JP6191441B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置などに利用可能な発光素子に関する。

特許文献１には、複数の発光素子を備える表示装置が記載されている。特許文献１において、発光素子は、半導体積層体を有しており、半導体積層体の側面が光の取り出し方向に向かって広がった形状をしている。半導体積層体の側面には金属層を有する反射膜が設けられており、反射膜の上端は発光素子の上面と同じ高さに形成されている（例えば、図７参照）。

特開2012-182276号公報

特許文献１では、反射膜の上端が発光素子の上面よりも上方にないので、発光素子からの光の一部は略真横に出射され、配光が広くなる傾向にある。つまり、表示装置を正面から見たときに、１つの発光素子に対応する発光点が、発光素子そのもののよりも大きくな見えるので、結果として、表示品質に劣るという懸念がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、配光の狭い発光素子を提供することを課題とする。

本発明にかかる発光素子は、上面が発光面である半導体積層体と、半導体積層体の下面に設けられた第１電極及び第２電極と、半導体積層体の側面を覆う反射部材と、反射部材の上端に設けられた遮光部材と、を含む。特に、遮光部材の上端は、半導体積層体より上に位置し、半導体積層体の発光波長における遮光部材の反射率は、反射部材の反射率より低い。

本発明によれば、配光の狭い発光素子とすることができる。

図１は、一実施形態に係る発光素子を説明するための概略断面図である。 図２は、図１の発光素子を光取出し面側からみた概略平面図である。 図３は、図１の発光素子を第１電極及び第２電極側からみた概略平面図である。

以下に図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、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に誇張していることがある。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。

図１に、本実施形態に係る発光素子１００の概略断面図を示す。図２は、発光素子１００を光取出し面となる上面から見た概略平面図であり、図２のＸ−Ｘにおける概略断面図が図１に相当する。図２において、ハッチングを施した領域に遮光部材３０が設けられている。なお、図２には表れていないが、遮光部材３０の下方（図２において紙面の奥行き方向）には金属層２２が設けられ、半導体積層体１０側から順に、絶縁体層２１、金属層２２、保護層２３が設けられている。さらに図３は、発光素子１００を下面から見たときの概略平面図である。なお、図３では、半導体積層体１０、第１電極４０及び第２電極５０の関係を説明するためのものであるので、反射部材２０、パッド電極６０及びパッド電極７０は図示していない。

発光素子１００は、上面が発光面である半導体積層体１０と、半導体積層体１０の下面側に設けられた第１電極４０及び第２電極５０と、半導体積層体１０の側面を覆う反射部材２０と、反射部材２０の上端に設けられた遮光部材３０と、を含む。特に、遮光部材３０の上端は、半導体積層体１０より上に位置し、半導体積層体１０の発光波長における遮光部材３０の反射率は、反射部材２０の反射率より低い。

これにより、半導体積層体１０から側方への光の出射を抑制できるので、狭い配光の発光素子１００を得ることができる。以下、この点について詳述する。

発光素子１００では、半導体積層体１０の側面に形成される反射部材２０の上端に遮光部材３０を設けて、遮光部材３０が半導体積層体１０の上面よりも高くなるようにしている。これにより、半導体積層体１０の上端から真横へと抜ける光を遮ることができる。このとき、遮光部材３０を反射部材２０と同一の部材を用いて構成すると、遮光部材３０においても光が一定の割合で反射されてしまう。そうすると、所定の角度における配光が強くなり、本来予定されている配光特性からずれるおそれがある。そこで、発光素子１００では、遮光部材３０を反射部材２０の反射率よりも低い材料を用いて形成している。これにより、遮光部材３０における光の反射を抑制しつつ光を遮ることができ、配光の狭い発光素子とすることができる。

以下、発光素子１００に用いられる主な部材について説明する。なお、発光素子１００としてはＬＥＤ（発光ダイオード）を用いる。

（半導体積層体１０）
半導体積層体１０は、例えば、下方から上方に向かって（図１の下側から上側に向かって）順に、第１導電型（ｐ型半導体）層、活性層、第２導電型（ｎ型半導体）層を有する構造とすることができる。このとき、半導体積層体１０の上面すなわち第２導電型層の上面が発光面（光取出し面）となり、半導体積層体１０の下面側すなわち第１半導体層の下面側が実装面側となる。半導体積層体１０には、例えば、それぞれが窒化物半導体（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなど）かなる複数の層が積層されたものを用いることができ、発光色としては例えば青色又は緑色とすることができる。

半導体積層体１０の側面は、半導体積層体１０の下面から上面に向かって外向きに傾斜するように形成することができる。つまり、半導体積層体１０の側面は下方から上方に向かうにつれて徐々に外側へ広がった形状とすることができる。そして、半導体積層体１０の側面には反射部材２０が設けられるので、反射部材２０も下方から上方に向かって広がるように構成される。このように反射部材２０を設けることで、光を光取出し面に向かって効率よく反射させることができる。

半導体積層体１０の側面の傾斜角度は好ましくは９１°以上１３５°以内、より好ましくは９８°以上１２０°以内、さらに好ましくは１０２°以上１０８°以内とすることができる。これにより、光を上方へと反射させることができる。なお、ここでいう側面の傾斜角度とは、半導体積層体１０の下面と側面とが成す角度をさす。

半導体積層体１０の上面を粗面化せずとも本発明の光漏れ抑制の効果を得ることはできるが、好ましくは図１に示すように半導体積層体１０の上面は粗面化して形成する。つまり、半導体積層体１０の上面に複数の凸部、凹部またはその両方を形成する。これにより、半導体積層体１０の上面をランバート散乱面に近い状態とすることができる。つまり、半導体積層体１０の上面を一定の範囲内のどの方向から見ても所定の値に近い輝度とすることができる。

なお、凸部とは、頂部が尖ったもの、頂部が平坦なもの、頂部が曲面となっているもの等を含む。また、凹部とは、底部が尖ったもの、底部が平坦なもの、底部が曲面となっているもの等を含む。凸部（凹部）の大きさは均一であってもよいし、不均一であってもよい。凸部の高さ又は凹部の深さは、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、より好ましくは１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とすることができる。凸部の高さ又は凹部の深さを一定以上とすることにより、光を乱反射させる効果を十分に得ることができる。また、凸部の高さ又は凹部の深さを一定以下とすることにより、複数の凸部を比較的容易に形成することができる。

半導体積層体１０の上面は、例えば、遮光部材３０を形成後にドライエッチング又はウェットエッチングにより形成することができる。好ましくは、量産性の観点からウェットエッチングにより形成することができる。ＧａＮに代表される窒化物半導体の場合、ウェットエッチングの溶液としてはアルカリ性の溶液を用いるのが好ましい。例えば水酸化テトラメチルアンモニウムやＫＯＨ水溶液などを用いることができ、中でも水酸化テトラメチルアンモニウムを用いるのが好ましい。遮光部材３０にはアルカリ性の溶液に対して溶けにくい部材を用いることができ、これにより反射部材２０を腐食させることなく半導体積層体１０の上面を効率的に粗面化することができる。

なお、発光素子１００は、半導体層を成長させるための成長基板を有しておらず、半導体積層体１０の上面そのものが粗面化されている。

発光素子１００は、好ましくは上面視において各辺が１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下の矩形とすることができる。なお、本明細書における「矩形」とは長方形も正方形も含むこととする。このような極小の発光素子においては、光漏れによる影響をうけやすいため、本発明の効果がより顕著となる。

（反射部材２０）
反射部材２０は、光を反射できるものであればよいが、例えば、絶縁体層２１と金属層２２とを含み、絶縁体層２１は半導体積層体１０と金属層２２との間に位置するように設けることができる。つまり、半導体積層体１０の側面側から順に、絶縁体層２１と、金属層２２と、を設けることができる。反射部材２０は、半導体積層体１０の側面へと向かう光を光取出し面側へと反射させるためのものであり、各側面の全域に設けている。また、光取出し効率を向上させるために、反射部材２０を側面のみならず下面にも設けることができる。このとき、第１電極４０及び第２電極５０は、反射部材２０に設けた開口部にて半導体積層体１０と接続される。

絶縁体層２１は、誘電体多層膜を含むことができる。本実施形態において、絶縁体層２１とは、半導体積層体１０側から順に、比較的厚い単層の膜からなる第１絶縁体膜と、それぞれの層が比較的薄い誘電体多層膜（ＤＢＲ）よりなる第２絶縁体膜とを含んでいる。なお、絶縁体層２１として、第１絶縁体膜と第２絶縁体膜のいずれか一方のみを用いることもできるし、他の構成とすることもできる。

第１絶縁体膜は、半導体積層体１０を構成する半導体よりも低屈折率の絶縁材料を用いることができる。第１絶縁体膜としては、酸化ケイ素、酸化ニオブ等を用いることができる。第１絶縁体膜の膜厚は、好ましくは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好ましくは２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下とすることができる。第１絶縁体膜の膜厚を一定以上とすることにより、浅い角度で入射した光を全反射させることができる。また、第１絶縁体膜の膜厚を一定以下とすることにより、第１絶縁体膜での光の吸収を抑制し第２絶縁体膜での反射の効果を最大限に引き出すことができる。

第２絶縁体膜は、いわゆるＤＢＲであり、低屈折率材質層と高屈折材質層とを組み合わせた誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜を構成する各層には、酸化ケイ素、酸化ニオブ、酸化アルミ、酸化ジルコニウム、窒化アルミ、窒化ケイ素などを用いることができ、第２層は、例えば、酸化ケイ素／酸化ニオブ、酸化ケイ素／酸化ジルコニウム、酸化ケイ素／窒化アルミ等を組み合わせたものを２ペア以上積層させるのが好ましい。これにより、第２絶縁体膜に対して主に垂直方向に入射する光を反射することができる。第２絶縁体膜の各層を構成する部材の膜厚は、発光波長及び各層を構成する材料により異なるが、例えば、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。

絶縁体層２１の外側には金属層２２を形成することができる。これにより、絶縁体層２１で反射できなかった光を金属層２２で反射することができるため、反射部材全体として光を損失なく反射できる。金属層２２としては、例えば、Ａｌ、Ａｇ、及びそれらのいずれかを主成分とする合金から成る群から選択された金属材料とすることができる。なかでも、信頼性の観点からＡｌ又はＡｌを主成分とする合金とすることが好ましい。金属層２２の膜厚は、好ましくは６０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より好ましくは１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。これにより、十分な反射を実現することができる。

また、金属層２２を覆うように保護層２３を設けることができる。つまり、前記金属層２２の側面（前記半導体積層体１０側とは反対側の面）に、保護層２３を設けることができる。保護層２３は金属層２２を保護するためのものであり、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素等を用いることができる。これにより、発光素子１００の最表面に金属が露出しないため、電流リークなどがない信頼性の高い発光素子１００とすることができる。保護層２３の膜厚は、好ましくは５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下、より好ましくは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。

（遮光部材３０）
遮光部材３０は、半導体積層体１０の上端からの光が側方へと抜けるのを防止するためのものであり、半導体積層体１０の発光波長に対して反射部材２０よりも反射率が低いものを用いる。これにより、側方への光漏れを防止しながら、光が反射して配光が乱れるのを抑制することができる。なお、図１において遮光部材３０は角ばった形状をしているが、これに限定されるものでなく、例えば丸みを帯びた形状であってもよい。

半導体積層体１０が窒化物半導体である場合、遮光部材３０は金属層２２の上端（金属層２２の上面（金属層２２のうち絶縁体層２１及び保護層２３から露出している面）全域）を被覆するように設けるのが好ましい。このとき、遮光部材３０は反射部材２０の金属層２２を形成する金属材料よりも耐アルカリ性に優れた材料を用いることができる。つまり、反射部材２０よりもアルカリ溶液に対して溶けにくい材料を用いることができる。このような材料を用いることで、半導体積層体１０を粗面化する際に、反射部材２０が腐食されるのを抑制することができる。

遮光部材３０は、公知の方法により形成することができるが、好ましくはめっきにより形成することができる。電解めっきや無電解めっきを採用することができるが、なかでも無電解めっきにより形成するのが好ましい。めっきにより形成することで、半導体積層体１０の上面に遮光部材３０を形成することなく、反射部材２０の上端のみへ形成することができる。

遮光部材３０としては、耐アルカリ性及びめっきのしやすさの観点から、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｃｕ、及びそれらのいずれかを主成分とする合金から成る群から選択された金属材料を用いることができ、好ましくはＮｉを用いることができる。

半導体積層体１０の上面は、反射部材２０及び遮光部材３０によって覆われないように形成することができる。つまり、遮光部材３０は反射部材２０の上面のみに形成することができる。これにより、遮光部材３０や反射部材２０が半導体積層体１０の上面からの光を遮ることがないため、効率的に光を取り出すことができる。

また、遮光部材３０は、反射部材２０の上面全域ではなく半導体積層体１０と反射部材２０との界面から離間して配置するのが好ましい。好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下離間して配置することができる。こうすることで、半導体積層体１０から斜め上方に出射される光を遮ることを抑制できる。

遮光部材３０の膜厚（反射部材２０の上端から遮光部材３０の上端までの高さ）は、できるだけ薄くするのが好ましい。好ましくは１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。一定以上の高さとすることで遮光効果を高めることができ、一定以下の高さとすることにより斜め上方へ出射される光が遮られるのを抑制することができる。

（第１電極４０及び第２電極５０）
第１電極４０は、第１導電型層に形成されるものであり、例えば、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、銀、チタン、ロジウム、アルミニウム、クロム等を用いることができ、好ましくは酸化インジウムスズを使用することができる。これにより、第１導電型層と良好なオーミック接触が得られる。

第２電極５０は、第２導電型層に形成されるものであり、第１電極４０と同じ材料を用いることもできるし、異なる材料を用いることもできる。各図に示すように、第１電極４０及び第２電極５０は半導体積層体１０の下面側に設けられており、電極が形成された側を実装することで、半導体積層体１０の上面全面を光取出し面とすることができる。これにより、光取出し効率を向上させることができる。

（パッド電極６０及び７０）
パッド電極６０は第１電極４０と電気的に接続されるものであり、パッド電極７０は第２電極５０と電気的に接続されるものである。図１に示すように、発光素子１００では、パッド電極６０及び７０のそれぞれが、反射部材２０の一部を覆うように形成されている。これにより、パッド電極６０及び７０のそれぞれの表面積を大きくすることができるので、実装しやすくなる。

パッド電極６０及び７０は、例えば、亜鉛、ニッケル、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、コバルト、鉄、マンガン、モリブデン、クロム、タングステン、ランタン、銅、銀、金、イットリウムよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む金属または合金またはそれらの酸化物が好ましい。具体的には、半導体積層体側からチタン／ロジウム／金／チタンとできる。パッド電極６０及び７０は、それぞれ同じ材料で構成してもよいし、異なる材料で構成してもよい。

（その他）
半導体積層体１０の上面及び反射部材２０の側面にはさらに酸化珪素や窒化珪素等からなる保護膜を形成していてもよい。保護膜は、遮光部材３０を形成後に公知の方法により設けることができ、半導体積層体１０の上面を粗面化する場合は粗面化させた後に保護膜を形成する。保護膜を形成することで半導体積層体１０の上面がむき出しにならないため、半導体積層体１０の劣化を抑制することができる。

発光素子１００を用いて表示装置（ディスプレイ）を構成することもできる。この場合、発光素子１００は従来に比較してより点光源に近いので、表示品質の高い表示装置とすることができる。つまり、発光素子１００は、表示装置用の発光素子として特に有用である。

１００…発光素子
１０…半導体積層体
２０…反射部材
２１…絶縁体層
２２…金属層
２３…保護層
３０…遮光部材
４０…第１電極
５０…第２電極
６０、７０…パッド電極

Claims (10)

1. 上面が発光面である半導体積層体と、
   前記半導体積層体の下面側に設けられた第１電極及び第２電極と、
   前記半導体積層体の側面を覆う反射部材と、
   前記反射部材の上端に設けられた遮光部材と、を含み、
   前記遮光部材の上端は、前記半導体積層体より上に位置し、
   前記半導体積層体の発光波長における前記遮光部材の反射率は、前記反射部材の反射率より低いことを特徴とする発光素子。
2. 前記半導体積層体の上面は、前記反射部材及び前記遮光部材によって覆われていないことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記反射部材は、絶縁体層と金属層とを含み、
   前記絶縁体層は、前記半導体積層体と前記金属層との間に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記絶縁体層は、誘電体多層膜を含むことを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
5. 前記半導体積層体は窒化物半導体であり、
   前記遮光部材を形成している材料は、前記反射部材の前記金属層を形成している金属材料よりも耐アルカリ性に優れており、
   前記反射部材の前記金属層の上端は、前記遮光部材によって覆われていることを特徴とする請求項３又は４に記載の発光素子。
6. 前記反射部材の前記金属層は、Ａｌ、Ａｇ及びそれらのいずれかを主成分とする合金から成る群から選択された金属材料から形成され、
   前記遮光部材は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｃｕ及びそれらのいずれかを主成分とする合金から成る群から選択された金属材料から形成されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の発光素子。
7. 前記遮光部材は、めっき層であることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の発光素子。
8. 前記発光素子は、上面視において各辺が１００μｍ以下の矩形であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子。
9. 前記半導体積層体の上面が粗面化されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光素子。
10. 前記半導体積層体の側面は、前記半導体積層体の下面から上面に向かって外向きに傾斜していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光素子。

Images