JP6009041B2 - 発光素子、発光素子ユニットおよび発光素子パッケージ - Google Patents
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Description
この問題を解決するために、本願発明者は、端部領域および端部領域から延びる複数の枝部を有する露出したn型半導体層と、その上に配置したn電極の構造を検討した。
この構成によれば、絶縁層上の第1電極層は、絶縁層、反射電極層、透明電極層、第2導電型半導体層および発光層を挟んで隔てた第1導電型半導体層に対して、第1コンタクトを介して接続されている。第1コンタクトは、絶縁管層を通ることによって、反射電極層、透明電極層、第2導電型半導体層および発光層から分離絶縁されている。絶縁層上の第2電極層は、絶縁層下の反射電極層に対して、第2コンタクトを介して接続されている。
複数の前記第1コンタクトは、行列状に配置されていることが好ましい(請求項5)。
複数の前記第1コンタクトは、前記平面視において前記第1電極層の縁に沿って配置された第1縁側コンタクトを含むことが好ましい(請求項7)。この構成によれば、第1縁側コンタクトに応じて、第1導電型半導体層では、少なくとも縁側に、前記接触部が配置される。これにより、第1導電型半導体層上の発光層内では、縁側まで電流を行き渡らせることができる。そのため、発光層において光る部分を増やすことができるので、発光素子の発光効率の向上を図ることができる。
この場合、前記接触部の直径は、20μm以上40μm以下であることが好ましい(請求項10)。
前記第1導電型半導体層に対する全ての前記第1コンタクトの接触部の面積の合計は、3000μm2以上25000μm2以下であることが好ましい(請求項12)。この構成によれば、発光素子では、順方向電圧を低下させつつ、発光効率の向上を図ることができる。
前記反射電極層は、銀と白金族金属と銅とを含む合金からなることが好ましい(請求項14)。前記白金族金属は、白金またはパラジウムであることが好ましい(請求項15)。
前記透明電極層は、ITO(酸化インジウムスズ)からなることが好ましい(請求項16)。
発光素子は、前記発光層の発光波長に対して透明であり、前記第1導電型半導体層が積層される基板をさらに含むことが好ましい(請求項19)。発光素子では、発光層が発光すると、光は、基板から取り出される。
前記第1導電型半導体層および第2導電型半導体層は、窒化物半導体からなることが好ましい(請求項20)。
前記反射電極層上に積層され、前記反射電極層と前記第2コンタクトとの間に配置されるエッチングストップ層をさらに含むことが好ましい(請求項22)。この構成によれば、絶縁層に、第2コンタクトを配置するためのトレンチをエッチングによって形成する際に、エッチングがエッチングストップ層において停止されるので、反射電極層が浸食されることを防止できる。
図1は、本発明の一実施形態に係る発光素子1の模式的な平面図である。図2は、図1の切断面線II−IIにおける断面図である。図3は、図1の切断面線III−IIIにおける断面図である。図4は、発光素子1の模式的な斜視図である。
発光素子1は、基板2と、第1導電型半導体層3と、発光層4と、第2導電型半導体層5と、透明電極層6と、反射電極層7と、絶縁層8と、絶縁管層9と、第1電極層10(n側電極)と、第1コンタクト11と、第2電極層12(p側電極)と、第2コンタクト13と、エッチングストップ層14と、バリア層15と、接合層16とを備えている。
基板2は、発光層4の発光波長(たとえば450nm)に対して透明な材料(たとえばサファイア、GaNまたはSiC)からなり、所定の厚さを有している。基板2は、その厚さ方向から見た平面視において、図2における左右方向に長手方向を有し、図2における奥行き方向に短手方向を有する矩形形状に形成されている(図1参照)。基板2の長手方向寸法は、たとえば、約1000μmであり、基板2の短手方向寸法は、たとえば、約500μmである。基板2では、図2における下面が表面2Aであり、図2における上面が裏面2Bである。表面2Aは、光が取り出される光取出し面である。裏面2Bは、基板2における第1導電型半導体層3との接合面である。基板2の裏面2Bには、第1導電型半導体層3側へ突出する凸部17が複数形成されている。複数の凸部17は、離散配置されている。具体的には、複数の凸部17は、基板2の裏面2Bにおいて、互いに間隔を空けて行列状に配置されていてもよいし、千鳥状に配置されていてもよい。各凸部17は、SiNで形成されていてもよい。
反射電極層7は、透明電極層6と同一パターンで透明電極層6上に積層されている。反射電極層7は、銀と白金族金属と銅とを含む合金からなる。当該白金族金属として、白金やパラジウムを用いる事ができる。各金属の配合比率は、銀が98%程度であり、白金族金属および銅のそれぞれが1%程度である。このような合金からなる反射電極層7は、導電性が良好である。
図1を参照して、複数の絶縁管層9は、基板2の主面に平行な第1方向Xに延びる第1配列ラインAと、第1方向Xに交差し、基板2の主面に平行な第2方向Yに延びる第2配列ラインBとのそれぞれに沿って配置されている。この実施形態では、絶縁管層9の数は、15であり、3行5列の行列状に配置されている。この場合、第1方向X(行方向)が基板2の短手方向に一致し、第2方向Y(列方向)が基板2の長手方向に一致していて、第1配列ラインA(第1方向X)と第2配列ラインB(第2方向Y)とが直交している。1本の第1配列ラインA上には、3つの絶縁管層9が等間隔で配列されていて、1本の第2配列ラインBには、5つの絶縁管層9が等間隔で配列されている。
図1を参照して、平面視において、円管状の絶縁管層9の円中心と、絶縁管層9の中空部分に埋め込まれた円柱状の第1コンタクト11の円中心とは、一致している。したがって、平面視において、複数の第1コンタクト11は、複数の絶縁管層9と同じ配列パターンで配列されている。つまり、複数の第1コンタクト11は、平面視において、第1配列ラインAおよび第2配列ラインBの交差点上に配置されていて、行列状をなすように、均等に分散配置されている。また、複数の第1コンタクト11は、第1配列ラインA、第2配列ラインBおよび第3配列ラインEの上において、一の第1コンタクト11と、この第1コンタクト11から最も近い第1コンタクト11との間隔が、それぞれ前述した間隔C、DおよびFで一定になるように配列されている。そして、複数の第1コンタクト11は、平面視において、第1電極層10の重心位置Gを基準として点対称となるように配置されている。複数の第1コンタクト11のうち、前述した第1縁側絶縁管層9Aの内側に埋め込まれた第1コンタクト11を、第1縁側コンタクト11Aということにする。この第1縁側コンタクト11Aは、平面視において、第1電極層10の長手縁10Aおよび短手縁10Bに沿って配置されている。
接合層16は、第1電極層10上のバリア層15上に、第1電極層10と同一パターンで積層されているとともに、第2電極層12上のバリア層15上に、第2電極層12と同一パターンで積層されている。接合層16は、たとえば、Ag、TiもしくはPtまたはこれらの合金からなる。接合層16は、半田またはAuSn(金錫)からなってもよい。この実施形態では、接合層16は、AuSnからなる。バリア層15によって、接合層16から第1電極層10および第2電極層12へのSn(錫)の拡散が抑えられている。
まず、図5Aに示すように、基板2の裏面2Bに、SiNからなる層(SiN層)を形成し、レジストパターン(図示せず)をマスクとするエッチングにより、このSiN層を、複数の凸部17に分離する。次いで、基板2を反応容器(図示せず)内に配置して反応容器内にガス(シランガス等)を流すことによって、基板2の裏面2B上に半導体層をエピタキシャル成長させる処理が行われる。その際、ガスの流量比を変えることで、基板2の裏面2B上に、第1導電型半導体層3、発光層4および第2導電型半導体層5を、この順番で連続的に形成することができる。
次いで、透明電極層6の上、および、第2導電型半導体層5において各貫通穴19からが露出された部分の上の全域に亘って、銀と白金族金属と銅とを含む合金の層(合金層)を形成し、この合金層に対して、図5Cに示すように、透明電極層6と同一パターンのレジストパターン20をマスクとするドライエッチングを施す。これにより、合金層が選択的に除去され、残った合金層が、反射電極層7となって、透明電極層6上に、透明電極層6と同一パターンで形成される。反射電極層7には、平面視で透明電極層6の各貫通穴19と一致する位置に、貫通穴19と同じ大きさの貫通穴21が形成されている。
次いで、図5Fに示すように、反射電極層7上およびエッチングストップ層14上に、たとえばCVD法によって、SiNからなる層(SiN層)26を形成する。SiN層26は、各トレンチ25内に埋め尽くされるとともに、平面視における発光層4、第2導電型半導体層5、透明電極層6および反射電極層7のそれぞれの外側端面と、第1導電型半導体層3の段付部分3Cとを全域に亘って覆うように形成される。SiN層26において、反射電極層7上およびエッチングストップ層14上にある部分は、絶縁層8となり、平面視における発光層4、第2導電型半導体層5、透明電極層6および反射電極層7のそれぞれの外側端面と、第1導電型半導体層3の段付部分3Cとを覆っている部分は、延設部8Aとなる。また、SiN層26において、トレンチ25内に埋め込まれた部分は、絶縁管層9を形成することになる。
次いで、レジストパターン27をマスクとするドライエッチングにより、絶縁層8と、各トレンチ25内のSiN層26とを選択的に除去する。これにより、平面視においてレジストパターン27の各開口28と一致する位置の絶縁層8およびSiN層26がレジストパターン27側から除去される。このドライエッチングの条件は、第1導電型半導体層3がエッチングされない条件になっている。そのため、各開口28におけるエッチングは、トレンチ25の底面における第1導電型半導体層3の手前でストップする。これにより、平面視においてレジストパターン22の各開口28と一致する位置には、絶縁層8およびSiN層26を貫通して第1導電型半導体層3まで到達するトレンチ30が形成される。
次いで、バリア層15上の全域に、たとえば電解めっき法によって、AuSnからなる層(AuSn層)を形成する。AuSn層は、接合層16である。
第1コンタクト11が埋め込まれるトレンチ30は、第1コンタクト11と同じ大きさの円形状の断面を有しており、その直径(内径)は、20μm以上40μm以下である。これに対し、第2コンタクト13が埋め込まれるトレンチ31は、平面視においてトレンチ30よりも大きい(図1参照)。そのため、前述したように、絶縁層8上にAl層32を形成する際に(図5H参照)、各トレンチ31内にAl層32を埋め尽くすと、絶縁層8には、各トレンチ31の跡90が凹みとなって現れ、最終的には、第2電極12上の接合層16の接合面16Aにも現れる(図4参照)。しかし、複数のトレンチ31は、基板2の短手方向において間隔を隔てているので(図1参照)、これらのトレンチ31が1列につながっている場合に比べて、各トレンチ31の跡90は、とても小さく目立たない。そのため、第2電極12上の接合層16の接合面16Aはほとんど平坦になる。
図6に二点鎖線で示すように、発光素子1は、接合層16によってサブマウント50に接合され、発光素子ユニット64を構成する。
サブマウント50は、ベース基板51と、絶縁層52と、電極層53と、接合層54とを備えている。
電極層53は、たとえばAlからなる。電極層53は、絶縁層52上において分離された2つの領域に設けられており、図6では、2つの電極層53が、左右に隔てた状態で絶縁層52上に形成されている。2つの電極層53のうち、図6における左側の電極層53を第1マウント電極層53Aといい、図6における右側の電極層53を第2マウント電極層53Bということにする。第1マウント電極層53Aと第2マウント電極層53Bとは、第1電極11および第2電極12の間隔とほぼ等しい間隔、たとえば、60μm程度の間隔を隔てて分離絶縁されて配置されている。
平面視において、第1マウント電極層53A上の接合層54は、発光素子1の第1電極層10上の接合層16と同じ大きさであり、第2マウント電極層53B上の接合層54は、発光素子1の第2電極層12上の接合層16と同じ大きさである(図1参照)。
図8Aは、発光装置の構造を図解的に示す断面図である。
支持基板61は、絶縁性材料で形成された絶縁基板62と、絶縁基板62の両端から露出するように設けられて、発光素子1と外部とを電気的に接続する金属製の一対のリード63とを有している。絶縁基板62は、たとえば平面視矩形に形成されており、その対向する一対の辺に沿って一対のリード63がそれぞれ帯状に形成されている。各リード63は、絶縁基板62の一対の端縁に沿って、上面から側面を渡って下面に至るように折り返され、横向きU字形断面を有するように形成されている。
発光素子1をサブマウント50に接近させると、図8Aに示すように、発光素子1の接合層16の接合面16Aと、サブマウント50の接合層54の表面54Aとが面接触する。具体的には、第1電極層10側の接合層16の接合面16Aが、第1マウント電極層53A側の接合層54の表面54Aに対して面接触し、第2電極層12側の接合層16の接合面16Aが、第2マウント電極層53B側の接合層54の表面54Aに対して面接触する。この状態でリフロー(熱処理)を行えば、第1電極層10と第1マウント電極層53Aとが接合層16,54を介して接合され、かつ第2電極層12と第2マウント電極層53Bとが接合層16,54を介して接合されて、発光素子1がサブマウント50にフリップチップ接続される。すなわち、接合層16と接合層54とが融解・固着して互いに接合する。その結果、発光素子1とサブマウント50とが一体化した発光素子ユニット64が得られる。
発光素子パッケージ70は、図8Aに示した構造の発光装置60と樹脂パッケージ71と封止樹脂72とを含んでいる。
樹脂パッケージ71は、樹脂が充填されたリング状のケースであり、その内側に発光素子ユニット64を収容して(覆って)側方から包囲して保護した状態で、支持基板61に固定されている。樹脂パッケージ71の内壁面は、発光素子ユニット64の発光素子1から出射された光を反射させて外部へ取り出すための反射面71aを形成している。この実施形態では、反射面71aは、内方に向かうに従って支持基板61に近づくように傾斜した傾斜面からなり、発光素子1からの光を光取り出し方向(基板2の法線方向)に向かって反射するように構成されている。
図9には、支持基板61上に一つの発光素子ユニット64が実装されている構造を示したが、むろん、支持基板61上に複数個の発光素子ユニット64が共通に実装されていて、それらが封止樹脂72によって共通に封止されていてもよい。
図10を参照して、発光ダイオードでは、理論上は、電流密度が高くなると、光出力が線形に増加すると期待される(図10の破線の理論ライン)。しかし、実際には、電流密度が高くなると、いわゆるドループ現象が発生することで光出力のロスが生じるので、光出力は、理論ラインから下方(低下する側)へずれた特性線(図10の実線)に沿う。
複数の第1コンタクト11は、平面視において第1電極層10の縁(長手縁10Aおよび短手縁10B)に沿って配置された第1縁側コンタクト11Aを含んでいるので、第1縁側コンタクト11Aに応じて、第1導電型半導体層3では、少なくとも縁側に、前記取り込み部分(図2の接触部18)が配置される。これにより、第1導電型半導体層3上の発光層4内では、縁側まで電流を行き渡らせることができる。そのため、発光層4において光る部分を増やすことができるので、発光素子1の発光効率の向上を図ることができる。
第1導電型半導体層3に対する全ての第1コンタクト11の接触部18の面積の合計(第1コンタクト総面積)は、3000μm2以上25000μm2以下である。
図2を参照して、第1電極層10は、絶縁層8に接するとともに第1コンタクト11を有し、絶縁層8を透過した光を反射させる第2の反射電極層を構成している。そのため、透明電極層6上に積層された反射電極層7で反射せず絶縁層8を透過した光を第1電極層10で反射させることにより、光の反射効率を向上させることができ、その分、発光素子1の発光効率の向上を図ることができる。
本発明の実施形態に係る発光素子1では、発光層4を大きくする(平面視で広くする)ことによって、前述した実発光面積比が、たとえば約79%となる。特許文献1の構造を改良した前述の比較例に係る発光素子では、たとえば実発光面積比が約63%である。したがって、この比較例に対して、実発光面積比を約16%向上できた。これにより、図11の実線(実施例)に示すように、電流密度の全域において、発光効率が1%程度向上した。前述した比較例に係る発光素子に約100mAを印加したときの電流密度は、たとえば、300mA/mm2であって、発光効率は約28%である(図11のポイントA)。一方、この実施形態を適用した実施例に係る発光素子1では、たとえば、同じ電流を印加したときの電流密度が約200mA/mm2まで緩和され、図11のポイントBに示すように、発光効率が約31%まで上昇した。
図14に示すように、第1コンタクト11は、平面視において、第1電極層10の長手縁10Aに沿って配置された第1縁側コンタクト11Aだけをふくんでいてもよい。
また、図15に示すように、第1コンタクト11は、平面視において、千鳥状に配置されていてもよい。この場合、第1電極層10の長手縁10A沿いの第1縁側コンタクト11Aは、前述した第2配列ラインB上に並んで配置されていて、それ以外の第1コンタクト11は、前述した第3配列ラインE上に並んで配置されている。
ただし、以上で説明した以外にも、第1コンタクト11の配置は、適宜変更可能であり、たとえば、重心位置Gを基準(対称の中心)として点対称となるように配置されていなくてもよい。この場合には、発光層4において電流を広く行き渡らせるために、第1電極層10において第2電極12から遠い側の短手縁10Bに沿う第2縁側コンタクト11Bを少なくとも配置することが好ましい。
2 基板
3 第1導電型半導体層
4 発光層
4A 端面
5 第2導電型半導体層
6 透明電極層
7 反射電極層
8 絶縁層
9 絶縁管層
10 第1電極層
10A 長手縁
10B 短手縁
11 第1コンタクト
11A 第1縁側コンタクト
11B 第2縁側コンタクト
12 第2電極層
13 第2コンタクト
14 エッチングストップ層
16 接合層
18 接触部
50 サブマウント
64 発光素子ユニット
70 発光素子パッケージ
71 樹脂パッケージ
C 間隔
D 間隔
F 間隔
G 重心位置
Claims (26)
- 第1導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層上に積層された発光層と、
前記発光層上に積層された第2導電型半導体層と、
前記第2導電型半導体層上に積層され、前記発光層の発光波長に対して透明な透明電極層と、
前記透明電極層上に積層され、前記透明電極層を透過した光を反射させる反射電極層と、
前記反射電極層上に積層された絶縁層と、
前記絶縁層上に積層された第1電極層と、
前記第1電極層から分離絶縁された状態で前記絶縁層上に積層された第2電極層と、
前記第1導電型半導体層の厚さ方向から見た平面視において離散して配置されており、前記絶縁層から連続して前記反射電極層、透明電極層、第2導電型半導体層および発光層を貫通し、前記第1導電型半導体層に到達する複数の絶縁管層と、
前記第1電極層から連続し、前記絶縁層および前記絶縁管層を通って前記第1導電型半導体層に接続された第1コンタクトと、
前記第2電極層から連続し、前記絶縁層を貫通して前記反射電極層に接続された第2コンタクトとを含み、
前記平面視において、前記発光層、前記第2導電型半導体層、前記透明電極層および前記反射電極層のそれぞれの領域が一致していて、
前記絶縁層は、前記反射電極層において前記平面視で前記絶縁管層と前記第2コンタクトによる開口部とを除く全てを覆うように前記反射電極層上に積層されている、発光素子。 - 複数の前記第1コンタクトは、前記平面視において、均等に分散配置されている、請求項1に記載の発光素子。
- 複数の前記第1コンタクトは、一の第1コンタクトと、この第1コンタクトから最も近い第1コンタクトとの間隔が一定になるように配置されている、請求項2に記載の発光素子。
- 前記間隔は、50μm以上150μm以下である、請求項3に記載の発光素子。
- 複数の前記第1コンタクトは、行列状に配置されている、請求項2〜4のいずれか一項に記載の発光素子。
- 複数の前記第1コンタクトは、前記平面視において、前記第1電極層の重心位置を基準として点対称となるように配置されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の発光素子。
- 複数の前記第1コンタクトは、前記平面視において前記第1電極層の縁に沿って配置された第1縁側コンタクトを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の発光素子。
- 複数の前記第1コンタクトは、前記平面視において前記第1電極層における前記第2電極層側とは反対側の縁に沿って配置された第2縁側コンタクトを含む、請求項7に記載の発光素子。
- 前記第1導電型半導体層に対する前記第1コンタクトの接触部は、円形状である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記接触部の直径は、20μm以上40μm以下である、請求項9に記載の発光素子。
- 前記第1コンタクトは、円柱形状である、請求項9または10に記載の発光素子。
- 前記第1導電型半導体層に対する全ての前記第1コンタクトの接触部の面積の合計は、3000μm2以上25000μm2以下である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記絶縁層は、SiNからなる、請求項1〜12のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記反射電極層は、銀と白金族金属と銅とを含む合金からなる、請求項1〜13のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記白金族金属は、白金またはパラジウムである、請求項14に記載の発光素子。
- 前記透明電極層は、ITOからなる、請求項1〜15のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記第1電極層は、
前記絶縁層に接するとともに前記第1コンタクトを有し、前記絶縁層を透過した光を反射させる第2の反射電極層を含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の発光素子。 - 前記第2の反射電極層は、Alからなる、請求項17に記載の発光素子。
- 前記発光層の発光波長に対して透明であり、前記第1導電型半導体層が積層される基板をさらに含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記第1導電型半導体層および第2導電型半導体層は、窒化物半導体からなる、請求項1〜19のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記絶縁層は、前記発光層において前記第1導電型半導体層および第2導電型半導体層の間から露出した端面を覆っている、請求項1〜20のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記反射電極層上に積層され、前記反射電極層と前記第2コンタクトとの間に配置されるエッチングストップ層をさらに含む、請求項1〜21のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記第1電極層上および第2電極層上のそれぞれに積層された接合層をさらに含む、請求項1〜22のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記接合層は、AuSnからなる、請求項23に記載の発光素子。
- 請求項23または24に記載の発光素子と、
前記接合層に接合されたサブマウントとを含む、発光素子ユニット。 - 請求項25に記載の発光素子ユニットと、前記発光素子ユニットを収容した樹脂パッケージとを含む、発光素子パッケージ。
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