JP6696298B2 - 発光素子及びそれを用いた発光装置 - Google Patents
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Description
(1)平面形状が六角形の発光素子であって、
n側半導体層と、
前記n側半導体層上に設けられたp側半導体層と、
平面視において前記p側半導体層の互いに対角の位置にある3つの角部を除く領域に設けられ、前記n側半導体層を露出させる複数の孔と、
前記p側半導体層に接して設けられた第1p電極と、
前記第1p電極上の前記3つの角部にそれぞれ設けられた第2p電極と、
前記第1p電極上に設けられ、前記複数の孔を通じて前記n側半導体層と電気的に接続されたn電極と、を備えることを特徴とする。
(2)平面形状が六角形の発光素子であって、
n側半導体層と、
前記n側半導体層上に設けられたp側半導体層と、
平面視において前記p側半導体層の互いに向かい合い、最も遠い位置にある2つの角部を除く領域に設けられ、前記n側半導体層を露出させる複数の孔と、
前記p側半導体層に接して設けられた第1p電極と、
前記第1p電極上の前記3つの角部にそれぞれ設けられた第2p電極と、
前記第1p電極上に設けられ、前記複数の孔を通じて前記n側半導体層と電気的に接続されたn電極と、を備えることを特徴とする。
本発明の実施形態に係る発光装置は、
(3)上記発光素子と、
前記発光素子が設けられる基体と、
前記発光素子を覆う半球状の透光性部材と、を備える。
本実施形態の発光素子10は、図1Aに示すように、平面形状が六角形である。発光素子10は、図1A及び1Bに示すように、n側半導体層2nと、n側半導体層2n上に設けられたp側半導体層3pと、p側半導体層3pにおいて特定の位置に設けられた複数の孔6と、p側半導体層3pに接して設けられた第1p電極4pと、第1p電極4p上であって複数の孔6が配置されていない角部R1、R3及びR5にそれぞれ設けられた第2p電極5pと、複数の孔6を介してn側半導体層2nと電気的に接続されたn電極7nと、を備える。複数の孔6は、平面視においてp側半導体層の互いに対角の位置にある3つの角部、例えば、図1AにおけるR1、R3及びR5を除く領域(言い換えると、図1Aにおけるに角部R2、R4、R6、各辺に隣接する領域及びそれらよりも内側の領域)に設けられている。
このような平面形状が六角形の発光素子は、例えば、一辺が300〜2000μm程度の長さが挙げられる。言い換えると、最も遠い位置にある角部を結ぶ対角線が600〜4000μm程度の長さが挙げられる。さらに言い換えると、発光素子の平面積は、0.2〜10mm2程度が挙げられる。
半導体層は、少なくともn側半導体層2nとp側半導体層3pとを含む。また、これらの間に活性層を含むものが好ましい。n側半導体層2n及び/又はp側半導体層3pは、発光素子の平面形状を六角形とするために、それらの外周の平面形状が六角形であることが好ましい。ただし、n側半導体層2n及び/又はp側半導体層3pは、外周の一部及び/又は内側において、膜厚方向の一部又は全部において除去された部分が存在してもよい。なお、発光領域(本実施形態では活性層がこれに相当する)を基準にして、n電極が接続される側の半導体がn側半導体層2nであり、p電極が接続される側の半導体がp側半導体層3pである。
これらn側半導体層、活性層及びp側半導体層としては、例えば、InXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y<1)で表される窒化物半導体を用いることができる。半導体層を構成する各層の膜厚及び層構造は、当該分野で公知のものを利用することができる。
複数の孔6は、平面視において、p側半導体層の互いに対角の位置にある3つの角部を除く領域に設けられ、n側半導体層を露出させる。
ここで、互いに対角の位置にある角部とは、互いに隣接せずに、向かい合う位置にあることを意味する。なお、互いに対角の位置にある3つの角部とは、平面形状が六角形であるp側半導体層の場合には、一つおきの3つの角部を指す。
孔6は、この互いに対角の位置にある3つの角部を除く領域に設けられていれば、p側半導体層のいずれの領域に形成されていてもよい。言い換えると、一つおきの3つの角部にさえ形成されていなければ、一つおきの3つの角部を含む4つの角部に形成されていなくてもよいし、一つおきの3つの角部を含む5つの角部に形成されていなくてもよいし、全ての角部に形成されていてなくてもよい。これらのいずれの場合も、角部以外のp側半導体層の領域、特に、少なくとも3つの角部に囲まれる内側の領域に孔が設けられていることが好ましく、発光素子の上面から取り出される光を増やすことができる。
孔は、全てが同じ大きさ、同じ形状で配列されているものがより好ましい。これにより、電流の供給量の均一化を実現することができる。その結果、発光素子の全体として、発光強度を均一化し、輝度ムラを抑制することができる。
孔の形状は、平面視において円又は楕円、三角形、矩形、六角形等の多角形等が挙げられ、なかでも、円形又は楕円形が好ましい。孔の大きさは、半導体層の大きさ、求められる発光素子の出力、輝度等によって適宜調整することができる。孔は、例えば、直径(一辺)が数十〜数百μm程度の長さが好ましい。別の観点から、直径が、半導体層の一辺の1/20〜1/5程度の長さであることが好ましい。さらに別の観点から、例えば、孔に占められる総平面積によって適宜調整することができる。具体的には、総平面積が、上述した発光素子の平面積に対して、1/100〜1/20程度が挙げられる。言い換えると、2000μm2〜0.5mm2程度が挙げられる。孔の数は、例えば、2〜100個程度が挙げられ、4〜80個程度が好ましい。
発光素子は、少なくとも第1p電極4と、第2p電極5と、n電極7とを含む。
これらの電極は、例えば、Ag,Au,Pt,Pd,Rh,Ni,W,Mo,Cr,Ti,Al及びCu等の金属又はこれらの合金によって形成しても良いし、さらに例えば、Zn,In,Sn,Ga及びMgからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む透光性導電膜等の単層膜又は積層膜によって形成しても良い。透光性導電膜としては、例えば、ITO,ZnO,IZO,GZO,In2O3及びSnO2等が挙げられる。
また、さらなる絶縁層は、例えば、光反射電極層の上面で部分的に開口し、かつ光反射電極層の側面を被覆するように、SiN又はSiO2等の絶縁層を形成することによって、Agのマイグレーションを防止することができる。なお、絶縁層は、単層膜又は積層膜のいずれであってもよい。
この実施形態2では、発光素子における複数の孔6の位置と、第2p電極の位置とが一部異なる以外は、実質的に実施形態1の発光素子と同様の構成を有する。
この発光素子では、複数の孔は、図7Fに示すように、平面視においてp側半導体層の最も遠い位置にある2つの角部、例えば、図7FにおけるR1とR4を除く領域に設けられ、n側半導体層を露出させる。
ここで、最も遠い位置にある2つの角部とは、最長の対角線の両端に配置される角部を意味する。
孔6は、この最も遠い位置にある2つの角部を除く領域に設けられていれば、p側半導体層のいずれの領域に形成されていてもよい。言い換えると、この最も遠い位置にある2つの角部にさえ形成されていなければ、この2つの角部のいずれかに隣接する角部に形成されていなくてもよいし、この最も遠い位置にある2つの角部を含む5つの角部に形成されていなくてもよいし、全ての角部に形成されていてなくてもよい。これらのいずれの場合も、角部以外のp側半導体層の領域、特に、少なくとも2つの角部に挟まれる内側の領域に孔が設けられていることが好ましく、発光素子の上面(特に、2つの角部に挟まれる内側の領域)から取り出される光を増やすことができる。
第2p電極は、第1p電極上であって、角部に配置されている。ただし、第2p電極は、孔が配置されている領域には配置されていない。第2p電極は、上述したように、孔が配置されていない、最も遠い位置にある2つの角部に配置される。ただし、第2p電極は、最も遠い位置にある2つの角部に配置される限り、さらに、孔が配置されていない角部に配置されていてもよい。
本発明の一実施形態の発光装置は、図8A及び8Bに示すように、上述した発光素子70と、発光素子70が設けられる基体80と、発光素子を覆う半球状の透光性部材90と、を備える。
また、この発光装置においては、任意に、発光素子等の側面、上面又は下面等(さらに、基体の側面、上面又は下面等)に、光反射性、透光性、遮光性、波長変換性等を有する機能性部材を配置していてもよい。例えば、発光素子の側面及び上面に、蛍光体層を電着、スプレー等によって形成してもよい。また、透光性部材90をさらに覆う光学部材(例えば、レンズ)を配置してもよい。
基体は、例えば、金属、セラミック、樹脂、誘電体、パルプ、ガラス、紙又はこれらの複合材料(例えば、複合樹脂)、あるいはこれら材料と導電材料(例えば、金属、カーボン等)との複合材料等からなる基材の表面に、任意に内部及び/又は裏面に、複数の配線パターンを有する。
透光性部材は、発光素子を被覆するものであり、レンズとしての役割も果たす。そのために、半球形状であることが好ましい。ただし、この半球形状は、厳密な球、厳密な半分でなくてもよく、扁球、長球、卵型、紡錘形状等の一部の切断体等であってもよい。
機能性部材としては、例えば、レンズ、蛍光体層等、種々の機能を付加することができる部材が挙げられる。機能性部材は、1つの発光素子に対して1つ又は複数配置してもよいし、複数の発光素子に対して1つ配置してもよい。
レンズとしては、例えば、凹凸レンズ、フレネルレンズ等が挙げられる。これらのレンズは、当該分野で公知の材料によって、公知の製造方法により製造したものを利用することができる。レンズは、光拡散材等が含有されていてもよい。光拡散材としては、ガラスファイバー、ワラストナイトなどの繊維状フィラー、窒化アルミニウム、カーボン等の無機フィラー、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、ガラス、蛍光体の結晶又は焼結体、蛍光体と無機物の結合材との焼結体等が挙げられる。
レンズの光入射面及び/又は光出射面には、保護膜、反射膜、反射防止膜等が形成されていてもよい。反射防止膜としては、二酸化ケイ素と、二酸化ジルコニウムとからなる4層構造のもの等が適用できる。
以下に、発光素子及びそれを用いた発光装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
この実施例の発光素子10は、図1A〜図1Dに示すように、平面形状が六角形である。このような発光素子10は、n側半導体層2n及びp側半導体層3pと、第1p電極4p、第2p電極5p及びn電極7nとを備える。発光素子10の一辺長さは約1.2mmである。
実施例2の発光素子20は、図2に示すように、第2p電極25pが扇形ではなく、扇形から内側に若干延長させた2つの部位を有する形状を有する以外は、実施例1の発光素子10と、実質的に同様の構成を有する。
実施例3の発光素子30は、図3に示すように、扇形の第2p電極5pが全ての角部及びその周辺を含む領域に配置されている。これに伴って、p側半導体層3pの6つの角部及びその周辺を含む領域に孔6が配置されておらず、孔の数が55個となっている。従って、孔6の総面積は、半導体層の平面積の0.87%程度であり、約3100μm2である。
上述した構成以外は、実施例1の発光素子10と、実質的に同様の構成を有する。
実施例4の発光素子40は、図4に示すように、その最外周において、p側半導体層3p及び活性層Acの一部が除去されてn側半導体層2nを露出させた領域を有しているが、絶縁膜9で被覆されていない領域を角部に有する。また、外側が窪んだ略扇形の第2p電極45pが、全ての角部及びその周辺を含む領域に配置されている。そして、第2p電極45pが配置された角部においては、絶縁膜9で被覆されていない領域において、n電極7nの一部がn側半導体層2nと接触して電気的に接続されている。
上述した構成以外は、実施例3の発光素子30と、実質的に同様の構成を有する。
実施例1〜3の発光素子10、20、30における電流密度の分布を、有限要素法を用いたシミュレーションソフトにより解析した。その結果を図5A〜5Cにそれぞれ示す。図5A〜5Cにおいて、濃淡が濃い程に電流密度が高いことを示す。
また、参考のために、図6Aに示すように、一対の対角線に沿って第2p電極55を配置する以外、発光素子10と実質的に同様の構成を有する発光素子40についても、電流密度の分布を解析した。その結果を、図6Bに示す。
特に、発光素子20においては、発光素子10よりも第2p電極25の面積を大きくしたことに伴って、第2p電極25が配置された角部における電流密度を低減させることができる一方、内側の領域、特に半導体層の中央領域において電流密度を向上させることができる。
また、発光素子30においては、第2p電極35の数を6つに増やしたことに伴って、第2p電極35が配置された角部において電流密度を低減させることができる一方、内側全体においてより均一に電流密度を向上させることができる。
これらの現象は、発光素子50における半導体層の角部及び外周部分の電流密度分布よりも、より顕著に、電流密度分布を半導体層の内側の領域において増大させることができたことを示す。
実施例5の発光装置60は、図8A及び8Bに示すように、実施形態1の発光素子10と同様に平面形状が六角形の発光素子70と、表面に正負一対の配線パターン(図示せず)を有する基体80と、を備える。
発光素子70は、基体80にフェイスダウン実装されており、発光素子70のn電極及びp電極が、接合部材を介して基体80の配線パターンに接続されている。また、発光素子70は、シリコーン樹脂などからなる半球状の透光性部材90によって覆われている。透光性部材90は、発光素子70と共に基体80の上面の一部をも覆っている。
このような発光装置は、透光性部材90によるレンズ効果をより有効に利用して発光装置の上方に光を効率よく取り出すことができる。
実施例6の発光装置61は、図9A及び9Bに示すように、実施形態1の発光素子10と同様に平面形状が六角形の発光素子70と、表面に正負一対の配線パターン(図示せず)を有する基体80とを備える。発光素子70は、基体80にフェイスダウン実装されており、その側面及び光取り出し面である上面が、YAGなどからなる蛍光体層92によって被覆されている。また、蛍光体層92で被覆された発光素子70の表面は、シリコーン樹脂などからなる透光性部材91によってほぼ四角形の形状に覆われている。
このような発光装置は、蛍光体層92による波長変換効果を利用して、任意の色の光を効率よく取り出すことができる。
実施例7の光源ユニット65は、図10A及び10Bに示すように、回路基板81と、この回路基板81上に互いに離間して搭載された実施例6の複数の発光装置61と、個々の発光装置61を被覆するレンズ93とを備える。ここでのレンズ93は、例えば、図10Aに示すように、発光装置61からの光を有効に利用できる略円形状を有する。また、発光装置61の上方であって、レンズ93の発光装置61と対向する下面の反対側にある上面には、図10Bに示すように、発光装置61から出射される光を広げることができる凹部を有していてもよい。
このような光源ユニットでは、発光装置は縦及び/又は横に、ランダムに又は規則的に配置することにより、バックライトの光源、照明用の光源として利用することができる。
実施例8の光源ユニット66は、図11A及び11Bに示すように、回路基板81と、この回路基板81上に互いに離間して搭載された実施例6の発光装置61と、この発光装置61を被覆するフレネルレンズ94とを備える。ここでのフレネルレンズ94は、例えば、発光装置61内に配置される発光素子又はその上に配置される蛍光体層の外側からの視認性を低減させることができる形状を備える。
このような光源ユニットでは、カメラ等のフラッシュライトとして利用することができる。
2n n側半導体層
3p p側半導体層
4p 第1p電極
4a 絶縁膜
5p、25p、45p、5、15、25、35、45、55 第2p電極
6 孔
7n、27n、47n n電極
7no、47no n電極の外周
7ni、47ni n電極の内周
8 サファイア基板
9 絶縁膜
9a 開口
Ac 活性層
R1、R2、R3、R4、R5、R6 角部
BP バンプ
60、61 発光装置
65、66 光源ユニット
80 基体
81 回路基板
90、91 透光性部材
92 蛍光体層
93 レンズ
94 フレネルレンズ
Claims (14)
- 平面形状が六角形の発光素子であって、
平面形状が六角形のn側半導体層と、
前記n側半導体層上に設けられ、平面形状が六角形のp側半導体層と、
平面視において、前記発光素子の6つの角部のうち、前記p側半導体層の互いに対角の位置にある少なくとも3つの角部を除く領域に設けられ、前記n側半導体層を露出させる複数の孔と、
前記p側半導体層に接して設けられた第1p電極と、
前記第1p電極上の前記少なくとも3つの角部にそれぞれ設けられた第2p電極と、
前記第1p電極上に設けられ、前記複数の孔を通じて前記n側半導体層と電気的に接続された1つのn電極と、を備え、
前記複数の孔は、前記p側半導体層の辺に沿った領域と、前記発光素子の6つの角部よりも内側の領域とにそれぞれ設けられていることを特徴とする発光素子。 - 平面形状が六角形の発光素子であって、
平面形状が六角形のn側半導体層と、
前記n側半導体層上に設けられ、平面形状が六角形のp側半導体層と、
平面視において、前記発光素子の6つの角部のうち、前記p側半導体層の最も遠い位置にある少なくとも2つの角部を除く領域に設けられ、前記n側半導体層を露出させる複数の孔と、
前記p側半導体層に接して設けられた第1p電極と、
前記第1p電極上の前記少なくとも2つの角部にそれぞれ設けられた第2p電極と、
前記第1p電極上に設けられ、前記複数の孔を通じて前記n側半導体層と電気的に接続された1つのn電極と、を備え、
前記複数の孔は、前記p側半導体層の辺に沿った領域と、前記発光素子の6つの角部よりも内側の領域とにそれぞれ設けられていることを特徴とする発光素子。 - 前記複数の孔は、前記6つの角部に設けられていない請求項1又は2に記載の発光素子。
- 前記第2p電極は、前記第1p電極上の前記6つの角部にそれぞれ設けられている請求項3に記載の発光素子。
- 前記第2p電極は、1つの前記角部を構成する2辺に平行な2辺を有する扇形である請求項1〜4のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記複数の孔は、前記第2p電極が設けられた前記角部の周辺に、隣り合って設けられた2つの孔を有し、
前記第2p電極は、1つの前記角部を構成する2辺に平行な2辺を有し、かつ、前記発光素子の内側に延伸し、隣り合って設けられた前記2つの孔の間に位置する部位を有する形状である請求項1〜4のいずれか1つに記載の発光素子。 - 前記n電極は、前記n側半導体層と電気的に接続された部分から、絶縁層を介して前記第1p電極上にわたって設けられている請求項1〜6のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記絶縁層は、誘電体多層膜である請求項7に記載の発光素子。
- 前記第1p電極は、前記p側半導体層に接する銀含有層を含む請求項1〜8のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記第1p電極は、透光性導電膜である請求項1〜9のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記n電極は、前記複数の孔内において、それぞれ前記n側半導体層に接する透光性導電膜を介して前記n側半導体層と電気的に接続されている請求項1〜10のいずれか1つに記載の発光素子。
- 請求項1〜11のいずれか1つに記載の発光素子と、前記発光素子が設けられる基体と、前記発光素子を覆う半球状の透光性部材と、を備える発光装置。
- さらに、前記発光素子と前記透光性部材との間に蛍光体層を備える請求項12に記載の発光装置。
- さらに、前記透光性部材を覆う光学部材を備える請求項12又は13に記載の発光装置。
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