾斜させ、発光層の端面の法線と発光層に平行な面とが成す第１の角度と、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面の法線と発光層に平行な面とが成す第２の角度とはそれぞれ鋭角であって、第２の角度を第１の角度よりも大きくし、第１の角度を、絶縁膜の屈折率を発光層の屈折率で除した値の逆正弦よりも小さい角度とし、且つ、第２の角度と第１の角度との差に、発光層の屈折率を絶縁膜の屈折率で除した値に第１の角度の正弦を乗じた値の逆正弦を加算した値を、基板実装後の完成状態において絶縁膜の外側面が接する物質の屈折率を絶縁膜の屈折率で除した値の逆正弦以上としたことを特徴とし、発光層の端面、又は、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面の内、少なくとも何れか一方の面を、その法線が発光層に平行な面と成す角度を所定の角度以上とするように、発光層に平行な面に対して傾斜させることで、発光層内を発光層と平行な方向に進行する光を、発光層の端面、又は、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面の何れかで光の取り出し方向へ全反射させているので、光の取り出し方向へ放射される光量を増やして、光の取り出し効率を高めることができる。さらに、従来のＬＥＤチップのように、発光層内を発光層と平行な方向に進行する光を光の取り出し方向に反射する部材をＬＥＤチップの外側に設ける場合に比べて、ＬＥＤチップの実装部を小型にできるから、光の取り出し効率を高めた小型のＬＥＤチップを実現できる。
【００５６】
さらに、発光層内を発光層と平行な方向に進行する光は、絶縁膜との界面で屈折された後、絶縁膜の外側面に入射するのであるが、絶縁膜の外側面への入射角が臨界角以下となり、絶縁膜の外側面で光の取り出し方向に全反射されるから、光の取り出し方向へ放射される光量を増やして、光りの取り出し効率を高めることができる。また、絶縁膜や封止材料に使用できる材料は屈折率によって或る程度決まってしまうが、発光層の端面と、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面の両方を発光層と平行な面に対して傾斜させた場合は、何れか一方の面のみを傾斜させた場合に比べて、各材料の屈折率の設定の自由度が高くなり、その結果、使用できる材料の自由度が高くなるという効果がある。
【００５７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面を、発光層の端面と非平行としたことを特徴とし、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面と発光層の端面とを平行にした場合は、発光層内を発光層と平行な方向に進行した光が絶縁膜の外側面で一旦反射された後、絶縁膜の外側面と発光層の端面との間で反射を繰り返して光の取り出し方向へ放射されるため、光路が長くなって光量が減衰したり配光むらが発生するといった問題が発生するが、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面と発光層の端面とを非平行にすることで、絶縁膜の外側面と発光層の端面との間で反射が繰り返されるのを防止し、光路長を短くして光量の減衰や配光むらを低減できるという効果がある。
【００５８】
請求項３の発明は、請求項１または２の何れか１つの発明において、絶縁膜の外側に金属膜を設けたことを特徴とし、絶縁膜の外側面で反射せずに透過した光を金属膜の表面で反射させることにより、光の取り出し方向に放射される光量を増やして、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００５９】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、金属膜を、ｐ型半導体層又はｎ型半導体層の内少なくとも何れか一方への配線部として兼用したことを特徴とし、金属膜で配線部を兼用しているので、フェースダウンの状態で実装する場合には、半導体層に設けた電極部に比べて面積の広い金属膜にバンプを接合すれば良く、基板への実装を容易に行えるという効果がある。さらに、半導体層に設けた電極部に比べて金属膜の方が面積が広いので、より大きなバンプを用いたり、複数のバンプを使用することができ、ＬＥＤチップと基板との間の熱抵抗を小さくして、放熱性を高めることができる。
【００６０】
請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れか１つの発明において、チップ側面を発光層と平行な面に対して斜めに傾斜させたことを特徴とし、チップ側面を発光層と平行な面に対して略直交させた場合、チップ側面で一旦全反射された光が、ＬＥＤチップの他の面で次々に全反射されて、チップ内を進行する所謂繰り返し完全反射が発生するが、チップ側面を発光層と平行な面に対して斜めに傾斜させているので、繰り返し完全反射の発生を抑制して、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００６１】
請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れか１つの発明において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の各々に接続するｐ側電極とｎ側電極を半導体層形成側のチップ面に設け、複数のｐ側電極と、複数のｎ側電極とを、略平行に等間隔で交互に並行配列して、複数のｐ側電極の配列方向と交差する方向における一方の端を互いに連結して櫛形に形成するとともに、複数のｎ側電極の配列方向と交差する方向における他方の端を互いに連結して櫛形に形成して成ることを特徴とし、チップ面にｐ型半導体層とｎ型半導体層の各々に接続する電極を略平行に等間隔で並行配置しているので、発光面内で発光輝度を均一にできる。
【００６２】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、各電極の連結されていない側の端部に丸みをもたせたことを特徴とし、先端部に電界が集中するのを防止して、発光面内での発光輝度をさらに均一にできる。
【００６３】
請求項８の発明は、請求項１乃至７の何れか１つの発明において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との対を複数対積層したことを特徴とし、発光層を複数設けることで、１個当たりのＬＥＤチップの光量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基本構成１のＬＥＤチップの断面図である。
【図２】同上の別のＬＥＤチップの断面図である。
【図３】基本構成２のＬＥＤチップの断面図である。
【図４】基本構成３のＬＥＤチップの断面図である。
【図５】実施形態１のＬＥＤチップの断面図である。
【図６】同上の別のＬＥＤチップの断面図である。
【図７】実施形態２のＬＥＤチップを示し、（ａ）は電極の配置を上側から見た図、（ｂ）はＢ−Ｂ’断面図である。
【図８】実施形態３のＬＥＤチップの断面図である。
【図９】従来のＬＥＤチップの断面図である。
【符号の説明】
１ＬＥＤチップ
２透光性基板
３ｎ型半導体層
４発光層
５ｐ型半導体層
６，７給電部
８絶縁膜
Ａ面
Ｌ１法線

Claims

結晶基板上に少なくとも一対のｐ型半導体層及びｎ型半導体層を形成し、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との対向部に発光層を設け、ｐ型半導体層、発光層及びｎ型半導体層の側面を少なくとも覆う絶縁膜を設けたＬＥＤチップにおいて、発光層内を発光層と平行に進行する光が光の取り出し方向へ全反射されるように、発光層の端面、又は、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面の内、少なくとも何れか一方の面を、その法線が発光層に平行な面と成す角度を所定の角度以上とするように、発光層に平行な面に対して傾斜させ、発光層の端面の法線と発光層に平行な面とが成す第１の角度と、発光層の端面に接する絶縁膜の外側面の法線と発光層に平行な面とが成す第２の角度とはそれぞれ鋭角であって、第２の角度を第１の角度よりも大きくし、第１の角度を、絶縁膜の屈折率を発光層の屈折率で除した値の逆正弦よりも小さい角度とし、且つ、第２の角度と第１の角度との差に、発光層の屈折率を絶縁膜の屈折率で除した値に第１の角度の正弦を乗じた値の逆正弦を加算した値を、基板実装後の完成状態において絶縁膜の外側面が接する物質の屈折率を絶縁膜の屈折率で除した値の逆正弦以上としたことを特徴とするＬＥＤチップ。
前記発光層の端面に接する前記絶縁膜の外側面を、前記発光層の端面と非平行としたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤチップ。
前記絶縁膜の外側に金属膜を設けたことを特徴とする請求項１または２の何れか１つに記載のＬＥＤチップ。
前記金属膜を、ｐ型半導体層又はｎ型半導体層の内少なくとも何れか一方への配線部として兼用したことを特徴とする請求項３記載のＬＥＤチップ。
チップ側面を発光層と平行な面に対して斜めに傾斜させたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載のＬＥＤチップ。
ｐ型半導体層とｎ型半導体層の各々に接続するｐ側電極とｎ側電極を半導体層形成側のチップ面に設け、複数のｐ側電極と、複数のｎ側電極とを、略平行に等間隔で交互に並行配列して、複数のｐ側電極の配列方向と交差する方向における一方の端を互いに連結して櫛形に形成するとともに、複数のｎ側電極の配列方向と交差する方向における他方の端を互いに連結して櫛形に形成して成ることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１つに記載のＬＥＤチップ。
前記各電極の連結されていない側の端部に丸みをもたせたことを特徴とする請求項６記載のＬＥＤチップ。
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との対を複数対積層したことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１つに記載のＬＥＤチップ。