JP6866883B2 - 発光素子 - Google Patents

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Description

本開示は発光素子に関する。
可撓性を備える基材に薄膜LEDを実装することにより、撓ませても破壊され難く、信頼性が高くなるようにする可撓性表示体が提案されている(特許文献1参照)。
特開2008−225592号公報
しかしながら、薄膜LEDであっても、これに大きな応力が加わると破壊され得る。このため、基材に実装するLEDを薄膜化することのみによっては、可撓性表示体の信頼性を向上させることができない虞がある。
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。
上面視形状が長手方向と短手方向を有する矩形状であるSi基板と、
前記Si基板の上面全面に配置され上面視形状が長手方向と短手方向を有する矩形状である第1半導体層と、前記第1半導体層の上面における一部領域に行列状に配置されている複数の発光層と、前記複数の発光層それぞれの上面に配置されている複数の第2半導体層と、を有する窒化物半導体からなる半導体積層体と、
前記Si基板の長手方向における一端に配置されている第1外部接続部と、前記一端とは反対側の他端に配置されている第2外部接続部と、
前記Si基板上に配置されており、前記第1外部接続部または前記第2外部接続部に電気的に接続される複数の配線電極と、を備え、
前記配線電極は、前記複数の発光層のうち隣接する2つの前記発光層の間に前記Si基板の長手方向に延在して設けられた第1配線部を有し、
前記複数の発光層は、前記複数の配線電極により、直列接続、並列接続またはこれらの組み合わせにより電気的に接続されている発光素子。
上記の発光素子によれば、複数の発光層が設けられ、発光層と発光層の間に発光層が配置されていない領域が設けられる。そして、この発光層が配置されていない領域により、発光層に大きな応力が加わることを抑制することができる。したがって、発光素子全体を撓ませても発光層が破壊され難く信頼性が高い発光素子を提供することができる。
実施形態に係る発光素子の模式的上面図である。 図1A中の1B−1B断面を示す図である。 図1A中の1C−1C断面を示す図である。 実施形態に係る発光素子の模式的下面図である。 発光層24が配置されていない領域Xと発光層24が配置されている領域Yを模式的に示す図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する模式的上面図である。 図2A中の2B−2B断面を示す図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する模式的下面図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する模式的上面図である。 図3A中の3B−3B断面を示す図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する模式的上面図である。 図4A中の4B−4B断面を示す図である。 図4A中の4C−4C断面を示す図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する模式的上面図である。 図5A中の5B−5B断面を示す図である。 図5A中の5C−5C断面を示す図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する模式的上面図である。 図6A中の6B−6B断面を示す図である。 図6A中の6C−6C断面を示す図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する模式的上面図である。 図7A中の7B−7B断面を示す図である。 図7A中の7C−7C断面を示す図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する模式的上面図である。 図8A中の8B−8B断面を示す図である。 図8A中の8C−8C断面を示す図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する模式的上面図である。 図9A中の9B−9B断面を示す図である。 図9A中の9C−9C断面を示す図である。 実施形態に係る発光素子の模式的上面図である。 実施形態に係る発光素子の模式的断面図である。
以下、図面を参照しながら、本開示を詳細に説明する。本開示は、例示であり、以下で説明する形態に限られない。以下の説明では、特定の方向や位置を示す用語(例えば、「上」、「下」およびそれらの用語を含む別の用語)を用いる場合がある。それらの用語は、参照した図面における相対的な方向や位置を、分かり易さのために用いているに過ぎない。また、図面が示す構成要素の大きさや位置関係等は、分かり易さのため、誇張されている場合があり、実際の形態における大きさあるいは、実際の形態における構成要素間の大小関係を反映していない場合がある。また、図面の見易さのため、各図は適宜縦横比を調整して示している。例えば、図1Bの断面図と図1Cの断面図では、後者に示される素子全体の横の長さの方が、前者に示されるそれよりも実際は長くなる(図1A参照)。しかし、本開示では、見やすさを考慮して図1Bにおいて素子全体を拡大したため、図1Bに示される素子全体の横の長さの方が、図1Cに示されるそれよりも長くなっている。
[実施形態に係る発光素子1]
図1Aは実施形態に係る発光素子の模式的上面図であり、図1Bは図1A中の1B−1B断面を示す図であり、図1Cは図1A中の1C−1C断面を示す図である。図1Dは実施形態に係る発光素子の模式的下面図である。図1Aにおいては、理解を容易にするために、波長変換層50と接着層70の図示を省略している。図1Dにおいては、接着層60の図示を省略している。図1Aから図1Dに示すように、発光素子1は、上面視形状が長手方向と短手方向を有する矩形状であるSi基板10と、Si基板10の上面全面に配置され上面視形状が長手方向と短手方向を有する矩形状である第1半導体層22と、第1半導体層22の上面における一部領域に行列状に配置されている複数の発光層24と、複数の発光層24それぞれの上面に配置されている複数の第2半導体層26と、を有する窒化物半導体からなる半導体積層体20と、Si基板10の長手方向における一端に配置されている第1外部接続部42と、一端とは反対側の他端に配置されている第2外部接続部44と、Si基板10上に配置されており、第1外部接続部42または第2外部接続部44に電気的に接続される複数の配線電極46と、を備え、配線電極46は、複数の発光層24のうち隣接する2つの発光層24の間にSi基板10の長手方向に延在して設けられた第1配線部461を有し、複数の発光層24は、複数の配線電極46により、直列接続、並列接続またはこれらの組み合わせにより電気的に接続されている発光素子である。以下、各部材について詳細に説明する。
(Si基板10)
Si基板10はケイ素(Si)からなる基板である。
Si基板10は、長手方向と短手方向を有する矩形状の上面視形状を有する。このようにSi基板10の上面視形状が矩形状であることにより、発光素子1全体が曲がりやすくなり、発光素子1を曲面部に取り付けることが容易になる。Si基板10の下面には、Si基板10の短手方向に延在する複数の溝部Gが配置されていることが好ましい。このようにすれば、溝部Gの部分でSi基板10が薄くなるため、より一層、発光素子1全体が曲がりやすくなり、発光素子1を曲面部に取り付けることが容易になる。
Si基板10は、例えば、10μm以上400μm以下の厚みを有することが好ましく、特に、100μm以下の厚みを有することが好ましい。10μm以上としたのは薄すぎるとSi基板10が割れてしまうからであり、400μm以下としたのは、Si基板10に可撓性を備えさせるためである。なお、Si基板10は、10μm以上100μm以下の範囲のなかでは、75μm以上85μm以下の厚みを有することが好ましい。このようにすれば、耐久性と可撓性を兼ね備えた発光素子1を提供することが容易となる。なお、Si基板10の厚みとは、発光素子1の上下方向におけるSi基板10の長さをいう。
(半導体積層体20)
半導体積層体20は、Si基板10の上面全面に配置された第1半導体層22を有する。第1半導体層22は、Si基板10に接していてもよいし、他の部材を介してSi基板10に配置されていてもよい。第1半導体層22は、長手方向と短手方向を有する矩形状の上面視形状を有する。このように、Si基板10だけでなく、第1半導体層22も矩形状の上面視形状を有することにより、発光素子1全体が曲げやすくなり、曲面部に取り付けることが容易な発光素子1を提供することが可能となる。第1半導体層22の長手方向の長さは、40mm以上50mm以下であり、第1半導体層22の短手方向の長さは、10mm以上20mm以下であることが好ましい。このようにすれば、1半導体層22の長手方向に対して発光素子1全体を曲げやすくすることができる。
半導体積層体20は、第1半導体層22の上面における一部領域に行列状に配置されている複数の発光層24を有する。このように複数の発光層24が行列状に配置されることにより、発光層24同士の間に、発光層24が配置されていない領域X(換言すると、第1半導体層22が露出する領域。図1Eに、発光層24が配置されていない領域Xと発光層24が配置されている領域Yを模式的に示す。発光層24が配置されていない領域Xについては、グレースケースで示している。)が設けられ、発光層24に大きな応力が加わることを抑制することができる。ここで、上面視において、第1半導体層22の上面のうち発光層24が配置されていない領域Xは、格子状に配置されていることが好ましい。また、上面視において、第1半導体層22の上面のうち発光層24が配置されていない領域Xの幅WXは、1μm以上20μm以下であることが好ましい。このようにすれば、発光層24が配置されていない領域Xによる応力の抑制(緩和)機能をより効果的に発揮させて、さらに発光素子1全体を曲げやすくすることができる。20μm以下とすることにより、発光素子1を点灯させた場合において、上面視において、発光層24が配置されていない領域Xを目立たなくすることができる(当該領域Xは、発光層24が配置されていないので光らない。)。なお、発光層24は、第1半導体層22に接していてもよいし、他の部材を介して第1半導体層22に配置されていてもよい。
半導体積層体20は、複数の発光層24それぞれの上面に配置されている複数の第2半導体層26を有する。第2半導体層26は、発光層24に接していてもよいし、他の部材を介して発光層24の上面に配置されていてもよい。
半導体積層体20(第1半導体層22、発光層24、及び第2半導体層26の各層)は、窒化物半導体(InAlGa1−x−yN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)からなる。半導体積層体20の厚みTSは、例えば5μm以上10μm以下であることが好ましい。5μm以上とすることにより、発光素子1全体を曲げた際に半導体積層体20が破壊されることを抑制することができる。また、10μm以下とすることにより、発光素子1全体を曲がりやすくして、発光素子1を曲面部に取り付けることを容易にすることができる。ここで、半導体積層層20の厚みTSとは、発光素子1の上下方向における、Si基板10の上面から第2半導体層26の上面までの長さである。
(透光性導電膜28)
透光性導電膜28は、第2半導体層26の上面の略全面に設けられる。透光性導電膜28は、発光層24からの光に対して透光性を有する。透光性導電膜28には、例えばITOのような金属酸化物膜を利用することができる。透光性導電膜28の膜厚は、例えば、10nm以上300nm以下とすることができる。
(第1電極32、第2電極34)
第1電極32は、第2半導体層26の上面に設けられる。第2電極34は、第1半導体層22の上面に設けられる。第1電極32は、第1電極32から延伸する第1延伸部33を有する。第1延伸部33は、第2電極34に向かって直線状に延伸する延伸部33aと、第1電極32を囲むように延伸する延伸部33bと、を備える。第2電極34は、第2電極34から延伸し、第1電極32の延伸部間に配置された第2延伸部35を有する。
(第1外部接続部42、第2外部接続部44)
発光素子1は、Si基板10の長手方向における一端に配置されている第1外部接続部42と、一端とは反対側の他端に配置されている第2外部接続部44と、を有する。第1外部接続部42と第2外部接続部44は、外部から発光素子1に給電するための電極であり、外部電極に電気的に接続される。例えば、外部電極として正電極と負電極が発光素子1を取り付ける曲面部に設けられる場合には、これらの電極に第1外部接続部42と第2外部接続部44がそれぞれ接続される。
(配線電極46)
発光素子1は、Si基板10上に配置されており、第1外部接続部42または第2外部接続部44に電気的に接続される複数の配線電極46を備えており、配線電極46は、複数の発光層24のうち隣接する2つの発光層24の間にSi基板10の長手方向に延在して設けられた第1配線部461を有する。配線電極46は、第1外部接続部42または第2外部接続部44と複数の発光層24とを電気的に接続するための部材ある。複数の発光層24は、複数の配線電極46により、直列接続、並列接続またはこれらの組み合わせにより電気的に接続することができる。なお、本実施形態では、並列接続で接続されているものとする。配線電極46は、絶縁膜80上に配置され、第1配線部461からSi基板10の短手方向に延在して設けられた第2配線部462を備えていてもよい。この場合、絶縁膜80は、第2半導体層26の上面の一部を除く領域に設けられ、第2配線部462は、第1電極32または第2電極34の上面の一部と電気的に接続される。
(波長変換層50)
発光素子1は、第2半導体層26の上面側に波長変換層50を備えていてもよい。波長変換層50には蛍光物質を含有する透光性樹脂などを用いることができる。蛍光物質には、例えば、発光素子1として青色光や紫外光を発するものを用いる場合、YAG系蛍光体、LAG系蛍光体、TAG系蛍光体、KSF系蛍光体、βサイアロン系蛍光体、CASN系蛍光体、SCASN系蛍光体等を単独または組み合わせて使用することができる。透光性樹脂には、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂あるいはそれらを混合させた樹脂や、ガラスなどの透光性材料を用いることができる。例えば、蛍光物質に青色光を吸収し黄色光を発するYAG系蛍光体を用い、青色光を発する発光層24を用いれば、発光素子1から白色の光を取り出すことができる。波長変換層50は、Si基板10及び半導体積層体20の曲げに追従して曲がることができる程度の厚みTWを有していることが好ましく、例えば1mm以上3mm以下の厚みを有していることが好ましい。
以上説明したように、発光素子1によれば、複数の発光層24が設けられ、発光層24同士の間に、発光層24が配置されていない領域Xが設けられる。そして、この領域Xにより、発光素子1全体を撓ませた場合において、各発光層24に大きな応力が加わることが抑制される。したがって、発光素子1全体を撓ませても発光層24が破壊され難く信頼性が高い発光素子1を提供することができる。
[実施形態に係る発光素子1の製造方法]
次に、図2Aから図9Cを参照しつつ、実施形態に係る発光素子1の製造方法について説明する。なお、図9Aにおいては、理解を容易にするために、波長変換層50と接着層70の図示を省略している。
まず、図2A、図2B、図2Cに示すように、上面視形状が長手方向と短手方向を有する矩形状であるSi基板10を準備する。図2Cに示すように、Si基板10の下面には、Si基板10の短手方向に延在する複数の溝部Gが配置されていてもよい。
次に、図3A、図3Bに示すように、Si基板10の上面全面に第1半導体層22と、発光層24と、第2半導体層26とをこの順に配置する。
次に、図4A、図4B、図4Cに示すように、上面視形状は長手方向と短手方向を有する矩形状の第1半導体層22の上面に設けられた発光層24及び第2半導体層26の一部を除去し、第1半導体層22の上面における一部を露出させる。これにより、複数の発光層24は第1半導体層22の上面における一部領域に行列状に配置される。露出された第1半導体層22の上面の一部には、後の工程において第2電極34が設けられる。
次に、図5A、図5B、図5Cに示すように、第2半導体層26の上面に透光性導電膜28を設ける。
次に、図6A、図6B、図6Cに示すように、透光性導電膜28、第2半導体層26の上面、及び露出した第1半導体層22の上面に絶縁膜80を設ける。
次に、図7A、図7B、図7Cに示すように、絶縁膜80の一部を除去し、透光性導電膜28の一部を露出させる。
次に、図8A、図8B、図8Cに示すように、透光性導電膜28の上面に第1電極32を設け、第1半導体層22の上面に第2電極34を設ける。Si基板10の長手方向における一端に第1外部接続部42を設け、一端とは反対側の他端に第2外部接続部44を設ける。さらに、複数の第1配線部461、第2配線部462を備える配線電極46を設ける。第1配線部461は、絶縁膜80の上面に、第1外部接続部42及び第2外部接続部44のそれぞれからSi基板10の長手方向に延在して設けられる。第2配線部462は、第1配線部461からSi基板10の短手方向に延在し、第1電極32または第2電極34に接続して設けられる。また、第2配線部462は、絶縁膜80の上面に、第1半導体層22の上方と、発光層24及び第2半導体層26の上方とに延在して設けられる。第1電極32、第2電極34、第1外部接続部42、第2外部接続部44、及び配線電極46は同時に形成することができる。
次に、図9A、図9B、図9Cに示すように、接着層(第2接着層70)を介して第2半導体層26の上面に波長変換層50を設ける。なお、Si基板10の下面には、発光素子1を曲面部に取り付けやすいよう、接着層(第1接着層60)を設けてもよい。
図10Aは、実施形態に係る発光素子を曲面部100Sを有する基台100に実装したときの模式的上面図である。図10Bは、図10A中の10B−10B断面を模式的に示す断面図である。図10A及び図10Bに示すように、Si基板10は第1接着層60を介して曲面部100Sに実装されている。Si基板10は、長手方向が曲面部100Sに沿って湾曲した状態で実装される。Si基板10の長手方向における一端に配置されている第1外部接続部42と、一端とは反対側の他端に配置されている第2外部接続部44と、は異なる平面上に位置している。第1外部接続部42及び第2外部接続部44は、発光素子1の複数の発光層24が設けられている部分よりも下方に位置している。これにより、第1外部接続部42及び第2外部接続部44による光の吸収が低減でき、光取り出し効率を向上させることができる。
本実施形態に係る発光素子1は、照明装置やディスプレイ装置などに利用することができる。これらの各装置は、部屋の壁、電柱、時計、スマートフォン、スマートウォッチ、ラップトップコンピュータ、あるいは窓ガラスなどの、曲面部を有する様々なものに取り付けることができる。
1 発光素子
10 Si基板
20 半導体積層体
22 第1半導体層
24 発光層
26 第2半導体層
28 透光性導電膜
32 第1電極
33 第1延伸部
34 第2電極
35 第2延伸部
42 第1外部接続部
44 第2外部接続部
46 配線電極
461 第1配線部
462 第2配線部
50 波長変換層
60 接着層(第1接着層)
70 接着層(第2接着層)
80 絶縁膜
100 基台
100S 曲面部
G 溝部
X 発光層が配置されていない領域
Y 発光層が配置されている領域
WX 発光層が配置されていない領域の幅
TS 半導体積層体の厚み
TW 波長変換層の厚み

Claims (10)

  1. 可撓性表示体に用いられる発光素子であって、
    上面視形状が長手方向と短手方向を有する矩形状であるSi基板と、
    前記Si基板の上面全面に配置され上面視形状が長手方向と短手方向を有する矩形状である第1半導体層と、前記第1半導体層の上面における一部領域に行列状に配置されている複数の発光層と、前記複数の発光層それぞれの上面に配置されている複数の第2半導体層と、を有する窒化物半導体からなる半導体積層体と、
    前記Si基板の長手方向における一端に配置されている第1外部接続部と、前記一端とは反対側の他端に配置されている第2外部接続部と、
    前記Si基板上に配置されており、前記第1外部接続部または前記第2外部接続部に電気的に接続される複数の配線電極と、を備え、
    前記配線電極は、前記複数の発光層のうち隣接する2つの前記発光層の間に前記Si基板の長手方向に延在して設けられた第1配線部を有し、
    前記複数の発光層は、前記複数の配線電極により電気的に接続されている発光素子。
  2. 前記第2半導体層の上面の一部を除く領域に絶縁膜が設けられ、
    前記配線電極は、前記絶縁膜上に配置され、前記第1配線部から前記Si基板の短手方向に延在して設けられた第2配線部を備え、
    前記第2配線部は、前記第2半導体層の上面の一部と電気的に接続されている請求項1に記載の発光素子。
  3. 前記Si基板の下面に、前記Si基板の短手方向に延在する複数の溝部が配置されている請求項1または2に記載の発光素子。
  4. 上面視において、前記第1半導体層の上面のうち前記発光層が配置されていない領域が、格子状に配置されている請求項1から3のいずれか1項に記載の発光素子。
  5. 前記第1半導体層の長手方向の長さは、40mm以上50mm以下であり、
    前記第1半導体層の短手方向の長さは、10mm以上20mm以下である請求項1から4のいずれか一項に記載の発光素子。
  6. 上面視において、前記第1半導体層の上面のうち前記発光層が配置されていない領域の幅は1μm以上20μm以下である請求項1から5のいずれか1項に記載の発光素子。
  7. 前記半導体積層体の厚みは、5μm以上10μm以下である請求項1から6のいずれか1項に記載の発光素子。
  8. 前記第2半導体層の上面側に波長変換層を備える請求項1から7のいずれか1項に記載の発光素子。
  9. 前記波長変換層の厚みは、1mm以上3mm以下である請求項8に記載の発光素子。
  10. 前記Si基板の厚みが100μm以下である請求項1から9のいずれか1項に記載の発光素子。
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