JP5701921B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードを用いた発光素子及び発光デバイスに関する。

発光ダイオードを用いた発光素子は、省エネルギー、長寿命という利点があり、照明装置、カラー画像表示装置、液晶パネルのバックライト、又は、交通信号灯などの光源として、注目されている。

発光ダイオードを用いた発光素子は、例えば、青色発光素子を例に採ると、特許文献１に開示されているように、サファイアでなる基板の表面に、バッファ層、Ｎ型ＧａＮ層、活性層、Ｐ型ＧａＮ層、及び、透明電極層を順次に積層した構造となっている。

透明電極層の一部表面にはＰ側電極が形成されており、また、透明電極層、Ｐ型ＧａＮ層及び活性層の一部をドライエッチングし、Ｎ型ＧａＮ層の一部を露出させ、この露出したＮ型ＧａＮ層にＮ側電極を形成した構造となっている。Ｎ型ＧａＮ層の一部を露出させた部分は、Ｐ型ＧａＮ層及び活性層と、Ｎ型ＧａＮ層とが重ならない部分であり、その他が重なる部分となる。重なる部分が発光領域となり、重ならない部分は、非発光領域となる。特許文献２、３にも、同様の積層構造及び電極構造が開示されている。

パッケージング基板への実装に当たって、従来は、フリップ・チップ（ＦＣ）として構成されたＬＥＤチップ型の発光素子をサブマウント基板に実装し、更に、この組み立て体をパッケージング基板に実装し、サブマウント基板に形成された電極と、パッケージング基板に形成された電極とを、ワイヤ・ボンディングによって接続していた。

しかし、この組み立て構造では、ＡｌＮ等の高価な材料で構成されたサブマウント基板を使用しなければならいことから、コスト高になる。しかも、サブマウント基板に形成された電極と、パッケージング基板に形成された電極とを、ワイヤ・ボンディングによって接続する必要があるため、ワイヤ・ボンディング装置が必要であり、生産設備費が増大し、それが製品コストに転嫁され、発光デバイスのコスト高を招いていた。

上述した問題点を解決する手段として、特許文献４には、シリコン・サブマウントの一面に溝を形成し、その溝底部に２つのビア（貫通電極）を形成し、ＬＥＤダイスを、溝内にフリップ・チップ・マウントし、保護接着剤で溝を充填するＬＥＤパッケージの製造方法が開示されている。

このようなＬＥＤパッケージ構造を採用する場合、従来は、Ｐ型半導体層、活性層及びＮ型半導体層が重なる部分に設けられる電極（通常は、Ｐ側電極）を、パッケージ側に備えられる貫通電極の端面の面積に合わせるのが一般的であった。このため、Ｐ側電極からＰ型半導体層に対する電流供給面積が、重なり面積よりもかなり小さな平面積に限定されてしまい、Ｐ型半導体層、活性層及びＮ型半導体層の接合部で見た電流密度が低下し、発光量、発光効率が低下するという問題点があった。

また、パッケージング基板側に備えられる貫通電極の横断面積が小さいため、パッケージとしたときの放熱性が悪く、発光素子の温度上昇を招き、特性が悪化する。この特性悪化を回避するためは、供給電流値を小さい値に抑制しなければならず、必然的に、発光量、発光効率の改善に限界を生じる結果になっていた。

重ならない部分に設けられる電極（通常は、Ｎ側電極）についても、貫通電極の端面形状に合わせ、Ｎ側電極を貫通電極の端面に接合する構造を採用していたため、Ｎ型半導体層における電極接触面積が小さくなっている。このため、Ｐ側電極の場合ほどではないにしても、やはり、発光量、発光効率に悪影響を与える。また、Ｎ側電極と貫通電極との位置合わせが難しくなり、僅かな位置ずれを生じただけで、両者間の接続不良を生じやすくなる。上述した問題点を解決するため、Ｎ側電極や貫通電極の面積を大きくすると、重ならない部分の幅を増大させなければならず、反射的に、発光領域となる重なる部分の面積が縮小され、発光量及び発光効率が低下する。

特開２００１−２１０８６７号公報 特開２００９−７１３３７号公報 特開２００８−１５３６３４号公報 特開２００９−１１１００６号公報

本発明の課題は、ＰＮ接合部で見た電流密度を大幅に向上させるとともに、ヒートシンク効果（放熱効果）を最大化し、発光量の増大、発光効率向上を図った発光素子及び発光デバイスを提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る発光素子は、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層したＰＮ半導体積層構造と、前記Ｐ型半導体層のＰ側電極と、前記Ｎ型半導体層のＮ側電極とを含む。前記ＰＮ半導体積層構造は、前記Ｐ型半導体層及び前記Ｎ型半導体層が重なる部分と、重ならない部分とを有する。前記重ならない部分は、前記重なる部分の側方に配置され、配置方向で見た幅が、前記重なる部分よりも狭幅である。

前記Ｐ側電極及びＮ側電極は、光出射面とは反対側の面にあり、前記Ｐ側電極及び前記Ｎ側電極のうちの一方の電極（例えば、Ｐ側電極）は、前記Ｐ型半導体層及び前記Ｎ型半導体層のうちの一方（例えば、Ｐ型半導体層）の表面であって、重なる部分に設けられている。他方の電極（例えば、Ｎ側電極）は、前記重ならない部分において、他方の半導体層（例えば、Ｎ型半導体層）の上に設けられ、前記一方の半導体層（例えば、Ｐ型半導体層）及び前記一方の電極（例えば、Ｐ側電極）から、絶縁ギャップにより電気絶縁されている。上記構造において、前記一方の電極（例えば、Ｐ側電極）は、前記絶縁ギャップを除き、前記一方の半導体層（例えば、Ｐ型半導体層）の前記表面のほぼ全面を覆っている。

上述したように、Ｐ側電極及びＮ側電極は、光出射面とは反対側の面にあるから、Ｐ側電極及びＮ側電極によって光出射面積が縮小されることがない。このため、発光量が大きく、発光効率の高い発光素子を実現することができるとともに、貫通電極等に対して、フリップ・チップ方式によって接続することができ、ワイヤ・ボンディング構造を採る必要がない。

半導体積層構造は、Ｐ型半導体層及び前Ｎ型半導体層が重なる部分と、重ならない部分とを有し、重ならない部分は、重なる部分の側方に配置され、配置方向で見た幅が、重なる部分よりも狭幅であるから、重なる部分で見た発光面積が最大化され、発光量が大きく、発光効率の高い発光素子を実現することができる。

Ｐ側電極及びＮ側電極のうちの一方の電極（例えば、Ｐ側電極）は、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層のうちの他方（例えば、Ｐ型半導体層）の表面に設けられており、他方の電極（例えば、Ｎ側電極）は、他方の半導体層（例えば、Ｐ型半導体層）から絶縁ギャップによって電気絶縁して一方の半導体層（例えば、Ｎ型半導体層）に設けられている。したがって、Ｎ側電極及びＰ側電極により、半導体積層構造に電流を供給し、発光動作をさせることができる。

更に重要な構成及びその作用効果として、一方の電極（例えば、Ｐ側電極）は、絶縁ギャップを除き、一方の半導体層（例えば、Ｐ型半導体層）の表面のほぼ全面を覆っているから、Ｐ側電極からＰ型半導体層に対する電流供給面積が、重なり面積と同程度の面積に拡大される。このため、Ｐ型半導体層、活性層及びＮ型半導体層の接合部で見た電流密度が大幅に向上し、発光量、発光効率も向上する。一方の電極（例えば、Ｐ側電極）の面積は、絶縁ギャップの幅を、電気絶縁に必要な寸法まで最小化することにより、最大化することができる。

しかも、パッケージ側に備えられる貫通電極の横断面積を、最大化された一方の電極（例えば、Ｐ側電極）の面積まで拡大し、一方の電極（例えば、Ｐ側電極）及び貫通電極によるヒートシンク効果（放熱特性）を、最大化することができる。

他方の電極（例えば、Ｎ側電極）は、重ならない部分に設けられているから、重ならない部分を狭幅化して、重なる部分における発光面積の減少を回避しながら、電極面積を増大させることができる。即ち、他方の電極（例えば、Ｎ側電極）について、幅と直交する長さ方向に拡張することにより、電極面積を拡大することができる。このため、発光量の増大、発光効率向上を図るとともに、位置ずれによる接続不良を回避し得る。

本発明に係る発光デバイスは、上述した発光素子を、基板と組み合わせることによって構成される。基板は、一面に発光素子搭載領域を有し、前記発光素子搭載領域の面内に厚み方向に設けられた第１電極及び第２電極の端面が露出しており、前記第１電極は、端面の面積が前記一方の電極（例えば、Ｐ側電極）の電極面積に合わせられている。

前記発光素子は、前記発光素子搭載領域に搭載され、前記一方の電極（例えば、Ｐ側電極）が前記第１電極に接合され、前記他方の電極（例えば、Ｎ側電極）が前記第２電極に接合されている。これにより、発光素子に対して、第１電極及び一方の電極（例えば、Ｐ側電極）による略同一断面積の電流供給路が形成されるから、発光素子の電流密度を向上させ、発光量、発光効率を向上させることができる。

以上述べたように、本発明によれば、ＰＮ接合部で見た電流密度を大幅に向上させるとともに、ヒートシンク効果（放熱効果）を最大化し、発光量の増大、発光効率向上を図った発光素子及び発光デバイスを提供することができる。

本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。添付図面は、単に、例示に過ぎない。

本発明に係る発光素子の一形態を示す断面図である。 図１に示した発光素子の底面図である。 本発明に係る発光素子を組み込んだ発光デバイスを示す断面図である。 図３の４−４線断面図である。 図３の５−５線断面図である。

図１及び図２を参照すると、本発明に係る発光素子は、透明結晶層３の光出射面３０とは反対側の他面に、Ｐ型半導体層１１及びＮ型半導体層１３を積層したＰＮ半導体積層構造１を含んでいる。Ｐ型半導体層１１及びＮ型半導体層１３の間には、活性層１２が設けられる。透明結晶層３は、代表的にはサファイアであり、その一面が光出射面３０となる。サファイアで構成される透明結晶層３は、層厚が３μｍ〜２００μｍの範囲であることが好ましい。サファイアによって構成されている透明結晶層３の一面上には、バッファ層（図示しない）があり、ＰＮ半導体積層構造１は、バッファ層を介して、透明結晶層３の上に成長させてある。

ＰＮ半導体積層構造１は、発光素子において周知である。ＰＮ接合を持ち、代表的にはIII−Ｖ族化合物半導体が用いられる。もっとも、公知技術に限らず、これから提案されることのある化合物半導体を含むことができる。本発明において、発光素子は、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、橙色発光素子の何れであってもよいし、白色発光素子であってもよい。それらの発光素子において、ＰＮ半導体積層構造１を構成する半導体材料及びその製造方法は既に知られている。

本発明に係る発光素子は、Ｐ型半導体層１１及びＮ型半導体層１３を積層したＰＮ半導体積層構造１と共に、Ｐ型半導体層１１のＰ側電極５と、Ｎ型半導体層１３のＮ側電極７とを含んでいる。Ｐ側電極５及びＮ側電極７は、例えば、パケージに設けられた貫通電極等の外部電極に対して、フリップ・チップ接続されるものであって、光出射面３０とは反対側の面に設けられている。

Ｐ側電極５及びＮ側電極７のうち、Ｐ側電極５は、光出射面３０とは反対側に位置するＰ型半導体層１１の表面に設けられた電極である。Ｐ側電極５は、絶縁ギャップＧ１を除き、Ｐ型半導体層１１の表面のほぼ全面を覆っている。一方、Ｎ側電極７は、Ｐ型半導体層１１及び活性層１２を切欠いて形成した重ならない部分１４を埋め、Ｎ型半導体層１３に設けられている。重ならない部分１４には、Ｎ側電極７を、Ｐ型半導体層１１及び活性層１２から電気絶縁する電気絶縁層９が充填されている。電気絶縁層９は、Ｎ側電極７及びＰ側電極５の間に露出するＰ型半導体層１１の表面をも覆っており、Ｎ側電極７は、重ならない部分１４において、Ｐ型半導体層１１及びＰ側電極７から絶縁ギャップＧ１により電気絶縁されている。

Ｐ型半導体層１１及びＮ型半導体層１３は、重ならない部分１４を除き、活性層１２を介して互いに重なっており、重なる部分が発光領域となる。Ｎ側電極７及びＰ側電極５の配置方向で見たＮ側電極７の幅Ｗ１は、Ｐ側電極５の幅Ｗ２よりも著しく小さい。例えば、幅Ｗ２に対する幅Ｗ１の割合は、１〜４０％の範囲に選定することができる。幅方向に直交する長さＬ１は、実施の形態では、Ｎ側電極７及びＰ側電極５ともに、ほぼ等しくなっている。

電気絶縁層９は、有機絶縁層又は無機絶縁層の何れであってもよい。また、Ｎ側電極７は、めっき法、溶融金属充填法、流動性導電材埋め込み法等によって形成することができる。重ならない部分１４は、この実施の形態では、ＰＮ半導体積層構造１の全長にわたって形成されているが、長さ方向の中間部に設けてもよい。また、帯状に限らず、他の形状であってもよい。

上述したように、Ｐ側電極５及びＮ側電極７は、光出射面３０とは反対側にあるから、Ｐ側電極５及びＮ側電極７によって光出射面積が縮小されることがない。このため、発光量が大きく、発光効率の高い発光素子を実現することができるとともに、貫通電極等に対して、フリップ・チップ方式によって接続することができる。信頼性、作業性の悪いワイヤ・ボンディング構造を採る必要がない。

ＰＮ半導体積層構造１は、Ｐ型半導体層１１及びＮ型半導体層１３が重なる部分と、重ならない部分１４とを有し、重ならない部分１４は、重なる部分の側方に配置されている。Ｎ側電極７の周囲は、電気絶縁層９によって埋められているが、電気絶縁層９の厚みは薄いので、重ならない部分１４の幅をＮ側電極７の幅Ｗ１とみなせる。また、重なる部分の幅は、Ｐ側電極５の幅Ｗ２とみなせる。この状態では、重ならない部分１４は、幅Ｗ２に対する幅Ｗ１の割合が１〜４０％の範囲になる。したがって、発光面積が最大化され、発光量が大きく、発光効率の高い発光素子を実現することができる。

Ｐ側電極５及びＮ側電極７のうち、Ｐ側電極５は、Ｐ型半導体層１１の表面に設けられており、Ｎ側電極７は、Ｐ型半導体層１１から、電気絶縁層９によって電気絶縁してＮ型半導体層１３に設けられている。したがって、Ｎ側電極７及びＰ側電極５により、ＰＮ半導体積層構造１に電流を供給し、発光動作をさせることができる。

しかも、Ｐ側電極５は、絶縁ギャップＧ１及び不可避的に生じる絶縁部分を除き、Ｐ型半導体層１１の表面のほぼ全面を覆っているから、Ｐ側電極５からＰ型半導体層１１に対する電流供給面積が、重なり面積と同程度の面積に拡大される。このため、Ｐ型半導体層１１、活性層１２及びＮ型半導体層１３の接合部で見た電流密度が大幅に向上し、発光量、発光効率も向上する。上記構造のもとでは、Ｐ側電極５の面積は、絶縁ギャップＧ１を、電気絶縁に必要な寸法まで最小化すること、及び、Ｎ側電極７の幅Ｗ１を最小化することにより、最大化することができる。

Ｎ側電極７は、重ならない部分１４に設けられているから、重ならない部分１４を狭幅化して、重なる部分における発光面積の減少を回避しながら、電極面積を増大させることができる。即ち、Ｎ側電極７について、幅Ｗ１と直交する長さ方向Ｌ１に拡張することにより、電極面積を拡大することができる。このため、発光量の増大、発光効率向上を図りつつ、位置ずれによる接続不良を回避し得る。

図３〜図５を参照すると、本発明に係る発光素子を、基板に搭載した発光デバイスが図示されている。基板２は、一面に発光素子搭載領域Ｓ１を有し、発光素子搭載領域Ｓ１の面内に厚み方向に設けられた第1電極２１及び第２電極２２の端面が露出している。第１電極２１は、端面の面積がＰ側電極５の電極面積と、ほぼ同じになっている。第２電極２２も同様であって、端面の面積がＮ側電極７の電極面積と、ほぼ同じになっている。第1電極２１及び第２電極２２は、一般には、パッケージ基板等でなる基板１を、厚み方向に貫通するように設けられた貫通電極となる。第１及び第２電極２１，２２とＮ側電極７及びＰ側電極５は、Ａｕ−Ｓｎ系接合材、はんだペースト、Ａｇペースト、Ｃｕ拡散ペースト等によって接合することができる。

発光素子１００は、発光素子搭載領域Ｓ１に搭載され、Ｐ側電極５が第１電極２１に接合され、Ｎ側電極７が第２電極２２に接合されている。これにより、発光素子１００に対して、第１電極２１及びＰ側電極５による略同一断面積の電流供給路が形成されるから、発光素子１００の電流密度を向上させ、発光量、発光効率を向上させることができる。

しかも、パッケージング基板等でなる基板２に貫通電極として備えられる第１電極２１の横断面積を、最大化されたＰ側電極５の面積まで拡大し、Ｐ側電極５及び貫通電極たる第１電極２１によるヒートシンク効果（放熱効果）を、最大化することができる。

実施の形態では、第２電極２２も、端面の面積がＮ側電極７の電極面積と、ほぼ同じになっているから、Ｎ側電極７及び貫通電極たる第２電極２２によるヒートシンク効果（放熱効果）も向上させることができる。また、Ｎ側電極７の第２電極２２に対する位置ずれによる接続不良を生じることがない。

本発明に係る発光素子及び発光デバイスは、単一の発光素子、複数の発光素子を例えばマトリクス状に配置した面発光装置、照明装置、液晶ディスプレイ用バックライト、信号灯等、広範な用途を持っている。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種種の変形態様を採り得ることは自明である。

１ ＰＮ半導体積層構造
３ 透明結晶層
５ Ｎ側電極
７ Ｐ側電極

Claims (1)

1. 発光素子と、基板とを含む発光デバイスであって、
   前記発光素子は、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層したＰＮ半導体積層構造と、前記Ｐ型半導体層のＰ側電極と、前記Ｎ型半導体層のＮ側電極とを含み、基板の上に搭載されるものであり、
   前記ＰＮ半導体積層構造は、前記積層の方向から見て、前記Ｐ型半導体層及び前記Ｎ型半導体層が重なる部分と、重ならない部分とを有し、
   前記重ならない部分は、前記積層方向から見て、前記重なる部分の一側方に配置され、配置方向にとられた幅が、前記重なる部分の幅の１〜４０％で、前記幅方向に直交する長さ方向に延びており、
   前記Ｐ側電極及びＮ側電極は、光出射面とは反対側の面にあり、
   前記P側電極は、前記Ｐ型半導体層の表面であって、前記重なる部分に設けられており、
   前記N側電極は、N型半導体層の上に設けられ、前記重ならない部分を覆い、前記Ｐ型半導体層及び前記P側電極から絶縁ギャップにより電気絶縁されており、
   前記P側電極は、前記絶縁ギャップを除き、前記Ｐ型半導体層の表面の全面を覆っており、
   前記P側電極及び前記N側電極は、外部電極と接続されるものであり、
   前記絶縁ギャップを含む前記N側電極の周囲に限って、電気絶縁物が充填され電気絶縁層が形成されており、
   前記電気絶縁層は、その幅が、前記N側電極と、前記Ｐ型半導体層及び前記P側電極との間の電気絶縁に必要な寸法まで最小化されており、
   前記基板は、厚み方向に貫通する第１電極及び第２電極を有しており、
   前記第１電極及び第２電極は、端面が前記基板の一面に設けられた発光素子搭載領域の面内に露出しており、
   前記第１電極は、前記端面の面積が、前記Ｐ側電極の電極面積とほぼ同じであり、
   前記第２電極は、前記端面の面積が、前記Ｎ側電極の電極面積とほぼ同じであり、
   前記発光素子は、前記Ｐ側電極の表面が前記第１電極に接合され、前記Ｎ側電極の表面が前記第２電極に接合され、
   前記第１電極の横断面積を、前記P側電極の前記電極面積まで拡大し、前記第１電極及び前記P側電極による放熱効果を最大化した、
   発光デバイス。
   
   
   

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