JP6443198B2

JP6443198B2 - 発光素子

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Publication number: JP6443198B2
Application number: JP2015084660A
Authority: JP
Inventors: 直之山根
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: JP2015216366A; US20150311395A1; US9252334B2

Description

本発明は、半導体部を有する発光素子に関する。

絶縁性の基板と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層に電気的に接続されたｎ側パッド部と、ｐ型半導体層に電気的に接続されたｐ側パッド部と、を備える発光素子が知られている(例えば特許文献１)。ここでは、ｐ側パッド部は、ｐ型半導体層の上方に設けられている。

特開平10-275934号公報

しかしながら、特許文献１においては、半導体層部からの光の一部がｐ側パッド部や半導体部そのもので吸収されてしまうので、十分な光取出し効率が得られない可能性があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高い光取り出し効率の発光素子を提供することを課題とする。

絶縁性の基板と、基板上に設けられ基板の側から順にｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する半導体部と、ｎ型半導体層に電気的に接続されたｎ側電極と、ｐ型半導体層に電気的に接続されたｐ側電極と、を備える発光素子である。半導体部には、半導体部に設けられた第１内面によって規定され、ｎ型半導体層とｐ型半導体層を貫通する第１貫通部が設けられている。そして、ｐ側電極は、ｐ型半導体層の上方から第１貫通部における前記基板の上方に亘って設けられたｐ側透光部と、第１貫通部における基板の上方において、ｐ側透光部に接続されたｐ側パッド部と、を有する。

高い光取り出し効率の発光素子とすることができる。

本発明の一実施形態に係る発光素子の平面図である。図１のＡ−Ａ’線における断面図である。図１のＢ−Ｂ’線における断面図である。

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を、発光面側となる上面から見た図を示す。図２は、図１のＡ−Ａ’部における断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ’線における断面図である。ここで、図１においては、第１貫通部３０から露出している基板１０の領域とｐ側パッド部６２が設けられた領域との位置関係、および、第２貫通部４０から露出している基板１０の領域とｎ側パッド部７２が設けられた領域との位置関係を明確にするために、第２絶縁膜８０、ｐ側透光部６１およびｎ側透光部６１の描写を省略している。また、図３では、図面の理解を容易にするために、横方向における半導体部の長さと貫通部の長さの比などを図１から変更している。なお、本明細書では、図１等の下側（基板１０側）を「下」と表現し、図１等の上側（基板１０と反対側）を「上」と表現している。

各図に示すように、発光素子１００は、絶縁性の基板１０と、基板１０上に設けられ基板１０の側から順にｎ型半導体層２１とｐ型半導体層２３とを有する半導体部２０と、ｎ型半導体層２１に電気的に接続されたｎ側電極７０と、ｐ型半導体層２３に電気的に接続されたｐ側電極６０と、を備える。半導体部２０には、半導体部２０に設けられた第１内面２４によって規定され、ｎ型半導体層２１とｐ型半導体層２３を貫通する第１貫通部３０が設けられている。そして、ｐ側電極６０は、ｐ型半導体層２３の上方から第１貫通部３０における前記基板１０の上方に亘って設けられたｐ側透光部６１と、第１貫通部３０における基板１０の上方においてｐ側透光部６１に接続されたｐ側パッド部６２と、を有する。

一般に、基板の屈折率は半導体部の屈折率よりも小さいので、半導体部で生じた光の一部は半導体部内で留まろうとする。しかし、半導体部内において光の導波が繰り返されると、一部の光は半導体部（特に活性層）で吸収され、また他の一部の光はｐ側パッド部で吸収されてしまう。そこで、発光素子１００では、半導体部２０において第１内面２４で規定されｎ型半導体層２１とｐ型半導体層２３を貫通する第１貫通部３０を設けている。そして、ｐ側透光部６１は第１貫通部３０の底部まで延在しており、第１貫通部３０の底部においてｐ側透光部６１にｐ側パッド部６２が設けられている。つまり、発光素子１００では、半導体部２０に形成された第１貫通部３０の底部にｐ側パッド部６２を設けることにより、従来であればｐ側パッド部６２の下方で半導体部やｐ側パッドに吸収される光を、第１内面２４から外部に取り出すことができる。したがって、発光素子１００では、光取出し効率が向上することが期待できる。

以下、発光素子における主な構成要素について、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、発光素子１００をＬＥＤ（発光ダイオード）としている。

（基板１０）
基板１０は、半導体をエピタキシャル成長させるためのものである。基板１０は、半導体部２０に接続された上面と、上面に隣接する側面と、を有することができる。基板１０としては、サファイアやスピネル等の絶縁性の材料を用いることができるが、本実施形態では、サファイアを用いている。ここで、サファイアの屈折率は略１．７であり、この値は半導体部を構成する一般的な材料の屈折率よりも小さい。

（半導体部２０）
図２に示すように、半導体部２０は、下方から順に、ｎ型半導体層２１と、活性層２２と、ｐ型半導体層２３と、を備える。より詳細には、基板１０の所定の領域にｎ型半導体層２１が設けられ、ｎ型半導体層２１の上面の一領域に活性層２２が設けられ、活性層２２の上面の全領域にｐ型半導体層２３が設けられている。半導体部２０は、基板１０に接続された下面と、下面に隣接する側面と、を有することができる。基板１０の側面と、前記半導体部２０の側面とは、実質的に同一面上にある構造とすることができる。

半導体部２０を構成する各層の材料は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）であらわされる窒化物半導体を用いている。ここで、窒化物半導体の代表例であるＧａＮの屈折率は略２．５であり、基板の代表例であるサファイアの屈折率（１．７）よりも大幅に大きい。したがって、半導体部２０で生じた光の多くは、サファイア基板には侵入せずに、半導体部２０内を導波すると考えられる。

図２に示すように、半導体部２０は第１内面２４を有し、第１内面２４により第１貫通部３０が規定される。第１貫通部３０は、ｎ型半導体層２１およびｐ型半導体層２３を半導体層の積層方向に貫通しており、第１貫通部３０の底部において基板１０が露出している。図１において、ハッチングで示された領域が、第１貫通部３０の底面において基板１０が露出する部分である。第１貫通部３０は、例えば、半導体部２０をエッチングすることによって設けることができる。

また、半導体部２０において、第１貫通部３０と異なる位置に、基板１０が露出するようにｐ型半導体層２３およびｎ型半導体層２１を貫通する第２貫通部４０を形成することもできる。第２貫通部４０は、半導体部２０に設けられる第２内面２５によって規定されている。図１においてハッチングで示された領域が、第２貫通部４０の底面において基板１０が露出する部分である。第２貫通部４０は、詳細には、活性層２２が形成されていない部分におけるｎ型半導体層２１の一部に設けることができる。

（第１絶縁膜５０）
第１内面２４、すなわち第１貫通部３０の側面には、第１絶縁膜５０を形成することができる。第１絶縁膜５０としては、ＳｉＯ_２などの絶縁性の材料を用いることができる。第１貫通部３０を形成すると、第１内面２４において、ｎ型半導体層２１、活性層２２、およびｐ型半導体層２３が露出されるが、第１内面２４のうちｎ型半導体層２１、活性層２２およびｐ型半導体層２３を第１絶縁膜５０で覆うことで、電流のリークを抑制することができる。さらに、透光性の第１絶縁膜５０を用いることで、半導体部２０で生じた光を第１内面２４から外部に取り出すことができる。

また、第１絶縁膜５０は、半導体部２０の第１内面２４だけでなく、第１貫通部３０の底部において第１貫通部３０から露出する基板１０の上面を覆っている。この場合、第１貫通部３０の底部において、第１絶縁膜５０上にｐ側透光部６１が設けられ、さらにｐ側透光部６１上にｐ側パッド部６２が設けられることになる。

第１絶縁膜５０の材料は、その屈折率が、基板１０の屈折率又は半導体部２０の屈折率の少なくともいずれか一方、好ましくはその両方よりも小さいものを選択することができる。例えば、第１絶縁膜５０をＳｉＯ_２で形成すれば、ＳｉＯ_２の屈折率は略１．５なので、基板１０を構成するサファイアの屈折率（略１．７）よりも小さくすることができる。そうすることで、半導体部２０で発生した光が基板１０へ透過した際、基板１０側からｐ側パッド部６２側へ向かう光の一部を、第１絶縁膜５０によって基板１０側へ反射することができる。そのため、ｐ側パッド部６２の裏面側による光吸収をさらに防ぐことができる。

第１絶縁膜５０の膜厚は、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。膜厚を一定以上にすることで基板１０方向への光の反射効果を得られやすくすることができ、膜厚を一定以下とすることで量産性の低下を抑制することができる。

半導体部２０に第２貫通部を形成する場合は、第１絶縁膜５０は、さらに第２貫通部４０から露出する基板１０の上面も覆っていてもよい。その場合も、上記と同様の効果が期待できる。

第１絶縁膜５０は、単層で構成することもできるが、複数層で構成することもできる。第１絶縁膜５０を複数層で構成する場合、屈折率の異なる層（例えばＳｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５）を所定の膜厚で交互に積層することでＤＢＲ（分布ブラッグ反射）膜とすることができる。この場合は、半導体部２０からの光をＤＢＲ膜により効果的に反射させることができる。

（ｐ側電極）
ｐ側電極６０は、ｐ側透光部６１と、ｐ側パッド部６２と、を有する。ｐ側透光部６１は、ｐ型半導体層２３に接続され、ｐ型半導体層２３の上方から、第１貫通部３０において露出する基板１０の上方に亘って設けられている。ｐ側透光部６１は、ｐ側パッド部６２に供給された電流をｐ型半導体層２３へ伝導する役割を担うので、ｐ型半導体層２３の上面の略全体を覆っていることが好ましい。

ｐ側透光部６１は、ｐ型半導体層２３上面から、第１貫通部３０において露出する基板１０上における第１絶縁膜５０の上面にかけて延在している。これにより、第１貫通部３０の底部において、ｐ側透光部６１上にｐ側パッド部６２を設けることができる。

ｐ側透光部６１としては、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの、透光性であり導電性を有する材料が用いられる。ｐ側透光部６１の膜厚は、例えば、６０ｎｍないし３００ｎｍの範囲の大きさとすることができる。

ｐ側パッド部６２は、第１貫通部３０において露出する基板１０の上方において、ｐ側透光部６１に接続されて設けられている。ｐ側パッド部６２を第１貫通部３０内に形成してｐ側パッド部６２の直下に半導体部２０を存在させないようにしたため、活性層２２で発生した光は、ｐ側パッド部６２の裏面側まで伝搬されにくい。その結果、ｐ側パッド部６２による光の吸収を抑制することができ、発光素子１００の光取り出し効率を向上させることができる。

また、ｐ側パッド部６２は、第１貫通部３０の底部のみに設けられており、第１内面２４には設けられていない。第１内面２４上には、ｐ側透光部６１が設けられており、ｐ側パッド部６２とｐ型半導体層２３とは、ｐ側透光部６１によって電気的に接続されている。つまり、第１内面２４には、半導体部２０側から順に、第１絶縁膜５０とｐ側透光部６１とを設けることで、半導体部２０で生じた光を第１内面２４から取り出すことが可能となる。

図２に示すように、ｐ側電極６０は、第１貫通部３０において露出する基板１０の上方において、ｐ側透光部６１に接続されｐ側パッド部６２から延伸するｐ側延伸部６３を有することが好ましい。ｐ側延伸部６３は、上面視において、前記ｐ側パッド部から２つに分かれ、前記２つのそれぞれが互いに平行な直線部分を有する形状とすることができる。そのような形状とすることで、ｐ側パッド部６２において外部から供給した電流を、ｐ側延伸部６３に沿って発光素子１００全体へ拡散させることが可能となる。この場合、平面視における第１貫通部３０の形状は、図１に示すように、ｐ側パッド部６２およびｐ側延伸部６３に対応した形状とすることができる。つまり、第１貫通部３０の内側において、ｐ側パッド部６２およびｐ側延伸部６３を第１内面２４から僅かに離間させて形成することにより、第１貫通部３０の形状をｐ側パッド部６２およびｐ側延伸部６３に対応させることができる。これにより、第１貫通部３０が形成される領域を最小限（半導体部２０が存在する領域を最大限）とすることができるので、より高い光出力を得ることができる。

ｐ側パッド部６２およびｐ側延伸部６３は、Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ａｕ（この場合、Ｔｉが半導体部２０に最も近い側に設けられ、Ａｕが半導体部２０に最も遠い側に設けられることを意味する。）、Ｒｈ／Ｗ／Ａｕ、ＲｈＣｒ／Ｐｔ／ＡｕまたはＣｒ／Ｐｔ／Ｒｕ／Ａｕ等の金属で構成することができる。中でも、Ｃｒ／Ｐｔ／Ｒｕ／Ａｕは半導体部２０との密着力が強いので好ましい。なお、「ＲｈＣｒ」は、ＲｈとＣｒの合金を意味する。

（ｎ側電極）
ｎ側電極７０は、ｎ側透光部７１と、ｎ側パッド部７２と、を有することができる。ｎ側透光部７１は、ｎ型半導体層２１に接続され、ｎ型半導体層２１の上方から、第２貫通部４０において露出する基板１０の上方に亘って設けられている。発光素子１００の駆動時には、電流が半導体部２０からｎ側透光部７１に電流が流れることになる。

ｎ側透光部７１は、ｎ型半導体層２１の上面から第２貫通部４０において露出する基板１０の上面まで延伸していることがさらに好ましい。このような形態とすることで、第２貫通部の底部において、ｎ側透光部７１上にｎ側パッド部７２を設けることができる。本実施形態では、平面視において、第２貫通部４０の周辺領域にｎ型半導体層２１の上面が露出しており、その領域と第２内面２５の双方においてｎ側透光部７１がｎ型半導体層２１と電気的に接続されている。ｎ型半導体層２１の上面だけでなく第２貫通部４０の側面すなわち第２内面２５にｎ側透光部７１を形成することにより、ｎ型半導体層２１とｎ側透光部７１との接触面積を大きくとることができる。これにより、接触抵抗が低減するので、発光素子１００のＶｆ（順方向電圧）を低下させることが可能となる。ｎ側透光部７１の材料や膜厚としては、ｐ側透光部６１と同様のものとすることができる。

ｎ側パッド部７２は、第２貫通部４０において露出する基板１０の上方において、ｎ側透光部７１に接続されて設けられる。本実施形態では、ｎ側パッド部７２を第２貫通部４０内に形成してｎ側パッド部７２の直下に半導体部２０を存在させないようにしているため、活性層２２で発生した光が、ｎ側パッド部７２の裏面側まで伝搬されにくい。その結果、ｎ側パッド部７２による光の吸収を抑制することができ、発光素子１００の光取り出し効率を向上させることができる。

さらに、図２に示すように、ｎ側電極７０は、第２貫通部４０において露出する基板１０の上方において、ｎ側透光部７１に接続されｎ側パッド部７２から延伸するｎ側延伸部７３を有することが好ましい。発光素子１００を上方から見たときに、ｎ側延伸部７３は、ｐ側パッド部６２に向かって延伸する形状とすることができる。また、ｎ側延伸部７３は、発光素子１００を上方から見たときに、ｐ側延伸部６３のうち２つの先端領域の間に挟まれるように配置されている形状とすることができる。そのような形状とすることで、ｎ側パッド部７２において外部から供給した電流を、ｎ側延伸部７３に沿って発光素子１００全体へ拡散させることが可能となる。この場合、平面視における第２貫通部４０の形状は、図１に示すように、ｎ側パッド部７２およびｎ側延伸部７３に対応した形状とすることができる。つまり、第２貫通部４０の内側において、ｎ側パッド部７２およびｎ側延伸部７３を第２内面２５から僅かに離間させて形成することにより、第２貫通部４０の形状をｎ側パッド部７２およびｎ側延伸部７３に対応させることができる。これにより、第２貫通部４０が形成される領域を最小限（半導体部２０が存在する領域を最大限）とすることができるので、より高い光出力を得ることができる。

また、ｎ側パッド部７２は、第２貫通部４０の底部のみに設けられており、第２内面２５には設けられていない。第２内面２５上には、ｎ側透光部７１が設けられており、ｎ側パッド部７２とｎ型半導体層２１とは、ｎ側透光部７１によって電気的に接続されている。つまり、第２内面２５には、ｎ側透光部７１を設けることで、半導体部２０で生じた光を第２内面２５から取り出すことが可能となる。

（第２絶縁膜）
半導体部２０、ｐ側透光部６１、ｎ側透光部７１、ｐ側延伸部６３およびｎ側延伸部７３は、露出される部分の表面が第２絶縁膜８０で被覆されていることが好ましい。また、図２に示すように、ｐ側パッド部６２およびｎ側パッド部７２についても、ワイヤ等で外部と接続される部分以外の表面は、第２絶縁膜８０で被覆されていることが好ましく、ｎ側パッド部７２についても同様である。そうすることで、各部材を損傷や汚損から保護することができる。第２絶縁膜８０は、第１絶縁膜５０と同様の材料を利用することができ、膜厚としては、例えば３０ｎｍないし５００ｎｍの範囲とすることができる。

１００発光素子
１０基板
２０半導体部
２１ｎ型半導体層
２２活性層
２３ｐ型半導体層
２４第１内面
２５第２内面
３０第１貫通部
４０第２貫通部
５０第１絶縁膜
６０ｐ側電極
６１ｐ側透光部
６２ｐ側パッド部
６３ｐ側延伸部
７０ｎ側電極
７１ｎ側透光部
７２ｎ側パッド部
７３ｎ側延伸部
８０第２絶縁膜

Claims

絶縁性の基板と、前記基板の側から順にｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する前記基板上に設けられた半導体部と、前記ｎ型半導体層に電気的に接続されたｎ側電極と、前記ｐ型半導体層に電気的に接続されたｐ側電極と、を備える発光素子であって、
前記半導体部には、前記半導体部に設けられた第１内面により規定される第１貫通部であって、前記基板が露出するように前記ｎ型半導体層及び前記ｐ半導体層を貫通する第１貫通部と、前記半導体部に設けられた第２内面により規定される第２貫通部であって、前記基板が露出するように前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層を貫通する第２貫通部が設けられており、
前記ｐ側電極は、
前記ｐ型半導体層に接続され、前記ｐ型半導体層の上方から前記第１貫通部における前記基板の上方に亘って設けられたｐ側透光部と、
前記第１貫通部における前記基板の上方において、前記ｐ側透光部に接続されたｐ側パッド部と、を有し、
前記ｎ側電極は、
前記ｎ型半導体層に接続され、前記ｎ型半導体層の上方から前記第２貫通部における前記基板の上方に亘って設けられたｎ側透光部と、
前記第２貫通部における前記基板の上方において、前記ｎ側透光部に接続されたｎ側パッド部と、
前記第２貫通部における前記基板の上方において、前記ｎ側透光部に接続され前記ｎ側パッド部から延伸するｎ側延伸部を有することを特徴とする発光素子。
前記ｐ側電極は、前記第１貫通部における前記基板の上方において、前記ｐ側透光部に接続され前記ｐ側パッド部から延伸するｐ側延伸部を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記第１貫通部は、平面視において前記ｐ側パッド部及び前記ｐ側延伸部に対応した形状を有することを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
前記第２貫通部は、平面視において前記ｎ側パッド部及び前記ｎ側延伸部に対応した形状を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光素子。
前記第１内面は、前記半導体部よりも小さい屈折率を有する第１絶縁膜によって覆われることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光素子。
前記第１貫通部において、前記基板は、前記基板よりも小さい屈折率を有する第１絶縁膜によって覆われることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
絶縁性の基板と、前記基板の側から順にｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する前記基板上に設けられた半導体部と、前記ｎ型半導体層に電気的に接続されたｎ側電極と、前記ｐ型半導体層に電気的に接続されたｐ側電極と、を備える発光素子であって、
前記半導体部には、前記半導体部に設けられた第１内面により規定される第１貫通部であって、前記基板が露出するように前記ｎ型半導体層及び前記ｐ半導体層を貫通する第１貫通部が設けられており、
前記第１貫通部の底部において、前記第１貫通部から露出する前記基板の上面は、第１絶縁膜によって覆われており、
前記ｐ側電極は、
前記ｐ型半導体層に接続され、前記ｐ型半導体層の上方から前記第１貫通部における前記基板の上方に亘って設けられたｐ側透光部と、
前記第１貫通部における前記基板の上方にある前記第１絶縁膜の直上において、前記ｐ側透光部に接続されたｐ側パッド部と、を有することを特徴とする発光素子。
前記半導体部には、前記半導体部に設けられた第２内面により規定される第２貫通部であって、前記基板が露出するように前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層を貫通する第２貫通部が設けられており、
前記ｎ側電極は、
前記ｎ型半導体層に接続され、前記ｎ型半導体層の上方から前記第２貫通部における前記基板の上方に亘って設けられたｎ側透光部と、
前記第２貫通部における前記基板の上方において、前記ｎ側透光部に接続されたｎ側パッド部と、を有することを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
前記ｐ側電極は、前記第１貫通部における前記基板の上方において、前記ｐ側透光部に接続され前記ｐ側パッド部から延伸するｐ側延伸部を有することを特徴とする請求項７または８に記載の発光素子。
前記ｎ側電極は、前記第２貫通部における前記基板の上方において、前記ｎ側透光部に接続され前記ｎ側パッド部から延伸するｎ側延伸部を有することを特徴とする請求項８または請求項８を引用する請求項９に記載の発光素子。
前記第１貫通部は、平面視において前記ｐ側パッド部及び前記ｐ側延伸部に対応した形状を有することを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
前記第２貫通部は、平面視において前記ｎ側パッド部及び前記ｎ側延伸部に対応した形状を有することを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
前記第１内面は、前記半導体部よりも小さい屈折率を有する前記第１絶縁膜によって覆われることを特徴とする、請求項７ないし１２のいずれか１項に記載の発光素子。
前記第１貫通部において、前記基板は、前記基板よりも小さい屈折率を有する前記第１絶縁膜によって覆われることを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。