JP6332301B2

JP6332301B2 - 発光素子

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Publication number: JP6332301B2
Application number: JP2016033741A
Authority: JP
Inventors: 勇也山上; 大介森田
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2036-02-25
Also published as: US20170250312A1; JP2017152547A; US10297717B2; US10109769B2; US20190006560A1

Description

本発明は、発光素子に関する。

特許文献１には、半導体発光部の上面側に電極が形成され、半導体発光部の下面側には透明電極が形成され、その透明電極の下方に部分的に透明絶縁膜が形成され、さらに透明電極及び透明絶縁膜に接するように反射電極が形成された発光素子が記載されている。

ＷＯ２００６／００６５５５

上記した発光素子では、透明電極及び透明絶縁膜により光の一部が吸収されるので、光取出し効率を向上させることは難しい。そこで、本発明は、光取り出し効率が高い発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る発光素子は、半導体積層体と、前記半導体積層体の下方に設けられた導電性の基板と、を有する発光素子であって、前記半導体積層体の上面の一部に設けられた上部電極と、前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域と離間した領域に設けられた、前記半導体積層体と前記基板とを導通させる下部電極と、前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域と前記下部電極が設けられた領域との間の領域を含む領域に設けられた、前記半導体積層体と前記基板とを上下方向に導通させない非導通部と、を備えている。そして、前記非導通部は、前記半導体積層体の下面に設けられた光反射性を有する金属部材と、前記金属部材の下面に設けられ、前記半導体積層体と前記基板とが前記金属部材を介して上下方向に導通しないように設けられた絶縁部材と、を有する発光素子である。

以上の構成とすることにより、金属部材により半導体積層体からの光を効率良く反射できるため、光取り出し効率が高い発光素子とすることができる。

実施形態１に係る発光素子の構成を模式的に示す上面図である。実施形態１に係る発光素子の構成を模式的に示す部分断面図であり、図１のＡ−Ａ線における断面を示す。実施形態１に係る発光素子の構成を模式的に示す上面図である。実施形態１に係る発光素子の構成を模式的に示し、図３において破線で囲われた領域Ｒ１を拡大した部分拡大上面図である。実施形態２に係る発光素子の構成を模式的に示す部分断面図であり、図１のＡ−Ａ線における断面を示す。

＜実施形態１＞
図１は、本実施形態に係る発光素子１００の上面視を示す図である。図２は、発光素子１００の構成を説明するための部分断面図である。図３は、発光素子１００において半導体積層体１０の上面及び下面に設けられている部材が配置された領域を説明するための上面図である。図４は、発光素子１００の一部を拡大し、発光素子１００において半導体積層体１０の上面及び下面に設けられている部材の配置領域を説明するための部分拡大上面図である。図５は、実施形態２に係る発光素子２００の構成を説明するための部分断面図である。なお、図３及び図４において、ハッチングで示す領域は、半導体積層体１０の下面に設けられる下部電極１２及び金属部材１４の上面視から見たときに配置される領域を示すものであり、断面を示すものではない。

発光素子１００は、半導体積層体１０と、半導体積層体１０の下方に設けられた導電性の基板１８と、を有する。発光素子１００は、さらに、半導体積層体１０の上面の一部に設けられた上部電極１１と、半導体積層体１０の下面のうち上部電極１１の直下領域と離間した領域に設けられた、半導体積層体１０と基板１８とを導通させる下部電極１２と、半導体積層体１０の下面のうち上部電極１１の直下領域と下部電極１２が設けられた領域との間の領域を含む領域に設けられた、半導体積層体１０と基板１８とを上下方向に導通させない非導通部１３と、を備えている。そして、非導通部１３は、半導体積層体１０の下面に設けられた光反射性を有する金属部材１４と、金属部材１４の下面に設けられ、半導体積層体１０と基板１８とが金属部材１４を介して上下方向に導通しないように設けられた絶縁部材１５と、を有する。

これにより、半導体積層体１０からの光を金属部材１４により効率良く反射できるため、発光素子１００の光取り出し効率を向上させることができる。以下、この点について説明する。

半導体積層体の上面に上部電極、下面に下部電極が設けられている発光素子では、半導体積層体における上部電極と下部電極との間に電流が流れることにより、半導体積層体が発光する。このとき、上部電極と下部電極を最短距離で結ぶ領域に電流が流れやすく、その領域のみが強く発光しやすい。そこで、本実施形態では、下部電極１２を半導体積層体１０の下面のうち上部電極１１の直下領域と離間した領域に設けることで、半導体積層体１０のうち、上部電極１１の直下領域ではなく、上面視において上部電極１１と下部電極１２との間に位置する領域を主な電流経路としている。つまり、本実施形態では、半導体積層体１０の広い範囲に電流が拡散されやすくなり発光領域を大きくすることができる。このとき、上面視において、半導体積層体１０のうち上部電極１１と下部電極１２との間の領域は、上部電極と下部電極を最短距離で結ぶ領域に相当するため、他の領域に比較して強く発光する傾向にある。そこで、本実施形態では、その領域の下方に位置する半導体積層体１０の下面に、光反射性を有する金属部材１４を直接配置している。つまり、半導体積層体１０と金属部材１４との間に何も介在させないことで、半導体積層体１０からの光を効率良く反射できるため、発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。

以下、図を参照しながら発光素子１００の構成について説明する。

半導体積層体１０は、図２に示すように、基板１８が配置されている側から順に、ｐ側半導体層１０ｐと、活性層１０ａと、ｎ側半導体層１０ｎと、が積層されてなる。半導体積層体１０の上面視形状は、１辺が約２ｍｍの略正方形である。ｎ側半導体層１０ｎ、活性層１０ａおよびｐ側半導体層１０ｐには、例えば、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）などの窒化物半導体を用いることができる。

上部電極１１は、図１及び図２に示すように、半導体積層体１０の上面の一部に設けられ、ｎ側半導体層１０ｎと電気的に接続されている。つまり、本実施形態において、上部電極１１は、負の極性を備えたｎ電極として機能する。

上部電極１１は、外部接続部１１ａと、外部接続部１１ａから延伸する延伸部１１ｂと、を備えている。外部接続部１１ａは、ワイヤーなどの外部部材と接続するための領域であり、延伸部１１ｂは、外部接続部１１ａに供給された電流を半導体積層体１０の上面に拡散させるための電極である。図１に示すように、半導体積層体１０の上面に、複数の外部接続部１１ａが設けられており、それぞれの外部接続部１１ａに延伸部１１ｂが設けられている。上部電極１１には、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉなどの金属、又はこれらの金属を積層した多層構造を用いることができる。

下部電極１２は、半導体積層体１０の下面の一部に設けられ、ｐ側半導体層１０ｐと電気的に接続されている。つまり、本実施形態において、下部電極１２は、正の極性を備えたｐ電極として機能する。図３において左上がりの斜線のハッチングを施して示す第１領域１２Ｒは下部電極１２が設けられている領域である。図３から理解できるように、下部電極１２は、半導体積層体１０の下面のうち上部電極１１の直下領域と離間した領域に設けられている。これにより、半導体積層体１０のうち上部電極１１の直下領域以外に電流が流れやすくなり、半導体積層体１０の広い範囲に電流が拡散されることで、発光素子１００の発光領域を増加させることができる。

下部電極１２は、半導体積層体１０からの光を、半導体積層体１０において主な光取り出し面となる、半導体積層体１０のうち上部電極１１が設けられた上面側に反射するので、発光素子１００の光取り出し効率を向上させることができる。そのため、下部電極１２は高い反射率を有する金属を用いて形成されることが好ましく、例えば、Ａｇ、Ａｌなどの金属、又はこれらの金属を主成分とする合金を用いることができる。

図２に示すように、非導通部１３は、半導体積層体１０の下面のうち、上部電極１１の直下領域と下部電極１２が設けられた領域との間の領域を含む領域に設けられている。言い換えると、図３及び図４に示すように、非導通部１３は、上面視において、上部電極１１と下部電極１２との間の領域を含む領域に位置する、半導体積層体１０の下面に設けられている。非導通部１３は、光反射性を有する金属部材１４と、絶縁部材１５とを有しており、半導体積層体１０と基板１８とを上下方向に導通させないために設けられる。ここで、上面視において、半導体積層体１０のうち、上部電極１１と下部電極１２との間に位置する領域は、電流が供給されやすく他の領域に比較して強く発光する傾向にある。そのため、その領域に位置する半導体積層体１０の下面に、金属部材１４を形成し、金属部材１４の下方と上部電極１１の直下領域に絶縁部材１５を設けることで、電流を広げつつ、半導体積層体１０からの光を金属部材１４で効率よく反射することができる。

図２に示すように、非導通部１３は、半導体積層体１０の下面のうち、上部電極１１の直下領域と、上部電極１１の直下領域と下部電極１２が設けられた領域との間の領域と、に設けられている。また、図３及び図４に示すように、非導通部１３は、上面視において、上部電極１１が設けられている領域よりも大きく形成されている。ここで、上部電極１１の直下領域における半導体積層体１０からの光は、上部電極１１により反射、または吸収されやすく発光素子１００から取り出すことが難しい。そのため、上部電極１１の直下領域に非導通部１３を設け、上部電極１１の直下領域以外の領域を主な発光領域とすることで、発光素子１００の光取り出し効率を向上できる。

金属部材１４は半導体積層体１０の下面に設けられ、絶縁部材１５は金属部材１４の下面に設けられている。言い換えれば、半導体積層体１０の下面に設けられた金属部材１４の下面は、絶縁部材１５により被覆されている。ここで、ＳｉＯ_２などの絶縁部材のみで非導通部を形成した場合、半導体積層体１０からの光のうち、絶縁部材に対して、低角度で入射する光は反射できるが、高角度で入射する光は反射することができない。本実施形態においては、半導体積層体１０の下面に金属部材１４を配置し、その金属部材１４の下面を絶縁部材１５により被覆している。これにより、非導通部１３における絶縁性を保ちながら、光の入射角に関係なく金属部材１４で光を反射できるため、光取り出し効率を向上させることができる。なお、金属部材１４の下面とは、半導体積層体１０に接している部分以外の部分である。また、光取り出し効率を向上させるために、半導体積層体１０の下面のうち、非導通部１３とする領域全域に金属部材１４を設けても良い。

金属部材１４は、半導体積層体１０の下面のうち、上部電極１１の直下領域と、下部電極１２が設けられた領域との間の領域に設けられ、絶縁部材１５は、半導体積層体１０の下面のうち、上部電極１１の直下領域と、金属部材１４の下面とに連続して設けられている。また、図４において右上がりの斜線のハッチングを施して示す第２領域１４Ｒは、金属部材１４が設けられる領域である。これにより、半導体積層体１０のうち上部電極１１の直下領域での絶縁性を確保しながら、金属部材１４と基板１８とが上下方向に導通しないようにすることができる。また、絶縁部材１５を、上部電極１１の直下領域と、金属部材１４の下面とに連続して設けることが好ましい。つまり、絶縁部材１５を、上部電極１１の直下領域と、金属部材１４の下面と、の双方に一体的に設けることで、上部電極１１の直下領域と、金属部材１４とに別々の絶縁部材をそれぞれ設ける場合に比較して、半導体積層体１０の下面において、絶縁部材間における半導体積層体１０と基板１８との導通を抑制できる。これにより、非導通部１３における絶縁性をより確保しやすくすることができる。なお、絶縁部材１５は、上部電極１１の直下領域よりも大きい。つまり、上面視において、絶縁部材１５は、上部電極１１よりも大きく形成される。また、絶縁部材１５を一体的に設けるとは、１つの工程で１つの材料を用いて設けることを指す。

図２等に示すように、金属部材１４は、半導体積層体１０の下面のうち、上部電極１１の直下領域と下部電極１２が設けられた領域との間の領域のみに設けられることが好ましい。半導体積層体１０の下面のうち、非導通部１３とする領域全域に金属部材１４を設けることで光取り出し効率を向上できるが、金属部材１４を設ける領域が大きくなるため、金属部材１４を介して上下方向に導通する虞が高くなってしまう。そこで、金属部材１４を設ける領域を、半導体積層体１０の下面のうち、上部電極１１の直下領域と下部電極１２が設けられた領域との間の領域のみとすることで、金属部材１４が設けられた領域が導通部となる事態を生じにくくすることができる。これにより、光取り出し効率を向上させつつ、発光素子１００の信頼性も向上させることができる。

非導通部１３は、図３及び図４に示すように、上面視において、上部電極１１の外部接続部１１ａの直下領域と、上部電極１１の延伸部１１ｂの直下領域と、を含む領域に設けられている。これにより、上記した非導通部１３による効果が得られる領域が増加し、発光素子１００の光取り出し面における輝度むらを改善できる。

金属部材１４は、Ａｌ、Ａｇなどの金属、またはこれらの金属を主成分とする合金を用いることが好ましい。これにより、効率よく光を反射できる。

金属部材１４の厚みは、半導体積層体１０からの光を反射するために十分な厚みである０．２μｍ以上とすることが好ましい。また、製造コストを削減するために、金属部材１４の厚みは、０．５μｍ以下とすることが好ましい。

絶縁部材１５は、半導体積層体１０と基板１８とが金属部材１４を介して上下方向に導通しないように設けられる。つまり、半導体積層体１０の下面のうちに金属部材１４が設けられた領域が、半導体積層体１０と基板１８とを導通する領域とならないように設けられる。

絶縁部材１５の材料には、絶縁性の観点から、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮを用いることができる。

絶縁部材１５の厚みは、絶縁性が確保できるように０．０５μｍ以上とすることが好ましく、０．１μｍ以上とすることがさらに好ましい。また製造コストを削減するために、絶縁部材１５の厚みは、１μｍ以下とすることが好ましく、０．５μｍ以下とすることがさらに好ましい。

保護膜１６は、半導体積層体１０及び上部電極１１の表面の略全面を被覆して設けられ、発光素子１００を保護する機能を有する。なお、外部との接続を確保するために、外部接続部１１ａの一部の領域には保護膜１６は設けられておらず、この領域に導電性のワイヤーなどがボンディングされ、外部の電源と電気的に接続される。保護膜１６には、前記した絶縁部材１５と同様の材料を用いることができる。本実施形態では、保護膜１６にＳｉＯ_２を用いている。

接合部材１７は、半導体積層体１０と基板１８との間に設けられ、両者を接合させるために設けられる。このとき、半導体積層体１０に設けられた下部電極１２と基板１８とは、接合部材１７を介して導通している。接合部材１７は、半導体積層体１０の下面の略全域と、基板１８の上面とに設けられ、半導体積層体１０と基板１８とを互いに接合する。そのため、半導体積層体１０の下面に非導通部１３が設けられていない場合、半導体積層体１０の下面の略全域が導通部となるため、上部電極１１に供給された電流を広い範囲に拡散することが難しい。本実施形態では、上部電極１１の直下領域における半導体積層体１０の下面に非導通部１３を設けることにより、半導体積層体１０と基板１８とを導電性の接合部材１７を用いて導通させる場合であっても、半導体積層体１０の広い範囲に電流を拡散し発光素子１００の発光領域を増加させることができる。接合部材１７には、接合性及び導電性の観点から、例えば、ＡｕＳｎ、ＮｉＳｎ、ＡｇＳｎなどを主成分とするはんだ材料を用いることが好ましい。

基板１８は、導電性を有し、半導体積層体１０の下方に設けられている。基板１８には、例えば、ＣｕＷ、Ｓｉ、Ｍｏを用いることができる。

＜実施形態２＞
本実施形態に係る発光素子２００について、図５を参照して説明する。

発光素子２００は、半導体積層体１０の下面に設けられる非導通部１３が有する、金属部材１４及び絶縁部材１５の構成が実施形態１と異なっている。その他の構成については実施形態１と同様である。

図５に示すように、金属部材１４は、半導体積層体１０の下面のうち上部電極１１の直下領域と下部電極１２が設けられた領域との間に設けられている。さらに、半導体積層体１０の下面のうち、上部電極１１の直下領域に設けられた第１絶縁部材１５ａと、金属部材１４の下面に、半導体積層体１０と基板１８とが金属部材１４を介して上下方向に導通しないように設けられた第２絶縁部材１５ｂを有している。つまり、上部電極１１の直下領域は、第１絶縁部材１５ａにより絶縁され、金属部材１４が設けられた領域は、金属部材１４の下面に設けられた第２絶縁部材１５ｂにより絶縁されている。このとき、第２絶縁部材１５ｂは、半導体積層体１０と基板１８とが金属部材１４を介して上下方向に導通しないように設けられている。この構成によれば、上部電極１１の直下領域、金属部材１４が設けられた領域、それぞれの領域に適した絶縁部材を選択し設けることができるため、絶縁性を確保しやすい。このような形態であっても、実施形態１と同様に、発光素子２００の光取り出し効率を向上できる。

第１絶縁部材１５ａ及び第２絶縁部材１５ｂには、上記した絶縁部材１５と同様の材料を用いることができる。また、第１絶縁部材１５ａ及び第２絶縁部材１５ｂを同一の材料を用いて形成してもよい。

第２絶縁部材１５ｂは、金属部材１４に含まれる金属を主成分とする酸化膜により形成されていることが好ましい。これにより、金属部材１４と第２絶縁部材１５ｂとの密着性が向上し、金属部材１４と基板１８との導通を安定して抑制できるため、発光素子２００の信頼性を向上できる。例えば、金属部材１４にアルミニウムを用いた場合、第２絶縁部材１５ｂは金属部材１４の下面が酸化されることによって得られるＡｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）で構成される。この構成によれば、アルミニウムは高い反射率を有し、酸化アルミニウムは絶縁性を有するため、半導体積層体１０の下面において金属部材１４が設けられた領域の絶縁性を保ちつつ光取り出し効率を向上させることができる。

以上、実施形態１及び実施形態２について説明したが、これらの説明は本発明を何ら限定するものではない。

１０半導体積層体
１０ｎｎ側半導体層
１０ａ活性層
１０ｐｐ側半導体層
１１上部電極
１１ａ外部接続部
１１ｂ延伸部
１２下部電極
１２Ｒ第１領域
１３非導通部
１４金属部材
１４Ｒ第２領域
１５絶縁部材
１５ａ第１絶縁部材
１５ｂ第２絶縁部材
１６保護膜
１７接合部材
１８基板
１００、２００発光素子

Claims

半導体積層体と、前記半導体積層体の下方に設けられた導電性の基板と、を有する発光素子であって、
前記半導体積層体の上面の一部に設けられた上部電極と、
前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域と離間した領域に設けられた、前記半導体積層体と前記基板とを導通させる下部電極と、
前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域と前記下部電極が設けられた領域との間の領域を含む領域に設けられた、前記半導体積層体と前記基板とを上下方向に導通させない非導通部と、を備え、
前記非導通部は、前記半導体積層体の下面に設けられた光反射性を有する金属部材と、前記金属部材の下面に設けられ、前記半導体積層体と前記基板とが前記金属部材を介して上下方向に導通しないように設けられた絶縁部材と、を有し、
前記金属部材は、前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域と前記下部電極が設けられた領域との間の領域に設けられ、
前記絶縁部材は、前記半導体積層体の下面のうち、前記上部電極の直下領域と、前記金属部材の下面と、に連続して設けられている発光素子。
前記非導通部は、前記半導体積層体の下面のうち、前記上部電極の直下領域と、前記上部電極の直下領域と前記下部電極が設けられた領域との間の領域と、に設けられている請求項１に記載の発光素子。
半導体積層体と、前記半導体積層体の下方に設けられた導電性の基板と、を有する発光素子であって、
前記半導体積層体の上面の一部に設けられた上部電極と、
前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域と離間した領域に設けられた、前記半導体積層体と前記基板とを導通させる下部電極と、
前記半導体積層体の下面のうち前記上部電極の直下領域と前記下部電極が設けられた領域との間の領域に設けられた、光反射性を有する金属部材と、
前記半導体積層体の下面のうち、前記上部電極の直下領域に設けられた第１絶縁部材と、
前記金属部材の下面に、前記半導体積層体と前記基板とが前記金属部材を介して上下方向に導通しないように設けられた第２絶縁部材と、を有する発光素子。
前記第２絶縁部材は、前記金属部材に含まれる金属を主成分とする酸化膜である請求項３に記載の発光素子。
前記酸化膜は、酸化アルミニウムから構成されている請求項４に記載の発光素子。
前記金属部材は、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金からなる請求項１乃至５の何れか一項に記載の発光素子。