JP5893699B1 - 発光ダイオードの透明導電層構成 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、局部的に透明導電層を取除くことで、透明導電層の面積を削減して透明導電層の吸光量が低減することによって、発光層の励起光の有効発光量を増加し、さらに発光ダイオードの発光効率を向上することにある。【解決手段】本発明は、基板上に堆積する反射層、Ｎ型電極、Ｎ型半導体層、発光層、Ｐ型半導体層、電流ブロック層、透明導電層及びＰ型電極を包括し、そのうち、前記電流ブロック層は前記Ｐ型電極と前記Ｐ型半導体層との間に設け、前記Ｐ型電極と前記Ｐ型半導体層との直接的な接触をブロックしており、前記透明導電層は前記Ｐ型電極と前記電流ブロック層との間に設け、前記Ｐ型電極と前記Ｐ型半導体層とを接続し、且つ前記透明導電層の前記Ｐ型電極に対応する箇所に複数の空洞を設置しており、このことから前記透明導電層の面積を削減して透明導電層の吸光量が低減することによって、発光層の励起光の有効発光量を増加し、さらに発光ダイオードの発光効率を向上することができる。【選択図】図２Ａ
Description
本発明は、特に発光効率を増加させることができる発光ダイオードに関するものである。
青色発光ダイオードを例とすると、現在、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）は、発光する半導体材料である多重エピタキシャルからなっている。主に窒化ガリウム系（ＧａＮ−ｂａｓｅｄ）エピタキシャルから生成し、サンドウィッチ構成を構成するように形成する発光体であって、発光体で発生する励起光を有効的に引き出すと同時に発光効率を増加させるため、発光ダイオードはその構成から水平型、垂直型及びフリップ型発光ダイオード等に分けることができる。
図１を参照すると、周知の水平型発光ダイオード１を開示しており、反射層２、Ｎ型半導体層３、Ｎ型電極４、発光層５、Ｐ型半導体層６、電流ブロック層（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｂｌｏｃｋ Ｌａｙｅｒ；ＣＢＬ）７、透明導電層８及びＰ型電極９を包括している。そのうち、前記Ｎ型電極４と前記Ｐ型電極９とは、電圧差１０を出力し、前記Ｎ型半導体層３、前記発光層５及び前記Ｐ型半導体層６のサンドウィッチ構成を駆使して励起光１１を発生し、前記反射層２は前記励起光１１を反射するために用い、前記励起光１１を集中させて同じ方向から射出している。
また、不透過である前記Ｐ型電極９が多くの前記励起光１１を遮蔽し、光取出し効率の低下を招かないよう、前記Ｐ型電極９の面積には一定の制限があるが、前記Ｐ型電極９が小さ過ぎると、逆に前記発光層５の電流が過度に集中することとなり、前記発光層５の発光の均一性及び効率が好ましくなくなってしまうことから、前記発光層５の発光の均一性及び効率を維持するため、前記Ｐ型電極９の遮蔽面積を同時に減少しており、前記Ｐ型電極９は導電可能且つ透明である前記透明導電層８と併せて使用、或いは直接前記透明導電層８を使用して前記Ｐ型電極９とする必要があり、電流が前記Ｐ型電極９から導入されると、前記透明導電層８を介して拡散することで、前記発光層５の発光の均一性及び効率を向上することができる。
しかし、実際、大部分の電流は最短経路、つまり前記Ｐ型電極９から直接前記透明導電層８を通るため、前記透明導電層８の拡散効果は極めて限られることから、前記透明導電層８の拡散効果を増加するため、周知では前記透明導電層８と前記Ｐ型半導体層６との間の前記Ｐ型電極９に対応するエリアに前記電流ブロック層７を設置しており、前記電流ブロック層７は電流の通過を阻止することができるため、強制的に電流を前記電流ブロック層７に流れさせ、前記透明導電層８において拡散することで、前記発光層５の発光の均一性及び効率を向上させている。
通常、前記透明導電層８は、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）が用いられ、透明材質に属するものの、実際、インジウムすず酸化物の透明度はそれ程高くなく、且つインジウムすず酸化物は吸光し、上述の構成からすると、インジウムすず酸化物を利用して生成した前記透明導電層８は、電流の分散の助けをして光の均一性及び発光効率を向上することにはなるが、依然として極めて大きい光損失を引き起こし、特に前記励起光１１が前記発光ダイオード１において複数回反射して、複数回前記透明導電層８を経過した場合、これによって起きる光損失は極めて大きい。
これを鑑み、本発明の主要な目的は、局部的に前記透明導電層を取除くことで、前記透明導電層の面積を削減して前記透明導電層の吸光量が低減することによって、前記発光層の励起光の有効発光量を増加し、さらに発光ダイオードの発光効率を向上することにある。
上述の目的を達成するため、本発明は、基板上に堆積する反射層、Ｎ型電極、Ｎ型半導体層、発光層、Ｐ型半導体層、電流ブロック層、透明導電層及びＰ型電極を包括し、そのうち、前記反射層は前記基板上に位置し、前記Ｎ型半導体は前記反射層上に位置し、且つ分割して前記Ｎ型電極及び前記発光層にそれぞれ接続し、前記Ｐ型半導体層は前記発光層上に位置し、前記電流ブロック層は前記Ｐ型半導体層上に位置し、且つパターンに対応して前記Ｐ型電極を完全に被覆し、前記透明導電層は前記電流ブロック層を被覆し且つ前記Ｐ型半導体層を接続し、前記Ｐ型電極は前記透明導電層上に位置する、発光ダイオード上に応用する発光ダイオードの透明導電層構成であって、前記透明導電層の前記Ｐ型電極に対応するエリアにおいて、複数の空洞を開設することを特徴としている。
前記Ｐ型電極に対応するエリアは遮蔽エリアであるため、光が透過することができないが、数回の反射を介して発光することができ、このことから、本発明は、前記Ｐ型電極に対応するエリアの透明導電層を局部的に取除き、残った部分の前記透明導電層だけで前記Ｐ型電極に電気的に接続すること、即ち前記透明導電層の面積を削減することによって、前記透明導電層の吸光量を低減し、さらに全体の発光効率を向上することができる。
本発明に関する詳細な内容及び技術的説明は、実施例をもってさらに説明するが、これ等実施例は説明を行うための例示に過ぎず、本発明の実施を制限するものではないことを理解してもらいたい。
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃを参照すると、本発明は、基板２０上に堆積する反射層２１、Ｎ型電極２２、Ｎ型半導体層２３、発光層２４、Ｐ型半導体層２５、電流ブロック層２６、透明導電層２７及びＰ型電極２８を包括し、そのうち、前記反射層２１は前記基板２０上に位置し、前記Ｎ型半導体２３は前記反射層２１上に位置し、且つ分割して前記Ｎ型電極２２及び前記発光層２４にそれぞれ接続し、前記Ｐ型半導体層２５は前記発光層２４上に位置し、前記電流ブロック層２６は前記Ｐ型半導体層２５上に位置し、且つパターンに対応して前記Ｐ型電極２８を完全に被覆し、前記透明導電層２７は前記電流ブロック層２６を被覆し且つ前記Ｐ型半導体層２５を接続し、前記Ｐ型電極２８は前記透明導電層２７上に位置する、発光ダイオード１００上に応用する発光ダイオードの透明導電層構成である。
本発明の特徴は、前記透明導電層２７の前記Ｐ型電極２８に対応するエリアにおいて、複数の空洞２９を開設することにあり、そのため、残った部分の前記透明導電層２７だけで前記Ｐ型電極２８に電気的に接続しており、電気的接続を考慮し、前記Ｐ型電極２８と電気的に接続する前記透明導電層２７も少な過ぎることもできず、もし、前記Ｐ型電極２８を前記透明導電層２７に接触する接触エリアと、前記透明導電層２７に接触しない非接触エリアとに分割した場合、前記非接触エリアの面積は前記接触エリアの０．１５％〜８０％であることが好ましい。
また、前記透明導電層２７の前記複数の空洞２９を設置するエリアは、さらに対応する前記電流ブロック層２６まで延在することができ、即ち、前記電流ブロック層２６に対応する前記透明導電層２７であれば前記複数の空洞２９を設けることができ、これによって前記透明導電層２７の面積をさらに削減することができる。電気的接続に影響しないという前提で、最大限、前記透明導電層２７の面積を削減することは、発光効率の増加を促すものである。前記複数の空洞２９、即ち、非接触エリアの幅と前記電流ブロック層２６の幅との比が０．１倍〜１倍であることが好ましい。
また、制作上の利便性を図るため、前記複数の空洞２９は固定サイズの面積を有し、且つ前記発光ダイオード１００のサイズが大きければ大きいほど、前記複数の空洞２９の数は多くなり、前記複数の空洞２９の数を増加することによって、前記発光ダイオード１００のサイズの変化に対応している。また、電気的接続を考慮し、前記複数の空洞２９は前記Ｐ型電極２８に対応するエリア上に均一に散布している。
もし、前記Ｐ型電極２８を、接続し合うＰ型接点２８１とＰ型延在電極２８２とに分割した場合、前記複数の空洞２９は前記Ｐ型接点２８１と前記Ｐ型延在電極２８２とに対応するエリア上に開設することができ、即ち、前記複数の空洞２９は前記Ｐ型接点２８１或いは前記Ｐ型延在電極２８２のいずれかに設置することができ、且つ実施において、前記Ｐ型接点２８１は通常、円形であって、前記Ｐ型延在電極２８２の殆どは帯状であって、円形の前記Ｐ型接点２８１は外部電圧に接続するために用いられ、帯状の前記Ｐ型延在電極２８２は電流の分散を助けることができる。
また、実際の実施構成上において、本発明の構成は一層一層堆積して構成しており、前記Ｐ型電極２８は前記透明導電層２７に前記複数の空洞２９が形成された後堆積し、前記透明導電層２７上に形成するため、前記複数の空洞２９があるエリアにおいて、前記Ｐ型電極２８は前記電流ブロック層２６上に直接接触している。
また、本発明い係る前記透明導電層２７は、例えば、アルミ（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等の金属薄膜、或いは、例えば、インジウムすず酸化物（Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ、ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ、ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化すず（ＳｎＯ２：Ｆ、ＦＴＯ）のいずれか一つから生成する透明導電酸化物薄膜、とすることができ、前記基板２０は、通常、シリコン等の熱伝導が好ましい材質から生成しており、前記反射層２１は、銀やアルミなどの高反射材質から生成するか、或いは二つの異なる屈折率が交互に堆積してなるブラッグ反射層（ＤＢＲ）とすることができ、前記Ｎ型電極２２と前記Ｐ型電極２８とは、通常、銅等の金属を用いて生成しており、前記Ｎ型半導体層２３、前記発光層２４及び前記Ｐ型半導体層２５は、窒化ガリウム系（ＧａＮ−ｂａｓｅｄ）エピタキシャルに異なる金属をドープして生成しており、前記電流ブロック層２６は、通常、二酸化ケイ素等の透明酸化物を使用して生成している。
次に、本発明に係る発光ダイオードの断面図及びシュミレーションデータを示す図である図３、図４及び図５を参照すると、励起光３０の異なる入射角度における反射率データを示しており、このデータはそれぞれ前記透明導電層２７を有すもの（実線Ｌ１）と有さないもの（点線Ｌ２）とであって、入射角度０°（垂直入射）の場合、図４のように、４３０〜４４０ナノメートル（ｎｍ）の波長帯において、前記透明導電層２７を有すもの（実線Ｌ１）の反射率はおよそ４５％しかなく、前記透明導電層２７を有さないもの（点線Ｌ２）の反射率はおよそ８５％向上していることが分かり、同じように、入射角度３０°の場合、図５のように、前記透明導電層２７を有すもの（実線Ｌ１）の反射率はおよそ６０〜８０％の間で、前記透明導電層２７を有さないもの（点線Ｌ２）の反射率はおよそ７５〜８５％の間に向上していることが分かる。
上述のデータから分かるとおり、前記透明導電層２７を取除くことによって前記励起光３０の反射率が確実に増加することができ、つまり、前記透明導電層２７の吸光率を削減することができ、このことから全体の発光効率も増加することができ、さらに詳しくいうと、本発明は、前記透明導電層２７の前記Ｐ型電極２８に対応するエリアにおいて、前記複数の空洞２９を開設しており、前記発光層２４で発生した前記励起光３０が前記透明導電層２７の前記Ｐ型電極２８に対応するエリアに入射する際、前記複数の空洞２９があるエリアに入射した場合、前記透明導電層２７の吸光を避け、且つ有効的に前記励起光３０を反射することができ、前記励起光３０は反射した後、前記反射層２１の反射を介し、前記Ｐ型電極２８を有さない箇所に射出して発光することができる。
以上のことから、本発明の技術的特徴及びその効果は、少なくとも以下のことを包括している。
第一に、前記Ｐ型電極に対応するエリアの透明導電層を局部的に取除き、残った部分の前記透明導電層だけで前記Ｐ型電極に電気的に接続すること、即ち前記透明導電層の面積を削減することによって、前記発光層の前記励起光を複数回反射して発光すると、前記透明導電層の吸光量を低減し、さらに全体の発光効率を向上することができる。
第二に、前記Ｐ型電極に対応するエリア前記透明導電層に複数の空洞を設置することは、その箇所の光反射率を有効的に向上し、前記Ｐ型電極に入射する励起光を有効的に反射させることで、複数回の反射により発光し、さらに全体の発光率を増加している。
なお、上述したものは本発明に好ましい実施例に過ぎず、本発明の実施の範囲を限定するものではない。本発明に係る特許請求の範囲に基づいて行われる変化及び修正等は、いずれも本発明に係る特許請求の範囲に含まれる。
１ 発光ダイオード
２ 反射層
３ Ｎ型半導体層
４ Ｎ型電極
５ 発光層
６ Ｐ型半導体層
７ 電流ブロック層
８ 透明導電層
９ Ｐ型電極
１０ 電圧差
１１ 励起光
Ｌ１ 実線
Ｌ２ 点線
１００ 発光ダイオード
２０ 基板
２１ 反射層
２２ Ｎ型電極
２３ Ｎ型半導体層
２４ 発光層
２５ Ｐ型半導体層
２６ 電流ブロック層
２７ 透明導電層
２８ Ｐ型電極
２８１ Ｐ型接点
２８２ Ｐ型延在電極
２９ 空洞
３０ 励起光
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２８ Ｐ型電極
２８１ Ｐ型接点
２８２ Ｐ型延在電極
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Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に設置する反射層と、
前記反射層上に設置し、且つ分割してＮ型電極と発光層とをそれぞれ接続するＮ型半導体層と、
前記発光層上に設置するＰ型半導体層と、
前記Ｐ型半導体層上に設置する電流ブロック層と、
前記Ｐ型半導体層に接続して前記電流ブロック層に被覆し、且つ前記電流ブロック層を外部に露出させるための複数の空洞を有する透明導電層と、
前記透明導電層上に設置し、且つパターンが前記電流ブロック層に対応し、さらに連結し合うＰ型接点とＰ型延在電極とを分割するＰ型電極と、を包括し、
そのうち、これ等空洞は前記Ｐ型電極の下方に均一に散布し、前記Ｐ型電極が前記電流ブロック層に部分的に接触する部分に前記透明導電層に接触しない非接触エリアを形成し、前記Ｐ型電極が前記透明導電層に接触する部分に接触エリアを形成することを特徴とする発光ダイオード構成。 - 前記透明導電層の前記複数の空洞を設置するエリアは、さらに対応する前記電流ブロック層まで延在し、且つ前記複数の空洞の幅と前記電流ブロック層の幅との比が０．１倍〜１倍であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード構成。
- 前記非接触エリアの面積は、前記接触エリアの０．１５％〜８０％であるすることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード構成。
- 前記Ｐ型接点は、円形であって、前記Ｐ型延在電極は、帯状であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード構成。
- 前記透明導電層は、インジウムすず酸化物、アルミニウムドープ酸化亜鉛、フッ素ドープ酸化すずのいずれか一つから生成することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード構成。
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