JP6501845B2

JP6501845B2 - 発光素子

Info

Publication number: JP6501845B2
Application number: JP2017184264A
Authority: JP
Inventors: ホン−チェ，チェン; チエン−フ，シェン; チャオ−シン，チェン; ユ−チェン，ヤン; ジア−クエン，ワン; チー−ナン，リン
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: JP2018022911A

Description

本発明は、発光素子構造及びその製造方法に係り、特に電極が第１の層及び第２の層を有する発光素子構造及びその製造方法に関する。

発光ダイオードは半導体素子における広く用いられている光源である。発光ダイオードは、従来の白熱電球又は蛍光灯に比べて、省電力及び使用寿命が長い特性を有するため、だんだん従来の光源に代えて、各種の分野、例えば交通標示、バックライトモジュール、街灯照明、医療設備などの産業において適用される。

発光ダイオード光源が適用され、発展するにつれて、輝度への要望がますます高くなる。どうやって発光効率を増やして、その輝度を向上するのかは、産業業界は共同して努力する重要な方向となる。

図９は従来のＬＥＤパッケージ３０を示している。ＬＥＤパッケージ３０は、パッケージ構造３１とパッケージ構造３１によりパッケージ化される半導体ＬＥＤチップ３２とを含む。半導体ＬＥＤチップ３２はｐ−ｎ接面３３を有し、パッケージ構造３１は一般的には熱硬化性の材料、例えばエポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）、又は熱硬化性プラスチックである。半導体ＬＥＤチップ３２は、ワイヤ（ｗｉｒｅ）３４を介して２つの導電フレーム３５、５６に接続されている。エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）は、高温の中で劣化（ｄｅｇｒａｄｉｎｇ）現象が生じられるため、低温環境でしか動作できない。また、エポキシ樹脂（ｅｐｏｘｙ）は高い熱抵抗（ｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を有するため、図９の構造は半導体ＬＥＤチップ３２の高い抵抗値の熱分散ルートを提供し、ＬＥＤパッケージ３０の低消費電力の適用を限定している。

本発明は、発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一の態様によれば、底部を有する凹溝と、上表面を有する平たい台とを含む半導体積層と、前記凹溝内及び前記平たい台の上表面の一部領域に位置する第１の絶縁層と、
第１の導電材料を含み、且つ前記平たい台の上表面の一部領域に位置する第１の層と、第２の導電材料を含み、且つ前記第１の層の上に位置する第２の層とを含む第１の電極と、を含む発光素子を提供する。

好適には、第１の電極の第１の層を形成する第１の導電材料と第１の電極の第２の層を形成する第２の導電材料とは異なる。また、第１の電極の第１の層の、発光素子により生じられた光線に対する反射率は、第１の電極の第２の層の光線に対する反射率よりも大きく、第２の層の光線に対する反射率は６０％よりも大きい。

本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図及び断面図。本発明の第１実施例に係る発光素子構造の平面図。従来の発光素子のＬＥＤパッケージの構成図。本発明の他の実施例に係る電球の分解図。

図１〜図８及び図１０を参照しながら、本発明を実施するための各実施例を説明する。

図１Ａは、本発明の第１実施例に係る発光素子の平面図である。図１Ａに示すように、発光素子は、基板（図示せず）及び半導体積層を含む。半導体積層は、第１の導電型半導体層１１と、第１の導電型半導体層の上に形成される活性層（図１Ａに図示せず）及び第２の導電型半導体層１２とを含む。一部分の第２の導電型半導体層１２及び活性層をエッチングすることにより第１の導電型半導体層１１を露出する。

図１Ｂは横切る線（ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｌｉｎｅ）Ａ−Ａ’を沿って横切った断面図である。半導体積層は、底部を有する凹溝と、上表面を有する平たい台とを含む。本実施例では、平たい台の上表面は第２の導電型半導体層１２の表面となり、第１の導電型半導体層１１は凹溝の底部から露出され、凹溝は活性層２１を横切っている。発光素子が形成された後、電圧によって発光素子を駆動して、第１の導電型半導体層１１に電子を提供させ、第２の導電型半導体層１２に正孔を提供させ、電子と正孔とが活性層２１で結合して光線を発する。

図２Ａ、図２Ｂに示すように、第２の電極１３は、凹溝の底部、第１の導電型半導体層１１の上に形成され、第２の電極１３と第１の導電型半導体層１１とは電気的に接続している。

図３Ａに示すように、線Ａ−Ａ’に沿って切った断面領域と線Ｂ−Ｂ’に沿って切った断面領域とは構造及び製造プロセスが異なるため、以下それぞれについて説明する。まず、図３Ｂは線Ａ−Ａ’に沿って切った断面領域を示している。第１の絶縁層１４は、凹溝内及び平たい台の上表面の一部領域に形成され、第２の電極１３を覆う。

図４Ａ、４Ｂに示すように、第１の電極第１の層１５は、平たい台の上表面の一部領域に形成され、且つ第１の絶縁層１４とは互いに離れて重なっていない。本実施例では、第１の電極第１の層１５は第１の導電材料を含み、第１の導電材料は例えば金属であってもよい。第１の導電材料は、銀、プラチナ、及び金からなる群から選択された少なくとも一つの材料を含み、第１の層１５の厚さは５００Å以上、５０００Å以下である。

図５Ａ、５Ｂに示すように、第１の電極第２の層１６は第１の電極第１の層１５の上に形成され、第１の電極第１の層１５及び第１の絶縁層１４の少なくとも一部を覆う。本実施例では、第１の電極第２の層１６は第２の導電材料を含み、第２の導電材料は例えば金属であってもよい。第２の導電材料は、ニッケル、アルミニウム、銅、クロム、及びチタンからなる群から選択された少なくとも一つの材料を含み、第２の層１６の厚さは、２０００Å以上、１．５μｍ以下である。他の実施例では、第１層１５を形成する第１の導電材料と第２の層１６を形成する第２の導電材料とは異なり、第１の層１５の発光素子により発せられる光線に対する反射率は、第２の層１６の発光素子により発せられる光線に対する反射率よりも大きい。好適には、第２の層１６の光線に対する反射率は６０％よりも大きい。

図６Ａ、図６Ｂに示すように、第１の電極第２の層１６の上に第２の絶縁層１７が形成され、第１の電極第２の層１６は第２の絶縁層１７の間隔領域から露出される。第２の絶縁層１７の領域と第１の絶縁層１４の領域とは、ほぼ対応している。本実施例では、発光素子の縁部にある第２の絶縁層１７と第１の絶縁層１４とは直接接触してもよい。第１の絶縁層１４を構成する材料と第２の絶縁層１７を構成する材料とは同じであってもよいし、異なってもよく、両者の組成材料は酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、又は酸化チタンであってもよい。

図７Ａ、７Ｂに示すように、第２の絶縁層１７の上及び第２の絶縁層１７の間隔領域に第１の電極パッド１８が形成され、第１の電極パッド１８は第１の電極第１の層１５及び第２の層１６に電気的に接続される。

次に、図３Ｃは図３Ａの線Ｂ−Ｂ’に沿って切った断面領域を示している。第１の絶縁層１４は、凹溝内及び平たい台の上表面の一部領域に形成される。本実施例では、第２の電極１３の上表面の一部において、第１の絶縁層１４により覆われていない領域に通路２０が形成される。

図４Ａ、４Ｃに示すように、第１の電極第１の層１５は、平たい台の上表面の一部領域に形成され、且つ第１の絶縁層１４とは互いに離れて重なっていない。本実施例では、第１の電極第１の層１５は第１の導電材料を含み、第１の導電材料は例えば金属であってもよい。第１の導電材料は、銀、プラチナ、及び金からなる群から選択された少なくとも一つの材料を含む。第１の層１５の厚さは５００Å以上、５０００Å以下である。

図５Ａ、５Ｃに示すように、第１の電極第２の層１６は第１の電極第１の層１５の上に形成され、第１の電極第１の層１５及び第１の絶縁層１４の少なくとも一部を覆う。本実施例では、第１の電極第１層１５及び第１の電極第２層１６は凹溝を覆う。第１の電極第２の層１６は第２の導電材料を含み、第２の導電材料は例えば金属であってもよい。第２の導電材料は、ニッケル、アルミニウム、銅、クロム、及びチタンからなる群から選択された少なくとも一つの材料を含み、第２の層１６の厚さは、２０００Å以上、１．５μｍ以下である。他の実施例では、第１層１５を形成する第１の導電材料と第２の層１６を形成する第２の導電材料とは異なり、第１の層１５の発光素子により発せられる光線に対する反射率は、第２の層１６の発光素子により発せられる光線に対する反射率よりも大きい。好適には、第２の層１６の光線に対する反射率は６０％よりも大きい。

図６Ａ、図６Ｃに示すように、第１の電極第２の層１６の上及び複数の第１の絶縁層１４の上に第２の絶縁層１７が形成される。第２の絶縁層１７の一部領域と第１の絶縁層１４の領域とは直接接触している。第１の絶縁層１４を構成する材料と第２の絶縁層１７を構成する材料とは同じであってもよいし、異なってもよく、両者の組成材料は酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、又は酸化チタンであってもよい。

図７Ａ、７Ｃに示すように、第２の絶縁層１７の上及び通路２０の領域に第２の電極パッド１９が形成され、第２の電極パッド１９は第２の電極１３に電気的に接続される。図８は、形成された発光素子１０の平面図である。

図１０は、本発明の他の実施例に係る電球の分解図。電球４０は、ランプカバー４１、レンズ４２、発光モジュール４４、ランプソケット４５、放熱フィン４６、結合部４７、及び電気端子４８を含む。発光モジュール４４は載置板４３を更に含み、複数の上述した実施例に係る発光素子１０は載置板４３の上に位置する。

上述した第２の電極１３、第１の電極パッド１８、及び第２の電極パッド１９の材料は、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、錫（Ｓｎ）又は銀（Ａｇ）等の金属材料から選択してもよい。基板（図示せず）は成長及び又は載置基部である。候補材料は透光基板を含み、透光基板の材料はサファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ガリウム（ＡｌＮ）、ガラス、ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素（Ｄｉａｍｏｎｄ−ＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ、ＤＬＣ）、尖晶石（ｓｐｉｎｅｌ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_Ｘ）及びガリウム酸リチウム（ＬｉＧａＯ_２）であってもよい。

上述した第１の導電型半導体層１１と第２の導電型半導体層１２とは、少なくとも２つの部分の電気性、極性若しくはドーパントが異なり、又はそれぞれ電子及び正孔の半導体材料の単層或いは多層（「多層」とは、２層又は２層以上を指す。以下は同じ）を提供するためのものであり、その電気性の選択肢はｐ型、ｎ型及びi型のうち少なくとも２つの組み合わせであってもよい。活性層２１は第１の導電型半導体層１１と第２の導電型半導体層１２との間に位置し、電気エネルギと光エネルギとが転換又は誘導されて転換可能な領域である。電気エネルギから光エネルギへ転換又は誘導するものは、例えば発光ダイオード、液晶表示装置、有機発光ダイオードであり、光エネルギから電気エネルギへ変換又は誘導するものは、太陽電池、光電ダイオードである。上述した第１の導電型半導体層１１、活性層２１及び第２の導電型半導体層１２の材料が含む一種又は一種以上の元素は、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、砒素（Ａｓ）、燐（Ｐ）、窒素（Ｎ）及びケイ素（Ｓｉ）からなる群から選択されたものである。

本発明の他の実施例に係る発光素子は発光ダイオードであり、その発光スペクトルは半導体単層又は多層の物理又は化学要素を調整することにより変更される。常用の材料は、例えば燐化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）シリーズ、窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）シリーズ、酸化亜鉛（ＺｎＯ）シリーズなどがある。活性層（図示せず）の構成は、例えばシングルヘテロ構造（ｓｉｎｇｌｅｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ＳＨ）、ダブルヘテロ構造（ｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ＤＨ）、ダブルサイドダブルヘテロ構造（ｄｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ＤＤＨ）、多重量子井戸（ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ、ＭＱＷ）。更に、発光の波長の変更は、量子井戸の対数を調整してもよい。

本発明の一の実施例では、第１の導電型半導体層１１と基板（図示せず）との間は、バッファー層（ｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒ、図示せず）を選択的に含んでもよい。このバッファー層は２つの材料システムの間にあり、基板の材料システムを半導体システムの材料システムに「移行」させる。発光ダイオードの構造について、バッファー層が２種類の材料の間の格子の不整合を低減するための材料層である。一方、バッファー層は２種類の材料又は２つの分離構造を結合するための単層、多層又は構造であってもよい。バッファー層の材料は、例えば有機材料、無機材料、金属、及び半導体などから選択されたものであってもよく、その構造は、例えば反射層、導熱層、導電層、オーム接触（ｏｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔ）層、耐変形層、応力リリース（ｓｔｒｅｓｓｒｅｌｅａｓｅ）層、接合（ｂｏｎｄｉｎｇ）層、波長変換層、及び機械固定構造などであってもよい。一の実施例では、バッファー層の材料はＡＩＮ、ＧａＮであってもよく、その形成方法はスパッタ（Ｓｐｕｔｔｅｒ）又は原子層堆積（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＡＬＤ）であってもよい。

第２の導電型半導体層１２は第２の導電型接触層（図示せず）を更に選択的に形成してもよい。接触層は第２の導電型半導体層の活性層２１から離れた側に設けられる。具体的には、第２の導電型接触層は、光学層、電気学層、又は両者の組み合わせであってもよい。光学層は、活性層２１から、又は活性層２１への電磁輻射又は光線を変化させてもよい。ここの「変化」とは、電磁輻射又は光の少なくとも一種類の光学特性を変えるものであり、この特性は周波数、波長、強度、フラックス、効率、色温、演色性（ｒｅｎｄｅｒｉｎｇｉｎｄｅｘ）、光照射野（ｌｉｇｈｔｆｉｅｌｄ）及び画角（ａｎｇｌｅｏｆｖｉｅｗ）を含んでもよく、ここに例示されたものに限定されない。電気学層は、第２の導電型接触層のいずれか一組の対向側の間の電圧、抵抗、電流、容量のうち少なくとも一つの数値、密度、分布を変化させる又は変化する趨勢を生じさせるものであってもよい。第２の導電型接触層の構成材料は酸化物、導電酸化物、透明酸化物、５０％以上の透過率を有する酸化物、金属、相対な光透過性を有する金属、５０％以上の透過率を有する金属、有機質、無機質、蛍光物、燐光物、セラミック、半導体、不純物をドープした半導体、不純物をドープしていない半導体の少なくとも一つを含む。ある応用において、第２の導電型接触層の材料は、酸化インジウム錫、酸化カドミウム錫、酸化アンチモン錫、酸化インジウム亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸化亜鉛錫の少なくとも一つである。光透過金属である場合は、その厚さは約０．００５μｍ〜０．６μｍである。

以上、図面及び文字で本発明の特定実施例を説明したが、各実施例に記載又は開示されている素子、実施方式、設計基準、及び技術原理は、衝突、矛盾、共同で実施しにくい場合を除き、当業者が必要に応じて任意に参照、交換、配合、協調、又は合併してもよい。

上記の説明は、本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明の実施の範囲、実施の順序、又は使用される材料及び製造方法は、これらに限定されず、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に基づいて、当業者によって何れの変更及び修飾が可能であり、本発明の保護範囲は特許請求の範囲を基準とする。

１０発光素子
１１第１の導電型半導体層
１２第２の導電型半導体層
１３第２の電極
１４第１の絶縁層
１５第１の電極第１の層
１６第１の電極第２の層
１７第２の絶縁層
１８第１の電極パッド
１９第２の電極パッド
２０通路
２１活性層
３０ＬＥＤパッケージ
３１パッケージ構造
３２ＬＥＤチップ
３３ｐ−ｎ接面
３４ワイヤ
３５、３６導電フレーム
４０電球
４１ランプカバー
４２レンズ
４３載置板
４４発光モジュール
４５ランプソケット
４６放熱フィン
４７結合部
４８電気端子

Claims

発光素子であって、
第１の導電型半導体層と、活性層と、第２の導電型半導体層と、凹溝と、平たい台とを含む半導体積層であって、前記凹溝は前記活性層を横切っており、前記凹溝は前記第１の導電型半導体層を露出させるように底部を有し、前記平たい台は上表面を有し、前記凹溝は前記第２の導電型半導体層を囲み、且つ前記発光素子の縁部に位置する、半導体積層と、
第１の導電材料を含み、且つ前記平たい台の前記上表面の上に位置する第１の層と、第２の導電材料を含み、且つ前記第１の層の上に位置する第２の層とを含む第１の電極と、
前記凹溝の前記底部に位置する第２の電極と、
前記凹溝及び前記平たい台の前記上表面の一部の上に位置する第１の絶縁層であって、前記第１の絶縁層は前記第２の電極を露出させるように通路を含む、第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上に位置し、且つ前記第１の電極と接触する第１の電極パッドと、
前記第１の電極と前記第１の電極パッドとの間に位置する第２の絶縁層と、
前記第２の電極の上に位置し、且つ前記第２の電極と接触する第２の電極パッドと、を含み、
前記第２の絶縁層は、前記第１の電極の前記第２の層を露出させる複数の第１の間隔領域を含み、
前記複数の第１の間隔領域は前記第１の電極パッドにより覆われる発光素子。
前記第２の層は前記第１の層及び前記第１の絶縁層を覆う請求項１に記載の発光素子。
前記第２の導電型半導体層の上に位置する第２の導電型接触層をさらに含み、
前記第２の導電型接触層は、酸化インジウム錫、酸化カドミウム錫、酸化アンチモン錫、酸化インジウム亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸化亜鉛錫の少なくとも一つを含む請求項１に記載の発光素子。
前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層の前記通路の上に位置する第２の間隔領域を含み、前記第２の電極パッドは前記第２の絶縁層の前記第２の間隔領域及び前記第１の絶縁層の前記通路を覆う請求項１に記載の発光素子。
前記発光素子を平面視したときに、前記第２の電極の前記第１の絶縁層により覆われていない領域の幅は、前記第２の電極の前記第１の絶縁層により覆われている他の領域の幅よりも大きい請求項１に記載の発光素子。
前記第２の絶縁層と前記第１の絶縁層とは前記発光素子の前記縁部において直接接触している請求項１又は４に記載の発光素子。
前記第１の導電材料と前記第２の導電材料とは異なる請求項１に記載の発光素子。
前記第１の絶縁層の材料と前記第２の絶縁層の材料とは異なる請求項１に記載の発光素子。
前記第１の導電材料及び／又は前記第２の導電材料は金属を含む請求項７に記載の発光素子。
前記第１の電極の前記第１の層と前記第１の絶縁層とは互いに離れている請求項１に記載の発光素子。