JP5560674B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体発光素子に関する。
発光層を挟んでp型半導体層及びn型半導体層を積層した半導体発光素子において、両半導体層へと供給する電流を半導体平面の全面へと拡散させるために、外部電極との接続部より延伸した電極延伸部を、電極形成面の周縁部に沿って形成する技術が開示されている(例えば特許文献1)。
一例として図24の平面図に示す発光素子100では、p型半導体層と接続されたp型電極パッド部102が、素子の中央域に配置される。また、n型半導体層と接続されたn型電極パッド部101が、矩形状の電極形成面における隅部に形成されており、このn型電極パッド部101より延伸された電極延伸部101aは、電極形成面の周囲の四辺全てを完全に包囲してなる包囲電極101bを形成している。この包囲電極101bにより、電流がn型半導体層内を側方に移動しなければならない平均距離が低減し、その結果、デバイスの直列抵抗を小さくできるため電流密度の均一性が向上する。
また近年では、さらなる高出力化の要望に応じて、n電極側の電極構造の大面積化に伴い、包囲電極を素子の外周縁の極めて近くに、つまり包囲電極から素子の外周までを余地無く配置することで、包囲電極領域の増大化を図っている。加えて、この電極延伸部による包囲領域内を、電極延伸部でもって、さらに複数の小領域に区画することで、区画領域内の電流の広がりを均一なものとし、発光均一性の向上をねらった構造も開発されている。
例えば、図25の平面図に示す発光素子200では、電極パッド部201が、矩形状の電極形成面の隅部に形成されている。さらに、この電極パッド部201から延伸された電極延伸部201aが、電極形成面の周縁の四辺をラウンドして包囲電極201bを形成する。加えて電極パッド部201の隅部を構成する互いに直交した2辺より均等に分岐された複数の電極延伸部201aが、それぞれ垂直に折曲することで、包囲電極201b内を複数の区画領域203に区画している。図25の例では、複数の区画領域は、略相似なL字状であって、各領域は電極パッド部201より離間するにしたがって拡大してなるものの、各々の区画領域における幅は略等間隔である。この構造により、電極形成面の部位における局所電流密度の較差を低減し、すなわち電流拡散が促進されて電極形成面内の電流密度が一層均一になると期待される。
特開2000−164930号公報 国際公開第2009/041318号 特開平6−5921号公報 特開2005−322922号公報 特開平5−145119号公報 特開2001−345480号公報 特開2004−56109号公報 特開2005−191459号公報
しかしながら、このような構成では電極延伸部の折曲領域に電流が集中し、その結果部位による電流の偏在を招き、さらには素子内の過度な発熱及び蓄熱の要因となることを本願出願人は見出し、これを解消するため特許文献2の発光素子を開発した。この発光素子の電極パターンは、図26に示すように、外部接続領域である電極パッド部16を設けた第一電極21は、光取り出し側に位置する第一導電型層11上の電極形成面15に形成された、互いに対向する一対の電極延伸部30を備えている。また一対の電極延伸部30の対向方向において、電極延伸部30間の1/2の距離l1が、電極延伸部30から電極形成面15の端縁までの距離L2よりも小さい。これにより、局所電流密度を均一にし、放熱性に優れた構造を得ることができる。
しかしながら、半導体発光素子の更なる高効率化を図るには、さらなる改善として順方向電圧Vfを下げることが重要となる。順方向電圧Vfを下げるには、電極の面積を大きくして抵抗を小さくすることが挙げられるが、この方法では光取り出し効率が悪くなり、出力が低下するという問題があった。逆に電極面積を小さくすると、光取り出し効率が向上し出力を上昇できるが、Vfが悪くなる。このように順方向電圧Vfを下げることと出力の上昇はトレードオフの関係にあるため、両者を改善することは容易でなかった。
本発明は、従来のこのような問題点を解消するためになされたものである。本発明の主な目的は、出力を維持しつつVf上昇を抑制した半導体発光素子を提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
上記の目的を達成するために、本発明の第1の半導体発光素子によれば、第一導電型層及び第二導電型層が積層された半導体構造と、前記第一導電型層及び第二導電型層にそれぞれ電気的に接続され、前記半導体構造の積層方向に互いに対向する第一電極及び第二電極とを有し、前記第一電極は、光取り出し側に位置する前記第一導電型層の電極形成面に形成された、互いに対向する一対の電極延伸部である第一延伸部と、第二延伸部とを備えており、前記第一延伸部及び第二延伸部は、該延伸部の一部に設けられた、外部電極と接続可能な第一パッド部及び第二パッド部をそれぞれ有している半導体発光素子であって、前記半導体発光素子はさらに、前記第一延伸部と第二延伸部との間に、これらと対向して延伸された第三延伸部と、前記第三延伸部と第一延伸部との間で、これらを接続する第一接続延伸部と、前記第三延伸部と第二延伸部との間で、これらを接続する第二接続延伸部とを備え、前記第一接続延伸部は、前記第三延伸部および第一延伸部の延伸方向と交差する方向に延伸され、前記第二接続延伸部は、前記第三延伸部および第二延伸部の延伸方向と交差する方向に延伸され、前記第一接続延伸部と第二接続延伸部とが一直線上からずれて、かつ前記電極形成面の中心を基準にして略対称に配置されることができる。これにより、発光出力を維持しつつ、第一電極の順方向電圧を低減して定格電流を高めることが可能となる。特に第一延伸部と第二延伸部との間に第三延伸部を設けることで、電極面積を増やすと共に電流分布を均一化できる。
また第一接続延伸部と第二接続延伸部とが十字状に第三延伸部と交差して、交点部分に電流が集中する事態を回避でき、電流分布を分散させることが可能となる。
さらに、第の半導体発光素子によれば、前記第一延伸部及び第二延伸部に設けられた第一パッド部及び第二パッド部は、前記電極形成面の長手方向及び/又は短手方向に対して、互いにオフセット配置させることができる。これにより、限られた電極形成面においてパッド部を離間させて配置できるので、電流の局所的な集中を回避して電流分布のバランスを図ることができる。
さらにまた、第の半導体発光素子によれば、第一パッド部が、前記第一延伸部と第一接続延伸部との交点に位置し、第二パッド部は、前記第二延伸部と第二接続延伸部との交点に位置することができる。これにより、電極延伸部と接続延伸部との交点とパッド部とを離間させた場合に生じ得る、交点とパッド部との間への電流集中を緩和し、発熱等の問題を効果的に回避できる。
さらにまた、第の半導体発光素子によれば、前記第一延伸部と第二延伸部との対向方向において、該延伸部間の1/2の距離、該延伸部の端縁から前記電極形成面の端縁までの距離よりも長くすることができる。このように電極延伸部を電極形成面の中央側でなく端部側に配置することで、光出力の向上を図ることができる。
さらにまた、第の半導体発光素子によれば、前記第一接続延伸部と第二接続延伸部との対向方向において、該接続延伸部間の1/2の距離、該接続延伸部の端縁から前記電極形成面の端縁までの距離よりも短くすることができる。
さらにまた、第の半導体発光素子によれば、前記第一延伸部と第二延伸部とを略平行に延伸させることができる。
さらにまた、第の半導体発光素子によれば、前記第一接続延伸部と第二接続延伸部とを略等しい長さに延伸させることができる。
さらにまた、第の半導体発光素子によれば、前記第一延伸部と第二延伸部と第三延伸部とを略等しい長さに延伸させることができる。
さらにまた、第の半導体発光素子によれば、前記第一接続延伸部と第二接続延伸部とを略平行に延伸させることができる。
さらにまた、第10の半導体発光素子によれば、光取り出し側からの平面視において、前記延伸部を、前記電極形成面の中心を基準にして略対称に配置させることができる。
さらにまた、第11の半導体発光素子によれば、前記第一パッド部は、前記第一延伸部の端部から離れた部位に位置させ、該第一延伸部が延伸された方向に第一電極突出部を設けてなり、前記第二パッド部は、前記第二延伸部の端部であって前記第一パッド部を設けた側と反対側の端部から離れた部位に位置させ、該第二延伸部が延伸された方向に第二電極突出部を設けることができる。これにより、各電極延伸部が長く延伸されて電流分布が不均一となる事態を回避できる。
さらにまた、第12の半導体発光素子によれば、光取り出し側からの平面視において、前記第一電極及び前記第二電極は相互にオフセットに配置されており、前記第一電極の延伸部の延伸方向と電極形成面の端縁との間の領域に、前記第二電極が形成させることができる。
さらにまた、第13の半導体発光素子によれば、光取り出し側からの平面視において、前記第一延伸部、第二延伸部、第三延伸部は略直線状とすることができる。
本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の平面図である。 図1のII−II’線における概略断面図である。 図1のIII−III’線における概略断面図である。 電極パターンの変形例を示す平面図である。 電極パターンの他の変形例を示す平面図である。 電極パターンのさらに他の変形例を示す平面図である。 図1の電極パターンを左右反転させた変形例を示す平面図である。 実施の形態に係る発光素子の製造方法を示す説明図である。 実施の形態に係る発光素子の製造方法を示す説明図である。 実施の形態に係る発光素子の製造方法を示す説明図である。 実施の形態に係る発光素子の製造方法を示す説明図である。 実施の形態に係る発光装置の概略断面図である。 実施例1及び比較例1〜15に係る電極パターンを示す平面図である。 入力電流550mAでの発光面積と電力効率の関係を示すグラフである。 入力電流550mAでの発光面積と出力の関係を示すグラフである。 実施例1に係るLED素子を示す図であり、図16(a)は斜視図、図16(a)は断面図である。 入力電流550mAでの発光面積と順方向電圧の関係を示すグラフである。 実施例1と比較例1のLED素子の投入電流と順方向電圧及び出力の関係を示すグラフである。 (a)実施例1と(b)比較例1の発光強度分布を示すイメージ図である。 比較例2と実施例1、2、3に係るLED素子の電極パターンを示す平面図である。 比較例2と実施例1、2、3に係るLED素子を順方向電流If=350mAで駆動した結果であり、図21(a)は順方向電圧、図21(b)は光出力を示すグラフである。 比較例2と実施例1、2、3に係るLED素子を順方向電流If=550mAで駆動した結果であり、図22(a)は順方向電圧、図22(b)は光出力を示すグラフである。 実施例1及び各比較例の電極パターンによる電流集中の変化を測定したシミュレーション結果を示すイメージ図である。 従来の形態に係る発光素子の平面図である。 従来の別の形態に係る発光素子の平面図である。 本発明者が先に開発した発光素子の平面図である。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための、半導体発光素子を例示するものであって、本発明は、半導体発光素子を以下のものに特定しない。さらに、本明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」、及び「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。特に実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。さらに、本明細書において、層上等でいう「上」とは、必ずしも上面に接触して形成される場合に限られず、離間して上方に形成される場合も含んでおり、層と層の間に介在層が存在する場合も包含する意味で使用する。
(実施の形態1)
図1〜図3に、本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子を示す。これらの図において、図1は半導体発光素子の平面図、図2は図1のII−II’線における断面図、図3は図1のIII−III’線における断面図を、それぞれ示している。
図2〜図3に示す発光素子1は、支持台3と、この支持台3の上方に位置する半導体構造10と、半導体構造10を上下に狭む電極20より主に構成される。また、支持台3は、支持基板4及び接着層5が、この順に積層されて固定される。一方、半導体構造10は、発光層13と、この発光層13を挟んで積層された第一導電型層11であるn型半導体層と、第二導電型層12であるp型半導体層とを有する。図の例では、p型半導体層12、発光層13、n型半導体層11が、この順に積層して半導体構造10を構成しており、半導体構造10の上方側に位置するn型半導体層11側が、発光層13からの出射光の主発光面側、すなわち光取り出し側となる。
(電極)
また、電極20はn型半導体層11及びp型半導体層12のそれぞれに電力を供給する第一電極21及び第二電極22を有する。具体的に、n型半導体層11には、第一電極21であるn型電極が形成され、電力供給可能となる。同様に、p型半導体層12の主面の一部に第二電極22が形成される。
(電極延伸部)
図1は光取り出し側からの平面視における発光素子1の平面図であって、主にn型半導体層11上のn型電極21における形成パターンが図示されている。図1に示すように、n型電極21は、正方形状の電極形成面15の略中央域に形成された、一対の線状の電極の延伸部30である第一延伸部30A及び第二延伸部30B、これらの間に配置された第三延伸部30C、第三延伸部30Cと第一延伸部30Aとを接続する第一接続延伸部37Aと、第三延伸部30Cと第一延伸部30Aとを接続する第二接続延伸部37Bと、第一延伸部30A及び第二延伸部30B上の一部に重なるように配置された、外部電極と接続可能な第一外部接続領域16Aである第一パッド部及び第二外部接続領域16Bである第二パッド部とで構成される。これら第一延伸部30A、第二延伸部30B、第三延伸部30Cは、光取り出し側からの平面視において、略直線状とすることが好ましい。
このn型電極21は、電極形成面15の端縁形状に沿って周縁をラウンドした包囲電極構造を有していない。ただ、電極形成面15の形状は、正方形状に限定されず、正多角形、平行四辺形等の矩形、多角形、円形等とできる他、n型半導体層11の露出領域の形状に依存して調節される。
また好ましくは、電極延伸部は中心に対して逆の位置に設ける。例えば、光取り出し側からの平面視において、電極の延伸部30を、電極形成面15の中心Cを基準にして略対称に配置する。図1に示される第一延伸部30A及び第二延伸部30Bは、電極形成面15の中央域であって、中心Cを基準にして、略点対称に配置されており、互いに離間されている。ただ電極の延伸部30は、点対称に限らず、中心Cを含む直線に対して略線対称に配置してもよい。
さらに第一延伸部30A、第二延伸部30B、第三延伸部30Cとは、互いに交差することはなく、図1の例では、線状の第一延伸部30A、第二延伸部30B、第三延伸部30Cが略平行に延伸され、離間距離は実質的に等間隔である。このように、外部からの電力供給領域を対称に配置することで、電極形成面15の全面への電流拡散を高効率に実現できる。また電極延伸部に、極力交差や分岐を備えない直線状の構造とすることで、電流の集中を抑止し、電流密度の均一性の向上が図れる。さらにこれら第一延伸部30A、第二延伸部30B、第三延伸部30Cとは、ほぼ同じ長さとすることが好ましい。
また第一延伸部30A及び第二延伸部30Bを設ける位置は、電極形成面15のやや外側寄り、具体的には図1に示すように、第一延伸部30Aと第二延伸部30Bとの対向方向において、電極の延伸部30間の1/2の距離L1が、電極の延伸部30の端縁から電極形成面15の端縁までの距離L2よりも長い位置とする。特に縦方向の電極配置に関して、第一延伸部30Aと第二延伸部30Bとの間に第三延伸部30Cを追加している構成では、電極延伸部を電極形成面15の中央側でなく端部側に配置することで、電流分布の均一化を図ると共に光出力を向上させることができる。さらに、このような電流分布の均一化とN電極面積の最適化によって、Vfの低下、リニアリティの向上、放熱性の向上をすることが見込める。
(接続延伸部)
また電極延伸部間を接続する接続延伸部も、ほぼ並行でほぼ等しい長さとすることが好ましい。すなわち図1に示す第一接続延伸部37Aと第二接続延伸部37Bとは、ほぼ並行に離間され、さらにほぼ等しい長さに延伸されている。接続延伸部は補助電極として機能し、電流を電極形成面15の全面に行き渡らせるよう作用する。
第一接続延伸部37Aと第二接続延伸部37Bとは、好ましくは一直線状に並ばないよう、ずれて配置させる。第一接続延伸部37Aと第二接続延伸部37Bとが一直線状となれば、必然的に第三延伸部30Cと十字状に交差するため、交点部分に電流が集中する虞が生じる。そこでこのような十字状の交点の形成を回避し、電流分布を分散させるため、第三延伸部30C上で互い違いとなるように第一接続延伸部37Aと第二接続延伸部37Bとを設ける。
また好ましくは、接続延伸部も中心に対して逆の位置に設ける。例えば、光取り出し側からの平面視において、第一接続延伸部37A及び第二接続延伸部37Bを、電極形成面15の中心を基準にして略点対称に配置する。あるいは中心Cを含む直線に対して略線対称に接続延伸部を配置してもよい。
さらに接続延伸部を設ける位置は、逆に内側寄りとし、具体的には第一接続延伸部37Aと第二接続延伸部37Bとの対向方向において、接続延伸部間の1/2の距離W1が、接続延伸部の端縁から電極形成面15の端縁までの距離W2よりも短い位置とする。特に横方向の電極配置に関しては、接続延伸部を2本しているため、内側寄りに配置することで電流注入と拡散、放熱機能を高めることができる。さらに、このような電流分布の均一化とN電極面積の最適化によって、Vfの低下、リニアリティの向上が見込める。
(パッド部)
さらに第一延伸部30A及び第二延伸部30Bは、上述の通りその一部に外部と接続可能な電極パッド部16をそれぞれ有している。電極パッド部16を2つ設けることで、ワイヤ等を介して供給される注入電流を分散することができ、より均一な発光が実現でき、電流や熱の集中を回避でき、発光品質及び素子信頼性の向上が図られる。
図1の例では、ライン状の電極の延伸部30の一方の端部寄りに、電極パッド部16が設けられている。さらに、一対の電極パッド部16は、電極形成面15を構成する長手方向及び/又は短手方向に対して、オフセットに配置され、図1の電極パッド部16では、電極形成面15の中心Cを基準にして略点対称の位置に形成される。すなわち、電極形成面15の矩形状を構成する四辺に平行な2方向を基準にして、互いに斜向かいに形成されている。ただパット部の配置は点対称に限定されず、中心Cを基準にして対称であればよく、例えば中心Cを含む直線に対して線対称に設けてもよい。
また第一パッド部16A及び第二パッド部16Bを、電極形成面15の長手方向及び/又は短手方向に対して、互いにオフセット配置させることで、第一パッド部16A及び第二パッド部16Bとの離間距離を稼ぐことができる。これらが近接すると、その領域に電流が集中して電流分布が偏るため、このような電流集中を避けるために、限られた電極形成面15においてパッド部を離間させて配置する。言い換えると、パッド部は電極形成面15の中心部分には配置しないことが望ましい。このため、第一延伸部30Aと第二延伸部30Bとの間に配置される第三延伸部30Cにはパッド部が重ならないように配置する。より好ましくは、電極形成面15の対角線上に第一パッド部16A及び第二パッド部16Bを配置する。この構成であれば、最も両者を離間させることが可能となる。
同様に、パッド部は電極延伸部と接続延伸部との交点に位置させることが、電流が集中する領域の形成を最小限とできることから好ましいといえる。逆に、パッド部を電極延伸部と接続延伸部との交点以外に位置させると、各々が電流の集中しやすい領域となるため、それだけ電流分布が不均一となる傾向が強まる。よって電流の集中が生じうる領域を極力排除する観点から、上記構成が好ましいといえる。
電極パッド部16は、ボンディングワイヤ等の導電部材と連結され、この導電部材を介して外部電源から電流が素子へと供給される。したがって、必然的に電極パッド部16を中心とするその近傍は、電流密度が大きい。一方で、電極パッド部16を含む電極の延伸部30の形成領域自体は発光領域29を覆うため、電極の延伸部30の直上では光採取量が低減する。すなわち、電極パッド部16をオフセットに配置することで、電流集中領域及び光遮断領域が、電極形成面15内に偏在してしまうことを抑止できるため、総合的に電流密度の均一性が向上された、かつ指向性の高い出射光を放出できる発光素子となる。また、図1の例では、各々の電極の延伸部30に一の電極パッド部16を設けているが、一の電極の延伸部30上或いは電極形成面15上に複数設ける形態でも良く、例えば、電極延伸部と同様に機能するように、電極形成面15上において直線状に配置できる他、ジグザグ状等二次元的に配列しても良い。
(電極突出部)
さらに、パッド部は電極延伸部の端縁でなく、端縁近傍に位置させて、電極延伸部の一部がパッド部を貫通して突出部を形成するように配置することが好ましい。具体的には、第一パッド部16Aは、第一延伸部30Aの端部から離れた部位に位置させ、第一延伸部30Aの一部を第一パッド部16Aから串刺し状に突出させた第一電極突出部30aを設けている。同様に第二パッド部16Bは、第二延伸部30Bの端部であって第一パッド部16Aを設けた側と反対側の端部から離れた部位に位置させ、第二延伸部30Bの一部を第二パッド部16Bから串刺し状に突出させた第二電極突出部30bを設けている。このように電極延伸部の端部を串刺し状にパッド部から突出させることで、相対的に電極延伸部の延伸部分を短くし、電流分布が不均一となる事態を回避できる。逆にパッド部を端部まで寄せると電極延伸部の直線状領域が長くなって、長さ方向に沿って電流分布が不均一となる(後述する図23(b)参照)。すなわち電極延伸部に沿った電流分布は、パッド部から離れる程、少なくなる。このため電極延伸部の直線状領域が長くなる程、電流分布が不均一になる。よってパッド部は電極延伸部の端部に設けない方が好ましいといえる。かといってパッド部を電極延伸部の中心に設けると、対抗する第一パッド部16Aと第二パッド部16Bとの距離が短くなるため、中心部分に電流が集中して周辺部分が少なくなり、電流分布の不均一が生じる。このため、第一パッド部16Aと第二パッド部16Bとは相互にオフセットさせた位置、いいかえると中央部分から離間させた位置に設けることが好ましいといえる。
(電極パターンの変形例)
また電極パターンの変形例を図4(a)〜(e)に示す。これらのバリエーションでは、いずれも上述した基本構成である、電極延伸部を3本、ほぼ同じ長さでほぼ並行に、かつほぼ等間隔で配置し、さらにパッド部を対角線上に配置している。変形は主に接続延伸部に関し、図4(a)はS字状に、パッド部から第三延伸部30Cに垂線を下ろすように接続延伸部を設けている。また図4(b)では電極延伸部の端縁の内、パッド部を設けた側と逆の端縁に接続延伸部を設けている。さらに図4(c)、(d)では、接続延伸部を電極延伸部と直交させず、電極延伸部同士を斜めに接続している。ここで第一接続延伸部37Aと第二接続延伸部37Bとはほぼ平行を維持している。図4(c)は、パッド部を設けた対角線方向に沿うように接続延伸部を傾斜させ、図4(d)では逆に交差する姿勢に接続延伸部を傾斜させている。
さらにまた図4(e)では、接続延伸部を一直線状とし、第三延伸部30Cを貫通するように、第一延伸部30Aから第二延伸部30Bまでほぼ中心に垂線を下ろしている。
なおパッド部16A、16Bの位置は、電極形成面15上で可能な限り離間させるため、対角線上に配置することが好ましいといえるが、必ずしも該構成に限られるものでなく、図5(a)〜(h)に示す他の変形例のように、中心線上で上下に離間させた配置(図5(a)、(c)、(d)や、僅かにオフセットさせた配置(図5(b)、(e))としてもよい。ただ、パッド部同士の間隔をある程度離間させる必要があることから、いずれかのパッド部を電極形成面15の中心近傍に配置することは避けることが望ましい。中心にパッド部が位置すると、必然的に他のパッド部との間隔が狭くなるからである。
さらに、電極延伸部の数は3本に限定するものでなく、4本以上を設けることも可能である。例えば図6(a)〜(m)に示すように、電極延伸部を4本あるいは5本(図6(g))とした電極パターンの変形例としてもよい。ただし、電極延伸部を増やすと、光出力の低下を招くため、電極延伸部の数を決定するに当たっては、要求される仕様や性能等とのバランスを考慮すべきことは当然である。
なお上記の電極パターンはあくまでも例示であり、姿勢を回転させたり反転させる等、基本形態を維持しつつ変形が可能であることは当然である。例えば図7に示すように図1を左右反転させても同様の効果が得られるし、あるいは電極パターンを90°、180°、270°回転させても同様であることは言うまでもない。
(オフセット配置)
また、半導体構造10の積層方向、及び積層方向との直交方向において、n型電極21及びp型電極22はオフセットに配置されている。オフセット配置は、具体的に各電極の対向面が該対向面側の電極から各々露出されることである。これに限らず、平面視において、第一、第二電極が互いに一部が重なっても良いが、互いに隣接、更には分離されることが本発明において好ましい。これにより、電流拡散を促進でき、内部量子効率を向上させることができる。また、電極形成面15での電流均一性が高まると共に、光むらの低減された出射光とできる。
具体的には、図2及び図3に示すように、発光層13を挟んで形成されたn型電極21及びp型電極22が、光取り出し側からの平面視において、重畳領域を有しないように、互いに一致しない中心軸をもって配置される。このためp型電極22は、隣接するp型電極22との離間領域を保護膜7で積層して絶縁される。
(半導体構造)
また、発光層13を有する半導体構造10は、当該分野で公知の方法及び構造を有して作製されるいかなる半導体構造であってもよい。図8〜図12は半導体構造10を含む発光素子1の概略断面図であり、その製造方法の一例を説明する説明図である。以下に、図8〜図12を用いて、実施の形態に係る発光素子1の一例である窒化物半導体素子の製造方法及び、各部材の詳細な説明を記す。
まず、図8に示すように、成長基板6上に第二導電型層12、発光層13、第一導電型層11を有する半導体構造10を形成する。成長基板6は、半導体構造10である窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる基板であればよく、成長基板の大きさや厚さ等は特に限定されない。この成長基板としては、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgAl24)のような絶縁性基板、また炭化珪素(6H、4H、3C)、シリコン、ZnS、ZnO、Si、GaAsが挙げられる。また、GaNやAlN等の窒化物半導体基板を用いることもできる。
本発明の半導体構造は、上記に限らず、pn接合、p−i−n構造、MIS構造等種々の発光構造を用いることができる。また、以下では半導体構造及び半導体層として、窒化物半導体について説明するが、本発明はこれに限らず、GaAs系、InP系、例えばInGaAs、GaP半導体、等の他の材料、波長の発光素子にも適用できる。
成長基板6上に、半導体構造として、n型窒化物半導体層11、発光層13、p型窒化物半導体層12を順に積層する。この時、成長基板6の材料によっては、半導体構造との間に、低温成長バッファ層、例えば1〜3nmのAlxGa1-xN(0≦x≦1)、その他、高温成長の層、例えば0.5〜4μmのAlxGa1-xN(0≦x<1)等の下地層を介していても良い。n型、p型の窒化物半導体層は、例えばAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)の組成式で表されるものを用いることができ、そのほかIII,IV族元素の一部をそれぞれ、B置換、P,As,Sb等で置換しても良い。例えば、n型層11には、GaNのコンタクト層、InGaN/GaNの多層膜構造、p型層12には、GaNのコンタクト層、AlGaN,InGaN,GaNの単層、多層膜構造を用いて構成することができる。このように種々の組成、ドーパント量の単層、多層構造を1つ、複数有して、各機能(コンタクト、クラッド)の層を設けることができる。各導電型の半導体層は、適宜ドーパントを用いて所望の導電型の層とし、例えばp型、n型の窒化物半導体では、それぞれMg,Si等を用いる。各導電型層の一部に、絶縁性、半絶縁性の領域、層、又は逆導電型の領域、層を有していても良い。
また、本発明に用いる発光層13、すなわち活性層は、例えば、AlaInbGa1-a-bN(0≦a≦1、0≦b≦1、a+b≦1)からなる井戸層と、AlcIndGa1-c-dN(0≦c≦1、0≦d≦1、c+d≦1)からなる障壁層とを含む量子井戸構造を有する。活性層に用いられる窒化物半導体は、ノンドープ、n型不純物ドープ、p型不純物ドープのいずれでもよいが、好ましくは、ノンドープもしくは、又はn型不純物ドープの窒化物半導体を用いることにより発光素子を高出力化することができる。井戸層にAlを含ませることで、GaNのバンドギャップエネルギーである波長365nmより短い波長を得ることができる。活性層から放出する光の波長は、発光素子の目的、用途等に応じて360nm〜650nm付近、好ましくは380nm〜560nmの波長とする。
井戸層の組成はInGaNが、可視光・近紫外域に好適に用いられ、その時の障壁層の組成は、GaN、InGaNが良い。井戸層の膜厚は、好ましくは1nm以上30nm以下であり、1つの井戸層の単一量子井戸、障壁層等を介した複数の井戸層の多重量子井戸構造とできる。
(第二電極)
次に、図8に示すように、第二導電型層12の表面にRh、Ag、Ni、Au、Ti、Al、Pt等からなる第二電極22をパターン形成する。第二電極22は、光反射側であるため、反射構造を有すること、具体的には反射率の高い、反射層を有すること、特に第二導電型層接触側に有することが好ましい。その他に、光透過する薄膜の密着層を介して、例えば密着層/反射層の順に積層した多層構造とすることもできる。具体的な第二電極22としては、半導体構造10側からAg/Ni/Ti/Ptとできる。また、第二電極22は、上面から見て、第一電極21が形成される領域を除く窒化物半導体層のほぼ全領域に形成されると、電流注入の発光領域を大きくでき、好ましい。また平面視において、第一及び第二の電極が、活性層13を挟んで重なる領域を有すれば、電極へと吸収され光損失を招くため、ずらすのがよい。
(保護膜)
窒化物半導体素子の周辺部等を保護するために、保護膜7を設けても良い。第二導電型半導体層12上に設ける場合は、その第二電極22から露出した領域に形成され、図の例では互いに隣接若しくは離間して設けられる。これに限らず、第二電極22の一部を覆うように設けることもできる。この保護膜7を絶縁膜として、第二導電型半導体層の表面上に選択的に設けられた第二電極から半導体層に導通されている。絶縁性の保護膜として、具体的な材料としては、SiO2、Nb25、Al23、ZrO2、TiO2等の酸化膜や、AlN、SiN等の窒化膜の、単層膜または多層膜を用いることができる。さらに、保護膜7にAl、Ag、Rh等の高反射率の金属膜を被覆してもよい。さらにSiO2/Ti/Ptのように、第二電極の多層構造の一部を絶縁膜の接着層5a側に設けてもよい。
(半導体層側接着層)
次に、第二電極22上に、貼り合わせ時に合金化させるための半導体層側接着層5aを形成する。半導体層側接着層5aは、Au、Sn、Pd、Inからなる群から選ばれる少なくとも1つを含有する合金から形成される。半導体層側接着層5aは密着層、バリア層、共晶層からなる3層構造が好ましい。密着層は、Ni、Ti、RhO、W、Moからなる群から選ばれる少なくとも一を含有する。バリア層は、Pt、Ti、Pd、TiN、W、Mo、WN、Auからなる群から選ばれる少なくとも一を含有する。共晶層は、Au、Sn、Pd、Inからなる群より選ばれる少なくとも一を含有する。また、半導体層側接着層5aの膜厚は5μm以下とする。例えば、Ti/Pt/Au/Sn/Auを用いることができ、また保護膜に第二電極の多層構造の一部を設ける場合は、密着層を省略し、Pt/Au/Sn/Auとすることもできる。
(支持基板)
他方、支持基板4を用意する。支持基板4は、主に、Si基板の他、GaAsの半導体基板、Cu、Ge、Niの金属材料、Cu−Wの複合材料等の導電性基板が挙げられる。加えて、Cu−Mo、AlSiC、AlN、SiC、Cu−ダイヤ等の金属とセラミックの複合体等も利用できる。例えば、Cu−W、Cu−Moの一般式をCux100-x(0≦x≦30)、CuxMo100-x(0≦x≦50)のようにそれぞれ示すことができる。またSiを用いる利点は安価でチップ化がしやすい点である。支持基板4の好ましい膜厚としては50〜500μmである。支持基板4の膜厚をこの範囲に設定することで放熱性が良くなる。一方で、支持基板に導電性基板を使用すれば、基板側からの電力供給が可能になる他、高い静電耐圧及び放熱性に優れた素子とできる。また、通常は、Si、Cu(Cu−W)等の不透光性の材料で、それと半導体層との間、例えば電極、若しくは半導体層内に反射構造を設ける構造として、放熱性、発光特性に優れ好ましい。また、メッキにより、窒化物半導体層上にメッキ部材を形成して、支持基板、支持基板との間の接着部を形成することもできる。また、支持基板を設けない素子でも良く、発光装置の載置部、基台上に直接実装されても良く、メッキによる金属部材等を半導体層上に設ける形態でも良い。
また、光取り出し側に対向する半導体層の反射側、例えば支持基板4の上面或いは下面や、上述した窒化物半導体層の表面(ここでは第二導電型層12の表面)に、分布型ブラッグ反射膜(distributed Bragg reflector:DBR)等、屈折率の異なる材料が周期的に交互に積層された多層薄膜を形成することもできる。多層薄膜は例えば誘電体多層膜、GaN/AlGaNの半導体から構成されて、半導体層内、その表面、例えば保護膜等に、単独若しくは反射用の電極と共に形成されて、反射構造を設けることができる。
(貼り合わせ工程)
そして、図9に示すように、半導体層側接着層5aの表面と支持基板側接着層5bの表面を対向させ、支持基板4を加熱圧接により窒化物半導体層側の第二電極22上に貼り合わせる。この加熱圧接は、プレスをしながら150℃以上の熱を加えて行われる。これにより図10に示すように、接着層5(5aと5b)を介して半導体層側と支持基板側が接合される。
この支持基板4の表面に対しても支持基板側接着層5bを形成することが好ましい。また、支持基板側接着層5bには密着層、バリア層、共晶層からなる3層構造を用いることが好ましい。支持基板側接着層5bは、例えばTi−Pt−Au、Ti−Pt−Sn、Ti−Pt−Pd又はTi−Pt−AuSn、W−Pt−Sn、RhO−Pt−Sn、RhO−Pt−Au、RhO−Pt−(Au、Sn)等の金属膜から形成される。
貼り合わせにおいて共晶させるには支持基板側と窒化物半導体側との接着面にそれぞれ密着層、バリア層、共晶層とを備えていることが好ましく、それが設けられる材料(基板、半導体)に応じて、適宜接着層、その各層の材料を形成する。貼り合わせ後には第二の電極/Ti−Pt−AuSn−Pt−Ti/支持基板、その他に第二の電極/RhO−Pt−AuSn−Pt−Ti/支持基板、第二の電極/Ti−Pt−PdSn−Pt−Ti/支持基板や、第二の電極/Ti−Pt−AuSn−Pt−RhO/支持基板や、第二の電極/Ti−Pt−Au−AuSn−Pt−TiSi2/支持基板や、Ti/Pt/AuSn/PdSn/Pt/TiSi2/支持基板や、Pt/AuSn/PdSn/Pt/TiSi2/支持基板(保護膜がSiO2/Ti/Ptの場合)となる。このように、貼り合わせの表面金属は支持基板側と窒化物半導体素子側が異なると、低温で共晶が可能で、共晶後の融点が上がるため好ましい。
(成長基板除去工程)
その後、図10に示すように、成長基板を除去して(破線部)、半導体構造10を露出させる。成長基板6は、成長基板側からエキシマレーザやフェムト秒レーザ等を照射して剥離・除去する(Laser Lift Off:LLO)か、又は研削によって取り除かれる。成長基板6を除去後、露出した窒化物半導体の表面をCMP(ケミカル・メカニカル・ポリッシュ)処理することで所望の膜である第一導電型層11を露出させる。このとき、発光素子の光に対し吸収率の高い下地層、例えば高温成長したGaN層を除去、あるいは膜厚を低減することによって、例えば紫外領域の発光波長を持つLEDにおいても吸収の影響を低減することができる。この処理によりダメージ層の除去や窒化物半導体層の厚みを調整、表面の面粗さの調整ができる。
(窒化物半導体層の分割)
さらに、図11に示すように、チップ状に半導体構造10を分割する。具体的には、窒化物半導体素子をチップ化するため、RIE等で外周エッチングを行い、外周の窒化物半導体層を除去して分離し、保護膜7を露出させる。
また、光の取り出し効率を向上させるために、半導体層表面等光取り出し表面に凹凸構造を有していても良い。例えば、第一導電型の窒化物半導体層の露出面をウェットエッチング、RIE等で凹凸構造を形成してもよい。また、半導体層を覆う透光性部材、例えば第一導電型層表面の保護膜(図示せず)等に設けられても良く、それらの材料間に及ぶ凹凸構造でも良く、その界面に凹凸構造を設けても良い。また、第二電極側等光反射面に凹凸構造を設けても良い。ここでは、第一電極から露出した領域の半導体層表面にKOHでウェットエッチングして、粗面化した凹凸構造を設ける。
(第一電極)
次いで、第一導電型層11の露出面である電極形成面15に、上記に記した配置構成を満足するよう第一電極21が形成される。すなわち、第一電極21は、電極形成面15からの平面視において、活性層13を挟んで位置する第二電極22の形成領域と重畳領域を持たないようにずれて配置される。この構造により、半導体構造10の積層方向において、その中心軸を異とする双方の電極21、22間を、キャリアが立体的に移動するため、面内拡散が促進される結果、内部量子効率を高められる。
第一電極は、具体的には、積層順に、Ti−Au、Ti−Al等のように、第一導電型層とのオーミック用と密着用としてのTi層(第一層)とパッド用のパッド層(第二層)として金、Al、白金族の構成、また、オーミック用の第一層(例えば、W、Mo、Tiが第一導電型層とのオーミック接触に好ましい)と、パッド用の第二層との間にバリア層として、高融点金属層(W、Mo、白金族)を設ける構造、例えばW−Pt−Au、Ti−Rh−Pt−Au、が用いられる。n型窒化物半導体の反射性電極として、Al、その合金を用いること、透光性電極としてITO等の導電性酸化物をもちいることもできる。実施の形態において、第一電極21にn型電極を構成する場合、積層順にTi−Al−Ni−Au、W−Al−W−Pt−Au、Al−Pt−Au、Ti−Pt−Au等が用いられる。また、第一電極は膜厚を0.1〜1.5μmとする。
(チップ分割)
続いて、支持基板4及び接着層5からなる支持台3において、窒化物半導体素子1の境界領域におけるダイシング位置Dでもってダイシングすることにより、図1〜図3に示すチップ化された窒化物半導体素子1を得られる。
(透光性導電層)
また、各電極との半導体層間に電流拡散を促す拡散層を備えることもできる。拡散層としては、各電極よりも幅広、大面積で設けられて拡散機能を有し、透光性であることで光の出射(第二電極側)、反射(第一電極側)の機能を低下させないものが良く、例えば透光性導電層が採用できる。導電層は、露出した半導体層のほぼ全面に形成されることにより、電流を半導体層全体に均一に広げることができる。透光性導電層は、具体的には、ITO、ZnO、In23、SnO2等、Zn、In、Snの酸化物を含む透光性導電層を形成することが望ましく、好ましくはITOを使用する。あるいはNi等のその他の金属を薄膜、酸化物、窒化物、それらの化合物、複合材料としたものでもよい。
(配線構造)
上記の構造を有する図1〜図3に示す窒化物半導体素子1において、接着層5を導電性とし、かつ支持基板4をSiC等の導電性の基板とすれば、第二電極22の一方の主面を第二導電型の窒化物半導体層12に接触させ、第二電極22の他方の主面側から外部接続できる。すなわち、第二電極22の一方の主面(図3における上面)は半導体と接触させるための面であり、第二電極22の他方の主面(下面)は外部接続用の面として機能できる。そして、貼り合わせる支持基板4を第二電極22に電気的に接続し、半導体積層構造側の面に対向する裏面側(図3における窒化物半導体素子1の底面側)を、第二電極22のパッド部とできる。例えば支持基板4の裏面に設けた電極を介して、外部回路との接続が可能となる。また、支持基板4を絶縁性材料とした場合では、半導体積層構造側に形成された支持基板4の電極と、その反対側の裏面に形成された電極とを、支持基板4の立体配線や、配線用ビアホール等の配線電極によって接続するようにしても、支持基板4の裏面側からの電極取り出しが可能となる。いずれにしても、露出されたワイヤを用いずに、第二電極22と外部電極とを電気的に接続できる。さらに、支持基板4に、別個の放熱部材を連結することで、一層の放熱効果を得ることもできる。
他方で、半導体層表面側の電極である、第一電極21は、外部電極接続用の露出領域に、半田等を介して導電性ワイヤと接続される。これにより外部電極との電気的な接続が可能となる。その他に、半導体層上に配線構造を有する形態、例えば、半導体層上から外部の支持基板上まで配線層が設けられる構造でも良く、その場合上述した支持基板の外部接続、配線構造等により、外部と接続される。この様なワイヤ接続を用いない発光素子、装置であると、延伸部より幅広なパッド部が不要となり、電流集中傾向を抑えることができ、後述の蛍光体層、それを含む封止部材を好適に形成できる。
また、図1〜図3に示す窒化物半導体素子1において、支持基板4は電気伝導性の良い材料を使用しており、これにより発光層の上下を電極でもって立体的に挟み込む縦型電極構造とできるため、電流をp型半導体層(第二導電型の窒化物半導体層12)の全面へと拡散でき、電流の面内広がりが均一となる。すなわち電気抵抗を低減でき、キャリア注入効率が向上する。さらに、支持基板4は、放熱基板としての機能も果たすことができ、発熱による素子特性の悪化を抑止できる。
(発光装置)
また、図12の発光装置2の概略断面図は、図1〜図3に示す窒化物半導体素子1をパッケージ8に実装した例を示す。パッケージ8は、それぞれが一対の電極パターンと対応しているリード14a、14bを備えた基台14を有する。基台14上に載置された窒化物半導体素子1は、支持基板4の実装面側に形成されている外部接続用の第二電極22と、基台14の一方のリード14aとが導電性接着部材等を介して電気的に接続されている。また、窒化物半導体素子1の第一導電型層11側に装着された第一電極21は、そのパッド部16(図1参照)において他方のリード14bと導電性ワイヤ18により電気的に接続されている。また、図では凹部の底面に発光素子が載置されるが、このような載置部の形状に限らず、平坦な形状、凸部の上面等、種々の形態の載置部とすることができる。
(レンズ)
また、パッケージ8は、側面を有する略凹形状のカップ19が形成されており、上方に幅広な開口部24を有する。さらに、パッケージ8の開口部24の上部は、球面レンズ、非球面レンズ、シリンドリカルレンズ、楕円レンズ等のレンズ17により閉塞されている。さらに、レンズ17における光取り出し側の面状は、平坦の他、レンズ状、凹凸を有するマイクロレンズ状等の加工を施してもよい。用途に応じて光源からの出射された光を拡散又は集光するレンズを設けることができ、それは無機ガラス、樹脂等により形成することができる。
また、開口部24内は、窒化物半導体素子1を被覆する素子被覆部材26により充填されてなる。素子被覆部材26としては気体の他、透光性のあるシリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物等を使用することが好ましい。また、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の透光性を有する絶縁樹脂組成物を用いることができる。さらに、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂およびこれらの樹脂の少なくとも一種以上含むハイブリッド樹脂等、耐候性に優れた樹脂も利用できる。また、有機物に限られず、ガラス、シリカゲル等の耐光性に優れた無機物を用いることもできる。また、気密封止には、不活性ガス、窒素、酸素、アルゴン、ヘリウム、もしくは、これらを合わせたもの、または乾燥空気等を用いることができる。特に光源として窒化ガリウム系の半導体素子を用いる場合には、乾燥空気もしくは少なくとも酸素を含むガスを用いることで、半導体素子の劣化が防止される。
(搭載素子、保護素子)
また、本発明の発光装置においては、窒化物半導体素子を1つのみ載置されてもよいが、2つ以上の発光素子が載置されていてもよいし、発光素子の他に、例えばツェナーダイオード、コンデンサ等の保護素子と組み合わせられていてもよい。また、保護素子は、発光素子内の一部に形成することもできる。これらの保護素子は、当該分野で公知のものの全てを利用することができる。
(波長変換部材)
また、素子被覆部材26内に、発光層13からの出射光によって励起され蛍光を発する蛍光物質等の波長変換部材9を混入することができる。これにより、光源の光を異なる波長の光に変換し、光源と波長変換部材9で波長変換された光との混色光を外部に取り出すことが可能となる。つまり、光源からの光の一部が蛍光体を励起することで、主光源の波長とは異なった波長を持つ光が得られる。この波長変換部材9としては蛍光体が好適に利用できる。なぜなら蛍光体は光散乱性及び光り反射性の機能をも備えているため、波長変換機能に加えて光散乱部としての役割を果たし、上述した光の拡散効果を得ることができるからである。蛍光体は、素子被覆部材26中にほぼ均一の割合で混合することも、部分的に偏在するように配合することもできる。
例えば、発光層13から所定の距離だけ離間させることにより、半導体層内で発生した熱が蛍光物質に伝達し難くして蛍光物質の劣化を抑制できる。一方、波長変換部材9を半導体層側に近傍させ、ほぼ均一な波長変換層を形成させれば、発光層からの出射光による波長変換量を一定とでき、一次光と変換光との混合比が安定された発光色を得られる。
また、蛍光体は、一層からなる素子被覆部材26中に一種類或いは二種類以上在中してもよいし、複層からなる発光層中にそれぞれ一種類あるいは二種類以上存在してもよい。これにより所望の波長を出射可能な発光装置を実現できる。
代表的な蛍光体としては、銅で付括された硫化カドミ亜鉛やセリウムで付括されたYAG系蛍光体及びLAG系蛍光体が挙げられる。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては(Re1-xSmx3(Al1-yGay512:Ce(0≦x<1、0≦y≦1、但し、Reは、Y、Gd、La、Luからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。)等が好ましい。実施の形態2の波長変換部材としては、YAGまたはLAG蛍光体を使用し、例えば白色を得ることができる。また、蛍光体としては、ガラスや樹脂に蛍光体を混合した蛍光体ガラスや蛍光体含有樹脂、蛍光体若しくはそれを含む結晶体(板)を用いてもよい。
また、黄〜赤色発光を有する窒化物蛍光体等を用いて赤味成分を増し、平均演色評価数Raの高い照明や電球色LED等を実現することもできる。具体的には、発光素子の発光波長に合わせてCIEの色度図上の色度点の異なる蛍光体の量を調整し含有させることでその蛍光体間と発光素子で結ばれる色度図上の任意の点を発光させることができる。その他に、近紫外〜可視光を黄色〜赤色域に変換する窒化物蛍光体、酸窒化物蛍光体、珪酸塩蛍光体、L2SiO4:Eu(Lはアルカリ土類金属)、特に(SrxMae1-x2SiO4:Eu(MaeはCa、Ba等のアルカリ土類金属)等が挙げられる。窒化物系蛍光体、オキシナイトライド(酸窒化物)蛍光体としては、Sr−Ca−Si−N:Eu、Ca−Si−N:Eu、Sr−Si−N:Eu、Sr−Ca−Si−O−N:Eu、Ca−Si−O−N:Eu、Sr−Si−O−N:Eu等があり、アルカリ土類窒化ケイ素蛍光体としては、一般式LSi222:Eu、一般式LxSiy(2/3x+4/3y):Eu若しくはLxSiyz(2/3x+4/3y-2/3z):Eu(Lは、Sr、Ca、SrとCaのいずれか)で表される。
(添加部材)
また、素子被覆部材26は、波長変換部材9の他、粘度増量剤、顔料、蛍光物質等、使用用途に応じて適切な部材を添加することができ、これによって良好な指向特性を有する発光素子が得られる。同様に外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルター効果を持たせたフィルター材として各種着色剤を添加させることもできる。ここで本明細書において拡散剤とは、例えば中心粒径が1nm以上5μm未満のものは、発光素子及び蛍光物質からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光物質の色むらを抑制したり、発光スペクトルの半値幅を狭めたり、できる。一方、1nm以上1μm未満の拡散剤は、光度を低下させることなく樹脂粘度を高めることができる。
(フィラー)
さらに、素子被覆部材26中に蛍光物質の他にフィラーを含有させてもよい。具体的な材料としては、拡散剤と同様のものが使用でき、拡散剤は中心粒径が異なり、本明細書においてはフィラーの中心粒径は5μm以上100μm以下とすることが好ましい。このような粒径のフィラーを素子被覆部材26中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、素子被覆部材26の耐熱衝撃性を高めることができる。これにより、高温下での使用においても、発光素子と異部材界面におけるクラック及び剥離の発生を防止できる。さらには樹脂の流動性を長時間一定に調整することが可能となる。
以下に、実施例1における電極の構成例を示す。ただし、上述した構造と同様の構成要素については同符号を付して、その詳細な説明を省略している。図1は、発光素子1の光取り出し側からの平面図であって、主にn型電極(第一電極21)が図示される。図1に示す発光素子1は、□1mm(1mm×1mmの電極形成面15)の略正方形状のダイスであって、その周縁形状は、一方向(図1における左右方向)に延伸された第一の辺35と、これに直交する第二の辺36と、この2辺35、36にそれぞれ対向して平行に位置する2辺35’、36’とで構成される。
また、n型電極21は、n型半導体層11の露出部の電極形成面15内に形成される一対の電極パッド部16A、16Bと、この電極パッド部16A、16Bよりそれぞれ直線状に延伸した第一延伸部30A及び第二延伸部30Bと、これらの間に配置された第三延伸部30C、第三延伸部30Cと第一延伸部30Aとを接続する第一接続延伸部37Aと、第三延伸部30Cと第一延伸部30Aとを接続する第二接続延伸部37Bとを有する。また、図1に示すように、電極の形成領域である電極形成面15は、発光素子1の矩形状の周縁から略一定の離間距離をもって内側に形成されており、実施例1では発光素子1の外周より30μmだけ離間した、すなわち中心方向へと縮小した領域を有する。
さらに、各電極の延伸部30A、30B、30Cは、互いに略平行となるように離間されて対向する。図1では、各電極の延伸部30A、30B、30Cは、その延伸方向を第一の辺35と平行に位置しており、電極形成面15の中心Cを基準に点対称に配置されてなる。
実施例1においては、上記図1の電極パターンを有する発光ダイオード(「LED」とも言う。)及び比較例として図13に示す種々の電極パターンのLEDを実際に作成し、その評価を行った。この結果を図14及び図15に示す。これらの図において、図13の(a)は実施例1の電極パターン、(b)〜(p)は比較例1〜15の電極パターンを、それぞれ示している。この内、図13(b)に示す比較例1は図26の電極パターンと同一であり、また図13(c)に示す比較例2は、高出力用のLED素子である。なお、いずれの例においても、n型電極の幅すなわち電極延伸部と接続延伸部の幅は20μmとしている。さらに図14は、入力電流を550mAとしたときの発光面積と電力効率の関係を示すグラフ、図15は発光面積と出力の関係を示すグラフである。ここで「発光面積」とは、p型電極22の面積(いわゆる光取り出し側からの平面視において、n型電極21以外の光取り出し面の面積)を示している。またLED素子は、図2及び図3に示すように、n型電極21及びp型電極22が、光取り出し側からの平面視において重畳領域を有していない。したがってn型電極21の形成領域とp型電極22の形成領域を合計した領域を一定とした場合、p型電極22の形成領域に相当する発光面積が増加すると、n型電極の形成領域が減少する関係にある。
また試作したLED素子は、図16(a)、(b)に示すようなランプ型あるいは砲弾型等と呼ばれるパッケージ構成を採用して評価した。これらの図において、図16(a)は実施例1に係るLED素子の斜視図、図16(a)は断面図を、それぞれ示している。これらの図に示すLED素子は、LEDチップ41と、保護素子42と、金属製の第一リード43及び第二リード44と、エポキシ樹脂からなるパッケージ45とを備える。これらLEDチップ41と、保護素子42と、第一リード43及び第二リード44の一部は、パッケージ45に一体的に封止されている。LEDチップ41は、GaN及び/又はAlGaNよりなるn型コンタクト層と、GaN又はInGaNよりなるn型クラッド層と、InN、AlN、GaN、InGaN、AlGaN、InGaAlN等の窒化物半導体からなる発光層と、AlGaN又はInGaNよりなるp型クラッド層と、GaNよりなるp型コンタクト層とが順次積層されて、主波長が約450nmの青色発光を可能とするInGaN半導体を有している。さらにLEDチップ41は、裏面側(実装面側)に第二電極であるp型電極を、表面側に第一電極であるn型電極を有している。LEDチップ41のダイボンディングは、例えば、銀ペースト又はAuSnペースト等の導電性接着部材を用いており、p型電極(図示せず)と電気的な接続が行われている。また、直径30μmの金線からなるワイヤによって、LEDチップ41に形成されたn型電極(図示せず)と第一リード43との接続が行われている。第一及び第二リード43、44は、図16(a)、(b)に示すように、パッケージ内で屈曲して、その端部が、パッケージ45の一面から突出し、外部端子として機能するように構成されている。これら第一及び第二リード43、44は、例えば、0.4mm厚の銀メッキ銅板をプレスを用いた打ち抜き加工により形成されている。LEDチップ41は、各極性用の2本のリードの内、第一リード43のマウント用リードに搭載し、そのリードをエポキシ樹脂で封止して、砲弾形状の樹脂レンズ一体封止型の発光装置を作製した。また測定条件は、電流特性測定時はTa=25℃で固定し、順方向電流If=20〜1000mAで変化させ、温度特性測定時は順方向電流If=350mA又は550mAで固定し、Ta=−40℃〜85℃で変化させた。またLEDはパルス点灯させ、パルス周期は20msecで、この内点灯パルス幅を0.1msecとした。
図14に示すように、発光面積が0.7mm2〜0.75mm2の範囲で、電力効率はピークを示し、実施例1のパターンの優位性が確認された。よって発光面積は、0.7mm2〜0.75mm2の範囲、好ましくは0.72mm2〜0.735mm2の範囲、より好ましくは0.725mm2〜0.73mm2の範囲とすることが、電力効率の面から有利といえる。また入力電流をさらに増加させると、電力効率のピークの位置はほぼ変化せず、発光面積の大きい範囲で電力効率が急激に低下し、また発光面積の小さい範囲の電力効率が増加する傾向が見られた。このことから、電力効率の面では、入力電力によらず上記範囲が最も有利といえる。
今回の評価条件では、p型電極の面積とn型電極面積の和が一定、つまり平面視においてp型電極とn型電極とが重畳していない状態としたため、発光面積であるp型電極の面積が増えると、それに伴ってn型電極の面積が減ることになる。つまり発光面積の占める割合が増えるに従って、光出力も増大する傾向がみられるため、当然ながら発光面積をできるだけ広くすることが望ましいといえる。ただ逆に、n型電極の面積が減少することで、Vfが上昇するといった問題が生じる。このため、実施例1では図17に示すように、比較例1、2よりもn型電極の面積を広くすることによって、Vfの上昇を比較例1や2よりも抑制することができる。
また図15の結果からは、実施例1よりも発光面積の広い比較例14(図13(o))、比較例1(図13(b))では、実施例1よりも出力が低く、結局比較例2(図13(c))を除いて、実施例1が最も高出力を示している。なお比較例2は本来的に高出力用に設計された素子であり、出力が高い反面、図17の発光面積と順方向電圧の関係を示すグラフ(If=550mA)に示すように順方向電圧Vfが極めて高いという欠点を有する。つまり、p型及びn型電極21、22の総形成領域に占めるp型電極22の形成領域(発光面積)の割合が増加するに従って、光出力が増大する傾向が見られる。したがって光出力を増大させる観点からは、当然ながら発光面積をできるだけ広くすることが望ましいといえるが、そうすると逆にn型電極の面積は減少してしまうため、比較例2に示すようにVfが上昇するといった課題が未決のままとなる。このため、順方向電圧Vfの上昇を抑えた実施例1が実用上最も優れているということができる。
さらに、順方向電圧の低下を確認するため、実施例1と比較例1のLED素子の投入電流に対する順方向電圧、及び出力の変化を測定した。この結果を表1及び図18のグラフに示す。この図に示すように、投入電流の少ない領域では順方向電圧はほぼ同じレベルであるが、100mAを超えた辺りから実施例1の順方向電圧の上昇が抑制される傾向が顕著となる。また出力についても、投入電流の小さい領域では実施例1に係るLEDが比較例1よりも低いが、投入電流の増大と共にほぼ同レベルとなり、大きい領域では逆に実施例1の方が高い出力を得ている。このことからも、出力を維持あるいは改善しつつも順方向電圧を抑制できるという本発明の優位性が確認された。

(発光強度分布)
さらに図19に、発光強度分布を示す。図において、図19(a)が実施例1、図19(b)が比較例1の、絶対値で比較した発光強度分布を示している。この図から明らかなとおり、電極形成面15の中心部、端部共に比較例1よりも強く発光していることが確認できた。
(電極面積の相違による順方向電圧及び光出力の変化)
次に、一般に電極面積が広いほど順方向電圧が低下する傾向があることから、本発明の電極パターンの優位性を確認するため、比較例1と同じ電極面積とした場合でも順方向電圧の抑制効果が見られるかどうかを確認した。ここでは図20に示す電極パターンのLED素子を作成した。図において、図20(a)は比較例2に係るn型電極の幅20μmのLED素子、図20(b)は実施例1に係る幅20μmのLED素子、図20(c)は実施例2に係る幅15μmのLED素子、図20(d)は実施例3に係る幅10μmのLED素子の電極パターンを、それぞれ示している。ここで電極面積としては、比較例2と実施例3が同等である。これらの電極パターンを用いたLED素子を1グループで5個作成し、グループ毎に平均値を算出して3グループ(計15個)の測定結果を図21及び図22に示す。図21(a)は順方向電流If=350mAとしたときの順方向電圧、図21(b)は光出力をそれぞれ示しており、また図22(a)は順方向電流If=550mAとしたときの順方向電圧、図22(b)は光出力をそれぞれ示している。これらの結果から、順方向電圧Vfは明らかに低下していることが確認される。特に、電極面積が広いほどVfは低くなるが、n型電極の線幅を狭くしてトータルの電極面積を比較例2と同じとした実施例3においても、Vfの低下が確認できる。また光出力については、逆に電極面積が大きいほど電極による光の吸収が発生する結果、取り出し効率が低下して若干低くなる傾向が見られるが、同じ電極面積においては同レベルであり、光出力を同レベルとしても順方向電圧を低下できる本発明の優位性が確認できた。順方向電圧の低減は、定格電流を高めた高出力型の発光素子の実現に繋がる。
(電流集中のシミュレーション結果)
最後に、電極パターンによる電流集中の変化を測定したシミュレーション結果を、図23に示す。この図において、図23(a)は実施例1の電極パターン、図23(b)は図4(a)の鏡面パターン、図23(c)は図5(b)、図23(d)は図5(c)、図23(e)は図5(d)、図23(f)は図5(e)、図23(g)は図6(m)、図23(h)は図6(j)、図23(i)は図6(e)、図23(j)は図6(f)、図23(k)は図6(g)の電極パターンを、それぞれ示している。これらの結果から、実施例1に係る電極パターンが、最もバランスよく均一な電流分布が得られていることが確認された。
電極のパターンは、電流は可能な限り全面に流したいが、電流の集中は避けたいという難しい問題を抱えている。これに対して本願発明は、第三延伸部30Cと第一、第二延伸部30A、30Bとの接続位置を左右に分けて分離させることで、電極形成面15の中央部分への電流集中を回避し、第三延伸部30C周辺の電流分布が分散させている。このことは、図23(a)と図23(d)のシミュレーション結果と対比すればよく分かる。逆に、図23(d)に示すように接続位置を一致させると、この部分に電流が集中し、加熱による劣化が進む等の弊害が生じる。また同様の理由で、図23(f)に示すように電極延伸部と接続延伸部との接続位置をパッド部と近接させることも好ましくない。パッド部と電極延伸部、接続延伸部で囲まれた領域に電流が集中するからである。一方でパッド部を電極延伸部の端縁に位置させると、図23(b)に示すように電極延伸部が長くなるため分布が悪くなる。また図23(c)に示すように接続位置と反対側にパッド部を設けても、同様に電極延伸部から接続延伸部を介して延長された部分が長くなりすぎるため、分布が悪くなる。このためパッド部を設ける位置は、電極延伸部と接続延伸部の連続によってS字状を構成する全体の電極長の端縁でなく中間部位、すなわち電極延伸部と接続延伸部の接続位置である折曲部分にパッド部を配置し、さらにパッド部の端縁からは一部電極延伸部が突き出るように構成することが最も理想的であるといえる。
本発明の半導体発光素子は、照明用光源、LEDディスプレイ、バックライト光源、信号機、照明式スイッチ、各種センサ及び各種インジケータ等に好適に利用できる。
1…発光素子(窒化物半導体素子)
2…発光装置
3…支持台
4…支持基板
5…接着層
5a…半導体層側接着層
5b…支持基板側接着層
6…成長基板
7…保護膜
8…パッケージ
9…波長変換部材
10…半導体構造
11…第一導電型層(n型半導体層)
12…第二導電型層(p型半導体層)
13…発光層(活性層)
14…基台
14a、14b…リード
15…電極形成面
16…外部接続領域(電極パッド部)
16A…第一パッド部
16B…第二パッド部
17…レンズ
18…導電性ワイヤ
19…カップ
20…電極
21…第一電極(n型電極)
22…第二電極(p型電極)
24…開口部
26…素子被覆部材
29…発光領域
30…電極延伸部
30A…第一延伸部
30B…第二延伸部
30C…第三延伸部
30a…第一電極突出部
30b…第二電極突出部
35…第一の辺
36…第二の辺
35’…第一の辺に平行な辺
36’…第二の辺に平行な辺
37A…第一接続延伸部
37B…第二接続延伸部
41…LEDチップ
42…保護素子
43…第一リード
44…第二リード
45…パッケージ
100、200…発光素子
101…n型電極パッド部
101a…電極延伸部
101b…包囲電極
102…p型電極パッド部
201…電極パッド部
201a…電極延伸部
201b…包囲電極
203…区画領域
C…電極形成面の中心
D…ダイシング位置
L1…一対の電極の延伸部間の距離
l1…一対の電極の延伸部間の1/2の距離
L2…電極の延伸部から半導体構造の端縁までの距離
W1…一対の接続延伸部間の1/2の距離
W2…接続延伸部の端縁から電極形成面の端縁までの距離

Claims (13)

  1. 第一導電型層及び第二導電型層が積層された半導体構造と、
    前記第一導電型層及び第二導電型層にそれぞれ電気的に接続され、前記半導体構造の積層方向に互いに対向する第一電極及び第二電極と、
    を有し、
    前記第一電極は、光取り出し側に位置する前記第一導電型層の電極形成面に形成された、互いに対向する一対の電極延伸部である第一延伸部と、第二延伸部とを備えており、
    前記第一延伸部及び第二延伸部は、該延伸部の一部に設けられた、外部電極と接続可能な第一パッド部及び第二パッド部をそれぞれ有している
    半導体発光素子であって、
    前記半導体発光素子はさらに、
    前記第一延伸部と第二延伸部との間に、これらと対向して延伸された第三延伸部と、
    前記第三延伸部と第一延伸部との間で、これらを接続する第一接続延伸部と、
    前記第三延伸部と第二延伸部との間で、これらを接続する第二接続延伸部と、
    を備え
    前記第一接続延伸部は、前記第三延伸部および第一延伸部の延伸方向と交差する方向に延伸され、
    前記第二接続延伸部は、前記第三延伸部および第二延伸部の延伸方向と交差する方向に延伸され、
    前記第一接続延伸部と第二接続延伸部とが一直線上からずれて、かつ前記電極形成面の中心を基準にして略対称に配置されていることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 請求項に記載の半導体発光素子であって、
    記第一延伸部及び第二伸部に設けられた第一パッド部及び第二パッド部は、前記電極形成面の長手方向及び/又は短手方向に対して、互いにオフセット配置されていることを特徴とする半導体発光素子。
  3. 請求項1又は2に記載の半導体発光素子であって、
    第一パッド部は、前記第一延伸部と第一接続延伸部との交点に位置し、
    第二パッド部は、前記第二延伸部と第二接続延伸部との交点に位置してなることを特徴とする半導体発光素子。
  4. 請求項1からのいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
    前記第一延伸部と第二延伸部との対向方向において、該延伸部間の1/2の距離が、該延伸部の端縁から前記電極形成面の端縁までの距離よりも長いことを特徴とする半導体発光素子。
  5. 請求項1からのいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
    前記第一接続延伸部と第二接続延伸部との対向方向において、該接続延伸部間の1/2の距離が、該接続延伸部の端縁から前記電極形成面の端縁までの距離よりも短いことを特徴とする半導体発光素子。
  6. 請求項1からのいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
    前記第一延伸部と第二延伸部とが略平行に延伸されてなることを特徴とする半導体発光素子。
  7. 請求項1からのいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
    前記第一接続延伸部と第二接続延伸部とが略等しい長さに延伸されてなることを特徴とする半導体発光素子。
  8. 請求項1からのいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
    前記第一延伸部と第二延伸部と第三延伸部とが略等しい長さに延伸されてなることを特徴とする半導体発光素子。
  9. 請求項1からのいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
    前記第一接続延伸部と第二接続延伸部とが略平行に延伸されてなることを特徴とする半導体発光素子。
  10. 請求項1からのいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
    光取り出し側からの平面視において、前記延伸部が、前記電極形成面の中心を基準にして略対称に配置されていることを特徴とする半導体発光素子。
  11. 請求項1から10のいずれか一に記載の半導体発光素子であって、
    前記第一パッド部は、前記第一延伸部の端部から離れた部位に位置させ、該第一延伸部が延伸された方向に第一電極突出部を設けてなり、
    前記第二パッド部は、前記第二延伸部の端部であって前記第一パッド部を設けた側と反対側の端部から離れた部位に位置させ、該第二延伸部が延伸された方向に第二電極突出部を設けてなることを特徴とする半導体発光素子。
  12. 請求項1から11のいずれか一に記載の半導体発光素子において、
    光取り出し側からの平面視において、前記第一電極及び前記第二電極は相互にオフセットに配置されており、
    前記第一電極の延伸部の延伸方向と電極形成面の端縁との間の領域に、前記第二電極が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
  13. 請求項1から12のいずれか一に記載の半導体発光素子において、
    光取り出し側からの平面視において、前記第一延伸部、第二延伸部、第三延伸部は略直線状であることを特徴とする半導体発光素子。
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