JP2018037690A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高反射率を有する発光素子を提供する。【解決手段】かかる発光素子は、能動層を含む発光スタック層と、発光スタック層の下に位置する非酸化物絶縁層とを含み、そのうち、非酸化物絶縁層の屈折率は、1.4よりも小さい。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、発光素子に関し、特に、高反射率を有する発光素子に関する。

光電素子、例えば、発光ダイオード(Light-emitting Diode；LED)は、今のところ、光学表示装置、交通標識、データ記憶装置、通信装置、照明装置、及び医療器材などに幅広く使用されている。また、上述のLEDは、他の素子と組み合わせて接続することにより、発光装置を形成することができる。図1は、従来の発光装置の構造図である。図1に示すように、発光装置1は、回路14を有するサブマウント12；上述のサブマウント12に位置するはんだ16であって、このはんだ16によりLED 11をサブマウント12に固定し、LED 11とサブマウント12の回路14とを電気的に接続させる、はんだ16；及び、LED 11の電極15とサブマウント12の回路14とを電気的に接続させる電気接続構造18を含み、そのうち、上述のサブマウント12は、例えば、リードフレーム又は大きいサイズのマウント基板であってもよい。

本発明の目的は、高反射率を有する発光素子を提供することにある。

本発明の一実施例による発光素子は、能動層を含む発光スタック層と、該発光スタック層の下に位置する非酸化物絶縁層とを含み、そのうち、該非酸化物絶縁層の屈折率は、1.4よりも小さい。

従来の発光装置の構造図である。 本発明の一実施例による発光素子の上面図である。 図2Aの線AA’に沿った断面図である。 第一接触上表面の表面積が第一接触上表面及び第二接触上表面の表面積の和に対する百分比と、パワーとの関係図である。 本発明の一実施例によるランプの分解図である。

以下、添付した図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

図2Aは、本発明の一実施例による発光素子の上面図であり、図2Bは、図2Aの線AA’に沿った断面図である。図2Bに示すように、発光素子2は、基板20；基板20の上に位置する導電性接着層21；導電性接着層20の上に位置する反射構造22；反射構造22の上に位置する透明導電構造23；透明導電構造23の上に位置するウィンドウ層29；透明導電構造23とウィンドウ層29との間に位置する非酸化物絶縁層24；ウィンドウ層29の上に位置する発光スタック層25；発光スタック層25の上に位置する電気接触層26；発光スタック層25及び電気接触層26の上に位置する第一電極27；及び、基板20の下に位置する第二電極28を有する。発光スタック層25は、ウィンドウ層29と第一電極27との間に位置する第一半導体層251；第一半導体層251と第一電極27との間に位置する能動層252；及び、能動層252と第一電極27との間に位置する第二半導体層253を有する。

第一電極27及び/又は第二電極28は、外部電圧を受けるためのものであり、透明導電材料又は金属材料により構成され得る。透明導電材料は、ITO、InO、SnO、CTO、ATO、AZO、ZTO、GZO、IWO、ZnO、AlGaAs、GaN、GaP、GaAs、GaAsP、IZO、又は、DLC（ダイヤモンドライクカーボン）を含んでもよいが、これらに限定されない。金属材料は、Al、Cr、Cu、Sn、Au、Ni、Ti、Pt、Pb、Zn、Cd、Sb、Co、又は、上述の材料の合金などを含んでもよいが、これらに限定されない。第一電極27は、電流注入部271及び延伸部272を有する。図2Aに示すように、電流注入部271は、ほぼ、第二半導体層253の中心の上に位置し、延伸部272は、電流注入部271から発光素子2の境界へ延伸する第一ワイヤ2721、及び、第一ワイヤ2721から延伸する第二ワイヤ2722を有し、これにより、電流の拡散を向上させる。図2Bに示すように、延伸部272は、電気接触層26の上に位置する突部273を含み、該突部273は、電気接触層26の少なくとも一つの表面を覆い、これにより、電気接触層26とともに形成するオーミック接触の面積を増加させ、発光素子2の抵抗を減少させ、そのうち、突部273は、電流注入部271よりも高い。

電気接触層26は、第二ワイヤ2722と発光スタック層25との間に位置し、第二ワイヤ2722と発光スタック層25との間のオーミック接触を形成するために用いられる。電気接触層26と第二ワイヤ2722との間の抵抗値、及び、電気接触層26と発光スタック層25との間的抵抗値は、それぞれ、第一電極27と発光スタック層25との間の抵抗値よりも小さい。電気接触層26の材料は、Ga、Al、In、P、N、Zn、Cd、及び、Seから構成されるグループから選択される１種以上の元素を含む半導体材料であってもよく、その電気特性は、第二半導体層253と同じであってもよい。

発光スタック層25の材料は、Ga、Al、In、P、N、Zn、Cd、及び、Seから構成されるグループから選択される一種以上の元素を含む半導体材料であってもよい。第一半導体層251と第二半導体層253との電気特性が異なり、これにより、電子又は正孔を生成する。第二半導体層253の光出し上表面254は、粗い表面であってもよく、これにより、全反射を抑え（減少させ）、光電素子2の発光効率を向上させる。能動層252は、一種又は複数種の色の光を発することができ、このような光は、可視光又は不可視光であってもよく、また、能動層252の構造は、シングルへテロ構造、ダブルへテロ構造、両側ダブルへテロ構造、多層量子井戸、又は、量子点であってもよい。ウィンドウ層29の電気特性は、第一半導体層251の電気特性と同じであってもよく、光取り出し層として用いられてもよく、これにより、発光素子2の発光効率を向上させる。ウィンドウ層29は、能動層252の発した光に対して透明であり、その材料は、透明導電材料であってもよく、ITO、InO、SnO、CTO、ATO、AZO、ZTO、GZO、IWO、ZnO、MgO、AlGaAs、GaN、GaP、又は、IZOを含んでもよいが、これらに限定されない。

透明導電構造23は、発光スタック層25の発した光に対して透明であり、ウィンドウ層251と反射構造22との間のオーミック接触、電流の伝導及び拡散を増加させるために用いられ、また、反射構造22とともに全方向反射器(Omni-Directional Reflector、ODR)を形成することができる。その材料は、透明導電材料であってもよく、ITO、InO、SnO、CTO、ATO、AZO、ZTO、GZO、IWO、ZnO、GaP、ICO、IWO、ITiO、IZO、IGO、GAZO、又は、上述の材料の組み合わせを含んでもよいが、これらに限定されない。透明導電構造23は、非酸化物絶縁層24の下に位置する第一導電酸化層230、及び、発光スタック層25と第一導電酸化層230との間に位置する第二導電酸化層232を有する。そのうち、第一導電酸化層230と第二導電酸化層232との材料は異なる。他の実施例では、第一導電酸化層230と第二導電酸化層232との材料は、少なくとも一つの構成元素が異なり、例えば、第一導電酸化層230の材料はIZOであり、第二導電酸化層232の材料はITOである。第二導電酸化層232は、非酸化絶縁層24及び/又はウィンドウ層29と直接接触し、且つ、非酸化絶縁層24の少なくとも一つの表面を覆ってもよい。

非酸化物絶縁層24が発光スタック層25の発した光に対する透過率は90%よりも大きく、屈折率は、1.4よりも小さく、好ましくは、1.3と1.4との間である。非酸化物絶縁層24の材料は、非酸化物絶縁材料であってもよく、例えば、ベンゾシクロブテン（BCB）、環状オレフィンコポリマー（COC）、フルオロカーボンポリマー（Fluorocarbon Polymer）、SiN_x、CaF₂、又は、MgF₂である。他の実施例では、非酸化物絶縁層24の材料は、ハロゲン化物、又は、IIA族及びVII族の化合物を含んでもよく、例えば、CaF₂又はMgF₂である。非酸化物絶縁層24の屈折率は、ウィンドウ層29及び透明導電構造23の屈折率よりも小さい。非酸化物絶縁層24の屈折率は、ウィンドウ層29及び透明導電構造23の屈折率よりも小さいので、ウィンドウ層29と非酸化物絶縁層24との間の界面の臨界角は、ウィンドウ層29と透明導電構造23との間の界面の臨界角よりも小さい。よって、発光スタック層25が発した光は、非酸化物絶縁層24へ射出した後に、ウィンドウ層29と非酸化物絶縁層24との間の界面において全反射を形成する確率が増加する。また、元々ウィンドウ層29と透明導電構造23との間の界面において全反射を形成せずに透明導電構造23に進入する光は、透明導電構造23と非酸化物絶縁層24との間の界面において全反射を形成することもできるので、光量を増やし、発光素子2の光出し効率を向上させる。透明導電構造23は、ウィンドウ層29と接触する第一接触上表面231を有し、非酸化物絶縁層24は、ウィンドウ層29と接触する第二接触上表面241を有し、第一接触上表面231及び第二接触上表面241は、ほぼ、同一水平面に位置し、即ち、第一接触上表面231と光出し上表面254との距離は、ほぼ、第二接触上表面241と光出し上表面254との距離に等しい。図3は、第一接触上表面231の表面積が第一接触上表面231及び第二接触上表面241の表面積の和に対する比（百分比）と、発光素子2のパワーとの関係図である。図3に示すように、第一接触上表面231の表面積が第一接触上表面231及び第二接触上表面241の表面積の和に対する百分比は、約10%〜50%である時に、発光素子2のパワーは、50mWの上にあり、百分比が50の上にある発光素子のパワーに比べて、良いものである。好ましくは、百分比は約12.5%〜25%である時に、パワーは55mWの上にある。換言すれば、非酸化物絶縁層24がウィンドウ層29に対する表面積と、ウィンドウ層29が非酸化物絶縁層24に対する表面積との比は約0.5〜0.9である時に、発光素子2のパワーは良い。他の実施例では、第二接触上表面241は、粗い表面であってもよく、発光スタック層の発した光を散乱させ、これにより、光電素子2の光出し効率を向上させる。非酸化物絶縁層24は、パターン化分布を有してもよく、例えば、ほぼ、電気接触層26及び/又は電流注入部271の真下に位置し、これにより、電流の拡散を増加させる。他の実施例では、非酸化物絶縁層24は、不規則な分布を呈してもよく、又は、電気接触層26及び/又は電流注入部271の真下に位置しなくてもよい。非酸化物絶縁層24の厚さは、透明導電構造23の厚さの半分よりも小さい。他の実施例では、非酸化物絶縁層24の厚さは、透明導電構造23の厚さの1/5よりも小さく、これにより、透明導電構造23形成後の表面平坦化プロセスが非酸化物絶縁層24の構造を破壊するのを避ける。非酸化物絶縁層24の少なくとも一つの表面が透明導電層23により覆われ、これにより、透明導電層23とウィンドウ層29との間の接合を強化し、構造の機械的強度を向上させる。他の実施例では、非酸化物絶縁層24は、反射構造22と直接接合してもよく、これにより、透明導電構造23と反射構造22との間の接着力の不足による剥離を避ける。非酸化物絶縁層24は、更に、非酸化物絶縁層24を貫通する複数の孔隙242を含み、そのうち、透明導電構造23は、複数の孔隙242に充填され、ウィンドウ層29とともにオーミック接触を形成する。

反射構造22は、発光スタック層25からの光を反射することができ、その材料は、金属材料であってもよく、Cu、Al、Sn、Au、Ag、Pb、Ti、Ni、Pt、W、又は、上述の材料の合金などを含んでもよいが、これらに限定されない。反射構造22は、反射層226；反射層226の下に位置する反射性接着層224；反射性接着層224の下に位置する障壁層222；及び、障壁層222の下に位置するオーミック接触層220を含む。反射層226は、発光スタック層25からの光を反射することができ、反射性接着層224は、反射層226と障壁層222とを接着し、障壁層222は、反射層226の材料が電極層220に拡散し、反射層226の構造が破壊され、反射層226の反射率が低下することを防止できる。オーミック接触層220は、下方の導電性接着層21とともにオーミック接触を形成する。導電性接着層21は、基板20と反射構造22とを接続することができ、複数の従属層(図未示ず)を有してもよい。導電性接着層21の材料は、透明導電材料又は金属材料であってもよく、透明導電材料は、ITO、InO、SnO、CTO、ATO、AZO、ZTO、GZO、ZnO、GaP、ICO、IWO、ITiO、IZO、IGO、GAZO、又は、上述の材料の組み合わせを含んでもよいが、これらに限定されない。金属材料は、Cu、Al、Sn、Au、Ag、Pb、Ti、Ni、Pt、W、又は、上述の材料の合金などを含んでもよいが、これらに限定されない。

基板20は、その上に位置する発光スタック層25及び他の層又は構造を支持するために用いられてもよく、その材料は、透明材料又は導電材料であってもよい。透明材料は、サファイア（Sapphire）、ダイヤモンド(Diamond)、ガラス(Glass)、エポキシ樹脂（Epoxy）、石英(Quartz)、アクリル(Acryl)、Al₂O₃、ZnO、又は、AlNなどを含んでもよいが、これらに限定されない。導電材料は、Cu、Al、Mo、Sn、Zn、Cd、Ni、Co、DLC(Diamond Like Carbon)、石墨(Graphite)、カーボンファイバー(Carbon fiber)、金属基複合材料(Metal Matrix Composite；MMC)、セラミック基複合材料(Ceramic Matrix Composite；CMC)、Si、IP、ZnSe、GaAs、SiC、GaP、GaAsP、InP、LiGaO₂、又は、LiAlO₂を含んでもよいが、これらに限定されない。

図4は、ランプの分解図である。ランプ4は、ランプシェード41；ランプシェード41の中に置かれるレンズ42；レンズ42の下に位置する照明モジュール44；放熱溝46を有し、照明モジュール44を載置するためのランプソケット45；接続部47；及び、電気接続器48を含み、そのうち、接続部47は、ランプソケット45と電気接続器48とを接続する。照明モジュール44は、キャリア43、及び、キャリア43の上に位置する複数の上述の任意の実施例による発光素子40を含む。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の技術的範囲に属する。

1 発光装置
11 LED
12 サブマウント
13、20 基板
14 回路
15 電極
16 はんだ
18 電気接続構造
2、40 発光素子
21 導電性接着層
22 反射構造
220 オーミック接触層
222 障壁層
224 反射性接着層
226 反射層
23 透明導電構造
230 第一導電酸化層
231 第一接触上表面
232 第二導電酸化層
24 非酸化物絶縁層
241 第二接触上表面
242 孔隙（隙間）
25 発光スタック層
251 第一半導体層
252 発光層
253 第二半導体層
254 光出し上表面
26 電気接触層
27 第一電極
271 電流注入部
272 延伸部
273 突出部
2721 第一ワイヤ
2722 第二ワイヤ
28 第二電極
29 ウィンドウ層
4 ランプ
41 ランプシェード（ランプの傘）
42 レンズ
43 キャリア
44 照明モジュール
45 ランプソケット
46 放熱溝
47 接続部
48 電気接続器

Claims (10)

1. 発光素子であって、
   能動層を含む発光スタック層と、
   前記発光スタック層に位置するウィンドウ層と、
   複数の孔隙を含み、且つ前記ウィンドウ層に接続される絶縁層と、
   前記絶縁層を覆い、且つ前記複数の孔隙により前記ウィンドウ層に接触する第一導電酸化層と、
   前記第一導電酸化層を覆う第二導電酸化層と、
   を含み、
   前記第一導電酸化層と前記第二導電酸化層との材料は、異なる、発光素子。
2. 請求項1に記載の発光素子であって、
   導電基板であって、前記第二導電酸化層は、前記導電基板と前記第一導電酸化層との間に位置し、且つ前記導電基板は、前記複数の孔隙により前記ウィンドウ層に電気的に接続される、導電基板と、
   前記発光スタック層に接続される第一電極と、
   前記導電基板に接続される第二電極と、
   をさらに含み、
   前記第一電極は、電流注入部及び延伸部を含み、前記絶縁層と前記ウィンドウ層との屈折率の差は、1.5よりも大きい、発光素子。
3. 請求項2に記載の発光素子であって、
   前記電流注入部及び前記延伸部は、前記発光スタック層のスタック方向において同じ厚さを有する、発光素子。
4. 請求項1に記載の発光素子であって、
   前記絶縁層は、ハロゲン化物、或いは、IIA族及びVIIA族の化合物を含む、発光素子。
5. 請求項2に記載の発光素子であって、
   前記導電基板と前記絶縁層との間に位置する導電性接着層をさらに含む、発光素子。
6. 請求項5に記載の発光素子であって、
   前記導電性接着層は、金属を含む、発光素子。
7. 請求項1に記載の発光素子であって、
   前記発光スタック層のスタック方向において、前記絶縁層の厚さは、前記第一導電酸化層と前記第二導電酸化層との総厚さの半分よりも小さい、発光素子。
8. 請求項1に記載の発光素子であって、
   前記延伸部は、前記電流注入部に接続され、且つ前記発光素子の境界へ延伸する、発光素子。
9. 請求項2に記載の発光素子であって、
   前記延伸部と前記発光スタック層との間に位置する電気接触層をさらに含み、
   前記電気接触層の材料は、半導体材料を含む、発光素子。
10. 請求項9に記載の発光素子であって、
    前記絶縁層は、前記電気接触層及び前記電流注入部の下に位置する、発光素子。

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