JP7219391B2 - 発光素子 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、上記課題に鑑みなされたものであり、光の取り出し効率をさらに向上させることができる発光素子を提供することを目的とする。
n型半導体層と、
前記n型半導体層の上面の一部を除く領域に設けられたp型半導体層と、
前記n型半導体層の上面の一部と電気的に接続されたn側外部接続部と、前記n側外部接続部から延伸するn側延伸部とを有するn側電極と、
前記p型半導体層に電気的に接続された透光性を有する導電膜と、
該導電膜の上面に配置されたp側外部接続部と、前記p側外部接続部から前記n側外部接続部に向かって延伸するp側延伸部とを有するp側電極とを備える発光素子であって、
前記導電膜は、貫通した複数の貫通孔を有し、
前記複数の貫通孔は、平面視において、前記p側延伸部の先端部と前記n側外部接続部を最短で結ぶ線に平行な第1の方向に沿って設けられた長細の形状を有する第1貫通孔と、前記第1の方向とは異なり、かつ前記n側延伸部と前記p側延伸部とが対向する第2の方向に沿って設けられた長細の形状を有する第2貫通孔とを少なくとも有する発光素子。
このように、異なる向きに沿った長細の形状を有する複数の貫通孔を備える導電膜15を介してp型半導体層12に電流を供給するために、貫通孔を電流の向きに沿った配置とすることによって、導電膜15内の電流が阻害されることなく、効果的に拡散できるため、順方向電圧Vfの上昇を効率的に抑制することができる。また、p型半導体層12の略全面に配置される導電膜15による光の吸収を低減することによって、光取出し効率をも向上させることができる。
n型半導体層11及びp型半導体層12は、半導体層から構成され、通常、これらの間に発光層13が設けられ、n型半導体層11、発光層13及びp型半導体層12がこの順に積層されて構成される。半導体層の種類、材料は特に限定されるものではなく、例えばInXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)等の窒化物半導体材料が好ましい。
n型半導体層11、発光層13及びp型半導体層12は、通常、基板16上に積層されている。基板16の材料としては、サファイア(Al2O3)のような絶縁性基板、炭化ケイ素(SiC)、Si、GaAs及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板等が挙げられる。半導体層として窒化物半導体を用いる場合には、サファイア(Al2O3)からなる基板16を用いることが好ましい。基板16は、最終的に発光素子10から除去されていてもよい。基板16を除去する方法は、公知のレーザリフトオフ法を利用することができる。基板16の平面形状が正方形状である場合、基板16の一辺の長さは、300μm以上3000μm以下程度とすることができ、好ましくは500μm以上1500μm以下程度である。
p型半導体層12は、n型半導体層11の上面の一部を除く領域に設けられている。言い換えると、n型半導体層11、発光層13及びp型半導体層12が積層された一部の領域において、少なくとも発光層13とp型半導体層12とが除去されて、n型半導体層11が発光層13及びp型半導体層12から露出する露出領域を備える。露出領域は、平面視において、発光素子10の外周領域であってもよいし、外周領域から内側に連続して設けられていてもよい。また、露出領域の全周がp型半導体層12に囲まれていてもよい。
n側電極21はn型半導体層11の上面の一部と直接又は間接的に電気的に接続され、p側電極22はp型半導体層12の上面に直接又は間接的に電気的に接続されている。特に、p側電極22は、図1Bに示すように、p型半導体層12との間に、p側電極22の幅と同等又はp側電極22の幅よりも若干広い幅を有する絶縁膜14を介して配置されていることが好ましい。n側電極21は、n側外部接続部21aと、このn側外部接続部21aから延伸するn側延伸部21bとを有する。p側電極22は、導電膜15と、p側外部接続部22aと、p側外部接続部22aから延伸するp側延伸部22b、22cとを有する。
n側電極21及びp側電極22は、例えば、Ni、Rh、Cr、Au、W、Pt、Ti、Al等の金属又はそれらの合金による単層膜又は多層膜を用いることができる。そのなかでも、n側電極21及びp側電極22にはTi/Pt/AuやTi/Rh/Au等の積層した多層膜を用いることが好ましい。
なお、n側電極21及びp側電極22は、いずれも、後述するn側外部接続部21a及びp側外部接続部22aにおいて、外部接続部材と接続する領域を除いて、絶縁性を確保し、保護するために、その表面を、図1Bに示すように、保護膜17で被覆することが好ましい。
n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aは、発光素子10に電流を供給するために、例えば、導電性ワイヤなどの外部接続部材と接続するための電極である。
n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aは、発光素子10の光取り出し面側に設けられている。n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aは、発光素子10の同一面側に設けられている。平面視において正方形状を有する発光素子10において、n側外部接続部21aを1つの辺の近傍に1つ、p側外部接続部22aを1つの辺に対向する他の辺の近傍に1つ配置されていることが好ましい。これにより、発光素子10の広い範囲に電流を拡散させることができる。n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aはそれぞれ複数配置されていてもよい。
例えば、n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aは、平面形状が正方形、長方形等の四角形、六角形等の多角形の発光素子において、発光素子の中線上又は対角線上の領域にそれぞれ設けられていることが好ましい。これにより、発光素子の駆動電圧を低減しながら、発光面全体に亘って均一な発光を確保することが容易となる。
n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aの形状は、発光素子の大きさ、電極の配置等によって適宜調整することができ、例えば、円形、正多角形などの形状とすることができる。なかでも、ワイヤボンディングのしやすさ等を考慮すると、円形状又はこれに近似する形状が好ましい。n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aの大きさは、発光素子の大きさ、電極の配置等によって適宜調整することができ、そのn側外部接続部21a及びp側外部接続部22aの最長の長さが、発光素子の一辺の長さの5%~30%程度の長さ又は5%~20%程度の長さとすることが好ましい。n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aの形状及び大きさは互いに異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aの形状及び大きさを同じにすることで、それぞれの外部接続部に供給される電流を均等にさせやすくなる。
n側外部接続部21aは、n側外部接続部21aから延伸するn側延伸部21bを有している。
p側外部接続部22aは、p側外部接続部22aから延伸するp側延伸部22b、22cを有している。n側延伸部21b及びp側延伸部22b、22cは、例えば、1つのみであってもよいし、2以上であってもよい。延伸部の形状、大きさ等は発光素子の平面形状及び大きさによって適宜設定することができる。例えば、延伸部の形状は、直線状、曲線状、屈曲形状、分岐状又はこれらの組み合わせであってもよい。例えば、延伸部の形状としては、p側延伸部22b又はn側外部接続部21aに向かって延伸する形状、p側又はn側外部接続部21aの両側に向かって延伸する形状が挙げられる。また、p側外部接続部22a又はn側外部接続部21aを取り囲むようにその外側に向かって延伸する形状、p側外部接続部22a及びn側延伸部21aの双方が存在する場合には、その内側又は外側に延長する形状等が挙げられる。
n側延伸部21b及びp側延伸部22b、22cの太さは、n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aの最大幅よりも小さければよく、例えば、最大幅の5%~90%、5%~70%、5%~30%、5%~20%、5%~15%程度の太さが挙げられる。延伸部は全長において同じ幅であってもよいし、部分的に変動していてもよい。一本の延伸部の長さは、その形成位置及び形状等によって適宜設定することができ、例えば、発光素子の一辺又は対角線の20%~150%、30%~120%が挙げられる。n側延伸部21b及びp側延伸部22b、22cは、それぞれ、異なる数、異なる形状、異なる太さであってもよいし、同じ数、同じ形状、同じ太さであってもよい。
n側延伸部21bと、p側延伸部22b、22cとは、電流を均一に拡散することができるように、互いに対向する部位を有していること、又は互いに平行に配置した部位を有していることが好ましく、互いに対向する部分において互いに平行に配置した部位を有していることがより好ましい。
導電膜15は、外部接続部から供給される電流を、半導体層の面内全体に均一に流すための部材である。導電膜15は、n型半導体層11及び/又はp型半導体層12の全面により効率的に電流を供給するために、n側電極21及び/又はp側電極22と半導体層との間に、半導体層の略全面を被覆するように配置されている。特に、p型半導体層12とその上に設けられるp側電極22との間に透光性の導電膜15が配置されていることが好ましい。ここで、略全面とは、各半導体層の全面積の90%程度以上の面積を意味する。
導電膜15は、発光素子の光取り出し面側に配置されるため、透光性の導電性酸化物によって形成することができる。導電性酸化物としては、Zn、In、Sn、Mgから選択される少なくとも1種を含む酸化物、具体的にはZnO、In2O3、SnO2、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、GZO(Gallium-doped Zinc Oxide)等が挙げられる。特にITOなどの導電性酸化物は可視光(可視領域)において高い光透過性を有し、導電率の比較的高い材料であることから好適に用いることができる。このような導電膜の厚みは、例えば、10nm~150nmであることが好ましく、30nm~100nmであることがさらに好ましい。
長細の形状とは、短軸とそれに直交するように直線状に延びる長軸を有する形状及びこのような形状において長軸が屈曲又は湾曲した形状等が挙げられる。例えば、長軸の長さが短軸に対して、2倍~10倍、好ましくは2倍~5倍である長細形状とすることができる。貫通孔の大きさは、全部又は一部が同一であってもよいし、異なっていてもよい。その大きさは、例えば、最長10μm以下の大きさを有するものが挙げられ、つまり、長軸が10μm以下の大きさを有するものが挙げられる。また、貫通孔の大きさは、長軸及び短軸がそれぞれ3μm~10μm及び1μm~3μmのものが挙げられ、言い換えると、3μm2~30μm2のものが挙げられる。
導電膜15における貫通孔の開口率は、30%以下とすることが好ましく、15%以下とすることがより好ましく、10%以下とすることがさらに好ましい。導電膜15にこのような30%以下の開口率を有する貫通孔を設けることにより、光取り出し効率を向上させることができると同時に、順方向電圧Vfの上昇を抑えることが可能となり、発光素子の駆動電圧を低減しながら、発光面全体に亘って均一な発光を確保することができる。導電膜15にこのような10%以下の開口率を有する貫通孔を設けることにより、光取り出し効率を維持しつつ、さらに順方向電圧Vfの上昇を抑えることができる。
異なる方向を定義するために、例えば、p側延伸部22cの先端部とn側外部接続部21aを最短で結ぶ線を第1の方向と称し、n側延伸部21bとp側延伸部22cとが対向する方向を第2の方向と称する。
ここで、第1の方向は、p側延伸部22cの先端部とn側外部接続部21aの中心又は重心を最短で結ぶ線に平行な方向を意味する。第2の方向は、第1の方向とは異なる方向を意味し、n側延伸部21bとp側延伸部22cとが互いに平行に対向する部位において、両者を最短で結ぶ線に平行な方向を意味する。なお、n側延伸部21bとp側延伸部22cとが互いに平行に対向する部位がない場合、第2の方向は、互いに対向する部位を最短で結ぶ線に平行な方向を意味する。
第1の方向と第2の方向とは、90±5°程度で交差する方向であることが好ましく、直交する方向であることがより好ましい。
さらに、貫通孔は、上述した第1貫通孔15A及び第2貫通孔15B以外に、さらなる1種以上の貫通孔を有するものが好ましい。ここでの貫通孔は、第1の方向及び第2の方向とは異なる方向に沿って配列される長細の形状の貫通孔を意味する。例えば、さらなる1種以上の貫通孔は、平面視において、第1の方向に対して±10°~80°で傾斜する方向の1種以上に沿って長細の形状を有するものが好ましい。
本願発明では、導電膜15に配置される貫通孔は、p側電極22からn側電極21への電流の流れに沿った方向、言い換えると、電流の流れの一部に略平行に細長の形状で配置されていること、さらには、その電流の流れを遮断する方向に細長の形状が配置されないことを理想とする。従って、発光素子10の全面においては、貫通孔の細長に延びる方向が小刻みに(例えば、1°~10°毎に)変動して、第1の方向又は第2の方向から異なる方向に細長に延びる1種以上の貫通孔、第1の方向又は第2の方向から異なる方向に細長に延びる2種以上の貫通孔、あるいは第1の方向又は第2の方向から異なる方向に延び、第1の方向及び第2の方向を含んで1回転するような複数種の貫通孔が配置されることが好ましい。
発光素子10は、平面視において外縁が略正方形である。n側電極21は、発光素子の内側に配置され、n側電極21を取り囲むようにp側電極22が配置されている。導電膜15は、ITO(厚み65nm程度)からなり、n側電極21が配置された領域及び発光素子10の外周領域を除くほぼ全面に配置されている。
n側外部接続部21a及びp側外部接続部22aは、発光素子10の中線上に、直径60μmの円形形状で配置されている。
n側延伸部21bは、n側外部接続部21aの両側からそれぞれ延伸しており、p側外部接続部22aの両側に向かって、曲線部と直線部とを有している。
p側延伸部は、p側外部接続部22aから、発光素子10の中線上において直線状に延伸する第1p側延伸部22bと、p側外部接続部22aの両側から延伸する2本の第2p側延伸部22cと、を備える。2本の第2p側延伸部22cは、n側延伸部21bの先端からn側外部接続部21aを取り囲むように、それらの外側にそれぞれ延伸しており、曲線部と直線部とを有している。
n側延伸部21bの直線部と、第2p側延伸部22cの直線部とは、互いに平行に対向している。n側延伸部21b及びp側延伸部22b、22cの太さはいずれも4μmである。
また、第1の方向から第2の方向に右回り及び左回りにそれぞれ回転した方向に沿った細長の複数種の貫通孔をさらに有することが好ましい。例えば、第1の方向に対して、10°±2°傾斜した貫通孔15G、20°±2°傾斜した貫通孔15H、第2の方向に対して、5°±2°傾斜した貫通孔15C、10°±2°傾斜した貫通孔15D、15°±2°傾斜した貫通孔15E、20°±2°傾斜した貫通孔15F等の1以上を有することが好ましい。また、導電膜15のうちp側延伸部22b、22cよりも外側に位置する導電膜15には、p側外部接続部22aからn側外部接続部21aに向かうような電流の流れであり、その電流の流れに沿った複数の貫通孔が配置されている。
ここでの長細の貫通孔は、例えば、9μm×2μmの長方形の角が丸みを帯びた形状である。また、導電膜15の貫通孔による開口率は10%である。
なお、本願の発光素子は、パッケージングすることにより発光装置を構成することができる。パッケージングの構成及びパッケージングに要する各部材は、当該分野で公知のもののいずれをも利用することができる。
実施例1
サファイアからなる基板16上に、n型半導体層11、発光層13、及びp型半導体層12を順に形成した。n型半導体層11、発光層13、及びp型半導体層は窒化物半導体からなる。基板16は、1辺の長さが650μmの正方形状を有する。p型半導体層12の略全面に、ITOからなり厚みが80nm程度である導電膜15を形成した。図1Aに示す形態と同様にn側電極21及びp側電極22を配置した。n側電極21は、n型半導体層11の上面と接続され、n側外部接続部21aとn側外部接続部21aから延伸するn側延伸部21bとを有する。p側電極22は、導電膜15の上面に形成され、p側外部接続部22aとp側外部接続部22aから延伸するp側延伸部22b、22cを有する。導電膜15には、図1Cに示す形態と同様に、電流の流れに従った複数の貫通孔を形成した。具体的には、導電膜15に、p側延伸部22cの先端部とn側外部接続部21aを最短で結ぶ線を第1の方向に沿った貫通孔と、n側延伸部21bとp側延伸部22cとが対向する方向を第2の方向に沿った貫通孔と、第1の方向及び第2の方向とは異なる方向に沿った貫通孔とを含む複数の貫通孔を形成した。長細の貫通孔は、9μm×2μmの長方形の角が丸みを帯びた形状とした。また、導電膜15の貫通孔による開口率は約10%とした。導電膜15に上記した貫通孔を形成した発光素子における光出力と順方向電圧Vfの値を測定した。
実施例1に係る発光素子を65mAの電流で駆動させたとき、光出力Poは148.3mW、順方向電圧Vfは2.90Vであった。
導電膜15に貫通孔を設けないこと以外は、実施例と略同様の構成を有する発光素子を比較例1として形成した。
比較例1に係る発光素子を65mAの電流で駆動させたとき、光出力Poは147.7mW、順方向電圧Vfは2.89Vであった。
導電膜15に設ける貫通孔を実施例とは異ならせたこと以外は、実施例と略同様の構成を有する発光素子を比較例2として形成した。具体的には、導電膜15に電流の流れを阻害する複数の貫通孔を形成した。つまり、比較例2に係る発光素子の導電膜15には、実施例で形成した複数の貫通孔それぞれに対応し、貫通孔の向きが実施例で形成した貫通孔の向きと略直交する向きの貫通孔を複数形成した。
比較例2に係る発光素子を65mAの電流で駆動させたとき、光出力Poは148.3mW、順方向電圧Vfは2.91Vであった。
11 n型半導体層
12 p型半導体層
13 発光層
14 絶縁膜
15 導電膜
15A~15H 貫通孔
16 基板
17 保護層
21 n側電極
21a n側外部接続部
21b n側延伸部
22 p側電極
22a p側外部接続部
22b、22c p側延伸部
Claims (5)
- n型半導体層、
前記n型半導体層の上面の一部を除く領域に設けられたp型半導体層、
前記n型半導体層の上面の一部と接し、前記p型半導体層に囲まれた、n側外部接続部と、前記n側外部接続部から延伸するn側延伸部とを有するn側電極及び
前記p型半導体層に電気的に接続された透光性を有する導電膜と、該導電膜の上面に配置されたp側外部接続部と、該p側外部接続部から前記n側外部接続部に向かって延伸する第1p側延伸部と、前記n側外部接続部の両側に向かって延伸する第2p側延伸部とを有するp側電極を備える発光素子であって、
前記導電膜は、貫通した複数の貫通孔を有し、
前記複数の貫通孔は、平面視において、前記第1p側延伸部の先端部と前記n側外部接続部を最短で結ぶ線に平行な第1の方向に沿って設けられた長細の形状を有する第1貫通孔と、前記第1の方向とは異なり、かつ前記n側延伸部と前記第1p側延伸部とが対向する第2の方向に沿って設けられた長細の形状を有する第2貫通孔と、前記第2p側延伸部の外側に配置された長細の形状を有する第3貫通孔とを少なくとも有する発光素子。 - 前記導電膜は、30%以下の前記貫通孔による開口率を有する請求項1に記載の発光素子。
- 前記第2の方向は、平面視において、前記第1の方向に対して90°±5°で交差する方向である請求項1又は2に記載の発光素子。
- 前記導電膜は、平面視において、湾曲した形状の貫通孔をさらに有する請求項1~3のいずれか1つに記載の発光素子。
- 前記第1貫通孔及び第2貫通孔は、最長10μm以下の大きさを有する請求項1~4のいずれか1つに記載の発光素子。
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