JP6354799B2 - 発光素子 - Google Patents
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Description
なお、以下の説明において参照する図面は、実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、平面図とその断面図において、各部材のスケールや間隔が一致しない場合もある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略することとする。
また、本明細書において、「上」、「下」などは構成要素間の相対的な位置を示すものであって、絶対的な位置を示すことを意図したものではない。
[発光素子の構成]
図1A〜図3Gを参照して、第1実施形態に係る発光素子の構成について説明する。
なお、図1Bに示す断面図は、図1Aにおいて、折れ線であるIB−IB線に沿った断面を示している。また、図3A〜図3Gは、発光素子の積層構造を説明するために、下層側から順次に積層した状態を示している。図3A〜図3Gは平面図であるが、便宜的に各図における最上層にハッチングを施している。
なお、図2では省略したが、例えば、発光セル101のp側半導体層12pと配線電極141との間には、導電性の光反射性電極13が介在している。
以下、各部材について、順次に詳細に説明する。
基板11は、半導体積層体12を支持するものである。また、基板11は、半導体積層体12をエピタキシャル成長させるための成長基板であってもよい。基板11としては、例えば、半導体積層体12に窒化物半導体を用いる場合、サファイア(Al2O3)基板を用いることができる。
半導体積層体12は、基板11の一方の主面である上面側から順に、n側半導体層12n及びp側半導体層12pが積層されてなり、配線電極141及び配線電極149に外部電源を接続することにより発光するようになっている。図1B及び図1Cに示すように、n側半導体層12nとp側半導体層12pとの間に活性層12aを備えることが好ましい。
光反射性電極13は、p側半導体層12pの広い領域に電流を流すために配線電極141〜149から供給された電流を拡散させる電流拡散層として機能するとともに、光反射層としても機能する。光反射性電極13は、図3Bにおいて左上がりの斜線のハッチングを施して示すように、p側半導体層12pの上面の略全領域に設けられている。
光反射性電極13は、良好な導電性と光反射性とを有する金属材料からなる金属層を有することが好ましい。このような金属材料としては、例えば、Ag、Al又はこれらの何れかの金属を主成分とする合金を用いることができ、特に半導体積層体12から発せられる可視光に対して高い光反射性を有するAg又はその合金がより好ましい。また、光反射性電極13は、積層構造としてもよい。例えば、下層側にAg又はその合金などの光反射性の良好な材料を用いた光反射層を設け、上層側に光反射層に用いた金属材料のマイグレーションを抑制するためのバリア層を設けるようにしてもよい。バリア層としては、例えば、SiNを用いることができる。
第1絶縁層16は、図3Cにおいてドットのハッチングを施して示す領域に配置されている。第1絶縁層16は、図1B、図1Cに示すように、各発光セル101〜108の半導体積層体12の側面並びにその間である第1露出部12b、第2露出部12c及び溝部12dと、光反射性電極13の側面及び上面とを連続して被覆している。なお、光反射性電極13は、上下方向における一断面視において、その端部が曲面となることがある。その場合は、p側半導体層12pの上面と実施的に平行をなす面が上面であり、端部における曲面が側面となる。
第1絶縁層16は、発光セル101〜108ごとに、第1露出部12bが設けられた領域に略円形状の開口部16nを有し、光反射性電極13が配置された領域に略矩形状の開口部16pを有している。
第1絶縁層16は、半導体積層体12及び光反射性電極13を保護するとともに、上層側に配置される配線電極141〜149及び光反射性金属層151〜153と、半導体積層体12と、を絶縁するためのものである。
これらの中で、可視光に対する透光性が高く、屈折率の低いSiO2を用いることが好ましい。半導体積層体12や基板11よりも屈折率が低く、かつ、半導体積層体12や基板11との屈折率差が大きな材料を用いることで、これらの部材と第1絶縁層16との界面で、効率的に光を反射させることができる。界面での光反射率を高めることで、発光素子1の上面側からの漏れ光を低減することができる。
配線電極141〜149は、図3Dにおいて左上がりの斜線のハッチングを施して示す領域に配置されており、各発光セル101〜108のn側半導体層12nとp側半導体層12pとを電気的に接続するための配線である。配線電極142〜149は、各発光セル101〜108の第1露出部12bに設けられた第1絶縁層16の開口部16nにおいて、n側半導体層12nと電気的に接続されている。また、配線電極141〜148は、光反射性電極13の上面に設けられた開口部16pにおいて、光反射性電極13を介してp側半導体層12pと電気的に接続されている。
なお、本実施形態では、配線電極141〜149が、各発光セル101〜108のパッド電極と、各発光セル101〜108同士を電気的に接続する配線とを兼ねているが、各発光セル101〜108にパッド電極を設け、配線電極141〜149をパッド電極に接続するようにしてもよい。
各列において2以上の発光セル、例えば、発光セル101と発光セル102とを電気的に接続する配線電極142は、発光セル101,102の上面、側面及びその間の領域を連続して被覆するように設けられている。
また、隣り合う2列の同じ側の端部に配置された2つの発光セル、例えば、1列目の上端部に配置された発光セル102と、2列目の上端部に配置された発光セル103とを電気的に接続する配線電極143は、発光セル102,103の上面、側面及びその間の領域を連続して被覆するように設けられている。
光反射性金属層151〜153は、図3Dにおいて右上がりの斜線のハッチングを施して示す領域に配置されており、発光セル101〜108の側面、並びにその間の領域である第2露出部12c及び溝部12dを、第1絶縁層16を介して連続して被覆する光反射膜である。発光セル101〜108の側面及びその間の領域の内で、配線電極142〜148が設けられている領域は、当該配線電極142〜148が光反射膜として機能する。光反射性金属層151〜153は、発光セル101〜108の側面及びその間の領域の内で、配線電極142〜148が設けられていない領域において、光反射膜として設けられるものである。配線電極142〜148と光反射性金属層151〜153とによって、発光セル101〜108の側面及びその間の領域を被覆することで、発光セル101〜108の側面及びその間の領域からの漏れ光を低減することができる。
発光セル101〜108の側面及びその間の領域からの漏れ光を低減するためには、配線電極141〜149の配置範囲を拡張することも考えられる。しかしながら、発光素子1を駆動する際には、配線電極141〜149の間に電位差が生じるため、配線電極141〜149同士を近接し過ぎると、大きな電界が生じることになる。特に直列接続が含まれると、配線電極141〜149の間の電位差が、並列接続のみの場合よりも大きくなる。そして、大きな電界が生じると、光反射性電極13に用いられているAgなどの金属材料のマイグレーションが生じ易くなる。
特に、発光セルを、2行以上、かつ、2列以上に配置して、発光セル同士を直列接続した場合に、電位差の大きな配線電極が互いに隣接して配置される場合が多くなる。
図3Dに示すように、発光セル101〜108は、2行4列に配置されており、大きな電位差がある配線電極141と配線電極145とが、隣接して配置されている。このため、配線電極141と配線電極145との距離を小さくすると、光反射性電極13のマイグレーションを引き起こす大きな電界が生じやすくなる。
第2絶縁層17は、図3Eにおいてドットのハッチングを施して示すように、下層側に設けられている配線電極141〜149、光反射性金属層151〜153及び第1絶縁層16の表面の略全領域を連続して被覆している。また、第2絶縁層17は、配線電極141の上面の一部に略矩形の開口部17pを有し、配線電極149の上面の一部に円形及び半円形の開口部17nを有している。
なお、開口部17pは1箇所に設けられ、開口部17nは4箇所に設けられているが、開口部17p,17nの配置数や形状は特に限定されるものではない。
第2絶縁層17は、前記した第1絶縁層16と同様の材料を用いることが好ましい。なお、第1絶縁層16と第2絶縁層17とは、異なる材料を用いてもよい。
金属バンプ18p,18nは、配線電極141,149と、外部接続用電極20p,20nとを電気的に接続するための配線である。金属バンプ18p,18nは、図1Bに示すように、支持部材19を厚み方向に貫通する開口部19p,19n内に設けられている。
図3Fにおいて斜線のハッチングを施して示すように、金属バンプ18pは、第2絶縁層17の開口部17pにおいて、配線電極141の上面と接続され、開口部17pと略同じ上面視形状で形成されている。また、金属バンプ18pは、上面が外部接続用電極20pの下面と接続されている。
金属バンプ18nは、第2絶縁層17の4つの開口部17nのそれぞれにおいて、配線電極149の上面と接続され、開口部17nと略同じ上面視形状で設けられている。また、金属バンプ18nは、上面が外部接続用電極20nの下面と接続されている。
金属バンプ18p,18nとしては、Cu、Au、Niなどの金属を用いることができる。また、金属バンプ18p,18nを複数種類の金属を用いた積層構造としてもよい。
具体的には、例えば、上面視において、金属バンプ18pのシード層18a及び金属バンプ18nのシード層18aを、それぞれ対応する極性の外部接続用電極20p,20nが設けられている領域と略同じ範囲に延在するように設けるようにする。このような範囲にシード層18aを配置することで、光反射性電極13、配線電極141〜149及び光反射性金属層151〜153の何れもが設けられていない領域の多くを被覆することができる。
また、シード層18aを広範囲に設けることで、発光素子1が発する熱を効率よく放熱することができる。
支持部材19は、半導体積層体12の上面側に第2絶縁層17などを介して設けられ、金属バンプ18n,18p及び外部接続用電極20n,20pを支持する部材である。支持部材19は、図3Fにおいてドットのハッチングを施して示すように、上面視において発光素子1の外形と同じ略正方形の形状を有しており、配線電極141の上面の一部に略矩形の開口部19pを有し、配線電極149の上面の一部に円形及び半円形の合計4つの開口部19nを有している。
開口部19p内には金属バンプ18pが設けられ、開口部19n内には金属バンプ18nが設けられている。また、支持部材19の上面には、外部接続用電極20n,20pが設けられており、支持部材19の上面が実装面となっている。
また、前記した樹脂材料に、例えば、TiO2,Al2O3,ZrO2,MgOなどの光反射性物質を含有させて光反射性を付与してもよく、カーボンブラックなどを含有させて熱伝導性を高めるようにしてもよい。
外部接続用電極20n,20pは、図3Gにおいて斜線のハッチングを施して示すように、支持部材19の上面に、それぞれ略長方形に設けられており、発光素子1に外部電源を接続するための端子である。外部接続用電極20n,20pは、それぞれ金属バンプ18n,18pの上面と接触して電気的に接続されている。
外部接続用電極20n,20pとしては、Cu、Au、Niなどの金属を用いることができる。また、外部接続用電極20n,20pを複数種類の金属を用いた積層構造としてもよい。外部接続用電極20n,20pは、腐食防止及びAu−Sn共晶半田などのAu合金系の接着部材を用いた実装基板との接合性を高めるために、少なくとも最上層をAuで形成することが好ましい。
発光セル10の形状は、長方形に限定されず、正方形や六角形などの多角形、円形、楕円形などであってもよい。また、発光セル10の個数は8個に限定されず、2個以上であればよい。また、発光セル10は、全てが直列に接続されるものに限定されず、2個以上の直列接続が1つ以上あればよく、並列接続が含まれていてもよい。
[発光装置の構成]
次に、図4A〜図6Hを参照して、第2実施形態に係る発光素子の構成について説明する。
なお、図6A〜図6Hは、第1実施形態の説明で用いた図3A〜図3Gに相当し、発光素子の積層構造を説明するために、下層側から順次に積層した状態を示している。図6A〜図6Hは平面図であるが、便宜的に各図における最上層にハッチングを施しており、第1実施形態と同種の部材には、同種のハッチングを施している。
また、図6Bに示すように、光反射性電極13が、各発光セル101〜108のp側半導体層12pの上面の略全領域に設けられている。
また、光反射性金属層151は、上面視において、縦方向に延伸する溝部12dに沿って、当該溝部12d及びその近傍を被覆するように設けられている。
このように、シード層18aを広い範囲に延在するように設けることで、発光素子1Aが発する熱の放熱性を向上することができる。また、シード層18aを広範囲に設けることで、発光素子1Aの上面側からの漏れ光を、更に低減することができる。
なお、本実施形態では、メッキ層18bが設けられる開口部19p,19nは、上面視において、第2絶縁層17の開口部17p,17nの内側の領域に設けられている。また、メッキ層18bは、開口部17p,17nと略同じ領域、又は開口部17p,17nよりも広い領域に設けるようにしてもよい。
ここで、シード層18aを、配線電極141〜149の端部の内で、特に溝部12d上に設けられた配線電極141〜149の端部が配置されている領域を避けて配置することが好ましい理由について説明する。
配線電極141〜149の端部、特に溝部12d上に設けられた配線電極141〜149の端部にバリ状の突起が形成され易い傾向があることが分かっている。段差がある表面にフォトリソグラフィ法により金属膜を形成する際に、露光時の焦点深度や斜面での光の反射などの影響ある。このため、平坦面上に形成する場合と比較して、段差の角及び溝部12dの底面に形成する場合には所望の形状が得られ難く、バリ状の突起が形成される。このようにして形成されるバリ状の突起は、配線電極141〜149の上面側に設けられる第2絶縁層17により被覆できず、バリ状の突起が第2絶縁層17を貫通した状態になるおそれがある。
従って、特に溝部12d上に設けられる配線電極141〜149の端部を被覆するようにシード層18aを設けると、バリ状の突起が第2絶縁層17を貫通した状態となり易いため、配線電極141〜149とシード層18aとが短絡するおそれがある。
また、本実施形態では、上面視において、シード層18aが溝部12d上に設けられる光反射性金属層151の端部が配置される領域と重ならない領域に配置されている。このため、p側及びn側のシード層18a同士が、光反射性金属層151を介して、短絡することも防止されている。
101〜108 発光セル(半導体発光セル)
11 基板
12 半導体積層体
12n n側半導体層
12a 活性層
12p p側半導体層
12b 第1露出部
12c 第2露出部
12d 溝部
13 光反射性電極
141〜149 配線電極
151〜153 光反射性金属層
16 第1絶縁層
16n,16p 開口部
17 第2絶縁層
17n,17p 開口部
18n,18p 金属バンプ
18a シード層(配線電極と電気的に接続される金属層)
18b メッキ層
19 支持部材
19n,19p 開口部
20n,20p 外部接続用電極
Claims (7)
- 基板と、
前記基板の上面側に設けられ、互いに電気的に独立した複数の半導体発光セルと、
前記複数の半導体発光セルそれぞれの上面に設けられた光反射性電極と、
前記半導体発光セルの側面及びその間と、前記光反射性電極の側面及び上面の一部と、を連続して被覆する第1絶縁層と、
前記複数の半導体発光セルを電気的に直列接続し、前記半導体発光セルの側面及びその間を前記第1絶縁層を介して被覆する配線電極と、
隣り合う二つの前記半導体発光セルの側面及びその間を前記第1絶縁層を介して被覆し、前記半導体発光セルと電気的に接続されていない光反射性金属層と、
前記配線電極、前記光反射性金属層及び前記第1絶縁層を被覆する第2絶縁層と、
前記第2絶縁層上に設けられ、前記配線電極と電気的に接続される金属層と、を備え、
前記光反射性金属層の一部は、前記隣り合う二つの半導体発光セルの上面に設けられたそれぞれの光反射性電極の上面の一部を前記第1絶縁層を介して被覆しており、
前記配線電極と電気的に接続される金属層は、上面視において、前記光反射性電極、前記配線電極及び前記光反射性金属層が設けられていない領域を少なくとも被覆している発光素子。 - 基板と、
前記基板の上面側に設けられ、互いに電気的に独立した複数の半導体発光セルと、
前記複数の半導体発光セルそれぞれの上面に設けられた光反射性電極と、
前記半導体発光セルの側面及びその間と、前記光反射性電極の側面及び上面の一部と、を連続して被覆する第1絶縁層と、
前記複数の半導体発光セルを電気的に直列接続し、前記半導体発光セルの側面及びその間を前記第1絶縁層を介して被覆する配線電極と、
隣り合う二つの前記半導体発光セルの側面及びその間を前記第1絶縁層を介して被覆し、前記半導体発光セルと電気的に接続されていない光反射性金属層と、を備え、
前記光反射性金属層の一部は、前記隣り合う二つの半導体発光セルの上面に設けられたそれぞれの光反射性電極の上面の一部を前記第1絶縁層を介して被覆しており、
前記光反射性金属層は、上面視において前記配線電極と重なり合っていない発光素子。 - 前記半導体発光セルは、前記基板の上面側に2行以上2列以上で配置され、
前記配線電極は、各列において2以上の前記半導体発光セルを電気的に接続するとともに、隣り合う2列の同じ側の端部に配置された2つの前記半導体発光セルを電気的に接続し、
前記光反射性金属層は、隣り合う2行に配置された4つの前記半導体発光セルの側面を連続して被覆している請求項1又は請求項2に記載の発光素子。 - 前記光反射性電極は、Ag又はAg合金からなる金属層を有する請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の発光素子。
- 前記配線電極及び前記光反射性金属層は、Al又はAl合金からなる金属層を有する請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の発光素子。
- 前記基板の下面から光が取り出される請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の発光素子。
- 前記配線電極と電気的に接続される金属層は、前記第2絶縁層と接触して設けられるAl、Ag、Al合金又はAg合金からなる金属層を有する請求項1に記載の発光素子。
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