JP6428422B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

発光素子に関する。

従来、静電気放電（ＥＳＤ）による発光素子の劣化や損傷を防止すべく、発光素子中に放電機構（ＭＩＭ型トンネル接合構造）を設ける発光素子が提案された（特許文献１参照）。放電機構（ＭＩＭ型トンネル接合構造）は下部金属層、絶縁膜及び上部金属層を含むよう構成される。

特開２００６−２０３１６０号公報

しかしながら、上記の放電機構（ＭＩＭ型トンネル接合構造）では、下部金属層がｎ側電極と同一な物質からなるものとされ、下部金属層とｎ側電極がこれらと同一な物質からなる配線により電気的に連結されるものとされる（特許文献１の段落００２５参照）。このため、上記の発光素子では、逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）によって放電機能が作動した時に、ｎ側電極やその周辺箇所が劣化や損傷してしまい、発光効率が低下する虞があった。

上記の課題は、例えば、次の手段により解決することができる。

第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に配置された活性層と、前記活性層上に配置された第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に配置された第１電極と、前記第２導電型半導体層上に配置された第２電極と、放電部と、を備え、前記放電部は、前記第１導電型半導体層に電気的に接続され、前記第１導電型半導体層上において前記第１電極から分離して配置される第１端子と、前記第２導電型半導体層に電気的に接続される第２端子と、前記第１端子と前記第２端子との間に設けられた絶縁部材と、を備えたことを特徴とする発光素子。

上記手段によれば、逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）に対して高い耐性を有し、且つ、発光効率の低下を抑制可能な発光素子を提供することができる。

実施形態１に係る発光素子の模式的平面図である。 図１中のＡ−Ａ断面図である。 実施形態２に係る発光素子の模式的平面図である。 図３中のＢ−Ｂ断面図である。 実施形態３に係る発光素子の模式的平面図である。 図５中のＣ−Ｃ断面図である。 実施形態４に係る発光素子の模式的平面図である。 図７中のＤ−Ｄ断面図である。

［実施形態１に係る発光素子］
図１は実施形態１に係る発光素子の模式的平面図であり、図２は図１中のＡ−Ａ断面図である。図１、図２に示すように、実施形態１に係る発光素子１は、第１導電型半導体層１０と、第１導電型半導体層１０上に配置された活性層１２と、活性層１２上に配置された第２導電型半導体層１４と、第１導電型半導体層１０上に配置された第１電極１６と、第２導電型半導体層１４上に配置された第２電極１８と、放電部２０と、を備え、放電部２０は、第１導電型半導体層１０に電気的に接続され、第１導電型半導体層１０上において第１電極１６から分離して配置される第１端子２２と、第２導電型半導体層１４に電気的に接続される第２端子２４と、第１端子２２と第２端子２４との間に設けられた絶縁部材２６と、を備えた発光素子である。発光素子１は、絶縁性保護膜３４を有していてもよい。なお、説明のため、図１では絶縁性保護膜３４を省略した。以下、詳細に説明する。

第１導電型半導体層１０と第２導電型半導体層１４としては、導電型が互いに異なる半導体層を用いる。例えば、第１導電型半導体層１０としてｎ型半導体層が用いられる場合、第２導電型半導体層１４としてはｐ型半導体層を用いることができる。また、第１導電型半導体層１０としてｐ型半導体層が用いられる場合、第２導電型半導体層１４としてはｎ型半導体層を用いることができる。第１導電型半導体層１０や第２導電型半導体層１４を構成する半導体層としては、例えば、窒化物半導体を用いた半導体層を用いることができる。

活性層１２は発光層であり、井戸層と障壁層を備える単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であることが好ましい。活性層１２としては窒化物半導体を用いることができ、例えば、井戸層をＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）で形成し、障壁層をＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ＜ｘ）で形成する。

第１電極１６としては例えばＴｉ／Ｒｈ／ＡｕやＲｈ／Ｗ／Ａｕなどを用いることができる。また、第２電極１８としては例えばＴｉ／Ｒｈ／ＡｕやＲｈ／Ｗ／Ａｕなどを用いることができる。第１電極１６と第２電極１８は同じ材料を用いてよい。

（放電部２０）
放電部２０は、第１導電型半導体層１０に電気的に接続される第１端子２２と、第２導電型半導体層１４に電気的に接続される第２端子２４と、第１端子２２と第２端子２４との間に設けられた絶縁部材２６と、を備えている。

放電部２０が静電気を放電する機構は次のとおりである。すなわち、平常時において、放電部２０の第１端子２２と第２端子２４は絶縁部材２６を介して絶縁されている。しかし、発光素子１に逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）が生じると、絶縁部材２６は、活性層１２、第１導電型半導体層１０、及び第２導電型半導体層１４よりも早くに絶縁破壊する。これにより、活性層１２を含む半導体層積層体を介して第１電極１６と第２電極１８が導通するよりも早くに、第１端子２２と第２端子２４が導通し、静電気は、例えば、第１電極１６→第１導電型半導体層１０→活性層１２→第２導電型半導体層１４→第２電極１８のルートではなく、第１電極１６→第１導電型半導体層１０→第１端子２２→絶縁部材２６→第２端子２４→第２導電型半導体層１４→第２電極１８のルートを流れるようになる。なお、第１電極１６がアノード側であり第２電極１８がカソード側である場合は、これとは逆の順序で流れるが、同様の結果が得られる。したがって、静電気放電（ＥＳＤ）による活性層１２、第１導電型半導体層１０、及び第２導電型半導体層１４の劣化及び破壊が低減される。なお、順方向の電流とは、ｐ側電極（アノード側）からｎ側電極（カソード側）に向けて流れる電流であり、その逆に流れる場合が逆方向である。つまり、逆方向とは、第１電極１６がｎ側電極であり第２電極１８がｐ側電極である場合には第１電極１６から第２電極１８に向けた方向をいい、第１電極１６がｐ側電極であり第２電極１８がｎ側電極である場合には第２電極１８から第１電極１６に向けた方向をいう。

以上の機構により、逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）による活性層１２、第１導電型半導体層１０、及び第２導電型半導体層１４の劣化や損傷が軽減されるが、本実施形態では、さらに、第１端子２２が第１導電型半導体層１０上において第１電極１６から分離して配置される。したがって、逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）によって放電機能が作動した時に、第１電極１６やその周辺箇所が劣化や損傷することを軽減することも可能となる。また、第１端子２２と第２端子２４が向かい合う部分、つまり、逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）によって放電される部分を、発光領域である活性層１２上ではなく、第１導電型半導体層１０上に配置することにより、放電により第１端子２２や第２端子２４が変色したとしても、変色による光吸収の影響を少なくできる。よって、逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）に対して高い耐性を有し、且つ、発光効率の低下を抑制可能な発光素子１を提供することができる。なお、第２端子２４は、第２電極１８から分離して配置されていなくてもよいが、分離して配置されていることが好ましい。さらには、第２端子２４の一端が第２導電型半導体層１４に直接接触していることが好ましい。このようにすれば、逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）により第２電極１８やその周辺箇所が劣化や損傷することを軽減することも可能となるため、より一層、発光効率の低下が抑制された発光素子１を提供することができる。

絶縁部材２６は、第１端子２２と第２端子２４の間に設けられていれば足りるが、上下方向において第１端子２２と第２端子２４により挟まれるよう配置されていることが好ましい。このようにすれば、第１端子２２と第２端子２４の距離を絶縁部材２６の膜厚で制御することができるため、絶縁特性をより精密に制御することができる。第１端子２２と第２端子２４は、平面視において一部が重なるように配置してもよいが、重なる面積が大きくなると絶縁部材２６のクラック等により第１端子２２と第２端子２４が導通してしまう危険性が高まるため、第１端子２２の先端と第２端子２４の先端が略一致するように配置することが好ましい。平面視における第１端子２２の先端と第２端子２４の先端の距離は、例えば、１μｍ程度以下とする。

第１端子２２及び第２端子２４としてはＷやＴｉ／Ｒｈ／Ａｕなどを用いることができる。第１端子２２及び第２端子２４の材料は、第１電極１６及び／又は第２電極１８と同じでもよく、異なってもよい。例えば、第１端子２２と第２端子２４のいずれか一方を第１電極１６及び第２電極１８と同時に形成する場合は、その端子のみを第１電極１６及び第２電極１８と同じ材料で形成し、残りの端子を別材料で形成すればよい。第１端子２２及び第２端子２４は、第１電極１６及び第２電極１８と異なり、ワイヤ等と接続する必要がないため、最表面にワイヤ等と接着性のよい層（例えばＡｕ層）を設けなくてよい。このため、第１端子２２及び第２端子２４は単一の金属層（例えばＷ層のみ）で構成することができ、これにより材料費を抑えることができる。また、第１端子２２と第２端子２４の距離及び絶縁部材２６の材料は、活性層１２、第１導電型半導体層１０、及び第２導電型半導体層１４が破壊されるよりも早く絶縁破壊されるように設定する。具体的には、活性層１２、第１導電型半導体層１０、及び第２導電型半導体層１４として窒化ガリウム系半導体を用いる場合には、絶縁部材２６としてＳｉＯ_２を用い、第１端子２２と第２端子２４の距離を１０ｎｍ〜５００ｎｍ程度とすることが好ましい。絶縁部材２６の材料は、絶縁性の材料であればよく、Ａｌ_２Ｏ_３やＴｉＯ_２を用いることもできる。Ａｌ_２Ｏ_３又はＴｉＯ_２の場合も、第１端子２２と第２端子２４の距離は１０ｎｍ〜５００ｎｍ程度とすることができる。

放電部２０は遮光部となるため、放電部２０は小さいことが好ましい。具体的には、平面視において、第１端子２２及び第２端子２４の合計面積は、活性層１２の面積よりも小さいことが好ましく、例えば、活性層１２の面積の１〜２％程度とする。また、放電部２０は、１つの発光素子内に複数設けることもできるが、放電部２０の合計面積が大きくなるほど相対的に光取り出し面の面積は小さくなるため、放電部２０は１つでよい。ただし、複数の放電部２０を設ける場合には、複数回の逆方向電流にも耐える発光素子を提供することができる。逆方向電流が１度流れても、１つの放電部２０のみが放電に利用され破壊されるだけで、他の放電部２０は破壊されずに残存すると考えられるためである。なお、放電部２０を複数設ける場合は、複数のうちの少なくとも１つを本実施形態で説明する構成及び配置とすることが好ましく、すべての放電部２０を本実施形態で説明する構成及び配置とすることがより好ましい。すなわち、例えば、すべての放電部２０を、第１電極１６と第２電極１８の間以外の領域に配置することが好ましい。

第２電極１８は、通常、パッド部１８ａを備える。パッド部１８ａは、ワイヤ等の外部接続部材が接続される部分である。絶縁性保護膜３４が設けられる場合は、パッド部１８ａの上面に絶縁性保護膜３４の開口部が配置される。パッド部１８ａと第１電極１６との間の領域には電流が流れやすく、発光強度が高くなる傾向にあるところ、放電部２０（第１端子２２及び第２端子２４）は発光強度が高い領域以外の領域に配置されることが好ましいため、第１電極１６とパッド部１８ａの間以外の領域に配置されることが好ましい。このようにすれば、第１端子２２や第２端子２４が劣化や損傷しても、発光強度の高い領域の光が遮られにくくなるため、放電部２０の設置が発光効率の低下を招きにくい。

第２電極１８がパッド部１８ａを有する場合、特に限定されるわけではないが、放電部２０（より具体的には、第１端子２２と第２端子２４とのうち第１電極１６に近い方の端子）と第１電極１６との距離は、放電部２０（より具体的には、第１端子２２と第２端子２４とのうちパッド部１８ａに近い方の端子）とパッド部１８ａとの距離より長いことが好ましい。このようにすれば、第１端子２２と第２端子２４を発光強度の高い領域を避けて配置できるため、発光効率の低下をさらに抑制することができる。

また、第２電極１８がパッド部１８ａを有する場合、特に限定されるわけではないが、パッド部１８ａは、放電部２０（より具体的には、第１端子２２と第２端子２４とのうち第１電極１６に近い方の端子）と第１電極１６との間に配置されていることが好ましい。このようにすれば、第１端子２２と第２端子２４を発光強度の高い領域を避けて配置できるため、発光効率の低下をさらに抑制することができる。

第２電極１８は、第２導電型半導体層１４上に配置された透光性導電層２８を有していてもよい。この場合、透光性導電層２８の上に金属層を配置し、金属層の一部又は全部をパッド部１８ａとすることができる。なお、この場合、第１端子２２及び第２端子２４は第１電極１６と金属層との間以外の領域に配置されることが好ましい。このようにすれば、第１端子２２と第２端子２４を発光強度の高い領域を避けて配置できるため、発光効率の低下をさらに抑制することができる。

また、第１電極１６も、通常、パッド部を有する。第１電極１６がパッド部と枝部を有する場合は、放電部２０は、第１電極１６のパッド部と第２電極のパッド部１８ａとの間以外の領域に配置することが好ましく、パッド部と枝部とを含む第１電極１６全体と第２電極１８全体との間以外の領域に配置することがより好ましい。例えば、第１電極１６のパッド部と第２電極１８のパッド部１８ａを結ぶ線の延長線上であって、第２電極１８のパッド部１８ａを挟んで第１電極１６のパッド部とは反対の側に放電部２０を配置することができる。このようにすれば、第１端子２２と第２端子２４を発光強度の高い領域を避けて配置できるため、発光効率の低下をさらに抑制することができる。

また、発光素子の平面視形状が矩形である場合は、その角付近に放電部２０を配置してもよい。なお、図１及び図２に示すようなフェースアップ実装用の発光素子の場合は、第２導電型半導体層１４の表面から光を取り出すため、金属層の形成位置が一部のみに制限されている。一方で、フェースダウン実装用の発光素子の場合は、そのような制限がないため、フェースアップ実装用の発光素子と比べると発光強度の面内分布が小さい傾向にあるが、発光素子の外縁近傍は発光強度が比較的低くなりやすいため、放電部２０は発光素子の外縁近傍に配置することが好ましい。特に、発光素子の平面視形状が矩形の場合は、角付近に放電部２０を配置することが好ましい。

以上説明した実施形態１によれば、第１端子２２が第１導電型半導体層１０上において第１電極１６から分離して配置されるため、逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）による活性層１２、第１導電型半導体層１０、及び第２導電型半導体層１４の劣化や損傷の軽減に加えて、逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）により第１電極１６やその周辺箇所が劣化や損傷することを軽減することも可能となる。よって、逆方向の静電気放電（ＥＳＤ）に対して高い耐性を有し、且つ、発光効率の低下を抑制可能な発光素子１を提供することができる。

（その他）
その他、実施形態１に係る発光素子１は、サファイア基板３２や絶縁性保護膜３４などを有していてもよい。絶縁性保護膜３４としては、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などを用いることができる。絶縁性保護膜３４には、絶縁部材２６と同じ材料を用いてもよい。この場合、第１導電型半導体層１０あるいは第２導電型半導体層１４（本実施形態では第１導電型半導体層１０）は、例えば、サファイア基板３２上に配置される。サファイア基板３２に替えて、絶縁性又は導電性のその他の材料からなる基板を用いることもできる。また、絶縁性保護膜３４は、ワイヤ等の外部接続部材が設けられる部分を開口し、それ以外の部分を被覆するように設けられる。すなわち、絶縁性保護膜３４は、例えば、第１導電型半導体層１０、活性層１２、第２導電型半導体層１４、第１電極１６、第２電極１８の側面や表面を被覆するように設けられる。

［実施形態２に係る発光素子２］
図３は実施形態２に係る発光素子の模式的平面図であり、図４は図３中のＢ−Ｂ断面図である。図３、図４に示すように、実施形態２に係る発光素子２は、第１導電型半導体層１０上に絶縁性保護膜３０を備え、第２端子２４と絶縁部材２６とは絶縁性保護膜３０上に配置される点で、実施形態１に係る発光素子１と相違する。このようにすれば、静電気放電（ＥＳＤ）によって放電機能が作動したときに、第１端子２２や第２端子２４が劣化や損傷したとしても、第２端子２４と第１導電型半導体層１０とが接触することが防止されるため、これらが接触することによりリークが発生することを抑制できる。なお、図１と同様に、図３では絶縁性保護膜３４を省略した。

（絶縁性保護膜３０）
絶縁性保護膜３０としては、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などを用いることができる。絶縁性保護膜３０は、絶縁性保護膜３４と同じ材料を用いてもよい。同じ材料を用いる場合には、絶縁性保護膜３０と絶縁性保護膜３４を同じ工程で製造することができる。これにより、工程の短縮、製造コストの増大抑制という効果がある。また、絶縁性保護膜３０は、絶縁部材２６と同じ材料を用いてもよい。

［実施形態３に係る発光素子３］
図５は実施形態３に係る発光素子の模式的平面図であり、図６は図５中のＣ−Ｃ断面図である。図５、図６に示すように、実施形態３に係る発光素子３は、第２電極１８がパッド部１８ａから伸びた枝部１８ｂを有し、第１端子２２及び第２端子２４がパッド部１８ａと枝部１８ｂとのうち第１電極１６に近い方の部と第１電極１６との間以外の領域に配置される点で、実施形態２に係る発光素子２と相違する。このようにすれば、パッド部１８ａから伸びた枝部１８ｂを有する場合において、第１端子２２と第２端子２４を発光強度の高い領域を避けて配置できるため、発光効率の低下をより抑制することができる。なお、透光性導電層２８上に配置されたパッド部１８ａ及び枝部１８ｂは透光性導電層２８上に配置された金属層の一例である。また、枝部１８ｂは、パッド部１８ａから伸びた部分であり、典型的には、図５に示すように、パッド部１８ａよりも幅が小さい。なお、図１と同様に、図５では絶縁性保護膜３４を省略した。

［実施形態４に係る発光素子４］
図７は実施形態４に係る発光素子の模式的平面図であり、図８は図７中のＤ−Ｄ断面図である。図７、図８に示すように、実施形態４に係る発光素子４は、その平面視形状が略正方形であり、第１電極１６がパッド部１６ａに加えて枝部１６ｂを有する点で、実施形態３に係る発光素子３と相違する。また、パッド部１６ａとパッド部１８ａは、発光素子４の対角線上に配置されている。このように、第２電極１８と同様に第１電極１６もパッド部１６ａと枝部１６ｂを有する場合は、放電部２０は、パッド部１６ａとパッド部１８ａとの間の領域以外に配置することが好ましく、さらには、パッド部１６ａと枝部１６ｂとを含んだ第１電極１６と第２電極１８との間の領域以外に放電部２０を配置することが好ましい。第１端子２２と第２端子２４を発光強度の高い領域を避けて配置できるため、発光効率の低下をより抑制することができるからである。なお、発光素子４の平面視形状が矩形であり、その対角線上に第１電極１６のパッド部１６ａと第２電極１８のパッド部１８ａが配置されている場合には、パッド部１８ａが配置された側の角付近において発光強度が比較的低くなりやすいため、当該パッド部１８ａが配置された側の角付近に放電部２０を配置することが好ましい。なお、図１と同様に、図７では絶縁性保護膜３４を省略した。

以上、実施形態について説明したが、これらの説明は一例に関するものであり、特許請求の範囲に記載された構成を何ら限定するものではない。

１、２、３、４ 発光素子
１０ 第１導電型半導体層
１２ 活性層
１４ 第２導電型半導体層
１６ 第１電極
１６ａ パッド部
１６ｂ 枝部
１８ 第２電極
１８ａ パッド部
１８ｂ 枝部
２０ 放電部
２２ 第１端子
２４ 第２端子
２６ 絶縁部材
２８ 透光性導電層
３０、３４ 絶縁性保護膜
３２ サファイア基板

Claims (8)

1. 第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に配置された活性層と、
   前記活性層上に配置された第２導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に配置された第１電極と、
   前記第２導電型半導体層上に配置された第２電極と、
   放電部と、を備え、
   前記放電部は、
   前記第１導電型半導体層に電気的に接続され、前記第１導電型半導体層上において前記第１電極から分離して配置される第１端子と、
   前記第２導電型半導体層に電気的に接続され、前記第２電極から分離して配置される第２端子と、
   前記第１端子と前記第２端子との間に設けられた絶縁部材と、
   を備えたことを特徴とする発光素子。
2. 第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に配置された活性層と、
   前記活性層上に配置された第２導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に配置された第１電極と、
   前記第２導電型半導体層上に配置された第２電極と、
   放電部と、を備え、
   前記放電部は、
   前記第１導電型半導体層に電気的に接続され、前記第１導電型半導体層上において前記第１電極から分離して配置される第１端子と、
   前記第２導電型半導体層に電気的に接続される第２端子と、
   前記第１端子と前記第２端子との間に設けられた絶縁部材と、
   前記第１導電型半導体層上に配置された絶縁性保護膜と、を備え、
   前記第２端子と前記絶縁部材とは前記絶縁性保護膜上に配置される、
   ことを特徴とする発光素子。
3. 第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に配置された活性層と、
   前記活性層上に配置された第２導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に配置された第１電極と、
   前記第２導電型半導体層上に配置された第２電極と、
   放電部と、を備え、
   前記放電部は、
   前記第１導電型半導体層に電気的に接続され、前記第１導電型半導体層上において前記第１電極から分離して配置される第１端子と、
   前記第２導電型半導体層に電気的に接続される第２端子と、
   前記第１端子と前記第２端子との間に設けられた絶縁部材と、を備え、
   前記第２電極はパッド部を備え、
   前記放電部は前記第１電極と前記パッド部の間以外の領域に配置されることを特徴とする発光素子。
4. 前記第２電極は前記パッド部から延びた枝部を備え、
   前記放電部は、前記パッド部と前記枝部とのうち前記第１電極に近い方の部と前記第１電極との間以外の領域に配置されることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
5. 前記放電部と前記第１電極との距離は前記放電部と前記パッド部との距離より長いことを特徴とする請求項３または４に記載の発光素子。
6. 前記パッド部は前記放電部と前記第１電極との間に配置されることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の発光素子。
7. 前記絶縁部材は上下方向において前記第１端子と前記第２端子により挟まれるよう配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の発光素子。
8. 前記第１導電型半導体層はｎ型半導体層であり、
   前記第２導電型半導体層はｐ型半導体層である、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の発光素子。

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