JP6094345B2 - 発光素子及びそれを用いた発光装置 - Google Patents
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Description
例えば、基板上に縦横に配列された複数の半導体層を有する発光素子が提案されている。この発光素子では、p型半導体層及び発光層から露出したn型半導体層のうち、n側電極が接続される領域を、隣接する他の半導体層側に配置されている。これは、製造上の利便性に加え、隣接する半導体層間を接続する配線自体の抵抗を抑えるために、配線を最短で接続する必要があることがその理由と考えられる。
また、1つの発光素子をフリップチップ実装にて複数配列しても、各発光素子間を詰めて配置するのには製造工程上の限界があり、発光素子間に輝度の低い部分が生じるという課題がある。
(1)基板と、
該基板上に第1半導体層、発光層及び第2半導体層がこの順に積層される複数の半導体積層体と、
該複数の半導体積層体の上面側にそれぞれ配置され、前記第1半導体層に接続される第1電極及び前記第2半導体層に接続される第2電極と、を有する発光素子であって、
前記複数の半導体積層体は、第1の半導体積層体と、該第1の半導体積層体と前記基板表面を露出する分離溝によって分離された第2の半導体積層体と、を有し、
平面視において、
前記第1の半導体積層体における第1電極と、前記第2の半導体積層体における第2電極とが、前記分離溝を挟んで配置されており、
前記第1の半導体積層体は、その縁部よりも内側に、前記第1半導体層が露出する露出部を複数有し、該複数の露出部に前記第1電極が接続されている発光素子。
(2)上述した発光素子と、
表面に複数の配線を有する実装基板と、を有し、
前記発光素子において、前記第1の半導体積層体の第1電極と前記第2の半導体積層体の第2電極とが前記実装基板の配線によって接続され、前記第1の半導体積層体と前記第2の半導体積層体とが直列接続されている発光装置。
本発明の発光素子は、基板と、複数の半導体積層体と、複数の第1電極及び第2電極とを含む。
基板は、絶縁性を有し、半導体層をエピタキシャル成長させることができるものであればよい。このような基板の材料としては、サファイア(Al2O3)、スピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板等が挙げられる。なかでも、C面、A面、R面、M面のいずれかを主面とする基板であることが好ましく、オリフラ面として、A面又はC面を有する基板がより好ましい。特に、C面(0001)を主面とし、オリフラ面をA面(11−20)とするサファイア基板であることがより好ましい。
半導体積層体は、第1半導体層(例えば、n型半導体層)、発光層及び第2半導体層(例えば、p型半導体層)が基板上にこの順に積層されたものである。このような第1半導体層、発光層及び第2半導体層の種類、材料は特に限定されるものではなく、例えば、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体等、種々の半導体が挙げられる。具体的には、InXAlYGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)等の窒化物系の半導体材料が挙げられ、InN、AlN、GaN、InGaN、AlGaN、InGaAlN等を用いることができる。各層の膜厚及び層構造は、当該分野で公知のものを利用することができる。
半導体積層体をそれぞれ分離する分離溝の幅は、半導体積層体を電気的に分離することができる幅であればよく、特に半導体積層体間の輝度の低下が軽減される3〜10μm程度の幅とすることが好ましい。分離溝の側面は、略垂直であってもよいが、テーパー状又は逆テーパー状等であってもよい。また、分離溝の幅は、部位によって変動していてもよいが、半導体積層体間で均一であることが好ましい。これによって、輝度ムラを抑制することができる。
このような分離溝によって、分離溝の延長方向の両側の略全体に発光層が配置される。これによって、各分離溝における輝度低下を軽減させることができる。
半導体積層体は、その一部領域において、第2半導体層及び発光層が膜厚方向の全てにわたって除去されており、第1半導体層が露出する露出部を有する。
露出部の形状、大きさ、位置は、意図する発光素子の大きさ、形状、接続状態等によって適宜設定することができるが、半導体積層体の縁部よりも内側に複数形成されていることが好ましい。
また、各露出部の形状としては、平面視において円又は楕円、三角形、四角形、六角形等の多角形等が挙げられ、なかでも、円形が好ましい。各露出部の大きさは、半導体積層体の大きさ、求められる発光素子の出力、輝度等によって適宜調整することができ、例えば、直径(一辺)が数十〜数百μm程度の大きさであることが好ましい。別の観点から、直径が、半導体積層体の一片の1/20〜1/5程度の大きさであることが好ましい。
ただし、露出部は、1つの半導体積層体の縁部よりも内側において、複数の半導体積層体の配列方向(例えば、上述したような行方向)に沿って一方に偏って分布していることが好ましい。また、1つの半導体積層体において、平面視、露出部の分布領域が、露出部の分布しない領域よりも広範であることが好ましい。言い換えると、平面視、1つの半導体積層体において、複数の露出部が一方に偏在して配列されており、露出部の偏在範囲が半導体積層体の平面積の半分以上を占める範囲、つまり、行方向の半分以上にわたる範囲、60%以上にわたる範囲、70%以上にわたる範囲、80%以上にわたる範囲に分布されていることが好ましい。従って、1つの半導体積層体において、露出部が存在しない範囲が、行方向の半分未満の範囲、40%未満の範囲、30%未満の範囲、20%未満の範囲に及ぶ。
このような露出部の偏在によって、後述する第1電極及び第2電極の発光素子における接続領域又は占有面積を画定することができ、つまり、第1電極の接続領域又は占有面積を第2電極のそれよりも大きくすることができる。そのため、第1半導体層に電流を均一に供給できる領域を広範にすることができ、発光素子の輝度ムラをさらに均一にすることができる。
半導体積層体は、それぞれ、第1半導体層と接続される第1電極と、第2半導体層と接続される第2電極とを有する。これらの第1電極及び第2電極は、半導体積層体の上面側(つまり、基板とは反対側)に配置されている。ここでの第1電極及び第2電極は、第1半導体層及び第2半導体層と直接接触しておらず、反射層等の他の機能を有する導電性を介して電気的に接続されていてもよい。
第1電極又は第2電極がそれぞれ第1半導体層又は第2半導体層との間で介在して接続してもよい導電層としては、特に限定されないが、例えば、第1半導体層又は第2半導体層に接触する反射層が挙げられる。ただし、反射層は、第1半導体層及び第2半導体層の第1半導体層及び第2半導体層の双方に接続されていてもよいが、第2半導体層にのみ接続されることがより好ましい。
反射層としては、銀又は銀合金などを有する層が挙げられる。銀合金としては、当該分野で公知の材料のいずれを用いてもよい。反射層の厚みは、特に限定されるものではなく、発光素子から出射される光を効果的に反射することができる厚み、例えば、20nm〜1μm程度が挙げられる。反射層の第1半導体層又は第2半導体層との接触面積は大きいほど好ましく、例えば、半導体積層体の平面積の50%以上、60%以上、70%以上が挙げられる。
このような被覆電極としては、通常、電極材料として用いられている金属及び合金によって形成されるものであればよく、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル等の金属を含有する単層又は積層層が挙げられる。なかでも、AlCu及びAlCuSiなどを用いることが好ましい。被覆電極の厚みは、効果的に銀のマイグレーションを防止するために、数百nm〜数μm程度が挙げられる。
第1電極及び第2電極は、平面視、1つの半導体積層体において、上述した行方向に並行して交互に配置されていることが好ましい。これによって、隣接する半導体積層体においても、第1電極と第2電極とを交互に配置することができる。つまり、平面視、第1の半導体積層体における第1電極と、この第1の半導体積層体に隣接する第2の半導体積層体における第2電極とを、分離溝を挟んで(好ましくは、対向して)配置させることができる。このような配置によって、半導体積層体全体として輝度ムラを防止することができる。
ここでの絶縁膜は、特に限定されるものではなく当該分野で公知の材料を、電気的な絶縁性を確保し得る厚みで用いることが好ましい。
従って、1つの半導体積層体において、第1電極は、平面視における面積が、第2電極の面積よりも広いことが好ましい。
DBRは、例えば、任意に酸化膜等からなる下地層の上に、低屈折率層と高屈折率層とからなる1組の誘電体を、複数組(例えば、2〜5)にわたって積層させた多層構造であり、所定の波長光を選択的に反射するものである。具体的には屈折率の異なる膜を1/4波長の厚みで交互に積層することにより、所定の波長を高効率に反射させることができる。材料として、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物または窒化物を含んで形成することができる。
DBRを酸化膜で形成する場合、低屈折率層を例えばSiO2、高屈折率層を例えばNb2O5、TiO2、ZrO2、Ta2O5等とすることができる。具体的には、下地層側から順番に(Nb2O5/SiO2)n、nは2〜5が挙げられる。DBRの総膜厚は0.2〜1μm程度が好ましい。
この場合、接合部材は、第1半導体層の露出部と重なる領域を避けた位置に配置されることが好ましい。これによって、発光素子を実装基板に実装する場合に生じる衝撃等に起因するリーク等の防止を図ることができる。
本発明の発光装置は、上述した発光素子と、実装基板とを含んで構成される。
また、この発光装置は、任意に、その側面、上面又は下面(基板側)に、反射性、透光性、遮光性等を有する樹脂、これらの樹脂に蛍光体、拡散材、着色剤等を含有した樹脂等を配置していてもよい。このような樹脂、蛍光体等は、当該分野で通常使用されているもののいずれをも利用することができる。
実装基板は、例えば、ガラス、樹脂、セラミックス等からなる基材の表面に、任意に内部及び/又は裏面に、複数の配線を有する。
このような配線は、発光素子に電流を供給し得るものであればよく、当該分野で通常使用されている材料、厚み、形状等で形成されている。
また、配線は、部分的に、上述した発光素子の第1電極及び第2電極と接続するための実装用の接合部材が配置されていてもよい。この場合、上述したように、接合部材は、発光素子を実装基板に実装した場合に、第1半導体層の露出部と重なる領域を避けた位置に配置されることが好ましい。
この配線パターンは、発光素子の第1の半導体積層体と第2の半導体積層体とが直列接続するように配置されていることが好ましい。これによって、分離溝の幅が狭い場合においても、実装基板によって、簡便かつ確実に直列接続を実現することができる。
つまり、正負一対のパターンが、発光素子の行方向に対応する方向において両端に配置され、それらの間で、行方向に沿って、例えば、第1の半導体積層体の第2電極と第2の半導体積層体の第1電極との双方に接続されるパターン、第2の半導体積層体の第2電極と第3の半導体積層体の第1電極との双方に接続されるパターン、・・・第(n−1)の半導体積層体の第2電極と第nの半導体積層体の第1電極との双方に接続されるパターンが、配置されることが好ましい。
言い換えると、発光素子における1つの分離溝は、平面視において、配線における1つのパターンに少なくとも一部重なっている。1つの分離溝は、1つの配線パターンに全て重なって配置されていることが好ましい。これによって、分離溝での輝度の低下を配線によって補償することができ、光取り出し効果を向上させることが可能となる。その結果、より一層の輝度分布の均一化を図ることができる。
実施形態1:発光素子
実施形態1の発光素子10は、図1Aに示すように、長尺なサファイア基板11と、この上に形成された略長方形状を有する4つの半導体積層体12a〜12dと、半導体積層体12a〜12dにそれぞれ接続された第1電極19及び第2電極20を有する。
半導体積層体12a〜12dは、その短辺側が互いに分離溝13を介して対向するように、サファイア基板11の長手方向(図1A中、X方向)に配列されている。分離溝13は、半導体積層体が完全に除去され、サファイア基板11の表面の一部が露出する。分離溝13は全長にわたって一定の幅が好ましく、例えば約10μm程度、より好ましくは約5μm程度の幅を有する。
1つの半導体積層体12aは、サファイア基板11上に、第1半導体層14としてn型半導体層、発光層15、第2半導体層16としてp型半導体層がこの順に積層されて構成されている。
なお、図1C及び図1Dでは、後述する実装基板の配線との関係を分かりやすくするために、これら断面図においてのみ、実装基板24及びその配線23を図示している。
さらに、半導体積層体12aの縁部よりも内側には、平面視で略円形状(直径:約70μm)の露出部17を複数有し、それぞれが離間して配置されている。この露出部17は、1つの半導体積層体12aの一端から略80%程度の領域に偏って、均一(ピッチ:約250μm)に分布している。
第1電極19は、露出部17に及ぶ貫通孔18aを通して、これら全ての露出部17に接続されている。そして、第1電極19は、全ての露出部17と、これらの露出部17が偏って配置された領域(1つの半導体積層体12の一端から略80%程度の領域)に配置される第2半導体層16の上面とを一体的に被覆するように配置されている。つまり、第1電極19は、X方向に長尺な略長方形状で形成されており、X方向に直交する方向においては、半導体積層体12aの幅より若干小さい幅(半導体積層体12aの幅の90〜100%)で配置されている。
第2電極20で被覆された第2半導体層16上の略全面に銀からなる反射層21(厚み:約0.5μm)と、この反射層21の側面及び上面を被覆する被覆電極22(材料:Al-Cu合金、厚み:約2μm)が配置されている。また、第1電極19で被覆された第2半導体層16上のほぼ全面にも、同様に、反射層21と被覆電極22とが配置されている。このような反射層21によって、発光層から出射される光の取り出し効率を向上させることができる。また、被覆電極22によって、銀のマイグレーションを効果的に用いることができる。
第2電極20は、最小限の距離で第1電極19と離間され(離間距離:約25μm)かつ隣接するように、略四角形の形状で、X方向に配置されている。
第2電極20は、X方向に直交する方向に長尺な略長方形状で形成されており、X方向に直交する方向においては、半導体積層体12aの幅より若干小さい幅(半導体積層体12aの幅の90〜100%)で配置されている。
この発光素子10の第1電極19と第2電極20との面積比は、例えば、80:20である。
これによって、発光素子を実装基板に実装する場合に生じる衝撃等に起因するリーク等の防止を図ることができる。
また、分離溝の延長方向の両側の略全体に発光層が配置されるために、各分離溝における輝度低下を軽減させることができ、発光素子全面においてより一層、輝度分布を均一にすることができる。
まず、サファイア基板を準備し、その表面に第1半導体層、発光層及び第2半導体層の積層体を形成する。
得られた第2半導体層上の所望の領域に、所定のパターンを有する反射層として銀膜を形成し、その後、この反射層の全表面を被覆する被覆電極を形成する。
続いて、第1半導体層を露出するための所定形状の開口を有するマスクを形成し、そのマスクを利用して、第2半導体層、活性層、さらに第1半導体層の膜厚方向の一部をエッチング除去し、露出部を形成する。
さらに、別のマスクを利用して、得られた積層体を素子分離するために、サファイア基板を露出する分離溝を形成する。
その後、得られた積層体の全表面に絶縁膜を形成する。そして、電極との接続を意図するこの絶縁膜の所定の領域に、半導体層又は被覆電極の表面に至る貫通孔を形成する。
次いで、貫通孔を含む絶縁膜上に、電極材料を積層し、所定形状にパターニングすることにより、第1半導体層の全露出部に接続される一体的な第1電極と、被覆電極に接続される第2電極とを形成する。
この発光装置は、図1C、図1D及び図1Eに示したように、実施形態1の発光素子10と、表面に配線23を有する実装基板24とを備える。
配線23は、正負一対のパターン23aと、これらとは独立して配置された3つのパターン23b、23c、23dとを有している。これらの配線23のパターンのうち、正負一対のパターン23aが、発光素子10の両端に配置され、それらの間に3つのパターン23b、23c、23dがそれぞれ配置している。これら配線23の3つのパターンは、半導体積層体12c第2電極20と半導体積層体12dの第1電極19との双方に接続されるパターン23d、半導体積層体12bの第2電極20と半導体積層体12cの第1電極19との双方に接続されるパターン23c、半導体積層体12aの第2電極20と半導体積層体12bの第1電極19との双方に接続されるパターン23bとして配置されている。
つまり、これらの配線23のパターンは、発光素子の第1の半導体積層体と第2の半導体積層体とが直列接続するように配置されている。
これによって、分離溝の幅が狭い場合においても、実装基板によって、簡便かつ確実に直列接続を実現することができる。
これによって、分離溝での輝度の低下を配線によって補償することができ、光取り出し効果を向上させることが可能となる。その結果、より一層の輝度分布の均一化を図ることができる。
この場合、接合部材25は、発光素子10側ではなく、実装基板24の配線23側に形成されたものであってもよい。そして、接合部材25は、第1電極19上においては、複数の露出部17とは重ならない位置に配置されている。
これによって、発光素子を実装基板に実装する場合に生じる衝撃等に起因するリーク等の防止を図ることができる。
11 サファイア基板
12a〜12d 半導体積層体
13 分離溝
14 第1半導体層(n層)
15 発光層
16 第2半導体層(p層)
17 露出部
18 絶縁膜
18a、18b 貫通孔
19 第1電極
20 第2電極
21 反射層
22 被覆電極
23 配線
23a 正負一対のパターン
23b、c、d パターン
24 実装基板
25 接合部材
Claims (9)
- 基板と、
該基板上に第1半導体層、発光層及び第2半導体層がこの順に積層される複数の半導体積層体と、
該複数の半導体積層体の上面側にそれぞれ配置され、前記第1半導体層に接続される第1電極及び前記第2半導体層に接続される第2電極と、を有し、
前記複数の半導体積層体は、第1の半導体積層体と、該第1の半導体積層体と前記基板表面を露出する分離溝によって分離された第2の半導体積層体と、を有し、
平面視において、
前記第1の半導体積層体における第1電極と、前記第2の半導体積層体における第2電極とが、前記分離溝を挟んで配置されており、
前記第1の半導体積層体は、その縁部よりも内側に、前記第1半導体層が露出する露出部を複数有し、該複数の露出部に前記第1電極が接続されている発光素子と、
表面に配線を有する実装基板と、を備える発光装置であって、
前記発光素子は、前記第1の半導体積層体の第1電極と前記第2の半導体積層体の第2電極とが、前記実装基板の配線に、それぞれ複数の接合部材によって接続されており、
前記接合部材は、平面視において、前記第1半導体層の露出部とは重ならずに配置されていることを特徴とする発光装置。 - 前記第1の半導体積層体と前記第2の半導体積層体とは、直列接続されている請求項1に記載の発光装置。
- 前記発光素子における分離溝は、平面視において、前記実装基板の配線に全て重なっている請求項1又は2の発光装置。
- 前記第1電極は、前記複数の露出部を一体的に覆う請求項1乃至3のいずれか一つに記載の発光装置。
- 平面視、前記半導体積層体において、前記複数の露出部が一方に偏在して配列されており、該露出部の偏在範囲が前記半導体積層体の平面積の半分以上を占める請求項4に記載の発光装置。
- 前記基板は、平面視において、長尺な形状を有しており、前記基板の長手方向に沿って前記複数の半導体積層体が配列されている請求項1乃至5のいずれか一つに記載の発光装置。
- 前記第1電極は、絶縁膜を介して前記第2半導体層上に配置されている請求項1乃至6のいずれか一つに記載の発光装置。
- 前記第2電極は、導電層を介して前記第2半導体層に接続されている請求項1乃至7のいずれか一つに記載の発光装置。
- 前記導電層は、前記第1半導体層又は前記第2半導体層に接触する銀含有層を含む請求項8に記載の発光装置。
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